溫之平吳乃庚, 2, 3陳桂興

1中山大學(xué)大氣科學(xué)系/季風(fēng)與環(huán)境研究中心, 廣州5102752中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所, 廣州5100803廣州中心氣象臺(tái)，廣州510080

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南海夏季風(fēng)爆發(fā)早晚的經(jīng)向環(huán)流異常的機(jī)理研究

溫之平1吳乃庚1, 2, 3陳桂興1

1中山大學(xué)大氣科學(xué)系/季風(fēng)與環(huán)境研究中心, 廣州510275
2中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所, 廣州510080
3廣州中心氣象臺(tái)，廣州510080

摘 要南海夏季風(fēng)爆發(fā)與東亞地區(qū)的局地經(jīng)向環(huán)流密切相關(guān)。本文利用線性局地經(jīng)向環(huán)流診斷模式，定量診斷分析了1979～2003年5月1～15日的局地經(jīng)向環(huán)流及其在夏季風(fēng)爆發(fā)早晚年的差異，分析找出了在該關(guān)鍵時(shí)段對(duì)經(jīng)向環(huán)流異常有正貢獻(xiàn)的主要因子，從而確立影響季風(fēng)爆發(fā)的相應(yīng)天氣過程及貢獻(xiàn)機(jī)制。結(jié)果表明，在季風(fēng)爆發(fā)早年期間，局地經(jīng)向環(huán)流異常呈現(xiàn)為“Hadley環(huán)流”形態(tài)：上升運(yùn)動(dòng)（下沉運(yùn)動(dòng)）影響南海中北部（江淮地區(qū)），低空非地轉(zhuǎn)南風(fēng)（北風(fēng)）影響南海中南部（華南和江南地區(qū)）。季風(fēng)爆發(fā)晚年的情況則與季風(fēng)爆發(fā)早年相反。對(duì)造成經(jīng)向環(huán)流異常的各個(gè)因子進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)向分布不均勻的潛熱加熱的貢獻(xiàn)作用最大，其次是溫度平流和西風(fēng)動(dòng)量輸送過程，與越赤道氣流有關(guān)的邊界效應(yīng)則對(duì)南海中南部的低空南風(fēng)有一定貢獻(xiàn)。相應(yīng)的天氣學(xué)分析表明，季風(fēng)爆發(fā)偏早年的副熱帶高空急流強(qiáng)度偏強(qiáng)且位置偏南，其動(dòng)量輸送過程導(dǎo)致對(duì)流層上層出現(xiàn)非地轉(zhuǎn)南風(fēng)、急流軸南側(cè)（北側(cè)）的華南（華北）地區(qū)出現(xiàn)高空輻散（輻合）和低層輻合上升（輻散下沉）。與此同時(shí)，中緯度西風(fēng)帶擾動(dòng)的南下和副熱帶高壓脊從南海地區(qū)的撤出，中低層溫度平流導(dǎo)致華中地區(qū)冷卻和南海中北部增暖，進(jìn)一步加強(qiáng)低緯地區(qū)上升、中緯地區(qū)下沉的經(jīng)向環(huán)流異常。華南地區(qū)異常的非地轉(zhuǎn)北風(fēng)與南海中南部異常的非地轉(zhuǎn)南風(fēng)，顯著加強(qiáng)了南海中北部的低空水汽輻合和對(duì)流潛熱釋放，從而激發(fā)出強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)。由此可見，中低緯天氣系統(tǒng)配置能有效調(diào)節(jié)中國東部及南海地區(qū)的潛熱加熱和冷暖平流的南北分布，從而引起與季風(fēng)爆發(fā)對(duì)應(yīng)的局地經(jīng)向環(huán)流的顯著變化。

關(guān)鍵詞南海夏季風(fēng) 季風(fēng)爆發(fā) 局地經(jīng)向環(huán)流 高空急流 副熱帶高壓

資助項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目41175076、415305030

Funded by National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grants 41175076, 41530530)

Mechanisms for the Anomaly of Local Meridional Circulation during Early and Delayed Onsets of the South China Sea Summer Monsoon

WEN Zhiping1, WU Naigeng1, 2, 3, and CHEN Guixing1

1 Center for Monsoon and Environment Research/Department of Atmospheric Science, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275
2 Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou 510080
3 Guangzhou Central Meteorological Observatory, Guangzhou 510080

Abstract The onset of the South China Sea summer monsoon is strongly associated with the variations of meridionalcirculation over East Asia, particularly during 1–15 May. Using a linear diagnostic model, numerical experiments are performed that successfully capture the local meridional circulation and its anomaly relating to early and delayed onsets of the summer monsoon. It is shown that, in years with an early monsoon onset, anomalous ascending (descending) motion tends to occur over the South China Sea (central China), in clear contrast to the pattern in years with a delayed monsoon onset. Such a difference of meridional circulation is found to result from the meridional gradient of latent heat release, thermal and momentum advection, and the forcing effect of the southern boundary. An analysis of the related synoptic patterns suggests that the southward-shifted subtropical upper-level jets, westerly disturbances, frontal activities, and the retreat of the subtropical high from the South China Sea can trigger a direct circulation between low and middle latitudes through an effective transport of heat and momentum. The anomalous northerly wind from middle latitudes and the westerly wind from tropical regions work together to strengthen the low-level moisture convergence and convection over the South China Sea, driving strong upward motion. The results highlight that a strong interaction between midlatitude and tropical weather systems may play an important role in regulating the timing of the onset of the summer monsoon.

Keywords South China Sea summer monsoon, Monsoon onset, Local meridional circulation, Upper-level jet, Subtropical high

1 引言

經(jīng)圈環(huán)流在大氣環(huán)流調(diào)整、靜力平衡重建和地轉(zhuǎn)平衡狀態(tài)中扮演重要角色（Eady，1950）。對(duì)經(jīng)圈環(huán)流的研究很早就受到了氣象學(xué)家們的重視，已有的研究成果不僅揭示了全球緯向平均經(jīng)向環(huán)流的空間結(jié)構(gòu)和時(shí)間演變特征，還探討了經(jīng)向環(huán)流在角動(dòng)量及熱量輸送等方面的貢獻(xiàn)作用（葉篤正和楊大升，1955；葉篤正等，1958；吳國雄和Tibaldi，1988；Hoskins et al., 1989；吳國雄和蔡雅萍，1994）。隨后，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)一步指出，經(jīng)向環(huán)流在季風(fēng)系統(tǒng)中也扮演著重要的角色（陳隆勛等，1991；Lau et al., 2000；Dima and Wallace，2003；馮然等，2011）。其中，陳隆勛等（1991）對(duì)東亞季風(fēng)的研究揭示，冬季經(jīng)向環(huán)流具有明顯的Hadley環(huán)流特征，而夏季經(jīng)向剖面圖上Hadley環(huán)流卻不明顯。Lau et al.（2000）研究亞洲季風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)力特征后指出，與受Rossby波動(dòng)力學(xué)支配的南亞經(jīng)典季風(fēng)不同，東亞季風(fēng)是一個(gè)復(fù)雜的季風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)向環(huán)流作用顯著，熱帶與中高緯度系統(tǒng)可通過經(jīng)向環(huán)流而相聯(lián)系。陳桂興等（2004）分析南海夏季風(fēng)經(jīng)向環(huán)流20年平均的演變機(jī)制，認(rèn)為非地轉(zhuǎn)經(jīng)向環(huán)流在南海夏季風(fēng)的醞釀和爆發(fā)過程中起了十分重要作用。覃慧玲等（2004）和梁肇寧等（2004）對(duì)個(gè)例年進(jìn)行分析，指出經(jīng)向環(huán)流在夏季風(fēng)爆發(fā)早晚年存在明顯差別。因此，進(jìn)一步從經(jīng)向環(huán)流角度來探討東亞夏季風(fēng)的爆發(fā)早晚以及相關(guān)物理機(jī)制具有重要的意義。

