彭思敏，李育 ，李依嬋

(蘭州大學a. 資源環(huán)境學院；b. 干旱區(qū)水循環(huán)與水資源研究中心，蘭州 730000)

0 引言

在所有環(huán)流系統(tǒng)中，季風表現(xiàn)出最顯著的季節(jié)變化，作為全球氣候系統(tǒng)的一個中心組成部分，其作用大到可以影響整個氣候系統(tǒng)[1]。季風的相應變化具有重大的科學和社會意義，它影響著全世界三分之二以上的人口[2]。因此，季風研究一直都是氣候變化研究的重點和熱點課題。

要客觀地表示季風的時空變化，就必須要定義一個季風指數(shù)來表征季風的強弱[3]，前人在這方面做了很多的研究。郭其蘊[4]使用110°～160°E與10°～50°N之間的海陸氣壓差來指示東亞夏季風的強弱，施能等[5-6]使用二次標準化處理改進了郭其蘊的方法,消去了均方差不均勻產(chǎn)生的不合理現(xiàn)象。Webster[7]用平均緯向風垂直切變值定義南亞季風指數(shù)，經(jīng)緯度范圍為5°～20°N和40°～110°E，高度范圍為850 hPa和200 hPa，陳樺等[8]則對Webster[7]的定義進行了修正，將高度范圍中的高層取為150 hPa～100 hPa。祝從文等[9]結(jié)合東西向110°～160°E之間的海陸氣壓差和0°～10°N之間的高、低層緯向風切變來定義東亞季風指數(shù)。張慶云等[10]從夏季東亞地區(qū)熱帶輻合帶和副熱帶輻合帶強度變化趨勢相反出發(fā)，用東亞熱帶地區(qū)和副熱帶地區(qū)的850 hPa緯向風距平差定義了能夠表征東亞夏季風環(huán)流系統(tǒng)變化的東亞夏季風指數(shù)?；?00 hPa位勢高度場EOF分析和東亞大槽的平均位置，崔曉鵬等[11]用500 hPa東亞大槽活動定義東亞冬季風指數(shù)。武炳義等[12]根據(jù)冬季北大西洋濤動指數(shù)與冬季西伯利亞高壓范圍的反相關(guān)關(guān)系，用西伯利亞高壓網(wǎng)格點數(shù)的變化，來反映東亞冬季風的強弱。湯懋蒼等[13]用青藏高原上四周點與中心點的逐月高度距平差值定義了高原季風指數(shù)。這些都是在區(qū)域季風研究上的重要成果。除了對區(qū)域季風定義的眾多研究，學者們在其變化及驅(qū)動機制上也做了大量的工作。青藏高原的抬升、ITCZ、海冰、ENSO和太陽活動等被認為是亞洲季風的驅(qū)動因素[14-15]。李吉均[16]利用地質(zhì)記錄和模擬試驗證明青藏高原的隆升影響亞洲季風的形成。Chao等[17]認為季風是ITCZ季節(jié)性遷移的表現(xiàn)。黃榮輝等[18-19]認為ENSO作為一個周而復始的循環(huán)，對于亞洲季風有巨大的影響。段長春[20]和李崇銀等[21]通過觀測研究發(fā)現(xiàn)太陽活動引起輻射強度的任何微小變化都會對天氣、氣候產(chǎn)生重要影響，如影響區(qū)域間水汽的蒸發(fā)和輸送情況，進而改變氣候環(huán)境。

