陶丽　柯元惠　赵久伟

摘要利用夏季东亚地区500 hPa高度场和菲律宾附近的降水场进行SVD分析，将东亚500 hPa高度场对应的时间序列定义为PJ指数，该指数不仅清楚地反映PJ型的年际变化，而且反应出PJ型的年代际变化，即500 hPa高度场型态在20世纪70年代末由“气旋、反气旋、气旋”型突变为“反气旋、气旋、反气旋”型。本文研究表明PJ指数的年际变化与ENSO事件有密切的联系：El Nio事件通过电容器充电效应使印度洋海温增暖，而增暖的印度洋海温在菲律宾海附近强迫出异常反气旋，并沿东亚沿岸激发出PJ遥相关型。而PJ型态的年代际变化与热带印度洋SST的持续增暖有关。虽然许多学者认为是菲律宾附近海温异常引起对流异常，并沿东亚沿岸激发出PJ遥相关型，但我们认为该区域的海温变化并不是造成PJ型年际和年代际变化的原因，而是由于该区域有反气旋（或者气旋）异常，从而辐射增加（减少），蒸发减弱（增加），温跃层下降（上升），SST变暖（变冷），该区域的海温变暖意味着对流是减弱的。本文进一步利用大气环流模式ECHAM54进行数值试验，结果表明：当热带印度洋增暖时，在菲律宾海附近强迫出反气旋，并沿东亚激发出“反气旋、气旋、反气旋”PJ遥相关型。

关键词PJ指数；年代际变化；年际变化；热带印度洋SST

夏季遥相关型的研究始于20世纪80年代后期。Nitta（1987）分析卫星云量、海表温度和位势高度场的观测资料，指出当夏季热带西太平洋海温和对流活动异常时，菲律宾周围和日本周围的大气环流存在着一种相反的南北振荡，并定义此振荡为太平洋/日本（PacificJapan，简称PJ）遥相关型。与此同时，黄荣辉和李维京（1988）从观测事实、理论分析和数值计算3个方面研究了北半球夏季大氣环流异常的遥相关和行星波列在北半球大气的传播特征，提出东亚/太平洋（East AsiaPacific，EAP）遥相关型。这两种定义本质上是一致的。PJ型与东亚夏季风关系密切，以其为纽带，连接着不同纬度不同变量之间的变化和异常，对东亚地区的天气气候有重要的影响（林建等，1999；李业进和王黎娟，2016）。因此，PJ型已成为气象工作者广为关注的重点，并应用于东亚夏季气候分析和短期气候预测。

众多学者对PJ型的形成和维持机理进行研究，提出了不同的观点。一种观点是认为是菲律宾附近海温异常引起对流异常，激发向北传的Rossby波，从而引起了北半球夏季波列行星尺度扰动的异常，呈现出明显的经向遥相关型。Nitta（1987）认为当西太平洋海温升高时，菲律宾以东的WNP地区对流加强，中纬和赤道地区对流减弱，即菲律宾和日本附近的对流状况存在反相振荡。黄荣辉和李维京（1988）、Huang and Lu（1989）也认为当西太平洋暖池增暖，菲律宾附近对流会加强，引起副热带高压异常偏北，江淮地区偏旱。另外一种观点是强调大气内部动力过程的作用，认为在没有外强迫的作用下，通过大气的自然变率，仍可出现PJ型。Lau（1992）研究表明此东亚北美型波列是大气环流的内在特性，是由于大气的自然变率产生的，即在没有外强迫的影响时，通过大气内部动力过程——正压不稳定，仍可以出现类似的遥相关型。Kosaka and Nakamura（2006，2010）研究指出，除了热力异常以外，该遥相关型也可以从基本气流中获得能量，从而得以维持。杨若文等（2009）指出大气内部动力过程中，大尺度波—波和波—流相互作用是否显著是造成初夏EAP遥相关波列年际变化的重要原因之一。最近，Xie et al.（2009）则研究表明热带印度洋 SST异常对西太平洋低纬反气旋有重要的强迫作用。ENSO通过电容器充电效应使印度洋海温增暖，而增暖的印度洋海温能激发出Kelvin波传播到西北太平洋地区，在菲律宾海附近有异常反气旋，并沿东亚沿岸激发出PJ遥相关型。PJ遥相关型是菲律宾海温强迫产生还是印度洋海温强迫产生还需进一步明确研究。

