大气科学  2017, Vol. 41 Issue (3): 437-460   PDF    
季节内振荡影响西太平洋副热带高压两次北跳的机制
苏同华1,2, 薛峰2, 陈敏艳1, 董啸2     
1 福建省气象台, 福州 350001
2 中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心, 北京 100029
摘要: 夏季期间,西太平洋副热带高压(简称副高)存在两次明显的北跳,其中第一次北跳导致华南前汛期结束、江淮梅雨建立,而第二次北跳则意味着江淮梅雨结束、华北雨季开始。本文基于观测资料和再分析数据,利用快速傅里叶变换和合成分析方法,深入探讨不同时间尺度季节内振荡对气候态和异常年副高两次北跳的影响机制。结果表明:在季节内尺度上,平常年和异常年影响副高两次北跳的季节内振荡的主导周期不同。气候态上,以10~20天和准60天为主;第一次北跳异常年和第二次北跳偏早年,以30~60天为主;第二次北跳偏晚年,则呈现出10~20天和30~60天两个主导周期。不论气候态还是异常年,东亚—热带西北太平洋地区低频振荡在年循环背景下均呈现出明显的北传特征,这是导致副高发生两次北跳的重要原因之一。而印度季风区低频振荡在东北向传播过程中所引起的西风东伸是造成副高第一次北跳更为明显的原因。源自澳大利亚高压的冷空气入侵所激发的暖池对流的准双周振荡则是造成气候态和偏晚年副高第二次北跳更为显著的原因。由于前期春季西北印度洋海温出现异常,造成局地低频振荡发生位相迁移,进而导致副高第一次北跳发生异常。而副高第二次北跳异常则是因为ENSO改变了暖池地区季节内振荡的尺度和振幅所造成的。
关键词: 季节内振荡      西太平洋副热带高压      北跳      江淮梅雨      ENSO     
A Mechanism Study for the Intraseasonal Oscillation Impact on the Two Northward Jumps of the Western Pacific Subtropical High
SU Tonghua1,2, XUE Feng2, CHEN Minyan1, DONG Xiao2     
1 Fujian Meteorological Observatory, Fuzhou 350001
2 International Center for Climate and Environment Sciences, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
Abstract: During summertime, the WPSH (western Pacific subtropical high) exhibits two northward jumps. The first jump signals the termination of pre-flood period in southern China and the start of the Meiyu over the Yangtze-Huaihe River valley; the second jump indicates the termination of the Meiyu and the start of rainy season in northern China. Based on the fast Fourier transformation and composite analysis of observational and reanalysis data, the authors investigated the impact of the intraseasonal oscillations (ISOs) on various time-scales on the northward jumps in the normal and abnormal years. The dominant periods of the ISOs are different in normal and abnormal years, i.e. 10-20 days and quasi-60 days in normal years, 30-60 days in abnormal years of the first jump and earlier years of the second jump, 10-20 days and 30-60 days in later years of the second jump. During the annual cycle, the ISOs tend to propagate northward in the East Asian-tropical northwestern Pacific region, leading to the northward jump of the WPSH. With the northeastward propagation of the ISOs over the Indian monsoon region, a more remarkable first jump is observed due to the eastward extension of the westerly. By contrast, the biweekly oscillation of the warm pool convection triggered by the cold air invasion from the Australian high plays an important role in a more evident second jump during the normal and later years. The sea surface temperature anomaly over the northwestern Indian Ocean in the preceding spring leads to the phase migration of local ISOs and associated abnormal first jump. Besides, the time-scale and amplitude of the ISOs in the warm pool can be regulated by ENSO, resulting in the abnormal second jump.
Key words: Intraseasonal oscillation      Western Pacific subtropical high      Northward jump      Meiyu over the Yangtze-Huaihe River valley      ENSO     
1 引言

与全球其他季风(印度季风、西北太平洋季风等)相比,东亚季风的特异性不仅体现在独特的地理位置,更在于由此引起的东亚季风的多时间尺度变化特征。不同时间尺度变化存在同相锁定和异相迁移。同相锁定是指不同时间尺度变化在同号极值位相上的叠加,它往往增加变化的振幅,引起洪涝灾害和高温干旱等极端事件,如华南暴雨、江淮流域强降水、西南干旱、江淮伏旱等。而异相迁移则指不同时间尺度的极值位相发生错位,它容易引起振幅的减弱,不易诱发极端天气和气候事件,也即“风调雨顺”。

东亚季风的演变过程涉及两种主要的模态,一种是年循环(季节变化)模态,另一种是季节内变化模态。年循环模态与太阳直射点的南北移动以及大尺度海陆热力差异有关。曾庆存和李建平(2002)指出:大气环流的季节变化和越赤道气流即两半球环流的相互作用,首先是由于赤道面与黄道面有交角而使太阳辐射有年变化所致,行星热对流环流是热带季风的“第一推动力”,而地表特性差异(海陆热力特性以及地形高度)所导致的准定常行星波为“第二推动力”。

季节内变化模态主要指季节内振荡(Intraseasonal Oscillation, ISO)。一般而言,谈及ISO主要指的是Madden and Julian(1971)于1971年所发现的热带大气季节内振荡(Madden-Julian Oscillation,MJO),其周期为40~50天左右。后续的研究表明,热带大气的季节内振荡周期并非只局限于40~50天,而是在一个更为宽广的范围内(30~60天)变动(Weickmann, 1983; Weickmann et al., 1985; Nakazawa, 1986; Madden and Julian, 1994; Zhu et al., 2003)。有关热带大气ISO机制的研究很多,主要可分为积云对流加热反馈理论(Wave-CISK)(Lau and Peng, 1987)、蒸发—风反馈机制(Neelin et al., 1987; 李崇银, 1996)以及海气相互作用机制理论(Wang and Xie, 1998Waliser et al., 1999)。

相对于热带大气ISO而言,本文所指的季节内振荡更为宽泛,其周期为5~90天。这是因为本文研究重点是西太平洋副热带高压(简称副高),其在夏季期间北移至副热带地区,容易受到热带对流和中高纬度环流的共同影响,由此产生多种频段的季节内振荡。气候态上,东亚夏季大气季节内振荡周期以60天左右为主,而且这种振荡具有显著北传的特征(Wang and Xu, 1997; Kang et al., 1999)。而年际变化上,影响江淮梅雨的季节内振荡周期则以准双周和21~30天为主(Yang et al., 2010)。就个例分析而言,江淮梅雨的周期出现较大离散。Zhu et al.(2003)的研究表明,1998年夏季华南与江淮流域的强降水与30~60天振荡有关。Mao and Wu(2006)发现,15~35天振荡对于1991年夏季江淮流域的洪涝灾害有重要贡献,它源起于中纬度扰动的东传和副高的西伸。王遵娅和丁一汇(2008)则指出,长江中下游涝年降水季节内振荡周期较旱年长,涝年以30~60天为主,而旱年则以10~30天为主。

以往的研究表明,作为东亚夏季风季节内变化的主要特征,副高两次北跳与季节内振荡也存在密切联系。Wang and Xu(1997)指出,由于存在年循环背景,瞬变季节内振荡(Transient ISO, TISO)倾向于在特定阶段锁定于年循环,由此造成气候态季节内振荡(Climatological ISO, CISO)。而Lu et al.(2005)的研究表明,年循环和30~60天振荡一同贡献了热带西北太平洋大气环流季节演变的年际变化,而热带西北太平洋是影响东亚夏季气候的关键区。因此,有可能是季节内振荡与年循环的位相锁定,造成副高两次北跳十分显著。