20世紀末以來，隨著區(qū)域季風認識的深入，科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展應用，從全球尺度去認識季風開始增多[22]，推動了全球季風認識的發(fā)展。對于全球季風區(qū)劃分和季風降水變化的相關(guān)研究都在不斷地開展，不同的學者也從不同的角度定義了全球季風及其強度指數(shù)[22]。20世紀80年代，Webster[23]提出了一個普遍的季風定義，即冬夏風向和干濕程度分別出現(xiàn)季節(jié)性反轉(zhuǎn)和交替時則為季風。Trenberth等人[24]將全球季風定義為全球尺度下的大規(guī)模持續(xù)性的大氣翻轉(zhuǎn)。Chao等[17]認為季風出現(xiàn)在赤道輻合帶(Intertropical Convergence Zone, 簡稱ITCZ)偏離赤道10°以上時。李建平等[25]用標準化風場季節(jié)變率來定義全球季風，并且將全球季風區(qū)分為熱帶季風、副熱帶季風和溫寒帶季風。Wang等[26]定義當夏季和冬季的平均降水量差值大于300 mm，且年平均降水量大于55%時為全球季風，由此也劃分了全球季風的6個主要區(qū)域，即西非季風區(qū)、東亞季風區(qū)、北美季風區(qū)、南亞季風區(qū)、澳洲季風區(qū)及南美季風區(qū)。因此，前人對于全球季風指數(shù)的定義依然缺乏一個統(tǒng)一的標準[14]，主要的定義多是集中在“風”和“雨”上，以李建平和Wang為代表。

綜上所述，以往對于季風的研究多是將季風看作是一種區(qū)域的環(huán)流現(xiàn)象，通過單一地分析區(qū)域季風來認識其變化特征。每個學者用不同的方法定義區(qū)域季風指數(shù)，分析季風變化的驅(qū)動因素，探討其運行機理。雖然許多研究都討論了最近季風變化的問題，但已發(fā)表的研究成果大多集中在世界上的特定地區(qū)，并使用了不同的季風強度測量方法。但是現(xiàn)今全球氣候處于復雜變化中，季風是全球氣候系統(tǒng)的一個中心組成部分，因此對于季風研究更需要全球尺度上的變化特征和影響分析。鑒于目前對全球季風的定義并沒有統(tǒng)一的指標，但主要的工作都是以“風”和“雨”為出發(fā)點[14]。因此，從全球尺度出發(fā)，以李建平[25]和Wang[26]這2種全球季風定義方法為基礎，計算了全球季風區(qū)1964—2013年50年平均分布，對比2種結(jié)果的差異，并從全球尺度來研究季風強弱變化和季風區(qū)范圍的關(guān)系。最后根據(jù)Nio-3.4 SST指數(shù)、南方濤動指數(shù)、太陽黑子指數(shù)以及海冰數(shù)據(jù)1964—2013年時間序列圖，對不同季風強度下的氣候特征進行了初步探討，以此研究全球季風變化的機制，有利于對復雜的全球氣候變化進行預測。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的現(xiàn)代觀測數(shù)據(jù)包括經(jīng)向風、緯向風、降水、太陽黑子、Nio-3.4 SST、南方濤動和海冰。

1)風場數(shù)據(jù)來自美國國家環(huán)境預測中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)和國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)合作的NCEP/NCAR再分析項目[27]，該項目由美國國家海洋和大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)支持，美國國家環(huán)境預測中心負責設計再分析系統(tǒng)，國家大氣研究中心負責數(shù)據(jù)的收集。該數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)通過對地表、無線電探空儀、船舶、飛機和測風氣球等多種來源的觀測數(shù)據(jù)進行同化得到月平均風場再分析資料。經(jīng)向風、緯向風時間間隔為1964—2013年，分辨率為2.5°×2.5°，在垂直方向上從1 000 hPa到10 hPa共17層。

2)1901—2014年全球陸地表面月平均降水格點數(shù)據(jù)由University of Delaware從大量的監(jiān)測站收集并匯編而成，分辨率為0.5°×0.5°，只包括陸地數(shù)據(jù)。在本研究的計算中，夏季是指當年的6月、7月和8月，而冬季是指當年12月至次年的1月和2月。

3)太陽光球上周期性出現(xiàn)的暗斑點被稱為太陽黑子，是太陽活動最基本的標志。1964—2013年月平均太陽黑子數(shù)據(jù)從SILSO(太陽黑子指數(shù)與長期太陽觀測)獲得(http://www.sidc.be/silso/datafiles)。

5)南方濤動指數(shù)SOI[29]指的是塔西提島(Tahiti, 17°33′S, 149°37′W)與達爾文港(Darwin, 12°26′S, 130°52′E)的月平均海平面氣壓之差(Sea-level Pressure,SLP)，該數(shù)據(jù)可從美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的氣候預測中心(CPC)下載(http://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices)。

