引言

西太平洋副热带高压是一个重要的天气系统。由于它的活动直接影响到我国汛期主要雨带的位置, 所以自50年代以来, 西太平洋副热带高压一直是中国气象界关注的研究课题^[1~2]。当时主要的工作都放在副热带高压的动力学上, 以500 hPa等压面上588 dagpm等高线勾划出副热带高压。这个方法简单明了, 至今还在广大气象台站上广泛应用, 是天气分析和预报中常用的表达方式。但这种表达方式也存在着一定的缺陷, 主要是: ①把副热带高压视为被动系统, 对副热带高压本身的生长、持续和活动的机理没有明确的物理图像; ②由于海洋上观测资料缺乏, 用588 dagpm等高线勾划出的副热带高压单体容易失真, 甚至造成假象, 特别是副热带高压南侧的分析更不真实。

很早以前就有人^[3]尝试从海洋加热场来探讨副热带高压的活动, 但由于当时缺少详尽的资料, 无法深入讨论下去。我们利用OLR卫星遥感资料试图从热力学角度探讨副热带高压的活动。

1 资料

OLR是气象卫星利用辐射仪的红外通道, 从宇宙空间所观测的地气系统的射出长波辐射。它能反映出海洋和大气的许多信息, 在热带OLR能很好地反映出大规模的上升和下沉区。西太平洋副热带高压是一个大规模的下沉区, 所以有理由认为OLR对西太平洋副热带高压的分析大有用处。蒋尚城和戴志远^[4]曾根据1975~1985年 (内缺1978年) 10年OLR资料, 从多年月平均图上探讨了西太平洋副热带高压季节性活动。1998年夏季西太平洋副热带高压活动异常, 7月中旬副热带高压曾一度明显南落, 致使长江中下游再次入梅^[5]。故我们选用国家卫星气象中心提供的1998年6月1日~8月31日逐日平均射出长波辐射资料 (NOAA—14), 覆盖区域为: 0°~50°N, 80°~160°E, 分辨率0.5×0.5经纬度 (称OLR, 下同) 和国家气象中心提供的1998年6月1日~8月31日逐日500 hPa高度场资料 (其格距为1.0×1.0经纬度)。为了两者易于比较, 我们也将高度场资料内插成0.5×0.5经纬度格距, 从逐日OLR场上进一步探讨副热带高压的活动。

2 OLR场与500 hPa高度场的关系

图 1是1974~1997年 (内缺1978年) 6月OLR场与500 hPa高度场平均图。由图 1可以看到: ①在副热带地区OLR有两个高值区, 分别位于西亚和西太平洋地区, 它们对应500 hPa高度大于588 dagpm的区域 (即:伊朗高压和西太平洋副热带高压); ②在中纬度地区也存在OLR值大于240 W·m^-2的区域, 它与500 hPa高空槽后的西北气流控制区基本为同一区域; ③长江中下游和日本的梅雨区与OLR低值区相吻合, 该OLR低值区是中纬度西北气流与副热带西南气流的交绥区; ④孟加拉湾地区OLR值低于200 W·m^-2的低值区, 500 hPa高度也是相对低的区域。

图 2是1998年8月4日OLR资料和500 hPa高度资料叠加图。由图 2可以看到: ①在副热带地区 (15°~35°N, 105°E以东) OLR值大于240 W·m^-2的区域与500 hPa高度大于588 dagpm的区域基本为同一区域, 因为副热带高压控制的区域晴空少云, 在这种天气系统下卫星测得的OLR值主要取决于下垫面温度, 所以副热带高压区 (500 hPa高度大于588 dagpm的区域) 往往是OLR的高值区; ②中纬度地区 (39°~45°N, 80°~110°E附近) 也存在OLR值大于240 W·m^-2的区域, 它与500 hPa高空槽后的西北气流控制区基本为同一区域; ③介于中纬度和副热带地区之间的OLR低值区, 是中纬度西北气流与副热带西南气流的交绥区, 对流活动盛行; ④OLR值低于120 W·m^-2的低纬度地区, 500 hPa高度也是相对低的区域 (见21°N 87°E、22°N 120°E附近)。在大多数情况下OLR场与500 hPa高度场存在以上的关系, 但也有例外, 如1998年7月4日就是一个典型的例子。

图 3是1998年7月4日OLR资料和500 hPa高度资料叠加图。由图 3可以看到:长江中下游到中国南海地区500 hPa高度均大于588 dagpm, 然而OLR场上是相对小值区, 其原因何在呢? 1998年7月3~4日500 hPa的形势变化不大, 从长江中下游到中国南海地区500 hPa高度均大于588 dagpm, 其形势场如图 4所示。由图 4也可以看到:在588 dagpm等高线所控制的区域内, 出现3处不协调的地方: ①长江下游地区有气旋性风向切变、温度露点差 < 1.5 ℃; ②长江中下游地区出现了大范围的降水天气 (在江西省的中部还出现了暴雨天气); ③海南省和广东省南部温度露点差也 < 1.5 ℃。从风场、湿度场和出现的天气现象来看, 仅用500 hPa高度场描述副热带高压时, 在副热带高压区内, 有时会出现大范围的降水天气, 尤其是在海洋上观测资料缺乏, 用588 dagpm等高线勾划出的副热带高压单体容易失真。因此, 我们认为用OLR描述副热带高压可以避免这种现象的发生。

