南海夏季風(fēng)建立的氣候特征分析

南海夏季風(fēng)建立的氣候特征分析

1南海夏季風(fēng)氣候特征的年代際變化中國的夏季風(fēng)最早出現(xiàn)在南海。隨著大陸夏季風(fēng)的消失，夏季風(fēng)在南海持續(xù)了很長一段時間。南海夏季風(fēng)的建立、維持和撤退與我國大陸夏季風(fēng)的演變有很密切的關(guān)系。長期以來由于觀測資料的匱乏,有關(guān)南海夏季風(fēng)的研究很少見到,所發(fā)表的研究成果往往也因?yàn)榈貌坏劫Y料的證實(shí)而不受重視。1980年代以來,尤其是近幾年隨著南海地區(qū)觀測站的加密、各種全球再分析氣象資料在研究中的應(yīng)用以及“南海季風(fēng)試驗(yàn)”的開展,我國許多氣象工作者對南海夏季風(fēng)的建立過程進(jìn)行了多方面的研究,取得了許多很有意義的研究成果。本文使用NCEP1958～1997年40年逐日12層再分析的格點(diǎn)氣象資料對南海夏季風(fēng)的氣候特征進(jìn)行分析,分析時間尺度是5天(候)。分析工作分兩部分,一部分是年代尺度的氣候特征分析,另一部分為四十年氣候特征分析。分析結(jié)果表明,南海夏季風(fēng)建立過程氣候特征的年代際變化較大,而30年以上的氣候特征則較穩(wěn)定。我們曾把40年的氣候特征中任何30年的氣候特征作比較,發(fā)現(xiàn)均十分相似。下面將簡單介紹40年氣候特征分析的結(jié)果,年代尺度的氣候特征分析結(jié)果將在本文第Ⅱ部份給出。2西太平洋副熱帶高壓東南風(fēng)后南海地區(qū)的風(fēng)力演變南海的夏季風(fēng)屬熱帶西南季風(fēng),它非常暖濕,且最大風(fēng)速中心位于對流層低層,而上空對流層高層是東風(fēng)帶。我們用對流層低層850hPa上暖濕的西南風(fēng)來定義南海的夏季風(fēng)區(qū),這所指的暖濕的西南風(fēng)其θse(假相當(dāng)位溫)必須大于335°K,風(fēng)速不小于2m/s。南海夏季風(fēng)的建立被定義為南海海域(105～120°E,5～20°N)一半以上面積為夏季風(fēng)所控制的初始時刻。圖1是40年平均南海地區(qū)夏季風(fēng)建立過程。由圖可見,在5月第4候之前,850hPa上南?；救员晃魈窖蟾睙釒Ц邏旱奈鱾?cè)所控制,大部份地區(qū)盛行東南風(fēng),在南海北部的部分區(qū)域盛行西南風(fēng),其中115°E以東為副高北側(cè)的副熱帶西南風(fēng),它不那么暖濕,沒達(dá)到我們定義的夏季風(fēng)標(biāo)準(zhǔn),在115°E以西的西南風(fēng)比較暖濕,雖達(dá)到我們的夏季風(fēng)標(biāo)準(zhǔn),但范圍很小,這種西南風(fēng)正如李崇銀等所指出的:“來自孟加拉灣,是印巴地區(qū)的強(qiáng)西北氣流轉(zhuǎn)向而成的”,轉(zhuǎn)向之后在南海北部與華南地區(qū)融入副高北側(cè)副熱帶的西南風(fēng),與南海夏季風(fēng)的主體——熱帶西南季風(fēng)很不相同,其上空為西風(fēng)帶(圖略)。在5月第4候,西太平洋副熱帶高壓突然東移撤出南海,南海大部分地區(qū)由東南風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌睗竦奈髂巷L(fēng)即夏季風(fēng),其面積超過了南海海域的一半,按照定義5月第4候南海地區(qū)季風(fēng)建立了。