10-夏季西太平洋副热带高压异常时的东亚大气环流特征

3国家自然科学基金资助项目40135020及中国科学院资源环境领域知识创新工程重要方向项目K ZCX2-203和ZK CX2-SW -210共同资助

夏季西太平洋副热带高压异常时的

东亚大气环流特征

3张庆云　陶诗言

(中国科学院大气物理研究所,北京100080)

摘　要　　利用NC AR/NCEP 月平均再分析资料,探讨夏季西太平洋副热带高压异常时东亚热带季风、梅雨锋及中高纬环流的变化特征。研究表明:夏季西太平洋副热带高压脊线异常偏南或脊点异常偏西时,东亚夏季风环流偏弱,850hPa 矢量风距平场上东亚热带地区出现反气旋性环流,副热带地区呈气旋性环流,500hPa 垂直速度距平场上东亚热带地区上升运动减弱,梅雨锋区上升运动加强,500hPa 高度上东亚高纬鄂霍次克海区域出现阻塞高压,高纬冷空气直达中纬度,梅雨锋扰动加强,造成江淮流域汛期降水偏多。夏季西太平洋副热带高压脊线异常偏北或脊点异常偏东时,东亚夏季风环流偏强,东亚大气环流系统的活动出现了与上述情况相反的异常型,江淮流域汛期降水偏少。

关键词:副热带高压;大气环流;夏季降水

1　引言

西太平洋副热带高压(简称西太副高)位于北半球对流层中层西太平洋上,夏季其南侧的区域受西南和东南气流影响形成东亚热带辐合带(季风槽),其北部区域受北上的西南和东南气流形成的偏南气流与来自中高纬度的西北和东北气流影响形成东亚副热带辐合带(梅雨锋)。夏季中国东部的天气和气候状况与东亚地区这两条辐合带的强弱变化密切相关[1～3]。近年来,中国气象工作者除了对北太洋副热带高压变化做了深入研究外[4～7],还对夏季副高与东亚环流及天气—气候的变化做了大量研究,发现夏季东亚天气气候的异常与西太平洋副热带高压异常有关,西太副高位置及强度的年际、季内异常造成东亚天气、气候的异常[8～11]。许多研究还指出夏季西太平洋副热带高压形态的南北向和东西向的位移,不仅有显著的年际变化,还有显著的季内变化[12～17],西太副高的变化还受东亚高纬环流的制约和影响[18,19]。然而迄今为此,夏季西太副高异常时其东亚热带、副热带及中高纬度环流间的联系及其特征并不十分清楚。为了弄清夏季西太副高异常时东亚大气环流演变过程各系统的变化特征及其天气气候异常的物理成因,本文根据NCEP/NC AR 月平均再分析资料和国家气候中心提供的1951～1998年逐月西太平洋副热带高压脊线和脊点位置,探讨夏季季节内西太副高异常时

第27卷第3期2003年5月大气科学Chinese Journal of Atm ospheric Sciences V ol 127　N o 13May 　2003

东亚热带、副热带季风环流及中高纬环流的演变及其中国东部汛期降水的特征。

2　夏季西太副高异常时东亚季风环流特征

由于亚洲夏季风的建立,北半球副热带高压系统在东经60～120°E的亚洲季风区内出现断裂,夏季北太平洋副热带高压中心一直位于北太平洋160～180°E处,多年6～8月平均的西太副高西伸脊点位于120°E,脊线位于2416°N。多年平均的6、7、8各月西太副高西伸脊点分别位于118°E、121°E、122°E,这表明6～8月西太副高西脊点位置是逐渐东撤。多年平均的西太副高脊线4月位于1411°N,5月位于1610°N,6月位移到2013°N,7月到达2512°N,8月位于2715°N,西太副高脊线位置变化在5～8月最强烈, 5～8月平均北移1115°。夏季西太副高脊线、脊点位置不仅有较大的年际变化还有显著的月际变化,北半球副热带高压的年际、季节和季内变化,在亚洲季风区表现最为显著。故本文对夏季6、7、8各月西太副高变化分别进行讨论。我们定义夏季各月西太副高西伸脊点位置与相应月的多年月平均差值大于15°则称西伸脊点位置偏东,小于-15°则称西伸脊点位置偏西;夏季各月西太副高脊线位置与相应月的多年月平均差值大于3°则脊线位置偏北,小于-3°则脊线位置偏南。

