鄭 菲，李建平

1 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室，北京 100029

2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

1 引 言

南半球環(huán)狀模（Southern Hemisphere Annular Mode，簡稱 SAM），也稱南極濤動 （Antarctic Oscillation，簡稱AAO）是南半球中高緯度大氣質(zhì)量變化的一種全球尺度翹翹板結(jié)構(gòu)，是南半球熱帶外大氣環(huán)流時空運動和變化的主要模態(tài)[1-3］.關(guān)于SAM最早的研究，可以追溯到20世紀(jì)20年代末.Walker[4］指出，在海平面氣壓場上，穿過智利、阿根廷的高壓與南極威德爾海和別林斯高晉海的低壓呈翹翹板形式反向變化.對南半球熱帶外海平面氣壓場進(jìn)行經(jīng)驗正交函數(shù)（EOF）分解的相關(guān)結(jié)果[3，5-7］也表明，第一特征向量在南北方向上表現(xiàn)出中、高緯地區(qū)反向變化的蹺蹺板結(jié)構(gòu)，即南半球環(huán)狀模（SAM）或者南極濤動（AAO）.不過，需要說明的是，南極濤動的概念首先是中國的學(xué)者龔道溢和王紹武[1-2］提出的，并得到國際上的認(rèn)可.在國外的文獻(xiàn)中常用EOF來說明SAM[3］，其真實性一度受到質(zhì)疑[8-9］.在前人工作基礎(chǔ)上，李建平等[10-11］提出了大氣環(huán)狀活動帶的新概念，證明存在環(huán)狀濤動，提煉出SAM與NAM（北半球環(huán)狀模，Northern Hemisphere Annular Mode，簡稱NAM）的物理本質(zhì)并建立了物理模型，構(gòu)造出了新的南、北半球環(huán)狀模指數(shù)并被廣泛使用[12-17］.

SAM因其緯向?qū)ΨQ性結(jié)構(gòu)及半球尺度特征，其變率在多個時間尺度[18-19］上與全球及區(qū)域大氣環(huán)流變化有密切聯(lián)系.作為南半球中高緯大氣的主要模態(tài)，其不僅對南半球的氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響[20-24］，也對北半球氣候系統(tǒng)存在影響[16，25-29］.具體到 SAM 對中國氣候的影響，我國氣象學(xué)者也做了許多研究.例如：南素蘭和李建平[13，25，30-31］指出春季 SAM 與夏季長江中下游降水存在顯著的正相關(guān)，并提出了海洋橋的概念來揭示其中的影響機理；吳志偉等發(fā)現(xiàn)前冬SAM對次年夏季長江中下游地區(qū)旱澇并存[32］、旱澇急轉(zhuǎn)有所影響[33］，前冬SAM可以作為預(yù)測長江中下游地區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)的一個前期信號；Wu等[16］指出前期秋季SAM與中國的冬季風(fēng)也存在密切聯(lián)系.

那么，前期冬季SAM會對次年春季的中國降水產(chǎn)生什么影響呢？雖然我國受東亞季風(fēng)的影響，降水主要集中在夏季，但是春季降水對于農(nóng)作物生長等也非常重要，春旱嚴(yán)重影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量.尤其是華南地區(qū)，通過初步分析表明，華南春季降水量可以占到全年總降水量的約40%，而且降水年際變率大[34］.因此，研究前冬SAM對次年春季中國降水尤其是華南降水的影響，可以為春季降水提供有意義的前期預(yù)報信號，是一個有實際意義的重要問題.

實際上，我國氣象學(xué)家針對華南降水的時空變率及影響降水的因子已經(jīng)做了相當(dāng)多的非常有價值的研究.例如，華南前汛期降水的時空分布特征[35-37］，影響華南前汛期降水的敏感海區(qū)[38］，東北冷渦與華南前汛期降水的關(guān)系[39］，西北太平洋副熱帶高壓對華南降水的影響[40-41］，南半球低緯的氣旋活動在南極海冰與華南前汛期降水關(guān)系中的橋梁作用[42］，水汽輸送異常與華南前汛期降水異常的關(guān)系[43］等.可以看到，雖然影響降水的直接因素是大氣環(huán)流，但是海溫、海冰也可以通過影響大氣環(huán)流對降水產(chǎn)生間接影響；不僅北半球的低緯系統(tǒng)及中高緯系統(tǒng)可以影響華南降水，南半球的低緯系統(tǒng)也可以對華南降水產(chǎn)生影響.

本文集中分析前冬SAM對次年春季華南降水的可能影響這個問題，旨在討論南半球中高緯度的環(huán)流變率是否可能對我國華南地區(qū)降水產(chǎn)生影響.

2 資料、方法和模型

本文所使用的降水資料為中國160臺站逐月降水資料；環(huán)流資料為逐月的NCEP／NCAR再分析資料[44］，水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直共17層（垂直速度共12層），基本要素包括位勢高度、水平風(fēng)速、垂直速度、相對濕度等；南半球環(huán)狀模指數(shù)（SAM Index，SAMI）采用 Nan和Li的定義[13］，即標(biāo)準(zhǔn)化的緯向平均海平面氣壓（Sea Level Pressure，SLP）在40°S與70°S的差.Ni?o3.4指數(shù)定義為東赤道太平洋（5°N—5°S，170°W—120°W）的區(qū)域平均的海溫異常（數(shù)據(jù)下載自Climate Prediction Center（CPC）／NOAA）.

