地球物理学报  2013, Vol. 56 Issue (2): 383-391   PDF    
南海夏季风爆发与南大洋海温变化之间的联系
林爱兰1 , 谷德军1 , 郑彬1 , 李春晖1 , 纪忠萍2     
1. 中国气象局广州热带海洋气象研究所/热带季风重点开放实验室, 广州 510080;
2. 广州中心气象台, 广州 510080
摘要: 利用1979-2009年NCEP第二套大气再分析资料和ERSST海温资料, 分析南海夏季风爆发时间的年际和年代际变化特征, 考察南海夏季风爆发早晚与南大洋海温之间的联系.主要结果为:(1)南海夏季风爆发时间年际和年代际变化明显, 1979-1993年与1994-2009年前后两个阶段爆发时间存在阶段性突变; (2)南海夏季风爆发时间与前期冬季(12-1月)印度洋-南大洋(0-80°E, 75°S-50°S)海温、春季(2-3月)太平洋-南大洋(170°E -80°W, 75°S-50°S)海温都存在正相关关系, 当前期冬、春季南大洋海温偏低(高)时, 南海夏季风爆发偏早(晚).南大洋海温信号, 无论是年际还是年代际变化, 都对南海夏季风爆发具有一定的预测指示作用; (3)南大洋海温异常通过海气相互作用和大气遥相关影响南海夏季风爆发的迟早.当南大洋海温异常偏低(偏高)时, 冬季南极涛动偏强(偏弱), 同时通过遥相关作用使热带印度洋-西太平洋地区位势高度偏低(偏高)、纬向风加强(减弱), 热带大气这种环流异常一直维持到春季4、5月份, 位势高度和纬向风异常范围逐步向北扩展并伴随索马里越赤道气流的加强(减弱), 从而为南海夏季风爆发偏早(偏晚)提供有利的环流条件.初步分析认为, 热带大气环流对南大洋海气相互作用的遥响应与半球际大气质量重新分布引起的南北涛动有关.
关键词: 南海夏季风      爆发      南大洋      海温     
Relationship between South China Sea summer monsoon onset and Southern Ocean sea surface temperature variation
LIN Ai-Lan1, GU De-Jun1, ZHENG Bin1, LI Chun-Hui1, JI Zhong-Ping2     
1. Institute of Tropical and Marine Meteorology/Key Open Laboratory for Tropical Monsoon, China Meteorological Administration, Guangzhou 510080, China;
2. Guangzhou Central Meteorological Observatory, Guangzhou 510080, China
Abstract: The interannual and interdecadal variability of South China Sea summer monsoon onset date is analyzed, and the relationship between the date and the Southern Ocean sea surface temperature is studied using the 31a (1979-2009) daily mean NCEP-DOE Reanalysis 2 and monthly extended reconstructed sea surface temperatures (ERSST.v2). It is shown that there is significant interannual and interdecadal variability in the monsoon onset date. The mean onset date shows a significant shift from 1979-1993 to 1994-2009. The onset date is positively correlated to Indian Ocean-Southern Ocean (0-80°E, 75°S-50°S) SST in preceding winter (Dec.-Jan.) and Pacific-Southern Ocean (170°E -80°W, 75°S-50°S) SST in preceding spring (Feb.-Mar.). The monsoon onset is earlier (later) when SST over Southern Ocean in preceding winter and spring is anomalously low (high). Thus the SST signal over Southern Ocean may be regarded as a predictor for the South China Sea summer monsoon onset. The SST anomaly over Southern Ocean may impact the South China Sea summer monsoon onset through air-sea interaction and atmospheric teleconnection. A strong (weak) ant-arctic oscillation (AAO) during a negative (positive) SST anomaly over Southern Ocean in boreal winter may remotely cause a negative (positive) geopotential height anomaly and a positive (negative) zonal wind anomaly in tropical Indian Ocean-western Pacific. The tropical circulation anomaly is maintained from the winter to April and May, and as a result the cross-equatorial low-level Somali jet from southern hemisphere to northern hemisphere is enhanced (weakened). These provide a favorable circulation condition for the early (late) onset of the South China Sea summer monsoon. The inter-hemispheric oscillation (IHO) resulted from the air mass redistribution contributes to the teleconnection between air-sea interaction over Southern Ocean and tropical monsoon circulation..
Key words: South China Sea summer monsoon      Onset      Southern Ocean      Sea surface temperature     
1 引言

