马斯克林高压和澳大利亚高压对东亚夏季风的影响：集合模拟外文翻译资料

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大气科学进展，第20卷，第5号，2003年，第799–809

马斯克林高压和澳大利亚高压对东亚夏季风的影响：集合模拟

薛峰，姜大膀，郎咸梅，王会军

中国科学院大气物理研究所，北京100029

（2002年9月10日收到; 于2003年2月21日修订）

摘要 利用大气物理研究所研制的九级大气环流模式（IAP 9L AGCM），通过两组数值试验研究了马斯克林高压（马高）和澳大利亚高压（澳高）对东南亚热带地区夏季风环流和东亚夏季降水的影响，采用集合模拟以减少模式误差。结果表明，随着马高的增强，索马里低空急流、亚洲热带地区和西太平洋地区夏季风环流显著增强。此外，西太平洋热带地区——菲律宾东部反气旋异常可能会导致的东亚太平洋遥相关减弱，在此期间，热带地区的位势高度降低，中高纬度大部分地区增强，因此，500 hPa西北太平洋副热带高压在向西南延伸，导致中国华南的降水增多，北方降水减少。在澳高的大气环流系统强化实验中也发现了类似的大气环流异常模式。另一方面，由于跨赤道洋流对马高的影响比索马里急流弱得多，由澳高加剧造成异常幅度普遍较弱，澳高对中国夏季降水的的影响位于华南地区。比较两组实验表明，马高在南北半球的大气环流相互作用中起着至关重要的作用。

关键词 马斯克林高压 澳大利亚高压 东亚夏季风

一、引言

自从Findlater（1969）发现了非洲东部的索马里低空急流并揭示了其与印度夏季风的关系，南北半球大气环流相互作用的概念已被广泛接受。事实上，中国气象学家早在Findlater（1969）的研究之前，就发现了来自澳大利亚的越赤道气流对西太平洋热带地区和东亚地区天气系统的发展的重要性作用。此前，Li（1956）指出，台风起源于西太平洋热带地区，可由澳大利亚上空的冷空气活动触发。后来，Tao等（1962）发现东亚地区经向环流和纬向环流与纬向环流的交替变化与澳大利亚北方夏季密切相关：随着澳大利亚经向环流发展，跨赤道气流在对流层低层的加剧，然后在东亚低纬度环流盛行。随着天气卫星数据和其他来源的数据变得可用，澳大利亚高压（澳高）在东亚季风环流的建立和发展的作用进一步证明（Zhao和Wang，1979；Wang和Zhao, 1987; Tao和Chen, 1987；等）。另外澳高，马斯克林高压的重要性（马高，也叫印度洋副热带高压）是由Huang和Tang强调引起重视的（1987，1989），他们发现马高的发展通常早于澳高和东亚夏季风的机制的其他组成部分，使马高在两半球之间的相互作用起主导作用。最近，我们的研究表明马高和澳高的地区上空的冬季环流的建立发生早（四月中旬左右）比亚洲夏季季风环流（Xue等，2002）。在年际时间尺度上，我们的研究进一步发现，马高和澳高的强度与东亚夏季风降水密切相关（Xue等，2003）。基于这些研究，可以得出结论，在南半球的冬季环流中澳高和马高对东亚夏季风有着重要的影响。

除了观察研究，大气环流模式（AGCM）也被用来模拟南北半球之间的相互作用。作为一个连接南北半球主要的通道，在P-sigma;大气环流模式下索马里低空急流在全球发展（Qian 等，1987）。基于强化马高的数值实验，Yang和Huang（1989）表明，马高异常的加剧了东亚-太平洋遥相关，从而影响了东亚型夏季风的活动。He等。（1991）模拟发现由于在澳大利亚上空冷空气活的活动将导致东亚夏季风向北。尽管这些结果是有用的，但上述研究是基于较短的时间尺度，集中在月或季的时间尺度上。然而显而易见的是，在年际时间尺度问题上，更长的时间尺度对于研究这个问题至关重要。基于我们以前的观察研究（Xue et al。，2003），我们在大气物理研究所研发的九级大气环流模式（IAP 9L AGCM）下进行两组数值实验，试图进一步阐明马高和澳高对东亚季风的影响。

图1. 7-8月（hPa）海平面压力地理分布，（a）模拟，（b）基于NCEP / NCAR再分析数据的1958 - 1997年期间的气候平均值。

二、模型验证与实验设计

IAP 9L AGCM是一个全球网格模型，包括对流层和平流层，分辨率为4°times;5°，垂直方向上九个不等的sigma;水平。与其他模型相比，该模型具有一些独特的功能，例如在动力学框架中减去标准分层、数学公式的严密性和数值计算（BI，1993；Liang，1996）。该模型通常用来模拟当前气候的实际分布（Bi，1993）。

图2.与图1相同,除了850 - hpa风场 (m s minus;1 ).

