东亚季风研究的进展

中国气象科学研究院曾长期组织和从事东亚季风及其对中国天气和旱涝影响的研究。该文对中国气象科学研究院在东亚季风研究方面取得成果进行综述, 并回顾了20世纪50年代以来国内有关季风的研究活动, 也回顾了影响我国天气气候、东亚季风环流系统的提出及其后续的有关东亚和印度季风系统的相互作用, 引发中国大陆暴雨生成的水汽输送, 表达中国大陆季风活动的季风指数设计等研究结果。综述了南海夏季风爆发、梅雨开始、中国雨季开始及传播等有关研究成果; 东亚季风系统中副热带地区低频振荡纬向和经向传播特征及与赤道地区不同之处, 东亚低频振荡对El Ni?o形成及夏季东亚热带和副热带季风爆发的可能影响, 东亚热带和副热带季风低频振荡对中国天气气候的影响等有关成果; 亚洲地区大气热源的计算及其分布, 青藏高原夏季热源对东亚夏季风及降水的可能影响, 青藏高原冬季冷源对El Ni?o生成的可能影响等有关成果; 东亚季风及降水的年际变化特征, 准4年年际振荡的分析及与ENSO形成间的相互作用, 极地对东亚夏季降水的影响及东亚季风年代际变化特征等成果。综述东亚季风系统形成的可能机制, 特别是亚洲大陆—西太平洋海陆热力差异及非洲、印度半岛、中南半岛及澳大利亚陆地与周围海洋对冬夏季风形成、印度和东亚季风系统形成、南海夏季风形成作用的结果。     

亚洲季风季节进程的若干认识

简要归纳了不同时期随着观测资料的更新对亚洲季风季节进程的若干认识。南海季风试验前,研究认识了东亚季风系统与南亚季风系统的区别。南海季风试验后,对季风进程有了更多的认识,江南副热带雨季开始于4月初,中印半岛热带雨季开始于4月底,南海热带雨季突然建立于5月中旬,都具有半年际的干湿转换。南海中部季风爆发后,亚洲季风在南亚、青藏高原东侧和东亚-太平洋地区全面爆发并由南向北推进。利用近年来高分辨率资料并考虑热带地区半岛陆海地形与热力的影响,认识到亚洲存在5个夏季季风槽与降水相联系的系统,它们分别是西南亚(阿拉伯海)夏季热带季风、南亚(孟加拉湾)夏季热带季风、东南亚(南海)夏季热带季风、西北太平洋夏季热带季风和东亚夏季副热带季风。     

东亚热带季风与副热带季风降水特征研究的回顾与展望

东亚季风既包含热带季风又包含副热带季风,他们之间存在的相互作用直接影响我国大范围旱涝灾害。东亚热带季风和东亚副热带季风作为两种性质不同的季风,其形成原因及其主要天气系统截然不同,对应的热带季风降水和副热带季风降水在结构、性质上自然也存在很大的差异。简要回顾我国气象学家在东亚热带季风降水及东亚副热带季风降水方面的研究成果,概述最近关于东亚副热带季风研究的热点问题,引证了利用星载测雨雷达对南海地区降水性质的部分研究结果,并对进一步利用星载测雨雷达资料开展季风及其降水研究进行了展望。     

关于东亚副热带季风若干问题的讨论

利用NCEP/NCAR再分析格点资料、TRMM卫星降水资料、中国东部站点降水资料和CMAP降水资料,重点讨论了东亚副热带季风雨季的起始时间、建立特征及其和南海夏季风的关系,同时也讨论了东亚副热带季风的可能机制.结果表明:(1)东亚副热带季风雨季于3月底-4月初(第16-18候)在江南南部和华南北部首先开始,伴随着降水的开始是偏南风的增强和对流性降水的显著增加,华南前汛期开始.(2)东亚副热带季风雨季的建立早于热带季风雨季,在热带季风建立后两者的雨带、强西南风带、强垂直运动带、强低空水汽辐合带均是分离的,南海热带季风在其建立后,与东亚副热带季风发生相互作用,促使副热带季风雨带季节性北进,两者共同影响中国的旱涝.(3)3月中下旬,东亚大陆(包括青藏高原)上空大气由冷源转为热源,东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力差异及其相应的温度和气压对比均发生反转.东亚大陆(包括青藏高原)的动力和热力作用究竟是否是东亚副热带季风雨带提前建立的机制值得进一步研究.文章最后讨论了有关东亚副热带季风的共识与分歧.     

