（气象学专业论文）副热带高压双脊线的结构特征及其对副高南北进退的影响.pdf

副热带高压双脊线的结构特征及其对副高南北进退的影响 摘要 本文以副热带高压结构和活动规律为线索 围绕副高双脊线这一新主题 利用n c e p n c a r 再分析资料 中国台站降水资料以及日本气象厅提供的t b b 资料 通过个例分析和统计分析 发现了若干新事实 揭示了与副高双脊线有 关的一系列特征和规律 主要结果如下 1 副高双脊线概念的提出 通过分析 本文发现虽然在大多时间在大部分地区副高呈现的是单脊线特 征 但是在一定的外部环境和周边环流条件下 在副热带地区同一经度上会同 时存在南北两条高压脊线 据此本文提出了副高双脊线的概念 借助于这一新 概念 本文对与此相关的副高特征和活动规律进行了系统的研究 2 副高脊线的 重建 根据9 8 年夏季梅雨间歇期副高双脊线个例 指出双脊线现象结束后 副高 脊线会出现显著偏南 且这种偏南不是突发性的 而是副高脊线在南侧 重建 的结果 即副高北侧脊线减弱消失 南侧脊线发展维持 因此 这种始终贯穿 于副高脊线 重建 过程中的双脊线现象为副高脊线的不连续南撤提供了重要 的前期征兆 对其它几个典型副高双脊线过程进行分析也得到了类似的结果 3 副高双脊线的地域性和季节性 对4 1 年副高双脊线现象进行统计 结果表明副高双脊线不是9 8 年独有的 特征 而是一种普遍现象 它的发生有显著的地域性和季节性 夏秋季 7 月一 9 月 是双脊线事件最频繁的阶段 主要分布于印度洋中东部到中太平洋一带 而冬春季双脊线事件较少 4 双脊线副高的结构特征 西太副高双脊线时期具有与单脊线时期明显不同的环流特征和温湿场结 构 其北侧脊线附近的特征与传统上单脊线副高的特征较一致 但南侧脊线附 近则更多的具有低纬度系统的特点 5 副高双脊线的类型及形成原因 根据副高双脊线表现形式的不同 本文把副高双脊线分为两类 一是由于 副高单体外围变形而出现的双脊线特征 二是西太地区同时出现了南北两个高 压单体 从而双脊线现象发生 在此基础上 分析了副高双脊线的形成原因 结果表明 不同类型的双脊线 其形成过程不同 第一类双脊线是赤道缓冲带 赤道反气旋 北上与副高打通合并的结果 而第二类双脊线却是由于中太平 洋反气旋加强西伸 与赤道缓冲带打通合并而形成的 6 副高双脊线对夏季中国东部雨型的影响 通过对中国台站降水资料的分析 发现副高双脊线的维持与中国东部雨型 有密切的关系 西太副高双脊线的出现改变了原有的水汽输送路径 从而我国 东部存在两条雨带 分别与副高北 南侧脊线相对应 因此 副高双脊线的维 持会对我国天气及雨带的分布产生了重要的影响 关键词 西太平洋副热带高压副高双脊线重建 二度梅 赤道反气旋 i i t h es t r u c t u r eo ft h ed o u b l er i d g e sa n di t si m p a c to nt h e m e r i d i o n a lm o v e m e n to ft h e s u b t r o p i c a lh i g h a b s t r a c t t h en c e p n c a r r e a n a l y s i sd a t a c h i n a7 4 0 s t a t i o n sp r e c i p i t a t i o nd a t a a n dt h e t b bd a t af r o mm e t e o r o l o g i c a li n s t i t u t er e s e a r c ho f j a p a n a r ee m p l o y e dt os t u d yt h e s t r u c t u r ea n dv a r i a t i o nl a wo fs u b t r o p i c a lh i g h s h i nt h ep e r i o do fd o u b l er i d g e s b yc o m b i n i n gt o g e t h e rc a s ed i a g n o s i sa n ds t a t i s t i ca n a l y s i s s o m en e wf i n d i n g so f t h es hd o u b l e r i d g e sa l eo b t a i n e d t h e m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 a d v a n e eo fc o n c e p t i o no f t h ed o u b l es h r i d g e s a n a l y s i s f i n d st h a tu n d e r s p e c i f i c e x t e r n a le n v i r o n m e n ta n d s u r r o u n d i n g c i r c u l a t i o n s an o r t h e r na n das o u t h e r nl i n ea r ea v a l l a b l ea tt h es a m el o n g i t u d ei n s u