馬斯克林高壓和澳大利亞高壓的變化特征

盧震宇，蘇 濤，曾宇星，周 杰，封國林，3＊

（1．蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州730000；2．揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚州225009；3．中國氣象局國家氣候中心氣候診斷預(yù)測室，北京100081）

近年來，在全球氣候發(fā)生年代際變化的背景下，中國氣候也發(fā)生了顯著變化，降水分布隨之改變［1－2］，以越赤道氣流為紐帶的南北半球環(huán)流相互影響的重要性也逐漸凸顯出來，這引起了氣象學(xué)家的關(guān)注．馬斯克林高壓（以下簡稱馬高）和澳大利亞高壓（以下簡稱澳高）是南半球兩個主要的副熱帶高壓系統(tǒng)，也是東亞夏季風(fēng)的主要成因，它們的異常對東亞夏季風(fēng)降水、冬春氣候（包括沙塵）的影響十分顯著，因此從全球大氣環(huán)流的整體來探討東亞氣候的變化是非常必要和重要的．薛峰等［3］的研究表明：南半球環(huán)流對北半球西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）的年代際變化有顯著影響，其強度變化可直接影響到北部的越赤道氣流，并進(jìn)而影響亞洲夏季風(fēng)且與西太平洋熱帶氣旋的活動密切相關(guān)，而南半球環(huán)流對季風(fēng)系統(tǒng)的影響，降水是其直接的表現(xiàn)結(jié)果．近年來的諸多研究表明：南半球環(huán)流的異常對東亞夏季風(fēng)及其降水的影響明顯［4－9］，已逐漸成為東亞氣候預(yù)測的重要因子．目前，對馬高、澳高氣候特征的研究較多地針對某個時間尺度或某個高壓進(jìn)行［10］，對馬高、澳高作為整體進(jìn)行多尺度綜合分析較少，而本文則探討不同時間尺度下馬高、澳高的氣候特征，并與副高特征進(jìn)行定量化對比，故對整個東亞夏季風(fēng)體系的特征分析有一定的參考價值．

1 資料和指數(shù)

本文使用的資料為NCEP／NCAR 1951—2010年再分析2．5°×2．5°的月平均風(fēng)場和位勢高度場資料以及國家氣候中心1951—2010年74項月環(huán)流特征量資料．

馬高是位于南印度洋上空對流層低層的一個永久性副熱帶高壓系統(tǒng)，由秋至冬有很好的持續(xù)性，而且不論在高度場還是流場上，850hPa高度層最能顯示其特征；而澳高僅出現(xiàn)在南半球的冷季，暖季的表現(xiàn)并不明顯．由此確定850hPa高度層表示馬高的特征層，依據(jù)崔錦等的定義方法，選取東經(jīng)10°～105°，南緯0°～40°為馬高區(qū)域，東經(jīng)120°～150°，南緯15°～35°為澳高區(qū)域，馬高、澳高面積指數(shù)分別定義為1 540，1 530gpm 等高線所含格點數(shù)；脊線指數(shù)分別定義為1 540，1 530gpm 等高線內(nèi)西風(fēng)零線上格點的緯度平均值；西伸脊點指數(shù)分別定義為1 540，1 530gpm 等高線內(nèi)最西格點的經(jīng)度值，基于澳高半永久特性，其各項指數(shù)僅為3—9月．副高各指數(shù)來自國家氣候中心74項環(huán)流指數(shù)月平均值．圖1給出的是1951—2010年季節(jié)平均850hPa高度場，文中所指季節(jié)均以北半球為標(biāo)準(zhǔn)．可以看出，本文選取的馬高、澳高的研究面積及特征等高線能夠較好地涵蓋和表征南半球兩個高壓的變化特征，因此本文選取的馬高和澳高的各特征指數(shù)具有一定的代表性．

