亢妍妍

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.北京大學(xué)物理學(xué)院，北京100871）

孟加拉灣熱源與中國(guó)夏季雨帶分布的關(guān)系
——Rossby波的作用

亢妍妍1,2

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.北京大學(xué)物理學(xué)院，北京100871）

應(yīng)用水平非均勻基流下球面行星波的傳播理論，分析了夏季風(fēng)爆發(fā)后孟加拉灣熱源產(chǎn)生的Rossby波的頻散路徑及其與中國(guó)夏季大范圍雨帶分布的關(guān)系。研究結(jié)果表明：10—20 d周期的Rossby波從孟加拉灣往北穿過(guò)中南半島到達(dá)我國(guó)西南地區(qū)、進(jìn)一步穿過(guò)長(zhǎng)江流域到達(dá)華北和東北地區(qū)，其傳播路徑與我國(guó)夏季降水逐漸北移路徑非常吻合，Rossby波的能量7—10 d可以頻散到當(dāng)月的雨帶區(qū)域；而30—60 d周期的Rossby波傳播路徑主要分為兩支，一支與10—20 d周期的波路徑一致，另外一支從孟加拉灣東傳到菲律賓附近然后轉(zhuǎn)向西北太平洋、到達(dá)日本及其以東沿海,之后繼續(xù)往北美洲傳播，與準(zhǔn)定常Rossby波的傳播路徑一致，可以解釋東亞-太平洋遙相關(guān)波列，其直接影響的范圍主要分布在我國(guó)東部沿海及日本一帶。對(duì)影響我國(guó)夏季降水的Rossby波傳播過(guò)程中能量變化特征的分析表明：夏季低層850 hPa上Rossby波傳播過(guò)程能量不斷衰減，擾動(dòng)動(dòng)能向基本流動(dòng)能轉(zhuǎn)化，而高空200 hPa上Rossby波能量以振蕩為主，波流之間相互轉(zhuǎn)換。

Rossby波；波射線(xiàn)；降水；低頻振蕩

1 引言

季風(fēng)是大范圍的盛行風(fēng)向隨季節(jié)的變化，是大氣環(huán)流季節(jié)變化最為顯著的環(huán)流系統(tǒng)。中國(guó)處于東亞季風(fēng)區(qū)，是受季風(fēng)氣候影響較為顯著的地區(qū)之一，季風(fēng)異常引起的干旱和洪澇災(zāi)害對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展有重要影響。中國(guó)科學(xué)家竺可楨[1]、涂長(zhǎng)望等[2]很早就注意到夏季風(fēng)和降水的聯(lián)系。此后，葉篤正等[3]、陶詩(shī)言等[4]研究了東亞大氣環(huán)流和夏季風(fēng)環(huán)流的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，Tao等[5]、何金海等[6]進(jìn)一步對(duì)東亞夏季風(fēng)環(huán)流的結(jié)構(gòu)和特征做了系統(tǒng)的研究，這些研究大大提高了人們對(duì)季風(fēng)環(huán)流的認(rèn)識(shí)水平，推動(dòng)和發(fā)展了中國(guó)的季風(fēng)研究。

