东亚夏季风强度的年际和年代际变化与东亚季风雨带和旱涝位置有直接联系。如何定义一个夏季风强弱指数一直是气象科学研究和业务预测关注的课题。例如，Webster等^[1]根据区域0°~20°N, 40°~110°E 850 hPa和200 hPa纬向风的垂直切变 (U₈₅₀-U₂₀₀) 定义了一个南亚热带季风环流指数。这一环流指数与全印度降水量^[2]之间有密切的相关。针对东亚季风的特点，我国科学家也定义了多个季风指数，如周玉孚^[3]用对流层低层的热力因子Q_se指示副热带季风的进退；郭琪蕴^[4]用10°~50°N平均的海平面气压在110°E和160°E之间的差值表示季风的强弱；李崇银等^[5]提出了用对流层高低层散度差构造的季风指数；王亚非等^[6]利用区域20°~30°N，110°~140°E与区域30°~40°N，110°~140°E 850 hPa南风分量之差定义了一个反映梅雨现象的东亚夏季风指数。这些东亚季风指数能够较好地指示我国，特别是长江流域6—8月平均雨量的年际变化。近年来，许多学者还综合热力和动力两种因子或从环流特征出发定义了与东亚夏季降水有关的指数^[7-10]。然而，由于季风本身的复杂性，很难找到一个统一的季风指数代表亚洲各个区域季风的特征与区域降水的关系^[11-14]。在我国东部季风区，区域性的夏季降水月际差异很大，甚至出现旱涝逆转的现象。随着防灾减灾的迫切需要，区域月尺度的旱涝预测显得越来越重要。因此，开展某一区域特定月份的旱涝异常及对应的环流型研究是必要的。

受夏季风阶段性向北推进的影响，华南前汛期雨带是我国汛期降水的第1阶段，也是我国降水量和降水强度最大的区域之一。近年来，华南地区由持续强暴雨引发的几次大洪涝均发生于6月 (如1994年6月，1998年6月，2005年6月)，实际上，针对华南6月暴雨和洪涝的研究一直是气象科研和业务高度关注的前沿课题^[15-18]。但从华南降水与东亚季风环流系统关系出发，定义季风指数的研究还不多见。

本文利用历年观测资料研究了6月同期东亚—西北太平洋环流与华南降水的关系，试图定义一个简单的华南夏季风指数，讨论该指数具有的年际和年代际变化。

本文所用资料包括：① 1951—2008年NCEP全球经纬网格 (2.5°×2.5°) 再分析月平均气象要素资料^[19]；② 1978—2006年NCEP亚洲范围 (5.0°~60.0°N，65.0°~155.0°E) 经纬网格 (0.5°×0.5°) 日降水量资料^[20]；③ 1951—2008年中国气象局华南13站月降水量^[21]。

所用的方法包括相关分析、回归分析、合成分析、差值t检验和物理量诊断分析等。

本文确定的暴雨以上量级雨日是指日降水量不低于50 mm。华南区域范围为20°~26°N，105°~117°E，包括广东和广西。

6月是华南地区前汛期 (4—6月) 降水和暴雨多发期，与中低层的东亚—西北太平洋季风环流系统有密切联系^[22-24]。图 1给出了6月平均降水量和850 hPa风矢量合成图。亚洲6月降水最大的区域位于孟加拉湾西北沿岸到青藏高原南侧地区，其次位于我国西南、华南以及日本南部一带，月降水量均大于250 mm。这一时期850 hPa环流的主要特点：来自孟加拉湾强劲的偏西热带季风受到副热带高压和西南暖低压的共同影响，在孟加拉湾北部到南海北部一带北折形成西南季风急流。为了更进一步考察周边环流系统强弱对华南6月降水的影响，图 2给出了华南 (图 1中框区)6月区域平均降水量和暴雨以上量级降水量与850 hPa经向风、纬向风和涡度的相关分布。月降水量与850 hPa经向风、纬向风和涡度的相关 (图 2a) 类似于暴雨以上降水与850 hPa经向风、纬向风和涡度的相关 (图 2b) 分布。环流特征表现为：东南部菲律宾到中国台湾以东洋面的一个异常反气旋环流与其西北侧华南的一个异常气旋性环流配对。在这一对环流系统之间形成了从华南沿海到日本南部的异常西南风。这支异常的西南季风气流又将热带太平洋和南海的水汽输送与华南地区的降水联系起来。Wang等^[25]和Zhang等^[26]也指出，菲律宾附近异常反气旋环流的变化对东亚环流和我国南部降水存在密切联系。显然，可以利用这一环流特征构造一个季风指数表达环流和降水的综合特征。

