7月850 hPa和500 hPa北太副高强度异常的时空特征对比分析

赵娅琴，杨沛琼，左 涛

(1.青岛海洋科学与技术国家实验室发展中心，山东 青岛 266235；2.丽江市气象局，云南 丽江 674100；3.天津海洋中心气象台，天津 300074)

北太平洋副热带高压(简称副高)在低纬度与中高纬度间的水汽和热量输送方面起着非常重要的作用。多年来，学者们从不同角度、不同区域分析了其气候特征[1-4]。近年来，作为东亚水汽输送主要通道，主体位于中东太平洋的850 hPa副高也逐渐引起了学者们关注。Riyu Lu[5，6]指出850 hPa副高的年际变化比500 hPa副高更突出，850 hPa和500 hPa副高面积指数相关系数为0.62，存在联系和差异，且夏季850 hPa副高增强时，东亚夏季风环流减弱，这一特征与500 hPa副高类似[7，8]。此外，尤卫红[9]等应用小波变换法分析了夏季副高年际变化的特征时间尺度及其时空演变。王庆万等[10]基于全球大气环流三型分解对副高指数进行了新定义。张庆云等[11]认为当500 hPa副高增强时，在东亚热带地区850 hPa矢量风距平场为反气旋性环流，且500 hPa上升运动减弱，梅雨锋区则上升运动增强。关于影响中、低层副高强度的因素，刘屹岷等[12]认为夏季东亚凝结潜热和地表感热加热作用的垂直梯度差异，会促使北太平洋中、低层副高强度呈现反位相。类似的蒋全荣[13]在其研究中也提到夏季风降水释放的凝结潜热加热和副高东侧的冷却效应，均会促使副高增强。吴国雄等[14]还提出流体的辐散效应是副高形成的动力作用，上升运动引起负涡度发展会对副高产生影响。目前此类研究已经取得了许多重要结论，但针对夏季整个北太平洋区域850 hPa和500 hPa副高强度呈同、反位相变化的时空特征分析还很少。

1 资料与方法

1.1 资料

本文采用了1951～2010年NCEPNCAR(National Centers for Environmental Prediction/University Corporation for Atmospheric Research)再分析月平均资料，水平分辨率为2.5°×2.5°，变量包括位势高度场、经纬向风场、气温场和垂直速度场资料。

1.2 方法

本文主要应用了合成分析、相关分析、小波分析、studentt检验经验等方法进行讨论。

1.3 副高强度指数定义

本文依据国家气候中心发布的副高指数定义，给出了副高强度指数。

850 hPa副高强度指数：取在2.5°×2.5°网格的850 hPa位势高度场中，在(140°E～120°W，15°N～50°N)范围内，平均位势高度大于156 dgam网格点的位势高度平均值与155 dgam之差值进行累计的值(即156为1，157为2，158为3，依次类推)。

500 hPa副高强度指数：取在2.5°×2.5°网格的500 hPa位势高度场中，在(110°E～140°W，10°N～50°N)范围内，平均位势高度大于588 dgam网格点的位势高度平均值与587 dgam之差值进行累计的值(即588为1，589为2，590为3，依次类推)。

2 850 hPa和500 hPa副高强度的气候态特征

近年来，学者们从不同区域和角度分析了副高的变化规律，李江南等[15]认为500 hPa西太副高强度指数的年变化呈双峰型，峰值在6月和9月。通过分析近60 a位势高度场多年平均后发现(图1)，在特征较稳定的6～9月500 hPa副高主体东部位于中东太平洋，在早期关于西太副高的研究中这一部分多被忽略，此外850 hPa副高主体则主要位于中东太平洋，较500 hPa副高位置偏东偏北。据此为了要全面、整体的讨论850 hPa和500 hPa副高变动特征，本文将讨论的关键区域分别选定为(140°E～120°W，15°N～50°N)和(110°E～140°W，10°N～50°N)范围，并给出了上述副高强度指数的定义。

(a)850 hPa (b)500 hPa图1 6～9月多年平均的位势高度场Fig.1 Average annual geopotential height field from June to September图2 副高强度指数年变化的距平百分率(实线850 hPa,虚线500 hPa)Fig.2 The annual anomaly percentage ofsubtropical high strength index (The solidline is 850 hPa, the dotted line is 500 hPa)

