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。     

南海夏季风强度年代际变化基本特征

利用美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心 (NCEP/NCAR) 的再分析资料, 通过合成分析、对比分析等方法, 对南海夏季风的年代际变化的划分、不同年代际阶段平均场的差异及其成因进行研究。分析表明:南海夏季风强度具有显著的年代际变化特征, 在20世纪70年代末出现了年代际时间尺度的转折, 可将其分成两个阶段, 1960—1976年 (简称第一阶段) 和1980—1998年 (简称第二阶段), 第二阶段与第一阶段相比, 南海地区夏季西南风强度显著减弱, 年际变化的方差显著变大, 变化周期变短, 但是南海中南部地区的上升运动却有所加强。夏季, 从低层到对流层高层, 中国大陆上空的气温显著降低, 海洋上空的气温有所升高, 在热力作用下, 导致大陆中低层位势高度增加比海洋上大, 形成大陆地区反气旋性环流加强, 从而减弱了南海中北部地区的西南风。从辐散风场来看, 赤道东太平洋地区海温显著增加可能对南海中南部地区上升运动的加强起着重要的作用。     

南海夏季风建立的气候特征Ⅱ—年代际变化

用NCEP 40年再分析格点气象资料对南海夏季风建立的气候特征的年限变化进行了分析，得到：（1）南海夏季风的建立时间前20年与后20年明显不同，前20年较晚为5月第6候，后20年则分别为5月的第4候和第5候，（2）除了第3个10年（1978－1987年）外，其余3个10年南海夏季风雨季的建立都比夏委风建立要早1至2候。（3）南海夏季风建立是孟加拉湾西南季风爆发性发展和东进的结果，4个10年孟加拉湾西南季风都在5月第3候及5月第4候有一个爆发性的发展过程，但它的东进速度及爆发强度却很不相同，这对南海夏季风建立时间的早晚有重要影响。（4）南海夏季风建立期间，前20年与后20年高低空环流形势相差很大，前20年与后20年相比对流层低层印缅槽较强而副热带高压中心位置偏东，对流层高层副热带高压中心移上中南半岛后北移距离较大，位置偏北，经过比较可以看出对于南海夏季风的建立和发展来看后20年的环流形势较为有利。     

南海夏季风的建立及强度变化

利用ＮＣＥＰ ８５０ｈＰａ风场和ＯＬＲ资料，分析了南海地区西南风和ＯＬＲ的气候变化规律以及它们之间的相互关系，提出了一个反映南海西南季风变化的季风指数，并初步分析了南海西南季风的强度变化和建立时间。     

亚洲夏季风指数的重新评估与季风的长期变化

使用NCEP/NCAR再分析资料对Webster与Yang的季风指数(WYI)进行计算和修改。WYI定义为850与200 hPa的纬向风差,但通过分析150—100 hPa和200 hPa的环流场、散度场与垂直运动场,发现200 hPa层并不能真正反映亚洲季风系统上层环流的变化,尤其是其最主要的环流特征即热带东风急流的变化,其核心位于150—100 hPa。纬向风切变U850-U(150 100)的值比U850-U200的值远大得多,更能真实反映季风的强度,并且与低层辐合耦合在一起的高层辐散最大位于150 hPa,在对流层高层取150 hPa比200 hPa更能反映季风系统的耦合关系。因此,在对流层上层选择150—100 hPa重新定义季风指数(DHI)为IDH=U8*50-U(*150 100),不但可以更好地表征亚洲纬向风切变中心的强度变化,也可以代表对流层上下层季风系统的变率。分别用季风指数DHI和WYI对亚洲夏季风的长期变化进行研究,发现DHI比WYI更合适。DHI的变化表明亚洲夏季风存在明显的年代际变化及突变,20世纪70年代末之后显著减弱,这主要是由于150—100 hPa层东风的减弱,但这种东风的减弱现象在200 hPa不明显。突变后总的来说:亚洲地区高层东风减弱,表明夏季风减弱;海陆气压差和海陆温差的减小导致季风减弱;相应高空辐散和水汽输送在印度半岛、中南半岛中部、中国华北与东北地区都是减弱的,也表明夏季风减弱。最后比较NCEP/NCAR和ERA-40两种再分析资料研究亚洲夏季风的强度及其长期变化的差异,以作参考。     