圖1 1951—2010年平均的850hPa高度場（陰影區(qū)大于等于1 540gpm）Fig．1 The climatic mean（1951—2010）850hPa geopotential height in（a）Spring，（b）Summer，（c）Autumn，（d）Winter（Shaded areas stand for the geopotential heights are greater than or equal to 1 540gpm）

2 馬高、澳高及副高的氣候特征

2．1 3種高壓的年際、年代際變化特征

2．1．1 3種高壓面積的年際、年代際變化特征

圖2給出了馬高、澳高及副高（以下統(tǒng)稱為“三高”）的標(biāo)準(zhǔn)化面積指數(shù)和小波分析．從標(biāo)準(zhǔn)化面積指數(shù)可以看出馬高、澳高、副高均存在明顯的年際變化，并且3種高壓面積指數(shù)的變化有著極為相似的趨勢：1976年之前3種高壓的標(biāo)準(zhǔn)化面積指數(shù)均以負(fù)距平為主，之后主要以正距平為主，尤其是馬高的變化最明顯．由距平累積曲線可見，3種高壓在1950—2010年都經(jīng)歷了從持續(xù)減弱到持續(xù)增強的過程，而這兩個階段的時間節(jié)點均為1976年，這說明1976年之前“三高”偏弱而后偏強．為了進(jìn)一步研究三者面積指數(shù)的特征，另對其進(jìn)行了小波分析，如圖2（d，e，f）所示．在年代際時間尺度上，馬高在20世紀(jì)80年代中期之前存在14～16a的振蕩周期，之后無明顯周期；澳高在80年代之前存在準(zhǔn)18a的振蕩周期，之后存在12～14a的振蕩周期，其年代際信號周期是減小的；而副高在90年代之前存在準(zhǔn)10a的振蕩周期，之后存在12～14a的周期，其年代際信號周期是增大的．在年際時間尺度上，馬高、澳高、副高均存在準(zhǔn)4a的振蕩周期．

2．1．2 3種高壓位置的年際、年代際變化特征

圖2 1951—2010年3種高壓的標(biāo)準(zhǔn)化面積指數(shù)和小波分析Fig．2 The variations of standardized area indices and wavelet analysis of the three high－pressure from 1951to 2010

圖3 1951—2010年3種高壓的標(biāo)準(zhǔn)化脊線指數(shù)和小波分析Fig．3 The variations of standardized position of ridge line indices and wavelet analysis of the three high－pressure from 1951to 2010

1）脊線的年際、年代際變化特征．圖3所示為馬高、澳高及副高脊線的標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)、距平累積值和小波分析．從三者的標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)可知：馬高脊線在1991以前以負(fù)距平為主，之后以正距平為主；澳高脊線在1951—1966年以正距平為主，1967—1975年以負(fù)距平為主，而后一直以正距平為主；副高脊線在1951—1965年以正距平為主，1966—1990年以負(fù)距平為主，而自1991年以后又以正距平為主．從各高壓指數(shù)的距平累積曲線可以看出：馬高脊線指數(shù)以1990年為時間節(jié)點，有持續(xù)減弱到持續(xù)增強的過程，這表明馬高脊線在90年代之前有偏北趨勢，而從90年代開始逐漸偏南；澳高的脊線指數(shù)從50年代中期開始有持續(xù)增強到持續(xù)減弱、再到持續(xù)增強的過程，2個年代際躍變的時間節(jié)點分別是1965年和1976年，這表明澳高的脊線在50年代中期至60年代中期偏南，60年代中期至70年代中期偏北，從70年代中期開始一直偏南；副高的脊線指數(shù)從50年代開始有持續(xù)增強到持續(xù)減弱、再到持續(xù)增強的過程，2個年代際突變的時間節(jié)點分別是1965年和1990年，這表明副高的脊線在50年代至60年代中期整體偏北，60年代中期至90年代初期偏南，從90年代開始偏北．小波分析顯示：馬高脊線指數(shù)在80年代中期之前存在12～14a的年代際周期，之后無明顯周期，年際周期方面，馬高在80年代中期之前存在準(zhǔn)4a的振蕩，之后變?yōu)闇?zhǔn)8a的振蕩，這表明從80年代中期開始馬高脊線年代際振蕩逐漸消失，年際振蕩周期延長；澳高脊線指數(shù)存在20～22a的年代際周期和4～6a的年際振蕩周期；副高脊線指數(shù)在80年代中期之前存在16～18a的年代際周期，之后無明顯周期，年際周期方面，副高在80年代中期之前存在4～6a的振蕩，之后變?yōu)?～8a的振蕩，這表明從80年代中期開始副高脊線年代際特征逐漸消失，年際特征振蕩周期有所延長．

