方曉等

摘要 東亞季風(fēng)指數(shù)的定義方法很多，其不同之處主要在于采用了不同的要素場。歸納了前人對于東亞冬、夏季風(fēng)指數(shù)定義的不同類別，包括氣壓場類、風(fēng)場類、環(huán)流場類、溫度場類、水汽場類和綜合類；同時還總結(jié)了定義東亞季風(fēng)指數(shù)時所采用的不同方法，以及不同東亞季風(fēng)指數(shù)的適用范圍，以期對東亞季風(fēng)指數(shù)形成完整的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞 東亞季風(fēng)；指數(shù)定義；要素場；分類；方法

中圖分類號 P425.5 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）01-0223-03

Abstract There are many methods for the definition of East Asia monsoon index，mainly depends on the different elements field.This paper summarized the different definition of the East Asia winter and summer monsoon index by predecessors，including the pressure field，wind field，circulation field，temperature field ，moisture field and comprehensive method.At the same time，the definition methods of East Asia monsoon index and different scope of application for East Asia monsoon index were also summarized，in order to form an integrated comprehend on the definition of East Asia monsoon index.

Key words East Asia monsoon；definition of the index；element field；classification；methods

季風(fēng)對于農(nóng)業(yè)的影響不言而喻。目前，國內(nèi)外對于東亞季風(fēng)的研究雖然已經(jīng)有很多，但是對于東亞季風(fēng)的強弱以及進退等問題的定量描述尚無統(tǒng)一的定論。對于不同地區(qū)氣候與農(nóng)業(yè)關(guān)系的分析需要采用不同的季風(fēng)指數(shù)，用一個或幾個簡單的指數(shù)來定量表征復(fù)雜的東亞季風(fēng)的強弱以及進退等問題會遇到一些困難。此外，對于不同地區(qū)、不同氣候要素的研究，其對應(yīng)的東亞季風(fēng)指數(shù)的定義也相應(yīng)有所不同。現(xiàn)將東亞季風(fēng)指數(shù)的不同定義方法介紹如下。

1 東亞季風(fēng)指數(shù)定義方法分類

按照定義東亞季風(fēng)時所依據(jù)的不同要素類型，可將東亞季風(fēng)指數(shù)定義的方法分為氣壓場類、風(fēng)場類、環(huán)流場類、溫度場類、水汽場類以及綜合類等。

1.1 氣壓場類

郭其蘊[1]以東經(jīng)110°～160°的海平面氣壓差作為東亞夏季風(fēng)的強度表征。趙漢光等[2]建立冬季風(fēng)強度指數(shù)。施 能等[3]改進了東亞夏季風(fēng)的強度表征方法。但由于熱帶區(qū)域氣壓場的變化幅度較小，若僅用氣壓差表征的季風(fēng)指數(shù)來描述效果不佳，而以此描述副熱帶區(qū)域的季風(fēng)比較合適。趙 平等[4]以西太平洋副熱帶高壓與蒙古低壓的差異表征對副熱帶夏季風(fēng)的影響，從而定義副熱帶夏季風(fēng)指數(shù)。該指數(shù)可以表征東亞副熱帶夏季風(fēng)和長江流域降水變化。Hanawa等[5]采用海參葳與日本根室氣壓差形成的冬季風(fēng)指數(shù)，該指數(shù)所用站數(shù)少、緯度高，適宜日本地區(qū)使用。