我国地处东亚季风区, 季风变异对我国气候异常有重要影响.由于东亚季风的年际和年代际变化很大, 因此造成我国旱涝等重大气候灾害频繁发生[1]. Tao和Chen[2]首先指出亚洲季风最早在南海地区爆发, 后有研究认为亚洲季风最早在孟加拉湾、中南半岛附近爆发[3-5], 但针对东亚地区, 东亚夏季风首先在南海地区爆发, 这一点是无疑的.南海夏季风的爆发标志着东南亚与东亚夏季风的到来和雨季的开始[6].丁一汇和李崇银等[7-8]指出, 海-气界面的热量交换和前期海温是南海西南季风爆发早晚和强弱的重要强迫因子之一.毛江玉等[9]分析认为, 偏晚(早)年的SSTA分布呈El Nino(La Nina)型.赵永平等[10]对南亚至热带东印度洋海表温度距平主要特征向量场的分析表明, 当以苏门答腊为中心的热带海温偏暖(冷)时, 南海夏季风往往爆发较迟(早).梁建茵等[11-12]观测分析和数值模拟结果都表明, 西太平洋正(负)海温异常与中太平洋负(正)海温异常分布型有利于南海夏季风偏早(晚).黄荣辉等[13]研究表明, 春季热带西太平洋处于暖状态, 菲律宾周围对流活动强, 西太平洋副热带高压偏东, 南海为气旋性距平环流, 在热带印度洋和苏门答腊以西海域出现气旋对.这使得此海域盛行西风加强, 南海夏季风爆发早; 春季热带西太平洋处于冷状态, 则情况相反.梁肇宁等[14]研究认为, 季风爆发早晚与前期春季的印度洋海温异常也有联系.

相关研究都证明了海温异常与南海夏季风爆发早晚的密切关系, 但目前普遍关注热带海洋的影响.而中高纬度、特别是南大洋海温异常对南海夏季风的影响研究极少.实际上, 气象学家早就认识到用全球整体的观点研究大气环流变化和进行天气预报的重要性, 揭示了南北半球环流的相互作用对北半球季风、热带、副热带天气系统及台风活动影响的天气事实.陶诗言等[15]从天气分析的角度提出两半球间环流关系密切, 在东亚低纬经向环流的盛行期间, 南半球也盛行经向环流, 并且在澳洲附近从南半球向北半球的质量输送最强烈.杨修群等[16]、何金海等[17]以及徐祥德等[18]采用数值模拟研究南半球的马斯克林高压和澳大利亚高压系统的变化对两半球大气环流异常的影响.季风的爆发起源于南半球的越赤道气流[19]. Xue等[20]和曾庆存等[21]揭示了大气环流从春到夏的季节变化首先开始于南半球和平流层, 说明南半球环流变化在全球季节变化的重要性.南极涛动(AAO)是近年来得到确认的南半球中高纬大气环流主要的气候变率模态, 又称为南半球中高纬大气环流的环状模, 它具有很强的纬向对称性和明显的正压结构, 从海平面气压场到对流层以及平流层低层都有反映, 同时有年代际、年际、季节内时间尺度变化, 是代表南半球中高纬大气环流变动的一个很好的指示因子[22].薛峰等研究表明[23], 春季AAO加强, 则马斯克林高压和澳大利亚高压加强, 夏季东亚长江流域至日本一带多雨; 并指出AAO是除ENSO之外, 能影响东亚夏季降水年际变化的强信号.范可和王会军[24-25]从观测分析和数值模拟试验研究表明, 南极涛动对北半球冬春季大气环流和东亚气候存在影响, 并发现南半球高纬海温异常能够强迫出南极涛动异常, 说明南极涛动变率的可预测性在一定程度上取决于南半球高纬(即南大洋)的海温异常.综合现有研究表明, 东亚季风系统与南半球大气环流密切联系, AAO对南半球中高纬大气环流变化有很好的代表作用, 而AAO与南大洋海气相互作用紧密相关.由此引发我们的思考:南大洋海温异常引起的海气相互作用对南海夏季风爆发是否存在影响?这方面研究将有助于加深认识夏季风爆发机理, 也有可能提供南海夏季风爆发年际变化预测因子.本文将分析南海夏季风爆发时间的年际和年代际变化特征, 考察南海夏季风爆发早晚与南大洋海温之间的联系, 探讨海温异常影响南海夏季风爆发的可能途径.

