南海夏季风持续异常的特征及其对全球环流的影响II.数值试验

利用T42L9全球大气环流谱模式进行数值试验 ,以揭示南海夏季风强度异常的特征及其影响。控制试验结果表明 ,该模式不仅能够很好地模拟出气候平均的西风带槽脊和高低空气流分布以及它们的季节性变化 ,而且对于与亚洲季风有关的各个主要系统 ,如南亚高压、副高进退及越赤道气流等都有较强的模拟能力。在亚洲季风区及热带太平洋这一大范围区域的大气内部热源异常强迫下 ,模式显示出了南海夏季风持续异常的特征、北半球热带外环流的响应以及亚洲季风区降水异常分布。南海夏季风长时间强度异常所引起的大气内部热源异常 ,一方面通过三维垂直环流的异常联结着南海夏季风对北半球热带内外环流的影响 ,另一方面它又通过持续异常期的波列传播 ,即能量的传播 ,不仅影响我国长江流域降水 ,还会逐渐影响到北半球中高纬环流结构。这样西风带环流形势将会发生相应的变化和调整 ,南海夏季风持续异常影响到了北半球大气环流和天气气候的变化。     

南海夏季风持续异常的特征及其对全球环流的影响Ⅰ.诊断分析

用1980－1996年OLR资料及NCEP／NCAR再分析资料研究了南海夏季风持续异常的基本特征及其与全球环流的关系。对比分析结果指出，强弱南海夏季风期大尺度环流（副热带高压、局地Hadley环流及Walker环流等）变化基本相反。在南海地区出现强弱持续异常的季风活动时，该地区的对流活动不仅与大尺度热带和副热带流场有关，而且还反映出北半球西风带环流的调整。北半球中高纬大气环流对南海夏季风持续异常是有响应的，南海地区季风的强弱，特别是出现持续异常时，强弱季风所对应的动能差异是全球性的，其相应的大气热状态也截然不同。南海夏季风强烈而持续的对流活动明显通过改变大气热源的分布和大尺度垂直环流的影响，影响到更大范围地区的环流状况。     

南海夏季风持续异常的特征及其对全球环流的影响Ⅰ.诊断分析

用1980～1996年OLR资料及NCEP/NCAR再分析资料研究了南海夏季风持续异常的基本特征及其与全球环流的关系.对比分析结果指出,强弱南海夏季风期大尺度环流(副热带高压、局地 Hadley环流及 Walker环流等)变化基本相反.在南海地区出现强弱持续异常的季风活动时,该地区的对流活动不仅与大尺度热带和副热带流场有关,而且还反映出北半球西风带环流的调整.北半球中高纬大气环流对南海夏季风持续异常是有响应的.南海地区季风的强弱,特别是出现持续异常时,强弱季风所对应的动能差异是全球性的,其相应的大气热状态也截然不同.南海夏季风强烈而持续的对流活动明显通过改变大气热源的分布和大尺度垂直环流的结构,影响到更大范围地区的环流状况.     

南海夏季风爆发前后大气环流的演变

利用1958-1997年的NCEP/NCAR再分析资料,以南海夏季风爆发日为临界日,分析了季风爆发前后全球平均环流和扰动环流的演变.结果显示,季风爆发前后气候平均场的环流形势是完全不同的,且这一变化是全球性的.从扰动场的演变看,伴随季风的爆发,扰动环流的变化不仅是全球的,而且具有突发性.分析还指出了南海西南季风的来源和三支越赤道气流的作用,特别是南半球环流的变化以及其对南海夏季风爆发的影响.     

南海夏季风异常活动的前期特征

应用1979～1999年NOAA卫星月平均OLR资料及1950～1999年NCEP/NCAR再分析的月平均资料,采用合成分析的方法对南海夏季风爆发前一年10月～次年4月的异常特征进行讨论,并做信度检验.结果表明,在季风爆发的前期,大气环流和海温的异常与南海夏季风的异常关系密切.不同因子与南海夏季风异常发生最佳相关的时间及持续的程度并不完全一致,从所选取与南海夏季风爆发密切相关的关键区可见:OLR在初春、纬向风速和垂直速度在整个前期的异常与南海夏季风的异常存在极强的相关性.在强(弱)南海夏季风年的前期,热带海温基本呈La Ni?a(El Ni?o)型分布,其中在12月的海温距平分布与来年南海夏季风的强弱关系最为密切.     

