孟加拉湾季风爆发对南海季风爆发的影响Ⅰ:个例分析

利用南海季风试验分析场和NCAR向外长波辐射通量(OLR)资料研究了1998年孟加拉湾季风和南海季风爆发期间副热带环流的大尺度和天气尺度特征,探讨了孟加拉湾季风爆发与南海季风爆发之间的物理联系及孟加拉湾季风气旋的对流凝结潜热释放对副热带高压“撤出”南海的影响。结果表明,1998年5月爆发的东亚季风展现出典型的从孟加拉湾地区东传发展到南海地区的过程。随着孟加拉湾季风爆发和对流活动增强、北移,南海北部出现了低层西风和对流活动,领先于副热带高压在南海地区减弱和撤退。结果还显示南海北部地区的对流凝结加热有助于该地区经向温度梯度的反转,在热成风关系的制约下南海上空副热带高压脊面的垂直倾斜由冬季型转向夏季型,季风爆发。     

1998年南海季风爆发时期中尺度对流系统 的研究：Ⅱ中尺度对流系统对大尺度场的作用

通过对1998年南海季风爆发过程中大尺度风场、温度场、厚度场、地面气压场以及视热源与视水汽汇的演变分析研究了对流活动对大尺度场的作用,结果表明:大尺度环流与中尺度对流活动之间可能存在着一种正反馈机制。在季风爆发早期,大尺度背景与中尺度对流活动的关系主要表现为前者为季风爆发以及中尺度对流活动的发生提供有利的天气和动力条件;季风爆发后期持续的大范围中尺度对流活动反过来会对大尺度环流存在明显的反馈作用。由对流活动强烈发展产生的凝结潜热释放在南海北部造成了显著的大气加热,使对流层中上层出现一明显的加热中心,这导致:(1)南海上空经向温度梯度由高层向低层发生反向,形成北高南低的温度梯度,从而使大尺度环流发生季节性改变;(2)相应南海北部地面气压不断加深,形成宽广的季风槽和明显的减压区,促使副热带高压从南海地区最后撤离;(3)随着中低层低压环流的不断发展,对流系统和降水区进一步加强并向南扩展,有利于南海季风在南海中、南部地区爆发和维持;(4)季风槽的加深使其南侧的季风气流与水汽输送进一步加强,促使季风爆发过程达到盛期。     

南海西南季风爆发日期及其影响因子

利用1950～1999年NCEP全球格点日平均资料,在总结南海西南季风爆发前后850 hPa大气环流特征的基础上,提出了一个较为客观的确定南海西南季风爆发日期的大气环流方法.在与1980～1991年其他多种指标确定的爆发日期比较后,作者认为该大气环流方法所确定的爆发日期基本合理,并给出了1950～1999年各年南海西南季风爆发的日期.通过合成对比分析和相关分析发现,前期热带太平洋地区海温异常分布是影响南海西南季风爆发早晚的重要因素.菲律宾以东洋面海温偏高,赤道太平洋中部偏东地区海温偏低,可以使低层西太平洋副高减弱、高层中东太平洋洋中槽加深,印度洋热带地区偏西风偏强,印度洋-太平洋热带地区Walker环流偏强,为热带对流在孟加拉湾-南海地区发展提供了有利的环境.在孟加拉湾南部偏西气流的作用下,南海地区对流活动较为容易发展起来,低层较弱的西太平洋副热带高压也容易较早地撤出南海上空,使得南海西南季风较早爆发.反之亦然.     

