南海夏季風垂直結構的變化特征及其對中國東部降水的影響

陳彥偉，鞏遠發，姜潤

(成都信息工程大學大氣科學學院/高原大氣與環境四川省重點實驗室，四川 成都 610225)

1 引 言

我國位于典型的季風氣候區，季風對我國的天氣氣候具有顯著的影響，而南海是東亞夏季風爆發的源地，東亞夏季風先在南海地區爆發，而后才分別向西北和北方擴展[1]。因此，有關南海夏季風的研究歷來受到廣大氣象學家的重視。多年以來，氣象學者們利用不同的觀測資料從各種角度出發，對南海夏季風進行了大量的研究。從熱力學角度，陶詩言等[1]曾用季風降水的多寡定義南海夏季風爆發；江靜等[2]采用小波分析方法分析了南海地區降水的多時間層次和多空間層次結構，確定了南海夏季風爆發于5月中旬；陳隆勛等[3]利用OLR和TBB資料提出了一個指標，用以判斷南海夏季風爆發。從動力學角度，Wang等[4]用110～120°E，5～15°N區域平均的850 hPa的緯向風場U850來定義季風爆發;戴念軍等[5]利NCEP再分析850 hPa風場資料，從夏季風爆發到8月底結束，當緯向風速大于零時累加南海區域(105～120°E，5～20°N)各網格點的全風速值，再經標準化處理后的數值確定了1949—1998年南海夏季風強度指數；李崇銀等[6]認為基于南海夏季風環流的最基本特征，用對流層上下層的散度差來描寫南海夏季風既能同時考慮緯向風和經向風變化，又代表了其重要環流特征，具有較強的物理意義；賀海晏等[7]定義了一個風場和高度場相結合的綜合指數IWH，當IWH由負值轉變為正值，且緊隨正值第一候的間斷，即IWH為負值，不超過3候時，則取該正值第一候為南海熱帶季風建立時間，若間斷超過3候，則按照同樣原則考慮下一個正值候。從熱力學和動力學相結合的角度，吳尚森等[8]采用西南風分量和OLR相結合的方法定義南海夏季風強度指數；張秀芝等[9]利用風場、高度場以及OLR資料，將南海夏季風爆發定義為：850 hPa副熱帶高壓撤出南海，南海上空受西南風控制，同時必須滿足索馬里或70～95°E越赤道氣流存在；200 hPa高壓環流控制中南半島，中心位置到達17.0°N以北，南海處于東北氣流控制之下；南海上空大范圍深對流出現。此外，關于南海夏季風爆發的特征及其影響以及南海夏季風爆發的機制已經有大量的重要研究成果[10-23]。

綜上所述，關于南海夏季風的研究已經取得了一系列有意義的研究成果，但從中也可發現，目前關于南海夏季風的研究，主要是側重于南海夏季風的爆發、影響以及南海夏季風爆發機制等方面，南海夏季風也不僅是單純對流層低層風場的季節性變化，也還包括對流層高層風場的季節性變化，而關于南海夏季風垂直方向上的結構所做的研究比較少見，除朱偉軍等[24]曾提出南海夏季風的垂直結構具有風從上至下呈東北風-東南風-西南風分布外，表現出強烈的熱力差異，但是并沒有對這一特征進行深入的研究。

本文的研究目的是進一步分析南海夏季風垂直結構的變化特征，并探討南海夏季風垂直結構對中國夏季降水可能帶來的影響，為研究南海夏季風對中國天氣氣候的影響提供參考依據。

2 資料與方法

本文所使用資料為美國NCEP/NCAR再分析月平均資料，覆蓋時段為1979—2018年，包括緯向風、經向風、垂直速度，分辨率為2.5°×2.5°。降水資料為NOAA提供的全球逐日降水資料(已經處理為逐月降水資料)覆蓋時段為1979—2018年，水平分辨率為0.5°×0.5°。

研究方法主要有經驗正交函數展開(EOF)、合成分析、顯著性檢驗等方法。由于文章的目的主要是研究南海地區夏季低層西南風-高層東北風的季風環流垂直結構變化，因此基于圖1的氣候平均，不考慮赤道和20°N近地面附近的弱東風影響，選定的南海區域為110～120°E，5.0～17.5°N，夏季為6—9月的平均。

