亞洲熱帶氣候態(tài)夏季風涌傳播特征及其對中國降水的影響

任菊章，鄭彬，金燕，琚建華

(1.云南省氣象科學研究所，云南 昆明 650034;2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州 510641；3.云南省氣候中心，云南 昆明 650034)

1 引 言

大氣季節(jié)內振蕩(ISO)在長期天氣和氣候變化中有重要作用，是大氣科學領域的重要研究課題之一。1970年代發(fā)現(xiàn)熱帶大氣存在季節(jié)內振蕩(MJO)[1]，周期為40～50天。后續(xù)研究表明熱帶ISO周期的時間尺度主要集中在30～60天范圍內[2-4]，這種振蕩不僅存在于熱帶地區(qū)，其他緯度地區(qū)也同樣存在，ISO是一種全球大氣變化現(xiàn)象[5]。在亞洲夏季風區(qū)，氣候態(tài)上時間尺度在30～60天的夏季風ISO活動特征顯著，深對流ISO的位相變化顯示從初夏開始逐漸由赤道地區(qū)向菲律賓北部移動[6]，其干濕位相的轉換與亞洲夏季風的兩次爆發(fā)相對應[7]。可見ISO與亞洲夏季風系統(tǒng)有密切的聯(lián)系，亞洲季風區(qū)的兩支季風子系統(tǒng)，即南亞季風系統(tǒng)和東亞季風系統(tǒng)[8-10]都存在ISO活動，其活動對季風的活躍、中斷或撤退有一定影響[11-14]，它的經緯向傳播特征明顯[15-17]，相比較而言，經向傳播更復雜[18]，研究表明北半球夏季ISO信號在30°N以南表現(xiàn)出明顯的北傳特征[19-20]。琚建華等[21-22]研究發(fā)現(xiàn)東亞夏季風區(qū)ISO隨時間北傳的特征明顯，ISO北傳時存在著在副熱帶地區(qū)增強的現(xiàn)象，這種增強是南亞季風區(qū)和南海季風區(qū)ISO在副熱帶地區(qū)匯合的結果[23]。西南季風ISO所影響的降水也會隨低頻對流的移動而移動[24]。赤道西太平洋大氣ISO以準Rossby波的形式向西北方向傳播，引起西北太平洋副熱帶高壓的東西振蕩，造成江淮流域持續(xù)性強降水異常[25]。分析研究表明，整個亞洲季風區(qū)ISO的空間環(huán)流形成“四極型”結構(BSISO)，即南亞季風區(qū)南-北向的ISO偶極型結構，及與它位相相反的東亞ISO偶極型結構[26-28]。南亞和東亞ISO的這種內在聯(lián)系對夏季江淮流域的持續(xù)性降水異常有調控作用[29-30]，BSISO的位相與強度對降水均有影響，兩者通過高層輻散環(huán)流相互作用引起長江中下游持續(xù)性降水異常[31]。沈雨旸等[32]系統(tǒng)研究了我國南方夏季五類大尺度低頻雨型與熱帶ISO信號的經向傳播關系，來自我國東南方向的熱帶海洋的濕ISO信號對我國南方的低頻降水有影響。夏季來自西太平洋的ISO向西北傳特征顯著，對我國東部，尤其是南方的降水有直接影響[33-35]。南亞夏季風受海陸分布以及青藏高原地形的影響，其ISO的經緯向傳播較復雜，一般南亞熱帶夏季風ISO的傳播可分為東傳、北傳和東北傳三種類型[36]。夏季南亞和東亞熱帶夏季風ISO的經緯向傳播既相互聯(lián)系又有各自的獨立性，它們之間有著怎樣的內在聯(lián)系，隨時間北傳的亞洲熱帶夏季風ISO(亞洲熱帶夏季風涌)是如何形成發(fā)展的，其時空演變特征如何，目前仍需要多角度探索研究。本文將在前人的研究基礎上，定性給出亞洲熱帶夏季風涌的指數(shù)定義，并描述亞洲熱帶夏季風涌的內在演變規(guī)律，及對我國夏季降水的影響。研究結果具有現(xiàn)實意義，為提高延伸期天氣預報準確率和我國防災減災能力提供理論依據(jù)。

2 資料和方法

2.1 資 料

本文基于1979年1月1日—2020年12月31日 NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)的向外長波輻射(簡稱OLR)逐日資料、NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)的17層風場(U，V)、垂直速度場等全球再分析逐日資料[37]，水平分辨率為2.5°×2.5°(經度×緯度)，垂直分辨率為17個等壓面層，以及全球CPC(NOAA Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)逐日降水資料，水平分辨率為0.25°×0.25°。