根据国家气候中心提供的1951～1998年各月西太平洋副热带高压脊线位置资料,分别对6、7、8各月西太平洋副热带高压脊线、脊点位置(图略)变化做了分析,6月西太副高脊线变化图表明,1969、1973、1993和1995年副高脊线位置偏南(位于17°N);1955、1961、1963、1974和1976年西太副高脊线位置偏北(位于23°N)。图1a

是6月西太副高脊线位置偏南年850hPa矢量风距平合成图,从图可见,矢量风距平场上的东亚热带地区(10～20°N)出现一个闭合的反气旋性环流,表明东亚热带季风环流偏弱;东亚中纬度地区(30～40°N)为一个闭合的气旋性环流,说明东亚梅雨锋区环流加强。我们对7月和8月西太副高脊线偏南年(注:6、7、8月各自异常年不一定相同)也分别做850hPa矢量风距平合成图(图略),发现它们都与6月情况相似,即7月或8月西太副高脊线偏南时,850hPa矢量风距平场上东亚—西太平洋上的热带地区呈现为反气旋性环流,副热带地区矢量风距平为气旋性环流,由于脊线变化存在季内北移现象,其中心位置比6月略偏北,这说明夏季西太副高脊线位置异常偏南时,东亚夏季风环流减弱。图1b是6月西太副高脊线偏北年850hPa矢量风距平合成图。从图1b可见,矢量风距平场上东亚—西太平洋热带地区呈气旋性环流,表明东亚热带季风环流加强;中纬度呈反气旋性环流,说明梅雨锋区环流减弱。我们对7月和8月的西太副高脊线偏北年分别做850hPa矢量风距平合成图(图略),发现它们都与6月情况相似,即7月或8月西太副高脊线偏北,850hPa矢量风距平场上东亚—西太平洋的热带地区呈现为气旋性环流,中纬度地区矢量风距平为反气旋性环流,这说明夏季西太副高脊线位置异常偏北时,东亚夏季风环流加强。

1951～1998年6、7、8各月西太平洋副热带高压西伸脊点变化图(图略)表明, 1960、1963、1974、1984、1985和1986年6月副高西伸脊点位置异常偏东,位于135°E 左右,1953、1954、1959、1979、1980、1983、1987、1993和1995年6月西太副高西伸脊点位置异常偏西,位于100°E左右。

图1　6月850hPa 矢量风距平合成图(单位:m s -1)

(a )西太副高脊线异常偏南;(b )西太副高脊线异常偏北

图2a 是6月西太副高西伸脊点偏西年(100°E 左右)850hPa 矢量风距平合成图。850hPa 矢量风距平场上东亚—西太平洋热带地区出现一个闭合的反气旋性环流,其中心位于(20°N ,125°E )(图2a ),中纬度地区的矢量风距平呈现为气旋性环流。对7月和8月西太副高脊点偏西年分别做850hPa 矢量风距平合成图(图略),发现它们亦与6月情况相似,即西太平洋热带地区矢量风距平为反气旋性环流,中纬度地区呈现为气旋性环流,东亚夏季风环流减弱。图2b 是6月西太副高西伸脊点偏东年(135°E 左右)850hPa 矢量风距平合成图。850hPa 矢量风距平场上的西太平洋上热带地区呈气旋性环流,其中心位于(20°N ,130°E ),西太平洋的中纬度地区呈反气旋性环流(图2b ),说明梅雨锋区的低压环流减弱,而东亚热带季风环流加强。7月和8月西太副高脊点偏东年的850hPa 矢量风距平合成图(图略),都与6月西太副高脊点偏东年情况相似,即东亚热带季风环流加强而东亚梅雨锋区低压环流减弱。

进一步分析发现,西太副高西伸脊点位置异常偏西与脊线位置异常偏南时的环流特征相似:即东亚热带地区出现反气旋性距平环流,东亚梅雨锋区出现气旋性距平环流(见图1a 和2a ),此时东亚夏季风环流偏弱;西太副高西伸脊点异常偏东与脊线位置异常偏北时的环流特征相似:即东亚热带地区出现气旋性距平环流,东亚梅雨锋区出现反气旋性距平环流(见图1b 和图2b ),东亚夏季风环流偏强。上述现象与我们所看到的实际天气过程一致,即西太副高脊线位置偏南时其西脊点位置往往偏西,东亚

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73　3期张庆云等:夏季西太平洋副热带高压异常时的东亚大气环流特征

图2　6月850hPa 矢量风距平合成图(单位:m s -1)