南海夏季风强度指数及其变化特征

依据南海夏季风活动的基本特征，设计了一个动力不因子（西南风分量）与热力学因子（OLR）相结合标准化的南海夏季风强度指数Is。并计算出1975－1999年6、7、8中各月及夏季Is的数据，给出了强、弱夏季风月和年。分析了其变化特征和Is与夏季风爆发早晚，及与广东和我国降水的关系。结果表明：近35年来，南海夏季风年际变化有准10年和准3－4年变化周期。南海夏季风爆发早（晚），则该年夏季风大多偏强（弱）。南海夏季风强（弱）年，广东后汛期偏涝（旱），前汛期降水正常或偏旱（正常），我国东北、华北大部和江南大部夏季降水偏多（少），而长江中下游和华北西部以及华西偏少（多）。     

季风指数及其年际变化Ⅰ.环流强度指数

季风环流可以分解为经向环流和纬向环流.使用NCEP和ECMWF再分析资料,计算亚洲季风区的经向动量环流和纬向动量环流强度的季节内和年际变化,结果表明:对于南亚夏季风和东南亚-西太平洋夏季风,其各自的经向环流和纬向环流的季节内变化和年际变化存在着相当的联系,尤其东南亚-西太平洋夏季风.但南亚夏季风的经向环流和纬向环流的年际变化在不同月份有着不同的关系.对于东亚夏季风,经向环流和纬向环流变化之间的相关在季节内尺度上是线性独立的,而在年际尺度上存在一定的联系.作者指出:这种大尺度上的联系是通过科里奥利力发生作用,并且受热源调节的.同时局地的对流和辐射相互作用则在某种程度上削弱这种联系,导致在不同月份相关程度有所不同.从各季风系统的经向环流之间或纬向环流之间的线性相关看,南亚夏季风,东亚夏季风和东南亚-西太平洋夏季风是相互独立的系统.计算表明,Webster-Yang和Wang-Fan分别提出的南亚夏季风指数在描述纬向环流年际变化上较好,而在经向上勉强令人满意.Wang-Fan提出的描述东南亚-西太平洋夏季风指数,则较好地表示了该区域的经向和纬向环流的年际变化.Goswami提出的季风Hadley环流指数,以及郭其蕴、施能等提出的东亚夏季风指数则较好地描述了相应区域的经向环流圈年际变化,却无法描述相应的纬向环流圈的年际变化.通过计算还表明,NCEP再分析资料和ECMWF再分析资料在1968年以前的南亚季风区和东亚季风区存在着较大的差异.用NCEP再分析资料计算东亚季风区和南亚季风区经向动量环流圈的变率在20世纪60年代较ECMWF的偏大.用NCEP再分析资料计算施能等定义的东亚季风区指数,也较使用ECMWF再分析资料、UCAR的DS010.1及CRU的北半球海平面气压资料计算的偏大.     

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。     

东亚季风指数及其与大尺度热力环流年际变化关系

将东西向海平面气压差与低纬度高、低层纬向风切变相结合 ,定义了东亚季风指数 ,该季风指数较好地反映了东亚冬、夏季风变化。其中 ,夏季风指数年际异常对西太平洋副热带高压南北位置变化和长江中下游旱涝具有较强的反映能力。分析表明 :东亚夏季风年际变化与印度洋 -西太平洋上空反 Walker环流及夏季越赤道南北半球间的季风环流呈显著正相关关系。在强、弱异常东亚夏季风年份 ,异常的 Walker环流在西太平洋上的辐合 (辐散 )中心在垂直方向不重合 ,高层 ( 2 0 0 h Pa)速度势与东亚夏季风显著相关区域位于西北太平洋上 ,该异常环流的高层的辐合 (辐散 )通过改变低层空气质量而影响夏季 50 0 h Pa西北太平洋副热带高压。采用 SVD分析进一步发现 :与海温耦合的异常 Walker环流在西太平洋上空的上升支表现出南北半球关于赤道非对称结构 ,亚澳季风区受该异常 Walker环流控制。因而 ,东亚季风与热带海气相互作用可直接通过这种纬向非对称的 Walker环流发生联系。     