2.2 方 法

應用Butterworth函數(shù)濾波器對OLR場和風場的逐日資料進行30～60天的帶通濾波處理，并用合成分析、功率譜檢驗等統(tǒng)計學方法對亞洲熱帶夏季風季節(jié)內傳播規(guī)律進行研究。

3 夏季亞洲熱帶季風ISO氣候態(tài)特征

很多研究工作[5-7,38-39]已證實在氣候平均狀況下，亞洲季風區(qū)夏季存在顯著的30～60天季節(jié)內振蕩(簡稱ISO)，其活躍中心在亞洲季風區(qū)有5個，分別位于印度洋北部阿拉伯海、孟加拉灣、南海、西太平洋暖池和東亞副熱帶地區(qū)，均是南亞季風區(qū)和東亞季風區(qū)的關鍵區(qū)域[40]。位于活躍中心的印度季風槽和南海季風槽分別是南亞夏季風和東亞夏季風的主要成員，其演變特征能夠說明南亞夏季風(孟加拉灣夏季風)和東亞熱帶夏季風(南海夏季風)的變化特點[41]。因此，采用琚建華等[21]的方法構建能夠反映孟加拉灣季風區(qū)(82.5～97.5°E，10～20°N)和南海季風活躍區(qū)(110～120°E，10～20°N)內熱帶夏季風活動特征的亞洲熱帶夏季風指數(shù)(TSMI)[42]，該指數(shù)能很好反映亞洲夏季熱帶季風與中國夏季氣候的變化關系。

本文沿用此亞洲熱帶夏季風指數(shù)(TSMI)，選取1979—2020年的42年討論氣候平均狀況下亞洲熱帶夏季風季節(jié)內振蕩(CISO)特征。圖1a是氣候態(tài)夏季TSMI功率譜的檢驗結果，30～60天周期和準雙周周期均通過0.05的顯著性檢驗，ISO和準雙周特征是亞洲熱帶夏季風的主要周期。用Lanczos帶通濾波器[43]提取TSMI在氣候平均狀態(tài)下的30～60天周期分量(圖略)，結果顯示整個雨季(5—10月)亞洲熱帶夏季風CISO活動特征在主汛期(6—8月)最活躍，強于其他時段。圖1b顯示主汛期亞洲熱帶夏季風CISO有2次明顯的波動特征，6—7月中旬是一次比較完整的波動，7月中旬到8月底是第二次波動，7月中旬前的波動強度明顯強于7月中旬之后的波動，與李汀等[44]在比較孟加拉灣和南海西南季風CISO的特征時得到的結果一致，兩支季風CISO最強振蕩均發(fā)生在7月中旬之前。

圖1 1979—2020年氣候平均亞洲熱帶夏季風指數(shù)連續(xù)功率譜檢驗(a)及CISO的變化特征(b)

陶詩言等[33]和琚建華等[45]將東亞地區(qū)隨時間向北傳播的夏季風ISO稱為“東亞夏季風涌”，據(jù)此概念本文將隨時間向北傳播的亞洲熱帶夏季風CISO稱為“亞洲熱帶夏季風涌”。在印度-太平洋區(qū)域內，亞洲熱帶夏季風ISO振幅的強弱對南亞夏季風ISO和東亞熱帶季風ISO的北傳有影響，對流加熱和偏南的水汽平流是亞洲熱帶夏季風ISO北傳的主要原因[46]。在月季時間尺度上表現(xiàn)為熱帶洋面上低頻對流強時，夏季風涌傳播特征顯著，我國西南東部地區(qū)、長江中下游地區(qū)和淮河流域易發(fā)生洪澇[45,47]。在氣候態(tài)下，亞洲熱帶夏季風CISO的強弱直接影響亞洲熱帶夏季風涌的形成，本文根據(jù)亞洲熱帶夏季風CISO的標準差值，反推得到一個標準差的亞洲熱帶夏季風CISO值(±0.06)，并取為亞洲熱帶夏季風涌的閾值，根據(jù)閾值將亞洲熱帶夏季風CISO的一次過程劃分為四個階段(4個位相)(圖1b)。第1位相(CISO從-0.06到0.06的區(qū)間)為亞洲熱帶季風涌的發(fā)展階段，第2位相(CISO值＞0.06的區(qū)間)為亞洲熱帶季風涌的活躍階段，第3位相(CISO值從0.06到-0.06的區(qū)間)為亞洲熱帶季風涌的減弱階段，第4位相(CISO值＜-0.06的區(qū)間)為亞洲熱帶季風涌的間歇階段。通過位相合成的方法，探討亞洲熱帶夏季風涌的演變特征及其對中國南方降水的影響。