近30余年来盛夏东亚东南季风和西南季风频率的年代际变化及其与青藏高原积雪的关系

利用地面观测资料和NCEP/NCAR再分析资料集,使用相关分析、合成分析等方法,在将地面风分为东南季风和西南季风的基础上,分析了近30余年来盛夏东亚季风频率的年代际变化特征。结果表明:盛夏东南季风、西南季风频率和前期春季青藏高原积雪均在21世纪初期发生了显著的年代际变化;东南季风、西南季风频率由较少改变为较多,春季青藏高原积雪则由深变浅。由于青藏高原积雪厚度发生了年代际变浅,说明青藏高原发生了年代际变暖和南亚高压变强,南亚高压的年代际变强,使得其下游对流层低层(18°~28°N,108°~118°E)的反气旋性环流异常增强,有利于东亚西南季风频率的增加;同时,由于高原发生湿反馈作用,使得淮河地区降水发生年代际变多,由Sverdrup涡度平衡关系,降水的异常增多通过潜热释放,使得东亚副热带高压异常加强,而副热带高压异常变强则有利于盛夏东亚东南季风频率发生年代际增加。     

亚洲夏季风动力学研究综述

亚洲夏季风按照气候带可以分为东亚副热带夏季风和亚洲热带夏季风。就气候平均而言,东亚副热带夏季风于4月初在我国江南(泛称“华南”)地区建立,而亚洲热带夏季风首先于5月初在孟加拉湾东北部建立,之后向东推进,于5月第4候到达南海,然而夏季风无法直接西传至印度地区,因此印度夏季风的爆发表现为热带对流在阿拉伯海上空自赤道向北逐步推进的特征。东亚副热带夏季风与亚洲热带夏季风的爆发机制和时空变率都存在明显差异。亚洲夏季风的建立与青藏高原的动力和热力强迫作用联系紧密,其中东亚副热带夏季风的建立又与东亚大陆-西北太平洋的纬向海陆热力差异的季节转换紧密联系,而亚洲热带夏季风的爆发则与亚洲南部地区对流层中上部经向温度梯度的季节变化有关。同时,亚洲热带夏季风的建立过程还与亚洲南部高、低空环流的垂直耦合密切相关。就季节内变化而言,东亚副热带夏季风在4月份表现出10～20天季节内振荡,这与青藏高原表面感热的季节内变化有关,而盛夏的东亚副热带夏季风则存在准双周和21～30天两种振荡信号。亚洲热带夏季风的季节内振荡包含30～60天的北传信号和10～20天的西传信号,其中北传信号与环境气流的垂直切变、边界层辐合以及暖SST下垫面有关。亚洲夏季风年际变率的主要外强迫是ENSO事件,同时印度洋和大西洋海温异常、南极海冰以及青藏高原的冬、春季积雪和感热异常也影响着亚洲夏季风的年际变率。而亚洲夏季风的年代际变化既与气候系统的自然变率有关,又受热带海温强迫、人为排放气溶胶浓度和青藏高原表面热状况长期变化影响。      