6)月平均海冰數(shù)據(jù)從美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)獲得。該數(shù)據(jù)是1850年至今全球月平均海面溫度和海冰密集度的組合，分辨率為1°×1°。

1.2 研究方法

1)首先利用李建平等[25]所完善的標準化風場季節(jié)變率(δ)計算出季風區(qū)的計算公式為：

(1)

(2)

式(2)中，當δ*>0時則代表該地區(qū)為季風區(qū)。

2)其次是利用Wan et al[26]定義的季風降水指數(shù)(MPI)來計算出季風區(qū)和季風指數(shù)。MPI的計算公式為

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同定義下的季風區(qū)

圖 1 850 hPa標準化風場季風變率定義下的1964—2013年全球季風區(qū)平均分布Figure 1 Average distribution of 850 hPa global monsoon region under the definition of the normalized seasonality of winds from 1964 to 2013

圖 2 季風降水定義下的1964—2013年全球季風區(qū)平均分布Figure 2 Average distribution of the global monsoon region under the definition of monsoon precipitation from 1964 to 2013

以標準化風場季節(jié)變率(δ)和季風降水指數(shù)(MPI)這2種主要的全球季風定義方法為基礎計算并繪制了全球季風平均分布圖(圖1、圖2)。

由李建平等[30]定義的標準化風場季節(jié)變率(δ)可以很好地描述風向的變化。由于δ的結(jié)果值以2為臨界值，為了方便，李建平等[25]用δ*>0(風向變化大于90°)作為季風區(qū)。用1964—2013年的NCEP/NCAR再分析月平均風場數(shù)據(jù)計算出了全球850 hPa的平均季風區(qū)分布，如圖1，由于風場數(shù)據(jù)格點較大，因此季風區(qū)分布比較粗糙。計算結(jié)果與李建平等[25]的結(jié)果基本相似，涵蓋了全球主要的季風區(qū)域，可分為熱帶季風區(qū)、亞熱帶季風區(qū)和溫帶季風區(qū)[25]。季風區(qū)主要位于熱帶地區(qū)及其周圍，且呈東西延伸分布，另外東半球的季風區(qū)面積大且集中，而西半球范圍小且分散，這可以從季風的形成原因進行分析。由于黃赤交角所引起的太陽輻射南北移動在熱帶地區(qū)表現(xiàn)為盛行風向的季節(jié)轉(zhuǎn)變，使得風場標準化季節(jié)變率在熱帶地區(qū)表現(xiàn)的尤為明顯，并與熱帶輻合帶的位置基本重合。其次，全球最大的大洋和大陸均主要位于東半球，海陸間的熱容差異不僅強度大,覆蓋范圍也更大，因此導致了更大范圍的風向季節(jié)偏轉(zhuǎn)。從圖1中還可以看出，與經(jīng)典季風區(qū)相比，在副熱帶的太平洋、北大西洋和印度洋上都存在明顯的季風區(qū)，并且在北半球也有小范圍的溫寒帶季風，這說明風向的顯著季節(jié)變化涵蓋的范圍比經(jīng)典季風更廣。由于一直以來人們將季風與干濕變化等同起來，傳統(tǒng)認識固化的原因，目前對于溫寒帶季風的研究相對較少且不深入[25]。溫寒帶季風不同于經(jīng)典季風，而是一種“偽季風”。經(jīng)典季風，如熱帶季風、東亞季風和北美季風等，其風向變化和天氣特征都具有明顯的季節(jié)性；但是溫寒帶“偽季風”，僅僅是具有風向的季節(jié)變化，天氣現(xiàn)象上并不存在。另外，在伊朗高原和帕米爾高原地區(qū)出現(xiàn)的顯著季節(jié)變率區(qū)實際是虛假的，因為那里的高度已經(jīng)超過850 hPa[30]。

