应用气象学报  2007, 18 (2): 202-210   PDF    
引用本文
李春晖, 梁建茵, 郑彬, 林爱兰, 谷德军. 南海夏季风北推时间及相关环流变化特征[J]. 应用气象学报, 2007, 18(2): 202-210.
Li Chunhui, Liang Jianyin, Zheng Bin, Lin Ailan, Gu Dejun. The Period of South China Sea Summer Monsoon Advanced Northward with the Related Circulation Change Features[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2007, 18(2): 202-210  
南海夏季风北推时间及相关环流变化特征
李春晖, 梁建茵, 郑彬, 林爱兰, 谷德军     
中国气象局广州热带海洋气象研究所, 广州 510080
2006-03-20 收到, 2006-11-02 收到修改稿.
资助项目: 科技部公益性研究项目 (2002RKT01)、广东省自然科学资金 (04003915) 和热带海洋气象科学研究基金项目“华南前汛期降水特征及其与南海夏季风相互作用的机理研究”共同资助    
摘要: 利用1958—2004年NCEP/NCAR逐日再分析资料和我国730站降水资料分析了南海夏季风爆发后影响到华南地区的时间差异及其环流变化特征。结果表明：南海夏季风向北推进影响到华南地区的时间存在明显差异，最早的可以1 d就推进影响到华南地区，最晚的却要42 d，并且这种变化具有明显的年代际变化特征，即20世纪70年末以前，南海夏季风影响到华南地区的时间总体上要偏早，而70年代末以后，南海夏季风影响到华南地区的时间总体上要偏晚；当南海夏季风建立后，若东亚大槽较深，冷空气活动较活跃，索马里越赤道气流形成的西南风、110°~120°E地区越赤道气流形成的偏南风以及副热带高压西侧边缘的偏南风均偏弱，南亚高压和东亚地区急流位置偏南，就会使得南海夏季风影响到华南地区的时间偏晚，反之，则偏早；南海夏季风推进影响到华南地区的时间偏晚（早）年期间，索马里、105°E和130°E越赤道气流输送的水汽通量和西太平洋副热带高压南部的东南气流水汽输送均较弱（强），华南地区前汛期的锋面降水较强（弱）。
关键词: 南海夏季风    推进    华南    环流变化特征    
The Period of South China Sea Summer Monsoon Advanced Northward with the Related Circulation Change Features
Li Chunhui, Liang Jianyin, Zheng Bin, Lin Ailan, Gu Dejun     
Institute of Tropical and Marine Meteorology, CMA, Guangzhou 510080
Abstract: The Southern China is one of the most rainy areas in the country, which is affected by both the tropical and subtropical monsoon.From April to June, the Southern China experiences the first rainy period, namely the pre rainy season, which is also the first phase that the annual rain belt starts appearing and pushes northward.For the whole Southern China, heavy rain during the target months uses to cause a flood, which accounts for 40%—50% or even more of the whole year precipitation.Because they are concentrated and severe, the rains during the pre rainy season always get more attention and have been studied a lot.But, currently some researches always consider the pre rainy season as a whole.In fact, the pre rainy season can be divided into two phases i, e., the frontal rainfall and the monsoon rainfall.But now, there are not yet any analytical studies on it.The time when the South China Sea summer monsoon breaking out does not mean the commencement of the Southern China summer monsoon precipitation until the South China Sea summer monsoon pushes northward to Southern China, which causes the sec ond peak of the pre rainy season.Therefore, the study can distinguish the frontal rainfall and monsoon rainfall reasonably and get the time when the South China Sea summer monsoon affects the Southern China and the characteristic of the related circulation change, it will be beneficial to providing a new way of thinking for improving precipitation forecasting of the pre rainy season in Southern China.Based on European Center for Medium range Weather Forecast (ECMWF) and NCEP daily reanalyzed dataset from 1958 to 2004 and the surface air temperature/rainfall records from 730 stations in China, the results show that the time exists obvious differences.Also, this variety has obvious inter decadal change characteristic, namely that the time the Southern China summer monsoon affects the Southern China is early before 1970s and late in the late 1970s.When the Southern China summer monsoon breaks out, if the East Asian trough is deeper, the cold air activity is more active, the south west wind from the crossing equatorial currents of Somali and around 110°—120 °E areas and the west part of the subtropical high is weaker, and the position of the South Asia high and the East Asian jet is more southward, it would cause the time to be later, otherwise it would cause the time to be earlier.During the period that the Southern China summer monsoon affected the Southern China later (earlier), the transportation of the moisture from the crossing equatorial currents of Somali and around 105°E and 130°E areas and the southeast part of the west Pacific subtropical high is weaker (stronger), the frontal precipitation of the pre rainy season rainfall in the Southern China is stronger (weaker).
Key words: the South China Sea summer monsoon     advance     the Southern China     the characteristic of circulation change    
引言

