初夏西北太平洋副高東西變動對中國南部降水東西差異的影響

晏紅明， 肖子牛， 薛建軍

1 云南省氣候中心， 昆明 650034 2 中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室， 北京 100029

0 引言

西北太平洋副熱帶高壓(簡稱副高，下同)是東亞季風環流系統的重要成員，由于其活動的特定位置，對鏈接中高緯度和低緯度地區的環流系統起著非常重要的紐帶作用，對中國天氣氣候有十分重要的制約作用(龔道溢和何學兆，2002；吳國雄等，2003；陶詩言和衛捷，2006；錢代麗等，2009；韋道明等，2011；趙俊虎等，2012；Guan et al.，2018)，特別是副高位置的東西進退和南北移動直接關系到亞洲季風的季節進程、季風水汽輸送路徑、中國夏季雨帶位置、區域性持續高溫和旱澇的異常分布.副高位置變化最顯著的影響以1998年為代表，1998年副高位置的持續偏南偏西導致南海夏季風爆發偏晚，之后在30°N以南的持續維持又導致長江流域降水明顯偏多，出現著名的洪澇年(陳隆勛和祝從文，1999).相反，副高的偏東變化容易引起長江流域梅雨期的降水減少甚至干旱(楊輝等，2006).除了對中國旱澇異常分布的影響，副高位置的持續異常對區域性高溫也有重要作用，2002年夏季中國北方出現的持續性高溫就主要受副高持續偏東的影響，副高偏東為大陸副高的東進和加強提供了有利的大尺度背景條件，同時也使得季風水汽輸送路徑向北折向的位置隨之東移，導致東亞大陸水汽輸送異常減少，中國北方變得十分干燥(衛捷等，2004).2009—2013年中國西南地區持續性的特大干旱事件也與副高位置的持續偏西或偏東異常關系密切(晏紅明等，2012；楊輝等，2012).在冬季，副高的異常強弱狀態和結構，以及其位置變化可能造成我國南方雨雪冰凍天氣(李崇銀等，2008；晏紅明等，2009).因此，深入認識和把握副高異常活動的特征及其對氣候的影響，探討影響副高東西變動的前期信號因子，對提高氣候預測準確率，做好防災減災工作具有十分重要的科學意義和實際應用價值.

就氣候平均而言，5—8月副高南北位置的季節變化最為強烈，脊線平均北移11.5°.6月副高發生第一次北跳，脊線越過20°N，徘徊于20°N—25°N之間，副高北界剛好位于中國南部，其位置的東西擺動使得中國南部地區交替出現西南氣流和東南氣流，此時，西南地區雨季開始，華南前汛期結束，長江流域梅雨開始，夏季形勢基本建立，副高位置的東西變動對亞洲季風環流，以及西南和華南地區降水異常的影響尤其顯著.張慶云和陶詩言(2003)發現6月副高位置變化與東亞環流異常的密切聯系，副高偏東(西)有利于東亞夏季風環流加強(減弱)，梅雨鋒環流減弱(加強)，副高南(北)變動對東亞夏季風環流和梅雨鋒低壓亦有同樣的影響.王黎娟等(2005)指出6月副高東西進退與東亞夏季風系統成員之間相互影響和相互制約的關系，副高偏西異常時南亞高壓偏東偏強，季風槽偏弱，西風帶長波槽發展加深，南半球馬斯克林高壓和南亞高壓減弱，相應的越赤道氣流減弱，副高偏東異常時的情況剛好相反.余丹丹等(2014)的分析也同樣發現了初夏副高東西進退與東亞季風環流變化的密切聯系.通過對亞洲季風環流的影響，初夏副高位置的東西異常對中國氣候的影響也非常顯著，梁建茵和吳尚森(1999)指出廣東前汛期(4—6月)降水與西南季風的關系不顯著，主要受東亞副熱帶季風加強的影響，6月廣東強降水與副高南撤西伸的變化關系密切；Lu和Dong(2001)和李慧等(2013)分析表明6月副高偏西有利于長江流域降水偏多，而華北和華南降水偏少；西南地區的初夏干旱以及雨季開始期早晚也與副高的東西變動密切聯系(李永華等，2010；晏紅明等，2013).由此可見，6月副高東西位置的異常變化對亞洲季風環流系統和中國南部降水異常分布起著舉足輕重的作用.

作者在最近的分析中同樣發現6月副高的東西變動對中國南部地區的降水影響尤其明顯，并初步發現副高東西變動與初夏中國南部降水的東西差異有一定聯系(晏紅明和王靈，2019).我們知道，每年4—6月華南經歷第一個多雨期，即華南前汛期，該時期的降水主要受副高北側西風帶的影響，副高東西變動對其西北側水汽輸送路徑以及西風帶冷空氣的影響十分重要.而對于西南地區而言，6月大部分地區的雨季已經開始，由于西南地區剛好位于副高西側，副高東西進退對影響西南地區的東亞季風和南亞季風的交替變化十分顯著，天氣氣候對副高的東西變化也相當敏感.迄今為止的大部分工作主要集中在副高活動對華南和西南地區的天氣氣候影響展開研究，得到了一些有意義的結論，但還沒有工作將西南和華南地區的降水變化與副高東西變動的影響結合在一起進行討論.作者前期工作中初步發現的副高東西變動與中國南部降水東西差異的聯系是一個非常值得關注的現象，需要進一步研究.副高位置東西異常是否確實會引起中國南部降水的東西差異？副高東西異常引起怎樣的環流異常導致了中國南部降水的東西差異？影響初夏副高東西變動的前期信號因子又是什么？進一步開展這些問題的研究對于深入認識初夏中國南部夏季降水異常的原因，提高中國南部初夏降水的預測能力，做好防災減災工作有十分重要的實際意義.