2 资料与方法

本文所用大气多要素日平均资料来源于NCEP第二套大气在分析资料(NCEP-DOE Reanalysis 2)[26], 由每天4个时次平均计算日平均, 全球月平均海表温度来自NOAA的拓展重建海表温度资料(ERSST. v2)[27], 资料时段为1979年至2009年.

已有专家分析并比较了众多关于亚洲夏季风爆发的定义, 认为文献[11]所提出的南海夏季风爆发定义较合理[1].该文提出的南海季风爆发需要满足两个条件, 第一是南海地区平均纬向风速大于零, 第二是南海地区偏西风主要来源于孟加拉湾南部.其中第二条件主要是为了排除南支西风槽影响而形成的南海地区偏西风(春季常见这种情况), 但该条件基本靠人工分析判断.本文为了便于自动化计算处理, 基于以上文献将南海夏季风爆发定义修订为:当南海监测区域(105°E-120°E, 5°N-20°N)850hPa为西南风、200hPa为偏东风持续5天或5天以上, 则将第一天出现这种情况的日期定义为南海夏季风爆发日.其中"200hPa为偏东风"这一条件与文献[11]的"南海地区偏西风主要来源于孟加拉湾南部"有异曲同工之处, 都标志着西风带北收、热带气流北推这一特点.因此根据本文定义计算获得的每年季风爆发日期(表 1)与文献[11]基本一致, 1979-2009年平均爆发日为第136天, 即5月16日.

表 1 1979-2009年南海夏季风爆发日期 Table 1 Onset date of South China Sea summer monsoon during 1979-2009
3 南海夏季风爆发时间的变化及其与南大洋海温之间的联系

图 1可见, 南海夏季风爆发时间年际变化明显, 年际变化标准差为12天, 1979-2009年期间最早爆发年(2009年)与最迟年(1987年)相差55天.另外, 南海夏季风爆发时间年代际变化也较明显, 前期1979-1993年的平均爆发时间为第141天(即5月21日), 后期1994-2009年的平均爆发时间为第131天(即5月11日), 两个阶段平均值的统计t-检验值为2. 276, 超过α=0. 05显著性水平(t0. 05=2. 048), 说明1993/1994年前后爆发时间存在阶段性突变.

图 1 1979-2009年南海夏季风爆发日期的演变(纵坐标为爆发日在当年的排序, 从1月1日开始算起, 单位:天) Fig. 1 Variation of South China Sea summer monsoon onset date during 1979-2009 (the y-axis is the sequence number of monsoon onset from 1 January every year, Unit: day)

既然南海夏季风爆发时间变化明显, 因此有必要进一步寻找它的影响因素, 从而提高预测水平.考虑到过去已有不少关于热带海洋对季风爆发的影响研究, 这里重点考察南大洋的可能影响.根据爆发时间1个标准差, 从1979-2009年中选出了爆发偏早年5个(1984、1994、1999、2008、2009年)、偏迟年4个(1983、1987、1991、1993年).对这些爆发异常年份的前期各月海温距平(SSTA)进行合成分析, 发现南海夏季风爆发时间与前期冬季(12、1月)印度洋-南大洋区域、春季(2、3月)太平洋-南大洋区域存在密切的联系.夏季风爆发偏早年份, 前期12月和1月印度洋-南大洋区域(0°E-80°E, 75°S-50°S)海温偏低, 2月和3月太平洋-南大洋区域(170°E -80°W, 75°S-50°S)海温也偏低(图略).