1.2 風(fēng)場類

喬云亭、陳烈庭和張慶云[6]取北緯20°～40°，東經(jīng)100°～140°的范圍，根據(jù)公式定義了西南季風(fēng)面積和強度指數(shù)、東南季風(fēng)面積和強度指數(shù)、偏北季風(fēng)面積和強度指數(shù)。并討論了各指數(shù)的相互關(guān)系及年際變化。張慶云等[7]通過研究得出：東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)中的熱帶輻合帶與副熱帶輻合帶的強度變化趨勢相反。從這一環(huán)流系統(tǒng)的特點出發(fā)，張慶云等利用850 hPa緯向風(fēng)定義了東亞夏季風(fēng)指數(shù)ZTCI。陳 文等[8]研究了東亞冬季風(fēng)在20世紀(jì)90年代末的年際變化情況，利用東海和南海的10 m風(fēng)場，定義了一個東亞冬季風(fēng)指數(shù)，分析表明該指數(shù)較好地表述了東亞冬季風(fēng)的年際變化。朱艷峰[9]用500 hPa風(fēng)場要素定義了一個冬季風(fēng)環(huán)流指數(shù)（IEAWM）。

1.3 環(huán)流場類

黃 剛等[10]以影響東亞夏季風(fēng)的東亞—太平洋大氣遙相關(guān)型為依據(jù)，定義了一個東亞夏季風(fēng)環(huán)流異常指數(shù)，分析表明該指數(shù)可以對于東亞地區(qū)夏季的氣候要素場的年際變化特征進行表征。崔曉鵬和孫照渤[11]根據(jù)東亞地區(qū)500 hPa高度場EOF分析結(jié)果，并參照歷史平均東亞大槽的位置，用500 hPa東亞大槽活動定義了一個東亞冬季風(fēng)強度指數(shù)（H50）。討論了H50與東亞大氣環(huán)流和我國氣溫的關(guān)系，并分析了H50在1951—1992年的變化。何卷雄、張東凌和曾慶存[12]根據(jù)季風(fēng)環(huán)流圈強度，采用歐拉方法，將季風(fēng)環(huán)流分解成經(jīng)向和緯向兩部分，分別度量這兩部分的強度，從而定義了一個季風(fēng)指數(shù)。陳海山和孫照渤[13]定義了一個反映中國冬季氣溫異常的指標(biāo)東亞區(qū)域西風(fēng)指數(shù)。因此，環(huán)流要素定義的東亞季風(fēng)指數(shù)可以結(jié)合東亞季風(fēng)的相關(guān)特征，對東亞環(huán)流場的變化進行較好的表征，方法較成熟，但在表征季風(fēng)降水等方面稍有不足。

1.4 溫度場類

孫秀榮等[14]改造了前人定義的季風(fēng)強度指數(shù)，并對不同方向的海陸熱力差異進行綜合考慮，因此更加詳盡。分析得出：該指數(shù)可以對我國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的年際異常變化特征進行良好表征，并且該指數(shù)與我國夏季氣溫異常有很好的對應(yīng)關(guān)系。

1.5 水汽場類

梁 萍等[15]在討論水氣輸送的氣候特征及逐候演變的基礎(chǔ)上，用整層積分的經(jīng)向水氣輸送定義了一個副熱帶夏季風(fēng)指數(shù)。文中采用東亞副熱帶區(qū)域南北兩側(cè)經(jīng)向水汽輸送的差異來表征副熱帶地區(qū)的水汽輻合，可較好地表征副熱帶夏季風(fēng)環(huán)流。

