丁碩毅　溫之平　陳文中國科學院大氣物理研究所季風系統(tǒng)研究中心, 北京0009中山大學季風與環(huán)境中心/大氣科學系, 廣州5075

南海夏季風爆發(fā)與熱帶太平洋兩類海溫型關系的年代際差異

丁碩毅1, 2溫之平2陳文1
1中國科學院大氣物理研究所季風系統(tǒng)研究中心, 北京100029
2中山大學季風與環(huán)境中心/大氣科學系, 廣州510275

丁碩毅，溫之平，陳文. 2016. 南海夏季風爆發(fā)與熱帶太平洋兩類海溫型關系的年代際差異 [J]. 大氣科學, 40 (2): 243?256.Ding Shuoyi, Wen Zhiping, Chen Wen. 2016. Interdecadal change in the relationship between the South China Sea summer monsoon onset and two types of Pacific sea surface temperature anomaly [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (2): 243?256, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1507.15102.

南海夏季風爆發(fā)日期在1993/1994年出現(xiàn)年代際偏早的轉變，利用海溫和再分析資料的研究證實西北太平洋增暖和兩類海溫型的年代際差異可能是導致此種變化的重要成因。進一步的研究揭示出在南海夏季風爆發(fā)出現(xiàn)年代際變化的背景下，南海夏季風爆發(fā)日期與太平洋海溫的關系也出現(xiàn)明顯的變化：1993/1994年之前的第一年代東太平洋（EP）型海溫異常起主導作用，而1993/1994年之后的第二年代兩類海溫型均影響了季風爆發(fā)，但以中太平洋（CP）型海溫異常為主。第一年代，東太平洋型增溫（EPW）通過抑制西北太平洋—孟加拉灣的對流活動，在菲律賓海、孟加拉灣西部激發(fā)出兩個距平反氣旋，使越赤道氣流建立偏晚、孟加拉灣低槽填塞、西北太平洋副熱帶高壓增強，進而導致南海夏季風爆發(fā)偏晚，且其影響可從4月維持到5月；而中太平洋型增溫（CPW）對季風爆發(fā)前期的流場無顯著影響。第二年代， CPW通過抑制菲律賓—孟加拉灣東部的對流活動，在菲律賓—孟加拉灣激發(fā)出一個距平反氣旋，使孟加拉灣低槽填塞、南海地區(qū)副高增強，進而阻礙季風爆發(fā)，且顯著影響僅出現(xiàn)在4月；EPW對4月大氣環(huán)流場的影響與第一年代較為接近，在菲律賓—孟加拉灣一帶產生的風場、對流場異常稍弱于CPW，但其影響無法持續(xù)到5月。

1　引言

南海夏季風不僅是東亞夏季風的重要組成部分，也是聯(lián)系東亞與南亞夏季風系統(tǒng)的樞紐。南海夏季風的爆發(fā)標志著亞洲大氣環(huán)流由冬季型轉換為夏季型，預示著東亞夏季風來臨、中國雨季開始，是亞澳季風區(qū)季節(jié)轉換的一個重要階段（Tao and Chen, 1987；Yuan et al.，2012a）。一些研究表明，南海夏季風爆發(fā)的早晚存在明顯的年際變化（賀海晏等, 2000a, 2000b；Chan and Zhou, 2005)，夏季風爆發(fā)的早晚不僅會造成我國東部與日本降水異常，而且還會引起菲律賓沿東亞至北美的大氣遙相關型變化，進而導致北美乃至整個北半球出現(xiàn)氣候異常。因此，關于南海夏季風爆發(fā)早晚的研究一直是南海周邊國家和地區(qū)的氣象學家們關注的熱點問題。南海夏季風的建立受整個熱帶、副熱帶地區(qū)海—陸—氣狀況的制約（陳雋和金祖輝, 2001；Zhou et al., 2006; Li et al., 2011），其中海溫是影響季風爆發(fā)的重要因子之一，尤其是熱帶太平洋、印度洋等海域的海表溫度變化。作為熱帶太平洋最強的年際變化信號，ENSO對南海夏季風的建立有著重要影響，其暖位相下本年以及下一年的季風爆發(fā)偏晚，而冷位相下則正好相反（陶詩言和張慶云, 1998； Zhou and Chan, 2007；Chen et al., 2013a）。此外，自Saji et al.（1999）提出熱帶印度洋偶極子的概念以后，許多學者亦研究了印度洋海溫異常與南海夏季風之間的耦合關系。梁肇寧等（2006）和溫之平等（2006）指出，去掉ENSO信號的影響以后，印度洋全區(qū)一致型的負（正）海溫距平分布以及西負東正（西正東負）的偶極型海溫距平分布均有利于南海夏季風較早（晚）建立。