东亚季风指数及其与大尺度热力环流年际变化关系

将东西向海平面气压差与低纬度高、低层纬向风切变相结合 ,定义了东亚季风指数 ,该季风指数较好地反映了东亚冬、夏季风变化。其中 ,夏季风指数年际异常对西太平洋副热带高压南北位置变化和长江中下游旱涝具有较强的反映能力。分析表明 :东亚夏季风年际变化与印度洋 -西太平洋上空反 Walker环流及夏季越赤道南北半球间的季风环流呈显著正相关关系。在强、弱异常东亚夏季风年份 ,异常的 Walker环流在西太平洋上的辐合 (辐散 )中心在垂直方向不重合 ,高层 ( 2 0 0 h Pa)速度势与东亚夏季风显著相关区域位于西北太平洋上 ,该异常环流的高层的辐合 (辐散 )通过改变低层空气质量而影响夏季 50 0 h Pa西北太平洋副热带高压。采用 SVD分析进一步发现 :与海温耦合的异常 Walker环流在西太平洋上空的上升支表现出南北半球关于赤道非对称结构 ,亚澳季风区受该异常 Walker环流控制。因而 ,东亚季风与热带海气相互作用可直接通过这种纬向非对称的 Walker环流发生联系。     

东亚地区夏季风爆发过程

利用中国194站1961～1995年日降水资料及NCEP1979～1997年候格点降水资料,探讨了亚洲地区自春到夏的雨季开始分布。结果表明,东亚地区自春到夏存在副热带季风雨季开始和热带季风雨季开始。前者于4月初开始于华南北部和江南地区,随后向南和向西南扩展,于4月末扩展到华南沿海和中南半岛,这个雨带主要是冷空气和副热带高压西侧转向的SW风以及南亚地区冬春副热带南支西风槽中西风汇合而形成的,是副热带季风雨季开始。后者是南海热带季风爆发后使原来由江南移到华南沿岸的副热带季风雨带随副热带高压北进而北进,前汛期雨季进入盛期,江南出现第二次雨峰,形成梅雨期和江淮及华北雨季。同时,热带季风雨带也自东向西传播到达南亚地区而形成热带季风雨季。还讨论了1998年东亚地区夏季风爆发过程,指出南海夏季风爆发期的季风由副高北侧形成的新生气旋进入南海造成南海中部西风和南海越赤道气流转向的SW季风加强汇合而形成,因而是东亚季风系统中环流系统季节变化造成的,和印度季风无关。在南海季风爆发期阿拉伯海仍由副热带反气旋控制,南亚仍是上述副热带反气旋北侧NW风南下后转向的偏西副热带气流所控制,索马里低空急流仍未爆发,赤道西风并未影响南海。     

大气环流的季节变化和季风

利用多年平均气候资料计算了全球各地和各等压面上的大气环流季节变率（即冬季和夏季环流之差或者1月和7月环流之差再除以年平均）,发现在对流层低层环流有5个很突出的季节变率极大值的区域,分别位于热带和南北两半球的副热带和中-高纬度带（温-寒带）,它们分别对应于经典所谓的热带季风区,太平洋、印度洋和大西洋的副热带高 压季节性移动区域,以及温-寒带气旋的风暴轴线区域。这5个区域也可分别称为热带季风区、副热带季风区和温-寒带季风区。季节变率带有鲜明的斜压性:在对流层低层热带季风和副热带季风虽相互连接然而仍然明显可分,但越往上,副热带季风一支就越往低纬移动,结果在200 hPa处与热带季风混合为一,形成为斜交赤道的带,和所谓的行星季风区相对应;再往上,在平流层上层,则南北两半球各在中纬度带有一完好的非常鲜明的季节变率极大值带,它们与黑夜急流的维持和崩溃有关。此外,文中还探索了各季节来临的时空分布以及年际变化等问题。     

梅雨期及其前后东亚地区的径向环流结构

本文分析了1983年江淮流域入梅前、梅雨期以及出梅后东亚地区各期平均的径向环流结构及其演变特征。在不同时期，印度热带季风环流和东亚热带及副热带季风环流具有显著差异。研究指出，江淮流域梅雨是亚洲夏季三个季风系统相互作用的结果，是东亚副热带季风系统中径向经向环流上升支中的产物，同时又与其它两个季风系统密切相关，梅雨结束则与印度热带季风环流减弱南撤、西太平洋高压加强西伸、东亚副热带季风环流北上有关。     