1.6 綜合類

綜合類季風(fēng)指數(shù)是綜合2種或2種以上要素來表征季風(fēng)特征的指數(shù)，可以更系統(tǒng)地表征東亞季風(fēng)復(fù)雜的特征。但受限于目前的研究認(rèn)識，將哪幾個要素結(jié)合起來作為表征因素更合適尚不明確，還有待進一步研究。祝從文、何金海和吳國雄[16]結(jié)合東亞熱帶和副熱帶季風(fēng)的雙重特性，綜合東西向海平面氣壓差與低緯度高、低層緯向風(fēng)切變，對東亞季風(fēng)指數(shù)進行了定義，對東亞冬、夏季風(fēng)變化進行了較好的反映。其中，夏季風(fēng)指數(shù)年際異常對西太平洋副熱帶高壓南北位置變化和長江中下游旱澇具有較強的反映能力。周 兵等[17]綜合風(fēng)場與OLR，對副熱帶夏季風(fēng)指數(shù)進行了定義，確定了副熱帶季風(fēng)的對流強度，并指出東亞副熱帶季風(fēng)指數(shù)與西太平洋副熱帶高壓及長江中下游降水密切相關(guān)。該季風(fēng)指數(shù)可以較好地刻劃東亞夏季風(fēng)強度。琚建華、錢誠和曹杰[18]也將風(fēng)場與OLR相結(jié)合，從熱帶和副熱帶季風(fēng)的聯(lián)系和區(qū)別著手，定義了副熱帶夏季風(fēng)指數(shù)MI。該指數(shù)能很好地反應(yīng)風(fēng)場、高度場和降水的特征，能很好地描述我國長江中下游地區(qū)夏季降水的變化特征。晏紅明、周文和楊 輝等[19]綜合地面溫度、海平面海陸氣壓差和500 hPa高度等因素，對一個東亞冬季風(fēng)指數(shù)進行了定義。分析得出，該指數(shù)表征的東亞冬季風(fēng)有明顯的QTO和QFO周期振蕩特征，并且冬季風(fēng)強度決定振蕩特征顯著程度，一般成正比關(guān)系，同時能有效地表征東亞冬季風(fēng)活動的不同方面。

2 東亞季風(fēng)指數(shù)具體定義方法

2.1 氣壓場類定義方法

郭其蘊取北緯10°～50°范圍內(nèi)，每10°緯圈上東經(jīng)110°減東經(jīng)160°之前的氣壓差值小于等于-5 hPa的所有數(shù)值的和代表夏季風(fēng)強度。用所得結(jié)果與多年平均求比值，得出夏季風(fēng)強度指數(shù)，記作SMI。比值越大說明夏季風(fēng)越強。

施能對郭其蘊的方法進行了改進，并對其進行了一次標(biāo)準(zhǔn)化處理，即：

趙平的方法類似于郭其蘊和施能的定義，首先對海平面氣壓進行標(biāo)準(zhǔn)化，然后沿著東經(jīng)110°，北緯40°～50°平均的標(biāo)準(zhǔn)化氣壓來代表蒙古低壓的變化特征，而用延著東經(jīng)160°，北緯30°～40°平均的標(biāo)準(zhǔn)化氣壓來表示西太平洋副熱帶高壓脊的變化特征，最后用東經(jīng)160°的平均值減去東經(jīng)110°的平均值，即得到東亞副熱帶夏季風(fēng)強度指數(shù)。

2.2 風(fēng)場類定義方法

喬云亭、陳烈庭和張慶云首先設(shè)西南風(fēng)（u>0，v>0）、東南風(fēng)（u<0，v>0）和偏北風(fēng)（v<0），考慮面積和強度2個因素定義了如下6個季風(fēng)特征指數(shù)。

西南季風(fēng)面積（ASW）和強度（ISW）指數(shù)：

ASW=nSW /N，ISW=∑uSW /nSW

東南季風(fēng)面積（ASE）和強度（ISE）指數(shù)：

ASE=nSE /N，ISE=∑uSE /nSE

偏北季風(fēng)面積（AN）和強度（IN）指數(shù)：

AN=nN /N，IN=∑uN /nN

其中，nSW、nSE、nN分別為850 hPa定義范圍內(nèi)西南風(fēng)、東南風(fēng)和北風(fēng)的網(wǎng)格點數(shù)；uSW、uSE和uN為西南風(fēng)、東南風(fēng)和北風(fēng)格點的風(fēng)速；N為定義范圍內(nèi)總的網(wǎng)格點數(shù)。

張慶云、陶詩言和陳烈庭將東亞熱帶季風(fēng)槽區(qū)與東亞副熱帶地區(qū)6—8月平均850 hPa風(fēng)場的緯向風(fēng)距平差定義為東亞夏季風(fēng)指數(shù)（EASMI）：

