应用气象学报  2012, 23 (6): 650-659   PDF    
引用本文
魏维, 张人禾, 温敏. 南亚高压的南北偏移与我国夏季降水的关系[J]. 应用气象学报, 2012, 23(6): 650-659.
Wei Wei, Zhang Renhe, Wen Min. Meridional Variation of South Asian High and Its Relationship with the Summer Precipitation over China[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2012, 23(6): 650-659  
南亚高压的南北偏移与我国夏季降水的关系
魏维, 张人禾, 温敏     
中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081
2012-04-19 收到, 2012-09-18 收到修改稿.
资助项目: 国家自然科学基金项目 (40921003)，科技部国际科技合作项目 (2009DFA21430)，中国气象科学研究院重点基础科研项目 (2010Z003)    
通讯作者: 魏维, E-mail: 1003wei@sina.com.
摘要: 该文定义了一个能较好反映南亚高压南北偏移的指数，并发现该指数与我国夏季降水，尤其是华北和长江流域的降水，无论在年际变化上还是长期趋势上都具有十分显著的相关关系。南亚高压位置偏北时，在我国东部至日本上空存在一个显著的异常反气旋，其中心自上而下向南倾斜，在高层给华北地区带来辐散，在低层使得气流在长江流域辐散，在华北地区辐合，造成华北地区降水偏多，长江流域降水偏少。同时，南亚高压偏北对应着高层西风急流以及中层西太平洋副热带高压偏北，使得我国整个雨带偏北。此外，通过与海温的相关分析发现，南亚高压的长期偏南趋势可能受到印度洋增暖的直接影响。南北偏移指数可作为预测我国夏季区域降水的重要指标，在气候预测业务中有一定的应用价值。
关键词: 南亚高压    南北偏移    我国夏季降水    印度洋增暖    
Meridional Variation of South Asian High and Its Relationship with the Summer Precipitation over China
Wei Wei, Zhang Renhe, Wen Min     
State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081
Abstract: South Asian High (SAH) is the most intense and stable upper level anticyclone in boreal summer. As a member of the East Asian Summer Monsoon system, SAH plays an important role in the regional climate anomaly over China. The meridional variation of SAH is analyzed by using the monthly mean data derived from the European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) 40-year reanalysis (ERA-40) from 1958 to 2002. An index of SAH (SAHI) is defined to measure its meridional variation in summer and to analyze its relationship with the summer precipitation over China. The results show a significant correlation between the meridional position of SAH and the summer rainfall over China for both the interannual timescale variability and the long-term linear tendency. The correlation coefficients between SAHI and the summer rainfall in North China and in the Yangtze River Valleys are 0.577 and-0.604, respectively, both of which exceeds 0.01 level. When SAH locates further northward (southward), North China and South China are wetter (drier) than normal, while the Yangtze River Valleys is drier (wetter) than normal. And the southward linear trend of SAH corresponds with the decreasing trend of rainfall in North China and the increasing trend of rainfall in the Yangtze River Valleys. Linear regression analysis of the circulation reveals that when SAH locates further northward, an anomalous anticyclone controls eastern China with its center tilted southward from 200 hPa to 850 hPa. In the upper atmosphere, the anomalous anticyclone forms a divergence zone over North China. In the lower atmosphere, it results in flows diverging over the Yangtze River valley, and converging over North China. Besides, the northward movement of SAH would cause the upper-level westerly jet and the Western Pacific Subtropical High move northward, with the rainbelt locating in North China. The meridional anomalous variation of SAH is closely related to the sea surface temperature anomalies (SSTA) of the Tropical Indian Ocean (TIO), the Central and Eastern Equatorial Pacific, and the northern Pacific. And the TIO SSTA might modulate its meridional position directly. Positive TIO SSTA might lead to a southward expansion of SAH. Due to strong correlation with the summer rainfall over China and being modulated by the TIO SSTA, the meridional variation of SAHI could be considered as an important indicator used to predict the regional climate anomaly.
Key words: South Asian High     meridional variation     summer precipitation over China     Tropical Indian Ocean warming    
引言

