夏季副高次季節(jié)尺度東西變動特征及其與中國西南降水的關(guān)系

晏紅明 字俁丞

1 云南省氣候中心，昆明 650034

2 云南大學資源環(huán)境與地球科學學院，昆明 650504

1 引言

西北太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）是中低緯度地區(qū)大尺度反氣旋性環(huán)流系統(tǒng)，在東亞季風系統(tǒng)中占有十分重要的地位。副高北側(cè)盛行的中緯度西風氣流以及南側(cè)盛行的熱帶東風氣流是鏈接中高緯度和赤道地區(qū)天氣和氣候系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。副高變化極其復(fù)雜，其面積、強度、南北位置和東西進退等變化通過與周圍環(huán)流系統(tǒng)的不同配置決定著東亞季風季節(jié)進程、梅雨過程、中國雨帶位置，甚至會影響高溫天氣的產(chǎn)生。近年來長江流域、淮河流域、華北區(qū)域、西南區(qū)域的極端旱澇和高溫天氣等災(zāi)害性天氣的頻繁出現(xiàn)均與副高活動密切聯(lián)系（王黎娟等, 2009; Zhou et al., 2014; Li et al., 2015;Wang et al., 2018; Liu et al., 2019）。因此進一步研究副高變化及其影響，對于深入系統(tǒng)地認識我國天氣氣候異常變化的原因具有非常重要的科學意義。

由于副高西北側(cè)的暖濕氣流水汽輸送是影響我國夏季降水的主要通道，副高的北跳、南撤以及持續(xù)停留就直接決定著我國華南、長江流域以及華北地區(qū)雨季的長短或旱澇，對我國主雨帶位置的年際變化有顯著影響，因此，過去的大多數(shù)研究主要關(guān)注副高在南北方向的偏移及其影響（張慶云和陶詩言, 1999; 李建平和朱建磊, 2008; 祁莉等, 2008; 李崇銀等, 2008;韋道明等, 2011; 蘇同華等, 2017）。而事實上，東亞大部分地區(qū)處于副高西側(cè)，副高在夏季南北移動過程中，西部的脊不僅可伸入我國大陸，也可退至西太平洋區(qū)域，副高的東西進退會影響中高緯度長波槽脊的位置和強度、水汽輸送路徑等的異常變化，更重要的是副高東西進退所產(chǎn)生的擾動還會以波列的形式向高緯度地區(qū)傳播，影響更大范圍西風帶環(huán)流的變化，對我國大范圍旱澇和區(qū)域性天氣的異常變化也有非常重要的影響，如1998 年副高的持續(xù)偏西偏南導致長江流域梅雨期偏長，降水明顯偏多，是長江流域洪澇最顯著的年份（趙思雄等, 1998）；2002 年副高的異常偏東使得西風帶東亞槽偏東，大陸副高加強東進，東亞大陸水汽輸送減弱，大陸高壓中極強的下沉氣流導致中國北方出現(xiàn)了持續(xù)高溫天氣（衛(wèi)捷等, 2004）。另外，Lu（2001）發(fā)現(xiàn)副高的東西進退與暖池地區(qū)的對流活動密切聯(lián)系，副高偏東有利于暖池對流活動加強，偏西則有利于暖池對流活動減弱；Lu and Dong（2001）進一步用數(shù)值模擬實驗證實了副高的東西進退對暖池地區(qū)對流活動的影響；Yang and Sun（2003）的研究也指出副高的東西進退與長江流域有很好的關(guān)系，副高偏東有利于長江流域降水偏少，偏西則有利于降水偏多；作為東亞夏季風系統(tǒng)成員，Yu et al.（2007）的研究表明副高的東西進退與東亞季風系統(tǒng)其它成員相互作用、互為反饋。中國西南位于青藏高原向東延伸部位，副高的東西進退對西南地區(qū)氣候也有十分重要的影響，2009 年西南地區(qū)出現(xiàn)的大范圍嚴重干旱就與副高的持續(xù)偏西變化密切聯(lián)系（晏紅明等, 2012）。最近晏紅明和王靈（2019）分析發(fā)現(xiàn)初夏副高的東西變動與中國南部地區(qū)降水東西差異的分布密切聯(lián)系，并進一步分析了副高東西差異對中國南部降水東西差異的影響。這些研究進一步表明了副高東西進退對我國天氣氣候的重要影響。

副高變化呈現(xiàn)出多時間尺度特征，在年際和年代際尺度上變化明顯，Sui et al.（2007）指出副高變化有明顯準兩年周期和3～5 年低頻周期，并指出這些變化與海洋性大陸的異常下沉和赤道中東太平洋地區(qū)的海溫增暖密切聯(lián)系；很多研究也表明了副高年代際尺度上顯著的西伸特征（Sui et al.,2007; Zhou et al., 2009; Wu and Wang, 2015）。針對副高年際和年代際尺度上的變化，目前的很多工作從季節(jié)平均狀態(tài)研究了副高的變化及其影響，年際尺度變化的影響已在上述表明。最近，Liu et al.（2019）的研究表明在年代際尺度上中國東部的夏季高溫與副高密切聯(lián)系，表明1959～2016 年副高強度變化與中國654 站高溫日數(shù)的相關(guān)高達0.65，通過99%的置信水平檢驗。但觀測事實表明，副高的次季節(jié)變化更加顯著，是副高變化的最主要特征之一，副高甚至不會持續(xù)某一狀態(tài)超過一個月以上（Yeo et al., 2012）。早在上世紀90 年代，很多研究就表明副高變化具有顯著的準雙周振蕩（錢貞成和喻世華, 1991; 張韌和喻世華, 1992）。最近，Guan et al.（2018）研究了副高東西變動的次季節(jié)特征及其東西變化的動力過程，發(fā)現(xiàn)次季節(jié)尺度上副高對長江中下游地區(qū)降水影響的信號更加明顯。本文作者在最近的分析中也發(fā)現(xiàn)，研究某一季節(jié)平均狀態(tài)下的副高變化及其影響，很難深入認識和了解副高變化及其影響的關(guān)鍵過程，這可能與副高顯著的次季節(jié)變化有關(guān)，平均狀態(tài)會平滑掉副高季節(jié)內(nèi)變化的重要信息。因此，研究副高次季節(jié)變化特征及其影響對于進一步認識我國氣候異常的原因具有更加重要的意義。本文針對西南地區(qū)氣候，從次季節(jié)尺度研究了夏季副高變化對西南地區(qū)降水的影響，由于夏季副高脊線位置季節(jié)性南北移動顯著，同時也根據(jù)中國夏季風和中國雨帶季節(jié)性推進過程的變化，將夏季分為前夏（5～6 月）和后夏（7～8 月）兩個時段進行研究。

