南海夏季风建立的气候特征分析

南海夏季风建立的气候特征分析

1南海夏季风气候特征的年代际变化中国的夏季风最早出现在南海。随着大陆夏季风的消失，夏季风在南海持续了很长一段时间。南海夏季风的建立、维持和撤退与我国大陆夏季风的演变有很密切的关系。长期以来由于观测资料的匮乏,有关南海夏季风的研究很少见到,所发表的研究成果往往也因为得不到资料的证实而不受重视。1980年代以来,尤其是近几年随着南海地区观测站的加密、各种全球再分析气象资料在研究中的应用以及“南海季风试验”的开展,我国许多气象工作者对南海夏季风的建立过程进行了多方面的研究,取得了许多很有意义的研究成果。本文使用NCEP1958～1997年40年逐日12层再分析的格点气象资料对南海夏季风的气候特征进行分析,分析时间尺度是5天(候)。分析工作分两部分,一部分是年代尺度的气候特征分析,另一部分为四十年气候特征分析。分析结果表明,南海夏季风建立过程气候特征的年代际变化较大,而30年以上的气候特征则较稳定。我们曾把40年的气候特征中任何30年的气候特征作比较,发现均十分相似。下面将简单介绍40年气候特征分析的结果,年代尺度的气候特征分析结果将在本文第Ⅱ部份给出。2西太平洋副热带高压东南风后南海地区的风力演变南海的夏季风属热带西南季风,它非常暖湿,且最大风速中心位于对流层低层,而上空对流层高层是东风带。我们用对流层低层850hPa上暖湿的西南风来定义南海的夏季风区,这所指的暖湿的西南风其θse(假相当位温)必须大于335°K,风速不小于2m/s。南海夏季风的建立被定义为南海海域(105～120°E,5～20°N)一半以上面积为夏季风所控制的初始时刻。图1是40年平均南海地区夏季风建立过程。由图可见,在5月第4候之前,850hPa上南海基本仍被西太平洋副热带高压的西侧所控制,大部份地区盛行东南风,在南海北部的部分区域盛行西南风,其中115°E以东为副高北侧的副热带西南风,它不那么暖湿,没达到我们定义的夏季风标准,在115°E以西的西南风比较暖湿,虽达到我们的夏季风标准,但范围很小,这种西南风正如李崇银等所指出的:“来自孟加拉湾,是印巴地区的强西北气流转向而成的”,转向之后在南海北部与华南地区融入副高北侧副热带的西南风,与南海夏季风的主体——热带西南季风很不相同,其上空为西风带(图略)。在5月第4候,西太平洋副热带高压突然东移撤出南海,南海大部分地区由东南风转变为潮湿的西南风即夏季风,其面积超过了南海海域的一半,按照定义5月第4候南海地区季风建立了。这与李崇银等用11年对流层高层和对流层低层散度差构成的季风指数、刘霞等用OLR和纬向风资料、罗会邦用18年平均的CMAP降水资料以及金祖辉用15年TBB资料定义的南海地区夏季风平均建立日期十分一致。南海地区夏季风建立之后十分稳定,一直维持到9月份。不难看出,南海地区夏季风的建立是爆发式的,只在一候之内即可建立。而且这种“爆发”十分稳定,在40年的平均图上仍表现得很清楚。从9月上旬开始南海的夏季风开始自北向南后撤,后撤得十分慢,10月第4候东北季风(冬季风)在南海建立(图略),冬季风的建立不具有爆发性。3从西南风对南海形成的过程中看,其符合设立南海科学中心和区域内三大风场的特征,从一个月利用NCEP40年平均逐候12层风的资料我们制作并分析了东亚地区各层流场、亚洲南部地区多个纬度和经度纬向风和经向风的纬度高度剖面以及经度高度剖面,结果发现南海夏季风的建立与孟加拉湾西南季风有密切关系,它是孟加拉湾西南季风爆发性的发展和东移的结果。南亚地区对流层低层60～90°E的赤道西风从4月中旬开始发展,此时由于阿拉伯海、孟加拉湾和南海均为反气旋环流所控制,850hPa上在10°N附近是东风带,赤道西风维持在近赤道地区,4月第3候西进到苏门答腊地区,第5候到达南海南部5°N以南地区,风速很小(2m/s以下),达不到我们所定义的夏季风标准。由于受西风带快速北撤的影响,从4月第6候至5月第1候,位于高原附近阿拉伯海北部绕流的西北气流突然加强,这种加强几乎是爆发式的,加强后的西北气流一股南下并入60～90°E的赤道西风区,使它迅速北扩和加强(西风带南部在这段时期变化不大),另一股则在南下时通过孟加拉湾的中部和北部,由于受西太平洋副高脊西北面西南气流的影响,这两股气流在通过孟加拉湾时都变成了西南风造成孟加拉湾西南季风的爆发。我们认为孟加拉湾是亚洲西南季风最早建立的地方,这和吴国雄等用1998年资料所分析的结果十分一致。