b t r o p i c a l a r e ao na s y n c h r o n o u sb a s i s t h o u e t a t h e s u b t r o p i c a lh i g h h a s c h a r a c t e r i s t i co fs i n g l er i d g ei nm o s ta r e a sa tm o s to ft i m e a c c o r d i n gt ot h i s p h e n o m e n o n an e wc o n c e p t i o no f t h ed o u b l es hr i d g e s i sp r o p o s e d i nv i r t u eo f t h i sc o n c e p t i o n t h es t r u c t u r ea n dv a r i a t i o nl a wo fs hi nt h ep e r i o do fd o u b l er i d g e s a r es y s t e m i c a l l yi n v e s t i g a t e di nt h i ss t u d y 2 r e b u i l d i n g o f t h ed o u b l es h r i d g e s b a s e do nt h ec a s eo fd o u b l er i d g e sd u r i n gt h eb r e a k i n gi n t e rs a lo fp l u m s e a s o n r a i n f a l li nt h es u m m e ro f19 9 8 i ti si n d i c a t e dt h a tt h es hr i d g ew o u l dr e m a r k a b l y 1 0 e a t em u c hm o r es o u t h w a r dt h a ni t sh e r i n a lp o s i t i o na f t e rt h ep h e n o m e n o no f d o u b l es hr i d g ei so v e r f u r t h e r m o r e t h i ss o u t h w a r dm i g r a t i o no fs hr i d g ei sn o t s u d d e nb u tr e s u l t sf r o mt h es o u t h w a r dr e b u i l d i n go f 也ed o u b l es hr i d g e s t h a ti s t h e n o r t h e r n o r i g i n a l r i d g eg e t se n f e e b l e da n dd i s a p p e a r e d i nc o n t r a s t t h es o u t h e m c o u n t e r p a r t b e c o m e si n t e n s i f i e d e n o u g h a n d s t e a d i l yp e r s i s t s t h e r e f o r e t h e p h e n o m e n o no fd o u b l e s hr i d g ew h i c hc o n s e c u t i v e l y i m p e n e t r a t e sd u r i n g i t s r e b u i l d i n gp r o v i d e st h ei m p o r t a n to m e n f o rt h ed i s c o n t i n u o u ss o u t h w a r dw i t h d r a w a l o ft h es h r i d g e i na d d i t i o n t h es i m i l a rr e s u l t sa r ea l s oo b t a i n e df r o mo t h e rs e v e r a l t y p i c a lc a s e so f t h ed o u b l es hr i d g e s 3 g e o g r a p h i c a l a n ds e a s o n a ld i s t r i b u t i o n so ft h ed o u b l es h r i d g e s a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c s o f 4 1 y e a rd a t a i ti s f o u n dt h a tt h ea p p e a r a n c eo f s u c hd o u b l er i d g e si sn o tp e c u l i a rt o19 9 8o n l yb u tu n i v e r s a l a n di th a s c h a r a c t