影响夏季西太副高年际变化率 的关键海区及影响机制外文翻译资料

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影响夏季西太副高年际变化率

的关键海区及影响机制

何超 周天军 吴波

摘要：西太副高（WNPSH）是影响东亚夏季气候的重要环流系统，热带海气相互作用影响着西太副高的年际变化率。为弄清楚哪些海区对西太副高年际变率的影响至关重要，本文对过去十年中的相关研究进展进行了回顾，总结出影响夏季西太副高的五个关键海洋区域，包括赤道中东太平洋、热带印度洋、副热带西北太平洋、海洋大陆附近海区和热带大西洋。阐述了这些区域中海表温度异常（SSTA）影响西太副高的机制，讨论了这五个地区海温异常的形成机制，回顾了当前气候模式的模拟和预测研究的现状。 最后，提出了需要进一步研究的关键科学问题。

关键词：西太副高，年际变率，海气相互作用

1 引言

夏季，北太平洋被一个洋盆尺度的高压系统所控制，即北太平洋副热带高压。北太平洋副高的中心位于北美的东太平洋西海岸，它的脊线延伸到了东亚的西北太平洋。北太平洋副高的西部通常被称为西太副高。西太副高是影响东亚气候的关键系统之一。 每年春末到夏季，东亚雨带的北移与西太副高脊线的北跳存在密切相关，即中国南部、长江-淮河流域和中国北部雨季的持续开始。

西太副高的特点是具有强烈的年际变化。实际上，西北太平洋是北半球副热带中年际变化最强的区域。一个更强（更弱）的西太副高通常对应着西北太平洋一个异常的反气旋（气旋）。当西太副高强于平常时，它的脊线相对偏南，异常的西太副高引起的异常水汽输送将使长江中下游降水过多。异常强大的西太副高还会引起长江以南区域的热浪和中国东北的冷害。当西太副高弱于平常时，它的脊线相对偏北，使得淮河流域降水过多。Lu和Fu已经讨论过西北太平洋和东亚气候异常之间的密切关系。

考虑到西太副高对东亚气候的重要影响，西太副高的年际变化机制一直很受重视。早期中国学者的研究展示了前冬ENSO和夏季ENSO发展与西太副高的影响。通过近十年观测记录和气候模型的不断发展，多个海洋区域被指出是影响西北太平洋年际变化及其机制的关键区域。本文的目的是回顾过去十年关于西太副高年际变化的研究进展，阐述了以前提出的各种机制，讨论了有待解决的科学问题。

2. 五个影响西太副高年际变化的关键海洋区域和相关机制

先前的研究已指出五个关键海区对西太副高的年际变化和相关机制有影响。为方便起见，后面将阐述西太副高异常强大的机制，与之相反的便是西太副高异常弱小的机制。除非特别声明，下文的海温异常均指夏季的海温异常。

2.1　 赤道中东太平洋

先前的研究强调夏季赤道东太平洋的正海温异常有利于西太副高偏强。在厄尔尼诺衰减年的夏季，赤道东太平洋仍然被正海温异常控制。赤道东太平洋的异常上升环流在副热带西北太平洋下沉，这被称为异常“准沃克环流”。赤道东太平洋的正海温异常通过异常准沃克环流而驱动异常强大的西太副高。此外，在厄尔尼诺事件期间，赤道西太平洋维持一个相对冷的海温异常。与抑制对流相关的负加热异常在其西北侧驱动着一个异常反气旋，这有利于形成一个异常强大的西太副高。

近期的研究揭示赤道中太平洋的负海温异常有利于形成一个异常强大的西太副高。赤道中太平洋的降水被当地的负海温异常所抑制；因此，在负加热源的西北和西南处产生了一对反气旋罗斯贝波。在赤道中太平洋西北侧的异常反气旋有利于形成一个异常强大的西太副高。夏季赤道中太平洋的负海温异常是来自拉尼娜的发展或持续的拉尼娜事件的贡献。大气环流模式的数值试验也证实了赤道中太平洋的负海温异常有利于形成一个异常强大的西太副高。