有一些学者还研究了PJ型的年代际变化，孙颖等（2014）研究表明PJ型位置在突变之后明显向西向南偏移。黄荣辉等（2006）指出1970年代中后期热带中东太平洋发生了“类似于El Nio型”分布的年代际海温异常，引起PJ型型态发生年代际翻转。然而他文中的PJ型和通常意义上的PJ型并不相像，并且他也并没有解释“类似于El Nio型”是如何引起PJ型的型态反转。本文将通过观测资料分析和数值模拟探讨PJ型发生年代际翻转的机理，并讨论PJ型发生年际变化的机理。

1资料和方法

11观测资料

采用的数据资料主要包括：1958—2001年ECMWF全球大气月平均再分析资料数据集（ERA40），水平分辨率为25°×25°；1948—2012年NCEP/NCAR 全球大气的月平均再分析资料数据集，水平分辨率为25°×25°；1948—2012年NOAA重建全球陆地（PREC/L）的月平均降水数据集，水平分辨率为05°×05°；1948—2012年英国气象局哈德莱中心的月平均海表温度资料，水平分辨率为1°×1°。文中夏季指6、7、8三月平均。

12模式与试验方案

本文所用模式为ECHAM5（European Centre Hamburg Model5），是德国马普气象研究所（Max Planck Institute for Meteorology，MPI）发展的第5代全球大气环流模式（Roeckner et al.，2006）。他是在ECMWF的天气预报模式基础上发展而来的，是当前模拟性能较好的全球模式之一。本文数值试验采用ECHAM54版本，水平分辨率约为1875°×1875°，垂直方向为19层。

为了研究热带印度洋年代际增暖对PJ型年代际变化的影响，设计了热带印度洋增暖（变冷）试验：热带印度洋地区（50～100°E，10°S～23°N）SST月平均气候值加上（减去）增暖的海温，其他地区以月平均SST气候值驱动大气环流模式。

其中：b为1958—2001期间的年海温趋势。1958—1978年为印度洋相对偏冷年，有21 a；1979—2001年为印度洋相对偏暖年，有23 a。图1表现了热带印度洋地区SST增暖趋势分布。1月和7月该区域海表温度均有显著增暖趋势，但7月最为明显，中心增暖强度为05 ℃·（23 a）-1。模式均积分40 a，取后30 a模拟结果，相当于30个统计样本的一个集合平均。

2PJ指数的定义及其年代际变化特征

为了定量表征PJ型的强弱，定义一个合适的PJ指数来探讨其年际及年代际变化是非常有必要的。前人（黄刚和严中伟，1999；Huang，2004；Wakabayashi and Kawamura，2004）往往用PJ活动中心上的位势高度差值来定义PJ指数，但是若PJ中心位置发生变化则以此定义的PJ强度则不准确。

