2003, 14 (3): 322-330
季风是东亚大气环流的一个非常重要的特征，也是直接控制我国天气气候变化的一个重要因素。早在20世纪30年代竺可桢[1]首先提出东亚夏季风和我国降水的可能关系。60年代，高由禧[2]首先揭示了季风进退与我国大陆雨带移动的密切关系。近年来，亚洲季风作为一个全球性气象问题越来越受到人们的重视，国内外季风的研究取得不少有意义的成果。我国学者研究表明，南亚季风和东亚季风有许多不同特征，朱乾根等[3]研究指出，东亚季风系统内存在两种性质不同的季风，一是位于西太平洋副高南侧东风气流之下的南海—西太平洋夏季风，属于热带性质的季风；另一个是位于西太平洋副高北侧西风气流之下的中国大陆—日本的夏季风，属于副热带性质的季风。陶诗言和陈隆勋[4, 5]研究指出东亚夏季风系统的成员包括:印度的西南季风气流、澳大利亚的冷性反气旋、沿100°E以东的越赤道气流、季风槽 (或ITCZ)、西太平洋副高和赤道东风气流、梅雨锋以及中纬度的扰动。因此，东亚季风是一个与印度季风环流系统相对独立的环流系统，它不仅受到印度西南季风气流的影响，而且还受到副热带高压和中纬度扰动系统的影响。由于副热带高压随季节的进退活动，副热带和热带季风也季节性地南北移动，副热带季风 (东亚梅雨锋) 在前汛期主要影响华南，梅雨期影响长江流域，盛夏影响华北，而热带季风在盛夏则主要影响我国南方及东南亚。夏季西太平洋副高脊线位置的南北变化，不但影响其北面梅雨锋的强弱，也影响其南面热带季风环流；而热带季风环流和梅雨锋的强弱又影响西太平洋副高的变化。因而东亚季风系统成员在东亚分布的南北异常，不但引起江淮流域、朝鲜半岛和日本的干旱和洪涝[6]，也必然会引起华南等地的干旱和洪涝。
1 资料及处理选取福建境内分布均匀的38个站1960~2000年夏季 (后汛期)7~9月降水资料。为了便于诊断分析，采用假设某一时段降水服从Person Ⅲ型分布的Z指数单站旱涝指标和既反映旱涝轻重程度又反映旱涝空间分布的I、L区域旱涝指标[7]，计算各站Z指数，再根据Z指数计算得出I >50，L >50条件下，可满足气候概率约7年一遇的典型旱涝年。所得结果，旱年有1967、1974、1978、1986、1991、1998年，涝年有1959、1961、1972、1985、1990、1997年。
本文还利用1960~1999年4~10月美国NCEP / NCAR再分析850hPa纬向、经向风和1975~1999年月平均OLR资料，研究夏季东亚季风环流与西太平洋副高的关系及其对福建夏季降水的影响。
2 旱涝年东亚夏季风环流特征张庆云、陶诗言[8]研究表明，东亚季风系统中的两条辐合带，即热带辐合带和副热带辐合带的强度变化呈相反趋势，其强弱变化显著影响长江流域的降水。那么，这两支不同性质的辐合带对福建夏季降水有何影响?
