春季對流層上層經向熱力差與南海夏季風爆發的關系

摘 要：利用1970—2023年ERA5逐日再分析資料，采用統計方法研究春季對流層上層經向熱力差與南海夏季風爆發的關系，構建經向熱力差指數和爆發指數。研究發現春季對流層上層熱力差由負轉正時間位于3月下旬至5月上旬，南海夏季風爆發時間集中在5月中下旬，兩者呈顯著正相關（相關系數0.67）。夏季風偏早，年季風環流偏強；夏季風偏晚，年季風環流則偏弱。分析其原因可能是青藏高原熱源強度偏弱，導致高原上反氣旋環流建立推遲，從而抑制了低空西南季風氣流北上，最終影響南海夏季風爆發時間。

關鍵詞：春季對流層上層經向熱力差；南海夏季風；爆發時間；高壓環流；相關性

中圖分類號：P425.4 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

季風是指近地面層冬、夏季盛行風向接近相反且氣候特征（主要指降水）明顯不同的現象。世界上主要的季風區有西非季風區和亞澳季風區，而亞洲季風（包括南亞季風和東亞季風）活動異常對當地的天氣、氣候和生存環境影響極大[1]。南海夏季風是東亞季風系統的重要組成部分，其演變規律對東亞地區氣候、生態及社會經濟活動都有很大影響。20世紀末的南海季風試驗結果填補了東南亞季風研究的空白，試驗表明南海是比南亞更為典型的熱帶季風區[2]。南海夏季風一般在5月中后期在中南半島—南海區域爆發[3]，并且以降水的突然增加為標志。不同于印度夏季風，南海夏季風爆發過程迅速，季風建立后風向突轉，其爆發時間的年際變異更大[4]。由于南海夏季風爆發標志著東亞夏季風來臨和中國東部主汛期的開始，因此影響南海夏季風爆發的相關研究備受關注[5]。許多學者分別從不同的角度研究影響南海夏季風爆發的因素，如從海陸熱力差異、大氣季節內振蕩、海溫、中緯度天氣系統、青藏高原大地形的加熱和強迫作用，以及中南半島感熱等角度進行研究[6-12]。

亞洲和毗鄰海域的熱力差是影響南海夏季風爆發時間年際變異的關鍵因子。作為世界“第三極”的青藏高原，平均海拔超4 000 m，其春夏季熱源作用是驅動高原及周邊大氣環流的根本因素。位于青藏高原南側的印度洋，海溫常年較高，其熱力狀況通過季風環流影響我國氣候。青藏高原和熱帶印度洋的氣溫在春夏季形成強烈對比，尤其是在對流層高層。然而，關于對流層上層青藏高原—熱帶印度洋（Tibetan Plateau-Tropical Indian Ocean，TP-TIO）熱力對比與南海夏季風爆發的研究較少。由于春季TP-TIO經向熱力差存在由負轉正的特征，因此，探討春季對流層上層經向熱力差由負轉正時間和南海夏季風爆發時間及其強度的關系，進一步通過爆發早晚的環流場、水汽場、降水場及對流層上層熱力差場等要素的合成，分析其物理機制。通過分析再分析資料發現，春季TP-TIO經向熱力差轉變時間與南海夏季風爆發關系密切，有必要進一步探究其相關性及其可能的物理機制。

