陳彥偉，鞏遠(yuǎn)發(fā)，姜潤(rùn)

(成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

1 引 言

我國(guó)位于典型的季風(fēng)氣候區(qū)，季風(fēng)對(duì)我國(guó)的天氣氣候具有顯著的影響，而南海是東亞夏季風(fēng)爆發(fā)的源地，東亞夏季風(fēng)先在南海地區(qū)爆發(fā)，而后才分別向西北和北方擴(kuò)展[1]。因此，有關(guān)南海夏季風(fēng)的研究歷來(lái)受到廣大氣象學(xué)家的重視。多年以來(lái)，氣象學(xué)者們利用不同的觀測(cè)資料從各種角度出發(fā)，對(duì)南海夏季風(fēng)進(jìn)行了大量的研究。從熱力學(xué)角度，陶詩(shī)言等[1]曾用季風(fēng)降水的多寡定義南海夏季風(fēng)爆發(fā)；江靜等[2]采用小波分析方法分析了南海地區(qū)降水的多時(shí)間層次和多空間層次結(jié)構(gòu)，確定了南海夏季風(fēng)爆發(fā)于5月中旬；陳隆勛等[3]利用OLR和TBB資料提出了一個(gè)指標(biāo)，用以判斷南海夏季風(fēng)爆發(fā)。從動(dòng)力學(xué)角度，Wang等[4]用110～120°E，5～15°N區(qū)域平均的850 hPa的緯向風(fēng)場(chǎng)U850來(lái)定義季風(fēng)爆發(fā);戴念軍等[5]利NCEP再分析850 hPa風(fēng)場(chǎng)資料，從夏季風(fēng)爆發(fā)到8月底結(jié)束，當(dāng)緯向風(fēng)速大于零時(shí)累加南海區(qū)域(105～120°E，5～20°N)各網(wǎng)格點(diǎn)的全風(fēng)速值，再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)值確定了1949—1998年南海夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)；李崇銀等[6]認(rèn)為基于南海夏季風(fēng)環(huán)流的最基本特征，用對(duì)流層上下層的散度差來(lái)描寫(xiě)南海夏季風(fēng)既能同時(shí)考慮緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)變化，又代表了其重要環(huán)流特征，具有較強(qiáng)的物理意義；賀海晏等[7]定義了一個(gè)風(fēng)場(chǎng)和高度場(chǎng)相結(jié)合的綜合指數(shù)IWH，當(dāng)IWH由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎担揖o隨正值第一候的間斷，即IWH為負(fù)值，不超過(guò)3候時(shí)，則取該正值第一候?yàn)槟虾釒Ъ撅L(fēng)建立時(shí)間，若間斷超過(guò)3候，則按照同樣原則考慮下一個(gè)正值候。從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的角度，吳尚森等[8]采用西南風(fēng)分量和OLR相結(jié)合的方法定義南海夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)；張秀芝等[9]利用風(fēng)場(chǎng)、高度場(chǎng)以及OLR資料，將南海夏季風(fēng)爆發(fā)定義為：850 hPa副熱帶高壓撤出南海，南海上空受西南風(fēng)控制，同時(shí)必須滿足索馬里或70～95°E越赤道氣流存在；200 hPa高壓環(huán)流控制中南半島，中心位置到達(dá)17.0°N以北，南海處于東北氣流控制之下；南海上空大范圍深對(duì)流出現(xiàn)。此外，關(guān)于南海夏季風(fēng)爆發(fā)的特征及其影響以及南海夏季風(fēng)爆發(fā)的機(jī)制已經(jīng)有大量的重要研究成果[10-23]。

綜上所述，關(guān)于南海夏季風(fēng)的研究已經(jīng)取得了一系列有意義的研究成果，但從中也可發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于南海夏季風(fēng)的研究，主要是側(cè)重于南海夏季風(fēng)的爆發(fā)、影響以及南海夏季風(fēng)爆發(fā)機(jī)制等方面，南海夏季風(fēng)也不僅是單純對(duì)流層低層風(fēng)場(chǎng)的季節(jié)性變化，也還包括對(duì)流層高層風(fēng)場(chǎng)的季節(jié)性變化，而關(guān)于南海夏季風(fēng)垂直方向上的結(jié)構(gòu)所做的研究比較少見(jiàn)，除朱偉軍等[24]曾提出南海夏季風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)具有風(fēng)從上至下呈東北風(fēng)-東南風(fēng)-西南風(fēng)分布外，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的熱力差異，但是并沒(méi)有對(duì)這一特征進(jìn)行深入的研究。