關(guān)于南海夏季風(fēng)爆發(fā)和變動(dòng)機(jī)制，許多學(xué)者分別從不同的動(dòng)力熱力側(cè)面做了研究，并取得了很多成果進(jìn)展（Huang et al., 2003, 2012）。有人強(qiáng)調(diào)海陸熱力差異對(duì)夏季風(fēng)環(huán)流建立的影響（Murakami et al., 1986; So and Chan, 1997）, 有人強(qiáng)調(diào)青藏高原大地形的加熱和強(qiáng)迫作用（Ueda and Yasunari，1998；Wu and Zhang，1998），也有人強(qiáng)調(diào)中南半島—南海之間的緯向熱力差異對(duì)南海夏季風(fēng)的影響，認(rèn)為海陸的感熱差異是影響季風(fēng)爆發(fā)的重要背景場(chǎng)（王世玉和錢永甫, 2001）。有的研究則從海氣相互作用角度分析，指出熱帶海溫異常對(duì)南海夏季風(fēng)爆發(fā)的影響（袁媛和李崇銀, 2009），或發(fā)現(xiàn)南海—西太平洋較大的緯向溫度梯度是南海夏季風(fēng)爆發(fā)早于南亞季風(fēng)的原因之一（謝安等, 1999）。也有研究認(rèn)為南海夏季風(fēng)爆發(fā)與中緯度槽鋒系統(tǒng)作用有關(guān)，中緯度鋒本身就是南海夏季風(fēng)的觸發(fā)機(jī)制（Chang and Chen, 1995;吳池勝等，2001）。還有研究發(fā)現(xiàn)南海夏季風(fēng)活動(dòng)與大氣低頻振蕩存在密切關(guān)系，顯示熱帶天氣系統(tǒng)的可能調(diào)節(jié)作用（溫之平等，2006；陳尚鋒等，2011）。

上述研究表明南海夏季風(fēng)爆發(fā)與多個(gè)動(dòng)力熱力過程影響密切聯(lián)系，但是這些因子在季風(fēng)爆發(fā)早晚的相對(duì)大小，迄今為止仍不甚清楚。其中關(guān)鍵問題是，如何在同一基準(zhǔn)下定量地估算各個(gè)因子的貢獻(xiàn)大小，從而找出關(guān)鍵因子。為此，本文嘗試在考慮所有動(dòng)力熱力因子作用的模式基礎(chǔ)上，對(duì)季風(fēng)經(jīng)向環(huán)流的演變進(jìn)行診斷分析。本文所選用的模式是局地緯向平均的經(jīng)向環(huán)流診斷模式（袁卓建和王同美, 1998），該模式包含了影響季風(fēng)爆發(fā)的所有動(dòng)力因子（氣壓梯度力、科里奧利力、摩擦力、慣性力和大氣穩(wěn)定度）和熱力因子（感熱和潛熱輸送、長短波輻射、溫度平流、水汽和溫度層結(jié)調(diào)節(jié)過程等），能線性地計(jì)算出它們?cè)隍?qū)動(dòng)局地經(jīng)向環(huán)流過程的貢獻(xiàn)大小。這樣，通過分析這些動(dòng)力熱力因子在季風(fēng)爆發(fā)早晚年的貢獻(xiàn)差異，就能找出影響南海夏季風(fēng)爆發(fā)早晚的主要因子和相應(yīng)天氣過程。前期研究已表明，5 月1～15日是反映南海夏季風(fēng)爆發(fā)遲早差異的關(guān)鍵時(shí)段，期間東亞季風(fēng)區(qū)的大氣環(huán)流和局地經(jīng)向環(huán)流都存在顯著性的差別（溫之平等，2006）。因此，本文側(cè)重對(duì)1979～2003年25年間的5月1～15日的局地經(jīng)向環(huán)流進(jìn)行了定量診斷分析，以期闡明經(jīng)向環(huán)流變異的機(jī)理及其對(duì)南海夏季風(fēng)爆發(fā)的影響。

2 資料處理和模式簡介

2.1 數(shù)據(jù)資料和處理方法

為進(jìn)行數(shù)值診斷分析，本研究使用由美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心提供的1979～2003年再分析資料（NCEP-DOE Reanalysis 2）。該資料時(shí)間分辨率為6小時(shí)，水平分辨率為2.5°×2.5°（經(jīng)度×緯度），垂直方向共17層。高空氣象場(chǎng)包括水平風(fēng)、垂直速度、位勢(shì)高度、溫度和相對(duì)濕度等變量。地面氣象場(chǎng)包括水平風(fēng)、氣壓、溫度和濕度等變量。在進(jìn)行數(shù)值診斷之前，先采用線性插值方法，將再分析資料插值到診斷模式的19層上（950～50 hPa，間距為50 hPa）。本研究主要關(guān)注110°～120°E范圍的南海地區(qū)及中國東部，南北邊界分別取在5°N和52.5°N，旨在考慮越赤道氣流和冷空氣的影響。將再分析資料輸入到診斷模式，對(duì)每年5月1～15日期間逐6小時(shí)的局地經(jīng)向環(huán)流進(jìn)行數(shù)值診斷和合成分析。

為定義南海夏季風(fēng)爆發(fā)日期，本文采用南海中南部（5°～17.5°N，110°～120°E）區(qū)域平均的850 hPa緯向風(fēng)的季節(jié)性突變?yōu)橹笜?biāo)（溫之平等, 2006）。據(jù)該指標(biāo)算出的季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間與其他研究結(jié)果（何金海等, 2001; Wang et al., 2004）存在較好的一致性。1979～2003年間季風(fēng)爆發(fā)偏早的年份（日期）分別為1986 (May 10)、1994 (May 2)、1995 (May 12)、1996 (May 6)、1999 (April 22)、2000 (May 9)和2001 (May 8)，共7年；爆發(fā)偏晚的年份（日期）分別為1981 (May 30)、1982 (May 30)、1983 (June 2)、1985 (May 27)、1987 (June 7)、1991 (June 9)和1993 (June 5)，共7年；其余11年為正常年，對(duì)應(yīng)于溫之平等（2006）的表1和圖2。由此可見，季風(fēng)爆發(fā)偏早年份的爆發(fā)日期絕大多數(shù)出現(xiàn)于5月1～15日之間，而爆發(fā)偏晚年份的爆發(fā)日期全部在5月27日之后。因此，季風(fēng)環(huán)流能否在5月1～15日建立，是夏季風(fēng)爆發(fā)早晚的關(guān)鍵。5月1～15日時(shí)段在季風(fēng)爆發(fā)偏早年，可能包含了爆發(fā)前后的狀態(tài)，在本文中均被認(rèn)為是季風(fēng)環(huán)流建立或即將建立的狀態(tài)；該時(shí)段在季風(fēng)爆發(fā)偏晚年，則對(duì)應(yīng)于季風(fēng)環(huán)流尚未建立的狀態(tài)。由于這兩種狀態(tài)的熱帶及中高緯大氣環(huán)流存在明顯差別（溫之平等, 2006），以下分析側(cè)重于相應(yīng)的經(jīng)向環(huán)流差異及其機(jī)制。值得指出的是，不同于隨爆發(fā)日期變動(dòng)的合成分析，本文采用固定時(shí)期的合成對(duì)比，從而很好地消除了季節(jié)變動(dòng)背景的影響。對(duì)比結(jié)果不等同于季風(fēng)爆發(fā)前后的差異，但也應(yīng)存在一定的共性。