华南地区受热带季风和副热带季风的共同作用, 是我国雨量最充沛的区域之一。4—6月华南经历第一个多雨的时期, 此时的降水与冷空气南下至长江以南的适当位置有密切关系, 从性质上看属于副热带高压北侧的西风带降水, 为华南前汛期, 也是我国每年雨带开始出现和北移的第一个阶段。对整个华南来说, 水灾多发生于前汛期, 占全年降水40 %~50 %或更多, 降水集中, 程度较严重, 故历来受到重视, 并进行了许多研究, 取得一定成果。已有的研究表明华南前汛期降水有显著的准3年周期性变化[1]。由模糊均生函数模型可预测华南前汛期降水将由前期的持续偏多转为后期的以偏少为主[2]。华南前汛期降水还与西太平洋副热带高压[3-5]、海温[6-7]、积雪[8]、海冰[9]、季风[10-15]、南半球海平面气压场和500 hPa大气环流[16]、澳大利亚高压[17]及南海热带大气季节内振荡[18]等因子有关。不过, 这些已有的研究成果总是将前汛期降水当成一个整体来进行研究, 实际上前汛期可分为锋面降水和季风降水两个阶段, 目前还没有对此进行分析的研究工作。南海夏季风爆发后并不意味着华南夏季风降水的开始, 直到南海夏季风推进到华南地区, 才开始出现季风降水, 从而造成华南前汛期降水的第二峰值。因此, 合理区分锋面降水和季风降水, 探讨南海夏季风爆发后影响到华南地区期间大气环流演变特征, 将有助于为改进华南前汛期降水的预测提供新的思路。对于华南季风降水日期的确定, 郑彬等①通过分析气候平均状态下锋面降水和季风降水期间大气性质和特征的差异, 得到季风降水开始日期的判据, 并由此确定逐年华南前汛期锋面降水和夏季风降水的划分日期。本文将以此为依据, 利用1958—2004年我国730站降水资料、NCEP/NCAR和欧洲中心 (ECMWF) 再分析资料, 研究南海夏季风建立及其北进影响到华南期间大气环流的变化特征。

1 南海夏季风爆发日期的确定

根据本文的研究目的, 首先要确定南海夏季风爆发日期, 关于这一点国内已经有很多学者提出了不同的方法, 如季风区降水量指标[19-21]、高低空环流指标[22-25]和动力与对流指数相结合[26-28]的方法等, 这些研究比较一致地指出, 南海夏季风爆发所对应的大气环流演变在对流层低层最明显。考虑以上因素, 本文采用梁建茵等[23]定义的方法, 即南海地区850 hPa平均风速大于零 (表明西太平洋副热带高压脊大部分移出南海地区), 同时南海地区偏西风主要来源于孟加拉湾南部。当上述两个条件同时满足并持续5 d以上, 且其后连续中断 (南海地区平均纬向风小于零) 天数不大于前期西南季风出现天数的3倍, 则将满足条件的第1天定为南海夏季风爆发日。由于NCEP/NCAR资料或多或少受同化技术和模式的影响, 有一定的局限性, 为此将用欧洲中心 (ECMWF) 资料来进行验证。同时, 还在原定义的条件上加入假相当位温θse ≥340 K来验证该定义的合理性, 得到表 1。由表 1可知, 除了1968, 1970, 1976年和1993年4年外, 两套资料确定的南海夏季风爆发日期还是比较一致的。造成这种原因可能是由于两套资料的数值大小不同, 在某些年份差别较大, 影响了定义日期, 但总体上环流分布没有很大区别。同时, 该结果也表明, 在定义南海夏季风爆发日期上, 动力因子占了主导地位, 即当南海地区风场改变以后, 相应的对流也就产生了 (除了个别年份)。因此可以认为采用这种方法并由NCEP/ NCAR资料定义的南海夏季风日期是合理的, 下文中提到的爆发日期即以此为准。

