陳尚鋒 溫之平 陳文

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所季風(fēng)系統(tǒng)研究中心,北京 100029

2 中山大學(xué)季風(fēng)與環(huán)境中心/大氣科學(xué)系,廣州 510275

南海地區(qū)大氣30～60天低頻振蕩及其對(duì)南海夏季風(fēng)的可能影響

陳尚鋒1,2溫之平2陳文1

1 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所季風(fēng)系統(tǒng)研究中心,北京 100029

2 中山大學(xué)季風(fēng)與環(huán)境中心/大氣科學(xué)系,廣州 510275

本文利用1979～2008年美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心 (NCEP)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心 (NCAR)第二套再分析資料、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局 (NOAA)的向外長(zhǎng)波輻射 (OLR)資料及1979～2007年全球降水資料(CMAP),分析了南海地區(qū)熱帶大氣的低頻振蕩及其對(duì)南海夏季風(fēng)的可能影響。結(jié)果表明,夏半年南海地區(qū)存在顯著的30～60天的周期振蕩。當(dāng)30～60天低頻振蕩處于活躍位相時(shí),南海及其周圍地區(qū)的低層大氣為低頻西南風(fēng),南海和菲律賓北部為低頻氣旋流場(chǎng)且為正的位渦度,對(duì)應(yīng)著增強(qiáng)的南海夏季風(fēng)槽和南海夏季風(fēng);當(dāng)30～60天低頻振蕩處于不活躍位相時(shí),情形正好相反。進(jìn)一步的研究揭示出,夏半年30～60天低頻振蕩變化的空間型與夏半年平均場(chǎng)的年際變化的空間分布非常相似,并且南海及其附近地區(qū)的30～60天低頻振蕩活動(dòng)的年際變化對(duì)夏半年平均場(chǎng)的年際變化有顯著的貢獻(xiàn)。強(qiáng)、弱南海夏季風(fēng)年30～60天低頻振蕩活動(dòng)的比較也說明,強(qiáng)的南海夏季風(fēng)年30～60天低頻振蕩活躍狀態(tài)發(fā)生的概率大于不活躍狀態(tài)發(fā)生的概率,而弱的南海夏季風(fēng)年則是不活躍狀態(tài)發(fā)生的概率大于活躍狀態(tài)發(fā)生的概率。因此,南海地區(qū)30～60天低頻振蕩對(duì)南海夏季風(fēng)很可能有重要影響,當(dāng)30～60天低頻振蕩的活躍狀態(tài)處于主導(dǎo)時(shí),南海夏季風(fēng)往往會(huì)偏強(qiáng);反之,如果不活躍狀態(tài)處于主導(dǎo)時(shí),南海夏季風(fēng)往往會(huì)偏弱。

30～60天低頻振蕩 南海夏季風(fēng) 活躍狀態(tài) 不活躍狀態(tài)

1 引言

Madden and Julian(1971)利用坎頓島的資料首先發(fā)現(xiàn)熱帶地區(qū)的緯向風(fēng)和氣壓場(chǎng)存在40～50天的周期振蕩,之后熱帶大氣低頻振蕩受到了廣泛的關(guān)注。Yasunari(1980)指出在赤道印度洋地區(qū),季節(jié)內(nèi)振蕩存在向北傳播的特征,并且這種北傳對(duì)印度夏季風(fēng)的活躍和中斷有非常重要的影響。Lau and Chan(1986)的研究則指出30～60天的低頻振蕩對(duì)季風(fēng)槽的活動(dòng)有重要影響,當(dāng)季節(jié)內(nèi)振蕩的西風(fēng)活躍時(shí)段出現(xiàn)在印度洋時(shí),印度夏季風(fēng)處于活躍期,降水增多;當(dāng)季節(jié)內(nèi)振蕩西風(fēng)中斷時(shí)段出現(xiàn)在印度洋時(shí),印度夏季風(fēng)處于中斷期,降水顯著減少(Gadgi,2003;Goswami et al.,2005)。若 30～60天低頻振蕩在季節(jié)平均基礎(chǔ)上加強(qiáng)了印度降水,將會(huì)導(dǎo)致印度夏季風(fēng)處于活躍期;反之,將會(huì)導(dǎo)致印度季風(fēng)處于間斷期 (Goswami and A jaya Mohan,2000)。有關(guān)熱帶大氣低頻振蕩的形成機(jī)制、結(jié)構(gòu)和傳播特征也開展了不少研究 (比如:李崇銀,1991;李崇銀和李桂龍,1998)。