东亚冬、夏季风百年强度指数及其气候变化

定义了东亚冬、夏季风强度指数,计算了1873～1989年夏季、冬季及其逐月的东亚季风强度指数,研究了冬、夏季风强度指数的长期气候变化。结果表明,100多年来,东亚夏季风明显加强,冬季风变化不大,稍有减弱。突变分析结果表明,1918年前后,东亚夏季风突变增强,与北半球夏季地面气温突变增暖是同步发生的。但是,冬季风不太明显的突变发生于1958年。此外,用滑动相关系数分析了东亚冬夏季风与北半球地面气温的关系,指出它们之间的相关关系有年代际变化。     

南海暖池的季节和年际变化及其与南海季风爆发的关系

用ＬＥＶＩＴＵＳ和ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ ＯＩＳＳＴ资料，分析了南海暖池的季节和变化特征及其与西太平洋暖池和印度洋暖池的关系，讨论了南海暖池强度指数的年际变化与南海季风爆发时间的联系，结果指出，南海暖池有明显的季节变化牲，１２～２月隆冬季节最弱，３～４月迅速发展北上，６～９月达其盛期，整个南海均为高于２８℃的暖水，１０～１１月迅速减弱南退：在南海暖池盛期，整个南海均为高于２８℃的暖水最大厚度达５５ｍ，     

南海夏季风季节内振荡的年际变化研究

利用NCEP/NCAR风场、 垂直速度再分析资料和NOAA的逐日向外长波辐射 (简称OLR) 资料, 运用Butterworth带通滤波方法, 对南海夏季风季节内振荡 (简称ISO) 的特征和年际变化情况进行了初步研究。气候平均状况下ISO在亚洲季风区存在5个活动中心, 其中包括南海南部地区 (5°N～15°N, 110°E～120°E)。气候平均状况下南海ISO在5～9月有三次比较明显的活跃过程。以850 hPa风在西南方向上的投影 (Vsw) 经30～60天带通滤波后的绝对值在南海区域的夏季平均定义了当年南海夏季风ISO活动指数, 以此确定了南海夏季风ISO活跃年和不活跃年, 并由此提取了两者在逐日序列和水平分布场特征上的差异。通过对南海夏季风ISO活跃年与不活跃年ISO信号差别的研究发现: 在南海夏季风ISO活动较活跃年份的一个完整周期的8个位相合成中, 低频对流中心从热带印度洋西部东传到达南海后, 受Walker环流和西太平洋副热带高压底层东风气流阻挡等其它动力和热力因素的影响转向东北传。春季南海地区较强的Walker环流和对流活动有可能作为南海夏季风ISO活跃的前期信号。     

南海夏季风强度潜在可预报性的年代际变化及可能原因

基于NCEP/NCAR再分析资料,利用信噪比(SNR)方法研究了南海夏季风强度潜在可预报性的年代际变化,结果表明:南海夏季风强度潜在可预报性在20世纪80年代出现了由潜在可预报性偏低位相向偏高位相的年代际转折。进一步的研究发现,南海夏季风强度潜在可预报性和东印度洋—西太平洋(EIOWP)的海表温度(SST)存在明显的正相关。当EIOWP区域SST年际变率较大时,对南海夏季风影响较强,使得南海夏季风的外部信号增强,从而提高了潜在可预报性;当EIOWP区域SST年际变率较小时,对南海夏季风影响较弱,南海夏季风的外部信号进而减弱,潜在可预报性降低。     