2 資料和方法

圖1 選取的中國西南305 個觀測站點分布Fig.1 Locations of 305 observation stations in Southwest China

本文利用中國氣象局國家氣象信息中心提供的1979～2018 年中國西南區(qū)域有完整記錄的305站逐日降水資料，其中四川91 站、云南121 站、貴州63 站、重慶30 站，站點分布如圖1 所示，四川西部地區(qū)資料缺損嚴重，該區(qū)域基本沒有站點入選；來自ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的1979～2018 年ERAInterim 再分析高低層大氣環(huán)流資料，包括高度、相對濕度、經(jīng)向風和緯向風、垂直速度等逐日資料，分辨率為1.0°×1.0°（Simmons et al., 2004; Dee et al., 2011）。

分析方法采用回歸分析、合成分析、功率譜分析、流函數(shù)和波通量分析等數(shù)理統(tǒng)計診斷方法。為了得到資料的次季節(jié)異常變化信息，根據(jù)Krishnamurthy and Shukla (2000)和Ren et al. (2015)的濾波方法，對所有資料進行濾波處理。首先對資料進行五天滑動平均，去除資料中的高頻波動，然后去除日氣候平均，最后再去除季節(jié)異常濾除年際尺度信號，即可得到變量的次季節(jié)尺度異常值。例如對于40 年（1979～2018 年）中某一個季節(jié)（季節(jié)內(nèi)總?cè)諗?shù)為Snum）第m 年第n 天的降水資料R(m, n)，該天的氣候平均為

去除該日的日氣候平均：

再去除季節(jié)異常濾除年際尺度信號：

最后得到變量的次季節(jié)尺度異常值為

3 夏季高低層大氣環(huán)流變化特征及副高東西變化指數(shù)定義

圖2 分別為前夏和后夏500 hPa、700 hPa 和850 hPa 高低層多年氣候平均場?？梢钥吹皆谖鞅碧窖蟮貐^(qū)高低層均存在一個東西向的異常反氣旋環(huán)流，中心位于西北太平洋地區(qū)，分別選取5880 gpm、3150 gpm 和1510 gpm 來表征高低層副高主體位置，可以看到在副高主體區(qū)域內(nèi)反氣旋環(huán)流和負渦度明顯。但我們也注意到，在副高主體以西的附近區(qū)域仍然為反氣旋環(huán)流并配合有負渦度，表明特征線表征的副高主體并不能完全反映副高反氣旋環(huán)流以及相應(yīng)的負渦度變化。前夏和后夏副高脊線的形狀和位置有明顯的季節(jié)變化，前夏高低層脊線主要以西南—東北走向為主，后夏卻以東西走向為主。因此，前夏至后夏110°～130°E 范圍內(nèi)脊線西段的季節(jié)性北抬更加顯著，前夏一般位于15°～20°N 之間，后夏北抬到28°N 附近，但脊線東段的季節(jié)差異不明顯，特別在700 hPa 和850 hPa，前夏至后夏由南向北僅移動了大約5 個緯距左右。

圖2 1979～2018 年前夏（左列）和后夏（右列）氣候平均風場（矢量，單位：m s?1）、高度特征線（紅色線，單位：dagpm）和相對渦度（陰影，單位：10?5 s?1）:（a、b）500 hPa；（c、d）700 hPa；（e、f）850 hPa。矩形方框表示關(guān)鍵區(qū)域位置，綠色虛線表示副高脊線Fig.2 Climatology wind field (vectors, units: m s?1), height feature lines (red lines, units: dagpm), and relative vorticity (shaded, units: 10?5 s?1) in the early summer (left column) and late summer (right column) respectively at (a, b) 500 hPa, (c, d) 700 hPa, and (e, f) 850 hPa for 1979?2018.Rectangular boxes represent the regions of key areas. Green dot lines denote the ridge lines of WPSH (Western Pacific subtropical high)

判斷副高東西變化的指標比較多，目前最常用的是500 hPa 5880 gpm 特征線西脊點位置（劉蕓蕓等, 2012），但由于高度場的年代際升高明顯，該指標定義的副高東西變化表現(xiàn)出明顯的年代際西伸。另外，關(guān)鍵區(qū)域相對渦度也是人們在大量研究中最常使用來衡量副高東西變化的指標之一（王黎娟等, 2005; 陸日宇等, 2007）。最近也有研究根據(jù)梯度風近似理論，將副高西脊點定義在副高西邊界脊線上最大經(jīng)向風所在的位置（Yang et al., 2017）。作者最近比較了以上三個指標對夏季中國降水的反映能力，發(fā)現(xiàn)以上三個指標均能很好地反映副高對中國東部降水的影響，而對于西南地區(qū)降水而言，除了相對渦度指標可以反映西南地區(qū)降水的變化，其他兩個指標都很難反映副高變動對西南地區(qū)降水的影響（晏紅明和王靈, 2019）。從圖2 也可以看到，5880 gpm 特征線表明的副高主體變化不能很好反映反氣旋環(huán)流和相應(yīng)負渦度的活動。因此，本文分析依然選取副高反氣旋環(huán)流西部及其與負相對渦度大值區(qū)相重疊的范圍作為關(guān)鍵區(qū)，用關(guān)鍵區(qū)的區(qū)域平均渦度來表征副高東西位置的變動，前夏和后夏關(guān)鍵區(qū)域的位置如圖2 矩形方框所示?？梢钥吹皆谒x取的關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)既包含了反氣旋環(huán)流的西部，同時也包含了不同層次特征線表征西脊點位置，關(guān)鍵區(qū)內(nèi)的負渦度變化也比較明顯。由于低層副高變化更加穩(wěn)定和強大，并與水汽輸送密切聯(lián)系，對我國夏季降水有十分重要的影響（陸日宇等,2007），同時，考慮到西南低緯高原地區(qū)海拔高度影響，本文分別選取700 hPa 前夏（15°～27°N，110°～140°E）和后夏（20°～30°N，110°～145°E）兩個關(guān)鍵區(qū)區(qū)域平均渦度來定義副高東西變動指標，分別簡稱為前夏VORT-early 和后夏VORT-late 指數(shù)。

