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。     

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:Ⅱ青藏高原及邻近地区地表感热加热的作用

本文是系列文章的第二篇,首先分析了１９８９年亚洲夏季风爆发时期青藏高原及邻近地区地表感热通量和大气温度场季节变化的基本特征,着重讨论了春季高原地表感热加热和亚洲季风爆发的联系,然后分析了１９８０～１９８９年１０ａ南海季风爆发的气候学特征。上述工作表明,在春末初夏过渡季节,高原上空大气温度变化出现阶段性的跃升,并同亚洲夏季风阶段性的爆发有很好的对应关系。高原地表感热通量的持续增大导致了对流层高层局地反气旋式扰动环流的出现,使南亚反气旋北进的过程明显受到高原局地热力环流的调制,而热带东风急流入口区所产生的强烈的高层辐散,提供了有利于热带季风对流在南海地区首先爆发的动力学条件。此外,从５月份至６月中下旬,青藏高原、伊朗—阿富汗上空强大暖中心相继建立的结果,直接导致了热带地区上空大气南北温度梯度的反向依次在南海—孟加拉湾东部和阿拉伯海—印度次大陆由东向西相继建立,从而决定了亚洲季风建立的过程在不同地区爆发的时间不同。     

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。     

青藏高原的热力和机械强迫作用以及亚洲季风的爆发I. 爆发地点

使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的客观分析资料、ECMWF/TOGA补充数据集,美国NMC气候分析中心的向外长波辐射（OLR）资料以及国家气候中心存档的中国336个测站的降水资料,研究了1989年春天青藏高原和邻近地区的热力特征和环流特征,及其对亚洲季风区季节转换的影响。文中集中分析了表面感热和潜热通量的时空分布特征。结果表明:1989年亚洲季风的爆发由三个接续的阶段组成。第一阶段是5月上旬在孟加拉湾东岸,称为孟加拉（BOB）季风爆发阶段。第二阶段是5月20日左右开始的中国南海（SCS）季风爆发阶段。第三阶段是6月10日左右开始的印度上空的南亚季风（或称印度季风）的爆发阶段。分析表明,正是由于青藏高原的热力和机械强迫作用才使亚洲季风首先在孟加拉湾地区出现。BOB季风环流提供了有利的背景条件,使SCS季风接着爆发。最后随着亚洲热带流型的西移,印度季风爆发才发生。     

与EAWM相关的海陆气相互作用及亚洲夏季风

基于观测资料分析，本文讨论了与东亚冬季风（EAWM）异常活动相联系的海－陆－气系统的特征，指出它往往是随后亚洲夏季风异常的一个信号。我们分析并确定了一类重要的海气耦合模态，即EAWM。它所包含的海－气双向相互作用，使该模态的SSTA分布得以发展和持续。特别是在西太平洋和南海等关键地区，SSTA异常将从冬季维持到夏季。在强冬季风年，青藏高原积雪冬季在其东部出现负距平区，春季则延伸到高原西北部。SSTA及高原积雪分布，共同构成调制亚洲季风环流的重要因子，它将有助于1）随后南海季风和季风降水的增强；2）梅雨期西太平洋副高偏北，长江流域少雨；3）夏季我国东北和日本多雨；4）阿拉伯海和印度东北多雨，而印度西南部及孟加拉湾少雨。总之，强EAWM及相联的海气相互作用，一定程度上，预示着亚洲夏季风的活动特征。     

亚洲热带地区对流爆发和推进的气候特征

利用日本ＧＭＳ ＴＢＢ资料和ＧＰＣＰ降水资料,用滑动ｔ－检验法研究了亚洲热带地区春夏季节转换期对流爆发和推进的气候特征。结果表明,亚洲热带地区对流爆发首先于４月中旬发生在中南半岛中部,然后向东缓慢推进。     

1998年南海夏季风建立前后的突变特征及爆发过程

利用南海季风试验所得到的最新资料分析了１９９８年南海夏季风建立前后的突变特征及其爆发过程,初步认定１９９８年亚洲夏季风最早（５月２３日）在南海地区建立,它是亚洲冬季风形势向夏季风形势转换的最早体现。副高从南海地区连续东撤是南海地区夏季风建立的直接过程,它的撤出有利于不稳定能量的释放,形成南海夏季风的爆发性。提出赤道印度洋地区的西风和降水向中南半岛地区扩展、华南静止锋活跃南压,这种形式的中低纬相互作     

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。     

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,建立和推进者很快,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.     