Kosaka and Nakamura（2006，2010）和Kosaka et al.（2013）对经过球谐函数滤波的850 hPa相对涡度场进行EOF展开，并定义第一特征向量对应的时间序列PC1为PJ指数，但进行球谐滤波相对比较繁杂。众所周知，PJ型最早由黄荣辉和李维京（1988）和Nitta（1987）同时提出，他们认为菲律宾附近对流异常能激发出北传的Rossby波，形成PJ型。降水能够直接体现对流的强弱，因此，本文从黄荣辉等及Nitta对PJ型的物理解释出发，利用1958—2001年PREC/L降水资料中夏季菲律宾附近的降水，同ERA40再分析资料夏季东亚地区500 hPa高度场进行SVD分解，第1模态解释高度场的方差百分比为3173%，解释降水场的方差百分比为3547%。从图2a中可以发现其左异类相关图即高度场上具有明显的正负相间的三极子环流分布特征，菲律宾周围和日本周围的大气环流存在着一种相反的南北振荡，是经典的PJ遙相关型。菲律宾附近降水场（图2b）基本为正值分布。图2c中高度场和降水场对应的时间系数之间的相关关系高达070。值得注意的是高度场的时间序列（图2c）除了有明显的年际变化外，也有明显的年代际变化，在20世纪70年代此时间序列由主要为正值转变为主要为负值。这也表明，PJ型的高度场由“-+-”经向三极子型转变为“+-+”经向三极子型，发生了年代际翻转。本文将高度场对应的时间序列标准化，并定义其为PJ指数。又利用1958—2001年期间NCEP/NCAR再分析资料的高度场和GPCC、PREC/L降水场资料分别进行SVD分析，结果十分一致，PJ型同样在20世纪70年代末出现年代际变化（图略），而且不同资料的SVD分析结果中，高度场对应的时间系数之间的相关关系高达099。

将ERA40资料夏季东亚地区500 hPa高度场进行EOF分析（图略），其第1模态方差贡献率为332%，时间系数与SVD分析高度场对应的时间系数之间的相关关系为099。综上所述，用不同的资料和方法进行研究，均发现PJ指数在20世纪70年代末从正值向负值突变，即PJ型型态从“气旋、反气旋、气旋”向“反气旋、气旋、反气旋”转变，说明PJ型确实发生了年代际变化。

图3将夏季850 hPa风场与同期PJ指数进行相关分析。风场上表现出明显的正负相间的三极子环流分布特征，节点中心分别位于低纬菲律宾附近，中纬度日本附近和高纬度鄂霍次克海地区，表明新定义的PJ指数是合理的，能体现出PJ型的变化特征。

由1979—2001年期间与1958—1978年期间夏季500 hPa位势高度差值分布（图4a）可以看出，东亚地区500 hPa高度场上呈现出一个西南—东北向波列。其中，30°N以南低纬地区均为显著正异常，日本附近为负距平区，鄂霍次克海附近为正距平区，这与PJ型型态发生翻转的年代际变化特征一致。从850 hPa水平风场差值分布（图4b）可见，PJ型年代际变化后期，中国华南、台湾及南海地区为异常反气旋，日本附近为异常气旋控制，鄂霍次克海为异常反气旋。这样在东亚地区从低纬到高纬形成了异常反气旋、异常气旋及异常反气旋的PJ型分布，与500 hPa高度场差值分布相对应。也就是说PJ型确实发生了年代际变化。

3PJ型年际及年代际变化的机理

许多学者研究表明，PJ型的形成和维持与海温的热力强迫作用有很大的关系（Nitta，1987；黄荣辉和李维京，1988；Huang and Lu，1989；Xie et al.，2009）。图5分别给出了夏季PJ指数与前期冬季和同期夏季全球海表温度相关系数分布。前期冬季与PJ型相关最密切的海区有：热带印度洋、南海、赤道中东太平洋，最大相关系数都达到-05以上。赤道中东太平洋相关分布与ENSO时期海温异常分布型类似。中纬度北太平洋为正相关。同期夏季与PJ型相关分布最显著的区域为热带印度洋、南海、菲律宾海附近。赤道中东太平洋的显著相关区域已经减弱。总的来说，与PJ型相关的中东太平洋ENSO型海温分布在前冬最强，向后逐渐衰减，夏季达到最弱。热带印度洋从前冬到夏季相关性均很好。而菲律宾海附近的海温与PJ型相关从前冬的弱正相关到同期夏季转变为负相关。图6为夏季西太平洋区域平均SSTA序列（图8d）与同期东亚降水的相关分布，可知，菲律宾附近降水与西太平洋SSTA为负相关。结合图2和图3，说明当夏季菲律宾附近SST偏冷时，其对应的菲律宾附近降水是增加的，菲律宾附近500 hPa高度场为负异常。为什么当夏季菲律宾附近海温偏冷时，菲律宾附近降水是增加的，也就是说对流是增强的？或者当夏季菲律宾附近海温偏暖时，菲律宾附近降水（或对流）是减少的？这和以往的Nitta（1987）、黄荣辉和李维京（1988）、Huang and Lu（1989）研究结果并不相同。我们认为菲律宾附近的SST变暖并不能引起对流（降水）异常增加，而是由于热带印度洋SST变暖，引起异常上升运动，在低纬西太平洋地区引起异常下沉运动，形成低纬反气旋，并激发出“反气旋、气旋、反气旋”PJ型，菲律宾附近的对流反而是异常减少的。Xie et al.（2009）也曾指出热带印度洋SST异常对西太平洋低纬反气旋有重要的强迫作用。ENSO通过电容器充电效应使印度洋海温增暖，而增暖的印度洋海温能激发出Kelvin波传播到西北太平洋地区，在菲律宾海附近有异常反气旋，并沿东亚沿岸激发出PJ遥相关型，这与我们的研究一致，这也是PJ年际变化为什么与ENSO事件有密切关系的原因。