近年來，Ashok等（2007）提出了一類有別于傳統(tǒng)ENSO（亦稱EP型ENSO）的海溫型，即ENSO Modoki（亦稱CP型ENSO），它主要發(fā)生在1979年以后，呈緯向三極型分布，暖異常中心位于中太平洋，兩側為冷異常中心。這類海溫型造成東亞、澳大利亞和北美等地區(qū)大氣環(huán)流異常以及降水異常，與傳統(tǒng)ENSO的作用有所不同，且相互獨立。一系列研究分析了兩類海溫型下我國的氣候異常及差異，發(fā)現(xiàn)CP型El Ni?o所產生的距平反氣旋位于南海，導致我國南部降水偏少，而EP型El Ni?o所產生的距平反氣旋位于菲律賓海，使我國南部為距平西南風控制，進而降水偏多（Weng et al., 2007、2009；Feng et al., 2010、2011；Feng and Li, 2011）。然而，以往的研究沒有分類探討它們與南海夏季風爆發(fā)的關系，因此兩類海溫型對南海夏季風爆發(fā)早晚的影響、機制及差異仍有待于進一步研究。特別是，Kajikawa and Wang（2012）還發(fā)現(xiàn)，自1979年以來，南海夏季風爆發(fā)日期在1993/1994年存在年代際偏早的轉變，并通過西北太平洋海溫增暖引起的南海及菲律賓海上空季節(jié)內振蕩增強、臺風頻數(shù)增加解釋了這種年代際差異，但并沒有深入探討海溫的作用。自ENSO Modoki事件被提出后，有學者利用不同指數(shù)對兩類ENSO進行分類，結果表明1993年以后CP型ENSO事件頻繁出現(xiàn)，之前出現(xiàn)較少，而EP型ENSO事件則正好相反（陳圣劼等, 2013；Wang and Wang, 2013）。那么，在1993年前后，影響南海夏季風爆發(fā)早晚的主導海溫型是否發(fā)生了變化？這種變化對南海夏季風爆發(fā)的年代際差異有何貢獻？

文中所用資料與方法的介紹見第2節(jié)；第3節(jié)分析了南海夏季風爆發(fā)日期的年代際變化及海溫背景場；第4節(jié)揭示了兩類海溫型與南海夏季風爆發(fā)日期關系的年代際差異，并探討了可能的影響機制及差異；第5節(jié)是結論與討論。

2　資料與方法

2.1資料

本文所用資料包括：（1）1978～2010年英國Hadley中心的海表溫度月平均資料，網格分辨率為1°×1°（Rayner et al., 2003）；（2）1979～2010年美國國家環(huán)境預報中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）的全球大氣月平均第二套再分析資料（Kanamitsu et al., 2002）, 網格分辨率為2.5°×2.5°, 垂直方向選取三層: 850、500、200 hPa，物理要素包括位勢高度場、水平風場和垂直速度場；（3）1979～2010年美國國家海洋和大氣局（NOAA）的向外長波輻射（OLR）月平均資料（Liebmann and Smith, 1996），網格分辨率為2.5°×2.5°。

2.2指數(shù)

2.2.1海溫指數(shù)

本文采用Ni?o3指數(shù)、EMI指數(shù)分別表征EP 型ENSO（或conventional ENSO）與CP型ENSO（或ENSO Modoki）所對應的海溫型。其中，Ni?o3指數(shù)為（5°S～5°N，150°W～90°W）區(qū)域平均的海表溫度距平值。EMI指數(shù)由Ashok et al.（2007）提出，定義如下：

EMI = [SSTA]A－ 0.5 [SSTA]B－0.5 [SSTA]C，[SSTA]A、[SSTA]B和[SSTA]C分別代表區(qū)域A （10°S～10°N，165°E～140°W）、區(qū)域B（15°S～5°N，110°W～70°W）和區(qū)域C（10°S～20°N，125°E～145°E）海表溫度距平的區(qū)域平均值。

為方便表示，后文用EPW（EPC）型海溫代表EP型ENSO的暖（冷）位相，即EP El Ni?o（EP La Ni?a）型海溫；CPW（CPC）型海溫代表CP型ENSO的暖（冷）位相，即CP El Ni?o（CP La Ni?a）型海溫

2.2.2季風爆發(fā)指數(shù)

Wang et al.（2004）總結了20多種定義南海夏季風爆發(fā)的季風指數(shù)，有從動力角度出發(fā)，選擇區(qū)域平均的風速、散度和渦度來描述季風的爆發(fā)（閻俊岳, 1997；王啟和丁一匯, 1997；Lu and Chan, 1999；李崇銀和張利平, 1999）；有從熱力角度出發(fā)，選擇區(qū)域平均的降水、對流來表征季風的突變（謝安等, 1997；羅會邦, 1999）；還有將動力、熱力兩種要素結合起來對季風建立進行定義（Wang and Wu, 1997；Xie et al., 1998）。不同學者關注的角度不同，故其描述的南海夏季風爆發(fā)日期在某些年份存在一定差異。由于海洋日降水資料存在不可靠性，Wang et al.（2004）提出利用850 hPa南海地區(qū)（5°N～15°N，110°E～120°E）區(qū)域平均的緯向風定義風場環(huán)流指數(shù)（USCS）來確定季風爆發(fā)的日期，這種指數(shù)較為簡單，不僅與南海地區(qū)的降水存在較好相關性，還能避免小尺度降水帶來的隨機噪音（Wang et al., 2004）。但Wang et al.（2004）定義的季風爆發(fā)日期為候，因此，基于Wang et al. （2004）提出的風場環(huán)流指數(shù)（USCS），本文利用日平均數(shù)據(jù)定義了1979～2010年南海夏季風的建立日期，具體標準為：（1）季風建立當日USCS＞0.5 m s?1，且后5天（包括建立日）平均USCS＞0 m s?1；（2）季風建立后的15天中至少有8天USCS ＞0 m s?1，且這15天累加的平均USCS須大于1 m s?1；（3）4月20日以后滿足（1）、（2）的第一日即為爆發(fā)日。