4 亞洲熱帶夏季風涌的演變特征及對中國南方降水的影響

圖2是1979—2020年氣候平均夏季低頻OLR、850 hPa低頻矢量風場和日平均降水距平在亞洲熱帶夏季風涌1～4位相上的合成圖。

在第一位相(亞洲熱帶夏季風涌發(fā)展階段，圖2a、2b)時，索馬里越赤道異常氣流穿過赤道進入北半球，促使阿拉伯海10°N附近西風異常加強，并在其兩側形成低頻氣旋對，阿拉伯海以北地區(qū)低頻氣旋明顯，同時阿拉伯海、印度次大陸以及孟加拉灣西部低頻對流發(fā)展活躍，在氣旋東側的偏南氣流中易產生對流性降水[48-49]，圖2a中的低頻OLR對流中心正是位于低頻氣旋的東側，通過第二級熱力適應，低頻氣旋東側的偏南氣流異常發(fā)展并向北輸送水汽，使得低頻氣旋東北側產生異常對流活動和降水。因此阿拉伯海上的低頻氣旋和對流中心向東北方向移動。在熱帶西太平洋和孟加拉灣海域850 hPa風場上仍是東風異常，中南半島及南海一帶被低頻反氣旋占據(jù)，副熱帶西太平洋高壓西伸脊線可達孟加拉灣東部地區(qū)，赤道西太平洋海域出現(xiàn)弱對流區(qū)。從孟加拉灣到西太平洋區(qū)域，熱帶大氣環(huán)流形勢不利于形成中國大范圍的降水，圖2b里我國大部分地區(qū)確實無明顯的降水，只有華南沿海部分地區(qū)出現(xiàn)明顯的降水現(xiàn)象，主要是東亞副熱帶季風異常引起的降水。

在第二位相(亞洲熱帶夏季風涌活躍階段，圖2c、2d)時，阿拉伯海域上的對流活躍區(qū)隨低頻氣旋向東向北移動，進入孟加拉灣北部區(qū)域，而來自南半球的澳大利亞越赤道氣流與索馬里越赤道氣流在孟加拉灣海域匯合，使得西風異常加強并向東移，受孟加拉灣低頻氣旋發(fā)展的影響，異常西風東傳到中南半島后分成兩支：一支隨孟加拉灣低頻氣旋東側繼續(xù)北上，形成南亞夏季風涌，在95～105°E附近區(qū)域可傳播至25°N以北地區(qū)；另一支異常西風氣流繼續(xù)東傳進入南海及以東的西太平洋海域，導致赤道西太平洋上對流加強，南海上空低頻氣旋發(fā)展，南海季風槽加深，西南氣流異常占據(jù)整個南海，并與東退的低頻反氣旋西側的東南氣流匯合北上，形成南海夏季風涌，在110～120°E區(qū)域內北傳到30°N附近地區(qū)，這一支季風ISO的經緯向接力傳播路徑在前人的研究中已有很好的揭示[23,44]。東亞地區(qū)經向上的低頻“PJ”波列清晰，南海附近區(qū)域呈低頻氣旋，日本以南洋面上形成低頻反氣旋，由南向北呈“氣旋-反氣旋”波列結構，有利于南海夏季風涌的傳播，有利于暖濕氣流向北輸送。圖2d里我國華南、西南區(qū)域降水明顯增加，南海夏季風涌與中高緯南下的偏北異常氣流在福建、兩廣一帶匯合，降水中心從華南沿海一帶向北移到長江以南區(qū)域，而南亞夏季風涌和偏北異常氣流在貴州、云南附近區(qū)域相匯，造成西南區(qū)域降水的增加。

在第三位相(亞洲熱帶夏季風涌減弱階段，圖2e、2f)時，索馬里越赤道氣流異常減弱，轉為低頻偏北氣流向南半球傳播，而澳大利亞越赤道氣流減弱并維持，孟加拉灣與南海低頻氣旋消亡，南亞季風槽和南海季風槽同時減弱，熱帶太平洋區(qū)的低頻氣旋消減，東亞低頻“PJ”波列減弱，大氣低頻環(huán)流場與第一位相(亞洲熱帶夏季風涌活躍階段)基本相反。圖2f顯示降水中心也從長江以南流域向北移到長江中下游地區(qū)，而華南地區(qū)降水停歇。