2.2 診斷方程和求解方法

為了研究與東亞夏季風(fēng)有關(guān)的經(jīng)向環(huán)流，本文采用一個(gè)局地緯向平均的局地經(jīng)向環(huán)流的線性診斷模式（袁卓建和王同美, 1998; Yuan et al., 2000）。前期研究已詳細(xì)介紹了模式的方程推導(dǎo)、求解方法和數(shù)據(jù)處理（袁卓建等, 2000; 陳桂興等, 2004; Chen et al., 2005），這里僅作簡短介紹。該模式為包含盡可能多的物理過程，除了將經(jīng)向運(yùn)動(dòng)方程簡化為梯度風(fēng)平衡關(guān)系外，其余方程采用P坐標(biāo)系的原始方程組。運(yùn)用消元法和代入法，將連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程的三個(gè)分量式、熱力學(xué)方程、水汽守恒方程和狀態(tài)方程有機(jī)結(jié)合起來，可導(dǎo)出局地經(jīng)向環(huán)流的流函數(shù)的橢圓型線性方程：

診斷方程（1）右邊的總強(qiáng)迫項(xiàng)F共包括15個(gè)強(qiáng)迫因子：

當(dāng)流體處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)AC－B2＞0，方程（1）為橢圓型偏微分方程。根據(jù)理論分析（袁卓建和王同美, 1998）得知，方程（1）可近似為

其中，DF和QF是代表方程（1）的第I到VIII項(xiàng)和第IX到XV項(xiàng)，分別代表動(dòng)力和熱力強(qiáng)迫因子。（4）式表明流函數(shù)中心的正負(fù)號(hào)（即環(huán)流旋轉(zhuǎn)方向）與熱力強(qiáng)迫的經(jīng)向梯度和動(dòng)力強(qiáng)迫的垂直梯度有關(guān)。

利用超松弛迭代法，可求得方程（1）的數(shù)值解（袁卓建等，2000）。因?yàn)榉匠蹋?）為線性方程，方程解是可疊加或分解。這樣，我們可以定量地估算出由（3）式中任一項(xiàng)強(qiáng)迫力單獨(dú)激發(fā)的經(jīng)向環(huán)流，也可估算出由所有強(qiáng)迫力共同驅(qū)動(dòng)的總體的經(jīng)向環(huán)流。在數(shù)值求解方程（1）之前，需先計(jì)算出方程（3）各個(gè)強(qiáng)迫力，包括預(yù)先估算經(jīng)向剖面上的流場(chǎng)經(jīng)向風(fēng)v和垂直運(yùn)動(dòng)ω的輻散無旋成分(vχ, ωχ)。估算(vχ, ωχ)的方法之一，可利用球坐標(biāo)系泊松方程，將實(shí)際風(fēng)場(chǎng)(v, ω)分解成有旋(vψ, ωψ)和無旋(vχ, ωχ)兩種成分。雖然這種方法不包含任何近似，但因計(jì)算涉及用差分方法求解高階偏微分方程，計(jì)算結(jié)果會(huì)受到截?cái)嗾`差、離散誤差、舍入誤差以及大量小差等問題影響，計(jì)算誤差會(huì)加大且無法估計(jì)。另一種方法，假設(shè)科里奧利參數(shù)f為常數(shù)，由p坐標(biāo)的連續(xù)方程可知，只有能產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)的非地轉(zhuǎn)成分vag對(duì)垂直經(jīng)向環(huán)流有貢獻(xiàn)（Yuan et al., 2000），經(jīng)向剖面上的經(jīng)向風(fēng)的有旋和無旋成分近似于非地轉(zhuǎn)風(fēng)和地轉(zhuǎn)風(fēng)(vψ≈vag和vχ≈vg)。這種vχ估算方法的誤差僅由f設(shè)為常數(shù)引起。本研究采用第二種方法來估算(vχ, ωχ)，并得到(vψ, ωψ)。值得注意的是，由此方法算出的(vψ, ωψ)是直接由再分析資料估算的，因此可作為“實(shí)測(cè)”值，用于對(duì)比由診斷方程（1）得到的估算值，檢驗(yàn)診斷模式的計(jì)算性能。

為估算任一內(nèi)力因子的單獨(dú)作用，整個(gè)計(jì)算區(qū)域包括邊界的流函數(shù)的初始值全設(shè)為零，其余內(nèi)力因子也設(shè)為零，求解方程（1）所得的流場(chǎng)代表了該因子所驅(qū)動(dòng)的經(jīng)向環(huán)流。依次對(duì)（3）式中的各個(gè)強(qiáng)迫因子進(jìn)行診斷計(jì)算，由此得到它們各自所驅(qū)動(dòng)的經(jīng)向環(huán)流。此外，為了估算邊界效應(yīng)的貢獻(xiàn)即越赤道氣流和北方冷空氣的影響，模式區(qū)域的南北邊界（5°N和52.5°N）作開邊界處理，先由vψ≈vag和vχ≈vg反算出邊界處的流函數(shù)。利用該流函數(shù)作為邊界值，在不考慮內(nèi)力強(qiáng)迫的情況下，迭代求解方程（1）就可得到由邊界效應(yīng)所驅(qū)動(dòng)的經(jīng)向環(huán)流。

2.3 診斷模式的性能檢驗(yàn)