e r i s t i c o ft h en o t a b l yg e o g r a p h i c a la n ds e a s o n a ld i s t r i b u t i o n s t h e e v e n t so fd o u b l es h i i l r i d g e so c c u rm o s tf r e q u e n t l yi nt h es u l n i n e ra n da u t u m na n dm o s t l ye x i s tf r o mt h e m i d e a s to fi n d i a no c e a nt ot h em i d d l eo ft h ep a c i f i c i nc o m p a r i s o n t h e ys e l d o m h a p p e n i nt h es p r i n ga n dt h ew i n t e r 4 s t r u c t u r e so ft h es h d u r i n gd o u b l er i d g e s t h es t r u c t u r e so ft h es h d u r i n gd o u b l er i d g e sa r ei n v e s t i g a t e d i ti ss h o w nt h a t t h ec i r c u l a t i o nf e a t u r e sa n dt e m p e r a t u r e h u m i d i t ys t r u c t u r e sd i f f e rg r e a t l yb e t w e e n t h ei n t e r v a l so f s i n g l er i d g ea n dd o u b l er i d g e s an o r t h e r na n das o u t h e i t l a v a i l a b l e w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c sa r o u n dt h en o r t h e r nr i d g em o r es i m i l a rt ot h o s eo ft h e c o n v e n t i o n a ls i n g l er i d g eb u tt h es o u t h e r nc o m p o n e n t d i s p l a y i n gt h ef e a t u r e st y p i c a l o f1 0 w l a t i t u d es y s t e m s 5 s t y l e sa n dp o s s i b l yf o r m a t i v em e c h a n i s m o f t h ed o u b l es h r i d g e s b y v i r t u eo f t h ed i f f e r e n ta p p e a r a n c eo f d o u b l es h r i d g e s t h ed o u b l es hr i d g e s a r ed i v i d e di n t ot w os t y l e s o n er e s u l t i n gf r o mt 1 1 et r a n s f i g u r a t i o no fs i n g l es h p e r i p h e r y a n dt h eo t h e rf r o mt h es y n c h r o n o u se m e r g e n c eo fas o u t h e r n a n da n o r t h e r ns hm o n o m e ro v e rt h ew e s t e r np a c i f i c b a s e do nt h i sc o n c l u s i o n t h e p o s s i b l yf o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ed o u b l es hr i d g e s i sd i s c u s s e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ef o r m a t i o np r o c e s so fd o u b l es hr i d g ei sd i s c r e p a n tf o rt h ed i f f e r e n t s t y l e t h ef i r s ts t y l eo c c u r sa sar e s u l to ft h en o r t h w a r dm o v e m e n t t h et h r o u g h g e t a n dc o n s o l i d a t i o no ft h ee q u a t o r i a lb u f f e rb a n