在这项研究中采用集合模拟，因为这样做，在数值实验中的错误可以大大减少（Zeng等，1997）。该模型的边界条件为1979 - 1996年期间的平均海面温度和海冰覆盖度。该模式运行20年，并根据20年的集合结果被称为作为对照实验（（CTL-EXP）。

为了获得对模拟马高和澳高对东亚夏季风的影响的可信度，前提是验证模式模拟大气环流系与东亚夏季风相关。因此，海平面压力、850 hPa的水平风、500 hPa的位势高度、北方夏季东亚和西太平洋地区降水（6月--8月，JJA）被选中用于对照实验和观察比较。图1显示了利用NCEP / NCAR再分析数据1958 - 1997年20年的平均模拟和气候平均值的6-8月海平面气压（Kalnay等，1996）。该模型通常模拟南半球亚热带高压带，包括马高和澳高，约5 hPa低估;印度低压和北太平洋副热带高压是再生，但后者位于比它的观察更北的地方。

图3.与图1相同,6-8月500 hPa位势高度的大尺度特征

如图2所示，该模型模拟的反气旋环流在南亚热带及与马高和澳高相关的跨赤道气流，即索马里低空急流和在印尼群岛的跨赤道气流，模拟和观察是前者比后者强。在北半球，在模拟中发现南亚和东南亚的热带夏季风（如热带西风）被模型所捕获，东亚大陆的西南季风更强劲，北太平洋的反气旋运动较弱。

该模型模拟了6-8月中500 hPa位势高度的大尺度特征，包括北半球的主要脊和槽（图3）。然而，除了高纬度地区，这些值被系统地低估，因此高纬度和低纬度地区的位势高度梯度明显小于观测值。 幸运的是，西北太平洋副热带高度对东亚夏季风有显着的影响，虽然价值被60 gpm低估，脊线位于些赤道。

图4显示了6-8月在亚洲和西太平洋模拟的降水率，以及1979 - 1999年期间从Xie和Arkin（1997）进行比较的气候平均数据，该模型模拟了从孟加拉湾向西北延伸至菲律宾东部的西太平洋与热带辐合区（ITCZ）相关的最大降雨带。此外，孟加拉湾和缅甸湾的降雨中心以及赤道附近的降雨带也再生，东亚大陆的降雨量也以较高的准确度模拟。另一方面，该模型不能模拟一些小规模的降水中心，如那些在菲律宾、热带西太平洋和日本南部的降水中心。

图4.（a）亚洲和西太平洋地区6-8月降水率模拟，（b）1979 - 1999年期间的气候平均值，

Xie和Arkin（1997）的分析数据。

总之，IAP 9L AGCM模拟与东亚夏季风相关的主要环流系统，包括马高，澳高，印度低，西北太平洋副热带高压，以及赤道潮流和热带西风。 该模型还模拟了亚洲和西太平洋夏季降水的大规模分布。

图5.海平面压力异常分布在实验中马斯克林高压的异常鉴定

图6.6-8月马高异常增强实验和对照试验之间的850 hPa风的差异;阴影区域是高于95％显着性水平的。

因此，认为该模型适用于本研究。基于对照实验海平面气压分布（图1A），马高是集中在（30◦S，60◦E）。此外，我们以前的观测研究表明，马高中心的最大强度变化约10百帕（Xue等人，2003）。在马高异常增强实验中，将10 hPa的最大异常加添加到网格点（30°S，60°E）和相邻网格点 如图5所示。 由于南部亚热带冬季流通的形成发生在4月中旬（薛等，2002）在马高异常变化实验中，从20年的对照试验每年4月15日至8月31日，每天直接增加上述异常情况。对照试验和马高异常变化实验之间的比较表明，这种增加的异常在2小时内通常平衡并在24小时内消失，所以上述实验方案对于维持马高的异常是合理的。以类似于马高异常变化实验的方式，在澳高异常增强实验中，中心位于（30°S，140°E）（未显示）的澳大利亚地区也出现了相同的异常现象。

图7..6-8月马高异常增强实验和对照试验之间500 hPa位势高度的差异; 阴影区域是高于95％显着性水平的。

图8.于6-8月对照实验（实线）中的模拟等值线为5880gpm，马高异常增强实验（长虚线）和澳高异常增强实验短虚线）。

三、模拟结果分析

在本节中，我们分析了由于马高和澳高的增强而导致的东亚夏季风的变化。阴影区域是通过t检验超过95％显着性水平。由于马高的增强，印度洋及其邻近地区出现巨大的反气旋异常现象，而从印度向西太平洋延伸的索马里低空急流和相关的热带夏季风也是明显增强。澳大利亚北部的反气旋异常和印度尼西亚附近的相关热带东风和跨赤道气流也很明显。特别值得注意的是，菲律宾东部的暖池区域出现反气旋异常强化现象。 Nitta（1987）和Huang and Sun（1994）的研究表明，热带西太平洋海面温度异常引起的异常对流活动可能导致东亚 - 太平洋遥相关模式（或太平洋 - 日本模式），因此 影响东亚气候异常。然而，上述结果清楚地表明，在暖池区域对流活动也被马高的异常变化抑制。