3 西太平洋副热带高压逐日脊线和OLR最大值区轴线的关系

表 1中给出了1998年6月1日~8月31日, 用500 hPa高度场计算的逐日西太平洋副热带高压脊线 (110°~130°E, 下同) 和用OLR资料计算的逐日平均最大轴线位置 (110°~130°E), 并分月给出了两者相差小于2、在2~3之间和大于3个纬度的天数、相关系数和均方差。由表可见: ①6~8月小于2个纬度的天数分别为19、19和16 d, 占总天数的59%, 6~8月在2~3个纬度的天数分别为6、7、7 d, 占总天数的22%, 6~8月大于3个纬度的天数分别为5、5 d和8 d, 占总天数的19%, 当大于3个纬度出现时, 多数情况是副热带高压脊线位置偏南, 在这种情况下由于海洋上高空观测资料缺乏, 因此, 用588dagpm等高线表示副热带高压单体容易失真; ②两者的均方差6~8月分别为1.8、2.0和2.7个纬距; ③两者的相关系数6~8月均大于0.80以上。根据上述分析, 我们认为用OLR资料计算的逐日平均最大轴线位置可以表示副热带高压脊线位置。

4 西太平洋副热带高压OLR表达方法

(1) 北界的选择

在OLR场上除了副热带高压单体部位是OLR高值区外, 在中纬度强西北气流下也可以出现OLR的高值区, 所以在计算中我们必须首先判断出副热带高压的北界, 删除掉强西北气流所在的OLR高值区。为此, 我们规定:在确定的某一经线上, 南北相邻两格点的OLR值, 若北面格点值小于特定值 (分别取: 220, 225, …, 270 W·m^-2, 下同), 南面格点值大于特定值, 且南面格点500 hPa高度值>586 dagpm, 则南面格点的纬度定为该经线上的副热带高压的北界位置。

(2) 面积指数的计算和OLR最佳特征线

采用与中央气象台^[6]相同的方法, 计算500 hPa图上>588 dagpm的格点数, 表示西太平洋副热带高压常用面积指数。用同样方法, 分别计算OLR场中大于各特定值的格点数, 称OLR特定值面积指数。最后求出这两种面积指数之间的均方差和相关系数, 挑选出表达副热带高压的最佳特征线。

图 5是1998年6、7、8月西太平洋副热带高压面积指数与OLR大于特定值的均方差变化。由图可见, 除了7月份外, 6月和8月面积均方差都有一个最低值。6月是240 W· m^-2特征线, 8月是245 W·m^-2特征线。比原来认为用250 W·m^-2特征线作为副热带高压区^{[4, 7]}要低一些。因此用240 W·m^-2特征线表达副热带高压可能更适用些。

1998年6、7和8月若用240 W·m^-2表达副热带高压区, 则上述两种面积指数的相关系数分别为0.80、0.63、0.87。由此可见, 这两者的均方差不但最小, 而且它们之间的相关系数在6月和8月均可达到0.80以上, 7月份由于7月上旬初用588 dagpm等高线勾划副热带高压失真的原因, 所以两者的相关系数偏低。图 6是1998年6月这两种面积指数的逐日变化情况。两者的变化趋势基本一致。

为进一步证实这一结果, 我们以25°N和120°E两根经纬度线, 将110°~130°E间的副热带高压分为4个区, 分别称为LN (110°~120°E 25°N以北)、LS (110°~120°E 25°N以南)、ON (120°~130°E 25°N以北) 和OS (120°~130°E 25°N以南)。

然后分别计算这4个区内上述两种面积指数的均方差和相关系数。表 2为1998年6、7、8月这4个区的均方差 (240 W·m^-2特征线)。

由表 2可见, 南边2个区的均方差比北边2个区大得多, 其中OS区的均方差为最大。分析还发现, 若热带强对流云团发展较强, 且在500 hPa高度场上有反映时, 则这两种表达方法所勾划出的副热带高压单体比较接近; 当热带强对流云团发展得不太强, 在500 hPa高度场上没有反映时, 这两种表达方法的差异就变大了。这充分证实了上述的结论: 500 hPa副热带高压南侧特别是南侧海洋上的分析质量太差, 不能真实地表达出副热带高压来。因此用OLR特征线勾划出的副热带高压单体比较可信, 而且这种分析有利于进一步讨论副热带高压与其南侧强对流云团活动的关系^[8]。

5 结论

由于西太平洋副热带高压的活动直接影响到我国汛期主要雨带的分布, 所以在夏季天气分析和预报中, 西太平洋副热带高压是一个十分重要的天气系统。但是以500 hPa等压面上588 dagpm等高线勾划副热带高压的常用表达方式已显示出存在一定的缺陷, 特别是由于海洋上观测资料的缺乏, 用588 dagpm等高线勾划出副热带高压单体容易失真。为了克服这种失真现象, 我们建议用OLR场中240 W·m^-2特征线来表达副热带高压更适用。

我们用面积指数的方法, 比较了上述两种表达方式的差异, 充分证实了用OLR特征线勾划出的副热带高压单体比较可信。而且也指出, 用这种方法将更有利于进一步讨论副热带高压与其南侧强对流云团活动的关系。