气象学报  2012, Vol. 70 Issue (5): 1021-1031   PDF    
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2012.085
中国气象学会主办。
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赵俊虎, 封国林, 杨 杰, 支 蓉, 王启光. 2012.
ZHAO Junhu, FENG Guolin, YANG Jie, ZHI Rong, WANG Qiguang. 2012.
夏季西太平洋副热带高压的不同类型与中国汛期大尺度旱涝的分布
Analysis of the distribution of the large-scale drought/flood of summer in China under different types of the western Pacific subtropical high
气象学报, 70(5): 1021-1031
Acta Meteorologica Sinica, 70(5): 1021-1031.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2012.085

文章历史

收稿日期:2011-05-23
改回日期:2012-03-29
夏季西太平洋副热带高压的不同类型与中国汛期大尺度旱涝的分布
赵俊虎1,2, 封国林2 , 杨 杰1, 支 蓉2, 王启光1    
1. 兰州大学大气科学学院,兰州,730000;
2. 国家气候中心,中国气象局气候研究开放实验室,北京,100081
摘要:利用历史数据,研究了西太平洋副热带高压指数的特征,证实脊线指数和西伸脊点指数可以较好地描述西太平洋副热带高压,同时也指出这两个指数的年际和年代际变化及其不同的配置,是造成中国夏季降水时空分布和旱涝异常的复杂性、多变性的主要原因之一。据此,将西太平洋副热带高压西伸脊点指数和脊线指数的距平投影到二维平面上,对西太平洋副热带高压进行了分类,并对其各种类型下中国夏季降水进行了合成分析,发现夏季西太平洋副热带高压西伸脊点和脊线不同配置下中国夏季降水的总体分布具有明显的规律性:在西太平洋副热带高压脊线偏北的情况下,夏季降水总体表现出南北两条雨带;在西太平洋副热带高压脊线正常的情况下,夏季降水总体表现为北多南少,长江以北降水偏多;在西太平洋副热带高压脊线偏南的情况下,夏季降水总体表现为南多北少,长江流域及其以南地区降水偏多;上述3种情况下西伸脊点越偏西,降水范围越大。此外,通过计算1951—2010年各年夏季降水实况与其西太平洋副热带高压所属年份夏季降水合成的距平相关系数,发现同一类型下各年夏季降水与其合成分布总体相似,说明了西太平洋副热带高压位置对中国降水具有明显的影响,同时也说明此种分类具有一定的合理性。最后,通过对9种西太平洋副热带高压类型下北半球夏季500 hPa高度场和850 hPa风场距平分别进行合成,对不同西太平洋副热带高压类型下中国夏季降水的大尺度环流背景和可能机理进行了分析。
关键词西太平洋副热带高压     脊线     西伸脊点     汛期降水     大尺度环流    
Analysis of the distribution of the large-scale drought/flood of summer in China under different types of the western Pacific subtropical high
ZHAO Junhu1,2, FENG Guolin2 , YANG Jie1, ZHI Rong2, WANG Qiguang1    
1. College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;
2. Laboratory for Climate Studies, National Climate Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China
Abstract: The characteristics of the western Pacific subtropical high indices were studied based on the historical data. It was proved that its ridge line index and western extension index could be used to describe the subtropical high well, and the interannual and interdecadal variations of this two indices and their different configurations in space contributed largely to the complexity and variability of the spatial-temporal rainfall distribution and precipitation anomalies in summer of China. Accordingly, anomalies of the summer average ridge index and western extension index of the subtropical high were projected onto a two-dimensional plane, and the subtropical high was classified and the seasonal rainfall was analyzed by the synthesis method based on the different categories. The results indicate that the overall distribution patterns show distinct regulations under the different configurations of the two indices. There are two rain-belts in the summer precipitation respectively in southern and northern China when the subtropical high ridge shifts northward. The normal pattern for the subtropical high ridge is corresponding with that with the precipitation more in the north of the Yangtze River regions and less in southern China. While the distribution of precipitation is opposite when the subtropical high ridge shifts southward. Under the circumstances mentioned, the more the westward extention of the subtropical high is, the larger the precipitation range is. Furthermore, the correlation coefficients between summer precipitation anomalies and the synthesized precipitation based on the classification of the corresponding subtropical high were calculated, and found that the anomaly patterns of summer precipitation anomaly is similar to that of the synthetic one of the same category, which indicated some rationality of the classification to some extent. Finally, the composite analysis was done for the 500 hPa geopotential height field and the 850 hPa wind anomaly field by the nine types of the subtropical high in summer, and the probable mechanisms and background of the large scale circulation were analyzed.
Key words: Western Pacific subtropical high     Ridge line     Western extension of the ridge     Flood period rainfall     Large-scale circulation    
1 引 言

