引用本文
邵勰, 黄平, 黄荣辉. 南海夏季风爆发的研究进展. 地球科学进展, 29(10): 1126-1137
Shao Xie, Huang Ping, Huang Ronghui. A Review of the South China Sea Summer Monsoon Onset. Advances in Earth Science, 29(10): 1126-1137  
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南海夏季风爆发的研究进展
邵勰1,2, 黄平1, 黄荣辉1
1 中国科学院大气物理研究所,季风系统研究中心,北京100029
2 中国科学院大学,北京100049
*通讯作者：黄平(1982-),男,四川资中人,副研究员,主要从事东亚季风、热带气候变化研究.E-mail: huangping@mail.iap.ac.cn

作者简介：邵勰(1985-),男,浙江嘉善人,博士研究生,主要从事季风动力学研究. E-mail: shx@mail.iap.ac.cn

基金:中国科学院战略性先导科技专项项目“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”(编号：XDA11010401); 国家重大科学研究计划“全球变化背景下南海及周边地区春夏气候变异特征和机理及其对全球气候的反馈作用”(编号：2014CB953904)资助
摘要

南海夏季风的爆发预示着中国东部地区汛期降水的全面开始,是夏季短期气候预测中的关键因子。南海夏季风爆发的研究对改进我国夏季的短期气候预测水平具有重要意义。系统回顾了近几十年来关于南海夏季风在爆发特征、年际变化、外强迫以及内动力过程对爆发的影响机理等方面的国内外研究进展,特别总结了近年来关于大气季节内振荡对南海夏季风爆发影响的研究成果以及关于南海夏季风爆发的预测问题的研究现状,最后提出南海夏季风爆发在全球变化下的响应和可预报性等需要进一步关注的问题。

关键词: 南海夏季风; 年际变化; 季节内振荡; 可预报性
中图分类号:P425.4+2 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2014)10-1126-12
A Review of the South China Sea Summer Monsoon Onset
Shao Xie1,2, Huang Ping1, Huang Ronghui1
1.Center for Monsoon System Research, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract

The onset of the South China Sea Summer Monsoon (SCSSM) indicating the arrival of the rainy season of Eastern China is a key factor for the short-term climate prediction. The advances in the research about the characteristics, interannual variation of SCSSM onset, and the influence of external forces and internal processes on the SCSSM onset are reviewed in this paper, and the impacts of Intraseasonal Oscillation (ISO) on the SCSSM onset are also summarized. Some issues, such as the monsoon wave interaction, SCSSM change under global warming, the predictability of the SCSSM onset, etc., are introduced for further study in future.

Keyword: South China Sea Summer Monsoon (SCSSM); Onset; Interannual variation; Intraseasonal oscillation (ISO).
1 引言

季风活动是引起全球天气和气候变化的主要原因之一。全球有约三分之一的区域都受到季风的影响。东亚地区地处欧亚大陆东部, 太平洋西岸, 其西部又有青藏高原的大地形存在, 海陆热力差异明显, 是一个典型的季风气候区, 所以, 东亚地区的天气和气候变化与季风系统的变化密切相关。每年五, 六月, 随着夏季风的爆发和向北推进, 东亚地区包括中国, 朝鲜半岛和日本等地自南向北陆续进入雨季。来自西南的南海夏季风挟卷来自热带海洋的湿润水汽, 在东亚地区形成降水, 影响着这些地区的生产生活。因此, 中国乃至整个东亚地区夏季的降水分布格局除了具有显著的年际和年代际变化外, 也在一定程度上取决于东亚夏季风的季节内变化。同时, 亚洲季风区是全球大气活动能量和水汽的主要源地之一, 东亚夏季风的爆发过程通过水汽和能量在区域间的输送, 进而改变全球的能量和水循环。南海夏季风是东亚夏季风的重要成员, 南海夏季风的爆发是东亚夏季风季节内变化的重要阶段。南海夏季风的爆发, 预示着中国东部雨季的开始。

我国地域辽阔, 各类气象灾害频发, 对各项生产和人民生活影响严重。影响我国的气象灾害种类很多, 干旱和洪涝是其中最为严重的2种, 而这两种气象灾害主要发生在夏季。在我国的大部分地区, 夏季的降水要占全年降水量的60%以上。据统计, 每年因为干旱和洪涝造成的农作物受灾面积占所有气象灾害总受灾面积的81%左右, 有超过两亿吨的粮食被毁, 造成高达2 000亿元以上的经济损失[1, 2]。洪涝灾害的发生主要由极端的降水事件引起, 而大部分的极端降水事件都与夏季风活动的异常密切相关。1994年华南地区以及1998年长江流域遭遇的百年不遇的洪涝灾害都与南海夏季风的爆发和持续异常密切相关[3, 4]。