根据副高强度指数的年变化图2可见，850 hPa和500 hPa副高强度均在7月出现峰值。为了探讨7月850 hPa和500 hPa副高多年平均的变化情况，作者分析了二者位势高度的标准差分布，可知在7月多年平均的850 hPa和500 hPa副高均有显著的东西和南北向变动，但850 hPa副高更为稳定，就其自身而言，东西向变动更为显著。

本文利用了小波分析的方法讨论副高强度指数的周期特征。小波实部图3a表明850 hPa副高7月的强度指数仅在20世纪80年代存在2～3 a和9～10 a的显著周期，在能谱图3b中均通过了95%信度检验。由图3c可见，500 hPa副高的振荡周期更为显著，在20世纪80年代前后2.5～4.5 a的信号非常明显，1998～2010年2～4.5 a的周期也十分显著，且2010年往后波幅仍有增大的趋势，可推测这一时期500 hPa副高强度仍会增强，而850 hPa副高这一特征则并不明显。

(a)850 hPa小波实部

(b)850 hPa能谱

(c)500 hPa小波实部

(d)500 hPa能谱

7月850 hPa和500 hPa副高强度指数的年际变化并不十分一致(图4)，通过对两类指数进行相关分析，得出相关系数为0.61，超过了α=0.05对应相关系数为0.256的信度检验，可见二者存在较好的联系，同时也存在一定差异。此外，为了忽略短周期因子的扰动，图4中还分别给出了5年滑动平均图，可见500 hPa副高强度指数有着较显著的年代际变化特征，在1978年之前几乎都为负值，之后几乎都为正值，而850 hPa副高这一特征并不明显。

图4 7月标准化的副高强度指数年际变化和5年滑动平均图(虚线为850 hPa，实线为500 hPa，细线为指数曲线，粗线为5年滑动平均曲线)

3 副高强度异常与大尺度环流时空特征的关系

为了进一步探寻7月850 hPa和500 hPa副高强度异常时的大气环流时空特征，本文对上述标准化强度指数的异常年进行了分类，称数值大于0.25的年为异常大年，小于-0.25的年为异常小年，将两类指数分成500 hPa大850 hPa大、500 hPa小850 hPa小、500 hPa大850 hPa小、500 hPa小850 hPa大4类(简称LL型、SS型、LS型、SL型)。LL型年为1983年、1988年、1989年、1998年、2005年、2006年和2010年；SS型年为1959年、1965年、1971年、1972年、1974年和1984年；LS型年为1980年、1982年、1987和2004年；SL型年为1962年、1967年、1970年和2000年。据此来对纬向风场、矢量风场、气温场和垂直速度场进行合成分析和t检验。

早期研究指出，副高强度的变化与高空急流有关[16]。本文选取了副高的4种分类对200 hPa纬向风进行了合成分析，并进行了studentt检验，针对显著区域重点讨论。

(a)LL型

(b)SS型

(c)LS型

(d)SL型

图5表明，在7月当副高为LL型时，在北太平洋中部中高纬度和中西太平洋低纬度地区西风急流增强，此外在东太平洋赤道和副热带地区东风异常显著。当副高为SS型时，特征相反。当副高为LS型(SL型)时，东亚和中西太平洋中纬度地区西风(东风)异常十分显著，且在太平洋低纬度地区呈现大范围的东风(西风)异常。

可以推测，赤道东太平洋地区200 hPa纬向风距平场仅与500 hPa副高强度呈负相关，此外，850 hPa和500 hPa副高与中国东部沿海200 hPa纬向风距平场的相关呈反位相。通过副高强度指数与200 hPa纬向风相关场分析证实了这两点结论。

图6是850 hPa矢量风距平场合成图。图6a表明，当副高为LL型时，存在中心位于(35°N，175°E)的显著反气旋性距平环流，东亚梅雨锋区低压环流增强，对应低空上升运动增强，对流活跃，易生成云雨，此外西太平洋赤道东风异常十分显著，赤道气旋性距平环流明显，越赤道气流减弱，而在赤道东太平洋地区则为显著的正西风距平。图6b当副高为SS型时，则特征相反。图6c表明在7月当副高为LS型时，北太平洋中西部气旋性距平环流显著，辐合上升运动明显，东亚副热带地区存在反气旋性距平环流，且赤道附近为显著的西风距平。图6d中，当副高为SL型时则呈反位相。