一些研究指出熱帶大氣低頻振蕩可以影響南海夏季風(fēng)的爆發(fā)。穆明權(quán)和李崇銀 (2000)分析了1998年南海夏季風(fēng)爆發(fā)前后的850 hPa低頻流場(chǎng)分布,結(jié)果發(fā)現(xiàn)菲律賓東面大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的發(fā)展以及向南海地區(qū)的擴(kuò)展對(duì)南海地區(qū)大氣季節(jié)內(nèi)振蕩活動(dòng)有重要作用,并最終激發(fā)南海夏季風(fēng)的爆發(fā)。溫之平等 (2006)的研究進(jìn)一步指出,5月1～15日菲律賓南部的低頻對(duì)流發(fā)展西移,華南地區(qū)低頻對(duì)流活動(dòng)南移以及加里曼丹島低頻對(duì)流活躍北移,有利于南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏早。林愛蘭 (1998)的研究也表明,南海夏季風(fēng)一般在初夏第一個(gè)較強(qiáng)低頻振蕩的負(fù)位相開始建立,南海夏季風(fēng)期間低頻振蕩的環(huán)流實(shí)體是 ITCZ的南北振蕩和西太平洋高壓西脊點(diǎn)的東西擺動(dòng),低頻振蕩與南海夏季風(fēng)的活躍和中斷密切相關(guān),南海低頻振蕩與大氣環(huán)流的季節(jié)變化相疊加,造成夏季風(fēng)經(jīng)歷第一個(gè)低頻振蕩的建立,到第二、三個(gè)振蕩的加強(qiáng),再到第四個(gè)振蕩的減弱這種演變過程。

大氣季節(jié)內(nèi)振蕩不僅影響南海夏季風(fēng)的爆發(fā),還會(huì)影響到南海夏季風(fēng)的強(qiáng)度。Li et al.(2001)的研究表明,強(qiáng)南海夏季風(fēng)時(shí),在南海及西太平洋地區(qū)有強(qiáng)的季節(jié)內(nèi)振蕩流場(chǎng),而弱南海夏季風(fēng)時(shí),大氣季節(jié)內(nèi)振蕩流場(chǎng)就比較弱。此外,大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)我國(guó)降水異常也有顯著影響。比如,琚建華和趙爾旭 (2005)發(fā)現(xiàn),東亞強(qiáng)季風(fēng)年,準(zhǔn)30～60天振蕩的影響比較大,容易造成長(zhǎng)江中下游多雨;而東亞弱季風(fēng)年,準(zhǔn)30～60天振蕩減弱,10～20天低頻振蕩為主要的振蕩周期,容易造成長(zhǎng)江中下游干旱。毛江玉和吳國(guó)雄 (2005)研究了 1991年梅雨期間江淮洪澇降水的季節(jié)內(nèi)振蕩及其環(huán)流特征,指出低頻振蕩對(duì)1991年江淮流域洪澇的形成有重要貢獻(xiàn),江淮流域降水的低頻振蕩與500 hPa西北太平洋副高的低頻變化及其傳播密切相關(guān),這種低頻振蕩可能起源于北太平洋中部夏威夷群島附近,然后沿著副熱帶高壓脊線附近向西傳播到中國(guó)東南沿海。

對(duì)南海夏季風(fēng)而言,以往的研究主要集中在熱帶大氣低頻振蕩對(duì)南海夏季風(fēng)的爆發(fā)遲早和強(qiáng)弱方面,并且使用的資料長(zhǎng)度大都較短。目前,有關(guān)熱帶大氣低頻振蕩怎樣影響以及多大程度上影響南海夏季風(fēng)仍不清楚,本文針對(duì)此問題擬采用較長(zhǎng)時(shí)間段的資料進(jìn)一步探討南海地區(qū)大氣低頻振蕩及其對(duì)南海夏季風(fēng)的可能影響。本文第2節(jié)介紹所使用的資料和方法,第3節(jié)主要分析了南海地區(qū)30～60天低頻振蕩的活動(dòng)特征,第4節(jié)則研究了30～60天低頻振蕩對(duì)南海夏季風(fēng)的可能影響,第5節(jié)為結(jié)論。