多年以来, 国内外的气象学家们对东亚夏季风, 特别是南海夏季风的爆发做了诸多的研究, 取得了一系列重要的研究进展。本文将对南海夏季风爆发的研究进展作一个回顾, 并在此基础上提出一些今后值得进一步关注的问题。

2 东亚季风系统与南海夏季风爆发

关于东亚夏季风的研究由来已久。早在20世纪50年代, Yeh等[5]就已指出东亚地区上空的大气环流在6月上中旬存在着一次行星尺度的突变。这种行星尺度的突变过程与东亚夏季风的季节内变化密切相关。东亚夏季风作为亚洲季风系统的一个重要成员, 与印度季风既相互联系, 又有其独立性[6]。东亚季风与印度季风的主要区别在于印度季风是一种热带季风, 而东亚季风则受到中高纬度的影响, 具有副热带季风的性质[7]。Zhu 等[8]则进一步将东亚季风划分为东亚热带季风与东亚副热带季风。东亚热带季风即指南海— 西太平洋热带季风区, 而东亚副热带季风则对应东亚大陆— 朝鲜半岛— 日本的副热带季风区。Tao[6]总结了东亚夏季风系统的环流配置和主要成员, 并首先提出了东亚夏季风的完整图像(图1)。在这张图上, 其中的西南季风即指我们的南海夏季风。陈烈庭[9]研究了南海季风和东亚副热带季风与印度季风的关系, 指出在年际变化上, 南海季风与印度季风反位相, 而东亚副热带季风则与印度季风同相变化, 并且提出这是由于赤道印度洋和太平洋的纬向海温距平反相的关系造成的。由此可见, 东亚夏季风系统十分复杂, 而南海夏季风则是连接东亚夏季风和印度夏季风之间的纽带。

通过多年的研究, 气象学家对东亚夏季风的爆发已经有了很多认识。Tao[6]发现亚洲季风最早在南海北部爆发, 然后向西向北推进, 南海夏季风的爆发是东亚夏季风爆发的开始, 预示着中国东部雨季的来临。同时, 南海夏季风作为连接东亚季风系统和印度季风系统的纽带, 在亚洲季风系统中占有重要影响。丁一汇等[10]研究表明, 南海夏季风爆发早, 南亚和东亚夏季风则强, 我国夏季主要雨带分布在北方; 而南海夏季风爆发晚的年份, 南亚和东亚夏季风弱, 长江及其以南地区降水偏多。李崇银[11]认为, 南海夏季风爆发早, 南海夏季风强度则偏强, 反之, 当南海夏季风爆发偏晚时, 南海夏季风强度则偏弱。南海夏季风偏弱年, 长江中下游及江淮流域降水明显偏多, 华南和华北地区降水偏少; 而在南海夏季风偏强的年份, 主要雨带集中在我国东南沿海以及华北北部, 东北南部一带, 而长江中下游以及华北南部地区少雨。所以, 综合来说, 南海夏季风爆发的早晚与亚洲夏季风的强度密切相关, 从而进一步影响东亚夏季主要雨带分布。此外, 南海夏季风的爆发及其异常变化不仅会影响东亚地区的降水和大气环流异常, 同时也会通过大气的遥相关变化引起沿太平洋的东亚到北美的大气环流变化和气候异常 [12, 13]。

自1998年开展南海季风试验以来, 我国的气象学者对南海夏季风爆发的特征, 演变规律及其与海洋的相互作用等方面做了深入细致地研究[14~16]。

李崇银等[17]研究了伴随南海夏季风爆发的大尺度大气环流的演变, 结果表明伴随南海夏季风的爆发, 南亚和东南亚地区850 hPa上涡旋对的发展和活动以及500 hPa副高从南海地区的东撤对南海季风爆发起着重要作用。金祖辉[18]用黑体辐射亮温(Temperature of Brightness Blackbody, TBB)资料揭示了南海夏季风爆发主要由赤道强对流向北扩展和从赤道西太平洋强对流区分裂出来的对流云团移入南海、赤道纬向环流调整所引发。何金海等[19]利用多种观测资料分析得到了南海夏季风爆发的一般特征, 主要为：①西太副高脊线连续东撤, 同时热带西风向东扩展进入南海; ②南海地区高层和低层分别盛行东风和西南风; ③南海低层西南风来源于南半球的低纬地区; ④南海季风槽形成, 伴随对流的发展和温/湿等动力和热力学要素的突变以及南海季风经圈环流的建立。