从相关分析表明, 南海夏季风爆发时间与印度洋-南大洋12-1月平均海表温度、太平洋-南大洋2-3月平均海表温度都存在正相关(图 2).进一步证明当前期冬、春季南大洋海温偏低(高), 有利于南海夏季风爆发偏早(晚).另外, 用另一套海温资料(Hadley中心GISST)进行分析, 同样反映出以上信号区的存在(图略).

图 2 南海夏季风爆发时间分别与前期12-1月(a)和2-3月(b)平均海温距平之间的相关系数分布(阴影区为超过α=0. 05显著相关区域) Fig. 2 Coefficient distribution of correlation between South China Sea summer monsoon onset date and SSTA in prior December-January (a) and February-March (b). Shading indicates the 95% confidence level

将上述两个海温相关显著区分别求区域平均, 与南海夏季风爆发时间比较, 可以看出变化趋势相当一致(图 3), 说明南大洋海温变化大体可以作为季风爆发迟早的预测信号. 12-1月印度洋-南大洋海温距平(简称冬季信号)、2-3月太平洋-南大洋海温(简称春季信号)与季风爆发时间的相关系数分别为0. 72和0. 62.若将两个信号进行组合, 即计算冬季信号、春季信号的平均值并做标准化, 则南大洋组合信号与爆发时间的相关有所提高, 相关系数达到0. 76, 远超过α=0. 001显著性检验.值得一提的是, 南大洋海温信号在1993/1994年也存在从高到低的阶段性突变, 与南海夏季风爆发的年代际变化一致, 可见对年代际变化也有很好的指示作用.

图 3 南海夏季风爆发时间(黑色实线)与前期海温信号的标准化曲线其中"Southern W"代表 12-1月印度洋-南大洋海温信号, "SouthernS"代表 2-3月太平洋-南大洋海温信号, "Southern WS"代表南大洋冬春海温组合信号. Fig. 3 The standardization curves of South China Sea summer monsoon onset date (black solid line) and its prior SST signals 'Southern W' indicates winter Southern Ocean SST signal, 'Southern S'indicates spring Southern Ocean SST signal, and'Southern WS'indicates the composite Southern Ocean SST signal.
4 南大洋海温异常对大气环流的影响

为了理解南大洋海温变化影响南海夏季风爆发迟早的物理过程, 下面分析冬春季南大洋海温异常情况下, 同期和后期的大气环流特征.考虑到组合信号与季风爆发之间的相关比原信号(冬季信号或春季信号)更高, 因此下文主要依据组合信号进行分析.根据南大洋冬春海温组合信号变化曲线(图 3红色虚线)选出5个海温偏高年(1980、1983、1987、1992、1993年)和5个海温偏低年(1996、1999、2000、2008、2009年), 分别进行合成分析.

从850hPa位势高度距平合成场来看, 在南大洋冬春海温偏高(低)年份, 南大洋及南极区(60°S以南)为显著正(负)异常, 除东太平洋之外从南极至北半球低纬地区呈现出"正-负-正"("负-正-负")带状波列, 而东太平洋从南半球中纬度至北半球中纬度都为负距平, 这种分布形势从冬季持续到春季4、5月份(图 4).由于海温偏高、偏低年份, 大气环流异常趋势相反, 为节省篇幅文中仅给出差值分布图.海平面气压的异常分布(图略)与850hPa位势高度的异常分布类似.在对流层中高层(500hPa、200hPa), 上述带状分布更为清楚, 东太平洋也表现出与其它经度一致的异常分布, 遥相关波列纬向空间尺度基本扩展为整个地球纬圈(图略).南半球高纬度与中纬度位势高度场变化趋势相反, 并具有垂直正压结构特征, 这种异常分布反映了在南大洋海温偏高(低)年份, 南极涛动(AAO)偏弱(强).这一点与已有研究结果[25, 28]一致. AAO异常在冬季较明显, 春季有所削弱, 而热带地区的异常幅度冬春季差不多, 只是异常中心从赤道以南移向赤道以北.

