2018, Vol. 42
2 江苏省农业科学院/农业部长江下游平原农业环境重点实验室, 南京 210014
2 Jiangsu Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Environment in Lower Valley of the Yangtze River of Chinese Agriculture Ministry, Nanjing 210014
南、北半球中纬度对流层上层分别存在一支强而窄的高速气流带，称之为西风带，其集中在一条准水平轴线上并呈现一个或多个风速最大值中心，纬向尺度为数千公里，经向尺度为数百公里，垂直尺度为数公里，且存在强的垂直和侧边界风切变（Berggren et al., 1958）。冬半球西风带分别位于南、北纬30°附近，其纬向平均风速超过40 m s−1；夏半球西风带向两极移动，中心分别位于南、北纬40°，其纬向平均风速约为20 m s−1。南、北半球中纬度西风急流是由哈德莱环流的北支携带低层大气在东风带中获得的地球角动量来维持的，在对流层上层附近达到最大。
位于东亚中纬度上空的东亚高空副热带西风急流是东亚季风环流系统中的重要成员（张庆云和陶诗言，1998）。东亚高空副热带西风急流位置、强度变化对东亚天气气候变化有直接影响，夏季东亚高空副热带西风急流季节内北跳时间的早晚、移动快慢、停滞时间长短等对中国东部夏季雨季开始时间、雨带位置、降水强度及雨季结束早晚等有重要影响（陶诗言等，1958；Liang and Wang, 1998；Yang et al., 2002；Gong and Ho, 2002；Lu, 2004；廖清海等，2004；Lin and Lu, 2005；况雪源和张耀存，2006a；Zhang et al., 2006; 陶诗言和卫捷，2006；毛睿等，2007；杨莲梅和张庆云, 2007, 2008；杜银等，2009；孙凤华等，2009；宣守丽等, 2011, 2013; 金荣花等，2012）。
东亚高空副热带西风急流表现为多时间尺度变化特征，在高频天气时间尺度上，东亚高空副热带西风急流的异常对热带对流活动、季风环流突变等天气过程产生影响，强的天气尺度波动活动量对应着强的急流，弱的天气尺度波动活动量对应着弱的急流，热量涡动输送也呈现与天气尺度波动活动能量类似的特征（Lau et al., 1983；李崇银等，2004；吴伟杰等，2006）。在季节、年际时间尺度上夏季东亚西风急流Rossby波扰动动能加强（减弱）与北半球西风急流强弱和沿急流的定常扰动以及东亚西风急流位置偏南（偏北）有关，同时还与东亚地区高、中、低纬南北向的扰动波列有关，500 hPa西太平洋副热带高压对东亚西风带扰动异常的响应，是由高空东亚西风急流南侧的散度场及其对流层中下层热带和副热带地区的垂直速度距平异常变化完成（杨莲梅和张庆云，2007）。在年代际时间尺度上，20世纪80年代以来（1980~2008年），盛夏（7~8月）200 hPa风场上的东亚高空副热带西风急流位于东亚35°N以南（处于年代际变化的偏南阶段），与此对应的是东亚35°N以南从地面到300 hPa垂直运动场呈现为上升运动，视热源（Q1）和视水汽汇（Q2）呈现正距平，东亚35°N以北从地面到300 hPa垂直运动场呈现为下沉运动，Q1和Q2呈现为负距平，造成了20世纪80年代以来我国东部夏季降水呈现出“南涝北旱”型，这说明20世纪80年代以来200 hPa风场上东亚高空副热带西风急流处于年代际偏南阶段对我国东部夏季降水的“南涝北旱”型有重要影响（Xuan et al., 2011）。
东亚高空副热带西风急流形成与变化机理方面的研究已取得了一系列研究成果，研究发现西风急流的形成与地形、海陆热力对比及Hadley环流在副热带地区的下沉有关（Bolin，1950；Palmén，1951；Smagorinsky，1953；陶诗言和陈隆勳，1957；Reiter，1963；张家诚，1980；Huang and Gambo, 1982；Wallace，1983；况雪源等，2009；林中达，2011）。一些学者也提出了不均匀加热造成平均流的扰动而产生急流的假设。Krishnamurti（1979）研究指出，三个热带加热中心和冬季北半球的三个西风急流中心有明显的联系。Yang and Webster（1990）进一步指出，夏季热带地区的对流加热可以跨赤道影响另一个半球冬季西风急流的位置和强度，并且西风急流的年际变化与ENSO有密切联系。董敏等（1999）研究了东亚高空西风急流与热带对流加热场的关系，发现西风急流中心的季节变化与热带对流加热的季节变化有紧密联系，东亚地区的纬向西风强度的年际变化与热带加热场的同期及前期状况也密切相关。况雪源和张耀存（2006b）探讨了东亚高空西风急流季节变化的热力影响机制，发现非绝热加热对急流中心的东西移动有引导作用，青藏高原春夏季对流层中上层强大的加热作用是导致6~7月急流中心位置西移突变的原因。申乐琳等（2009）的研究也表明，夏季整个青藏高原特别是高原北部平均温度场与急流中心强度变化联系紧密，而高原东南部平均温度场主要体现了夏季西风急流位置纬向一致的南北移动；其次，夏季副热带西风急流的变化还与青藏高原西南部与菲律宾以东的西太平洋热源差变化有密切联系。
