亚澳季风各子系统气候学特征的异同研究 II. 夏季风水汽输送

利用1979~2002年的ERA-40和NCEP/NCAR逐日再分析资料以及CMAP降水资料探讨了亚澳季风各夏季风子系统(南亚夏季风、东亚夏季风、北澳夏季风)水汽输送的气候学特征及其与夏季降水的关系。分析表明:各夏季风子系统水汽输送通量主要取决于低层季风气流,南亚夏季风和北澳夏季风以纬向水汽输送为主,而东亚夏季风有很强的经向水汽输送。分析也证实,亚澳季风区的夏季风降水主;要源于水汽输送的辐合,而且ERA-40资料对夏季风水汽输送辐合的描述能力强于NCEP/NCAR资料。此外,受低层季风气流结构的影响,三夏季风子系统水汽输送辐合的动力机理存在明显差异,南亚夏季风和北澳夏季风的水汽输送辐合主要由低层西风气流的风场辐合所造成,而东亚夏季风的水汽输送辐合则由低层南风气流的风场辐合和季风湿平流共同作用造成。因此,东亚夏季风降水有别于南亚夏季风降水和北澳夏季风降水。     

亚澳季风各子系统气候学特征的异同研究Ⅰ.夏季风流场结构

利用1979～2003年的NCEP/NCAR再分析资料探讨了亚澳季风各夏季风子系统 (南亚夏季风、东亚夏季风、北澳夏季风) 流场结构及其季节演变的气候学特征.结果表明: 南亚夏季风和北澳夏季风纯属热带季风, 盛行纬向气流和纬向风垂直正切变, 即低层西风、高层东风, 但北澳夏季风的强度明显弱于南亚夏季风, 而东亚夏季风由热带季风和副热带季风组成, 盛行经向气流和经向风垂直正切变, 即低层南风、高层北风, 且纬向气流高低层配置相对复杂, 相对北澳夏季风而言, 南亚夏季风的低层西风强而深厚, 而东亚夏季风的低层南风强而深厚.从热带季风区流场结构的季节演变过程看, 这三个夏季风子系统均为垂直斜压结构.三者的共性还表现在热带季风区纬向气流高低层配置的季节性转向, 即夏季风爆发时从低层东风、高层西风转换为低层西风、高层东风, 夏季风撤退时从低层西风、高层东风转换为低层东风、高层西风.此外, 南亚夏季风的季内变化平稳, 而东亚夏季风和北澳夏季风的季内变化剧烈; 东亚夏季风的经向跨度大、维持时间最长, 而北澳夏季风的经向跨度小、维持时间最短.     

亚澳季风各子系统气候学特征的异同研究 I.夏季风流场结构

利用1979~2003年的NCEP/NCAR再分析资料探讨了亚澳季风各夏季风子系统(南亚夏季风、东亚夏季风、北澳夏季风)流场结构及其季节演变的气候学特征。结果表明:南亚夏季风和北澳夏季风纯属热带季风,盛行纬向气流和纬向风垂直正切变,即低层西风、高层东风,但北澳夏季风的强度明显弱于南亚夏季风,而东亚夏季风由热带季风和副热带季风组成,盛行经向气流和经向风垂直正切变,即低层南风、高层北风,且纬向气流高低层配置相对复杂,相对北澳夏季风而言,南亚夏季风的低层西风强而深厚,而东亚夏季风的低层南风强而深厚。从热带季风区流场结构的季节演变过程看,这三个夏季风子系统均为垂直斜压结构。三者的共性还表现在热带季风区纬向气流高低层配置的季节性转向,即夏季风爆发时从低层东风、高层西风转换为低层西风、高层东风,夏季风撤退时从低层西风、高层东风转换为低层东风、高层西风。此外,南亚夏季风的季内变化平稳,而东亚夏季风和北澳夏季风的季内变化剧烈;东亚夏季风的经向跨度大、维持时间最长,而北澳夏季风的经向跨度小、维持时间最短。     

南海夏季风期间水汽输送的气候特征

通过分析NCEP/NCAR 1973～1998年(共26年)4～8月的再分析比湿场和风场资料,研究了南海夏季风期间的水汽输送特征.夏季,东亚上空水汽水平输送特征在各月有很大差异,这是夏季风环流系统演变的结果.孟加拉湾南部地区是中国长江中下游和南海地区重要的水汽源地,来自上游孟加拉湾南部地区的水汽输送对南海季风的爆发具有重要意义.经向水汽输送主要有利于20～30°N之间华南地区的水汽辐合.从总的收支看,南海地区是一个水汽汇区.南海季风爆发早晚年的水汽输送通道存在明显差别.在爆发偏早年,从赤道印度洋到南海地区的输送通道建立早且维持时间长,4～5月南海易成为水汽辐合区;在偏晚年,南海地区水汽则是辐散的,不利于形成季风性降水.南海季风爆发早晚年与长江中下游旱涝年的水汽输送有一定联系.     