北半球夏季，南亚高压在东西方向上呈长椭圆形，强大而稳定地位于亚洲大陆南部高原地区上空200～100 hPa附近，是东亚夏季风系统的主要成员之一[1-4]。不论在中短期尺度还是年际尺度上，南亚高压都存在显著的东西变化，被称为南亚高压的东西振荡特征[2, 5-7]或双模态特征[8-9]，且与500 hPa西太平洋副热带高压有相向而行、相背而离的特点[2]，对我国东部地区的天气气候有重要影响[7-13]。

南亚高压同时也存在南北移动的特征。由冬入夏，南亚高压的季节性北跳与东亚夏季风的建立以及我国东部雨带的推进有很好的对应关系[14-16]。研究指出，南亚高压位置偏南有利于长江流域梅雨的长时间维持而使得该地区降水偏多[6]，位置偏北则有利于华北降水偏多[13]。可见，南亚高压的南北偏移对我国降水异常也有重要影响。但相对于东西变化而言，在南亚高压南北偏移与我国降水异常的联系方面还缺乏深入系统的研究，到目前为止，尚没有一个定量描述南亚高压南北变化的指数，以往的研究只是定性讨论了南亚高压南北变化与我国降水的关系，本文将定义一个能较好反映南亚高压南北偏移的指数，客观研究这种经向位置变化与我国夏季降水的关系，并探讨引起南亚高压发生南北偏移的原因。

本文选取200 hPa等压面对南亚高压进行研究。南亚高压虽然在100～150 hPa之间强度最强[4]，许多研究基于100 hPa高度场来对南亚高压进行分析，但南亚高压在200 hPa也有清楚的反映，对南亚高压的分析也可以在200 hPa等压面进行[17]。另外，从对天气气候影响的角度看，南亚高压在200 hPa上的异常表现与低层环流、降水等异常情况的关系更为密切[18]。

文中所用到的资料包括：欧洲中期数值预报中心 (ECMWF) 提供的1958—2002年ERA-40再分析资料中的月平均资料[19]，水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向为23层，所用物理量包括位势高度、纬向风、经向风等；英国Hadley中心提供的全球海表温度 (Sea Surface Temperature，SST) 月平均资料[20]，水平分辨率为1°×1°；国家气候中心提供的1958—2002年全国160站资料中的月降水资料。选择6—8月资料进行平均，代表夏季。

1 南亚高压南北偏移指数的定义

南亚高压南北变化的纬度跨越较小，为了能较好地描述南亚高压的南北偏移特征，首先定义南亚高压南北偏移指数。图 1a显示的是1958—2002年45年夏季平均200 hPa位势高度分布。南亚高压主体位于40°～110°E的副热带地区，中心位于青藏高原南侧，平均脊线位于27.5°N附近。因此，以27.5°N为界，取其北侧 (27.5°～32.5°N, 50°～100°E) 和南侧 (22.5°～27.5°N, 50°～100°E) 两个区域 (如图 1a中虚线方框所示)，对两个区域平均200 hPa位势高度差值 (北侧减去南侧) 进行标准化，得到南亚高压南北偏移指数。图 1b显示了南亚高压南北偏移指数的逐年变化曲线。取南亚高压指数大于0.8的10年和小于-0.8的8年分别进行200 hPa位势高度场的合成。如图 1c所示，实线为高指数年的合成，显示出南亚高压整体位置偏北，脊线位置大约在29°N；虚线为低指数年的合成，显示出南亚高压整体位置偏南，脊线位置在26°N附近。由此可见，该方法所定义的南亚高压偏移指数能客观地反映南亚高压的南北变化特征，指数为正时表示南亚高压位置偏北，指数为负则表示南亚高压位置偏南。另外，图 1c还显示，南亚高压的南界比北界变化显著。

