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西太平洋副热带高压1970年之后：西移还是东移？

Yanyan Huang bull; Huijun Wang bull;

Ke Fan bull; Yongqi Gao

摘要：基于NCEP/NCAR再分析资料，本文研究了1979-2009年相对于1948-1978年夏季（六月-七月-八月）西太平洋副热带高压的年代际变化。由于西太副高在对流层低层比中层表现得更加稳定强大，且其西部和南部边缘的低层西风和西南凤对东亚夏季气候有显著影响，本研究低层副高的年代际变化。在（15°-30°N，120°E-150°E）区域内，850hPa反气旋环流减弱，海平面气压降低，相对涡度在中低层（1000hPa-600hPa）增加，17.5°N与32.5°之间的最大经向风向东移动。上述所有的年代际变化表明相对于1948-1978年，西太副高在1979-2009年间东退，这在850hPa涡旋位势高度场可见。另外，伴随着西太副高东退，印度夏季季风的水汽输送对长江中下游流域的夏季降水在1979-2009年间比1948-1978年间发挥更加重要的作用。

关键词:年代际变化 西太平洋副热带高压 东亚夏季风

1引言

西太平洋副热带高压是一个大规模的反气旋环流，占北半球夏季地球表面的四分之一（Zhu et al. 2000），它被认为是东亚夏季风系统的关键组成部分之一（Tao 1963; Lau and Li 1984; Tao and Chen 1987; Huang and Wu 1989; Ding 1994; Zhu et al. 2011; Wang and Chen 2012)，并且对东亚夏季气候有显著的影响，在其西部和南部与低层向南或西南边缘，西太副高的季节性北移与东亚夏季风的进退在此处有有密切关系（Ye and Zhu 1958; Tao 1963; Tao and Chen 1987）。西太副高的强度，形状和位置决定了这个大规模的准稳定为正的地区在东亚。(Huang and Yu 1962; Tao and Xu 1962; Tao and Chen 1987; Chang et al. 2000). 另外，副高也对美国夏季气候有深远的影响(Wang et al. 2001; Lau and Weng 2002)。

许多的因素已经被提出来解释副高的形成和维持，包括青藏高原的影响(Ye and Gao 1979; Ye and Wu 1998),季风热传递作用(Ting 1994; Hoskins 1996; Ro-dwell and Hoskins 2001), 海陆热力差异(Wu and Liu 2003; Miyasaka and Nakamura 2005), 海气相互作用(Seager et al. 2003),还包括副高的年际变化(Wang et al. 2001; Yang and Sun 2003; Sui et al. 2007; He et al. 2012) 及其与大气对流暖池的关系(Nitta 1987; Lu and Dong 2001) 在西北太平洋热带气旋活动也被研究过 (Chia and Ropelewski 2002; Zhou and Cui 2008, 2009).

为了研究副高的年际变化Nitta and Hu (1996) and Hu (1997)使用遵照中国气象部门的副高西脊点指数（基于500hPa上的588等位势高度线），发现副高的西脊点在1979-1994年相对于1967-1978年向西移动，以及，他们证明了1970年代中期和末期东亚亚热带地区夏季气温和降水突变与副高向西扩展的密切关系。Gong and Ho (2002)对比了1958–1979年代与1980–1999的5870等位势高度线在,发现了副高在1979年后的西移，副高的这种西伸扩展被认为对长江流域中下游（华北）地区1970年代以后的降水的增多或者减少，以及十年太平洋西北部台风的变化追踪有贡献（Gong and He 2002; Ho et al. 2004).印度洋和西太平洋变暖被认为决定了副高的年代际变化(Hu 1997; Gong and Ho 2002; He and Gong 2002).另外，Zhou et al. (2009) 利用理想化SST-forcing大气环流模式,进一步解决这一机制。