在第四位相(亞洲熱帶夏季風涌間歇階段，圖2g、2h)時，越赤道異常氣流消亡，10°N以南區(qū)域轉為東風異常區(qū)，孟加拉灣和南海季風區(qū)均由低頻氣旋轉為低頻反氣旋，南亞和南海夏季風涌進入間歇期。大氣環(huán)流形勢與第二位相(亞洲熱帶夏季風涌活躍階段)基本相反。受西太平洋副熱帶低頻反氣旋異常的影響，中國東部被異常南風控制，促使低緯水汽向更北的東北及日本南部地區(qū)輸送。因此，降水異常中心帶也向北移動，達到華北-朝鮮半島一帶。亞洲熱帶夏季風涌完成了一個完整的北傳周期。

圖2 1979—2020年氣候平均夏季亞洲區(qū)域850 hPa低頻風場(單位：m/s)和低頻OLR場(單位：W/m2)

在亞洲熱帶夏季風涌(發(fā)展-活躍-減弱-間歇)的不同階段中，大氣環(huán)流850 hPa低頻風場和低頻OLR場上經緯向傳播接力過程清晰，這種經緯向的接力在亞洲熱帶夏季風CISO指數(shù)剖面圖上亦能清晰看到。圖3是1979—2020年逐日氣候平均亞洲熱帶夏季風CISO指數(shù)經度-緯度-時間的綜合剖面圖。圖3a由四副圖拼接組成，縱坐標為時間軸。左起第1幅圖是印度洋片區(qū)熱帶夏季風CISO沿15°N的經度-時間剖面，圖中亞洲熱帶夏季風ISO隨時間向東傳播；第2幅圖為沿97.5°E的緯度-時間剖面，顯示出亞洲熱帶夏季風CISO沿孟加拉灣東部至青藏高原東麓的北傳；第3幅為沿30°N的經度-時間剖面，為亞洲熱帶夏季風CISO在30°N的東傳；第4幅為沿112.5°E的緯度-時間剖面，表現(xiàn)的是亞洲熱帶夏季風CISO在我國東部地區(qū)的東傳和北傳。圖中粗實線左起第1條表示97.5°E，15°N交匯界面，第2條表示97.5°E，30°N交匯界面，第3條表示112.5°E，30°N交匯界面。

圖3a中，亞洲熱帶夏季風CISO正值中心從低緯印度洋隨時間向東傳，約10 d傳到孟加拉灣-中南半島西岸附近，并促使當?shù)丶撅LISO發(fā)展，進而使得亞洲熱帶夏季風ISO不僅繼續(xù)東傳，還出現(xiàn)北傳，沿孟加拉灣東部區(qū)域CISO向北傳播，最高北界可傳到30°N青藏高原北部地區(qū)。隨著CISO北上能量的減弱及中緯度低頻西風的加強，30°N區(qū)域夏季風CISO緯向傳播顯著，向東傳播10 d左右可達中國東部112.5°E附近區(qū)域，與南海北傳過來的季風涌匯合，并繼續(xù)向北傳到35°N附近地區(qū)。

圖3b中，亞洲熱帶夏季風CISO東傳至南海，并激發(fā)南海熱帶夏季風CISO北傳。它由2副圖組成，左圖是亞洲熱帶夏季風CISO沿10°N的經度-時間剖面；右圖為亞洲熱帶夏季風CISO沿115°E的緯度-時間剖面，中間的粗實線表示115°E，10°N交匯界面。圖中，亞洲熱帶夏季風CISO從低緯印度洋沿10°N附近向東移動，到達中南半島后繼續(xù)東移，進入南海熱帶區(qū)域，激發(fā)南海夏季風涌的發(fā)展并在115°E附近向北傳播至中國東部25°N附近區(qū)域，匯合來自于菲律賓向西傳播過來的東亞副夏季風CISO[22]后繼續(xù)向北移動到中國東部30°N附近區(qū)域，在這一區(qū)域與圖3a中青藏高原東麓北部地區(qū)東傳的南亞夏季風涌匯合，促使此區(qū)域的夏季風CISO加強并向北移動到35°N以北地區(qū)，最高北界可達40°N。