南海夏季风的爆发是季节内尺度的一次突变过程。与其他夏季风成员不同, 南海夏季风在爆发过程中有其独特的特征。对南海夏季风爆发过程的研究[20]表明, 从候平均来看, 从27候到28候, 南海地区经历了干季到湿季的突然转换。在27候, 南海西侧的中南半岛, 南侧的加里曼丹岛, 东侧的菲律宾岛受到越赤道气流的影响都开始有明显的降水, 此时副高脊线伸入南海, 南海地区尚未有明显降水。到28候, 副高撤出南海, 850hPa风场上三股越赤道气流在南海地区辐合, 南海地区出现降水中心, 南海夏季风爆发。

3 南海夏季风爆发日期的定义及其年际变化
3.1 南海夏季风爆发日期的定义

对于南海夏季风爆发的定义, 是对南海夏季风爆发的年际变化研究的前提。到目前为止, 关于南海夏季风爆发日期的确定, 主要可以划分为以下3类：第一类以热力学要素来定义。一部分学者把对流及其所伴随着的降水视为季风爆发的表现, 把降水以及对流活动的突变作为确定季风爆发的标准。20世纪80年代, Tao[6]就根据降水的季节变化给出了印度季风和东亚季风的建立日期。Yan[21]用高云量资料反映的对流变化来确定南海西南季风的爆发日期。还有学者采用TBB或者OLR(Outgoing Longwave Radiation, 外逸长波辐射)资料表征的对流活动来判断南海夏季风的爆发[22, 23]。第二类以动力学要素来定义。一部分学者认为季风主要应该表现为风的变化, 也包括与之相联系的涡度场和散度场的变化。Wang 等[24]用(5° ~15 ° N, 110° ~120° E)区域平均的850 hPa的纬向风场U850来定义季风爆发, 这个指数在年际变化和年代际变化的刻画上都有很好的表现。Kajikawa等[25]在这个指标的基础上用逐日资料做了拓展, 使季风爆发的日期精确到日。在我们对季风活动认识的不断深入过程中, 很多学者逐渐意识到, 光靠一个物理量场的变化来定义的指标去确定季风的爆发是不够的, 所以出现了第三类定义, 即动力学和热力学要素相结合的方法, 用2种乃至2种以上的物理量的变化来确定季风爆发的综合指标。Xie 等[26]用(0° ~20° N, 105° ~120° E)区域平均的OLR < 235 W/m2和850 hPa纬向风场由负转正来共同定义南海季风爆发的日期, 并且规定这2个条件必须维持三侯以上。Qian等[27]用南海中部(10° ~20° N, 110° ~120° E)区域平均的降水、OLR、BT (Brightness Temperature, 亮温)、850 hPa纬向风场作为指标, 把6 mm/d, 230 W/m2, 244 K以及0 m/s分别作为上述指标的阈值来确定季风爆发日期。

上文所述的这些定义方法基本上都能在一定程度上表现南海夏季风爆发的特征, 并且在大多数的年份都能得到比较一致的结果, 但即便如此, 在某一些年份, 各种方法的定义结果表现出了一定的离散性, 甚至在有一些年份, 不同的定义方法结果差别能达到一个月之久。所以到目前为止, 还缺少一个公认的南海夏季风爆发的定义。

南海夏季风的爆发是一个动力和热力耦合变化的过程, 即南海地区伴随深对流建立的大气环流调整过程。所以, 在定义南海夏季风爆发的时候综合考虑动力学和热力学两种因子是十分必要的。同时, 在定义爆发标准的时候绝不是两种因子所涉及判据的简单叠加, 还要充分考虑其耦合机制下2种因子演变的区域问题, 这与我们对关键区的选择密切相关。再者, 南海夏季风的爆发是一个突变过程, 同时受到多重尺度的影响, 所以逐日的资料对南海夏季风爆发的定义来说也是十分需要的。根据以上3点, Shao等[28]用逐日的850 hPa纬向风和OLR变化分别作为动力学和热力学因子, 通过奇异值分解, 选取这2个要素耦合变化的关键区(850 hPa纬向风和OLR关键区分别为(5° ~15° N, 110° ~120° E), (10° ~20° N, 110° ~120° E))来定义南海夏季风爆发。按照这种定义确定的南海夏季风爆发日期很好地刻画了南海夏季风爆发的年际和年代际变化(图2), 并为研究多种尺度对南海夏季风爆发的影响提供了基础。