本文的研究目的是進(jìn)一步分析南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的變化特征，并探討南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)對(duì)中國(guó)夏季降水可能帶來(lái)的影響，為研究南海夏季風(fēng)對(duì)中國(guó)天氣氣候的影響提供參考依據(jù)。

2 資料與方法

本文所使用資料為美國(guó)NCEP/NCAR再分析月平均資料，覆蓋時(shí)段為1979—2018年，包括緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、垂直速度，分辨率為2.5°×2.5°。降水資料為NOAA提供的全球逐日降水資料(已經(jīng)處理為逐月降水資料)覆蓋時(shí)段為1979—2018年，水平分辨率為0.5°×0.5°。

研究方法主要有經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)展開(kāi)(EOF)、合成分析、顯著性檢驗(yàn)等方法。由于文章的目的主要是研究南海地區(qū)夏季低層西南風(fēng)-高層?xùn)|北風(fēng)的季風(fēng)環(huán)流垂直結(jié)構(gòu)變化，因此基于圖1的氣候平均，不考慮赤道和20°N近地面附近的弱東風(fēng)影響，選定的南海區(qū)域?yàn)?10～120°E，5.0～17.5°N，夏季為6—9月的平均。

3 南海夏季風(fēng)的氣候特征

3.1 南海夏季風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)

圖1是1979—2018年氣候平均的夏季緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)及其矢量場(chǎng)沿110～120°E平均的垂直剖面圖，夏季南海緯向風(fēng)(圖1a)在垂直方向上具有明顯的分布差異，以700～500 hPa為界，以下為西風(fēng)，以上為東風(fēng)；與此同時(shí)，夏季南海經(jīng)向風(fēng)(圖1b)也具有相似的分布特征，但南風(fēng)向上伸展的層次較西風(fēng)深厚，一直延伸到400～300 hPa之間。這清楚地表明，南海夏季風(fēng)盛行時(shí)，除了對(duì)流層中層500～400 hPa之間為東南風(fēng)過(guò)渡帶外，盛行風(fēng)在對(duì)流層中從低層到上層主要呈西南風(fēng)-東北風(fēng)的季風(fēng)環(huán)流垂直結(jié)構(gòu)變化(圖1c)。實(shí)際上南海夏季風(fēng)的這種垂直結(jié)構(gòu)有顯著的年際變化。例如：2020年、2018年的夏季，低層緯向西風(fēng)的平均高度可到400 hPa，而1998年、2010年等的夏季，低層緯向西風(fēng)的平均高度在南海南部?jī)H到850 hPa、南海北部也僅到700 hPa(圖略)。

通過(guò)上述的分析可知，南海夏季風(fēng)具有明顯的垂直結(jié)構(gòu)變化，下文將圍繞這一問(wèn)題展開(kāi)研究。

3.2 南海夏季風(fēng)指標(biāo)的選擇

季風(fēng)區(qū)通常伴隨著盛行風(fēng)向的轉(zhuǎn)變，因此，很多學(xué)者利用這一基本特征定義季風(fēng)的爆發(fā)。為了研究南海夏季風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)變化特征，首先需要選擇合適的指標(biāo)，圖2是南海夏季氣候平均的850 hPa和200 hPa風(fēng)場(chǎng)圖。從圖2a可看到，孟加拉灣西部為一個(gè)明顯印度(南亞)季風(fēng)槽，槽后的孟加拉灣為顯著的西南風(fēng)，中南半島到南海南部則盛行西風(fēng)，從中國(guó)廣西東南部(大致位于105°E，17.5°N)到南海南部(大致在120°E，5°N)出現(xiàn)了一個(gè)較明顯的西風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)的風(fēng)速切變現(xiàn)象，即有較明顯的南海季風(fēng)槽出現(xiàn)，揭示了南海熱帶季風(fēng)的盛行；在西北太平洋海面上為反氣旋式的西太平洋副熱帶高壓，副高西南側(cè)的東南氣流在臺(tái)灣到菲律賓一帶與南海東部的西南氣流匯合進(jìn)入華南沿岸，并向北推進(jìn)到40°N附近。200 hPa上(圖2b)，整個(gè)亞洲地區(qū)被南亞高壓控制，在25°N以南地區(qū)，西太平洋副熱帶地區(qū)、中國(guó)南海和中南半島的孟加拉灣都盛行強(qiáng)大的東北風(fēng)。