热带印度洋SST变化不仅影响PJ型的年际变化，而且影响其年代际变化。图7给出了PJ型年代际变化前后前期冬季和同期夏季海温差值分布，可以看出，显著增暖区域位于印度洋、菲律宾海附近和热带中东太平洋的南北两侧，显著变冷区域位于中纬度北太平洋地区，这两个季节海温差值分布形势非常相近。

图8给出了夏季PJ指数、前期冬季Nio34指数、夏季热带印度洋区域平均SSTA和夏季西太平洋区域平均SSTA随时间的演变。图8a中的PJ指数与图7b Nio34指数有明显的反相关关系，相关系数达-030，通过95%的置信度检验，但Nio 34指数并没有明显的年代际变化。而夏季热带印度洋区域的海温在20世纪70年代末出现明显的年代际变化（图8c），海温从负距平变为正距平，其时间序列和PJ指数的相关关系高达-072，通过99%的信度检验。去掉趋势后两者相关达-051。同样，夏季菲律宾附近的海温也在持续增温，与PJ指数的相关关系为-070，通过99%的置信度检验，去掉趋势后两者相关达-055。由以上分析，认为ENSO会通过电容器充电效应使印度洋海温变化，从而对PJ型的年际变化产生影响，但ENSO不是PJ型型态发生年代际变化的主要原因，而热带印度洋海温年代际变暖，造成菲律宾附近有年代际的异常反气旋维持，在日本附近有异常的气旋维持，鄂霍次克海附近有异常反气旋维持，造成了PJ型发生年代际变化。虽然菲律宾附近的海温也在持续增暖，但由图2可知，菲律宾附近的降水趋势不明显，且有减少的趋势，即对流是减弱的。Wang et al.（2004，2005）分析观测资料指出，亚洲—太平洋夏季风区，特别是西北太平洋夏季风区夏季降水异常与局地SST异常为负相关关系，并通过数值试验分析表明，该地区大气对SST的影响比SST对大气的影响大，西北太平洋SST异常由大气异常调节。因此我们认为该区域SST的持续增暖是由于空气下沉，辐射增加引起的，并不是造成PJ型型态发生翻转的原因。

4模式试验结果

上述分析表明，PJ型在20世纪70年代末发生了年代际变化，由“气旋、反气旋、气旋”型态转变为“反气旋、气旋、反气旋”型态。热带印度洋的年代际增暖很可能是造成PJ型年际及年代际变化的主要原因。下面本文将利用大气环流模式ECHAM54进行海温强迫的冷暖试验来验证热带印度洋的年代际增暖对PJ型型态变化的影响，并探讨其影响机理。下文试验结果差值图均为暖试验减去冷试验结果。