在利用模式結(jié)果進(jìn)行深入分析之前，需要先對(duì)數(shù)值模式的診斷性能進(jìn)行檢驗(yàn)，以確保輸出結(jié)果的可信度。如2.2節(jié)所述，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)在于，診斷模式在考慮所有強(qiáng)迫力和邊界效應(yīng)的情況下，所估算出的經(jīng)向環(huán)流形態(tài)和強(qiáng)度是否接近于“實(shí)測(cè)”情況。圖1a顯示，在季風(fēng)爆發(fā)偏早年，“實(shí)測(cè)”經(jīng)向環(huán)流的上升支主要出現(xiàn)在30°N以南的南海地區(qū)和華南地區(qū)，對(duì)應(yīng)于活躍的熱帶對(duì)流和梅雨鋒雨帶（陳桂興等，2005；Chen et al., 2005）。上升運(yùn)動(dòng)在27.5°N最強(qiáng)，且隨高度呈現(xiàn)向北傾斜的特征。10°～18°N南海中南部低空受到明顯南風(fēng)氣流控制。經(jīng)向環(huán)流的下沉支主要出現(xiàn)在30°N以北，并在35°N附近達(dá)到最強(qiáng)。圖1b所示的經(jīng)向環(huán)流總體估算場(chǎng)與圖1a的“實(shí)測(cè)”場(chǎng)非常相似，包括環(huán)流形態(tài)和上升支下沉支中心位置。圖1c表示季風(fēng)爆發(fā)偏晚年的“實(shí)測(cè)”經(jīng)向環(huán)流，27.5°N附近的華南地區(qū)仍受到上升運(yùn)動(dòng)控制，強(qiáng)度稍強(qiáng)于圖1a的情況，但上升支隨高度傾斜不明顯。圖1c還顯示，20°N以南的南海地區(qū)轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動(dòng)，顯著不同于圖1a中的季風(fēng)爆發(fā)偏早的情況。此外，低空南風(fēng)氣流主要出現(xiàn)在20°N附近的南海北部地區(qū)，區(qū)別于季風(fēng)爆發(fā)偏早年的南海中南部地區(qū)。圖1d所示的季風(fēng)爆發(fā)偏晚年的經(jīng)向環(huán)流估算場(chǎng)，不僅很好地重現(xiàn)了圖1c的“實(shí)測(cè)”場(chǎng)特征，還充分捕捉了上述“實(shí)測(cè)”場(chǎng)在偏晚年與偏早年之間的差異。由此可見，診斷模式能很好重現(xiàn)季風(fēng)爆發(fā)偏早年和偏晚年的經(jīng)向環(huán)流的空間結(jié)構(gòu)及其差異，診斷結(jié)果具有很高的可信度。由于該診斷模式是一個(gè)線性模式，其對(duì)總體經(jīng)向環(huán)流的診斷可靠性能類推到對(duì)各個(gè)強(qiáng)迫因子的診斷。

我們注意到，由診斷模式估算出的垂直運(yùn)動(dòng)稍弱于“實(shí)測(cè)”場(chǎng)?？赡茉蚴潜灸Ｊ?jīng)]包括輻射及云物理過程，且NCEP再分析資料中的垂直運(yùn)動(dòng)是預(yù)報(bào)值。前期工作表明，這些偏差可看作模式之間的系統(tǒng)差異，并不影響各強(qiáng)迫因子的貢獻(xiàn)大小的排序（陳桂興等，2004；梁肇寧等，2004），因此不影響本文的結(jié)論。

3 局地經(jīng)向環(huán)流的變異和機(jī)理

3.1 局地經(jīng)向環(huán)流在季風(fēng)爆發(fā)早晚年的距平差異和主要貢獻(xiàn)因子

2.3節(jié)已顯示，局地經(jīng)向環(huán)流在夏季風(fēng)爆發(fā)早晚年存在一定差異，尤其是在中低緯地區(qū)。為突顯這種差異和減少模式系統(tǒng)偏差的影響，我們將季風(fēng)爆發(fā)早晚年的經(jīng)向環(huán)流估算場(chǎng)減去氣候平均場(chǎng)，得到相應(yīng)的距平場(chǎng)。圖2a顯示，在南海季風(fēng)爆發(fā)早年的5月1～15日，異常的上升運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在南海中北部（10°～22.5°N），另一支較弱的上升支出現(xiàn)華北地區(qū)（40°N附近）。與低緯上升支相聯(lián)系的是，低層南風(fēng)出現(xiàn)在南海中南部（10°～15°N），異常低層北風(fēng)影響華南和江南地區(qū)（23°～30°N）。這兩支氣流在南海中北部輻合上升，對(duì)應(yīng)于季風(fēng)爆發(fā)偏早年在南海地區(qū)活躍的濕對(duì)流。異常的下沉運(yùn)動(dòng)主要出現(xiàn)華中地區(qū)（25°～37°N），與低緯地區(qū)上升支形成一個(gè)異常的局地“Hadley環(huán)流”。值得注意的是，垂直運(yùn)動(dòng)距平的量級(jí)達(dá)到?2×10?2Pa s?1，到達(dá)與氣候平均態(tài)相近的量級(jí)，表明該距平經(jīng)向環(huán)流非常顯著。因此，研究該經(jīng)向環(huán)流異常變化的機(jī)理將是揭示季風(fēng)爆發(fā)偏早的成因機(jī)制的關(guān)鍵過程。

圖2b顯示，在夏季風(fēng)爆發(fā)偏晚年份，局地經(jīng)向環(huán)流的距平主要表現(xiàn)為，南海中北部和華北地區(qū)受異常的下沉運(yùn)動(dòng)影響，長江流域則受異常的上升運(yùn)動(dòng)控制。南海中南部低空出現(xiàn)異常北風(fēng)氣流，而華南地區(qū)低空則出現(xiàn)異常南風(fēng)氣流。這些特征對(duì)應(yīng)于南海地區(qū)被抑制的大氣對(duì)流。將圖2b和2a進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)局地環(huán)流的異常形態(tài)在季風(fēng)爆發(fā)偏晚年和偏早年幾乎相反。我們還注意到，圖2a所示的經(jīng)向環(huán)流距平的高度伸展和垂直運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度均比圖2b更明顯，這顯示在季風(fēng)爆發(fā)偏早年的驅(qū)動(dòng)局地經(jīng)向環(huán)流的強(qiáng)迫因子更為活躍主動(dòng)，有利于夏季風(fēng)的提前爆發(fā)。