孟加拉湾西南季风建立后,便开始向东、向西和向高空发展,图2是40年平均5月第1候至第6候沿10°N西南风的垂直剖面。从图上可以看出,从5月第1候至第3候,孟加拉湾的西南季风发展比较缓慢,但从5月第3候至第4候出现了戏剧性的发展,它向东越过中南半岛控制了南海的大部分,向高空从700hPa附近一直扩展到了400hPa附近。从多个垂直剖面看南海和孟加拉湾地区的西南季风是一个系统,它只有一个风速高值中心,而这个中心始终位于孟加拉湾东部上空的对流层低层。从这个发展演变过程不难看出,南海地区夏季风的建立就是这次孟加拉湾的西南季风爆发性发展的结果,因此南海夏季风的建立也是爆发性的。陈隆勋等根据1998年资料对南海夏季风爆发的环流特征进行了分析,发现南海夏季风建立时的西南风由南海越赤道气流和孟加拉湾西南风共同组成。我们仔细分析了40年平均4月和5月各候南海及其邻近地区多个经度经向风的纬度高度剖面,发现40年平均情况与1998年很不相同,南海夏季风的建立与南海及其邻近地区来自南半球的越赤道气流没有明显的关系。图3是40年平均5月第1候至第6候沿115°E经向风分量的垂直剖面。将图3结合沿115°E西风分量的垂直剖面(图略)可以看出5月第1候华南地区有一个西南风的风速高值中心,高度在850hPa左右,赤道南面对流层低层有一个东南风区,风速高值中心在900hPa左右,南海上空亦为一个东南风区,但和赤道南面的东南风区没有联系,明显属两个系统,直至5月第4候南海夏季风爆发,南海上空800hPa以下为西南风所控制。第5候和第6候南海夏季风有所加强,但赤道南面的东南风区仍无变化。华南地区的西南风虽然在第5候减弱,但第6候又恢复,总的来说变化也不大。从对流层低层三层(850hPa、925hPa、1000hPa)5月份逐候流场分析来看,南海季风爆发与南海及其邻近地区以南的过赤道气流关系不大,主要因为这段时间在这个区域赤道以南地区有一个较强的东风带(图略)。4南海季风雨的建立刘嘉铭等利用卫星观测估算得到的全球候平均降水指数GPI,以候平均降水量达到6mm/day作为季风雨带的北界,作出季风雨带在亚洲季风区的推进图(图略),该图表明南海季风雨季和夏季风建立也是爆发性的,仅1候的时间,6mm/day的等雨量线便从南海南部推进到南海的北部。我们用NCEP的再分析格点资料画出南海地区及其邻近地区40年平均逐候的降水量图。从4月第4候至5月第2候南海地区降水量分布变化不大,北部和中部地区在2～4mm/day之间,南部在4～6mm/day之间。图4是40年平均5月第3候至第4候南海及其邻近地区的候平均降水量。在南海季风爆发前南海及其邻近地区主要有三个雨带,一个是华南前汛期雨带中心位于华南地区,一个位于赤道附近的ITCZ雨带,另一个中心位于中南半岛的季风槽雨带,这在图4a上看得很清楚。从5月第2候至第3候南海降水量开始明显增加,南海北部、中部和南部的西南地区增至4～6mm/day之间,南部的东北部则增至6～8mm/day之间,达到了刘家铭等定义的季风雨标准,但总面积很小(图4a)。5月第3候至第4候南海降水量继续增加,南海北部的一部份地区、南海中部和南海南部的东北部全部增至6mm/day以上,南海大部份已达到季风雨标准,南海季风雨的形势一直维持至5月第6候。可以看出用候平均降水6mm/day来定义南海季风雨季的建立是可行的。它与南海夏季风正好同时建立,即是5月第4候建立。建立以后能维持一段时间。南海季风雨季不象夏季风建立那样具有爆发性,明显的增长期至少可维持二个候而不是一个候。需要指出的是:(1)在南海季风雨季建立前和建立期间,南海北部一直有一个相对少的雨带,其降雨量达不到季风雨的标准。(2)从气候的角度来看,很难将南海季风雨与某种环流系统相联系。从图4b可以看出它不单与具有锋面降水性质的华南前汛期雨带之间有一个相对少雨带,它与南面ITCZ降雨带之间也有一个类似的少雨带,显然它与这二个系统都没有什么联系。它与位于中南半岛的季风槽雨带也看不出有什么联系,尤其是6月份,南海地区不单北边、南边连西边也出现一个南北向的少雨带。从某种角度来看,南海降水体系彷佛是自成一统的。(3)南海季风雨季的建立除了与南海夏季风密切相关外,可能还与南海地区对流活动的发展有关。如前所述,金祖辉用标志对流活动发展的TBB资料来定义南海夏季风爆发效果也十分好,我们对南海地区4-6月逐候1000hPa温度场演变进行仔细分析,结果发现在南海季风建立前半个月内南海区域的1000hPa温度提高了1℃(从27.5℃升至28.5℃),高温中心在南海中部。