夏季东亚季风区水汽输送特征及其与南亚季风区水汽输送的差别

利用ECMWF所分析的1980～1989年每日各层的水汽和风场资料分析了东亚季风区夏季风的水汽输送特征,并与印度季风区夏季水汽输送进行比较。分析结果表明了东亚季风区夏季水汽输送特征明显不同于印度季风区夏季水汽输送,东亚季风区夏季水汽输送经向输送要大于纬向输送,而印度季风区夏季水汽输送则以纬向输送为主。分析结果还表明东亚季风区由于夏季水汽分布是南边大、北边小,偏南季风气流所引起的水汽平流是湿平流。因此,水汽的辐合主要由季风气流所引起的水汽平流所造成,而印度季风区季风气流所引起的水汽平流是干平流,它利于水汽输送的辐散,水汽的辐合主要是由于风场的辐合所造成。     

西北太平洋夏季风对中国长江流域夏季降水的影响

利用1979～2005年NCEP/NCAR的环流场再分析资料和降水资料, 通过对季风期降水、 大气环流、 水汽输送及低频振荡等方面的分析, 分别从时间和空间上分析了西北太平洋夏季风与中国长江流域夏季降水的联系。结果表明:(1) 西北太平洋夏季风与中国长江流域夏季降水存在显著的负相关关系, 在西北太平洋夏季风强盛时, 副热带高压异常偏北, 其西侧的偏南气流异常偏弱, 使得我国长江流域形成低层异常环流及水汽输送的辐散区, 从而造成长江流域夏季降水偏少; 而在西北太平洋夏季风减弱的年份, 西太平洋副高异常偏南偏西, 在长江流域以南地区形成异常偏强的偏南风水汽输送, 使得长江流域成为南、 北距平风的汇合区, 其上空对流活动异常活跃, 非常有利于长江流域的降水。 (2) 东亚局地Hadley垂直环流在强、 弱季风年也显著不同, 在强季风年里, Hadley局地环流异常偏弱, 长江流域上空出现的下沉运动距平, 使得该地区降水减弱, 而弱季风年则正好相反。 (3) 西北太平洋夏季风存在显著的气候平均的大气季节内振荡 (CISO), 在西北太平洋夏季风减弱时期, 长江流域降水同时受到源自热带西北太平洋西传CISO和源自热带印度洋东传CISO的共同影响, 可能造成了某种锁相关系, 从而造成降水偏多; 而在强季风年里长江流域只受由西太平洋西传的CISO的影响, 不容易激发降水。     

亚洲夏季风各子系统主要变率相互关系初析

使用NCEP/NCAR再分析资料和CMAP月平均降水资料分析了亚洲夏季风各个子系统的相互关系。结果表明亚洲夏季风子系统之间存在显著相关。从同期强度变化可知,当东亚季风偏强时,大尺度亚洲季风、东南亚季风、南亚季风均偏弱,相关区域降水偏少;而同时大尺度亚洲季风偏强时,东南亚和南亚季风偏强,相关区域降水偏多;东南亚季风偏强时,南亚季风偏弱,南亚地区降水偏少;反之亦然。从不同周期强度变化可知各个子系统相关仍然显著。      

东亚夏季风边缘带的气候特征

利用近30年的NCEP再分析格点资料及中国站点降水资料,从降水、湿度、风场、水汽输送等角度研究了东亚夏季风边缘带的气候特征及其与华北、西北降水的关系。结果表明,降水场、比湿场、风场、水汽输送场所描述的东亚夏季风边缘带位置基本一致,大致沿西南—东北走向自西向东经过黄河上游—河套—华北北部—东北。夏季风边缘带附近的夏季降水年际变化较大,且夏季降水量与季风强度呈正相关。当夏季风影响到西北、华北北部时,西北、华北夏季降水偏多;反之则偏少。     

水汽输送对云南夏季风爆发及初夏降水异常的影响

主要利用1961～2000年云南120个站的逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,研究水汽输送对云南夏季风爆发和初夏5月降水异常的影响.结果表明,5月份云南上空为一致的西南风水汽输送,主要由来自印度半岛北部的副热带西风水汽输送和热带印度洋至孟加拉湾的西南风水汽输送汇合而成,而来自南海地区西太平洋副高西侧转向的偏南水汽输送是构成云南东部地区水汽输送的重要分支.5月下旬云南夏季风爆发期间,热带印度洋至孟加拉湾地区的水汽输送显著增强,云南上空增湿明显,这为季风爆发提供了必要的水汽条件,而东亚中纬地区冷空气的入侵则可能是触发季风降水的重要机制.进一步研究发现,云南5月降水量显著的年际变化也与大尺度水汽输送异常密切相关,即当热带印度洋至孟加拉湾地区的水汽输送强,而南海至东亚大陆地区的水汽输送弱时,降水量偏多,反之偏少.     