為了進(jìn)一步探索季風(fēng)爆發(fā)機(jī)制，運(yùn)用局地經(jīng)向環(huán)流模式計(jì)算出各個(gè)熱力動(dòng)力因子 [即方程（3）的各項(xiàng)] 單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)向環(huán)流，側(cè)重關(guān)注它們對(duì)季風(fēng)爆發(fā)早晚年的經(jīng)向環(huán)流距平（即圖2）的貢獻(xiàn)大小。我們?cè)敿?xì)檢查模式輸出的15項(xiàng)內(nèi)力因子和邊界強(qiáng)迫的貢獻(xiàn)，根據(jù)它們所驅(qū)動(dòng)的經(jīng)向環(huán)流量級(jí)和形態(tài)，就可找出起重要貢獻(xiàn)的因子。對(duì)季風(fēng)爆發(fā)偏早年和偏晚年的經(jīng)向環(huán)流異常起主要貢獻(xiàn)的因子均為潛熱加熱、溫度平流、西風(fēng)動(dòng)量水平輸送和邊界效應(yīng)強(qiáng)迫。圖3a顯示，由潛熱釋放所激發(fā)的異常上升運(yùn)動(dòng)主要出現(xiàn)南海中北部，強(qiáng)度達(dá)到?1.2×10?2Pa s?1，下沉運(yùn)動(dòng)主要出現(xiàn)在華中地區(qū)，與圖2a所示的總體經(jīng)向環(huán)流距平的形態(tài)非常相似。圖3b、c顯示，溫度平流和平均西風(fēng)動(dòng)量水平輸送也對(duì)南海地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)有一定貢獻(xiàn)，上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度分別為?0.6×10?2Pa s?1和?0.3×10?2Pa s?1，兩者強(qiáng)度之和接近于潛熱釋放。這說明熱帶地區(qū)的對(duì)流活動(dòng)和伴隨西風(fēng)帶擾動(dòng)的熱量動(dòng)量輸送過程均對(duì)南海季風(fēng)爆發(fā)偏早有重要影響，下一章將結(jié)合天氣形勢(shì)進(jìn)一步討論。對(duì)比圖3a–c可見，三個(gè)因子所激發(fā)的環(huán)流中心的高度和緯度均存在明顯差別，體現(xiàn)相關(guān)物理過程影響局地經(jīng)向環(huán)流的差異。例如，潛熱加熱所激發(fā)的環(huán)流中心主要在低緯的中低層，而溫度和動(dòng)量平流所激發(fā)的環(huán)流中心則在中緯度的對(duì)流層中層。圖3d顯示，南邊界強(qiáng)迫也對(duì)南海地區(qū)上升運(yùn)動(dòng)和南海中南部低空南風(fēng)的異常有一定正貢獻(xiàn)，體現(xiàn)了偏強(qiáng)南邊界入流的強(qiáng)迫作用，但是上升運(yùn)動(dòng)量級(jí)小于上述三個(gè)因子。

圖1 南海夏季風(fēng)爆發(fā)（a、b）偏早年和（c、d）偏晚年的5月1～15日平均局地經(jīng)向環(huán)流的（a、c）“實(shí)測(cè)”值和（b、d）診斷模式估算值（陰影區(qū)為垂直運(yùn)動(dòng)中心，強(qiáng)度由等值線標(biāo)記；單位：10?2Pa s?1）Fig. 1 The local meridional circulation averaged during 1–15 May in years with (a, b) early and (c, d) delayed onsets of summer monsoon: (a, c) Observed values; (b, d) diagnosed values. Shaded areas denotes the vertical motion with contours for intensity (units: 10?2Pa s?1)

圖2 5月1～15日平均的南海夏季風(fēng)爆發(fā)（a）偏早年和（b）偏晚年的局地經(jīng)向環(huán)流診斷場(chǎng)的距平（陰影區(qū)為垂直運(yùn)動(dòng)中心，負(fù)值代表上升運(yùn)動(dòng)，單位：10?2Pa s?1）。圖中空白地方是由于作距平處理后，數(shù)值接近零，并非缺測(cè)值，下同F(xiàn)ig. 2 The anomalies of the diagnosed local meridional circulation, averaged during 1–15 May in years with (a) early and (b) delayed onsets of summer monsoo Shaded areas denote the vertical motion with negative values for rising motion (units: 10?2Pa s?1). The blank areas in the figure denote a near-zero value rath than an undefined value

圖3 5月1～15日平均的南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏早年的由主要因子激發(fā)的距平經(jīng)向環(huán)流（陰影區(qū)為垂直運(yùn)動(dòng)中心，負(fù)值代表上升運(yùn)動(dòng)；單位：10?2Pa s?1）：（a）潛熱加熱；（b）溫度平流；（c）水平動(dòng)量輸送；（d）邊界效應(yīng)Fig. 3 The anomalies of the diagnosed local meridional circulation driven by (a) latent heating, (b) thermal advection, (c) horizontal advection of westerly momentum, and (d) boundary effects, averaged during 1–15 May in years with early onset of summer monsoon. Shaded areas denote the vertical motion with negative values for rising motion (units: 10?2Pa s?1)

圖4a顯示，在季風(fēng)爆發(fā)偏晚年的5月1～15日期間，由潛熱加熱所激發(fā)的經(jīng)向環(huán)流距平在南海中北部為下沉運(yùn)動(dòng)，在江南地區(qū)為上升運(yùn)動(dòng)。對(duì)比圖4a和2b顯示，潛熱加熱的貢獻(xiàn)很大程度上解釋總體經(jīng)向環(huán)流在低緯地區(qū)的異常特征。圖4b、c顯示溫度和動(dòng)量平流所激發(fā)的環(huán)流中心主要出現(xiàn)在中緯度地區(qū)，上升運(yùn)動(dòng)基本在25°N以北。將圖4b、c與圖3b、c相比，可清楚看到這兩個(gè)強(qiáng)迫因子所激發(fā)的經(jīng)向環(huán)流在季風(fēng)爆發(fā)偏晚年顯著北移，且垂直運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度也明顯減弱。這意味著與中緯度西風(fēng)帶活動(dòng)有關(guān)的強(qiáng)迫作用，在季風(fēng)爆發(fā)偏晚年出現(xiàn)衰減，與季風(fēng)爆發(fā)偏早年的情況相反。另外，圖4d顯示南邊界效應(yīng)對(duì)南海地區(qū)上空的下沉運(yùn)動(dòng)和低空北風(fēng)有一定貢獻(xiàn)，對(duì)應(yīng)于季風(fēng)爆發(fā)偏晚年的異常偏弱的入流強(qiáng)迫。

3.2 低層經(jīng)向風(fēng)在季風(fēng)爆發(fā)早晚年的貢獻(xiàn)

圖4 同圖3，但為季風(fēng)爆發(fā)偏晚年的情況。Fig. 4 As in Fig. 3 but for delayed onset of summer monsoon

3.1節(jié)已表明，來自南海中南部低空的非地轉(zhuǎn)南風(fēng)與來自華南地區(qū)的非地轉(zhuǎn)北風(fēng)在南海中北部輻合上升及其伴隨的對(duì)流潛熱釋放，是形成局地經(jīng)向環(huán)流異常和季風(fēng)爆發(fā)偏早的關(guān)鍵因素。因此，本節(jié)進(jìn)一步定量分析各個(gè)強(qiáng)迫因子在驅(qū)動(dòng)低緯度經(jīng)向風(fēng)的貢獻(xiàn)大小。圖5a顯示，在季風(fēng)爆發(fā)偏早年的5月1～15日，南海北部及中國東部的總經(jīng)向風(fēng)主要為異常北風(fēng)，而南海中南部低層則為異常南風(fēng)（0.42 m s?1）。相比而言，在季風(fēng)爆發(fā)偏晚年，中國東部地區(qū)主要為偏南風(fēng)距平，但是南海中南部的經(jīng)向風(fēng)接近零值（圖5b）。若將經(jīng)向風(fēng)分解為地轉(zhuǎn)風(fēng)vg（由氣壓梯度力驅(qū)動(dòng)）和非地轉(zhuǎn)風(fēng)vag（其他許多動(dòng)力熱力因子驅(qū)動(dòng)）?？梢钥吹?，雖然地轉(zhuǎn)風(fēng)解釋了大部分的經(jīng)向風(fēng)成分（圖5c、d），但是與季風(fēng)爆發(fā)偏早密切相關(guān)的南海中南部低層南風(fēng)和華南地區(qū)北風(fēng)主要由非地轉(zhuǎn)風(fēng)解釋（圖5e），成為南海中北部出現(xiàn)上升運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵（圖2a）。對(duì)比圖5e和圖5f發(fā)現(xiàn)，在季風(fēng)爆發(fā)偏晚的年份，低緯度低空風(fēng)場(chǎng)的正負(fù)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)于南海中北部轉(zhuǎn)為輻散，形成圖2b所示的下沉運(yùn)動(dòng)距平。診斷模式估算出的非地轉(zhuǎn)經(jīng)向風(fēng)（圖5g、h）很好重現(xiàn)了上述的“實(shí)測(cè)”非地轉(zhuǎn)經(jīng)向風(fēng)（圖5e、f）。早前研究指出，南海低層非地轉(zhuǎn)經(jīng)向風(fēng)在南海夏季風(fēng)醞釀和爆發(fā)過程中起了十分重要作用（陳桂興等，2004；梁肇寧等，2004；覃慧玲等，2004）。本文結(jié)果則進(jìn)一步表明，低緯地區(qū)的非地轉(zhuǎn)經(jīng)向風(fēng)差異也是影響季風(fēng)爆發(fā)早晚的重要因素。