3.2 南海夏季风爆发的年际变化及其原因

南海夏季风的爆发虽然具有共同的特征, 但同时, 南海夏季风活动也存在明显的年际变化[29~31]。这种年际变化表现为南海夏季风有强弱年之分, 在爆发上也有早晚之分。高辉等[32]分析了2007年南海夏季风的爆发过程, 指出该年的南海夏季风爆发前后大气环流的突变具有非典型性。南海夏季风爆发的年际变化可以导致东亚地区的气候变化, 所以, 探索引起南海夏季风爆发早晚年际变化的原因显得尤为迫切。近几十年来, 关于南海夏季风爆发的影响因子的研究, 受到气象学界的广泛重视, 也取得了许多重要的成果, 一系列影响东亚夏季风爆发的因子被揭示[33, 34]。

Figure Option

通过多年的研究, 气象学家对东亚夏季风的爆发已经有了很多认识。Tao[6]发现亚洲季风最早在南海北部爆发, 然后向西向北推进, 南海夏季风的爆发是东亚夏季风爆发的开始, 预示着中国东部雨季的来临。同时, 南海夏季风作为连接东亚季风系统和印度季风系统的纽带, 在亚洲季风系统中占有重要影响。丁一汇等[10]研究表明, 南海夏季风爆发早, 南亚和东亚夏季风则强, 我国夏季主要雨带分布在北方; 而南海夏季风爆发晚的年份, 南亚和东亚夏季风弱, 长江及其以南地区降水偏多。李崇银[11]认为, 南海夏季风爆发早, 南海夏季风强度则偏强, 反之, 当南海夏季风爆发偏晚时, 南海夏季风强度则偏弱。南海夏季风偏弱年, 长江中下游及江淮流域降水明显偏多, 华南和华北地区降水偏少; 而在南海夏季风偏强的年份, 主要雨带集中在我国东南沿海以及华北北部, 东北南部一带, 而长江中下游以及华北南部地区少雨。所以, 综合来说, 南海夏季风爆发的早晚与亚洲夏季风的强度密切相关, 从而进一步影响东亚夏季主要雨带分布。此外, 南海夏季风的爆发及其异常变化不仅会影响东亚地区的降水和大气环流异常, 同时也会通过大气的遥相关变化引起沿太平洋的东亚到北美的大气环流变化和气候异常 [12, 13]。

自1998年开展南海季风试验以来, 我国的气象学者对南海夏季风爆发的特征, 演变规律及其与海洋的相互作用等方面做了深入细致地研究[14~16]。

李崇银等[17]研究了伴随南海夏季风爆发的大尺度大气环流的演变, 结果表明伴随南海夏季风的爆发, 南亚和东南亚地区850 hPa上涡旋对的发展和活动以及500 hPa副高从南海地区的东撤对南海季风爆发起着重要作用。金祖辉[18]用黑体辐射亮温(Temperature of Brightness Blackbody, TBB)资料揭示了南海夏季风爆发主要由赤道强对流向北扩展和从赤道西太平洋强对流区分裂出来的对流云团移入南海、赤道纬向环流调整所引发。何金海等[19]利用多种观测资料分析得到了南海夏季风爆发的一般特征, 主要为：①西太副高脊线连续东撤, 同时热带西风向东扩展进入南海; ②南海地区高层和低层分别盛行东风和西南风; ③南海低层西南风来源于南半球的低纬地区; ④南海季风槽形成, 伴随对流的发展和温/湿等动力和热力学要素的突变以及南海季风经圈环流的建立。

南海夏季风的爆发是季节内尺度的一次突变过程。与其他夏季风成员不同, 南海夏季风在爆发过程中有其独特的特征。对南海夏季风爆发过程的研究[20]表明, 从候平均来看, 从27候到28候, 南海地区经历了干季到湿季的突然转换。在27候, 南海西侧的中南半岛, 南侧的加里曼丹岛, 东侧的菲律宾岛受到越赤道气流的影响都开始有明显的降水, 此时副高脊线伸入南海, 南海地区尚未有明显降水。到28候, 副高撤出南海, 850hPa风场上三股越赤道气流在南海地区辐合, 南海地区出现降水中心, 南海夏季风爆发。