圖3是南海850 hPa高度上氣候平均的候平均緯向風(fēng)(圖3a)和經(jīng)向風(fēng)(圖3b)隨時(shí)間變化圖，雖然南海夏季(31—54候)平均緯向風(fēng)(圖3a)明顯要比平均經(jīng)向風(fēng)(圖3b)大，但兩者的風(fēng)速都在同一個(gè)量級(jí)內(nèi)，緯向風(fēng)分量大致在2～7 m/s的區(qū)間范圍內(nèi)，而經(jīng)向風(fēng)分量的分布區(qū)間為2～3 m/s，這說(shuō)明在研究南海夏季風(fēng)時(shí)，緯向風(fēng)分量和經(jīng)向風(fēng)分量是同等重要的。

圖3 南海850 hPa氣候平均的候平均緯向風(fēng)(a)和經(jīng)向風(fēng)(b)隨時(shí)間的變化

根據(jù)上文對(duì)南海大氣環(huán)流基本特征的分析，可知道南海夏季風(fēng)盛行期間具有明顯的風(fēng)向轉(zhuǎn)變，且緯向風(fēng)分量和經(jīng)向風(fēng)分量同等重要，因此，本文在選擇南海夏季風(fēng)指標(biāo)時(shí)，可直接用南海區(qū)域的盛行風(fēng)表示，但需要同時(shí)考慮到緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)兩個(gè)分量。因此，本文參照了吳尚森等[8]定義的南海區(qū)域850 hPa月或季平均的西南風(fēng)分量的計(jì)算方法，即Vsw=(u+v)/2，計(jì)算出南海區(qū)域每一層的平均西南風(fēng)或東北風(fēng)，并將之作為各層的南海夏季風(fēng)強(qiáng)度，記為Is，利用各層的Is強(qiáng)度變化對(duì)南海夏季風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析研究。

4 南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的時(shí)空演變特征及其對(duì)中國(guó)降水的影響

4.1 南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的時(shí)空演變特征

圖4是南海1979—2018年逐年夏季Is強(qiáng)度(a)和Is強(qiáng)度距平(b)的時(shí)間-高度剖面圖。從圖4a中可發(fā)現(xiàn)，平均約在500 hPa高度層以上，南海區(qū)域?yàn)橐恢碌臇|北風(fēng)，200～150 hPa高度層以上為12～16 m/s的強(qiáng)風(fēng)速區(qū)；500 hPa以下高度層盛行西南風(fēng)，年際變化的幅度明顯；可看到一些年份，如1991年、2009年、2012年、2018年等，低層西南風(fēng)和高層?xùn)|北風(fēng)之間的“0”風(fēng)速等值線向上伸到500 hPa以上，這些年南海低層的西南風(fēng)不僅深厚、而且風(fēng)速大，相應(yīng)的東北風(fēng)帶則較淺?。欢硪恍┠攴?，如1983年、1988年、1998年、2010年等，“0”風(fēng)速等值線分別向下伸展到600 hPa和700 hPa附近，這些年份對(duì)應(yīng)的南海夏季風(fēng)低層的西南風(fēng)相對(duì)淺薄、風(fēng)速小，東北風(fēng)帶則較深厚。

不僅如此，從圖4b可看到南海上下層的Is強(qiáng)度距平在某些年份是反號(hào)的，如1979、1980、1983、1988、1992、1995、1996、2007、2008年等，上層為正距平下層為負(fù)距平，表現(xiàn)為上層?xùn)|北風(fēng)和下層西南風(fēng)同時(shí)減弱，南海上空季風(fēng)環(huán)流弱；還有一些年份如1985、1986、1999、2005、2009、2012、2018年等，上層為負(fù)距平下層為正距平，表現(xiàn)為上層?xùn)|北風(fēng)和下層西南風(fēng)同時(shí)增強(qiáng)，南海上空季風(fēng)環(huán)流強(qiáng)；另外，一些年份則是上下層的距平有相同的符號(hào)，如1997年和2011年上下層為一致的正距平、2017年上下層為一致的負(fù)距平，分別表現(xiàn)為上層?xùn)|北風(fēng)減弱(增強(qiáng))，下層西南風(fēng)增強(qiáng)(減弱)。