1 資料和方法

由于不同降水資料之間在分辨率、資料同化方法等方面的差異，為了進一步分析副高的東西變動與中國南部地區東西降水差異相聯系的真實性特征，本文利用多種降水資料進行對比分析，相互印證.降水資料包括：國家氣象信息中心1958—2014年長江以南中國南部147個氣象觀測站的月平均降水資料；1979—2016年NOAA CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)降水資料，網格分辨率為2.5°×2.5°(Xieand Arkin，1997)；1979—2013年NOAA GPCC(Global Precipitation Climatology Centre)陸地降水資料，網格分辨率為1.0°×1.0°(Beck et al.，2005)；1979—2016年GPCP(Huffman et al.，1997)降水資料，網格分辨率為2.5°×2.5°.大氣環流資料利用1958—2016年美國國家環境預測中心和國家大氣研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National86 Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR)的高低層月平均大氣環流再分析資料，網格分辨率為2.5°×2.5°(Kalnay et al.，1996)；海溫資料利用1961—2015年英國Hadley中心提供的海表溫度HadISST(Hadley Center Sea Ice and Sea Surface Temperature)，資料分辨率為1.0°×1.0°(Rayner et al.，2003).氣候平均統一采用1981—2010年的30年氣候平均值.

6月西太平洋副高東西位置的定義根據作者(晏紅明和王靈，2019)的工作，選取700 hPa關鍵區(105°E—130°E，15°N—25°N)的相對渦度區域平均值來定義副高的東西位置，以下簡稱VORT指數.

使用方法包括相關分析、合成分析等數理統計診斷方法以及數值模擬方法，顯著性檢驗采用t檢驗方法.同時，為了驗證資料診斷分析結果，利用RegCM4.6.1區域氣候模式對海溫影響進行敏感性數值模擬研究，通過相互驗證進一步分析熱帶海洋外強迫因子對副高東西變動的影響.RegCM系列模式對東亞季風氣候有較好的模擬能力，在中國當代和古氣候模擬、氣候機理分析，以及氣候變化預估中得以廣泛應用(Giorgi et al., 2012；Gao and Giorgi，2017；吳婕等，2018).RegCM4在RegCM基礎上做了重要改進，使用CLM陸面過程方案(Oleson et al., 2008)代替了原有的BATS(Dickinson et al., 1993)，對東亞氣候的模擬效果更好(Gao et al., 2017).

2 初夏副高東西變動與中國南部降水的關系

2.1 初夏副高東西變動特征

圖1為6月副高東西指數VORT的年際變化，可以看到用700 hPa相對渦度定義的VORT指數主要表現出明顯的年際特征，線性變化趨勢非常小，去除線性趨勢后的變化與未去除線性趨勢后的變化幾乎完全一致.與目前國內氣候預測監測業務中通常使用的500 hPa上5880 gpm(1 gpm=9.8 J/kg)特征線最西端所在經度位置定義的指數(劉蕓蕓等，2012)相比，在表征副高東西變動的年際變化方面具有很好的優勢，避開了由于高度場的升高趨勢相應造成的副高西伸趨勢.因此，本文直接選用未清除線性趨勢的VORT指數系列來討論副高的東西變動特征.這里以標準化VORT指數大于1和小于-1分別選取副高正(表示副高偏東)負(表示副高偏西)指數異常年，則副高異常偏東年有1958、1963、1965、1967、1981、1984、1985、1990、2004、2009、2012年和異常偏西年有1959、1962、1966、1977、1980、1983、1989、1996、1998、2000、2006、2007、2010年.可以看到副高偏東年，500 hPa副高反氣旋環流位于西北太平洋菲律賓及以東的海區，5880 gpm特征線西脊點位于135°E附近，比多年氣候平均5880 gpm西脊點位置(125°E)偏東10個經距，孟加拉灣地區高度場較低，5840 gpm等值線所表征的南支西風槽在印度半島中北部和孟加拉灣均比較明顯(圖2a)，相應的垂直速度距平場表明在副高區域內為異常上升氣流，即副高偏東年副高區域的下沉氣流比多年氣候平均偏弱(圖2c)；副高偏西年，500 hPa反氣旋環流向西伸展至中南半島東部，并控制整個南海區域，5880 gpm特征線西脊點位于120°E附近，比多年氣候平均5880 gpm西脊點位置約偏西5個經距，此時盡管孟加拉灣地區仍出現南支槽，但與副高偏東年相比，孟加拉灣和印度半島高度場明顯偏高，南支槽也明顯偏弱和偏西(圖2b)，副高區域的下沉氣流也比多年氣候平均顯著偏強(圖2d).分析表明了副高東西變動指數VORT不僅能夠避開因高度場定義而產生的副高西伸趨勢，還能夠合理地描述副高反氣旋環流和5880 gpm副高特征線東西位置的異常變動.