图 1

图 1. 1978—2006年6月平均降水量 (阴影) 及850 hPa风矢量分布 (方框为华南地区，方框内的黑点为华南13站点位置) Fig 1. Spatial distribution of mean precipitation (shaded) and 850 hPa wind vector in June during 1978—2006 (the box denotes the domain of South China; black dots in the box denote the location of 13 stations)

图 2

图 2. 1978—2006年6月华南区域降水量 (a) 和暴雨以上降水量 (b) 与850 hPa涡度 (阴影) 相关及与经向风、纬向风的相关矢量分布 (纬向风相关系数>0( < 0) 取x方向的正 (负) 值，经向风相关系数>0( < 0) 取y方向的正 (负) 值；相关系数的绝对值为0.311, 0.367和0.470分别通过了0.01, 0.05和0.01的显著性检验；3个不同方框分别为计算华南季风指数的3种不同方案的区域范围，红、黑、蓝色方框分别为方案1，2，3的区域范围) Fig 2. Spatial distribution of correlation coefficients based on 850 hPa vorticity (shaded) and wind vector related to precipitation (a) and extreme precipitation (b) over South China in June during 1978—2006 (correlation coefficients to zonal wind >0 (<0) taking x direction positive (negative) value, the coefficients to meridional wind >0 (<0) taking y direction positive (negative) value; absolute values 0.311, 0.367, 0.470 indicate coefficients reaching 0.01, 0.05, 0.01 levels, respectively; three boxes indicate the selected 3 areas, the red, black, blue boxes are scheme 1,scheme 2, scheme 3)

为了定量描述上述环流特征，分别用海上 (图 2中A区红色框，范围10°~30°N，122°~150°E) 的涡度减华南陆地 (图 2中B区红色框，范围20°~29°N，105°~115°E) 的涡度得到一个涡度差的环流指数。表 1给出了A区和B区涡度以及两个区域的涡度差与华南降水的相关结果。由表 1可知，两个区域的涡度与华南降水的相关系数分别是0.5910和-0.5832，都通过了0.001的显著性检验，而两个区域的涡度差与华南降水的相关提高到0.6818，也达到0.001的显著性水平。于是，用这一涡度差表示6月华南季风强度指数，其表达式为

表 1

表 1 所选区域6月850 hPa涡度与华南降水量相关分析 Table 1 Correlation coefficients of regional 850 hPa vorticities and the precipitation over South China in June 降水量 涡度 (B区) 涡度 (A区) 涡度差 (B区-A区) 总降水量 0.5910 -0.5832 0.6818 暴雨以上降水量 0.5205 -0.6278 0.7052

表 1 所选区域6月850 hPa涡度与华南降水量相关分析 Table 1 Correlation coefficients of regional 850 hPa vorticities and the precipitation over South China in June

图 3分别给出了华南季风指数和华南6月总降水量的逐年距平变化。华南季风指数不仅可以很好地描述华南降水的年际变化，而且极端年份也一致，如2004年和2005年华南季风指数和年降水量都分别达到了最小值和最大值。在年代际变化上，20世纪70年代末以前华南季风指数以正负相间，80年代以后为持续负距平，而90年代以来为正距平。进一步分析华南季风指数与暴雨以上降水的关系也得到类似的结果 (图略)。

图 3

图 3. 1951—2008年6月华南标准化季风指数 (a) 和总降水量距平 (华南13站平均)(b) 年际变化 Fig 3. Interannual variations of South China normalized monsoon index (a) and total precipitation anomaly (averaged by 13 stations) (b) in June during 1951—2008

