1 引言

夏季中国东部天气晴雨冷热的变化很大程度上取决于西太平洋副热带高压(副高)的强弱和位置，反常的副高是造成中国大范围旱涝灾害的重要原因之一。因此，研究新的气候背景下副高空间形态特征(副高体)究竟发生了怎样的变化，发生这种变化可能原因是什么，对中国适应夏季气候变化影响及灾害性天气预警有重要的作用。

关于副高体各特征量的变化已有过很多研究。Gong等(2002)指出，20世纪70年代末副高的强度和面积发生了一次显著的年代际变化。钱代丽等(2009)的研究发现，副高面积指数在20世纪60年代中期和20世纪末发生了两次显著增强。杨义文(1989)的研究表明，在20世纪90年代，副高位置变化与强度既存在一定关联，也存在着相对独立性，关联主要表现在强度与西伸脊点的关系上，独立性则主要表现在强度与脊线位置的关系上。但是，副高作为一个深厚的暖高压，以往对其空间形态特征的研究还比较少。

吴国雄等(1999a, 2003)和刘屹岷等(1999a, 1999b)的一系列研究表明，空间非均匀非绝热加热是决定副高位置和强度的关键因素。黄荣辉等(1988)指出，副高的形成是地球自转和非绝热加热综合作用的结果，其南北移动和东西进退在很大程度上取决于非绝热加热的空间不均匀分布。Yang等(2003)曾经选(22.5°—30.0°N，115.0°—140.0°E)的500 hPa涡度来度量副高的东西移动，当高原东部热源强(弱)时，副高将偏西(东)偏南(北)。凝结潜热作为非绝热加热的一部分成为影响夏季副高位置和强度的重要因素，东亚季风降雨所致凝结潜热加热使高层南亚高压位于加热中心西侧，中层副高位于加热中心东侧。王黎娟等(2005)的研究也表明，非绝热加热的异常会导致涡度制造率的异常分布，从而导致副高形态和强度的变异。副高北侧的加热区偏强，有利于副高南退。副高西侧的加热基本上均大于副高纬带内的加热，副高的每一次西伸都伴随着西侧加热的显著增强，并且加热增强先于副高西伸。副高北侧加热率的垂直变化偏大，不利于副高北进。

对于副高的已有研究大多数关心其各指数的年际、年代际变化，很少见到气候变暖对不同层次上副高空间形态变化的研究。鉴于以往的研究对于非绝热加热对副高影响的研究较少考虑分层的情况，本研究将根据张莉萍等(2014)对北半球温度突变检验，将1951—2012年分成为1951—1976年偏冷期、1977—1992年过渡期及1993—2012年偏暖期3个阶段，研究气候变暖前后空间不同层次上大气热源及涡度的变化对副高空间形态变异的影响，并进一步分析其原因。

2 资料与方法 2.1 资料

(1) 1951—2012年NCEP/NCAR日平均、月平均再分析资料(分辨率为2.5°×2.5°)，包括位势高度、气温、湿度、海平面气压、水平风场、垂直风场，垂直层次范围为1000—100 hPa。

(2) 副高的范围：850、700、600、500和400 hPa分别用1520、3150、4420、5875和7595 gpm等值线表示。

2.2 方法 2.2.1 大气热源计算

采用倒算法(Yanai, et al, 1973)计算大气热源Q₁

(1)

式中，V为水平风矢量，κ=R/c_p，R和c_p分别为干空气气体常数和定压比热，p为气压，p₀=1000 hPa，ω为p坐标的垂直风速，T为温度，θ为位温，为对应变量的平均值；等号右端圆括号中3项分别为局地变化项、水平平流项和垂直输送项；Q₁表示单位时间内单位质量空气的加热率。将式(1)从p_t(100 hPa气压)至p_s(地面气压)整层大气积分，假设对流层顶ω=0，则得

(2)

2.2.2 涡度制造率的计算

全型垂直涡度倾向方程可写为(吴国雄等，1999b)

(3)

式中，是Ertel位涡，其他为气象常用符号。右端前4项分别代表上升运动、热源本身、大气内部热力结构的变化及摩擦耗散对涡度变化的影响；后3项则代表空间非均匀加热的贡献。在不考虑大气内部热力结构的变化、热源本身及摩擦耗散的影响，而仅考虑大气视热源(Q₁)作用时，式(3)改写为

(4)

根据吴国雄等(1999a)的尺度分析，垂直运动项及大气视热源的水平非均匀加热项的量级为10^-11—10^-12 s^-2，比热源的垂直变化所产生的涡度强迫的量级10^-10 s^-2小一个量级以上。因此，式(4)变为

(5)