亞洲夏季季風(fēng)區(qū)的熱源主要位于阿拉伯海東部、孟加拉灣北部、菲律賓到西太平洋區(qū)域，其中以孟加拉灣熱源強(qiáng)度最大，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)[7-9]。作為亞洲最強(qiáng)熱源，孟加拉灣熱源對(duì)亞洲季風(fēng)的形成和維持有重要作用[10-11]。季風(fēng)區(qū)熱源對(duì)大氣的加熱主要來(lái)源于對(duì)流活動(dòng)引起的潛熱釋放，對(duì)流加熱可以激發(fā)一種CISK-Rossby型波動(dòng)，其能量頻散特性可以解釋30—50 d振蕩的向西傳播及其二維Rossby波列的特征[12]。之后也有眾多學(xué)者研究了熱源的Rossby響應(yīng)[13-16]，并用來(lái)解釋大氣對(duì)孟加拉灣熱源強(qiáng)迫的響應(yīng)特征[17]。準(zhǔn)定常Rossby波頻散形成EAP、P/J或者IAP遙相關(guān)波列，對(duì)亞洲甚至全球的天氣和氣候都有重要影響[18-20]。Rossby波頻散將能量從低緯輸送到高緯，通過(guò)改變環(huán)流場(chǎng)來(lái)影響降水，因此可以通過(guò)研究Rossby波的能量頻散來(lái)研究亞洲夏季風(fēng)的推進(jìn)及其雨帶分布特征。徐祥德[21]從波射線(xiàn)理論出發(fā)分析了遙相關(guān)波列路徑的物理機(jī)制和影響因子，并指出低緯地區(qū)伴隨強(qiáng)不穩(wěn)定層結(jié)的對(duì)流云團(tuán)系統(tǒng)有利于低頻振蕩能量向北傳播[22]。李艷杰[23]進(jìn)一步發(fā)展了經(jīng)典波射線(xiàn)理論，引入經(jīng)向氣流v的作用，研究了波射線(xiàn)跨半球的傳播，為南北半球相互作用以及亞澳季風(fēng)相互作用提供了理論依據(jù)和動(dòng)力基礎(chǔ)。大量的觀(guān)測(cè)事實(shí)表明中低緯度大氣運(yùn)動(dòng)存在著明顯的動(dòng)力聯(lián)系，楊崧等[24]總結(jié)回顧了大氣中波能量的傳播理論和不同緯度間大氣相互的作用。亞洲夏季風(fēng)最早在孟加拉灣爆發(fā)[25]，季風(fēng)的向北推進(jìn)與大范圍雨帶、雨型分布密切相關(guān)[26]。盡管如此，對(duì)于季風(fēng)推進(jìn)和東亞夏季風(fēng)雨帶分布的關(guān)系，特別是季風(fēng)推進(jìn)過(guò)程中伴隨的Rossby波的能量頻散路徑與雨帶的關(guān)系仍有待于進(jìn)一步研究。由此，本文使用非均勻基流的行星波理論[23]計(jì)算了孟加拉灣季風(fēng)爆發(fā)后熱源激發(fā)的Rossby波的傳播特征，分析了Rossby波傳播與季風(fēng)推進(jìn)、雨帶分布之間的關(guān)系，并討論了不同的波參數(shù)對(duì)Rossby波傳播路徑和能量變化的影響。

2 資料和方法

2.1 資料介紹

本文使用的資料主要是：（1）美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心/美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCEP/NCAR）提供的長(zhǎng)期月平均與日平均的向外長(zhǎng)波輻射通量（Outgoing Long-wave Radiation，OLR）資料[27]，水平分辨率2.5°×2.5°；（2）NCEP/NCAR再分析資料[28]，包括長(zhǎng)期月平均的水平經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)、緯向風(fēng)場(chǎng)，水平分辨率2.5°×2.5°；（3）全球降水氣候項(xiàng)目（GPAP）第2.2版長(zhǎng)期月平均的降水資料[29]，水平分辨率2.5°×2.5°。

2.2 波射線(xiàn)理論

一般采用渦度方程研究Rossby波的水平傳播，本文從球面上的正壓無(wú)輻散渦度方程出發(fā)：

式中：u、v為緯向和經(jīng)向風(fēng)，λ、φ分別為經(jīng)緯度，a為地球的半徑，?2ψ為球坐標(biāo)下的相對(duì)渦度，而ψ為流函數(shù)，f=2Ωsinφ為科氏參數(shù)，Ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，為方便數(shù)學(xué)處理，引入Mercator投影：

則式(1)可化為：

式中：uˉ、vˉ分別為背景緯向和經(jīng)向風(fēng)，ψˉ為背景場(chǎng)流函數(shù)，背景風(fēng)場(chǎng)也應(yīng)滿(mǎn)足無(wú)輻散條件。將式（4）帶入式（3），得到：

以及一級(jí)近似方程，也就是波振幅演變方程：

波頻率方程可以討論波的傳播問(wèn)題；波的振幅演變方程可以討論波的發(fā)展以及穩(wěn)定性問(wèn)題，式（7）為波振幅的計(jì)算方程。給定一個(gè)初始緯向波數(shù)k0，經(jīng)向波數(shù)l0由局地頻散關(guān)系確定。假定K2=k2+l2，則波射線(xiàn)計(jì)算方程為：

3 Rossby波的傳播路徑和雨帶的關(guān)系

圖1給出了1981—2010年30 a平均4—9月逐月OLR的氣候態(tài)分布，由圖可見(jiàn)，孟加拉灣熱源從5月開(kāi)始建立，夏季（6—8月）阿拉伯海東部、孟加拉灣北部、南海及菲律賓沿岸分別維持3個(gè)強(qiáng)對(duì)流中心，其中以孟加拉灣的熱源范圍最大、強(qiáng)度最強(qiáng)。對(duì)流發(fā)展越旺盛,對(duì)流活動(dòng)對(duì)大氣的加熱也就越強(qiáng)烈。將波源放在孟加拉灣熱源偏南85°—95°E,5°—10°N（圖1中紅色方框）。