綜合圖4的結(jié)果可看到，南海夏季風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)不僅有明顯的年際變化特征，其垂直結(jié)構(gòu)的異常變化也有顯著的差異。

圖4 南海地區(qū)(110～120°E，5.0～17.5°N)1979—2018逐年夏季Is強(qiáng)度(a)及其距平(b)的時(shí)間-高度剖面圖

4.2 南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)分型

為了進(jìn)一步分析南海夏季風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)變化的模態(tài)，我們對(duì)南海1979—2018年40年夏季對(duì)流層各層(1 000～100 hPa)盛行風(fēng)進(jìn)行了EOF分析。由圖5可見(jiàn)，前兩個(gè)主模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)率接近70%，能夠較好地反映南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)異常的主要變化特征。圖5a和圖5c分別是EOF分解第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的空間型EOF1及時(shí)間系數(shù)PC1，EOF1的方差貢獻(xiàn)高達(dá)49.6%，南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)以300 hPa層為界上下層之間呈現(xiàn)出“-+”的偶極型變化；結(jié)合EOF1的時(shí)間系數(shù)PC1及其9年滑動(dòng)平均看，EOF1的年際變化特征明顯、年代際信號(hào)較弱。從圖5c的滑動(dòng)平均曲線可看到，1979—1990年和2001—2005年兩個(gè)時(shí)間段的時(shí)間系數(shù)PC1對(duì)應(yīng)正值，EOF1對(duì)應(yīng)的空間型垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為對(duì)流層高層?xùn)|北風(fēng)和低層西南風(fēng)同時(shí)增強(qiáng)；相反，在1991—2000年和2006—2018年兩個(gè)時(shí)間段，時(shí)間系數(shù)PC1對(duì)應(yīng)負(fù)值，EOF1對(duì)應(yīng)的空間型垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為高層?xùn)|北風(fēng)和低層西南風(fēng)同時(shí)減弱；但PC1的滑動(dòng)平均絕對(duì)值都非常小，最大不超過(guò)0.3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，年代際變化信號(hào)非常弱。從年際尺度看，PC1的絕對(duì)值共有18年超過(guò)0.8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差、13年超過(guò)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，其中的2010年和2018年超過(guò)2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，年際變化信號(hào)非常顯著。

圖5b和圖5d是EOF分解第二模態(tài)對(duì)應(yīng)的空間型EOF2及其時(shí)間系數(shù)PC2，EOF2的方差貢獻(xiàn)率為18.9%。以南海上空上下層?xùn)|北風(fēng)和西南風(fēng)為界，南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)第二模態(tài)EOF2可分為對(duì)流層低層和高層的不同變化，即對(duì)流層低層的上下層呈“+-”的垂直變化形態(tài)和對(duì)流層高層的上下層相反的“-+”的垂直變化形態(tài)，結(jié)合相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)PC2，EOF2具有明顯的年代際變化特征。從圖5d可看到，1979—2000年P(guān)C2的滑動(dòng)平均為負(fù)值，最大值超過(guò)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，EOF2對(duì)應(yīng)的垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為對(duì)流層低層西南風(fēng)是自下向上增強(qiáng)到減弱變化，對(duì)流層高層?xùn)|北風(fēng)的自下向上增強(qiáng)到減弱變化；反之，在2001—2018年P(guān)C2的滑動(dòng)平均為正值，最大值達(dá)0.8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上，EOF2對(duì)應(yīng)的垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為對(duì)流層低層西南風(fēng)自下向上的減弱到增強(qiáng)變化，對(duì)流層高層?xùn)|北風(fēng)自下向上的減弱到增強(qiáng)變化。

