2021年南海夏季風爆發偏遲原因分析*

鄭 彬 谷德軍 林愛蘭 陳 靜 屈靜玄 朱 泳

中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所/廣東省區域數值天氣預報重點實驗室,廣州 510640

提 要: 通常年南海夏季風爆發偏早,但是2021年背景下南海夏季風于5月第6候爆發,較常年偏遲。利用NCEP/NCAR再分析資料,從熱帶海溫異常(SSTA)和季節內振蕩(ISO)北傳的角度來分析2021年南海夏季風爆發偏遲的原因。結果表明確實使春季的西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱西太副高)減弱,特別是4月之前;但是由于熱帶印度洋海溫在冬春季持續偏暖的背景下抵消了的影響,特別是在5月,的影響小于熱帶印度洋的作用,導致5月西太副高偏強,南海夏季風爆發偏遲。此外,受影響,4月西太副高偏弱,南海地區背景正壓南風偏弱,不利于南海地區赤道ISO的北傳,這與氣候態正好相反;隨著熱帶印度洋SSTA的影響越來越顯著,西太副高逐漸加強,直到5月下旬,背景正壓經向南風才擴展到10°N以南地區,導致2021年南海地區赤道ISO北傳偏遲,這也是2021年南海夏季風爆發偏遲的一個重要原因。熱帶印度洋和太平洋SSTA通過“競爭”共同對南海夏季風爆發產生影響,因此關注二者在冬春季的發展非常重要。

引 言

南海夏季風是影響中國降水的重要系統,其爆發預示著東亞夏季環流的發展。南海夏季風的活動不僅是華南雨季(前汛期)進入盛期的標志(謝炯光等,2008;陳隆勛等,2000),還會對東亞,甚至北半球的環流和天氣都產生重要影響。此外,作為東亞季風的重要組成部分,南海夏季風是連接印度/孟加拉灣季風、西北太平洋季風和東亞副熱帶季風的紐帶,其獨特的地理位置也越來越受世界各國的高度重視。因此,隨著社會經濟的發展,每年南海夏季風的爆發日期成為每年海洋和大氣領域都重點關注的內容之一。

南海夏季風爆發的研究比較豐富,影響因子主要包含外強迫作用和大氣內部動力熱力學過程(邵勰等,2014)。大氣內部過程包括熱帶季節內振蕩(ISO)(林愛蘭等,2016;李春暉等,2017),越赤道氣流(陶詩言等,1983;李崇銀和吳靜波,2002;高輝和薛峰,2006;Lin et al,2017;鮑媛媛,2021)和中高緯度系統(Chang and Chen,1995;溫之平等,2006;張立鳳等,2008;林愛蘭等,2010a;2010b)的影響。外強迫作用主要包含了海溫異常(SSTA)(毛江玉等,2000;陳雋和金祖輝,2001;梁衛等,2009;林愛蘭等,2013)和陸面過程的影響,而后者主要有青藏高原的動力熱力作用(Wu and Zhang,1998;陳雋和金祖輝,2001;邵慧和錢永甫,2001;簡茂球和羅會邦,2001;于樂江和胡敦欣,2008)和中南半島的作用(王世玉和錢永甫,2001;鄭彬和蒙偉光,2006;蒙偉光和鄭彬,2006)。此外,太陽活動周期變化(周群和陳文,2020)對南海夏季風的爆發也有一定的影響,但是最受關注的外強迫因子還是海溫,特別是ENSO海溫分布型對南海夏季風爆發影響的研究(陳雋和金祖輝,2001;溫之平等,2005;胡鵬和陳文,2018)。

1 資料與方法

本文使用的資料為NCEP/NCAR再分析(Kalnay et al, 1996)逐日等壓面的氣溫、比濕和水平風場,以及逐日下墊面溫度和大氣頂向外長波輻射(OLR)表面資料。其中等壓面資料的水平分辨率為2.5°×2.5°,表面資料為高斯格點。NCEP/NCAR資料氣候態取1981—2010年。