圖1 1958—2015年6月標準化副高東西指數年際變化黑色實線為未去除線性趨勢的變化，綠色虛線為清除線性趨勢的變化.Fig.1 Interannual variations of standardized east-west index of subtropical high in June from 1958 to 2015The black line includes linear trend and green line removes linear trend.

圖2 副高東西異常年500 hPa高度場(gpm)和風場(m·s-1)以及垂直速度(pa·s-1)距平合成場(a)偏東和(b)偏西年的高度和風； (c)偏東和(d)偏西年的垂直速度距平場.圖(a)和(b)中綠色實線為合成場5880 gpm特征線，紅色虛線為多年氣候平均5880 gpm特征線，圖(c)和(d)中陰影區表示垂直速度距平合成超過0.05顯著性檢驗的區域.Fig.2 The height (gpm), wind (m·s-1) and anomalous vertical velocity (pa·s-1) at 500 hPa level respectively in eastward and westward years of subtropical highHeight and wind in eastward years (a) and westward years (b); Vertical velocity anomalies in eastward years (c) and westward years (d). The green soild line is the 5880 gpm line of the eastward and westward years of subtropical high, and the red dotted line is the climatology 5880 gpm line in fig.(a) and fig.(b). Vertical velocity anomalies exceeding 0.05 significant tests are shaded in fig.(c) and fig.(d).

2.2 與中國南部降水異常分布的關系

6月副高位置東西變化對中國南部地區的降水有十分重要的影響.圖3分別為VORT指數與同期1958—2014年6月中國南部觀測站點資料和1979—2016年不同再分析格點資料的相關，可以看到無論是站點資料還是再分析資料都顯著反映了6月副高東西變動與中國南部降水的密切聯系，并表現出以105°E為界降水明顯反相的東西差異特征：副高偏東年，中國南部地區降水東少西多，偏西年剛好相反.其中，站點資料、再分析CMAP和GPCP資料所表現的副高東西變動與中國南部降水東西差異的關系較為顯著.另外，CMAP和GPCP再分析格點資料還反映的副高東西變動與赤道西太平洋地區降水密切聯系：副高偏東時，赤道西太洋地區降水顯著偏多，反之則顯著偏少.

圖3 6月VORT指數與同期降水的相關(a) 147觀測站； (b) GPCC； (c) CMAP； (d) GPCP.陰影區為通過0.05顯著性檢驗的區域.Fig.3 The simultaneous correlation between VORT index and rainfall(a) 147 observation stations; (b)GPCC； (c) CMAP； (d) GPCP. The areas passing 0.05 significant test are shaded.

副高東西異常變動年的降水距平合成也同樣呈現了中國南部降水東西差異的特征：副高偏東年，西南中西部降水偏多，西南東部和華南降水偏少，正負降水距平中心分別位于云南中北部和華南地區(圖4a)；偏西年，盡管降水距平同樣反映了中國南部東西降水差異特征，但華南地區的降水偏多比較顯著，通過0.1的顯著性檢驗，而西南西部地區的降水偏少特征并不顯著，降水偏少幅度也比較小(圖4b).副高偏東和偏西年降水合成差值場反映的中國南部降水東西差異特征更加顯著(圖4c).

圖4 副高偏東(a)和偏西(b)年中國南部降水合成和差值場(c)(單位：mm)陰影區為通過0.1顯著性檢驗的區域.Fig.4 The rainfall distribution in southern China in eastward (a) and westward (b) years of subtropical high and their difference(c) (unit: mm)The areas passing 0.1 significant tests are shaded.

為了進一步分析初夏副高東西變動與西南和華南地區降水反相變化的密切聯系，基于圖3和圖4相關較顯著的區域，選取西南區域XN(22°N—29°N,97°E—105°E)和華南區域HN(22°N—30°N,106°E—120°E)，分別計算1958—2014年兩個區域站點降水平均的時間系列XN和HN與VORT指數的相關，VORT指數與XN的正相關為0.32，與HN的負相關為-0.53.VORT指數與兩個區域降水時間系列的相關剛好相反，并通過0.05的顯著性檢驗，進一步證實了VORT指數所反映的副高東西變動與西南和華南地區反相變化的密切聯系.

3 初夏副高東西異常影響中國南部降水東西差異的可能原因

上述對比分析表明6月副高東西變動確實與中國長江以南東西部地區降水的反相變化密切聯系，接下來從副高東西變動與高低層大氣環流異常、季風活動、水汽輸送等的聯系對其影響的可能原因做進一步分析.

