2019, Vol. 35
2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 广东 珠海 519082;
3. 广东省气象探测数据中心, 广东 广州 510641
2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082, China;
3. Guangdong Meteorological Observation Data Center, Guangzhou 510641, China
南海夏季风系统是东亚季风系统的重要组成部分。南海夏季风建立和北进的迟早、强度的变化将直接影响我国东部雨带的空间分布及其演变, 而旱涝灾害的发生实际上是雨带分布异常的结果。南海夏季风的爆发标志着华南前汛期进入盛期[1], 同时意味着东亚夏季风开始爆发, 并预示着我国东部雨季的来临[2-4], 并与我国降水异常密切相关[5]。丁一汇等[6]研究表明, 南海夏季风爆发早(晚), 南亚和东亚夏季风则强(弱), 我国夏季主要雨带分布在北方(长江及其以南地区)。李崇银[7]指出, 南海夏季风爆发早(晚), 南海夏季风强度则偏强(弱)。可见, 南海夏季风爆发的早晚与亚洲夏季风的强度异常密切相关, 从而进一步影响东亚夏季主要雨带分布。因此, 正确认识和理解南海夏季风爆发及其年际和年代际异常的特征及机制对准确进行气候预测、从而为防灾减灾提供科学依据具有重要意义。
南海夏季风的爆发与南海区域及附近地区对流层温度经向梯度的季节性逆转有关。Wu等[8]在研究西北太平洋夏季风阶段性爆发过程的气候特征时, 发现南海夏季风的建立与南海区域上空对流层温度的经向梯度在五月中出现季节性逆转密切相关。对流层温度经向梯度的逆转可导致纬向风垂直切变的改变, 从而使得南海夏季风环流的建立。他们的研究还指出, 南海区域上空对流层温度经向梯度的季节性逆转主要是由于南海北部上空大气的季节性增温较赤道地区的更快所致, 而南海北部上空大气的季节性增温主要由暖平流过程所导致。简茂球等[9]分析1998年南海夏季风爆发也得到类似的结论。另外, 林爱兰等[10]的研究也证实, 200 hPa以下对流层温度经向梯度逆转较早(晚), 且有(无)从上往下逐渐传播的变化趋势, 则南海夏季风爆发偏早(晚)。
最近的一些研究表明, 南海夏季风的爆发时间在1994年后发生了明显的年代际提前。Kajikawa等[11]指出, 南海夏季风爆发在1993/1994年的年代际提前现象主要是热带西太平洋海温年代际变化的结果。由于热带西太平洋的海温增暖, 导致在1994年之后西太平洋的季节内变化显著增强。增强的季节内振荡是触发后一年代南海夏季风爆发提前的重要因素。Yuan等[12]进一步解释了南海夏季风爆发年代际提前的现象。他们认为, 热带西太平洋海温增暖有利于该地区的对流活动生成, 而活跃的对流促使副热带高压提早东退, 从而导致南海夏季风提早爆发。那么, 与南海夏季风爆发的年代际提前有关的对流层温度的年代际演变如何？南海季风区及附近地区温度的季节内变化分量和季节以上尺度分量对温度的年代际变异所起的相对贡献又如何？这些问题尚不清楚, 是本工作要研究的内容, 弄清楚上述内容可丰富人们对影响南海夏季风爆发的不同时间尺度因子及过程的理解, 还可为预测南海夏季风爆发提供理论依据。
2 资料与方法本文用到资料包括:(1)欧洲中期天气预报中心1979—2010年ERA-Interim逐日再分析资料, 包括纬向风、经向风和温度, 空间分辨率为1.5°×1.5°[13-14]。(2)美国国家海洋大气管理局网站提供的1979—2010年向外长波辐射(OLR)资料[15]。
本文所用的滤波方法是谐波分解, 用于10~25 d、25~90 d及90 d以上分量的分解。在滤波前, 先对逐日资料进行了距平处理, 即用气象要素某日的值减去该日多年气候平均值。另外, 滤波时用1979—2010年共11 688天逐日资料同时进行。
