我国南方地区夏季气象灾害 (如旱涝异常) 与南海夏季风活动有密切关系，南海夏季风是导致该地区旱涝发生的重要影响系统^[1-3]。在年际尺度上，影响南海夏季风强度变化的研究更多集中在海温上^[4-8]。在年代际尺度上，随着20世纪70年代后期全球大气环流和太平洋海温发生的显著的年代际变化^[9]，南海夏季风强度在70年代中后期也发生了突变^[10-11]，最近20年强度明显减弱^[12]。南海夏季风强度的减弱主要由低层风的偏南分量显著减弱所致，南海夏季低层经向风在年代际尺度上与我国气候的变化关系更为密切^[13-14]。最近研究指出，近30年西北太平洋夏季风和东亚夏季风的关系自1994年前后发生了一次明显的年代际突变^[15-18]，南海夏季风也在1994年前后发生了年代际突变^[19]。

南海-西太平洋位于亚澳季风中心位置，联系着南亚夏季风、东亚夏季风、印度季风和西北太平洋季风。南海-西太平洋大气季节内振荡 (ISO) 对南海夏季风爆发和强度有极为明显的影响^[20]。对应强南海夏季风年，在南海及西太平洋地区有强ISO的活动，其最强动能中心位于南海中部和菲律宾一带；对应弱南海夏季风年，大气ISO比较弱^[21-22]。当30~60 d低频振荡处于活跃位相时, 南海夏季季风槽和南海夏季风相应增强; 当30~60 d低频振荡处于不活跃位相时, 南海夏季风槽和南海夏季风则会减弱^[23]。由此可见，除了海温，南海-西太平洋大气ISO对南海夏季风活动有极为明显的影响。本文将研究南海-西太平洋大气夏季对流ISO对南海夏季风强度的年际和年代际影响。

本研究所用资料主要包括1958年1月—2011年12月NCEP/NCAR逐日和逐月平均再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°；1958年1月—2011年12月重建的海表温度资料ERSST^[24] (ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/ersst-v3/)，水平分辨率为2°×2°。

分析方法主要有Lanczos滤波^[25]、功率谱分析^[26]、相关分析^[26]、合成分析^[26]和T-检验^[26]等。

本文沿用文献[27]定义，即以南海区域 (5°~20 °N，105°~120 °E) 6—8月850 hPa在西南方向上的平均风速作为南海夏季风强度指数。虽然向外长波辐射 (OLR) 是表征对流指数的较好选择，但仅从1979年以后才有完整的数据，不能很好地反映较长时间的年代际变化特征。通过计算1979—2011年850 hPa纬向风、经向风以及涡度与OLR的相关关系可知，涡度与OLR的相关最好 (相关系数为-0.766)，其次是纬向风 (相关系数为-0.543)。由此可见，850 hPa涡度是替代OLR的最好选择。

为了研究春季对流ISO强度变化，通过Lanczos滤波方法，对1958—2011年夏季逐日850 hPa涡度距平进行逐年10~90 d滤波，然后计算每年的标准差，从而得到表征夏季对流ISO强度54年变化分布。从其多年平均变化 (图略) 可知，夏季10~90 d对流ISO强的区域主要集中在南海、西太平洋和孟加拉湾。从其与南海夏季风强度指数的54年相关分布 (图略) 可知，热带西北太平洋 (0°~20°N，135°~175°E) 是最大显著相关区域，达到0.05显著性水平，且该区域从春季开始存在，但没有夏季显著。由该区域平均得到的850 hPa涡度逐日变化 (图略) 以及经过10~90 d滤波后的功率谱多年平均曲线 (图 1) 可知，该区域具有显著的10~30 d振荡周期，两者区别在于仅去掉年际变化的功率谱天气尺度的周期非常明显，而10~30 d周期稍弱。由此，本文将0°~20°N，135°~175°E 850 hPa涡度区域平均并通过10~30 d滤波得到标准差作为热带西北太平洋区域夏季对流季节内振荡强度指数 (简称TWPI)。

图 1

图 1. 1958—2011年热带西北太平洋 (0°~20°N，135°~175°E) 850 hPa涡度逐日变化的功率谱多年平均曲线 Fig 1. Power spectrum of daily vorticity time series averaged in the tropical western Pacific (0°-20°N, 135°-175°E) for the averaged from 1958 to 2011