圖1 4—9月長(zhǎng)期逐月平均的OLR（單位:W/m2，紅色方框?yàn)檫x定的波源范圍85°—95°E,5°—10°N）

大氣對(duì)熱源強(qiáng)迫低頻響應(yīng)的擾動(dòng)結(jié)構(gòu)和移動(dòng)特征都和實(shí)際大氣中低頻振蕩現(xiàn)象十分相似[22,30,32-33]，因此孟加拉灣夏季穩(wěn)定持續(xù)的熱源是激發(fā)低頻振蕩的重要的動(dòng)力機(jī)制[12]。亞洲季風(fēng)區(qū)存在的10—20 d和30—60 d的低頻振蕩與我國(guó)降水有密切聯(lián)系[33-34]。琚建華等[35]指出強(qiáng)季風(fēng)涌年準(zhǔn)30—60 d低頻振蕩的影響顯著，容易造成長(zhǎng)江中下游多雨，而弱季風(fēng)涌年以10—20 d低頻振蕩為主，對(duì)應(yīng)長(zhǎng)江中下游干旱。楊秋明[36]指出5—8月長(zhǎng)江下游逐日降水主要有10—20 d,20—30 d和60—70 d的周期振蕩,20—30 d降水的振蕩與亞洲季風(fēng)區(qū)熱源強(qiáng)迫異常激發(fā)的20—30 d低頻振蕩有關(guān)。強(qiáng)降水過(guò)程對(duì)應(yīng)850 hPa低頻風(fēng)場(chǎng)從阿拉伯海經(jīng)印度、孟加拉灣到中國(guó)南部和長(zhǎng)江下游地區(qū)存在強(qiáng)西風(fēng)氣流。李汀等[37]用30—60 d濾波后的夏季風(fēng)指數(shù)對(duì)孟加拉灣西南季風(fēng)和南海熱帶季風(fēng)季節(jié)內(nèi)振蕩特征進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)孟加拉灣西南季風(fēng)的季節(jié)內(nèi)振蕩和南海熱帶季風(fēng)的季節(jié)內(nèi)振蕩在夏季風(fēng)期間（5—10月）都有約3次半的波動(dòng)，雨帶隨南海低頻對(duì)流的北移而北移。因此本文計(jì)算了周期分別為10—20 d、30—60 d以及準(zhǔn)定常Rossby波的傳播路徑，并與季風(fēng)降水北推路徑相比較。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)季風(fēng)雨帶的北傳與低層（850 hPa）Rossby波傳播的路徑對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，而與高層Rossby波傳播的路徑相差甚遠(yuǎn)，說(shuō)明季風(fēng)雨帶的東傳和北傳與低層Rossby波的傳播有很大關(guān)聯(lián)，以下也將主要分析低層850 hPa上Rossby波傳播的路徑。

3.1 周期的影響

取初始緯向波數(shù)k0=1，應(yīng)用波射線(xiàn)的參數(shù)方程（式8）計(jì)算14 d周期Rossby波的傳播路徑，4月份之前Rossby波在東風(fēng)氣流中主要向西傳播（圖略），5月份夏季風(fēng)爆發(fā)，伴隨著季風(fēng)的向北推進(jìn)，波射線(xiàn)路徑也逐漸向北推進(jìn)（見(jiàn)圖2）。在基本流的引導(dǎo)下，Rossby經(jīng)7 d的時(shí)間可以從孟加拉灣區(qū)域傳播到我國(guó)西南地區(qū)；6月份Rossby波傳播距離更遠(yuǎn)，穿過(guò)中南半島可以到達(dá)我國(guó)長(zhǎng)江流域，7月份波路徑進(jìn)一步向北，7—10 d左右可以到達(dá)華北平原。從8月份開(kāi)始，季風(fēng)南撤，Rossby波傳播距離縮短，相同時(shí)間只能影響到中國(guó)南部和南海區(qū)域。

仍取緯向波數(shù)k0=1，計(jì)算30 d周期Rossby波的傳播路徑（見(jiàn)圖3），與14 d周期的Rossby波相比，最顯著的區(qū)別是在6—8月波傳播路徑分為兩支，一支與14 d周期的Rossby波路徑一致，先穿過(guò)中南半島到達(dá)中國(guó)西南地區(qū)、進(jìn)一步穿過(guò)長(zhǎng)江流域到達(dá)華北和東北地區(qū)。另外一支東傳到菲律賓附近然后轉(zhuǎn)向西北太平洋、到達(dá)日本及其以東沿海，最終會(huì)影響北美洲，與準(zhǔn)定常Rossby的傳播路徑一致（見(jiàn)圖4），可以解釋IAP或者EAP/PJ遙相關(guān)波列，直接的影響范圍是中國(guó)東部沿海和日本，但是通過(guò)環(huán)流系統(tǒng)間的相互作用，對(duì)中國(guó)夏季降水也會(huì)產(chǎn)生重要影響。李建平等[20]發(fā)現(xiàn)東亞夏季風(fēng)偏弱年份，熱帶印度洋到南海南端存在一顯著的氣旋環(huán)流，菲律賓海及臺(tái)灣島南端為顯著的反氣旋異常，而日本及其以東為氣旋式異常，同時(shí)中國(guó)北方存在一個(gè)反氣旋異常，使得長(zhǎng)江中下游至韓國(guó)、日本一帶形成氣旋式切邊，降水增多，而華南和華北降水偏少。