西太平洋副热带高压(简称副高)是夏季对流层中、低层中位于西太平洋至中国东部的重要天气、气候系统,是东亚夏季风系统主要成员之一(陶诗言等,2006)。副高变化多端,其强弱变化及南北和东西位置的进退摇摆,是副热带环流调整的主要表现,副高脊线的北进南退、脊点的西伸东撤影响其东南侧的东南气流及转向的西南气流的位置和强弱,对东亚夏半年的降水和旱涝有重要影响,特别是与中国夏季降水的分布型和旱涝趋势有最为直接和密切的关系(赵振国,1999)。因此,研究副高的变化规律及其对中国夏季旱涝的影响是研究中国夏季旱涝成因及短期气候预测的重要环节。

已有研究(黄士松,1963王绍武等,2000吴国雄等,2003张庆云等,2003魏凤英等,2010)表明,副高强度变化和位置变化对夏季降水有着一定的制约作用,其中,副高面积和强度主要与中国夏季大范围降水的多寡趋势有关:当副高面积偏大强度偏强时降水偏多,副高面积偏小强度偏弱时降水偏少;副高脊线位置则与夏季降水的雨带位置有关,雨带的位置大约在副高脊线以北5—10个纬度,当副高脊线位置偏北时,季风雨带偏北,中国南北多雨而中间少雨。此外,由于东亚地处副高的西北侧,副高在东西向的偏移也对东亚季风起重要作用,影响水汽的输送路径,进而影响中国的降水(陆日宇等,2007)。例如,1998 (庄世宇等,2005)、2010年(赵俊虎等,2011)中国大范围多雨,这些异常均与副高的异常西伸活动有着密切的关系。然而,以往的研究多注重夏季副高在南北方向上的进退(赵振国等,1995李双林等,1999张庆云等,1999李建平等,2008),或者东西方向的偏移(罗玲等,2005王黎娟等,2005),而综合考虑副高东西、南北位置的不同配置类型对中国夏季降水影响的研究较少。事实上,副高的南北位置和东西位置均与中国夏季汛期降水密切相关。因此,客观定量化地弄清夏季副高的不同位置(脊线和西伸脊点的不同配置)与中国夏季降水总体分布趋势的关系,无疑将有助于进一步提高夏季降水预测水平。

本文首先从季节的角度对夏季副高指数(脊线和西伸脊点)的年际和年代际变化进行了简要分析,然后通过将副高脊线和西伸脊点投影到二维平面上,对1951—2010年夏季副高脊线和西伸脊点的不同配置进行分类,并对各种类型下的中国夏季降水进行合成分析,从而达到对副高南北位置和东西位置综合考虑下中国夏季降水大体分布规律认识的目的,并为下一步对副高客观定量化的预测与汛期降水预测研究提供了理论基础。2 资 料

本文使用的资料主要是中国国家气候中心提供的74项环流指数中关于副高的5个指数(面积、强度、脊线、西伸脊点和北界),中国160站降水资料以及NECP/NCAR的高度场月平均再分析资料。夏季副高指数为6、7、8三个月的平均值,计算副高指数、降水和高度场的距平时均取1971—2000年为气候态。