ZTCI=U′850（10～20°N，100～150°E）-U′850（25～35°N，100～150°E）

陳文根據(jù)風(fēng)場情況定義的指數(shù)計算公式為V10 m（25～40°N，120～140°E）+V10 m（10～25°N，110～130°E），即以上2個區(qū)域平均值之和。

朱艷峰定義的冬季風(fēng)指數(shù)的計算方法如下：

IEAWM=U500（25～35°N，80～120°E）-U500（50～60°N，80～120°E）

其中U500（25～35°N，80～120°E）為北緯25°～35°，東經(jīng)80°～120°范圍內(nèi)500 hPa緯向風(fēng)的平均值，U500（50°～60°N，80°～120°E）為北緯50°～60°，東經(jīng)80°～120°范圍內(nèi)500 hPa緯向風(fēng)的平均值。計算得到的IEAWM經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2.3 環(huán)流場類定義方法

黃剛嚴(yán)、中偉對指數(shù)IEAP的具體定義方法如下：

IEAP=Nor[-0.25Z′S（20°N，125°E）+0.50Z ′S（40°N，125°E）-0.25Z ′S（60°N，125°E）]

其中Z ′為距平（Z為某年夏季該點500 hPa位勢高度），Z ′S=Z ′sin 45°/sinφ，φ為緯度，Nor（X）為對X進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

崔曉鵬和孫照渤參照東亞大槽的位置，選定東經(jīng)110°～130°，北緯35°～40°區(qū)域，對高度場資料進行標(biāo)準(zhǔn)化，求得區(qū)域平均值，再經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化后為東亞冬季風(fēng)強度指數(shù)，記為H50。

何卷雄、張東凌和曾慶存將大氣分為上、下層，定義動量輸送如下：

式中，S為計算區(qū)域；g為重力加速度；p為氣壓（hPa）；[a]為速度矢量在某方向的投影，并沿某氣壓面區(qū)域S上的平均面積。I1和I2分別表示上下層動量輸送。忽略垂直速度的貢獻量，即可到該區(qū)域沿該環(huán)路（經(jīng)圈或維圈）的動量環(huán)流強度，即za=I1-I2。若取a=u，即za表示緯向環(huán)流圈的強度，a=v時，za表示經(jīng)向環(huán)流圈的強度。將經(jīng)向和緯向環(huán)流聯(lián)合考慮即可獲得季風(fēng)強度變化的概貌。

2.4 溫度場類定義方法

孫秀榮等用東亞季風(fēng)區(qū)（北緯27°～35°，東經(jīng)105°以東的大陸）范圍內(nèi)的地溫（TEC）和副熱帶西北太平洋（北緯15°～30°，東經(jīng)120°～150°）的海表溫度（SSTSTNWP）之差表示東西向海陸熱力差，用華南地區(qū)（北緯27°以南，東經(jīng)105°以東的大陸）的地溫（TSC）和南海（東經(jīng)105°～120°，北緯5°～18°）海表溫度（SSTSCS）之差表示南北向海陸熱力差，從而定義了一個東亞海陸熱力差指數(shù)（LSTD）：

LSTD=（TEC-SSTSTNWP）×0.8+（TSC-SSTSCS）×0.2

2.5 水汽場類定義方法

梁 萍等用華南的整層積分經(jīng)向水汽輸送距平（ΔVQSC）表示來自長江中下游南側(cè)的異常，用華北的整層積分經(jīng)向水汽輸送距平（ΔVQNC）表示來自長江中下游北側(cè)的異常水汽輸送。二者的差異定義為東亞副熱帶夏季風(fēng)指數(shù)ESMI=ΔVQSC-ΔVQNC。其中，Δ表示區(qū)域平均；用范圍（北緯22.5°～27.5°，東經(jīng)105°～120°）表示華南（SC）；用范圍（北緯35°～40°，東經(jīng)105°～115°）表示華北（NC）。

