春季南亞高壓在中南半島上空建立與500 hPa副高斷裂的關(guān)系

盧楚翰，秦育婧，王黎娟

(南京信息工程大學(xué)1.氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044)

0 引言

南亞高壓是北半球?qū)α鲗痈邔映龢O渦外最強(qiáng)大、最穩(wěn)定的環(huán)流系統(tǒng)(Mason and Anderson，1958)，它與高低緯不同環(huán)流系統(tǒng)都存在相互作用和相互影響(朱?？档?，1980)。研究表明，對(duì)流層高層的南亞高壓和中層的副熱帶高壓存在密切聯(lián)系。20世紀(jì)60年代，陶詩(shī)言等(1963)、陶詩(shī)言和朱?？?1964)就已經(jīng)指出夏季南亞高壓的北移通常比西太平洋副高的北跳早10 d左右，二者位置的緯向中期振蕩具有“相向而行”或“相背而去”的特征。近年來(lái)有不少研究都進(jìn)一步驗(yàn)證了二者相向或相背移動(dòng)的趨勢(shì)，并認(rèn)為南亞高壓東伸是西太平洋副高西伸加強(qiáng)的重要原因，南亞高壓在東移過(guò)程中，高空負(fù)渦度平流動(dòng)力強(qiáng)迫的下沉運(yùn)動(dòng)在中層副高區(qū)域產(chǎn)生輻散，從動(dòng)力上影響副高內(nèi)的負(fù)渦度發(fā)展(羅玲等，2005;趙兵科等，2005;劉還珠等，2006;任榮彩等，2007;張玲和智協(xié)飛，2010)。此外，許多研究還從不同角度肯定了南亞高壓的調(diào)整與西太平洋副高進(jìn)退的關(guān)系(趙振國(guó)和陳國(guó)珍，1995;張瓊等，1997;黃櫻和錢(qián)永甫，2003;黃燕燕和錢(qián)永甫，2004;譚晶等，2005;王黎娟等，2005)。

以上研究成果對(duì)于認(rèn)識(shí)南亞高壓和500 hPa副高帶之間的相互關(guān)系及作用機(jī)制具有重要意義。但其主要集中在夏季二者北跳或是東西振蕩的關(guān)系上，春季季節(jié)轉(zhuǎn)換過(guò)程中二者的相互聯(lián)系還少有涉及。已有不少研究表明，在春季大氣環(huán)流由冬向夏的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，伴隨著對(duì)流活動(dòng)的發(fā)展，高層南亞高壓通過(guò)中心分裂—重建過(guò)程在中南半島上空建立(簡(jiǎn)稱(chēng)南亞高壓建立)，中層500 hPa副高脊線在孟加拉灣上空斷裂，它們均為南海夏季風(fēng)的建立提供了重要條件(何金海等，2002;毛江玉等，2002;劉伯奇，2009;王黎娟和郭帥宏，2012)。因此，研究季節(jié)轉(zhuǎn)換過(guò)程中南亞高壓建立與500 hPa副熱帶高壓帶(簡(jiǎn)稱(chēng)副高帶)斷裂的關(guān)系有利于加深我們對(duì)南海夏季風(fēng)爆發(fā)的認(rèn)識(shí)。

1 資料與方法

資料:1)1979—2008年NCEP/NCAR再分析資料，包括高空各層的風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、高度場(chǎng)、垂直速度場(chǎng)、比濕場(chǎng)逐日資料，水平分辨率為2.5°×2.5°。2)NOAA提供的1979—2008年向外長(zhǎng)波輻射(outgoing longwave radiation，OLR)逐日資料，分辨率為2.5°×2.5°。3)1979—2008年CMAP候平均降水資料，分辨率為2°×2°。

大氣視熱源用倒算法由熱力學(xué)方程計(jì)算得到(Yanai et al.，1973)，方法如下:

其中:T為溫度;ω為p坐標(biāo)下的垂直速度;k=R/cp，R和cp分別是干空氣氣體常數(shù)和定壓比熱容;V為水平風(fēng)矢量，由此可以計(jì)算各等壓面層的Q1。計(jì)算對(duì)流層整層的大氣熱源〈Q1〉時(shí)，設(shè)對(duì)流層頂為100 hPa，其上ω=0。因而大氣熱源整層的垂直積分值〈Q1〉由下式計(jì)算