传统的3类雨型划分主要根据中国东部地区主汛期降水距平百分率的正距平中心区的位置,对中国中西部地区和东北地区的旱涝情况和双雨带或多雨带的年份基本上也靠预报员的主观判断将其归属到这3类雨型中的某一类,所以,对有些年份的代表性较差,在一定程度上会影响到汛期预报的精度和质量(陈菊英,2010)。因此,本文雨型划分采用王绍武等(1998)的划分方法,将中国夏季降水划 分为6种类型:1类为东北、华北类雨型,主雨带在东北南部及华北东部;2类为西北类雨型,主雨带在华北西部及西北东部;3类为黄淮类雨型,主雨带在黄河中游与下游的交接段到淮河流域;4类为长江类雨型,主雨带在长江中、下游;5类为南方类雨型,主雨带在华南至江南;6类为中国少雨类雨型。3 副高指数的年际和年代际变化

1951—2010年60年夏季副高指数的相关系数(表 1)表明,副高面积指数和强度指数、脊线指数和北界指数的强弱趋势基本一致,其相关系数分别达到0.96和0.83;副高面积、强度指数和西伸脊点指数的变化趋势基本是相反的,其相关系数均为-0.72,远超过0.001的信度(0.24),表明副高西伸越明显,则其面积越大强度越强,反之面积越小强度越弱。因此,本文选取副高的脊线和西伸脊点,从季节的尺度研究夏季副高南北和东西位置的年际和年代际变化,及其不同配置与中国夏季降水总体分布规律的关系。

表 1 1951—2010年夏季副高各指数之间相关系数Table 1 The correlation coefficients between the various two indices of the western Pacific subtropical high during 1951—2010
面积指数 强度指数 脊线指数 北界指数 西伸脊点指数
面积指数 1.00
强度指数 0.96* 1.00
脊线指数 -0.20 -0.17 1.00
北界指数 0.08 0.13 0.83* 1.00
西伸脊点指数 -0.72* -0.72* 0.09 -0.11 1.00
注:*表示通过0.01的信度检验

从给出的1951—2010年夏季副高脊线和西伸脊点指数的距平累积曲线(图 1)可见,1951—2010年夏季副高脊线(图 1a)经历了从持续偏北到持续偏南再持续偏北的年代际变化周期,1976年之前夏季副高为总体偏北阶段,1977年至1993年夏季副高总体持续偏南,而2000年以来,夏季副高进入了总体偏北阶段。1951—2010年夏季副高西伸脊点(图 1b)经历了从持续偏西到持续偏东再持续偏西的年代际变化周期,1967年之前夏季副高为总体偏西阶段,1967—1986年夏季副高总体持续偏东,而1987年以来,夏季副高又进入了总体偏西阶段。

图 1 1951—2010年夏季副高指数距平累积曲线(a.脊线,b.西伸脊点)Fig. 1 Cumulated anomalies of the summer western Pacific subtropical high indices during 1951—2010(a. ridge line,b. westward extension)

分析表明,夏季副高的南北位置和东西位置不仅具有明显的年代际变化趋势,还具有明显的年际变化。统计分析1951—2010年夏季副高脊线和西伸脊点得出,副高夏季平均脊线指数为24.5°N,最北为28°N,最南为20.3°N,标准差为1.7°;夏季平均西伸脊点指数为120°E,最东位置为144°E,最西达92°E,标准差达11.5°。这表明近60年夏季副高平均最南位置和最北位置相差达8个纬度,最东位置和最西位置相差达52个经度,正是夏季副高东西和南北位置存在着明显的年际和年代际变化及两者不同的配置,造成了中国夏季降水时空分布和旱涝异常的复杂多变性。4 副高脊线和西伸脊点的不同配置及分类

夏季副高的西伸脊点指数和脊线指数的标准差分别为11.5°和1.7°,本节将对副高西伸脊点指数和脊线指数的距平序列xiyi进行分类,若-0.5σx≤xi≤0.5σx-0.5σy≤yi≤0.5σy,则定义为副高正常年;若xi≤-0.5σx-0.5σy≤yi≤0.5σy,则定义为副高偏西年;…。以此类推,对1951—2010年夏季副高进行了分类,并统计了各年雨型(表 2)。其中,σxσy分别为副高西伸脊点指数和脊线序列指数的标准差。

表 2 夏季副高分类及各年雨型Table 2 The classification of the western Pacific subtropical high and precipitation patterns in summer during 1951—2010
类型

