大气环流的季节突变与季风的建立I·基本理论方法和气候场分析

将曾庆存等提出的大气环流的季节划分和计算季风的理论方法作了改进,使之更便于研究季风的建立过程。该理论方法将环流突变和季风建立时段,其“变差度”和与其前和其后场的“相似度”等由空间场的泛函随时间的变化(即数学名词上的“流”[flow])一起求出来。研究I先分析气候平均场,II分析各个别年份的情况及年际变化。研究I的结果表明:(1)该方法可以客观定量地定出“突变”时段的关键日期;与季风建立过程联系,即是季风建立的“预兆日期”,它比人们用天气-气候学方法(甚至用别的气象要素)定出的可以明显感觉到的或有明显实用价值的“季风来临日期”要早2至4天。(2)在北半球亚澳季风系统区域,夏季风的来临在许多关键地区伴有明显的环流突变,建立和推进都很快,但也有许多区域不表现为当地环流的突变,推进速度也慢。(3)北半球亚澳季风系统低空的热带季风分支,在6月中以前可明确区分为3个子系统,(a)西太平洋暖池和邻近低纬区域,4月中下旬建立;(b)热带东北印度洋(北界与孟加拉湾相邻,但不包括其在内)及索马里东边海洋,4月末至5月初建立;和(c)南海区域,5月上旬从南到5月下旬到北部。南海夏季风向北推进最快,于5月末候即可达北回归线附近,然后与暖池西北区域风场的突变一起,于6月中旬影响到东亚30°N区域;印度洋季风于6月初到达印度半岛东南端,然后逐渐推向印-巴次大陆。7月中以后,热带季风才连成一片,由非洲东岸直至长江下游和菲律宾附近。副热带季风分支于6月中旬可以感到其影响,于7、8月盛行于东亚和西太平洋区域,且结构和演变都比较复杂;6~7月间只表现为在(5~20°N,120~150°E)区域有强的环流突变(与副高增强并北移对应),7月中至8月底,则在上述区域和沿30°N的长江下游和日本以南的洋面上有3个强的环流突变中心(对应于副高又一次增强北移和西伸)。这里暂不讨论温寒带季风分支。(4)季风具有鲜明的三度空间斜压结构,尤其是在低空季风“爆发”之前,平流层早已有强的环流突变,季节调整完成,然后突变向下延伸(虽然强度大减),跟着就有当地的低空季风“爆发”(建立)。平流层和对流层环流的相互作用及其与季风建立的关系很值得进一步研究。     

论大气环流的季节划分与季节突变 Ⅲ.气候平均情况

该文第Ⅰ部分定义了大气环流的季节划分和季节突变,第Ⅱ部分按此对个别年份的情况作了具体计算,第Ⅲ部分则利用NCEP/NCAR 1978～1997年气候平均资料做了实际计算,其结果与第Ⅱ部分大体一致,但更鲜明且更有代表性(是气候平均而非个别年份).主要结果有:(1)在对流层中下层,亚洲冬季风环流的建立始于欧亚大陆高纬西风带,夏季风环流的建立始于太平洋副高(副热带季风),以及由于马斯克林高压和澳大利亚冷高等几个大气活动中心的建立或加强(热带季风).(2)各季节的建立始于平流层,之后是对流层低层的极区和热带个别区域,并由上述层及地区分别向上、下层和中纬度地区发展,最终导致整个半球季节环流场的建立.(3)季节突变最强在平流层,分别位于两半球的热带到副热带以及高纬到极地,其中从冬到夏的突变明显强于从夏到冬的突变,而对流层的季节突变较平流层偏弱,主要位于热带到副热带的中上层.     

南海夏季风爆发前后亚洲地区的大尺度环流突变

用１９８０—１９８６年的ＥＣＭＷＦ资料分析了南海季风爆发前后大气环流突变的平均特征。结果表明：南海季风的爆发一般发生在５月１０日前后，大气环流出现一次明显突变──高空南亚高压由１０—１５°Ｎ骤然北跳到１５—２０°Ｎ，南海北部西风转为东风；低空南海北部及附近地区西南风迅速加强并向东扩展，而中纬地区的偏北风也相应加强南压，青藏高原东南部到中国长江中下游一带为温度、湿度梯度大值区；中国西南地区出现低压环流。同时，青藏高原东南部及中国东部平原地区对流层大气发生急速增暖，大气热源和水汽汇明显增强。在南海季风爆发后南海北部大气热源亦显著增强，但比风场的突变落后５—１０天，而西沙海温的变化与季风爆发却比较一致。另外，地形对大气热源的分布有一定的影响，青藏高原东南坡的加热对南海季风的爆发可能比较重要。     