综上可见，夏季东亚高空副热带西风急流不同时间尺度的变化对我国夏季降水异常变化有重要影响，相关研究成果已在业务中有了较好的应用，然而有关夏季东亚高空副热带西风急流季节内异常成因及其前兆信号的研究并不多，这也正是短期气候预测急需解决的问题，因此深入探讨夏季东亚高空副热带西风急流季节内（月际）异常成因及其前兆信号的物理过程，可为提高我国夏季季节内降水的预测能力提供科学依据。本文将重点探讨夏季东亚高空副热带西风急流季节内（月际）异常的东亚大气环流特征及其前兆信号的物理意义。第2节介绍本文资料与方法；第3节分析东亚高空副热带西风急流时空变化特征；第4节探讨夏季东亚高空副热带西风急流逐月变化的大气环流特征；第5节探讨夏季东亚高空副热带西风急流月际异常成因及前兆信号；第6节结论与讨论。
2 资料与方法本文所用的资料有：NCEP/NCAR再分析月平均资料，其水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向分为17层；NOAA Extended Reconstructed SST V3的月平均海表温度资料，分辨率为2°×2°；中国气象局国家气候中心160站月降水资料。文中三维波作用通量的计算公式详见文献Takaya and Nakamura（1997, 2001）。
3 东亚高空副热带西风急流的时空变化特征天气气候过程及多年资料分析发现，东亚高空副热带西风急流位置、强度变化有显著的年代际、年际、季节、月际及天气尺度的时空变化特征，为了客观定量化的了解东亚高空副热带西风急流气候态的月际变化特征，图 1给出多年（1951~2008年）平均东亚高空副热带西风急流逐月位置及最大风速中心的基本特征。初春到盛夏（图 1a，3~8月）东亚高空副热带西风急流位置不断北进，8月最北位于45°N附近；初秋到隆冬（图 1b，9~2月）东亚高空副热带西风急流位置不断南撤，2月最南位于27.5°N附近。6月和9月，东亚—太平洋地区出现两个大风速中心（分别位于东亚大陆和太平洋上空），其他月只有一个大风速中心，秋、冬、春季各月最大风速中心位于太平洋140°E~150°E，夏季各月最大风速中心位于东亚大陆上空，可见夏季东亚高空副热带西风急流季节内逐月变化对我国天气气候异常有直接影响，本文重点探讨夏季东亚高空副热带西风急流季节内变化特征。
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图 1 200 hPa东亚高空副热带西风急流轴位置的气候平均逐月变化：（a）3月~8月；（b）9月~2月。圆圈表示各月最大风速中心位置 Figure 1 Monthly averaged climatological position of the EASWJ (East Asian Subtropical Westerly Jet) axis at 200 hPa: (a) March to August; (b) September to February. The circles denote the positions of monthly maximum wind speed |
图 2是1951~2008年平均的6、7、8月200 hPa纬向风的气候态分布。6月东亚高空急流轴（最大风速达30 m s−1以上的中心纬度，下同）位于37.5°N（图 2a），7月急流轴位置北移到40°N（图 2b），8月急流轴北移至42.5°N附近（图 2c）。夏季亚洲大陆上空有两个最大风速中心，一个位于西亚地区（40°~60°E），另一个位于东亚地区（90°~130°E），本文重点探讨夏季东亚地区高空副热带西风急流季节内异常特征及成因。
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图 2 1951~2008年月平均200 hPa纬向风（单位：m s−1）：（a）6月；（b）7月；（c）8月 Figure 2 Monthly averaged 200h-Pa zonal wind (units: m s−1) during 1951–2008: (a) June; (b) July; (c) August |
为了定量化地描述夏季逐月东亚高空副热带西风急流位置特征，我们根据200 hPa急流轴气候态位置（6月：37.5°N；7月：40°N；8月：42.5°N），把急流轴南侧与北侧各5个纬度，90°~130°E范围内平均纬向风标准化之差（南减北）定义为月平均急流位置指数（EASWJPI），正指数代表急流位置偏南，负指数代表急流位置偏北。具体计算如下：
6月：EASWJPI=U200 (32.5°~37.5°N, 90°~130°E)－U200 (37.5°~42.5°N, 90°~130°E)
7月：EASWJPI=U200 (35.0°~40.0°N, 90°~130°E)－U200 (40.0°~45.0°N, 90°~130°E)
8月：EASWJPI=U200 (37.5°~42.5°N, 90°~130°E)－U200 (42.5°~47.5°N, 90°~130°E)