dw i t ht h ew p s h a n dt h es e c o n do n e i sd u et ot h es t r e n g t h w e s t e r ne x t e n s i o n a n dt h e nt h r o u g h g e ta n dc o n s o l i d a t i o no f t h em i d p a c i f i cw i 也t h ee q u a t o r i a lb u f f e rb a n d 6 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed o u b l es hr i d g e sa n dt h er a i n b a n d si nt h ee a s t c h i n ai ns u m m e r as t a t i o nd a t a b a s e d i n v e s t i g a t i o n i s u n d e r t a k e n d i s c o v e r i n g t h ec l o s e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ed o u b l e r i d g em a i n t e n a n c eu p o nt h er a l n f a l l p a t t e r n o f e a s t e r nc h i n a a l s oi n d i c a t i n gt h a tt h es i n g l e r e l a t e dv a p o r p a s s a g e i sc h a n g e d d u r i n g t h ed o u b l er i d g e s c a u s i n gt w or a i n b e l t si ne a s t e r nc h i n a w h i c he a c hc o r r e s p o n dt o o n eo ft h e r i d g e s t h e r e f o r e t h ep e r s i s t e n c e o fd o u b l es hr i d g e sc o u l dp l a y i m p o r t a n tr o l ei nt h ew e a t h e ra n d t h ed i s t r i b u t i o no f r a i n b e l t si nc h i n a k e yw o r d s w e s tp a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g h d o u b l es hr i d g e s r e b u i l d i n g s e c o n dm e i y up e r i o d e q u a t o r i a la n t i c y c l o n e i v 第一章序言 1 1 研究副热带高压的目的和意义 作为中低纬最重要的大气环流系统之一 副热带高压 以下简称副高 支 目e 着副热带天气系统的运动和水汽的传输 强烈影响着热带 副热带及其邻近 地区的天气和气候变化 因此 副热带高压一直是气象学研究的主题 西太平洋副热带高压 简称西太副高 是东亚季风环流系统中最重要的成员 之一 陶诗言和陈隆勋 1 9 5 7 其高压脊的南北移动和东西进退影响着其西南 侧的东南气流及转向的西南气流的位置和强弱 对东亚夏半年的降水和早涝有 重要影响 特别与我国的天气气候有最为直接和密切的关系 因此 弄清副高 特别是西太副高的结构 演变及活动的规律和机理 既是进一步认识大气环流 及全球气候变化的关键 又具有重大的科学意义和社会需求 1 2 副热带高压研究的历史和现状 副热带高压结构和活动规律的研究具有非常悠久的历史 从最初叶笃正 陶诗言 黄士松等极富开创性的研究至今 我们对这一问题的认识已深刻得多 完善得多 下面我们将从两个方面对这一领域的丰硕成果进行简单的回顾 1 2 1 副热带高压的结构 早在2 0 世纪六 七十年代 我国气象学家就对副高的结构进行了一系列的 研究 陶诗言 徐淑英 1 9 6 2 陶诗言等 1 9 6 2 陶诗言等 1 9 6 3 黄士松 汤明敏等 1 9 6 2 黄士松 余志豪 1 9 6 2 瞿章 潘菊芳 1 9 6 3 指出太平洋 副高长年存在 是一个稳定而少动的暖性系统 其冬夏强度和范围差异很大 夏季 太平洋副高特别强大 几乎占北半球面积的五分之一至四分之一 冬季 其强度减弱 范围也小得多 黄士松和余志豪 1 9 6 2 从副高的脊线位置 温 湿场分布 风场 涡度场 散度场 垂直运动及经圈环流等诸多方面对副高作 了系统的研究 结果表明 副高的结构远非一般高压那样简单 而是非常复杂 不但各个单体之间有不同 一个高压单体内部亦不同 瞿章等 1 9 6 3 则研究 了副高北跳时的三维结构 发现副高的北进时间是高层早于低层 导致副高脊 轴在副高北进时发生变化 现在 这些工作大部分都已经写进了教科书 朱乾 根等 1 9 9 2 喻世华 陆胜元 1 9 8 6 