图 4 南大洋冬春海温偏高年份与偏低年份850hPa位势高度合成差值场(单位: gpm)阴影区为超过α=0. 05显著相关区域. (a)12月、(b)1月、(c)2月、(d)3月、(e)4月、(f)5月. Fig. 4 Composite difference of 850hPa geopotential height fields (Unit: gpm) between positive and negative SST anomalous years over Southern Ocean Shading indicates the 95% confidence level. (a)-(f) corresponds to December-May respectively.

从850hPa流场看, 在南大洋冬春海温偏高(低)年份, 冬季南半球高纬65°S-50°S西风减弱(加强)、副热带西风加强(减弱), 这也是AAO偏弱(强)的表现; 赤道印度洋西风减弱(加强)、赤道太平洋西风加强(减弱), 说明Walker环流减弱(加强).从冬季到春季赤道印度洋纬向风异常逐渐向北、向西扩展, 到4、5月份, 北印度洋-南海-西太平洋大范围区域都为明显的东风异常(图 5).从图 5还可以看出, 索马里越赤道气流在4、5月份也明显减弱.

图 5 南大洋冬春海温偏高年份与偏低年份850hPa风速合成差值场(单位: m·s-1)图中矢量为风速, 阴影区(等值线)表示纬向风(经向风)差异t-检验超过α=0. 05显著性检验. (a)12月、(b)1月、(c)2月、(d)3月、(e)4月、(f)5月. Fig. 5 Composite difference of 850hPa wind fields (Unit: m/s) between positive and negative SST anomalous years over Southern Ocean Shading (contour) indicates the 95% confidence level of zonal (meridional) wind. (a)-(f) corresponds to December-May respectively.

以上分析表明, 南大洋海温异常偏低(偏高)时, 能引起大气AAO偏强(偏弱), AAO偏强(偏弱)通过遥相关作用造成热带印度洋-西太平洋地区位势高度偏低(偏高), 纬向风加强(减弱), 热带大气环流异常从冬季维持到春季并向北扩展.我们知道, 春季副热带高压带的断裂、大气低层由南向北越赤道气流的建立是亚洲夏季风爆发的前提条件, 热带西风向东扩展、副热带高压向东撤出南海是南海夏季风爆发的标志.因此, 在4、5月份, 若印度洋-南海-西太平洋热带地区位势高度偏低(偏高)、西风偏强(偏弱)、索马里越赤道气流偏强(偏弱), 则有利于(不利于)南海夏季风爆发.可见, 南大洋冬春海温异常偏低(偏高)所导致的大气环流异常, 为南海夏季风爆发偏早(偏晚)提供有利条件.

为什么南大洋海温异常偏低(偏高)能引起大气AAO偏强(偏弱)?数值模拟试验结果表明[25], 南半球高纬海温是影响AAO异常海温关键区, 两者之间的可能海气相互作用过程为:一方面海温的异常作为大气的边界强迫, 能够影响费雷尔大气环流和绕极低压带, 而绕极低压带和副热带之间的反位相变化出现了南极涛动异常, 随之出现高纬西风异常; 另一方面南极涛动的异常, 能够影响高纬西风异常, 进而影响有关海域海水的垂直混合和Ekman的漂流作用, 甚至海冰的漂移, 从而引起相应海域的海温变化[29-30].当然其物理机制还有待于进一步探讨.