北半球科里奥利力f=2Ωsinφ总是大于0并随纬度增大(Ω为地球自转角速度)，一般在大尺度运动中也总为正值。

文中使用的其他气象统计方法主要包括相关分析，差值t检验等。

3 副高体形态变异对气候变暖的响应

从去除年代际趋势前的夏季500 hPa位势高度5875 gpm等值线在不同时期的分布(图 1a)可以看出，近62年夏季副高的平均西伸脊点位于126°E，脊线位置位于26°N。气候偏冷期(1951—1976年)，副高的面积与气候态相比显著偏小；西伸脊点位于135°E，比气候态(1951—2012年)显著偏东；脊线位置则基本稳定；北界位置显著偏南，南界偏北。因此，在气候偏冷期，副高面积偏小、强度偏弱、位置偏东，500 hPa副高的形状比较狭长。气候偏暖期(1993—2012年)，副高的面积与气候态相比明显扩大，脊点显著西伸，位于121°E左右；南界南扩，北界略有北抬。因此，气候变暖以后，副高面积扩大，脊点西伸，南边界向南扩张。近62年来副高经历了从持续偏弱到持续增强的变化，尽管每个时段副高面积均表现出增大，但其扩张的方式不同，东西方向始终为逐渐西伸，南北向则表现为先南扩再南北同时扩张。这个结果与气候变暖前、后副高的变化特征是一致的。显然，在气候变暖前、后，夏季副高不仅表现出范围随时间增大，形状也发生了相应的改变。从去除年代际趋势后的夏季500 hPa位势高度5875 gpm等值线在不同时期的分布(图 1b)可以看出，在气候偏暖期，副高的形态、面积与气候态基本一致，但比偏冷期面积有所扩大，西脊点西伸，南边界略有南扩。因此，无论是否去除年代际趋势，在气候变暖前、后，夏季副高均表现出范围随时间有所增大，形状发生西伸、南扩的特征。

副高形态的这种变化在各层有所不同。由于副高是一个深厚的暖高压系统，从对流层的底层一直延伸至对流层的中上层。因此通过绘制各层(925—400 hPa)副高冷、暖期的特征线(图 2)可以看出，副高并不是一个垂直结构的刚体，而是从低层至高层逐渐西伸，呈现低层位置偏东，高层位置偏西的不规则倾斜体。值得注意的是，低层925 hPa副高冷、暖期的形态差异并不明显，至850 hPa，偏暖期的副高面积略有扩大。从700 hPa开始，偏暖期副高显著西伸、南扩，这种冷、暖期副高形态的差异一直维持至400 hPa，在500 hPa副高冷、暖期的形态差异最为明显。

4 非绝热加热对副高空间形态变异的影响

非绝热加热对副高的形成和变异有重要的影响，其南北移动和东西进退在很大程度上取决于非绝热加热的空间分布。副高与其东西、南北侧的热源相互作用。由于大气热源的变化对涡度的分布会产生重要影响，而涡度的大小和位置会直接影响副高的强度和位置，因此，大气热源、涡度、副高三者存在紧密的联系。

4.1 大气热源对副高的影响

由于副高是一个深厚的暖性高压体，并且从低层到高层副高体逐步向西延伸，因此副高体内及周围大气热源的变化会引起副高的变化。从夏季副高强度、西脊点、脊线位置与整层大气热源相关系数的空间分布(图 3)可以看出，夏季副高强度与其西侧、南侧的大气热源成显著正相关，与其西北侧的大气热源成显著负相关，即夏季副高西南侧的大气热源偏强、西北侧的热源偏弱，则副高就会偏强；夏季副高西伸脊点与其西侧的大气热源成显著负相关，即夏季副高西侧的大气热源偏强，则副高西伸脊点会偏西；夏季副高脊线位置与其西侧、南侧的大气热源成显著负相关，而与其北侧的大气热源成显著正相关，即夏季副高西侧、南侧热源偏强、北侧热源偏弱，则副高脊线位置会偏南。副高各指数与(10°—25°N，120°—150°E)范围内的大气热源关系最为密切，将此区域选作大气热源关键区，即关键区热源加强，副高强度增强、西脊点西伸，脊线南移。

关键区热源加强，副高强度增强、脊点西伸，脊线南移。从偏暖期与偏冷期整层大气热源的差值场上(图 4)可以看出，在偏暖期，热源关键区内为正偏差，使副高强度加强，副高西侧(15°—30°N，100°— 120°E)范围内的大气热源为正偏差，则副高西伸；副高南侧(5°—15°N，120°—150°E)范围内的大气热源为正偏差，则副高南边界向南扩展。