由上述標準所確定的南海夏季風爆發(fā)日期在年際、年代際尺度的變化上與Wang et al.（2004）利用候平均數(shù)據(jù)所得結果基本一致，兩者的相關系數(shù)大于0.75。

2.3方法

本文采用的統(tǒng)計分析方法包括合成分析、經驗正交分解分析、偏相關分析、偏回歸分析等。偏相關系數(shù)的具體公式為：，即去除變量A3影響之后，變量A1與A2之間的偏相關系數(shù)。其中rij表示變量Ai與Aj之間的線性相關系數(shù)。當時間序列樣本數(shù)為N時，t檢驗的自由度為N－3（Ashok et al., 2007）。偏回歸分析則是通過NCL中的reg_multlin_stats函數(shù)來實現(xiàn)的。同時，本文利用Student t檢驗對合成分析、偏相關分析進行了顯著性檢驗，利用F檢驗對偏回歸分析進行了顯著性檢驗。

3　南海夏季風爆發(fā)日期的年代際變化及海溫背景場

圖1是由NCEP/NCAR-2再分析資料計算所得的1979～2010年南海夏季風爆發(fā)日期的時間序列，平均爆發(fā)日期為5月18日，屬5月第4候（5月16～20日）。由圖可知，在1993/1994年前后，南海夏季風爆發(fā)日期呈現(xiàn)顯著的年代際偏早的轉變。因此以1993年為界，取1979～1993年為第一年代（First Epoch），1994～2010年為第二年代（Second Epoch）。第一年代南海夏季風爆發(fā)的平均日期為5 月28日，而第二年代為5月10日，比第一年代提前了18天。上述發(fā)現(xiàn)與Kajikawa and Wang（2012）提出的1993年以后南海夏季風爆發(fā)日期顯著提前的結論一致。

那么南海夏季風爆發(fā)日期年代際差異的前期太平洋海溫背景場又是如何變化的呢？圖2a為兩個年代南海夏季風爆發(fā)前期春季海溫差值場。由圖可見，太平洋海溫呈CPC型的年代際變化，顯著暖異常中心位于海洋性大陸—西北太平洋并向南、北兩側伸展，呈馬蹄形分布，包裹著中太平洋的海溫冷異常。冬季海溫差值場分布與春季基本相同，表明其具有一定延續(xù)性。從兩個年代4月大氣環(huán)流差值場來看，在太平洋上空，低層速度勢差值場（圖2b）呈緯向三極型分布，赤道中太平洋為異常輻散區(qū)，兩側為異常輻合區(qū)，它與CPC型的海溫分布是一致的，是大氣對海溫異常的一種響應。其中，西側顯著的異常幅合中心位于海洋性大陸，故該地區(qū)出現(xiàn)顯著的異常上升運動并導致對流異?；钴S（圖2d）。海洋性大陸—菲律賓一帶對流活躍意味著潛熱加熱增強，由Gill理論可知，加熱中心西側會產生Rossby波響應，赤道出現(xiàn)距平西風、兩側激發(fā)出兩個距平氣旋。此外，孟加拉灣東部海溫增暖，對應低層出現(xiàn)較弱的風場輻合，導致局地對流加強，并在孟加拉灣激發(fā)出一個距平氣旋。位于南海、孟加拉灣的兩個距平氣旋（圖2c）使得孟加拉灣低槽加深、南海地區(qū)副高減弱并提早東撤，加之菲律賓附近對流活動異?；钴S（Yuan and Chen, 2013）、南海地區(qū)季節(jié)內振蕩增強以及熱帶氣旋在南海—菲律賓一帶活動頻繁（Kajikawa and Wang, 2012），進而有利于第二年代南海夏季風平均爆發(fā)日期偏早。

圖1　1979～2010年南海夏季風爆發(fā)日期的時間序列Fig. 1　Time series of the South China Sea summer monsoon (SCSSM) onset date for the period 1979–2010

4　南海夏季風爆發(fā)與太平洋兩類海溫型關系的年代際差異

4.1太平洋海溫與南海夏季風爆發(fā)日期相關關系

的年代際差異

ENSO是氣候系統(tǒng)中最強的年際變化信號，盡管其發(fā)生在熱帶太平洋地區(qū)，但卻對太平洋周邊地區(qū)乃至全球的氣候變化產生重要影響。Zhou and Chan（2007）研究發(fā)現(xiàn)赤道中東太平洋海溫異常是影響南海夏季風爆發(fā)年際變率的重要因子之一，ENSO事件的暖位相下季風爆發(fā)偏晚，而冷位相則反之。2007年，Ashok et al.（2007）提出了CP型ENSO（ENSO Modoki）事件，該類事件從20世紀90年代初期開始頻繁出現(xiàn)，且自1990年代中期以來其出現(xiàn)頻次遠大于EP型ENSO事件。隨著太平洋海溫型的變化，南海夏季風爆發(fā)日期與熱帶太平洋海溫的關系是否也發(fā)生了變化？