梁必骐 1 9 9 5 成为人们认识副高的主 要教材 随着观测资料的数量和质量的不断提高 人们对副高的认识也大大丰富和 深入了 并且有了新的发现 研究表明 副高带常常断裂成一些闭合的高压中 心单体 除了受海陆 地形以及地表感热和潜热等外部因子影响外 高由禧 1 9 7 7 黄士松 1 9 7 9 喻世华 陆胜元 1 9 8 6 何金海等 2 0 0 2 这种断裂可 能是地球旋转大气固有的性质 李建平 丑纪范 1 9 9 8 关于副高的环流结构 何金海等 2 0 0 1 研究发现 其准定常部分和瞬变部分有显著不同 当副高北 侧东亚副热带季风雨带上有暴雨发生时 其凝结潜热激发的经圈环流对相应经 度上的副高脊线附近的下沉气流有显著贡献 喻世华等的研究 喻世华 张立 建 1 9 8 5 喻世华 潘春生 1 9 8 9 则表明 副高在进退过程中环流结构也存 在明显的差异 最近 刘平等 2 0 0 0 利用经向偏差的方法分析出纬向平均的 副高带相对于赤道对称 脊轴全年随高度向赤道倾斜 宋振鑫等 2 0 0 1 的研 究表明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 尤其是西太副高表现出在全球副热带高压系统中的独特性 近年来 吴国雄 刘屹岷等 吴国雄 刘还珠 1 9 9 9 吴国雄等 1 9 9 9 刘屹岷等 1 9 9 9 a 1 9 9 9 b 通过建立 全型涡度方程 运用模拟和资料诊断研 究了各副高单体的形成机制及其季节和年际变化 得到了许多新的认识 他们 还在最新的研究中指出 夏季全球副热带的加热分布呈现为 长波辐射冷却 l o 一感热加热 s e 凝结加热 c o 一和双主加热 d 的四叶型拼 图 而夏季全球副热带的大气环流呈现为l o s e c o d 四叶环流型的拼图 w ua n d l i u 2 0 0 3 这些工作极大地丰富了副高动力学的内容 但是 目前观测资料和研究手 段已有很大进步 关于副高结构方面仍需要进行大量 细致的工作 刘屹岷 1 9 9 8 1 2 2 副热带高压的活动规律 副热带高压活动最为显著的特征是季节性的南北进退 一般认为 西太副 高脊线从冬到夏 由南向北移 强度增大 从夏至冬 由北向南移 强度减弱 但是这种季节性移动不是等速移变过程 而是具有缓变式移动与跳跃式移动过 程及摆动特征的 由冬到夏 多数年份里副高存在两次北跳 与我国夏季雨带 的位置密切相关 黄士松 汤明敏等 1 9 6 2 陶诗言等 1 9 6 3 一2 一 由于各种内部外部因子的影响 西太副高脊线的南北位置也存在很大的年 际变化 概括起来大致有3 4 年 6 7 年 1 1 年左右 1 3 1 4 年 2 0 年 4 0 年及更长周期 黄士松 1 9 7 8 赵振国等 1 9 9 5 李江南等 2 0 0 3 另外 副 高还具有半月左右的准周期振荡 汤明敏等 1 9 8 2 毕慕莹 1 9 8 9 喻世华等 1 9 9 2 3 0 5 0 天的低频振荡 谢安 1 9 9 4 与此同时 人们对影响副高活动的因子也展开了较为系统的探讨 研究表 明 副高活动与西风带环流 陶诗言等 1 9 6 3 黄士松等 1 9 6 2 符淙斌等 1 9 8 0 陶诗言等 2 0 0 1 东西风带强度 黄士松 1 9 6 3 1 9 7 8 垂直环流 叶 笃正等 1 9 7 9 喻世华等 1 9 8 5 大陆高压 陶诗言等 1 9 6 4 董步文 丑纪 范 1 9 8 8 丁一汇等 1 9 8 7 王世玉 钱永甫 2 0 0 3 赤道低压 符淙斌 1 9 7 9 1 9 8 0 赤道反气旋 f u j i t a 等 1 9 6 9 s a d l e r 等 1 9 6 8 和热带气旋 朱乾根 等 1 9 9 2 罗哲贤 2 0 0 1 a 2 0 0 1 b 等天气系统有密切关系 此外 副高的活动还受到各种外界强迫的影响 一般认为 太阳辐射季节 变化导致的经向加热差是控制副高季节性南北进退的基本因子 柳崇健等 1 9 8 3 谬锦海等 1 9 8 5 蒋全荣 王邦宁 1 9 8 9 海温作为重要影响因子 它 与副高活动有密切联系 黄荣辉等 1 9 8 8 1 9 9 2 1 9 9 4 应明等 1 9 9 8 孙淑 清等 2 0 0 2 研究还表明 方之芳 1 9 8 6 1 9 9 0 武炳义 1 9 9 7 极冰对副 高的活动也有重要的影响 彭公柄等 1 9 8 2 和钱维宏 1 9 9 1 则分别从资料 和理论分析的角度上说明地球自转速度对副脊线南北进退的作用 上述研究主要是建立在用5 0 0 h p a 副高脊线刻画副高的基础上的 最近 丑 纪范及其合作者 宋振鑫 张培群 丑纪范等 2 0 0 2 张培群 1 9 9 7 利用东 西风交界面来表征副高脊面位置 运用动力模型结合资料分析研究了副高脊面 的气候变异特征 毛江玉等 2 0 0 2 也通过对副高脊面的研究揭示出副高带断 裂与季节转换和季风爆发存在密切的关系 这些工作为副高的研究提供了一种 新的思路 总之 关于副高结构和活动规律的研究已经取得了丰硕的成果 然而随着 研究的深入 也提出了一些非常值得进一步深入研究的问题 较为突出的是副 高的短时变动与西风带系统和热带波动相互作用的规律问题 它更多地涉及大 气内部流场的相互作用 对中 短期天气预报有直接的影响 