1998年南海季风爆发时期中尺度对流系统 的研究：I中尺度对流系统发生发展的大尺度条件

南海季风试验(SCSMEX)的观测表明,1998年南海北部夏季风爆发(5日16～20日)的主要特征是中尺度对流活动的突然爆发和降水迅速增加.文章通过讨论大尺度背景下中尺度对流活动及降水形成的物理条件,揭示了该时段中尺度对流系统与中尺度雨带形成的可能机制(1)在季风爆发初期华南及南海北部地区对流层低层较高的假相当位温与对流不稳定性、低层西南风辐合和高层的辐散为该地区的中尺度对流系统的发展提供了有利的大尺度热力与动力条件;来自孟加拉湾与副热带高压西侧的西南气流为南海北部强降水区提供了大量水汽,形成了该区深厚的湿层和强水汽辐合;(2)来自东亚中高纬地区几次冷空气活动是对流活动发生的重要触发机制,其作用是使对流不稳定能量迅速释放和对流活动在大范围地区突然爆发;(3)通过对南海季风试验期间安装在东沙岛和实验3号科学考察船上的双多普勒雷达资料反演的降水量分析表明,活跃的对流在季风槽和相应的风场切变线作用下,不断地组织并形成一些中尺度对流雨带(MCSs).1998-5-15～19季风爆发时段内,可观测到约12次中尺度降水过程,它们的生命期为6～10 h或更长;(4)南海季风槽与低层切变线的建立以及其中中尺度低涡的产生和发展是中尺度对流系统形成与维持的必要条件.     

南海季风爆发期间大气环流结构与对流热量、水汽输送特征

利用中国南海季风试验(SCSMEX)区1998年5～6月"科学1号"和"实验3号"观测船得到的一天4次加密探空资料,重点分析了南海北部地区(15～25°N,108～122°E)夏季风爆发前后大气环流的动力、热力和湿度场分布与海洋对流热量和水汽输送特征.结果表明,南海北部季风爆发前后的大气动力场、温湿场出现快速而明显的变化.季风爆发前,南海北部地区高层辐合、低层辐散,以下沉气流为主;季风爆发后,在200 hPa左右高层辐散,而在900～950 hPa左右低层辐合,并出现强上升气流.这种动力场的显著变化引起温度、湿度场的改变,直接导致南海对流的快速发展,对流活动伴随着剧烈的热量和水汽垂直输送和转化.     

关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析:Ⅰ季风爆发的阶段性特征

该工作将亚洲季风区作为一个复杂的海-陆-气耦合系统,来深入考察季风区海-气、陆-气相互作用的基本事实和物理过程,探讨它们在决定亚洲季风爆发及北半球行星尺度大气环流的季节突变的物理机理。本文是系列文章的第一篇,着重研究亚洲夏季风爆发的区域性和阶段性特征,以及过渡季节热带、副热带地区海-气、陆-气相互作用的基本事实,初步分析了它们之间的联系。研究表明,热带季风对流于4月底到5月初越过赤道进入北半球,首先出现在孟加拉湾东部-中南半岛西南部地区,然后于5月中旬和6月上旬末分别出现在南海和印度半岛地区,呈阶段性爆发的特征。季风对流在孟加拉湾东部-中南半岛西南部地区爆发阶段,在大气环流变化和对流活动中心位置出现区别于南海季风和印度季风爆发的特征。通过对地表感热通量和海表潜热通量的分析,表明热带海洋上海表感热通量甚小于海表潜热通量,南海季风爆发时期印度洋上海表潜热通量显著增大,印度季风爆发后海表潜热通量的高值中心在孟加拉湾和阿拉伯海上建立起来。印度洋上低层增强的过赤道气流引起的强烈的海-气相互作用导致海表水汽的大量蒸发,并通过其输送作用,为季风对流的爆发提供了充足的水汽来源。过渡季节在副热带地区(沿27.5～37.5°N纬带上), 青藏高原和西太平洋上地(海)表感热通量和潜热通量均有迅速的季节变化性, 但趋势相反。当青藏高原上地表感热通量和潜热通量呈阶段性的显著加大, 西太平洋上海表感热通量和潜热通量迅速减小。这种大陆和海洋对大气加热的显著的季节化的差异, 影响着大气环流的季节转变。     