由图7a可知，当副高为LL型时，在北太平洋范围几乎都为正气温距平区，距平极大值出现在中纬度地区，仅在以(20°N，163°E)为中心的区域存在负距平。图7b中当副高为SS型时，则特征相反。图7c表明，当副高为LS型时，除了东北亚及沿海地区存在负气温距平外，北太平洋其他区域几乎都为正距平，而当副高为SL型时，东北太平洋几乎都为负距平，值得注意的是以(20°N，163°E)为中心的区域，在两种形态中分别为正、负气温距平，结合图7a、b可知，此区域主要与850 hPa副高呈负相关，通过7月副高强度指数与气温场的相关分析证实了这一结论。

(a)LL型

(b)SS型

(c)LS型

(a)LL型

(b)SS型

(c)LS型

(d)SL型

7月当副高为LL型时，赤道中东太平洋和中太平洋热带地区在500 hPa有显著下沉运动，而在中国长江流域、东太平洋赤道辐合带和西太暖池区则均存在上升运动，见图8a。反之，图8b则位相大体相反。在图8c中，东太平洋的赤道地区和赤道辐合带区均为显著的上升区，以(20°N，163°E)为中心的区域及西太暖池区则为下沉区。当副高为SL型时则相反。

(a)LL型

(b)SS型

(c)LS型

(d)SL型

为了深入了解垂直速度场与副高强度的联系，本文还做了7月副高强度指数与500 hPa垂直速度场的相关场分析。分析可知，中国长江流域及墨西哥西岸区域的垂直运动仅与500 hPa副高强度呈负相关，而西太暖池区的上升运动及中太平洋低纬度地区的下沉运动与850 hPa和500 hPa副高增强关系密切，且与500 hPa副高相关较好。

4 结论

本文利用1951～2010年NCEPNCAR月平均资料，分析了850 hPa和500 hPa北太平洋副热带高压强度的多年月平均、年变化、年际变化、年代际变化等气候特征，结合7月强度指数的4种分类，对比分析了7月副高强度异常的时空特征。得出如下结论：

(1)850 hPa和500 hPa副高的强度指数均为单峰型，峰值在7月。7月多年平均态的850 hPa副高更为稳定，就其自身而言，东西向变动更为显著。

(2)7月850 hPa副高强度仅在20世纪80年代存在2～3 a、9～10 a的周期，500 hPa副高在这一时期2.5～4.5 a的信号明显，且1998～2010年存在2～4.5 a的周期。7月500 hPa副高强度年代际变化显著，在1978年前后有突变，且2010年往后仍会增强，而850 hPa副高这两特征不明显。

(3)在7月，200 hPa纬向风距平场在西北太平洋中纬度、赤道东太平洋地区仅与500 hPa副高强度显著相关，且分别呈正、负相关；在中西太平洋低纬度则与850 hPa和500 hPa副高强度均呈正相关。

(4)7月850 hPa矢量风场在东亚梅雨锋区、赤道东太平洋地区主要受500 hPa副高影响，即500 hPa副高增强时，东亚梅雨锋增强，东太平洋赤道西风增强，反之亦然；在北太平洋中部中纬度地区则主要与850 hPa副高有关，即850 hPa副高增强时，低空反气旋性环流增强。

(5)700 hPa在7月的气温场在太平洋低纬度地区与850 hPa和500 hPa副高均呈正相关，但其中以(20°N，163°E)为中心的区域仅与850 hPa副高呈负相关；此外，在日本海区域与850 hPa副高强度呈正相关，与500 hPa副高则相反。

(6)500 hPa垂直速度在中国长江流域及墨西哥西岸海域在7月主要与500 hPa副高呈负相关，而在西太暖池区的上升运动及中太平洋低纬度地区的下沉运动则与850 hPa和500 hPa副高增强关系密切，且与500 hPa副高相关更好。