但是，在以前的大多数研究中，研究副高的年代际变化主要是测量500hPa位势高度场5870/5880等位势高度线，是否适合使用单个测量研究副高的年代际变化尚且不清楚，另外，还有另外一个论点，利用位势高度本身研究副高的年代际变化可能受由于全球变暖引起的在中低纬度地区假设的等压面的变化而变化。(Yang and Sun 2003; Lu et al. 2008)在未来全球变暖的趋势下，这些人工信号的影响甚至加剧了位势高度的变化。同时，对比500hPa，西太副高似乎在中低对流层中更加稳定强大(Lu 2002; Lu et al. 2008)。低层气流的西北边缘引导了大量的水汽输送到东亚地区，因此西太副高与东亚的夏季降水密切相关。因此，许多研究人员用850hPa的气候变量来研究西太副高，如位势高度(Lu 2001, 2002; Lu and Dong 2001; Wang et al. 2013)。相对涡度(Lu et al. 2008)和横向风(Wang et al. 2001; Huang et al. 2010; He et al. 2012)。但是，副高在对流层中低层的年代际变化，消除全球变暖影响后的年代际信号，在之前并没有被研究过，因此，从多个方面研究副高年代际变化是必要的。

本文其余组织部分如下，应用于本次研究中的数据和分析方法在第二部分会有介绍，副高的年代际变化,涉及多个方面,例如,多个十年副高信号的其他组成部分如横向风，海平面气压，相对涡度将在第三部分中，第四部分介绍了水蒸气运输的年代际变化与WPSH有关，最后，第五部分给出副高年代际变化的大致总结和讨论。

2数据和分析方法

在本次研究中，我们主要集中在从1948-2009年的夏季副高（6月-7月-8月）来研究它的年代际变化。除非另有说明，本文此处引用的原始数据位势高度,海平面气压、纬向和经向风、空气温度、垂直速度,和特定的湿度引用自NCEP/NCAR再分析资料(Kalnay et al. 1996)。海表温度引用NOAA扩张重建的SST 3b版本(ERSST V3b; Smith et al. 2008)。和降水的气候研究单位 (Mitchell and Jones 2005)，关于广泛注意到的北大球大气环流在1970s末的年代际变化(e.g., Trenberth and Hurrell 1994; Wang 2001; Yu et al. 2004) 沿用以前的年代际变化的研究方法e.g., Trenberth 1990; Hu 1997; Xue 2001; Deser and Phillips 2006; Ding et al. 2008; Wei et al. 2011; Chen et al. 2012; Li et al. 2012)我们简单对比1979-2009那段时期的平均值和1948-1978来描述年代际变化，数据的统计学意义使用专业的T测试评估。另外，用40年的欧洲中心天气预报和再分析资料来比较结果的可靠性。

3副高的年代际变化

图1可见西太副高在850hPa等位势高度场(H)和艾迪等位势高度场（Hrsquo;)上的年代际变化，图中Hrsquo;=H -H,H是等位势高度，H表示纬向平均的H，在位势高度场中，副高西脊点的平均位置在1948-1979年位于137.5°E，在1979-2009位于135°E，副高西脊点位置的西移在之前的研究中已经提及。但是在艾迪位势高度场中，副高西脊点的平均位置从1948-1978年的137.5°E东移到1979-2009点的145°E。表明副高副高在1970年代之后的东移现象。考虑到这两种冲突的结果，多方面研究西太副高将在下来的部分进行。

在夏季的气候天气图上850hPa上的风（图2）西太平洋上的大型反气旋即西太副高；另外。南方盛行和西南盛行在东亚中纬度即EASM；在孟加拉湾和印度支纳半岛，盛行西风占据优势，图2可见850hPa上的风在1948-1978和1979-2009之间的不同，从华北到华南的异常东北盛行风和印度支纳半岛和孟加拉湾的的异常盛行东风，表明EASM减弱(Wang 2001)。相比于1948-1978年，1979-2009年在印度支纳半岛上的西风被削弱了。

西太副高在气候天气图上关于海平面气压也是最显著的系统之一(SLP; 图3a)。得到的海平面气压的年代际变化，伴随着亚洲东部大陆及其附近地区显著的正异常和太平洋160°E处。这对于西太平洋海平面气压来说，在1948-1978和1978-2009年相比是一种降低，在中心地区有显著变化（图3b)。另外，应用傅里叶滤波器，显著的负异常时间尺度超过8年的方案得到更显著的表示（图中没有展示）。西太平洋海平面气压的显著减少也与1979-2009年副高相对与1948-1978年的减弱有关系。