中南半岛地区热力特征对南海季风爆发的可能影响及机理

利用1998年5月1日－8月31日南海季风试验(SCSMX)产1980年1月－1995年12月NCEP／NCAR候平均再分析资料，分析1998年和多年平均情况下南海夏季风爆发期间中南半岛地区热力特征，揭示该地区热状况的异常与南海夏季风爆发之间的可能联系，从而讨论引起南海夏季风爆发的可能机制。结果发现，南海季风爆发前中南半岛附近地区存在较强的持续地面感知加热并具有显的低频振荡特征，低层大气在中南半岛地区出现较强的暖中心，由此导致局地强的水平温度梯度和位势高度梯度，有利于加强该地区的西南风。南海季风爆发前中南半岛地区低层出现较强的辐合风，高层出现较强的辐散风，这种低层强的辐合，高层强的辐射散配置有利于垂直运动的发展，降水的加强，进而触发南海季风的爆发。对多年平均资料的分析也证实了1998年南海季风爆发过程中所具有的特征，并进一步发现南海季风爆发前中南半岛地区850hPa温度是逐渐增加的，且增温幅度大于南海地区上空，由此加强了中南半岛与南海之间的温差。另外，比纬圈温度偏差和位势高度偏差的分析中发现，南海季风爆发期间南海和中南半岛地区的副高东撤与中南半岛地区的增温和孟加拉湾低槽的向东扩展有关。     

印度洋偶极子对中国南海夏季西南季风水汽输送的影响

利用NCEP/NCAR再分析资料和中科院大气物理研究所PIAP3大气环流模式,分析了印度洋偶极子对夏季中国南海西南季风水汽输送的影响。结果表明,印度洋偶极子正位相期间夏季中国南海西南水汽输送较强,负位相期间则较弱。原因可归结为以下:正位相期间,MJO（Madden-Julian Oscillation）多活动于热带西印度洋,其向东传播受到阻碍,但经向传播明显,通常可传播至孟加拉湾地区,同时PIAP3显示印度洋季风槽位置偏北,且印尼以西过赤道气流较强,从而使得这一地区气旋性环流得到建立与加强。孟加拉湾地区对应着较强的对流活动以及深厚积云对流加热,从而通过对流加热的二级热力响应使西太平洋副热带高压位置向北推进,进而使得南海地区西南季风水汽输送得到建立与加强。在此期间孟加拉湾、中南半岛至南海地区对流活动较强,而苏门答腊沿岸对流活动受到抑制,由此增强了Reverse-Hadley环流,使低层经向风较强,进而增强了南海西南季风的水汽输送,PIAP3大气环流模式证实了Reverse-Hadley环流的增强。负位相期间,MJO多活动于热带东印度洋,在东传过程中受到Walker环流配置影响,在140°E赤道附近形成东西向非对称积云对流加热热源,其东侧Kelvin波响应加强了东风异常并配合副热带高压南缘东风压制了中国南海的西南季风水汽输送。在此期间,MJO在南海地区的经向传播较强,但经向传播常止步于南海地区15°N附近,虽携带大量水汽,但深厚积云对流强烈地消耗水汽使大气中水汽含量降低,PIAP3大气环流模式证实负位相期间深厚积云对流对水汽消耗加大,从而使得负位相期间南海地区水汽含量与正位相期间大体相近,但由于经向风不足使水汽向北输送较弱。     

春季青藏高原加热异常对亚洲热带环流和季风爆发的影响

使用NCEP/NCAR再分析等资料,从年际变化的角度,选取季风爆发前青藏高原感热加热异常强/弱年进行合成分析,结果表明：季风爆发前高原加热异常偏强,使得高层环流趋向于季节变化的方向;中、低层孟加拉湾等地区有气旋式环流、上升运动及降水增强,孟加拉湾季风爆发偏早。为进一步证实合成分析的相关结论,设计了对春季高原感热加热异常的敏感性数值试验,结果表明：高原感热加热异常对环流的影响结果与资料诊断分析基本一致,高原感热加热加强（减弱）导致孟加拉湾季风爆发偏早（偏晚）。     

2002年南海季风建立及其雨带变化的天气学研究

利用南海海 气通量观测试验资料结合NCEP ,GPCP以及GMS - 5云图资料 ,综合分析了 2 0 0 2年 5～ 6月南海西南季风建立过程及其雨带变化 ,确定 5月 14日西沙及北部海区西南季风爆发 ,5月 15日整个南海季风爆发 ,季风爆发时间属于正常年 ;季风爆发时风向、风速、云量、降水、湿度、辐射及海面温度等要素都发生突变。这种突变是由大气环流的突变造成的。季风爆发前后大气环流变化过程是 :80～ 90°E越赤道气流加强 ,同时印缅低压加深 ,孟加拉湾南北向气压梯度增大 ,而后东亚大陆上气旋发展东移 ,副热带高压东撤 ,孟加拉湾低压槽前的赤道西风突然加强越过中南半岛 ,南海北部首先出现强西南风 ,继而南海季风迅速地全面爆发。孟加拉湾西南风加强到南海季风爆发是一个连续的过程 ,大陆冷空气南下起了重要的作用。南海季风爆发时呈现单雨带型 ,而后由单雨带型转变为双雨带型 ,雨带受副热带高压和季风系统共同影响 ,并且随着副热带高压移动位置变化。     