此前,本文作者从气候态角度分析了东亚夏季风的季节内演变过程,其中重点分析了副高两次北跳过程及其与暖池对流和中高纬度环流的联系(苏同华和薛峰,2010),但这种分析中夹杂着各种时间尺度,主要体现的是年循环方面的信号,季节内振荡在其中起到何种作用并不清楚。进一步的研究表明,副高两次北跳具有显著的年际变化,而且两次北跳对应着不同的热带海温异常型(Su and Xue, 2011)。在不同海温异常型影响下,副高北跳形式差异十分显著,而季节内振荡有可能是造成这种显著差异的直接原因。

因此,在前期工作的基础上,本文研究内容侧重于分析季节内振荡对平常年和异常年副高两次北跳过程的影响,并简单探讨海温异常分布型在这一过程中所起的作用。虽然以往不少研究分析过季节内振荡对江淮梅雨的影响(Zhu et al., 2003Yang et al., 2010Mao et al., 2010),但未曾有人分析过季节内振荡对副高两次北跳的影响。通过本文的研究,一方面可以从另一个侧面完善有关季节内振荡对江淮梅雨影响的研究,另一方面也有助于发现季节内尺度上影响副高两次北跳的前期强信号,丰富影响副高两次北跳的多时间尺度特征。

基于Su and Xue(2011)的研究结果,本文分析中所确定的气候态及异常年副高两次北跳时间如表 1所示。可以看到,气候态副高第一次北跳日为6月15日,第二次北跳日为7月25日;第一次北跳偏早年平均日期为6月5日,偏晚年为6月25日;而第二次北跳偏早年平均日期为7月5日,偏晚年则为8月9日。

表 1 气候态及异常年副高两次北跳时间 Table 1 Climatological and abnormal northward jump time of the western Pacific subtropical high (WPSH)

本文其余部分安排如下:第2节介绍本文研究中所用到的资料和方法;第3节确定副高季节内变化的主导周期;第4节和第5节则分析平常年和异常年季节内振荡对副高两次北跳过程的影响,同时简单探讨季节内振荡与热带海温异常类型的联系;最后一节为本文的小结。

2 资料和方法 2.1 资料

本文分析中所用到的观测资料为NCEP(National Centers for Environmental Prediction)逐日再分析资料第二版,时间从1979年1月1日至2008年12月31日,格距为2.5°×2.5°,用到的气象要素场主要为位势高度场和水平风场(Kanamitsu et al., 2002)。在分析热带对流时,还用到NCEP的OLR(Outgoing Longwave Radiation)数据集,采用的时间段也为1979年1月1日到2008年12月31日,水平分辨率为2.5°×2.5°(Liebmann and Smith, 1996)。此外,海温资料取自NOAA第三版的ERSST(Extended Reconstruction Sea Surface Temperature),时间段为1979~2008年,格距为2.0°×2.0°(Xue et al., 2003; Smith et al., 2008)。

为分析江淮流域降水的季节内振荡,本文还用到了APHRODITE(Asian Precipitation-Highly-Resolved Observational Data Integration towards Evaluation of the Water Resources)计划所发展的亚洲陆地逐日降水资料,其经纬度范围为(14.875°S~54.875°N, 60.125°E~149.875°E),水平分辨率为0.25°×0.25°,时间段从1979年1月1日到2007年12月31日(http://www.chikyu.ac.jp/precip/[2016-01-20])。该计划是由日本人文和自然研究所(Research Institute for Humanity and Nature, RIHN)以及日本气象厅下辖的气象研究所(Meteorological Research Institute of Japan Meteorological Agency,MRI/JMA)于2006年联合发起。尽管这一数据集与NCEP数据集相比少了2008年的资料,但并不影响结果的可靠性。

2.2 方法

为突出季节内振荡特征,对上述资料集利用快速傅里叶变换(FFT)展开,每一年的逐日资料均去除年循环(前4个傅里叶谐波之和,即:大于90天的分量),仅保留季节内变化分量,即小于90天的季节内振荡。为减少天气尺度扰动的影响,在进行FFT展开之前,先进行了5天滑动平均,以去除天气尺度影响。需要特别强调的是,本文的数据处理方法不同于以往的研究,如:Zhang et al.(2009)Yang et al.(2010)。他们的研究中用于功率谱分析和滤波的资料均为距平场,而本文的资料则为原始值,这点同Wang and Xu(1997)以及Lu et al.(2007)的方法一致。之所以如此,是因为考虑到就实际年份而言,原始场(CISO与TISO之和)能更为直观地反映出副高的两次北跳过程。

在FFT展开的基础上,我们通过功率谱分析及小波分析确定了各关键区气象要素的主导周期,并据此进行相应的滤波。采用的滤波方法有快速傅里叶变换(FFT)和Lanczos滤波。通过对比发现,两者结果基本一致,下文仅针对FFT滤波的结果进行分析。另外,在分析过程中还用到了相关分析和合成分析。在对要素场进行合成时,主要针对表 1中副高两次北跳异常年进行归类。

3 季节内变化的主导周期 3.1 关键区

以往的研究表明,暖池对流、副高、江淮梅雨三者之间关系密切,其中暖池对流是驱动因子,副高是中间桥梁,而江淮梅雨则是结果(Nitta, 1987; Huang and Sun, 1992; Lu, 2001; 苏同华和薛峰,2010; Su and Xue, 2011)。为便于分析这三者的季节内变化以及他们之间的相互关系,我们分别选取了三个关键区。如图 1所示,江淮流域关键区范围为(28°N~33°N, 107°E~123°E),在该区域内夏季梅雨期降水呈带状分布,降水量普遍在6 mm d-1以上(图 1a)。副高关键区范围为(20°N~27.5°N,120°E~135°E),位于副高主体的西北端,且该区域内位势高度标准差具有极大值,表明这一区域的位势高度变动大,容易受周边环流的影响(图 1b)。暖池对流关键区为(5°N~15°N,115°E~140°E),这一范围内OLR值最小,对流最为强烈(图 1c)。强烈的对流有助于激发向东北方向传播的Rossby波列(PJ型或EAP型遥相关; Nitta, 1987; Huang and Sun, 1992)。

图 1 1979~2007年夏季平均的(a)降水(单位:mm d-1)、(b)500 hPa位势高度场(单位:gpm)以及(c)OLR场(单位:W m-2)的气候态分布(等值线)和标准差(填色)。图中的实线方框为下文分析中所选取的三个关键区,其范围分别为:(a)(28°N~33°N,107°E~123°E)、(b)(20°N~27.5°N,120°E~135°E)、(c)(5°N~15°N,115°E~140°E) Figure 1 Climatological distribution (contours) and standard deviation (shaded) of (a) summer precipitation (units: mm d-1), (b) 500-hPa geopotential height (units: gpm), and (c) outgoing longwave radiation (OLR, units: W m-2) averaged in the summer during 1979–2007. The rectangles respectively indicate the three key regions for the following analysis: (a) (28°N–33°N, 107°E–123°E), (b) (20°N–27.5°N, 120°E–135°E), (c) (5°N–15°N, 115°E–140°E)
3.2 主导周期