1 數據和方法

1.1 數據

使用歐洲中期預報中心（European Centre for Medium-

Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大氣再分析

數據集（ERA5）逐小時數據，水平分辨率為0.25°×

0.25°，具體要素有400～200 hPa等壓面溫度。ERA5是由ECMWF開發的一種全球性氣候變化再分析數據庫產品，是由ECMWF的哥白尼氣候變化服務（C3S）生產的。ERA5收集了大量的全球氣象數據，包括溫度、濕度、風速和氣壓等要素指標，并將自身模型數據與來自世界各地的觀測數據結合起來，形成一個全球完整的、一致的數據集。ERA5數據的時間分辨率、水平分辨率高，能夠提供每小時級別的、在經度和緯度上分別間隔0.25°到0.1°的氣象數據，使得用戶可以更好地了解氣象現象的發展和趨勢，這在天氣預報、氣候研究、環境監測等領域的應用具有很大的價值。此外，ERA5數據經過多個質量控制和校正，確保了其數據的準確性、可靠性和精度。該產品獨特的網格設定方式和大氣層模擬等技術，使得其能夠提供更加詳細、精確的全球氣象數據，有利于相關人員更深入地探索全球氣候變化的趨勢和規律。因此該資料在氣候診斷、天氣過程分析中的應用較為廣泛[13-15]。

1.2 方法

1.2.1 對流層上層經向熱力差指數

構建青藏高原和熱帶印度洋對流層上層經向熱力差指數TIup，具體的計算公式為：

TIup=[TTP（28°N～38°N，75°E～103°E）-TTIO（15°S～5°N，60°E～100°E）]

400～200 hPa（1）

式（1）中，TTP（28°N～38°N，75°E～103°E）和TTIO（15°S～5°N，60°E～ 100°E）分別代表青藏高原和熱帶印度洋溫度的面積加權區域平均值，右下角標400～200 hPa表示平均，代表對流層上層。

1.2.2 南海夏季風爆發指數

南海夏季風爆發指數的定義很多，如從季風環流角度、溫濕角度、環流和溫濕結合的角度來定義[16]。參考黃少妮引用的基于環流角度定義南海夏季風爆發指數OSI，具體計算公式為：

OSI=u850（5°N～15°N，110°E～120°E）（2）

式（2）中，u850表示850 hPa的緯向風，u850（5°N～15°N，

110°E～120°E）表示南海區域850 hPa的緯向風的面積加權區域平均值，當OSI＞0，且四候中至少有三候達到指標，表示緯向西風建立，南海夏季風爆發。

1.2.3 合成分析

合成分析是對大氣平均狀態進行分析的方法。將符合某一條件的多個時刻的同一要素場進行平均，即得到合成場，也稱為大氣變量的條件平均場。

1.2.4 雙尾t檢驗

采用雙尾t檢驗對以上統計方法得到的結果，通過構造的統計量進行顯著性檢驗，顯著性水平為0.05。對相關系數采用雙尾t檢驗。關于合成分析和雙尾t檢驗的具體公式可參考黃嘉佑和李慶祥的研究[17]。

2 春季對流層上層經向熱力差與南海夏季風爆發的關系

從表1可以看出，初步得到由負轉正的時間位于4月下旬至5月上旬，最早于3月25日轉正，最晚于5月28日轉正，平均由負轉正時間為4月30日，標準差為17.25。南海夏季風最早爆發時間為4月14日，最晚爆發時間為6月11日，平均爆發時間為5月17日，標準差為11.91。從圖1可以看出轉正時間早，季風爆發時間早，反之，則季風爆發時間晚，兩者有很好的對應關系，2個指數的相關系數經計算可達0.67，通過了95%顯著性水平檢驗。

