1 引言

亚洲夏季风作为影响夏季天气特征的重要系统，很早就受到气象学家的关注，夏季风爆发前后大气环流形势和温湿状况都会发生显著改变，因此亚洲夏季风爆发是夏季风研究的重要内容。对亚洲夏季风爆发研究主要包括爆发机制、爆发指标和爆发进程等多个方面。

1980年代，学者指出亚洲夏季风区分为东亚季风区和印度季风区，黄真等^[1]认为，亚洲夏季风爆发分为两个阶段：南海夏季风爆发阶段和印度夏季风爆发阶段。1990年代后期的研究认为^[2]，南海夏季风和印度夏季风爆发前期，还存在孟加拉湾夏季风的爆发阶段，张永生等^[3]确认了亚洲夏季风爆发分为三个阶段的事实，即亚洲夏季风首先在孟加拉湾爆发，然后向南海扩展，最后印度夏季风爆发。Xu等^[4]和毛江玉等^[5]的研究都证实了亚洲夏季风爆发的三个阶段特征。

南海夏季风爆发后，我国汛期降水开始显著增强，因此南海夏季风监测是每年气候服务的重要内容。国家气候中心在业务中利用南海季风区对流层低层纬向风和假相当位温双指标来定义南海季风的爆发。张庆云等^[6]利用850 hPa纬向风定义了东亚夏季风指数，Webster等^[7]利用高低层纬向风切变研究了亚洲夏季风指数。利用卫星资料来定义南海季风爆发主要应用OLR和TBB产品^[8-13]及气象再分析数据相结合，一般利用双指标来判定夏季风活动。另外，钱维宏等^[14]利用卫星水汽通道的对流层上部水汽亮温资料研究了亚洲夏季风爆发前后的深对流特征，指出深对流的临界值为244 K，表明气象卫星资料能够用来监测南海夏季风爆发期间大气的温度和湿度显著变化的特征。

季风是由于南北温度梯度反转而引起的风场转换，由热成风关系可知，季风爆发前后，纬向风的垂直切变也因此发生了反转，因此，和对流层低层风场的转换类似，高层纬向风向也会发生相应的反转。对流层高层风场可作为南海夏季风爆发的一个因子，李崇银等^[15]用对流层上下层的散度差定义了南海季风爆发指标。卫星云导风数据是根据连续的卫星云图反演的大气运动^[16]，卫星水汽通道反演的风场大部分为对流层中高层信息，可用于夏季风爆发时对流层高层风场监测。

多类南海夏季风爆发指标均显示南海夏季风爆发的气候平均值为5月第4候，并且大多数年份爆发日期基本一致。由于选择的区域、参数和临界值不同，某些年份会出现显著的差异^[17]。这是由于南海夏季风爆发的复杂性以及不同监测指标都描述了爆发过程中的特定性质。利用气象卫星在海上全区域监测覆盖的优势，开展气象卫星南海夏季风爆发指标研究可从观测的角度为夏季风业务服务和研究提供参考。

本文在以往研究的基础上，利用我国风云系列静止气象卫星AMV和TBB产品，结合气象再分析资料及国家气候中心南海夏季风爆发时间等，分析了利用气象卫星反演产品进行南海夏季风爆发监测的空间范围、爆发指标、对流活动特征等信息，并对比分析了不同爆发指标定义爆发时间的异同。总结出了利用气象卫星资料实时监测南海夏季风活动的综合指标及判定方法，为利用气象卫星资料监测南海夏季风活动提供了依据，更好地发挥了我国高时空分辨率的气象卫星产品在气候监测中的优势。

2 数据和方法 2.1 气象卫星反演产品

本文应用的气象卫星反演产品包括FY-2静止气象卫星水汽通道反演的云导风(AMV)和红外通道反演的黑体亮温(TBB)数据，数据时间长度为2006—2015年。云导风数据为每日四次，分别为05:30、11:30、17:30和23:30(世界时)，选取05:30数据代表每日风场。云导风数据的一个记录包括风速、风向、经度、纬度、高度(hPa)等信息，不同时次云导风数据记录的多少不同，和该时次气象卫星水汽图像特征有关，一般而言，夏季的数据记录比冬季要多，同一个时次，水汽暗区附近的数据记录稀少，水汽图像上存在高云时数据记录密集。本文中150~300 hPa高度层云导风数据是指出现在该高度范围内所有点上的数据，即把在该高度范围内所有的数据显示在同一个平面上，150~250 hPa和150~400 hPa高度层云导风数据处理方式同150~300 hPa高度层云导风数据。TBB资料利用日平均数据，数据的空间分辨率为0.1 °×0.1 °。