图 1. 南亚高压南北偏移指数的定义 (a)1958—2002年夏季平均200 hPa位势高度场 (单位：gpm)，(b) 南亚高压南北偏移指数标准化序列，(c) 南亚高压南北偏移高指数年 (实线) 和低指数年 (虚线)200 hPa位势高度场合成 (单位：gpm) Fig 1. Definition of the South Asian High Index (SAHI) (a) climatology of summer geopotential height (unit: gpm) at 200 hPa from 1958 to 2002, (b) standardized time series of SAHI, (c) composites of geopotential height (unit: gpm) at 200 hPa in case of high SAHI (solid line) and low SAHI (dashed line)

由图 1b可以看出，南亚高压南北偏移除了具有非常明显的年际变化，还存在十分显著的偏南变化趋势，其线性趋势达到0.01的显著性水平。此外，图 1c中低指数年合成的南亚高压面积偏大，强度偏强，这主要是由于指数偏低年合成的年份均在1979年以后，南亚高压的面积、强度也存在年代际增大的趋势[21-23]。

2 南亚高压的南北偏移与我国夏季降水的关系

春末到夏初，南亚高压从海上向西北移动到中南半岛，并进一步移到印度半岛上空[15, 24]。从6月到7月，南亚高压逐步强大并北移，7月、8月稳定在青藏高原上空。南亚高压的北移过程对应着我国夏季雨带的北移，当100 hPa南亚高压脊线跳过25°N时，长江流域进入梅雨期；当南亚高压脊线移动到33°N以北时，长江流域梅雨期结束，华北进入雨季[14]。因此，南亚高压的北移与我国夏季降水有密切联系。

为了考察年际尺度上南亚高压南北偏移与我国夏季降水的关系，用南北偏移指数对我国夏季降水异常进行回归分析 (图 2a)。由图 2a可以看出，与南亚高压相联系的我国夏季降水异常呈现出“正-负-正”的异常分布型。当南亚高压位置偏北时，长江流域降水异常偏少，而华南、华北地区降水异常偏多。其中华北和长江流域的降水异常与南亚高压的南北偏移关系尤其显著，大部分区域达到0.05显著性水平。华南地区降水的相关异常相对较弱，但在珠江三角洲附近也达到0.05的显著性水平。说明南亚高压的南北偏移与我国夏季降水异常有十分重要的联系，尤其是对我国由北向南的三极型的降水分布型有重要影响。

图 2. 南亚高压南北偏移与我国夏季降水的关系 (a) 南北指数回归的我国夏季降水异常分布 (回归系数大小由色阶表示；相关系数达到0.05显著性水平的区域用粗线标出)，(b) 华北地区降水标准化序列 (及趋势) 与南北偏移指数序列的对比，(c) 长江流域降水标准化序列 (及趋势) 与南北偏移指数序列的对比 Fig 2. Relationship between SAHI and precipitation over China (a) pattern of regression of anomalous precipitation over China against SAHI (correlations exceeding 0.05 level are highlighted by thick lines), (b) standardized time series of precipitation (with the linear tendency) in North China compard with SAHI series, (c) standardized time series of precipitation (with the linear tendency) in Yangtze River Valleys compared with SAHI series

选取图 2a中通过显著性检验的高相关区，分别计算华北地区 (35°～41°N, 108°～120°E，共19个站) 和长江流域 (27.5°～33°N, 106°～122°E，共31个站) 平均夏季降水序列，如图 2b和图 2c所示。南亚高压的南北偏移指数与华北地区平均降水序列的相关系数为0.577，而与长江流域降水的相关系数为-0.604，两组相关系数均达到0.01显著性水平。从长期趋势上看，华北地区降水在45年间有较为明显的减弱趋势，而长江流域的降水则存在显著的增加趋势。由此可见，华北地区与长江流域不仅在年际变化上呈反相，在长期趋势上同样具有相反的变化特征。图 1b已显示南亚高压的南北偏移具有显著偏南趋势，上述地区的降水变化与南亚高压的变化是否仅仅反映了三者长期趋势上的线性关系，为此，将3个序列线性趋势去除以后再次计算它们之间的相关系数。结果表明，南亚高压南北偏移与华北地区及长江流域的降水相关系数分别为0.456及-0.403，仍能达到0.01显著性水平。可见，无论是在年际变化上，还是长期趋势变化上，南亚高压的南北变化和我国夏季降水都有着密切联系。

