全球副热带高压对赤道东太平洋海温异常的响应外文翻译资料

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全球副热带高压对赤道东太平洋海温异常的响应

Gong Daoyi and Wang Shaowu

(Received August 31, 1997; accepted March 30, 1998)

摘 要 利用基于全球500hPa位势高度(NCEP NCAR CDAS-1)和热带太平洋海温的再分析数据，研究了全球副热带高压的特征及其对热带东太平洋海温的响应。结果表明，全球副热带高压对海温的响应是一致的。副热带高压的强度变化与前3个月海温的相关性最大。海温与500hPa高度的关系在低纬度地区较为突出。500hPa高度与海温达到最大相关的时间，从10°-30°，比赤道晚2-9个月。大气环流的响应对温带的表现形式为波列，在海表温度较高的情况下响应更为显著。海温和副热带高压的持续变化存在明显季节性。9月及10月的副热带高压持续时间最少的原因可能与8月及9月的海表温度持续时间较低有关。

关键词 全球副热带高压，赤道东太平洋海温

1 引 言

20世纪60年代，Bjerknes(1966，1969)首次指出热带太平洋海温与大气环流之间存在着很强的关系。海温异常可以通过Walker环流影响热带大气环流，也可以通过Hadley环流影响温带大气环流。考虑到热带太平洋东部发生“暖”事件时，由于哈德利环流的上升和下沉分支会加强，副热带高压(SHs)和西风也会加强，同时，SHs的轴线会向低纬度移动(Angell, 1981)。Horel和Wallace(1981)认为赤道东太平洋海温的异常现象可能会通过波列的方式影响北半球温带行星尺度的大气。Karoly(1989)将这种关系扩展到南半球。20世纪80年代以来，许多研究表明，与ENSO有关的气候异常不仅仅是区域性现象，而是世界性现象(Glantz et al.,1991)。许多地区的气温、降水、气压与热带太平洋海温有关，但相关性信号最明显的地区是低纬度地区(Anderson et al .1996)。SHs作为热带最重要的环流系统之一，在热带太平洋海温异常与区域气候变化的关系中发挥着独特的作用。因此，近年来SHs与赤道东太平洋海温的变化响应受到越来越多的关注。Chen(1982)研究了北太平洋SH与赤道东太平洋海温相互作用的可能机制。Zang和Wang(1984)计算了海表温度的相关系数与北太平洋SH指数，如SH强度指数，SH面积指数、SH北边界、轴线等。Xiang和Bao(1992)研究了与海温异常相关的北半球大气环流变化的传播特点。

但由于南半球数据的缺乏，对南半球副热带高压与赤道太平洋海面温度之间关系的研究一直有限。本研究将探讨海表温度与南方副热带高压的关系，以及全球副热带高压的特点，以及它们与海表温度的关系。

2 数据与分析技术

热带太平洋海表温度的月平均值，包括Nintilde;o1 2 (0°~10°S)，90°~ 80°W)，Nintilde;o3(5°N~ 5°S,150°~ 90°W),Nintilde;o4(5°N~5°S,160°E ~ 150°W),Nintilde;o3.4(5°N~5°S，170° ~ 120°W),Nintilde;oC(0°~ 10°S，180°~ 90°W)。本研究采用全球500hPa位势高度数据(NCEP NCAR CDAS-1)进行再分析。取10°经度times;5°纬度的网格500hPa高度数据从1974年1月至1996年12月期间进行研究。许多研究人员指出，重新分析的数据对于气候变化研究是可靠的(例如Chelliah, 1994;Kalnay等，1996)。

定义一个代表SH强度(SHI)的指标:

式中、为在有限区域内的经纬度网格数，为i、j网格处的位势高度值(以十米为单位)，为位势高度阈值(也以十米为单位)，是当小于时为零，否则等于1。如果过高，大多SHIs往往变为0;如果过低，各SHI指数之间的差异太小，无法区分月与年之间的变化。根据500hPa高度的气候学模式计算，将设为584位势十米较方便。得出7个SHI指数::北大西洋SH强度指数，10°~50°N, 110°W~60°E;:北太平洋SH强度指数，10°~50°N, 70°E~ 120°W;:南大西洋SH强度指数，10°~50°S，80°W ~ 70°E;:南太平洋SH强度指数,10°~50°S,80°E ~ 90°W;:北半球SH强度指数，10°~50°N;:南半球SH强度指数， 10°~ 50°S;:全球SH强度指数，50°N~50°S。

