副热带高压研究进展及展望

介绍了国家自然科学基金委员会九五重点项目"副热带高压形成和变异的机理"的研究成果.该项目的研究纠正了对副热带高压成因的若干传统认识,揭示了副热带高压脊线年际变化的新事实,发展了脊线这一东西风交界面的动力模型,建立了"全型涡度方程"、"热力适应"理论及"两级热力适应"模式,并通过模拟和资料诊断研究了各副热带高压单体的形成机制及其季节和年际变化,在西太平洋副热带高压变化的规律和机制的研究中得到了新的认识.     

南亚高压活动特征及其天气气候影响研究进展

南亚高压是夏季亚洲南部对流层上层和平流层底层的一个强大而稳定的大气活动中心,是副热带高压系统中的一个重要成员,它与夏季北半球大气环流和亚洲区域天气气候关系密切.关于南亚高压的研究,气象学者进行了很多研究工作,取得一些开创性成果,并逐渐认识到南亚高压的演变对北半球及我国天气气候的重要性.通过总结南亚高压的形成原因、结构,季节变化、年际变化、东西振荡及其对我国天气、气候的影响等方面的研究成果,简要回顾了近几十年极涡的研究及其与南亚高压的一些初步关系,指出这两个系统之间的相互作用、变化规律和异常特征存在的具体关系,是一个研究较少的重要问题,应加强这方面的研究.     

副热带高压脊线移动的三维结构特征

文中定义了东西风交界面作为表征副热带高压脊线位置的动力学参量 ,并利用 NCEP/NCAR再分析月平均资料在三维空间中考察了东西风交界面的空间、时间变化特征。分析结果表明 :副热带高压位置移动以季节变化为主 ,季节变化由南北移动和斜率变化两类运动组成 ;副热带高压位置移动的年际变化和 ENSO事件关系密切 ;南半球副热带高压具有纬向对称的垂直结构 ,北半球副热带高压垂直结构较为复杂 ,尤其是西太平洋副热带高压表现出在全球副热带高压系统中的独特性。     

索马里急流与南亚高压年代际变化的可能联系

索马里急流是北半球夏季最为强盛的越赤道气流,南亚高压则是出现在对流层高层、平流层低层最大最稳定的反气旋环流系统,基于近60年NECP/NCAR再分析资料,本文研究了年代际尺度上夏季索马里急流与南亚高压的联系。研究结果表明:年代际尺度上,索马里急流与南亚高压存在显著的正相关关系,当索马里急流偏弱(强)时,夏季南亚高压偏弱西退(偏强东进)。对不同年代际背景下南亚高压东西部的经向垂直环流的分析发现,当索马里急流处于偏弱位相时,南亚高压西半部(20°~70°E)经向垂直环流偏强,而其东半部(75°~120°E)经向垂直环流减弱;反之亦然。南亚高压南北两侧的纬向垂直环流的变化也有差异,索马里急流偏弱(强)时,北部南亚高压(27.5°~35°N)的青藏高原上空纬向垂直环流显著减弱(增强),而南部南亚高压(20°~27.5°N)的伊朗高原上空纬向垂直环流减弱(增强)明显。进一步的研究发现,年代际尺度上索马里急流与南亚高压的联系受到PDO(Pacific Decadal Oscillation)年代际变化的调制。PDO正负位相的转折,首先改变了对流层高层副热带西风急流的强弱变化,从而使得位于其南部的南亚高压强度和热带东风急流发生相应的改变,热带东风急流的变化又通过热带印度洋上空的局地纬向垂直环流将异常信号传递到对流低层,改变热带地区索马里急流的强弱变化。     

3种再分析资料基本统计量比较

为了评估中国气象部门整理的资料的特色和应用价值,使用统计方法检验了中国资料和NCEP/NCAR、ECMWF再分析资料7月100 hPa、500 hPa位势高度场和1月海平面气压场的气候均值和年际方差的差异显著性,并比较了1月和7月北半球主要大气活动中心面积、强度指数的年际变化差异和相关程度。结果表明：1）ECMWF再分析资料7月100 hPa、500 hPa位势高度场的气候均值都显著小于中国资料,且其历年值分别小于1 660、588 dagpm,与中国资料相比不适合用于研究南亚高压、副热带高压;2）中国资料是由单层等压面图上直接读数得到的,更接近实际观测值,更适宜于诊断单个等压面上的气压系统;3）3种资料冬季蒙古高压、阿留申低压的年际变化一致性要好于夏季南亚高压、副热带高压。     