根据正海温异常的位置可以将厄尔尼诺划分为两种，即东太平洋厄尔尼诺和中太平洋厄尔尼诺。观测分析和数值模拟都表明两种ENSO事件对西太副高和东亚降水的影响是不同的。中太平洋厄尔尼诺事件对西太副高的影响比东太平洋厄尔尼诺事件的影响更强。在厄尔尼诺衰减年夏季，东太平洋厄尔尼诺事件对西太副高的影响比中太平洋厄尔尼诺事件的影响更强。中太平洋拉尼娜和东太平洋厄尔尼诺事件都有利于副热带西北太平洋出现异常反气旋；在中太平洋厄尔尼诺期间，中国南方将会产生大量降水，然而在东太平洋拉尼娜事件期间却没有太多降水异常。Zhou等总结了关于两类ENSO事件对东亚-西北太平洋气候的影响。

2.2　 热带印度洋（TIO）

热带印度洋海温的年际变率表现为两个独特的模态，第一模态是穿过整个热带印度洋盆，印度洋盆尺度一致变暖或变冷模态。第二模态是印度洋偶极子模态，表现为在东、西热带印度洋呈现相反的海温异常。洋盆模态是对ENSO事件的强迫响应，第二模态独立于ENSO但与ENSO存在相互作用。洋盆模态的峰值通过海-气相互作用出现在春季并且一直维持到夏季，而印度洋偶极子模态通常开始于夏季并在秋季达到峰值。洋盆模态调控着东亚-西北太平洋夏季气候的年际变化，而印度洋偶极子模态在冬季对东亚气候的影响强于夏季对其的影响。

热带印度洋海温异常对西太副高的影响是首先被中国学者发现的。数值模拟也已经证实热带印度洋海温异常对中国夏季降水异常的影响。近几年，越来越多的研究开始关注夏季热带印度洋海温异常对东亚气候的影响。直到现在，有两种物理机制来解释热带印度洋正海温异常是如何西太副高增强。以下是这两种物理机制：

（1）“两级热力适应”机制。这个机制强调了热带北印度洋的贡献。在第一级热力适应期间，与北印度洋正海温异常有关的表层感热触发低层气旋异常。低层气旋东侧的异常南风输送大量水汽到中国南方并且造成大量降水。正异常降水的潜热加热表现为对流层中层的加热率随高度增大，从而导致中层的南风异常，增强其东侧的西太副高。第一级的感热适应和第二级的潜热适应共同解释了热带印度洋海温异常对西太副高的影响。

（2）“开尔文波致埃克曼辐散”机制。暖性开尔文波是对热带印度洋的正海温异常的强迫响应，在热带印度洋和西太平洋表现为异常低气压。由于气压梯度和埃克曼抽吸的影响，在副热带西北太平洋产生辐散和反气旋。因此开尔文波致埃克曼辐散而使得西太副高增强。因为春、夏季热带印度洋的正海温异常是对前冬厄尔尼诺的响应，热带印度洋扮演了一个电容器的角色，延长了厄尔尼诺对西太副高的影响。在厄尔尼诺峰值期（在前冬），在厄尔尼诺的强迫下，热带印度洋海温异常会上升，这类似于充电过程。在厄尔尼诺衰减期之后，热带印度洋正海温异常通过开尔文波致埃克曼辐散影响着西太副高，这类似于放电过程。在厄尔尼诺衰减期，通过该区域的海气相互作用有利于维持从春季到夏季热带印度洋正海温异常。