(a )西太副高脊点异常偏西;(b )西太副高脊点异常偏东

夏季风环流减弱;西太副高脊线位置偏北时其西脊点位置往往偏东,东亚夏季风环流加强。

为了进一步说明西太副高脊线、脊点位置异常时东亚夏季风环流强弱特征,图3a 、b 、c 、d 分别给出6月西太副高脊线偏南、偏北及脊点偏西、偏东时500hPa 高度上垂直速度距平图。图3表明,西太副高脊线偏南(图3a )与西太副高脊点偏西(图3c )的情况相似,即东亚热带季风槽区垂直速度的距平值大于0,而东亚梅雨锋区垂直速度的距平值小于0(w >0表示下沉运动,w <0表示上升运动),可见夏季西太副高脊线偏南或西脊点偏西时,东亚热带季风槽区辐合上升运动减弱(东亚夏季风环流较弱),梅雨锋区辐合上升运动加强。西太副高脊线偏北(图3b )与西太副高脊点偏东(图3d )的情况相似,垂直速度距平场上东亚热带季风槽区w <0,梅雨锋区w >0,可见夏季西太副高脊线偏北或西脊点偏东时,东亚热带季风槽区辐合上升运动加强(东亚夏季风环流较强),梅雨锋区辐合上升运动减弱。

综上所述,夏季位于西太副高两侧的东亚热带季风槽和梅雨锋的强度与西太副高形态异常有关。东亚季风区的风场和垂直速度场的变化表明,西太副高西脊点偏西或脊线偏南,东亚夏季风环流减弱;西太副高西脊点偏东或脊线偏北,东亚夏季风环流加强。

273　　大　　气　　科　　学27卷　

图3　6月500hPa 垂直速度距平合成图(单位:Pa s -1,w >0表示下沉运动,w <0表示上升运动)

(a )西太副高脊线偏南;(b )脊线偏北;(c )脊点偏西;(d )脊点偏东

3　夏季西太副高异常时中高纬环流特征

夏季西太副高形态异常时东亚季风区的风场及垂直速度场都出现异常。夏季西太副高形态异常时500hPa 位势高度场上东亚中高纬环流有何异常特征?

图4a 是6月西太副高脊线位置偏南年500hPa 位势高度距平合成图。在500hPa 位势高度距平场上,东亚低纬度25°N 以南地区为正距平,中纬度25～45°N 是负距平区,高纬鄂霍次克海区域是正距平区。500hPa 位势高度距平场上东亚地区出现一个南北向的+-+的距平波列,此外欧亚(0～150°E )高纬地区也呈现一个东西向的+-+的距平波列(见图4a )。500hPa 位势高度距平场上欧亚地区出现了南、北向和东、西向的+-+两支距平波列,这两支距平波列的正距平区交汇高纬鄂霍次克海地区,形成鄂霍次克海阻塞高压。图4b 是6月西太副高脊线位置偏北年500hPa 位势高度距平合成图。500hPa 位势高度距平场上东亚高、中、低纬分别呈现为-+-的位势高度距平波列,同时在欧亚(0～150°E )高纬地区出现东、西向的-+-距平波列(见图4b )。这两支距平波列的负距平区交汇鄂霍次克海区域,东亚高纬鄂霍次克海地区位势高度偏低,没有出现阻塞。

综上可见,夏季西太副高脊线位置偏南,500hPa 位势高度场上欧亚地区出现+-+两支距平波列,高纬鄂霍次克海地区受正距平区控制,有利鄂霍次克海阻塞高压的建立和维持。夏季西太副高脊线位置偏北,500hPa 位势高度场上欧亚地区出现-+-两支距平波列,高纬鄂霍次克海地区受负距平控制,不利于阻高在鄂霍次克海地区的建立和维持。

夏季鄂霍次克海地区形势变化与西太平洋副热带高压形态异常有关,西太平洋副

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73　3期张庆云等:夏季西太平洋副热带高压异常时的东亚大气环流特征

图4　6月500hPa 位势高度距平合成图(单位:gpm )(

a )西太副高脊线异常偏南年;(

b )西太副高脊线异常偏北年

图5　6月700hPa 温度距平合成图(单位:K )

(a )西太副高脊线异常偏南年;(b )西太副高脊线异常偏北年

热带高压形态异常时东亚中、高纬冷空气活动有何特征?图5a 是6月西太副高脊线位置偏南年700hPa 温度距平合成图。夏季西太副高脊线位置偏南时,700hPa 温度场上东亚中纬度30～50°N 为负距平区(见图5a ),表明东亚中纬度温度偏低。图5b 是6月西473　　大　　气　　科　　学27卷　