3 对流层温度的年代际变化对南海夏季风爆发年代际提早的影响由于本工作涉及到南海夏季风爆发时间问题, 所以首先需有一个定义南海夏季风爆发的指标。南海夏季风的爆发是以对流层低层西南风和高层东北风的建立为标志。因为本文是针对不同年代平均风场的年代际变化问题, 我们在参考Yuan等[12]和林爱兰等[16]的定义基础上, 采用了以下判别爆发的指标:(1)南海区域(109.5~120.0 °E, 4.5~19.5 °N)平均的850 hPa纬向风U850和200 hPa纬向风U200同时分别为西风和东风, 且稳定维持15天以上; (2) U200-U850为负值且绝对值大于等于5 m/s。同时满足上述两个条件的第一天定义为南海夏季风爆发时间。
由于在近三十多年南海夏季风爆发时间的年代际变化出现在1993/1994年, 为此, 我们将本文所关注的时间分为1979—1993年(以下简称年代Ⅰ)和1994—2010年(简称年代Ⅱ)两段。下面具体分析南海区域纬向风的季节演变和爆发时间的年代际差异。图 1给出了年代Ⅰ和年代Ⅱ前后两段时间平均及南海区域平均的高低层纬向风的季节演变。在年代Ⅰ和年代Ⅱ, 南海上空低层纬向风由东风转变为西风并稳定维持的初始时间分别是5月16日和5月13日, 两时段相差3天(图 1a)。而在对流层高层(图 1b), 两个时段纬向风由西风转为东风并稳定维持的时间分别发生在5月10日和9日, 只相差1天。而两个时段里的纬向风垂直风切变的季节演变从5月8日开始出现明显差别(图 1c), 超过-5 m/s的风垂直切变出现的时间分别在5月21日和5月16日, 相差5天。上述结果表明, 南海季风系统的高低层环流的季节演变及爆发时间都存在明显的年代际变异。
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图 1 南海区域（109.5~120.0 °E，4.5~19.5 °N）平均的850 hPa纬向风(a)、200 hPa的纬向风(b)和高低层纬向风切变(c) 红色、蓝色和黑色分别表示1979－1993年、1994－2010年和1979－2010年时段的平均，单位：m/s；图c的水平直线为-5 m/s线。 |
图 2给出了前后两个年代平均南海夏季风爆发前三天和爆发日的低层风场。在年代Ⅰ的5月18日(图 2a), 西太平洋副热带高压(简称西太副高, 下同)还没有完全撤出南海北部, 南海中、南部的西南风较弱, 到了5月21日(图 2b), 西太副高东撤, 西南风全面占据南海区域, 南海夏季风爆发。类似地, 在年代Ⅱ(图 2c、2d), 南海夏季风在5月16日爆发, 明显的西南风出现在南海区域。
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图 2 5月18日(a)、5月21日(b)的1979—1993年平均的逐日850 hPa风场和5月13日(c)、5月16日(d)的1994—2010年平均的逐日850 hPa风场 单位：m/s。 |
根据热成风原理, 纬向风垂直切变的变化与该垂直层平均温度的经向梯度变化有关。为此, 分析南海季风区对流层经向温度梯度的季节演变的年代际变化(图 3)将有助于解释上述纬向风垂直切变的季节演变的年代际变化成因。从图 3a可知, 气候平均而言, 南海季风区对流层850~200 hPa层平均的经向温度梯度在5月6日左右就由负转正了, 但大于0.6 ℃的温度梯度在年代Ⅰ和年代Ⅱ分别出现在5月20日和5月15日, 相差5天, 这一年代际差异与图 1c给出两个年代的纬向风垂直切变达5 m/s的时间是非常接近的。如果进一步分析南海季风区北部和南部对流层温度的年代变异对南北温度梯度的相对贡献, 可发现, 在5月1—19日, 南海北部对流层温度在年代Ⅱ的值都要比年代Ⅰ的值偏高(图 3b), 且这种年代际差别在5月中的几天最明显。南海南部对流层温度季节演变的年代际变化却表现出与北部非常不同的特征, 如图 3c所示, 以5月17日为转折点, 该点之前的气温在年代Ⅱ都比年代Ⅰ高, 而在5月17日之后, 情况则相反。另外, 年代Ⅱ平均的温度(蓝线)在5月的演变有先暖后冷的特点, 但年代Ⅰ的平均温度则相反, 为先冷后暖。上述南海季风区北部和南部对流层温度季节演变的年代际变化最终造成了图 3a所示的南北温度梯度季节演变的年代际差异。