3 南海夏季风爆发日期的定义及其年际变化
3.1 南海夏季风爆发日期的定义

对于南海夏季风爆发的定义, 是对南海夏季风爆发的年际变化研究的前提。到目前为止, 关于南海夏季风爆发日期的确定, 主要可以划分为以下3类：第一类以热力学要素来定义。一部分学者把对流及其所伴随着的降水视为季风爆发的表现, 把降水以及对流活动的突变作为确定季风爆发的标准。20世纪80年代, Tao[6]就根据降水的季节变化给出了印度季风和东亚季风的建立日期。Yan[21]用高云量资料反映的对流变化来确定南海西南季风的爆发日期。还有学者采用TBB或者OLR(Outgoing Longwave Radiation, 外逸长波辐射)资料表征的对流活动来判断南海夏季风的爆发[22, 23]。第二类以动力学要素来定义。一部分学者认为季风主要应该表现为风的变化, 也包括与之相联系的涡度场和散度场的变化。Wang 等[24]用(5° ~15 ° N, 110° ~120° E)区域平均的850 hPa的纬向风场U850来定义季风爆发, 这个指数在年际变化和年代际变化的刻画上都有很好的表现。Kajikawa等[25]在这个指标的基础上用逐日资料做了拓展, 使季风爆发的日期精确到日。在我们对季风活动认识的不断深入过程中, 很多学者逐渐意识到, 光靠一个物理量场的变化来定义的指标去确定季风的爆发是不够的, 所以出现了第三类定义, 即动力学和热力学要素相结合的方法, 用2种乃至2种以上的物理量的变化来确定季风爆发的综合指标。Xie 等[26]用(0° ~20° N, 105° ~120° E)区域平均的OLR < 235 W/m2和850 hPa纬向风场由负转正来共同定义南海季风爆发的日期, 并且规定这2个条件必须维持三侯以上。Qian等[27]用南海中部(10° ~20° N, 110° ~120° E)区域平均的降水、OLR、BT (Brightness Temperature, 亮温)、850 hPa纬向风场作为指标, 把6 mm/d, 230 W/m2, 244 K以及0 m/s分别作为上述指标的阈值来确定季风爆发日期。

上文所述的这些定义方法基本上都能在一定程度上表现南海夏季风爆发的特征, 并且在大多数的年份都能得到比较一致的结果, 但即便如此, 在某一些年份, 各种方法的定义结果表现出了一定的离散性, 甚至在有一些年份, 不同的定义方法结果差别能达到一个月之久。所以到目前为止, 还缺少一个公认的南海夏季风爆发的定义。

南海夏季风的爆发是一个动力和热力耦合变化的过程, 即南海地区伴随深对流建立的大气环流调整过程。所以, 在定义南海夏季风爆发的时候综合考虑动力学和热力学两种因子是十分必要的。同时, 在定义爆发标准的时候绝不是两种因子所涉及判据的简单叠加, 还要充分考虑其耦合机制下2种因子演变的区域问题, 这与我们对关键区的选择密切相关。再者, 南海夏季风的爆发是一个突变过程, 同时受到多重尺度的影响, 所以逐日的资料对南海夏季风爆发的定义来说也是十分需要的。根据以上3点, Shao等[28]用逐日的850 hPa纬向风和OLR变化分别作为动力学和热力学因子, 通过奇异值分解, 选取这2个要素耦合变化的关键区(850 hPa纬向风和OLR关键区分别为(5° ~15° N, 110° ~120° E), (10° ~20° N, 110° ~120° E))来定义南海夏季风爆发。按照这种定义确定的南海夏季风爆发日期很好地刻画了南海夏季风爆发的年际和年代际变化(图2), 并为研究多种尺度对南海夏季风爆发的影响提供了基础。

3.2 南海夏季风爆发的年际变化及其原因

南海夏季风的爆发虽然具有共同的特征, 但同时, 南海夏季风活动也存在明显的年际变化[29~31]。这种年际变化表现为南海夏季风有强弱年之分, 在爆发上也有早晚之分。高辉等[32]分析了2007年南海夏季风的爆发过程, 指出该年的南海夏季风爆发前后大气环流的突变具有非典型性。南海夏季风爆发的年际变化可以导致东亚地区的气候变化, 所以, 探索引起南海夏季风爆发早晚年际变化的原因显得尤为迫切。近几十年来, 关于南海夏季风爆发的影响因子的研究, 受到气象学界的广泛重视, 也取得了许多重要的成果, 一系列影响东亚夏季风爆发的因子被揭示[33, 34]。