式中:ps為地面氣壓;pt指的是大氣頂氣壓(設(shè)pt=100 hPa)。

2 南亞高壓建立與副高帶斷裂

圖1a給出了1979—2008年南亞高壓建立時(shí)間與副高帶斷裂時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯?，南亞高壓的建立時(shí)間與副高帶的斷裂時(shí)間呈現(xiàn)較一致的協(xié)同變化，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.69，通過(guò)了0.01顯著性水平的t檢驗(yàn)。據(jù)圖1a統(tǒng)計(jì)了500 hPa副高斷裂超前及滯后南亞高壓建立候數(shù)的頻數(shù)(圖1b)，發(fā)現(xiàn)30 a中只有4 a(1985、1994、2000、2001年)南亞高壓建立時(shí)間晚于副高帶斷裂，多數(shù)年份(20 a)南亞高壓建立早于副高帶斷裂，說(shuō)明這兩個(gè)同處亞洲副熱帶區(qū)的高壓系統(tǒng)季節(jié)變化間可能存在一定的聯(lián)系。

圖1 1979—2008年南亞高壓建立時(shí)間(實(shí)線)與500 hPa副熱帶高壓帶斷裂時(shí)間(虛線)(a)以及500 hPa副熱帶高壓斷裂超前(負(fù)值)及滯后(正值)南亞高壓建立的頻數(shù)分布(b)Fig.1 (a)Time series of establishment time of South Asia high(solid line)and splitting time of 500 hPa subtropical high(dashed line)from 1979 to 2008，and(b)frequency distribution of the splitting time of 500 hPa subtropical high leading(negative)or lagging(positive)to the establishment time of South Asia high

圖2 南亞高壓建立前后500 hPa流場(chǎng)和相對(duì)渦度場(chǎng)(陰影;單位:10－6s－1;圖中粗實(shí)線表示副熱帶高壓脊線)a.－1候;b.0候;c.+1候Fig.2 The 500 hPa stream field and relative vorticity field(shadings;units:10－6s－1)during the establishment process of South Asia high(the bold line denotes the ridge of the subtropical high)a.pentad－1;b.pentad 0;c.pentad+1

以南亞高壓建立當(dāng)候?yàn)閰⒖键c(diǎn)，合成了前1候(－1候)、當(dāng)候(0候)及后1候(+1候)500 hPa流場(chǎng)和渦度場(chǎng)(圖2)?？梢钥闯?，－1候，在副熱帶高壓帶中存在兩個(gè)具有閉合高壓中心的單體，中心分別位于西太平洋和阿拉伯海以西地區(qū)，整體呈“貓眼”狀(Li and Chou，1998)分布，副高脊線完整連續(xù)，孟加拉灣仍處于負(fù)渦度區(qū)內(nèi);值得注意的是，斯里蘭卡的東南側(cè)有一個(gè)槽發(fā)展，對(duì)應(yīng)有正渦度，青藏高原南側(cè)也存在地形槽(圖2a)。0候，兩個(gè)副高單體的位置基本沒(méi)有變化，高壓脊線仍然連續(xù);此時(shí)高原南側(cè)的槽略有加深，南伸至孟加拉灣地區(qū)，而斯里蘭卡附近的槽則發(fā)展成一個(gè)閉合氣旋，并有所北抬(圖2b)。+1候，兩個(gè)副高單體的位置仍然沒(méi)有太大變化，但副高脊線在孟加拉灣上空斷裂開(kāi)來(lái)，不再連續(xù)，閉合氣旋已控制孟加拉灣上空的大部分地區(qū)，正渦度區(qū)域擴(kuò)大，負(fù)渦度帶在孟加拉灣斷裂(圖2c)。這表明南亞高壓建立1候之后，副高帶在孟加拉灣斷裂。到+2候時(shí)，閉合氣旋與高原槽完全打通，從高原南側(cè)到斯里蘭卡縱穿孟加拉灣的大槽形成(圖略)。

以上分析表明，春季南亞高壓在中南半島上空完全建立之后，副高帶在孟加拉灣上空斷裂。那么南亞高壓的建立對(duì)副高帶的斷裂有何作用?

3 南亞高壓建立對(duì)副高斷裂的可能影響

3.1 南亞高壓建立后孟加拉灣的對(duì)流活動(dòng)