已有研究表明，南亚高压的面积、强度变化与我国夏季降水有一定关系[11-13]，而图 1c也显示南北偏移指数似乎携带了一定的面积变化特征。因此为了进一步认识南亚高压面积、强度的变化与南北偏移对我国降水的不同影响，在200 hPa等压面上取12500 gpm为特征线，参照张琼等[21]的定义，计算了南亚高压的面积和强度 (包括中心强度I1、强度I2和强度I3)，并分析这4个指数与华北地区和长江流域降水的关系。由表 1可以看出，南亚高压的面积、强度与华北地区降水的相关较弱，仅强度I3与降水的关系达到0.05显著性水平；而长江流域降水与南亚高压面积的相关较高，达到0.01显著性水平，与强度I2的相关度也达到0.05显著性水平，但均未超过南亚高压南北偏移指数与之的相关程度。同时注意到表征南亚高压的面积和强度的4个指数与华北地区和长江流域降水均呈正相关，不能反映两地区降水异常的反相关系。而事实上，华北地区和长江流域降水在年际异常上的反相关系已被众多研究所证实[25-28]，由此可见，南亚高压南北偏移指数能更好地反映南亚高压与我国夏季降水异常分布的关系。

表 1 南亚高压各项指数与我国各区域夏季降水的相关关系 Table 1 Correlations of SAHI to precipitation in North China and the Yangtze River Valleys

另外，南亚高压面积、强度4项指数与南北偏移指数的相关较低，均未达到0.05显著性水平，说明南亚高压南北偏移指数具有相对独立性。而图 1c中低指数年合成的南亚高压比高指数年合成的南亚高压面积更大。这可能是由于高压面积的扩张，一方面表现在其南北向的伸展上，另一方面也表现在其东西向伸长上，因此高压的南北偏移与其面积、强度的变化并没有明显的线性关系。

3 高低空环流形势

为了探讨与南亚高压南北变化相关的大气环流特征及其对我国东部地区降水异常影响，计算了各层风场以及高度场对南北偏移指数的回归场，如图 3所示。

图 3. 南亚高压南北偏移指数回归的环流场 (矢量) 以及高度场 (等值线，单位：gpm) 异常(阴影区表示纬向风或经向风异常达到0.05显著性水平) (a)200 hPa，(b)500 hPa，(c)850 hPa (仅环流场异常) Fig 3. Patterns of regression of anomalous horizontal wind (vector) and geopotential height (contour, unit: gpm) against SAHI at 200 hPa (a), 500 hPa (b) and 850 hPa (anomalous horizontal wind only)(c)(significant values of anomalous horizontal wind exceeding 0.05 level are shaded)

200 hPa (图 3a)，高度场异常零线在27.5°N附近，零线以南高度场为负异常，零线以北是一个高压异常带，在环流场上对应一个异常反气旋带，横跨整个亚欧大陆, 脊线位于37.5°N附近，在20°～35°N之间为东风异常带，而在40°～47.5°N之间为显著的西风异常带，其中两个反气旋环流中心分别位于青藏高原以西以及我国辽宁地区上空，表明南北偏移指数为正时南亚高压偏北。在我国东部至日本岛上空的反气旋环流异常中心位于40°N, 125°E附近，使得气流在华北地区上空辐散，有利于上升运动的发生，进而容易造成降水偏多。而长江流域位于反气旋环流西南部的东风异常带下，气流在高空辐合，不利于产生降水。在南北偏移负指数年则情况正好相反，南亚高压位置偏南，气流在我国东北部形成气旋式环流异常，在华北地区辐合，在长江中下游地区辐散。同时，西风急流的位置也随着南亚高压发生南北偏移 (图略)。南亚高压偏北时，西风急流的位置及其出口处南侧的辐散区域也偏北，从而使得雨带偏北位于华北地区。而南亚高压偏南时，西风急流也偏南，雨带相应南移，位于长江中下游地区。