表 1 1958—2004年南海夏季风爆发日期、华南季风降水开始日期和季风推进影响到华南地区时间 Table 1 Dates of South China Sea summer monsoon onset and beginning of monsoon rain over South China and time intervals between them

2 华南夏季风降水开始日期的确定

由于华南前汛期降水实际上可分为前期的锋面降水和后期的夏季风降水, 因此南海夏季风爆发, 并不意味着华南夏季风降水的开始。直到南海夏季风推进到华南地区, 才开始出现季风降水。此时, 华南地区大气中的水汽、热力及动力状况均发生明显的变化 (图 1), 即100 hPa纬向风从5月下旬开始全面转为东风, 并且向下传播 (图 1a); 平均大气柱水汽含量在4月底到5月底的1个月时间里, 稳定大于50 mm (图 1b); 华南地区低层大气在5月下旬出现较大的不稳定层结 (小于-6 K), 并且一直持续到前汛期结束 (图 1c); 最大降水中心4月开始向南移动 (即锋面降水); 到5月下旬南海夏季风爆发后, 最大降水中心在华南维持 (季风降水), 6月初, 随着夏季风的推进, 华南雨带开始向北移动 (或跳跃), 但是华南地区仍然维持较大的降水, 此时的北进雨带和华南降水都是夏季风降水 (图 1d和e)。由此可见, 高层风场的变化是最慢的, 当其发生了变化, 则相应的水汽, 温度场等都已发生变化。因此, 郑彬等①由此分析得到的气候平均状态下锋面降水和季风降水期间大气性质和特征的差异 (图 1), 利用华南 (20°~23°N, 110° ~120°E) 上空100 hPa纬向风由西风转为东风, 并持续5 d以上为标准作为判据, 确定气候平均以及逐年华南热带季风降水开始的日期, 见表 1。

① 郑彬, 梁建茵, 林爱兰, 等.华南前讯期的锋面降水和夏季风降水Ⅰ :划分日期的确定.待发表.

图 1. 华南地区大气中的水汽、热力及动力状况变化 (a) 1971—2000年100 hPa气候平均华南前汛期纬向风垂直分布 (单位: m/s, 阴影区为东风; 粗点线为850 hPa假相当位温, 单位: K), (b) 大气柱水汽含量变化 (单位: mm), (c) 110°~120°E平均假相当位温的垂直切变 (700 hPa减去925 hPa, 单位: K), (d) 110°~120°E我国大陆测站实测降水 (单位: mm/d), (e) CMA P资料气候平均降水量 (单位: mm/d, 虚线箭头是锋面降水, 实线箭头是季风降水) Fig 1. The water vapor, thermal and dynamical variations over South China (a) vertical cross section of 1971—2000 climatological mean zonal winds during pre-rainy season (unit:m/s, easterlies region is shaded; thick line marked by dots is θse at 850 hPa, unit:K), (b) predictable w ater content (unit:mm), (c) vertical shear of θse averaged for 110°—120°E (θse at 700 hPa minus θse at 925 hPa, unit:K; regions less than-6 K are shaded), (d) climatological mean precipitation over 110°—120°E during the pre-rainy season from surface stations in China mainland (unit:mm/d), (e) mean precipitation during the pre-rainy season from CMAP data (unit:mm/d, dashed arrows denote frontal rain and solid arrows denote summer monsoon rain)

