鄭 彬 谷德軍 林愛蘭 陳 靜 屈靜玄 朱 泳

中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所/廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報重點實驗室,廣州 510640

提 要: 通常年南海夏季風爆發(fā)偏早,但是2021年背景下南海夏季風于5月第6候爆發(fā),較常年偏遲。利用NCEP/NCAR再分析資料,從熱帶海溫異常(SSTA)和季節(jié)內(nèi)振蕩(ISO)北傳的角度來分析2021年南海夏季風爆發(fā)偏遲的原因。結(jié)果表明確實使春季的西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱西太副高)減弱,特別是4月之前;但是由于熱帶印度洋海溫在冬春季持續(xù)偏暖的背景下抵消了的影響,特別是在5月,的影響小于熱帶印度洋的作用,導(dǎo)致5月西太副高偏強,南海夏季風爆發(fā)偏遲。此外,受影響,4月西太副高偏弱,南海地區(qū)背景正壓南風偏弱,不利于南海地區(qū)赤道ISO的北傳,這與氣候態(tài)正好相反;隨著熱帶印度洋SSTA的影響越來越顯著,西太副高逐漸加強,直到5月下旬,背景正壓經(jīng)向南風才擴展到10°N以南地區(qū),導(dǎo)致2021年南海地區(qū)赤道ISO北傳偏遲,這也是2021年南海夏季風爆發(fā)偏遲的一個重要原因。熱帶印度洋和太平洋SSTA通過“競爭”共同對南海夏季風爆發(fā)產(chǎn)生影響,因此關(guān)注二者在冬春季的發(fā)展非常重要。

引 言

南海夏季風是影響中國降水的重要系統(tǒng),其爆發(fā)預(yù)示著東亞夏季環(huán)流的發(fā)展。南海夏季風的活動不僅是華南雨季(前汛期)進入盛期的標志(謝炯光等,2008;陳隆勛等,2000),還會對東亞,甚至北半球的環(huán)流和天氣都產(chǎn)生重要影響。此外,作為東亞季風的重要組成部分,南海夏季風是連接印度/孟加拉灣季風、西北太平洋季風和東亞副熱帶季風的紐帶,其獨特的地理位置也越來越受世界各國的高度重視。因此,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,每年南海夏季風的爆發(fā)日期成為每年海洋和大氣領(lǐng)域都重點關(guān)注的內(nèi)容之一。

南海夏季風爆發(fā)的研究比較豐富,影響因子主要包含外強迫作用和大氣內(nèi)部動力熱力學(xué)過程(邵勰等,2014)。大氣內(nèi)部過程包括熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩(ISO)(林愛蘭等,2016;李春暉等,2017),越赤道氣流(陶詩言等,1983;李崇銀和吳靜波,2002;高輝和薛峰,2006;Lin et al,2017;鮑媛媛,2021)和中高緯度系統(tǒng)(Chang and Chen,1995;溫之平等,2006;張立鳳等,2008;林愛蘭等,2010a;2010b)的影響。外強迫作用主要包含了海溫異常(SSTA)(毛江玉等,2000;陳雋和金祖輝,2001;梁衛(wèi)等,2009;林愛蘭等,2013)和陸面過程的影響,而后者主要有青藏高原的動力熱力作用(Wu and Zhang,1998;陳雋和金祖輝,2001;邵慧和錢永甫,2001;簡茂球和羅會邦,2001;于樂江和胡敦欣,2008)和中南半島的作用(王世玉和錢永甫,2001;鄭彬和蒙偉光,2006;蒙偉光和鄭彬,2006)。此外,太陽活動周期變化(周群和陳文,2020)對南海夏季風的爆發(fā)也有一定的影響,但是最受關(guān)注的外強迫因子還是海溫,特別是ENSO海溫分布型對南海夏季風爆發(fā)影響的研究(陳雋和金祖輝,2001;溫之平等,2005;胡鵬和陳文,2018)。

1 資料與方法

本文使用的資料為NCEP/NCAR再分析(Kalnay et al, 1996)逐日等壓面的氣溫、比濕和水平風場,以及逐日下墊面溫度和大氣頂向外長波輻射(OLR)表面資料。其中等壓面資料的水平分辨率為2.5°×2.5°,表面資料為高斯格點。NCEP/NCAR資料氣候態(tài)取1981—2010年。

文中南海夏季風區(qū)域定義為5°～20°N、105°～120°E。ISO取10～60 d周期,利用11 d滑動平均值減去61 d滑動平均值得到ISO擾動,由61 d滑動平均計算得到背景場。另外,用垂直積分計算的正壓風場與垂直平均得到的結(jié)果非常相近(圖略),因此,為計算方便,本文采取垂直平均的計算方法。