季風降水釋放的潛熱驅(qū)動著熱帶環(huán)流的年變化，同時季風降水是全球水文循環(huán)中對人類和社會影響最大的關(guān)鍵參數(shù)[31]，用季風降水來定義全球季風區(qū)能夠?qū)夂蜃兓A測具有較為實際的意義。運用University of Delaware全球月平均降水格點數(shù)據(jù)，根據(jù)Wang[26]所定義的全球季風降水指數(shù)，計算出了1964—2013年50年的平均季風分布圖(圖2)。Wang[26]的季風區(qū)定義有2個標準：MPI>0.55;夏季平均降水量與冬季平均降水量的差值大于300 mm。第一個標準將季風氣候與赤道常年降水模式區(qū)分開來，赤道常年降水模式的年變化范圍相對于其年平均值更小，且雖然夏季降水量充足，但沒有顯著的季節(jié)變化；第二個標準區(qū)分除去了干旱和半干旱地區(qū)，這些地區(qū)的降水量有顯著的季節(jié)變化，但是夏季降水量不夠，因此沒有達到定義標準[31-32]。結(jié)果顯示，季風區(qū)主要在熱帶和副熱帶地區(qū)，且分布規(guī)則。在全球季風區(qū)中國東南地區(qū)出現(xiàn)的空白，主要是因為該地區(qū)其他季節(jié)的降水也占了全年降水的較大比重，無法達到定義要求。而海洋季風的缺失，是因為本研究所使用的數(shù)據(jù)為陸地降水數(shù)據(jù)。從圖2中可以很明顯地看到各主要季風區(qū)的輪廓和范圍，包括東亞季風區(qū)、南亞季風區(qū)、西非季風區(qū)、南美季風區(qū)、澳洲季風區(qū)以及北美季風區(qū)[26]，這些都是季風降水指數(shù)大于0.55且夏季平均降水量與冬季平均降水量差值大于300 mm的地區(qū)。

2.2 全球季風強度變化及其與季風區(qū)范圍的關(guān)系

季風的變化是復雜的，由于經(jīng)緯度位置、海陸位置和區(qū)域地形狀況的差異，使得區(qū)域季風的變化特征和機制不同，但是全球季風作為一種全球的、持續(xù)的大氣翻轉(zhuǎn)[24]，且使全球氣候產(chǎn)生了季節(jié)性的特征，其必然存在著一定的變化規(guī)律。以往的研究一般從區(qū)域季風的變化出發(fā)，分析與季風區(qū)范圍的關(guān)系。從整體和全球尺度出發(fā)，探討季風強度和季風面積之間的聯(lián)系。

注：其中實線代表全球季風指數(shù)，無量綱；虛線代表全球季風面積，單位為104 km2。 圖 3 標準化風場季節(jié)變率定義下1964—2013年全球季風指數(shù)與季風區(qū)面積變化的時間序列Figure 3 Time series of diagram of the Global Monsoon index and the area of monsoon region under the definition of the normalized seasonality of winds from 1964 to 2013

季風區(qū)面積的計算方法采用的是Zhou等人[33]定義的季風覆蓋指數(shù)，即風場和季風降水覆蓋的網(wǎng)格的總面積。不同的定義使得季風強度和面積數(shù)值不同，且風場定義的季風區(qū)使用的是全球數(shù)據(jù)，而降水定義的季風區(qū)只包含陸地數(shù)據(jù)，因此季風區(qū)面積數(shù)值也相差較大。結(jié)合圖3和圖4，可以發(fā)現(xiàn)，2種定義下的季風強度和季風面積都存在顯著的年際變化，且在1978—2013年間，全球季風強度在波動中呈減小趨勢，季風區(qū)面積呈增加趨勢，其中季風降水定義下的變化趨勢更為明顯。即當季風更弱時，相應的季風區(qū)面積會增大。

強、弱季風年交替出現(xiàn)，是全球季風年際變化特征之一。異常的強季風與異常的弱季風會影響季風區(qū)的分布，造成全球不同地區(qū)嚴重的洪澇和干旱災害，給各地區(qū)帶來巨大的生態(tài)環(huán)境破壞和經(jīng)濟損失。

注：其中實線代表全球季風指數(shù)，無量綱；虛線代表全球季風面積，單位為104 km2。 圖 4 季風降水定義下1964—2013年全球季風指數(shù)與季風區(qū)面積變化的時間序列Figure 4 The time series diagram of the Global Monsoon index and the area of monsoon region under the definition of monsoon precipitation from 1964 to 2013