這與李崇銀等用11年對流層高層和對流層低層散度差構(gòu)成的季風(fēng)指數(shù)、劉霞等用OLR和緯向風(fēng)資料、羅會邦用18年平均的CMAP降水資料以及金祖輝用15年TBB資料定義的南海地區(qū)夏季風(fēng)平均建立日期十分一致。南海地區(qū)夏季風(fēng)建立之后十分穩(wěn)定,一直維持到9月份。不難看出,南海地區(qū)夏季風(fēng)的建立是爆發(fā)式的,只在一候之內(nèi)即可建立。而且這種“爆發(fā)”十分穩(wěn)定,在40年的平均圖上仍表現(xiàn)得很清楚。從9月上旬開始南海的夏季風(fēng)開始自北向南后撤,后撤得十分慢,10月第4候東北季風(fēng)(冬季風(fēng))在南海建立(圖略),冬季風(fēng)的建立不具有爆發(fā)性。3從西南風(fēng)對南海形成的過程中看,其符合設(shè)立南?？茖W(xué)中心和區(qū)域內(nèi)三大風(fēng)場的特征,從一個月利用NCEP40年平均逐候12層風(fēng)的資料我們制作并分析了東亞地區(qū)各層流場、亞洲南部地區(qū)多個緯度和經(jīng)度緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)的緯度高度剖面以及經(jīng)度高度剖面,結(jié)果發(fā)現(xiàn)南海夏季風(fēng)的建立與孟加拉灣西南季風(fēng)有密切關(guān)系,它是孟加拉灣西南季風(fēng)爆發(fā)性的發(fā)展和東移的結(jié)果。南亞地區(qū)對流層低層60～90°E的赤道西風(fēng)從4月中旬開始發(fā)展,此時由于阿拉伯海、孟加拉灣和南海均為反氣旋環(huán)流所控制,850hPa上在10°N附近是東風(fēng)帶,赤道西風(fēng)維持在近赤道地區(qū),4月第3候西進(jìn)到蘇門答臘地區(qū),第5候到達(dá)南海南部5°N以南地區(qū),風(fēng)速很小(2m/s以下),達(dá)不到我們所定義的夏季風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)。由于受西風(fēng)帶快速北撤的影響,從4月第6候至5月第1候,位于高原附近阿拉伯海北部繞流的西北氣流突然加強(qiáng),這種加強(qiáng)幾乎是爆發(fā)式的,加強(qiáng)后的西北氣流一股南下并入60～90°E的赤道西風(fēng)區(qū),使它迅速北擴(kuò)和加強(qiáng)(西風(fēng)帶南部在這段時期變化不大),另一股則在南下時通過孟加拉灣的中部和北部,由于受西太平洋副高脊西北面西南氣流的影響,這兩股氣流在通過孟加拉灣時都變成了西南風(fēng)造成孟加拉灣西南季風(fēng)的爆發(fā)。我們認(rèn)為孟加拉灣是亞洲西南季風(fēng)最早建立的地方,這和吳國雄等用1998年資料所分析的結(jié)果十分一致。孟加拉灣西南季風(fēng)建立后,便開始向東、向西和向高空發(fā)展,圖2是40年平均5月第1候至第6候沿10°N西南風(fēng)的垂直剖面。從圖上可以看出,從5月第1候至第3候,孟加拉灣的西南季風(fēng)發(fā)展比較緩慢,但從5月第3候至第4候出現(xiàn)了戲劇性的發(fā)展,它向東越過中南半島控制了南海的大部分,向高空從700hPa附近一直擴(kuò)展到了400hPa附近。從多個垂直剖面看南海和孟加拉灣地區(qū)的西南季風(fēng)是一個系統(tǒng),它只有一個風(fēng)速高值中心,而這個中心始終位于孟加拉灣東部上空的對流層低層。從這個發(fā)展演變過程不難看出,南海地區(qū)夏季風(fēng)的建立就是這次孟加拉灣的西南季風(fēng)爆發(fā)性發(fā)展的結(jié)果,因此南海夏季風(fēng)的建立也是爆發(fā)性的。