图 1a，b分别是7~9月福建夏季6个涝年与6个旱年850 hPa矢量风距平场合成。
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| 图 1. 7~9月850 hPa矢量风距平合成 (a) 涝年，(b) 旱年 | |
从图 1a可见，南亚季风区15°N附近印度、孟加拉湾和中印半岛盛行偏西距平气流，该距平气流进入南海转为强盛西南距平气流，向北挺进，在我国东海120°~130°E之间与西太平洋东南距平气流汇合，向北进入我国江淮、黄海以及朝鲜半岛、日本等地，并延伸至45°N以北。因而，我国115°E以东大部地区都在偏西、西南或东南异常强的夏季风气流控制之下，表明夏季风环流明显偏强偏北。此时，东亚中纬度有一个反气旋距平环流，中心位于日本东南侧；东亚低纬度有二个气旋距平环流，中心分别位于华南东部与菲律宾东侧150°E附近。这表明涝年东亚季风系统中副热带季风环流明显偏弱，而热带季风环流明显偏强。相反，图 1b中15°N附近的印度半岛、孟加拉湾及东南亚盛行偏东距平气流，而我国东部及沿海为强盛的偏北、东北、西北距平气流所控制，因而夏季风环流异常偏弱。此外，日本及其东南侧有二个气旋距平环流中心，相应地，华南东部至南海及菲律宾东侧分别各有一个未闭合的与闭合的反气旋距平环流。表征，旱年东亚副热带季风环流明显偏强，而热带季风环流明显偏弱。
综上所述，东亚季风环流呈现跷跷板现象，即东亚热带季风环流出现异常加强 (减弱)，副热带季风环流出现异常减弱 (加强)。在我国东南沿海与菲律宾东侧低空出现气旋 (反气旋) 距平辐合 (辐散)，而在日本东南端低空出现反气旋 (气旋) 距平辐散 (辐合)，由于低空辐合、辐散中心所在地附近可发生降水的异常，此时有利于福建降水异常偏多 (少)。
3 旱涝年对流活动特征对应上述东亚夏季风环流的强弱在对流活动场上有何反映? 图 2a，b分别是涝年1985、1990、1997年与旱年1978、1986、1991、1998年OLR距平场合成分布。图 2a上日本东南侧有一个OLR正距平中心，华南东部与菲律宾东侧各有一个负距平中心，这显然与上述图 1a上的东亚中纬度反气旋距平环流及东亚低纬度二个气旋距平环流相对应。与图 2a成鲜明的对比，图 2b上的日本东南侧为负距平中心所取代，华南东部与菲律宾东侧又为正距平中心所替换，这显然又与图 1b上东亚中纬度气旋距平环流和东亚低纬度反气旋距平环流相对应。OLR距平场这种分布特征，证实了上述分析结论，即东亚热带季风环流加强 (减弱)，同时伴随着东亚副热带季风环流减弱 (加强)，都与福建降水异常有着直接的联系。
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| 图 2. 7~9月OLR距平场合成分布 (a) 涝年，(b) 旱年 (单位:W·m -2) | |
为了进一步分析旱涝年OLR场年内变化差异，由图 3给出旱涝年OLR沿140°~150°E范围随时间-纬度的平均变化合成。图上显见，西太平洋副高体 (>250 W·m-2高值区)，从5月开始图 3a明显偏北于图 3b，7~9月副高体活动范围，图 2a北跃至25°~38°N之间的偏北位置，而图 2b位居于23°~30°N之间的偏南位置。副高位移这种偏北与偏南趋势差异，使得7~9月副高南侧热带西太平洋ITCZ低值带 ( < 210 W·m-2) 活动范围在图 3a明显偏大，其中出现 < 200 W·m-2强对流区，这种态势标志着菲律宾东侧暖池附近ITCZ活跃。与之相比，图 3b中ITCZ范围较小，没有出现 < 200 W·m-2的强对流区，反映菲律宾东侧ITCZ较弱。
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| 图 3. OLR沿140°~150°E范围时间-纬度剖面 (a) 涝年，(b) 旱年 (单位:W·m -2) | |
4 旱涝年500 hPa中高纬度环流及西太平洋副高活动特征