2007年南海夏季风的爆发过程

利用NCEP/NCAR再分析资料、向外长波辐射(outgoing long-wave radiation,OLR)资料以及卫星、地面站点降水资料,对2007年南海夏季风爆发前后的对流活动、环流形势及降水分布进行研究,结果表明:2007年对流活动增强首先出现在孟加拉湾东岸,然后扩展到南海地区;同时副高东撤北抬,南海夏季风于5月中下旬(29候)爆发;季风爆发后,南海地区开始盛行西南气流,亚洲中低纬地区南北温差(风向切变)由正(负)变负(正).2007年南海夏季风爆发期间,水汽输送和季风涌活动增强使我国东部地区降水增多.     

四川盆地夏季降水区域差异及其与季风的联系初探

基于四川盆地逐日气象观测资料、NCEP/NCAR再分析资料,分析了近46年四川盆地夏季降水变化的区域差异及其与东亚夏季风和高原夏季风的联系。结果表明:盆西和盆东夏季降水序列与全国夏季降水的相关分布分别与我国夏季降水第Ⅰ、Ⅱ类雨型分布相类似。使用一元回归方法,分别得到了与东亚夏季风和高原夏季风相关的环流场,通过对两个环流场季风指数高低值年份的合成分析发现,东亚夏季风的影响主要体现在西北气流和东南气流的辐合带在我国东部地区位置变动以及强度变化;高原夏季风对环流场的影响体现在华北到河套地区一带风向的转换。着重分析了1961和1998年夏季与东亚、高原夏季风相关的环流场,发现东亚夏季风与高原夏季风都对四川盆地夏季降水有重要影响,其中盆西夏季降水主要与高原夏季风有关,盆东夏季降水与东亚夏季风和高原夏季风都有关,但以东亚夏季风为主。     

季风湿润区夏季水汽收支的年代际变化特征

采用1983—2002年NCEP/NCAR再分析资料和我国660站降水资料,对我国东部季风湿润区夏季水汽收支变化与大气环流和我国降水异常特征的关系进行研究。结果表明:20世纪80—90年代夏季水汽收支时间序列表现出明显的年代际变化增加趋势,与降水时间序列的相关系数为0.71;水汽收支高值、低值年代不仅能够指示季风湿润区经向风的异常变化,还能够指示东亚夏季风的强弱和降水异常变化。合成的水汽输送年代际异常在东亚—西太平洋区表现为4个异常环流,异常水汽通量辐合区位于长江流域及以南地区。水汽收支高值年代,亚洲大陆高纬度地区低压偏弱,大陆表面温度及西太平洋海温偏高,我国东部沿海盛行异常偏南风,低层气流辐合、高层气流辐散强,垂直上升运动强烈;低值年代则相反。合成的经向水汽收支占总收支的71.3%,合成的异常降水量最大达100 mm以上。     

1998年5月南海夏季风建立的诊断和模拟研究

利用NCEP/NCAR高空格点和TBB资料,通过大气热源、水汽汇和准地转位涡方程诊断分析,以及中期数值模拟试验,讨论了南海夏季风建立的中期突变过程物理机制,也讨论了青藏高原的动力和热力作用的影响。研究表明,南海季风建立之前,在孟加拉湾有热带气旋发展,我国华南和南海地区受南下冷空气的锋面系统影响,该两个天气系统产生的降水凝结潜热的作用,增强了从孟加拉湾到南海、西太平洋低纬地区的低层西南气流及高空东风气流,並使200 hPa层上反气旋北跃到22°N附近,导致南海夏季风建立。1998年5月南海夏季风的爆发,主要是前期这两种热源因素共同作用的结果。高原的感热作用加强了四周低层气流向髙原的辐合及髙层气流向外的辐散,从而有利于夏季风建立,但相对于降水凝结潜热作用,影响较小。高原地形动力作用对西风带系统有明显的动力阻滞作用,有利于反气旋北上,但对低纬上下层风场的直接影响不显著。     