為了更清楚表示波隨時(shí)間的傳播路徑，圖5給出了其中4個(gè)波源點(diǎn)的波射線(xiàn)路徑以及振幅的變化，紅色線(xiàn)表示向東傳播的兩條波射線(xiàn)，藍(lán)色線(xiàn)表示向北傳播的，8—10d傳播到中國(guó)長(zhǎng)江和華北區(qū)域，可以看出北傳的波傳播速度更快，振幅衰減也更大。

一般來(lái)說(shuō)，春季4、5月，季風(fēng)雨帶位于南海地區(qū)，從5月下旬到6月初，雨帶北移到江南地區(qū)，之后，此雨帶會(huì)向北突跳到江淮流域、日本和韓國(guó)，意味著中國(guó)江淮流域、日本和韓國(guó)梅雨季節(jié)的開(kāi)始，在7月初或中旬,此季風(fēng)雨帶會(huì)再一次向北移到華北、東北和朝鮮，到了8月中旬以后,季風(fēng)雨帶很快撤退到華南地區(qū)[26]。根據(jù)圖2—3可知，14 d周期的Rossby波及30 d周期的向北分支的傳播路徑與中國(guó)雨帶推進(jìn)的路徑非常一致，表明中國(guó)夏季季風(fēng)降水與低頻Rossby波傳播存在密切的關(guān)系。沿著波射線(xiàn)路徑取一個(gè)斷面（圖2中紅色區(qū)域做經(jīng)向平均）計(jì)算OLR的緯度-時(shí)間剖面圖（見(jiàn)圖6）。如圖所示，從5月份開(kāi)始，對(duì)流系統(tǒng)沿著波射線(xiàn)的路徑逐漸北推，8月中旬到達(dá)最北，接著南撤。Rossby波傳播的路徑與季風(fēng)、對(duì)流北推的方向一致。這也進(jìn)一步說(shuō)明波射線(xiàn)可以反應(yīng)亞洲夏季風(fēng)區(qū)域的一些低頻振蕩的特征[22，30]。李崇銀等[33]指出大氣對(duì)外源有明顯的遙響應(yīng)，且主要是30—60 d的低頻遙響應(yīng)，其形式與遙相關(guān)型類(lèi)似，其擾動(dòng)結(jié)構(gòu)和移動(dòng)特征都和實(shí)際大氣中觀(guān)測(cè)到的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（Intraseasonal Oscillation，ISO）近似，所以可以認(rèn)為大氣對(duì)熱源的低頻遙響應(yīng)也是ISO產(chǎn)生的動(dòng)力機(jī)制。

圖2 周期T=14 d，初始緯向波數(shù)k0=1的Rossby波的傳播路徑（積分14 d，圖中顯示了前7 d的路徑，矢量箭頭代表風(fēng)場(chǎng)，單位：m/s，陰影代表降水量，單位：mm，紅色斜方框?yàn)閳D6進(jìn)行區(qū)域平均時(shí)所用的區(qū)域）

