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由500 hPa位势高度测量的西太平洋副热带高压的年代际变化

黄艳艳 李小凡

浙江大学地球科学学院，杭州310027

摘要：本文研究了1948年到2009年间夏季西太平洋副高的年代际变化。相比以前那些专注于西太平洋500hPa位势高度的论文，本文对西太平洋水平风的年代际变化，相对涡旋度，以及涡旋的位势高度都进行了分析。1979年到2009年间西太平洋中低水平面变弱的高气压和减少的负相对涡度表明西太平洋副高相对于1948年到1978年被削弱了。减去0°到40°N之间的纬度带平均高度后,西太平洋500hPa涡旋位势高度伴随着显著的负异常可以准确地描述西太平洋副高减弱的年代际变化。500 hPa位势高度反映的虚假的西延信号可能源于全球变暖下20世纪70年代末中低纬度地区位势高度的显著增加。

关键词：西太平洋副热带高压；年代际变化；东亚夏季气候

1 引言

西太平洋副高（WPSH）因为其对东亚夏季气候的巨大影响和它的复杂结构收到了东亚学者的许多关注。西太平洋副高季节性移动，西太平洋副高和东亚夏季(EASM)(叶和朱，1958；陶和陈，1987；王和陈，2012；王等人，2013)以及中国降水量（黄和于，1962；常等人，2000；王等人，2001；朱等人，2013）的关系正在被学者们深入研究。近些年，学者们研究西太平洋副高的年代际变化来解释东亚夏季气候的年代际变化。比较20世纪70年代前后5880/5870gpm等高线在500hPa位势高度场内的位置变化，Nitta 和胡(1996),胡 (1997), 龚和Ho(2002)发现西太平洋副高的年代际变化在20世纪70年代末向西延伸。20世纪70年代末，由于西太平洋副高的西延，东亚亚热带地区夏季气温和降水量突然变化(Nitta 和胡, 1996; 胡, 1997)，长江流域（华北）中下游降雨量增加（减少）（龚和Ho，2002）,以及西北太平洋台风轨迹年代际变化（龚 和何, 2002; Ho 等人,2004)。基于统计分析(胡,1997;龚和Ho 2002;他和龚,2002)和数值建模(周等人,2009),西太平洋副高西延被认为是导致印度洋和西太平洋变暖的缘由。

值得注意的是，先前的研究只关注测量西太平洋副高在500 hPa 位势高度场的年代际变化；没有研究西太平洋副高其它大气变量的年代际变化。与此同时，一些研究者也认为直接利用西太平洋副高的位势高度场来调查西太平洋副高的年代际变化的可能是不合适的。因为中低纬度等压面提升的的人工趋势会造成全球变暖。（杨和孙，2003；陆等人2008）。黄等人（2015）在850 hPa运用大量的与西太平洋副高有关的大气变量来重新调查西太平洋副高的年代际变化。根据一致的年代际信号,他们的研究结果表明，西太平洋副高1979-年到2009年期间相对于1948年到1978年间在850 hPa向东凹进。然而，西太平洋副高在500hPa的年代际变化尚未重新调查。这将在本文得到处理。

本文的其余部分组织如下:第二节描述了本文中使用的数据和方法。第三节描述了西太平洋副高在水平风和相对涡度方面的年代际变化。第四节通过500 hPa 位势高度和涡旋位势高度之间的比较研究反映了西太平洋副高的年代际变化。第五节总结了本文的重要发现。

2 数据和研究方法

本文分析了夏季（6月-7月-8月，JJA)西太平洋副高在1979到2009年间相对于1958到1978年间的年代际变化。位势高度和风向数据来源于国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP / NCAR)再分析1(Kalnay 等人,1996)以及降水量的数据来源于气候研究中心 (Mitchell and Jones, 2005)。1979到2009期间和1948到1978期间的平均数的差异被用了描述年代际的变化。统计的意义是使用T检验来评估置信度。

