亚洲热带夏季风建立时风场相似度的分析

基于1968—1997年美国国家大气研究中心/美国国家环境预报中心(National Center for Atmospheric Research/National Centers for Environmental Prediction,NCAR/NCEP)共30 a平均的全球各标准等压面上经纬网格距为2.5°×2.5°的逐日气候风场资料,对南海夏季风和南亚夏季风建立期间气候逐日风场的相似度进行了分析。结果表明:风场相似度能较好地反映亚洲热带夏季风的建立,在南海夏季风和南亚夏季风建立期间的季风区,对流层低层风场相似度等值线的水平梯度较大,可视为"相似度锋区",季风沿其法线方向推进。在南海夏季风和南亚夏季风建立过程中,对流层低层大气环流的变化较中层剧烈。在对流层低层,气候状态的南海夏季风最早在西太平洋暖池洋面建立,数日后则已覆盖整个南海,南海和南亚夏季风建立是低层大气环流的突变过程;相应南亚夏季风则最早在赤道东印度洋和赤道西印度洋建立,进而覆盖整个南亚次大陆,其突变性不及南海夏季风。亚洲热带夏季风建立时除季风区及附近外,在全球个别地区大气环流的调整也相当剧烈,甚至发生突变。     

南海地区大气30～60天低频振荡及其对南海夏季风的可能影响

本文利用1979～2008 年美国国家环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)第二套再分析资料、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的向外长波辐射(OLR)资料及1979～2007年全球降水资料(CMAP), 分析了南海地区热带大气的低频振荡及其对南海夏季风的可能影响。结果表明, 夏半年南海地区存在显著的30～60天的周期振荡。当30～60天低频振荡处于活跃位相时, 南海及其周围地区的低层大气为低频西南风, 南海和菲律宾北部为低频气旋流场且为正的位涡度, 对应着增强的南海夏季风槽和南海夏季风; 当 30～60天低频振荡处于不活跃位相时, 情形正好相反。进一步的研究揭示出, 夏半年30～60天低频振荡变化的空间型与夏半年平均场的年际变化的空间分布非常相似, 并且南海及其附近地区的 30～60天低频振荡活动的年际变化对夏半年平均场的年际变化有显著的贡献。强、弱南海夏季风年30～60天低频振荡活动的比较也说明, 强的南海夏季风年30～60天低频振荡活跃状态发生的概率大于不活跃状态发生的概率, 而弱的南海夏季风年则是不活跃状态发生的概率大于活跃状态发生的概率。因此, 南海地区30～60天低频振荡对南海夏季风很可能有重要影响, 当30～60天低频振荡的活跃状态处于主导时, 南海夏季风往往会偏强; 反之, 如果不活跃状态处于主导时, 南海夏季风往往会偏弱。     

南海夏季风活动指标的定义及应用

为了分析南海夏季风活动不同阶段的大气环流特征,引入南海区域(105~120°E,5~20°N)平均高(200 hPa)低(850 hPa)层风场和向外长波辐射(OLR)作为南海夏季风指数。分析结果表明这些指数的组合可以较好地反映南海夏季风季节内以下时间尺度的活动情况。当南海地区低层平均为西南风、高层为东北风且OLR异常(OLRa)小于零时,南海夏季风处于活跃期,此时副高远离南海,南海区域对流强盛,有明显的季风槽;当南海地区低层为西南风,高层为东北风,但是OLRa大于零时,南海夏季风处于不活跃阶段,此时副高远离南海,虽然南海地区对流不活跃,但是季风环流依然存在且向北扩展,使得华南-江南对流活跃;当南海地区风场为其他情况时,此时不论对流强弱,南海夏季风处于中断期,南海或者受副高控制,或者受热带气旋影响,季风环流在南海地区中断。利用定义的南海夏季风活动指标对2011年和2012年南海夏季风活动进行分析,结果指出这两年南海夏季风活跃期较长,季节内对流北传事件一般发生在南海夏季风活跃期或活跃期向非活跃期的转换期,而中断期即使有强对流发生,也不会向北传播。分析了这两年中断和不活跃情况下的大气环流分布,进一步验证了定义的南海夏季风活动指标的实用性。     