采用相關(guān)、合成、SVD等統(tǒng)計分析方法，計算了前冬SAM與春季華南降水及大氣環(huán)流的關(guān)系.合成分析中，強（弱）年定義為超過正（負(fù)）1.0個標(biāo)準(zhǔn)差的年份，合成差是指強年合成減弱年合成的差值.為了計算排除ENSO信號后，SAM與華南降水的相關(guān)關(guān)系，文中還采用了偏相關(guān)分析.具體計算方法為：設(shè)有三個變量x1，x2，x3，可計算x1，x2同時扣除x3影響之后的偏相關(guān)系數(shù)，記作r12，3，其計算公式為

其中，r12，r13，r23分別代表變量x1和x2，變量x1和x3，以及變量x2和x3的相關(guān)系數(shù).

本文還計算了某格點上的水汽輸送矢量Vq及水汽輸送矢量散度Dq，計算公式分別為

單位面積低層大氣（1000～700hPa）水汽輸送通量矢量，采用公式為

其中，Q為水汽輸送通量矢量，Qλ和Qφ分別是緯向和經(jīng)向水汽輸送通量，g為重力加速度，q為比濕，P為氣壓，PS和PT分別取為1000hPa和700hPa.對于華南區(qū)域（110°E—120°E，20°N—30°N），四個邊界上的低層水汽輸送通量為

其中，QW、QE、QN、QS分別是西、東、北、南邊界的水汽輸送通量；LW、LE、LN、LS分別為四個邊界的長度；m和n分別為緯向和經(jīng)向的格點數(shù).計算選定的華南區(qū)域的總的水汽收支，公式為

若QT＞0，則流出選定的華南區(qū)域的水汽大于流入的水汽，表明有水汽輻散；若QT＜0，則流出選定的華南區(qū)域的水汽小于流入的水汽，即有水汽輻合.

此外，為了驗證再分析資料診斷得到的海溫異常引起華南及其鄰近地區(qū)大氣環(huán)流異常的結(jié)論，采用 CAM3（NCAR Community Atmospheric Mode Version 3）大氣模式進(jìn)行海溫敏感性試驗來進(jìn)一步驗證相關(guān)機理.CAM3是NCAR發(fā)展的全球譜模式，水平分辨率為T42（緯向為均勻分布的128個格點，經(jīng)向為64個高斯格點），垂直方向采用η坐標(biāo)，共26層.試驗設(shè)計將在第7節(jié)中給出具體說明.

本文中所取時間段為1950／51—2007／08（冬／春），考慮到再分析資料在南半球高緯度的準(zhǔn)確度的問題，除了對全時段（1950／51—2007／08）進(jìn)行計算分析外，也對比分析了1980／81—2007／08時段的結(jié)果.本文中的冬季和春季分別指的是12—1月和3—5月，即北半球冬、春季的定義方法.華南區(qū)域是指（110°E—120°E，20°N—30°N）.

3 前冬SAM與春季華南降水

圖1a給出了前冬SAMI與我國春季降水量的相關(guān)系數(shù)分布.由圖可見，華南地區(qū)是顯著的負(fù)相關(guān)區(qū).相關(guān)系數(shù)超過置信度90%的顯著性檢驗的臺站包括：衢州、浦城、南昌、吉安、贛州、零陵、梅縣、汕頭、河源、廣州、悟州，共11個臺站.也就是說，當(dāng)前冬SAM偏強時，次年春季華南降水易于偏少；當(dāng)前冬SAM偏弱時，次年春季華南降水易出現(xiàn)偏多.

我國許多氣象學(xué)者已經(jīng)指出，ENSO作為氣候系統(tǒng)年際振蕩的強信號，可以影響我國降水[45-46］.那么，SAM與華南降水的這種相關(guān)關(guān)系，是ENSO導(dǎo)致的兩者協(xié)同變化的表現(xiàn)呢？還是SAM確實對華南降水存在影響？為了探討這個問題，需要采用偏相關(guān)分析的方法來說明.圖1b給出了排除了冬季ENSO信號后，SAMI與我國次年春季降水的偏相關(guān)系數(shù).比較圖1a和圖1b可見，扣除前冬ENSO信號后，在我國華南地區(qū)，SAMI與降水的相關(guān)系數(shù)變化并不大.并且，在排除了前冬ENSO信號后，前冬SAMI與春季RI的偏相關(guān)系數(shù)為-0.41，雖然比扣除ENSO信號前的相關(guān)系數(shù)-0.44略有減小，但是仍然超過置信度99%的顯著性檢驗.這表明，前冬SAM對華南春季降水的影響是存在的.