2）西伸脊點的年際、年代際變化特征．圖4所示為3種高壓的標(biāo)準(zhǔn)化西伸脊點指數(shù)、距平累積值和小波分析．從三者的標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)可知：“三高”西伸脊點在1976年以前均以正距平為主，之后以負(fù)距平為主；距平累積曲線顯示：“三高”西伸脊點以1976年為突變點，均有持續(xù)增強到持續(xù)減弱的過程，這表明“三高”的西伸脊點在70年代中期之前偏東，之后開始逐漸偏西；小波分析顯示：馬高西伸脊點指數(shù)無明顯的年代際周期，存在準(zhǔn)4a的年際振蕩周期；澳高西伸脊點在70年代中期之前存在準(zhǔn)20a的振蕩周期，而從70年代中期開始存在12～14a的振蕩周期，即年代際周期有減小趨勢，年際尺度上存在準(zhǔn)4a的振蕩；副高西伸脊點指數(shù)在80年代中期之前存在準(zhǔn)20a的年代際周期，之后存在10～12a的振蕩周期，也有減小趨勢，年際周期方面，副高在80年代中期之前存在準(zhǔn)8a的振蕩周期，之后變?yōu)闇?zhǔn)4a的振蕩周期，這表明從80年代中期開始副高東西振蕩年代際和年際特征振蕩周期都有所減?。?/p>

圖4 1951—2010年3種高壓的標(biāo)準(zhǔn)化西伸脊點指數(shù)和小波分析Fig．4 The variations of standardized western extension indices and wavelet analysis of the th?ree high－pressure from 1951to 2010

2．2 對比分析

通過以上氣候特征分析發(fā)現(xiàn)，3種高壓的面積指數(shù)和西伸脊點指數(shù)的變化特征最為一致，即在1951—2010年這60a中，以1976年為突變點，馬高、澳高、副高的面積指數(shù)均經(jīng)歷了由弱到強的變化，西伸脊點指數(shù)均經(jīng)歷了由偏東到偏西的變化，表1定量給出了70年代中期以后面積指數(shù)和西伸脊點指數(shù)的變化（平均態(tài)取1950—2010年平均，負(fù)號表示西伸脊點偏西；括號中為趨勢系數(shù)［11］）．從表1可知，面積指數(shù)馬高增加的程度最大，增長了21%，其趨勢系數(shù)為0．76，通過了顯著性水平為0．01的顯著性檢驗，這也從另一個角度證明了馬高面積指數(shù)增加最快的事實，副高次之，增長了16%，而澳高面積指數(shù)增加程度最小，增長了12%；西伸脊點指數(shù)的變化特征表明，馬高、澳高、副高在70年代中期之后分別偏西了12%，2%，4%，變化程度也是馬高最大，副高次之，澳高最小，趨勢系數(shù)分別為－0．6，－0．36，－0．41，均超過0．01的顯著性水平．“三高”的脊線指數(shù)變化表明，只有馬高脊線趨勢系數(shù)（0．38）通過了顯著性水平為0．05的顯著性檢驗，因此澳高及副高的脊線變化相對面積指數(shù)和西伸脊點指數(shù)的變化而言是不顯著的．