中南半島對(duì)流從4月中旬開(kāi)始活躍，誘導(dǎo)南亞高壓在中南半島上空建立(He et al.，2006;劉伯奇等，2009)。那么南亞高壓建立之后，中南半島及孟加拉灣的對(duì)流活動(dòng)有何變化?這對(duì)副高帶的斷裂又有何影響?圖3給出了南亞高壓建立前后10～20°N的OLR及降水演變?？梢钥闯?，在南亞高壓建立之前3候(－3候)，中南半島上空已有對(duì)流開(kāi)始發(fā)展。到－1候時(shí)，對(duì)流進(jìn)一步增強(qiáng)，OLR值降至220 W·m－2。南亞高壓建立當(dāng)候(0候)，中南半島出現(xiàn)大于6 mm·d－1的降水，對(duì)流繼續(xù)發(fā)展。然而，此時(shí)孟加拉灣地區(qū)的對(duì)流活動(dòng)并不活躍。到+1候時(shí)，孟加拉灣才開(kāi)始出現(xiàn)較強(qiáng)的對(duì)流和降水。之后，孟加拉灣的降水量超過(guò)中南半島地區(qū)，這與其下墊面為海洋有關(guān)。

圖3 南亞高壓建立前后10～20°N平均OLR(等值線;單位:W·m－2)和降水(陰影;單位:mm·d－1)演變(－3候至+2候)Fig.3 Evolution of 10—20°N averaged OLR(contour lines;units:W·m－2)and precipitation(shadings;units:mm·d－1)during the establishment process of South Asia high(from pentad－3 to pentad+2)

圖4 南亞高壓重建完成前后80～95°E平均經(jīng)圈環(huán)流(矢量)、垂直速度(等值線;單位:10－2Pa·s－1)及加熱率Q1/cp(陰影;單位:K·d－1)a.－1候;b.0候;c.+1候Fig.4 Vertical-latitude cross section of 80—95°E averaged meridional circulation(vector)，vertical velocity(contour;units:10－2Pa·s－1)and Q1/cp(shadings;units:K·d－1)during the establishment process of South Asia higha.pentad－1;b.pentad 0;c.pentad+1

如前所述，對(duì)流活動(dòng)首先在中南半島發(fā)展，南亞高壓建立之后，孟加拉灣的對(duì)流才開(kāi)始活躍。分析孟加拉灣上空的垂直運(yùn)動(dòng)及視加熱率發(fā)現(xiàn)，在南亞高壓建立前1候(圖4a)，上升運(yùn)動(dòng)主要維持在10°N以南;此外，青藏高原及春季孟加拉灣暖池(Wu et al.，2010)的感熱加熱作用使它們的上空均出現(xiàn)了明顯的上升運(yùn)動(dòng)，在20～30°N對(duì)流能發(fā)展到600 hPa層次，在該層附近匯合從高層下沉的氣流向南至15°N附近下沉。因此，此時(shí)的孟加拉灣局地Hadley環(huán)流發(fā)生了變形，在10～30°N，600 hPa以下層次出現(xiàn)了一個(gè)由高原及孟加拉灣暖池感熱加熱產(chǎn)生的與Hadley環(huán)流反向的環(huán)流圈，它導(dǎo)致15°N附近的500～700 hPa之間出現(xiàn)較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)，下沉中心剛好在500 hPa副高脊線附近，這是不利于副高斷裂的因素。因此，盡管此時(shí)低層850 hPa的副高帶已經(jīng)斷裂(圖略)，但500 hPa副高帶仍然連續(xù)。南亞高壓建立當(dāng)候(0候)，15°N附近的下沉運(yùn)動(dòng)減弱，中心消失，同時(shí)10°N以南的上升中心增強(qiáng)并有所北擴(kuò)(圖4b)。1候之后，上升運(yùn)動(dòng)迅速發(fā)展推進(jìn)到15°N以北，原15°N附近的下沉運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為上升運(yùn)動(dòng)，低層(500 hPa以下)從5°N以北皆為上升運(yùn)動(dòng)(圖4c)。這與圖3中顯示的孟加拉灣對(duì)流發(fā)展增強(qiáng)的時(shí)間是一致的。結(jié)合圖2可發(fā)現(xiàn)，孟加拉灣對(duì)流的發(fā)展與500 hPa上斯里蘭卡附近閉合氣旋的北推配合得很好，說(shuō)明南亞高壓建立后，孟加拉灣對(duì)流迅速發(fā)展，這有利于副高帶的斷裂。

3.2 南亞高壓建立后的高層輻散運(yùn)動(dòng)