相比于中太平洋厄尔尼诺衰减年夏季，东太平洋厄尔尼诺衰减年夏季的热带印度洋的正海温异常更强。20世纪70年代末期以后，热带印度洋的正海温异常持续时间更长直到厄尔尼诺衰减期的夏末，因此，热带印度洋的海温异常对西太副高的影响更强。在1870～2007年期间的多种观测数据显示，年际尺度上热带印度洋电容器效应的强度振荡是明显的，其强度在1910-1977年较弱，而1910年以前以及1977年以后较强。建立在耦合模式上对未来气候研究的结果显示，热带印度洋电容器效应的强度是对全球变暖的响应。这是因为尽管ENSO的振幅和周期无显著变化，大气独特的湿度伴随着全球变暖而上升，因此热带印度洋海温异常通过湿绝热调节而引起更强的大气开尔文波。

一些近期的研究强调在热带印度洋和太平洋之间纬向海温梯度的重要性。在更暖的热带印度洋和更冷的热带太平洋之间的异常纬向海温梯度驱使着在赤道西太平洋上的异常东风，并且通过在副热带西北太平洋上的埃克曼辐散导致异常强的西太副高。这个机制能被视为热带印度洋正海温异常与赤道中太平洋负海温异常的结合影响。有研究指出，厄尔尼诺事件衰减的更快时西太副高会更强，这能够通过纬向海温梯度异常的影响来解释。厄尔尼诺衰减得越快，则纬向海温梯度越大并且在夏季热带印度洋正海温异常与赤道中太平洋负海温异常的异常东风越强。在耦合模式研究中表明，热带印度洋和太平洋都变暖，然而低层西太副高的变化跟随着印度洋与太平洋之间的纬向海温梯度的变化。

2.3 　副热带西北太平洋（WNP）

副热带西北太平洋的负海温异常有利于西太副高偏强。副热带西北太平洋的负海温异常通常是赤道中东太平洋的正海温异常通过大气桥梁在厄尔尼诺成熟期冬季的强迫响应。为了响应西北太平洋负海温异常，与抑制西北太平洋对流有关的大气负异常加热驱动着反气旋罗斯贝波。因此，在负海温异常的西北侧形成一个异常反气旋，并且使西太副高增强。此外，一些研究强调了北印度洋和西北太平洋之间纬向海温梯度的重要性。北印度洋偏暖和西北太平洋偏冷之间纬向海温梯度有利于西太副高偏强。

异常西太副高不仅是西太平洋海温异常的强迫响应，而且与该区域的海温异常相互作用。在厄尔尼诺成熟期的冬季和随后的春季，异常西北太平洋东侧异常东北风与气候态东北信风叠加使总风速增强。所以，海面到大气的热通量增强，并且西北太平洋的负海温异常通过风-蒸发-海温反馈而维持。这一正反馈有利于异常西太副高增强和西北太平洋的负海温异常维持到夏季。

在厄尔尼诺衰减年夏季，副热带西北太平洋的负海温异常可以驱动反气旋式罗斯贝波使西太副高增强，这也被数值模拟所证实。在七月份西北太平洋夏季风爆发后，西北太平洋的平均态风转变成西南季风，由于不利的平均态风的影响，风-蒸发-海温反馈减弱。西北太平洋的负海温异常在厄尔尼诺衰减年夏季下降也是不足为奇的。然而异常西太副高可以维持整个夏季，甚至在夏末增强。下面呈现解释这种现象的两种可能的原因：

（1）西太副高在初夏（六月）依靠局地负海温异常而维持，但是在盛夏和夏末（七月到八月）依靠热带印度洋正海温异常而维持。尽管热带印度洋的正海温异常能维持整个夏季，在西北太平洋夏季风爆发后，热带印度洋的正海温异常有利于西太副高异常从盛夏和夏末的维持。这是由于依靠区域平均态降水的西太副高对热带印度洋的遥强迫响应。在西北太平洋夏季风爆发后，西北太平洋的平均态降水显著增加。在夏末平均态降水增多之后，热带印度洋的正海温异常才能通过开尔文波导致埃克曼辐散而抑制副热带西北太平洋降水，使西太副高增强。

（2）在西北太平洋夏季风爆发后，海气正反馈变得更强。由于西北太平洋夏季风爆发后降水平均态增强，局地海温异常导致更大的降水异常，同样更大的潜热异常会导致更强的大气环流异常。因此在西北太平洋夏季风爆发后，大气环流对区域海温异常变得更加敏感。尽管西北太平洋的负海温异常减弱了，但在夏末西太副高将对局地海温异常产生更强的响应。