黄荣辉和孙凤英[9、10]对于暖池热状态及菲律宾附近对流活动对东亚夏季风环流年际异常的影响研究表明，北半球夏季环流异常存在着东亚—太平洋遥相关型 (EPA型)，这个遥相关型行星尺度扰动波列从东南亚通过东亚向北美西部沿岸传播，它严重地影响东亚夏季风的年际变化与旱涝发生。上面已分述福建夏季旱涝与东亚夏季风环流密切相关，是否也与EPA型有关? 图 4是6个涝年与6个旱年7~9月500 hPa高度距平场。可以看到，图 4a从东南亚经我国江淮—日本岛至贝加尔湖—鄂霍次克海附近，东亚地区呈现出“-+-”距平分布；图 4b则相反，从低纬至高纬，东亚地区呈“ +-+”距平分布。旱涝年在东亚地区出现这种距平波列，意味着涝年东亚中高纬度一般没有出现阻塞形势，纬向环流发展，东亚副热带锋区北抬，导致西太平洋副高位置偏北；旱年东亚阻塞形势发展，东亚中纬西风出现分支，经向环流发展，副热带锋区南压，并导致西太平洋副高偏南。这种截然相反的距平波列，表明福建夏季旱涝与EPA也有很大关系，与文献[9]、[10]的结论是一致的。
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| 图 4. 7~9月500 hPa高度距平场分布 (a) 涝年，(b) 旱年 (单位:10gpm) | |
为了进一步明确旱涝年西太平洋副高位置随季节北进南退的差异，图 5给出旱涝年副高脊线位置的季节变程。图上可见，无论是涝年还是旱年由春入夏西太平洋副高都有一次北跃过程，但涝年北跃明显大于旱年。
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| 图 5. 旱涝年西太平洋副高脊线位置季节变程 | |
4月之前两者位置相接近，但5月开始涝年与旱年拉开向北的位移差，8月达最大，两者位置差达5个纬距。整个夏季7~9月涝年平均偏北于27°N附近，旱年偏南于24°N附近 (常年为25.7°N)。8月达最北位置后 (最北位置旱年为9月)，涝年又急速南撤，入秋后已南撤到比旱年更南的位置。整个位移变程旱年都较平缓。两者差异与OLR所反映的副高在140°~150°E区域活动特征一致。由此，我们可把副高脊线位置由春入夏北跃急缓的异常，看作一个夏季旱涝前期可能征兆。
5 西太平洋副高与夏季及其逐月降水的关系上面分析了福建夏季降水异常典型年份与西太平洋副高南北平均位置有着密切的关系，但对于非典型年份这种关系是否具有普适性?我们用1960~2000年夏季及其季内各月副高五个特征量与同期降水EOF展开前三个特征向量EOF1 —EOF3时间系数统计相关如表 1。整个夏季7~9月及其各月EOF展开前三个特征量所占累积方差都在70 %以上 (表 1)。其空间函数分布 (图略)，7~9月EOF1为全省同向，EOF2东西反向，EOF3南北反向。7月EOF1为全省同向，EOF2南北反向，EOF3中间地带与南北反向。8月EOF1仍全省同向，EOF2东北与西南反向，EOF3东与北反向。9月EOF1 —EOF3空间分布雷同整个夏季EOF1 —EOF3。由表 1可知，整个夏季7~9月份只有副高脊线和北界位置与EOF1相关达0.05显著标准，可见在副高特征量之中，南北位置与全省夏季降水的关系最为密切，其变化影响全省降水普遍增多或减少。其中，7月只有副高脊线位置与EOF2相关达0.05显著标准，即副高南北位置变化与该月降水的南北反向分布关系密切。8月副高北界与EOF1相关，面积与EOF2相关都达0.05显著标准，而脊线、北界与EOF3相关高达0.01显著水平，可见副高南北位置变化既与全省降水的多寡，又与该月降水东与北的反向分布关系密切。9月份也只有副高脊线和北界位置与EOF1相关达0.05显著标准。因而该月还是主要由副高南北位置变化影响全省降水普遍增多或减少。
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表 1 副高特征量与夏季降水EOF主分量相关系数及EOF特征量累积方差 |
为了进一步验证副高南北位置变化与福建夏季降水的关系，我们以8月为例由图 6a，b给出8月副高脊线偏北 (30.0°N以北) 的年份1960、1970、1985、1990、1992年和脊线偏南 (23.0°N以南) 的年份1965、1983、1986、1988、1991年降水距平百分率合成的分布。我们看到8月副高脊线位置的异常偏差，不但影响到全省降水的差异，而且影响了降水分布的差异，即脊线偏北时除北部局部偏少以外全省大部降水偏多，东部沿海特多；脊线偏南时除北部局部偏多以外全省大部降水则偏少，东部和南部沿海特少。其差异经t检验，全省约有2/3达0.05显著水平，其中沿海地区差异最大，达0.01显著水平。可见，副高南北位置的差异，对福建夏季降水及其分布的影响相当显著。