图 2分别给出了上述三个关键区500 hPa位势高度、降水和OLR的变化曲线及其功率谱分析。可以看到,在副高第一次北跳阶段,关键区位势高度急剧增加,到副高第二次北跳阶段又急剧减小(图 2a)。年循环和季节内振荡在这两个过程中均起到重要贡献,其中尤以季节内振荡贡献最大,北跳前后相差12个位势米以上(图 2d)。结合副高两次北跳的定义,我们不难理解关键区位势高度为何会呈现出这种变化曲线。当副高发生第一次北跳时,副高脊线越过北纬20°N,而西伸脊点则向西延伸至120°E,由此造成关键区位势高度迅速增加。以往的研究(Ueda et al., 1995; Lu, 2001; 苏同华和薛峰,2010)表明,副高第二次北跳阶段,副高不仅北跳,更重要的特征是东退,因此在该阶段位势高度迅速减小。

图 2 关键区(20°N~27.5°N,120°E~135°E)500 hPa位势高度(单位:gpm)的(a)气候平均逐日变化曲线(用5天滑动平均表示,实线)和年循环曲线(虚线)以及(d)去除年循环的季节内振荡曲线和(g)相应的功率谱分析。(b、e、h)同(a、d、g),但为长江中下游地区(28°N~33°N,107°E~123°E)的降水分布曲线(单位:mm d-1)。(c、f、i)同(a、d、g),但为暖池(5°N~15°N,115°E~140°E)的OLR分布曲线(单位:W m-2)。(d、e、f)中季节内振荡曲线为5天滑动平均变化曲线减去年循环曲线后所得的曲线;(g、h、i)中实线为功率谱,虚线为95%信度水平的标准红噪音谱 Figure 2 (a) Climatological daily curves (5-day running mean, solid line) and annual cycles (dashed line) of geopotential height (GH, units: gpm), (d) intraseasonal oscillation curves (units: gpm) with the annual cycles removed, and (g) their power spectra at 500 hPa in the key region (20°N–27.5°N, 120°E–135°E). (b, e, h) As in (a, d, g), but for precipitation (units: mm d-1) in the middle and lower reaches of the Yangtze River (28°N–33°N, 107°E–123°E). (c, f, i) As in (a, d, g), but for OLR (units: W m-2) in the warm pool (5°N–15°N, 115°E–140°E). The intraseasonal oscillation curves in (d, e, f) are obtained from 5-day running means minus annual cycles. Solid lines in (g, h, i) represent the power spectra of the intraseasonal oscillation, and the dashed lines indicate the standard red-noise spectra at the 95% confidence level

江淮流域降水的变化过程与副高十分一致(图 2be),这从另一个侧面证实了副高与江淮梅雨的密切关系。相比之下,暖池OLR的变化则较为不同,从4月开始OLR值迅速减小,对流增强,到6月中旬OLR达到极小值,并稳定到8月中旬,之后开始回升(图 2c)。需要指出的是,从6月中旬到8月中旬,年循环曲线上OLR值并无明显变化,但在5天滑动平均曲线上却出现了明显的波动,而从图 2f上可以看到,OLR值呈现出显著的季节内振荡,说明这一阶段的波动主要来自季节内振荡的贡献。由此可见,对于副高第一次北跳阶段而言,暖池对流的增强是年循环与季节内振荡锁相的结果,而第二次北跳阶段,暖池对流的再一次增强则主要受季节内振荡的影响。

功率谱分析(图 2gh)表明,副高和江淮梅雨不仅具有相似的演变过程,还具有相同的主导周期,大致在10~20天和60天左右呈现出明显的峰值,其中尤以60天最为明显,二者均通过了95%信度水平的标准红噪音谱检验。Wang and Xu(1997)以及Kang et al.(1999)的研究曾指出东亚夏季风CISO周期以60天为主,本文的分析与他们的结果完全一致。尽管暖池对流直接影响到副高的变动,但其功率谱却与副高明显不同,呈现出20天和45天左右的峰值,后者即为MJO的活动周期。关于暖池对流CISO的周期与副高及江淮梅雨CISO的周期为何会出现如此显著的差异,目前尚不清楚,有待以后进一步研究。

基于功率谱分析的结果,我们确定了副高季节内变化的主导周期,但却未能区分副高两次北跳过程究竟以何种周期的季节内振荡影响为主,为此,我们单独对关键区位势高度进行了小波分析(图 3)。从图 3a的小波功率谱上看,60天左右的振荡贯穿了整个夏半年,但7月和8月10~20天的季节内振荡也较为显著。可见,对于副高第二次北跳而言,10~20天左右的准双周振荡也起到了重要作用。这点从图 3b的小波实部上可以体现得更为清楚。在7月下旬的副高第二次北跳阶段,准双周振荡和60天振荡的极低值位相同时出现,二者共同引起关键区位势高度减小,副高东退北跳。而在6月中旬的第一次北跳阶段,仅有60天左右的振荡从负值位相向正值位相转换,表明位势高度迅速增加。

图 3 去除年循环后500 hPa关键区(20°N~27.5°N,120°E~135°E)平均的位势高度小波分析的(a)小波谱(左)和功率谱(右)以及(b)小波分析的实部。图a中的网格区域为通过95%信度水平卡方检验的区域 Figure 3 The wavelet analysis of area-mean geopotential height at 500 hPa with the annual cycle removed in the key region (20°N–27.5°N, 120°E–135°E): (a) Wavelet spectrum (left) and power spectrum (right); (b) the real part. Net regions in Fig. 3a indicate the regions pass at the 95% confidence level by chi-square test

为进一步探讨不同频段季节内振荡的作用,我们给出了三个关键区不同频段滤波后的变化曲线(图 4)。由图可知,第一次北跳阶段,副高、江淮流域降水以及暖池对流均以60天左右的振荡影响为主。前两者由负位相转为正位相,位势高度增加,副高西伸北进,江淮梅雨建立,而暖池OLR则由正位相转为负位相,暖池对流增强,并且在6月中旬左右已达到负的极大值。第二次北跳阶段,这三者均受到准双周振荡和60天左右振荡的共同影响,当60天左右振荡位相处于由正转负期间,准双周振荡位相也由正转负,同时其振幅也大于第一次北跳阶段。特别值得指出的是,7月下旬在60天振荡的OLR值减小之前,准双周振荡的OLR值已开始显著减小,表明准双周振荡有可能激发出这一阶段准60天振荡的位相转换,这一点在第4节中将会进行更为深入的分析。

图 4 去除年循环后的(a)关键区(20°N~27.5°N,120°E~135°E)500 hPa位势高度(单位:gpm)、(b)长江中下游降水(单位:mm d-1)以及(c)暖池OLR(单位:W m-2)的季节内振荡曲线。黑线表示5~90天振荡,蓝线表示10~20天振荡,红线表示40~90天振荡 Figure 4 The intraseasonal oscillation curves (with the annual cycle removed) of (a) geopotential height (GH, units: gpm) in the key region (20°N–27.5°N, 120°E–135°E), (b) precipitation (units: mm d-1) in the middle and lower reaches of the Yangtze River, and (c) OLR (units: W m-2) in the warm pool. Black, blue, and red lines indicate intraseasonal oscillation with periods of 5–90 days, 10–20 days, and 40–90 days, respectively
4 平常年季节内振荡对副高两次北跳的影响 4.1 北跳前后的差异