將以上11個臺站的平均春季降水量做標(biāo)準(zhǔn)化處理，作為反映華南地區(qū)春季降水的一個指標(biāo)，定義為春季華南降水指數(shù)（RI）.由前冬SAMI與春季華南降水指數(shù)（RI）的時間序列圖 （圖2a）可見，SAMI與RI均表現(xiàn)出很強的年際變化，同時具有年代際變化和長期趨勢.兩時間序列的相關(guān)系數(shù)為-0.44，超過置信度99%的顯著性檢驗.去除線性趨勢后（圖2b），兩序列的相關(guān)系數(shù)仍可達(dá)-0.40，仍超過置信度99%的顯著性檢驗.圖2c給出的是春季RI與各月SAMI的超前滯后相關(guān)，由圖可見，春季RI與前一年12月到2月SAMI有最強的負(fù)相關(guān)系數(shù)，分別超過置信度99%和95%的顯著性檢驗.雖然春季RI與前一年秋季SAMI的相關(guān)系數(shù)也為負(fù)，但是未通過顯著性檢驗.圖2d顯示的是前冬SAMI與次年春季RI的31年滑動相關(guān)，可以看到兩者的負(fù)相關(guān)關(guān)系是比較穩(wěn)定的，基本上均能超過置信度90%的顯著性檢驗，并且這種負(fù)相關(guān)在近年有較明顯的增強趨勢.

定義冬季SAMI高（低）于1個正（負(fù)）標(biāo)準(zhǔn)差的年份為強（弱）SAM年.在1950—2007年共58年的冬季中，強SAM年共有14年，分別為1958、1961、1962、1973、1981、1988、1993—1995、1997—1999、2001、2007年；弱SAM年共有18年，分別為1951、1952、1955、1956、1964—1966、1968、1971、1972、1974、1976、1979、1982、1984、1991、1992、2005 年.從SAMI高低指數(shù)年合成的我國春季降水場上看（圖略），前冬強SAM年合成的次年春季華南降水偏少，異?？蛇_(dá)-100mm以上；前冬弱SAM年，合成出的次年春季華南降水偏多，異?？蛇_(dá)120mm以上.

另外，定義春季RI高（低）于1個正（負(fù)）標(biāo)準(zhǔn)差的年份為強（弱）華南春季降水年.在1951—2008年共58年春季中，強RI年共10年，分別是1952、1953、1957、1973、1975、1980、1981、1983、1984、1992年；弱RI年共8年，分別是1963、1964、1971、1974、1990、1991、2007、2008年.春季強 RI年，前冬南半球高緯度55°S—90°S有SLP的正異常，850hPa上對應(yīng)異常反氣旋風(fēng)場，中緯度30°S—55°S有SLP的負(fù)異常，850hPa上對應(yīng)異常氣旋式風(fēng)場，這些均為SAM負(fù)位相的典型特征（圖3）.在高層，RI強年合成的500hPa位勢高度場及200hPa風(fēng)場也有類似特征，即前冬南半球500hPa上高緯度55°S—90°S的位勢高度正異常以及200hPa上的異常反氣旋風(fēng)場，中緯度30°S—55°S的位勢高度負(fù)異常以及200 hPa上的異常氣旋式風(fēng)場，這些也對應(yīng)SAM的負(fù)位相（圖略）.綜合低層和高層的情況，反映了SAM的相當(dāng)正壓結(jié)構(gòu)，說明春季華南降水偏多，對應(yīng)前冬有SAM負(fù)異常的信號.低RI年合成出的以上各個異常場，具有相反的形式，說明春季華南降水偏少，對應(yīng)前冬有SAM正異常的信號.

圖2 前冬SAMI與春季華南降水指數(shù)RI的標(biāo)準(zhǔn)化的時間序列及相關(guān)關(guān)系（a）前冬SAMI與春季華南降水指數(shù)RI的標(biāo)準(zhǔn)化的時間序列；（b）同（a），但為去線性趨勢后的結(jié)果；（c）春季RI與各月SAMI的超前滯后相關(guān)，3條虛線從上到下分別代表置信度90%，95%，和99%的顯著性檢驗（下同）；（d）前冬SAMI與春季華南降水指數(shù)RI的31年滑動相關(guān)，3條虛線同（c）.Fig.2 Standardized time series of the preceding winter SAMI and spring RI and correlation coefficient between them（a）Standardized time series of winter SAMI and spring RI；（b）Same as（a）but for detrended series；（c）Lead-lag correlations between spring RI and SAMI in different months，the three dashed lines respectively indicate significant at the 90%，95%，and 99%confidence levels；（d）31asliding correlation coefficients between preceding winter SAMI and spring RI，the three dashed lines are same as（c）.

為了進(jìn)一步確定前冬SAM與春季華南降水的負(fù)相關(guān)關(guān)系，采用SVD方法[47］進(jìn)行分析.左場選取1950—2007年冬季10°S以南的SLP場，右場選取1951—2008年春季中國160臺站降水.做SVD分析之前，兩變量均經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理.SVD第一模態(tài)占了總平方協(xié)方差的44%，兩變量場對應(yīng)的時間系數(shù)的相關(guān)是0.68（超過置信度99%的顯著性檢驗）.異質(zhì)相關(guān)圖上（圖略），南半球中、高緯度地區(qū)分別表現(xiàn)出環(huán)狀的顯著正、負(fù)相關(guān)，是SAM的顯著正位相特征.華南地區(qū)是顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.5.說明前冬SAM的正位相是與春季華南降水偏少的情況對應(yīng)的，而前冬SAM的負(fù)位相則是與春季華南降水偏多對應(yīng)的.這些與之前前冬SAMI與春季華南降水的相關(guān)分析結(jié)果一致，進(jìn)一步說明了前冬SAM與春季華南降水的顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.