特别是对我国的 天气预测尤为重要 吴国雄 丑纪范 刘屹岷等 2 0 0 3 因此 有必要对副高 的结构和活动规律开展持续 深入的研究 l 3 问题的提出 纵观前人的研究成果 可以发现 人们对副高的研究大多只着眼在副高单 脊线特征上 而且偏重于研究副高的季节变化和年际变化 事实上 在外部环 境和周边环流的特定条件下 在副热带地区同 经度上有时会出现一种双高压 脊线的现象 我们称之为副高双脊线现象 并且有的双脊线过程还会持续数天 例如 从1 9 9 8 年7 月逐日天气图上 我们可以看到这样一个有趣的现象 在 一 度梅 结束 二度梅 形成之前的梅雨间歇期 西太副高为单脊线结构 且逐 渐加强北抬 之后由于南侧赤道缓冲带的北上并与副高打通合并 副高南侧又 出现一个新的高压脊线 即西太副高出现双脊线特征 继而北侧脊线减弱消失 南侧脊线发展维持 副高脊线在南侧 重建 完成 长江流域出现 二度梅 图 3 1 这样 这种始终贯穿于副高脊线 重建 过程中的双脊线现象就为副高脊 线的不连续南撤提供了重要的前期征兆 而其维持又必然会对副高自身的变异 及我国的天气或气候产生一定的影响 此外 经过对4 1 年资料的初步分析发现 这种副高双脊线现象并不是9 8 年独有的特征 而是几乎每年都有 有的年份甚至很常见 因此 副高双脊线 又是一个普遍存在的现象 那么 就有如下的科学问题 1 与副高单脊线相比 这种既具普遍性且又有一定持续时间的副高双脊 线的环流结构和演变特征怎样 有哪些独特的性质 2 副高双脊线的形成原因是什么 3 副高双脊线的的演变如何影响副高的中短期进退活动 4 副高双脊线的维持对夏季中国东部雨带有何影响 5 副高双脊线的气候统计特征又有哪些 等等 副高双脊线是 个前人尚未提及的新的现象 所以这些问题非常值得研 究 1 4 本文研究的内容 本文将从个例分析和统计分析两方面入手 探讨副高双脊线的结构 活动 规律及其若干气候特征 试图分析副高双脊线对副高中短期南北进退的作用 并期望通过讨论副高双脊线与我国东部雨型的配置关系 揭示出副高双脊线在 影响我国天气气候中的作用 d 本文共分六章 各章的内容简介如下 第一章为序言 综述了副热带高压结构和活动规律的研究现状 并介绍了 本研究的目的和意义 第二章是资料和方法 介绍本文使用的资料和相关的理论方法 第三章通过对1 9 9 8 年7 月副高双脊线个例进行分析 提出副高双脊线的概 念 揭示副高双脊线的结构特征和演变规律 并探讨副高双脊线对我国东部雨 型的影响 第四章研究副高双脊线的若干气候统计特征 着重分析西太副高双脊线事 件的持续时间 季节变化 年际变化及对副高南北进退的作用 第五章通过对几次典型副高双脊线过程的分析 提炼和归纳出副高双脊线 的一般规律和诊断事实 第六章对全文进行结论和讨论 并对将来要进一步研究的工作进行展望 1 5 本文的创新之处 本文提出了副高双脊线这一全新概念 并研究它的结构特征及其对副高南 北进退 特别是不连续进退 的影响 这是认识副高的一个新的切入点 将为 我国的天气预报和气候预测提供一定的理论基础 2 1 资料简介 第二章资料和方法 本文使用的资料主要是n c e p n c a r 再分析数据集和中国气象局提供的中 国台站降水资料以及日本气象厅提供的t b b 黑体辐射温度 资料 1 n c e p n c a r 再分析数据集包括 1 9 5 8 1 9 9 8 年逐日1 2 层标准等压面常规资料 水平分辨率为2 5 x 2 5 经 纬度 全球共1 4 4 x 7 3 个网格点 基本要素为位势高度场 三维风场 v c o 温度场 丁 相对湿度场 凡h 以上再分析资料由中国科学院大气物理研究所和地球流体力学数值模拟国 家重点实验室 l a s g 数据信息中心提供 2 中国气象局提供的台站降水资料为 1 9 5 8 1 9 9 8 年中国7 4 0 站逐日降水 3 日本气象厅提供的t b b 资料有 1 9 9 8 年6 月1 日一8 月3 1 日逐日t b b 分辨率为o 5 0 5 经纬度 2 2 理论和方法 2 2 1 副高脊线的定义 水平气压梯度力与水平科氏力保持基本平衡 即准地转平衡关系是中高纬 大尺度大气运动的一个基本性质 资料诊断分析表明 李建平 丑纪范 1 9 9 8 除了在5 0 s 5 n 的赤道带 大尺度大气运动在低纬度也以很高的精度满足经向 科氏力与经向气压梯度力基本平衡的地转关系 即半地转关系 根据这个关系 可以确定在东西风交界面处正好是气压极值所在的地方 在赤道带外 由纬向 风所满足的地转关系 f u 一塑 2 1 可知 在纬向风等于零的地方是位势高度在经向上取得极值的地方 性质由二阶导数决定 由 2 1 式可得 厂等 肛一窘 而极值的 2 2 n k 在东西风交界面 0 处 如果当 0 北侧为西风 南侧为东风 那 o y 么考 o 等 此8 寸在经向方向上正是庐取极大值 立 果万o u o 此时在经向方向上正是 取极小 值 n e e 在副热带地区满足娑 o 的东西风交界线的位置变化正反映了副高 脊线位置的移动特征 本文就利用副热带地区 o 且鲁 o 的线来讨论副高脊 线 而 o 且 婴 l 时 通过白噪声检验 当业攀监 j 1p z 时 则通 矽2 s 丢芝1 s 1 2 咿 s 陟 s 嘭 s 职垆蒜 们 t a n 群篙刳 第三章9 8 年西太副高双脊线及其对夏季长江流域 