热带西太平洋暖池和副热带高压之间的关系

文中研究了热带西太平洋暖池和西太平洋副热带高压的季节性变化和年际变化关系。结果表明,西太平洋暖池面积和副热带高压面积指数季节变化趋势基本一致,暖池中心的纬向移动与副热带高压西伸脊点相反,而经向移动和５００ｈＰａ副热带高压脊平均位置的南北季节性变化非常一致。西太平洋副热带高压的年际变化落后暖池大约３个月左右,用暖池２８℃或２９℃面积指数可以很好地预测出当年６,７,８三个月西太平洋副热带高压的面积指数。     

近30余年来盛夏东亚东南季风和西南季风频率的年代际变化及其与青藏高原积雪的关系

利用地面观测资料和NCEP/NCAR再分析资料集,使用相关分析、合成分析等方法,在将地面风分为东南季风和西南季风的基础上,分析了近30余年来盛夏东亚季风频率的年代际变化特征。结果表明:盛夏东南季风、西南季风频率和前期春季青藏高原积雪均在21世纪初期发生了显著的年代际变化;东南季风、西南季风频率由较少改变为较多,春季青藏高原积雪则由深变浅。由于青藏高原积雪厚度发生了年代际变浅,说明青藏高原发生了年代际变暖和南亚高压变强,南亚高压的年代际变强,使得其下游对流层低层(18°~28°N,108°~118°E)的反气旋性环流异常增强,有利于东亚西南季风频率的增加;同时,由于高原发生湿反馈作用,使得淮河地区降水发生年代际变多,由Sverdrup涡度平衡关系,降水的异常增多通过潜热释放,使得东亚副热带高压异常加强,而副热带高压异常变强则有利于盛夏东亚东南季风频率发生年代际增加。     

南亚高压的年际和年代际变化

利用1958～1998年NCEP/NCAR再分析月平均100 hPa高度场和风场资料， 依据大气环流观测事实及天气学原理，较客观地定义了描述南亚高压活动的特征参数， 然后对南亚高压的年际及年代际变化特征进行了系统的诊断分析。发现北半球中低纬 100 hPa环流异常具有空间整体性和时间持续性，即北半球中低纬100 hPa环流同时加 强或同时减弱，并且其整体异常具有明显的年代际变化。南亚高压面积和强度的变化 存在3.8年的振荡周期，与ENSO的循环周期一致。南亚高压的中心和脊线在夏季较为稳 定，较大的年际差异出现在春季。高压面积和强度的年际变化最明显，并且面积大、 强度强的年份往往与El Niao年相对应。南亚高压的位置和强度还存 在明显的年代际变化，自1978年以后，冬半年南亚高压脊线南移，中心东移，面积增大， 强度增强，夏半年南亚高压的位置变化不很明显，但是面积和强度也增大增强。这种年代 际异常与低层大气系统及赤道太平洋海温的年代际异常一致。南亚高压强度距平与热带 海洋SSTA密切相关，与印度洋海区的同期相关最好。南亚高压强度异常对印度洋SSTA的 响应时间为0～5个月，对赤道中东太平洋SSTA的响应时间为4～6个月。南亚高压明显的 年际和年代际变化特征表明，可将南亚高压看作气候系统中大气子系统异常的强信号， 通过分析南亚高压的年际及年代际异常可以更直接地研究和预测区域气候异常。     

南亚高压强度的年代际变化及可能原因分析

利用NCEP/NCAR再分析资料和NOAA ERSST海温资料,对夏季南亚高压的年代际变化特征及其可能机制进行了分析。结果表明,南亚高压由弱到强的年代际转折发生在1970年代末,或者说南亚高压强度在1978年前后发生了年代际突变。对南亚高压偏弱和偏强两个阶段的对比分析表明,大气环流(包括风场、温度场和垂直运动场等)的异常形势和特征显著不同,几乎是相反的。夏季地表潜热通量异常的分析说明,夏季高原(特别是高原西北部)的地表热通量异常对南亚高压强度的年代际变化有重要影响;相对而言,地表感热通量异常可能对南亚高压强度的年代际变化起更重要作用。夏季热带印度洋海温的全区一致型模态在1970年代末也发生了明显的年代际变化,与南亚高压强度的年代际异常有很好的一致性,表明夏季热带印度洋海温一致型模态异常对南亚高压年代际变化有影响。      