陳隆勛等根據(jù)1998年資料對南海夏季風(fēng)爆發(fā)的環(huán)流特征進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)南海夏季風(fēng)建立時的西南風(fēng)由南海越赤道氣流和孟加拉灣西南風(fēng)共同組成。我們仔細(xì)分析了40年平均4月和5月各候南海及其鄰近地區(qū)多個經(jīng)度經(jīng)向風(fēng)的緯度高度剖面,發(fā)現(xiàn)40年平均情況與1998年很不相同,南海夏季風(fēng)的建立與南海及其鄰近地區(qū)來自南半球的越赤道氣流沒有明顯的關(guān)系。圖3是40年平均5月第1候至第6候沿115°E經(jīng)向風(fēng)分量的垂直剖面。將圖3結(jié)合沿115°E西風(fēng)分量的垂直剖面(圖略)可以看出5月第1候華南地區(qū)有一個西南風(fēng)的風(fēng)速高值中心,高度在850hPa左右,赤道南面對流層低層有一個東南風(fēng)區(qū),風(fēng)速高值中心在900hPa左右,南海上空亦為一個東南風(fēng)區(qū),但和赤道南面的東南風(fēng)區(qū)沒有聯(lián)系,明顯屬兩個系統(tǒng),直至5月第4候南海夏季風(fēng)爆發(fā),南海上空800hPa以下為西南風(fēng)所控制。第5候和第6候南海夏季風(fēng)有所加強(qiáng),但赤道南面的東南風(fēng)區(qū)仍無變化。華南地區(qū)的西南風(fēng)雖然在第5候減弱,但第6候又恢復(fù),總的來說變化也不大。從對流層低層三層(850hPa、925hPa、1000hPa)5月份逐候流場分析來看,南海季風(fēng)爆發(fā)與南海及其鄰近地區(qū)以南的過赤道氣流關(guān)系不大,主要因?yàn)檫@段時間在這個區(qū)域赤道以南地區(qū)有一個較強(qiáng)的東風(fēng)帶(圖略)。4南海季風(fēng)雨的建立劉嘉銘等利用衛(wèi)星觀測估算得到的全球候平均降水指數(shù)GPI,以候平均降水量達(dá)到6mm/day作為季風(fēng)雨帶的北界,作出季風(fēng)雨帶在亞洲季風(fēng)區(qū)的推進(jìn)圖(圖略),該圖表明南海季風(fēng)雨季和夏季風(fēng)建立也是爆發(fā)性的,僅1候的時間,6mm/day的等雨量線便從南海南部推進(jìn)到南海的北部。我們用NCEP的再分析格點(diǎn)資料畫出南海地區(qū)及其鄰近地區(qū)40年平均逐候的降水量圖。從4月第4候至5月第2候南海地區(qū)降水量分布變化不大,北部和中部地區(qū)在2～4mm/day之間,南部在4～6mm/day之間。圖4是40年平均5月第3候至第4候南海及其鄰近地區(qū)的候平均降水量。在南海季風(fēng)爆發(fā)前南海及其鄰近地區(qū)主要有三個雨帶,一個是華南前汛期雨帶中心位于華南地區(qū),一個位于赤道附近的ITCZ雨帶,另一個中心位于中南半島的季風(fēng)槽雨帶,這在圖4a上看得很清楚。從5月第2候至第3候南海降水量開始明顯增加,南海北部、中部和南部的西南地區(qū)增至4～6mm/day之間,南部的東北部則增至6～8mm/day之間,達(dá)到了劉家銘等定義的季風(fēng)雨標(biāo)準(zhǔn),但總面積很小(圖4a)。5月第3候至第4候南海降水量繼續(xù)增加,南海北部的一部份地區(qū)、南海中部和南海南部的東北部全部增至6mm/day以上,南海大部份已達(dá)到季風(fēng)雨標(biāo)準(zhǔn),南海季風(fēng)雨的形勢一直維持至5月第6候?？