圖3是南海夏季風爆發(fā)日期與赤道（10°S～10°N）太平洋、印度洋海溫15年滑動的相關系數(shù)圖。影響南海夏季風爆發(fā)早晚的關鍵海區(qū)主要位于赤道太平洋，其中，中、東太平洋的正相關區(qū)在1992/1993年前后發(fā)生了明顯的年代際變化，1992/1993年以前顯著正相關區(qū)位于赤道中東太平洋（160°W～80°W），隨后西移至赤道中太平洋（160°E～120°W）且相關性明顯增強。此外位于西太平洋的顯著負相關區(qū)略有西移且相關性亦有所提高。1979～1993年、1994～2010年南海夏季風爆發(fā)日期與前期各個季節(jié)的全球海溫相關系數(shù)圖（圖4、5）也證實了在1993年前后影響南海夏季風爆發(fā)早晚的太平洋海溫關鍵區(qū)存在年代際差異。第一年代，太平洋海區(qū)相關系數(shù)的季節(jié)變化類似于EP型ENSO的演變過程：夏、秋兩季，中太平洋出現(xiàn)顯著正相關并逐漸向東發(fā)展；冬、春兩季，顯著正相關的主體位于東太平洋，顯著負相關主要位于130°E以東的西太平洋，但相關系數(shù)的峰值出現(xiàn)在春季。第二年代，太平洋海區(qū)相關系數(shù)的季節(jié)變化則類似于CP型ENSO的演變過程：夏、秋兩季，中太平洋出現(xiàn)顯著正相關并逐漸發(fā)展；冬季，顯著正相關達到峰值，主體位于中太平洋，東太平洋東部亦存在正相關區(qū)，顯著負相關則西移至海洋性大陸及菲律賓一帶；春季，中太平洋的顯著正相關開始衰減。

圖2　1994～2010年與1979～1993年（a）春季海溫（等值線，單位：°C）、（b）4月850 hPa輻散風（矢量，單位：m s?1）與速度勢（等值線，單位：105m2s?1)、（c）4月850 hPa風場（矢量，單位：m s?1）、（d）4月OLR（等值線，單位：W m?2）差值場。陰影部分通過95%信度檢驗，矢量場加粗部分通過95%信度檢驗Fig. 2　Epochal mean (a) SST difference (contours; units: °C) in spring, (b) 850 hPa divergent wind difference (vectors; units: m s?1) and velocity potential difference (contours; units: 105m2s?1) in April, (c) 850 hPa wind difference (vectors; units: m s?1) in April, and (d) outgoing longwave radiation (OLR) difference (contours; units: W m?2) in April (1994–2010 minus 1979–1993). Shading for contours and bold vectors indicate the 95% confidence level according to a two-tailed Student’s t test

為了更好地研究不同年代兩類海溫型與南海夏季風爆發(fā)的關系，本文選用Ni?o3指數(shù)表征EP型海溫，EMI指數(shù)表征CP型海溫。由表1可知，第一年代，南海夏季風爆發(fā)日期與Ni?o3指數(shù)呈顯著正相關[6(?1)～8(?1)月、12(?1)～5(0)月，其中i(0)月指當年第i月、j(?1)月指前一年第j月]，與EMI指數(shù)無關；第二年代，南海夏季風爆發(fā)日期與EMI指數(shù)[6(?1)～4(0)月]、Ni?o3指數(shù)[7(?1)～12(?1)月、3(0)～4(0)月]均呈顯著正相關，且與EMI指數(shù)的偏相關系數(shù)更大、持續(xù)性更好。根據(jù)相關分析、偏相關分析可得，兩個年代影響南海夏季風爆發(fā)早晚的海溫關鍵區(qū)發(fā)生了顯著變化，第一年代EP型海溫主導了季風爆發(fā)的年際變率，第二年代兩類海溫型共同作用，但CP型海溫的影響更大。

表1　1979～1993年（1E）、1994～2010（2E）年南海夏季風爆發(fā)日期與前期逐月EMI指數(shù)、Ni?o3指數(shù)的偏相關系數(shù)（*通過90%的信度檢驗，**通過95%的信度檢驗）Table 1 Partial correlation coefficients between SCSSM onset date and EMI index and Ni?o3 index for the periods 1979–1993 (first epoch, 1E) and 1994–2010 (second epoch, 2E) [a single asterisk (*) represents the 95% confidence level and a double-asterisk (**) represents the 99% confidence level]

4.2兩類海溫型影響南海夏季風爆發(fā)的可能機制及差異

考慮到大氣環(huán)流對海溫異常響應的時間尺度約為1個月且南海夏季風在5月中旬爆發(fā)，結合兩類指數(shù)在兩個年代與季風爆發(fā)日期的偏相關系數(shù)，取3–4月的EMI指數(shù)、Ni?o3指數(shù)作為季風爆發(fā)前期太平洋海溫異常信號，通過對4月大氣環(huán)流場的偏回歸分析來驗證兩類海溫型在不同年代中所起的作用、探討它們影響季風爆發(fā)的物理機制及差異。

圖3　南海夏季風爆發(fā)日期與熱帶印度洋、太平洋（10°S～10°N，40°E～80°W）海表面溫度15年滑動的相關系數(shù)（N到N＋14年時間段相關性對應第N＋7年的相關系數(shù)，陰影部分通過95%、99%信度檢驗）Fig. 3　Sliding correlations between SCSSM onset date and the SST over the tropical Indian Ocean–Pacific Ocean (10°S–10°N, 40°E–80°W) displayed for the central year of a 15-year window (the correlation coefficient in year N＋7 represents the relationship between year N and year N + 14; shadings denote the 95% and 99% confidence levels)