3.1 副高東西變動與高低層大尺度環流變化的關系

對比副高東西變動異常年高低層大氣環流的異常特征(圖5)，可見副高東西變動不僅與熱帶地區的環流變化密切聯系，與中緯度地區的環流也有一定的關系.低層850 hPa，副高偏東時西北太平洋地區低層異常氣旋環流顯著，孟加拉灣南部-中南半島南部-南海-赤道西太平洋為異常西風，該異常西風主要來源于兩支氣流：高原南側沿伊朗、巴基斯坦的偏西北氣流；80°E附近由南半球越赤道轉向匯入的偏西氣流(圖5a).偏西年，以上區域的環流變化剛好相反(圖5b).副高東西變動在高層200 hPa同樣表現出與熱帶東印度洋—西太平洋地區的環流變化的緊密聯系，偏東年熱帶西太平洋—東印度洋為非常明顯的異常偏東風(圖5c)，而偏西年熱帶印度洋和西太平洋地區出現非常明顯的由南向北的越赤道氣流，經向南風分量明顯加強(圖5d).除此之外，可以看到，副高的東西變動還與高層中緯度異常波列的活動有一定關系，偏東年中緯度從西亞—東亞—西北太平洋為氣旋(C)-反氣旋(A)-氣旋(C)異常波列(圖5c)，偏西年波列的變化剛好相反，為A-C-A異常波列(圖5d).

圖5 副高異常偏東(a，c)和偏西(b，d)年850 hPa和200 hPa距平風場(單位：m·s-1)合成圖(a)和(b)中的綠色等值線表示緯向風距平.Fig.5 The anomalous wind composite fields at 850 hPa and 200 hPa in eastward (a,c) and westward (b,c) years of subtropical high (unit: m·s-1)The green isolines in fig.(a) and fig.(b) are the zonal wind anomalies.

在中緯度的異常波列中，初夏東亞—西北太平洋地區的環流異常與南亞高壓和副高的異常活動有關.陸日宇等(2007)研究發現在中緯度對流層高層從歐洲—西亞—東北亞地區存在一個遙相關波列，它是古絲綢之路上空大氣環流的一種主導模態，與中緯度西風急流變化有關.副高東西變動時200 hPa中緯度異常波列比較類似絲路波列.楊蓮梅等(2007)研究了夏季東亞西風帶急流擾動與南亞高壓和副高的關系，發現西風急流擾動動能的加強和減弱會影響南亞高壓和副高強度和位置的異常變化.因此本文結果在一定程度上表明，初夏副高東西變動不僅與西北太平洋地區的局地環流有關，有可能還與絲路波列以及中緯度西風急流的變化有聯系.

結合圖5a、b的環流變化可以初步分析華南降水異常的原因，副高東(西)變動時西北太平洋地區副高西北側的異常東北(西南)風變化的不同影響可能是造成華南降水異常的主要原因.眾所周知，梅雨鋒和季風槽是造成華南和長江中下游地區降水異常的重要系統，副高的東西變動通過影響東亞和熱帶海洋地區的東西風變化，進而會顯著影響季風槽(10°N—20°N)和梅雨鋒(25°N—35°N)的強度.副高偏東年，其南側在熱帶東印度洋至西太平洋低層西風異常顯著加強，而其北側在華南-東海為異常東風，異常風場的變化有利于季風槽加強和梅雨鋒減弱，相應有利于華南地區降水偏少；偏西年異常風場的變化及其對季風槽和梅雨鋒的影響剛好相反，相應有利于華南地區降水增加.

進一步分析副高東西異常年三維環流的變化可以更加清楚看到環流變化的異常特征.副高偏東年，沿110°E—120°E的異常經圈環流剖面表明氣流在10°N—20°N上升，在20°N—30°N和10°N—0°下沉的異常環流圈變化與副高偏東年季風槽加強和梅雨鋒減弱的變化比較一致(圖6a)；偏西年10°N—20°N轉為氣流下沉區，有利于季風槽減弱，22°N—35°N的氣流上升區則有利于梅雨鋒加強(圖6b).因此，副高位置東(西)異常年華南地區氣流下沉(上升)，以及相應梅雨鋒的異常減弱(加強)是導致華南地區降水偏少(偏多)的主要原因.

圖6 副高東(a，c)西(b，d)異常年沿110°E—120°E的高度-緯度距平環流剖面(v·w*100 m·s-1)和沿20°N—30°N的高度-經度距平環流剖面(u·w*100 m·s-1)圖(a)和(b)的陰影區為垂直速度超過±0.003 m·s-1的區域，圖(c)和(d)中的等值線為垂直速度.Fig.6 The height-latitude profile of anomalous circulation (v·w*100 m·s-1) along 110°E—120°E and the height-longitude profile of anomalous circulation (u·w*100 m·s-1) along 20°N—30°N in the eastward and westward years of subtropical highThe vertical velocities passing ±0.003 m·s-1 are shaded in fig.(a) and fig.(b). The isograms denote vertical velocity and shaded areas denote topography in fig.(c) and fig.(d).