分类标准 年份(雨型)
a偏西偏北 xi<-0.5σxyi>0.5σy 1953(1)1961(2)1962(5)1964(1)1966(1)1994(1)2006(5)
b偏北 -0.5σx≤xi≤0.5σxyi>0.5σy 1951(6)1956(3)1957(3)1960(6)1970(5)1971(3)2001(5)
c偏北偏东 xi>0.5σxyi>0.5σy1975(4)1976(2)1985(1)1999(4)2000(3)2004(2)
d偏西xi<-0.5σx-0.5σy≤yi≤0.5σy1954(4)1979(2)1995(1)1996(4)2003(3)2009(6)2010(4)
e正常年份x0.5≤xi≤0.5σx

-0.5σy≤yi≤0.5σy

1959(2)1963(3)1973(1)1981(2)1990(6)

1991(4)1992(2)1997(5)2005(3)2007(3)

f偏东 xi>0.5σx-0.5σy≤yi≤0.5σy1952(5)1955(5)1967(2)1972(6)1978(6)1984(3)
g偏西偏南 xi<-0.5σxyi<-0.5σy1980(4)1983(4)1987(4)1988(2)1993(5)1998(4)
h偏南-0.5σx≤xi≤0.5σxyi<-0.5σy1958(2)1965(3)1969(4)1977(5)1989(4)2002(5)2008(5)
i偏东偏南 xi>0.5σxyi<-0.5σy 1968(5)1974(6)1982(3)1986(4)

表 2可见,在夏季副高西伸脊点和脊线的配置下,正常年有10年,占总样本量的1/6,8种偏移年共有50年,占总样本量的5/6,各种配置下样本量相对均匀。此外,也可以看出副高西伸脊点和脊线的不同配置下,雨型表现出了一定的规律:副高偏西偏北年主要表现为1、5类雨型(占6/7);副高偏北年则以3类雨型为主(占3/7);副高偏北偏东有6年,分别出现1、2、3、4类雨型,特 征不明显;副高偏西年以4类雨型为主(占3/7);副高正常年有10年,出现了6种雨型;副高偏东年以5、6类雨型占优(占2/3);副高偏西偏南年也以4类雨型为主(占2/3);副高偏南年以4、5类雨型为主(5/7);而副高偏东偏南年雨型表现不明显。

为直观起见,将夏季副高的西伸脊点和脊线投影在二维平面上,并根据表 2的分类将二维平面分成了9个区域(图 2),图 2横坐标为夏季副高西伸脊点距平,5°W表示西伸脊点偏西5个经度,5°E表示西伸脊点偏东5个经度;纵坐标为夏季副高脊线距平,1°N表示脊线偏北1个纬度,1°S表示脊线偏南1个纬度,以此类推。

图 2 1951—2010年夏季副高西伸脊点距平(横坐标)和脊线距平(纵坐标)投影((a)—(i)分别对应表 2中副高的9种类型)Fig. 2 Projections of the ridge line anomaly(ordinate) and westward extension anomaly(abscissa)for the western Pacific subtropical high((a)—(i)for the nine types of the western Pacific subtropical high as shown successively in Table 2)
5 不同副高类型下中国夏季降水的空间分布特征

为了探究夏季副高西伸脊点和脊线不同配置下中国夏季降水的大体分布规律,对副高9种类型下的中国夏季降水进行了合成(图 3)。可见夏季副高西伸脊点和脊线不同配置下中国夏季降水的大体分布具有明显的规律性。当副高偏西偏北时,中国黄河流域和东北降水偏多,长江流域降水偏少,华南降水也偏多,整体表现为1类雨型(图 3a);副高偏北,东西位置正常的情况下,中国夏季出现自广东经川渝和黄淮至东北这样半环状的多雨区分布,长江流域及江南大部大范围少雨,表现为3类雨型(图 3b);副高偏北偏东时,中国夏季雨带南压,江南多雨,江北少雨,雨型整体分布接近5型(图 3c);副高偏西,南北位置正常时,中国夏季易出现大范围地区多雨,降水中心在长江中游到黄河中游,其中典型的年份有1954、1996、2010年,表现为4类雨型(图 3d);副高西伸脊点和脊线属于正常范围内时,夏季降水合成从南到北表现为偏多、偏少、偏多、偏少的纬向型分布,降水距平百分率基本在-20%—20%,无明显异常(图 3e);而在副高偏东,南北位置正常的情况下,中国易大范围少雨,其中,典型的年份有1972、1978年,说明此时副高对中国夏季降水的作用已经减弱(图 3f);若副高偏西偏南,中国夏季降水表现为典型的中间多南北少的分布特征,即长江流域降水偏多,华北、华南降水偏少,为4类雨型(图 3g);副高偏南,东西位置正常的情况下,中国夏季降水表现为南多北少的分布特征,淮河以南降水偏多,淮河以北降水偏少(图 3h);副高偏东偏南时,中国西南地区和华南地区降水偏多,其余大范围地区降水偏少,表现为5类雨型(图 3i)。