根据上一节的分析,并考虑到频段的统一,我们将气候平均的逐日资料场分别进行了10~20天和40~90天滤波。图 5是气候态副高北跳前、后旬不同频段滤波的位势高度差值场。对于副高第一次北跳而言,10~20天振荡的位势高度差值场(图 5a)上,台湾及邻近海域为负值,位势高度减弱,该振荡不利于副高增强西伸,而40~90天振荡则在长江至日本以南地区出现强烈的位势高度正值中心(图 5c),表明这一振荡对于副高第一次北跳起到主要贡献。在第二次北跳阶段,不论10~20天振荡(图 5b)还是40~90天振荡(图 5d),江淮流域和华南地区均为强烈的负值中心,而日本海则为强烈的正值中心,表明二者共同影响了副高第二次东退北跳,江淮流域至日本一带的梅雨结束,日本进入伏旱期。虽然对于副高第二次北跳而言,10~20天振荡和40~90天振荡位相锁定,但在副热带地区,后者的量值至少为前者的三倍,其贡献更大,这点在副高第一次北跳阶段也是如此。

图 5 (a,b)10~20天和(c,d)40~90天滤波后副高两次北跳阶段500 hPa位势高度的差值场(单位:gpm)。(a)和(c)为6月15~24日与6月5~14日之差;(b)和(d)为7月25日到8月3日与7月15~24日之差 Figure 5 Differences at 500-hPa geopotential height (units: gpm) between post-jump and pre-jump periods of the western Pacific subtropical high (WPSH) with (a, b) the 10–20-day band pass filtering and (c, d) the 40–90-day band pass filtering. (a, c) 15–24 June minus 5–14 June; (b, d) from 25 July to 3 August minus 15–24 July

由于热带地区位势高度变化不显著,为更直观地考察不同频段振荡副高两次北跳前后环流的差异,我们给出了图 6。可以看到,副高两次北跳期间,10~20天振荡在台湾岛及附近区域均出现了气旋性差值环流(图 6a图 6b),但从上面的分析可知,二者对副高北跳的作用则截然相反。40~90天振荡在副高第一次北跳阶段呈现出类似PJ型遥相关分布:菲律宾群岛以西的暖池地区为气旋性差值中心(OLR负异常),台湾及以东洋面为反气旋性差值中心(OLR正异常),而江淮流域则为气旋性差值中心(OLR负异常)(图 6c)。在第二次北跳阶段,40~90天滤波场上暖池和华南地区为强大的气旋性差值中心,而在其北部为反气旋性差值中心,没有呈现出如图 6c中的类似PJ型遥相关分布。考虑到OLR值以及风场单位矢量的大小,可以进一步确定40~90天振荡对于副高第二次北跳的贡献比准双周振荡大得多。

图 6图 5,但为850 hPa风场和OLR场。箭头表示风场(单位:m s-1),填色表示OLR(单位:W m-2),下同 Figure 6 As in Fig. 5, but for 850-hPa wind and OLR. Arrows represent wind (units: m s-1), shadings represent OLR (units: W m-2), the same below
4.2 40~90天振荡

鉴于40~90天振荡的重要贡献,我们先分析该振荡对副高两次北跳的影响。图 7图 8分别是副高第一次和第二次北跳阶段不同时期40~90天滤波的850 hPa风场和OLR场。如图 7所示,副高第一次北跳前20天(5月26日,图 7a)强对流(降水)中心位于南海和菲律宾北部,并呈东北—西南向的带状分布;北跳前10天(6月5日,图 7b),降水带移到华南及台湾以东洋面,并逐渐转为东西走向;北跳日(6月15日,图 7c),降水带北缘已抵达长江流域,梅雨建立,菲律宾北部为异常反气旋,而其南侧的暖池对流迅速增强,出现异常气旋,10天之内,该区域变化十分显著;北跳后10天(6月25日,图 7d),江淮梅雨进入盛期,其南部的异常反气旋和暖池对流进一步增强北移。可见,从副高第一次北跳前20天到北跳后10天,40~90天振荡显著北传。与此相对应,赤道西印度洋对流逐渐向东北方向移动;到北跳日(6月15日,图 7c),整个印度地区降水达到鼎盛,从而使得印度次大陆为强烈的异常西风所控制,并向东延伸到南海及暖池地区,形成明显的季风槽;而到北跳后10天(6月25日,图 7d),尽管印度降水减弱,但在西北印度洋近赤道地区对流减弱所形成的异常反气旋与印度次大陆对流所引起的异常气旋共同作用下,西风进一步加强,季风槽也进一步加深,暖池对流增强。

图 7 气候态副高第一次北跳阶段40~90天滤波的850 hPa风场(单位:m s-1)和OLR场(单位:W m-2):(a)第一次北跳前20天(5月26日);(b)北跳前10天(6月5日);(c)北跳日(6月15日);(d)北跳后10天(6月25日) Figure 7 The 40–90-day band pass filtered wind (units: m s-1) at 850 hPa and OLR (units: W m-2) on (a) the twentieth day before the first jump (26 May), (b) the tenth day before the first jump (5 June), (c) the first jump date (15 June), (d) the tenth day after the first jump (25 June) of the climatological mean WPSH

图 8图 7,但为副高第二次北跳阶段:(a)北跳前20天(7月5日);(b)北跳前10天(7月15日);(c)北跳日(7月25日);(d)北跳后10天(8月4日) Figure 8 As in Fig. 7, but for the second jump stage: (a) The twentieth day before the jump (5 July); (b) the tenth day before the jump (15 July); (c) the jump date (25 July); (d) the tenth day after the jump (4 August)

以往诸多研究表明,源自赤道印度洋的ISO具有显著的东传特征,且该特征在北半球冬季最为显著(Lau and Chan, 1986; Weickmann and Khalsa, 1990; Madden and Julian, 1994)。在副高第一次北跳阶段,40~90天振荡尽管在印度季风区和东亚季风区分别存在显著的北传现象,但却没有存在跨洋盆的显著东传。实际上,仅就东传而言,该振荡更像是一种驻波。而对于40~90天振荡的北传而言,它与北半球夏半年亚澳季风区行星尺度环流背景有关。在夏半年,源自南半球的越赤道气流转向形成印度季风区的盛行西南风以及东亚季风区的偏南风,这是这两个季风区年循环模态的背景风。Kang et al.(1999)指出,在这一背景风作用下,由于亚洲大陆与副高和邻近海域的热力差异明显,使得40~90天振荡易于北传。

综上,气候态副高第一次北跳一方面是热带西北太平洋和东亚地区40~90天振荡北传的结果,另一方面也与印度季风区该频段振荡的北传有关,后者引起西风增强东伸,并进一步引起暖池对流增强,副高北跳,同时,经过季风槽的转向后,为副高所在地区带来暖平流,从而引起副高西伸增强(薛峰和何卷雄,2005)。

同副高第一次北跳相比,40~90天振荡对副高第二次北跳的影响既有相似之处,也有明显不同(图 8)。相似之处在于,东亚地区CISO的北传在其中也起到了十分重要的作用;而不同之处则在于:在副高第二次北跳之前,由于马斯克林高压减弱,导致印度季风区西南风减弱,40~90天振荡北传不明显,且印度次大陆盛行偏东气流,表明印度季风区40~90天振荡难以对副高第二次北跳造成影响。另外,比较有意思的一个现象是,尽管印度洋至南海的广大地区为偏东风异常,但在副高第二次北跳日(7月25日,图 8c),中心已北移到台湾以东洋面的暖池对流却显著增强,到副高北跳后10天(8月4日,图 8d),强对流中心扩展至整个热带西北太平洋地区,并与北印度洋的强对流中心连成一片。