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图 3 南海北部N（109.5~120.0 °E，16.5~21.0 °N）和南海南部S（109.5~120 °E，1.5 °S~3 °N）上空850~200 hPa平均的经向温度梯度（a，TN—TS）及北部温度TN（b），南部温度TS（c）的季节演变 红色、蓝色和黑色分别表示1979－1993年、1994－2010年和1979－2010年时段的平均，阴影范围表示各曲线0.5倍标准差。单位：℃。南海南部和北部区域如图 1d的矩形框所示。 |
从图 3给出的对流层温度演变还可以看出, 南海季风区5月13—18日对流层经向温度梯度年代际增强的主要贡献来自季风区北部温度的年代际显著增暖, 南部对流层温度虽然也有年代际增暖, 但幅度较弱。
为了更清楚地了解南海季风区春季对流层温度的时空变化特征, 图 4给出了两个年代南海夏季风爆发阶段对流层温度及其差值的纬度-时间剖面图。从图 4可知, 在南海上空的暖脊的季节性北移在年代Ⅱ(图 4b)要比在年代Ⅰ(图 4a)更早一些, 尤其是在5月第2候—5月第5候期间; 另外, 南海北部上空年代Ⅱ的5月温度要比年代Ⅰ的明显高, 而赤道地区5月中—6月初的气温则与之相反(图 4c)。上述事实进一步验证了南海上空温度经向梯度的季节性逆转在年代Ⅱ明显比年代Ⅰ要早, 从而有利南海夏季风爆发的年代际提前。
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图 4 不同年代沿109.5~120.0 °E平均的850~200 hPa平均气温及其差值的纬度-时间剖面图 a. 1979—1993年平均值；b. 1994—2010年平均值；c. 1994—2010年与1979—1993年的差值。单位：℃。 |
南海夏季风的爆发与南亚高压前期系统沿中南半岛北上过程密切相关[17], 因为南亚高压系统的北上可在南海对流层上层形成相对稳定的东北气流, 有利于南海夏季风系统的建立和维持。事实上, 南亚高压前期系统沿中南半岛北上过程与对流层温度最暖中心带的季节性北移有关。从图 5可知, 在南海夏季风建立期间, 中南半岛上空和850~200 hPa的平均温度(T850-200)及200 hPa位势高度(H200)的最大值中心的经向位置随时间北移的同时, 它们的数值也是不断增大的。仔细比较图 5a和5b还可看出, 对相同的日期而言, 年代Ⅱ的温度和高度的最大值位置都要比年代Ⅰ的更偏北, 换言之, 中南半岛对流层温度(南亚高压)的季节性增暖(增强)及其极值中心的季节性北移在年代Ⅱ都要比在年代Ⅰ更早, 以至于南亚高压中心位置北移至18 °N的时间大约分别是5月16日和5月21日, 因此而使得南海夏季风在年代Ⅱ爆发普遍偏早。另一个值得注意的现象是, 无论在年代Ⅰ还是年代Ⅱ, T850-200的平均温度脊的位置要比H200高压中心更偏北一些, 这体现了温度场对南亚高压的影响作用以及气压场对热力场强迫的滞后响应特征。
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图 5 不同年代平均的200 hPa的位势高度（等值线，dgpm）和850~200 hPa平均温度（填色，℃）沿100~105 °E的纬度-时间剖面图 a. 1979—1993年；b. 1994—2010年。 |
图 6a表明, 在年代Ⅱ南海夏季风爆发的5月16日, 南亚高压中心北跳至中南半岛中部, 使得南海区域对流层高层吹东北风, 有利南海夏季风系统的建立和维持, 而T850-200的暖中心则位于南亚高压中心的西北侧, 这种温压场中心的配置在南亚高压系统沿中南半岛北移上青藏高原南侧的过程都是如此(图 6b)。需要指出的是, 位于孟加拉湾西岸的T850-200暖中心对其下游即中南半岛和南海地区气温的季节性增暖起着非常重要的作用, 而其中的主要热力过程为暖平流[8-9]。
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图 6 a. 1994－2010年平均的5月16日200 hPa位势高度（等值线，dgpm）和850~200 hPa平均温度（填色，℃）；b. 1994－2010年平均的200 hPa南亚高压中心位置（蓝线）和850~200 hPa平均温度的暖心位置（红线），图中数字代表日期，如“5.10”表示5月10日。 |