2 資料和分析方法

本文使用到的資料主要包括:(1)美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心 (NCEP)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)1979～2008年全球大氣日平均第二套再分析資料,空間分辨率為 2.5°×2.5°,垂直方向選取三層:850 hPa、500 hPa、200 hPa;物理要素包括位勢(shì)高度場(chǎng)和水平風(fēng)場(chǎng)。(2)1979～2008年美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局 (NOAA)的向外長(zhǎng)波輻射(OLR)日平均資料,空間分辨率為 2.5°×2.5°。(3)1979～2007年全球候平均的CPC Merged A-nalysis of Precipitation(CMAP)(Xie and A rkin,1997)降水資料,空間分辨率為2.5°×2.5°。研究中采用的分析方法主要有小波分析 (To rrence and Compo,1998)、帶通濾波 (Murakami,1979)、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解 (黃嘉佑,2004)、二維概率密度函數(shù) (Emanuel,1962)以及合成分析方法。

3 南海地區(qū)大氣30～60天低頻振蕩活動(dòng)特征

大量研究表明南海夏季風(fēng)氣候平均在5月第4候爆發(fā) (劉霞等,1998;梁建茵等,1999;姚永紅和錢永甫,2001),有些年份南海夏季風(fēng)在4月初已經(jīng)爆發(fā),而有些年份在6月份才爆發(fā),因此,5月份南海地區(qū)的環(huán)流和降水會(huì)有比較大的年際變化。我們把對(duì)流場(chǎng)、850 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)和渦度場(chǎng)均處理成候平均資料,結(jié)合 CMAP降水資料,對(duì)第25候至第30候平均后計(jì)算1979～2007年各場(chǎng)變化的標(biāo)準(zhǔn)差 (圖略)。綜合考慮降水、對(duì)流、低層風(fēng)場(chǎng)和渦度場(chǎng)的年際變化 ,本文選取 (5°N～20°N,110°E～120°E)代表南海地區(qū)。

為了了解夏季南海地區(qū)的低頻振蕩周期,分別對(duì)1979年到2008年逐年的南海地區(qū)平均的對(duì)流場(chǎng)(OLR)、850 hPa的緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)以及位勢(shì)高度場(chǎng)作了小波分析。由于大部分年份的小波分析結(jié)果都比較一致,這里只給出1987年的Mo rle小波分析實(shí)部結(jié)果作為代表。圖 1是1987年 OLR、850 hPa緯向風(fēng)、850 hPa經(jīng)向風(fēng)和850 hPa位勢(shì)高度的Mo rlet小波分析的實(shí)部。從OLR小波分析結(jié)果可以看出,30～60天的振蕩周期在5月份開始明顯加強(qiáng),整個(gè)夏季30～60天的振蕩周期都存在;10～20天左右的振蕩周期也在5月份開始加強(qiáng),并持續(xù)到11月份;60～100天的周期整年都存在。850 hPa緯向風(fēng)30～60天振蕩整年都存在,而10～20天和90天左右的振蕩周期則夏季比較明顯。850 hPa經(jīng)向風(fēng)20～30天的振蕩在1月份就存在,這個(gè)振蕩周期整年都比較明顯;10～20天的振蕩從5月份開始明顯,6～9月為強(qiáng)盛時(shí)期;50～90天的振蕩在整年都存在的。850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的10～20天的振蕩在3月份開始出現(xiàn),并維持到12月份,并在夏季達(dá)到最強(qiáng);20～30天的振蕩整年都存在,也是在夏季達(dá)到最強(qiáng),40～80天的振蕩則主要在夏季才比較明顯。由此可見,夏季南海地區(qū)各個(gè)物理要素普遍存在10～90天的低頻振蕩周期,其中30～60天和10～20天振蕩周期尤為顯著。本文主要分析30～60天周期的振蕩,并對(duì)資料都采用構(gòu)造的帶通濾波器進(jìn)行 30～60天帶通濾波(Murakami,1979)。

南海夏季風(fēng)處于活躍時(shí),南海地區(qū)的西南風(fēng)是加強(qiáng)的;而南海夏季風(fēng)處于中斷時(shí),南海地區(qū)西南風(fēng)減弱,甚至為偏東風(fēng)控制。據(jù)此,對(duì)南海區(qū)域平均的5～9月850 hPa的30～60天低頻西南風(fēng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,定義標(biāo)準(zhǔn)化值大于1的30～60天低頻振蕩處于活躍狀態(tài),而標(biāo)準(zhǔn)化值小于-1則為不活躍狀態(tài)。每年夏季大致都有3～4個(gè)左右的活躍或不活躍狀態(tài),每個(gè)活躍或不活躍狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間大概為10～20天,圖2是 1979年5～9月的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果,其它年份的結(jié)果也是類似的。