為了進一步考察所選取的關(guān)鍵區(qū)是否能夠很好地反映副高的東西變化，選取前夏和后夏700hPa副高3150 gpm 特征線西脊點位置比氣候平均特征線西脊點位置偏東和偏西10 個經(jīng)距的年份，表示副高異常偏東年和偏西年，圖3 分別為前夏和后夏副高異常偏東和偏西年的矢量風和相對渦度的差值場，差值場上異常反氣旋環(huán)流區(qū)和相對渦度大值區(qū)一定程度上反映了副高東西變動的敏感區(qū)?？梢钥吹?，所選取的關(guān)鍵區(qū)基本涵蓋了異常反氣旋環(huán)流的主體區(qū)域和負相對渦度的大值區(qū)，進一步表明選取的關(guān)鍵區(qū)能夠很好地反映副高的東西變動。

4 次季節(jié)尺度副高東西變動事件及其副高變化的特征

4.1 次季節(jié)尺度副高東西變動事件的選取

根據(jù)以上定義，利用濾波處理后的資料分別得到前夏和后夏次季節(jié)尺度異常的副高東西變動指數(shù)序列，圖4 分別為前夏（圖4a）和后夏（圖4b）副高指數(shù)的功率譜分析，表明副高變動有顯著的10～30 天次季節(jié)特征。例如圖4c 為2018 年夏季副高指數(shù)標準化，進一步表明副高東西變動的次季節(jié)特征。為了使分析能夠更加突出副高東西變動特征及其對西南地區(qū)降水的影響，選取異常偏東和偏西事件進行分析。選取標準為：VORT-early 和VORT-late 標準化值連續(xù)4 天大于1.0 和小于?1.0分別表示一次異常偏東和偏西事件，并要求每次事件的峰值日間隔至少大于10 天，以保證一個次季節(jié)尺度周期內(nèi)僅有一次偏東或偏西事件，如果峰值日間隔小于10 天，則定義為同一次事件（Ren et al., 2015）。

根據(jù)以上標準分別選取前夏次季節(jié)尺度副高異常偏東和偏西事件49 次和42 次，后夏副高異常偏東和偏西事件55 次和49 次，各種事件的累計天數(shù)均分別超過300 天，具體如表1 所示。

圖3 （a）前夏和（b）后夏700 hPa 副高偏西和偏東事件時風場（矢量，單位：m s?1）和相對渦度（陰影，單位：10?6 s?1）的差值。紅色矩形框表示關(guān)鍵區(qū)位置Fig.3 Difference fields of wind (vectors, units: m s?1) and relative vorticity (shaded, units: 10?6s?1) at 700 hPa between WPSH westward and westward events in (a) early summer and (b) late summer. Red rectangles indicate the locations of the key areas

圖4 （a）前夏和（b）后夏次季節(jié)異常副高東西指數(shù)的功率譜分析，（c）2018 年5～8 月副高東西指數(shù)的逐日標準化時間系列Fig.4 Power spectrum analysis results of the subseasonal WPSH index in (a) early summer and (b) late summer; (c) the standardized time series of daily WPSH index from May to August 2018

4.2 次季節(jié)尺度副高東西變動的特征

圖5 為前夏副高異常偏東和偏西事件期間以及超前和滯后12 天時500 hPa 5880 gpm 特征線合成的位置，可以清楚看到副高異常東西移動過程中副高西脊點逐漸向東或向西變化的過程。偏西事件超前第12 天，5880 gpm 特征線西脊點位于131°E，之后逐漸由東向西推進，超前第6 天時向西推進到122°E 附近，超前第3 天時推進至120°E 以西，在偏西事件期間副高西脊點到達最西端位置，約位于113°E（圖5a）。而在偏西事件滯后的時段，特征線西脊點又逐漸由西向東撤退，滯后第3 天西脊點東退到118°E 附近，第6 天東退明顯，退至130°E，之后再逐漸東退，滯后第12 天時，東退至132°E 附近（圖5c）。在偏東事件時，副高西脊點的變化剛好相反，超前時西脊點逐漸由西向東退，從119°E 東退至140°E，即達到副高最東端位置（圖5b），之后又逐漸由東向西推進，從140°E 向西推進至125°E 附近（圖5d）。

表1 前夏和后夏次季節(jié)尺度副高偏西和偏東事件Table 1 Subseasonal westward and eastward events of W PSH zonal movement in early summer and last summer

同樣地，后夏副高異常偏東和偏西事件過程期間，5880 gpm 特征線西脊點的變化也表現(xiàn)出同樣的特征（圖6）。副高偏西時，5880 gpm 特征線西脊點逐漸由東向西推進，從135°E 推進到114°E（圖6a），到達最西點后又逐漸由西向東退，從114°E 東退至130°E 附近（圖6c）。偏東事件時，副高逐漸由西向東退，從125°E 東退至149°E 附近（圖6b），到達最東位置后，又逐漸由東向西推進，從149°E 西推進至129°E 附近（圖6d）。