不同區域大氣環流的變化是相互聯系的，在副高東西異常年華南地區氣流出現異常的同時，西南地區氣流相應也出現明顯差異.從20°N—30°N緯向環流圈的剖面(圖6c、d)可以清楚看到西南和華南地區垂直氣流變化的差異：副高偏東年，其北側的異常東風氣流在華南地區下沉，華南地區從低層到高層為深厚的氣流下沉區，中心位于對流層中高層，而東風氣流西移過程中，由于地形的影響，氣流在西南和華南西部地區沿地形上升，西南地區對流層低層為上升氣流，但上升氣流區比較淺薄，僅存在700hPa以下對流層(圖6c)；副高異常偏西年，其北側的異常西風氣流的沿青藏高原東移過程中，在高原東側沿高原下沉，氣流在西南地區的下沉將引起該區域的氣流輻散，不利于降水的發生，而在華南地區為氣流上升，有利于華南地區降水的產生(圖6d).華南和西南地區緯向環流變化的差異在很大程度上表明副高東西異常時兩個區域的降水差異與副高北側緯向風的異常變化以及青藏高原大地形的動力作用密切聯系.

3.2 副高東西變動與亞洲夏季風活動和水汽輸送的關系

夏季風是影響中國夏季氣候的關鍵系統，由于副高的東西變動與高低層環流異常密切聯系，相應也會影響季風環流的變化.越赤道氣流是季風環流的重要組成部分，與季風活動密切聯系.在多年平均氣候場上，赤道印度洋和西太平洋低層由南向北的強越赤道氣流中心分別位于40°E—60°E、80°E—90°E、100°E—110°E和120°E—130°E，而對流層高層300～100 hPa的氣流變化剛好相反，氣流由北向南越過赤道進入南半球，北風氣流在印度洋和太平洋上空都比較強，強北風中心位于250 hPa附近(圖7a).由于副高活動與高低層大尺度環流的聯系，副高東西變動會引起高低層越赤道氣流出現顯著差異.副高偏東年，赤道印度洋和西太平洋低層異常南風比較明顯，中心分別位于80°E和120°E附近，有利于這些區域由南向北越赤道氣流的加強，尤其是80°E和120°E附近的越赤道氣流加強明顯(圖7b)；副高偏西年，上述區域為異常北風，中心位于130°E附近，異常北風將會減弱低層由南向北的越赤道氣流(圖7c).在高層，以上區域的經向氣流變化剛好相反，其中，副高偏西異常年對流層高層由南向北異常經向南風的變化更加顯著.我們也注意到，索馬里地區是夏季由南向北越赤道氣流最強的區域，但在副高東西異常年，索馬里地區越赤道氣流的變化差異并不明顯.40°E—50°E是索馬里越赤道氣流中心區域(圖7a)，副高東西異常年該區域均為異常北風，不利于索馬里越赤道氣流的加強(圖7b、c).

圖7 經向風沿2.5°S—2.5°N平均的高度-經度剖面(單位：m·s-1)(a) 多年氣候平均經向風； (b) 副高偏東年和(c)偏西年經向風距平.Fig.7 The height-longitude profile of climatological meridional wind (a) and meridional wind anomalies along 2.5°S—2.5°N in the eastward (b) and westward (c) years of subtropical high (unit:m·s-1)

南亞季風、東亞熱帶季風和南海季風是亞洲季風的重要組成部分，這些季風的變化對我國夏季氣候具有重要影響.這里根據南亞夏季風(Webster and Yang，1992)、東亞夏季風(晏紅明等，2017)、南海夏季風(Zhu et al.，2005)指數的定義，進一步分析副高東西變動與不同區域夏季風活動的關系(表1)，發現副高偏東時，南亞夏季風、東亞夏季風、南海夏季風均表現為加強，偏西時各夏季風減弱.其中，副高東西變動與東亞夏季風和南海夏季風變化的聯系尤其緊密，正相關通過了0.01的顯著性檢驗.

表1 1958—2015年各季風指數的相關Table 1 Correlation between different monsoon index for 1958—2015

夏季風活動是影響我國夏季降水變化的主要因子，副高異常東西變動通過對夏季風活動的影響，對我國降水也會產生十分重要的影響.靳莉君和趙平(2012)通過觀測資料和數值模擬研究發現在年際尺度上6—7月南海地區的熱帶季風和降水與長江中下游地區的西南風和降水存在著反位相變化關系，當南海夏季風和降水偏強(弱)時，長江中下游西南季風偏弱(強).本文副高東西指數分別與同期CMAP(圖3c)和GPCP(圖3d)再分析降水的相關分布也進一步表明了副高異常東西變動時華南和南海地區降水變化的這種反位相關系.進一步分析副高異常東西變動時低層環流變化，可以看到副高對華南和南海地區降水反位相變化影響的原因：副高偏東年南海夏季風偏強，但異常西風主要維持在熱帶地區，而在華南地區，由于副高偏東時異常氣旋位于西北太平洋至華南，其西北側的異常東北風導致華南地區的西南風減弱(圖5a)，相應會減弱華南區域的西南水汽輸送；與之相反，副高偏西年南海夏季風偏弱，熱帶地區南風減弱，而華南地區卻為副高偏西時異常氣旋環流西側的異常西南風控制，有利于西南氣流加強(圖5b)，相應加強華南地區的西南風水汽輸送.另外，張慶云等(2003)定義的東亞夏季風強弱指數正是反映了季風槽和梅雨鋒反位相變化的關系，這種關系與靳莉君和趙平(2012)指出的南海熱帶地區和長江中下游地區的季風強弱和降水多少的反位相變化關系是一致的.