500 hPa (图 3b)，异常环流形势与200 hPa相似，但异常反气旋带较200 hPa偏南，脊线位于35°N附近。西侧的反气旋中心位置变化不大，而我国东部至日本岛上空的反气旋环流异常中心向南偏移了2°，向东偏移了10°，同时西太平洋上高度场异常零线位于30°N附近，表明此时西太平洋副热带高压的位置偏北。此时我国东部长江及其以南地区为东风异常，不利于西南季风对水汽的输送，因此也不利于长江流域多雨，而华北地区盛行异常偏南气流，为有利于该地区多雨的环流形势。

850 hPa (图 3c)，当南亚高压位置偏北时，我国东部至日本岛附近依然是反气旋环流异常，但中心南移到35°N附近，偏南气流位于长江以北到我国华北地区，低层风场在长江流域辐散，在华北地区辐合，因此易造成长江流域降水偏少、华北地区降水偏多。在印度半岛存在一个显著的气旋式环流异常，其南部西风异常位于印度半岛上空，表明南亚高压偏北时，印度夏季风偏强。西风异常由阿拉伯海经印度半岛，在孟加拉湾转为西南风影响中南半岛并到达我国西南部，给西南地区带来水汽，因而图 2a中西南地区显示出正相关。当南亚高压位置偏南时，情况相反。

4 南亚高压南北偏移与海温的关系

南亚高压的长期偏南趋势显然不是大气内部过程的结果，而海洋通常是大气运动最显著的外强迫因子。为了寻找造成南亚高压显著偏南趋势的可能原因，本文分析了海表温度的变化情况。由图 4a可以看出，在印度洋和赤道中东太平洋海温存在增温趋势，而在北太平洋海温变化趋势为负。基于南亚高压南北指数序列回归的海表温度异常分布 (图 4b) 显示，南亚高压的南北偏移与印度洋、赤道中东太平洋的海温异常呈十分显著的负相关关系，即南亚高压位置偏北时，印度洋海温偏低，赤道中东太平洋海温亦偏低；而与北太平洋海温呈显著的正相关关系，即南亚高压位置偏北时，北太平洋海温偏高。南北偏移指数与这3个海域的大部分区域相关达到0.05显著性水平。可见，南压高压偏南趋势与海表温度的变化具有密切联系。

图 4. 南亚高压南北偏移与海温异常的关系 (a)1958—2002年夏季海温异常线性变化趋势，(b) 南亚高压南北偏移指数回归的海温异常异常场 (相关系数达到0.05显著性水平的区域用粗线标出) Fig 4. Relationship between SAHI and SSTA (a) linear tendency of SSTA, (b) pattern of regression of SSTA against SAHI (correlations exceeding 0.05 level are highlighted by thick lines)

研究表明，热带印度洋增暖通过激发Matsuno-Gill型大气响应使得高层南亚高压增强[22-23, 29-30]。由图 1c可以看出，在南亚高压极端偏南或偏北时，其南界的变化较北界显著。因此，印度洋海温的增暖可能是引起南亚高压呈现偏南趋势的主要原因。为此，本文计算了印度洋 (20°S～20°N，40°～110°E) 区域平均海表温度异常序列 (图 5)，显示出印度洋海温具有显著的增温趋势。同时，印度洋海温变化与南亚高压南北偏移指数的相关系数为-0.668，达到0.01的显著性水平，尤其在1980年以后，南亚高压的南北偏移与印度洋海温的年际反位相变化特征也十分一致。可见，无论是在年际变化或在长期趋势变化上，南亚高压的南北偏移与印度洋海温关系都很密切，其长期偏南趋势可能与印度洋海温增暖趋势有关。

图 5. 标准化印度洋海温异常与南亚高压南北偏移指数的时间序列 Fig 5. Standardized time series of Indian Ocean SSTA and SAHI with their linear tendency