图 2为TWPI与南海夏季风强度指数54年变化曲线图，两者相关系数为0.635，达到0.001显著性水平，即TWPI偏强时，南海夏季风强度偏强，反之，则偏弱，两者呈显著正相关。对TWPI进行标准化处理，选取超过和小于正负1个标准差的年份作为振荡强年和弱年，由此得到影响南海夏季风强度的10~30 d振荡强年为8年，振荡弱年为9年。振荡强年中，7年是El Niño年发展当年夏季，6年为南海夏季风强度偏强年 (3年为异常偏强年)；振荡弱年中，8年为La Niña年发展当年夏季，8年为南海夏季风强度偏弱年 (5年为异常偏弱年)。可见，西北太平洋10~30 d振荡对南海夏季风强度的影响主要通过ENSO调控。从海温夏季合成差值场 (振荡强年减去弱年)(图 3a) 可知，在TWPI强年，南海、菲律宾和西太平洋海温偏低，热带中东太平洋海温偏高，呈现El Niño海温分布型。与此相应的是，南海、菲律宾海和西太平洋异常西风加强辐合 (图 3b)。增强的异常西风产生强的正涡度切变，产生异常气旋性环流，从而增强季风槽。热带中东太平洋的增暖会导致异常的对流加热，根据Gill原理^[28]，在对流的西侧, 即西北太平洋低空激发异常气旋性Rossby波，高空为反气旋性环流异常 (图略)，使西北太平洋上升运动加强，上升区在西北太平洋地区加强 (图 3c)，同时, 东风切变也增强 (图 3d)。Zhang等^[29]和Li等^[30]研究指出，西北太平洋对流层低层的大气环流对El Niño和La Niña具有不对称响应。

图 2

图 2. 1958—2011年南海夏季风强度以及TWPI标准化时间序列 (水平的实线和虚线分别为南海夏季风和TWPI 3个年代平均) Fig 2. Standardized time series of the South China Sea summer monsoon intensity and the TWPI (horizonal solid line and dashed line denote two series average in 3 different interdecadal background year)

图 3

图 3. TWPI强年与弱年夏季物理量合成偏差分布 (阴影表示达到0.05显著性水平) (a) 海温 (单位：K)，(b)850 hPa风场 (矢量) 和700 hPa水汽 (等值线，单位：g·kg-1)，(c)5°~20°N垂直环流剖面 (纬向风单位：m·s-1，垂直速度单位：10-2 Pa·s-1)，(d)135°~175°E纬向风 (单位：m·s-1) Fig 3. The composite differences between strong and weak years of TWPI (the shaded denotes passing the test of 0.05 level) (a) sea surface temperature (unit:K), (b)850 hPa wind (the vector) and 700 hPa specific humidity (the contour, unit: g·kg-1), (c) vertical circulation averaged over 5°-20°N (unit of zonal wind:m·s-1, unit of vertical velocity:10-2 Pa·s-1), (d) the zonal wind averaged over 135°-175°E (unit:m·s-1)

本文也分别合成了El Niño期间和La Niña期间大气环流异常分布 (图略)，发现El Niño发展当年夏季, 西北太平洋对流层低层的异常气旋性环流要比La Niña发展当年夏季对应的异常反气旋性环流显著，可以解释图 2中TWPI强度指数在El Niño发展当年夏季比在La Niña年显著的原因。此外，西太平洋地区对流最活跃、热带气旋活动最频繁，同时，许多ISO扰动在这里形成，ISO扰动也总会在该区域达到最强^[31-32]。在El Niño年，西北太平洋发生热带气旋的频率要大很多^[33]，其生命期也更长^[34]。同时，强的海气相互作用也是产生ISO的动力机制，其中风-蒸发反馈机制与背景环流有密切关系，当夏季背景环流为异常气旋性环流时，风-蒸发反馈机制会增强ISO，反之，则减弱ISO^[35-36]。在El Niño发展当年夏季，热带西北太平洋异常西风导致的气旋性环流通过风-蒸发反馈机制有利于TWPI增强。因此，El Niño发展当年夏季热带西北太平洋异常增强的西风以及风-蒸发反馈机制均有利于TWPI增强，加深季风槽，从而增强南海夏季风强度，反之，在La Niña发展当年夏季，TWPI减弱，南海夏季风强度减弱。将TWPI增强年份ISO活跃期和不活跃期进行超前滞后10 d合成 (活跃期和不活跃期分别指西太平洋对流ISO超过和低于1个标准差对应的时段)，当ISO处于活跃期时，有异常气旋性环流由西往东、自南向北移动；当ISO处于非活跃期时，有异常反气旋性环流由西往东、自南向北移动 (图略)。Wang等^[36]指出，只要是夏季季风环流，云辐射-SST反馈机制均可以为ISO提供有利的再生机制。因此，当ISO活跃时，将进一步增强背景异常气旋性环流，有利于季风槽向东扩展加强，增强南海夏季风；当ISO不活跃时，云辐散-SST反馈机制通过潜热和短波辐散抑制异常反气旋发展，最终将其转化为异常气旋环流，南海夏季风强度增强。在TWPI减弱年份，背景环流为异常反气旋性环流，不利于ISO发展，季风槽得不到加强，南海夏季风强度减弱。