图 3是1951~2008年6、7、8月平均的东亚高空副热带西风急流位置指数。图 3显示的年代际变化表明，无论是6月、7月还是8月其年代际转折都发生在1980年前后，6月急流位置在1980年前相对偏南、1980年后相对偏北（图 3a），7月和8月急流位置在1980年前都相对偏北、1980年后相对偏南（见图 3b、c）。Xuan et al.（2011）研究指出：20世纪80年代以来我国东部地区夏季降水呈现为“南涝北旱”型与1980年后盛夏（7~8月）200 hPa风场上东亚高空副热带西风急流位置处于年代际偏南阶段有关。然而为什么6月急流位置指数年代际变化趋势与7~8月急流位置指数年代际变化趋势有所不同，我们将在后面进行讨论。
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图 3 1951~2008年月平均标准化的东亚高空副热带西风急流位置指数：（a）6月；（b）7月；（c）8月。绿点实线为9年滑动平均 Figure 3 Normalized time series of monthly mean position index of EASWJ (EASWJPI) during 1951–2008: (a) June; (b) July; (c) August. The green solid line with dots indicates 9-year moving average of the EASWJPI |
基于夏季6、7、8月急流位置的年代际转折都发生在1980年前后，因此我们在讨论年际变化时，重点分析1979~2008年西风急流位置的年际变化特征。从图 3可见，夏季6、7、8逐月急流位置都存在显著的年际变化，为了使不同月异常情况样本数均衡，定义6月急流位置指数大于0.8和小于−1.0标准差为急流位置偏南、偏北年，6月急流位置偏南年有6年：1979、1982、1992、1995、1997、2003年；偏北年有6年：1981、1984、1987、1989、1996、1999年。定义7月和8月急流位置指数大于1.0和小于−1.0标准差为急流位置偏南和偏北年，7月急流位置偏南年有7年：1979、1980、1982、1983、1987、1993、2007年；偏北年有6年：1981、1988、1994、2000、2001、2006年。8月急流位置偏南年有5年：1980、1987、1993、1998、2003年；偏北年有6年：1979、1994、1996、1997、1999、2006年。夏季6、7、8月位置偏南（北）年的环流特征将是本文探讨的重点。
从图 3可见，夏季急流位置季节内变化有多种变化特征，如1982年6、7月急流位置偏南，8月位置偏北；1987年6月急流位置偏北，7、8月位置偏南；1998年6、7、8月急流位置都偏南；2006年6、7、8月急流位置都偏北。分析发现，1998年夏季长江流域出现“二度梅”与盛夏7、8月西风急流位置偏南有关，1998年6、7、8月急流位置偏南，造成西太平洋副热带高压位置偏南，1998年夏季长江流域降水异常偏多（图略）。2006年6、7、8月急流位置都偏北，造成西太平洋副热带高压位置偏北，2006年夏季长江流域大部地区降水异常偏少（图略），夏季川东盆地遭遇了严重的高温热浪和伏旱与2006年夏季逐月急流位置偏北有关。这说明夏季东亚高空副热带西风急流位置季节内异常对我国东部降水异常变化有重要影响。
综上所述，我国夏季东部雨带位置年代际、年际、季节内变化与东亚高空副热带西风急流位置多时间尺度的变化密切相关，下面我们重点分析夏季东亚高空副热带西风急流6、7、8月位置异常的环流特征。
4 夏季逐月东亚高空副热带西风急流异常的环流特征图 4是1979~2008年6月东亚高空副热带西风急流位置指数与500 hPa位势高度场及200 hPa风场相关（图中暖色代表正相关、冷色代表负相关，浅色、深色阴影分别是通过95%和99%信度水平的相关区，下同）。从图 4a显示的通过95%和99%信度水平的正（负）相关系数可见，欧亚大陆到西太平洋的中高纬地区位势高度相关场呈现出东—西向分布的相关波列，乌拉尔山与西太平洋地区分别为负相关区、贝加尔湖附近为正相关区，说明6月东亚高空副热带西风急流位置偏南（偏北）年在乌拉尔山、贝加尔湖、西太平洋高纬地区位势高度出现“− + −”（“+ − +”）的异常，东亚沿海中纬度地区（30°~40°N，100°~130°E，下同）位势高度出现负（正）异常；图 4b显示的通过95%和99%置信水平的正（负）相关区分别位于东亚37.5°N以南（北），欧亚大陆到西太平洋中高纬地区的相关系数分布特征与500 hPa高度场的相关分布特征一致，这说明高、中层环流呈准正压结构；图 4a（b）的相关场清楚表明，6月东亚高空副热带西风急流位置偏南（北）与欧亚高纬度乌拉尔山、贝加尔湖、东亚中纬沿海地区位势高度距平呈现“− + −”（“+ − +”）异常分布有关。
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图 4 1979~2008年6月东亚高空副热带西风急流位置指数与同期（a）500 hPa位势高度场的相关系数、（b）200 hPa风场的相关。暖（冷）色表示正（负）相关，浅、深阴影区分别表示信度水平为95%、99% Figure 4 Simultaneous correlation maps of the EASWJPI in June with (a) 500-hPa geopotential height and (b) 200-hPa winds during 1979–2008. Warm (cold) color indicates positive (negative) correlation; light and dark shadings indicate 95% and 99% confidence levels, respectively |