3.2 初始波數(shù)的影響

在周期和初始緯向波數(shù)固定的情形下，經(jīng)向波數(shù)通過(guò)頻散關(guān)系也就唯一確定了，以上計(jì)算取初始緯向波數(shù)k0=1，本節(jié)分析了不同的初始波數(shù)對(duì)Rossby波傳播的影響。由于30—60 d周期的Rossby波同時(shí)包含了向北傳播和向東傳播兩條路徑，因此以30—60 d周期為例來(lái)具體說(shuō)明初始波數(shù)的影響，分別計(jì)算了初始緯向波數(shù)k0=1,2……6的情況，考慮到季風(fēng)及降水的大尺度特征，沒(méi)有討論k0＞6的情況。結(jié)果顯示k0=2與k0=1的結(jié)果無(wú)大的差別，但如果初始緯向波數(shù)繼續(xù)增大，當(dāng)2＜k0＜6時(shí)（以初始緯向波數(shù)k0=4為例），與IAP或者EAP遙相關(guān)型相關(guān)的那支東傳波列消失，Rossby波主要向北傳播，并且會(huì)被青藏高原攔截（見(jiàn)圖7）。羅德海[38]指出Rossby波不同波數(shù)之間的非線(xiàn)性調(diào)制可能是中緯度低頻振蕩產(chǎn)生的原因，在經(jīng)向波數(shù)滿(mǎn)足一定關(guān)系的條件下，1—4波的Rossby波之間的非線(xiàn)性調(diào)制可以產(chǎn)生10—20 d和30—60 d振蕩。從波射線(xiàn)計(jì)算的控制方程可以看出，在非均勻緯向基流中Rossby波傳播路徑與風(fēng)場(chǎng)以及波數(shù)k、l是非常復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系，初始緯向波數(shù)增大造成Rossby波向北傳播分量增大，也只是適用于孟加拉灣夏季低層。如果波源放置在印度洋、或者西太平洋結(jié)果并非如此，本文不予討論。在非均勻介質(zhì)中，Rossby波傳播時(shí)波數(shù)會(huì)隨之變化，只是給定了一個(gè)初始的緯向波數(shù)，并根據(jù)頻散關(guān)系計(jì)算初始的經(jīng)向波數(shù)，而傳播過(guò)程中的波數(shù)是由基本流場(chǎng)和經(jīng)緯度確定的。

圖3 周期T=30 d，初始緯向波數(shù)k0=1的Rossby波的傳播路徑（積分30 d，圖中顯示了前7d的路徑，矢量箭頭代表風(fēng)場(chǎng)， 單位：m/s，陰影代表降水量，單位：mm）

3.3 波能量的變化

波能量與波振幅的平方成正比，因此用波振幅來(lái)表示波能量的變化，分析了不同高度（850 hPa，500 hPa，200 hPa）上Rossby波能量的時(shí)間演變。不同高度上波能量的時(shí)間演變都有一個(gè)相同的規(guī)律，以10—20 d周期的Rossby波為例來(lái)說(shuō)明。850 hPa上Rossby波傳播過(guò)程中能量基本都是衰減的（見(jiàn)圖8），但是在夏季（6—8月）波能量衰減的更多，15 d時(shí)波能量差不多為初始的50%，30 d后能量只剩初始能量的10%左右；而4、5、9月能量衰減較小。由波射線(xiàn)路徑可以看出，夏季風(fēng)爆發(fā)以后西南風(fēng)增大，引導(dǎo)Rossby波北傳，從振幅隨時(shí)間演變的圖中看到北傳過(guò)程中波能量衰減較大，擾動(dòng)流向基本氣流提供能量，基本氣流的動(dòng)能增加。500 hPa上除了4月份波振幅增加，夏季也是以衰減為主，相比于850 hPa其衰減幅度減小，而9月份波能量在傳播過(guò)程中基本沒(méi)有變化（見(jiàn)圖9）；而200 hPa上Rossby波能量主要以振蕩為主，擾動(dòng)能量與基本氣流間能量相互轉(zhuǎn)換（見(jiàn)圖10）。對(duì)比3個(gè)高度上振幅的變化，發(fā)現(xiàn)夏季低層Rossby波北傳過(guò)程中主要是擾動(dòng)能量向基本流的轉(zhuǎn)化，然而隨著高度增大，西風(fēng)風(fēng)速增大，Rossby波從基本氣流中獲取更多能量，波流間能量相互轉(zhuǎn)換，也更容易發(fā)生不穩(wěn)定。

圖4 準(zhǔn)定常的Rossby波的傳播路徑（積分30 d，圖中顯示了前7 d的路徑，矢量箭頭代表風(fēng)場(chǎng)，單位：m/s，陰影代表降水量，單位：mm）

圖5 Rossby波的傳播路徑及相對(duì)應(yīng)波振幅隨時(shí)間的變化（藍(lán)色表示向北傳播的兩條波射線(xiàn)，紅色表示向東傳播的兩條波射線(xiàn)）

圖6 OLR（單位：W/m2）緯度-時(shí)間剖面圖

圖7 周期T=30 d，初始緯向波數(shù)k0=4的Rossby波的傳播路徑（積分30 d，圖中顯示了前7 d的路徑，矢量箭頭代表風(fēng)場(chǎng)，單位：m/s，陰影代表降水量，單位：mm）

4 總結(jié)和討論

本文應(yīng)用行星波傳播理論，計(jì)算了夏季風(fēng)爆發(fā)后孟加拉灣熱源擾動(dòng)產(chǎn)生的Rossby波的頻散路徑，并分析了Rossby波的傳播路徑與季風(fēng)降水北推的關(guān)系，進(jìn)一步計(jì)算了不同初始波數(shù)對(duì)傳播路徑的影響及傳播過(guò)程中能量的變化特征。

