季风及其异常在全球环流及短期气候变化中的作用现巳被人们重视,中国处于东亚季风区,每年的天气气候变化很大程度上受季风的控制。近年来人们渐渐注意到冬季风在全球环流变化中的作用[1]以及对海温的影响[2]。孙淑清等[3, 4]提到江淮流域夏季旱涝天气可以追溯其前冬的天气形势,冬季风异常所带来的冷涌活动往往在热带西太平洋地区引起对流活动的变化,影响华东地区的热带气旋(TC)大多发生于西太平洋地区,且与海温和热带辐合带有很大的关系,因此冬季风的异常可能也会影响华东地区TC 频数。本文选取影响华东地区TC 偏多年与偏少年进行合成分析,对它们同期和前秋冬季的大气环流、OLR 和海表温度场特征进行了对比研究,从而说明冬季风活动对影响华东地区 TC 年频数异常有影响。
1 资 料1949~1996 年影响华东地区TC 年频数共380 个,年均频数7.9 个,年最多为14 个(1989 和1990 年),年最少为3 个(1993 年)。本文分析从1960 年起,规定凡影响华东地区TC 年频数在11 个或以上的年份为TC 偏多年,它们分别是1961、1964、1978、1985、1989、1990、1991 年,凡影响华东地区TC 年频数在5 个或以下的年份为TC 偏少年,它们分别是1963、1968、1972、1983、1992、1993 年,影响华东地区TC 年频数在6~10 个之间的年份为TC 正常年。
全年影响华东地区TC 年频数和台风季节7~9 月影响华东地区TC 年频数的相关系数为0.91,两者间存在较高的相关。因此台风季节7~9 月TC 偏多年和偏少年大气环流特征可代表影响华东地区TC 年频数异常同期大气环流特征。另外由于业务需要每年年底都要对下一年的华东地区TC 频数进行预测,为了得到较明显的特征,因此前期合成以月为单位。
对影响华东地区TC 偏多年和TC 偏少年合成分析所用的资料为NCEP 500 hPa 高度、1000 hPa 的风场和温度、JMA 海表温度月平均资料及NCAR OLR 月平均资料。
2 对流层中层大气环流特征在台风季节(7~9 月)影响华东地区TC 偏多年和偏少年的500 hPa 高度距平图上(见图 1),可见不同的环流特征:TC 偏多年极涡偏向北美一侧,中高纬度盛行纬向环流,西太平洋副高脊线位置偏北,热带辐合带向北推进,有利于TC 生成,并在副高南侧偏东气流引导下,较多地移近华东沿海,致使TC 频数偏多;反之,TC 偏少年极涡偏向亚欧大陆,中高纬度西风波动比较剧烈,盛行经向环流,副高平均脊线偏南,热带辐合带不活跃,不利于西太平洋上TC 生成,并使西太平洋TC 平均路径也偏南,因而较少移入华东沿海,造成TC 频数偏少。
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图 1. 台风季节(7~9 月)TC 偏多年(a)与偏少年(b)的500 hPa 高度距平图
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TC 偏多年与偏少年不同的环流特征在前秋冬季节(10~12 月)的500 hPa 各月高度距平图上就可看到,以10 月最为明显。这可能是因为每年10 月东亚大气环流发生突变,印度西南季风撤退,冬季风开始在长江流域建立引起500 hPa 高度距平图上有所反应的缘故,但随后不清楚了。图 2 为上一年10 月TC 偏多年与偏少年500 hPa 距平图,从图中可清楚看到TC 偏多年与偏少年前期环流特征:TC 偏多年前秋冬季节东亚地区高度距平从北到南呈“+ - +”型,20°~45°N 为正距平区,在平均东亚大槽区为正距平,东亚大槽弱而北缩,在平均乌拉尔山和鄂霍次克海阻高位置上为一大片负距平区,阻塞形势较弱(见图 2a),表示TC 偏多年前秋冬季节东亚地区中高纬度环流平直,冬季风弱;TC 偏少年前秋冬季节东亚地区高度距平分布与TC 偏多年相反(见图 2b),表示TC 偏少年前秋冬季节东亚地区中高纬度环流经向度大,冬季风强。
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图 2. 上一年10 月TC 偏多年(a)与偏少年(b)500 hPa 高度距平图
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3 低层风场、温度场特征
近年来研究发现,冬季风爆发后,冷空气主体在向南移动过程中形成自东亚沿岸经东海一直延伸到南海地区的强偏北风带,这种与高纬冷空气爆发相联系的低纬地区强北风过程,称为冷涌。亚洲及西太平洋地区的冷涌过程一般发生在700 hPa 以下的浅薄层内,以近地面最为明显。研究影响华东地区TC 偏多年与偏少年前秋冬季冷涌活动发现也有明显差别。从前秋冬季1000 hPa 的合成风场上(见图 3),可看到日本至菲律宾沿海一带地面TC 偏多年为偏北风,偏少年为弱的偏南风,菲律宾沿海至赤道一带120°~160°E 之间TC 偏多年为偏西风,偏少年为偏东风,说明TC 偏少年前秋冬季的冷涌强度强于TC偏多年。
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图 3. 上一年12 月TC 偏多年(a)与偏少年(b)1000 hPa 合成风场
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由于冬季风爆发过程还伴随着气温的下降,从温度距平图上可见TC 偏多年前秋冬季我国大陆沿岸至低纬为正距平,而TC 偏少年前秋冬季基本上为负距平,说明TC 偏少年比偏多年冬季风强,低纬冷涌活动明显(见图 4)。