4.3 准双周振荡

上面的分析已经表明,准双周振荡对副高第二次北跳有重要影响。Yang et al.(2010)的研究指出,对于江淮梅雨而言,准双周振荡有助于副高的西伸增强,从而产生降水极大值,但他们并未进一步分析这种准双周振荡的来源。因此,本节将深入分析准双周振荡影响副高第二次北跳的过程,同时还将探讨准双周振荡的来源及其对40~90天振荡的影响。

由于准双周振荡对流接近西北向传播,为此,我们以(5°S,150°E)为起点,(25°N,120°E)为终点,沿西北方向,每隔2.5°选取一个点,一共13个点。之后,将10~20天滤波后的OLR场随时间沿上述路径做剖面(图 9)。可以看到,整个夏季期间,对流都呈现出西北向传播,但7月中旬之前传播较弱,且振幅较小,7月中旬以后,准双周振荡幅度明显加大,且传播十分明显,从起点到终点大致需要两周时间。

图 9 10~20天滤波后的OLR(单位:W m-2)随时间沿西北方向传播的剖面。传播路径以(5°S,150°E)为起点,(25°N,120°E)为终点,向西北方向每隔2.5°选取一个点,一共13个点。考虑到横坐标宽度有限,为清晰起见,横坐标方向仅标出4个点的经、纬度 Figure 9 The cross section of the 10–20-day band pass filtered OLR (units: W m-2) propagating along northwest direction with time. The northwestward pathway starts at (5°S, 150°E) and ends at (25°N, 120°E). The total number of points is 13 with the interval of 2.5°. For clarity, only 4 points are marked in the abscissa

对应于副高第二次北跳阶段(7月16日至8月1日),图 9上有一次明显的强对流传播过程,正是这次对流的传播导致关键区位势高度减小(图 4a),副高减弱东退。图 10给出了这次传播过程中不同时刻的850 hPa风场和OLR场。在第二次北跳前15天(7月10日,图 10a),巴布亚新几内亚群岛北部为异常反气旋控制,OLR为正值。到北跳前10天(7月15日,图 10b),该区域即被异常气旋所控制,OLR为负值,对流增强。从图 9上可以看到,这一阶段,巴布亚新几内亚附近,OLR有一个由正转负的过程。到北跳前5天(7月20日,图 10c),对流进一步增强,中心位置移至(2.5°N,145°E)附近,到北跳日(7月25日,图 10d),对流中心移到台湾岛东南洋面,异常气旋占据副高关键区,从而导致副高东退北跳。由图 9上可以清晰地看到,7月20~25日之间,OLR负值中心有一个跃变的过程,表明副高北跳明显。值得注意的是,在对流西北向移动的过程中,异常气旋中心往往并不与对流中心重合,而是处于对流中心的北侧或西北侧。造成这种现象,是由于风场对非绝热加热的Rossby波响应(Gill,1980)。

图 10 气候态副高第二次北跳阶段10~20天滤波的850 hPa风场(单位:m s-1)和OLR场(单位:W m-2):(a)北跳前15天(7月10日);(b)北跳前10天(7月15日);(c)北跳前5天(7月20日);(d)北跳日(7月25日) Figure 10 The 10–20-day band pass filtered wind (units: m s-1) at 850 hPa and OLR (units: W m-2) on (a) the fifteenth day before the second jump (10 July), (b) the tenth day before the second jump (15 July), (c) the fifth day before the second jump (20 July), (d) the second jump date (25 July) of the climatological mean WPSH

关于准双周振荡的成因,结合苏同华和薛峰(2010)的研究可知,这与澳大利亚高压(澳高)有关。澳高处于南半球中纬度地区,Rossby波活动频繁,其周期大致以10~20天为主。暖池地区离澳洲较近,时常受到源自澳高的冷空气侵袭,从而造成暖池地区的准双周振荡。每一次冷空气侵袭,都会使暖池对流增强,并向西北方向移动,这种侵袭现象在7月中旬以后更为明显。实际上,从图 10c可以清晰地看到,在副高第二次北跳前(7月20日),150°E~160°E的越赤道气流明显增强,从而推动暖池对流进一步向西北方向移动发展。

上一节的分析中提到,40~90天滤波的暖池对流在副高第二次北跳阶段也显著增强,它不同于副高第一次北跳,并非受西风的影响,那么是什么原因造成这次暖池对流的显著增强?Hsu et al.(2008)的研究发现,虽然大尺度低频振荡对热带气旋具有簇集效应(热带气旋频发于低频振荡的增强位相),但热带气旋对热带西太平洋低频振荡也有重要贡献,部分地区甚至超过50%,而且这种贡献并没有因为长期气候平均而消失。近来,Zhou and Li(2010)的研究更进一步揭示了热带季节内振荡与天气尺度变率存在双向的相互作用。前者对后者的发生频次和振幅具有调制作用,其作用类似于Hsu et al.(2008)的研究;而后者亦能通过非线性地调整表面潜热通量而对后者产生升尺度反馈,但这种调整需要超前。因此,结合图 4c以及本节的分析可知,作为天气尺度变率和40~90天振荡的中间环节,准双周振荡也能够产生类似天气尺度变率的影响,而对40~90天的低频振荡产生升尺度反馈,从而使得副高第二次北跳阶段该低频振荡由正位相转到负位相,暖池对流增强,副高发生第二次明显的北跳。

不可否认的是,由于年循环背景风的存在,即使没有副高第一次北跳阶段的西风东伸以及副高第二次北跳阶段准双周振荡的西北向传播和升尺度效应,副高在40~90天振荡北传的作用下也将发生北跳,但北跳可能并不明显,而是处于渐进北移的状态。西风东伸和准双周振荡加强了北跳的过程,使得副高两次北跳更加突出。

5 异常年季节内振荡对副高两次北跳的影响

Su and Xue(2011)的分析指出,副高两次北跳异常年对应着截然不同的热带海温异常分布型。而不少研究表明,ENSO能够影响季节内振荡的周期和强度(Hendon et al., 2007; Pohl and Matthews, 2007; Yun et al., 2009)。因此,副高两次北跳异常年季节内振荡的周期和强度可能与气候态存在显著差异。本节的分析将首先确定副高两次北跳异常年季节内振荡的主导周期,然后根据所确定的主导周期考察不同频段季节内振荡对异常年副高两次北跳过程的影响,并与气候态进行对比。在这一过程中,还将简单探讨热带海温异常与季节内振荡的联系。

5.1 主导周期的比较

图 11是副高两次北跳异常年关键区(20°N~27.5°N,120°E~135°E)500 hPa位势高度的功率谱。可以看到,副高第一次北跳异常年(偏早年、偏晚年)和副高第二次北跳偏早年的功率谱比较接近(图 11abc),大致在40天左右达到峰值,接近于MJO的周期(45天)。三者中,副高第一次北跳偏晚年的功率谱线最为集中。反观副高第二次北跳偏晚年,则有较大不同,其功率谱线较为分散,合成的功率谱线出现两个峰值,一个也以40天左右为峰值,另一个则在10~20天内达到峰值。可见,副高两次北跳异常年季节内振荡的主导周期与气候态差异明显,其主导周期大致可分为准40天和10~20天。之所以异常年低频振荡(40天)周期短于气候态(60天),是因为这些年份TISO与CISO的位相不完全锁定,存在偏差,而根据Yang et al.(2010)的研究可知,江淮流域降水的TISO周期(分别为准双周和20~30天)明显短于气候态,二者叠加后在一定程度上会缩短CISO的周期。