华东区域夏季行星边界层大气稳定度的气候特征及其与气溶胶的联系

利用1979-2008年夏季（6—8月）逐日NCEP／NACR再分析资料、MODIS卫星的气溶胶资料等,研究了华东区域夏季行星边界层大气稳定度的气候特征与年际变化,分析了大气稳定度和相应的加热场与气溶胶光学厚度（aerosol optical depth,AOD）的联系。结果表明：华东区域夏季行星边界层大气稳定度在空间上分布不均匀,时间上具有明显的年际变化。边界层中的非绝热加热率、大气稳定度及气溶胶光学厚度三者之间可能存在密切联系。利用经验正交函数分析了华东区域总体理查森数Rib的距平场,得到了边界层稳定度分布的3个主要模态,这3个模态所代表的边界层大气稳定度异常与夏季风环流异常密切相关,特别是P-J型遥相关波列和西太平洋副热带高压在中国东部大气边界层稳定度变化中可能起着非常重要的作用。     

亚洲热带气候态夏季风涌传播特征及其对中国降水的影响

基于1979—2020年逐日的NOAA向外长波辐射资料、NCEP/NCAR再分析风场资料,以及全球CMAP再分析降水资料,探讨了气候态亚洲热带夏季风涌的传播过程及与我国夏季相应的降水联系。分析结果表明,主汛期亚洲热带气候态夏季风季节内振荡(CISO)活动是亚洲夏季风活动的主要特征,随时间北传的亚洲热带夏季风CISO称为亚洲热带夏季风涌,主要有南亚夏季风涌和南海夏季风涌。亚洲热带夏季风涌的传播可分为四个阶段。在亚洲热带夏季风涌的发展阶段,印度洋区域低频气旋与对流活跃,孟加拉湾和南海热带区域被低频东风控制,我国大部分地区无降水发生,降水中心位于两广地区。当进入亚洲热带夏季风涌活跃阶段,孟加拉湾和南海热带地区低频气旋和对流活跃,东亚低频“PJ”波列显著,我国降水中心北移到长江以南的附近区域。亚洲热带夏季风涌减弱阶段,孟加拉湾与南海低频气旋消亡,对流减弱,低频西风加强,日本南部附近为低频反气旋控制,我国长江中下游低频南风活跃,降水中心也北移到长江中下游地区,而华南地区已基本无降水,此阶段的大气低频环流场与亚洲热带夏季风涌发展阶段基本相反。进入亚洲热带夏季风涌间歇阶段时,孟加拉湾和南海热带地区低频反气旋活跃,对流不显著,日本南部附近的低频反气旋北移减弱,我国东部基本在低频南风的控制下,降水中心也逐步北移到华北-朝鲜半岛一带,此时的大气低频环流场与亚洲季风涌活跃阶段基本相反。      

伴随南海夏季风爆发的大尺度大气环流演变

主要基于美国NCEP和NCAR的再分析资料（1980～1996年），针对南海夏季风爆发日期进行合成分析，研究了伴随南海夏季风爆发的大尺度大气环流演变。其结果清楚地表明伴随南海夏季风爆发，南亚和东南亚地区的对流层低层风场、对流层高层位势高度场以及大气湿度场和垂直运动场都有极显著的变化。南亚和东南亚850 hPa上涡旋对的发展和活动以及500 hPa副高从南海地区的东撤对南海季风爆发起着重要作用。伴随南海夏季风的爆发，在孟加拉湾到南中国海一带整层湿度和500 hPa垂直上升运动都出现了极明显的增加。对流层高层和对流层低层环流演变的特征也清楚表明，南海夏季风爆发既是全球环流冬夏演变的一个部分，又有显著的区域性特征。本文还指出南海夏季风在北部比中部和南部早建立的结论依据不足，进而补充给出了亚洲季风爆发日期示意图。     

NCEP和ECMWF资料表征南海夏季风的差异

比较美国国家环境预报中心（NCEP）和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的再分析资料,分析了二者用低层风场表征南海夏季风上的差异.结果表明,NCEP得到的南海夏季风指数有明显的减小趋势,而ECMWF则没有;二者在年际尺度上都能较好地表征南海夏季风强度,而年代际尺度上有明显的位相差.与西沙站的探空资料比较结果表明,NCEP在经向风上更接近观测资料,而经向风的趋势变化正是西沙站西南风减小趋势的主要贡献项;ECMWF资料在年代际尺度变化上更接近观测资料.与1998年南海夏季风试验SCSMEX的再分析资料比较显示,NCEP资料在空间上与SCSMEX资料更相似.     