第一年代（1979～1993年），CP型海溫在菲律賓—孟加拉灣地區(qū)產生的異常輻合中心很弱且不顯著（圖6d），故其對這一帶的OLR場、風場和高度場均無顯著影響（圖7d–f），而EP型海溫的影響是顯著的（圖7a–c）。當季風爆發(fā)前期太平洋海溫距平場呈EPW型時，對流層高層出現(xiàn)偶極型、呈西北—東南走向的速度勢距平場（圖6b），赤道東太平洋為異常輻散區(qū)、西北太平洋—孟加拉灣以西為異常輻合區(qū)，低層速度勢距平場正好相反，故形成異常的單圈Walker環(huán)流，其下沉支從西北太平洋向西延伸至印度南部（圖7a），與高、低層風場的輻合輻散相對應。顯著的異常下沉運動主要位于西北太平洋—印度南部，導致這一帶對流活動減弱，且在西北太平洋—南海南部以及孟加拉灣東南部出現(xiàn)兩個OLR正異常中心（圖7b）。由于西北太平洋—南海南部、孟加拉灣東南部的對流加熱受抑制，由Gill理論可知，加熱中心西側會產生Rossby波響應，分別在西北太平洋—南海、孟加拉灣激發(fā)出兩個距平反氣旋，導致西北太平洋—孟加拉灣以西高度場呈正異常（圖7c）。菲律賓海距平反氣旋的成因與風—蒸發(fā)正反饋機制引起的局地海氣相互作用、中東太平洋異常增暖引起的下沉運動有關（Wang et al., 2000；Wang and Zhang, 2002），它使西北太平洋副熱帶高壓增強并在南海地區(qū)維持。位于孟加拉灣的距平反氣旋則使孟加拉灣低槽填塞、不利于BOB形成，其南側深厚的距平東風一直延伸至非洲沿岸，導致印度洋地區(qū)赤道西風減弱、不利于越赤道氣流建立。因此，EPW型海溫下，西北太平洋—孟加拉灣的對流活動受抑制，使越赤道氣流建立偏晚、孟加拉灣低槽填塞、西北太平洋副熱帶高壓增強，進而不利于南海夏季風爆發(fā)。

圖4　1979～1993年南海夏季風爆發(fā)日期與（a）JJA（?1）、（b）SON（?1）、（c）D（?1）JF（0）、（d）MAM（0） 海表面溫度的相關系數(shù)（±0.51、±0.63的相關系數(shù)分別通過95%、99%信度檢驗)Fig. 4　The correlations between SCSSM onset and SST in (a) JJA(?1), (b) SON(?1), (c) D(?1)JF(0) and (d) MAM(0) for the period 1979–1993, where JJA, SON, DJF and MAM stand for June–July–August, September–October–November, December–January–February and March–April–May, respectively, and (?1) and (0) indicate the preceding year and the onset year, respectively (correlation coefficients of ±0.51 and ±0.63 represent the 95% and 99% confidence levels, respectively)

圖5　同圖4，但為1994～2010年（±0.48、±0.60的相關系數(shù)分別通過95%、99%信度檢驗）Fig. 5　As in Fig. 4 but for the period 1994–2010 (correlation coefficients of ±0.48 and ±0.60 represent the 95% and 99% confidence levels, respectively)

圖6　1979～1993年3～4月Ni?o3指數(shù)偏回歸的（a）3～4月海表溫度距平場（等值線，單位：°C）、（b）4月200 hPa輻散風（矢量，單位：m s?1）與速度勢（等值線，單位：105m2s?1)距平場。（c）、（d）分別同（a）、（b），但為EMI指數(shù)的偏回歸圖。陰影部分通過95%信度檢驗，矢量場加粗部分通過95%信度檢驗Fig. 6　Partial regression patterns of the (a) SST anomaly (contours; units: °C) in March–April and (b) anomalous 200 hPa divergent winds (vectors; units: m s?1) and velocity potential (contours; units: 105m2s?1) in April for Ni?o3 index in March–April during the period 1979–1993; (c, d) as in (a, b) but for EMI index. Shading for contour and bold vectors denote the 95% confidence level