从1951—2016年副高西侧、南侧以及热源关键区的大气热源标准化时间序列(图 5)可以看出，关键区内的热源随气候变暖显著加强(图 5a)，尤其是在加速增温期，热源加强幅度最大。关键区热源在20世纪90年代初有所减弱，进入21世纪以来，热源又开始加强，在整个偏暖期，热源保持在较高水平；副高西侧(15°—30°N，100°—120°E)的热源随气候变暖呈现增强—减弱—增强—减弱的特征(图 5b)。偏暖期热源整体偏强，尤其是在20世纪90年代初，副高西侧热源达到最强，由于副高西伸脊点与其西侧热源成显著负相关，这正好与此时副高西脊点显著西伸相对应；副高南侧(10°—15°N，120°—150°E)的热源在偏冷期较弱(图 5c)，加速增温期热源最强，而在偏暖期热源有所减弱，但仍比偏冷期强，随气候变暖呈现弱—强—弱的特征。由于副高脊线位置与其南侧热源成显著负相关，这正好与副高脊线位置呈现北—南—北的摆动相对应。

副高冷、暖期的形态差异开始出现在850—700 hPa，即在850—700 hPa上开始显著西伸、南扩，在500 hPa这种差异最为明显。因此，可以认为随着气候变暖大气热源在不同层次上的差异将会影响副高的这种空间形态差异。通过对比偏冷期和偏暖期沿15°—30°N大气热源垂直变化(图 6a、b)可以看出，偏冷期和偏暖期副高西侧大气热源的加热中心均位于400 hPa左右，在偏暖期热源有所加强。从偏暖期与偏冷期沿15°—30°N大气热源垂直变化的差值场(图 6c)可以看出，随着气候变暖，副高西侧(100°—120°E)的大气热源从850—700 hPa开始加强，并一直持续至400 hPa，正差值中心约位于500 hPa，这与偏暖期的副高西脊点从850—700 hPa开始西伸并维持至400 hPa，在500 hPa西伸最显著的变化是一致的。

通过对比偏冷期和偏暖期沿120°—150°E大气热源垂直变化(图 7a、b)，副高南侧和北侧大气热源中心大约位于500—400 hPa，在偏冷期，副高南侧大气热源中心位于14°N；偏暖期，中心位于12°N，即随着气候变暖，副高南侧500—400 hPa的大气热源中心的强度有所加强，位置南移。从偏暖期与偏冷期沿120°—150°E大气热源垂直变化的差值场上(图 7c)可以看出，副高南侧(15°N以南)的热源从对流层低层到中上层都表现为加强，在0°—12°N，大气热源的正差值中心位于500—400 hPa，且纬度越偏南，正差值中心位置越高，这与偏暖期副高南边界整体南扩，在500 hPa上南扩最为显著的变化是一致的。

4.2 涡度对副高的影响

由于副高为暖型高压，其周围涡度的变化会对副高的南北、东西位置产生重要的影响，从而影响副高的形态，进而也可以反映副高强度的变化。由上文的分析可知，副高冷、暖的形态差异开始出现在850—700 hPa，在500 hPa这种差异最为明显，而副高西侧、南侧的分层大气热源在850—700 hPa开始有明显的加强，且副高南侧500 hPa热源中心有所南移，至500 hPa热源加强最明显，冷、暖期不同层次上大气热源的差异导致了副高空间形态的差异，进而需考虑冷、暖期在不同层次上涡度的差异对副高空间形态的影响。

从偏暖期与偏冷期沿15°—30°N局地涡度垂直变化的差值场(图 8a)可以看出，随着气候变暖，副高西侧(100°—110°E)的负涡度增强，且从低层一直持续至400 hPa，负差值中心位于850—700 hPa，说明副高西侧的负涡度在850—700 hPa增加最为显著，与副高在此层开始显著西伸相对应；从偏暖期与偏冷期沿120°—150°E涡度垂直变化的差值场(图 8b)可以看出，随着气候变暖，在10°N以南的副高南侧，负涡度的增大从低层一直持续至高层的250 hPa，负涡度中心南移，负差值中心位于500 hPa，说明副高南侧的负涡度在500 hPa加强最为显著，这与副高在500 hPa向南扩张最为显著相对应。