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| 图 6. 8月副高脊线偏北年 (a)、偏南年 (b) 降水距平百分率合成 (阴影区为负值) | |
6 小结
通过以上诊断分析，可以得出如下结论。
(1) 福建夏季旱涝与东亚夏季风环流强弱密切相关，涝 (旱) 年夏季风明显偏强 (偏弱)，东亚季风系统中热带季风环流出现异常加强 (减弱)，而副热带季风环流出现异常减弱 (加强)。
(2) 旱涝年西太平洋副高南北位置存在明显差异，涝年7~9月副高脊线平均位置偏北于27°N附近，旱年偏南于24°N附近。在由春入夏的季节转换中，旱涝年西太平洋副高季节位移差异显著。5月开始，涝年表现为急速北跳，8月之后又急速南撤；相反，旱年在整个过程的位移都表现平缓，两者经向位移差达5个纬距。5月开始副高北进的急缓，可为我们提供一个夏季旱涝前期征兆。
(3) 旱涝年在500 hPa高度场上东亚经向距平波列明显，从低纬至高纬涝 (旱) 年呈“-+-” (“ +-+”) 经向排列，表明涝 (旱) 年东亚地区一般没有 (有) 阻塞形势，中纬度纬 (经) 向环流发展，副热带锋区北抬 (南压)。
(4) 在西太平洋副高活动特征量中，反映副高南北位置的脊线和北界位置变化，对福建夏季降水及其分布的影响最为显著。其中7月主要影响降水南北反向分布；8月既主要影响全省降水多寡又影响东与北的反向分布，9月则主要影响全省降水多寡。
| [1] | 竺可桢. 东南季风与中国之雨量. 地理学报, 1934, 1, (1): 1–27. |
| [2] | 高由禧, 等. 东亚季风的若干问题. 北京: 科学出版社, 1962. |
| [3] | Zhu Qiangen, He J H, Wang PX. A study of the circulation differences between East Asian and Indian summer monsoon with their interaction. Adv. Atmos. Sci, 1986, 3: 466–477. DOI:10.1007/BF02657936 |
| [4] | Tao Shiyan, Chen Longxun. The East Asian summer monsoon. Proceedings of International Conference on Monsoon in the Far East, Tokyo, Nov. 5-8, 1985: 1–11. |
| [5] | Tao Shiyan, Chen Longxun. A review of recent research on the Eastern Asian summer monsoon in China. Oxford University Press, 1987: 60–92. |
| [6] | 陶诗言, 朱文妹, 赵卫. 论梅雨的年际变异. 大气科学, 1988, (特刊): 13–21. |
| [7] | 鞠笑生, 杨贤为, 陈丽娟, 等. 我国单站旱涝指标确定和区域旱涝级别划分的研究. 应用气象学报, 1997, 8, (1): 26–33. |
| [8] | 张庆云, 陶诗言. 夏季东亚热带和副热带季风与中国东部汛期降水. 应用气象学报, 1998, 9, (增刊): 16–23. |
| [9] | 黄荣辉, 孙凤英. 热带西太平洋暖池的热状态及其上空的对流活动对东亚夏季气候异常的影响. 大气科学, 1994, 18, (2): 141–151. |
| [10] | Huang Ronghiu, Sun Fengying. Impact of the tropical western Pacific on the East Asian summer monsoon. J. Meteor. Soc. Japan, 1989, 67: 587–604. |