在副高異常偏東和偏西事件期間，高低層次季節(jié)環(huán)流異常也可以清楚看到副高東西變動相應(yīng)的大氣環(huán)流差異特征。前夏副高偏西事件中，高層200 hPa歐亞中緯度至東亞低緯度地區(qū)呈現(xiàn)出反氣旋（A）—氣旋（C）—反氣旋（A）—氣旋（C）異常波列，東亞大陸東部—西北太平洋20°～40°N 地區(qū)異常反氣旋顯著，其南側(cè)的異常偏東氣流與110°～140°E由南向北的異常越赤道氣流在10°～20°N 西太平洋附近形成明顯的氣旋性輻合；12500 gpm 特征線表征的南亞高壓主體位于孟加拉灣北部至青藏高原南部（圖7a1）。500 hPa 在歐洲東部和西北太平洋地區(qū)存在西北—東南向的C—A 異常波列，西北太平洋地區(qū)的異常反氣旋位置比200 hPa 偏南，主體位于10°～30°N 之間，其西北部為氣流上升區(qū)和東南大部為氣流下沉區(qū)；在西北太平洋異常反氣旋東北側(cè)的鄂霍茨克海附近還有一個異常氣旋，其南側(cè)在中南半島—赤道西太平洋為異常偏東氣流；5880 gpm特征線西脊點向西伸展至112°E 附近，特征線區(qū)域氣流下沉顯著（圖7a2）。700 hPa 主要表現(xiàn)為西北太平洋異常反氣旋環(huán)流顯著，位置與500 hPa 基本一致，其北部邊緣地區(qū)為正渦度，中部和南部的大部分區(qū)域為負渦度，主體區(qū)域的負渦度明顯，并向西擴展至90°E 附近，正負渦度的變化與500 hPa垂直氣流的變化相對應(yīng)；3150 gpm 特征線位置偏西，西脊點位于115°E 附近（圖7a3）。副高偏東事件中，高低層環(huán)流變化剛好相反。值得注意的是，偏東事件中200 hPa 歐亞中低緯度地區(qū)C—A—C—A 異常緯向波列以及500 hPa 從歐洲東部中緯度至西北太平洋地區(qū)的A—C 波列更加明顯。500 hPa垂直速度和700 hPa 渦度的變化與偏西事件相比剛好相反（圖7b1–b3）。

圖5 前夏副高東、西事件時588 dagpm 特征線超前和滯后的合成：（a）偏西超前；（b）偏東超前；（c）偏西滯后；（d）偏東滯后Fig.5 Leading and lagging composites of 588-dagpm characteristic lines during WPSH westward and eastward events in early summer: (a) Leading westward events; (b) leading eastward events; (c) lagging westward events; and (d) lagging eastward events

后夏，高低層異常環(huán)流與前夏既有相似之處，也存在一定的差異。500 hPa 和700 hPa 東亞東部的次季節(jié)環(huán)流異常與前夏基本一致，東亞東部從中高緯度至低緯度，副高偏西事件時為C—A 異常經(jīng)向波列，偏東時為A—C 異常經(jīng)向波列，特征線位置也表現(xiàn)出明顯的偏東和偏西變化（圖8a2–a3，圖8b2–b3）。差異最大主要表現(xiàn)在200 hPa 中高緯度和東亞東部的異常波列變化，后夏東亞東部的經(jīng)向波列特征更加明顯，副高偏西時東亞東部從高緯度至低緯度為C—A—C 異常經(jīng)向波列（圖8a1），偏東時歐亞中高緯度至東亞東部C—A—C—A—C—A 的異常波列，其中東亞高緯度至低緯度的A—C—A 的經(jīng)向波列也非常顯著（圖8b1）。另外，后夏200 hPa 南亞高壓在副高偏西時其東部脊點向東伸展的特征也非常明顯，東脊點向東伸展至130°E 附近，而副高偏東時東脊點僅向東伸展至110°E 附近，副高與南亞高壓“相向而行，相背而離”的特征在后夏表現(xiàn)得更加清晰。

前夏和后夏高層200 hPa 的環(huán)流差異在一定程度上表明，前夏和后夏中高緯度波列變化對副高東西異常的影響路徑是不同的，前夏的波列主要以緯向傳播的影響為主，而后夏緯向波列以緯向路徑東傳至鄂霍次克海附近之后，再以經(jīng)向波列向南傳播，進而影響副高的東西異常。為了進一步分析中高緯度波列變化對副高的影響，圖9 給出前夏和后夏副高東西變動指數(shù)回歸的200 hPa 流函數(shù)和波通量，可以清楚看到，對于前夏而言，中低緯度異常波列的變化伴隨著從北大西洋中部—歐洲東部—巴爾喀什湖—東亞和西北太平洋地區(qū)的能量傳輸；后夏副高的變化則更多地與東亞中高緯度地區(qū)波能量的傳輸有關(guān)。

另外，副高作為鏈接高緯度和低緯度環(huán)流的重要紐帶，其東西變動與高低緯度環(huán)流的變化密切聯(lián)系。從圖7 和圖8 可以看到，不管是前夏還是后夏，副高偏西時副高北側(cè)的異常氣旋性環(huán)流發(fā)展，環(huán)流西部的異常偏北氣流有利于引導中高緯度地區(qū)的冷空氣南下影響中國氣候；而在副高異常偏東時，副高北側(cè)異常反氣旋的發(fā)展卻不利于引導冷空氣南下影響。同時，從熱帶地區(qū)的流場變化可以看到，副高偏西時，西北太平洋地區(qū)加強的異常反氣旋南側(cè)為異常東風，并向西擴展至孟加拉灣地區(qū)，不利于孟加拉灣南支低壓槽的發(fā)展，相反，在副高偏東時，西北太平洋地區(qū)異常氣旋發(fā)展，其南側(cè)的西太平洋至孟加拉灣為異常西風，有利于孟加拉灣地區(qū)南支低壓槽的發(fā)展。