綜合南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)變化分析的EOF1和EOF2兩個(gè)主模態(tài)，第一垂直空間模態(tài)可細(xì)分為對(duì)流層低層西南風(fēng)和高層?xùn)|北風(fēng)同時(shí)增強(qiáng)型和同時(shí)減弱型(后文簡(jiǎn)稱“低層-高層同時(shí)增強(qiáng)”和“低層-高層同時(shí)減弱”)兩類垂直結(jié)構(gòu)的變化，時(shí)間上以年際變化為主；第二垂直空間模態(tài)可細(xì)分為對(duì)流低層西南風(fēng)強(qiáng)弱-對(duì)流層高層?xùn)|北風(fēng)強(qiáng)弱型和相反的對(duì)流層低層西南風(fēng)弱強(qiáng)-對(duì)流層高層?xùn)|北風(fēng)弱強(qiáng)型(后文簡(jiǎn)稱“低層強(qiáng)弱-高層強(qiáng)弱”和“低層弱強(qiáng)-高層弱強(qiáng)”)的兩類垂直結(jié)構(gòu)變化，時(shí)間上以年代際變化為主。

由于EOF分解得到的PC1和PC2時(shí)間序列分別反映了第一模態(tài)型和第二模態(tài)型這兩個(gè)主模態(tài)隨時(shí)間的強(qiáng)弱演變特征，因此可選用PC1和PC2作為表征南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)變化分型的兩個(gè)指數(shù)。

4.3 南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)對(duì)中國(guó)東部夏季降水的影響

以往大多數(shù)研究南海夏季風(fēng)對(duì)中國(guó)降水的影響多是從季風(fēng)強(qiáng)弱年的角度進(jìn)行分析。我們根據(jù)上文對(duì)南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的分析可發(fā)現(xiàn)，即使同是季風(fēng)強(qiáng)年或者弱年，其對(duì)應(yīng)的南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)也是存在差異的，接下來(lái)我們將分析不同的南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)給中國(guó)東部夏季降水帶來(lái)的影響。

根據(jù)上一小節(jié)的分析，南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的第一模態(tài)主要表現(xiàn)出年際變化特征，因此針對(duì)第一模態(tài)，主要研究它的年際變化特征對(duì)降水的影響。從圖5c中篩選出PC1超過(guò)正負(fù)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份為垂直結(jié)構(gòu)異常典型年，得到“低層-高層同時(shí)增強(qiáng)”典型年有1982、1985、1994、1999、2012、2018年，共6年，“低層-高層同時(shí)減弱”典型年有1983、1988、1995、1996、1998、2010、2015年，共7年。南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的第二模態(tài)具有明顯的年代際變化特征，因此，以圖5d中的9年滑動(dòng)平均曲線為標(biāo)準(zhǔn)，選取1983—2000年以及2001—2014年兩個(gè)時(shí)間段，前期是“低層強(qiáng)弱-高層強(qiáng)弱”，后期是“低層弱強(qiáng)-高層弱強(qiáng)”，研究南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)第二模態(tài)年代際變化對(duì)降水的影響。利用上文挑選出來(lái)的典型年或時(shí)間段，對(duì)中國(guó)東部夏季降水進(jìn)行合成分析。

圖5 1979—2018年南海夏季緯度-高度盛行風(fēng)距平EOF分解

圖6是南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)呈第一模態(tài)型和第二模態(tài)型異常變化時(shí)，中國(guó)東部夏季降水距平差值合成圖。圖6a反映了南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)第一模態(tài)的年際變化特征對(duì)降水的影響。分析圖6a可知，我國(guó)的華南地區(qū)以及東北的大部分地區(qū)為降水距平的正差值區(qū)，說(shuō)明當(dāng)南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)呈“低層-高層同時(shí)增強(qiáng)”變化時(shí)，這些地區(qū)的降水增多，當(dāng)南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)呈“低層-高層同時(shí)減弱”變化時(shí)，這些地區(qū)降水減少；相反，我國(guó)的長(zhǎng)江中下游地區(qū)及其以北的江淮、黃淮、華北等地為主要的降水距平負(fù)差值區(qū)，說(shuō)明當(dāng)南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)呈“低層-高層同時(shí)增強(qiáng)”變化時(shí)，這些地區(qū)的降水減少，當(dāng)南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)呈“低層-高層同時(shí)減弱”變化時(shí)，降水增多。其中，長(zhǎng)江中下游地區(qū)及華南北部地區(qū)是通過(guò)0.10顯著性檢驗(yàn)的主要區(qū)域。