圖1 1987年南海地區(qū) (5°N～20°N,110°E～120°E)區(qū)域平均的逐日 Mo rlet小波分析實(shí)部:(a)OLR;(b)850 hPa緯向風(fēng);(c)850 hPa經(jīng)向風(fēng);(d)850 hPa位勢(shì)高度Fig.1 The Mo rlet wavelet test real modes fo r(a)OLR,850-hPa(b)zonal wind,(c)meridional wind,and(d)geopotential height averaged over the South China Sea region in 1987

圖2 1979年5月1日至9月30日南海區(qū)域平均的850 hPa 30～60天低頻西南風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列分布Fig.2 Standardized time series of the southwesterlies with 30-60 day period at 850 hPa averaged over the South China Sea region from 1 May to 30 Sep in 1979

圖3給出了30年5到9月850 hPa原始風(fēng)場(chǎng)和相對(duì)渦度的合成圖。由圖3a可見,孟加拉灣、中南半島、南海地區(qū)受西南風(fēng)控制,105°E與120°E附近存在越赤道氣流,南海季風(fēng)槽處于弱的氣旋流場(chǎng)。相對(duì)渦度的分布表明 (圖3b),印度季風(fēng)槽和南海季風(fēng)槽處的渦度值都為正值,赤道帶則主要為負(fù)值;渦度正值區(qū)對(duì)應(yīng)著夏季季風(fēng)環(huán)流的上升位置,赤道地區(qū)的負(fù)值區(qū)則對(duì)應(yīng)著季風(fēng)環(huán)流的下沉支。

圖4分別給出了850 hPa 30～60天低頻流場(chǎng)和低頻相對(duì)渦度在30年所有活躍狀態(tài)和不活躍狀態(tài)的合成?？梢钥吹?當(dāng)?shù)皖l振蕩處于活躍狀態(tài)時(shí),孟加拉灣、中南半島、南海地區(qū)受到低頻西風(fēng)或偏西風(fēng)的影響,南海和菲律賓北部為低頻氣旋環(huán)流場(chǎng) (圖4a);這樣的分布和圖3a是類似的,說明30～60天振蕩處于活躍狀態(tài)時(shí),會(huì)增強(qiáng)南海地區(qū)的西南風(fēng)以及南海夏季風(fēng)槽。圖4b是不活躍狀態(tài)時(shí)30～60天低頻流場(chǎng)的合成,它的分布幾乎和圖4a的分布相反,南海、中南半島、孟加拉灣地區(qū)都受到低頻偏東風(fēng)控制,南海和菲律賓北部為低頻反氣旋流場(chǎng),這說明30～60天低頻振蕩處于不活躍狀態(tài)時(shí),將會(huì)減弱南海地區(qū)的西南風(fēng)和南海夏季風(fēng)槽,從而減弱南海夏季風(fēng)。500 hPa上的30～60天低頻振蕩活躍和不活躍狀態(tài)的合成結(jié)果與850 hPa的分布是類似的,而200 hPa上的低頻流場(chǎng)分布特征則與850 hPa和500 hPa上大致是相反的 (圖略)。對(duì)30～60天低頻相對(duì)渦度的分析表明,在低頻振蕩的活躍期 (圖4c),印度季風(fēng)槽和南海季風(fēng)槽地區(qū)為正的低頻相對(duì)渦度,赤道至10°N為負(fù)的低頻相對(duì)渦度帶,因此30～60天低頻振蕩處于活躍狀態(tài)時(shí),會(huì)增加南海季風(fēng)槽處的相對(duì)渦度;而在不活躍狀態(tài)時(shí) (圖4b),它的分布與活躍狀態(tài)時(shí)的分布是相反的,說明30～60天低頻振蕩處于不活躍狀態(tài)時(shí)會(huì)減弱南海夏季風(fēng)槽地區(qū)的相對(duì)渦度。綜上可見,低頻振蕩的活躍位相對(duì)應(yīng)著加強(qiáng)的南海夏季風(fēng)活動(dòng),而不活躍位相對(duì)應(yīng)著減弱的南海夏季風(fēng)活動(dòng)。

圖3 1979～2008年夏半年 (5～9)月合成的850 hPa(a)風(fēng)場(chǎng) (單位:m/s)和 (b)相對(duì)渦度 (單位:10-6 s-1)的分布Fig.3 Composite distribution of(a)the wind fieldsand(b)the relative vorticity(10-6 s-1)at 850 hPa averaged from 1 May to 30 Sep during 1979-2008