6月副高東西變動除了與南海季風和東亞季風呈顯著正相關，與南亞夏季風活動也有密切聯系.從以上分析我們看到，副高偏東年，赤道80°E附近由南向北的越赤道氣流顯著加強，并在印度半島南部轉向西，經孟加拉灣南部、中南半島南部，流向西太平洋，加強了孟加拉灣地區的西南季風和南海地區的熱帶西風，孟加拉灣地區西南季風的加強有利于西南地區的水汽輸送和降水偏多；副高偏西年，赤道西太平洋—中南半島南部—孟加拉灣為異常東風，導致孟加拉灣西南季風減弱，相應不利于西南水汽輸送和西南地區降水的發生.

圖8分別為副高東西變動異常年水汽輸送的變化，可以更加清楚地看到在副高偏東年，80°E附近越赤道來自于南半球的水汽輸送有利于孟加拉灣和季風槽區的水汽輸送加強，孟加拉灣和季風槽區有明顯的水汽輻合，而華南地區由于受異常氣旋環流西北側偏東北氣流的影響，為顯著的水汽輸送輻散(圖8a)；而副高偏西年，季風槽和孟加拉灣地區的異常偏東風導致水汽輸送減弱，使得熱帶季風槽區和西南地區為水汽輻散，而華南地區由于受異常反氣旋環流西北側西南氣流的影響，西南水汽輸送加強，華南出現顯著的水汽輸送輻合(圖8b).

圖8 副高東(a)西(b)異常年整層水汽輸送距平(單位：kg·s-1·m-1)及通量散度距平合成場(單位：10-5kg·s-1·m-2)矢量為水汽輸送，陰影區為水汽輸送通量散度.Fig.8 The composite fields of water vapour transport anomalies (unit: kg·s-1·m-1) and water vapour flux divergence anomalies (10-5kg·s-1·m-2) in the eastward (a) and westward (b) years of subtropical highThe vectors denote water vapour transport and shaded areas denote water vapour flux divergence.

以上分析中值得進一步關注的是副高東西異常變動年影響西南和華南地區降水的水汽來源問題.從分析看到80°E和120°E附近的越赤道氣流在副高偏東年加強(圖7b)和偏西年減弱(圖7c)，相應圖8的水汽輸送也表明了副高偏東年這兩個區域來自南半球的水汽輸送加強，南亞、東亞和南海夏季風加強，而此時除了西南地區降水增加外，華南地區的降水卻是減少的；與此相反，副高偏西年這兩個區域來自南半球的水汽輸送減弱，而此時華南地區的降水反而增加.從西南和華南地區降水與南半球水汽輸送異常和季風變化關系來看，在西南地區是一致的，華南地區卻剛好相反，這可能反映了初夏影響西南和華南地區降水的水汽來源是不同的：西南地區降水的水汽主要來源于80°E赤道附近的越赤道氣流，而影響華南地區的水汽主要來源于副高南側偏東風從西太平洋地區向西輸送的水汽，在南海轉向北的西南氣流水汽輸送.初夏盡管副高偏東年120°E越赤道氣流加強，但該氣流僅活躍于熱帶季風槽地區，是影響季風槽區域降水多少的主要因子.

4 初夏影響副高東西變動的前期海洋信號因子

副高活動受到眾多因子的影響，其中海溫異常與副高活動存在顯著聯系，近年來的很多工作進一步強調了赤道太平洋厄爾尼諾事件以及印度洋海溫對副高偏強西伸的影響(He et al., 2015; Liet al，2017；錢代麗和管兆勇，2018，2019；Qian et al., 2018)；作者在最近的分析還發現熱帶海洋對副高的影響與副高南北位置的變化密切相關，副高位置偏南時熱帶海洋的影響比較顯著，反之影響較弱(晏紅明和王靈，2019).初夏6月是夏季副高位置比較偏南的時段，海溫對副高的影響值得重點關注.另外，由于海洋的熱容量較大，對大氣環流存在顯著的滯后影響，在氣候預測中從前期海洋變化中來尋找影響降水異常的前期信號因子對于提高預測準確率具有十分重要的實際意義.因此，為了進一步了解初夏影響華南地區降水異常的前期信號，接下來我們進一步分析初夏影響副高變化的前期海洋因子.

由于熱帶SSTA的增暖趨勢比較明顯，在以下分析中均去除了海溫線性增暖趨勢的影響.圖9a、b分別為6月副高東西VORT指數與前期印度洋和太平洋SSTA的相關，看到6月副高東西變動與前期西北太平洋SSTA負相關和赤道西太平洋SSTA正相關比較顯著，尤其是1—3月.因此，這里選取相關顯著的兩個海洋區域A(125°E—135°E，20°N—30°N)和B(145°E—160°E，5°N—15°N)，定義海洋前期信號指數為SSTIDX=A-B.圖9c為1—3月SSTIDX指數與副高東西指數VORT的年際變化，看到在很多年份SSTIDX和VORT指數的變化相反，年際相關為-0.42，通過99%顯著性檢驗，可以作為前期海洋信號因子來預測后期初夏副高東西位置和中國南部降水的變化.