图 3 不同副高类型下中国夏季降水距平百分率合成分布(a—i.分别对应表 2中副高的9种类型)Fig. 3 Composite distribution of the precipitation anomaly percentage in summer for the various types of the western Pacific subtropical high((a)—(i)for the nine types of the western Pacific subtropical high as shown successively in Table 2)

综上可见,在副高脊线偏北的情况下,夏季降水总体表现出南北两条雨带,且西伸脊点越偏西,降水偏多的范围越大(图 3a—c);在副高脊线正常的情况下,夏季降水总体表现为北多南少,长江以北降水偏多,且西伸脊点越偏西,降水偏多的范围越大(图 3d—f);在副高脊线偏南的情况下,夏季降水总体表现为南多北少,长江流域及其以南地区降水偏多,且西伸脊点越偏西,降水偏多的范围越大(图 3g—i)。6 不同副高类型下中国夏季降水分布的代表性检验

上节从季节的尺度,分析了不同副高类型下夏季降水的大体分布形式,由以上降水合成分析可见,在夏季副高西伸脊点和脊线配置的不同情况下,中国夏季降水的大体分布表现出了一定的规律性,对夏季降水总体趋势预测有一定的指示作用。为了检验1951—2010年每年夏季降水实况与其副高所属年份下降水合成之间的相似程度,计算了两个空间场(160点)的夏季降水量距平百分率的相关系数(表 3)。

表 3可见,副高偏西偏北的7个年份的相关系数为0.23—0.73,均通过0.001的信度检验(0.15),平均为0.56,最佳相似年是1964年;副高偏北的7个年份的相关系数为0.23—0.72,平均为0.48,最佳相似年为1960年;副高偏东偏北有6年,相关系数在0.12—0.57,其中,有5年通过0.01的信度检验(0.13),最佳相似年为1976年;副高偏西的7个年份的相关系数为0.15—0.63,均通过0.001的信度检验,平均为0.4,最佳相似年是1996年;副高正常年份有10年,相关系数在 -0.05—0.51,平均为0.23,其中有8年(80%)通过了0.01的信度检验,最佳相似年为1963年,1997年相似性较差;副高偏东年份有6年,相关系数在0.28—0.57,最佳相似年为1987和1993年;副高偏西偏南的6年相关系数为-0.13—0.58,其中,1988年相似性最差,1980年相似性最佳;副高偏南的年份有7年,相关系数在0.14—0.47,均通过0.01的信度检验,最佳相似年为1989年;副高偏东偏南有4年,相关系数在0.37—0.54,最佳相似年为1954年。