文中南海夏季風區域定義為5°～20°N、105°～120°E。ISO取10～60 d周期,利用11 d滑動平均值減去61 d滑動平均值得到ISO擾動,由61 d滑動平均計算得到背景場。另外,用垂直積分計算的正壓風場與垂直平均得到的結果非常相近(圖略),因此,為計算方便,本文采取垂直平均的計算方法。

2 分析結果

2.1 2021年南海夏季風爆發

梁建茵和吳尚森(2002)認為南海地區850 hPa平均緯向風大于零,西風主要源于熱帶低緯并持續5 d以上即標志著南海夏季風爆發。從氣候上來看,5月第4候(16—20日)時,南海夏季風區域低層850 hPa風場全面由東風轉為西風并持續(圖1c),表明氣候上的南海夏季風爆發日期為5月第4候。

圖1 (a,c) 氣候態和(b,d) 2021年的105°～120°E平均緯向風(填色和等值線)的演變(a,b)200 hPa,(c,d)850 hPaFig.1 Evolution of (a, c) climatology and (b, d) the 2021 zonal wind (colored and contour) averaged in 105°-120°E(a, b) 200 hPa, (c, d) 850 hPa

雖然200 hPa緯向平均風場顯示南海全區域是在5月 底轉為東風(圖1a),但是從區域平均來看,東風垂直切變也是從5月第4候開始(圖略)。因此從風場垂直切變(Zheng et al,2011)來看也有氣候的南海夏季風爆發日期為5月第4候的結論。

2.2 熱帶海溫異常的影響

圖3 (a)1950—2021年年合成的和(b)2021年的春季(MAM)海溫異常(填色)和500 hPa位勢高度異常(等值線,單位:gpm)Fig.3 SSTA (colored) and geopotential height anomaly (contour, unit: gpm) at 500 hPa in spring (MAM) for (a) composite of La years during 1950-2021 and (b) in 2021

圖4顯示2021年赤道印度洋SSTA與相關環流的演變?？梢钥吹?超前的反氣旋和高壓異常是MAM印度洋海盆尺度增暖的重要因子(圖4a,4b),而之后印度洋增暖的SSTA對西北太平洋反氣旋有顯著貢獻(圖4d～4f)。印度洋暖SSTA如何與西北太平洋反氣旋聯系在一起?從圖5可以看到,印度洋暖SSTA區有顯著的上升運動,而熱帶西北太平洋地區則是下沉運動。印度洋暖SSTA和西北太平洋反氣旋之間正是通過異常的緯向垂直環流相聯系,這與袁媛和李崇銀(2009)的結果是一致的。

注:陰影和綠色箭矢為通過0.05顯著性水平檢驗的區域,圖a～圖f分別為SSTA落后10 d到超前15 d。圖4 2021年MAM赤道印度洋(5°S～5°N、40°～100°E)SSTA與850 hPa風場的偏相關系數(箭矢),與高度場的偏相關系數(等值線)Fig.4 Partial correlation coefficients between the equatorial Indian Ocean (5°S-5°N, 40°-100°E) SSTA and the 850 hPa wind (vector) and height (contour) in MAM of 2021

注:陰影和綠色箭矢為通過0.05顯著性水平檢驗的區域,圖a～圖f分別為SSTA落后10 d到超前15 d。圖6 2021年MAM赤道西太平洋(5°S～10°N、140°～160°E)SSTA與850 hPa風場的偏相關系數(箭矢),與高度場的偏相關系數(等值線)Fig.6 Partial correlation coefficients between the equatorial Western Pacific (5°S-10°N, 140°-160°E) SSTA and the 850 hPa wind (vector) and height (contour) in MAM of 2021

2.3 ISO北傳的影響

已有許多研究指出ISO北傳對南海夏季風爆發有顯著作用(Zhou and Chan,2005;Zhou and Murtugudde,2014;Wang et al,2018),主要通過對流發展減弱西太副高,促使其東撤和熱帶西風向東推進。從圖7a可以看到,氣候態的10～60 d尺度的OLR從5月初開始北傳,對流中心在5月第4候左右傳到南海北部;而2021年的10～60 d尺度的OLR從5月16日左右才開始北傳,對流中心在5月底傳播到南海北部(圖7b)。是什么原因導致2021年ISO北傳偏遲,進而使南海夏季風爆發偏遲?