孟加拉湾深对流加热对东亚季风环流系统的影响

利用40年逐日NCEP/NCAR再分析资料、ReynoldsSST资料和R42L9GOALS模式,研究孟加拉湾深对流加热对东亚副热带季风环流系统的影响及其与ENSO的关系。结果表明:孟加拉湾东岸季风于26候开始爆发,其深对流加热的旋转经验正交函数(REOF)分析表明,其激发的东传Rossby波在中高纬度地区具有相当正压结构。数值试验证实孟加拉湾降水增多,其东侧南海到长江以南区域降水明显减少。分析发现季风环流强度指数极小值和Walker环流强度指数极大值的出现对SSTA转折均具超前性,因此,季风环流的变化对预报ElNino减弱或LaNina结束及SSTA变化趋势具有一定的指示意义。     

南海夏季风演变的气候学特征

本文总结南海北部地区夏季风演变的气候学特征，发现南海地区５月第３候对流层高层东风和北风爆发，对流层低层西风第１次跃升，东亚经向季风环流圈开始形成，这可以成为南海地区夏季风爆发的标志。对流层低层西风在６月中旬开始的第２次连续跃升对应江淮地区的梅雨爆发期。类似地，中国大陆夏季对流层低层５月初和６月初有两次爆发性增暖过程，第２次比第１次强烈得多。南海北部地区对流层低层纬向风速、比湿盛夏呈双峰型，纬向风速峰值分别出现在６月第５候和８月第４候，比湿峰值分别出现在６月第６候和８月第５候。比湿突升对应纬向风速突升，但略落后于风速峰值出现的时间。南海北部地区季风爆发前，温度是波动式上升的，南海季风爆发后，温度是波动式下降的。中国大陆东部及南海地区夏季对流层低层比湿分布有３次突变，即４月中旬南海北部比湿突增，并开始出现高比湿中心，而南海南部为最大比湿中心；５月中旬最大比湿中心已从南海南部跳到了南海北部－华南并向江淮流域扩展；６月中旬江淮流域比湿突增并一直维持到８月，同时南海南部高比湿带消失。而５月中旬ＯＬＲ有一次突变，ＯＬＲ低值区爆发性向北扩张，这对应于南海地区夏季风的爆发。而孟加拉湾地区夏季风演变的气候学特征与南海地区有较     

亚洲夏季风爆发的深对流特征

文中应用ＮＯＡＡ卫星反演的１９８０～１９９５年候平均对流层上部水汽亮温（ＢＴ）资料、向外长波辐 射（ＯＬＲ）资料和美国ＮＭＣ全球分析８５０　ｈＰａ风资料与美国ＣＭＡＰ降水资料作了对比分析，发现Ｂ Ｔ能够较好地反映中低纬度地区的深对流降水，偏南风场辐合区与深对流降水有比较一致的 关系，而ＯＬＲ不能反映热带外地区的对流降水。ＢＴ资料所具有的这一特征可以应用于亚洲夏 季风爆发过程的深对流特征分析。ＢＴ描述深对流的临界值是２４４　Ｋ。亚洲季风区是全球深对 流季节变化范围和强度最大的地区。赤道外地区的夏季风爆发可以定义为来自热带地区深对 流的季节扩张。中南半岛上的夏季风对流发生在南海夏季风爆发之前。华南前汛期深对流是 中低纬系统相互作用的结果。第２８候，南海夏季风的突然爆发在降水、风场和卫星反演 的深对流特征上都有明确的反映。南海夏季风爆发后，印度夏季风对流由南向北逐渐爆发， 青藏高原东侧和中国东部沿海的夏季风对流向北推进早于中国中部地区。     