图9a将冷暖试验中东亚地区夏季500 hPa高度场进行差值，可见，热带印度洋增暖后，在东亚地区500 hPa高度场上自低纬到高纬呈现出一个西南—东北向波列。其中，低纬大部分地区为正距平，中纬度日本附近为负距平，高纬度鄂霍次克海附近为正距平。从冷暖试验中夏季850 hPa水平风场差值分布（圖9b）可见，热带印度洋增暖后，中国华南、台湾和菲律宾附近为异常反气旋控制，日本附近为异常气旋控制，鄂霍次克海附近为异常反气旋控制。这样在东亚地区从低纬到高纬形成了异常反气旋、异常气旋及异常反气旋的PJ型分布，与500 hPa高度场差值分布（图9a）相对应。上述分析说明模式能模拟出由于印度洋海温变暖，在菲律宾海附近有异常反气旋，并沿东亚沿岸激发出PJ遥相关，也就是说印度洋海温变化能引起PJ型的年代际变化或者年际变化的特征，进一步表明夏季热带印度洋海温的持续增暖是造成PJ型型态翻转的主要原因。这组数值试验不仅说明夏季热带印度洋海温的持续增暖是造成PJ型型态翻转的主要原因，也说明了夏季热带印度洋海温的年际变化也是造成PJ型年际变化的主要原因。

热带印度洋增暖影响PJ型年际及年代际变化的机制是什么呢？图10反映了夏季降水对热带印度洋增暖的响应。印度洋增暖引起局地降水显著增多，孟加拉湾和西太平洋降水减少。增多（减少）的降水异常表征了正（负）热源。图11分别给出了冷暖试验中夏季850 hPa、200 hPa速度势和辐散风差值分布。对流层低层辐合辐散特征与降水异常中心一致。热带印度洋SST升高，为正热源，其上空对流层低层辐合引起高层辐散，有异常上升运动，对流加强。热带印度洋高层辐散通过质量交换导致低纬西太平洋地区高层辐合低层辐散。西太平洋地区低层辐散为负热源区，有异常下沉运动，对流减弱，有利于低纬反气旋的形成和维持。图12为冷暖试验中夏季850 hPa流函数和旋转风差值分布。由图可见，菲律宾海附近对流减弱，850 hPa高度场中有异常反气旋，并沿东亚沿岸激发出PJ遥相关型。对于菲律宾附近的异常反气旋的形成，Wu et al.（2010）研究认为热带印度洋SST增暖能激发出Kelvin波东传到西太平洋地区，热带西太平洋有异常东风，其北侧有反气旋性切变，由于Ekman抽吸作用，产生异常下沉运动，边界层内则有辐散，抑制了西北太平洋的季风对流，从而强迫出异常反气旋，这和我们的模式结果一致。

5总结与讨论

本文基于黄荣辉和李维京（1988）、Nitta（1987）对PJ型的物理解释，利用夏季东亚地区500 hPa高度场和菲律宾附近的降水场进行SVD分析定义了PJ指数，该指数能够清楚地反映PJ型的年际和年代际变化特征。用再分析资料分析表明PJ型型态确实在1970年代末发生翻转，存在明显的年代际变化。前期，PJ型为“气旋、反气旋、气旋”型态，后期，PJ型为“反气旋、气旋、反气旋”型态。

本文研究表明PJ指数与前期冬季ENSO指数有很好的年际相关，El Nio事件通过电容器充电效应使印度洋海温增暖，而增暖的印度洋海温在菲律宾海附近强迫出异常反气旋，并沿东亚沿岸激发出PJ遥相关型，这与Xie et al.（2009）、Wu et al.（2010）的研究一致。与Nitta（1987）、黄荣辉和李维京（1988）、Huang and Lu（1989）研究不同，我们认为菲律宾附近的SST变暖并不能引起菲律宾附近对流（降水）异常增加，而是由于热带印度洋SST变暖，引起异常上升运动，在低纬西太平洋地区引起异常下沉运动，形成低纬反气旋，并激发出“反气旋、气旋、反气旋”PJ型，菲律宾附近的对流反而是异常减少的。