东亚副热带西风急流位置异常对长江中下游夏季降水的影响

利用NCEP/NCAR 200 hPa月平均风场再分析资料,定义东亚大陆对流层上层不同经度上最大西风所在位置的平均纬度为东亚副热带西风急流轴线指数,该指数能准确反映东亚副热带西风急流位置的南北变化及其对长江中下游降水的影响,并能较好地体现东亚夏季风盛行期间对流层低层与高层的纬向风场变化特征。分析表明,该指数的时间变化具有与长江中下游夏季降水较一致的年代际变化及年际振荡特征。对东亚副热带西风急流位置异常年的大气环流差异分析表明,急流异常偏北时,南亚高压偏弱,位置偏北偏西,呈伊朗高压型;西太平洋副热带高压(下称西太副高)偏弱、位置偏东偏北;气流的辐合上升区北移至华北一带,而长江流域低层风场为辐散异常,上升气流较常年偏弱,降水偏少。急流异常偏南时,南亚高压偏强,位置偏南偏东,呈青藏高压型;西太副高偏强、位置偏西偏南;长江流域地区上空低层有较强辐合上升气流,高层有较强的气流辐散,对流旺盛,雨带在此维持,容易引发洪涝。     

贝加尔湖南侧大陆高压与东亚夏季风和中国夏季气候的关系

利用NCEP/NCAR再分析逐日500 hPa高度场资料,尝试对夏季亚洲中纬度出现的大陆高压（脊）进行统计分析。结果表明：50 a夏季大陆高压以维持日数在3 d及以上的占绝大多数;大陆高压存在较明显的年代际变化,其中在贝加尔湖南侧（35～55°N,90～105°E）区域的大陆高压自20世纪70年代末期以来异常偏多,尤其在7和8月。这正与气候突变后我国北方干旱的频繁发生相对应,说明大陆高压的异常活动与中国的气候年代际异常有密切的关系。运用NCEP/NCAR再分析月平均高度、势函数、风场和我国160站月降水、气温资料,分析了贝加尔湖南侧大陆高压与东亚夏季风环流和我国夏季气候的关系。结果表明：大陆高压正异常年,东亚Hadley环流偏强,导致贝加尔湖南侧发生异常偏强的下沉运动,在我国东部的低层存在北风异常;高低纬环流相互作用削弱了东亚夏季风,与其相联系的季风水汽输送减弱,造成我国夏季长江以北大部分地区水汽通量散度正异常,华北大部降水偏少,长江流域降水偏多,中国北方地区气温偏高。     

伊犁河谷一次极端强降水事件水汽特征分析

2016年7月31日至8月1日,新疆伊犁河谷发生了一次极端强降水事件,多站突破降水极值。利用NCEP/NCAR 1°×1°和2.5°×2.5°再分析资料、中国地面卫星雷达三源融合逐小时降水产品、新疆地区常规观测资料、基于地基GPS观测的大气可降水量资料及基于拉格朗日方法的HYSPLIT轨迹模式结果,通过对水汽输送流函数、势函数、水汽输送轨迹和暴雨区水汽收支计算,结合伊犁河谷GPS观测分析,揭示了此次强降水期间的大尺度水汽输送、辐合特征及伊犁河谷局地水汽变化特点。结果表明:（1）强降水期间大西洋及红海均对伊犁河谷的水汽供应具有贡献,河谷处于水汽通量辐合区,向西开口的地形辐合和抬升为局地暴雨的发生提供有利的动力辐合条件。低纬度印度夏季风环流和中纬度大西洋向东输送的气流共同构成伊犁河谷极端降水天气的水汽输送通道,其中印度夏季风西南水汽输送主要集中在对流层低层,对流层中层水汽的输送以大西洋向东气流和低槽自身水汽输送为主。（2）HYSPLIT模拟结果表明暴雨区3000 m中纬度偏西路径的水汽输送最为强盛,偏南路径水汽源于阿拉伯海,对流层底层偏西、偏东路径和中层偏北路径水汽通过垂直运动补充对流层低层的水汽;5000 m水汽输送轨迹以偏西路径和低槽自身携带的水汽为主。（3）降水期间水汽集中在对流层低层,通过垂直输送项向高层输送;强降水时段暴雨区对流层低层南边界水汽流入量迅速增强,中高层水汽流入主要集中在西边界。（4）降水前槽前西南气流造成伊犁河谷测站GPS-PWV明显跃升,强降水时段受印度西南季风影响,测站PWV快速增高并维持,局地GPS-PWV的增加与大尺度水汽输送辐合增强有关。     