这样选取的环流区域综合考虑了环流中心和涡度的高相关区，突出了华南气旋环流和西太平洋副热带高压反气旋环流对华南区域西南气流水汽输送和对降水的影响。为了考察选择区域大小可能对季风指数的影响，在图 2中改变了区域范围。红色框代表上文选择的范围 (方案1)，而黑色和蓝色方框分别称为方案2和方案3。图 4给出了由方案2和方案3计算的季风指数强度的年距平变化。比较图 4和图 3发现，3个方案都能较好地反映华南降水的年代际变化：20世纪80年代偏少和90年代偏多。

图 4

图 4. 1951—2008年6月华南标准化季风指数年际变化 (a) 方案2，(b) 方案3 Fig 4. Interannual variations of South China normalized mensoon index during 1951—2008 (a)Scheme 2, (b)Scheme 3

比较而言，方案1体现出的2004年和2005年两个极端旱涝年比其余两个方案更清楚。表 2综合了方案2和方案3选定的区域范围计算的850 hPa涡度与华南区域6月降水量相关系数。比较表 2和表 1发现，方案3的A区涡度与降水的相关都通过了0.01的显著性检验，而其余2个方案都通过了0.001的显著性检验，说明这些方案与华南降水都存在很好的年际相关，而以方案3的相关最高。

表 2

表 2 方案2和方案3所选区域的6月850hPa涡度与华南区域降水量相关分析 Table 2 Correlation coefficients of the precipitation over South China and selected 850 hPa vorticities (Scheme 2 and Scheme 3) in June 方案 降水量 涡度 B区 A区 B区-A区 方案2 总降水量 0.6315 -0.4895 0.6548 暴雨以上降水量 0.5615 -0.6108 0.7186 方案3 总降水量 0.5287 -0.5774 0.7371 暴雨以上降水量 0.4701 -0.5984 0.7297

表 2 方案2和方案3所选区域的6月850hPa涡度与华南区域降水量相关分析 Table 2 Correlation coefficients of the precipitation over South China and selected 850 hPa vorticities (Scheme 2 and Scheme 3) in June

综合上述分析，3个方案差异不大，方案1和方案3比方案2效果好。方案1所取的区域更能反映两个环流中心的信息，对年际降水更有指示意义。因此，下面以方案1定义的指数进一步讨论对华南降水的指示意义。

最近分析发现^{[14, 27]}，华南地区6月暴雨以上量级降水量占总降水量的15%~35%，6月华南总降水量和暴雨以上降水量1978—2006年呈明显增加的趋势，而在20世纪90年代初之前为少雨期，90年代以后为多雨期。这样的年代际降水变化和年际降水异常在季风指数上都有一致的反映。

为了分析华南季风指数的区域代表性，利用1978—2006年格点日降水量资料计算了亚洲区域的相关分布 (图 5)。由图 5可知，平均总降水量和暴雨与华南季风指数的主要正相关区集中在华南，即当华南季风强 (弱) 时，则华南降水相应增强 (减弱)。此外，在我国东北地区也有小片的正相关区，但只有华南大片地区通过了0.01的显著性检验。

图 5

图 5. 1978—2006年6月华南季风指数与降水量的相关分布 (a) 总降水量，(b) 暴雨以上量级降水量 (相关系数绝对值达到0.311, 0.367, 0.470分别表示通过了0.1, 0.05, 0.01的显著性检验) Fig 5. Spatial distribution of correlation coefficients of South China monsoon index to total precipitation (a) and extreme precipitation (b) in June during 1978—2006(absolute values 0.311, 0.367, 0.470 indicate correlation coefficients reaching 0.1, 0.05, 0.01 levels, respectively)

取高季风指数和低季风指数年所对应的更大范围的平均总降水量和暴雨降水量相减，得到了图 6，以进一步考察强弱季风情况下华南降水量的差异。从高、低季风指数对应降水量差异来看，华南的降水量差异最明显，平均降水量差异在100 mm以上，部分地区的暴雨以上量级降水量差异也在100 mm以上，与高相关区一致。图 7是高与低季风指数对应的6月包括华南在内更大范围总降水量的差值t检验分布。由图 7看出，季风指数高值年与低值年对应的华南总降水量和暴雨以上量级降水量的差值均显著，都通过了0.01的显著性检验。