二度梅 的影响 3 1 引言 1 9 9 8 年夏季我国长江流域发生了历史上罕见的特大洪涝灾害 分析其气候 背景和大气环流特征不难发现 西太副高在这次过程中起了举足轻重的作用 7 月中下旬副高脊线突然南撤停滞形成的 二度梅 是造成这次大洪水的重要原 因之一 陶诗言等 2 0 0 1 廖移山等 2 0 0 2 关于9 8 年西太副高异常的特征 与原因 前人已经进行了大量的探索 取得许多重要的成果 这些研究成果总 体上可以分为两类 一是研究气候背景的异常对西太副高的作用 黄荣辉等 1 9 9 8 孙淑清 马淑杰 2 0 0 1 陈烈庭 2 0 0 1 如e n s o 事件 青藏高原积雪 等 二是对大尺度大气环流异常特征的研究 徐晨海等 2 0 0 0 何敏 2 0 0 1 何金海等 2 0 0 1 朱伟军等 2 0 0 1 温敏 2 0 0 2 任荣彩 2 0 0 2 廖移山等 2 0 0 2 祝从文等 2 0 0 3 如中高纬环流异常 热带对流异常等等 然而 从1 9 9 8 年7 月逐日天气图上我们可以看到这样一个有趣的现象 在 一度梅 结束 二度梅 形成之前的梅雨间歇期 西太副高为单脊线结构 且逐渐加强北抬 之后由于南侧赤道缓冲带的北上并与副高打通合并 副高南 侧又出现一个新的高压脊线 即西太副高出现双脊线特征 继而北侧脊线减弱 消失 北侧副高脊线就是传统上的副高单脊线 其消失认为与前人观点是一致 的 因此本文不作重点探讨 南侧脊线发展维持 长江流域开始 二度梅 经过进一步的资料分析发现 这种副高双脊线现象并不是9 8 年独有的特征 而是几乎每年都有 有的年份甚至很常见 因此 副高双脊线是一个普遍存在 的现象 那么 和单脊线情况相比 双脊线副高的环流结构和演变特征怎样 有哪些独特的性质 形成的原因是什么 对夏季中国东部雨带有何影响 能否 从双脊线形成和消失的角度来分析副高的中短期进退活动 等等 副高双脊线 是一个前人尚未提及的新的现象 所以这些问题非常值得研究 本文就从9 8 年 个例出发 对这些问题进行研究和探讨 以期对副高的短期变异和9 8 二度梅 的形成原因作出新的解释 关于这方面的研究我们将在下一章给出 一1 0 3 2 副高双脊线概念的提出 1 9 9 8 年夏季西太副高变化异常复杂和特殊 其主要特征之一就是7 月中旬 副高突然大幅度从长江流域南撤 为了再现这一过程 我们给出了1 1 0 1 3 0 0 e 经度内 这是夏季5 0 0 h p a 西太副高对我国最具影响的范围 1 9 9 8 年7 月5 0 0 h p a 副高脊线演变的时间一纬度剖面图 图3 1 由图可见 7 月1 日副高脊线位于 2 6 n 附近 后随时间逐渐北抬 7 月6 日到达3 0 n 附近 此时正值长江中下游 梅雨结束 7 月1 4 日 副高脊线 突然南撤 至2 2 n 其后一直稳定在2 0 0 n 附近 长江中下游开始 二度梅 显然这与前人的描述及结论是一致的 然而除了有上述结论外 图3 1 还向我们展示了另外一个极其有趣的现象 a 即在副高逐渐北抬到 突然南撤 这段时间内 出现了南北两条u 0 且兰 o 鲫 的线 这里我们称之为副高双脊线 事实上 7 月8 日除了在3 0 n 附近有一条 脊线 简称北侧脊线 外 在其南侧1 7 n 附近又出现了另一脊线 简称南侧脊 线 从而呈现两脊线并存的现象 即双脊线现象2 此后北侧脊线稳定维持 南侧脊线先南撤到1 5 n 后逐渐北抬 这种双脊线并存的现象维持了数日 至 7 月1 4 日 副高北侧脊线突然消失 而南侧脊线稳定维持 导致双脊线现象消 失 副高恢复单脊线状态 并稳定地维持在2 0 0 n 附近 因此 在后面的分析中 定义此次副高双脊线过程是在7 月8 1 3 目 通过以上分析我们发现 认为9 8 年7 月西太副高脊线 突然南撤 是有其 局限性的 实际上 这是一次副高脊线在南侧重建的过程 北侧脊线逐渐减弱 消失 同时南侧脊线逐渐发展强大 最终南侧脊线取代北侧脊线且稳定维持 副高持续偏南 长江流域出现 二度梅 也就是说1 9 9 8 年副高持续偏南并不 是突发性的 而是有其必然的前期征兆 这种征兆即是前期双脊线的建立和维 持 那么西太副高双脊线维持期的环流特征 温湿场结构及演变情况是怎样的 呢 它对副高偏南的作用如何 这次双脊线的形成原因又是什么 下面我们将 着重加以分析 3 31 9 9 8 年7 月西太副高双脊线的若干特征 2 1 从5 0 0 h p a 和8 5 0 h p a 逐日流场圈 图略 上分析 这次副高双脊线过程出现在7 月8 目 因此对于8 日之前出现的南侧脊线 赤道缓冲带脊线 作者作了处理 一1 1 如前所述 从1 9 9 8 年7 月5 0 0 h p a 逐日位势高度场和脊线位置的分布图 圈 略 上可以看出 西太副高双脊线出现于7 月8 日 结束在7 月1 3 日 为了清 楚地表征西太副高双脊线的基本特征 我们对这一时段作了 f 均 此外 7 月5 7 日是副高与赤道缓冲带相互作用的阶段 单脊线特征不典型 因此 为了便于 比较 这里给出了单脊线特征较为显著的7 月1 4 日 双脊线事件前期 和7 月1 4 1 9 日 双脊线事件后期 的各场量相应分布图 3 3 1 双脊线的环流特征 图3 2 是1 9 9 8 年7 月上述三个时段5 0 0 h p a 的平均流场分布 由图可见 双 