第二年代（1994～2010年），兩類指數(shù)回歸的3～4月海溫距平場（圖8a、c）表明赤道西太平洋冷異常中心強度相當，但CP型海溫下的冷異常區(qū)位于南?！坡少e以東（120°E～150°E），而EP型海溫下僅菲律賓以東（135°E～155°E）出現(xiàn)冷異常。因而CP型海溫下菲律賓距平反氣旋位置偏西、位于菲律賓—孟加拉灣（圖9c、f），盡管其強度較弱、尺度較小，但由于EP型海溫下距平反氣旋位于菲律賓東北側，故CP型海溫下菲律賓—孟加拉灣的風場異常稍強（圖9c、f）。此外，CP型海溫下菲律賓—孟加拉灣東部對流異常的強度亦稍強于EP型（圖9b、e）。因此，兩類海溫型的影響均是顯著的，但在菲律賓—孟加拉灣一帶CP型海溫的影響更為顯著（圖9a–f）。當季風爆發(fā)前期太平洋海溫距平場呈CPW型時，對流層高層出現(xiàn)三極型、呈西北—東南走向的速度勢距平場（圖8d），赤道中太平洋為異常輻散區(qū)、兩側為異常輻合區(qū)，低層速度勢距平場正好相反，故形成異常的雙圈Walker環(huán)流。西側顯著的異常輻合區(qū)位于菲律賓—孟加拉灣東部，與南海、孟加拉灣東部顯著的異常下沉運動相匹配（圖9d），導致這些地區(qū)對流加熱受抑制（圖9e），進而在對流層低層、加熱中心西北側激發(fā)出一個距平反氣旋。這個距平反氣旋位于菲律賓—孟加拉灣一帶，使高度場呈正異常，其南側顯著的距平東風延伸至印度南部，不利于孟加拉灣季風的建立與東進（圖9f）。因此，CPW型海溫下，菲律賓—孟加拉灣東部的對流活動受抑制，使孟加拉灣低槽填塞、南海地區(qū)副高增強，進而阻礙夏季風在南海地區(qū)的爆發(fā)與推進。第二年代EP型海溫對季風爆發(fā)前期大氣環(huán)流的影響與第一年代基本一致，僅在影響范圍上存在差異，即西北太平洋高層的異常輻合帶范圍縮?。▓D8b），但在菲律賓—孟加拉灣一帶造成的異常（OLR場、風場、高度場）比第一年代略強（圖9b–c）。

圖7　1979～1993年3～4月Ni?o3指數(shù)偏回歸的4月（a）500 hPa垂直速度距平場（等值線，單位：0.01 Pa s?1）、（b）OLR距平場（等值線，單位：W m?2）、（c）850 hPa流場（矢量，單位：m s?1）與高度（等值線，單位：m）距平場。（d）、（e）、（f）分別同（a）、（b）、（c），但為EMI指數(shù)的偏回歸圖。陰影部分通過95%信度檢驗，矢量場加粗部分通過95%信度檢驗Fig. 7　Partial regression patterns of (a) anomalous 500 hPa vertical velocity (contours; units: 0.01 Pa s?1), (b) anomalous OLR (contours; units: W m?2), and (c) anomalous 850 hPa wind (vectors; units: m s?1) and geopotential height (contours; units: m) in April for Ni?o3 index in March–April during the period 1979–1993; (d–f) as in (a–c) but for EMI index. Shading for contours and bold vectors denote the 95% confidence level

通過上述分析可知，兩類ENSO暖位相均不利于南海夏季風爆發(fā)，但它們影響的程度與區(qū)域存在一定差異，就兩個年代的主導海溫型而言：第一年代EPW型海溫下的暖異常中心位于赤道東太平洋、大小約1°C，冷異常區(qū)位于菲律賓以東洋面（圖6a），對流層高層的異常輻合區(qū)從西北太平洋西伸至孟加拉灣以西，且中心強度比第二年代CPW型的大1倍，相應的異常下沉運動抑制了西北太平洋—印度南部的對流加熱并在菲律賓海及孟加拉灣西部激發(fā)出兩個距平反氣旋，使高度場呈顯著正異常，影響范圍較大；第二年代CPW型海溫下的暖異常中心位于中太平洋、大小約0.6°C，冷異常區(qū)西移至菲律賓附近（圖8c），西側對流層高層的異常輻合區(qū)位于菲律賓—孟加拉灣東部，強度較弱、尺度較小，相應的異常下沉運動抑制了這一帶的對流活動并激發(fā)出一個位置偏西、強度偏弱、尺度偏小的距平反氣旋（Yuan et al., 2012b；Chen et al., 2013b），因而顯著的高度場正異常中心僅出現(xiàn)在菲律賓—孟加拉灣一帶，影響范圍較小。若用同樣的方法對5月大氣環(huán)流場進行偏回歸分析（圖略），可以發(fā)現(xiàn)在第一年代EPW型海溫的影響可以持續(xù)到5月，而第二年代CPW型海溫對菲律賓—孟加拉灣的OLR場、風場和高度場影響較弱或已無顯著影響。因此，在第一年代EPW型海溫下產生的大氣環(huán)流異常的強度大、范圍廣且持續(xù)時間長，因而顯著影響了南海夏季風爆發(fā)；而第二年代，盡管CPW型海溫也阻礙了南海夏季風爆發(fā)，但其影響與第一年代EPW型海溫的影響相比較是明顯偏弱的。

圖8　同圖6，但為1994～2010年Fig. 8　As in Fig. 6 but for the period 1994–2010

5　結論與討論

本文利用1979～2010年NCEP/ NCAR-2 的月平均再分析資料、NOAA 的OLR 資料以及1978～2010年Hadley中心的海表溫度資料，采用偏相關、偏回歸分析，研究了兩類海溫型與南海夏季風爆發(fā)日期關系的年代際差異及它們影響季風爆發(fā)的物理機制與差異。主要結論有：

圖9　同圖7，但為1994～2010年Fig. 9　As in Fig. 7 but for the period 1994–2010

（1）南海夏季風爆發(fā)日期在1993/1994年呈年代際偏早的轉變。1994～2010年季風爆發(fā)的平均日期為5月10日，比1979～1993年提早了18天。季風爆發(fā)前期太平洋海溫背景場呈CPC型的年代際變化，西北太平洋顯著增暖使菲律賓附近對流異常活躍、南海地區(qū)副高減弱東撤、南?！坡少e一帶季節(jié)內振蕩增強且熱帶氣旋活動頻繁、孟加拉灣低槽加深、赤道西風加強，進而有利于第二年代南海夏季風平均爆發(fā)日期偏早。