西太平洋暖池海温异常对东亚环流的影响

利用SST资料对西太平洋暖池海温异常年进行划分,通过对异常年850 hPa、200 hPa矢量风场进行合成分析后发现:在西太平洋暖池夏季暖异常年,副热带夏季风和副热带季风经圈环流得到加强,热带西南季风得到削弱;在暖池夏季冷异常年,热带西南季风和热带季风经圈环流得到了加强,副热带夏季风得到削弱.在暖池冬季暖异常年,东亚冬季风、东亚和印尼一北澳冬季风(北半球)经向垂直环流得到削弱;在暖池冬季冷异常年,东亚冬季风、东亚和印尼一北澳冬季风(北半球)经向垂直环流得到加强.     

高原上空纬向环流的季节突变现象

利用1951—2012年NCEP/NCAR全球2.5 °×2.5 °日平均再分析风场及温度场资料,分析高原季风区纬向环流的季节突变现象,并探讨季节突变的主要成因。结果表明：(1) 由冬季环流型向夏季环流型转变时,纬向环流表现为零速度线突然北跳,东风带持续加强北进,西风急流突然消失;反之亦然。(2) 600 hPa零速度线指数可作为纬向环流冬夏转换的判据。20 °N为临界值,零线于20 °N以北,高原上空为夏季环流型,20 °N以南则为冬季环流型。冬夏转换的突变时间分别为31候和59候。(3) 纬向环流季节突变的主要原因是高原的热力作用,随着6月高原加热增强,高原及其南部上升气流增强,形成了高原至低纬地区的季风环流圈,使得高原南部东风气流加强,迫使西风急流北退,完成了冬季环流型向夏季环流型的转变。10月高原加热作用减弱,高原至低纬地区的Hadley环流重新出现,西风急流逐渐增强,纬向环流转变为冬季环流型。     

季风指数及其年际变化Ⅱ.南海夏季风分量动能强度指数及其年际变化

计算了各年南海夏季风建立前后流场的场相似度、场比幅、季风分量动能强度指数和突变度.指出按变差度最大或相似度绝对值最小及其变化最陡以及比幅最小,可客观定量地定出季风来临的预兆日期,在大多年份该日期比用天气气候学方法得到的季风来临(爆发)日期要早些,且两者有较好正相关.绝大多数年份季风建立时有环流突变发生,但也有少数年份呈调和变化或二次突变.季风分量动能强度指数能够反映各年南海夏季风建立后的强度.最后分析指出,南海850hPa夏季风的前兆日期,突变度和强度指数都有明显的年际和年代际变化.     

季风指数及其年际变化II·南海夏季风分量动能强度指数及其年际变化

计算了各年南海夏季风建立前后流场的场相似度、场比幅、季风分量动能强度指数和突变度。指出按变差度最大或相似度绝对值最小及其变化最陡以及比幅最小,可客观定量地定出季风来临的预兆日期,在大多年份该日期比用天气气候学方法得到的季风来临(爆发)日期要早些,且两者有较好正相关。绝大多数年份季风建立时有环流突变发生,但也有少数年份呈调和变化或二次突变。季风分量动能强度指数能够反映各年南海夏季风建立后的强度。最后分析指出,南海850 hPa夏季风的前兆日期,突变度和强度指数都有明显的年际和年代际变化。     

大气环流的季节突变与季风的建立II·个别年份南海夏季风的情况

将流的标准化变差度概念应用到各年南海夏季风建立研究中去,并用其作为大气环流调整的客观定量指标。用该指标定义的南海夏季风建立的预兆日期与用传统天气气候学方法确定的南海夏季风的来临日期,在绝大多数具体年份两者均很接近,故可作南海夏季风建立的先兆指标。但有一些年份,南海季风的建立不伴随着低空环流的突变过程,两种方法都可能不准确,可靠的方法也许是用场相似度作指标。此外,南海夏季风建立前,对流层顶和平流层下层就出现了环流调整,该调整为南海夏季风建立打下基础,而南海夏季风爆发则表现为低空环流的大调整。南海夏季风的爆发是高、低空全球大气环流发生显著调整的结果,并非限于南海范围局部,南海夏季风建立不能看作是发生在南海的局部现象。     