这种SHI定义与中国国家气候中心西北太平洋副热带高强度指数()相似，但的位势高度阈值为588 位势十米，对应面积仅为110°E~180°。和的相关性为0.77 (N = 276)。南半球和北半球之间存在季节滞后，SHIs异常时间序列存在时间滞后现象是正常的。因此将这些SHI指数归一化以消除两个半球之间固有的季节延迟现象是合理的。归一化的SHI指标具有明显的代表性，如 与 异常时间序列的相关系数仅为0.79，而 与 经过归一化后相关系数达到0.90。在本文接下来的部分中，我们只使用归一化的SHI作为标准指标进行分析。

3 热带太平洋海表温度对全球副热带高压的影响

如图1所示，和的趋势、最大值、最小值和拐点非常相似，在几个ENSO事件中尤为明显，和的相关性为0.90,与和相关性分别为0.97和0.96。在相关系数中，每两个SHIs之间的当代相关系数均为最大值。从月平均数据来看，北半球和南半球SHI的波动接近成熟。

表1 各区域副热带高压强度指数之间同时相关系数

图1 副热带高压强度指数与海温变化a:,b:,c:,d: Nintilde;oC SST

本文讨论的五种海表温度常被用来研究与副热带高压之间可能的关系，并计算出相关系数(见表2)，可以发现南半球副热带高压与SST有很强的关系,南半球副热带高压与SST的相关系数甚至比北半球更高。可见，海温不仅影响Walker环流，而且影响太平洋上空的经向环流。Wang(1987)发现太平洋地区的地表风经向环流指数和Walker环流指数都与热带海表温度显著相关。Karoly(1989)也指出当有“暖”事件在太平洋热带地区,500 hpa高度在20°S~20°N之间将出现正异常, 该模式在两个半球的相应区域近似对称。

一般来说，与Nintilde;oC SST的相关性最显著，但有3个月的落后。由于与Nintilde;oC的相关系数在所有相关系数中是最大的，所以用和Nintilde;oC SST进行交叉谱分析。图2显示了相干谱和相位滞后。这明显证实了上述结果，即SHIs与热带太平洋SSTs在几个月的延迟中存在显著关系。从纬向平均看500hPa高度的波动具有从赤道向南北纬30°扩散的特点。图3为低纬沿纬圈500hPa距平与Nintilde;oC SST的交叉相关系数。从纬度10°S到30°S，相关系数有明显下降，10°S的最大系数为0.74,30°S的最大系数仅为0.28,10°N的最大系数为0.74,30°N的最大系数也仅为0.23。这可能表明，Nintilde;oC SST对500hpa高度的影响正从赤道南北两个副热带纬度减弱。纬向平均500 hPa高度与Nintilde;oC SST之间的最大相关系数，10°S出现在500hPa高度落后2个月，在15°S为3个月,在30°S则为9个月,在北半球,10°N落后2个月,20°N落后4个月, 25°N和30°N分别落后5个月和7个月。但最显著的传播地区主要集中在20°S~20°N之间。如图3b所示，赤道附近的两个相关峰随着时间的推移而向副热带扩展，但纬度不超过20°。

不过大部分SSTs与SHIs的相关性在3个月最大，但有迹象表明，中太平洋SST可能比东太平洋SST早1-2个月左右影响副热带高压。不同海洋对海温响应的时间差异可能与ENSO的种类有关。近20年来，第二类厄尔尼诺和拉尼娜现象更为常见，即海温异常首先出现在中太平洋，然后出现在东太平洋。

图2 和Nintilde;oC SST交叉谱分析；

左纵坐标及虚线为相干谱 右纵坐标为相位差 位相差正值表示SST超前

表2 副热带高压强度指救与海表温度的相关系数

为同时相关系数, 为最大相关系数，lag当相关系数最大且lag为正时，滞后月表示SST领先SHI

图3 全球纬向平均500hpa距平与NinoC SST之间的相关系数

a.左为北半球，右为南半球，横坐标为滞后月数，负号表示SST超前

b.横坐标为纬度，图中数字代表SST超前月数

为了研究赤道东太平洋海温对温带大气环流的可能影响，计算了Nintilde;oC SST与落后0 ~ 15个月全球500 hPa高度场的相关系数。有两个明显的特征，一是在热带地区回归区显著正相关区域即使在12个月后仍然突出，且显著正相关区域变化不大。第二，在环太平洋地区，有一个清晰的波列从热带向中高纬扩散。这些特点如图4所示。

计算落后0 ~ 15个月前太平洋地区(110°E~ 180°)纬向平均500 hPa高度与Nintilde;oC SST的相关系数，如图5a所示， 落后SST三个月的相关性达到最大，但相关系数的峰值在热带地区不超过南北纬20°S和20°N。一些证据表明，这一现象可能与太平洋海温异常的区域变化有关。图5b给出了Nintilde;oC SST与各纬度太平洋SST同时至落后Nintilde;oC SST 0 ~ 15个月内的相关系数，可见与图5特征相似，图5b的相关峰值没有超过南北纬20°，赤道东太平洋SST的影响可能是先发生在热带，然后对500hPa高度产生影响。