3 南海夏季風的氣候特征

3.1 南海夏季風的垂直結構

圖1是1979—2018年氣候平均的夏季緯向風、經向風及其矢量場沿110～120°E平均的垂直剖面圖，夏季南海緯向風(圖1a)在垂直方向上具有明顯的分布差異，以700～500 hPa為界，以下為西風，以上為東風；與此同時，夏季南海經向風(圖1b)也具有相似的分布特征，但南風向上伸展的層次較西風深厚，一直延伸到400～300 hPa之間。這清楚地表明，南海夏季風盛行時，除了對流層中層500～400 hPa之間為東南風過渡帶外，盛行風在對流層中從低層到上層主要呈西南風-東北風的季風環流垂直結構變化(圖1c)。實際上南海夏季風的這種垂直結構有顯著的年際變化。例如：2020年、2018年的夏季，低層緯向西風的平均高度可到400 hPa，而1998年、2010年等的夏季，低層緯向西風的平均高度在南海南部僅到850 hPa、南海北部也僅到700 hPa(圖略)。

通過上述的分析可知，南海夏季風具有明顯的垂直結構變化，下文將圍繞這一問題展開研究。

3.2 南海夏季風指標的選擇

季風區通常伴隨著盛行風向的轉變，因此，很多學者利用這一基本特征定義季風的爆發。為了研究南海夏季風的垂直結構變化特征，首先需要選擇合適的指標，圖2是南海夏季氣候平均的850 hPa和200 hPa風場圖。從圖2a可看到，孟加拉灣西部為一個明顯印度(南亞)季風槽，槽后的孟加拉灣為顯著的西南風，中南半島到南海南部則盛行西風，從中國廣西東南部(大致位于105°E，17.5°N)到南海南部(大致在120°E，5°N)出現了一個較明顯的西風轉為西南風的風速切變現象，即有較明顯的南海季風槽出現，揭示了南海熱帶季風的盛行；在西北太平洋海面上為反氣旋式的西太平洋副熱帶高壓，副高西南側的東南氣流在臺灣到菲律賓一帶與南海東部的西南氣流匯合進入華南沿岸，并向北推進到40°N附近。200 hPa上(圖2b)，整個亞洲地區被南亞高壓控制，在25°N以南地區，西太平洋副熱帶地區、中國南海和中南半島的孟加拉灣都盛行強大的東北風。

圖3是南海850 hPa高度上氣候平均的候平均緯向風(圖3a)和經向風(圖3b)隨時間變化圖，雖然南海夏季(31—54候)平均緯向風(圖3a)明顯要比平均經向風(圖3b)大，但兩者的風速都在同一個量級內，緯向風分量大致在2～7 m/s的區間范圍內，而經向風分量的分布區間為2～3 m/s，這說明在研究南海夏季風時，緯向風分量和經向風分量是同等重要的。

圖3 南海850 hPa氣候平均的候平均緯向風(a)和經向風(b)隨時間的變化

根據上文對南海大氣環流基本特征的分析，可知道南海夏季風盛行期間具有明顯的風向轉變，且緯向風分量和經向風分量同等重要，因此，本文在選擇南海夏季風指標時，可直接用南海區域的盛行風表示，但需要同時考慮到緯向風和經向風兩個分量。因此，本文參照了吳尚森等[8]定義的南海區域850 hPa月或季平均的西南風分量的計算方法，即Vsw=(u+v)/2，計算出南海區域每一層的平均西南風或東北風，并將之作為各層的南海夏季風強度，記為Is，利用各層的Is強度變化對南海夏季風的垂直結構特征進行分析研究。