圖 5 1964—2013年全球季風與Nio-3.4 SST指數(shù)、太陽黑子數(shù)和南方濤動指數(shù)時間序列Figure 5 Time series of diagram of Global Monsoon and Nio-3.4 SST Index,sunspot number and Southern Oscillation index from 1964 to 2013

2.3 全球季風強度的影響因素

表 1 2種全球季風指數(shù)與Nio-3.4 SST指數(shù)、太陽黑子數(shù)和南方濤動指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients tables between two global monsoon indices and Nio-3.4 SST Index, sunspot number and Southern Oscillation Index

注：*、**、***分別表示通過0.1、0.05、0.01水平顯 著性檢驗。

將通過0.1顯著性檢驗的二者之間認為存在較強相關(guān)關(guān)系，通過0.05顯著性檢驗的二者之間存在強相關(guān)關(guān)系，通過0.01顯著性檢驗的二者之間存在極強相關(guān)關(guān)系。結(jié)合圖5和表1可知，全球季風指數(shù)與Nio-3.4SST指數(shù)、南方濤動指數(shù)和太陽黑子指數(shù)之間具有以下關(guān)系：標準化風場季節(jié)變率定義下的季風指數(shù)與太陽黑子指數(shù)存在強正相關(guān)關(guān)系；與南方濤動指數(shù)SOI相關(guān)性較弱；與Nio-3.4SST指數(shù)存在較強正相關(guān)關(guān)系。季風降水定義下的季風指數(shù)與太陽黑子指數(shù)相關(guān)性較弱；與南方濤動指數(shù)SOI存在較強負相關(guān)關(guān)系；與Nio-3.4SST指數(shù)存在強正相關(guān)關(guān)系。從整體上看，2種季風指數(shù)對于3類氣候特征的響應一致，只存在相關(guān)性程度上的不同。ENSO是厄爾尼諾-南方濤動的簡稱，主要發(fā)生在熱帶的太平洋海域。ENSO事件作為熱帶地區(qū)特別是赤道地區(qū)海-氣相互作用最為突出和集中的反映，一旦發(fā)生，會產(chǎn)生全球的氣候異?，F(xiàn)象，從而使得世界各地出現(xiàn)嚴重的旱澇災害，損害工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[18]。因此，全球海洋和氣象學家非常重視ENSO事件特征和機理的研究。而種種研究都表明ENSO不僅僅是一種事件，而是一個周而復始的循環(huán)，這個循環(huán)對季風有嚴重影響[19]。太陽輻射是大氣和海洋運動的基本能量來源[34],觀測研究發(fā)現(xiàn)太陽活動引起輻射強度的任何微小變化都會對天氣、氣候產(chǎn)生重要影響[20-21]，如影響區(qū)域間水汽的蒸發(fā)和輸送情況，進而改變氣候環(huán)境。圖5中所反映的全球季風指數(shù)與厄爾尼諾和南方濤動的關(guān)系說明，當厄爾尼諾事件發(fā)生時，全球季風一般會增強，而當南方濤動加強時全球季風通常會減弱。以11年為周期的太陽黑子指數(shù)與降水定義的全球季風強度變化相關(guān)較弱，但與風場定義下的全球季風有明顯的正相關(guān)關(guān)系，說明太陽活動對季風依然有一定的影響。這主要在于太陽活動是通過改變到達地球太陽輻射量而間接影響季風，當太陽輻射強度改變時，會影響區(qū)域間的水汽輸送、氣壓水平和風向風力大小，從而使得季風產(chǎn)生強弱變化。

圖 6 季風強年與季風弱年的春季北極海冰密集程度差值 Figure 6 The difference of Arctic sea ice density in spring between monsoon’s strong year and weak year