2.2 NCEP/NCAR再分析数据

文中应用的风场、温度和比湿数据均为NCEP/NCAR气象再分析日平均数据集，数据空间分辨率2.5 °×2.5 °，温度和风场数据在垂直方向上分为17层(1 000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10 hPa)，比湿数据在垂直方向上分为10层(1 000、925、850、700、600、500、400、300、200、100 hPa)，假相当位温(θ_se)由此数据集中的温度和比湿计算求得。

3 不同南海夏季风监测区域对比分析

研究和业务中针对南海夏季风监测区域主要有两种不同的定义，分别为110~120 °E，10~20 °N和110~120 °E，5~20 °N。本文利用气象卫星AMV和TBB资料来定义南海夏季风爆发指标，多年平均(2006—2015年)对流层中高层AMV纬向分量全年演变可看出(图 1)，5~10 °N之间，110~120 °E平均风场全年为东风控制，5月夏季风爆发时在该区域纬向风向无转变的过程，逐年南海夏季风爆发前5~10 °N范围内大部分时间内均为偏东风控制(图略)。因此，从云导风的监测角度，选择110~120 °E，10~20 °N作为南海夏季风监测区。

由110~120 °E区域内10年平均TBB可看出(图 2)，5月1日前，平均TBB＜273 K出现在5 °N以南，5~10 °N范围内为TBB≥273 K。5月1日后，平均TBB＜273 K区域逐渐北推，5月11日左右快速北传到10 °N以北。南海夏季风爆发前，对流大多在5 °N以南的区域内活动，但逐年分析显示，在南海夏季风爆发前，5~10 °N区域的对流活动也较明显(图 2)。因此，通过AMV和TBB分析，本文选取南海夏季风气象卫星监测区域为110~120 °E，10~20 °N。

4 气象卫星南海夏季风爆发指标定义 4.1 南海夏季风卫星云导风指标 4.1.1 对流层高层云导风高度范围

气象卫星水汽通道反演的云导风大部分为对流层中高层信息，每个点的导风只有一个高度值，为了描述对流层高层纬向风，需利用一定高度范围内的云导风作为代表。不同季节，云导风分布密集的高度层有明显差异。图 3给出了冬季和夏季不同高度层范围内云导风的分布情况，夏季南海及附近区域150~300 hPa高度范围内风场和150~400 hPa高度范围内风场相比风的数量略偏少，而150~250 hPa高度范围内风数量明显减少。冬季，当南海区域受副热带高压控制时，云量较少，在水汽图像上表现为色调均一的黑色，云导风数量整体较少。另外，在有导风的区域，卫星水汽通道图像上水汽的权重高度也较低，因此云导风高度层也相应降低。

由2006—2015年平均南海夏季风区150~300 hPa纬向云导风和再分析资料200 hPa纬向风4—6月的分布可看出(图 4)，4月15日前，150~300 hPa高度层风场易出现缺测，之后连续性好。且5月1日后150~300 hPa云导风和200 hPa高度层风场差异较小，同时，平均风向转换时间基本一致，云导风风向转换时间为5月9日(图 4中红色箭头)，200 hPa风向转换时间为5月10日(图 4中蓝色箭头)。逐年4—6月的分布(图略)也有类似特征。由于南海夏季风监测时间一般为4月15日之后，因此，150~300 hPa高度范围内的云导风可以用来代表对流高层风场，能够满足南海夏季风监测需求。

4.1.2 南海夏季风爆发前后对流层高低层风场对比分析

南海夏季风爆发前后，由于大气经向温度梯度发生反转造成纬向风向发生改变。10年平均资料显示(图 5)，南海夏季风区200 hPa(5月16日)和850 hPa(5月19日)纬向风向转换的时间差异为3天，因此高层风场转换是南海夏季风爆发时的重要特征，可用来作为其爆发的指标之一。

10年南海夏季风区域平均对流层高层云导风和200 hPa纬向风速和风向均有很好的一致性(图 5)。5月12—17日，高层云导风风向开始出现偏东风，之后出现短暂波动，5月21日出现稳定的东风气流，较200 hPa纬向风稳定转换的时间5月16日偏晚5天，两者具有整体一致性及细节差异，这为云导风应用于南海夏季风监测提供了依据。