定常态副热带高压与垂直运动的关系

文中利用NCEP/NCAR月平均再分析资料研究了定常条件下二维和三维空间上副热带高压与垂直运动的关系 ;比较了Hadley环流和副热带高压动力学的差异。结果显示由于地球自转 ,在副热带地区出现了最大的经向质量通量的辐合 ,导致了纬向平均副热带高压的形成。在热成风关系的制约下 ,除了在北半球夏季 ,通常副热带高压脊线随高度增加向赤道倾斜。Hadley环流的下沉支从对流层顶垂直地延伸到行星边界层。因此副热带高压脊线与该下沉支在自由大气中位置分离 ,年际变化反相 ;在行星边界层中摩擦耗散作用使两者重合 ,年际变化同相 ,但垂直运动对副热带高压的形成不起作用。三维空间上 ,沿行星边界层的副热带高压脊线处为下沉运动 ,副热带大洋东部强烈的下沉运动对应着强烈的向赤道气流。自由大气中 ,垂直下沉运动的分布与副热带高压的分布不同。大洋上副热带高压东部大气下沉 ,副热带高压西部大气上升。这一方面与等熵面的北高南低的倾斜分布在动力学上是一致的 ;另一方面还表明副热带高压的形成也与非绝热加热密切相关。总之 ,不论是在自由大气还是在边界层中 ,不能简单地把下沉运动看成是副热带高压形成的原因。     

季节转换期间副热带高压带形态变异及其机制的研究Ⅰ:副热带高压结构的气候学特征

利用NCEP/NCAR再分析资料研究了季节转换期间副热带高压结构的气候特征。在亚、非季风区 ,冬季副热带高压带是相对对称的 ,具有脊线连续的带状结构 ,脊面随高度增加向南倾斜 ;夏季副热带高压带中低层是间断的 ,高层是连续的 ,脊面随高度增加向北倾斜。副热带高压脊面倾斜受热成风关系的制约 ,总是倾向暖区。 5月份副热带高压形态变异最显著 ,不同地域副热带高压的结构、性质存在较大差异。夏季型副热带高压于 5月初首先出现在孟加拉湾东部 ,5月第 3候稳定建立在孟加拉湾东部、中南半岛及南海西部地区 ;5月第 4～ 5候在南海建立 ;6月第 1～ 2候在印度中部建立。夏季型副热带高压建立的 3个阶段与亚洲夏季风爆发的 3个阶段存在着较好的对应关系。孟加拉湾夏季风的建立在很大程度上取决于高空副热带高压脊面附近经向温度梯度的反转。对流层中上层副热带高压脊面附近经向温度梯度可以作为表征亚洲夏季风爆发的指标     

STUDY ON THE VARIATION IN THE CONFIGURATION OF SUBTROPICAL ANTICYCLONE AND ITS MECHANISM DURING SEASONAL TRANSITION-PART I:CLIMATOLOGICAL FEATURES OF SUBTROPICAL HIGH STRUCTURE*

Climatological characteristics of subtropical anticyclone structure during seasonal transition are investigated based on NCEP/NCAR reanalysis data.The ridge-surface of subtropical anticyclone is defined by the boundary surface between westerly to the north and easterly to the south (WEB in brief).In Afro-Asian monsoon area,the subtropical high in troposphere whose ridgelines are consecutive in wintertime takes on relatively symmetrical and zonal structure,the WEB tilts southward with increasing height.In summer,the subtropical high ridgelines are discontinuous at low levels and continuous at upper levels,the WEB tilts northward from the bottom up.Under the constraint of thermal wind relation,the WEB usually tilts toward warmer zone.May is the period when subtropical high modality most significantly varies.The structure and properties of subtropical high during seasonal transition are different from area to area.A new concept "seasonal transition axis" is proposed based on formation and variation of the vertical ridge axis of subtropical anticyclone.The subtropical high of summer pattern firstly occurs over eastern Bay of Bengal in the beginning of May.then stabilizes over eastern Bay of Bengal,Indo-China,and western South China Sea in the 3rd pentad of May,it exists over the South China Sea in the 4th-5th pentad of May and establishes over central India in the 1st-2nd pentad of June.The three consequential stages when summer modal subtropical high occurs correspond to that of Asian summer monsoon onset,respectively.To a great extent,the summer monsoon onset over the Bay of Bengal depends on the reversal of meridional temperature gradient in vicinity of the WEB in upper troposphere.The meridional temperature gradient at middle-upper levels in troposphere can be used as a good indicator for measuring the seasonal transition and Asian monsoon onset.     