基于線性診斷方程（1）對(duì)各個(gè)因子的診斷結(jié)果，我們分析了造成經(jīng)向風(fēng)異常的主要因子。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在南海季風(fēng)爆發(fā)偏早年的5月1～15日期間，對(duì)南海中南部的低層南風(fēng)距平（0.42 m s?1）起主要正貢獻(xiàn)的因子為潛熱加熱（0.44 m s?1）、溫度垂直對(duì)流（0.1 m s?1）以及邊界效應(yīng)（0.13 m s?1），其余因子大多起了負(fù)貢獻(xiàn)。對(duì)華南地區(qū)的低層北風(fēng)距平起主要貢獻(xiàn)的是潛熱加熱、溫度平流和動(dòng)量平流（圖3a–c）。因此，由熱帶對(duì)流活動(dòng)和中緯度西風(fēng)擾動(dòng)引起的環(huán)流調(diào)整，有利于低空輻合形勢(shì)的形成和維持，成為建立和維持季風(fēng)環(huán)流的關(guān)鍵過程。

在季風(fēng)爆發(fā)偏晚年份的同期，南海中南部的低層北風(fēng)距平（?0.25 m s?1）主要與南邊界效應(yīng)強(qiáng)迫有關(guān)（?0.21 m s?1），體現(xiàn)了異常偏弱的南邊界入流的作用；華南地區(qū)的低空南風(fēng)異常則主要與江南地區(qū)異常增加的潛熱加熱的影響有關(guān)（圖4a）。由于熱量和動(dòng)量平流過程的影響位置偏北（圖4b、c），它們對(duì)低緯地區(qū)的低空風(fēng)場(chǎng)異常的貢獻(xiàn)非常小。

圖5 5月1～15日平均的南海夏季風(fēng)爆發(fā)的偏早年（左列）和偏晚年（右列）的距平經(jīng)向風(fēng)（單位：m s?1）。（a，b）實(shí)測(cè)經(jīng)向風(fēng)；（c，d）地轉(zhuǎn)風(fēng)；（e，f）“實(shí)測(cè)”非地轉(zhuǎn)風(fēng)；（g，h）診斷非地轉(zhuǎn)風(fēng)Fig. 5 The anomalies of the meridional wind components (units: m s?1) during 1–15 May in years with early (left) and delayed (right) onsets of summer monsoon: (a, b) Observed meridional wind; (c, d) observed geostrophic component; (e, f) observed ageostrophic component; (g, h) diagnosed ageostrophic component

此外，我們還注意到中緯度的對(duì)流層中高層的經(jīng)向風(fēng)在季風(fēng)爆發(fā)偏早年和偏晚年存在顯著差別，分別呈現(xiàn)異常偏北風(fēng)（圖5a）和偏南風(fēng)（圖5b），顯示對(duì)流層中高層的天氣系統(tǒng)存在明顯差異。在爆發(fā)偏早年，35°N以南地區(qū)高空的非地轉(zhuǎn)風(fēng)距平呈現(xiàn)為偏南風(fēng)，35°N以北地區(qū)高空的非地轉(zhuǎn)風(fēng)距平呈現(xiàn)為偏北風(fēng)（圖5g）。對(duì)流層中上層的風(fēng)向恰好與對(duì)流層底層的相反。與季風(fēng)爆發(fā)偏晚年相比（對(duì)比圖5g、h）發(fā)現(xiàn)，這種大氣中高層的經(jīng)向風(fēng)異常在季風(fēng)爆發(fā)偏早年的強(qiáng)度更大、垂直伸展更深厚。這可能跟副熱帶高空急流的活動(dòng)密切相關(guān)，將在4.3節(jié)進(jìn)行深入討論。

4 與數(shù)值診斷對(duì)應(yīng)的天氣學(xué)分析

無論是南海夏季風(fēng)爆發(fā)的偏早年還是偏晚年，造成南海地區(qū)經(jīng)向風(fēng)和上升運(yùn)動(dòng)異常都是非地轉(zhuǎn)因子。引起兩類年份的經(jīng)向環(huán)流差異的物理因子之中，潛熱加熱、水平溫度平流、水平動(dòng)量平流起了主要的貢獻(xiàn)作用。以下從天氣形勢(shì)角度，分析與這三個(gè)因子密切相關(guān)的潛熱輸送（水汽輸送輻合）、伴隨西風(fēng)帶擾動(dòng)的冷暖平流、副熱帶高空急流以及它們的配置，探討它們對(duì)夏季風(fēng)爆發(fā)的影響機(jī)制。

4.1 季風(fēng)爆發(fā)偏早年的天氣形勢(shì)

圖6a 顯示季風(fēng)爆發(fā)偏早年的異常的850 hPa風(fēng)場(chǎng)和比濕場(chǎng)。華南地區(qū)出現(xiàn)異常的偏北風(fēng)，而南海南部主要為異常的偏西風(fēng)，對(duì)應(yīng)于夏季風(fēng)的爆發(fā)。南海中北部上空存在一個(gè)明顯的水汽輻合區(qū)和異常高值區(qū)，江南地區(qū)則存在一個(gè)異常的水汽輻散帶。這樣的水汽輻合輻散的經(jīng)向分布，十分有利于南海中北部地區(qū)的水汽抬升和對(duì)流潛熱釋放的加強(qiáng)，有助于該地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)維持和加強(qiáng)。江南地區(qū)則因?yàn)樗椛ⅲ焕趯?duì)流活動(dòng)的維持和加強(qiáng)，形成異常的下沉輻散氣流。因此，這種凝結(jié)潛熱的經(jīng)向不均勻分布必然激發(fā)一個(gè)在南海中北部上升，江南地區(qū)下沉的局地經(jīng)向環(huán)流（圖3a）。