季风指数及其年际变化I·环流强度指数

季风环流可以分解为经向环流和纬向环流。使用NCEP和ECMWF再分析资料,计算亚洲季风区的经向动量环流和纬向动量环流强度的季节内和年际变化,结果表明:对于南亚夏季风和东南亚-西太平洋夏季风,其各自的经向环流和纬向环流的季节内变化和年际变化存在着相当的联系,尤其东南亚-西太平洋夏季风。但南亚夏季风的经向环流和纬向环流的年际变化在不同月份有着不同的关系。对于东亚夏季风,经向环流和纬向环流变化之间的相关在季节内尺度上是线性独立的,而在年际尺度上存在一定的联系。作者指出:这种大尺度上的联系是通过科里奥利力发生作用,并且受热源调节的。同时局地的对流和辐射相互作用则在某种程度上削弱这种联系,导致在不同月份相关程度有所不同。从各季风系统的经向环流之间或纬向环流之间的线性相关看,南亚夏季风,东亚夏季风和东南亚-西太平洋夏季风是相互独立的系统。计算表明,Webster-Yang和Wang-Fan分别提出的南亚夏季风指数在描述纬向环流年际变化上较好,而在经向上勉强令人满意。Wang-Fan提出的描述东南亚-西太平洋夏季风指数,则较好地表示了该区域的经向和纬向环流的年际变化。Goswami提出的季风Hadley环流指数,以及郭其蕴、施能等提出的东亚夏季风指数则较好地描述了相应区域的经向环流圈年际变化,却无法描述相应的纬向环流圈的年际变化。通过计算还表明,NCEP再分析资料和ECMWF再分析资料在1968年以前的南亚季风区和东亚季风区存在着较大的差异。用NCEP再分析资料计算东亚季风区和南亚季风区经向动量环流圈的变率在20世纪60年代较ECMWF的偏大。用NCEP再分析资料计算施能等定义的东亚季风区指数,也较使用ECMWF再分析资料、UCAR的DS010.1及CRU的北半球海平面气压资料计算的偏大。     

南海夏季风对华南夏季降水年代际变化的影响

华南夏季降水和南海夏季风都具有准两年的变化特征。研究表明：20世纪70年代以后，华南夏季降水年代际变化主要表现在准两年尺度平均方差的变化上，当准两年方差大时，相应的华南夏季降水多，反之亦然。但是在1976年以前南海夏季风对华南夏季降水的影响并不大，这似乎与两者准两年变化关系的年代际变化有关。南海夏季风和华南夏季降水的准两年变化在1953-1976年是弱的反位相变化关系，相反地，这一时段它们的非准两年变化成分有很强的正相关；在1977-2000年这一阶段，南海夏季风和华南夏季降水的准两年变化具有很强的正相关，但是它们的非准两年变化成分的相关性则很差。分析结果还表明，20世纪70年代大气环流的年代际变异使得华南夏季降水准两年变化在最近20多年成为其年际时间演变的主导成分。     

一个新的季风指数及其年际变化和与雨量的关系

作者按曾庆存等所定义的标准化风场季节变率(和利用新的资料重新作了计算,为与国外传统的和至今大多数学者的定义一致,取δ*=δ-2＞0(即冬、夏风向差大于π/2)作为季风区,结果涵盖了迄今国内外所指出的全球所有季风区(但比曾庆存等算得的区域略为小些),尤其是热带季风区正处于冬季和夏季赤道幅合带(ITCZ)位置所夹的范围内.其后,用李建平和曾庆存建议的动态风场标准化季节变率δ*m=δm-2(δm形式上与δ相似,但依赖于年份m)作为各年季风指数,计算了各主要季风区区域平均的δ*m的年际变化,得到南亚夏季风和东亚夏季风自20世纪70年代中期起、南海夏季风自20世纪80年代起和西非夏季风自1967年起都有不同程度的长期减弱趋势,尤其以西非夏季风减弱最明显.西非夏季风指数和南亚夏季风指数与当地夏季雨量呈显著正相关,东亚夏季风指数与中国和东亚夏季雨量的空间分布有一定的统计相关结构,而南海夏季风指数则与全球各海区夏季降水和海平面气压异常有较好的大范围统计相关.     

近40年青藏高原季风变化的主要特征

通过计算1961－1995的逐日青藏高原季风指数，初步确定了高原夏季风开始和结束的时间，在此基础上研究了季风指数的年际变化特征以及和500hPa高度场、东亚季风之间的可能联系。结果表明：夏季风开始和结束的时间呈反相关关系；高原季风的年际和年代变化明显；高原冬季风强（弱）与同期高原及乌拉尔山500hPa高度场偏高（低）以及东亚冬季风偏强（弱）相联系；高原夏季风偏强（弱）与同期贝湖至高原南部500hPa高度场偏低（高）、西亚和中国东部高度场偏高（低）以及东亚夏季风偏强（弱）相联系。     