图 11 副高两次北跳异常年关键区(20°N~27.5°N,120°E~135°E)500 hPa位势高度的功率谱:(a)副高第一次北跳偏早年(1980、1984、1988、1989、1991、1996、1999、2008年);(b)副高第一次北跳偏晚年(1982、1986、1992、1994、1995、1997、2002、2005年);(c)副高第二次北跳偏早年(1981、1984、1985、1988、1994、1997、2001年);(d)副高第二次北跳偏晚年(1980、1982、1987、1993、1998、2003年)。黑色实线:北跳异常年合成的功率谱;黑色虚线:95%信度水平的红噪音谱 Figure 11 The power spectra of 500-hPa geopotential height averaged over the key region (20°N–27.5°N, 120°E–135°E) in the years of abnormal jumps of WPSH: (a) Earlier years for the first jump (1980, 1984, 1988, 1989, 1991, 1996, 1999, 2008); (b) later years for the first jump (1982,1986, 1992, 1994, 1995, 1997, 2002, 2005); (c) earlier years for the second jump (1981, 1984, 1985, 1988, 1994, 1997, 2001); (d) later years for the second jump (1980, 1982, 1987, 1993, 1998, 2003). The solid black lines indicate the composite for the abnormal years, and the black dashed lines indicate the corresponding red-noise spectrum at the 95% confidence level

此外,为比较不同频段季节内振荡的影响,在下文的分析中我们对副高北跳异常年各气象要素场分别进行了10~20天和30~60天滤波。

5.2 第一次北跳异常年 5.2.1 早、晚年北跳过程对比

考虑到副高第一次北跳偏早年和偏晚年的季节内振荡均以40天左右为主导周期,因此,对这些异常年份仅分析30~60天滤波的结果。对比图 12图 13图 7可以看到,无论是偏早年还是偏晚年,副高第一次北跳过程与气候态均比较相似。在年循环的大背景下,热带西北太平洋和东亚地区30~60天振荡呈现出较为明显的北传特征,而印度季风区同样也呈现出明显的东北向传播,并无明显的跨洋盆东传。而Zhang et al.(2009)的研究表明,夏季MJO的东传特征虽不及冬季,但也比较明显。造成这种差异的原因在于数据处理方式的不同。Zhang et al.(2009)的研究中用于MJO合成的是距平场,去除了CISO的影响,而本文的研究中,则保留了CISO信号。相对于TISO而言,CISO信号占据主导地位,从而导致图 12图 13中印度季风区和东亚季风区30~60天振荡以北传特征为主。实际上,仅针对副高两次北跳而言,保留CISO信号可以更为真实而又直观地反映出副高的北跳过程。

图 12 副高第一次北跳偏早年合成的北跳阶段30~60天滤波的850 hPa风场(单位:m s-1)和OLR场(单位:W m-2):(a)第一次北跳前20天(5月16日);(b)前10天(5月26日);(c)北跳日(6月5日);(d)北跳后10天(6月15日) Figure 12 The composites of 30–60-day band pass filtered wind (units: m s-1) at 850 hPa and OLR (units: W m-2) during earlier years of the first jump stage: (a) The twentieth day before the first jump (16 May); (b) the tenth day before the first jump (26 May); (c) the first jump date (5 June); (d) the tenth day after the first jump (15 June)

图 13图 12,但为副高第一次北跳偏晚年:(a)北跳前20天(6月5日);(b)北跳前10天(6月15日);(c)北跳日(6月25日);(d)北跳后10天(7月5日) Figure 13 As in Fig. 12, but for later years of the first jump: (a) The twentieth day before the first jump (5 June); (b) the tenth day before the first jump (15 June); (c) the first jump date (25 June); (d) the tenth day after the first jump (5 July)

虽然副高第一次北跳过程与气候态均比较接近,但也存在较大不同。偏早年副高第一次北跳日(6月5日,图 12c),虽然副高脊线已越过20°N,但异常反气旋南侧的暖池对流并未明显增强,而此时西风已向东延伸到江淮流域,因此,在副高的这次北跳过程中,西风东伸起到主要贡献。尽管6月5日副高发生第一次北跳,但江淮流域的OLR负异常并不明显(图 12c),到6月15日,才有显著的负异常,且负异常中心主要位于日本列岛(图 12d),这是由于此时暖池对流显著增强,副高进一步北移。

相比之下,偏晚年副高第一次北跳与气候态更为相似。在北跳日(6月25日,图 13c),异常反气旋南侧的暖池对流显著增强,同时,从印度次大陆到暖池地区存在强劲的东北—西南向的偏西风,江淮流域降水也因副高北跳而显著增加。至北跳后第10天(7月5日,图 13d),由于热带西风仍然维持,并继续东延,季风槽进一步加深,导致暖池对流移至菲律宾北部,异常反气旋东退。但在季风槽前偏南风作用下,江淮至日本一带的梅雨继续维持,并扩展到朝鲜半岛南部,朝鲜梅雨(Changma)建立。

对比图 12图 13还可以发现,副高第一次北跳偏晚年,无论从风场还是OLR场,30~60天振荡都呈现出比偏早年更显著的振幅,甚至强于气候态。这是一个比较有意思的现象,通过下文的分析可以知道,造成这种现象的原因与偏晚年印度—西北太平洋地区的暖海温异常有关。

5.2.2 与30~60天振荡有关的位相迁移

在分析异常年副高第一次北跳过程中,我们发现关键区位势高度的演变与北印度洋近赤道地区OLR的演变具有相同的位相,同时考虑到印度季风区季节内振荡对副高第一次北跳的影响,我们考察了早、晚年西北印度洋近赤道地区(0°~10°N,50°E~70°E)区域平均OLR的演变过程。这一区域可以看做是印度洋MJO的源地,在此区域激发的MJO一方面沿赤道东传,另一方面朝东北方向传播到印度次大陆腹地。

图 14上可以看到,第一次北跳偏早和晚年6月,西北印度洋近赤道地区OLR存在明显的位相差异,大致偏差18天左右,接近偏晚年和偏早年副高第一次北跳相差的日数(20天)。另外,值得注意的是,在副高第一次北跳前后,30~60天振荡具有最强的振幅,表明这一阶段对流振荡最为明显,其引起的印度季风区西风异常最为强烈,它向东传播有助于副高发生明显的北跳。

图 14 副高第一次北跳异常年合成的30~60天滤波区域(0°~10°N,50°E~70°E)平均的OLR(单位:W m-2)逐日变化曲线。虚线为偏早年合成,实线为偏晚年合成 Figure 14 Daily curves of the composite 30–60-day band pass filtered OLR (units: W m-2) averaged in the key region (0°–10°N, 50°E–70°E) for the abnormal years of the first jump. The dashed line and the solid line indicate the earlier years and the later years, respectively

因此,印度季风区30~60天振荡的位相迁移是导致副高第一次北跳发生异常的重要原因。那又是什么原因导致印度季风区30~60天振荡发生位相迁移呢?Su and Xue(2011)的分析表明,当热带中太平洋海温为冷异常时,副高第一次北跳偏早,而为暖异常时,北跳偏晚;而且二者的相关系数在春季迅速增大(图 15),并维持到副高第一次北跳。从图 14上可以发现,30~60天振荡的振幅也是从春季(主要是4月)开始加强。因此,有理由推测,此热带海温异常型在其中扮演了重要角色,但热带中太平洋海温异常型是如何影响到30~60天振荡的位相迁移?