3 南海夏季风建立后推进到华南地区日期和环流变化特征

从以上分析得到的南海夏季风爆发日期和华南季风降水开始日期来看, 南海夏季风向北推进影响到华南地区的时间存在明显的差异, 最早的可以1 d就推进影响到华南地区, 最晚的却要42 d (见表 1)。根据统计结果, 南海夏季风平均爆发日期为5月17日, 华南季风降水平均开始日期为5月31日, 季风推进影响到华南地区所用的平均日期为14 d。由表 1可以看到, 在1958—2004年间, 共有18年是季风推进影响到华南地区偏晚年, 其中有5年发生在20世纪70年代末以前, 有13年发生在70年代末以后。可见, 这种变化具有明显的年代际变化特征, 即70年末以前, 南海夏季风推进影响到华南地区的时间总体上要早于70年代末之后 (见图 2滑动平均曲线)。Liang等[29]研究指出, 70年代末以后, 南海夏季风平均建立日期偏早, 而华南季风降水开始日期自70年末以后总体上要偏晚 (表 1)。由此可见, 南海夏季风建立得早并不意味着其推进影响到华南地区的时间就早, 这可能与大气环流的变化有很大关系。为了更好地探讨这一变化特征, 经分析, 将绝对值大于0.5标准方差的年份定义为南海夏季风推进影响到华南地区时间的早晚年, 如图 2所示。由此分别得到南海夏季风推进影响到华南地区的时间偏晚年: 1966, 1972, 1981, 1984, 1985, 1989, 1996, 1999年和2000年; 偏早年: 1960, 1963, 1964, 1967, 1968, 1975, 1982, 1983年和1987年。

图 2. 季风推进影响到华南时间距平图 Fig 2. Time anomalies of the South China Sea summer monsoon advancing to South China

3.1 风场和位势高度场分析

把南海夏季风推进影响到华南地区早晚年由南海夏季风爆发日至华南季风降水开始日期之间得到的时间差异段的大气环流进行合成, 来分析该时期大气环流的变化特征。图 3为南海夏季风推进影响到华南地区早晚年时间差异段的850 hPa风场差值分布图。在25°~45°N, 120°~150°E地区为气旋性差值环流, 该地区为东亚大槽所在位置, 表明季风推进影响到华南地区偏晚时, 东亚大槽偏深。李崇银等[30]指出, 南海夏季风爆发后, 东亚大槽是减弱的。由此可知, 与季风推进到华南地区时间偏早年时期环流相比, 若东亚大槽偏深, 则其槽后的偏北风不利于南海夏季风的向北推进。从高空200 hPa风场差值分布图来看 (图略), 南海夏季风推进影响到华南地区的偏晚年, 南亚高压偏强位置偏南, 且东亚地区急流位置也偏南。另外, 从图 3中可看到, 越赤道索马里气流形成的西南风、110°~120°E地区越赤道气流形成的偏南风以及副热带高压西侧边缘的偏南风均是偏弱的。因此, 当南海夏季风建立后, 若东亚大槽偏深, 越赤道索马里气流形成的西南风、110°~120°E地区越赤道气流形成的偏南风以及副热带高压西侧边缘的偏南风均偏弱, 南亚高压偏强位置偏南, 东亚地区急流位置也偏南, 就会使得南海夏季风推进影响到华南地区的时间偏晚; 反之, 则偏早。

图 3. 推进偏晚年和偏早年由南海夏季风爆发至华南季风降水开始日期时间差异段850 hPa风场差值图 (单位: m/s, 晚减早, 阴影区和实线所围区域分别为纬向风和经向风通过α=0.05的显著性检验区) Fig 3. 850 hPa wind differences by late years composite and early ones (unit:m/s, late years mean relative long time from South China Sea summer monsoon onset to beginning of monsoon rain over South China, and early years mean relative short time during the process; areas shaded and enclosed by solid line denote the regions that zonal winds and meridional winds exceed α=0.05 significance test, respectively)

从500 hPa高度场分布图 (图略) 可以看到, 在南海夏季风推进影响到华南地区的时间偏晚年, 中纬度地区环流比较平直, 孟加拉湾槽较弱, 东亚大槽较强, 西太平洋副热带高压偏西偏南, 因此不利于南海夏季风向北推进。相比之下, 在南海夏季风推进影响到华南地区的时间偏早年, 中纬度地区环流槽脊波动较多, 孟加拉湾槽较强, 东亚大槽较弱, 西太平洋副热带高压偏北偏东, 因此有利于南海夏季风向北推进。其差值场 (图 4) 也清楚地表明, 在 (25°~45°N, 120°~150°E) 地区为负距平, 在阿留申群岛附近的150°E~120°W的北太平洋地区也为负距平, 说明东亚大槽和洋中槽较强, 这种环流形势确实不利于南海夏季风向北推进。