Condensation heating of the Asian summer monsoon and the subtropical anticyclone in the Eastern Hemisphere

The effects of condensation heating on the formation of the subtropical anticyclone in the Eastern Hemisphere (EH) are studied by means of theoretical analysis and numerical simulation. The complete vorticity equation is employed for the analysis. It is found that, due to the vertical gradient of strong condensation heating, the distribution of cyclone and anticyclone in the upper troposphere is out of phase with that in the middle and lower troposphere. This is confirmed by a series of numerical experiments. The horizontal gradient of the condensation heating also affects the configuration of the subtropical anticyclone. It is concluded that condensation heating is a key factor for the formation and location of the summer subtropical anticyclone in the EH. The latent heating released by the Asian monsoon rainfall contributes to the formation of the 200 hPa South Asian anticyclone on the western side of the heating center and the 500 hPa western Pacific subtropical anticyclone on the eastern side of the center. Such configurations are modified to some extent by surface sensible heating and orography. The circulation in mid-latitudes is also affected by the latent heating in the subtropical area through the propagation of Rossby waves. Received: 10 September 1999 / Accepted: 5 June 2000     

东亚地区夏季风爆发过程

利用中国194站1961～1995年日降水资料及NCEP1979～1997年候格点降水资料,探讨了亚洲地区自春到夏的雨季开始分布。结果表明,东亚地区自春到夏存在副热带季风雨季开始和热带季风雨季开始。前者于4月初开始于华南北部和江南地区,随后向南和向西南扩展,于4月末扩展到华南沿海和中南半岛,这个雨带主要是冷空气和副热带高压西侧转向的SW风以及南亚地区冬春副热带南支西风槽中西风汇合而形成的,是副热带季风雨季开始。后者是南海热带季风爆发后使原来由江南移到华南沿岸的副热带季风雨带随副热带高压北进而北进,前汛期雨季进入盛期,江南出现第二次雨峰,形成梅雨期和江淮及华北雨季。同时,热带季风雨带也自东向西传播到达南亚地区而形成热带季风雨季。还讨论了1998年东亚地区夏季风爆发过程,指出南海夏季风爆发期的季风由副高北侧形成的新生气旋进入南海造成南海中部西风和南海越赤道气流转向的SW季风加强汇合而形成,因而是东亚季风系统中环流系统季节变化造成的,和印度季风无关。在南海季风爆发期阿拉伯海仍由副热带反气旋控制,南亚仍是上述副热带反气旋北侧NW风南下后转向的偏西副热带气流所控制,索马里低空急流仍未爆发,赤道西风并未影响南海。     

海陆分布对海气相互作用的调控和副热带高压的形成

首先回顾了近年来关于副热带高压形成和变异研究的若干动力学进展,阐明夏季副热带“四叶型”LOS-ECOD加热分布型的内涵。在此基础上研究海陆分布对海气相互作用的调控,揭示了“四叶型”加热形成的物理基础,并进一步阐明“四叶型”加热拼图及其与副热带高压形成和变异的联系。 文章还回顾了关于副热带高压中短期变异的动力研究的最新进展。给出了影响中国江淮流域持续性降水的副热带高压三维结构的空间分布型;指出东西风带扰动的传播和高／低纬扰动的正压发展是影响副热带高压变异和中国夏季降水的一种可能机制,最后证明青藏高原夏季的强加热能激发纬向非对称不稳定发展,产生南亚高压的东／西部型双模态及准双周振荡。还证明初夏低纬的强对流降水／台风也能激发纬向非对称不稳定发展,影响西太平洋副热带高压异常和中国淮河流域的持续性降水。     

Progress in the study on the formation of the summertime subtropical anticyclone

The studies in China on the formation of the summertime subtropical anticyclone on the climate timescale are reviewed. New insights in resent studies are introduced. It is stressed that either in the free atmosphere or in the planetary boundary, the descending arm of the Hadley cell cannot be considered as a mechanism for the formation of the subtropical anticyclone. Then the theories of thermal adaptation of the atmosphere to external thermal forcing and the potential vorticity forcing are developed to understand the formation of the subtropical anticyclone in the three-dimensional domain. Numerical experiments are designed to verify these theories. Results show that in the boreal summer, the formation of the strong South Asian High in the upper troposphere and the subtropical anticyclone over the western Pacific in the middle and lower troposphere is, to a great extent, due to the convective latent heating associated with the Asian monsoon, but affected by orography and the surface sensible heating over the continents.On the other hand, the formation of the subtropical anticyclone at the surface over the northern Pacific and in the upper troposphere over North America is mainly due to the strong surface sensible heating over North America, but affected by radiation cooling over the eastern North Pacific. Moreover, in the real atmosphere such individual thermal forcing is well organized. By considering the different diabatic heating in synthesis, a quadruple heating pattern is found over each subtropical continent and its adjacent oceans in summer. A distinct circulation pattern accompanies this heating pattern. The global summer subtropical heating and circulation may be viewed as “mosaics” of such quadruplet heating and circulationpatterns respectively. At last, some important issues for further research in understanding and predicting the variations of the subtropical anticyclone are raised.     