4 前冬SAM與春季大氣環(huán)流異常

前冬SAMI異常合成的春季850hPa水平風(fēng)場的合成差分布（圖4a）表明，當(dāng)前冬SAM偏弱時，次年春季西北太平洋地區(qū)有反氣旋式環(huán)流異常，對應(yīng)華南地區(qū)上空的異常西南風(fēng).由前冬SAMI異常合成的春季低層（1000—700hPa）水汽輸送異常圖（圖略）上可見，這支西南風(fēng)異常有利于水汽到達(dá)華南地區(qū)，使氣候平均的西南水汽輸送（圖略）得到加強，從而為華南降水增多提供了有利條件.當(dāng)前冬SAM偏強時，情況相反，華南地區(qū)的異常東北風(fēng)不利于水汽輸送，為華南降水減少提供了有利條件.為了進(jìn)一步證明以上結(jié)果，分析春季RI合成的同期春季850hPa水平風(fēng)場的合成差分布（圖4b）.由圖可見，春季RI指數(shù)偏高（華南降水偏多），對應(yīng)同期春季西北太平洋地區(qū)的異常反氣旋式環(huán)流，華南地區(qū)上空的西南風(fēng)異常，以及西南水汽輸送加強（圖略）.圖4a和圖4b在西北太平洋地區(qū)的異常型具有很高的一致性且風(fēng)向基本相反，說明前冬SAM偏弱為春季華南降水偏多提供了有利的環(huán)流條件；反之，前冬SAM偏強為春季華南降水減少提供了有利的環(huán)流條件.

考慮到水汽是影響降水的重要因子，進(jìn)一步分析前冬SAM對春季華南地區(qū)水汽收支情況的可能影響.分析氣候態(tài)的春季低層（1000～700hPa）華南區(qū)域的各邊界上水汽輸送通量及區(qū)域總水汽收支情況（圖5a）發(fā)現(xiàn)，華南區(qū)域在春季有水汽輻合，是水汽匯區(qū).南北邊界均是向北的水汽輸送，但是南邊界的輸入大于北邊界的輸出；東西邊界均是向東的輸送，但是西邊界的輸入大于東邊界的輸出.由前冬SAMI合成的春季低層水汽收支合成差（圖5b）可見，當(dāng)前冬SAMI偏強時，華南區(qū)域有異常水汽輻散，較氣候平均的水汽輻合有所減小，有利于降水的異常偏少.分析各邊界水汽輸送異常情況，發(fā)現(xiàn)華南區(qū)域的異常輻散主要是由于南邊界的水汽輸入異常減小導(dǎo)致的，強弱年的差值可達(dá)氣候均值的39%.由于西邊界水汽輸出的減小值大于東邊界的水汽輸入減小值，東西方向上有水汽異常輻合.但是，由于東西方向上的異常輻合小于南北方向上的異常輻散，華南區(qū)域總體有異常輻散.由春季RI合成的春季低層水汽收支合成差（圖5c）可見，當(dāng)春季華南降水偏多時，對應(yīng)華南區(qū)域異常水汽輻合，水汽收入在強弱年的差值可達(dá)氣候均值的96%.這主要是由于南邊界上異常偏強的水汽輸入造成的，水汽輸入在強弱年的差值達(dá)氣候均值的80%.但是在東西方向上，由于東邊界的水汽輸出異常值大于西邊界的水汽輸入異常值，反而存在水汽的異常輻散.結(jié)合圖5b和圖5c可得，當(dāng)前冬SAMI偏強時，華南區(qū)域有異常水汽支出，對應(yīng)降水偏少時的水汽收支異常，為降水偏少提供了有利條件；當(dāng)前冬SAMI偏弱時，華南區(qū)域有異常水汽收入，對應(yīng)降水偏多時的水汽收支異常，為降水偏多提供了有利條件.

圖6 前冬SAMI（a）和春季RI（b）合成的東亞地區(qū)春季850hPa西北太平洋副熱帶高壓脊線位置標(biāo)有1520的線代表位勢高度1520gpm，未標(biāo)值的線代表緯向風(fēng)速為0的線；實線、長虛線、短虛線分別代表氣候態(tài)、強年合成、弱年合成.Fig.6 Composite analysis in spring 850hPa Northwestern Pacific subtropical high ridge line respectively based on the preceding winter SAMI（a）and on spring RI（b）（The lines marked by 1520represent the geopotential height is 1520gpm，the lines without contour labeling indicate zonal wind equaling to zero；the solid，long dash ，and short dash line respectively indicates climatology，strong year，and weak year）

考慮到西北太平洋副熱帶高壓對于春季華南降水的重要性，對西太副高做進(jìn)一步的分析.圖6a是基于前冬SAMI正、負(fù)異常年合成的850hPa副高脊線位置.圖中標(biāo)出了緯向風(fēng)速為0的線和位勢高度為1520gpm的線，兩條線的西側(cè)交叉點可以表示副熱帶高壓西伸的脊點.由圖可見，當(dāng)前冬SAM偏強時，對應(yīng)春季副熱帶高壓偏東，西伸脊點在130°E以東，與春季華南降水偏少時副高脊線的異常（圖6b）相似，不利于華南降水；當(dāng)前冬SAM偏弱時，對應(yīng)春季副熱帶高壓偏西，西伸脊點在130°E以西，與春季華南降水偏多時副高脊線的異常（圖6b）相似，有利于華南降水增多.

