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西太平洋副热带高压异常在厄尔尼诺发展的夏季与衰退的夏季的比较

Feng XUE*, Xiao DONG, and Fangxing FAN

International Center for Climate and Environment Sciences, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

(Received 6 March 2017; revised 22 May 2017; accepted 22 June 2017)

摘要：

基于1979-2013年8个主要的厄尔尼诺事件的综合结果，研究厄尔尼诺发展的夏季西太平洋副热带高压（WPSH）的异常行为。结果表明，在发展的夏季，副高偏弱偏东。异常表现出季节内变化，在6月和7月异常较弱，8月异常较强，表明了不同的潜在物理机制可能是造成早期和晚期WPSH异常的原因。在6月和7月，由于高纬度地区偏冷的平流异常特征表现为弱的偏北风异常，东亚的位势高度减少，西太平洋副热带高压偏东。相比之下，8月份暖池的对流增强使得大气对厄尔尼诺的强迫更为敏感。从而引发西太平洋气旋异常，这与7-8月份大气环流的季节性变化一致。因此，西太平洋的位势高度明显减小，8月的西太平洋副高显著东退。不同于发展的夏季，衰退的夏季，东亚和西太平洋的位势高度持续增强且在6-8月向北延伸。因此，季节性变化在发展的夏季和衰退的夏季的WPSH异常中起着重要作用。

key words：西太平洋副热带高压，厄尔尼诺现象，发展的夏季，衰退的夏季，季节性变化

1.介绍

作为东亚夏季风（EASM）系统的主要环流系统，西太平洋副热带高压（WPSH）表现出明显的季节性变化，在EASM降水分布中起着重要的作用。尤其是WPSH在6月中旬和7月下旬的北跳，标志着长江流域和日本的梅雨期（baiu）的开始和结束。Ueda et al.(1995)发现，与7月下旬150°E以东的热带西风延伸相联系，西太平洋暖池对流趋于北移，导致日本的梅雨期结束。南太平洋副热带高压的第一次跳跃主要是由于南海对流活动增强造成的，而西太平洋暖池对流活动与高纬度环流系统的综合作用导致第二次跳跃（Sun and Xue,2010）。另外，值得注意的是，西太平洋副热带高压的西进或东退往往与其北跳有关。特别是第二次跳跃后，西太平洋副热带高压大幅度退缩到日本南部。东亚季风区进入夏季高温多湿的时期（Xue et al.,2015）。

除了季节性变化，WPSH呈现年际变化，主要受厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）控制。Fu和Teng（1988）认为，WPSH在厄尔尼诺发展的夏季趋于东退，而在衰减的夏季却相反。然而，与印度夏季风不同，WPSH在衰退的夏季比发展的夏季表现的更加异常。后来发现，暖池对流是厄尔尼诺与EASM之间的一个关键环节（Huang and Wu，1989）。Lu（2001）进一步证明，暖池对流增强可能导致WPSH低层气旋异常，导致WPSH东移，反之亦然。最近的研究表明，印度洋在ENSO和EASM变化中起着重要的作用（Wu and Kirtman，2004）。特别是在厄尔尼诺事件后，衰退的夏季的EASM异常与热带印度洋上的整个盆地变暖有关。气候变暖就像一个电容器维持印度—西太平洋的大气异常，延长了厄尔尼诺衰减后的影响。通过刺激西太平洋上的斜压Kelvin波，印度洋变暖导致对流受到抑制，西太平洋反气旋环流异常，导致了东亚夏季降水的异常。（Yang et al.,2007;Xie et al.,2009）。

值得注意的是，厄尔尼诺对WPSH的影响与东亚的气候状况有关。特别是初夏与夏末的影响差异明显。例如，Kawatani et al.(2008)对夏季每月的WPSH进行比较，发现6月份的年际和次年变率最小，8月份最大。Xue and Liu（2008）表明，厄尔尼诺对WPSH的影响随夏季季节性变化而变化，6月份影响最小，8月份影响最大。Xiang et al.(2013)表明，夏季末西太平洋强季风槽对流增强使得大气对外部强迫的响应比初夏更加敏感，导致8月份WPSH异常增强。这些研究表明，WPSH的年际变化与东亚季风区的季节性变化密切相关。

与衰退的夏季广泛讨论的WPSH异常相比，厄尔尼诺发展的夏季的WPSH的异常特征了解较少。特别是WPSH的异常物理机制还未清楚。在本研究中，对夏季发展的WPSH的异常系统地进行了检验，并与衰减年夏季的WPSH的异常进行了比较。我们特别关注与理解诱发WPSH异常的物理过程。第2节介绍了本研究汇总使用的数据集和方法。第三部分比较了发展的夏季和衰退的夏季WPSH的异常。第四部分重点研究了发展的夏季WPSH异常的物理机制。最后一节给出了一个总结。