分析南亞高壓建立前后高層(150 hPa)的流場(chǎng)、散度場(chǎng)及大氣整層視熱源演變(圖5)可發(fā)現(xiàn)，整層大氣視熱源正值區(qū)與高層輻散區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。－1候，南亞高壓尚未完全建立，存在兩個(gè)中心，位于中南半島的西部中心較強(qiáng)，對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的輻散中心與非絕熱加熱中心。已有研究表明，旺盛的對(duì)流釋放潛熱有利于南亞高壓在中南半島建立(劉伯奇，2009;劉伯奇等，2009)。0候，南亞高壓已完全建立，環(huán)流中心位于中南半島中部，與之相配合的輻散中心向南擴(kuò)展，其對(duì)應(yīng)的整層非絕熱加熱開(kāi)始增強(qiáng)。這體現(xiàn)了南亞高壓建立之后通過(guò)輻散運(yùn)動(dòng)對(duì)對(duì)流活動(dòng)及潛熱釋放的正反饋?zhàn)饔谩?1候，南亞高壓穩(wěn)定在中南半島上空，輻散區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，除了中南半島的中心外，孟加拉灣也出現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)的輻散中心，其對(duì)應(yīng)的非絕熱加熱中心增強(qiáng)。由前面分析可知，此時(shí)孟加拉灣對(duì)流迅速推進(jìn)至15°N以北，原來(lái)15°N附近一直維持的下沉運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為上升運(yùn)動(dòng)。這說(shuō)明高層南亞高壓建立所產(chǎn)生的輻散運(yùn)動(dòng)是孟加拉灣對(duì)流建立的一個(gè)觸發(fā)機(jī)制，它有利于副高帶的斷裂。

4 結(jié)論與討論

圖5 南亞高壓建立前后150 hPa流場(chǎng)、散度場(chǎng)(陰影;單位:10－6s－1)和大氣視熱源〈Q1〉(等值線;單位:W·m－2)a.－1候;b.0候;c.+1候Fig.5 The 150 hPa stream field，divergence field(shadings;units:10－6s－1)and〈Q1〉(contours;units:W·m－2)during the establishment process of South Asia higha.pentad－1;b.pentad 0;c.pentad+1

利用NCEP/NCAR再分析資料及NOAA的OLR資料，研究了春季南亞高壓在中南半島上空建立與500 hPa副高在孟加拉灣上空斷裂的關(guān)系。結(jié)果表明，南亞高壓建立之前，對(duì)流從“海洋大陸”向北推進(jìn)，首先在中南半島建立;而孟加拉灣地區(qū)由于青藏高原感熱作用在對(duì)流層中低層形成一個(gè)反Hadley環(huán)流型的局地經(jīng)圈環(huán)流，15°N附近500～700 hPa有下沉運(yùn)動(dòng)中心，它抑制了孟加拉灣對(duì)流的建立，也不利于500 hPa副高帶斷裂。南亞高壓在中南半島建立之后，位于高壓中心西南側(cè)的孟加拉灣上空出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)的輻散中心，孟加拉灣地區(qū)15°N附近的下沉運(yùn)動(dòng)消失，對(duì)流發(fā)展起來(lái)，降水量增加并釋放大量潛熱，非絕熱加熱中心位于500 hPa，此時(shí)副高脊線斷裂。因此，高層南亞高壓建立所產(chǎn)生的輻散運(yùn)動(dòng)很可能對(duì)孟加拉灣上空500 hPa副高帶斷裂及對(duì)流建立起到了觸發(fā)作用。

在季節(jié)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，高中低層環(huán)流發(fā)生了一系列變化，其與南海季風(fēng)爆發(fā)的關(guān)系歷來(lái)受到廣泛關(guān)注。研究表明，副高帶最先在孟加拉灣附近的低層(850 hPa)斷裂(何金海等，2002;毛江玉等，2002)，這與中南半島、印度半島的垂直加熱率不同以及孟加拉灣季風(fēng)爆發(fā)渦旋北上有關(guān)(溫敏等，2004;Wu et al.，2010)。本文的結(jié)果也表明，在南亞高壓完全建立之前，低層850 hPa的副高帶已經(jīng)斷裂，但由于15°N附近的下沉氣流，副高帶斷裂只限于低層，500 hPa副高仍然連續(xù)，孟加拉灣對(duì)流尚未建立。南亞高壓建立后，孟加拉灣上空出現(xiàn)強(qiáng)輻散運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)了孟加拉灣對(duì)流的建立及500 hPa副高的斷裂，體現(xiàn)了南亞高壓建立對(duì)對(duì)流和降水的正反饋?zhàn)饔?。但這僅是基于資料診斷所得的結(jié)果，其內(nèi)在機(jī)制需要進(jìn)一步深入研究。

何金海，溫敏，施曉暉，等.2002.南海夏季風(fēng)建立期間副高帶斷裂和東撤及其可能機(jī)制［J］.南京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)，38(3):318-330.

黃燕燕，錢(qián)永甫.2004.長(zhǎng)江流域、華北降水特征與南亞高壓的關(guān)系分析［J］.高原氣象，23(1):68-74.