降水的形成與垂直速度的條件密不可分.前冬SAMI偏弱時，春季華南地區(qū)由低層到高層，基本上都被異常的上升運動控制（圖略）.并且600hPa以下有異常的輻合，600hPa以上到150hPa有異常的輻散，對應(yīng)上升運動的加強，有利于降水的增加.前冬SAMI偏強時對應(yīng)的風(fēng)場輻合和垂直速度的異常情況與以上所述相反，但是其所造成的異常的強度比SAMI偏弱年造成的異常偏弱（圖略）.

5 與冬季SAM有關(guān)的同期冬季及次年春季海溫異常

超前一個季節(jié)的南半球信號SAM是怎樣影響到滯后一個季節(jié)的華南大氣環(huán)流進(jìn)而影響春季降水的呢？由于大氣自身的記憶性較差，因此考慮下墊面（如海洋）對異常信號經(jīng)存儲并再釋放影響大氣的過程（海氣耦合橋過程）.圖7是冬季SAMI與各月緯向平均近地面緯向風(fēng)、緯向平均海溫的超前滯后相關(guān).由圖7a可見，冬季SAMI與30°S—45°S之間緯向平均的近地面緯向風(fēng)為負(fù)相關(guān)，與45°S—70°S之間緯向平均的近地面緯向風(fēng)為正相關(guān).并且，冬季SAMI與近地面緯向風(fēng)的相關(guān)關(guān)系可以由冬季持續(xù)到次年春季.風(fēng)速可以影響蒸發(fā)，從而影響潛熱釋放及海溫.由圖7b可見，冬季SAMI與30°S—45°S之間緯向平均海溫呈正相關(guān)，與45°S—70°S之間緯向平均海溫為負(fù)相關(guān)，并且相關(guān)關(guān)系也可以由冬季持續(xù)到次年春季，這與圖7a是對應(yīng)的.也即：當(dāng)冬季SAM偏強時，30°S—45°S之間的近地面緯向風(fēng)減弱，從而引起蒸發(fā)減弱，潛熱釋放減少，導(dǎo)致海溫升高；45°S—70°S之間近地面緯向風(fēng)加強，從而引起蒸發(fā)加強，潛熱釋放增多，導(dǎo)致海溫降低.冬季SAM偏弱時情況相反.并且，計算了1980／81—2007／08年時段的結(jié)果（圖略），與用全時段資料計算的結(jié)果（圖7）基本一致.

圖8是基于冬季SAMI合成的同期冬季（圖8a）及次年春季（圖8b）SST的合成差分布.由圖可見，當(dāng)冬季SAM偏強時，無論同期冬季還是次年春季，南半球中高緯的海溫異常呈現(xiàn)帶狀的偶極型結(jié)構(gòu)，在30°S—45°S之間的海溫偏高，而在45°S—70°S之間的海溫偏低，這與圖7所得結(jié)論是一致的.由圖8a、b還可以看到，前冬SAMI合成的海溫異常場，在熱帶太平洋地區(qū)有類似于ENSO的信號.并且，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)SAM與ENSO之前存在相關(guān)關(guān)系[48-49］.為了避免在分析中帶入ENSO信號的影響，將SAMI和SST資料中的ENSO信號用線性回歸的方法排除后，再做基于SAMI合成的同期冬季（圖8c）及次年春季（圖8d）SST的合成差分布.由圖可見，無論保留還是排除ENSO信號，用SAMI合成的南半球中高緯度的帶狀海溫異常均是明顯的，且冬季SAMI與冬、春季ZSSTI的偏相關(guān)在排除ENSO信號后仍然是顯著的，相關(guān)系數(shù)分別為0.58和0.37，說明南半球中高緯度的這種帶狀海溫異常與SAM存在相關(guān)關(guān)系.同樣，也分析了僅用1980年后資料計算的結(jié)果（圖略），所得SST的合成差的分布與用全時段的資料所得結(jié)果（圖8）一致度較高.

為了進(jìn)一步分析南半球的帶狀海溫異常引起的大氣環(huán)流異常，定義一個海溫指數(shù)，為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的30°S—45°S和45°S—70°S這兩條緯帶的區(qū)域平均海溫之差，記為ZSSTI.由以上分析可知，前冬SAMI偏高（低），對應(yīng)同期冬季及次年春季ZSSTI偏高（低）.

由前冬SAMI、ZSSTI與春季ZSSTI、RI時間的序列圖（圖略）可見，前冬SAMI、ZSSTI及春季ZSSTI隨時間的變化有很高的一致性，而以上3個變量與春季RI隨時間的變化基本相反.如1999年冬／2000年春，冬季SAMI、ZSSTI，春季ZSSTI、RI的值依次為2.70、1.79、1.72、-0.54.分析這4個變量的相關(guān)系數(shù)矩陣（表1）發(fā)現(xiàn)，前冬SAMI與次年春季RI的相關(guān)系數(shù)為-0.44，反映了兩者負(fù)相關(guān)的基本事實；探索這種相關(guān)關(guān)系的物理過程，發(fā)現(xiàn)前冬SAMI與同期ZSSTI的相關(guān)系數(shù)為0.62，與圖7、8結(jié)果相符，說明冬季SAM異常會造成同期南半球兩條緯帶上的海溫異常；前冬與春季ZSSTI的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.91，反映了海溫異常信號自身較長的記憶性，也就是說冬季SAM引起的海溫異常信號可以持續(xù)到次年春季；到春季，ZSSTI與同期RI的相關(guān)系數(shù)為-0.30，也即前冬SAMI引起的這種海溫異?？梢允筊I相反變化，也即ZSSTI偏高，同期春季華南降水偏少.