圖6 同圖5，但為后夏Fig.6 Same as Fig.5, but in late summer

5 次季節(jié)尺度副高變化與西南地區(qū)降水的關(guān)系及其影響的物理過程

圖7 前夏副高偏西（左列）和偏東（右列）事件期間（a1、b1）200 hPa 高度（等值線，單位：dagpm）和矢量風（箭頭，單位：m s?1）；（a2、b2）500 hPa 高度（等值線，單位：dagpm）、矢量風（箭頭，單位：m s?1）和垂直速度（陰影，單位：Pa s?1）；（a3、b3）700 hPa高度（等值線，單位：dagpm）、矢量風（箭頭，單位：m s?1）和相對渦度（陰影，單位：10?6 s?1）的合成場Fig.7 Composite fields of (a1, b1) 200 hPa height（isolines, units: dagpm）and wind (vector arrows, units: m s?1), (a2, b2) 500 hPa height (isolines,units: dagpm), wind (vector arrows, units: m s?1) and vertical velocity (shaded area, units: Pa s?1), and (a3, b3) 700 hPa height (isolines, units: dagpm),wind (vector arrows, unit: m s?1) and relative vorticity (shaded, units: 10?6 s?1) during WPSH eastward (right column) and westward (left column)e vents in early summer

副高是一個大尺度的環(huán)流系統(tǒng)，其東西變動會通過中高緯度長波槽脊，以及中低緯度環(huán)流系統(tǒng)的不同配置，對其附近甚至對全球氣候產(chǎn)生影響。圖10 分別為相應(yīng)副高異常東西變動過程中西南地區(qū)次季節(jié)降水異常超前和滯后的合成，可以看到前夏和后夏副高西伸和東退過程中西南地區(qū)降水的演變過程。首先來看副高偏西和偏東事件期間次季節(jié)降水的異常分布，可以看到初夏副高偏西時，重慶、貴州、四川中部和南部、云南西部邊緣地區(qū)的降水偏多，而云南大部，尤其是中部、北部和東部，以及四川中東部降水顯著偏少（圖10a5）；副高偏東時，四川大部、貴州、重慶降水主要以偏少為主，而云南除了西部邊緣地區(qū)和東部部分地區(qū)降水偏少外，大部分地區(qū)降水主要以偏多為主（圖10b5）。后夏副高偏東和偏西事件期間西南地區(qū)的降水差異更加明顯，副高偏西時西南地區(qū)除云南西北部、貴州北部、四川東部降水偏少外，其余大部分地區(qū)降水偏多（圖10c5），而偏東時除云南中部、貴州北部、四川東北部的少部分地區(qū)降水偏多，其余大部分地區(qū)降水偏少（圖10d5）?？傮w來看，副高異常東西事件中，前夏西南地區(qū)降水變化的區(qū)域差異特征明顯，即副高偏西（東）時，貴州和重慶降水偏多（偏少），云南降水偏少（偏多）；后夏西南大部分地區(qū)降水變化的一致性較好，副高偏西時主要以偏多為主，偏東時以偏少為主。

圖8 同圖7，但為后夏Fig.8 Same as Fig.7, but in late summer

進一步分析副高異常東西事件超前和滯后時西南地區(qū)異常降水合成，可以清楚看到副高逐漸向西推進和向東撤退的過程中西南地區(qū)降水的演變特征。對于前夏副高偏西事件而言，超前第12 天西南大部分地區(qū)降水偏少，四川和貴州之間有范圍較小的降水偏多區(qū)（圖10a1）；超前第9 天四川至貴州的降水偏多區(qū)范圍擴展，而西南東部和云南西部的降水偏少強度逐漸減弱（圖10a2）；超前第6 天降水偏多的范圍進一步擴展覆蓋西南北部，中心區(qū)域逐漸東移（圖10a3）；超前第3 天強降水偏多中心東移至重慶和貴州，而云南大部地區(qū)主要以降水偏少為主，但強度較弱（圖10a4）；偏西事件期間，西南東部降水偏多和云南大部降水偏少的特征顯著（圖10a5）；滯后第3 天和第6 天，最明顯的特征是西南東部重慶、貴州的降水偏多和云南降水偏少的強度逐漸減弱，四川東部降水偏少的范圍逐漸向東擴展（圖10a6–a7）；滯后第9～12 天時，云南大部地區(qū)的降水逐漸轉(zhuǎn)為加強，而四川、重慶、貴州大部降水逐漸減弱（圖10a8–a9）。在前夏副高偏東事件的演變過程中，降水變化的演變也比較明顯，其變化過程和偏西事件的變化過程基本相反（圖10b1–b9）。從以上降水變化過程發(fā)現(xiàn)，前夏副高異常偏東和偏西事件演變過程中西南東部的貴州和重慶地區(qū)的降水變化最明顯，該區(qū)域的降水在副高由東→西→東（西→東→西）的演變過程中呈現(xiàn)出逐漸由少→多→少（多→少→多）的變化特征。副高東西變動過程中四川地區(qū)降水的區(qū)域差異較明顯，云南地區(qū)降水雖然在副高東西事件期間的一致性特征比較好，既偏西（東）事件期間降水偏少（多），但從副高東西變動的整個過程來看，其連續(xù)變化的特征并不是很好。例如在前夏偏西事件超前的過程中，云南降水在逐漸減少的過程中，超前第6 天時降水卻突然出現(xiàn)了偏多變化。偏東事件超前期間也出現(xiàn)了類似變化不連續(xù)的現(xiàn)象。這種變化可能在很大程度上表明了副高對云南降水影響的復(fù)雜性。

圖9 （a）前夏VORT-early 和（b）后夏VORT-late 指數(shù)回歸的副高異常偏西和偏東事件期間200 hPa 流函數(shù)（陰影，單位：106 m2 s?1）和波通量場（矢量，單位：m2 s?2）。綠色矢量箭頭標注表示波通量通過90%的置信水平檢驗Fig.9 Regression patterns of streamfunction (shaded areas, units: 106 m2 s?1) and wave activity fluxes (vectors, units: m2 s?2) at 200 hPa during WPSH westward and eastward events on (a) VORT-early and (b) VORT-later indexes. The green arrows represent the wave activity fluxes passing the t est at 90% confidence level

圖10 （續(xù)）Fig.10 (Continued)

從后夏副高偏西事件西南降水的演變過程來看，隨著副高逐漸由東→西→東的變化，相應(yīng)西南大部分地區(qū)的降水也逐漸呈現(xiàn)出由少→多→少的變化特征（圖10c1–c9）；而偏東時隨著副高逐漸由西→東→西的演變，西南大部分地區(qū)的降水又逐漸呈現(xiàn)出由多→少→多變化特征（圖10d1–d9）。