图 15 副高第一次北跳时间与前期(a)3月、(b)4月、(c)5月海温的相关系数分布。阴影:通过95%信度水平检验的区域 Figure 15 Correlation coefficients between the first jump time of WPSH and sea surface temperature (SST) in (a) March, (b) April, (c) May. Shaded areas indicate the correlation coefficients at the 95% confidence level based on the Student's t test

在季节内振荡尺度上,海气系统耦合在一起,两者相互作用,暖海温有助于对流增强,对流增强又将降低局地海温,从而引起对流减弱,形成负反馈(Woolnough et al., 2000)。由图 15a可知,副高第一次北跳与前期3月海温的显著相关区除了热带中太平洋外,还有西印度洋近赤道地区,表明偏早年该区域海温偏低,而偏晚年则偏高。如图 14所示,偏晚年3月西北印度洋近赤道地区OLR处于负值位相,对流增强,激发出强烈的30~60天振荡。之后在暖海温的作用下(图 15b图 15c),30~60天振荡进一步维持,且振荡幅度进一步增强,导致印度季风区产生强烈的西风东伸过程。由于该振荡到6月下旬才处于极大值位相,与此同时,暖池OLR则处于负位相,对流增强,在年循环背景影响下(图 2a),导致其北侧副高第一次北跳偏晚。相反,虽然偏早年西北印度洋近赤道地区对流直到4月才得以加强,激发出较强的30~60天振荡,但由于6月上旬该振荡正好处于极大值位相,而暖池地区OLR则开始增强,通过与年循环的位相锁定,使得副高第一次北跳偏早。

5.3 第二次北跳异常年 5.3.1 偏早和偏晚年副高北跳过程的对比

根据图 11c图 11d的结果,接下来进行比较的也是偏早年和偏晚年30~60天振荡的副高第二次北跳过程。图 16是第二次北跳偏早年合成的副高第二次北跳阶段不同时期30~60天滤波的850 hPa风场和OLR场。与气候态副高第二次北跳过程相比,偏早年副高第二次北跳明显不同。北跳前20天(6月15日,图 16a)和前10天(6月25日,图 16b),暖池对流偏强,其北侧的异常反气旋偏弱,江淮流域至日本一带仍处于梅雨期。至北跳日(7月5日,图 16c),暖池对流范围减小,但由于对流中心北移至南海北部,异常反气旋也随之北移,且范围扩大,江淮流域至日本一带的梅雨结束,朝鲜梅雨(Changma)开始。北跳后10天(7月15日,图 16d),暖池对流进一步北移到日本南部海域,导致异常反气旋也进一步北移,日本群岛及朝鲜半岛降水减弱。

图 16 副高第二次北跳偏早年合成的北跳阶段30~60天滤波的850 hPa风场(单位:m s-1)和OLR场(单位:W m-2):(a)第二次北跳前20天(6月15日);(b)北跳前10天(6月25日);(c)北跳日(7月5日);(d)北跳后10天(7月15日) Figure 16 The composites of 30–60-day band pass filtered wind (units: m s-1) at 850 hPa and OLR (units: W m-2) during earlier years of the second jump stage: (a) The twentieth day before the second jump (15 June); (b) the tenth day before the second jump (25 June); (c) the second jump date (5 July); (d) the tenth day after the second jump (15 July)

在上述副高北跳过程中,虽然在北跳前10天(6月25日,图 16b),印度季风区出现明显的西风,但这一西风的产生是由于暖池对流显著增强所致。在其他时间,印度季风区均无显著的西风。可见,印度季风区30~60天振荡并未对偏早年副高第二次北跳产生影响,这点与气候态是相同的。此外,由图 11c可知,副高第二次北跳偏早年,准双周振荡不明显,而且从上面的分析可知,北跳过程中暖池对流由南海南部移至南海北部,并进一步向东北方向移至日本南部海域,这与气候态过程明显不同,因此,也可以排除准双周振荡对偏早年副高第二次北跳的影响。

根据Su and Xue(2011)的分析,副高第二次北跳偏早年往往对应着赤道东太平洋的冷海温异常(La Nia事件),而在热带西太平洋(包括暖池)则对应着暖海温异常。基于Woolnough et al.(2000)的研究,暖海温异常有助于局地的海气耦合,进而激发出强烈的季节内振荡(30~60天)。同时,偏早年副高第二次北跳阶段(7月初)越赤道气流比较强盛。在偏南风背景下,暖池对流的季节内振荡(30~60天)逐渐北传,通过与年循环的锁相,导致副高第二次北跳偏早。

同偏早年相比,偏晚年副高第二次北跳过程更接近气候态。由于30~60天振荡的北传,与副高有关的异常反气旋逐渐北移。在8月9日,副高发生第二次北跳,降雨带移出江淮流域和日本,朝鲜半岛进入梅雨期(图 17c)。与北跳前10天(7月30日,图 17b)相比,副高的这次北跳并不明显,这点从副高南侧暖池对流并无显著增强也可以体现出来。到北跳后10天(8月19日,图 17d),台湾以东洋面的暖池对流迅速增强,异常反气旋进一步北移,朝鲜半岛梅雨结束。

图 17图 16,但为副高第二次北跳偏晚年:(a)第二次北跳前20天(7月20日);(b)北跳前10天(7月30日);(c)北跳日(8月9日);(d)北跳后10天(8月19日) Figure 17 As in Fig. 16, but for later years of the second jump: (a) The twentieth day before the second jump (20 July); (b) the tenth day before the second jump (30 July); (c) the second jump date (9 August); (d) the tenth day after the second jump (19 August)

总体而言,副高第二次北跳偏早年风场和OLR场的量值都明显强于偏晚年,这一现象的产生同样是由于海温异常的作用。热带西北太平洋海温在副高第一次北跳偏晚年和第二次北跳偏早年均为显著的暖异常,由此导致这两类异常年暖池和东亚地区30~60天振荡的幅度都比较强。

5.3.2 准双周振荡对偏晚年副高第二次北跳的影响

根据Su and Xue(2011)的研究可知,副高第二次北跳偏晚年往往对应着El Nio事件。在El Nio影响下,暖池地区季节内振荡将会受到压制,振荡减弱(李崇银和周亚萍,1994),而且周期也将变短(32天左右,Pohl and Matthews, 2007)。但需要指出的是,Pohl and Matthews(2007)的研究针对的是北半球冬季和春季,而从图 11d上看,副高第二次北跳偏晚年夏季,暖池地区季节内振荡周期并没有缩短,只是多出了另一个比较明显的谱峰(10~20天)。这一现象在以往其他人的研究中并没有提及。

图 18是副高第二次北跳异常年合成的10~20天滤波的关键区(20°N~27.5°N,120°E~135°E)500 hPa位势高度的逐日变化曲线。如图所示,从5月到10月,副高第二次北跳偏晚年准双周振荡的幅度要明显强于偏早年。此外,不管是偏早年还是偏晚年,准双周振荡幅度都呈现出前弱后强的变化特征。所不同的是,偏晚年准双周振荡幅度在7月下旬就开始迅速增强,而偏早年则到8月中旬才开始加强。根据苏同华和薛峰(2010)的研究可知,产生这种变化的根源在于马斯克林高压和澳高的季节内变化以及他们对暖池地区影响的阶段不同。