中东急流的季节转变特征及与印度夏季风爆发早晚的关系

采用1968—2009年NCEP/NCAR逐候再分析资料,分析了季节转换期间中东急流的变化特征及其热力机制。结果表明:中东急流中心的强度和位置存在明显的季节变化特征,第67候—次年第24候偏强且位置稳定偏南(27.5 °N)、第38—44候偏弱且位置稳定偏北(45 °N)。200 hPa纬向风场EOF第1空间模态反映了中东急流在冬、夏季的位置,冬季主要位于埃及和沙特阿拉伯上空,夏季主要位于黑海东部至咸海东部上空,且中东急流在冬季比在夏季强。第26—31候和第54—61候分别是中东急流春夏季和秋冬季的季节转换期,其200 hPa西风演变与500～200 hPa平均南北温差演变的对应关系很好,表明南北温差的季节性转变导致了200 hPa西风的季节性转变。个例分析表明,印度夏季风爆发日期早晚与中东急流季节转换日期早晚的关系非常密切。印度夏季风爆发较早（晚）时,由于500～200 hPa南北温差大值区域向北推进较早（晚）,因此,中东急流向北推进较早（晚）,同时40～90 °E对流层低层西风急流出现也较早（晚）。      

亚洲夏季风季节内振荡对云南主汛期降水的影响Ⅰ:云南主汛期季节内振荡特征及其传播过程

利用云南省124个气象观测站降水资料和NCEP OLR再分析资料,分析了云南主汛期(6-8月)季节内振荡(ISO)的活动特征及其传播的年际差异,并着重分析了云南主汛期ISO活跃年热带印度洋ISO向云南传播的两条路径和两个亚洲季风系统ISO分别对云南主汛期ISO的影响。云南主汛期平均降水量与区域平均OLR呈显著负相关,用低频(30～60天)OLR表征云南夏季风ISO,其强度具有明显的年际差异。在云南主汛期ISO活跃年,ISO主要来自于两条传播路径:一条是从副热带西太平洋或中国东南部的三次西传,强度较大,分别造成云南主汛期内3次低频对流显著活跃期;另一条是从热带印度洋沿孟加拉湾西岸的西南-东北向传播,到达云南时加剧了云南主汛期的低频对流。在云南主汛期ISO不活跃年,主汛期仅有两次弱的低频对流,主要来自于副热带两次弱的纬向低频OLR传播,第一次是从副热带西太平洋的西传,第二次是从阿拉伯海北部的东传。在云南主汛期ISO活跃年,热带印度洋低频对流一方面沿孟加拉湾西岸向西南-东北方向传播,激发了孟加拉湾西南季风ISO继续向云南传播;另一方面东传到南海以南的热带洋面并向南海北传,激发了南海夏季风ISO北传到副热带中国东部地区,再向云南西传,越过云南后与从东北方向传来的低频对流在孟加拉湾以北地区交汇,完成了一个经纬向接力传播的周期。因此,正是热带印度洋ISO通过两条路径对南海夏季风ISO和孟加拉湾西南季风ISO的激发,使得东亚夏季风和南亚夏季风这两个亚洲季风系统共同作用于云南主汛期ISO。     