3 水平风和相对涡度的年代际信号

图1　（a）1979-2009期间和1948-78期间夏季中低对流层(850 - 500 hPa) 平均层风的差异。阴影表示用T检验有95%置信度的意义。（b）相比（a）用横截面显示了夏季相对涡度在15–35°N纬度带中低层(1000 - 500 hPa)间的差异。通过T检验，浓、中等、浅蓝色和红色阴影分别表示99%，95%，90%置信度的意义。

图1a显示了1979-2009期间和1948-78期间在夏季中低对流层(850 - 500 hPa)平均层风的差异。在西太平洋上观察到一个显著的异常气旋,表明20世纪70年代末以来副热带高压变弱了。此外,华北到华南盛行盛行的异常东北风，表明东亚夏季风在20世纪70年代后也变弱了。（王，2001）

图1b显示了1979–2009年间和1948–78年间夏季相对涡度在15–35°N纬度带中低层(1000 - 500 hPa)间的差异。显著的正异常出现在西太平洋上。根据强西太平洋副高和西太平洋上方的高负相对涡度是一致的,这些正异常相对涡度也表明了与1948–78年间相比1979–2009年间西太平洋副高变弱了。从黄等人（2015）的研究中可以看到更多的与西太平洋副高相关的大气变量的年代际变化。总的来说,西太平洋上中低层相对涡度的异常气旋和正异常现象表明1979–2009年间的西太平洋副高弱相比1948 - 78年间变弱了。

4 500 hPa位势高度和涡旋位势高度的年代际信号

图2　夏季 500 hPa位势高度在（a）1948-78期间和（b）1979-2009期间的气候。（e，f）相比（a，b）是关于500hPa涡旋位势高度。（a，b）的阴影部分表示500 hPa位势高度比5860 gpm更好，（e，f）表示500 hPa涡旋位势高度比10 gpm更好。（c，g）相比图1b是分别关于500 hPa位势高度和涡旋位势高度的差异。（d）1948 - 2009年间夏季 0°到 40°N纬度带之间500 hPa位势高度的数值。黑色实线表示1948-78年间纬度带平均数值（5853.36 gpm）和1979-2009年间的纬度带平均数值（5867.24 gpm）。（h）1948-2009年间夏季西太平洋副高基于500 hPa位势高度（红色实线）的强度指数和500 hPa涡旋位势高度（蓝色实线）的强度指数。虚线表示它的线性趋势。

在之前的大多数论文里,西太平洋副高的年代际变化主要是靠测量 5880/5870 gpm等高线在500 hPa位势高度场内的位置的年代际变化。考虑到本文与以往论文相反的结果,本节对基于500 hPa位势高度的传统测量方法的缺陷进行了分析。同时,还提出了一个新的测量方法。

图2a和图2b分别显示了1948–78年间 和1979–2009年间夏季的500 hPa位势高度。相比1948–78年，1979–2009年5860 gpm 等高线覆盖了大片区域并且等高线的西区显著地向西移动。许多先前的研究记录似乎表明了西太平洋副高在20世纪70年代末向西延伸。

然而,根据1979 - 2009和1979 - 2009年间500 hPa位势高度在图表上的差异,可以发现不仅是西太平洋而且40°N纬度南边的位势高度都显著增加了(图2 c)。实际上,0° 到 40°N纬度带之间500 hPa平均高度的数值自20世纪70年代末以来显著增加，并且在1948 - 78年间平均数值是5853 gpm，1979 - 2009年间平均数值是5867 gpm(图2 d)。这意味着1979年后0° 到 40°N之间的500 hpa等压面的提升可能是由于全球变暖。此外， 1979 - 2009年间相比1948 - 78年间0° 到 40°N之间从1000 hpa 到500 hpa每层都可以观察到纬度带平均数值的增加（图表未显示）。欧洲中期天气预报中心40年再分析数据集(ERA-40;Uppala等人，2005)也说明了20世纪70年代后中低纬度地区位势高度增加了，不过增加的量级很微小(图表未显示)。因此,西太平洋副高西延信号反映的500 hPa位势可能源于等压面的提升,不是客观反映的西太平洋副高的年代际变化。