显然,这对对流及降水的发展都是十分有利的。5副热带高压北移与南海夏季风南海夏季风建立期间高低空环流形势发生了急速的变化,而这些变化对东亚地区夏季环流的建立有很大贡献。如前所述,在南海地区对流层中低层直至5月第3候一直为西太平洋副热带高压所控制,到5月第4候在南海夏季风建立同时,西太平洋副高迅速撤出南海。图5是40年平均西太平洋副热带高压500hPa上5870线西脊点位置从5月第1候至第6候的逐候变化,西脊点于3月底自东向西移入南海,直至5月第3候南海地区一直为副高西侧所控制,盛行东南风。从图可看出,5月第3候至第4候西脊点爆发式地向东移出南海,东移的距离多达14个经度左右。从40年平均来看,副高在北进过程中一共只有两次大的东移,另一次是从7月第5候至第6候,西脊点从我国大陆东移至日本附近,这次东移的距离比5月要小,只有10个经度左右,但移动也是爆发式的。副高这两次东移与我国夏季风进退的关系十分密切,我们曾用NCEP14年再分析的格点气象资料(1983～1996年)对此进行过分析,结果发现在副高第一次东移后,随着南海夏季风爆发,我国大陆的夏季风开始北进,而在副高第二次东退以后,我国夏季风开始南撤。在南海夏季风建立期间,对流层高层环流形势变化也是十分明显,图6是40年平均5月第1候至第6候200hPa西太平洋副热带高压中心位置逐候变化。从图上可以看出,在5月第2候,高压中心从中南半岛东南面的海洋上空西移到中南半岛南部泰国附近,并开始迅速北移,从5月第2候到南海夏季风建立第4候,由14°N附近移到19°N附近,北移了5个纬距,这也是副热带高压北移得最快的一段时期。对流层高层副热带高压的快速北移使得南海上空的东风带迅速向北推进,在5月第1候200hPa上南海东风带还在10°N以南,可到了南海夏季风建立时已推进到18°N附近。也就是南海上空对流层高层在南海夏季风建立时已基本上为东风带所控制,这种情况一直持续到10月份。很明显,低空西南风而高空为东风,所以南海夏季风始终是热带季风。6区域空气环境变化对副热带的影响综上所述,南海夏季风建立时期,高低空环流都有很明显的急速变化,这变化不单与南海夏季风建立有密切关系,还是东亚大气环流从冬季形势转为夏季形势的重要标志。归根结蒂,南海夏季风爆发的主要原因正如张永生等所指出的:是青藏高原及其邻近地区加热作用和动力作用的结果。从定性分析不难看出,如果没有青藏高原及其邻近地区的加热作用,5月份的对流层低层反气旋环流可能会维持在阿拉伯海、孟加拉湾和南海地区,5月第4候不会因反气旋环流消失而导致南海夏季风爆发。从4～6月,青藏高原每天以2～4℃的加热率加热其上空大气,变幅很小,这就导致青藏高原上空对流层低层热低压迅速向四周和向高空发展,向南和向东、向西发展的结果就导致反气旋环流在高原经度范围内的消失,在5月第1候孟加拉湾和5月第4候南海反气旋环流的消失,便是这种消失的发展过程。图7是40年平均5月第1候至第6候850hPa上1480位势米线的逐候变化。从4月开始随着青藏高原及其邻近地区近地面热低压发展,与其相应的850hPa上的印度低槽南扩和加深,可以看出低槽发展很快,特别从5月第3候至南海夏季风建立的第4候，1480线难移了5个纬度，槽底从印度东北部移到了孟加拉湾中部，范围也大大扩大，促使孟加拉湾西南季风的大发展、西太平洋副高的迅速东移和南海夏季风的建立。青藏高原及其邻近地区加热作用对对流层高层副高由冬到夏的季节转变有重大影响,我们曾用数值试验证明初夏对流层高层青藏高原上空副热带高压中心的形成是青藏高原及其邻近地区加热作用的结果。在对流层高层从冬季形势向夏季形势转变时,副热带高压中心会从较冷的海洋上空移向较暖的大陆上空,200hPa上在北美洲其中心位置维持在20°N以南,中心在大陆西部,但亚洲地区与此很不相同。在亚洲大陆上空由于青藏高原及其邻近地区加热作用,副热带高压中心位于30°N附近的青藏高原上空,这个位置在整个北半球副热带高压中心中是最北的,而且这个副热带高压单体也是最强大的。南海夏季风建立正是处在这个中心从海上移到大陆上空并迅速北移的阶段。副高的迅速北移使得中南半岛及南海上空的东风带迅速向北推进,在5月第1候200hPa上,南海上空的东风带还在10°N以南,可到了南海季风爆发时已推进到18°N附近,但南海上空东风风速显然比中南半岛上空的要小,这样南海和中南半岛的高空就