但ENSO不是PJ型型态发生年代际变化的主要原因，而热带印度洋菲律宾附近SST的年代际增暖与PJ型型态的年代际变化是一致的。热带印度洋海温年代际变暖，造成菲律宾附近有年代际的异常反气旋维持，在日本附近有异常的气旋维持，鄂霍次克海附近有异常反气旋维持，造成了PJ型发生年代际变化。

利用全球大气环流模式ECHAM54模拟热带印度洋偏暖对PJ型年代际变化的影响，发现该模式能较逼真地模拟出PJ型型态的年代际变化特征，证实夏季热带印度洋海温的年代际增暖确实是导致PJ型型态发生年代际翻转的主要原因。当热带印度洋增暖时，暖水区有异常上升运动，对流加强，低纬西太平洋地区有异常下沉运动，对流减弱，有利于低纬反气旋的形成和维持，进而有利于激发出“反气旋，气旋，反气旋”PJ型。

虽然菲律宾附近海温也在持续增暖，但他主要是由于受到菲律宾附近的反气旋环流的影响而产生的。Wang et al.（2004，2005）指出低纬的反气旋环流会首先会引起降水和云量的减少，从而增加菲律宾附近向下太阳辐射，使海洋混合层的海温增暖；其次，这个反气旋环流南部可以使西风季风减弱，由此可减少海表面蒸发冷却，维持海洋混合层的增暖；此外，反气旋环流通常有负涡度或风应力旋度，会减少Ekman抽吸作用使海洋中的温跃层降低，而温跃层的降低和上升流的减弱都有利于SST的增加。这里我们进一步将夏季东亚地区500 hPa高度场与同期菲律宾附近SST进行SVD分析（图13），高度场上呈PJ型三极子环流分布特征，菲律宾附近高度场有负异常（图13a），菲律宾海温也为负异常（图13b）。结合图2、图6，当菲律宾附近海温偏冷时，降水反而是是增多的，其上空有气旋性异常。说明并不是菲律宾附近的海温引起其上空的对流异常及环流异常。

此外，为了进一步说明印度洋海温对PJ遥相关型的强迫作用，还利用ECHAM54模式设计了西太平洋（100～140°E，10°S～23°N）SST变化试验。实验设计与热带印度洋SST类似，仅西太平洋SST变暖或冷却，其它地区以SST气候值驱动大气环流模式。图14为西太平洋冷暖试验中夏季500 hPa位势高度场和850 hPa风场差值分布。模式模拟的500 hPa高度场上，自低纬到高纬也有一个西南—东北向的波列，但高纬正距平区偏东偏北，位于鄂霍次克海东北部。模拟的850 hPa风场差值分布中，低纬的异常反气旋位于西北太平洋167°E附近，位置远远偏东，这并不像经典的PJ遥相关型，也说明只考虑西太平洋增暖是无法模拟出PJ型的。图15为西太平洋冷暖试验中夏季降水场差值分布。西太平洋增暖使孟加拉湾、西太平洋地区降水显著增多，即当西太平洋SST升高时，局地降水是增多的，为正相关关系，这与观测事实相反。由图6可知，观测中西太平洋SST与菲律宾附近的降水为负相关。这与Wang et al.（2004，2005）的研究一致。他指出，这个问题主要是由于试验设计的原因。试验设计中大气总是被动地对SST强迫进行響应，然而实际上，西北太平洋SST的变化是由于大气强迫产生的。他还通过观测和数值试验研究表明，亚洲—太平洋夏季风区，特别是西北太平洋夏季风区大气对SST的影响比SST对大气的影响大，西北太平洋SST异常由大气异常调节。由此可知，西太平洋SST的增暖是由于空气下沉，辐射增加引起的，并不能造成PJ型的变化。

综上所述，我们认为夏季热带印度洋海温偏暖（偏冷），在菲律宾海附近强迫出反气旋（气旋），并沿东亚沿岸激发出PJ遥相关型，而菲律宾附近海温异常并不能激发出PJ遥相关型。夏季热带印度洋海温的年际和年代际变化造成PJ型年际变化和年代际变化。

致谢：感谢美国夏威夷大学国际太平洋研究中心李天明教授为本文提出了许多宝贵建议。

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