图 4. 推进偏晚年和偏早年由南海夏季风爆发至华南季风降水开始日期时间差异段500 hPa位势高度场合成差值图 (单位: gpm) ( 晚减早, 阴影区为通过α =0. 05 的显著性检验区) Fig 4. Same as Fig.3 except for 500 hPa geopotential height (unit:gpm)

3.2 温度和对流活动分析

南海夏季风建立后, 若东亚大槽仍偏强, 就有利于冷空气南下, 从而也不利于南海夏季风向北推进。关于这一点, 从南海夏季风推进影响到华南地区早晚年温度场差值分布图可以看得很清楚 (图 5)。在我国大陆和北太平洋地区均为温度差值的负值区, 表明了在南海夏季风建立后, 偏强的冷空气活动阻挡了其向北推进, 使得南海夏季风推进到华南地区的时间偏晚。图 6给出了南海夏季风推进影响到华南地区早晚年高低层的假相当位温差值图, 其中高、低层分别以600~300 hPa和1000~700 hPa的平均值代替。由图 6可以看到, 在南海夏季风推进影响到华南地区偏晚年, 华南地区大部分地区处于正值区中, 说明该时期大气层结是稳定的, 不利于对流发展, 降水所需的垂直运动主要以锋面抬升为主。在南海夏季风推进影响到华南地区偏早年, 华南大部分地区为负值所控制, 大气层结不稳定性增加, 该时期对流发展旺盛, 有利于季风的向北推进。从南海夏季风推进影响到华南地区早晚年向外对流长波辐射 (OLR) 差值分布图 (图略) 也可以进一步说明对流对南海夏季风向北推进的影响。在南海北部和西北太平洋10°~20°N地区存在一条OLR正值差值带, 表明该区域对流在南海夏季风推进到华南地区的时间偏晚年较偏早年更不活跃; 而在20°N以北华南地区为OLR负差值区, 说明华南地区锋面降水在南海夏季风推进到华南地区的时间偏晚年偏强。正是由于强锋面降水的存在, 从而抑制了季风降水的向北推进。此外, 在印度洋、孟加拉湾等地对流也是到华南地区的时间偏晚年较偏早年更不活跃, 可能是南海夏季风不易向北推进的另一原因。

图 5. 推进偏晚年和偏早年由南海夏季风爆发至华南季风降水开始日期时间差异段的850 hPa温度场合成差值图 (说明同图 4, 单位: K) Fig 5. Same as Fig.4 except for 850 hPa air temperature (unit:K)

图 6. 推进偏晚年 (a) 和偏早年 (b) 由南海夏季风爆发至华南季风降水开始日期时间差异段的高低层假相当位温差值图 (单位: K, 其中高、低层分别以600~300 hPa和1000~700 hPa的平均值代替) Fig 6. θse differences between upper (600—300 hPa) and lower troposphere (1000—700 hPa) (a) late years composite, (b) early years composite