表 3 1951—2010年夏季降水实况与该年副高所属类型下降水合成场的相似程度(相关系数)Table 3 The correlation coefficients between the observed summer precipitation and the composite for the precipitation anomaly percentage in summer under the various types of the western Pacific subtropical high during 1951—2010
副高类型 年份与相关系数 平均
a 偏西偏北
相关系数
1953 1961 1962 1964 1966 1994 2006
0.62 0.61 0.41 0.73 0.71 0.58 0.23
0.56
b 偏北
相关系数
1951 1956 1957 1960 1970 1971 2001
0.29 0.23 0.57 0.72 0.40 0.67 0.51
0.48
c 偏北偏东
相关系数
1975 1976 1985 1999 2000 2004
0.42 0.57 0.12 0.13 0.19 0.50
0.32
d 偏西
相关系数
1954 1979 1995 1996 2003 2009 2010
0.65 0.23 0.38 0.63 0.37 0.15 0.36
0.4
e正常年份
相关系数
1959 1963 1973 1981 1990 1991 1992 1997 2005 2007
0.33 0.51 0.13 0.11 0.17 0.21 0.23-0.05 0.38 0.27
0.23
f 偏东
相关系数
1952 1955 1967 1972 1978 1984
0.32 0.40 0.57 0.28 0.57 0.51
0.44
g 偏西偏南
相关系数
1980 1983 1987 1988 1993 1998
0.58 0.55 0.53-0.13 0.46 0.51
0.42
h 偏南
相关系数
1958 1965 1969 1977 1989 2002 2008
0.14 0.39 0.23 0.14 0.47 0.44 0.39
0.31
i 偏东偏南
相关系数
1968 1974 1982 1986
0.54 0.39 0.37 0.47
0.44

总体来看,60年相关系数平均为0.39,说明以副高脊线和西伸脊点的不同配置对副高进行分类,在同一类型下各年夏季降水之间表现出类似的分布,说明同一类型副高对中国夏季降水影响具有一致性,同时也说明此种分类具有一定的合理性。7 不同副高类型下中国夏季降水的大尺度环流背景和可能机理

降水是冷暖空气相互作用的结果。中国夏季降水受中高纬度的阻塞高压和冷涡、低纬度的副高、夏季风、南支槽(包括印度低压)、台风以及南半球越赤道气流等多个环流系统的综合影响(施能等,1996张庆云等,1998范可等,2006a2006b魏凤英,2006廉毅等,2010魏凤英等,2010)。副高是副热带暖湿气团中对中国夏季降水分布和雨型最具影响力的成员,中国汛期的水汽主要是由副高和印度低压(或南支槽)分别将东南海洋和孟加拉湾的水汽输送到中国大陆上空(陈菊英,2010)。

在实际气候变化中,由于副高的位置、面积和其他特征(如双脊线、北跳时间和持续性等)的不同以及与东亚夏季风系统其他成员的不同配置,使得中国每年的夏季降水分布和旱涝趋势表现出不同的特征,因此,并不是所有年份都符合各自所属的上述9种副高类型下降水的合成分布。例如1988年属于副高偏西偏南年,其降水合成表现为中间多南北少,且西北大范围偏多。事实上,1988年夏季中国华北降水偏多,黄河以北部分地区出现了洪涝,与副高偏西偏南年份下降水合成有一定差异。究其原因,1988年夏季气候特征除了副高偏西偏南外,欧亚中高纬西风带经向环流发展,冷空气势力较强,且东亚夏季风势力偏强,从而导致盛夏华北地区降水偏多,部分地区出现洪涝。

因此,本节通过分别选取每种副高类型下4个最典型年份(夏季降水与其合成场相关系数最高的4年),将其东北半球500 hPa高度场(图 4)、850 hPa矢量风距平场(图 5)分别进行合成,对9种副高类型下中国夏季降水的大尺度环流背景和可能机理展开分析。

图 4 不同副高类型下北半球500 hPa高度环流(等值线,单位:dagpm)和距平场(阴影,单位:gpm)(a—i.分别对应表 2中副高的9种类型)Fig. 4 Composite distribution of the northern 500 hPa circulation fields(contour; unit: dagpm) and anomaly fields(shaded; unit: gpm)in summer under the various types of the western Pacific subtropical high((a)—(i)for the nine types of the western Pacific subtropical high as shown successively in Table 2)
图 5 不同副高类型下东亚地区850 hPa矢量风距平场(阴影为V距平;单位: m/s)(a—i.分别对应表 2中副高的9种类型)Fig. 5 Composite distribution of the northern 850 hPa wind anomaly fields(shaded; unit: m/s)in summer under the various types of the western Pacific subtropical high((a)—(i)for the nine types of the western Pacific subtropical high as shown successively in Table 2)