表1 前冬SAMI、ZSSTI與春季ZSSTI、RI的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 1 Correlation coefficient matrix between the preceding winter SAMI，ZSSTI and spring ZSSTI，RI

排除了ENSO信號后，由春季RI合成的前冬及同期春季SST的合成差的分布（圖略）可見，春季華南降水偏多，無論是前冬還是同期春季，在30°S—45°S之間的海溫偏低，而在45°S—70°S之間的海溫均偏高，對應(yīng)ZSSTI偏低，與圖2結(jié)果相符，進(jìn)一步反映了春季ZSSTI與華南降水的負(fù)相關(guān).

6 春季南半球中高緯帶狀海溫異常對應(yīng)的同期春季大氣環(huán)流異常

第5節(jié)中給出了前冬SAM、春季南半球中高緯帶狀海溫異常以及春季華南降水的相關(guān)關(guān)系，并且分析了前冬SAM造成春季帶狀海溫異常的物理機制.那么，這種春季帶狀海溫異常（用ZSSTI表示）是怎樣影響到同期春季華南降水（用RI表示）的呢？圖9是春季ZSSTI合成的同期春季850hPa水平風(fēng)異常流場.由圖可見，當(dāng)ZSSTI偏高時，西太平洋地區(qū)有異常反氣旋式環(huán)流，對應(yīng)我國華南地區(qū)850hPa有異常東北風(fēng).這支東北風(fēng)減弱了氣候平均的西南水汽輸送（圖略），不利于華南地區(qū)降水發(fā)生；當(dāng)ZSSTI偏低時，對應(yīng)華南地區(qū)有異常西南風(fēng)，這支西南風(fēng)帶來更加充足的水汽輸送（圖略），有利于華南地區(qū)降水的增加.

圖9 春季ZSSTI強（a）、弱（b）年合成的同期春季850hPa風(fēng)場異常（單位：m／s）Fig.9 Composite analysis in spring 850hPa wind anomalies in high（a）and low（b）spring ZSSTI years（unit：m／s）

與圖5類似的分析方法，定量分析了在ZSSTI強、弱年，華南區(qū)域大氣對流層低層的水汽收支情況（圖略）.當(dāng)春季ZSSTI偏強時，對應(yīng)華南區(qū)域有異常水汽輻散，不利于降水發(fā)生.這種異常的水汽輻散主要是由于南邊界上流入?yún)^(qū)域的水汽輸送顯著減小導(dǎo)致的，偏強年和偏弱年的差值可達(dá)氣候均值的40%；雖然北邊界上流出區(qū)域的水汽輸送也有所減小，但是這個減小值小于南邊界上流入的減小值，所以南北方向上存在異常水汽輻散.東西方向上，由于東邊界流出水汽通量的減小值大于流入的減小值，所以東西方向上存在異常水汽輻合.由于東西方向上的異常輻合值小于南北方向上的異常輻散值，對區(qū)域整體而言，低層存在輻散，水汽收入較氣候平均值減小，不利于降水發(fā)生.

表2是華南區(qū)域的南邊界低層水汽輸送通量與前冬SAMI、春季ZSSTI及春季RI的相關(guān)系數(shù).由表可知，春季華南降水與南邊界低層水汽輸送呈正相關(guān)，由南邊界流入?yún)^(qū)域的水汽越多（少），對應(yīng)降水也越多（少）.但是，無論是前冬SAMI，還是前冬SAMI引起的次年春季的海溫異常信號ZSSTI，均與南邊界水汽輸送通量呈負(fù)相關(guān)，即前冬SAMI偏強，春季ZSSTI偏強，南邊界上的水汽輸送通量越小，對應(yīng)華南降水偏少.

表2 華南區(qū)域的南邊界低層（1000～700hPa）水汽輸送通量與前冬SAMI、春季ZSSTI及春季RI與的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between low layer（1000～700hPa）water vapor transport flux at south boundary of South China and the preceding winter SAMI，spring ZSSTI and spring RI

春季南半球帶狀海溫異常信號造成的大氣環(huán)流異常還表現(xiàn)在其它環(huán)流要素方面.由圖10a可見，ZSSTI偏強時，在60°N以南、60°E以東的亞洲大陸大部分地區(qū)，850hPa的位勢高度場有正異常，而接近亞洲大陸的西太平洋上，大部分地區(qū)位勢高度偏低.位勢高度異常場的這種配置，對應(yīng)著ZSSTI強（弱）年，我國華南地區(qū)有異常東北（西南）風(fēng)，這與圖9的結(jié)果一致.分析西北太平洋副熱帶高壓西伸脊點的異常（圖10b）發(fā)現(xiàn)，ZSSTI偏弱（強），西太副高西伸脊點較氣候平均明顯偏西（東），利于（不利于）華南降水增多的.為了避免在ZSSTI合成的過程中帶入ENSO的影響，先排除典型的ENSO年，再用ZSSTI進(jìn)行合成分析.因此重新計算了圖9至圖10的結(jié)果，與ZSSTI對應(yīng)的春季華南地區(qū)環(huán)流異常變化不大（圖略），異常型分布基本一致.