圖6b顯示同期的600 hPa溫度和風(fēng)場(chǎng)異常分布。江淮和華北地區(qū)為異常的冷中心，華南及沿海地區(qū)為弱的暖中心。中國東部盛行異常偏北風(fēng)，在30°N附近長江流域上空形成強(qiáng)盛的冷平流，在南海北部形成較弱的暖平流。這種冷暖平流配置可造成南海中北部的增暖和華中地區(qū)的冷卻，相應(yīng)熱力作用的南北梯度有利于激發(fā)一個(gè)在南海中北部上升、華中地區(qū)下沉的距平經(jīng)向環(huán)流（圖3b）。

4.2 季風(fēng)爆發(fā)偏晚年的天氣形勢(shì)

與季風(fēng)爆發(fā)偏早年的天氣形勢(shì)相比，季風(fēng)爆發(fā)偏晚年的情況明顯不同。圖7a顯示850 hPa的異常風(fēng)場(chǎng)和比濕場(chǎng)。南海南部上空受異常東風(fēng)影響，華南地區(qū)則受異常西南風(fēng)和高濕條件控制，因此在江南地區(qū)形成水汽輻合帶，在南海中北部形成弱的水汽輻散區(qū)。相應(yīng)的水汽抬升和潛熱釋放形成的南北不均勻加熱場(chǎng)，有利于驅(qū)動(dòng)出在江南地區(qū)上升、南海地區(qū)下沉的局地“Anti-Hadley”環(huán)流（圖4a）。

圖6 5月1～15日平均的南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏早年的（a）850 hPa異常風(fēng)場(chǎng)（箭頭, 單位：m s?1)、異常比濕（線條, 單位：g kg?1）和（b）600 hPa異常風(fēng)場(chǎng)（箭頭, 單位：m s?1)、異常溫度場(chǎng)（線條, 單位：K）Fig. 6 (a) The anomalous horizontal winds (units: m s?1) and specific humidity (contours; units: g kg?1) at 850 hPa, (b) the anomalous horizontal winds (units: m s?1) and temperature (contours; units: K) at 600 hPa, averaged during 1–15 May in years with early onset of summer monsoon

圖7 同圖6，但為季風(fēng)爆發(fā)偏晚年。Fig. 7 As in Fig. 6 but for delayed onset of summer monsoon

圖7b顯示大氣中層的風(fēng)場(chǎng)和溫度距平場(chǎng)。華南和江南地區(qū)受異常西南風(fēng)影響，相應(yīng)的暖平流使得長江流域（～32°N）出現(xiàn)異常偏暖。華北地區(qū)主要為明顯的西北風(fēng)影響，出現(xiàn)相應(yīng)的冷平流。這種冷暖平流的經(jīng)向配置主要激發(fā)出江南地區(qū)上升、華北地區(qū)下沉的局地經(jīng)向環(huán)流（圖4b），對(duì)南海地區(qū)的影響較弱。對(duì)比圖6和圖7，季風(fēng)爆發(fā)早晚年的天氣形勢(shì)差異，不僅出現(xiàn)熱帶地區(qū)西風(fēng)入流（季風(fēng)氣流）的明顯差別，還出現(xiàn)中國東部的中緯度西風(fēng)擾動(dòng)活動(dòng)的顯著差異，兩個(gè)地區(qū)天氣系統(tǒng)的共同作用很好地解釋了局地經(jīng)向環(huán)流的差異。

4.3 西風(fēng)帶活動(dòng)對(duì)局地經(jīng)向環(huán)流異常的影響

為探討對(duì)流層中上層西風(fēng)帶活動(dòng)的影響，我們考察了副熱帶高空急流、緯向風(fēng)距平及北風(fēng)距平的垂直分布。圖8a顯示，在季風(fēng)爆發(fā)早年，30°～40°N附近上空的西風(fēng)急流中心位置偏南、強(qiáng)度偏強(qiáng)，中心風(fēng)速達(dá)到40 m s?1。偏北風(fēng)異常中心在35°N附近的200 hPa向下延伸到25°N附近的850 hPa，表明伴隨著副熱帶急流位置偏南，中低層冷空氣南侵可導(dǎo)致華南地區(qū)鋒面活動(dòng)的活躍（如圖6所示）。反之，季風(fēng)爆發(fā)偏晚年的副熱帶急流的中心位置明顯偏北、強(qiáng)度偏弱，對(duì)應(yīng)于西風(fēng)帶擾動(dòng)和鋒面活動(dòng)的位置偏北和強(qiáng)度偏弱（如圖7所示）。早前研究指出，高空急流對(duì)局地的垂直經(jīng)向環(huán)流有重要影響（Uccellini and Johnson, 1979；Uccellini and Kocin, 1987）。通過動(dòng)量輸送和上下層質(zhì)量調(diào)整，西風(fēng)急流能在急流入口區(qū)激發(fā)出南側(cè)有上升運(yùn)動(dòng)、北側(cè)有下沉運(yùn)動(dòng)、高層有非地轉(zhuǎn)南風(fēng)、低層有非地轉(zhuǎn)北風(fēng)的正環(huán)流。圖8a所示的高空急流特征正對(duì)應(yīng)于圖5g所示的非地轉(zhuǎn)經(jīng)向風(fēng)結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的動(dòng)量輸送的強(qiáng)迫作用激發(fā)出圖3c所示的經(jīng)向環(huán)流，均與理論概念相一致?？梢姡睙釒Ц呖占绷鞯漠惓；顒?dòng)能對(duì)局地經(jīng)向環(huán)流起一定調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而影響季風(fēng)爆發(fā)早晚。

伴隨副熱帶高空急流在季風(fēng)爆發(fā)偏早年的南移，對(duì)流層中低層出現(xiàn)異常偏北風(fēng)（圖8a），對(duì)應(yīng)于中緯地區(qū)的槽后冷平流與低緯地區(qū)的暖平流形成經(jīng)向梯度（圖6b），也有利于激發(fā)出低緯地區(qū)上升、中緯地區(qū)下沉的熱力環(huán)流（如4.1節(jié)所述）。與高空急流活動(dòng)有關(guān)的動(dòng)量和熱量平流所驅(qū)動(dòng)的經(jīng)向環(huán)流均較為深厚（圖3b、c），很好地解釋了圖2a所示的垂直伸展深厚的經(jīng)向環(huán)流異常。此外，副熱帶急流軸南側(cè)（江南和華南地區(qū)）的大氣低層的異常非地轉(zhuǎn)北風(fēng)（圖5g），有助于南海中北部的水汽輸送輻合和對(duì)流潛熱釋放。由此可見，副熱帶高空急流及低槽活動(dòng)的共同作用，有利于冷空氣南下，通過溫度平流的經(jīng)向差異和水汽輻合的對(duì)流潛熱釋放，激發(fā)南海地區(qū)上空強(qiáng)盛上升運(yùn)動(dòng)。從單個(gè)因子所驅(qū)動(dòng)的上升運(yùn)動(dòng)和非地轉(zhuǎn)經(jīng)向風(fēng)的量級(jí)來看（圖3），潛熱加熱是引起季風(fēng)爆發(fā)偏早年的經(jīng)向環(huán)流異常的最大貢獻(xiàn)因子，西風(fēng)帶活動(dòng)有關(guān)的動(dòng)量輸送和溫度平流則對(duì)環(huán)流異常發(fā)生具有一定促發(fā)作用。