为了进一步验证这个观点，给出影响南海夏季风强度的关键区0°~20°N，135°~175°E夏季TWPI强年和弱年对应的温度、水汽、湿静力、位温、垂直速度、散度、相对湿度以及水汽通量散度面积平均曲线随高度变化的差值分布 (图 4)。图 4显示，TWPI强年，低层温度偏高、高层偏低，假相当位温随高度递减，表明静力稳定度要弱。同时，低层辐合、高层辐散，垂直上升运动增强。水汽异常偏多，水汽输送更强。对南海区域做同样的垂直分布图 (图略)，得到相似的结果。即伴随着低层异常西风和气旋性环流加强，垂直运动加强，水汽对流加强，TWPI得以增强，进而导致南海夏季风强度偏强。反之，南海夏季风强度偏弱。

图 4

图 4. 夏季影响南海夏季风强度的关键区 (0°~20°N，135°~175°E) 10~30 d振荡对应的温度、水汽、湿静力、位温、垂直速度、散度、相对湿度以及水汽通量散度距平随高度变化 Fig 4. Anomalies of temperature specific humidity, moist static energy, equivalent potential temperature, vertical velocity, divergence, relative humidity, and moisture flux convergence averaged over the key activity region (0°-20°N, 135°-175°E)

1976年以及1994年是大气环流年代际转折的两个重要年份，本文将1958—2011年分为1958—1976年、1977—1993年和1994—2011年3个时间段讨论热带TWPI与南海夏季风强度指数的相关关系。图 2显示，在这3个不同年代际背景下，TWPI并未表现出明显的年代际变化，主要是略弱、略强以及略弱的变化。相比之下，南海夏季风强度的年代际变化更明显，主要是偏强、略弱和较弱。由图 2还可以看到，除第3阶段外，其余两个阶段TWPI与南海夏季风强度变化趋势相反。不同的是，在这3个不同年代际背景下，两者间的年际相关关系仍正相关，分别为0.56，0.52和0.80。与总体相关系数0.635相比，前两个阶段两者间的相关降低，第3阶段增加。由此猜测，第1和第2阶段，两者的年际相关降低可能是两者在两个阶段的年代际变化趋势相反而导致，第3阶段两者的年际相关增加也是由于两者的年代际变化趋势一致所致。因此，两者间的年际联系可能是受其年代际变化趋势的影响，而背景环流年代际的变化起了一定调节作用，仍需要进一步探讨。

研究表明，北半球夏半年的季节内振荡增强、向北传播的大气内部动力学机制有两方面：第一是季风区流场的高低层切变，第二是水汽-对流反馈机制^[37]。风场的高、低层垂直切变的影响如图 5所示 (200 hPa减去850 hPa)。由图 5可知，第1阶段热带西北太平洋有较强的垂直切变，但显著性不强，而该时期TWPI却总体偏弱。第2阶段热带西北太平洋区域的垂直切变仍然略强，但仍不显著，相应地，TWPI为总体略强。第3阶段热带西北太平洋区域为显著的减弱的垂直切变，TWPI总体变弱。此外，在这3个不同阶段，南海区域的垂直切变与热带西北太平洋区域一致 (图 5)，TWPI变化与南海夏季风强度在不同年代际上变化趋势不完全一致，说明垂直切变会影响TWPI的年代际变化，但不能决定南海夏季风强度的年代际变化。

图 5

图 5. 在3个不同年代际背景下夏季风场垂直切变距平分布 (单位：m·s-1，阴影表示达到0.05显著性水平，矩形框分别代表南海和热带西太平洋区域) Fig 5. Composite differences of wind vertical shear anomaly in three different interdecadal background years (unit:m·s-1, the shaded denotes passing the test of 0.05 level, rectangles denote the South China Sea and the tropical western Pacific)

从水汽-对流条件 (图 6) 看，第1阶段静力稳定度强，不利于对流发展，垂直上升运动弱，水汽异常偏少，水汽输送较弱。因此，该阶段大气环流的异常使TWPI总体减弱。第2阶段虽然静力稳定度仍略强，但低层辐合、高层辐散引起的垂直上升运动增强，水汽辐合增强。这种条件有利于TWPI总体增强。第3阶段静力稳定度减弱，而低层辐散、高层辐合增强，垂直上升运动减弱，水汽辐合减弱，由此TWPI总体减弱。综合风场垂直切变和水汽-对流条件看，第1阶段虽然垂直切变略强，但水汽-对流异常偏弱，而该时期TWPI总体偏弱，由此可知，该时期水汽-对流条件起主导作用。与第1阶段相反，第2阶段与垂直切变的增强相伴随的也是水汽-对流异常增强，该时期TWPI总体略强。与第2阶段相似，第3阶段异常减弱的垂直切变和水汽-对流对TWPI的减弱起重要作用。但南海夏季风强度的年代际总体变化却与水汽对流的年代际总体变化不完全一致，表明南海夏季风强度的年代际总体变化也不取决于水汽对流条件的年代际总体变化。