黃櫻，錢(qián)永甫.2003.南亞高壓與華北降水關(guān)系［J］.高原氣象，22(6):602-607.

劉伯奇.2009.4—5月南亞高壓季節(jié)突變過(guò)程特征及其可能機(jī)制［D］.南京:南京信息工程大學(xué).

劉伯奇，何金海，王黎娟.2009.4～5月南亞高壓在中南半島上空建立過(guò)程特征及其可能機(jī)制［J］.大氣科學(xué)，33(6):1319-1332.

劉還珠，趙申蓉，趙翠光.2006.2003年夏季異常天氣與西太平洋副高和南亞高壓演變特征的分析［J］.高原氣象，25(2):169-178.

羅玲，何金海，譚言科.2005.西太平洋副熱帶高壓西伸過(guò)程的合成特征及其可能機(jī)理［J］.氣象科學(xué)，25(5):465-473.

毛江玉，吳國(guó)雄，劉屹岷.2002.季節(jié)轉(zhuǎn)換期間副熱帶高壓帶形態(tài)變異及其機(jī)制的研究Ⅰ:副熱帶高壓結(jié)構(gòu)的氣候?qū)W特征［J］.氣象學(xué)報(bào)，60(4):400-408.

任榮彩，劉屹岷，吳國(guó)雄.2007.1998年7月南亞高壓影響西太平洋副熱帶高壓短期變異的過(guò)程和機(jī)制［J］.氣象學(xué)報(bào)，65(2):183-197.

譚晶，楊輝，孫淑清，王盤(pán)興.2005.夏季南亞高壓東西振蕩特征研究［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，28(4):452-460.

陶詩(shī)言，朱福康.1964.夏季亞洲南部100 mb流型的變化及其與西太平洋副熱帶高壓進(jìn)退的關(guān)系［J］.氣象學(xué)報(bào)，34(4):385-395.

陶詩(shī)言，王作述，朱?？担?1963.中國(guó)夏季副熱帶天氣系統(tǒng)若干問(wèn)題的研究［M］.北京:科學(xué)出版社.

王黎娟，郭帥宏.2012.4-5月南亞高壓在中南半島上空建立的年際變化特征及其與亞洲南部夏季風(fēng)的關(guān)系［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，35(1):10-23.

王黎娟，羅玲，張興強(qiáng)，等.2005.西太平洋副熱帶高壓東西位置變動(dòng)特征分析［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，28(5):577-585.

溫敏，何金海，肖子牛.2004.中南半島對(duì)流對(duì)南海夏季風(fēng)建立過(guò)程的影響［J］.大氣科學(xué)，28(6):864-875.

張玲，智協(xié)飛.2010.南亞高壓和西太平洋副高位置與中國(guó)盛夏降水異常［J］.氣象科學(xué)，30(4):438-444.

張瓊，錢(qián)正安，陳敏蓮.1997.關(guān)于夏季南亞高壓的進(jìn)一步研究I.與我國(guó)西北地區(qū)降水關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析［J］.高原氣象，16(1):52-62.

趙兵科，姚秀萍，吳國(guó)雄.2005.2003年夏季淮河流域梅雨期西太平洋副高結(jié)構(gòu)和活動(dòng)特征及動(dòng)力機(jī)制分析［J］.大氣科學(xué)，29(5):771-779.

趙振國(guó)，陳國(guó)珍.1995.初夏西太平洋副熱帶高壓位置長(zhǎng)期變化的成因及預(yù)報(bào)［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，11(3):332-339.

朱?？?，陸龍驊，陳咸吉，等.1980.南亞高壓［M］.北京:科學(xué)出版社.

He J H，Wen M，Ding Y H，et al.2006.Possible mechanism of the effect of convection over Asian-Australian“l(fā)and bridge”on the East Asian summer monsoon onset［J］.Sci China Earth Sci，49(11):1223-1232.

Li J P，Chou J F.1998.Dynamical analysis on splitting of subtropical high-pressure zone Geostrophic effect［J］.Chinese Science Bulletin，43(15):1285-1288.

Mason R B，Anderson C E.1958.The development and decay of the 100mb summertime anticyclone over southern Asia［J］.Mon Wea Rev，91(1):3-12.

Wu G X，Guan Y，Wang T M，et al.2010.Vortex genesis over the Bay of Bengal in spring and its role in the onset of the Asian summer monsoon［J］.Sci China Earth Sci，54(1):1-9.

Yanai M，Esbensen S，Chu J H.1973.Determination of bulk properties of tropical cloud clusters from large-scale heat and moisture budgets［J］.J Atmos Sci，30(4):611-627.