图 4a可见,当副高偏西偏北时,欧亚夏季500 hPa平均的大尺度环流背景的主要特征是:在高度距平场上高纬度为正距平,中低纬度为负距平;副高实体面积偏小,偏北偏弱;中高纬度为两脊一槽,乌拉尔山有阻塞形势,贝加尔湖地区为一深槽,鄂霍次克海地区为一弱高压脊。850 hPa风距平场上(图 5a),中国东部地区为南风距平,贝加尔湖地区为北风距平,中国北方为一气旋式距平,中心在内蒙古中部。中国北方地区处在南支槽的东北和北方冷槽的右下方,既有较丰富的西南水汽输送,又有冷空气活动,因此,降水偏多;而由于副高偏弱,长江流域缺乏水汽输送,出现大范围少雨;由于副高偏北,西太平洋台风和热带气旋偏多,造成中国西南地区和华南地区降水偏多(图 3a)。

图 4b可见,在副高偏北,东西位置正常的情况下,欧亚夏季500 hPa平均的大尺度环流与副高偏西偏北的情况类似,850 hPa风距平场上(图 5b),中国东部地区为南风距平,蒙古为一气旋式距平,台湾岛以东为一反气旋距平,冷暖空气在黄河中下游地区交汇,造成华北多雨,长江少雨(图 3b)。

图 4c可见,副高偏北偏东时,欧亚夏季500 hPa平均的大尺度环流背景的主要特征是:高度距平场除中高纬度部分地区为正距平外大部表现为负距平;副高面积偏小,偏东偏弱;南支槽较深且偏西;西风带槽脊较平直。850 hPa风距平场上(图 5c),东北和日本岛以东均为反气旋距平控制,华南为一弱气旋式距平,以致华南降水偏多(图 3c)。

图 4d可见,副高偏西,南北位置正常时,欧亚夏季500 hPa平均的大尺度环流背景的主要特征是:极地为负距平,高纬度为正距平,中低纬度除南海地区外大部为负距平;乌拉尔山和鄂霍次克海均有阻塞高压;副高面积偏大,偏强偏西。850 hPa风距平场上(图 5d),南海地区为异常强的反气旋距平控制,贝加尔湖西南为一气旋式距平。由于乌拉尔山和鄂霍次克海东、西两个阻塞高压存在,这种稳定的环流特征使得中国大部分地区处在偏北的干冷气流影响之下,而偏西偏强的副高又不断将东南海洋上的水汽输送到中国大陆,从而造成了中国大部分地区降水偏多(图 3d)。

图 4e可见,副高西伸脊点和脊线属于正常范围时,欧亚夏季500 hPa平均的大尺度环流背景的主要特征是:极地和高纬度为正距平,中低纬度为负距平;副高面积和强度均属正常;乌拉尔山无阻塞,鄂霍次克海阻塞形势明显;欧亚中高纬度上空没有大槽大脊,西风带相对平稳,在巴尔喀什湖上空有一个浅的西风槽。850 hPa风距平场上(图 5e),中国中东部为南风距平,内蒙古西部至贝加尔湖地区为一气旋式距平,台湾东部洋面上为一反气旋距平。在这种环流形势下,中国降水分布比较分散,从北到南表现为偏多、偏少、偏多、偏少的分布,且无明显的降水异常中心(图 3e)。

图 4f可见,副高偏东,南北位置属于正常范围时,欧亚夏季500 hPa平均的大尺度环流背景的主要特征是:高度距平场从极地到热带依次表现为“+-+-”分布;副高没有表现出588 dagpm等值线;欧亚中高纬度上空没有大槽大脊,西风带环流较平直,即纬向环流较强。850 hPa风距平场上(图 5f),中国中东部为南风距平,贝加尔湖东南侧为一气旋式距平,朝鲜半岛为一反气旋距平。由于副高偏东偏弱,缺乏水汽输送,且冷空气活动也较弱,中国大范围地区降水偏少(图 3f)。