表1 1976年以來3種高壓各指數(shù)的定量變化Tab．1 Qualitative variation in the indices of the three high－pressure from 1976

綜上所述，自20世紀(jì)70年代中期以來，馬高偏強、偏西、偏南且各特征指數(shù)變化程度最大，副高偏強、偏西，變化程度次之，澳高偏強、偏西，變化程度最小，即最穩(wěn)定．

對副高的季節(jié)變化研究已經(jīng)很多，這里重點分析馬高和澳高的季節(jié)變化．從圖1給出的馬高和澳高四季變化的高度場平均圖可以看出，馬高有著明顯的季節(jié)變化，主要體現(xiàn)在高壓范圍和主體中心移動，表現(xiàn)為西北—東南向的季節(jié)振蕩．馬高在冬季范圍最小，強度最弱；在夏季范圍最大，強度最強；春季和秋季為兩個過渡季節(jié)，春季馬高面積逐漸增大，強度逐漸增強，主體逐漸北上、西伸，在夏季無論范圍還是強度均達(dá)到最大，位置到達(dá)一年中最為偏西、偏北的位置；秋季馬高面積范圍開始逐漸縮小，強度開始逐漸減弱，在冬季無論范圍還是強度均達(dá)到最弱．在澳高研究區(qū)域，澳高四季面積的變化同樣呈準(zhǔn)西北—東南向的振蕩．夏季，澳高面積指數(shù)達(dá)到最大，中心位于東經(jīng)135°，南緯24°附近；秋季，澳高范圍逐漸縮小、減弱，且中心位置不斷南壓、東退；冬季，澳高逐漸趨于消失，也就是說，春、夏兩季為澳高發(fā)展增強階段，不斷北上、西伸，而秋、冬兩季為衰退減弱階段，澳高趨于南壓、東退．

2．3 3種高壓的月際變化特征

2．3．1 3種高壓面積指數(shù)的月際變化特征

圖5給出了3種高壓的月際平均面積指數(shù)變化曲線，結(jié)果表明馬高的月際變化為一單峰結(jié)構(gòu)曲線，即一年中馬高面積指數(shù)最大出現(xiàn)在7月份，然后逐漸縮小并于次年1月份達(dá)到最小，2月份開始又逐漸增大，其中5—7月增長率最快，為一個突變過程．與馬高類似，澳高面積指數(shù)的月際變化也是一個近似單峰的結(jié)構(gòu)曲線，面積指數(shù)的最大值出現(xiàn)在4月份，3—4月是一個突變的過程，增長速率較大，4—9月面積指數(shù)平穩(wěn)減?。备呙娣e指數(shù)的月際變化同樣為一個單峰結(jié)構(gòu)的曲線，4—6月為增長速率較大的突變月份，面積指數(shù)的最大值出現(xiàn)在7月份，從9月份開始逐漸減小，1月達(dá)到最?。鼈冏兓墓餐卣鳛椋?種高壓系統(tǒng)1981—2010這后30a12個月平均面積指數(shù)均比前30a和60a的平均態(tài)大，這從月際角度反映了馬高、澳高和副高逐漸增強的趨勢，驗證了前文的結(jié)論．