为了避免上述全球变暖造成的人工趋势,我们建议使用500 hPa涡旋位势高度调查年代际变化。涡旋位势高度就是位势高度减去0°到40°N的之间的纬度带平均高度位势高度(即，图2d中的数值)。图2e和图2f分别显示了1948 – 78年间和1948 - 78年间夏季500 hPa涡旋位势高度。在1948-78年间，图2e中的10 gpm等高线很好地对应了图2a中的5860 gpm 等压线，这意味着10 gpm等压线涡旋位势高度和5860 gpm等压线位势高度象征着西太平洋副高。为了进一步验证这种对应关系，我们计算了西太平洋副高的西脊点指数(WRPI)：基于10 gpm等高线涡旋位势高度(WRPI-10)和东亚夏季气候的西太平洋副高(0°–45°N, 90–180°E)西脊的纵向位置。因此,在接下来的部分我们选择了10 gpm等压线涡旋位势高度来确定西太平洋副高。与1948- 78年相比,1970-2009年间10 gpm等压线没有西延。图2f中，与1948- 78年相比,1970-2009年间20 gpm等压线覆盖包围的范围变小了。从500 hPa涡旋位势高度在图表上的不同之处来看，可以观察到西太平洋上的涡旋位势高度显著降低了（图2g），并且与水平风和相对涡度的年代际信号相一致。

此外，根据中国国家气候中心的程序推算出西太平洋副高强度指数。为了比较研究，我们分别对基500 hpa位势高度和涡旋位势高度推算出的西太平洋副高强度指数进行了H500 指数和H500 指数分析。传统的H500指数(H 500指数)被定义为累计数值，并且在该领域内(0°–40°N,110–180°E)500 hPa位势高度比5860 gpm更好（500 hpa涡旋位势高度比10 gpm更好）。在图2h中，这两个指数的量级接近1948-78年的数字。然而1979年后，可能由于上文提过的全球变暖导致的等压面提升，H500指数的量级显著增加。由于量级增加，1948-2009年间H500指数显示一个虚假的53.65增强趋势，并且有99.9%置信度的意义。减去0°到40°N之间的纬度带平均高度，H500指数显示1978年左右量级没有任何显著变化。相比H500指数，1948-2009年间，可以观察到H500指数有显著的14.86减弱趋势（99.9%置信度的意义）西太平洋副高500 hPa位势高度和涡旋位势高度的面积指数可以观察到不同的年代际信号（图表未显示），西太平洋副高面积指数在同一个域中格点数字用高度/涡旋高度来定义比用5860 gpm/10 gpm 更好。此外, 1948 - 2009年间, H500指数去趋势和H500指数去趋势之间的相关系数是1.5，99.9%置信度的意义。这意味着两个指数间的对应性表现了西太平洋副高的年际变率。总的来说，和传统的基于500 hPa位势高度的测量手段相比,500 hPa涡旋位势高度能更充分的研究西太平洋副高的年代际变化。

5 结语

本文用NCEP / NCAR再分析数据分析西太平洋副高在1979- 2009年间相对于1948 - 78年间的年代际变化。西太平洋15 -35°N中低对流层(850–500 hPa)中层风的异常气旋和中低层(1000 - 500 hPa) 相对涡度显著的正异常都表明1979- 2009年间的西太平洋副高相比1948 - 78年间变弱了。500 hPa位势高度反映的虚假的西延信号可能源于0°到40°N之间由于全球变暖造成的等压面的升高。减去0°到40°N之间之间的纬度带平均高度后,500 hPa涡旋位势高度能精确地反映西太平洋副高从20世纪70年代末至今的年代际变弱信号。涡旋位势高度的特性可能归因于涡旋位势高度场至少部分能避免全球变暖造成的人工趋势的影响。

黄等人（2015）提出了一些可能导致西太平洋副高在20世纪70年代末向西凹进的合理因素，例如印度洋的年代际充能阶段（李等人，2008），西北太平洋变暖，东亚对流层变冷（于等人，2004），每十年减弱的亚洲-太平洋振荡（赵等人，2007）,以及青藏高原减弱的热力强迫作用。（刘等人，2012）。然而，20世纪70年代末西太平洋副高年代际减弱的明确原理还是未能得知。在以后的研究中还需要更深入的定量诊断分析和比目前水平更好的气候模型。

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