大气环流的季节突变与季风的建立Ⅱ.个别年份南海夏季风的情况

将流的标准化变差度概念应用到各年南海夏季风建立研究中去,并用其作为大气环流调整的客观定量指标.用该指标定义的南海夏季风建立的预兆日期与用传统天气气候学方法确定的南海夏季风的来临日期,在绝大多数具体年份两者均很接近,故可作南海夏季风建立的先兆指标.但有一些年份,南海季风的建立不伴随着低空环流的突变过程,两种方法都可能不准确,可靠的方法也许是用场相似度作指标.此外,南海夏季风建立前,对流层顶和平流层下层就出现了环流调整,该调整为南海夏季风建立打下基础,而南海夏季风爆发则表现为低空环流的大调整.南海夏季风的爆发是高、低空全球大气环流发生显著调整的结果,并非限于南海范围局部,南海夏季风建立不能看作是发生在南海的局部现象.     

1998年南海西南季风活动的初步分析

利用NCEP再分析资料和OLR、SST观测数据,分析了1998年南海西南季风的建立日期、强度的多时间尺度变化特征、与海面温度的相互作用以及对广东降水的影响.得出南海西南季风建立的日期为5月17日(5月4候).1998年为弱季风年,OLR具有1个月左右的振荡周期,西南风具有半个月左右的振荡周期.孟加拉湾地区季风和105°E越赤道气流是南海季风低频变化的重要策源地.1998年南海季风弱,主要是由于初春赤道东太平洋海温正距平,并导致南海-阿拉伯海海温正距平的结果.     

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。     

1961～1997年110～140°E垂直经圈环流的年际变化特征及其与海温变化的关系

用 ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ再分析资料，分析了 １９６１～ １９９７各年 １月和 ７月的大气垂直 经圈环流的变化特征，特别分析了１１０～１４０°Ｅ平均的垂直经圈环流和其中的东亚季风环 流。计算了各年的经圈环流与多年平均垂直经圈环流之相似系数、差异系数和相对强度。文 中除讨论了它们的年际和１０年际变化外，还讨论了东亚季风环流强弱变化与ＥＮＳＯ循环的 关系。结果表明：（１）垂直经圈环流除有年变化外，存在着较明显的年际和年代际变化。１ 月的全球平均经圈环流１９６６～１９７４年较弱，１９７６～１９８７年较强；７月的全球垂直经圈环流 则是１９６３～１９７４年较强，１９８６～１９９５年则相对较弱。（２）１１０～１４０°Ｅ的平均经圈环流主要 特点是： １月东亚季风环流圈代替了北半球的Ｆｅｒｒｅｌ环流圈，７月东亚季风环流圈代替了北 半球的Ｈａｄｌｅｙ环流圈，而且其１０年际变化也比较明显。（３）东亚季风环流强弱的变化与 ＥＮＳＯ循环有一定的关系。     

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.     

热带环流强度变化与我国夏季降水异常的关系

该文用850 hPa和200 hPa纬向风距平差定义南海热带季风、沃克环流及热带环流强度指数,并讨论它们的天气气候学意义。指出由南海热带季风指数和沃克环流指数之差表征的热带环流强度指数与我国夏季降水,尤其是与长江流域降水有密切的关系;通过热带环流强度指数与冬、春、夏季500 hPa高度场、SLP、SST、OLR的相关分析,揭示用热带环流强度指数表征的热带环流异常影响我国夏季降水的可能途径。热带环流强度指数的季节变化规律及其与前期环境场的相关关系,对夏季雨带位置的预报有一定的参考价值。     

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。     

南海夏季风爆发早晚的经向环流异常的机理研究

南海夏季风爆发与东亚地区的局地经向环流密切相关.本文利用线性局地经向环流诊断模式,定量诊断分析了1979~2003年5月1~15日的局地经向环流及其在夏季风爆发早晚年的差异,分析找出了在该关键时段对经向环流异常有正贡献的主要因子,从而确立影响季风爆发的相应天气过程及贡献机制.结果表明,在季风爆发早年期间,局地经向环流异常呈现为"Hadley环流"形态:上升运动(下沉运动)影响南海中北部(江淮地区),低空非地转南风(北风)影响南海中南部(华南和江南地区).季风爆发晚年的情况则与季风爆发早年相反.对造成经向环流异常的各个因子进行定量分析发现,经向分布不均匀的潜热加热的贡献作用最大,其次是温度平流和西风动量输送过程,与越赤道气流有关的边界效应则对南海中南部的低空南风有一定贡献.相应的天气学分析表明,季风爆发偏早年的副热带高空急流强度偏强且位置偏南,其动量输送过程导致对流层上层出现非地转南风、急流轴南侧(北侧)的华南(华北)地区出现高空辐散(辐合)和低层辐合上升(辐散下沉).与此同时,中纬度西风带扰动的南下和副热带高压脊从南海地区的撤出,中低层温度平流导致华中地区冷却和南海中北部增暖,进一步加强低纬地区上升、中纬地区下沉的经向环流异常.华南地区异常的非地转北风与南海中南部异常的非地转南风,显著加强了南海中北部的低空水汽辐合和对流潜热释放,从而激发出强烈上升运动.由此可见,中低纬天气系统配置能有效调节中国东部及南海地区的潜热加热和冷暖平流的南北分布,从而引起与季风爆发对应的局地经向环流的显著变化.     