圖4 1979～2008年夏半年 (5～9月)合成的850 hPa低頻風(fēng)場(chǎng) (a、b,單位:m/s)以及相對(duì)渦度 (c、d,單位:10-6 s-1):(a、c)活躍狀態(tài);(b、d)不活躍狀態(tài)Fig.4 Composite(a,b)w ind fields and(c,d)relative vorticity(10-6 s-1)at 850 hPa with 30-60 day period averaged from 1 May to 30 Sep during 1979-2008:(a,c)For the active phase;(b,d)for the inactive phase

圖5 (a)1979～2008年夏半年850 hPa 30～60天低頻相對(duì)渦度變化標(biāo)準(zhǔn)差以及 (b)相對(duì)渦度變化標(biāo)準(zhǔn)差的30年平均分布 (單位:10-6 s-1)Fig.5 Standard deviations for(a)the low frequency component of relative vorticity and(b)themean relative vorticity at 850 hPa from 1 May to 30 Sep averaged for 30 years(1979-2008).Contour intervals are 1×10-6 s-1 in(a)and 0.25×10-6 s-1 in(b)

4 30～60天低頻振蕩對(duì)南海夏季風(fēng)的可能影響

圖5a是1979～2008年平均的夏半年 (5～9月)850 hPa 30～60天低頻相對(duì)渦度變化標(biāo)準(zhǔn)差的分布,它反映了夏半年30～60天低頻振蕩變化的空間分布特征。圖5b是1979～2008年夏半年 (5～9月)850 hPa相對(duì)渦度變化的年際變化標(biāo)準(zhǔn)差的平均分布。圖5a和圖5b的分布特征是比較相似的,特別是南海和菲律賓附近都為大值中心,兩者的空間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.44,其中南海地區(qū)的空間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6。因此,夏半年平均的相對(duì)渦度的年際變化與30～60天低頻振蕩的變化關(guān)系密切。

進(jìn)一步對(duì)850 hPa風(fēng)場(chǎng)的夏半年平均場(chǎng)和夏半年30～60天的低頻變化場(chǎng)進(jìn)行EOF分析,它們第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)分別為35%和54%,都通過了North檢驗(yàn) (North et al.,1982)。圖6a和6b分別為850 hPa風(fēng)場(chǎng)的夏半年平均場(chǎng)年際變化和夏半年30～60天的低頻變化場(chǎng)的 EOF分析的第一模態(tài)的空間分布。從圖6a可以看出,當(dāng)時(shí)間系數(shù)為正時(shí),南海、中南半島、孟加拉灣地區(qū)受東風(fēng)控制,南海和菲律賓北部則存在反氣旋流場(chǎng);這和圖6b的空間分布是類似的。這就說明夏半年30～60天低頻振蕩變化空間分布和平均場(chǎng)的年際變化的空間分布是類似的,也進(jìn)一步說明夏半年低頻振蕩的變化與平均場(chǎng)的年際變化有密切關(guān)系。當(dāng)夏半年低頻振蕩活躍狀態(tài)為主要模態(tài)時(shí)有可能導(dǎo)致強(qiáng)的南海夏季風(fēng)年,如果低頻振蕩不活躍狀態(tài)為主要模態(tài)時(shí)可能導(dǎo)致弱的南海夏季風(fēng)年。

為了揭示30～60天低頻振蕩的變化可能對(duì)南海夏半年平均場(chǎng)年際變化的貢獻(xiàn),我們分別以相對(duì)渦度和OLR為例計(jì)算了1979～2008年30～60天低頻振蕩活動(dòng)年際變化的標(biāo)準(zhǔn)差與夏半年平均場(chǎng)年際變化標(biāo)準(zhǔn)差的比值分布 (圖7)。由圖7可見,在南海地區(qū)相對(duì)渦度和OLR的比值都超過了40%,因此在南海地區(qū)30～60天低頻振蕩活動(dòng)的年際變化對(duì)夏半年平均場(chǎng)的年際變化可以產(chǎn)生重要影響。

前面的分析表明,當(dāng)30～60天低頻振蕩處于活躍狀態(tài)時(shí)可以增強(qiáng)南海夏季風(fēng)槽以及南海夏季風(fēng),當(dāng)30～60天低頻振蕩處于不活躍狀態(tài)時(shí)則相反;并且夏季30～60天低頻振蕩變化的空間分布和夏季季節(jié)平均場(chǎng)變化的空間分布是類似的。因此,我們推測(cè)南海地區(qū)夏季30～60天低頻振蕩活動(dòng)可能對(duì)南海夏季風(fēng)的年際變化有重要影響。那么,是不是在強(qiáng)的南海夏季風(fēng)年,低頻振蕩活躍狀態(tài)發(fā)生的概率就大于中斷狀態(tài)發(fā)生的概率?在弱的南海夏季風(fēng)年,不活躍狀態(tài)發(fā)生的概率就大于活躍狀態(tài)發(fā)生的概率?為證明這一想法,我們分別對(duì)強(qiáng)、弱夏季風(fēng)年850 hPa相對(duì)渦度的30～60天低頻變化分量合成后再進(jìn)行 EOF分析,并對(duì)求得的時(shí)間系數(shù)求二維概率密度函數(shù)。