关于东亚副热带季风和热带季风的再认识

利用NCEP/NCAR再分析数据集和CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)降水资料, 分析了东亚副热带夏季风与热带夏季风的区别和联系, 以及两者相互作用问题, 深入讨论了东亚副热带季风的本质。分析发现东亚副热带夏季风建立早于热带夏季风, 于3月中旬已经开始建立。两者是相互独立的两个过程, 前者并非是后者向北推进的结果；相反, 前者建立后的突然南压有利于后者的爆发。副热带夏季风为渐进式建立, 但撤退迅速；热带夏季风爆发突然, 但撤退缓慢。副热带夏季风的建立以偏南风的建立为特征, 而热带夏季风的建立以偏东风向偏西风转变为特征。热带夏季风的建立时间取决于经向海陆热力差异转向, 而东亚副热带夏季风则更依赖于纬向海陆热力差异的逆转。亚洲大陆（含青藏高原）与西太平洋之间的纬向海陆热力差异的季节逆转无论对东亚副热带夏季风还是热带夏季风均有重要作用。     

Relative impacts of insolation changes, meltwater fluxes and ice sheets on African and Asian monsoons during the Holocene

In order to better understand the evolution of the Afro-Asian monsoon in the early Holocene, we investigate the impact on boreal summer monsoon characteristics of (1) a freshwater flux in the North Atlantic from the surrounding melting ice sheets and (2) a remnant ice sheet over North America and Europe. Sensitivity experiments run with the IPSL_CM4 model show that both the meltwater flux and the remnant ice sheets induce a cooling of similar amplitude of the North Atlantic leading to a southward shift of the Inter-Tropical Convergence Zone over the tropical Atlantic and to a reduction of the African monsoon. The two perturbations have different impacts in the Asian sector. The meltwater flux results in a weakening of the Indian monsoon and no change in the East Asian monsoon, whereas the remnant ice sheets induce a strengthening of the Indian monsoon and a strong weakening of the East Asian monsoon. Despite the similar coolings in the Atlantic Ocean, the ocean heat transport is reduced only in the meltwater flux experiment, which induces slight differences between the two experiments in the role of the surface latent heat flux in the tropical energetics. In the meltwater experiment, the southward shift of the subtropical jet acts to cool the upper atmosphere over the Tibetan Plateau and hence to weaken the Indian monsoon. In the ice sheet experiment this effect is overwhelmed by the changes in extratropical stationary waves induced by the ice sheets, which are associated with a larger cooling over the Eurasian continent than in the meltwater experiment. However these sensitivity experiments suggest that insolation is the dominant factor explaining the relative changes of the African, Indian and East Asian monsoons from the early to the mid-Holocene.     

冬夏季环流隔季相关的数值试验

利用海气耦合和大气气候模式研究东亚冬季风异常对夏季环流的影响, 结果表明, 东亚冬季风异常对于后期环流及海洋状态异常都起了很大的作用.一般情况下, 强的冬季风与后期弱的东亚夏季风和较强的南海季风相对应.与强(弱)冬季风异常相关的风应力的改变可以使热带太平洋海温从冬季至夏季呈现La Nina (El Nio)型异常分布.试验得到的由冬季风异常所产生的海洋及夏季环流的变化与实况是相当接近的.在异常的冬季风偏北风分量强迫下, 西太平洋上形成的偏差气旋环流在夏季已不存在, 这时东亚夏季风反而增强.而冬季赤道西风分量所产生的影响, 则在西太平洋上形成显著的偏差气旋环流, 使东亚副热带夏季风减弱, 南海夏季风加强.对于东亚大气环流而言, 与强弱冬季风对应的热带海洋海温异常强迫下, 不仅是冬季, 后期春季和夏季环流的特征都能得到很好的模拟.但是从分区看, 西太平洋暖池区的海温异常比东太平洋更为重要.单纯的热带中东太平洋的海温异常对东亚大气环流的影响主要表现在冬季, 对后期的影响并不十分清楚.整个热带海洋的异常型分布(不论是El Nio还是La Nia)型, 对冬夏季风的影响是重要的, 而单纯的某个地区的海温异常都比它的整体影响要小.从试验结果看, 海温在大尺度冬夏季环流的隔季相关中起了十分重要的作用.     