中国东部夏季降水的准两年周期振荡及其成因

应用中国160测站降水资料和ERA-40再分析资料以及EOF和熵谱分析方法,分析了中国夏季(6～8月)降水和东亚水汽输送通量的年际变化,表明中国(特别是华南、长江流域和淮河流域以及华北等地区)夏季降水具有2～3 a周期变化特征,即准两年周期的振荡特征,并表明中国降水的这种周期振荡与东亚上空夏季风水汽输送通量的准两年周期振荡密切相关;并且,还利用NCEP/NCAR的海表温度和日本气象厅的沿137°E海温剖面观测资料,分析了热带西太平洋表层与次表层海温的年际变化,揭示了热带西太平洋热力状态的变化也有显著的准两年周期的变化特征.作者利用相关和集成分析来讨论热带西太平洋热状态的准两年周期振荡对中国夏季降水和东亚水汽输送的影响,表明了热带西太平洋海温的准两年周期振荡对东亚夏季风及其所驱动的水汽输送都有很大影响.此外,作者还利用东亚/太平洋型(EAP型)遥相关理论,简单地讨论了热带西太平洋热力状态的准两年周期振荡影响中国夏季风降水准两年周期变化的物理机制.     

夏季亚洲季风区的水汽输送及其对中国降水的影响

利用1948-2005年NCEP/NCAR逐日及月平均资料,研究了亚洲季风区水汽输送的气候特征及其与中国夏季降水的关系.结果表明:(1)亚洲夏季风区不论在纬向和经向输送上,都表现了其独特性.夏季亚洲季风区为强大的水汽汇,东亚大陆和印度季风区均有较强的水汽辐合中心.(2)大部分水汽集中在对流层中下层,主要来自印度季风区,而对于对流层中上层,则以西太平洋和中纬西风带的输送为主.(3)印度季风在5-7月纬向向东的输送加强,东亚季风在6-7月以经向向北的输送加强为主,7月达最强,8到9月季风减弱直至结束.亚洲季风区青藏高原南侧的南支西风对东亚的水汽输送有重要作用,表现为春季最强,中高纬和热带西风输送变化同步,在盛夏达到最大,7月热带西风输送的水汽占三支水汽总输送的80%左右,来自中高纬地区的水汽约占18%.(4)季风爆发后,大量水汽从南半球输送到亚洲季风区.水汽辐合增加最大在孟加拉湾、中南半岛和南海地区,中国大陆的水汽主要经南海北边界输入.(5)水汽输送的北进与雨带的北推相一致.水汽输送场的时空分析表明,EOF1和EOF2分别代表强弱季风年的水汽输送特征.EOF1反映了东亚季风区一致的异常向北输送,并且在1970年代末发生了明显减弱.它与华北降水相关密切,表明自1980年代以来东亚季风向北水汽输送的减弱是华北干旱的主要原因.EOF2的主要特征是从1980年代之后,来自东北和西南的异常水汽在长江流域辐合,导致长江流域降水增多.相关分析表明,东亚夏季风在年代际尺度上的变化对此起了重要作用.     

南海夏季风爆发的环流特征及指标研究

使用美国NCEP/NCAR高度场和风场资料及外逸长波辐射(OLR)资料,分析了4～7月南亚和东亚上空环流场,给出了南海夏季风爆发的定义及1953～1999年季风爆发的时间序列,指出季风爆发存在3种类型的环流场,发现东印度洋赤道两侧涡旋对的出现对季风爆发有很好的指示意义.综合季风爆发过程中热力学和动力学要素的特征,建立了适合南海夏季风爆发的指数计算经验公式.     

夏季索马里越赤道气流垂直结构特征及其与南亚夏季风的关系

采用1950-2009年NCEP/NCAR月平均再分析风场资料,对夏季低空索马里越赤道气流的垂直结构及其与南亚夏季风的关系进行研究.结果表明:夏季索马里越赤道气流在垂直方向上从低层至高层先增强,在925 hPa高度上达到最大值后逐渐减弱.某些年份索马里越赤道气流核心可向上延伸至850 hPa高度,而某些年份则维持在925 hPa高度上.索马里越赤道气流垂直结构不同时,其对应的南亚夏季风也有所不同,这种差异主要体现在对流层低层风场的变化,以及南亚夏季风的强弱差异方面.总体来说,索马里急流核心高度延伸至850 hPa时,对应的南亚夏季风偏强;急流核心高度维持在925 hPa时,南亚夏季风偏弱.