4 南海夏季風垂直結構的時空演變特征及其對中國降水的影響

4.1 南海夏季風垂直結構的時空演變特征

圖4是南海1979—2018年逐年夏季Is強度(a)和Is強度距平(b)的時間-高度剖面圖。從圖4a中可發現，平均約在500 hPa高度層以上，南海區域為一致的東北風，200～150 hPa高度層以上為12～16 m/s的強風速區；500 hPa以下高度層盛行西南風，年際變化的幅度明顯；可看到一些年份，如1991年、2009年、2012年、2018年等，低層西南風和高層東北風之間的“0”風速等值線向上伸到500 hPa以上，這些年南海低層的西南風不僅深厚、而且風速大，相應的東北風帶則較淺??；而另一些年份，如1983年、1988年、1998年、2010年等，“0”風速等值線分別向下伸展到600 hPa和700 hPa附近，這些年份對應的南海夏季風低層的西南風相對淺薄、風速小，東北風帶則較深厚。

不僅如此，從圖4b可看到南海上下層的Is強度距平在某些年份是反號的，如1979、1980、1983、1988、1992、1995、1996、2007、2008年等，上層為正距平下層為負距平，表現為上層東北風和下層西南風同時減弱，南海上空季風環流弱；還有一些年份如1985、1986、1999、2005、2009、2012、2018年等，上層為負距平下層為正距平，表現為上層東北風和下層西南風同時增強，南海上空季風環流強；另外，一些年份則是上下層的距平有相同的符號，如1997年和2011年上下層為一致的正距平、2017年上下層為一致的負距平，分別表現為上層東北風減弱(增強)，下層西南風增強(減弱)。

綜合圖4的結果可看到，南海夏季風的垂直結構不僅有明顯的年際變化特征，其垂直結構的異常變化也有顯著的差異。

圖4 南海地區(110～120°E，5.0～17.5°N)1979—2018逐年夏季Is強度(a)及其距平(b)的時間-高度剖面圖

4.2 南海夏季風垂直結構分型

為了進一步分析南海夏季風的垂直結構變化的模態，我們對南海1979—2018年40年夏季對流層各層(1 000～100 hPa)盛行風進行了EOF分析。由圖5可見，前兩個主模態的累積方差貢獻率接近70%，能夠較好地反映南海夏季風垂直結構異常的主要變化特征。圖5a和圖5c分別是EOF分解第一模態對應的空間型EOF1及時間系數PC1，EOF1的方差貢獻高達49.6%，南海夏季風垂直結構以300 hPa層為界上下層之間呈現出“-+”的偶極型變化；結合EOF1的時間系數PC1及其9年滑動平均看，EOF1的年際變化特征明顯、年代際信號較弱。從圖5c的滑動平均曲線可看到，1979—1990年和2001—2005年兩個時間段的時間系數PC1對應正值，EOF1對應的空間型垂直結構表現為對流層高層東北風和低層西南風同時增強；相反，在1991—2000年和2006—2018年兩個時間段，時間系數PC1對應負值，EOF1對應的空間型垂直結構表現為高層東北風和低層西南風同時減弱；但PC1的滑動平均絕對值都非常小，最大不超過0.3個標準差，年代際變化信號非常弱。從年際尺度看，PC1的絕對值共有18年超過0.8個標準差、13年超過1個標準差，其中的2010年和2018年超過2個標準差，年際變化信號非常顯著。

圖5b和圖5d是EOF分解第二模態對應的空間型EOF2及其時間系數PC2，EOF2的方差貢獻率為18.9%。以南海上空上下層東北風和西南風為界，南海夏季風垂直結構第二模態EOF2可分為對流層低層和高層的不同變化，即對流層低層的上下層呈“+-”的垂直變化形態和對流層高層的上下層相反的“-+”的垂直變化形態，結合相應的時間系數PC2，EOF2具有明顯的年代際變化特征。從圖5d可看到，1979—2000年PC2的滑動平均為負值，最大值超過1個標準差，EOF2對應的垂直結構表現為對流層低層西南風是自下向上增強到減弱變化，對流層高層東北風的自下向上增強到減弱變化；反之，在2001—2018年PC2的滑動平均為正值，最大值達0.8個標準差以上，EOF2對應的垂直結構表現為對流層低層西南風自下向上的減弱到增強變化，對流層高層東北風自下向上的減弱到增強變化。