2 分析結(jié)果

2.1 2021年南海夏季風爆發(fā)

梁建茵和吳尚森(2002)認為南海地區(qū)850 hPa平均緯向風大于零,西風主要源于熱帶低緯并持續(xù)5 d以上即標志著南海夏季風爆發(fā)。從氣候上來看,5月第4候(16—20日)時,南海夏季風區(qū)域低層850 hPa風場全面由東風轉(zhuǎn)為西風并持續(xù)(圖1c),表明氣候上的南海夏季風爆發(fā)日期為5月第4候。

圖1 (a,c) 氣候態(tài)和(b,d) 2021年的105°～120°E平均緯向風(填色和等值線)的演變(a,b)200 hPa,(c,d)850 hPaFig.1 Evolution of (a, c) climatology and (b, d) the 2021 zonal wind (colored and contour) averaged in 105°-120°E(a, b) 200 hPa, (c, d) 850 hPa

雖然200 hPa緯向平均風場顯示南海全區(qū)域是在5月 底轉(zhuǎn)為東風(圖1a),但是從區(qū)域平均來看,東風垂直切變也是從5月第4候開始(圖略)。因此從風場垂直切變(Zheng et al,2011)來看也有氣候的南海夏季風爆發(fā)日期為5月第4候的結(jié)論。

2.2 熱帶海溫異常的影響

圖3 (a)1950—2021年年合成的和(b)2021年的春季(MAM)海溫異常(填色)和500 hPa位勢高度異常(等值線,單位:gpm)Fig.3 SSTA (colored) and geopotential height anomaly (contour, unit: gpm) at 500 hPa in spring (MAM) for (a) composite of La years during 1950-2021 and (b) in 2021

圖4顯示2021年赤道印度洋SSTA與相關(guān)環(huán)流的演變?？梢钥吹?超前的反氣旋和高壓異常是MAM印度洋海盆尺度增暖的重要因子(圖4a,4b),而之后印度洋增暖的SSTA對西北太平洋反氣旋有顯著貢獻(圖4d～4f)。印度洋暖SSTA如何與西北太平洋反氣旋聯(lián)系在一起?從圖5可以看到,印度洋暖SSTA區(qū)有顯著的上升運動,而熱帶西北太平洋地區(qū)則是下沉運動。印度洋暖SSTA和西北太平洋反氣旋之間正是通過異常的緯向垂直環(huán)流相聯(lián)系,這與袁媛和李崇銀(2009)的結(jié)果是一致的。

注:陰影和綠色箭矢為通過0.05顯著性水平檢驗的區(qū)域,圖a～圖f分別為SSTA落后10 d到超前15 d。圖4 2021年MAM赤道印度洋(5°S～5°N、40°～100°E)SSTA與850 hPa風場的偏相關(guān)系數(shù)(箭矢),與高度場的偏相關(guān)系數(shù)(等值線)Fig.4 Partial correlation coefficients between the equatorial Indian Ocean (5°S-5°N, 40°-100°E) SSTA and the 850 hPa wind (vector) and height (contour) in MAM of 2021

注:陰影和綠色箭矢為通過0.05顯著性水平檢驗的區(qū)域,圖a～圖f分別為SSTA落后10 d到超前15 d。圖6 2021年MAM赤道西太平洋(5°S～10°N、140°～160°E)SSTA與850 hPa風場的偏相關(guān)系數(shù)(箭矢),與高度場的偏相關(guān)系數(shù)(等值線)Fig.6 Partial correlation coefficients between the equatorial Western Pacific (5°S-10°N, 140°-160°E) SSTA and the 850 hPa wind (vector) and height (contour) in MAM of 2021

2.3 ISO北傳的影響

已有許多研究指出ISO北傳對南海夏季風爆發(fā)有顯著作用(Zhou and Chan,2005;Zhou and Murtugudde,2014;Wang et al,2018),主要通過對流發(fā)展減弱西太副高,促使其東撤和熱帶西風向東推進。從圖7a可以看到,氣候態(tài)的10～60 d尺度的OLR從5月初開始北傳,對流中心在5月第4候左右傳到南海北部;而2021年的10～60 d尺度的OLR從5月16日左右才開始北傳,對流中心在5月底傳播到南海北部(圖7b)。是什么原因?qū)е?021年ISO北傳偏遲,進而使南海夏季風爆發(fā)偏遲?