为了进一步了解6月东亚高空副热带西风急流位置偏南（北）年欧亚大陆高纬度及东亚中纬西风带环流异常年物理量变化特征。图 5a（b）给出了6月急流位置偏南（北）年500 hPa位势高度距平及其Rossby波列、TN通量及其TN通量散度场合成（图中阴影区代表Rossby波作用通量辐散、辐合，波作用通量辐散代表Rossby波能量的发散即波源、辐合表示能量的吸收即波汇，波作用通量的辐合区有利于异常环流的维持）。从图 5a显示的6月急流位置偏南年的合成分析可见（图 5a与图 4a给出的相关分析完全一致），北大西洋到欧亚大陆（30°W~130°E）中高纬地区位势高度距平呈现“− + − + −”的距平波列，三个负距平中心分别位于北大西洋、乌拉尔山、东亚沿海中纬度地区上空，两个正距平中心位于北欧和贝加尔湖附近，图 5a箭头所示的波作用通量表明，波能量沿着Rossby波列从北大西洋上空经北欧、乌拉尔山及贝加尔湖地区向东亚沿海中纬度地区传播，东亚沿海中纬度地区为能量辐合区，其位势高度呈现负异常，说明东亚沿海中纬度受异常气旋性环流控制，使得东亚急流位置比气候平均态（37.5°N）偏南。从图 5a还清楚可见，乌拉尔山、东亚沿海中纬度上空位势高度的负异常与源自北大西洋上空东传的Rossby波列在北大西洋上空呈现出的负异常一致。6月急流位置偏北年的Rossby波列位相（图 5b）与偏南年完全相反，北大西洋到欧亚大陆（30°W~130°E）中高纬地区位势高度距平呈现出“+ − + − +”的距平波列，三个正距平中心分别位于北大西洋、乌拉尔山、东亚沿海中纬度上空，两个负距平中心分别位于北欧和贝加尔湖附近。从图 5b箭头所示的波作用通量可见，波能量沿着Rossby波列从北大西洋上空经北欧、乌拉尔山及贝加尔湖地区向东亚沿海高纬度上空传播，贝加尔湖地区为能量辐合区，其位势高度表现为负异常，东亚沿海中纬度地区位势高度为正异常，说明东亚沿海中纬度受异常反气旋性环流控制，使得东亚急流位置比气候平均态（37.5°N）偏北。从图 5b还清楚可见，乌拉尔山、东亚沿海中纬度上空的位势高度正异常与源自北大西洋上空东传的Rossby波列在北大西洋上空呈现出的正异常一致。图 5a、b清楚表明，6月乌拉尔山、贝加尔湖及东亚沿海中纬度环流异常受北大西洋上空位势高度正、负异常影响，北大西洋上空位势高度正、负异常对欧亚大陆中高纬东传的Rossby波列的位相变化有直接影响，北大西洋上空位势高度正、负异常的成因将在下节探讨。
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图 5 6月500 hPa位势高度距平（等值线，单位：gpm）、波作用通量（箭头，单位：m2 s−2）、波作用通量散度（单位：10−6 m s−2，暖色、冷色阴影代表辐散、辐合）合成场：（a）东亚高空副热带西风急流位置偏南年；（b）东亚高空副热带西风急流位置偏北年 Figure 5 Composites of 500-hPa geopotential height anomalies (contours, units: gpm), wave activity fluxes (vectors, units: m2 s−2), and divergence of the wave activity fluxes (shadings, units: 10−6 m s−2) in June for years (a) when the EASWJPI is located to the south of its normal position and (b) when the EASWJPI is located to the north of its normal position. Warm (cool) color shading indicates divergence (convergence) |
图 6是1979~2008年7月东亚高空副热带西风急流位置指数与500 hPa位势高度场及200 hPa风场相关。从图 6a显示的相关系数通过95%和99%信度水平的分布可见：欧亚大陆中高纬度虽然有信度的相关区，但最显著的正、负相关分别出现在东亚沿海—西太平洋的热带、副热带地区，这说明7月急流位置南、北异常与西太平洋热带、副热带地区位势高度异常变化有关。图 6b是7月急流位置指数与200 hPa风场的相关，通过95%和99%信度水平的正（负）相关区出现在东亚—西太平洋40°N以南（北），表明7月急流位置指数正（负）异常年的东亚高空副热带西风急流中心位于40°N以南（北）。图 6a、b还清楚表明，无论是500 hPa位势高度场还是200 hPa纬向风场上通过95%和99%信度水平的相关区都出现在西太平洋热带、副热带地区，说明7月急流位置偏南（北）更多受西太平洋热带环流特别是西太平洋副热带高压异常变化影响。