水汽輸送和氣流的上升下沉分別是影響降水變化的兩個最重要因子。圖11 分別為前夏VORTearly 副高東西指數(shù)超前滯后回歸的整層水汽通量和通量散度，以及700 hPa 垂直速度次季節(jié)異常分布?？梢钥吹礁备弋惓|退過程中長江中下游地區(qū)在偏東氣流的影響下，水汽含量逐漸減少，而云南—華南南部、中南半島北部、南?！坡少e海域的水汽含量逐漸增加（圖11a–c）；并在副高東退至最東位置時，該區(qū)域的水汽積聚達到最大，此時在西南地區(qū)，云南大部分地區(qū)水汽輻合明顯，而重慶和貴州大部的水汽輻散顯著（圖11d）；之后在副高逐漸西伸過程中長江中下游水汽含量逐漸增加，云南—華南南部、中南半島北部、南?！坡少e海域的水汽含量逐漸減少，并轉(zhuǎn)為水汽輻散（圖11e–f）。相應(yīng)在低層700 hPa 可以看到副高東退過程中，超前第6 天至第3 天西南東部—長江中下游地區(qū)的氣流下沉和云南、中南半島北部、南?！坡少e海域的氣流上升均逐漸加強（圖11g–i）；至副高最東位置時達到最強，并通過95%的置信水平檢驗（圖11j）；之后在滯后的第3～6 天，隨著副高的逐漸西伸，以上區(qū)域的氣流上升和下沉又逐漸減弱（圖11k–l）。綜合以上水汽和氣流垂直運動的異常變化，可以看到對于西南區(qū)域而言，在副高偏東事件中，超前時副高由西向東撤退過程中，云南區(qū)域氣流上升加上水汽輻合使得降水逐漸增加，而貴州和重慶氣流下沉和水汽輻散使得降水逐漸減少，而滯后期間副高逐漸由東向西推進的過程中，云南降水逐漸減少，而貴州和重慶的降水又逐漸增加。副高偏西事件時副高經(jīng)歷了逐漸由東向西伸展，再逐漸由西向東撤退的變化，該過程中上述區(qū)域水汽和氣流的垂直變化剛好相反，由此導致云南地區(qū)的降水經(jīng)歷了逐漸由多→少→多的變化，而貴州和重慶地區(qū)的降水則逐漸由少→多→少的變化過程（圖10a1?a9）。

圖12 分別為后夏VORT-late 副高東西指數(shù)超前滯后回歸的整層水汽通量和通量散度，以及700 hPa垂直速度次季節(jié)異常分布。西南地區(qū)位于中國西南部，位置偏西偏南，剛好位于副高西部邊緣地帶，對副高東西變動的影響比較敏感。由于副高的季節(jié)性北抬，后夏副高主體位置較前夏偏北且稍偏東，使得后夏副高東西變動影響時西南地區(qū)降水變化的一致性關(guān)系比較好。與前夏副高偏東事件相類似，后夏副高偏東事件經(jīng)歷了逐漸由西→東→西的變化過程。首先來看相應(yīng)的水汽變化，副高由西至東變化超前的第6 天至第3 天，在偏東水汽輸送的影響下，長江中下游地區(qū)的水汽含量偏少的區(qū)域逐漸向西南地區(qū)擴展，西南地區(qū)水汽含量逐漸減少，而廣西、廣東、菲律賓海域水汽含量逐漸增加（圖12a–c）；副高達到最東位置時，四川、貴州、重慶區(qū)域的水汽輻散強度最大，水汽含量減少顯著，云南區(qū)域水汽變化的區(qū)域差異較大，大致呈北部輻合南部輻散的差異變化（圖12d）；在滯后的第3～6 天，西南地區(qū)的水汽輻散強度逐漸減弱，重慶、云南、貴州大部地區(qū)也逐漸轉(zhuǎn)為水汽輻合，水汽含量逐漸增加（圖12e–f）。相應(yīng)低層700 hPa 氣流的垂直運動可以看到，在西南地區(qū)水汽逐漸減少的同時，氣流下沉的強度也逐漸加強（圖12g–j），導致西南大部分區(qū)域的降水逐漸減少；之后隨著副高逐漸由東向西推進，西南地區(qū)的水汽含量逐漸增加及氣流上升運動也逐漸加強（圖12k–l），使得西南大部分地區(qū)的降水逐漸增加。副高異常偏西事件中，副高的變化經(jīng)歷了由東→西→東變化的過程，與偏東事件剛好相反，在這一過程中由于水汽和氣流垂直變化的共同作用，導致西南大部分地區(qū)降水經(jīng)歷了少→多→少的變化過程（圖10c1–c9）。

根據(jù)圖11j 和圖12j 中前夏和后夏700 hPa 垂直氣流變化的區(qū)域差異，選取不同的關(guān)鍵區(qū)域，進一步分析這些區(qū)域垂直速度超前和滯后12 天的逐日演變，可以清楚看到副高東西變化過程中西南不同區(qū)域700 hPa 垂直氣流的演變特征（圖13）。前夏，隨著副高逐漸西伸，云南區(qū)域的氣流逐漸由上升轉(zhuǎn)為下沉，當副高達到最西端位置時，云南區(qū)域的下沉氣流達到最強，之后隨著副高逐漸東退，下沉氣流逐漸減弱，并在滯后第5 天時轉(zhuǎn)為上升氣流；副高偏東時云南區(qū)域垂直速度的變化則剛好相反（圖13a）。對于四川、貴州、重慶的大部分地區(qū)而言，垂直速度的變化與云南區(qū)域剛好相反，隨副高逐漸西伸，上升氣流逐漸加強，副高達到最西端位置時，上升氣流最強，之后隨著副高的逐漸東退上升氣流逐漸減弱，滯后第10 天時轉(zhuǎn)為下沉氣流。副高偏東事件中，垂直速度的變化則剛好相反（圖13b）。