华南后讯期降水的年际变化

本文研究了近30多年来(1951——1984)华南后讯期降水的年际变化。结果表明:(1)华南后讯期降水有3年周期变化和10年尺度的长期变化;(2)夏季西太平洋副热带高压轴线南北位置和西脊点西伸位置的年际变化与华南后讯期降水有密切联系。当副高位置偏北偏东时,华南后讯期降水偏多。反之,降水偏少。 利用1974—1983年的月平均OLR资料研究了热带辐合带对华南后讯期降水的影响。结果表明,华南后讯期降水多年和少年热带辐合带的位置和强度有显著差异。多雨年热带辐合带位置偏北强度偏弱,少雨年则相反,热带辐合带位置偏南强度偏强。      

Persistent Heavy Rainfall over South China During May-August：Subseasonal Anomalies of Circulation and Sea Surface Temperature

This study investigates the relationship between subseasonal variations of the circulation and sea surface temperature（SST） over the South China–East Asian coastal region（EACR） in association with the persistent heavy rainfall（PHR） events over South China during May–August through statistical analysis. Based on the intensity threshold and duration criterion of the daily rainfall, a total of 63 May–June（MJ） and 59July–August（JA） PHR events are selected over South China from 1979 to 2011. The lower-level circulation anomalies on subseasonal timescale exhibit an anomalous cyclone over South China and an anomalous anticyclone shaped like a tongue over the South China Sea（SCS） during the PHR events for MJ group.The anomalous cyclone over South China in MJ originates from low-value systems in the mid-high latitudes before the rainfall. The anomalous anticyclone over the SCS is due to the westward extension of the western Pacific subtropical high（WPSH） and the southeastward propagation of the anomalous anticyclone from South China before the rainfall. For JA group, the lower-level anomalous circulation pattern is similar to that for MJ over the South China–EACR, but with di？erent features of propagation. The subseasonal anomalous anticyclone is also related to the westward stretch of the WPSH, while the anomalous cyclone is traced back to the weak anomalous cyclone over the Philippine Sea several days before the rainfall events.Positive SST anomaly（SSTA） is observed over the SCS and the Philippine Sea during the MJ PHR events on the subseasonal timescale. It is closely linked with the variation of local anomalous anticyclone. In contrast, negative SSTA occupies the South China coastal region for the JA PHR events, and it is driven by the anomalous cyclone which propagates northwestward from the Philippine Sea. The subseasonal positive（negative） SSTAs are generated via the local processes of above（below）-normal incident solar radiation and below（above）-normal latent heat fluxes. The possible role of the subseasonal SSTA in the local convective instability is also analyzed in this study.     

1991年江淮梅雨与副热带高压的低频振荡

利用NCEP/NCAR再分析资料和观测的台站降水资料研究了1991年梅雨期间江淮洪涝区降水的季节内振荡及其环流特征,着重考察了不同层次副热带高压的低频变化与降水的关系。小波分析表明1991年江淮梅雨期间降水低频振荡的主周期是15~35 d。在低空,15~35 d振荡以异常反气旋(气旋)的形式在中国东南沿海地区交替出现,调控着西太平洋副热带高压进入(退出)南海。低空的这种低频环流型与高空的偶极型涡旋对相耦合,偶极型涡旋对使得南亚高压东伸(西退),形成有利(不利)江淮流域降水的环流形势。江淮流域降水的低频振荡与500hPa北太平洋副热带高压的低频变化及其传播密切相关。当北太平洋西部的位势高度偏高、中部位势高度偏低时,江淮流域降水偏多;反之偏少。这种低频振荡可能起源于北太平洋中部夏威夷群岛附近,然后沿着副热带高压脊线附近向西传播到中国东南沿海。     

INFLUENCE OF SPRING EQUATORIAL EASTERN PACIFIC SSTA ON THE SEASONAL CHANGE FROM SPRING TO SUMMER OF EASTERN ASIAN CIRCULATION

Based on the analysis of NCEP height, wind and OLR data, the influence of spring equatorial eastern Pacific SSTA on the seasonal change from spring to summer of eastern Asian circulation has been investigated. Results show that related to the warm (cold) spring SSTA in the equatorial eastern Pacific, the anomalous anticyclone (cyclone) circulation emerges around the South China Sea and the Philippines, the strong (weak) west Pacific subtropical high locates to the west (east) of its normal position, which induces to the late (early) onset of the South China Sea monsoon. The numerical simulations have also shown that the remarkable influence of spring SSTA in the equatorial eastern Pacific on the spring seasonal change of eastern Asian circulation will last till summer.