2.数据和方法

本研究使用从NCEP-2（Kananmistsu et al.,2002）获得的大气环流数据。用来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）（Liebmann and Smith,1996）的卫星观测得到的长波辐射（OLR）来代表热带对流强度。大气环流和OLR数据的水平分辨率为2.5°times;2.5°。海表温度（SST）数据也是从NOAA的2°times;2°网格中提取的（Smith et al.,2008）。所有数据集都是从1979年到2013年的35年期间，以便与OLR数据的可用时间段一致。

Nintilde;o3.4指数定义为该地区（5°S-5°N,170°-120°W）的区域平均SST异常，来自NOAA气候预测中心(http://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/)。选择厄尔尼诺事件的常规标准是，Nintilde;o3.4指数超过0.5°C超过六个月（Trenberth,1997）。在这项研究中，我们只考虑主要的厄尔尼诺事件，最大的Nintilde;o3.4指数超过1.0°C。如图1所示，1979-2013年期间共有8次主要的厄尔尼诺现象：1982-83年，1986-87年，1991-92年，1994-95年，1997-98年，2002-03年，2006-07年和2009-10年。应该指出的是，1986-87年的事件一直持续到1988年1月，但在1987年趋于衰减，所以这个事件也包含在综合结果中。图1b显示了基于上述八个厄尔尼诺事件的复合Nintilde;o3.4指数。通常情况下，厄尔尼诺事件经历了从发展到衰退阶段两年。它出现在第一年的春天，并发展为厄尔尼诺事件，夏季Nintilde;o3.4指数超过0.5℃。在12月份达到最大值后，第二年春天开始衰退，夏天变成拉尼娜事件。

3.发展的夏季与衰退的夏季之间的WPSH比较

图2显示，发展的夏季和衰退的夏季的海温异常存在显著差异。在发展的夏季（图2），随厄尔尼诺的发展，太平洋上出现了典型的马蹄形。中太平洋和东太平洋海温显著增强，最大异常超过0.6℃。相比之下，太平洋SST异常在衰退的夏季急剧减弱（图2b）。相反，印度-西太平洋地区出现明显变暖，中国南海海温异常超过0.4℃。与图2中的海温异常对应，热带对流呈现明显异常。在SST异常为正的区域，对流趋于增强（图3）。在发展的夏季（图3a），负的OLR异常（强对流）位于中太平洋上空，特别是北半球，而在印度尼西亚附近发现了正的异常（抑制对流）。相比之下，在衰退的夏季，热带印度洋出现负异常，菲律宾东部出现正异常（图3b）。

针对热带对流强迫，东亚和西太平洋500hPa位势高度做出相应变化，从而影响西太平洋副热带高压异常。正如以前的一些研究（e.g.,Xue and Liu,2008）所指出的那样，厄尔尼诺现象对WPSH和EASM的影响表现出明显的季节内变化与季节性变化。特别是500hPa位势高度异常的空间格局在初夏（6月到7月）与夏末（8月）的差别明显（图4）。在发展的6月和7月（图4a和b），东亚的位势高度趋于减小。6月份的一个主要异常中心位于东北亚，7月的另一个中心位于中国南部。但是，大多数地区的异常情况太弱，无法通过置信度测试。相应地，WPSH往往略微向东退缩（图5a和b）。与6月和7月相比，8月西太平洋的位势高度明显减小，特别是菲律宾东部（图4c）。位势高度最显著的负异常位于WPSH的西南部，以5880gpm的等值线表示，表明发展8月的WPSH显著退缩（图5c）。下一节将提供上述现象的详细物理解释。

很大程度上，衰退的夏季东亚和西太平洋的位势高度异常与上述发展的夏季不同，其季节内变化也很大。6月份（图4d），东南亚至菲律宾东部的位势高度显著增强，但在日本附近却略微减弱。典型的太平洋-日本（或东亚-太平洋）模式在低纬度和高纬度之间是明显的（Nitta,1987;Huang and Wu,1989）。随着EASM的季节性变化，这种模式趋于增强和向北扩展。7月份（图4e），正异常延伸至30°N，中国南部附近中心位置超过10gpm。到8月（图4f），日本南部的正异常持续延伸至40°N，中心超过15gpm。伴随上述异常，西太平洋副热带高压偏西偏强，8月达到最大异常（图5）。这些结果与之前的一项研究报告相一致，报告称夏季厄尔尼诺对WPSH的影响最强（Xue and Liu，2008）。谢等人（2009）的研究指出，在衰退的夏季，由于印度洋海表温度上升而导致的局地对流增强可能通过激发Kelvin波来抑制西太平洋暖池对流。因此，副热带西太平洋受抑制的暖池对流导致反气旋异常和增强位势高度的异常。我们的研究结果进一步表明，厄尔尼诺在衰退的夏季的影响从6月到8月趋于增强并向北延伸。而且，6-8月衰退的夏季的异常比发展的夏季相对稳定。因此，衰退的夏季的季节平均WPSH异常更为显著（Fu and Teng,1988）。