圖11 根據(jù)前夏副高東西指數(shù)VORT-early 超前滯后回歸的（a–f）水汽通量（矢量，單位：kg m?1 s?1）和水汽通量散度（陰影，單位：10?5 kg m?2 s?1），以及（g–l）700 hPa 垂直速度（陰影，單位：Pa s?1）次季節(jié)尺度異常。綠色箭頭為通過95%置信水平檢驗的水汽通量，黑色圓點標注的區(qū)域為水汽通量散度和垂直速度通過95%置信水平檢驗，（j）中綠色矩形框標注為選取垂直速度顯著的關(guān)鍵區(qū)域，右列圖中的黑色實線為零值線，所有圖中的紅色實線為西南各省省界Fig.11 Leading and lagging regressions of (a–e) subseasonal-scale water vapor flux (vectors, units: kg m?2 s?1) and divergence of water vapor flux(shaded, units: 10?5 kg m?2 s?1), and (g–j) 700-hPa vertical velocity (units: Pa s?1) on the WPSH index VORT in early summer. The green arrows represent the moisture flux that exceed the 95% significance test. The black dots represent the divergence of moisture flux and vertical velocity passing the test at 95% confidence level. Black solid lines denote 0 value line in right column maps and red solid lines denote the provincial boundary of Southwest China

后夏，云南區(qū)域垂直速度的變化與前夏剛好相反，偏西事件過程中，云南區(qū)域上升氣流經(jīng)歷了逐漸加強→強→減弱，然后再轉(zhuǎn)為氣流下沉的過程；偏東事件過程中，垂直氣流的變化剛好相反，逐漸由上升氣流轉(zhuǎn)為下沉氣流并加強，然后下沉氣流逐漸減弱（圖13c）。貴州地區(qū)垂直氣流變化與云南剛好相反，偏西（東）事件過程中，氣流變化逐漸由上升（下沉）到下沉（上升），再逐漸轉(zhuǎn)為上升（下沉）（圖13d）。以上不同區(qū)域垂直氣流的上升或下沉隨著副高的東西變動呈現(xiàn)出明顯不同的特征。

圖12 同圖11，但為后夏Fig.12 Same as Fig.11, but in late summer

圖13 前夏和后夏700 hPa 不同區(qū)域（見圖11j 和圖12j 矩形框標注的關(guān)鍵區(qū)）垂直速度（單位：Pa s?1）超前和滯后12 天的逐日變化Fig.13 Daily variation of vertical velocity leading and lagging 12 d (units: Pa s?1) at 700 hPa over different regions (the key regions marked by rectangular boxes in Fig.11j and Fig.12j) in early and late summers

綜上所述，次季節(jié)尺度上副高的東西變化與夏季西南地區(qū)的降水密切聯(lián)系，但不同區(qū)域的降水與副高變化的關(guān)系有所不同。對于貴州、重慶和四川大部分地區(qū)而言，前夏和后夏副高影響下的降水變化比較一致，即副高偏西事件（東）時，降水主要以偏多（偏少）為主。而對于云南大部分地區(qū)而言，在前夏和后夏副高影響背景下的降水變化剛好相反：前夏，副高偏西（偏東）事件對應(yīng)云南大部分地區(qū)的降水偏少（偏多）；而與之相反，后夏副高偏西（偏東）事件對應(yīng)云南大部分地區(qū)的降水偏多（偏少）為主。降水的變化與副高東西變動過程中副高外圍氣流的水汽輸送和垂直氣流的變化有關(guān)。我們知道，孟加拉灣南支槽的活動與西南地區(qū)的水汽輸送密切聯(lián)系，圖7 和圖8 表明副高偏西（東）時環(huán)流的變化不利于（有利于）孟加拉灣南支低壓槽發(fā)展，本節(jié)的分析進一步表明了南支槽活動對云南大部-華南水汽活動的影響，即副高偏東（西）時，云南大部—華南水汽增加（減少）。另外，冷空氣的活動也是影響降水異常的一個方面，副高偏西（東）時貴州、重慶以及四川部分地區(qū)的降水增加（減少）可能也與副高西（東）變化時影響東亞的冷空氣加強（減弱）活動有關(guān)。

從以上分析也看到，在西南三省一市中，受副高東西變動的影響，重慶和貴州降水變化一致偏多或一致偏少的特征是比較明顯的，而四川和云南降水變化的區(qū)域差異較大。例如：在前夏，四川中部和東部地區(qū)的降水變化，以及云南西南和東南邊緣地區(qū)的降水變化均呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異；后夏，云南中北部和南部地區(qū)的降水變化，四川中部和東部地區(qū)的降水變化也同樣存在顯著區(qū)域差異。其原因之一可能與地理位置有關(guān)，云南和四川比重慶和貴州更偏西，受副高東西變動影響就更加敏感；其次，由于副高變化與周圍環(huán)流系統(tǒng)的不同配置，對于處于副高西部邊緣地帶的云南和四川，在副高東西變動時，受副高邊緣的其他系統(tǒng)，例如高原低渦、南支西風帶波動等系統(tǒng)的影響顯著。更細致的分析還有待于進一步的詳細工作。

6 結(jié)論和討論

本文根據(jù)副高的季節(jié)變化和影響差異，分別選取前夏（15°～27°N，110°～140°E）和后夏（20°～30°N，110°～145°E）兩個關(guān)鍵區(qū)域的平均相對渦度定義了副高的東西變動指數(shù)，該指數(shù)具有顯著的10～30 天次季節(jié)周期，能夠很好表征副高次季節(jié)尺度東西變動特征，指數(shù)為正表示副高偏東，為負表示副高偏西。從次季節(jié)尺度對前夏和后夏副高東西變動特征進行了深入的分析，并進一步討論了副高次季節(jié)尺度東西變動與西南地區(qū)降水異常的關(guān)系及其影響過程，得到以下幾點結(jié)論：