（2）第一年代EP型海溫主導了南海夏季風爆發(fā)的年際變率，第二年代兩類海溫型均影響了季風的建立，但以CP型海溫為主。若對季風爆發(fā)前期3～4月的Ni?o3、EMI指數(shù)分年代進行標準化處理，分別以±0.55σ、±0.65σ個標準差為界，并結合海溫距平圖（圖略）挑選出現(xiàn)EPW/EPC、CPW/CPC的年份，可以發(fā)現(xiàn)第一年代出現(xiàn)8個EP型ENSO事件（EPW：1983、1987、1992、1993；EPC：1985、1986、1988、1989）、3個CP型ENSO事件（CPW：1982、1991；CPC：1984），而第二年代CP型ENSO事件出現(xiàn)10個（CPW：1994、1995、2003、2005、 2007、2010；CPC：1999、2000、2001、2008）、EP型ENSO事件有4個（EPW：1998；EPC：1996、2006、2009）。上述分類結果也進一步證實1993年前后主導季風爆發(fā)的海溫型由EP型轉變?yōu)镃P型。

（3）從機制上來看：EPW型海溫通過抑制西北太平洋—孟加拉灣的對流活動，在菲律賓海、孟加拉灣西部激發(fā)出兩個距平反氣旋，使越赤道氣流建立偏晚、孟加拉灣低槽填塞、西北太平洋副熱帶高壓增強，進而導致季風爆發(fā)偏晚；CPW型海溫通過抑制菲律賓—孟加拉灣東部的對流活動，在菲律賓—孟加拉灣激發(fā)出一個距平反氣旋，使孟加拉灣低槽填塞、南海地區(qū)副高增強，進而阻礙夏季風向南海推進。

（4）1993年前后影響南海夏季風爆發(fā)年際變率的主導海溫型發(fā)生了顯著變化，由EP型轉為CP型。偏回歸分析的結果也表明第一年代EPW型海溫不利于南海夏季風爆發(fā)，且這種影響可從4月持續(xù)到5月；而第二年代CPW型海溫同樣不利于南海夏季風爆發(fā)，但這種影響僅出現(xiàn)在4月。若對第一年代出現(xiàn)EPW/EPC事件和第二年代出現(xiàn)CPW/CPC事件的年份進行合成分析（4、5月大氣環(huán)流距平場），可以發(fā)現(xiàn)：（a）第一年代（第二年代），EPW （CPW）型海溫對4、5月大氣環(huán)流場的影響與偏回歸結果相似，其在西北太平洋—孟加拉灣以西（菲律賓—孟加拉灣東部）產生的OLR場、高度場異常偏強（弱）；（b）盡管第一年代EPC型海溫有利于季風提前爆發(fā)，但其對4月大氣環(huán)流場的影響較小，僅菲律賓、南海局部地區(qū)的OLR場、高度場出現(xiàn)顯著負異常（圖10），到了5月負異常略有增強并東擴（圖略），這與偏回歸的結果差異較大，即EPW/EPC型海溫對季風爆發(fā)的影響具有不對稱性；（c）第二年代的4月，CPC型海溫在菲律賓—孟加拉灣一帶產生的大氣環(huán)流距平場與偏回歸結果基本一致，符號相反、強度稍強（圖11），且5月的OLR場、高度場負異常已顯著衰減（圖略），故CPW/CPC型海溫對季風爆發(fā)的影響具有一定對稱性。因此，西北太平洋的增暖以及兩類海溫型的年代際差異可能是導致南海夏季風爆發(fā)年代際提早的原因之一。

圖10　第一年代EPW型海溫下4月（a）OLR距平場（等值線，單位：W m?2）、（b）850 hPa流場（矢量，單位：m s?1）與高度（等值線，單位：m）距平場。（c）、（d）分別同（a）、（b），但為EPC型海溫。陰影部分通過90%信度檢驗，矢量場加粗部分通過90%信度檢驗Fig. 10　(a) Anomalous OLR (contours; units: W m?2), (b) anomalous 850 hPa wind (vectors; units: m s?1) and geopotential height (contours; units: m) in April for Eastern Pacific warming (EPW) during the first epoch; (c, d) as in (a, b) but for Eastern Pacific cooling (EPC). Shading for contours and bold vectors denote the 90% confidence level

圖11　同圖10，但為第二年代（a、b）CPW型和（c、d）CPC型Fig. 11　As in Fig. 10 but for (a, b) central Pacific warming (CPW) and (c, d) central Pacific cooling CPC) during the second epoch

基于上述結論，我們了解了兩類海溫型在不同年代所起的作用以及它們影響南海夏季風爆發(fā)早晚的機制與差異，但所得結果仍有待于數(shù)值模式驗證。自1993年以后，南海夏季風爆發(fā)日期與太平洋海溫的正相關區(qū)發(fā)生西移，且相關性顯著提高、持續(xù)性更好，表明季風爆發(fā)早晚受太平洋海溫變化的影響更大了。造成此種變化的原因尚不清楚，可能與熱帶太平洋海溫型的年代際變化、PDO位相、全球變暖或者其他影響因子年代際減弱有關，故仍需進一步研究。此外，冬、春兩季的北大西洋海區(qū)亦存在顯著相關信號，第一年代相關系數(shù)分布呈“?、+、?”型，可能對ENSO的影響產生干擾，而第二年代則呈“+、?、+”型，可能是北大西洋海溫對ENSO的響應。