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图 4. 上一年12 月TC 偏多年(a)与偏少年(b)1000 hPa 温度距平图
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4 热带对流活动的特征
人们在研究冬季风时已了解到,东亚冬季风爆发后侵入低纬海洋,可加强该处的对流性活动。本文用射出长波辐射(OLR)的强度来表示对流活动的强弱。从TC 偏多年和偏少年OLR 的各月距平图上可看到从冬季风开始在长江流域建立的10 月起就有明显特征:TC 偏多年没有明显的负距平区,表示对流不活跃;而TC 偏少年在热带太平洋上为一大片负距平区,表示低纬对流活跃(见图 5)。
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图 5. 上一年10 月TC 偏多年(a)和偏少年(b)OLR 距平图
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用OLR 合成图也可清楚反映台风季节TC 偏多年和偏少年赤道辐合带的情况,其中以5 月最为明显。从图 6(a)中可见,在10°~15°N,160°E 以西的太平洋上及印度洋上分别出现明显的负距平区,表示TC 偏多年赤道辐合带北抬至10°~15°N,有利TC 生成;而图 6(b)中可见代表对流活跃的负距平区仍维持在赤道附近,表示TC 偏少年赤道辐合带偏南,在10~25°N 间的西太平洋上出现明显的正距平区,那儿的下沉气流不利TC 生成。
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图 6. 5 月TC 偏多年(a)和偏少年(b)OLR 距平图
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5 SST 场特征
从逐月SST 的距平图上可见,TC 偏多年从前期秋冬季开始至当年7~9 月台风季节西北太平洋上基本为正距平,东亚大陆沿海地区更明显,表示那儿的SST 高,对应着我国大陆沿岸至低纬的1000 hPa 正温度距平,与东亚弱冬季风的低层特征一致;同期赤道中东太平洋上为负距平,负距平中心在Nin o 3 区。而TC 偏少年西北太平洋上和赤道中东太平洋上的距平与TC 偏多年则相反,东亚大陆沿海地区为负距平,表示那儿的SST 低,与东亚强冬季风的低层特征表现一致。上述特征持续性好,从前期秋冬季开始持续至当年7~9 月台风季节,其中上一年11 月最为明显,正负距平中心的绝对值最大(见图 7)。这说明东亚大陆沿海地区海温对前期秋冬季的大气环流异常的响应是明显的,引起的海温异常有明显的滞后性,因此SST 的距平图上特征较稳定,是预测华东地区TC 年频数异常最好的因子。
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图 7. 上一年11 月TC 偏多年(a)和偏少年(b)SST 距平图
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6 总结与试用
通过以上分析可得出前秋冬季东亚大气环流异常可以影响海温,通过海洋滞后效应反过来又影响后期的大气环流与天气,海洋在前后期大气环流的相互联系中起了重要的中介作用,并得出前秋冬季东亚冬季风异常对华东地区TC 频数有影响。最后建立了华东地区TC 偏多(少)年的概念模型:
(1) 上一年秋冬季节东亚冬季风偏弱(强),盛行纬(经)向环流,东亚500 hPa 高度距平从北到南呈“+ - +”(“- + -”)型,20°~45°N 为正(负)距平区,正(负)距平中心在中国沿海槽区。
(2) 冷空气势力偏弱(强),冷涌活动偏弱(强)。
(3) 热带西太平洋对流活动偏弱(强)。
(4) 上一年秋冬季节起西北太平洋SST 偏高(低),赤道中东太平洋SST 偏低(高)。
(5) 次年台风季节热带辐合带偏北(南)且(不)活跃,引起西太平洋副高脊线位置偏北(南),影响华东地区TC 频数偏多(少)。
由于每年年底都要对下一年的华东地区TC 频数进行预测,这时只有10~11 月资料。用1997 年10~11 月500 hPa 和SST 资料诊断得出符合概念模型TC 频数偏少年的500 hPa 环流特征和海温场特征,预测1998 年华东地区TC 频数偏少。用1998 年10~11月500 hPa 和SST 资料诊断得出符合概念模型TC 频数偏多年的特征,预测1999 年华东地区TC 频数偏多。与这两年实况TC 频数一致,可见由此建立的华东地区TC 偏多(少)年的概念模型在进行短期气候预测时有参考价值。用1999 年10~11 月500 hPa 和SST资料诊断,虽SST 场符合TC 频数偏多年特征,但500 hPa 上不符合TC 频数偏多年的环流特征,而是有些符合偏少年的环流特征,因此预测2000 年华东地区TC 频数正常。
[1] | 丁一汇, 马鹤年. 东亚冬季风的研究现状. 见:何金海主编. 亚洲季风研究的新进展. 北京:气象出版社, 1996. 1-13. |
[2] | 海温在东亚冬季风影响江淮流域旱涝中的作用. 灾害性气候的过程及诊断, 北京: 气象出版社, 1996: 46-53. |
[3] | 孙淑清, 孙柏民. 东亚冬季风环流异常与中国江淮流域夏季旱涝天气的关系. 气象学报, 1995, 53: 440–450. |
[4] | 孙淑清, 孙柏民. 冬季风异常与环流的隔季相关. 见:何金海主编. 亚洲季风研究的新进展. 北京:气象出版社, 1996. 99-107. |