注:紅色箭頭表示10～60 d對流中心傳播方向。圖7 105°～120°E平均背景對流不穩定度(填色)和10～60 d濾波后OLR(等值線,單位:W·m-2)分布(a)氣候態,(b)2021年Fig.7 Background convective instability (colored) and 10-60 d filtering OLR (contour, unit: W·m-2) averaged in 105°-120°E(a) climatology, (b) in 2021

赤道地區的ISO對流向北傳播的機制已有很多研究,多是針對季風爆發后的北半球夏季ISO,但是總的來說ISO北傳主要歸因于大氣背景場的分布結構(DeMott et al,2013)。由于季風爆發前后的大氣環流背景差異,因此爆發前后的機制并不能等效。如爆發后的東風垂直切變機制(Wang and Xie,1997;Jiang et al,2004;Drbohlav and Wang,2005),在爆發前由于背景場是低層東風、高層西風,是西風垂直切變,不利于ISO北傳。Li et al(2013)提出了季風爆發前ISO北傳的背景對流不穩定度經向不對稱機制,這個機制的關鍵就是對流不穩定度的經向梯度,如果隨著緯度增大,對流不穩定度增大,則有利于ISO向北傳播。本文的對流不穩定度采用鄭彬等(2006)定義:

Δθse=θse|700 hPa-θse|925 hPa

式中θse為假相當位溫。當Δθse<0,為對流不穩定;反之則穩定。從圖7可以看到,2021年4—5月的對流不穩定度的分布與氣候態非常相似,最大的不穩定區域位于12.5°N。也就是說背景對流不穩定度機制僅僅在12.5°N以南區域有利于ISO北傳,并不能解釋季風爆發前ISO對流從赤道附近傳播到南海北部。

最近,有學者提出了季風爆發前ISO北傳的正壓渦度平流機制(Zheng and Huang,2019;Zheng et al,2019)。該機制的關鍵是背景正壓經向南風對ISO對流引起的正壓渦度正異常的平流輸送,導致了對流北部超前的正壓渦度正異常,從而有利于ISO向北傳播。從圖8a可以看到,氣候的背景正壓經向南風在4月初時幾乎覆蓋整個南海,隨著時間推移,背景正壓經向南風的范圍逐漸縮小,雖然5月上半月只有10°N以北的南海北部有背景正壓經向南風,但是結合背景對流不穩定度機制,季風爆發前的ISO依然可以向北傳播;而5月下半月時,背景正壓經向南風的范圍繼續縮小,南界在12.5°N附近,這時南海主要由背景斜壓經向風所控制,爆發前的機制已經不適用ISO向北傳播到南海北部。而2021年背景正壓經向南風雖然逐漸向南擴張,但是在5月上旬之前一直在15°N以北(圖8b),即使結合背景對流不穩定度機制也不能有效地促使赤道地區對流向整個南海傳播。一直到5月中下旬,背景正壓經向南風擴展到12.5°N以南,有利于ISO向北傳播到南海北部。

注:圖c和圖d中橫坐標的零值代表南海夏季風爆發日期,負值代表南海夏季風爆發之前,正值代表之后;紅色箭頭表示10～60 d對流中心傳播方向。圖8 105°～120°E 平均的850～200 hPa(a,b,d)背景正壓經向風(填色和等值線),(c)對流不穩定度(填色)和10～60 d OLR(等值線,單位:W·m-2)分布(a)氣候態,(b)2021年,年合成Fig.8 (a, b, d) Background barotropic meridional wind (colored and contour) averaged in 105°-120°E and 850-200 hPa, (c) convective instability (colored) and 10-60 d filtering OLR (contour, unit: W·m-2)(a) climatology, (b) in 2021, (c, d) composite of La years

正是由于2021年背景正壓經向風演變與氣候態的差異,使得ISO在5月中旬之前不能向北傳播到南海北部,延緩了南海夏季風的爆發。而背景正壓經向南風是由高層南亞高壓和低層西太副高決定的。季風爆發前的4月,南海地區主要受南亞高壓和西太副高西側控制,因此,南海大部分地區有正壓南風,隨著南亞高壓西移北推和西太副高的東撤,正壓南風范圍逐漸減小(圖8a)。