热带印度洋MJO活动异常对四川盆地降水的影响

利用四川省132个气象观测站降水资料和NOAA的逐日向外长波辐射(OLR)资料,分析了主汛期热带东印度洋MJO活动异常年低频对流传播的显著差异,及其影响四川盆地主汛期降水的物理过程。探讨了热带东印度洋MJO活跃年低频振荡向四川盆地传播的路径和源头,以及孟加拉湾西南季风系统、东亚副热带季风系统的低频振荡分别对四川盆地主汛期低频对流活动的影响。结果表明:热带印度洋的低频对流激发了孟加拉湾西南季风ISO进入活跃期,并在西南气流的引导下继续向四川盆地传播;低频对流先从热带印度洋东传至菲律宾群岛南部的热带洋面,并向东亚副热带地区北传,激发了东亚副热带季风ISO的活跃加强,进而向四川盆地西传。热带印度洋MJO活动异常对四川盆地降水的调制,正是通过两支季风系统(孟加拉湾夏季风和东亚副热带夏季风)的共同作用,影响了四川盆地主汛期异常的对流活动以及降水的多寡。      

ON THE INTERACTIONS BETWEEN ENSO AND THE ASIAN MONSOON ON THE SCALE OF QUASI-BIENNIAL OSCILLATION

A diagnostic analysis is performed of the quasi-biennial oscillations during the ENSO cycle and the results are based to study the interactions between ENSO and the Asian monsoons. It shows that the Asian monsoons have significant influence on the ENSO cycle on the quasi-biennial scale. Materialized through the onset and southward progression of the winter monsoon, the influence appears in the tropical western Pacific to excite severe convection and to further affect the ENSO cycle. The phenomenon is not only reflected in the quasi-biennial mode but the annual variation of the Asian winter monsoon in reality.     

ON THE PROCESS OF SUMMER MONSOON ONSET OVER EAST ASIA

Using daily observational rainfall data covered 194 stations of China from 1961 to 1995 andNCEP model analyzed pentad precipitation data of global grid point from 1979 to 1997,thedistribution of onset date of rainy season over Asian area from spring to summer is studied in thispaper.The analyzed results show that there exist two stages of rainy season onset over East Asianregion from spring to summer rainy season onset accompanying subtropical monsoon and tropicalmonsoon respectively.The former rain belt is mainly formed by the convergence of cold air and therecurred southwesterly flow from western part of subtropical high and westerly flow from the so-called western trough of subtropical region occurring during winter to spring over South Asia.Thelatter is formed in the process of subtropical monsoon rain belt over inshore regions of South ChinaSea originally coming from south of Changjiang (Yangtze) River Basin advancing with northwardshift of subtropical high after the onset of tropical monsoon over South China Sea.The pre-floodrainy season over South China region then came into mature period and the second peak of rainfallappeared.Meiyu,the rainy season over Changjiang-Huaihe River Basin and North China thenformed consequently.The process of summer tropical monsoon onset over South China Sea in 1998is also discussed in this paper.It indicated that the monsoon during summer tropical monsoononset over South China Sea is the result of the westerly flow over middle part of South China Sea,which is from the new generated cyclone formed in north subtropical high entering into SouthChina Sea,converged with the tropical southwesterly flow recurred by the intensified cross-equatorial flow.     