图 18 副高第二次北跳异常年合成的10~20天滤波的关键区(20°N~27.5°N,120°E~135°E)平均的500 hPa位势高度(单位:gpm)逐日变化曲线。虚线为偏早年合成,实线为偏晚年合成 Figure 18 Daily curves of the composite 10–20-day band pass filtered geopotetial height (units: gpm) at 500 hPa averaged in the key region (20°N–27.5°N, 120°E–135°E) for the abnormal years of the second jump. The dashed line and the solid line indicate the earlier years and later years, respectively

对应于偏早年副高第二次北跳阶段(7月5日前后),准双周振荡虽处于极低值位相,但由于振幅很弱,其对副高北跳的贡献较小。而偏晚年则不同,从7月下旬开始准双周振荡就开始大幅变动,特别是副高第二次北跳前期,准双周振荡有一次非常明显的位相转换过程,大致由+10 gpm变为-10 gpm,其变化幅度超过30~60天振荡。由此可见,准双周振荡对偏晚年副高第二次北跳具有十分重要的贡献。

图 19是偏晚年副高第二次北跳阶段不同时期10~20天滤波的850 hPa风场和OLR场。同气候态类似,偏晚年副高第二次北跳阶段,源自巴布亚新几内亚的准双周振荡有一次明显的西北向传播过程。北跳前5天(8月4日,图 19c),强对流就已传播至台湾的东南洋面。而在北跳日(8月9日,图 19d),强对流进一步北移到日本南部海域。由4.3节的分析可知,这次准双周振荡的传播能够通过升尺度效应影响到30~60天振荡的位相转换,进而引起偏晚年副高发生第二次北跳。同时,对比图 19图 10的量值还可知,由于这次准双周振荡幅度很强,因此,在传播过程中,它通过升尺度效应对30~60天振荡位相转换所施加的影响较气候态更为强烈。

图 19 副高第二次北跳偏晚年合成的10~20天滤波的850 hPa风场(单位:m s-1)和OLR场(单位:W m-2):(a)第二次北跳前15天(7月25日);(b)第二次北跳前10天(7月30日);(c)第二次北跳前5天(8月4日);(d)第二次北跳日(8月9日) Figure 19 The composites 10–20-day band pass filtered wind (units: m s-1) at 850 hPa and OLR (units: W m-2) during later years of the second jump stage: (a) The fifteenth day before the second jump (25 July); (b) the tenth day before the second jump (30 July); (c) the tenth day before the second jump (4 August); (d) the second jump date (9 August)

根据Xue et al.(2004)文章中的图 4可知,在El Nio发生的次年夏季,澳高明显偏强。在Rossby波的影响下,源自澳高的冷空气频繁入侵暖池地区,引起局地对流增强,从而造成暖池对流呈现出10~20天的准双周振荡。虽然在El Nio次年夏季,热带西太平洋受外强迫影响,对流异常偏弱,副高明显偏强,不易发生北跳,但由于El Nio同时引起澳高增强,所以副高还是发生了第二次北跳,只是时间偏晚,至于其何时发生北跳,可能需要视准双周振荡的强度而定。

6 小结与讨论

本文基于NCEP逐日再分析资料第二版详细分析了不同频段季节内振荡对平常年和异常年副高两次北跳过程的影响,同时探讨了异常年不同频段季节内振荡与热带海温异常分布型的联系。主要结论如下:

(1)气候态上,副高和江淮流域降水的季节内振荡(CISO)周期以准60天和10~20天为主,其中尤以前者的峰值最为显著。北跳异常年,副高的主导周期明显不同。第一次北跳异常年和第二次北跳偏早年,副高的季节内振荡周期均以30~60天振荡为主;而第二次北跳偏晚年出现两个峰值,一个在30~60天之间,另一个则在10~20天之间。

(2)在年循环背景下,不论气候态还是异常年,热带西北太平洋和东亚地区低频振荡(气候态:准60天;异常年:30~60天)的北传,均为副高两次北跳的重要原因。所不同的是,由于其他因子的影响(印度季风区低频振荡、暖池地区的准双周振荡),他们所引起的北跳过程不尽相同。

(3)对于气候态和异常年副高第一次北跳而言,印度季风区低频振荡在东北向传播过程中所引起的西风增强东伸,将引起暖池对流增强,从而使得副高第一次北跳更为明显。但由于前期春季热带中太平洋海温异常的影响,西北印度洋呈现出与热带中太平洋相同符号的海温异常,从而引起局地对流低频振荡出现位相迁移,并向下游传导至热带西北太平洋地区,进而导致副高第一次北跳时间发生异常。

(4)就气候态副高第二次北跳而言,澳高冷空气入侵所激发的暖池对流的准双周振荡是引起副高第二次北跳的重要原因。它一方面通过自身的传播,引起关键区(20°N~27.5°N,120°E~135°E)位势高度减小,副高减弱东退;另一方面,它也能通过超前改变海洋表面潜热通量而产生升尺度效应,迫使30~60天振荡发生由正到负的位相转换,进而引起副高发生第二次北跳。准双周振荡的这种影响在副高第二次北跳偏晚年体现得更为明显,但在偏早年则没有体现。

(5)副高第二次北跳偏早年,热带西北太平洋海温为显著的暖异常,海气耦合强烈,低频振荡明显,通过与年循环的锁相,造成副高第二次北跳偏早。而在偏晚年,受到El Nio的影响,暖池地区低频振荡偏弱,副高异常偏强,不易于北跳。但由于El Nio同时增强了澳高的强度,因此,这些年份暖池地区准双周振荡十分明显,通过传播过程中强烈的位相转换及升尺度效应,而引起副高发生显著的东退北跳。

根据Su and Xue(2011)的研究以及本文的分析,我们发现,对副高第一次北跳异常时间进行跨季度预测是可能的。Su and Xue(2011)的研究结果表明,早在副高第一次北跳的前期冬季就可以预判出热带中太平洋海温异常型,到春季,可进一步判断热带中太平洋海温异常型是否维持,同时关注西北印度洋近赤道地区海温异常的变化,毕竟该区域海温异常型并不完全对应着热带中太平洋海温异常。根据本文的结果,若西北印度洋近赤道地区海温出现显著异常,则可对局地对流的原始资料(非距平场)进行30~60天滤波,看其位相的变化,并将其以相同的周期(40天左右)外推,然后重点关注该振荡在6月的位相变化,以此判断副高第一次北跳的大致时间。

相比之下,对副高第二次北跳时间的预测则存在诸多困难。首先,对于偏早年而言,在热带西北太平洋海温暖异常背景下,副高和暖池对流的年循环将发生改变,海气耦合所激发的强烈低频振荡如何与年循环锁相,何时锁相,这些并不清楚。5.3.1节的分析只是给出一个大致的判断。其次,在偏晚年,准双周振荡需要多大程度的变化才能诱发低频振荡(30~60天)的位相转换,而诱发后两种振荡如何配合才能引起副高发生第二次明显的北跳,这些都有待进一步理清。此外,由于第二次北跳阶段,副高位于较高纬度,容易受到北半球高纬地区环流的影响,使得第二次北跳时间变得更不确定,而本文仅涉及热带低频振荡,因而副高第二次北跳时间难以预测也在情理之中。最后,由于偏早年和偏晚年副高第二次北跳时间和北跳幅度存在较大差异,对具体年份进行个例分析将有助于丰富、完善本文的研究,从而为副高第二次北跳的预测提供更为坚实的物理基础。

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