圖6 EOF分析第一模態(tài)空間分布 (a、b)和時(shí)間系數(shù) (c、d):(a、c)1979～2008年夏半年平均850 hPa風(fēng)場(chǎng);(b、d)夏半年平均850 hPa 30～60天低頻振蕩風(fēng)場(chǎng)Fig.6 (a,b)The first EOFmode spatial patterns and(c,d)corresponding principal components fo r(a,c)the summer wind fields and(b,d)the low frequency components of summer wind fields at 850 hPa for 1979-2008

圖7 1979～2008年30～60天低頻振蕩活動(dòng)年際變化標(biāo)準(zhǔn)差與1979～2008年原始場(chǎng)夏半年平均場(chǎng)年際變化標(biāo)準(zhǔn)差之比分布圖:(a)850 hPa相對(duì)渦度;(b)OLRFig.7 Ratio between standard deviation of interannual variation of the low frequency oscillation activity and interannual variation of the summer mean for 1979-2008:(a)Relative vorticity at 850 hPa;(b)OLR

用來作為南海夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)的指標(biāo)大概有兩類:一類是動(dòng)力指標(biāo) (姚永紅和錢永甫,2001)用高低層渦度差作為強(qiáng)度指標(biāo);另一類是用動(dòng)力指標(biāo)和熱力綜合指標(biāo) (梁建茵等,1999)采用西南風(fēng)分量與OLR相結(jié)合的方法,張秀芝等 (2002)采用濕位渦定義南海夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)。事實(shí)上,這些指標(biāo)之間有很好的相關(guān)關(guān)系 (高輝和梁建茵,2005)。本文采用梁建茵等 (1999)定義的南海夏季風(fēng)指數(shù)。該指數(shù)是這樣定義的:

圖8 合成的南海夏季風(fēng)強(qiáng)年5月1日至9月30日850 hPa 30～60天低頻相對(duì)渦度的EOF(a、c)第一模態(tài)和 (b、d)第二模態(tài) (a、b)空間分布 (×10-2)和 (c、d)時(shí)間系數(shù)Fig.8 (a,b)The spatial patterns(×10-2)and(c,d)p rincipal components of(a,c)the first EOFmode and(b,d)the second EOF mode for composite low frequency component of relative vorticity at 850 hPa from 1 May to 30 Sep in strong monsoon years

式中,I為南海夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù),V為南海區(qū)域平均的西南風(fēng),u為南海區(qū)域平均850 hPa緯向風(fēng),v為南海區(qū)域平均850 hPa經(jīng)向風(fēng),R為南海區(qū)域平均向外長(zhǎng)波輻射 (OLR),a、b為常數(shù),a=1 m/s,b=10 W/m2,然后采用每年4～10月I的和表示該年南海夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)。按此定義,我們分別挑選出強(qiáng)和弱南海夏季風(fēng)年各7年,強(qiáng)南海夏季風(fēng)年分別為:1984、1985、1999、2000、2001、2002、2005;弱南海夏季風(fēng)分別為:1980、1982、1983、1987、1989、1996、2004。

對(duì)夏半年 (5月1日～9月30日)南海夏季風(fēng)強(qiáng)、弱年850 hPa低頻相對(duì)渦度分別進(jìn)行 EOF分析,并對(duì)求得的第一和第二時(shí)間系數(shù)求二維概率密度函數(shù)。圖8為南海夏季風(fēng)強(qiáng)年合成后對(duì)5月1日～9月30日850 hPa 30～60天低頻相對(duì)渦度所求的EOF第一和第二模態(tài)空間分布及其時(shí)間系數(shù)。前兩個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)分別為39.33%和17.12%,而且都通過了 No rth檢驗(yàn)。對(duì)所求得的時(shí)間系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后再求二維概率密度函數(shù),圖9a為求得的二維概率密度函數(shù)結(jié)果,橫坐標(biāo)表示第一時(shí)間系數(shù),縱坐標(biāo)表示第二時(shí)間系數(shù)。圖9a中明顯存在一個(gè)大值中心,中心數(shù)值達(dá)到55%,該概率密度函數(shù)大值中心所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)發(fā)生的概率是最大的。因此,求得對(duì)應(yīng)此值中心的時(shí)間系數(shù),然后分別乘上空間向量,還原 EOF,就得到圖9b。從圖9b中可以看到南海季風(fēng)槽區(qū)為正值區(qū),這和低頻振蕩活躍狀態(tài)時(shí)的合成分布是比較一致的,因此強(qiáng)的南海夏季風(fēng)年30～60天低頻振蕩活躍狀態(tài)發(fā)生的概率確實(shí)是大于不活躍狀態(tài)發(fā)生的概率的。