亚洲南部地区海陆分布和南半球陆地对亚洲夏季风影响的数值试验

利用CCM3/NCAR模式,设定了几种海陆分布状况,将亚洲25°N以南地区以90°E为界分为东西两个部分,讨论东部陆地(中南半岛、海洋大陆和澳大利亚)和西部陆地(非洲大陆和印度半岛)存在对东亚季风环流系统和印度季风环流系统的影响,结果表明:(1)西部陆地的存在是印度季风环流系统形成的主要机制,而对东亚季风环流系统影响不大;(2)东部陆地的存在是东亚季风环流系统形成的主要机制,但它对印度季风系统也能产生影响;(3)孟加拉湾季风环流及其北部强降水中心是印度半岛和中南半岛存在联合造成的;(4)南半球的非洲和澳大利亚的存在所造成的环流是相互影响的;(5)中南半岛的存在是南海夏季风季节变化的主要机制,澳大利亚的存在有利于盛夏时强西风推进到南海.     

北半球平流层大气环流转型的基本气候特征

利用1948—2009年NCEP/NCAR逐日高度场和风场再分析资料探讨了平流层各主要层次上环流转型的年际、年代际时空演变特征。结果表明:北半球平流层冬季环流转为夏季环流的过程是高层环流转型早,低层环流转型晚,但在各层次上环流转型早晚存在着区域性差异。自新地岛到西伯利亚北部地区的环流转型最早,且该区域与北半球环流平均转型时间的年际以及年代际特征最相近。北半球平流层环流转型的气候平均时间早于东亚热带季风爆发时间,从而可能成为季风预测的前兆信号。分析还得到平流层各主要层次环流转型时间具有明显的年代际特征,环流转型时间呈现由偏晚到偏早、又从偏早到偏晚的变化特征,只是年代际转折年份在不同区域、不同层次存在差异。此外,平流层环流转型时间普遍存在准2年、准3~6年、准9~12年以及准21~24年的周期,可能与气候系统其他成员有密切联系。     

孟加拉湾西南季风与南海热带季风季节内振荡特征的比较

采用美国国家环境预报中心的向外长波辐射和风场资料及日本气象厅的降水资料,用30-60d滤波后的夏季风指数在孟加拉湾和南海的区域平均值分别代表孟加拉湾西南季风和南海热带季风季节内振荡,对两支季风的季节内振荡特征进行比较分析,发现孟加拉湾西南季风的季节内振荡和南海热带季风的季节内振荡在夏季风期间(5-10月)都有约3次半的波动.夏季风期间,在阿拉伯海-西太平洋纬带上,夏季风的季节内振荡有4次从阿拉伯海的东传和3次从西太平洋的西传,其中7月后东传可直达西太平洋.孟加拉湾和南海在夏季风期间都有4次季节内振荡的经向传播,但孟加拉湾在约15°N以南为季节内振荡从热带东印度洋的北传,在约15°N以北则为副热带季风季节内振荡的南传;而在南海则是4次季节内振荡从热带的北传.在以孟加拉湾西南季风季节内振荡和南海热带季风季节内振荡分别划分的6个位相中,都存在1-3位相和4-6位相中低频对流、环流形势相反的特征,这是由热带东印度洋季节内振荡的东传和北传所致.热带印度洋季节内振荡沿西南-东北向经过约14d传到孟加拉湾,激发了孟加拉湾西南季风季节内振荡的东传,经过约6d到达南海,激发了南海热带季风季节内振荡的北传,经过约25d到达华南,形成热带印度洋季节内振荡向华南的经纬向接力传播(45d).孟加拉湾西南季风季节内振荡所影响的降水主要是在20°N以南的热带雨带随低频对流的东移而东移;而南海热带季风季节内振荡所影响的降水除了这种热带雨带随低频对流的东移外,还有在20°N以北的东亚副热带地区存在雨带随南海低频对流的北移而北移.     

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。