太副高脊线位置偏北年700hPa 温度距平合成图。700hPa 温度场上东亚中纬度30～50°N 为正距平区(见图5b ),表明东亚中纬度温度偏高。为什么夏季西太副高脊线位置偏南,东亚中纬度温度偏低,脊线位置偏北,东亚中纬度温度偏高?分析表明,西太副高脊线位置偏南时,鄂霍次克海地区出现阻塞型,由于阻塞高压的存在,高纬冷空气直接南下到东亚中纬度地区,造成东亚中纬度温度偏低;副高脊线位置偏北年,鄂霍次克海地区没有出现阻塞形势,冷空气路径沿着高纬向东扩展,没有直接南下,造成东亚中纬温度偏高。

综上可见,夏季东亚中高纬环流的异常与西太副高形态异常密切相关。夏季西太副高脊线位置偏南,东亚鄂霍次克海地区出现阻塞型,高纬冷空气直达中纬度地区,造成东亚中纬度温度偏低;西太副高脊线位置偏北,东亚鄂霍次克海地区无阻塞型,冷空气路径沿着高纬东传,东亚中纬度温度偏高。

4　夏季西太副高形态异常与中国东部汛期降水

上面讨论了夏季西太平洋副热带高压形态异常时东亚季风环流、中高纬环流及冷空气的异常特征。本节探讨夏季江淮流域降水异常时西太副高形态

、东亚季风环流及图6　6～7月平均的850hPa 矢量风距平图(单位:m s -1)

(a )1978年;(b )1998年

中高纬环流特征。夏季江淮流域降水时段主要集中在6月和7月,故我们重点分析6～7月西太副高形态特征(脊点、脊线)。

我们进一步分析了江淮流域汛期降水偏多的1998年、偏少的1978年6～7月东亚季风环流、中高纬环流及冷空气的活动。图6a、b分别给出1978年、1998年6～7月平均的850hPa矢量风距平图。降水偏少年矢量风距平场上30°N以南的东亚热带地区呈气旋性环流,30°N以北的东亚中纬度呈反气旋性环流(见图6a),表明东亚热带季风环流加强、梅雨锋减弱,这种分布特征与西太副高脊线偏北年的形势一致;降水偏多年矢量风距平场上30°N以南的东亚热带地区呈反气旋性环流,30°N以北的东亚中纬度呈气旋性环流(见图6b),说明东亚热带季风环流减弱、梅雨锋加强,这种分布特征与西太副高脊线偏南年的形势一致。

图7　6～7月平均的500hPa垂直速度距平图(单位:Pa s-1,w>0表示下沉运动,w<0表示上升运动)

(a)1978年;(b)1998年为了更清楚地说明降水多寡年东亚热带和副热带季风环流强弱变化,图7a、b分别给出1978、1998年6～7月平均的500hPa垂直速度的距平图。降水偏少年东亚热带季风槽区垂直速度距平值小于0,而梅雨锋区垂直速度的距平值大于0(见图7a),表明东亚热带季风区辐合上升运动加强,梅雨锋区辐合上升运动减弱,这种分布特征与西太副高脊线偏北年的形势一致。降水偏多年东亚热带季风槽区垂直速度距平值大于0,而梅雨锋区垂直速度的距平值小于0(见图7b),表明东亚热带季风区辐合上升运动减弱,梅雨锋区辐合上升运动加强,这种分布特征与西太副高脊线偏南年的形势一致。

图8a、b分别给出1978、1998年6～7月平均的500hPa高度距平图。降水偏少年500hPa位势高度距平场上,东亚高、中、低纬分别呈现为低、高、低的位势高度距平波列,同时在欧亚(0～150°E)高纬地区出现东、西向的低、高、低距平波列(见图8a)。鄂霍次克海区域是两支距平波列的负距平区,表明鄂霍次克海地区位势高度偏低,没有出现阻塞高压,东亚环流这种分布特征与西太副高脊线偏北年的合成图相似。降水偏多年500hPa位势高度距平场上,东亚高、中、低纬分别呈现为高、低、高的位势高度距平波列,同时在欧亚(0～150°E)高纬地区出现东、西向的高、低、高距平波列(见图8b)。鄂霍次克海区域是两支距平波列的正距平区,表明鄂霍次克海地区位势高度偏高,出现阻塞高压。东亚环流这种分布特征与西太副高脊线偏南年形势相似。

图9a、b分别给出1978、1998年6～7月平均的700hPa温度距平图。降水偏少年

图8　6～7月平均的500hPa高度距平图(单位:gpm)