ON THE PROCESS OF SUMMER MONSOON ONSET OVER EAST ASIA*

Using daily observational rainfall data covered 194 stations of China from 1961 to 1995 and NCEP model analyzed pentad precipitation data of global grid point from 1979 to 1997,the distribution of onset date of rainy season over Asian area from spring to summer is studied in this paper.The analyzed results show that there exist two stages of rainy season onset over East Asian region from spring to summer rainy season onset accompanying subtropical monsoon and tropical monsoon respectively.The former rain belt is mainly formed by the convergence of cold air and the recurred southwesterly flow from western part of subtropical high and westerly flow from the so-called western trough of subtropical region occurring during winter to spring over South Asia.The latter is formed in the process of subtropical monsoon rain belt over inshore regions of South China Sea originally coming from south of Changjiang (Yangtze) River Basin advancing with northward shift of subtropical high after the onset of tropical monsoon over South China Sea.The pre-flood rainy season over South China region then came into mature period and the second peak of rainfall appeared.Meiyu,the rainy season over Changjiang-Huaihe River Basin and North China then formed consequently.The process of summer tropical monsoon onset over South China Sea in 1998 is also discussed in this paper.It indicated that the monsoon during summer tropical monsoon onset over South China Sea is the result of the westerly flow over middle part of South China Sea,which is from the new generated cyclone formed in north subtropical high entering into South China Sea,converged with the tropical southwesterly flow recurred by the intensified cross-equatorial flow.     

东亚夏季风降水和环流数值模拟对不同对流参数化方案的敏感性

A 5-level spectral AGCM (ImPKU-5LAGCM) is used to examine the sensitivity of the simulated results of the summer monsoon rainfall and circulation in East Asia to different cumulus parameterization schemes in the climatological-mean case and in the cases of weak and strong Asian summer monsoons,respectively. The results simulated with the Arakawa-Schubert＇s(hereafter A-S＇s), Kuo＇s and Manabe＇s cumulus parameterization schemes show that these simulated distributions of the summer monsoon rainfall and circulation in East Asia depend strongly on the cumulus parameterization schemes either in the climatological-mean case or in the cases of weak and strong Asian summer monsoons. From the simulated results, it might be shown that the Kuo scheme appears to be more suitable for the simulation of the summer monsoon rainfall and circulation in East Asia than the A-S scheme or the Manabe scheme, although the A-S scheme is somewhat better in the simulations of the tropical rainfall. This might be due to that the Kuo＇s cumulus parameterization scheme is able to reflect well the characteristics of rainfall cloud system in the East Asian summer monsoon region, where the rainfall system used to be a mixing of cumulus and stratus.     

近千年东亚季风变化统计动力反演与驱动机制研究

利用观测数据和非线性统计-动力学方法,构建了东亚季风变化的动力方程。量化了单因子强迫及各因子间相互作用在东亚季风演化中的相对贡献率,为东亚季风驱动机制研究提供了量化参考。研究发现:（1）过去千年东亚季风是多种因子共同作用下的复杂非线性动力系统。有些因子以起驱动作用为主,则有些以反馈调节作用为主,因子间交互作用与东亚季风演化存在耦合效应机制。（2）季风的驱动力主要来源于副热带太平洋海表温度、青藏高原动力热力强迫、CO₂和N₂O交叉项、太阳辐射和N₂O交叉项、CO₂与CH₄交叉项等的耦合作用机制;调节作用主要是石笋δ18O指代的地理位置、单因子CO₂浓度、太阳辐射变化、CH₄与N₂O交叉项、太阳辐射与ENSO交叉项等的耦合作用机制。温室气体（CO₂、CH₄与N₂O）浓度对东亚季风演化的驱动与调节作用贡献较大。（3）通过动力反演机制推论副热带太平洋和热带西太平洋对东亚季风均有驱动作用,但主要驱动力来自副热带太平洋,即驱动东亚季风变化的主源地在副热带太平洋海区,次源地在热带西太平洋海区。（4）由海-陆温差对季风演变贡献大小推测石笋δ18O指代的也主要是夏季风信息。