云导风和TBB在监测南海夏季风爆发中的应用

利用风云静止气象卫星的可见光图像、水汽导风（AMV）、云顶亮温（TBB）和射出长波辐射（OLR）等多种资料,分析了2006—2011年南海及附近区域的对流活动和风场分布,选取110～120 °E,5～20 °N作为气象卫星监测南海夏季风活动的区域。分析表明,近6年间,亚洲夏季风爆发前,多数年份的对流首先在孟加拉湾东南部以及中南半岛南部生成,然后向西和向东扩展,少数年份的对流首先在南海区域活跃;多数年份南海夏季风首先在南海南部爆发,少数年份首先在南海北部爆发。通过对比分析,南海夏季风区域平均TBB<273 Ｋ和OLR<230 W/m2有很好的一致性,但是TBB<273 K滞后于南海夏季风爆发时间,南海夏季风活动期间出现多次TBB高值,经向平均TBB更能显示南海夏季风的爆发特征。南海夏季风区域平均的对流层中高层风场（AMV）由西风转为东风能较好地描述南海夏季风的爆发特征,其转为东风的时间和气候中心确定的南海夏季风爆发时间较吻合。这为利用气象卫星监测南海夏季风活动提供了新方法。      

南海夏季风的低频特征

利用１９７５－１９９３年（其中１９７８年缺）的向外长波辐射（ＯＬＲ）资料,分析了南海低频振荡的季节变化特征及其与南海夏季建立和活动的关系。结果表明：南海低频振荡在夏季期间比冬季风期间明显较强,南海夏季风一般在初夏第一个较强低频荡的负值位相开始建立;南海夏季风期间低频振荡的环流实体是ＩＴＣＺ的南北振荡和西太平洋高压西脊点的东西摆动,低频振荡与现海季风的活跃和中断（或减弱）密度相关;南海低频振荡与大气     

1998年SCSMEX期间南海夏季风海气交换的主要特征

根据1998年“南海季风试验（SCSMEX）”强化观测期间“实验3号”和“科学1号”科学考察船船基大气海洋自动观测系统两点连续观测的大气、海洋资料,使用考虑到风速和大气层结影响的整体输送公式计算海-气间的湍流通量交换。根据计算结果分析南海夏季风期间海表大气要素和海温日均值的逐日变化、海洋向大气输送的潜热通量和感热通量以及大气向海洋输送的动量通量等。结果表明：这次夏季风于5月21日从南海南部开始爆发,然后向北部扩展全面爆发。夏季风期间南海南部和南海北部的大气、海洋结构和海气交换特征等都有明显差别。此外,海表温度的变化除了与太阳总辐射有关外,主要是与海洋向大气输送的潜热通量变化有关,对本次夏季风发生较晚、强度较弱作了海-气交换的物理解释,并与1992～1993年西太平洋热带海域西风爆发过程作了比较。     

南海地区定常行星波特征及其与南海夏季风的关系

利用美国NCAR/NCEP的1951—2001年全球大气日平均再分析资料,对南海区域的高低层大气长波的变化特征及其与南海夏季风爆发时间的关系进行分析。结果表明,（1） 纬向1～3波合成风场基本反映原始纬向风场的变化,南海地区处于东西风带的南北过渡区。（2） 对流层高低层（200 hPa和850 hPa）纬向1波在南海区域累加值（S1）正负转换时间与南海夏季风建立日期较吻合。高层S1由正值稳定变为负值（西风转为东风）的时间比南海夏季风爆发提前1～2候,低层S1由负值稳定转为正值（东风转为西风）的时间则几乎与南海夏季风爆发时间同期。（3） 以低层纬向1波（S1）值随时间的变化为主要指标,定义了一个南海夏季风爆发指数,该指数对南海夏季风的建立具有较好的反映能力。      