南海夏季风槽的年际变化和影响研究

南海夏季风槽是南海夏季风的重要组成部分，它的活动不仅对大气环流和气候有明显影响，其本身也具有明显的年际变化特征。首先定义了一个描写南海夏季风槽强度的指数，然后分别对强、弱南海夏季风槽年的例子进行了合成分析。分析结果表明，对应强、弱不同的南海夏季风槽年份，在大气环流背景、对流活动以及海温背景场方面都有很明显的区别，说明南海夏季风槽的异常不是偶然的，有其十分明显的大背景。合成分析的结果还表明，南海夏季风槽的强弱异常不仅对中国夏季降水有重要影响，还会通过遥相关过程影响北半球的其他区域。     

亚洲夏季风的年际和年代际变化及其未来预测

本文是对我们近五年在亚洲夏季风年代际与年际变率及其未来预测方面研究的一个综述.主要包括下列三个问题:(1)根据123年中国夏季降水资料和印度学者的分析,检测出亚洲夏季风具有明显的年代际尺度减弱,这种年代际变化使中国东部(包括东亚)和南亚夏季降水的格局在过去60年中发生了明显变化.在东亚,从1970年代后期开始,主要异常雨带有不断南移的趋势,结果造成了南涝北旱的降水分布,这主要受到60～80年年代际振荡的影响.青藏高原前冬和春季积雪的年代际减少与热带中东太平洋海表温度的年代际增加是东亚降水型改变的主要原因,这是通过减弱亚洲地区夏季海陆温差与夏季风强度而实现的.未来亚洲夏季风的预测表明,东亚夏季风和南亚夏季风对气候变暖有十分不同的响应.东亚夏季风在本世纪将增强,雨带北推,尤其在2040年代之后;而南亚夏季风环流将继续减弱.这种不同的变化是由于两者对高低层海陆热力差异的不同响应造成.(2)年际尺度的变率在亚洲夏季风区主要表现为2年与4～7年的振荡.本文着重分析了2年振荡(TBO)形成的过程、机理及其对东亚降水的影响.对TBO-海洋机理进行了具体的改进,说明了东亚夏季风降水深受TBO影响的原因,尤其是阐明了长江型(YRV) TBO和淮河型(HRV) TBO的特征及其形成的循环过程.(3)在总结亚洲夏季风时期遥相关型的基础上,本文提出了季节内和年际尺度的低空遥相关型:即西北太平洋季风的遥相关型与印度“南支”和“北支”遥相关型.它们基本上反映了沿低空夏季风强风速带Rossby波群速度传播的结果.据此可以根据西北太平洋和印度夏季风的变化分别预测中国梅雨和华北雨季来临和降水异常.最后研究还表明,在本世纪亚洲夏季风可能更显著地受到人类活动造成的全球变暖的影响,未来的亚洲夏季风活动是人类排放的CO2引起的全球变暖与自然变化(海洋和陆面过程(积雪))共同作用的结果.     

南亚夏季风年际变化特征分析

由于季风活动与降水的时空变化有直接的联系 ,故而定量化研究季风的活动对预测旱涝等灾害性天气有重要意义。但是从目前的研究现状来看 ,量化指标描述的结果多具有明显的不一致性。因此 ,在确定定量化指标之前还需要对季风的气候学特征有更多的了解。为此 ,本文利用 195 8— 1997年NCEP NCAR再分析月平均资料 ,首先分析了南亚地区风场演变的基本特征。分析表明 ,85 0hPa与2 0 0hPa纬向风的垂直切变具有显著的季节变化特征 ,6～ 9月为特征期 ,0°～ 2 0°N ,4 0°～ 13 0°E为特征区。在此基础上对南亚夏季风的年际变化问题作了分析和讨论。结果表明 :在南亚夏季风区季风增强或减弱的整体性是第一位的 ,是最主要的年际变化方式 ;大约以 80°E为分界线 ,以西的印度夏季风与以东的东南亚夏季风增强、减弱的反向变化是第二位的 ,而且主要反映了东南亚夏季风的年际变化特征 ;根据纬向风垂直切变的主要特征模选取了 4类具有典型特征的南亚夏季风类型 ,与不同类型南亚夏季风风场相对应的降水场分布有明显的差异。