圖9 副高指數與前期1—3月(a)和4—5月(b)海溫的相關，陰影區為通過0.05顯著性檢驗的區域；1958—2015年海溫指數SSTIDX(棒線)和VORT指數(折線)年際變化(c)Fig.9 The correlation between VORT index and averaged SSTA fields for January-March (a) and April-May (b). The areas exceeding 0.05 significant tests are shaded. The interannual variation of SSTIDX (bar line) and VORT index (curve line) from 1958 to 2015 (c)

進一步分析前期海洋信號因子SSTIDX與后期高低層大氣環流的相關，可以看到前期海溫變化對后期環流的影響.當前期SSTIDX偏高，即西北太平洋海溫偏高和赤道西太平洋海溫偏低時，有利于后期6月西北太平洋高低層產生異常反氣旋環流，西北太平洋副高偏西，反之有利于后期西北太平洋地區異常氣旋環流，導致副高偏東(圖10).另外，還可以看到前期海洋信號因子對東亞中高緯度環流的影響，海溫指數偏高年，后期6月巴爾喀什湖附近對流層中低層出現異常反氣旋環流，其東側異常西北風沿東亞東部南下至30°N附近，與西北太平洋異常反氣旋西北側的異常西南風交匯.

圖10 1950—2015年1—3月SSTIDX與后期6月850 hPa (a)、500 hPa (b)和200 hPa (c)矢量風的相關，矢量為通過0.05顯著性檢驗的區域Fig.10 The correlation between averaged SSTIDX for January-March and wind at 850 hPa (a), 500 hPa (b), 200 hPa (c)in subsequent June for 1950—2015. The vectors denote areas passing 0.05 significant tests

為了進一步驗證資料診斷分析結果，我們根據圖9a西太平洋A區和B區海溫異常區域設計了兩個異常試驗海溫強迫方案：正異常試驗(A區正和B區負，圖11a)，記為試驗A1；負異常試驗(A區負和B區正，圖11b)，記為試驗A2.另外為了探討海溫異常對大氣環流的影響，用多年月平均海溫做控制試驗，記為試驗C.數值模擬以30°N，135°E為中心，緯向200個格點，經向280個格點，分辨率50 km，采用ROTMER投影.為了研究前期海溫變化的影響，異常試驗時海溫異常從當年1月第一個時次至3月的最后一次時次(周海溫，每7天一個值)加異常海溫，積分時間從上一年12月01日00時00分至次當年7月01日00時00分，其中上一年12月為模式適應穩定的時間.同時考慮到不同初始場對模式輸出結果的影響，每種試驗采用5個不同初始場積分集成的結果.在以下分析中我們用異常海溫強迫試驗輸出場減去控制試驗輸出場的差值來表示海溫異常變化對氣候的影響，A1-C和A2-C分別表示西北太平洋A區和B區相反的海溫異常強迫對大氣環流的影響.

可以看到盡管數值模擬正負異常強迫試驗的環流變化不能完全再現資料診斷分析的結果，但在一定程度上卻還是反映了正負海溫異常對副高東西變動的影響：正異常強迫試驗結果表明對流層中低層850 hPa和500 hPa層上孟加拉灣地區出現異常反氣旋環流，該異常反氣旋環流有利于副高的進一步加強西伸，孟加拉灣至西太平洋的熱帶地區為正高度距平(圖11c、e)；與之相反，負異常強迫試驗結果在對流層中低層850 hPa和500 hPa層上孟加拉灣地區出現一異常氣旋環流，該異常氣旋環流不利于副高的進一步加強西伸，相應孟加拉灣至中南半島的大部分地區為負高度距平區，西太平洋上異常反氣旋的位置比正異常試驗的異常反氣旋位置偏東(圖11d、f).因此，數值模擬試驗在一定程度也表明西北太平洋南北海溫的異常反位相變化對副高東西變動存在的影響.

圖11 海溫異常試驗方案以及相應的數值模擬距平風場(矢量)和高度場(陰影區)(a)正和(b)負異常試驗方案； (c)正和(d)負異常試驗模擬的850 hPa距平風和高度場； (e) 正和(f)負異常試驗模擬的500 hPa距平風和高度場.Fig.11 SSTA test schemes, anomalous wind (vector) and height (shadow) of numerical simulation at 850 hPa and 500 hPa(a) positive and (b) negative SSTA test schemes; The 850-hPa wind and height anomalies simulated by (c) positive and (d) negative test schemes; The 500-hPa wind and height anomalies simulated by (e) positive and (f) negative test schemes.

另外，我們知道，孟加拉灣環流的異常變化對來自孟加拉灣西南水汽輸送的影響較大，該區域異常反氣旋活動不利于孟加拉灣西南水汽輸送，相反，異常氣旋活動則有利于孟加拉灣西南水汽輸送.從數值模擬結果看到，正異常試驗所反映的副高偏西年，孟加拉灣異常反氣旋發展不利于孟加拉灣西南水汽輸送，這一環流變化與圖3c所反映的副高偏西年西南地區降水偏少是一致的；相反，負異常試驗所反映的孟加拉灣異常氣旋發展則有利于孟加拉灣水汽輸送，這一環流變化與圖3b所反映的副高偏東年西南地區降水偏多也是比較匹配的.