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图 6 同图 4，但为7月的相关 Figure 6 As in Fig. 4, but for simultaneous correlation maps of the EASWJPI in July |
为了进一步了解7月东亚高空副热带西风急流位置偏南（北）年西太平洋热带、副热带环流异常的物理量变化特征。图 7a（b）给出了7月急流位置偏南（北）年500 hPa位势高度距平及其Rossby波列、TN通量及其TN通量散度场合成。从图 7a（b）显示的7月急流位置偏南（北）年环流可见，虽然北大西洋到欧亚大陆（30°W~130°E）中高纬地区位势高度距平中心也出现Rossby波列（偏南、偏北年Rossby波列的位相分布相反），但从波作用通量即波能量的传播特征可见，通过显著性检验的且最强波能量都是由西太平洋热带向副热带地区传播（图 7a、b箭头），急流位置偏南（北）年500 hPa位势高度场上西太平洋热带到副热带Rossby波列位相分别呈现为正—负（负—正）距平分布特征（图 7a、b等值线），即西太平洋副热带高压位置偏南（北），东亚沿海中纬度地区位势高度呈现负（正）异常，说明东亚沿海中纬度上空的气旋（反气旋）性环流加强，有利7月东亚高空副热带西风急流位置比气候平均态（40°N）偏南（北）。图 7清楚表明，7月欧亚大陆中高纬波作用通量的影响较弱，东亚中纬度上空环流异常主要受源自热带西太平洋及我国南海地区上空北传的Rossby波列位相及波能量的影响，7月热带西太平洋和我国南海上空位势高度正、负异常成因将在下节探讨。
图 8是1979~2008年8月东亚高空副热带西风急流位置指数与500 hPa位势高度场及200 hPa风场相关。从图 8a显示的相关系数通过95%和99%信度水平的分布清楚可见：南亚大陆及东亚大陆低纬到高纬的相关系数自南向北呈正、负、正的分布，这说明8月东亚急流位置偏南（北）异常主要受东亚大陆高、中、低纬环流异常变化影响，当东亚大陆低纬到高纬的位势高度距平呈现“+ − +”（“− + −”）的分布，有利8月东亚高空副热带西风急流位置偏南（北）。图 8b是8月急流位置指数与200 hPa风场的相关，通过95%和99%信度水平的正（负）相关区出现在东亚大陆42.5°N以南（北），说明东亚高空副热带西风急流位置位于42.5°N以南（北）。图 8a、b清楚表明，无论是500 hPa位势高度场还是200 hPa纬向风场上通过95%和99%信度水平的相关区都出现在南亚与东亚大陆上空，说明8月南亚高压位置南（北）变化对8月急流位置异常起了重要作用。
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图 8 同图 4，但为8月的相关 Figure 8 As in Fig. 4, but for simultaneous correlation maps of the EASWJPI in August |
为了进一步了解8月东亚高空副热带西风急流位置偏南（北）年南亚及东亚大陆环流异常的物理量变化特征。图 9a（b）给出了8月急流位置偏南（北）年500 hPa位势高度距平及Rossby波列、TN通量及其TN通量散度场合成。从图 9a（b）显示的8月急流位置偏南（北）年环流可见，无论是急流位置偏南或偏北年的欧亚大陆中高纬地区的Rossby波列的波作用通量都是沿着高纬地区向东传播（图 9a、b箭头），影响东亚中纬度地区的波作用通量（波能量）都是从东亚热带向副热带地区传播（图 9a、b箭头），说明8月东亚大陆中纬地区环流异常主要受来自南亚大陆及东亚大陆热带向副热带方向传播的Rossby波列的波作用通量影响。从图 9a、b等值线分布可见，500 hPa位势高度场上南亚大陆及东亚低、中高纬度地区距平分布呈现为正—负（负—正）特征，也就是说东亚沿海中纬度地区的负（正）位势高度距平的异常受南亚向东亚副热带地区北传的Rossby波列正—负（负—正）位相变化影响，当东亚沿海大陆30°N以南位势高度出现正（负）异常，有利8月东亚高空副热带西风急流中心位置比气候平均态（42.5°N）偏南（北）。从图 9清楚可见，8月东亚大陆中纬度环流异常主要与源自南亚大陆向东亚大陆中纬北传的Rossby波能量和波位相变化影响，8月南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波的位相异常成因将在下节探讨。
综上所述，6月东亚高空副热带西风急流位置偏南、偏北与源自北大西洋上空的欧亚大陆中高纬度Rossby波列位相变化有关；7月东亚高空副热带西风急流位置偏南、偏北受源自热带西太平洋向北传的Rossby波列位相变化的影响；8月东亚高空副热带西风急流位置偏南、偏北与源自南亚大陆向东亚大陆副热带北传的Rossby波列位相变化的影响，下面将进一步分析夏季季节内（6、7、8月）大气环流内部动力过程Rossby波列位相变化与外强迫因子异常的关系。
5 夏季东亚高空副热带西风急流季节内异常的外强迫信号大气环流内部动力过程异常受外强迫因子海温异常变化的影响。我们进一步探讨6、7、8月Rossby波列位相异常特征与外强迫因子海温异常关系，对6、7、8月东亚高空副热带西风急流指数与前冬12月至同年逐月（包括6、7、8月）全球海温进行时—空相关计算，探讨前期最显著的外强迫因子异常特征对东亚大气环流的影响。