图 6

图 6. 夏季影响南海夏季风强度的关键区 (0°~20°N，135°~175°E) 10~30 d振荡对应的温度、水汽、湿静力、位温、垂直速度、散度、相对湿度以及水汽通量散度距平在3个不同年代际背景下随高度变化 Fig 6. Anomalies of temperature, specific humidity, moist static energy, equivalent potential temperature, vertical velocity, divergence, relative humidity and moisture flux convergence averaged over the key activity region (0°-20°N, 135°-175°E) in three different interdecadal background years

由以上分析可知，不同年代际背景下垂直切变和水汽-对流条件的变化会影响TWPI的年代际变化。但TWPI与南海夏季风强度的年代际总体变化趋势并不完全一致，即影响TWPI的年代际变化的因子并不是影响南海夏季风强度的年代际变化的主要因子。由此表明，TWPI的年际变化可以影响季风强度的变化，但其年代际变化并不能影响季风强度的变化。季风是海陆热力差异对比造成的大气环流现象，南海夏季风强度的年代际减弱主要由低层风的偏南分量显著减弱所致^[13-14]。由此，需要分析大气环流与海温在这3个年代际阶段如何变化。由图 7可知，第1阶段海温整体偏冷，此时大陆是总体偏暖 (图略)，海陆热力对比较强。在海陆热力对比差异强的作用下，南半球80°~120°E范围的越赤道气流较气候平均场偏强，这种强的异常越赤道气流有利于低层风的偏南分量的向北输送，南海夏季风强度是总体偏强。第2阶段大陆转为偏冷 (图略)，海洋冷异常减弱，海陆热力对比减弱，因此，南海到大陆为异常偏北风。南半球80°~120°E范围的越赤道气流也较气候平均场弱，由此削弱了低层经向风的向北输送，从而导致南海夏季风强度减弱。第3阶段大陆表面的冷异常减弱，对流层降温异常明显 (图略)，海洋增温异常显著，海陆热力对比进一步减弱，南半球80°~120°E范围的越赤道气流也较气候平均场更弱，因此，该阶段南海夏季风强度最弱。

图 7

图 7. 夏季海温场 (等值线，单位：K) 和850 hPa风场 (矢量) 在3个不同年代际背景下距平分布 (阴影表示达到0.05显著性水平, 矩形框分别代表南海和热带西太平洋区域) Fig 7. Anomlies of sea surface temperature (the contour, unit:K) and 850 hPa wind (the vector) in three different interdecadal background years (the shaded denotes passing the test of 0.05 level, rectangles denote the South China Sea and the tropical western Pacific)

总而言之，风场的垂直切变和水汽对流条件的年代际总体变化对TWPI年代际总体变化趋势起重要作用，但对南海夏季风强度的年代际总体变化影响不大。而海陆热力对比的年代际总体变化是影响南海夏季风强度的年代际总体变化主要因素。

本文采用NCEP/NCAR再分析资料，探讨热带西太平洋夏季对流10~30 d振荡强度指数 (TWPI) 对南海夏季风的影响，得到以下主要结论：

1) 在年际变化尺度上，TWPI与南海夏季风强度有很好的正相关关系。在TWPI增强年份，南海周边区域增强的异常西风产生强的正涡度切变，为季风槽的增强提供了大量的热量和水汽，从而增强南海夏季风强度；反之，TWPI减弱年份，南海夏季风强度减弱。

2) 在不同年代际背景下，TWPI并未表现出明显的年代际变化趋势，呈略弱 (1958—1976年)、略强 (1977—1993年) 及略弱 (1994—2011年) 的变化。相比之下，南海夏季风强度的年代际变化趋势要明显得多，呈偏强、略弱和较弱变化。

3) 在不同的年代际背景下，风场垂直切变和水汽-对流的年代际总体变化是影响TWPI年代际总体变化的重要因子，但不能影响南海夏季风强度的年代际总体变化。海陆间的热力对比年代际总体变化导致了南海夏季风强度的年代际总体变化。

以上是统计诊断的初步结果，进一步了解两者间的年代际的联系还需借助数值模式。