綜合南海夏季風垂直結構變化分析的EOF1和EOF2兩個主模態，第一垂直空間模態可細分為對流層低層西南風和高層東北風同時增強型和同時減弱型(后文簡稱“低層-高層同時增強”和“低層-高層同時減弱”)兩類垂直結構的變化，時間上以年際變化為主；第二垂直空間模態可細分為對流低層西南風強弱-對流層高層東北風強弱型和相反的對流層低層西南風弱強-對流層高層東北風弱強型(后文簡稱“低層強弱-高層強弱”和“低層弱強-高層弱強”)的兩類垂直結構變化，時間上以年代際變化為主。

由于EOF分解得到的PC1和PC2時間序列分別反映了第一模態型和第二模態型這兩個主模態隨時間的強弱演變特征，因此可選用PC1和PC2作為表征南海夏季風垂直結構變化分型的兩個指數。

4.3 南海夏季風垂直結構對中國東部夏季降水的影響

以往大多數研究南海夏季風對中國降水的影響多是從季風強弱年的角度進行分析。我們根據上文對南海夏季風垂直結構的分析可發現，即使同是季風強年或者弱年，其對應的南海夏季風垂直結構也是存在差異的，接下來我們將分析不同的南海夏季風垂直結構給中國東部夏季降水帶來的影響。

根據上一小節的分析，南海夏季風垂直結構的第一模態主要表現出年際變化特征，因此針對第一模態，主要研究它的年際變化特征對降水的影響。從圖5c中篩選出PC1超過正負1個標準差的年份為垂直結構異常典型年，得到“低層-高層同時增強”典型年有1982、1985、1994、1999、2012、2018年，共6年，“低層-高層同時減弱”典型年有1983、1988、1995、1996、1998、2010、2015年，共7年。南海夏季風垂直結構的第二模態具有明顯的年代際變化特征，因此，以圖5d中的9年滑動平均曲線為標準，選取1983—2000年以及2001—2014年兩個時間段，前期是“低層強弱-高層強弱”，后期是“低層弱強-高層弱強”，研究南海夏季風垂直結構第二模態年代際變化對降水的影響。利用上文挑選出來的典型年或時間段，對中國東部夏季降水進行合成分析。

圖5 1979—2018年南海夏季緯度-高度盛行風距平EOF分解

圖6是南海夏季風垂直結構呈第一模態型和第二模態型異常變化時，中國東部夏季降水距平差值合成圖。圖6a反映了南海夏季風垂直結構第一模態的年際變化特征對降水的影響。分析圖6a可知，我國的華南地區以及東北的大部分地區為降水距平的正差值區，說明當南海夏季風垂直結構呈“低層-高層同時增強”變化時，這些地區的降水增多，當南海夏季風垂直結構呈“低層-高層同時減弱”變化時，這些地區降水減少；相反，我國的長江中下游地區及其以北的江淮、黃淮、華北等地為主要的降水距平負差值區，說明當南海夏季風垂直結構呈“低層-高層同時增強”變化時，這些地區的降水減少，當南海夏季風垂直結構呈“低層-高層同時減弱”變化時，降水增多。其中，長江中下游地區及華南北部地區是通過0.10顯著性檢驗的主要區域。

圖6b是南海夏季風垂直結構第二模態型代表的兩類南海夏季風垂直結構型的中國東部夏季降水距平差值合成圖，反映了第二模態的年代際變化特征對降水的影響。從圖6b可知，我國江南一條窄帶(25～30°N)、內蒙古東部及東北的大部分地區為降水距平的負差值區，說明與“低層強弱-高層強弱”時段相比，“低層弱強-高層弱強”年在這些區域的降水異常偏少；與此同時，華南、長江流域以北的江漢、黃淮、華北南部等地是降水距平的正差值區，且大都通過了0.10的顯著性檢驗，與“低層強弱-高層強弱”年相比，當南海夏季風垂直結構呈“低層弱強-高層弱強”變化時，這些地區的降水增多。

圖6 第一模態和第二模態中國東部夏季降水距平差值合成圖(單位：mm)

5 南海夏季風垂直結構與亞洲-西太平洋地區環流場的聯系

前述分析結果表明，南海夏季風垂直結構的第一、第二模態對中國東部夏季降水的異常分布有顯著的影響，那么其內部存在什么物理機制呢？為了回答這個問題，我們分析了南海夏季風垂直結構變化對亞洲環流場的影響，以期能夠初步厘清其內在的物理聯系。