圖1" 春季對流層上層經向熱力差轉正時間與南海夏季風

爆發時間的關系

表1" 春季對流層上層經向熱力差轉正和南海夏季風爆發的時間

年份 由負轉正時間 南海夏季風爆發時間 年份 由負轉正時間 南海夏季風爆發時間

1970 4月25日 6月5日 1989 5月10日 5月17日

1971 4月15日 6月1日 1990 5月1日 5月20日

1972 5月6日 5月8日 1991 3月25日 5月20日

1973 5月5日 6月11日 1992 4月12日 5月8日

1974 5月15日 5月23日 1993 4月10日 5月7日

1975 5月16日 5月28日 1994 4月14日 5月11日

1976 5月23日 5月14日 1995 4月19日 5月16日

1977 5月28日 5月15日 1996 4月8日 5月8日

1978 5月13日 5月21日 1997 5月16日 5月25日

1979 5月9日 5月16日 1998 4月16日 5月13日

1980 5月5日 5月16日 1999 5月6日 5月19日

1981 5月11日 5月29日 2000 3月28日 5月1日

1982 5月20日 5月29日 2001 3月26日 4月14日

1983 5月19日 5月29日 2002 5月3日 5月22日

1984 5月8日 5月24日 2003 4月10日 5月5日

1985 5月9日 5月29日 2004 4月2日 4月21日

1986 4月25日 5月15日 2005 4月5日 5月1日

1987 5月21日 6月7日 2006 4月12日 5月9日

1988 5月12日 5月20日 2007 5月9日 5月10日

2008 5月10日 5月17日 2016 5月3日 5月20日

2009 5月10日 5月17日 2017 4月28日 5月16日

年份 由負轉正時間 南海夏季風爆發時間 年份 由負轉正時間 南海夏季風爆發時間

2010 5月18日 6月9日 2018 5月20日 6月2日

2011 4月29日 5月16日 2019 4月8日 4月30日

2012 5月24日 6月3日 2020 5月18日 6月6日

2013 4月5日 5月3日 2021 5月15日 5月20日

2014 4月26日 5月12日 2022 5月3日 5月15日

2015 4月16日 5月5日 2023 5月26日 5月14日

3 南海夏季風爆發的影響因素

選取南海夏季風爆發偏早年和偏晚年進行合成分析發現，南海夏季風爆發前后大氣環流存在顯著差異，夏季風爆發偏早，年大氣環流較強夏季風爆發偏晚，年大氣環流則偏弱。爆發偏早年低空流場顯示，夏季風爆發前，南海區域和華南沿海地區低空主要受東北風控制，爆發前夕，5°N～10°N之間的東風開始轉變為東南風，季風爆發當天，風向轉變為西南風，華南地區形成異常反氣旋，而在其沿海區域太平洋上形成異常氣旋性環流。在季風爆發后華南地區的異常反氣旋和海上的異常氣旋都向東移動，且范圍不斷擴大。高空流場顯示爆發前期，高空主要受到西北氣流影響，隨著時間推移風向轉為平直西風，夏季風爆發當天低緯地區5°N～10°N轉為南風，而高緯地區以西北氣流為主。季風爆發后隨著時間推移，主要受到東北氣流影響。爆發偏晚年季風環流較弱，爆發前夕主要受平直東風影響，且南海區域和華南及其沿海地區未出現異常環流。

青藏高原—熱帶印度洋春季上層經向熱力差異轉變與南海夏季風的爆發時間有密切關系。由于經向熱力差主要由青藏高原熱源主導，因此當經向熱力差由負轉正時間偏晚，說明青藏高原熱源強度較氣候態偏弱，不利于南亞高壓環流的建立，低空西南氣流偏弱，導致南海夏季風的爆發時間偏晚。

4 結論

采用ERA5再分析資料研究春季對流層上層青藏高原—熱帶印度洋經向熱力差與南海夏季風爆發的關系，研究發現經向熱力差由負轉正時間位于4月下旬至5月上旬，南海夏季風爆發時間集中在5月中下旬，

兩者呈顯著正相關（相關系數0.67）。季風爆發偏早，年季風環流偏強，反之則偏弱，其可能原因是經向熱力差由負轉正時間偏晚，青藏高原熱源強度較氣候態偏弱，不利于南亞高壓環流的建立，低空西南氣流偏弱導致南海夏季風的爆發時間偏晚。

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收稿日期：2024-06-12

基金項目：2021年廣東海洋大學博士科研啟動項目（060302032109）；廣東海洋大學創新創業訓練計劃項目（CXXL2023039）。

作者簡介：崔影（2002—），女，黑龍江綏化人，研究方向為大氣科學。#通信作者：羅小青，E-mail：luo_201709@126.com。