2．3．2 3種高壓位置的月際變化特征

不同氣候態(tài)下馬高、澳高及副高月際平均位置指數(shù)的分布（圖略）表明：馬高脊線指數(shù)月分布呈單峰結(jié)構(gòu)，2月份指數(shù)達(dá)到最大，然后迅速減小，6月份達(dá)到最小，從9月份開始逐漸增大，這表明馬高脊線2月份達(dá)到最南，然后迅速北跳，于6月份達(dá)到最北，7，8月份維持在南緯29°以北，從9月份開始逐漸南撤；澳高脊線指數(shù)月分布呈單調(diào)遞減，3月份達(dá)到最大，然后緩慢減小，9月份達(dá)到最小，這表明澳高脊線2月份達(dá)到最南，然后緩慢北跳，于9月份達(dá)到最北；副高脊線指數(shù)月分布呈單峰結(jié)構(gòu)，8月份達(dá)到最大，然后迅速減小，1月份達(dá)到最小，從4月份開始逐漸增大，這表明副高脊線8月份達(dá)到最北，然后迅速南撤，于1月份達(dá)到最南，從4月份開始逐漸北跳．“三高”的脊線分布表明不同氣候態(tài)的曲線對比不明顯，這也從月際尺度印證了“三高”脊線變化不明顯的結(jié)論．西伸脊點指數(shù)分布表明：馬高西伸脊點指數(shù)月分布呈單峰結(jié)構(gòu)，1月份達(dá)到最大，然后迅速減小，7月份達(dá)到最小，從8月份開始又迅速增大，這表明馬高主體1月份位置達(dá)到最東，然后迅速西伸，于7月份達(dá)到最西，從8月份開始又迅速東撤；澳高西伸脊點指數(shù)4月份達(dá)到最小，而后逐漸增大，這表明澳高主體在4月份達(dá)到最西，然后逐漸東撤；副高西伸脊點指數(shù)分布呈雙峰結(jié)構(gòu)，1月份達(dá)到最大，然后逐漸減小，4 月份達(dá)到第1個極小值點，5，6月份逐漸增加，7月份達(dá)到一個極大值點，8，9月份減小，于10月份達(dá)到第2個極小值點，然后逐漸增大，這表明副高主體的西伸分別在4月份和10月份達(dá)到最西，在此期間有一個東西振蕩的過程，并于7月份達(dá)到最東．

3 馬高、澳高及副高的年代際轉(zhuǎn)折與南極濤動的關(guān)系

近年來研究發(fā)現(xiàn)，南極濤動是南半球中高緯度大氣環(huán)流最主要的模態(tài)，它反映的是南半球副熱帶高壓帶和高緯度繞極低壓帶之間氣壓場的反位相變化特征，是南半球極地到高緯度南緯60°附近與中緯度南緯45°附近南北向之間的大尺度質(zhì)量交換的途徑，顯示了南半球繞極低壓帶和副熱帶高壓帶之“翹翹板”的變化形式，它具有很強的正壓結(jié)構(gòu)，從海平面氣壓場到對流層及平流層底層都有體現(xiàn)［12－14］，而大氣環(huán)流從春季到夏季的演變首先始于南半球和平流層，這說明南半球高緯度大氣異常會通過南極濤動影響到中低緯度馬高、澳高的異常，進(jìn)一步通過越赤道氣流的作用影響東亞夏季風(fēng)，從而影響北半球副高，進(jìn)而影響中國夏季的降水．由上文年代際氣候特征發(fā)現(xiàn)，馬高、澳高、副高在20世紀(jì)70年代中期發(fā)生了突變，從70 年代中期開始增強，而研究表明南極濤動在1972 年發(fā)生了突變［15］，之前以負(fù)距平為主，之后以正距平為主，即從1972年開始，南極濤動是增強的，薛峰等［16］的研究發(fā)現(xiàn)馬高和澳高的變化均與南極濤動有關(guān)，這表明南極濤動超前馬高、澳高及副高大約4a發(fā)生了年代際轉(zhuǎn)折，南極濤動增強后“三高”均增強．圖6分別為“三高”與南半球海平面氣壓（SLP）相關(guān)系數(shù)場，由圖可見三者均與南半球高緯度氣壓場呈顯著負(fù)相關(guān)，與中低緯度呈顯著正相關(guān)，是典型的南極濤動模態(tài)，即當(dāng)南極濤動正位相增強時，南半球馬高、澳高及北半球副高均增強，反之亦然．

圖6 1951—2010年馬高（a）、澳高（b）及副高（c）與南半球海平面氣壓場的相關(guān)分布Fig．6 Correlation maps of MH（a），AH（b）and WPSH（c）with SLP of southern hemisphered from 1951to 2010

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