首先，我們分析南海夏季風垂直結構第一模態年際變化與亞洲-西太平洋大氣環流的聯系。圖7是第一模態“低層-高層同時增強”與“低層-高層同時減弱”的850 hPa和200 hPa風場合成的差值圖。從圖7a可看到，對流層低層850 hPa上，赤道上加里曼丹-南海、孟加拉灣、阿拉伯海的異常偏南越赤道氣流明顯增強，南亞到西太平洋低緯地區的孟加拉灣北部、南海北部-臺灣東南洋面是明顯的氣旋性環流差值中心，中緯度從中國華北到日本東部洋面是明顯的反氣旋性環流差值區，高緯度自貝加爾湖到中國東北北部是明顯的氣旋性切變差值區。對“低層-高層同時增強”年，受這些系統影響，我國長江流域及其以北的黃淮、華北等地區處于低緯度西太平洋氣旋性差值環流和中緯度日本以東洋面的反氣旋性差值環流之間的氣流輻散區，不利于降水產生；華南地區則是南海異常氣旋環流西北側的異常切變輻合區，有利于降水；東北地區是高緯度貝加爾湖氣旋性切變南側西北氣流與中緯度日本以東洋面反氣旋性切變北側的西南氣流的輻合區，為降水提供了有利條件。

在對流層高層200 hPa差值環流圖上(圖7b)，對“低層-高層同時增強”年，15°N以南的南海到澳大利亞北部是大范圍異常東北氣流，長江流域到日本南部洋面為異常氣旋環流，華北-東北到日本北部高緯度地區是異常反氣旋環流；結合低層850 hPa異常環流變化，南海低緯熱帶季風環流異常加強，長江流域低層輻散、高層輻合，其南北兩側的華南地區和華北東北地區是低層輻合、高層輻散，我國東部的這種低層-高層環流配置是華南降水異常偏多、長江流域降水偏少、北方降水偏多的重要原因之一。對“低層-高層同時減弱型”年，則相反。

圖7 風場在第一模態PC1正位相典型年(低層-高層同時增強)與負位相年(低層-高層同時減弱)的距平合成差值分布

接下來我們看南海夏季風垂直結構第二模態的年代際變化對亞洲-西太平洋環流及我國降水異常變化的影響。圖8是第二模態“低層弱強-高層弱強”與“低層強弱-高層強弱”的850 hPa和200 hPa風場合成的差。對“低層弱強-高層弱強”時段(PC2正位相)，對流層低層850 hPa的環流場差值圖可看到(圖8a)，我國東部從南到北，華南地區是受氣旋性差值環流的影響的輻合區，江南一帶處于來自西北太平洋的偏異常東北氣流和東南氣流的輻散區，長江中下游以北的江漢、江淮、黃淮及華北等地南部是東南氣流與北部異常反氣旋環流之間的輻合區，東北地區是反氣旋性差值環流中心的輻散區；對流層高層200 hPa環流圖上(圖8b)，華南地區位于中南半島北部異常氣旋環流和臺灣東部洋面異常氣旋之間的輻散區，江南一帶是異常氣旋環流北部的輻合帶，長江流域到華北地區則位于內蒙古北部地區異常反氣旋環流南部偏東氣流輻散區，東北地區為異常西北氣流和東北氣流的輻合區。低層與高層異常環流配合，我國東部地區自華南到東北，分別是低層輻合(輻散)、高層輻散(輻合)的有利于上升(下沉)運動的環流條件。對“低層強弱-高層強弱”時段(PC2負位相)，則相反。