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通过多年的研究, 气象学家对东亚夏季风的爆发已经有了很多认识。Tao[6]发现亚洲季风最早在南海北部爆发, 然后向西向北推进, 南海夏季风的爆发是东亚夏季风爆发的开始, 预示着中国东部雨季的来临。同时, 南海夏季风作为连接东亚季风系统和印度季风系统的纽带, 在亚洲季风系统中占有重要影响。丁一汇等[10]研究表明, 南海夏季风爆发早, 南亚和东亚夏季风则强, 我国夏季主要雨带分布在北方; 而南海夏季风爆发晚的年份, 南亚和东亚夏季风弱, 长江及其以南地区降水偏多。李崇银[11]认为, 南海夏季风爆发早, 南海夏季风强度则偏强, 反之, 当南海夏季风爆发偏晚时, 南海夏季风强度则偏弱。南海夏季风偏弱年, 长江中下游及江淮流域降水明显偏多, 华南和华北地区降水偏少; 而在南海夏季风偏强的年份, 主要雨带集中在我国东南沿海以及华北北部, 东北南部一带, 而长江中下游以及华北南部地区少雨。所以, 综合来说, 南海夏季风爆发的早晚与亚洲夏季风的强度密切相关, 从而进一步影响东亚夏季主要雨带分布。此外, 南海夏季风的爆发及其异常变化不仅会影响东亚地区的降水和大气环流异常, 同时也会通过大气的遥相关变化引起沿太平洋的东亚到北美的大气环流变化和气候异常 [12, 13]。

自1998年开展南海季风试验以来, 我国的气象学者对南海夏季风爆发的特征, 演变规律及其与海洋的相互作用等方面做了深入细致地研究[14~16]。

李崇银等[17]研究了伴随南海夏季风爆发的大尺度大气环流的演变, 结果表明伴随南海夏季风的爆发, 南亚和东南亚地区850 hPa上涡旋对的发展和活动以及500 hPa副高从南海地区的东撤对南海季风爆发起着重要作用。金祖辉[18]用黑体辐射亮温(Temperature of Brightness Blackbody, TBB)资料揭示了南海夏季风爆发主要由赤道强对流向北扩展和从赤道西太平洋强对流区分裂出来的对流云团移入南海、赤道纬向环流调整所引发。何金海等[19]利用多种观测资料分析得到了南海夏季风爆发的一般特征, 主要为：①西太副高脊线连续东撤, 同时热带西风向东扩展进入南海; ②南海地区高层和低层分别盛行东风和西南风; ③南海低层西南风来源于南半球的低纬地区; ④南海季风槽形成, 伴随对流的发展和温/湿等动力和热力学要素的突变以及南海季风经圈环流的建立。

南海夏季风的爆发是季节内尺度的一次突变过程。与其他夏季风成员不同, 南海夏季风在爆发过程中有其独特的特征。对南海夏季风爆发过程的研究[20]表明, 从候平均来看, 从27候到28候, 南海地区经历了干季到湿季的突然转换。在27候, 南海西侧的中南半岛, 南侧的加里曼丹岛, 东侧的菲律宾岛受到越赤道气流的影响都开始有明显的降水, 此时副高脊线伸入南海, 南海地区尚未有明显降水。到28候, 副高撤出南海, 850hPa风场上三股越赤道气流在南海地区辐合, 南海地区出现降水中心, 南海夏季风爆发。

3 南海夏季风爆发日期的定义及其年际变化
3.1 南海夏季风爆发日期的定义

对于南海夏季风爆发的定义, 是对南海夏季风爆发的年际变化研究的前提。到目前为止, 关于南海夏季风爆发日期的确定, 主要可以划分为以下3类：第一类以热力学要素来定义。一部分学者把对流及其所伴随着的降水视为季风爆发的表现, 把降水以及对流活动的突变作为确定季风爆发的标准。20世纪80年代, Tao[6]就根据降水的季节变化给出了印度季风和东亚季风的建立日期。Yan[21]用高云量资料反映的对流变化来确定南海西南季风的爆发日期。还有学者采用TBB或者OLR(Outgoing Longwave Radiation, 外逸长波辐射)资料表征的对流活动来判断南海夏季风的爆发[22, 23]。第二类以动力学要素来定义。一部分学者认为季风主要应该表现为风的变化, 也包括与之相联系的涡度场和散度场的变化。Wang 等[24]用(5° ~15 ° N, 110° ~120° E)区域平均的850 hPa的纬向风场U850来定义季风爆发, 这个指数在年际变化和年代际变化的刻画上都有很好的表现。Kajikawa等[25]在这个指标的基础上用逐日资料做了拓展, 使季风爆发的日期精确到日。在我们对季风活动认识的不断深入过程中, 很多学者逐渐意识到, 光靠一个物理量场的变化来定义的指标去确定季风的爆发是不够的, 所以出现了第三类定义, 即动力学和热力学要素相结合的方法, 用2种乃至2种以上的物理量的变化来确定季风爆发的综合指标。Xie 等[26]用(0° ~20° N, 105° ~120° E)区域平均的OLR < 235 W/m2和850 hPa纬向风场由负转正来共同定义南海季风爆发的日期, 并且规定这2个条件必须维持三侯以上。Qian等[27]用南海中部(10° ~20° N, 110° ~120° E)区域平均的降水、OLR、BT (Brightness Temperature, 亮温)、850 hPa纬向风场作为指标, 把6 mm/d, 230 W/m2, 244 K以及0 m/s分别作为上述指标的阈值来确定季风爆发日期。