南海海温异常影响南海夏季风的数值模拟研究

采用p－σ九层区域气候模式(p－σRCM9）模拟并研究了南海海温异常对南海夏季风的影响, 数值模拟结果表明, 5月份的南海海温对南海夏季风的爆发日期起关键作用: 5月份南海海温持续增温 (降温）, 南海夏季风爆发日期偏早 (偏晚）。南海夏季风爆发后, 南海异常增温, 同期的南海夏季风增强, 而后期的南海夏季风减弱; 南海异常降温, 则与之相反。机制分析表明, 南海海温正(负)异常增强(减弱)了海面与行星边界层之间的能量交换, 主要是潜热通量的输送, 并在大气中通过积云对流加热率的变化来影响对流层热量的分布, 进而引起对流层中低层辐合和高层辐散的变化, 然后使得环流场和风场作出相应地调整, 环流场和风场又会反过来影响积云对流加热率的变化, 这是一个正反馈过程。在5月份南海增温(降温)强迫下, 5月份南海地区的对流活动加强(减弱）, 使得对流层低层副热带高压提前(延后)撤出南海, 从而有利于南海夏季风爆发偏早(晚）。在南海海温异常强迫下, 中国东南部和南海地区的降水率异常主要是由积云对流所产生的降水率异常引起。     

利用风云气象卫星反演产品定义南海夏季风爆发指标

夏季风爆发伴随着风场和大气温湿度的急剧变化,我国风云气象卫星反演的云导风(AMV)和黑体亮温(TBB)产品可从大气动力和热力两个方面对夏季风活动进行实时监测。根据气象卫星AMV和TBB资料综合分析,选择南海夏季风监测区域为110~120 °E,10~20 °N。夏季风爆发期间,对流层高层(150~300 hPa高度层范围)云导风由偏西风转为偏东风,风云气象卫星区域日平均TBB下降至280 K以下,综合利用AMV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判别方法为:4月15日以后,AMV和TBB指标同时稳定大于临界值,其中,AMV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。该判别方法可为南海夏季风业务服务和研究提供参考。      

中国东部夏季三个雨带降水的年代际变化及其与中高纬环流和海温的关系

根据1998年南海夏季风试验期间GAME／HUBEX一天4次同化资料,着重分析了1998年南海夏季风爆发前后大尺度水汽输送的主要特征,结果表明大尺度水汽条件与季风活动密切相关。南海夏季风爆发前后,南海地区主要的水汽输送带发生了较大变化。季风爆发前,南海地区水汽主要来自西太平洋;季风爆发后,水汽主要来自热带东印度洋和盂加拉湾。降水过程与水汽辐合的极大值密切相关,而主要水汽辐合带位置的移动及强度的变化则和南海夏季风相联系。随着南海夏季风的建立、加强,南海地区的水汽辐合带相应地建立和加强,并伴有降水发生。季风爆发后南海地区大气的可降水量较季风爆发前显著增加。季风爆发前大气的水汽汇中心主要出现在中南半岛及我国华南沿海地区,南海夏季风爆发后,从孟加拉湾到南海水汽输送加强,南海大部、孟加拉湾北部和菲律宾以东的洋面上均转为水汽汇区,从而对南海、日本及其以南的降水产生重要影响。     

南海夏季风活动及其影响

资料分析及其同南亚（印度）夏季风的比较,指出建立的突发性和经向分量的重要性是南海夏季风活动的两个最基本特征。根据南海夏季风经向分量与纬向分量同样重要的特征,并考虑南海地区大气环流的基本形势,提出了用对流层高低层散度差构成季风指数,它可以更好地描写南海夏季风的活动。资料分析和大气环流模式（GCM）数值模拟试验都清楚地表明南海夏季风年际异常对大气环流和气候有极为重要的影响,不仅影响东亚地区,而且通过东亚-太平洋-美洲（PJ或称EPA）波列影响美国的天气气候变化。     

南海夏季风活动的年际和年代际特征

利用NCEP风场资料和候平均向外长波辐射（OLR）资料分析了南海区域低层风场与对流活动的关系,在此基础上,采用南海中南部的纬向风平均值来定义南海夏季风的爆发,确定了长序列（1949～1998）的南海夏季风爆发日期和强度指数,并研究南海夏季风活动的年际和年代际变化特征。结果表明：南海夏季风爆发日期和强度指数呈显著的反相关;50年来的气候趋势是,爆发日期逐渐偏晚,强度指数逐渐减弱。二者都存在着明显的年际和年代际变化,它们在不同阶段上的波动是各种时间尺度振荡叠加的结果,而年代际尺度具有非常重要的作用。东印度洋海温异常在南海夏季风爆发前后,均与南海夏季风强度指数呈显著的反相关。东太平洋海温异常在南海夏季风爆发之前,与强度指数反相关,而爆发之后,与强度指数正相关。这体现了南海夏季风活动与ENSO事件的密切关系。     