从图 1和图 3可知, 与南海夏季风爆发的年代际变化相关的纬向风和经向温度梯度差异主要发生在5月中旬, 为此, 我们也检验了5月中旬平均的南海上空低层纬向风及850~200 hPa层平均经向温度梯度的逐年变化如图 7所示。从图 7可知, 无论是低层纬向风还是对流层经向温度梯度, 在1979—1993年以负值为主, 而在1994年以后则以正值居多, 它们在前后两个年代的均值的差异均通过0.1的显著性检验。另外, 两者还存在显著的同步变化, 相关系数达0.79。这些事实进一步说明了南海夏季风爆发时间的确存在显著的年代际变化, 而且经向温度梯度和纬向风的逐年变化存在密切的联系。另外, 上述经向温度梯度TN-TS与南海南部温度TS和北部温度TN的相关系数分别为-0.43和0.55, 说明南海北部温度对南海季风区经向温度梯度逐年变化的影响作用更重要。
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图 7 a.南海区域（109.5~120.0 °E，4.5~19.5 °N）平均及5月11—20日平均850 hPa纬向风；b.南海北部N（109.5~120 °E，16.5~21.0 °N）和南海南部S（109.5~120.0 °E，1.5 °S~3.0 °N）上空850~200 hPa平均及5月11—20日平均的经向温度梯度（TN—TS） 红虚线表示所在时段的平均值。 |
上一节给出的南海季风区上空对流层温度及其经向梯度在不同年代的季节演变序列, 实际上包含了各种时间尺度分量的贡献, 因此, 本节将分析不同时间尺度分量对温度变化的相对贡献。
首先, 从南海季风区上空对流层经向温度梯度距平的逐日演变看, 在年代Ⅰ(图 8a), 温度梯度距平在5月9日之前为正, 之后为负, 考虑到气候平均的温度梯度达到0.6 ℃的时间在5月17日(图 3a), 因此该距平季节演变使得实际温度梯度在5月20日才达到0.6 ℃, 造成南海夏季风爆发年代际偏晚。如果具体分析不同周期分量对温度梯度总距平的贡献作用, 可以看出季节以上尺度分量(>90 d)在分析的时段内为负值, 而10~90 d分量则在5月12日前后分别为正、负值, 两种分量在5月17—21日间的数值非常接近, 对温度梯度总距平的贡献约分别占53%和47%(表 1), 从这种意义上讲, 季节内尺度分量和季节以上尺度分量对经向温度梯度逆转及加强时间偏晚的贡献是同等重要的。进一步分析南海季风区南部和北部温度距平的贡献作用, 从图 8b和图 8c可发现, 在5月17—21日间, 经向温度梯度距平的季节以上尺度分量主要来自于北部温度相应分量的贡献, 约81%(表 1), 而季节内分量则主要由南部相应分量作用所致(约占72%的贡献率)。
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图 8 南海北部N（109.5~120.0 °E，16.5~21.0 °N）和南海南部S（109.5~120.0 °E，1.5 °S~3.0 °N）上空850~200 hPa平均的温度及其经向梯度的距平时间曲线 左栏和右栏分别对应1979—1993年和1994—2010年平均的情况。a、d.经向温度梯度（TN-TS）; b、e.北部温度TN；c、f.南部温度TS。黑色、蓝色和红色分别表示总距平、>90 d距平分量和10~90 d距平分量。单位：℃。 |
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表 1 南海北部N（109.5~120.0 °E，16.5~21.0 °N）和南部S（109.5~120.0 °E，1.5 °S~3.0 °N）上空850~200 hPa平均的温度TN，TS及其经向梯度TN—TS的各分量距平值（单位：℃）及贡献率 |