注:紅色箭頭表示10～60 d對流中心傳播方向。圖7 105°～120°E平均背景對流不穩(wěn)定度(填色)和10～60 d濾波后OLR(等值線,單位:W·m-2)分布(a)氣候態(tài),(b)2021年Fig.7 Background convective instability (colored) and 10-60 d filtering OLR (contour, unit: W·m-2) averaged in 105°-120°E(a) climatology, (b) in 2021

赤道地區(qū)的ISO對流向北傳播的機制已有很多研究,多是針對季風爆發(fā)后的北半球夏季ISO,但是總的來說ISO北傳主要歸因于大氣背景場的分布結(jié)構(gòu)(DeMott et al,2013)。由于季風爆發(fā)前后的大氣環(huán)流背景差異,因此爆發(fā)前后的機制并不能等效。如爆發(fā)后的東風垂直切變機制(Wang and Xie,1997;Jiang et al,2004;Drbohlav and Wang,2005),在爆發(fā)前由于背景場是低層?xùn)|風、高層西風,是西風垂直切變,不利于ISO北傳。Li et al(2013)提出了季風爆發(fā)前ISO北傳的背景對流不穩(wěn)定度經(jīng)向不對稱機制,這個機制的關(guān)鍵就是對流不穩(wěn)定度的經(jīng)向梯度,如果隨著緯度增大,對流不穩(wěn)定度增大,則有利于ISO向北傳播。本文的對流不穩(wěn)定度采用鄭彬等(2006)定義:

Δθse=θse|700 hPa-θse|925 hPa

式中θse為假相當位溫。當Δθse<0,為對流不穩(wěn)定;反之則穩(wěn)定。從圖7可以看到,2021年4—5月的對流不穩(wěn)定度的分布與氣候態(tài)非常相似,最大的不穩(wěn)定區(qū)域位于12.5°N。也就是說背景對流不穩(wěn)定度機制僅僅在12.5°N以南區(qū)域有利于ISO北傳,并不能解釋季風爆發(fā)前ISO對流從赤道附近傳播到南海北部。

最近,有學(xué)者提出了季風爆發(fā)前ISO北傳的正壓渦度平流機制(Zheng and Huang,2019;Zheng et al,2019)。該機制的關(guān)鍵是背景正壓經(jīng)向南風對ISO對流引起的正壓渦度正異常的平流輸送,導(dǎo)致了對流北部超前的正壓渦度正異常,從而有利于ISO向北傳播。從圖8a可以看到,氣候的背景正壓經(jīng)向南風在4月初時幾乎覆蓋整個南海,隨著時間推移,背景正壓經(jīng)向南風的范圍逐漸縮小,雖然5月上半月只有10°N以北的南海北部有背景正壓經(jīng)向南風,但是結(jié)合背景對流不穩(wěn)定度機制,季風爆發(fā)前的ISO依然可以向北傳播;而5月下半月時,背景正壓經(jīng)向南風的范圍繼續(xù)縮小,南界在12.5°N附近,這時南海主要由背景斜壓經(jīng)向風所控制,爆發(fā)前的機制已經(jīng)不適用ISO向北傳播到南海北部。而2021年背景正壓經(jīng)向南風雖然逐漸向南擴張,但是在5月上旬之前一直在15°N以北(圖8b),即使結(jié)合背景對流不穩(wěn)定度機制也不能有效地促使赤道地區(qū)對流向整個南海傳播。一直到5月中下旬,背景正壓經(jīng)向南風擴展到12.5°N以南,有利于ISO向北傳播到南海北部。

注:圖c和圖d中橫坐標的零值代表南海夏季風爆發(fā)日期,負值代表南海夏季風爆發(fā)之前,正值代表之后;紅色箭頭表示10～60 d對流中心傳播方向。圖8 105°～120°E 平均的850～200 hPa(a,b,d)背景正壓經(jīng)向風(填色和等值線),(c)對流不穩(wěn)定度(填色)和10～60 d OLR(等值線,單位:W·m-2)分布(a)氣候態(tài),(b)2021年,年合成Fig.8 (a, b, d) Background barotropic meridional wind (colored and contour) averaged in 105°-120°E and 850-200 hPa, (c) convective instability (colored) and 10-60 d filtering OLR (contour, unit: W·m-2)(a) climatology, (b) in 2021, (c, d) composite of La years

正是由于2021年背景正壓經(jīng)向風演變與氣候態(tài)的差異,使得ISO在5月中旬之前不能向北傳播到南海北部,延緩了南海夏季風的爆發(fā)。而背景正壓經(jīng)向南風是由高層南亞高壓和低層西太副高決定的。季風爆發(fā)前的4月,南海地區(qū)主要受南亞高壓和西太副高西側(cè)控制,因此,南海大部分地區(qū)有正壓南風,隨著南亞高壓西移北推和西太副高的東撤,正壓南風范圍逐漸減小(圖8a)。