類似利用南海夏季風(fēng)弱年合成結(jié)果對(duì)5月1日～9月30日30～60天低頻振蕩進(jìn)行 EOF分析 (圖略),并對(duì)所求得的時(shí)間系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后再求二維概率密度函數(shù)。圖10a為求得的二維概率密度函數(shù)結(jié)果,圖中也明顯存在一個(gè)大值中心,中心數(shù)值達(dá)到22%,該概率密度函數(shù)大值中心對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)發(fā)生的概率是最大的。因此求得對(duì)應(yīng)此大值中心的時(shí)間系數(shù)然后分別乘上空間向量,還原 EOF,得到圖10b。由圖10b可見,南海季風(fēng)槽區(qū)基本為負(fù)值區(qū),這與不活躍狀態(tài)時(shí)的合成分布相似,因此弱的南海夏季風(fēng)年30～60天低頻振蕩不活躍狀態(tài)發(fā)生的概率也確實(shí)是大于活躍狀態(tài)發(fā)生的概率的。

圖9 (a)南海夏季風(fēng)強(qiáng)年夏半年850 hPa低頻相對(duì)渦度EOF分析第一和第二模態(tài)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù) (PC1和PC2)的二維概率密度函數(shù)分布 (等值線間隔為0.06);(b)圖9a大值中心對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)乘上相應(yīng)的空間分布的 EOF還原圖 (單位:10-8 s-1)Fig.9 (a)Two-dimensional probability density function of the first two princip le components(PC1 and PC2)of EOF for the low f requency component of relative vorticity at 850 hPa from 1 May to 30 Sep in strong monsoon years(contour interval is 0.06);(b)retrieved EOF pattern by the principal component with the biggest probability in Fig.9a multiplied the corresponding spatial pattern(units:10-8 s-1)

圖10 同圖9,但為南海夏季風(fēng)弱年Fig.10 Same as Fig.9,but for weak monsoon years.Contour interval is 0.04 in(a);units are 10-8 s-1 in(b)

5 結(jié)論和討論

本文利用1979～2008年NCEP/NCAR-2的日平均再分析資料、NOAA的OLR資料以及1979～2007年全球候平均的 CMAP降水資料,采用多種診斷分析方法,研究了南海地區(qū)熱帶大氣低頻振蕩及其對(duì)南海夏季風(fēng)的可能影響。結(jié)果表明,夏半年南海地區(qū)各物理要素都普遍存在10～90天的低頻振蕩周期,其中30～60天季節(jié)內(nèi)振蕩周期尤為顯著。當(dāng)30～60天低頻振蕩處于活躍位相時(shí),南海及其周圍地區(qū)的低層大氣為低頻西南風(fēng),南海和菲律賓北部為低頻氣旋流場(chǎng)且為正的位渦度,對(duì)流中心位于南海附近一帶,因此低頻振蕩的活躍位相對(duì)應(yīng)著增強(qiáng)的南海夏季風(fēng)槽和南海夏季風(fēng);當(dāng)30～60天低頻振蕩處于不活躍位相時(shí),情形正好相反。進(jìn)一步的研究揭示,南海地區(qū)30～60天低頻振蕩對(duì)南海夏季風(fēng)有重要影響。夏半年30～60天低頻振蕩變化的空間型與夏半年平均場(chǎng)的年際變化的空間分布非常相似,并且南海及其附近地區(qū)的30～60天低頻振蕩活動(dòng)的年際變化對(duì)夏半年平均場(chǎng)的年際變化有顯著的貢獻(xiàn)。利用強(qiáng)、弱南海夏季風(fēng)年的比較也證明,強(qiáng)的南海夏季風(fēng)年30～60天低頻振蕩活躍狀態(tài)發(fā)生的概率明顯大于不活躍狀態(tài)發(fā)生的概率,而弱的南海夏季風(fēng)年則是不活躍狀態(tài)發(fā)生的概率大于活躍狀態(tài)發(fā)生的概率。從而說明如果30～60天低頻振蕩的活躍狀態(tài)處于主導(dǎo)時(shí),南海夏季風(fēng)往往會(huì)偏強(qiáng);反之,如果不活躍狀態(tài)處于主導(dǎo)時(shí),南海夏季風(fēng)往往會(huì)偏弱。