（1）根據(jù)前夏和后夏次季節(jié)副高東西變動指數(shù)的標準化值，前夏和后夏共選取偏西事件91 次（654 天）和偏東事件104 次（724 天）。對不同事件的合成分析表明，在副高異常偏西事件中，副高5880 gpm 特征線經(jīng)歷了逐漸由東向西，再逐漸由西向東的變化過程，在這一變動過程中，副高西脊點東西移動接近20 個經(jīng)距；與之相反，在副高偏東事件中，5880 gpm 特征線經(jīng)歷了逐漸由西向東，再逐漸由東向西的變動過程，西脊點東西移動同樣高達20 個經(jīng)距。

（2）不論在前夏還是后夏，當副高達到最西位置時，中國東南部至西北太平洋地區(qū)從高層至低層有一個次季節(jié)異常反氣旋環(huán)流，在該異常反氣旋環(huán)流主體區(qū)域氣流上升和反氣旋負渦度顯著，而其南北兩側(cè)為氣流下沉和正渦度，其中，北側(cè)的氣流下沉和正渦度活動比南側(cè)明顯。當副高達到最東位置時，以上區(qū)域的環(huán)流變化剛好相反。副高東西變化與中高緯度環(huán)流密切聯(lián)系，值得注意的是前夏和后夏200 hPa 中高緯度波列對副高東西變動的影響路徑是不同的，前夏主要以緯向波列傳播影響為主，而后夏緯向波列以緯向路徑東傳至鄂霍次克海附近之后，再以經(jīng)向波列向南傳播，影響副高的東西變動。

（3）夏季次季節(jié)尺度副高東西變動與中國西南地區(qū)的降水變化密切聯(lián)系，總體而言，副高偏西變化時，西南大部分地區(qū)的降水增加，偏東變化時大部分地區(qū)的降水減少。但不同區(qū)域的降水對副高東西變動的響應(yīng)有所不同。對于貴州、重慶、四川的大部地區(qū)而言，前夏和后夏副高影響背景下的降水變化比較一致，在副高偏西事件（東）時，副高逐漸由東→西→東（西→東→西）變化的過程中，降水相應(yīng)呈現(xiàn)出少→多→少（多→少→多）的變化。而對于云南大部分地區(qū)而言，降水與副高東西變動的關(guān)系在前夏和后夏剛好相反：前夏，副高偏西（東）事件副高由東→西→東（西→東→西）逐漸變化的過程中，云南大部分地區(qū)相應(yīng)由多→少→多（少→多→少）的變化；后夏，這種變化卻剛好相反。

（4）次季節(jié)尺度上西南地區(qū)降水對副高東西變動的響應(yīng)與副高東西變動時副高北側(cè)和主體區(qū)域的水汽和氣流的垂直運動有很大關(guān)系。副高在逐漸西移過程中，副高西北側(cè)水汽含量逐漸增加，而副高主體區(qū)域及其西部地區(qū)的水汽含量逐漸減弱，在副高北側(cè)氣流上升運動以及副高主體及其西部氣流下沉運動逐漸加強的影響下，西南大部分地區(qū)的降水逐漸加強；而在副高由西向東相反的變化過程中，由于水汽含量和氣流垂直運動不同變化的影響，西南大部分地區(qū)的降水逐漸減少。

副高是一個大尺度的環(huán)流系統(tǒng)，對我國大部分地區(qū)的天氣氣候有十分重要的制約作用，過去的大部分工作主要從月平均和季節(jié)平均的角度來研究副高變化的影響，發(fā)現(xiàn)副高異常與我國東部汛期雨帶的位置、夏季降水的季節(jié)進程，甚至降水的年際變化等均有十分重要的影響。但作為一個大尺度環(huán)流系統(tǒng)，副高變化的次季節(jié)特征也比較明顯，早期的研究發(fā)現(xiàn)副高變化顯著的準雙周振蕩特征（錢貞成和喻世華, 1991; 張韌和喻世華, 1992; Guan et al.,2018），本文正是針對副高次季節(jié)變化，研究了次季節(jié)尺度內(nèi)副高東西變動對西南地區(qū)降水的影響，發(fā)現(xiàn)了次季節(jié)尺度上西南地區(qū)降水與副高的東西變動有十分密切的聯(lián)系。但在分析中我們也注意到，副高變化影響時重慶和貴州降水的一致性特征比較好，而四川和云南降水變化的區(qū)域差異較大，并存在很大的季節(jié)差異，這不僅與副高的季節(jié)變化有關(guān)，有可能還與副高變化和周圍環(huán)流系統(tǒng)的不同配置有關(guān)。西南地區(qū)位于副高西部，受副高東西變動幅度大小的影響比較敏感，由于四川和云南地處西南地區(qū)更偏西的位置，受副高東西變動的影響就更加顯著。同時，由于副高西部存在的西風帶高原波動、孟加拉灣印緬槽等中小尺度環(huán)流系統(tǒng)的影響，西南地區(qū)的天氣就更為復(fù)雜。因此，在次季節(jié)尺度，副高與周圍環(huán)流系統(tǒng)不同配置對西南地區(qū)的影響是值得我們進一步研究的重要問題。

另外，很多研究指出副高與降水區(qū)之間的彼此相互作用和制約的關(guān)系，認為副高西伸首先促使大陸降水加強和向西發(fā)展，但隨著副高的西伸，切斷了西南氣流水汽輸送，大陸降水隨之減弱，副高也逐漸退出大陸，強調(diào)了降水區(qū)的熱力強迫與東亞季風環(huán)流對副高活動的制約影響（喻世華和王紹龍,1989; 錢貞成和喻世華, 1991）。從本文的分析我們也看到在副高次季節(jié)尺度上，副高東西變動呈現(xiàn)出顯著的周期特征，副高由東向西逐漸變動過程中，西南大部分地區(qū)的降水是逐漸增加的，尤其是西南偏東的貴州和重慶地區(qū)降水增加現(xiàn)象比較明顯，這與之前很多工作中所強調(diào)的副高西伸時大陸降水逐漸加強的結(jié)論是一致的，但在副高由西至東變化過程中，西南大部分地區(qū)的降水又逐漸減少。因此，有關(guān)西南地區(qū)的降水所釋放的潛熱加熱與副高東西變動的關(guān)系還有待于進一步的研究。