3.3 水汽输送和降水分析

通常向我国东部地区输送水汽气流有两支, 一支为来自越赤道索马里急流的西南季风气流, 从阿拉伯海到孟加拉湾经中南半岛和南海地区向我国东部输送水汽, 另一支为西太平洋副高南部的东南气流, 从西太平洋向我国东部地区输送水汽。南海夏季风推进到华南地区的时间偏晚年, 索马里、105°E和130°E越赤道气流输送的水汽通量较弱, 西太平洋副热带高压南部的东南气流水汽输送也较弱, 甚至大于1 kg/(cm·s) 的水汽通量区与华南地区是断开的 (图 7a)。正是由于水汽通道的阻塞, 减缓了南海夏季风向华南地区的推进。相比之下, 南海夏季风推进影响到华南地区的时间偏晚, 索马里、105°E和130°E越赤道气流输送的水汽通量和西太平洋副热带高压南部的东南气流水汽输送均较强 (图 7b)。南海到华南地区畅通的水汽通道使得南海夏季风可以快速地向北推进。从其差值分布图 (图 7c) 可以更清楚地看到, 南海夏季风推进影响到华南地区的时间偏晚 (早) 年南海北部到华南的水汽输送较弱 (强), 而且副热带和高纬的影响也强 (弱), 对应的锋面降水偏强 (弱), 从而不利 (有利) 于南海夏季风向北推进。由于南海夏季风推进华南之前, 华南前汛期以锋面降水为主, 因此, 可以由南海夏季风爆发至华南季风降水开始日期时间差异段20°~40°N, 100°~120°E区域站点降水合成图 (图 8), 看南海夏季风推进影响到华南地区的时间偏早年和偏晚年华南地区的锋面降水是否有明显差异。在南海夏季风推进影响到华南地区的偏晚年 (图 8a), 华南地区有较大范围的锋面降水; 而在偏早年 (图 8b), 华南地区锋面降水则小得多。由此可见, 华南地区在南海夏季风推进偏晚年比偏早年确实有偏强的锋面降水。说明了南海夏季风推进偏晚年季风推进与冷锋有很好的结合作用, 冷锋强, 降水强的时候, 就会阻止南海夏季风的向北推进。

图 7. 推进偏晚年和偏早年由南海夏季风爆发至华南季风降水开始日期时间差异段的平均地表至300 hPa气柱水汽通量合成和差值图 (a) 偏晚年, (b) 偏早年, (c) 偏晚年与偏早年差值 (a和b的阴影区为水汽通量大于1 kg/(cm·s) 区域, c的阴影区为通过α =0.05的显著性检验区) Fig 7. Water vapor fluxes from surface to 300 hPa (a) late years composite, (b) early years composite, (c) differences (shaded regions denote water vapor fluxes are larger than 1 kg/(cm·s) in (a) and (b), and represent the areas passing α=0.05 significance test in (c))

图 8. 推进偏晚年 (a) 和偏早年 (b) 由南海夏季风爆发日至华南季风降水开始日期之间得到的时间差异段的区域 (20°~40°N, 100°~120°E) 站点降水合成图 (单位: mm, a和b的阴影区分别为日降水量大于3 mm和1.5 mm区域) Fig 8. Precipitation composite from surface stations data in the region of 20°—40°N, 100°—120°E (a) late years, (b) early years (unit:mm, daily precipitations larger than 3 mm and 1.5mm are shaded in (a) and (b), respectively)

4 结论

本文讨论了南海夏季风爆发后推进到华南地区的时间差异及其环流变化特征。分析得到南海夏季风向北推进影响到华南地区的时间存在明显的差异, 最早的可以1 d就推进影响到华南地区, 最晚的却要42 d。并且这种变化具有明显的年代际变化特征, 即20世纪70年末以前, 南海夏季风推进到华南地区时间总体上要偏早, 而70年代末以后, 南海夏季风推进到华南时间总体上要偏晚。对应南海夏季风推进影响到华南地区偏晚 (早) 年的大气环流有以下特征:越赤道索马里气流形成的西南风、110°~120°E地区越赤道气流形成的偏南风以及副热带高压西侧边缘的偏南风均偏弱 (强), 中纬度地区500 hPa环流较平直 (多波动), 南亚高压偏强位置偏南 (北), 东亚地区急流位置也偏南 (北); 索马里、105°E和130°E越赤道气流输送和西太平洋副热带高压南部的东南气流水汽输送均较弱 (强)。

分析结果表明:当南海夏季风建立后, 若东亚大槽偏强 (弱), 冷空气活动较活跃 (不活跃), 导致了华南地区锋面降水偏强 (弱); 同时南海到华南的水汽通道阻塞 (畅通), 导致南海北部对流不够活跃, 就会使得南海夏季风推进影响到华南地区的时间偏晚 (早)。

致谢 本文的NCEP/NCAR和ECMWF再分析资料分别从网站http:∥www.cdc.noaa.gov/和http:∥data.ecmwf.int/data/下载, 特此致谢。
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