图 10给出的是1979~2008年6、7、8月东亚高空副热带西风急流与全球海温的时—空相关最显著的海温关键区（图中方框区为通过95%信度水平的区域），图 10清楚表明，虽然海温关键区位于不同海域，但时间都出现在春季，这说明6、7、8月东亚高空副热带西风急流位置的变化与春季海温关系最显著。根据图 10a中的方框所示，把3~4月平均的北大西洋海温关键区（方框A、B）的海温标准差定义为北大西洋海温指数：IA=SST (18°~24°N，70°~100°W)－SST (42°~46°N，50°~62°W)，根据IA定义，计算得到1979~2008年逐年春季IA指数，春季IA指数与6月急流指数相关达0.52（通过99%的信度水平），这说明春季北大西洋海温指数（IA）为正（负）异常，有利6月东亚高空副热带西风急流位置偏南（北）。根据图 10b方框所示，把4~6月平均热带西太平洋海温关键区（图中的方框）的海温标准差定义为热带西太平洋海温指数：IWP=SST(10°~20°N, 120°E~180°)，根据IWP定义，计算得到1979~2008年逐年春季热带西太平洋海温指数，春季IWP指数与7月东亚高空副热带西风急流指数相关达到−0.56（通过99%的信度水平），说明春季热带西太平洋海温指数为负（正）异常，有利7月东亚高空副热带西风急流位置偏南（北）。根据图 10c所示，把5月热带印度洋海温关键区（图中的方框）的海温标准差定义为热带印度洋海温指数：IIND=SST(0°~20°N，30°~90°E)，根据IIND定义，计算得到1979~2008年逐年春季热带印度洋海温指数，春季IIND指数与8月东亚高空副热带西风急流指数相关系数达0.47（通过99%的信度水平），说明春季热带印度洋海温指数正（负）异常，有利8月东亚高空副热带西风急流位置偏南（北）。
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图 10 1979~2008年月平均东亚高空副热带西风急流位置指数与春季海表温度相关系数：（a）6月；（b）7月；（c）8月。方框区为通过95%信度水平的海温关键区，浅、深阴影区分别表示信度水平为95%、99% Figure 10 Correlation coefficients between EASWJPI and SST in spring during 1951–2008: (a) June; (b) July; (c) August. The boxes indicate key areas of sea surface temperature that correlation coefficient exceed the 95% confidence level. Light and dark shadings indicate 95% and 99% confidence levels, respectively |
我们在对6、7、8月东亚高空副热带西风急流指数与前冬12月至当年逐月（包括6、7、8月）海温的相关分析中还发现，冬季赤道东太平洋海温为El Niño（La Niña）型，有利夏季东亚高空副热带西风急流位置偏南（北），其结论与黄兴春和江静（2008）研究指出的厄尔尼诺年夏季在急流区内偏南部纬向风明显增强、拉尼娜年夏季在急流区内偏南部纬向风减弱的结论一致，本文的合成分析去除El Niño（La Niña）年的信号。
为了更清楚了解春季北大西洋关键区海温异常对6月东亚高空副热带西风急流位置影响的物理过程，把春季北大西洋海温IA指数大于0.5（小于−0.5）标准差定义为IA指数正（负）异常年，春季IA指数正（负）异常各有7年，分别是：1982、1990、1992、1997、2003、2004、2007年（1981、1984、1988、1993、1999、2000、2005年）。图 11a（b）是根据春季IA指数7正（7负）年得到的6月200 hPa位势高度距平的Rossby波列、TN通量及TN通量散度场，从图可见，北大西洋到欧亚大陆中高纬的Rossby波列呈现为“− + − + −”（“+ − + − +”）的距平波列分布，其中三个负（正）距平中心分别位于北大西洋、乌拉尔山、东亚沿海中纬度地区上空，波作用通量及波能量沿着Rossby波列从北大西洋上空经北欧、乌拉尔山地区向东亚沿海中纬度地区传播（图 11a、b箭头），图 11a（b）显示的Rossby波列位相分布与图 5a（b）给出的6月东亚高空副热带西风急流位置偏南（北）年Rossby波列位相分布一致。此外我们还分析了春季IA指数7正（7负）异常年6月200 hPa纬向风距平场（图略），发现最大西风分别出现在东亚37.5°N以南（北），这说明春季北大西洋关键区海温指数表现为正（负）异常有利6月东亚高空副热带西风急流位置偏南（北），其影响过程是通过6月欧亚大陆中高纬东传的Rossby波列位相变化完成。