分別計(jì)算了周期為10—20 d、30—60 d以及準(zhǔn)定常Rossby波4—9月的傳播路徑。結(jié)果表明10—20 d周期的Rossby波從孟加拉灣往北穿過(guò)中南半島到達(dá)我國(guó)西南地區(qū)、進(jìn)一步穿過(guò)長(zhǎng)江流域到達(dá)華北和東北地區(qū)；而30—60 d周期的Rossby波射線(xiàn)路徑明顯分為兩支，一支向北傳播，與10—20 d周期的Rossby波路徑一致，另外一支先向東傳播，與準(zhǔn)定場(chǎng)Rossby波的傳播路徑一致，從孟加拉灣東傳到菲律賓附近然后轉(zhuǎn)向西北太平洋、到達(dá)日本及其以東沿海，最終影響北美洲。

10—20 d周期的Rossby波以及30—60 d周期的北支波列的傳播路徑與中國(guó)夏季降水的推進(jìn)路徑非常吻合，而準(zhǔn)定常Rossby波其直接影響主要是中國(guó)東部沿海。從波射線(xiàn)路徑上OLR場(chǎng)的時(shí)間演變來(lái)看，伴隨著Rossby波的向北傳播，對(duì)流活動(dòng)也逐漸向北推，與前人研究的低頻振蕩的傳播路徑非常相似。這也進(jìn)一步說(shuō)明了波射線(xiàn)可以反應(yīng)亞洲夏季風(fēng)區(qū)域一些低頻遙響應(yīng)和低頻振蕩的特征，可以用Rossby波傳播來(lái)解釋季風(fēng)及其相伴雨帶的向北推進(jìn)過(guò)程。

圖9 500 hPa上4—9月Rossby波的傳播過(guò)程中波源各個(gè)點(diǎn)波振幅的變化

進(jìn)一步分析了不同初始波數(shù)對(duì)于Rossby波傳播路徑的影響，初始緯向波數(shù)的增加至2＜k0＜6，東傳那支波列幾乎消失，Rossby波主要向北傳播，很容易被孟加拉灣北側(cè)的青藏高原截獲而傳不到更遠(yuǎn)的地方。此外還分析了Rossby波傳播過(guò)程中能量的變化，低層850hpa上Rossby波傳播過(guò)程中能量逐漸衰減，夏季（6—8月）波能量衰減的更多。由于所用的物理模型無(wú)外源、無(wú)摩擦，只能通過(guò)波流相互作用進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，因此夏季低層主要是擾動(dòng)動(dòng)能向基本氣流的轉(zhuǎn)化，基本氣流的動(dòng)能增加進(jìn)一步也增強(qiáng)了西南季風(fēng)。低緯熱源激發(fā)Rossby波，有效位能轉(zhuǎn)化為擾動(dòng)動(dòng)能，擾動(dòng)動(dòng)能北傳過(guò)程中又轉(zhuǎn)化為基本氣流的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)了低層能量由低緯向高緯的輸送。而高層200 hPa上Rossby波能量主要以振蕩為主，擾動(dòng)與基本流間能量相互轉(zhuǎn)換。

圖10 200hPa上4—9月Rossby波的傳播過(guò)程中波源各個(gè)點(diǎn)波振幅的變化

本研究從球面無(wú)輻散正壓渦度方程出發(fā)，將物理量場(chǎng)分解為基本場(chǎng)和擾動(dòng)場(chǎng)，并且假設(shè)大氣是緩變介質(zhì)，利用WKB近似得到Rossby波的傳播方程，討論了水平非均勻基流下波動(dòng)的水平傳播。而波動(dòng)的垂直傳播，以及大氣輻散對(duì)于波動(dòng)傳播的影響也都有重要意義，是下一步要進(jìn)行的工作。此外本文只是關(guān)注了孟加拉灣熱源激發(fā)的Rossby波在季風(fēng)爆發(fā)后的傳播路徑及其對(duì)季風(fēng)降水的可能影響，而影響中國(guó)夏季降水的天氣系統(tǒng)眾多，如印度洋、南海、西太平洋以及北方高緯度的冷空氣，因此不同系統(tǒng)對(duì)季風(fēng)降水的影響及其相互作用機(jī)制也有待于進(jìn)一步研究。

致謝：非常感謝巢紀(jì)平院士對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)，以及李艷杰博士和趙森博士在波射線(xiàn)計(jì)算方面給與的幫助和討論。本文使用的OLR場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)以及降水場(chǎng)資料來(lái)自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心網(wǎng)站，在此表示感謝。

[1]竺可楨.東南季風(fēng)與中國(guó)之雨量[J].地理學(xué)報(bào),1934,(1):1-27.