注:紅線為500 hPa的5880 gpm等值線。圖9 (a,c)氣候態(tài),(b,d)2021年的(a,b)5月和(c,d)4月850～200 hPa平均水平正壓風場(風矢)與200 hPa位勢高度(等值線,單位:gpm)分布Fig.9 The distribution of barotropic horizontal wind (vector) averaged in 850-200 hPa and geopotential height (contour, unit: gpm) at 200 hPa in (a, b) May and (c, d) April (a, c) climatology, (b, d) in 2021

圖10 2021年4—5月區(qū)域平均背景SSTA區(qū)域(5°S～5°N、120°～170°W),(b)赤道印度洋(5°S～5°N、40°～100°E)Fig.10 Background SSTA in April and May 2021 (b) equatorial Indian Ocean (5°S-5°N, 40°-100°E)

進行調(diào)制加強。

圖11給出了印度洋-太平洋SSTA聯(lián)合模態(tài)相關(guān)的環(huán)流演變,可以看到,在0 d時,西北太平洋有異常氣旋,而+5 d時異常氣旋減弱,之后的異常反氣旋逐漸加強,變得越來越顯著。這進一步表明印度洋SSTA在“競爭”中逐漸占優(yōu),導(dǎo)致5月西北太平洋異常反氣旋的加強(西太副高的增強)和南海夏季風的偏遲爆發(fā)。另一方面,逐漸加強的西太副高使5月南海地區(qū)的背景正壓南風也慢慢增強,5月下旬時擴展到10°N以南地區(qū),引導(dǎo)了ISO的北傳,最終導(dǎo)致南海夏季風在5月底爆發(fā)。

注:陰影和綠色箭矢為通過0.05顯著性水平檢驗的區(qū)域,圖a～圖d分別為SSTA超前0～15 d。圖11 2021年MAM印度洋-太平洋聯(lián)合模態(tài)指數(shù)與850 hPa風場的相關(guān)系數(shù)(箭矢),與高度場的相關(guān)系數(shù)(等值線)Fig.11 Correlation coefficients between the joint mode index of the Pacific-Indian Ocean SSTA and the 850 hPa wind and height in MAM of 2021

3 結(jié)論與討論

(1)2021年冬春季的熱帶太平洋海溫異常(熱帶中東太平洋偏冷,熱帶西北太平洋偏暖)確實使西太副高減弱,但是由于熱帶印度洋海溫持續(xù)偏暖,抵消了這種減弱效應(yīng)。隨著熱帶太平洋海溫異常減弱,熱帶印度洋海溫異常對西太副高的作用越來越大,到2021年5月,則以熱帶印度洋海溫異常控制為主,導(dǎo)致西太副高偏強,南海夏季風爆發(fā)偏遲。

(2)2021年南海地區(qū)赤道ISO北傳偏遲也是南海夏季風爆發(fā)晚的一個重要因素。主要過程是4月西太副高偏弱引起正壓南風減弱,從而不支持ISO向北傳播;之后隨著熱帶印度洋海溫異常的影響逐漸增大,南海地區(qū)正壓南風也逐漸增強,5月下旬時擴展到10°N以南地區(qū),有利于ISO北傳。

熱帶印度洋和太平洋SSTA都會對南海夏季風爆發(fā)產(chǎn)生影響,二者通過“競爭”或者共同作用可能會對南海夏季風爆發(fā)產(chǎn)生不同影響,因此關(guān)注二者在冬春季的發(fā)展非常重要。此外,ISO北傳對南海夏季風的爆發(fā)也非常重要,但其本身受背景場的影響,而背景場通常與外強迫(如海溫異常)有聯(lián)系。實際上,ISO和海溫的確存在相互作用過程。例如,Kemball-Cook and Wang(2001)提出一個海溫對ISO北傳的影響機制,而之后Jiang et al(2004)和Gao et al(2019)研究發(fā)現(xiàn),海溫通過調(diào)制表面潛熱和感熱通量,可以對ISO北傳做出貢獻(最大達到約20%),但是總的來說海溫對ISO北傳有調(diào)制作用,但并不是關(guān)鍵因子;而ISO通過影響表面潛熱通量,也會進一步影響局地海溫(Kemball-Cook and Wang,2001),而且亞澳季風區(qū)ISO通過大氣橋能夠影響赤道中東太平洋海溫(李崇銀和周亞萍,1994;李崇銀和李桂龍,1999),但是ISO對ENSO也僅僅有調(diào)制作用,而不是決定作用。因此,總體來看,ISO和海溫異常雖然有相互作用,但是并不是決定因素,因此本研究中我們將二者分別討論。