在年代Ⅱ(图 8d), 各分量的演变基本与年代Ⅰ反号。由于温度梯度距平在5月9日之后为正且不断增强, 使得实际温度梯度在5月15日就达到0.6 ℃, 造成南海夏季风爆发年代际偏早。在5月12—16日间, 平均而言, 季节内分量对总距平的贡献率41%不如季节以上分量的贡献率69%大(表 1), 但在5月15日(温度梯度达0.6 ℃的日期, 图 3a), 季节内分量对总距平的贡献率也和季节以上分量的贡献率同等重要。经向温度梯度距平的季节以上尺度分量也主要来自于北部温度相应分量占91%的贡献(图 8e, 图 8f, 表 1), 而对于季内分量而言, 在12—16日间, 北部和南部的分量都为正值, 但北部分量相对较大, 所以季内分量对总距平的正贡献来自于北部分量(表 1)。
众所周知, 季节内振荡对南海夏季风爆发过程有重要影响, 而准双周振荡和30~60 d振荡是季内振荡最显著的两个分量[7, 18-23], 所以下面我们把10~90 d周期分量分解为10~25 d和25~90 d两个子分量, 分析它们对季内分量演变的相对贡献作用, 结果如图 9和表 1所示。在年代Ⅰ, 经向温度梯度的季节内分量的演变主要由25~90 d分量所主导(图 9a), 南海季风区北部(图 9b)和南部(图 9c)也是如此, 10~25 d分量的振幅较小, 在南部(赤道地区)更是如此。5月17—21日平均的定量分析也证实上述结论(表 1)。上述特征在年代Ⅱ也是相似的(图 9d~9f), 但在5月15日左右, 10~25 d分量对温度梯度10~90 d分量的贡献率与25~90 d分量的贡献相当(图 9d), 而温度梯度的10~25 d分量主要由南海北部温度10~25 d分量所主导, 25~90 d分量对总距平的正贡献也源自北部分量(图 9e)。5月12—16日的定量计算结果(表 1)也可得出类似的结论。
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图 9 同图 8，但黑色、蓝色和红色分别表示10~90 d、25~90 d和10~25 d的距平分量（单位：℃） 5月17—21日平均(1979—1993年) |
前面详细分析了南海季风区对流层经向温度梯度季节演变的年代际变异特征。下面分析低层纬向风场以及OLR的不同时间尺度分量的演变特征。图 10给出了两个年代南海季风区850 hPa纬向风季内分量(10~90 d)和季节以上分量(>90 d)的时间-纬度剖面图。在年代Ⅰ, 纬向风季节以上分量自4月初—5月末在南海季风区5~15 °N表现为明显的异常东风(图 10c), 而且自5月6日起, 季内分量在南海季风区也由正转负并持续到6月初(图 10a), 两者的共同作用使得南海季风区出现西风的时间偏晚, 亦即南海夏季风爆发出现年代际偏晚。而纬向风季内分量的演变又主要由25~90 d分量所主导(图 11a、11c)。南海夏季风的爆发与对流活动的季节性显著增强有密切联系。在OLR场上, 季节以上分量4月初—6月初在南海季风区5.0~17.5 °N表现为正异常(图 12c), 对流活动不活跃; 季内分量也非常显著(图 12a), 而且自5月6日起, 在南海季风区的振幅变强并以正-负-正位相交替变化, 其中负位相(对流位相)出现在5月16—21日间, 其与季节以上分量的共同作用使得南海季风在21日爆发, 出现年代际偏晚。而OLR的季内分量在5月的演变则由10~25 d分量和25~90 d分量共同主导(图 13a、13c), 但准双周分量相对较强。
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图 10 1979—1993年（a、c）和1994—2010年（b、d）平均的850 hPa的纬向风距平不同周期分量沿115 °E的纬度-时间剖面图 a、b. 10~90 d分量；c、d.大于90 d分量。等值线间隔为0.3，单位：m/s。 |
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图 11 1979—1993年（a、c）和1994—2010年（b、d）平均的850 hPa的纬向风距平不同周期分量沿115 °E的纬度-时间剖面图 a、b. 10~25 d分量，c、d. 25~90 d分量。等值线间隔为0.3，单位：m/s。 |