5 結論和討論

副高是控制中國天氣氣候變化的大尺度環流系統，初夏副高位置偏南，其東西位置的異常變動對中國南方地區的降水有十分重要的影響.本文在前期工作的基礎上，進一步分析了初夏副高東西變動對中國南方降水的影響及其影響的可能機理，得到以下幾點結論：

(1)初夏副高東西變動對中國南方東西部地區降水的反相變化有重要影響，當副高偏東(西)時，中國西南降水偏多(少)，華南地區降水偏少(多).

(2)初夏副高東(西)變動時，低層西北太平洋地區為異常氣旋(反氣旋)環流，80°E和120°E附近越赤道氣流、南海夏季風、東亞夏季風和南亞夏季風加強(減弱).另外，副高的東西變動還與中緯度地區對流層高層絲路波列的變化有一定聯系.

(3)副高東西變動時引起華南和西南地區降水反相變化的原因不同：華南地區降水直接受副高東西變化影響，而西南地區降水除了與副高東西變動有關，還與青藏高原大地形動力作用的影響有關.副高偏東時，副高北側低層的異常東風從華南向西流動的過程中，在西南地區受高原地形抬升作用的影響，西南地區低層出現氣流沿地形抬升，在氣流抬升輻合作用下，西南地區降水偏多；與此相反，副高偏西時，其北側的異常偏西風氣流從高原向東流動過程中，在西南地區沿高原下沉，氣流下沉引起的氣流輻散導致西南地區降水偏少.

(4)初夏副高東西變動時影響西南和華南地區的水汽輸送來源是不同的，西南地區主要受80°E附近從南印度洋越赤道氣流水汽輸送的影響，而華南主要受副高南側偏東氣流從熱帶西太平洋地區輸送水汽的影響，120°E附近越赤道氣流水汽輸送主要影響熱帶季風槽區的降水變化.

(5)初夏副高東西變動與前期1—3月西北太平洋和赤道西太平洋地區的海溫顯著相關，前期西北太平洋暖海溫和赤道西太平洋冷海溫有利于副高偏西，反之有利于副高偏東.數值模擬結果在一定程度證實了前期西太平洋地區海溫偶極異常對后期副高東西變動的影響.

大氣環流變化是相互聯系相互影響的，本文分析表明在副高東西變動背景下，中國南方東西部地區的降水呈現出反相變化的關系，盡管影響這兩個區域的主要因子和系統有所差異，但與副高東西變動和周圍大氣環流之間的關系是密不可分的.副高北側盛行偏西風，南側盛行偏東風，副高的東西變動會改變其南北兩側東西風的強度，進而影響熱帶亞洲夏季風和中緯度西風帶的強弱.另外，副高內部主要以氣流下沉輻散為主，副高東西變動在西北太平洋地區造成的輻合輻散異常會直接影響東亞地區的經向環流和緯向環流的變化.正是由于這些環流異常導致了中國南方東西部地區的降水差異.通過本文的研究，有兩個問題值得進一步討論.

首先，季風槽和梅雨鋒是分別存在于熱帶和副熱帶地區的兩個低值系統，其變化剛好相反.初夏6月副高位置偏南，副高偏東變化與120°E赤道附近的越赤道氣流顯著加強有關，加強的越赤道氣流轉為偏西風后，僅活動于熱帶地區，在季風槽活動加強的同時，減弱了副高南側的東風和北側梅雨鋒的活動，進而減弱了華南地區的降水.我們知道越赤道氣流與南半球的大尺度環流變化密切聯系，在越赤道氣流和副高變化的相互聯系中，以越赤道氣流為橋梁，南半球的環流變化對初夏副高的影響，以及對副熱帶梅雨鋒的影響作用如何？還值得我們進一步研究.

其次，本文的分析發現初夏6月副高的東西變動與前期西北太平洋海溫變化顯著相關，我們計算了海溫指數SSTIDX正負異常年海溫距平合成(圖略)，發現SSTIDX正負異常年赤道印度洋和中東太平洋地區的海溫也出現了明顯的異常，而且這兩個海區海溫的變化幅度比西北太平洋地區海溫的變化幅度還大，但在分析初夏副高東西指數與前期海溫變化的關系時，前期印度洋和赤道中東太平洋地區的海溫與后期初夏副高東西變化的關系卻不明顯.Zhou等(2009)分析指出在年代際尺度上副高西伸與印度洋和西太平洋海溫的增暖有關；袁媛等(2018)最近的分析也表明印度洋和赤道中東太平洋海溫增暖對副高西伸的影響.但我們注意到這些研究所定義的副高東西變動均是基于500 hPa高度，高度場和海溫場本身就存在明顯的年代際特征，它們之間的關系中是否年代際變化的影響要大一些等問題還不清楚，因此，在去除了兩者的年代際變化之后，副高東西變動和熱帶海溫的關系還值得進一步研究.