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图 11 6月200 hPa位势高度距平（等值线，单位：gpm）、波作用通量（箭头，单位：m2 s−2）、波作用通量散度（单位：10−6 m s−2，暖色、冷色阴影代表辐散、辐合）合成场：（a）春季IA正指数年；（b）春季IA负指数年 Figure 11 Composites of 200-hPa geopotential height anomaly (contours, units: gpm), wave activity fluxes (arrows, units: m2 s−2), and divergence of wave activity fluxes (shadings, units: 10−6 m s−2) in June for years with (a) positive IA (the index of North Atlantic SST anomalies in spring) indices and (b) negative IA indices in spring. Warm (cool) color shading indicates divergence (convergence) |
对春季热带西太平洋关键区海温异常影响7月东亚高空副热带西风急流位置异常的物理过程进行分析，春季热带西太平洋海温IWP指数大于0.9（小于−1.0）标准差定义为IWP指数正（负）异常年，春季IWP正（负）异常年各有7年：1996、1999、2000、2001、2002、2007、2008年（1979、1980、1982、1983、1985、1992、1993年）。图 12a（b）是春季IWP指数7个负（正）年合成得到的7月500 hPa位势高度距平场及Rossby波列、TN通量及TN通量散度场。从图可见，春季IWP指数负（正）异常年的7月西太平洋热带、副热带地区的位势高度距平呈相反的分布特征，即春季IWP负（正）异常年的西太平洋热带、副热带以及高纬度Rossby波列位相呈现为正—负—正（负—正—负）距平波列，西太平洋中纬度地区位势高度表现为负（正）异常，通过99%信度水平的最强波作用通量由西太平洋热带向副热带传播（图 12a、b箭头）。图 12a、b给出的西太平洋Rossby波的位相特征及Rossby波能量传播方向都与图 7a、b显示的西太平洋区域的位相分布及传播特征一致，这说明春季热带西太平洋海温出现负（正）异常有利7月东亚高空副热带西风急流位置偏南（北），其影响过程是通过7月西太平洋热带向副热带传播的Rossby波列位相变化完成。
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图 12 7月500 hPa位势高度距平（等值线，单位：gpm）、波作用通量（箭头，单位：m2 s−2）、波作用通量散度（单位：10−6 m s−2，暖色、冷色阴影代表辐散、辐合）合成场：（a）春季IWP负指数年；（b）春季IWP正指数年 Figure 12 Composites of 500-hPa geopotential height anomalies (contours, units: gpm), wave activity fluxes (arrows, units: m2 s−2), and divergence of wave activity fluxes (shadings, units: 10−6 m s−2) in July for years with (a) negative IWP (the index of tropical western Pacific SST anomalies in spring) indices and (b) positive IWP indices in spring. Warm (cool) color shadings indicate divergence (convergence) |
对春季印度洋关键区海温异常影响8月东亚高空副热带西风急流位置异常的物理过程进行分析，把春季印度洋海温标准差指数IIND大于1.0（小于−0.7）定义为IIND正（负）异常年，春季IIND指数正异常有7年：1980、1987、1991、1998、2003、2005、2007年；负异常有6年：1979、1984、1985、1989、1999、2008年。图 13a（b）是根据春季IIND指数7正（6负）合成的8月850 hPa风距平场。从图可见，正（负）异常年南亚大陆到东亚大陆热带、副热带地区风距平场呈相反分布特征，即IIND正（负）异常年从南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相呈现气旋—反气旋—气旋（反气旋—气旋—反气旋）距平波列（图 13a、b矢量风），其分别对应着8月西太平洋副热带高压位置偏南（北）。图 13a、b显示的Rossby波列位相及Rossby波传播方向都与图 9a、b呈现的分布一致。为了清楚了解春季IIND指数正（负）异常年8月东亚高空副热带西风急流位置的变化特征，图 13c（d）给出了春季7正（6负）IIND指数年对应的8月200 hPa纬向风距平合成图，从图清楚可见春季IIND指数正（负）异常年8月200 hPa东亚高空副热带西风急流位置分别位于42.5°N以南（北），这说明春季热带印度洋关键区海温异常有利8月东亚高空副热带西风急流位置偏南（北），其影响过程是通过南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波波列位相变化完成。