綜合以上診斷分析的結(jié)果可以得出：當(dāng)前冬SAM偏強時，受海表風(fēng)速影響潛熱釋放量發(fā)生變化，導(dǎo)致30°S—45°S海溫偏高，45°S—70°S海溫偏低，異常的海溫信號可以持續(xù)到次年春季，并進(jìn)一步導(dǎo)致了春季華南地區(qū)的東北風(fēng)異常及水汽偏弱等異常，有利于華南降水偏少.前冬SAM偏弱時情況相反，有利于華南降水偏多.這一過程體現(xiàn)了海氣耦合橋的作用，即：海洋儲存了冬季SAM的異常信號并在春季釋放，通過影響春季大氣環(huán)流，進(jìn)一步影響華南春季降水.考慮到這是基于診斷分析得到的結(jié)論，為了驗證春季大氣環(huán)流對同期春季南半球中高緯與SAM有關(guān)的帶狀海溫異常的響應(yīng)，利用CAM3進(jìn)行了海溫敏感性試驗.

圖10 春季ZSSTI合成的同期春季850hPa位勢高度場合成差（a）及西北太平洋副高脊線（b）（單位：gpm）圖a中淺灰色陰影區(qū)代表通過置信度90%的顯著性檢驗，深灰色陰影代表青藏高原，圖b中實線、長虛線、短虛線分別代表氣候態(tài)、強年合成、弱年合成.Fig.10 Composite analysis in the spring geopotential height（a）and Northwestern Pacific subtropical high（b）on 850hPa between high and low spring ZSSTI（unit：gpm）In figure a，the dark shadow areas indicate significant at 90%level，the light shadow indicates Tibet Plateau；in figure b，the solid，long dash，and short dash line respectively indicates climatology，strong year composite，and weak year composite

7 CAM3模式海溫敏感性試驗的結(jié)果

本節(jié)利用CAM3模式通過參照試驗和修改海溫強迫場的敏感性試驗來進(jìn)行模擬分析.參照試驗不對海溫等外強迫場做任何修改.在第一組敏感性試驗中，令春季30°S—45°S之間的海溫增加1℃，45°S—70°S之間的海溫減小1℃，對應(yīng)春季高ZSSTI時的海溫異常型，其他季節(jié)的海溫保持不變；在第二組敏感性試驗中，令春季30°S—45°S之間的海溫降低1℃，45°S—70°S之間的海溫增加1℃，對應(yīng)春季低ZSSTI時的海溫異常型，同樣保持其他季節(jié)的海溫不變.參照試驗和敏感性試驗均積分25年，考慮模式運行的穩(wěn)定性，取后15年的結(jié)果進(jìn)行分析.圖11是春季全球緯向平均垂直環(huán)流對同期春季高ZSSTI對應(yīng)的海溫異常的響應(yīng)（敏感性試驗與參照試驗之差），圖中陰影為氣候態(tài)的上升和下沉運動（參照試驗結(jié)果）.可以看到，氣候態(tài)的春季Hadley環(huán)流在南北半球基本對稱，中心上升支位于赤道；南半球費雷爾環(huán)流上升支及極地環(huán)流下沉支的強度均強于北半球.南半球30°S—45°S位于氣候態(tài)Hadley環(huán)流的下沉區(qū)，45°S—70°S基本上位于氣候態(tài)的費雷爾環(huán)流的上升區(qū).

圖11 CAM3模式模擬的春季全球緯向平均垂直環(huán)流對同期春季高ZSSTI對應(yīng)的海溫異常的響應(yīng)圖中紅、藍(lán)色陰影分別表示氣候態(tài)的上升和下沉運動.Fig.11 The response of spring global zonal mean vertical circulation to a high ZSSTI forcing in the CAM3model.（The red（blue）shadow indicates climatologic ascending（descending）motion）

圖12 CAM3模式模擬的春季華南區(qū)域（110°E—120°E）緯向平均垂直環(huán)流對同期春季高ZSSTI對應(yīng)的海溫異常的響應(yīng)圖中紅、藍(lán)色陰影分別表示氣候態(tài)的上升和下沉運動.Fig.12 The response of spring zonal mean vertical circulation over South China（110°E—120°E）to a high ZSSTI forcing in the CAM3model The red（blue）shadow indicates climatologic ascending（descending）motion.

首先關(guān)注大氣環(huán)流對海溫異常的局地響應(yīng)，以30°S為中心有異常上升氣流，以50°S為中心存在異常下沉，基本上符合高海溫對應(yīng)異常上升，低海溫對應(yīng)異常下沉，但是環(huán)流的響應(yīng)比海溫異常偏北10°左右.局地垂直環(huán)流的異常，必然會帶動其它緯度產(chǎn)生環(huán)流異常.由圖11可見，以30°S為中心的上升氣流削弱了南半球Hadley環(huán)流下沉支的主體部分，使得15°S—4°N之間Hadley環(huán)流上升支也相應(yīng)減弱.北半球4°N—20°N（包含氣候態(tài)Hadley環(huán)流的上升支）有異常上升，20°N—45°N異常下沉，北半球的Hadley環(huán)流有所加強.我們關(guān)注的華南區(qū)域位于20°N—30°N，這個區(qū)域?qū)?yīng)異常下沉氣流，利于降水減少.