(a)1978年;(b)1998年的冷空气沿着高纬向东扩展,东亚高纬为温度负距平区,江淮流域为正距平区(见图9a),中高纬温度距平的这种特征与副高脊线位置偏北年温度距平场的形势相似。降水偏多年东亚高纬为温度正距平区,江淮流域为负距平区(见图9b),表明江淮流域冷空气较强,中高纬温度距平的这种分布与副高脊线位置偏南年温度距平场的形势相似。

图9　6～7月平均的700hPa温度距平图(单位:K)

(a)1978年;(b)1998年

从上可见,夏季江淮流域降水偏多、偏少年850hPa东亚季风环流、700hPa温度场及500hPa高度场的形势有明显不同。夏季江淮流域降水偏多年,鄂霍次克海地区出现阻塞高压,江淮流域冷空气偏强,梅雨锋低压扰动加强,东亚季风环流偏弱,这种环流特征与西太副高脊线偏南、脊点偏西的环流型一致;夏季江淮流域降水偏少年,鄂霍次克海地区无阻塞高压,江淮流域冷空气偏弱,梅雨锋低压扰动减弱,东亚季风环流加强,这种环流特征与西太副高脊线偏北、脊点偏东的环流型一致。这表明西太副高形态位置的异常对东亚大气环流及江淮流域汛期降水的多寡有重要影响。夏季西太平洋副热带高压的异常是造成东亚大气环流及天气气候异常的最重要原因之一。

5　结论

本文分析了夏季西太平洋副热带高压形态异常时的东亚环流特征,探讨了江淮流域汛期降水异常时的东亚环流型。研究表明夏季江淮流域降水异常偏多(少)时的东亚热带季风槽、梅雨锋、中高纬度环流型及冷空气的活动与西太平洋副热带高压脊线异常偏南(北)、脊点偏西(东)时的环流特征一致。夏季西太平洋副热带高压形态异常是东亚大气环流及天气气候异常的最重要原因之一。主要结论如下:

(1)多年平均的6～8月西太平洋副热带高压脊线位于2413°N,脊点位于120°E。夏季西太副高脊线比正常位置偏南或脊点偏西时,500hPa高度场上亚洲地区的大气环流出现南北向和东西向的两支+-+的距平波列,鄂霍次克海地区为阻塞高压控制,高纬冷空气路径偏南,东亚中纬度冷空气偏强,梅雨锋区低压扰动加强,东亚夏季风环流减弱,夏季江淮流域降水偏多。

(2)夏季西太副高脊线比正常位置偏北或脊点偏东时,500hPa高度场上亚洲地区的大气环流出现南北向和东西向的两支-+-的距平波列,鄂霍次克海地区无阻塞型控制,高纬冷空气路径偏北,东亚中纬度冷空气偏弱,梅雨锋区低压扰动减弱,东亚夏季风环流加强,夏季江淮流域降水偏少。

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Western P acific and Their Association with

Circulation over E ast Asia during Summer

Zhang Qingyun and T ao Shiyan

(Institute o f Atmospheric Physics,Chinese Academy o f Sciences,Beijing100080)

Abstract　　During summer the rain fall in Eastern China depended on the intensity of East Asian summer m ons oon circulation,the positions of the subtropical anticyclone over the western Pacific and the blocking situation in high lati2 tude1I t was pointed out that the intensity of East Asian summer circulation and the situation in high latitude over Asia were related to the aspects of subtropical anticyclone over the western Pacific1There is a large inter2annual variability for the ridge2line of the subtropical anticyclone over the western Pacific1The annual variability of the intensity of East Asian summer circulation is affected by the variation of the ridge2line of the subtropical anticyclone over the western Pacific1There are tw o convergence zones in East Asian summer m ons oon system,one is over the S outh China Sea which is called the tropical m ons oon trough(or IT CZ),the other is over the Y angtze2Huaihe River Valley that is called the Meiyu(or Baiu)frontal zone1There is a seesaw variation for the intensity between the tropical m ons oon trough and Meiyu front over East Asia1When the ridge2line of subtropical anticyclone over the western Pacific shifted to s outhern(northern)than the normal,the intensity of tropical m ons oon trough over East Asia was weakened (strengthened)and the intensity of Meiyu front was strengthened(weakened).In meantime there was“+-+”(“-+-”)anomaly pattern in high latitude over Asia at500hPa height field which means there was(was not)the blocking situation over the Sea of Okhotsk,and the Meiyu front was(was not)active1In this case the rain fall in the Y angtze River Valley was above(below)normal1

K ey w ords:subtropical anticyclone;atm ospheric circulation;summer rain fall