图9.6-8月马高异常增强实验和对照试验之间降水率差异亚太和西太平洋（毫米-1）; 阴影区域是高于95％的显着性水平。

图10.7-8月澳高异常增强实验和对照试验之间（m s -1）969hPa风的差异，阴影区域是高于95％显着性水平的。

在500 hPa地质上高度也发现马高对强化的明确反应，如图7所示。在热带地区位势高度而降低了南北半球中高纬度大部分地区在增强。特别是可以预料，由于太平洋热带西太平洋的位势高度的增加和东亚大陆的势高度的减小，西北太平洋副热带高度将会位于赤道。图中可以看出更为截然不同的情况。 如图8所示，其中马高异常增强实验中模拟的5800-gpm等值线比对照试验更西南方位; 这个结果与Shi和Zhu（1995）的观察一致。 另外，根据观测研究（例如，Ding，1994;Chen和Zhao，2000年），这种模式可能导致中国南方降水正常高于北半球夏季降水正常以下。 图9清楚地表明，由于马高的强化，中国南部，日本和邻近的海洋地区出现了更多的降雨，而从印度支那半岛到菲律宾东部热带西太平洋的雨量则较少。 特别值得注意的是，中国北方出现明显的负降雨异常现象。

与马高异常增强实验类似，澳大利亚水平面出现反气旋环流异常，澳高增强，印度尼西亚附近的越赤道气流有所增加（图10）。此外，从西太平洋以东的孟加拉湾到台湾和赤道以外的热带东风的热带西风同时加剧。 因此，热带西太平洋东部的菲律宾出现反气旋异常现象。 在850 hPa、700 hPa的风异常与969 hPa非常相似，除了跨赤道气流没有显着变化（图未示）。

图11.7-8月澳高异常增强实验和对照试验之间500 hPa位势高度的差异

; 阴影区域是高于95％显着性水平的。

图12.7-8月亚洲和西太平洋澳高异常增强实验和对照试验之间降水率差异（mm天-1）;

阴影区域是高于95％显着性水平的。

图11显示了澳高异常增强实验和对照试验之间的差异非常类似于图7中的大规模分布，即，热带地区有所增加，中高纬度地区减少，但异常幅度远远低于马高异常增强实验，特别是在东亚大陆。与这个较弱的异常一致， 如图8所示，澳高异常增强实验中副热带高压西南延伸并不像马高异常增强实验那样显着。 图12显示，由于澳高的加剧，中国华南到日本的降雨量较多，而从孟加拉湾到热带西太平洋东部菲律宾东部的降雨量较少。然而，与马高异常增强实验不同，中国北方没有发现显着的降雨变化。总结了马高异常增强实验和澳高异常增强实验之间的上述比较，我们可以得出结论，马高对东亚夏季的影响比澳高更重要。 这个结果是合理的，因为与马高相关的索马里低空急流比与澳高相关的跨赤道气流强得多（图2）。

四、总结与讨论

基于20年的对照实验，IAP 9L AGCM模拟了与东亚夏季风相关的大气环流系统和东亚地区降水大规模分布。

综合模拟用于研究由于马高强化引起的大气环流和降水变化。结果表明，随着马高的加剧，索马里低空急流显着增强，同时印度热带夏季季风也向热带西太平洋发展。 特别是由于热带西太平洋东部的菲律宾反气旋异常强化，可以抑制对流活动。 因此，建议除了海面温度的局部效应外，东亚 - 太平洋遥相关模式也可能是由马高强度的变化引起的。此外，热带地区的位势高度在中高纬度地区的大部分地区降低的同时也在增加。此外，热带地区的位势高度在中高纬度地区大部分地区减少，而在这种情况下，西北太平洋副热带高压500 hPa延伸比正常位置西南偏西，导致中国南部到日本的降雨量较多，孟加拉湾降雨量减少到热带西太平洋以及中国北方。

与马高相似，由于澳高的增强，表层附近的跨赤道气流随着热带风环流的增强而增强。热带地区的高度和中高纬度地区的降水量也在澳高异常增强实验中发现，然而，异常幅度比马高异常增强实验弱得多。 因此，澳高对东亚夏季风的影响弱于马高，而在华南地区，随着澳高浓度的增加，发生了更多的降雨。 Huang 和Tang（1987）和Xue等已经指出， （2003）从观察结果来看，这项研究的结果进一步证明了马高是至关重要的

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