[2]涂長(zhǎng)望,黃士松.中國(guó)夏季風(fēng)之進(jìn)退[J].氣象學(xué)報(bào),1944,18(1): 1-20.

[3]葉篤正,羅四維,朱抱真.西藏高原及其附近的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和對(duì)流層大氣的熱量平衡[J].氣象學(xué)報(bào),1957,28(2):108-121.

[4]陶詩(shī)言,趙煜佳,陳曉敏.東亞的梅雨期與亞洲上空大氣環(huán)流季節(jié)變化的關(guān)系[J].氣象學(xué)報(bào),1958,29(2):119-134.

[5]Tao S Y,Chen L X.A review of recent research on the East Asian summer monsoon in China[M].Oxford:Oxford University Press, 1987:60-92.

[6]何金海,丁一匯,陳隆勛.亞洲季風(fēng)研究的新進(jìn)展[M].北京:氣象出版社,1996.

[7]Johnson D R,Yanai M,Schaack T K.Global and regional distributions of atmospheric heat sources and sinks during the GWE [M]//Chang C P,Krishnamuti T N.Monsoon Meteorology.Oxford: Oxford University Press,1987:271-297.

[8]陳玉英,鞏遠(yuǎn)發(fā),魏娜.亞洲季風(fēng)區(qū)大氣熱源匯的氣候特征[J].氣象科學(xué),2008,28(3):251-257.

[9]張博,朱業(yè),趙濱,等.亞洲和南半球大氣熱源(匯)對(duì)亞洲夏季風(fēng)影響的數(shù)值試驗(yàn)[J].氣候與環(huán)境研究,2011,16(5):597-608.

[10]Huang R H,Li W J.Influence of the heat source anomaly over the tropical western Pacific on the subtropical high over EastAsia[C]// ProceedingsofInternationalConferenceontheGeneral Circulation of EastAsia.Chengdu,China,1987.

[11]沈如金,紀(jì)立人.熱源擾動(dòng)對(duì)亞洲夏季風(fēng)環(huán)流的影響[J].氣象學(xué)報(bào),1990,48(2):139-149.

[12]Li C Y.A dynamical study on the 30-50 day oscillation in the tropicalatmosphereoutsidetheequator[J].Journalof Atmospheric Sciences,1990,14(1):101-112.

[13]Gill A E.Some simple solutions for heat-induced tropical circulation[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,1980,106(449):447-462.

[14]SashegyiKD,GeislerJE.A linearmodelstudyof cross-equatorial flow forced by summer monsoon heat sources[J]. Journal ofAtmospheric Sciences,1987,44(13):1706-1722.

[15]楊修群.大氣對(duì)熱帶熱源低頻響應(yīng)的數(shù)值研究[J].氣象科學(xué), 1990,10(4):384-393.

[16]Li L,Nathan T R.Effects of low-frequency tropical forcing on intraseasonaltropical-extratropicalinteractions[J].Journalof Atmospheric Sciences,1997,54(2):332-346.

[17]邢楠,李建平,李耀錕.熱帶大氣對(duì)單一型赤道非對(duì)稱(chēng)熱源的響應(yīng)[J].大氣科學(xué),2014,38(6):1147-1158.

[18]黃榮輝,嚴(yán)邦良.地形與熱源強(qiáng)迫在亞洲夏季風(fēng)形成與維持中的物理作用[J].氣象學(xué)報(bào),1987,45(4):394-407.

[19]Nitta T.Convective activities in the tropical western Pacific and their impact on the Northern Hemisphere summer circulation[J]. Journal of the Meteorological Society of Japan,1987,65(3): 373-390.

[20]李建平,吳國(guó)雄,胡敦欣.亞印太交匯區(qū)海氣相互作用及其對(duì)我國(guó)短期氣候的影響(上卷)[J].北京:氣象出版社,2011:6-11.

[21]徐祥德.波射線(xiàn)變形及其影響因子的探討[J].氣象學(xué)報(bào),1991, 49(3):288-299.

[22]徐祥德,苗秋菊.熱帶大氣能量頻散波射線(xiàn)的低頻動(dòng)力學(xué)特征[J].氣象學(xué)報(bào),2000,58(5):534-544.

[23]李艷杰.基于水平非均勻基流的行星波傳播理論與亞澳季風(fēng)系統(tǒng)相互作用[D].北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院,2011.

[24]楊崧,鄧開(kāi)強(qiáng),Ting M F,等.大氣能量傳播及不同緯度間大氣相互作用的研究進(jìn)展[J].氣象學(xué)報(bào),2015,73(6):999-1018.