考慮到溫寒帶偽季風對海冰的影響，這里只采用Wangetal[26]定義的季風指數(shù)。根據(jù)圖5，統(tǒng)計出全球季風較強的5個年份和較弱的4個年份：1980、1990、1991、2002、2012年為較強年份；1988、1964、1999、1984年為較弱年份，繪制出北極地區(qū)強季風年與弱季風年春季海冰密集程度差值圖。從圖6中可以看出，春季格陵蘭海海域和楚科奇海海域為負值，即在季風強年該海域海冰減少，而喀拉海和巴倫支海海域在季風強年海冰更加密集，相反，當春季格陵蘭海海域和楚科奇海海域海冰增加，喀拉海和巴倫支海海域海冰減少時，全球季風減弱。表明全球季風與格陵蘭海海域和楚科奇海海域的海冰密集程度變化趨勢相反，與喀拉海和巴倫支海海域的海冰密集程度變化趨勢相似。極地海冰的變化通過大氣與下墊面的熱量和水汽交換改變，以及反照率的改變而對大氣環(huán)流和氣候產(chǎn)生影響[35]。高緯度地區(qū)的海冰覆蓋不僅會影響局部地區(qū)的能量平衡，改變高緯環(huán)流，還會影響中低緯度的大氣環(huán)流，甚至對全球氣候產(chǎn)生影響。Horman等人[36]的研究指出極地冷源對高緯氣候變化具有響應，并通過環(huán)流的演變影響到低緯度的副熱帶地區(qū)甚至另一個半球。而黃士松等[35]從資料分析和數(shù)值模擬2方面研究北極海冰覆蓋對全球大氣環(huán)流和氣候產(chǎn)生的影響。根據(jù)北極地區(qū)強季風年與弱季風年春季海冰密集程度差值圖，發(fā)現(xiàn)當春季格陵蘭海海域和楚科奇海海域海冰減少，喀拉海和巴倫支海海域海冰增加時，全球季風增強，反之，則季風減弱，這正是海冰密集程度對大氣環(huán)流和全球氣候產(chǎn)生的影響。

3 結(jié)論

根據(jù)2種主流的全球季風定義方法(標準化風場季節(jié)變率和季風降水指數(shù))，使用NCEP/NCAR的月平均再分析風場數(shù)據(jù)和UniversityofDelaware匯編的全球月平均降水格點數(shù)據(jù)，計算了1964—2013年全球季風平均分布，對不同定義產(chǎn)生的結(jié)果進行了差異分析，并根據(jù)季風降水指數(shù)定義計算全球季風指數(shù)和季風區(qū)面積時間序列，探討了季風區(qū)范圍變化和季風強度的關(guān)系，最后，利用Nio-3.4SST指數(shù)、南方濤動指數(shù)和太陽黑子指數(shù)以及北極海冰場分析了不同季風強度下的氣候要素特征，主要結(jié)論是：(1)標準化風場季節(jié)變率定義下的季風區(qū)突破了傳統(tǒng)研究中將季風與干濕變化等同的概念，包含了熱帶季風區(qū)、亞熱帶季風區(qū)和溫寒帶季風區(qū)。季風降水定義的全球季風包括了六大季風區(qū)：東亞季風區(qū)、南亞季風區(qū)、西非季風區(qū)、南美季風區(qū)、澳洲季風區(qū)以及北美季風區(qū)。(2)全球季風指數(shù)和季風面積主要表現(xiàn)為一定的年際變化，在1978—2013年間，季風強度整體上呈現(xiàn)減弱的趨勢，季風面積呈增加趨勢。(3)Nio-3.4SST指數(shù)和太陽黑子指數(shù)與全球季風指數(shù)存在正向變化關(guān)系；季風強弱與北極海冰密集程度緊密相關(guān)，冰源強度改變熱量和水汽交換，不僅影響高緯度大氣環(huán)流，還對中低緯度甚至全球氣候產(chǎn)生影響。

本研究從全球尺度對季風的定義和時空變化特征進行分析，并對全球季風變化的影響因素進行了初步的探討。變化特征只是這一全球氣候系統(tǒng)中心組成部分的表面現(xiàn)象和規(guī)律，規(guī)律背后的產(chǎn)生機制才是問題的本質(zhì)。透過現(xiàn)象看本質(zhì)，反過來又利用本質(zhì)來預測現(xiàn)象，這一理論才是研究全球復雜氣候變化的必要基礎。因此，要弄清全球季風整體變化的驅(qū)動機制，必須進一步深入分析不同季風強度下大氣環(huán)流場(包括風場、位勢高度場、水汽輸送場)的變化情況，以及全球季風強度與季風降水的關(guān)系。