图 4g可见,副高偏西偏南时,欧亚夏季500 hPa平均的大尺度环流背景的主要特征是:高度距平场大部表现为正距平;副高面积偏大,偏西偏南偏强;乌拉尔山阻塞形势比较清楚,鄂霍次克海上空阻塞高压较强;中国东北上空还有一个冷槽。850 hPa风距平场上(图 5g),蒙古和南海地区均为反气旋式距平,日本岛以东为一气旋距平。中国长江以南为西南风距平,长江以北为西北风距平,二者交汇于长江流域,从而造成了中国长江流域降水偏多(图 3g)。

图 4h可见,副高偏南,东西位置正常的情况下,欧亚夏季500 hPa平均的大尺度环流背景的主要特征是:高度距平场为“- + -”分布;副高面积偏大,主体偏南;南支槽偏西;乌拉尔山和贝加尔湖阻塞形势较弱,鄂霍次克海阻塞高压较强。850 hPa风距平场上(图 5h),蒙古为反气旋式距平,华东地区为一气旋距平,中心在长江下游。由于副高偏南,中国长江流域及其以南地区位于副高的西北侧和南支槽的前方,水汽丰沛,且东部阻高较强,冷空气在鄂霍次克海西边逐步堆积和加强最后南下,造成中国南方地区降水偏多(图 3h)。

图 4i可见,副高偏东偏南时,欧亚夏季500 hPa平均的大尺度环流背景的主要特征是:高度距平场除东北亚外大部表现为负距平;副高面积偏小,偏东偏弱;南支槽偏深;乌拉尔山至贝加尔湖一带环流较平直,华北为一浅槽,鄂霍次克海有阻塞形势。850 hPa风距平场上(图 5i),贝加尔湖西南侧为气旋式距平,西太平洋为一反气旋距平。中国北方大部分地区缺乏水汽来源,因此降水偏少;中国西南和华南地区受南支槽、偏南副高和南下弱冷空气的共同影响,降水偏多(图 3i)。

综上所述,不同副高类型下中国夏季降水在500 hPa大尺度环流背景和可能机理是:副高偏西偏强年,副高水汽输送增强,乌拉尔山和鄂霍次克海阻高均存在,经向环流偏强,冷空气活跃,中国大范围多雨;副高偏东偏弱年,副高水汽输送减弱,只有东部阻高或没有阻高,缺乏冷空气,全中国大范围少雨。8 结论与讨论

通过对副高指数的分析发现,副高脊线和西伸脊点可以较好地反映副高面积和位置的主要特征。本文从季节的尺度,选取副高脊线和西伸脊点,对1951—2010年夏季副高进行了分类,并将各类型下中国夏季降水进行了合成分析,具体结论如下:

(1)1951—2010年夏季副高脊线和西伸脊点具有年代际变化,脊线经历了从持续偏北到持续偏南再持续偏北的年代际变化周期,其中1976和1993年为其转折点;西伸脊点经历了从持续偏西到持续偏北再持续偏西的年代际变化周期,其中1967和1986年为其转折点。夏季副高脊线和西伸脊点还具有年际变化,正是副高东西和南北位置存在着明显的年际和年代际变化及不同的配置,造成了中国夏季降水时空分布和旱涝异常的复杂性和多变性。

(2)通过对副高西伸脊点指数和脊线指数的距平序列与其标准差的对比,将1951—2010年夏季副高脊线和西伸脊点的不同配置分为9类,各种类型下中国夏季雨型表现出了一定的统计规律。

(3)对副高9种类型下的中国夏季降水进行了合成分析,发现夏季副高西伸脊点和脊线不同配置下中国夏季降水的总体分布具有明显的规律性。通过计算1951—2010年每年夏季降水实况与其副高所属年份夏季降水合成的距平相关系数,发现同一类型下各年夏季降水与其合成分布总体相似,说明此种分类具有一定的合理性。

(4)不同副高类型下中国夏季降水在500 hPa大尺度环流背景和可能机理是:副高偏西偏强年,副高水汽输送增强,乌拉尔山和鄂霍次克海阻高均存在,经向环流偏强,冷空气活跃,中国大范围多雨;副高偏东偏弱年,副高水汽输送减弱,只有东部阻高或没有阻高,缺乏冷空气,全中国大范围少雨。

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