要說明的是,本文主要分析了南海地區(qū)大氣低頻振蕩的特征及其對(duì)南海夏季風(fēng)的可能影響,另一個(gè)有意義的問題是大氣低頻振蕩影響南海夏季風(fēng)的機(jī)理。我們的分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)30～60天振蕩處于活躍狀態(tài)時(shí),南海地區(qū)的對(duì)流中心位置比較偏北,大概位于15°N左右,與此同時(shí)副熱帶高壓位置偏東,南海地區(qū)主要為西南風(fēng)控制;而當(dāng)30～60天振蕩處于不活躍狀態(tài)時(shí),南海地區(qū)的對(duì)流中心位置南移,大概位于5°N附近,并且副熱帶高壓位置偏西,南海地區(qū)主要受偏東風(fēng)的影響。其中對(duì)流的位置及其引起的大氣熱源可能是導(dǎo)致南海夏季風(fēng)異常的關(guān)鍵所在,關(guān)于低頻振蕩影響南海夏季風(fēng)的機(jī)理值得今后作進(jìn)一步深入的探討。

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Tropical Low Frequency Oscillations with 30-60 Day Period and Its Possible Influence on the South China Sea Summer Monsoon

CHEN Shangfeng1,2,WEN Zhiping2,and CHEN Wen1

1CenterforMonsoonSystemResearch,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029
2CenterforMonsoonandEnvironmentalResearch,DepartmentofAtmosphericSciences,SunYat-SenUniversity,Guangzhou510275

The tropical low frequency oscillation and its possible influence on the South China Sea(SCS)summer monsoon are studied by using the daily NCEP/NCAR-2(National Centers for Environmental Prediction and National Center for A tmospheric Research)reanalysis data and the outgoing long-wave radiation(OLR)data from NOAA(National Oceanic and A tmospheric A dministration)for the time period of 1979-2008,and the CPC Merged Analysisof Precipitation(CMAP)data for the time period of 1979-2007.Results reveal that there are significant low f requency oscillations with 30-60 day period over the SCS region.When the 30-60 day oscillation is in an active state,the low frequency componentsof southwesterly prevailover the SCSand the cyclonic circulation appears in northern SCS.Hence,in the active state the low frequency oscillation tends to strengthen the South China Sea summermonsoon(SCSSM)trough and the SCS summermonsoon.In the inactive stateof the low frequency oscillation,the situation tends to beopposite.Further researches indicate that the spatial pattern for the variability of the low frequency oscillation is analogous to that for the interannual variationsof the SCS summer monsoon.Particularly the variance of low frequency oscillation activity in the SCS region can account for nearly half of that for the interannual variations of the SCS summer monsoon.The comparison between strong and weak SCS summer monsoon years presents that the occurrence probability of active state is higher than that of inactive state for the low frequency oscillation in strong monsoon years.However,in weak monsoon years the occurrence probability of inactive state is higher than that of active state.Therefore,the low frequency oscillation with 30-60 day period likely has an impo rtant influence on the SCS summermonsoon.When the active state is dominant for the low frequency oscillation,the SCS summer monsoon tends to be strong.On the contrary,the SCS summermonsoon tends to be weak when the inactive state is dominant for the low frequency oscillation.

low frequency oscillation with 30-60 day period,the South China Sea summer monsoon,active state,inactive state

1006-9895(2011)05-0982-11

P461

A

陳尚鋒,溫之平,陳文.2011.南海地區(qū)大氣30～60天低頻振蕩及其對(duì)南海夏季風(fēng)的可能影響 [J].大氣科學(xué),35(5):982-992. Chen Shangfeng,Wen Zhiping,Chen Wen.2011.Tropical low frequency oscillations with 30-60 day period and its possible influence on the South China Sea summer monsoon[J].Chinese Journal of A tmospheric Sciences(in Chinese),35(5):982-992.

2010-09-21,2011-03-14收修定稿

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目2009CB421405,國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目41025017、40921160379

陳尚鋒,男,1989年出生,碩士研究生,主要從事季風(fēng)和氣候動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:chenshangfeng@hotmail.com

陳文,E-mail:chenw@mail.iap.ac.cn