南海季风爆发的统计动力分析

作者对南海季风爆发作了统计动力分析,即将南海季风爆发前后的高低层风场看成一个整体,并以南海季风爆发日为基准,对风场作了经验正交函数(EOF)分析,得到了以下结论:偏差风场的第一模态反映了高低层东亚夏季风环流在南海季风爆发日前后有剧烈变化,这直接体现了南海季风的爆发,并表明此时大气环流有突变发生;第二、三模态则分别反映了具有5～7天振荡周期的中高纬大气长波活动和亚洲季风区中准双周低频振荡的主要活动区,以及中低纬度大气环流的相互作用;第二模态体现了偏差风场的幅散风部分而第三模态则体现了旋转风部分.     

气溶胶影响亚洲夏季风机理的数值研究

利用NCEP/NCAR （National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）2001-2010年再分析资料,检验了全球气候系统模式CESM中大气模块CAM （Community Atmosphere Model）对亚洲夏季风和大气热源的模拟能力。结果显示,模式可以再现亚洲夏季风和大气热源的主要特征。通过敏感试验探讨人为气溶胶影响亚洲夏季风的机理,分析、讨论了气溶胶引起的非均匀加热的变化对辐散风和无辐散风强度的影响,在机理上解释了亚洲夏季风减弱的原因。结果表明,人为气溶胶浓度的升高使东亚夏季风强度在中国东南地区、中南半岛北部和印度半岛北部减弱。而中国东南部季风的减弱促使中国内陆降水减少,沿海降水增多。进一步分析人为气溶胶浓度升高的作用发现,其改变了大气热源的分布,造成阿拉伯海、孟加拉湾和中国南海大气热源增强,中国东部地区和中南半岛大气热源减弱,其中气溶胶通过影响凝结潜热来改变大气热源,主要是对对流过程的影响。此外,大气热源分布的变化改变了季风区的热力结构,使中国东南地区、中南半岛北部的加热减弱,从而减少了全位能的产生,使得全位能向辐散风的转换减小,辐散风减弱;同时,中国东南部、中南半岛北部季风由于辐散风向无辐散风转换的减弱,无辐散风减弱,最终导致了夏季风强度的减弱。而且,人为气溶胶对亚洲夏季风的影响主要通过大气热力和动力过程的响应产生作用。     

江苏省"五一"期间降水变化特征及极端异常天气分析

利用1961—1999年江苏省60站逐日降水量资料和NCEP／NCAR再分析逐日风场资料分析研究了江苏省“五一”期间降水的时空分布特征及其大气环流背景。结果表明：江苏省“五一”前后降水量的时间变化特征与南海夏季风建立进程有关；“五一”期间降水存在着明显的区域变化特征，可分为苏南和苏北两区。进一步分析“五一”期间降水极端异常年份对应的全国同期降水分布特征和低层流场特征发现：降水中心与气候平均状况相比明显偏北，且西太平洋副热带高压在南海夏季风建立对程中出觋了明显的异常。     

南海夏季风强弱年环流形势与热带对流特点对比分析

利用NCEP/NCAR(美国国家环境预报中心/国家大气研究中心)再分析资料,对南海强夏季风年和弱夏季风年进行合成分析,结果表明,无论是在夏季风爆发前的1月份或是夏季风盛行的7月份,强弱夏季风年的平均经圈环流和平均纬圈环流都有明显差异。在强夏季风年,1月份的哈特莱环流、7月份的瓦克环流和季风经圈环流都比弱夏季风年同期的明显。强夏季风年的西太平洋副热带高压比弱夏季风年明显偏弱。利用OLR资料分析强夏季风年(1981年)和弱夏季风年(1983)4～9月份赤道东印度洋和南海对流活动的季节内振荡,发现在南海强夏季风年,季节内振荡的次数偏少而强度偏强,在弱夏季风年,季节内振荡的次数偏多而强度偏弱。相比之下,在南海强夏季风年,赤道东印度洋的季节内振荡比南海的更具典型性。