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。     

大气环流的变化与南海夏季风活动的关系

通过对近20年观测资料的计算分析表明，在南海夏季风活跃与中断期，南北半球副热带西风急流和热带东风急流以及青藏高压和墨西哥高压有明显的差异。从南半球向北传播的散度场低频振荡以及从北半球高纬向南传播的西风场低频振荡等的有利位相同时传入南海并共同作用可引起南海夏季风的活跃或中断。各种低频振荡的有利位相传播到南海并发生锁相的时间决定着南海夏季风明显的活跃或中断发生的时间。     

异常南海夏季风的OLR前期特征

应用1979-1999年NOAA卫星月平均OLR资料及1950-1999年NCAR/NCEP再分析的海表温度月平均资料，采用合成分析的方法对异常南海夏季风爆发前期的特征进行分析，并做信度检验。结果表明，在季风爆发的前期，对流活动和海温的异常与南海夏季风的异常关系密切。OLR在初春、垂直速度在整个前期与南海夏季风的异常存在着极强的相关性。在强（弱）南海夏季风年的前期，热带海温基本呈LaNina(ElNino)型分布，其中在12月，海温的距平分布与来年南海夏季风的强弱关系最为密切。     

南海夏季风爆发早晚环流EOF特征

取国家气候中心提供的南海夏季风爆发期≤26候的偏早年(1970、1973、1987、1989、1991),爆发期≥32候的偏晚年(1966、1972、1996、2000、2001),利用ECMWF逐日4月10日～5月10日资料,进行EOF进行展开.揭示南海夏季风爆发偏早、偏晚的前期环流特征.     

南海夏季风爆发前后低纬大气环流突变特征

利用1982～1996年15年平均的NCEP再分析资料,研究南海夏季风爆发前后低纬大气环流的突变特征。结果表明,东南亚地区对流层中上层厚度（温度）场、高低风场和大气层顶净辐射加热率（QRT）都有突变发生。海温场的变化相对其他要素较为缓慢,但也存在明显的转折点。QRT突变最早,其次是海温场变化出现明显转折,再是厚度（温度）场、低层风场突变,高层风场的突变最迟;低层风场突变最快,其次是厚度（温度）场,最后是QRT和高层风场。南海地区的降水,水汽场的突变发生在南海夏季风爆发前,而且突变较快。     

2007年南海夏季风爆发前后大气环流的非典型性突变特征

南海夏季风爆发的一般特征是南亚高压移至中南半岛北部;西太平洋副热带高压连续向东撤出南海地区,移到120°E以东的热带洋面上;高（低）空东北（西南）气流占据南海大部分地区,相应的105°E附近的越赤道气流建立,南海季风槽形成并同时伴有对流降水的发展和温、湿等要素的突变。国家气候中心的监测表明,2007年南海夏季风于5月第5候爆发。该年季风爆发后,虽然源自热带地区的低空西南气流迅速占据南海上空,高空盛行东北气流,且南亚高压西移至中南半岛上空,但对流、高度场以及降水场的突变特征均很不明显,表现为季风爆发后南海上空的对流依然偏弱,副高没有马上撤离南海,同时华南地区的降水量也没有迅速增强。因此,2007年南海夏季风爆发前后大气环流的变化特征具有非典型性。     

南海夏季风爆发与热带海洋海温和大气环流异常变化关系的研究

用合成和相关分析方法及SVD技术研究了南海夏季风爆发早、晚年份4～6月季风建立时期季风环流的异常及其与热带太平洋-印度洋海温的关系。结果表明,南海夏季风爆发与热带大气环流和海温变异密切相关。（1）当热带中、东太平洋—印度洋（主要在西南部）及南海海温低（高）,西太平洋—澳洲邻近海域海温高（低）时,南海夏季风爆发早（晚）。不同区域海温对季风的影响有明显的季节差异,印度洋主要为晚春至初夏（4～6月）,南海为5～6月,而热带太平洋从前冬一直持续到夏季。（2）不同的海温异常产生不同的季风环流型,南海夏季风爆发早、晚年大气环流的异常变化基本相反。南海夏季风的活动主要受印度季风环流变化的影响,与前期冬春季西太副高的强弱及位置变化密切相关。西太副高弱时,南海夏季风爆发早;反之,爆发晚。（3）热带太平洋—印度洋海温异常引起季风环流和Walker环流的异常变化可能是影响南海夏季风爆发早、晚的物理过程。     