注:紅線為500 hPa的5880 gpm等值線。圖9 (a,c)氣候態,(b,d)2021年的(a,b)5月和(c,d)4月850～200 hPa平均水平正壓風場(風矢)與200 hPa位勢高度(等值線,單位:gpm)分布Fig.9 The distribution of barotropic horizontal wind (vector) averaged in 850-200 hPa and geopotential height (contour, unit: gpm) at 200 hPa in (a, b) May and (c, d) April (a, c) climatology, (b, d) in 2021

圖10 2021年4—5月區域平均背景SSTA區域(5°S～5°N、120°～170°W),(b)赤道印度洋(5°S～5°N、40°～100°E)Fig.10 Background SSTA in April and May 2021 (b) equatorial Indian Ocean (5°S-5°N, 40°-100°E)

進行調制加強。

圖11給出了印度洋-太平洋SSTA聯合模態相關的環流演變,可以看到,在0 d時,西北太平洋有異常氣旋,而+5 d時異常氣旋減弱,之后的異常反氣旋逐漸加強,變得越來越顯著。這進一步表明印度洋SSTA在“競爭”中逐漸占優,導致5月西北太平洋異常反氣旋的加強(西太副高的增強)和南海夏季風的偏遲爆發。另一方面,逐漸加強的西太副高使5月南海地區的背景正壓南風也慢慢增強,5月下旬時擴展到10°N以南地區,引導了ISO的北傳,最終導致南海夏季風在5月底爆發。

注:陰影和綠色箭矢為通過0.05顯著性水平檢驗的區域,圖a～圖d分別為SSTA超前0～15 d。圖11 2021年MAM印度洋-太平洋聯合模態指數與850 hPa風場的相關系數(箭矢),與高度場的相關系數(等值線)Fig.11 Correlation coefficients between the joint mode index of the Pacific-Indian Ocean SSTA and the 850 hPa wind and height in MAM of 2021

3 結論與討論

(1)2021年冬春季的熱帶太平洋海溫異常(熱帶中東太平洋偏冷,熱帶西北太平洋偏暖)確實使西太副高減弱,但是由于熱帶印度洋海溫持續偏暖,抵消了這種減弱效應。隨著熱帶太平洋海溫異常減弱,熱帶印度洋海溫異常對西太副高的作用越來越大,到2021年5月,則以熱帶印度洋海溫異常控制為主,導致西太副高偏強,南海夏季風爆發偏遲。

(2)2021年南海地區赤道ISO北傳偏遲也是南海夏季風爆發晚的一個重要因素。主要過程是4月西太副高偏弱引起正壓南風減弱,從而不支持ISO向北傳播;之后隨著熱帶印度洋海溫異常的影響逐漸增大,南海地區正壓南風也逐漸增強,5月下旬時擴展到10°N以南地區,有利于ISO北傳。

熱帶印度洋和太平洋SSTA都會對南海夏季風爆發產生影響,二者通過“競爭”或者共同作用可能會對南海夏季風爆發產生不同影響,因此關注二者在冬春季的發展非常重要。此外,ISO北傳對南海夏季風的爆發也非常重要,但其本身受背景場的影響,而背景場通常與外強迫(如海溫異常)有聯系。實際上,ISO和海溫的確存在相互作用過程。例如,Kemball-Cook and Wang(2001)提出一個海溫對ISO北傳的影響機制,而之后Jiang et al(2004)和Gao et al(2019)研究發現,海溫通過調制表面潛熱和感熱通量,可以對ISO北傳做出貢獻(最大達到約20%),但是總的來說海溫對ISO北傳有調制作用,但并不是關鍵因子;而ISO通過影響表面潛熱通量,也會進一步影響局地海溫(Kemball-Cook and Wang,2001),而且亞澳季風區ISO通過大氣橋能夠影響赤道中東太平洋海溫(李崇銀和周亞萍,1994;李崇銀和李桂龍,1999),但是ISO對ENSO也僅僅有調制作用,而不是決定作用。因此,總體來看,ISO和海溫異常雖然有相互作用,但是并不是決定因素,因此本研究中我們將二者分別討論。