Zhang[31]研究表明，北印度洋对流活动的增强或减弱，通过影响印度季风的水汽输送，可以导致长江中下游的降水增多或减少。由于北印度洋海温的增高或降低可以导致其上空的对流活动增强或减弱，因此北印度洋海温的增高或降低对应着长江中下游的降水增多或减少。由此可以看出，本文得到的印度洋海温与长江中下游降水的关系与文献[31]的结果相一致。Huang等[32]利用了数值试验证实印度洋增暖可使得南亚高压增强，且中心南移。印度洋暖海温通过改变大气边界层的相当位温，引起Matsuno-Gill响应，加热对流层。对流层增暖的传播以及北印度洋的Rossby波响应，使得在南亚高压气候平均位置的南部产生正的高度场异常，从而导致南亚高压强度增强，中心南移。本文的诊断结果也与文献[32]的数值试验结果一致，印度洋增暖可使得南亚高压向南扩张。

此外，南亚高压指数与北太平洋 (30°～45°N，150°E～150°W) 海温相关系数为0.608，与中东太平洋 (10°S～10°N，180°～80°W) 海温相关系数为-0.613，与Niño3.4区 (5°S～5°N，170°E～120°W) 海温相关系数为-0.449，均达到0.01显著性水平。这些区域与南亚高压南北指数虽然有很高的相关，但对南亚高压南北变化的影响应该主要是热带印度洋海温。事实上，热带印度洋海盆尺度的增暖与ENSO密切相关[33]，而北太平洋海温也与ENSO有显著的联系[34]。因此，南亚高压指数与北太平洋和中东太平洋海温的相关，很可能是热带印度洋与中东太平洋海温及其与北太平洋海温相关性的表现。当然，这种可能性仍需进一步研究。

5 小结

南亚高压位置的经向变化与我国夏季的天气气候有密切联系。本文通过定义一个描述南亚高压南北偏移的指数，定量描述南亚高压的南北变化，并分析其与我国夏季降水的关系，得到以下结论：

1) 南北偏移指数显示出南亚高压在年际变化上存在显著的南北变化特征，并且存在偏南的长期线性趋势。

2) 南亚高压的南北偏移与我国夏季降水异常分布存在显著的相关关系，相关分布型呈现出典型的三极型分布，即南亚高压位置偏北，对应华南、华北地区降水偏多，长江流域降水偏少。其中与华北地区降水相关系数为0.577，而与长江流域降水相关系数为-0.604，均达到0.01显著性水平。无论是在年际变化上，还是长期趋势变化上，南亚高压的南北变化和我国夏季降水密切相关。

3) 通过比较南亚高压南北指数与南亚高压的面积、强度指数与我国夏季降水的相关程度发现，南亚高压南北指数与降水的相关程度最高，且能反映出华北地区与长江流域降水异常的反相关系。说明南亚高压南北偏移指数能更好地反映南亚高压与我国夏季降水异常分布的关系。

4) 从环流场上看，南亚高压偏北使得在我国东部至日本地区上空存在一个显著的异常反气旋，此异常反气旋中心自上而下向南倾斜，在高层给华北地区带来辐散，在低层使得气流在长江流域辐散，在华北地区辐合，因此华北地区降水偏多，而长江流域降水偏少。另外，南亚高压偏北也使得高层西风急流系统以及中层西太平洋副热带高压系统偏北，导致大气上升运动区偏北，因此造成我国整个雨带偏北。

5) 通过与海温的相关分析发现，南亚高压的偏南趋势与印度洋、赤道中东太平洋增暖以及北太平洋变冷有密切联系，其中与印度洋海温变化的相关程度最高，影响也更为直接。印度洋增暖使得南亚高压整体向南扩，即表现为南亚高压的位置偏南，从而影响我国夏季降水。

南亚高压南北偏移指数可作为预测我国夏季区域降水的重要指标，在气候预测业务中有一定的应用价值。

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南亚高压的南北偏移与我国夏季降水的关系
魏维, 张人禾, 温敏