圖6b是南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)第二模態(tài)型代表的兩類南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)型的中國(guó)東部夏季降水距平差值合成圖，反映了第二模態(tài)的年代際變化特征對(duì)降水的影響。從圖6b可知，我國(guó)江南一條窄帶(25～30°N)、內(nèi)蒙古東部及東北的大部分地區(qū)為降水距平的負(fù)差值區(qū)，說(shuō)明與“低層強(qiáng)弱-高層強(qiáng)弱”時(shí)段相比，“低層弱強(qiáng)-高層弱強(qiáng)”年在這些區(qū)域的降水異常偏少；與此同時(shí)，華南、長(zhǎng)江流域以北的江漢、黃淮、華北南部等地是降水距平的正差值區(qū)，且大都通過(guò)了0.10的顯著性檢驗(yàn)，與“低層強(qiáng)弱-高層強(qiáng)弱”年相比，當(dāng)南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)呈“低層弱強(qiáng)-高層弱強(qiáng)”變化時(shí)，這些地區(qū)的降水增多。

圖6 第一模態(tài)和第二模態(tài)中國(guó)東部夏季降水距平差值合成圖(單位：mm)

5 南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)與亞洲-西太平洋地區(qū)環(huán)流場(chǎng)的聯(lián)系

前述分析結(jié)果表明，南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的第一、第二模態(tài)對(duì)中國(guó)東部夏季降水的異常分布有顯著的影響，那么其內(nèi)部存在什么物理機(jī)制呢？為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們分析了南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)變化對(duì)亞洲環(huán)流場(chǎng)的影響，以期能夠初步厘清其內(nèi)在的物理聯(lián)系。

首先，我們分析南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)第一模態(tài)年際變化與亞洲-西太平洋大氣環(huán)流的聯(lián)系。圖7是第一模態(tài)“低層-高層同時(shí)增強(qiáng)”與“低層-高層同時(shí)減弱”的850 hPa和200 hPa風(fēng)場(chǎng)合成的差值圖。從圖7a可看到，對(duì)流層低層850 hPa上，赤道上加里曼丹-南海、孟加拉灣、阿拉伯海的異常偏南越赤道氣流明顯增強(qiáng)，南亞到西太平洋低緯地區(qū)的孟加拉灣北部、南海北部-臺(tái)灣東南洋面是明顯的氣旋性環(huán)流差值中心，中緯度從中國(guó)華北到日本東部洋面是明顯的反氣旋性環(huán)流差值區(qū)，高緯度自貝加爾湖到中國(guó)東北北部是明顯的氣旋性切變差值區(qū)。對(duì)“低層-高層同時(shí)增強(qiáng)”年，受這些系統(tǒng)影響，我國(guó)長(zhǎng)江流域及其以北的黃淮、華北等地區(qū)處于低緯度西太平洋氣旋性差值環(huán)流和中緯度日本以東洋面的反氣旋性差值環(huán)流之間的氣流輻散區(qū)，不利于降水產(chǎn)生；華南地區(qū)則是南海異常氣旋環(huán)流西北側(cè)的異常切變輻合區(qū)，有利于降水；東北地區(qū)是高緯度貝加爾湖氣旋性切變南側(cè)西北氣流與中緯度日本以東洋面反氣旋性切變北側(cè)的西南氣流的輻合區(qū)，為降水提供了有利條件。

在對(duì)流層高層200 hPa差值環(huán)流圖上(圖7b)，對(duì)“低層-高層同時(shí)增強(qiáng)”年，15°N以南的南海到澳大利亞北部是大范圍異常東北氣流，長(zhǎng)江流域到日本南部洋面為異常氣旋環(huán)流，華北-東北到日本北部高緯度地區(qū)是異常反氣旋環(huán)流；結(jié)合低層850 hPa異常環(huán)流變化，南海低緯熱帶季風(fēng)環(huán)流異常加強(qiáng)，長(zhǎng)江流域低層輻散、高層輻合，其南北兩側(cè)的華南地區(qū)和華北東北地區(qū)是低層輻合、高層輻散，我國(guó)東部的這種低層-高層環(huán)流配置是華南降水異常偏多、長(zhǎng)江流域降水偏少、北方降水偏多的重要原因之一。對(duì)“低層-高層同時(shí)減弱型”年，則相反。

圖7 風(fēng)場(chǎng)在第一模態(tài)PC1正位相典型年(低層-高層同時(shí)增強(qiáng))與負(fù)位相年(低層-高層同時(shí)減弱)的距平合成差值分布