4.发展的夏季WPSH异常的机制

在发展的夏季，WPSH在8月表现出比6月和7月更大的异常，这意味着这两个时期WPSH异常的潜在机制可能不同。图6显示了发展年份6月和7月的850hPa风场异常。WPSH以北出现偏北的异常，但非常弱，低于置信水平。与Xue和Fan（2016）的案例研究一致，东亚500hPa位势高度通过冷平流异常降低（图4a和b）。因此，在6月和7月期间，WPSH的强度趋于弱化（图5a和b）。值得注意的是，热带地区的西风异常与厄尔尼诺的发展有关（Xue and He，2007）。

随着7-8月的季节性变化，东亚和西太平洋的对流活动和大气环流经历了明显的变化。如图7a所示，菲律宾以东的负向OLR差异表明7月至8月对流明显增强。相比之下，长江流域对日本的对流很大程度上受到抑制，这意味着东亚地区从初夏到夏末的转变（Ueda et al.,1995;Su and Xue,2010）。在东亚和西太平洋，台湾东部有一个中心，也显示出明显的气旋差异(图7b)。此外，从7月到8月，长江流域至日本的东风和从南海到日界线的西风都有所加强。这些大气条件的变化——尤其是菲律宾东部的对流增强——有助与提高夏季厄尔尼诺强迫对大气响应的敏感性。Xiang等人（2013）也指出，西太平洋平均状态的季节性变化在8月份西太平洋副热带高压的异常强化中发挥了主导作用。

发展年8月份的OLR异常显示热带中太平洋的对流明显增强，两个半球都有两个中心（图8a）。相反，140°E以西的对流受到抑制，尤其是印度尼西亚。与两个正对流异常中学相对应，分别在菲律宾和澳大利亚东部引发异常气旋环流（图8b）。这个特征类似于对厄尔尼诺强迫的Gill-type反应(Gill,1980),可以通过大气模式模拟得到很好的再现（Lau and Nath,2000）。与此同时，西太平洋的热带西风异常与7月相比继续加剧（图6b和8b）。

通过比较发展年7月至8月间的风异常，可以进一步证明西太平洋大气环流季节性变化在增强厄尔尼诺强迫中的作用。7月份（图6b），日本南部有明显的反气旋异常，菲律宾东部有华南到菲律宾东部的弱旋风异常。到8月（图8b），西太平洋有厄尔尼诺强迫导致的大范围气旋异常控制。由于热带太平洋SST从7月到8月的变化很小（图1b），我们可以合理的推断它是西太平洋的季节性变化——尤其是对流增强（图7a）——这加剧厄尔尼诺现象的影响，并促成夏末西太平洋副热带高压的年际变化（图5）。

比较图7b和8b之间的低层环流模式，我们发现8月和7月的气候差异模式在许多方面与发展年8月的异常模式惊人的相似。特别令人感兴趣的是8月和7月之间的气旋性差异（图7b）和西太平洋发展年8月的气旋性异常（图8b），只是前者比后者位置更偏西北。显然，西太平洋厄尔尼诺强迫导致的8月异常模式在一定程度上与8月和7月的气候差异有一定的关系。一方面，厄尔尼诺事件的发展伴随着从7月到8月的季节性变化的加速，这可以通过暖池对流的增强（图7a），西太平洋的气旋差异（图7b）和发展年8月东退的WPSH中表现。另一方面，作为厄尔尼诺发展的先决条件，7-8月热带西太平洋西风加强（图7b）也有利于厄尔尼诺的发展（Rasmusson and Carpenter,1982;Xue and He,2007）。因此，在发展的夏季，西太平洋副热带高压的东退和弱化伴随着厄尔尼诺的发展，特别是8月。

需要说明的是，从7月到8月的季节性变化与8月份的厄尔尼诺强迫一致是西太平洋的一个独特特征，与8月份西太平洋夏季风密切相关，其特征是菲律宾东部的对流增强（图7a）。尽管8月份澳大利亚东部也出现了明显的气旋异常（图8b），但该地区7月到8月的季节性演变并不显著（图7b）。

选定的8个厄尔尼诺年的WPSH异常

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