比較兩個年代Ni?o3指數(shù)4月的偏回歸圖可以發(fā)現(xiàn)，當EPW型海溫處于衰減位相時，印度洋海溫在第二年代呈全海盆增暖，而第一年代增暖并不顯著，這表明印度洋海溫與EP型ENSO的關系也可能存在年代際差異。第二年代，印度洋海溫顯著增暖，在其東側激發(fā)出赤道Kelvin波，表層摩擦作用使赤道低壓以北地區(qū)出現(xiàn)東北風異常，引起副熱帶西北太平洋表層輻散、局地對流活動受抑制，進而有利于菲律賓海距平反氣旋的加強與維持（Xie et al., 2009）。這也解釋了為什么第二年代Ni?o3指數(shù)偏回歸的4月速度勢、OLR、流場、高度距平場在西北太平洋—孟加拉灣一帶要強于第一年代。伴隨著第二年代中東太平洋暖異常的迅速衰減，到了5月，菲律賓海距平反氣旋減弱東移，孟加拉灣距平反氣旋北移且其南部出現(xiàn)距平氣旋，赤道印度洋為距平西風，顯著的高度場正異常僅出現(xiàn)在菲律賓以北（圖略）。相比之下，第一年代EPW型海溫衰減較慢、印度洋增暖不顯著，到了5月，菲律賓海距平反氣旋略有減弱，孟加拉灣仍為距平反氣旋控制，赤道印度洋為距平東風，顯著的高度場正異常從西北太平洋西伸至孟加拉灣以西（圖略）。由于兩個年代EPW型海溫的強度及其衰減過程有所不同、印度洋海溫變化存在年代際差異，故第一年代EPW型海溫對季風爆發(fā)的阻礙作用可能更強。

此外，南海夏季風爆發(fā)過程是非常復雜的，影響因子眾多，包括不同海域的海溫、青藏高原大地形、太陽輻射、中緯度擾動、低緯低頻振蕩以及前汛期降水等。本文僅從熱帶太平洋海溫出發(fā)研究南海夏季風爆發(fā)的年代際差異，并沒有考慮印度洋海溫在內的其他因子的影響，因此其他因子的作用還有待進一步研究。

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Interdecadal Change in the Relationship between the South China Sea Summer Monsoon Onset and Two Types of Pacific Sea Surface Temperature Anomaly

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1 Center for Monsoon System Research, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
2 Center for Monsoon and Environmental Research, Department of Atmospheric Sciences, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275

The onset dates of the South China Sea summer monsoon (SCSSM) show a significant advancement around 1993/1994. Using sea surface temperature (SST) and reanalysis data, this interdecadal change was investigated and found to be probably attributable to the warming in the Northwest Pacific Ocean and the interdecadal differences between two types of SST anomaly in the Pacific Ocean. The results further revealed that the relationship between the timing ofSCSSM onset and SST variability over the Pacific Ocean experienced a pronounced interdecadal change, accompanied by the interdecadal variation of the SCSSM onset. Eastern Pacific warming/cooling (EPW/EPC) had a primary impact on SCSSM onset in the first epoch (before 1993/1994). However, while both types of Pacific SST event affected SCSSM onset in the second epoch (after 1993/1994), the effect of central Pacific warming/cooling (CPW/CPC) was more significant. During the first epoch, EPW suppressed convective activity over the Northwest Pacific Ocean and Bay of Bengal. This suppressed convection then excited two anticyclonic circulations, located over the Philippines and the west of the Bay of Bengal, respectively. These patterns led to a delayed establishment of cross-equatorial flow, together with a significant weakening of the Bay of Bengal trough and an intensification of the western Pacific subtropical high, indicating that SCSSM onset was later than usual. The impact of EPW on the circulation variability before SCSSM onset could last from April to May. However, CPW seemingly had an insignificant influence on the preceding circulations. During the second epoch, CPW suppressed convective activity over the region from the Philippines to the eastern Bay of Bengal, which induced an anomalous anticyclonic circulation in that region. The anomalous anticyclone blocked the low trough over the Bay of Bengal and strengthened the subtropical high over the South China Sea, indicating the onset of SCSSM was earlier. The significant impact of CPW on the preceding circulations appeared in April rather than May. The impact of EPW on the circulation in April during the second epoch was similar to that during the first epoch. The anomalous wind field and convection induced by EPW, which could not sustain until May, were weaker than that forced by CPW.

South China Sea summer monsoon, Monsoon onset, Interdecadal change, Two types of Pacific sea surface temperature anomaly

Funded byNational Natural Science Foundation of China (Grants 41230527, 41461144001, 41175076)

南海夏季風季風爆發(fā)年代際差異兩類海溫型

1006-9895(2016)02-0243-14

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1507.15102

2015-01-05；網絡預出版日期 2015-07-17

丁碩毅，男，1991年出生，碩士研究生，主要從事亞洲季風和?！獨庀嗷プ饔梅矫娴难芯俊-mail: dingshuoi13@mails.ucas.ac.cn

陳文，E-mail: cw@post.iap.ac.cn

國家自然科學基金項目41230527、41461144001、41175076