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图 13 8月（a、b）850 hPa风场距平和（c、d）200 hPa风场距平合成（箭头，单位：m s−1）：（a、c）春季IIND正指数年；（b、d）春季IIND负指数年。图c、d的红虚线表示42.5°N，红色箭头表示西风加强。暖（冷）色表示纬向风正（负）异常，浅、深阴影区分别表示信度水平为95%、99% Figure 13 Composites of wind anomalies (arrows, units: m s−1) at (a, b) 850 hPa and (c, d) 200 hPa in August for years with (a, c) positive IIND (the index of Indian Ocean SST anomalies in spring) indices and (b, d) negative IIND indices in spring. Red dashed line indicates 42.5°N and the red arrow indicates that the westerly wind is strengthening in Figs. c, d. Warm (cold) color indicates zonal wind positive (negative) anomalies, the light and dark shadings indicate confidence levels at 95% and 99% |
综上所述，6月东亚高空副热带西风急流位置异常与欧亚大陆中高纬度东传的Rossby波列位相变化有关，其位相变化受春季北大西洋关键区海温异常变化影响；7月东亚高空副热带西风急流位置异常与西太平洋地区热带向副热带传播的Rossby波列位相变化有关，其位相变化受春季西太平洋热带关键区海温异常变化影响；8月东亚高空副热带西风急流位置异常与南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相变化有关，其位相变化受春季印度洋关键区海温异常变化影响。
6 结论与讨论东亚高空副热带西风急流是东亚季风环流系统中的重要成员，东亚高空副热带西风急流位置有显著的年代际、年际、季节和季节内变化，我国夏季降水雨带的季节内变化与东亚高空副热带西风急流位置季节内异常变化有关。本文利用统计及物理量诊断方法对1979~2008共30年的夏季季节内东亚高空副热带西风急流变化特征及其关键环流的外强迫信号的物理过程进行了探讨，主要结论：6月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受欧亚大陆中高纬自西向东传播的Rossby波列位相变化影响，春季北大西洋关键区海温异常是欧亚大陆中高纬东传的Rossby波列位相变化的最显著外强迫信号；7月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受西太平洋热带向副热带北传的Rossby波列位相变化影响，春季西太平洋热带关键区海温异常是西太平洋热带向副热带传播的Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号；8月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相变化影响，春季印度洋关键区海温异常是南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号。
我们的分析还指出6、7、8月东亚高空副热带西风急流位置在20世纪80年代前后都出现了年代际转折，但6月年代际转折趋势与7、8月相反（图 3），可能是6月西风急流位置的异常主要受北大西洋副热带海温异常变化影响，而7、8月急流位置异常主要受热带西太平洋、印度洋海温异常变化的影响，也就是说，7、8月东亚高空副热带西风急流位置年代际转折趋势一致，可能与外强迫信号都出现在热带海洋有关，而6月东亚高空副热带西风急流位置年代际变化的外强迫信号可能与其出现在北大西洋副热带海洋有关。
此外我们还对夏季东亚高空副热带西风急流逐日位置指数的振荡周期进行了计算，分析发现，夏季东亚高空副热带西风急流位置季节内最显著的振荡周期为7~22天，急流位置指数7~22天的振荡周期与北极涛动（AO）指数变化有关（图略），当AO指数处于季节内振荡正（负）位相，东亚高空副热带西风急流位置偏南（北）。这说明夏季东亚高空副热带西风急流位置季节内异常不仅与前期外强迫因子海温异常引发热带、副热带环流异常有关，同时还受中高纬度环流北极涛动异常变化影响。因此我们还需要进一步通过数值模拟方法，深入探讨东亚高空副热带西风急流位置季节内高、中、低纬环流异常对前期海温异常响应的物理过程。
需要指出的是：本文的相关和物理量诊断的结论都是基于1979~2008年30年资料，为了了解本文结论是否有一定代表性和应用价值，我们对2009年以来的夏季东亚高空副热带西风急流位置月际变化的实况与预测结果进行了检验，结果表明本文给出的关键区海温的前兆信号有一定的应用价值，但相关结论还需要在业务工作中进一步检验。
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