图 5和图 6给出了南海夏季风爆发时云导风高层风场和850 hPa风场转换的一致性分析。由10年平均可知，南海夏季风区域平均对流层高层云导风纬向分量由西风转东风的时间(5月21日)和气象再分析资料850 hPa风向由东风转西风的时间(5月19日)基本一致，相差2日，并且风速大小呈正相关。逐年对比可看出(图 6、表 1)，除2006、2011、2012和2014年风向转换时间相差5日以上(分别为17日、12日、13日和24日)外，其它6年风向转换日期差异均在5日以内。因此，整体来看，云导风高层纬向风向和850 hPa风向呈负相关，但是某些年份风向转换时间差异较大。在差异较大的2011年，云导风指标显示夏季风爆发时间(5月7日)和气候中心给出的爆发时间(5月第2候)一致，在一定程度上显示了云导风资料在判定南海夏季风爆发中的作用。

4.2 南海夏季风卫星TBB指标

国家气候中心利用850 hPa纬向风和假相当位温两个参数来定义南海夏季风指标，风场描述了季风区的动力特征，而假相当位温描述了季风区的热力特征。气象卫星TBB数据表征了监测区域的大气、地表(海表)或云顶的温度特征，是大气热力性质的表征。以往研究认为^[19]，南海夏季风爆发条件为候平均TBB低于273 K，该结论大部分是基于国外气象卫星反演的TBB数据，且多为气候平均或候平均判定阈值。针对我国风云气象卫星日平均数据，该阈值可能会有差异。由图 5和图 6可知，TBB小于280 K时对应着850 hPa风场由东风转化为西风的时间。

由逐年分布来看(图 6、表 1)，区域平均TBB小于280 K和850 hPa纬向风由东风转西风的时间差异也基本在5 d左右，差异较大的年份为2006、2007和2009年。2007年南海夏季风区对流活动提前于低层风向的转变，而云导风则和低层风向转变时间一致。2015年低层西风早于对流1候左右，云导风和低层风场风向转换时间一致。在云导风和低层风场差异较大的年份(2011、2012和2014年)，TBB指标和850 hPa纬向风指标在该年有很好的一致性。因此，综合利用云导风和TBB指标可更好描述南海夏季风的爆发特征。

4.3 南海夏季风爆发双指标判别方法和验证

由前文分析，云导风指标和TBB指标在多数年份和850 hPa纬向风指标比较一致，在单指标差异较大的年份，如果云导风指标和TBB指标结合起来能更好描述南海夏季风的爆发特征。

国家气候中心利用850 hPa纬向风和假相当位温双指标来判定南海夏季风活动(具体为：两个监测指标同时稳定大于临界值时对应于南海夏季风爆发，稳定是指监测值连续2候大于临界值，并且中断不超过1候，或者监测值连续3候大于临界值，并且中断不超过2候)。由TBB指标分析可知(图 6)，TBB反映的对流经常在南海夏季风爆发一段时间后减弱，出现对流中断的特征，而云导风指标和低层850 hPa风场指标的稳定性较好。参考国家气候中心南海夏季风双指标判定方法并结合AMV对流层高层风场特征和TBB描述的对流活动特征，同时依据2006—2015年逐年气象卫星南海夏季风活动指标特征，定义气象卫星监测南海夏季风爆发的判别方法为：4月15日后，云导风指标和TBB指标同时稳定大于临界值，其中，云导风指标稳定是指持续10天且中断不超过5天，TBB指标稳定是指维持5天。由此判断的2006—2015年南海夏季风爆发时间如表 2。

两类双指标判定的10年平均南海夏季风爆发时间一致(图 5)，均为5月22日。气象卫星双指标和再分析数据双指标除2006年两者的差异较大外(表 2)，2007—2015年间依据两类双指标判定的南海夏季风爆发时间相差在0~5天。南海夏季风业务服务中，每年发布的南海夏季风爆发日期是综合了包括夏季风爆发指标的多种监测因子的结果，气象卫星双指标在2007、2008、2010、2012、2013、2014和2015年这7年中和业务发布时间一致，2006年相差1候，2009年相差5候，2011年相差3候。

4.4 不同指标南海夏季风爆发时间差异性分析

2006年，气象卫星双指标南海夏季风爆发时间为5月12日，NCEP再分析数据双指标爆发时间为6月11日，两者差异较大。国家气候中心业务发布爆发时间为5月第4候，和气象卫星双指标时间接近。以本年度为例，进行对比分析。