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图 12 1979—1993年（a、c）和1994—2010年（b、d）平均的OLR距平不同周期分量沿115 °E的纬度-时间剖面图 a、b. 10~90 d分量；c、d.大于90 d分量。单位：W/m2。 |
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图 13 1979—1993年（a、c）和1994—2010年（b、d）平均的OLR距平不同周期分量沿115 °E的纬度-时间剖面图 a、b. 10~25 d分量，c、d. 25~90 d分量。单位：W/m2。 |
在年代Ⅱ, 纬向风各分量的演变与年代Ⅰ的反相。如, 自4月初—5月末在南海季风区5~15 °N表现为明显的异常西风(图 10d), 而且自5月6日起, 季内分量在南海季风区也由负转正并持续到6月初(图 10b), 两者的共同作用使得南海季风区出现西风的时间偏早, 亦即南海夏季风爆发出现年代际偏早。而纬向风季内分量的演变主要由25~90 d分量所主导(图 11b, 11d)。在OLR场上, 季节以上分量自4月初至6月初在南海季风区5~17.5 °N表现为负异常(图 12d), 利于对流活动的发展, 为南海夏季风提早爆发提供了有利的大尺度背景条件; 季内分量也非常显著(图 12b), 而且自5月6日起, 在南海季风区的振幅变强并以负－正－负位相交替变化, 其中负位相(对流位相)出现在5月7—15日间, 其与季节以上分量的共同作用使得南海季风在16日爆发, 出现年代际偏早。而OLR的季内分量在5月的演变则由10~25 d分量和25~90 d分量共同主导(图 13b、13d), 但准双周分量强度相对较强。
值得注意的是, 无论是在年代Ⅰ(图 11a、图 13a)还是年代Ⅱ(图 11b、图 13b), 在季风爆发前几天和季风爆发期间, 低层纬向风和OLR场的10~25 d分量在南海季风内都处于西风位相(正位相)和对流位相(负位相), 这说明准双周振荡分量对各年代的南海夏季风爆发具有明显的触发作用。
5 总结本研究探讨了环流场、温度场和对流活动的不同时间尺度分量的季节演变的年代际变异对南海夏季风爆发时间在1993/1994年出现年代际提早的相对影响作用, 得出如下一些结论。
(1) 南海夏季风爆发时间在上世纪90年代初发生年代际提早与南海季风区对流层经向温度梯度季节性逆转的年代际提早有密切联系。南海季风区5月中对流层经向温度梯度年代际增强的主要贡献来自季风区北部温度的年代际显著增暖, 南部对流层温度虽然也有年代际增暖, 但幅度较小。
(2) 季节内尺度分量和季节以上尺度分量对1993年之前南海季风区经向温度梯度逆转及加强时间偏晚的贡献是同等重要的。经向温度梯度距平的季节以上分量主要来自于季风区北部温度相应分量的贡献; 而季节内分量距平量则主要由南部相应分量作用所致, 并由25~90 d分量所主导。
(3) 季节以上尺度分量对1994年之后南海季风区经向温度梯度逆转及加强时间偏早的贡献要比季节内分量的贡献率大。经向温度梯度距平的季节以上尺度分量和季内分量对总距平的正贡献都主要来自于季风区北部温度相应分量的贡献。两种季内低频分量对温度梯度季内分量的贡献率相当, 10~25 d分量主要由南海北部温度相应分量所主导, 25~90 d分量对总距平的正贡献也源自北部分量。
(4) 在南海夏季风爆发前几天和季风爆发期间, 低层纬向风和OLR场的10~25 d分量在南海季风内都处于西风位相(正位相)和对流位相(负位相), 表明准双周振荡分量对各年代的南海夏季风爆发具有明显的触发作用。
当然, 上述分析仍然存在一些尚不清楚的问题, 如与南海夏季风爆发年代际变化相关的环流场、温度场以及对流活动的季节以上分量和季内分量的年代际变异的成因等等, 虽然目前已有一些研究工作对此进行了一些探讨, 但总体而言, 还有待今后深入、系统的研究。
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