圖8 5月1～15日期間110°～120°E緯向平均西風(fēng)急流中心（粗實(shí)線）、北風(fēng)距平（虛線）和西風(fēng)距平中心（陰影）（單位：m s?1）。（a）季風(fēng)爆發(fā)偏早年；（b）季風(fēng)爆發(fā)偏晚年Fig. 8 The mean zonal wind (solid contours; units: m s?1), the anomalies of zonal wind (shaded; units: m s?1) and meridional wind (dashed contours; units: m s?1) during 1–15 May in years with (a) early and (b) delayed onsets of summer monsoon

圖9顯示相應(yīng)的500 hPa天氣形勢(shì)。在季風(fēng)爆發(fā)偏早年，對(duì)應(yīng)于副熱帶急流的南移，東亞大槽明顯較深，中國東部地區(qū)出現(xiàn)偏北風(fēng)異常，有利于槽后冷空氣在中低層向南侵入。與此同時(shí)，副熱帶高壓脊撤出南海地區(qū)，有利于熱帶地區(qū)的低空西風(fēng)氣流進(jìn)入南海南部，并與南海北部的偏北氣流形成氣旋性輻合（圖9a）。在季風(fēng)爆發(fā)偏晚年的同期，東亞大槽較淺，5880位勢(shì)米以上的副熱帶高壓基本控制了南海及附近地區(qū)，不利于熱帶地區(qū)的低層西風(fēng)進(jìn)入南海南部（圖9b）。由此可見，副熱帶高壓從南海地區(qū)的撤出，對(duì)低層輻合在南海地區(qū)的建立有重要影響。前期研究表明，5月1～15日期間烏拉爾山及其以西地區(qū)的高壓異常和東亞中緯度西風(fēng)帶短波槽、鋒面活動(dòng)異常，可能是導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓脊從南海地區(qū)撤出的重要原因（溫之平等，2006）。

圖9 5月1～15日期間的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線, 單位：gpm）、距平高度場(chǎng)（陰影）和850 hPa距平風(fēng)場(chǎng)（箭頭, 單位：m s?1）。(a)季風(fēng)爆發(fā)偏早年；（b）季風(fēng)爆發(fā)偏晚年Fig. 9 The mean (contours) and anomalous (shaded) geopotential height (units: gpm) at 500 hPa and the anomalous horizontal winds at 850 hPa (units: m s?1) during 1–15 May in years with (a) early and (b) delayed onsets of summer monsoon

圖10 南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏早年5月1～15日期間的天氣系統(tǒng)配置和局地經(jīng)向環(huán)流的概念圖Fig. 10 Schematic diagrams of the synoptic weather patterns and local meridional circulation for the early onset of summer monsoon during 1–15 May

基于以上研究結(jié)果，我們給出造成南海季風(fēng)爆發(fā)偏早的可能機(jī)制的概念圖（圖10）。相關(guān)的天氣系統(tǒng)配置包括：對(duì)流層高層為副熱帶高空急流的南移；對(duì)流層中層為東亞大槽的加深和副熱帶高壓從南海地區(qū)的撤出；對(duì)流層低層為冷空氣的南下、熱帶季風(fēng)氣流的推進(jìn)及兩者在南海中北部的異常輻合等。與副熱帶高空急流密切相關(guān)的動(dòng)量輸送過程、與西風(fēng)帶擾動(dòng)有關(guān)的冷暖平流和與水汽輸送輻合有關(guān)的對(duì)流潛熱釋放，都對(duì)東亞地區(qū)的局地經(jīng)向環(huán)流異常尤其是南海地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)起到了明顯的正貢獻(xiàn)。在這些中低緯天氣系統(tǒng)的共同作用下，相應(yīng)的動(dòng)力和熱力過程能有效地驅(qū)動(dòng)出局地經(jīng)向環(huán)流，進(jìn)而影響南海夏季風(fēng)爆發(fā)的遲早。

5 結(jié)論

本文利用線性局地經(jīng)向環(huán)流診斷模式，定量地診斷了1979～2003年南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏早年和偏晚年5月1～15日期間的局地經(jīng)向環(huán)流異常情況，通過數(shù)值分析得到了這個(gè)時(shí)段對(duì)東亞地區(qū)的局地經(jīng)向環(huán)流異常起正貢獻(xiàn)的主要物理因子，并對(duì)其天氣學(xué)意義進(jìn)行了分析，主要結(jié)論有：

（1）在季風(fēng)爆發(fā)早年期間，東亞地區(qū)的局地經(jīng)向環(huán)流異常呈現(xiàn)為“Hadley環(huán)流”：10°～22°N南海中北部的上升運(yùn)動(dòng)異常加強(qiáng)，25°～35°N華中地區(qū)則受異常下沉運(yùn)動(dòng)影響，10°～15°N南海中南部出現(xiàn)加強(qiáng)的低層非地轉(zhuǎn)南風(fēng)，23°～30°N華南及江南地區(qū)出現(xiàn)異常的低層非地轉(zhuǎn)北風(fēng)。季風(fēng)爆發(fā)晚年的經(jīng)向環(huán)流的異常形態(tài)與季風(fēng)爆發(fā)偏早年基本相反，但是強(qiáng)度明顯偏弱。這表明局地經(jīng)向環(huán)流的差異與南海夏季風(fēng)爆發(fā)的遲早密切相關(guān)。

（2）定量分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)經(jīng)向環(huán)流異常起重要貢獻(xiàn)的因子為：與熱帶對(duì)流有關(guān)的潛熱加熱、與西風(fēng)帶系統(tǒng)有關(guān)的溫度平流和動(dòng)量水平輸送、與熱帶季風(fēng)氣流東進(jìn)有關(guān)的邊界效應(yīng)強(qiáng)迫。從南海中北部上升運(yùn)動(dòng)和低緯地區(qū)非地轉(zhuǎn)經(jīng)向風(fēng)的量級(jí)來看，潛熱加熱是對(duì)局地經(jīng)向環(huán)流異常的最大貢獻(xiàn)因子，溫度平流和動(dòng)量水平輸送則起到了非常重要的促發(fā)作用。

（3）與數(shù)值診斷相應(yīng)的天氣學(xué)分析表明，有利于夏季風(fēng)爆發(fā)偏早的天氣形勢(shì)包括：副熱帶高空急流的南移、東亞大槽的加深、副熱帶高壓從南海地區(qū)的撤出、冷空氣在華中和華南地區(qū)的南侵、熱帶地區(qū)季風(fēng)氣流的推進(jìn)等。這些天氣形勢(shì)的配置體現(xiàn)了中低緯度系統(tǒng)的共同作用，通過有效調(diào)節(jié)東亞地區(qū)的局地經(jīng)向環(huán)流的建立和維持，從而影響南海夏季風(fēng)爆發(fā)。

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作者簡介溫之平，男，1963年出生，博士，教授，主要從事季風(fēng)氣象學(xué)和熱帶大氣環(huán)流的研究。E-mail: eeswzp@mail.sysu.edu.cn

收稿日期2015-05-25；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-08-19

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15204

文章編號(hào)1006-9895(2016)01-0063-15

中圖分類號(hào)P466

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A