黑潮地区海温影响南海夏季风爆发日期的数值试验

采用合成分析和相关分析等方法讨论了季节转换时期（４～６月）黑潮地区海温异常同海夏季风爆发时间和西太平洋副高位置与强度的影响。教值模拟结果进一步表明,该地区海温正针导致西太平洋副高位置偏南,强度偏强,南海夏季风建立较晚,弱度偏北 ,江淮流流域偏涝;反之亦然。     

南海夏季风爆发机制的数值实验研究

通过3个数值实验和对1998年及1996年南海夏季风爆发的对比分析以及多年资料统计研究发现,南海夏季风何时爆发与南海局部地区的海温高低和南海经度上南北海温差异的大小关系不密切,主要决定于南海及其周围大范围地区的环流形势。南海季风爆发前10天内,其环流特征是低层850hPa上,西太平洋副热带高压脊经菲律宾西伸控制南海,南亚至东南亚为宽广的低槽区所控制,高空200hPa上,南亚高压位于阿拉伯海至南海一带,中心位于孟加拉湾东侧和中南半岛西侧的低纬地区,广大北方为西风气流所控制。     

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。     

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.     

南海夏季风爆发的大气热源特征及其爆发迟早原因的探讨

利用ECMWF(1979～1993年)的再分析资料分析了南海夏季风爆发前后的大气热源演变特征,并由此确定了南海夏季风爆发的大气热源判据。将该判据应用于1979~1993年总共15年的平均场,可判定南海夏季风平均于28候(5月第4候)爆发。而且,对于逐年南海夏季风爆发,该判据也有较好的指示意义。本文还发现,南海夏季风爆发的迟早与4月份40 S纬圈平均的大气热源垂直积分有着非常密切的联系,由此得到的南海夏季风爆发时间的前期判定指标能较好地判断南海夏季风的爆发时间。南海夏季风爆发迟早的原因,及其与4月份40 S纬圈平均之间的联系,可以通过南北半球哈得莱环流的变化得到解释。     

亚洲夏季风建立期间全球热带大气环流模态分析

利用NCAR/NCEP提供的1948—2003年5月标准等压面的月平均风场资料,对亚洲夏季风建立期间全球热带风场进行复EOF分析,揭示各模态的特点及其与亚洲夏季风建立之间的联系,确定各模态在亚洲夏季风建立期间的地位和作用。结果表明,第一模态反映了除赤道地区外的热带地区高层纬向二波异常和低层的信风异常。其时间系数与ENSO有较好的对应关系,20世纪60年代以后时间系数呈下滑态势,可能与全球变暖有关。该模态是ENSO模态。第二、三模态的空间场分别与南亚、南海夏季风的环流密切相关,其时间系数也与南亚、南海夏季风建立的早晚有较好的对应关系。这两个模态分别是南亚、南海夏季风模态。各模态均表现出准20 a的年代际变化,这与北太平洋主要气候模态PDO的年代际变化相同,各模态的年际变化也显著。     

南海夏季风爆发的数值预报试验

分析了1986年南海夏季风爆发的环流演变特征,由经向风速剖面图看出,南风首先在中南半岛迅速加强,然后向南海发展,南海夏季风爆发同孟加拉湾低压的发展密切相关。通过地形和非绝热单因子敏感性数值预报试验表明,地形作用和凝结潜热等非绝热作用对南海夏季风的爆发都是很重要的,包含有这两种作用在内的控制试验成功地预报出了南海夏季风爆发的中期演变过程,单独的地形作用或非绝热作用都不能预报出南海夏季风的爆发。