以上分析初步形成这样的推测:当南大洋海温异常偏低(偏高)时, 冬季AAO偏强(偏弱), 同时通过遥相关作用使热带印度洋-西太平洋地区位势高度偏低(偏高)、纬向风加强(减弱), 热带大气这种环流异常一直维持到春季4、5月份, 位势高度和纬向风异常范围逐步向北扩展并伴随索马里越赤道气流的加强(减弱), 从而为南海夏季风爆发偏早(偏晚)提供有利环流条件. AAO影响北半球热带地区的遥相关机理是什么? Guan和Yamagata[31]利用地表气压资料进行EOF分析, 得到前三个模态分别是南极涛动(AAO)、北极涛动(AO)和南北涛动(IHO), 其中IHO揭示了南北半球之间因大气质量重新分布而形成的振荡.进一步研究表明[32], 地表气压主要模态实际上随季节变化, 冬季AAO、AO是主要模态, 而春季IHO信号强于AAO和AO, 是EOF分析的第一模态.统计夏季IHO对各纬圈大气质量分布的方差贡献率表明[33], 除对南极60°S-90°S范围贡献较高外, 对30°S-60°N区域的大气质量分布变化亦有较大影响. 图 6是冬春南大洋海温偏高年份与偏低年份之间, 春季4-5月平均850hPa位势高度的差异.该图显示出从南极至北极存在着沿南大洋-南太平洋-海洋大陆、南海和北印度洋-亚欧大陆的经向遥相关结构.孟加拉湾-南海至西太平洋地区正处于此经向遥相关波列的正变高区, 不利于副热带高压断裂和东退, 从而使夏季风爆发偏晚.以上遥相关波列走向与春季正负IHO指数对应的纬向风合成差图所反映的遥相关型(参见文献[34]中图 8)[34]相似.说明南大洋海气相互作用对春季4-5月份热带地区的影响与半球间大气质量重新分布引起的南北涛动有关, 由于IHO两半球中高纬地区的异常质量堆积, 产生经向气压梯度力, 半球间异常大气质量以遥相关形式进行交换补偿, 从而导致对亚洲热带季风活动产生影响.

图 6 南大洋冬春海温偏高年份与偏低年份4-5月平均全球850hPa位势高度合成差值场(单位: gpm) (阴影区为超过α=0. 05显著相关区域) Fig. 6 Composite difference of global 850hPa geopotential height field (Unit: gpm) averaged from April to May between positive and negative SST anomalous years over Southern Ocean. Shading indicates the 95% confidence level
5 结论与讨论

利用1979-2009年NCEP第二套大气再分析资料和ERSST海温资料, 分析了南海夏季风爆发早晚与南大洋海温之间的联系, 揭示了一些新的事实, 主要结论有:

(1) 南海夏季风爆发时间年际和年代际变化明显, 年际变化标准差达12天, 1979-1993年与1994-2009年前后两个阶段爆发时间存在阶段性突变.

(2) 南海夏季风爆发时间与前期冬季(12-1月)印度洋-南大洋(0-80°E, 75-50°S)海温、春季(2-3月)太平洋-南大洋(170°E -80°W, 75-50°S)海温都存在正相关关系, 当前期冬、春季南大洋海温偏低(高)时, 南海夏季风爆发偏早(晚).

(3) 基于以上冬春季的海温显著相关区组合的南大洋海温信号, 无论是年际还是年代际变化, 都对南海夏季风爆发具有一定的预测指示作用.

(4) 南大洋海温异常通过海气相互作用和大气遥相关影响南海夏季风爆发的迟早.当南大洋海温异常偏低(偏高)时, 冬季AAO偏强(偏弱), 同时通过遥相关作用使热带印度洋-西太平洋地区位势高度偏低(偏高)、纬向风加强(减弱), 热带大气这种环流异常一直维持到春季4、5月份, 位势高度和纬向风异常范围逐步向北扩展并伴随索马里越赤道气流的加强(减弱), 从而为南海夏季风爆发偏早(偏晚)提供有利环流条件.综合有关文献[31-34]初步分析认为, 南大洋海气相互作用与热带大气环流的遥相关、半球际大气质量重新分布引起的南北涛动(IHO)有关.

虽然本文获得了一些观测事实, 但还存在一些问题需要进一步研究.例如, AAO与热带大气遥相关的内在机制是什么?另外, 已有研究表明了南海夏季风爆发与热带西太平洋海洋热状况和对流的密切联系[12-13], 而南大洋海气相互作用与热带海洋存在何种关系, 也是需进一步研究的问题.

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