接下來(lái)我們看南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)第二模態(tài)的年代際變化對(duì)亞洲-西太平洋環(huán)流及我國(guó)降水異常變化的影響。圖8是第二模態(tài)“低層弱強(qiáng)-高層弱強(qiáng)”與“低層強(qiáng)弱-高層強(qiáng)弱”的850 hPa和200 hPa風(fēng)場(chǎng)合成的差。對(duì)“低層弱強(qiáng)-高層弱強(qiáng)”時(shí)段(PC2正位相)，對(duì)流層低層850 hPa的環(huán)流場(chǎng)差值圖可看到(圖8a)，我國(guó)東部從南到北，華南地區(qū)是受氣旋性差值環(huán)流的影響的輻合區(qū)，江南一帶處于來(lái)自西北太平洋的偏異常東北氣流和東南氣流的輻散區(qū)，長(zhǎng)江中下游以北的江漢、江淮、黃淮及華北等地南部是東南氣流與北部異常反氣旋環(huán)流之間的輻合區(qū)，東北地區(qū)是反氣旋性差值環(huán)流中心的輻散區(qū)；對(duì)流層高層200 hPa環(huán)流圖上(圖8b)，華南地區(qū)位于中南半島北部異常氣旋環(huán)流和臺(tái)灣東部洋面異常氣旋之間的輻散區(qū)，江南一帶是異常氣旋環(huán)流北部的輻合帶，長(zhǎng)江流域到華北地區(qū)則位于內(nèi)蒙古北部地區(qū)異常反氣旋環(huán)流南部偏東氣流輻散區(qū)，東北地區(qū)為異常西北氣流和東北氣流的輻合區(qū)。低層與高層異常環(huán)流配合，我國(guó)東部地區(qū)自華南到東北，分別是低層輻合(輻散)、高層輻散(輻合)的有利于上升(下沉)運(yùn)動(dòng)的環(huán)流條件。對(duì)“低層強(qiáng)弱-高層強(qiáng)弱”時(shí)段(PC2負(fù)位相)，則相反。

圖8 風(fēng)場(chǎng)在第二模態(tài)PC2正位相時(shí)段(低層弱強(qiáng)-高層弱強(qiáng)型)與負(fù)位相年(低層強(qiáng)弱-高層強(qiáng)弱型)的距平合成差值分布

前面分析了南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)前兩個(gè)模態(tài)中對(duì)流層低層和對(duì)流層高層的環(huán)流特征差異及其對(duì)中國(guó)降水的影響，接下來(lái)我們進(jìn)一步從南海地區(qū)到我國(guó)東北的經(jīng)向垂直剖面的差異看南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)變化與降水的聯(lián)系。圖9是兩個(gè)模態(tài)4種不同結(jié)構(gòu)的南海夏季風(fēng)沿110～120°E緯向平均垂直速度距平差的緯度-高度剖面。對(duì)第一模態(tài)的“低層-高層同時(shí)增強(qiáng)型”與“低層-高層同時(shí)減弱型”的差而言(圖9a)，從南海中部到華南地區(qū)(12～25°N)都是異常上升氣流，長(zhǎng)江流域到華北則是大范圍的異常下沉氣流，45°N以北的東北地區(qū)又是異常上升運(yùn)動(dòng)，中國(guó)東部從南到北的這種“上升-下沉-上升”垂直速度差異的異常變化不僅與圖6a的降水差異有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也與圖7的低層-高層差值環(huán)流相匹配。對(duì)第二模態(tài)的“低層強(qiáng)弱-高層強(qiáng)弱”與“低層弱強(qiáng)-高層弱強(qiáng)”的垂直速度差(圖9b)，20°N以南的南海上空都為異常下沉氣流，20°N以北的華南、江南、江淮、華北和東北分別是異常上升、下沉、上升和下沉運(yùn)動(dòng)，也與圖6b的降水異常有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖9 垂直速度場(chǎng)沿110～120°E平均的距平差值高度-緯度分布圖(單位：10-2 Pa/s)

6 結(jié)論與討論

采用NCEP/NCAR再分析月平均資料和NOAA全球逐日降水資料，首先分析了南海夏季風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特征，然后探討了南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)與中國(guó)降水的影響。