南海西南季风爆发的气候特征

利用多年的海洋船舶、岛屿站和沿岸站观测记录及卫星观测的高反射云（ＨＲＣ）资料，揭示南海西南季风爆发和建立时期的环流特征及要素变化。在南海，西南季风爆发的平均时间为５月中旬，北部略早（５月１２日），南部略迟（５月２０日），但年际差别可达一个月左右。伴随着西南季风的爆发，南海云量和降水量增多，对流加强，但海区之间具有很大的不均匀性。西南季风建立以后，强对流区稳定于南海中部，季风雨带没有明显的跳跃现象。西南季风爆发之前，南海表层温度迅速升高，其开始时间较季风爆发约提前一个月，海面水温的升高为季风爆发提供了热量和水汽条件。４—５月，南海海面热交换分量（海面吸收的太阳辐射、潜热输送等）发生明显的改变，特别是潜热交换和蒸发量明显增大，它可能是西南季风首先在南海爆发的原因之一。     

EFFECT OF THE INDIAN PENINSULA ON THE COURSE OF THE ASIAN TROPICAL SUMMER MONSOON

In terms of the NCAR Community Climate Model (CCM3),the effect of the Indian Peninsulaon the course of the Asian tropical summer monsoon is simulated in this paper,and numericalexperimental results show that the Indian Peninsula plays a critical role in the establishmentprocess of the Asian tropical summer monsoon.When the CCM3 includes the Indian Peninsula,the model successfully simulates out the course of the Asian tropical summer monsoon,i.e.theSouth China Sea (SCS) summer monsoon at first bursts in middle May,while the Indian monsoonjust establishes until middle June.However when the Indian Peninsula topography is deleted in themodel,the Indian and SCS summer monsoons almost simultaneously establish in late May.Numerical results further indicate that in the former experiment the sensible heating of the IndianPeninsula warms the air above and produces evident temperature contrast between the peninsulaand its adjacent SCS and Bay of Bengal (BOB).which results in the strengthening and maintenanceof the BOB trough in the low-middle layer of the troposphere in the end of spring and early summerand thus the earliest establishment of the Asian tropical summer monsoon in the SCS in middleMay.However,the Indian summer monsoon just establishes until middle June when the strongwest wind over the Arabian Sea shifts northwards and cancels out the influence of the northwestflow behind the BOB trough.In the latter experiment the effect of Tibetan Plateau only produces avery weak BOB trough,and thus the SCS and Indian summer monsoons almost simultaneouslyestablish.     

青藏高原冬春积雪影响南海季风爆发的数值研究

采用NCAR CAM3.0大气环流模式,研究了冬春季青藏高原积雪异常对南海夏季风爆发的可能影响机制.通过比较多雪年与少雪年试验中的热力场、环流场季节演变的差异得出,多雪年青藏高原感热加热偏弱、高原纬度的中上层大气温度偏低,导致大尺度经向温度梯度反转时间偏晚；同时,青藏高原感热加热偏弱将不利于Hadley环流的季节转换,使得中南半岛上空的下沉异常气流维持时间较长、副高在孟加拉湾断裂的时间偏晚、中南半岛对流爆发偏晚、中南半岛地表温度下降时间偏晚,从而造成中南半岛与南海局地纬向温度梯度反转时间也偏晚.在上述大尺度经向温度梯度以及中南半岛与南海局地纬向温度梯度的共同作用下,多雪年南海季风爆发偏晚.     

中南半岛对流对南海夏季风建立过程的影响

利用RegCM2模式进行数值试验,得到中南半岛对流对北半球副高带断裂、进而对孟加拉湾对流建立具有重要影响,而孟加拉湾对流建立后激发的Rossby波列又是南海夏季风建立的主要因子之一.进一步分析中南半岛对流、副高带断裂及南海夏季风建立的年际变化,得到中南半岛对流的强弱(活跃的早晚)与副高带在孟加拉湾北部断裂及南海夏季风爆发的早晚有密切关系.它们还与海温异常及纬圈环流的变化相联系:当赤道中东太平洋海温偏暖(冷)时,Walker环流偏弱(强),中南半岛对流偏弱(强),副高带断裂偏晚(早),南海夏季风建立偏迟(早).