西太副高可以在850hPa相对涡度场得到进一步的确定（图4a），相对涡度负相关出现在太平洋地区对应了正的艾迪位势高度场。为了避免人为原因对副高趋势影响，基于相对涡度和位势高度之间的密切关系。lu等采用850hPa相对涡度来定义副高指数。根据他们的定义，（15°-30°N，120°E-150°E）地区平均的夏季850hPa的相对涡度，正如图四a中显示是用来衡量西太副高的强度，一个较高的负相关涡度指数意味着在北太平洋西部有一个更强大的反气旋环流。代表一个更强更向西移动的西太副高。在图4b中，除了明显的年代际变化，相对涡度指数表现出了明显的增加趋势。（0.013，置信水平达到92.5%）在1949-2009年间。1979年之前是一个负相关阶段而1979年之后变成正相关。与此同时，在850hPa相对涡度的不同地图上（图5a),在17.5°-32.5°N的对流异常位于160°E-170°E。不过，相对涡度指标的增长趋势和显著正涡度异常都显示一个副高向东的衰退。

考虑到西太副高是在北太平洋面上一个巨大的顺时针反气旋，最大经向风速度的位置，也可以作为年代际变化的信号，是一个重要的确认副高年代际变化的方面。图6可见1949-1978年和1979-2009年间在北太平洋西部每个纬度的最大经向风速度（15-35°N，120°-180°E)，最大经向风速度在北纬22.5°N在1979-2009年间相比于1949-1978年间在增大（图6c)，这进一步阐述了上面所提及的1970年代末期开始的西太副高的年代际东移减弱。

从上述的分析中，在850hPa的艾迪位势高度场中，西太副高在1979-2009年间的年代际变化相比于1949-1978年。这或许要归功于艾迪位势高度场可以至少是部分的避免由于全球变暖导致的虚假的趋势这一事实。

鉴于年代际变化的虚假信号会在NCEP/NCAR再分析1970s后的数据中产生，由于包含卫星数据，1970s候数据同化方式的提高进步(Yang et al. 2002; Wu et al. 2005)，我们甚至比较了西太副高在1958-1978以及1979-2001年这两个相同的可获得比较集中的数据的时期的的NCEP/NCAR再分析数据集和ERA-40数据集（图7）

从1958-1978年，副高西脊点的平均位置位于142.5°E（140°E）分别对应ERA-40数据集和NCEP/NCAR数据集，虽然有差异的振幅年代际变化，在两个数据集中副高都东移减弱预示我们上面提及的副高的年代际变异是可信的且是独立于数据集之外的。

4相关的水汽运输的年代际变化

之前的研究已经表明，中国夏季降水已经从1970年代末以后经历了一次年代际的转变，大量的降水在长江中下游而华北地区则出现干旱少雨的状况。（图8）。这种“南涝北旱”的模式被认为是由东亚夏季风的减弱 (Wang 2001, 2002; Yu et al. 2004; Ding et al. 2009)和副高的西移扩展(Chang et al. 2000; Gong and Ho 2002; He and Gong 2002)造成的。因为在之前对于副高的年代际变异的研究了不同的因素，长江中下游的夏季降水的年代际变化将包含在这一部分中。

考虑到副高西脊点的可变性和巨大的影响作用，我们这里提出使用一种新的客观指数，这个指数由在最大年际变化中心（15°-30°N，120°E-150°E），850hPa夏季艾迪等位势高度场的副高西脊点。

在图9a中，副高指数在1979年之前主要呈现正相关性，而在之后主要呈现负相关性，在1948-2009年间表现出了明显的减弱趋势（-0.023）（显著性水平到达99.9%），根据850hPa西太副高指数正相关和负相关的复合图（图9b).当指数为正是副高西移，指数为负时，副高东撤，因此，这个副高指数的减弱趋势告诉我们副高从1970年代末的东撤减弱，这和在第三部分中得出的结论一致。另外，我们对比了这个基于850hPa艾迪等位势高度场的新指数和传统的西太副高指数，定义是类似的，但是基于的等位势高度场不一样(Lu 2001, 2002; Wang et al. 2013)。在1948-2009年间。WPSHI指数和传统的WPSH指数的相关系数为0.68，代表了这两个指数在研究副高年代际变化之间的一致性。但是，当研究1948-2009年间的年代际变异时，传统的西太副高指数出现了一个错误的趋势（0.01，89%的显著性水平）。这可能因为全球变暖的影响。所以，对比这种传统的西太副高指数，新定义的基于850hPa艾迪等

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