上文所述的这些定义方法基本上都能在一定程度上表现南海夏季风爆发的特征, 并且在大多数的年份都能得到比较一致的结果, 但即便如此, 在某一些年份, 各种方法的定义结果表现出了一定的离散性, 甚至在有一些年份, 不同的定义方法结果差别能达到一个月之久。所以到目前为止, 还缺少一个公认的南海夏季风爆发的定义。

南海夏季风的爆发是一个动力和热力耦合变化的过程, 即南海地区伴随深对流建立的大气环流调整过程。所以, 在定义南海夏季风爆发的时候综合考虑动力学和热力学两种因子是十分必要的。同时, 在定义爆发标准的时候绝不是两种因子所涉及判据的简单叠加, 还要充分考虑其耦合机制下2种因子演变的区域问题, 这与我们对关键区的选择密切相关。再者, 南海夏季风的爆发是一个突变过程, 同时受到多重尺度的影响, 所以逐日的资料对南海夏季风爆发的定义来说也是十分需要的。根据以上3点, Shao等[28]用逐日的850 hPa纬向风和OLR变化分别作为动力学和热力学因子, 通过奇异值分解, 选取这2个要素耦合变化的关键区(850 hPa纬向风和OLR关键区分别为(5° ~15° N, 110° ~120° E), (10° ~20° N, 110° ~120° E))来定义南海夏季风爆发。按照这种定义确定的南海夏季风爆发日期很好地刻画了南海夏季风爆发的年际和年代际变化(图2), 并为研究多种尺度对南海夏季风爆发的影响提供了基础。

3.2 南海夏季风爆发的年际变化及其原因

南海夏季风的爆发虽然具有共同的特征, 但同时, 南海夏季风活动也存在明显的年际变化[29~31]。这种年际变化表现为南海夏季风有强弱年之分, 在爆发上也有早晚之分。高辉等[32]分析了2007年南海夏季风的爆发过程, 指出该年的南海夏季风爆发前后大气环流的突变具有非典型性。南海夏季风爆发的年际变化可以导致东亚地区的气候变化, 所以, 探索引起南海夏季风爆发早晚年际变化的原因显得尤为迫切。近几十年来, 关于南海夏季风爆发的影响因子的研究, 受到气象学界的广泛重视, 也取得了许多重要的成果, 一系列影响东亚夏季风爆发的因子被揭示[33, 34]。

图1 东亚夏季风系统成员配置[6]

Members of East Asian Sumer monsoon system[6]

图1 东亚夏季风系统成员配置[6]

Members of East Asian Sumer monsoon system[6]

图1 东亚夏季风系统成员配置[6]

Members of East Asian Sumer monsoon system[6]

图2 1979-2011年南海夏季风爆发日期[28]Fig.2 The SCSSM onset dates of 1979-2011[28]

首先, 海陆热力性质的季节性差异是季风活动除太阳辐射以外的第二推动力[35], 所以, 海陆冷热源变化导致的加热差对南海夏季风的爆发有至关重要的作用[36, 37]。其次, 青藏高原的热力和动力作用对南海夏季风的爆发也有重要影响[38]。Wu等[39]认为由于青藏高原的热力和机械作用, 亚洲季风首先在孟加拉湾爆发, 随后在南海爆发。孟加拉湾季风的爆发可看作南海夏季风爆发的前兆。