(1)南海夏季風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)有明顯的年際和年代際變化特征。EOF第一模態(tài)型主要表現(xiàn)為南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的年際變化特征，可分為對(duì)流層低層西南風(fēng)和對(duì)流層高層?xùn)|北風(fēng)同時(shí)增強(qiáng)(同時(shí)減弱)(簡(jiǎn)稱“低層-高層同時(shí)增強(qiáng)”和“低層-高層同時(shí)減弱”)兩種典型結(jié)構(gòu)變化；EOF第二模態(tài)主要表現(xiàn)為南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的年代際變化，可分為對(duì)流低層西南風(fēng)從下向上增強(qiáng)到減弱的變化-對(duì)流層高層?xùn)|北風(fēng)也是從下向上增強(qiáng)到減弱的變化、相反的對(duì)流層低層西南風(fēng)減弱到增強(qiáng)-對(duì)流層高層?xùn)|北風(fēng)減弱到增強(qiáng)(簡(jiǎn)稱“低層強(qiáng)弱-高層強(qiáng)弱”和“低層弱強(qiáng)-高層弱強(qiáng)”)的兩個(gè)不同年代(時(shí)段)的垂直結(jié)構(gòu)變化。

(2)南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)對(duì)我國(guó)東部夏季降水有顯著的影響。南海夏季風(fēng)呈“低層-高層同時(shí)增強(qiáng)”(“低層-高層同時(shí)減弱”)垂直結(jié)構(gòu)時(shí)，長(zhǎng)江中下游及黃淮地區(qū)降水減少(增多)，華南、東北地區(qū)降水增多(減少)；南海夏季風(fēng)呈“低層弱強(qiáng)-高層弱強(qiáng)”(“低層強(qiáng)弱-高層強(qiáng)弱”)垂直結(jié)構(gòu)時(shí)，華南、江淮地區(qū)降水增多(減少)，江南、東北地區(qū)降水減少(增多)。

(3)南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)是通過(guò)改變對(duì)流層低層、高層的環(huán)流異常變化來(lái)影響中國(guó)東部夏季降水的異常變化。對(duì)第一模態(tài)的垂直結(jié)構(gòu)變化，在“低層-高層同時(shí)增強(qiáng)”典型年，南海低緯熱帶季風(fēng)環(huán)流異常加強(qiáng)，長(zhǎng)江流域低層輻散、高層輻合及異常下沉運(yùn)動(dòng)，其南側(cè)的華南地區(qū)和北側(cè)的東北地區(qū)是低層輻合、高層輻散和異常上升運(yùn)動(dòng)，這種低層-高層環(huán)流配置是華南降水異常偏多、長(zhǎng)江流域降水偏少、北方降水偏多的重要原因之一；在“低層-高層同時(shí)減弱”年，則相反。第二模態(tài)的垂直結(jié)構(gòu)變化也有類似的特征。

最后需要說(shuō)明的是，本文僅通過(guò)EOF分析對(duì)南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的變化特征進(jìn)行了研究，并初步分析了相應(yīng)的垂直結(jié)構(gòu)變化對(duì)中國(guó)東部夏季降水異常變化的影響及相應(yīng)的機(jī)制。對(duì)南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的變化而言，還有很多問(wèn)題需要研究，如南海夏季風(fēng)第一模態(tài)垂直結(jié)構(gòu)變化對(duì)500 hPa西太平洋副熱帶高壓有明顯的影響：在“低層-高層同時(shí)增強(qiáng)”年，西太平洋副熱帶高壓西脊點(diǎn)異常偏東、脊線偏北；在“低層-高層同時(shí)減弱”年，西太平洋副熱帶高壓西脊點(diǎn)異常偏西、脊線偏南。但是，南海夏季風(fēng)第二模態(tài)的垂直結(jié)構(gòu)變化對(duì)西太平洋副熱帶高壓的影響似乎又不大。這是什么原因？是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。此外，海溫也是影響季風(fēng)活動(dòng)的重要因素之一[25-26]，而本文僅是研究了南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)變化跟大氣環(huán)流的關(guān)系，那么南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的變化跟海溫之間是否也存在某種聯(lián)系?另外，南海夏季風(fēng)通常屬于熱帶季風(fēng)，南海夏季風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)的變化對(duì)東亞副熱帶季風(fēng)變化的影響也是值得深入研究的問(wèn)題。