图4 Nintilde;oC SST 与(a) 同时及(b) 落后3个月500hPa高度距平的相关系数

图5 Nintilde;oC SST与太平洋纬圈平均500hPa高度(a)及太平洋SST(b)的相关系数

图中数字代表Nintilde;oC SST超前月数

图4所示的显著的波列为PNA型，出现在北太平洋和北美。在南半球也有一个类似于PNA的遥相关形势，一个负中心在南太平洋中部，一个正中心在别林斯高晋海，另一个负中心在南非到南极的海洋。Karoly(1989)根据1972-1983年500 hPa数据给出了一个示意图，但是他的分析只使用了3次暖事件。重新分析500 hPa高度异常，绘制复合图(图6)。图6c和d， 5个冬季分别为1976/1977年、1982/1983年、1986/1987年、1991/1992年、1994/1995年和5个夏季分别为1976年、1983年、1987年、1991年、1993年。与Karoly(1989)的结果相比，有一些差异。在六月，七月和八月，北太平洋的负中心比Karoly的负中心更偏北; 太平洋低纬地区南北半球也没有两个对称的正距平中心，在南美高纬度上没有负中心，只有一个正区域。在12月、1月和2月，在阿留申群岛的负中心的异常强度大于在加拿大西北部的正中心,但在Karoly的示意图中,后者强烈的异常强度比前者更强, 北半球的正中心也要强于南半球，南半球中高纬的波列仍然稳定清晰，但在Karoly的示意图中几乎所有的南半球高纬度是负值。对于5个寒冷的北方夏季和冬季，模式的异常强度与暖事件的异常强度基本相反，异常强度弱于暖事件。

图6 暖事件下500 hPa高度异常组合 a.b.为 Karoly(1989) c和d.阴影区为t检验达到95%信度显著区，等高线间距为10gpm (1gpm = 9.80665 msup2;/ssup2;)

很明显, 南北半球中高纬都存在对赤道东太平洋SST变化的波列响应，而且波列的形式相似，波列的季节差异北半球大于南半球，从12月到3月大于从6月到8月，暖事件强于冷事件。

4 副热带高压与东太平洋海温异常的季节变化的相关障碍

许多研究人员指出，观测事实和数值模拟结果都存在一个春季 “预报障碍”，即低纬大气环流指数和SST的持续性在3月~5月期间存在显著下降(例如Torrence和Webster 1994;1995)。但也有证据表明，北半球副热带高压在秋季(9 - 10月)存在“屏障”(Wang, 1987)。既然SST和副热带高压强度有很密切的关系，那么二者的持续性为什么不同呢？

Torrence和Webster (1995)指出SST的持续性随季节和海洋的变化而急剧变化。连续两个月SST与SOI的相关系数如图7b所示。显然，SST的持久性各不相同。首先，12个月的相关系数范围变化明显，Nintilde;o 1 2 SST范围为0.15，几乎是Nintilde;o 4 SST范围的4倍，而Nintilde;o 4 SST范围仅为0.04。其次，最小相关系数出现在不同月份。Nintilde;o 1 2 SST在1月到2月和2月到3月最低, Nintilde;o3 在3月至4月, Nintilde;o3，4 SST在5月到6月, Nintilde;o4在7月到8月，Nintilde;oC SST从6月到7月和8月到9月最低。很明显，只有Nintilde;oC SST和SOI具有典型的春季“障碍”。

副热带高压强度指数相邻月份间的相关系数如图7a所示。与SSTs和SOI不同，7种SHIs的持久性具有显著的共性。从1月到5月，副热带高压强度指数的持续时间非常高，最高的出现在5月到6月，从7月到8月，从9月到10月都相关下降。副热带高压的“障碍”主要是秋季“障碍”。在所有海表温度中，Nintilde;oC SST的持续相关变化与副热带高压最为相似，但副热带高压月际变化要比Nintilde;oC晚1个月左右。这说明副热带高压9 - 10月的相关“障碍”可能与Nintilde;oC SST8 - 9月的低相关系数有关。

图7 副热带高压强度指数(a)和SST(b)的持续相关系数

(横坐标为起始月份，表示当月与下一月份的相关系数，如：1代表1月与2月份间相关系数)

Ig和Nintilde;oC SST的自相关系数在落后1 - 24个月中显示，Ig随落后时间的增加，Ig的自相关系数并不是持续下降，而是在

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