圖12是華南區(qū)域（110°E—120°E）緯向平均垂直環(huán)流對同期春季高ZSSTI對應(yīng)的海溫異常的響應(yīng).由圖可見，華南地區(qū)春季氣候態(tài)上是由上升運動控制的，由于經(jīng)向范圍只有10個經(jīng)度，氣候態(tài)的三圈環(huán)流和對高ZSSTI強迫的響應(yīng)不如全球緯向平均表現(xiàn)的規(guī)則，但可以明確看到華南地區(qū)上空的異常下沉氣流以及異常北風(fēng)，這兩個因素都不利于降水發(fā)生.

圖13給出的是CAM3模式模擬的兩組敏感性試驗在春季867hPa之差，由圖可見，春季ZSSTI偏強對應(yīng)的海溫異常型，對應(yīng)同期867hPa我國華南地區(qū)的偏北風(fēng)異常（圖13a），以及異常的風(fēng)場輻散與下沉運動，這些與之前資料診斷的結(jié)果是一致的，驗證了春季ZSSTI偏高對應(yīng)的海溫異常型所導(dǎo)致的大氣環(huán)流異常，不利于華南降水的發(fā)生.

8 小結(jié)與討論

本文分析了前冬南半球環(huán)狀模（SAM）與春季華南降水之間的關(guān)系，診斷分析的結(jié)果表明兩者之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系.當(dāng)前冬SAM偏強時，春季華南降水易于偏少；反之，降水易于偏多.分析前冬SAM異常對應(yīng)的春季東亞區(qū)域大氣環(huán)流異常發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前冬SAM偏強時，西北太平洋副熱帶高壓位置偏東并且強度減弱，西太平洋地區(qū)有異常氣旋式環(huán)流，華南地區(qū)有異常東北風(fēng)，輸入華南地區(qū)的水汽輸送減少，不利于華南地區(qū)降水生成.加之華南地區(qū)存在異常下沉運動與異常偏低的相對濕度，為春季降水偏少提供了有利的條件.春季SAM偏弱時，情況相反，利于華南降水偏多.簡言之，超前一個季節(jié)的南半球信號SAM，可以影響到滯后一個季節(jié)的華南大氣環(huán)流進(jìn)而影響春季降水.要探討這種影響過程的物理機制，考慮到大氣自身的記憶性較差，因此探討了下墊面海洋對大氣異常信號經(jīng)存儲并再釋放影響大氣的過程.

再分析資料診斷的結(jié)果表明，當(dāng)前冬SAM偏強時，受海表風(fēng)速影響海洋的潛熱釋放量發(fā)生變化，導(dǎo)致30°S—45°S海溫偏高，45°S—70°S海溫偏低，異常的海溫信號可以持續(xù)到次年春季.為了探討這種海溫異常信號影響大氣環(huán)流，從而影響降水的物理機制，定義兩條緯帶的區(qū)域平均海溫之差為海溫指數(shù)（ZSSTI），SAM 偏強（弱）對應(yīng) ZSSTI偏高（低）.診斷分析的結(jié)果表明，春季ZSSTI偏強，西北太平洋副熱帶高壓位置偏東且強度偏弱，對應(yīng)西太平洋上盛行異常氣旋式環(huán)流，華南地區(qū)上空對流層低層有異常東北風(fēng)，西南水汽輸送較常年減弱，有異常水汽輻散，不利于華南降水生成.春季ZSSTI偏弱時情況相反，有利于華南降水偏多.為了進(jìn)一步證實與前冬SAM有關(guān)的ZSSTI型海溫異常對應(yīng)的春季大氣環(huán)流異常，采用CAM3模式進(jìn)行海溫敏感性試驗.數(shù)值模擬的結(jié)果也表明，ZSSTI型海溫異常導(dǎo)致了緯向平均垂直環(huán)流的異常.ZSSTI偏高，華南地區(qū)上空對流層中低層存在異常的東北風(fēng)異常、風(fēng)場輻散以及異常下沉氣流，不利于降水的生成；ZSSTI偏低時情況相反，有利于華南降水偏多.數(shù)值模擬的結(jié)果驗證了資料診斷的結(jié)果.綜上，可提煉出前冬SAM影響次年春季華南降水的可能物理機制概念圖（圖14），在前冬南半球SAM影響春季華南降水的過程中，體現(xiàn)了海氣耦合橋的作用，即：前冬SAM異常，由于海表風(fēng)速改變影響潛熱蒸發(fā)，從而導(dǎo)致海溫產(chǎn)生異常.海溫異常信號保存到春季，在春季釋放從而影響大氣，使得大氣環(huán)流產(chǎn)生相應(yīng)變化從而影響華南降水.

另外，南半球高緯度（主要是60°S以南）存在海冰，作為氣候系統(tǒng)中重要的因子之一，海冰會對某些區(qū)域的氣候產(chǎn)生影響.冬季SAM對海冰的作用如何，以及是否會通過海冰的異常帶來對中國氣候的影響，是進(jìn)一步需要深入研究和探討的問題.

致 謝 感謝審稿專家提出的寶貴建議；感謝編輯部對本文的悉心審核；在本文的分析和寫作過程中，得到了課題組同學(xué)的無私幫助，作者深表感謝.

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