脊线现象十分清晰 双脊线维持阶段 图3 2 b 西太平洋存在大型的闭合反气 旋性环流 南北延伸范围广 且外围有显著的变形 在1 5 n 3 0 n 上分别存在 两条高压脊线 其中偏北的一条穿越反气旋主体 并与中东太平洋副高脊线相 连 而偏南的一条没有相应的闭合中心与之对应 且只出现在1 2 7 0 e 以西 与 此相反 双脊线事件前期 图3 2 a 和后期 图3 2 c 流场上闭合反环流南北 范围较小 外围没有明显的变形 更为突出的特征是只有一条脊线存在 且后 期西太副高脊线整体都异常偏南 由此可见 这次西太副高非季节性异常偏南 与副高双脊线的形成和存在可能有一定的联系 下面我们从1 2 0 e 垂直经向剖面上来进一步认识西太副高双脊线的环流特 征 取这条剖面是基于下面的考虑 夏季西太副高脊面随高度向西向北倾斜 但无论哪个层次上 1 2 0 0 e 附近均是其相当活跃的地方 图3 3 为1 9 9 8 年7 月 三个时段平均的垂直流场经向剖面图 从图中看出 在副高双脊线事件前期 图 3 3 a 副高为单脊轴结构 9 2 5 h p a 以上脊轴随高度向北倾斜 但倾度较小 热 带是大范围的上升区 脊轴附近也为弱的上升运动 主要是来自热带地区的上 升气流 下沉区主要位于4 0 n 附近 此外2 8 n 附近地区高层 3 0 0 h p a 1 5 0 h p a 有一个小的闭合垂直环流出现 副高脊轴穿过这个闭合环流中心 在副高双脊 线阶段 图3 3 b 环流特征最显著的不同是存在两条副高脊轴 相对于前期的 脊轴来说 一条偏南 一条偏北 偏南的一条仅出现在4 0 0 h p a 以下 随高度往 北倾斜 高低层相距约1 2 个纬距 且处于上升运动区中 偏北的一条与前期脊 轴类似 在9 2 5 h p a 以下随高度向赤道倾斜 9 2 5 h p a 以上则随高度向北倾斜 此 外 先前位于2 8 0 n 附近地区的垂直闭合环流向北移动了约5 个纬度 中心略有 上移 强度大大加强 来自热带地区的向北向上的上升运动在2 5 0 n 附近到达一 定高度就转为下沉 这样北侧脊轴附近在2 0 0 h p a 以下层就为大范围的下沉区了 因此副高脊的动力性质与前期的发生了根本的变化 同时使得前期位于4 0 n 附 近的强的下沉区不复存在 而变成大范围的上升区 在副高双脊线事件后期 图 33 c 副高脊轴又变为一条 但显然向北倾斜的程度大大加强 且其附近高层 为上升运动 中低层为下沉运动 同时高空垂直闭合环流较双脊线时期向南移 动了约7 个纬度 中心下移到6 0 0 h p a 而低纬度的h a d e l y 环流的上升支大大向 南退缩 原来在1 0 2 0 n 内的强大上升区变为强大的下沉运动区 从垂直环流特征不难看出 副高双脊线系统是极其深厚的 不仅出现在 5 0 0 h p a 层上 而且显著地贯穿于整个对流层中低层 另外还需要指出的是双脊 线维持阶段 南 北两侧脊轴的环流性质完全不同 南侧脊线位于大范围的上 升区中 且向北倾斜度大 而北侧脊线则主要位于下沉区中 且倾斜度较小 这可能在一定程度上说明了南 北侧脊线维持机制的不同 3 3 2 双脊线的温湿场结构 1 9 9 8 年7 月西太副高双脊线事件前期 维持期和后期5 0 0 h p a 平均温度场如 图3 4 所示 副高双脊线事件前期 图3 4 a 在东亚一西太副热带地区温度场 在东西向呈现暖冷暖冷的波列分布 其中一巨大的暖中心位于青藏高原及其南 侧上空 中心强度 2 c 另一暖中心位于我国东南沿海以东的洋面上 强度 较弱 仅 一5 0 c 而两个冷中心则分别位于我国台湾地区和日本东南侧的西北 太平洋地区 其中前者较后者弱 但值得注意的是暖轴基本位于副高脊线以北 在双脊线阶段 图3 4 b 青藏高原上空的暖中心强度减弱且偏南 但暖舌强烈 向东扩张 与另一暖区衔接 从而前期的两个冷中心消失 东亚一西太副热带 地区为一广阔的暖区控制 此时北侧副高脊线与暖轴重合 在副高双脊线事件 后期 青藏高原的暖中心强度再次加强 面积持续扩大 4 c 线向东延伸可至 1 6 0 e 处 此时副高虽为大范围的暖区包围 但暖中心仍然位于副高脊线以北 黄士松等 1 9 6 2 研究认为 2 0 0 b p a 以下温度脊轴基本位于高压脊轴的向 极一侧 从以上分析我们知道 副高双脊线事件的前期和后期温压场的配置与 此结论是一致的 但是在双脊线阶段 副高北侧脊线与暖轴却重合 这是值得 关注的事实 由热成风关系知道 双脊线阶段副高北侧脊轴随高度倾斜度较小 图3 4 b 与这种配置是有关的 任荣彩 l 认为南亚高压在东伸过程中 由热 力性质转变为动力性质 强迫高压单体内动力下沉 绝热加热 从而高原上空 暖气团得以东伸和维持 那么这种完全吻合的配置关系是否就是南亚高压东伸 作用的结果呢 这些还有待于进一步研究 从相应相对湿度场的分布 图3 5 可见 一般来说 5 0 0 h p a 层大陆上的相 对湿度远大于海洋 并且等相对湿度线较密集 副高主体区与干区相对应 脊 线穿越干区中心 但前期1 2 2 5 e 以西副高区不干 那里对应上升运动 图略 在东亚地区 副高脊线以北约1 0 个纬距的地方是相刑湿度极大值轴线所在的位 置 这与雨带分布大致相对应 需要指出的是 在双脊线时期南北两条脊线之 间存在一个相对湿度极大值地区 而且南侧的脊线所穿越的区域相对来说还是