图 6

图 6. 高与低季风指数年6月降水量差值 (a) 总降水量, (b) 暴雨以上量级降水量 Fig 6. The difference of precipitation over South China between high and low monsoon indexes for total precipitation (a) and extreme precipitation (b) in June

图 7

图 7. 高与低季风指数对应的6月降水量的差值t检验分布 (a) 总降水量, (b) 暴雨以上量级降水量 (t检验的绝对值为1.81, 2.23, 3.17分别表示通过了0.1, 0.05, 0.01的显著性检验) Fig 7. Distribution of t-test of precipitation difference between high and low monsoon indexes over South China (absolute values 1.81, 2.23, 3.17 indicate t-test reaching 0.1, 0.05, 0.01 levels, respectively)

为了进一步考察华南季风指数与中低层大气环流系统的关系，计算了季风指数与中低层温度、高度和风等要素的相关。图 8a显示的是华南季风指数与850 hPa各要素的相关分布，在菲律宾以东洋面上有一个强大的异常反气旋环流，并有对应的正高度区和正温度相关区，反映出异常的暖性反气旋高压环流。在这个环流的西—西北侧，从整个南海、华南沿岸一直到东海有一支很强的异常偏南—西南风急流，它对季风降水在华南地区的维持起到了作用。

图 8

图 8. 1978—2006年6月华南季风指数与亚洲—西北太平洋地区高度场相关 (阴影) 和该月季风指数与亚洲—西北太平洋地区纬向风及经向风的相关矢量分布 (a) 850 hPa, (b) 500 hPa (纬向风相关系数> 0( < 0) 取x方向的正 (负) 值，经向风相关系数> 0( < 0) 取y方向的正 (负) 值；相关系数的绝对值为0.311, 0.367, 0.470分别表示通过了0.1, 0.05, 0.01的显著性检验) Fig 8. Spatial distribution of correlation coefficients of the June South China monsoon index to June height (shaded) over Asia—Northwest Pacific region, and spatial distribution of correlation coefficient vectors of June monsoon index to June zonal and meridional wind during 1978—2006 (a) 850 hPa, (b) 500 hPa (correlation coefficients to zonal wind >0 (<0) taking x direction positive (negative) value, the coefficients to meridional wind >0 (<0) taking y direction positive (negative) value; absolute values 0.311, 0.367, 0.470, indicate correlation coefficients reaching 0.1, 0.05, 0.01 levels, respectively)

图 8b显示的是华南季风指数与中高层500 hPa环流的关系。它与850 hPa类似的一个明显特征：在菲律宾东部同样存在异常的反气旋环流。它的脊点一直向西延伸到中南半岛。在它的西北侧同样存在一支西南季风急流。更为明显的是，从我国西北到西南的偏北气流与西南季风共同构成了一个很深的西风槽，槽后有异常的正高度中心，槽底位于华南到南海北部地区，表明所定义的华南季风指数，也能很好地反映中高纬度重要的影响系统——西风槽。

尽管有了很多类型的东亚季风指数，但大多指数较好地指示了长江流域夏季降水的异常变化。在季节变化上，华南地区主汛期出现在6月，比长江流域的主汛期早。为了获得一个能够反映华南6月降水异常变化的季风指数，本文用菲律宾及其以东洋面与华南区域850 hPa涡度差定义了一个华南季风指数。结果表明：这个指数能较好地描述华南6月降水的年际和年代际变化，即高 (低) 指数对应强 (弱) 降水。

华南季风指数综合反映了西南季风、副热带高压以及中高纬度的西风槽等重要影响系统的信息。在华南的东南方向上，低层和中层大气中都存在异常的反气旋环流，其中心位于菲律宾以东洋面，而西伸脊点位于中印半岛。在低层850 hPa上，华南为异常低压环流，而在500 hPa我国西南地区存在一个异常西风槽。

华南季风指数是针对6月影响华南降水的环流特征而定义的，它既能较好地描述6月华南地区降水的变化，又包含有影响华南降水的季风环流系统的特征，为研究华南区域月尺度季风和降水变化提供了一个简明而客观的定量指标，但其中的机理有待于进一步研究。