圖8 風場在第二模態PC2正位相時段(低層弱強-高層弱強型)與負位相年(低層強弱-高層強弱型)的距平合成差值分布

前面分析了南海夏季風垂直結構前兩個模態中對流層低層和對流層高層的環流特征差異及其對中國降水的影響，接下來我們進一步從南海地區到我國東北的經向垂直剖面的差異看南海夏季風垂直結構變化與降水的聯系。圖9是兩個模態4種不同結構的南海夏季風沿110～120°E緯向平均垂直速度距平差的緯度-高度剖面。對第一模態的“低層-高層同時增強型”與“低層-高層同時減弱型”的差而言(圖9a)，從南海中部到華南地區(12～25°N)都是異常上升氣流，長江流域到華北則是大范圍的異常下沉氣流，45°N以北的東北地區又是異常上升運動，中國東部從南到北的這種“上升-下沉-上升”垂直速度差異的異常變化不僅與圖6a的降水差異有非常好的對應關系，也與圖7的低層-高層差值環流相匹配。對第二模態的“低層強弱-高層強弱”與“低層弱強-高層弱強”的垂直速度差(圖9b)，20°N以南的南海上空都為異常下沉氣流，20°N以北的華南、江南、江淮、華北和東北分別是異常上升、下沉、上升和下沉運動，也與圖6b的降水異常有非常好的對應關系。

圖9 垂直速度場沿110～120°E平均的距平差值高度-緯度分布圖(單位：10-2 Pa/s)

6 結論與討論

采用NCEP/NCAR再分析月平均資料和NOAA全球逐日降水資料，首先分析了南海夏季風的垂直結構時空變化特征，然后探討了南海夏季風垂直結構與中國降水的影響。

(1)南海夏季風的垂直結構有明顯的年際和年代際變化特征。EOF第一模態型主要表現為南海夏季風垂直結構的年際變化特征，可分為對流層低層西南風和對流層高層東北風同時增強(同時減弱)(簡稱“低層-高層同時增強”和“低層-高層同時減弱”)兩種典型結構變化；EOF第二模態主要表現為南海夏季風垂直結構的年代際變化，可分為對流低層西南風從下向上增強到減弱的變化-對流層高層東北風也是從下向上增強到減弱的變化、相反的對流層低層西南風減弱到增強-對流層高層東北風減弱到增強(簡稱“低層強弱-高層強弱”和“低層弱強-高層弱強”)的兩個不同年代(時段)的垂直結構變化。

(2)南海夏季風垂直結構對我國東部夏季降水有顯著的影響。南海夏季風呈“低層-高層同時增強”(“低層-高層同時減弱”)垂直結構時，長江中下游及黃淮地區降水減少(增多)，華南、東北地區降水增多(減少)；南海夏季風呈“低層弱強-高層弱強”(“低層強弱-高層強弱”)垂直結構時，華南、江淮地區降水增多(減少)，江南、東北地區降水減少(增多)。

(3)南海夏季風垂直結構是通過改變對流層低層、高層的環流異常變化來影響中國東部夏季降水的異常變化。對第一模態的垂直結構變化，在“低層-高層同時增強”典型年，南海低緯熱帶季風環流異常加強，長江流域低層輻散、高層輻合及異常下沉運動，其南側的華南地區和北側的東北地區是低層輻合、高層輻散和異常上升運動，這種低層-高層環流配置是華南降水異常偏多、長江流域降水偏少、北方降水偏多的重要原因之一；在“低層-高層同時減弱”年，則相反。第二模態的垂直結構變化也有類似的特征。

最后需要說明的是，本文僅通過EOF分析對南海夏季風垂直結構的變化特征進行了研究，并初步分析了相應的垂直結構變化對中國東部夏季降水異常變化的影響及相應的機制。對南海夏季風垂直結構的變化而言，還有很多問題需要研究，如南海夏季風第一模態垂直結構變化對500 hPa西太平洋副熱帶高壓有明顯的影響：在“低層-高層同時增強”年，西太平洋副熱帶高壓西脊點異常偏東、脊線偏北；在“低層-高層同時減弱”年，西太平洋副熱帶高壓西脊點異常偏西、脊線偏南。但是，南海夏季風第二模態的垂直結構變化對西太平洋副熱帶高壓的影響似乎又不大。這是什么原因？是需要進一步研究的問題。此外，海溫也是影響季風活動的重要因素之一[25-26]，而本文僅是研究了南海夏季風垂直結構變化跟大氣環流的關系，那么南海夏季風垂直結構的變化跟海溫之間是否也存在某種聯系?另外，南海夏季風通常屬于熱帶季風，南海夏季風垂直結構的變化對東亞副熱帶季風變化的影響也是值得深入研究的問題。