[25]Wu G X,Zhang Y S.Tibetan Plateau forcing and the timing of the monsoon onset over South Asia and the South China Sea[J]. Monthly Weather Review,1998,126(4):913-927.

[26]Ding Y H.Seasonal march of the East-Asian summer monsoon [M]//ChangCP.EastAsianMonsoon.WorldScientific Publishing Co.Pte.Ltd.,2004:3-53.

[27]Liebmann B.Description of a complete(interpolated)outgoing longwaveradiationdataset[J].BulletinoftheAmerican Meteorological Society,1996,77(6):1275-1277.

[28]Kalnay E,Kanamitsu M,Kistler R,et al.The NCEP/NCAR 40-yearreanalysisproject[J].BulletinoftheAmerican Meteorological Society,1996,77(3):437-472.

[29]Adler R F,Huffman G J,Chang A,et al.The version-2 global precipitation climatology project(GPCP)monthly precipitation analysis(1979-present)[J].Journal of Hydrometeorology,2003,4 (6):1147-1167.

[30]李艷杰,李建平.水平非均勻基流中行星波的傳播[J].地球物理學(xué)報(bào),2012,55(2):361-371.

[31]Li Y J,Li J P,Jin F F,et al.Interhemispheric propagation of stationaryRossbywavesinahorizontallynonuniform background flow[J].Journal of the Atmospheric Sciences,2015, 72(8):3233-3256.

[32]Yang G Y,Hoskins B J.Propagation of Rossby waves of nonzero frequency[J].Journal of Atmospheric Sciences,1996,53(16): 2365-2378.

[33]李崇銀,龍振夏,穆明權(quán).大氣季節(jié)內(nèi)振蕩及其重要作用[J].大氣科學(xué),2003,27(4):518-535.

[34]Yasunari T.A quasi-stationary appearance of 30 to 40 day period in the cloudiness fluctuations during the summer monsoon over India[J].Journal of the Meteorological Society of Japan,1980,58 (3):225-229.

[35]琚建華,趙爾旭.東亞夏季風(fēng)區(qū)的低頻振蕩對(duì)長(zhǎng)江中下游旱澇的影響[J].熱帶氣象學(xué)報(bào),2005,21(2):163-171.

[36]楊秋明.全球環(huán)流20—30d振蕩與長(zhǎng)江下游強(qiáng)降水[J].中國(guó)科學(xué)D輯:地球科學(xué),2009,39(11):1515-1529.

[37]李汀,琚建華.孟加拉灣西南季風(fēng)與南海熱帶季風(fēng)季節(jié)內(nèi)振蕩特征的比較[J].氣象學(xué)報(bào),2013,71(3):492-504.

[38]羅德海.大氣中調(diào)制Rossby波的振蕩特征和中緯低頻振蕩[J].成都?xì)庀髮W(xué)院學(xué)報(bào),1994,9(4):25-33.

The relationship between bay of Bengal heating and summer monsoon precipitation over China—the effect of Rossby wave

KANG Yan-yan1,2
（1.Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting,National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081 China; 2.School of Physics,Peking University,Beijing 100871 China;）

Based on the theory of planetary wave propagation in the horizontal non-uniform basic flow,the propagation of Rossby wave inspired by the heating over Bay of Bengal(BOB)and its related summer precipitation in China has been investigated.The results show that Rossby waves of 10—20 d period commence from BOB region,pass through Indochina Peninsula,Southwest China,and arrive in the Yangtze River Basin,and then reach further to North China.The ray path is consistent with the northward propagation of the summer monsoon rainfall over China.The wave energy could disperse to the concerned rainfall regions within 7—10 days.Rossby waves of 30—60 d period propagate in two separate branches.One is consistent with the path of 10—20 d Rossby wave,and the other one propagates eastward to the South China Sea and the Philippines,and turns northward to China's eastern coastal areas and Japan,then reaches North America eventually.The latter path is in line with the stationary Rossby wave rays,known as the EAP/PJ wave train,and has a direct impact on China eastern coastal areas and Japan.Two periods of Rossby wave could explain the low frequency oscillation features of the summer monsoon rainfall over China.Moreover,the wave energy variation during propagation has been studied.Along the propagation pathway,the wave energy decreases at lower level(850 hPa),implying the energy is transferred to the base flow,while oscillates at the upper level(200 hPa),indicating the wave-current interaction there.

Rossby wave;wave rays;precipitation;low frequency oscillation

P425.4+2

A

1003-0239（2016）05-0009-14

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.05.002

2016-07-07

國(guó)家自然科學(xué)面上基金（41376016）；國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金（41530424）

亢妍妍（1987-），女，助理研究員，博士，從事數(shù)值計(jì)算和地球流體模擬等方面的理論工作。E-mail：yanyan051022@163.com