梢钥闯鲇煤蚱骄邓?mm/day來定義南海季風(fēng)雨季的建立是可行的。它與南海夏季風(fēng)正好同時建立,即是5月第4候建立。建立以后能維持一段時間。南海季風(fēng)雨季不象夏季風(fēng)建立那樣具有爆發(fā)性,明顯的增長期至少可維持二個候而不是一個候。需要指出的是:(1)在南海季風(fēng)雨季建立前和建立期間,南海北部一直有一個相對少的雨帶,其降雨量達(dá)不到季風(fēng)雨的標(biāo)準(zhǔn)。(2)從氣候的角度來看,很難將南海季風(fēng)雨與某種環(huán)流系統(tǒng)相聯(lián)系。從圖4b可以看出它不單與具有鋒面降水性質(zhì)的華南前汛期雨帶之間有一個相對少雨帶,它與南面ITCZ降雨帶之間也有一個類似的少雨帶,顯然它與這二個系統(tǒng)都沒有什么聯(lián)系。它與位于中南半島的季風(fēng)槽雨帶也看不出有什么聯(lián)系,尤其是6月份,南海地區(qū)不單北邊、南邊連西邊也出現(xiàn)一個南北向的少雨帶。從某種角度來看,南海降水體系彷佛是自成一統(tǒng)的。(3)南海季風(fēng)雨季的建立除了與南海夏季風(fēng)密切相關(guān)外,可能還與南海地區(qū)對流活動的發(fā)展有關(guān)。如前所述,金祖輝用標(biāo)志對流活動發(fā)展的TBB資料來定義南海夏季風(fēng)爆發(fā)效果也十分好,我們對南海地區(qū)4-6月逐候1000hPa溫度場演變進(jìn)行仔細(xì)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在南海季風(fēng)建立前半個月內(nèi)南海區(qū)域的1000hPa溫度提高了1℃(從27.5℃升至28.5℃),高溫中心在南海中部。顯然,這對對流及降水的發(fā)展都是十分有利的。5副熱帶高壓北移與南海夏季風(fēng)南海夏季風(fēng)建立期間高低空環(huán)流形勢發(fā)生了急速的變化,而這些變化對東亞地區(qū)夏季環(huán)流的建立有很大貢獻(xiàn)。如前所述,在南海地區(qū)對流層中低層直至5月第3候一直為西太平洋副熱帶高壓所控制,到5月第4候在南海夏季風(fēng)建立同時,西太平洋副高迅速撤出南海。圖5是40年平均西太平洋副熱帶高壓500hPa上5870線西脊點(diǎn)位置從5月第1候至第6候的逐候變化,西脊點(diǎn)于3月底自東向西移入南海,直至5月第3候南海地區(qū)一直為副高西側(cè)所控制,盛行東南風(fēng)。從圖可看出,5月第3候至第4候西脊點(diǎn)爆發(fā)式地向東移出南海,東移的距離多達(dá)14個經(jīng)度左右。從40年平均來看,副高在北進(jìn)過程中一共只有兩次大的東移,另一次是從7月第5候至第6候,西脊點(diǎn)從我國大陸東移至日本附近,這次東移的距離比5月要小,只有10個經(jīng)度左右,但移動也是爆發(fā)式的。副高這兩次東移與我國夏季風(fēng)進(jìn)退的關(guān)系十分密切,我們曾用NCEP14年再分析的格點(diǎn)氣象資料(1983～1996年)對此進(jìn)行過分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在副高第一次東移后,隨著南海夏季風(fēng)爆發(fā),我國大陸的夏季風(fēng)開始北進(jìn),而在副高第二次東退以后,我國夏季風(fēng)開始南撤。在南海夏季風(fēng)建立期間,對流層高層環(huán)流形勢變化也是十分明顯,圖6是40年平均5月第1候至第6候200hPa西太平洋副熱帶高壓中心位置逐候變化。