2006年5月13—24日，南海区域对流旺盛(图 7)。在此期间，台风“珍珠”在菲律宾东部洋面生成，15日进入南海并向偏北方向移动，18日登陆广东并逐渐消亡，在台风活动过程中，对流自东南向西北方向影响南海夏季风区，南海区域的TBB较低。高低空风场监测显示(图 8，见下页)，12—15日对流层高层为台风环流西侧和北侧的偏东风控制，低层为台风环流形成的气旋，南海夏季风区域平均高层和低层风场均为偏东风(图 6)，16日开始南海季风区出现平均偏西风，18日西风分量减小转为偏南风，18—20日南海海域的偏南风和来自孟加拉湾、中南半岛的偏西风连接在一起。李崇银等^[15]研究表明，南海区域的经向风(南风)分量在夏季风活动中占重要地位，尤其在南海夏季风建立时期。同时，南亚高压高空反气旋逐渐在中南半岛上空形成，20日南海区域高层受南亚高压东侧的东北风控制。高低空风场和对流活动都表现出南海夏季风在5月第4候已经爆发的特征。Mao等^[19]利用温度经向梯度夏季风指标研究了2006年“珍珠”台风对南海夏季风爆发的触发作用，认为南海夏季风爆发时间为5月第3候，和气象卫星双指标判定的爆发时间一致。

5 结论和讨论

通过近10年风云气象卫星观测资料及NCEP再分析资料，利用多年平均及逐年对比分析的方法研究了南海夏季风爆发指标，得出以下主要结论。

(1) 利用气象卫星AMV和TBB资料监测南海夏季风的区域为110~120 °E，10~20 °N。南海夏季风爆发前110~120 °E，5~10 °N区域内，对流层高层经常为偏东风，对流也较活跃，该区域在南海夏季风爆发期间没有明显的转换特征。

(2) 南海夏季风区域水汽通道云导风的权重高度层随季节而改变，夏半年随着对流活跃以及水汽通道对流层中高层水汽的发展，反演风场密度增加的同时风场的高度区域更集中在对流层的高层。150~300 hPa高度层范围内云导风可以用来代表南海夏季风区域内对流层高层风场。气象卫星云导风资料可描述南海夏季风爆发期间对流层高层风向的转换特征。夏季风爆发期间，对流层高层云导风由偏西风转为偏东风。其风向转换时间和850 hPa纬向风风向转换时间基本一致，10年中有6年差异在5天以内，差异较大为2011年，但该年云导风判别的夏季风爆发时间和气候中心给出的爆发时间一致，均为5月2候。

(3) 南海夏季风爆发期间，南海夏季风区域的对流开始活跃，区域平均TBB迅速降低，风云气象卫星日平均TBB会下降至280 K。南海夏季风区域日平均TBB小于280 K和850 hPa纬向风由东风转西风的时间差异也基本在5天左右，10年中差异较大的年份有3年。

(4) 云导风和850 hPa风场风向转换差异较大的年份，TBB指标和850 hPa纬向风指标有很好的一致性。气象卫星双指标和再分析资料双指标对比分析显示，10年内有1年(2006年，季风爆发期间有台风活动)两者的差异较大，其他年份差异在5天以内。综合利用云导风和TBB双指标可更好描述南海夏季风的爆发特征。定义气象卫星监测南海夏季风爆发的判别方法为：4月15日以后，云导风指标和TBB指标同时稳定大于临界值。其中，云导风指标稳定是指持续10天且中断不超过5天，TBB指标稳定是指维持5天。

南海夏季风爆发是个复杂的过程，从行星尺度来看为季节推进造成的海陆热力差异引发的变化，但此过程是缓慢的，而夏季风的爆发过程是快速，受到很多条件的触发(对流或台风活动^[20-21]、冷空气活动等)，因此，虽然业务服务和科学研究中很多南海夏季风爆发判别指标在气候平均上均有很好的一致性，但在逐年的判定中某些年份会出现较大的差异，这些差异并无法判定哪个爆发指标更具有优势，而是每个指标都在一定程度上描述了南海夏季风爆发伴随的某些特征，却不能描述所有的爆发状况。因此，每年国家气候中心发布的南海夏季风时间也是综合了包括低层风和位温双指标在内的多种观测资料而综合分析出的结果。分析不同指标爆发时间差异较大的年份，可更好理解夏季风爆发的物理过程。

南海夏季风爆发时，利用气象卫星云导风产品监测大气环流的转换特征，利用TBB产品监测大气的热力特征，日平均资料可实现南海夏季风活动的实时监测，为气候服务和决策提供支撑。目前，随着我国气象卫星的发展，新一代静止气象卫星FY-4A搭载的多通道扫描辐射计由FY-2卫星的5个通道提升到14个通道，其中水汽波段为2个，为监测南海夏季风区季节转换时期对流层不同高度水汽提供了可能，同时，FY-4还搭载有红外高光谱大气垂直探测仪器，可探测大气湿度和温度的三维空间分布，这些都为后期夏季风活动特征研究提供了新型的观测数据。