綜合圖3a、3b，6月上旬亞洲熱帶夏季風涌在70°E附近開始形成，約10 d傳到中南半島西岸97.5°E附近，一支亞洲熱帶夏季風涌向北傳播，6月底—7月初傳到青藏高原東麓北部地區(qū)，匯入中緯度西風CISO后向東傳播，7月上旬傳到我國長江下游區(qū)域，與南海夏季風涌匯合繼續(xù)北傳，最北可達40°N，即我國東北、朝鮮一帶。另一支亞洲熱帶夏季風涌在低緯繼續(xù)東傳，6月中旬進入南海，激發(fā)南海熱帶夏季風涌活躍，6月底傳到我國華南地區(qū)，匯入西傳來的東亞副熱帶CISO，并繼續(xù)北傳。整個亞洲熱帶夏季風涌的演變過程中存在2條路徑上的經緯向的相互補充，南亞夏季風涌和南海夏季風涌7月上旬在我國長江中下游匯合繼續(xù)北上，從而使得我國降水中心由南向北移動。

圖3 1979—2020年逐日氣候平均亞洲夏季風指數(shù)CISO經度-緯度-時間綜合圖

5 總結和討論

本文探討了亞洲熱帶夏季風涌的傳播過程及與我國南方夏季降水間的聯(lián)系，重點揭示了亞洲熱帶夏季風涌的傳播路徑以及對相關區(qū)域降水分布的影響。

(1)亞洲熱帶夏季風指數(shù)(TSMI)的功率譜分析表明氣候態(tài)夏季TSMI具有顯著的30～60天振蕩特征(CISO)，通過濾波后得到在整個雨季(4—10月)里，主汛期(6—8月)TSMI的CISO最活躍。因此，夏季亞洲熱帶夏季風CISO活動是亞洲夏季風活動的主要特征。

(2)亞洲熱帶夏季風涌的演變可分為發(fā)展-活躍-減弱-間歇4個階段。850 hPa低頻風場和低頻OLR場顯示，亞洲熱帶夏季風涌發(fā)展階段，印度洋區(qū)域低頻氣旋與對流活躍，孟加拉灣和南海熱帶區(qū)域是低頻東風控制，我國大部分地區(qū)無降水發(fā)生，降水中心位于兩廣地區(qū)；當進入亞洲熱帶夏季風涌活躍階段，孟加拉灣和南海熱帶地區(qū)低頻氣旋和對流活躍，東亞低頻“PJ”波列顯著，我國降水中心北移到長江以南附近區(qū)域；亞洲熱帶夏季風涌減弱階段，孟加拉灣與南海低頻氣旋消亡，對流減弱，低頻西風加強，日本南部附近低頻反氣旋明顯，我國長江中下游低頻南風活躍，降水中心也北移到長江中下游地區(qū)，而華南地區(qū)已無降水，此位相期間的大氣低頻環(huán)流場與亞洲熱帶夏季風涌發(fā)展階段基本相反；亞洲熱帶夏季風涌間歇階段，孟加拉灣和南海熱帶地區(qū)低頻反氣旋活躍，對流不顯著，日本南部附近的低頻反氣旋北移減弱，我國東部基本在低頻南風的控制下，降水中心也逐步北移到華北-朝鮮半島一帶，此時的大氣低頻環(huán)流場與亞洲季風涌活躍階段基本相反。

(3)亞洲熱帶夏季風涌由南亞夏季風涌和南海夏季風涌組成。6月上旬亞洲熱帶夏季風CISO在70°E附近開始形成，約10 d傳到中南半島西岸97.5°E附近，經向上會激發(fā)南亞夏季風涌，緯向上一部分繼續(xù)東傳，6月中旬進入南海熱帶區(qū)域，激發(fā)南海夏季風涌。6月底—7月初南亞夏季風涌傳到青藏高原東麓北部地區(qū)，匯入中緯度西風CISO中向東傳播，而南海夏季風涌會傳到我國華南地區(qū)，匯入西傳來的東亞副熱帶CISO，繼續(xù)北傳。7月上旬南亞夏季風涌傳到我國長江下游區(qū)域，與南海夏季風涌匯合繼續(xù)北傳，可達40°N即我國東北、朝鮮一帶。整個夏季風涌的傳播過程中存在2條路徑上經緯向的相互補充，南亞夏季風涌和南海夏季風涌7月上旬在我國長江中下游匯合繼續(xù)北上，使得我國降水中心也繼續(xù)由南向北移動。

本文重點分析的是氣候平均狀態(tài)下亞洲熱帶夏季風涌的一個完整的周期傳播過程，南亞夏季風涌和南海夏季風涌傳播特征清晰，關于南海夏季風涌的傳播機理已有揭示，但對于南亞夏季風涌的傳播仍沒有定論，在它的傳播路徑中，如何北上達到青藏高原北部地區(qū)？亞洲熱帶夏季風涌的年際變化如何？這些問題我們將在另外的論文中詳細討論。