從圖上可以看出,在5月第2候,高壓中心從中南半島東南面的海洋上空西移到中南半島南部泰國附近,并開始迅速北移,從5月第2候到南海夏季風(fēng)建立第4候,由14°N附近移到19°N附近,北移了5個緯距,這也是副熱帶高壓北移得最快的一段時期。對流層高層副熱帶高壓的快速北移使得南海上空的東風(fēng)帶迅速向北推進(jìn),在5月第1候200hPa上南海東風(fēng)帶還在10°N以南,可到了南海夏季風(fēng)建立時已推進(jìn)到18°N附近。也就是南海上空對流層高層在南海夏季風(fēng)建立時已基本上為東風(fēng)帶所控制,這種情況一直持續(xù)到10月份。很明顯,低空西南風(fēng)而高空為東風(fēng),所以南海夏季風(fēng)始終是熱帶季風(fēng)。6區(qū)域空氣環(huán)境變化對副熱帶的影響綜上所述,南海夏季風(fēng)建立時期,高低空環(huán)流都有很明顯的急速變化,這變化不單與南海夏季風(fēng)建立有密切關(guān)系,還是東亞大氣環(huán)流從冬季形勢轉(zhuǎn)為夏季形勢的重要標(biāo)志。歸根結(jié)蒂,南海夏季風(fēng)爆發(fā)的主要原因正如張永生等所指出的:是青藏高原及其鄰近地區(qū)加熱作用和動力作用的結(jié)果。從定性分析不難看出,如果沒有青藏高原及其鄰近地區(qū)的加熱作用,5月份的對流層低層反氣旋環(huán)流可能會維持在阿拉伯海、孟加拉灣和南海地區(qū),5月第4候不會因反氣旋環(huán)流消失而導(dǎo)致南海夏季風(fēng)爆發(fā)。從4～6月,青藏高原每天以2～4℃的加熱率加熱其上空大氣,變幅很小,這就導(dǎo)致青藏高原上空對流層低層熱低壓迅速向四周和向高空發(fā)展,向南和向東、向西發(fā)展的結(jié)果就導(dǎo)致反氣旋環(huán)流在高原經(jīng)度范圍內(nèi)的消失,在5月第1候孟加拉灣和5月第4候南海反氣旋環(huán)流的消失,便是這種消失的發(fā)展過程。圖7是40年平均5月第1候至第6候850hPa上1480位勢米線的逐候變化。從4月開始隨著青藏高原及其鄰近地區(qū)近地面熱低壓發(fā)展,與其相應(yīng)的850hPa上的印度低槽南擴(kuò)和加深,可以看出低槽發(fā)展很快,特別從5月第3候至南海夏季風(fēng)建立的第4候，1480線難移了5個緯度，槽底從印度東北部移到了孟加拉灣中部，范圍也大大擴(kuò)大，促使孟加拉灣西南季風(fēng)的大發(fā)展、西太平洋副高的迅速東移和南海夏季風(fēng)的建立。青藏高原及其鄰近地區(qū)加熱作用對對流層高層副高由冬到夏的季節(jié)轉(zhuǎn)變有重大影響,我們曾用數(shù)值試驗(yàn)證明初夏對流層高層青藏高原上空副熱帶高壓中心的形成是青藏高原及其鄰近地區(qū)加熱作用的結(jié)果。在對流層高層從冬季形勢向夏季形勢轉(zhuǎn)變時,副熱帶高壓中心會從較冷的海洋上空移向較暖的大陸上空,200hPa上在北美洲其中心位置維持在20°N以南,中心在大陸西部,但亞洲地區(qū)與此很不相同。在亞洲大陸上空由于青藏高原及其鄰近地區(qū)加熱作用,副熱帶高壓中心位于30°N附近的青藏高原上空,這個位置在整個北半球副熱帶高壓中心中是最北的,而且這個副熱帶高壓單體也是最強(qiáng)大的。南海夏季風(fēng)建立正是處在這個中心從海上移到大陸上空并迅速北移的階段。副高的迅速北移使得中南半島及南海上空的東風(fēng)帶迅速向北推進(jìn),在5月第1候200hPa上,南海上空的東風(fēng)帶還在10°N以南,可到了南海季風(fēng)爆發(fā)時已推進(jìn)到18°N附近,但南海上空東風(fēng)風(fēng)速顯然比中南半島上空的要小,這樣南海和中南半島的高空就