2.4 海洋大陆附近区域

海洋大陆附近区域是指10°S-10°N，100°-150°E范围内的区域。海洋大陆附近区域是暖池的一部分，该区域的海表温度异常能有效的刺激异常局地对流释放异常潜热。作为回应，局地哈德雷环流在海洋大陆附近区域异常上升西北太平洋异常下沉，抑制了西北太平洋的降水并增强了西太副高。大气环流模式验证了海洋大陆附近区域海表温度异常对西太副高的远程强迫作用。海温异常温暖通常伴随着厄尔尼诺到拉尼娜的相变，这很可能是被中太平洋发展中的拉尼娜现象所强迫。

西太副高的年际变化特征是有两个主要周期，即2-3年振荡周期和3-5年振荡周期。2-3年的振荡周期的特征是一个相当正压的垂直结构，它受起源于海洋大陆附近区域的异常哈得来环流强迫。3-5年的振荡周期的特征是一个斜压的垂直结构，它是受西北太平洋或热带印度洋海温异常所强迫。西太副高的年际变化在二十世纪90年代以前是以3-5年为周期振荡，在90年代后以2-3年为周期振荡。引起这个 变化的主要原因海洋大陆附近区域的海温异常的强迫增强。

2.5 热带大西洋

近代许多研究显示，热带大西洋海温异常温暖有利于增强西太副高。作为暖性开尔文波对热带大西洋海温异常温暖的响应，热带印度洋到赤道西太平洋受异常东风控制。暖性开尔文波引起的埃克曼辐散增强了西太副高。此外，热带大西洋海温异常温暖刺激异常翻转环流抑制了赤道中太平洋的降水。罗斯贝波作为赤道中太平洋负潜热异常的回应，西北太平洋受一个异常反气旋控制使得西太副高增强。

1998年的研究案例揭示了，热带大西洋海温异常在模拟西太副高和中国南部降水时非常重要，热带大西洋海温异常的重要程度和全球其他海洋海温异常效应的总和相当。20世纪80年代初期之后，热带大西洋海温异常对西太副高的影响增强了，同时热带大西洋海温异常在此次年际变化后受厄尔尼诺-南方涛动的调整减少了。在更弱的大西洋径向翻转环流背景下，西太副高年际变化受热带大西洋海温异常调整增强。此外，热带大西洋海温异常强迫西太副高增强，增强的西太副高南侧的异常东风将引发中太平洋拉尼娜事件。

3. 气候模式模拟和预测西太副高

第五轮耦合模型对比项目收集了一大批气候模型数值模拟结果。大气模拟比对计划中，观察了海温强迫下的大气构件模型。在历史模拟中，海气耦合模式由外部强制规定了诸如温室气体、气溶胶等。历史模拟和大气模拟比对计划中均模拟了平均态西太副高，但是，AMIP试验的28个模式中有26个模式西太副高脊线比实际观测结果偏北。大部分模式偏差达3个纬度，偏差最大的达到7个纬度。对应模拟出的梅雨降水相对实际更弱，而华北降水相对实际更强。耦合模式历史模拟中西太副高脊线向北位移略有下降，但相对实际观测结果仍有2个纬度的偏差。因为海气耦合模式并不能消除西太副高脊线北移的问题，因此可以认为这个偏差源于大气环流模式本身。

在东亚-西太平洋地区可变的分辨率下，用一个好的分辨率可以提高对西太副高的模拟并且提高对东亚雨带的模拟。通过大气模式CAM3.5，发现模拟的东亚雨带位置和季节演变对对流参数化方案很敏感，但西太副高的大尺度环流场对参数化方案的选取并不敏感。模式中西太副高偏北可能来源于大尺度海陆热力对比，对流参数化方案对于改进区域模式的西太副高偏差有一定帮助。

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