2.6 綜合類定義方法

祝從文、何金海和吳國雄綜合反映不同方向熱力差異的季風(fēng)指數(shù)，參考前人經(jīng)驗，將北緯0°～10°，東經(jīng)100°～130°區(qū)域的850 hPa和200 hPa的緯向風(fēng)切變和北緯10°～50°內(nèi)各緯度上月均東經(jīng)160°海平面氣壓與東經(jīng)110°海平面氣壓之差進行歸一化處理，以經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的2個指數(shù)之和表示東亞特殊的海陸熱力對比對東亞季風(fēng)的影響，稱為東亞季風(fēng)指數(shù)（簡稱EAMI），其值若大于0說明夏季風(fēng)（西南風(fēng)）占優(yōu)，小于0則說明冬季風(fēng)（東北風(fēng)）占優(yōu)。

周兵、何金海和吳國雄將東亞西風(fēng)環(huán)流指數(shù)IEW定義為北緯25°～35°，東經(jīng)100°～125°平均的緯向風(fēng)垂直切變；東亞南風(fēng)環(huán)流指數(shù)IES定義為北緯10°～25°，東經(jīng)100°～125°區(qū)域的平均經(jīng)向風(fēng)垂直切變。IEW=u850-u200，在北緯25°～35°，東經(jīng)100°～125°；IES=u850-u200，在北緯10°～25°，東經(jīng)100°～125°。

琚建華、錢誠和曹杰把動力學(xué)和熱力學(xué)2種因素相結(jié)合，將東亞季風(fēng)區(qū)內(nèi)各格點上經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的西南風(fēng)與OLR之差定義為東亞夏季風(fēng)指數(shù)（MI）：

其中θsw和θOLR分別為Vsw和OLR的標(biāo)準(zhǔn)差。計算區(qū)域（北緯22.5°～32.5°，東經(jīng)112.5°～135.0°）平均MI后構(gòu)造成東亞副熱帶夏季風(fēng)指數(shù)（EASMI）。

晏紅明、周文、楊輝和蔡云定義了地面溫度指數(shù)IAIR995，經(jīng)向風(fēng)指數(shù)IV995、IV1000和IV850，海平面氣壓指數(shù)I1SLP995、I2SLP995和I3SLP995，500 hPa大氣環(huán)流指數(shù)IH500，緯向風(fēng)切變指數(shù)IU300這5個指數(shù)。再計算各指數(shù)之前的相關(guān)系數(shù)。由于IH500和I2SLP995之間的相關(guān)性未通過95%的信度檢驗，與其他要素指數(shù)之間的相關(guān)性也較差；I1SLP995與其他要素指數(shù)之間的相關(guān)性比較好。因此，IH500在表征東亞冬季風(fēng)時有一定的獨立性，而I1SLP995在表征東亞冬季風(fēng)時具有很好的代表性。此外，東亞冬季風(fēng)既有動力學(xué)特征又有熱力學(xué)特征，而地面溫度可表征熱力學(xué)特征，因此選取代表性較好的I1SLP995、具有一定獨立性的IH500和反應(yīng)冬季風(fēng)活動熱力學(xué)特征的IAIR9953來綜合定義東亞冬季風(fēng)強度，即：

3 結(jié)語

本文總結(jié)了東亞季風(fēng)的不同定義方法，然而東亞季風(fēng)包括東亞東季風(fēng)和東亞夏季風(fēng)，本文兼顧二者進行總結(jié)，主要目的是總結(jié)不同要素場在描述季風(fēng)時的差別。當(dāng)然，在進行氣候變化、氣候監(jiān)測業(yè)務(wù)時，冬季風(fēng)和夏季風(fēng)應(yīng)該分別分析。冬季風(fēng)的定義同樣多種多樣，指出了具體哪個指數(shù)適合描述哪個區(qū)域的氣候要素值得分析。此外，關(guān)于夏季風(fēng)的定義，前人大多針對南方的降水進行，然而對于北方地區(qū)（如東北地區(qū)）的降水應(yīng)該如何定義一個合適的夏季風(fēng)指數(shù)也是有待今后重點分析的內(nèi)容。

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