2004年南海夏季风的爆发及中南半岛陆面过程的可能影响 I： 诊断分析

南海夏季风的爆发受高原、海洋(海气相互作用)、冷空气和陆地(陆面过程或陆气相互作用)等多种因素的影响,其中中南半岛由于是连接南海夏季风和印度、孟加拉湾季风的关键区,而且孟加拉湾不仅是亚洲最早爆发夏季风的地区,又是副热带高压最早断裂的地区。因此它的陆面过程对南海夏季风的影响是不可忽视的。文章从2004年南海夏季风爆发前后的环流和降水分析其活动特征,并进一步研究中南半岛陆面过程对南海夏季风的爆发日期和强度的影响。2004年南海夏季风于5月19日爆发,利用NCEP再分析资料及地面站点降水资料对这次季风爆发前后的环流形势和降水分布进行分析,结果表明:强对流活动由孟加拉湾移到中南半岛,引起中南半岛的降水增大,导致陆面过程发生改变(包含土壤湿度,感热、潜热通量,向上长波辐射),最终使得中南半岛—南海之间的低层气温差出现符号逆转,为南海夏季风的爆发提供了必要的条件。此外,中南半岛—南海低层气温差同南海夏季风的活跃程度有密切的联系。通常负的温差出现后不久,南海夏季风即进入活跃期或非活跃期,正的温差出现之后则常常是南海夏季风的中断期。     

亚洲夏季风活动激发北半球大气遥相关的物理机制探讨 I.正规模及有限时间不稳定奇异矢量分析

造成大气环流异常的原因可以有两个方面, 一是大气内部的物理过程,另一方面则可能由大气外强迫引起。在线性框架内,该文的第I部分利用正规模（normal mode）以及有限时间不稳定奇异矢量（singular vectors）理论,对亚洲夏季风（ASM）活动激发北半球夏季遥相关型的大气内部物理机制进行了探讨。结果表明,亚洲季风区的扰动最有效地激发了它下游地区不稳定模态的发展,从而导致了从亚洲到北美洲一带的大气环流异常。关于从大气外强迫角度对这一问题的探讨,将在本文的第II部分发表。     

亚洲夏季风活动激发北半球大气遥相关的物理机制探讨 I.正规模及有限时间不稳定奇异矢量分析

造成大气环流异常的原因可以有两个方面, 一是大气内部的物理过程, 另一方面则可能由大气外强迫引起。在线性框架内, 该文的第 Ｉ 部分利用正规模 （ｎｏｒｍ ａｌ ｍｏｄｅ） 以及有限时间不稳定奇异矢量 （ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖｅｃｔｏｒｓ） 理论, 对亚洲夏季风（ Ａ Ｓ Ｍ） 活动激发北半球夏季遥相关型的大气内部物理机制进行了探讨。结果表明, 亚洲季风区的扰动最有效地激发了它下游地区不稳定模态的发展, 从而导致了从亚洲到北美洲一带的大气环流异常。关于从大气外强迫角度对这一问题的探讨, 将在本文的第 Ｉ Ｉ部分发表。     

2004年南海夏季风的爆发及中南半岛陆面过程的可能影响Ⅰ:诊断分析

南海夏季风的爆发受高原、海洋(海-气相互作用)、冷空气和陆地(陆面过程或陆-气相互作用)等多种因素的影响,其中中南半岛由于是连接南海夏季风和印度、孟加拉湾季风的关键区,而且孟加拉湾不仅是亚洲最早爆发夏季风的地区,又是副热带高压最早断裂的地区.因此它的陆面过程对南海夏季风的影响是不可忽视的.文章从2004年南海夏季风爆发前后的环流和降水分析其活动特征,并进一步研究中南半岛陆面过程对南海夏季风的爆发日期和强度的影响.2004年南海夏季风于5月19日爆发,利用NCEP再分析资料及地面站点降水资料对这次季风爆发前后的环流形势和降水分布进行分析,结果表明强对流活动由孟加拉湾移到中南半岛,引起中南半岛的降水增大,导致陆面过程发生改变(包含土壤湿度,感热、潜热通量,向上长波辐射),最终使得中南半岛-南海之间的低层气温差出现符号逆转,为南海夏季风的爆发提供了必要的条件.此外,中南半岛-南海低层气温差同南海夏季风的活跃程度有密切的联系.通常负的温差出现后不久,南海夏季风即进入活跃期或非活跃期,正的温差出现之后则常常是南海夏季风的中断期.