4.3 大气热源与涡度的关系 4.3.1 冷、暖期大气热源与500 hPa涡度关系

整层大气热源的变化会引起500 hPa相对涡度的局地变化，从而导致副高的强度、位置等特征发生变化。为了更加清楚地反映随着气候变暖大气热源与500 hPa相对涡度关系的变化，分别给出了偏冷期和偏暖期夏季副高西侧、南侧以及关键区大气热源与500 hPa相对涡度相关系数的空间分布(图 9)。可以看出，偏暖期与偏冷期相比，副高西侧热源与其西脊点西侧500 hPa相对涡度的负相关由不显著变得显著(图 9a₁、a₂)，说明气候变暖后，副高西侧热源与其西脊点西伸的关系更为密切，即副高西侧热源加强，引导副高西脊点显著西伸。还可以看出，偏暖期与偏冷期相比，副高南侧热源与其南边界西南侧500 hPa相对涡度的负相关范围有所扩大且更加显著(图 9b₁、b₂)，说明在气候变暖后，副高南侧热源与其南边界的关系更为密切，即副高南侧热源加强，引导副高南边界向南扩张。偏暖期与偏冷期相比，关键区热源与500 hPa相对涡度均与副高西侧热源成显著负相关，即关键区热源加强，会引导副高西脊点西伸(图 9c₁、c₂)。最显著的差异在于副高西南侧，即热源关键区所在范围内的相关性由正相关变为负相关，且显著负相关区域有所扩大，说明在偏冷期，关键区热源加强，将导致副高西脊点西伸，整体北移，即副高西伸脊点与脊线位置成负相关。在偏暖期关键区热源加强，将导致副高西脊点西伸，南边界南扩，整体南移，即副高西伸脊点与脊线位置成正相关，这与孙圣杰等(2016)研究中提到的在气候变暖之后副高西伸脊点与脊线位置的关系由负变正相对应。

4.3.2 加热率的垂直变化对涡度变化的影响

当副高南(北)侧盛行东(西)风(v≈0)，并且在x方向上涡度平流很弱时，式(5)可简化为

(6)

因此，根据式(6)可知，涡度制造率可以用加热率的垂直变化来表示。从偏暖期与偏冷期500 hPa(〈Q₁〉为600与400 hPa的差)涡度制造率差值场可以看出(图 10)，对于偏冷期的副高(500 hPa)，其西侧和南侧，即 < 0，说明偏冷期副高西南侧、北侧加热率的垂直变化减小，其涡度制造率也减小，使副高向涡度制造率减小的方向扩展。从图 10中还可以看出，涡度制造率为负偏差的范围随着气候变暖向副高的西南侧方向扩展，由于副高会向着涡度制造率为负偏差的方向扩展，因此，偏暖期副高的形态较之偏冷期西脊点西伸、南边界南扩，北界也有所北扩。

为了看出热源、涡度和副高三者变化的先后顺序，选取副高异常偏西的3年(1993、1998和2010年，即副高西伸脊点指数的标准化序列中绝对值大于1.5的3年)，从3年合成的6—8月副高西侧大气热源、500 hPa涡度以及西伸脊点的逐日变化(图 11)可以看出，在6月中上旬西伸脊点的第1次西伸过程中，6月10日前后副高西侧热源加强，在随后的2 d涡度开始减小，3 d后在6月15日前后，副高的西脊点出现第1次西伸；在7月上旬西伸脊点的第2次西伸过程中，6月28日前后副高西侧热源加强，在随后的1—2 d涡度开始减小，至7月3日前后，副高的西脊点出现第2次西伸；在7月下旬西伸脊点的第3次西伸过程中，副高西侧热源多次持续加强，每次热源加强后的2—3 d均对应有涡度的减弱，涡度减弱后的1—3 d，副高西脊点均出现不同程度的西伸。第3次西伸持续的时间较长，一直至8月下旬，西伸脊点才开始东撤。由此可见，副高西侧大气热源加强，将导致此区域内正涡度的减弱，负涡度增大，从而使副高向负涡度增大的方向发展，即副高西脊点不断西伸。

5 结论与讨论

(1) 随着气候变暖，副高空间形态最显著的变化表现为面积扩大，强度加强，西脊点西伸，南边界向南扩张，副高体冷、暖期的形态差异开始出现在850—700 hPa，这种差异一直维持至400 hPa，在500 hPa差异最为明显。

(2) 各层副高在冷、暖期的形态差异与其周围大气热源和涡度的变化相对应。随着气候变暖，副高西侧、南侧的大气热源在850—700 hPa上开始有明显的加强，500 hPa热源加强最明显，且副高南侧500 hPa热源中心有所南移；副高西侧、南侧从对流层低层到中高层有反气旋涡度的增大，副高西侧的反气旋涡度在850—700 hPa增大最明显，南侧的反气旋涡度在500 hPa增大最明显，反气旋涡度中心整体南移。大气热源和涡度的变化特征与副高形态从850—700 hPa上开始显著西伸南扩，在500 hPa西伸南扩最显著的特征是对应的。

(3) 大气热源、涡度、副高形态三者存在一定联系。气候变暖后，副高西侧、南侧以及关键区内热源的加强，将导致相应区域内气旋性涡度的减弱，反气旋涡度增强，副高向反气旋涡度增强的方向发展，而涡度制造率为负偏差的范围也随着气候变暖向副高的西南侧方向扩展，这说明大气热源的变化导致涡度的变化，从而导致副高西脊点西伸，南边界南扩，整体南移。