长期以来, 海温及其上空的对流活动异常变化对南海夏季风的爆发的影响一直是气象学家研究的热点。对南海夏季风的爆发有重要影响的, 主要来自四个地区的海温强迫, 分别是南海, 西太平洋暖池, 中东太平洋以及印度洋。关于南海海温通过局地影响夏季风爆发的研究很多。何金海等[40]把中印半岛和南海之间的温度梯度归为南海季风爆发的原因。毛江玉等[41]把南海及邻近地区的海温高于29 ° C作为南海季风爆发的一个必要条件。齐庆华等[42]认为南海表层海温异常时空演变的年际差异与南海夏季风爆发的早晚存在显著相关。赵永平等[43]的研究发现, 前期冬春季南海暖池持续偏暖(冷)时, 初夏南海季风爆发一般偏晚(早)。热带西太平洋暖池是全球海温最高的区域之一, 海气相互作用强烈, 西太平洋暖池的热状态通过影响其上空的对流活动进一步调节东亚夏季风的季节内变化[44, 45], 黄荣辉等[46]研究了东亚夏季风爆发和北进的年际变化特征以及与热带西太平洋热状态的关系, 发现当春季热带西太平洋处于暖(冷)状态, 南海季风爆发偏早(晚)。热带西太平洋的海温热状况通过ENSO循环以及Walker环流与热带中东太平洋的海温相联系[47]。所以, 热带中东太平洋的海温异常强迫也会激发南海地区季风系统的响应。温之平等[48]研究指出, 中东太平洋海温异常偏暖时, 不利于南海夏季风的爆发, 反之, 则有利于南海夏季风爆发。同时, 位于南海西侧的印度洋, 其热状态同样对南海夏季风的爆发有重要影响。研究指出, 当印度洋海温全区一致增暖(冷却)时, 有利于南海夏季风爆发推迟(提早)[49~52]。另外, 高辉等[53]发现前冬北太平洋的次表层海温异常与南海夏季风的爆发早晚也有紧密的关系。然而, 上述区域的海温在年际时间尺度上的变化并不是相互独立的。已有研究[54]表明, El Nino事件发展阶段, 西太平洋暖池海温会偏低, 造成暖池上空对流异常减弱, 与此相联系的对流冷却异常激发出的大气Rossby波响应在南海上空形成反气旋性环流异常, 这可能是造成南海夏季风爆发偏晚的原因。因此, ENSO事件对南海季风爆发的影响是通过暖池上空的热力异常来实现的。同时, 印度洋海温全区一致增暖也与El Nino事件密切相关[55]。从整个赤道地区的海温异常分布来说, 南海夏季风爆发早晚年, 赤道地区的海温异常分布的纬向三极子分布结构有着显著差异, 基本上为反相的变化模态。同时, 中太平洋地区的海温异常的经向三极子结构也不同(图3)。

图3 南海夏季风爆发早年前期冬季(a)和前期春季(b)以及爆发晚年前期冬季(c)和前期春季(d)的海温异常分布Fig.2 SSTA distribution of the preceding winter(a)/(c) and spring (b)/(d) during early/late SCSSM onset years

再次, 季风是一个大尺度环流系统, 不仅受到热带环流调整的影响, 来自中高纬度的环流系统与季风环流也有相互作用。与初夏雨季爆发有关的中纬度锋被认为是南海夏季风的触发机制[56]。通过对1994年南海夏季风爆发过程的模拟, 吴池胜等[57]认为南下副热带一定强度的中纬度槽— 锋系统的强迫, 通过副热带高压脊线减弱东撤, 促使南海夏季风建立。此外, 南海夏季风不仅受到夏季环流的影响, 还受到前期冬季风的影响。在强冬季风年, 南海夏季风爆发偏早、偏强; 相反地, 在弱冬季风年, 南海夏季风爆发偏晚、偏弱[58]。

4 大气内动力过程对南海夏季风爆发的影响

除了海洋等外强迫因素对南海夏季风爆发的影响, 大气内动力机制对南海夏季风的年际变化以及季节内变化也有十分重要的影响。Huang等[59]全面回顾了东亚夏季风的特征, 演变过程以及引起东亚夏季风时空变化的原因, 特别介绍了东亚— 太平洋遥相关型(East Asia-Pacific Teleconnection Pattern, EAP) [60, 61]和丝绸之路遥相关[62~66]等大气内动力作用引起东亚夏季风年际变化的机理[67~71]。

20世纪70年代, Madden和Julian发现了赤道地区的大气活动存在着40天左右的周期振荡现象[72, 73]。之后更多的研究[74~76]表明, 在赤道乃至全球大气中广泛存在着30~60天尺度的大气运动模态, 通常把这种尺度的大气活动现象称之为季节内振荡(Intra-seasonal Oscillation, ISO), 而发生在赤道地区的向东传播的ISO一般被称为MJO ( Madden-Julian Oscillation)。早期对于大气季节内振荡现象的研究, 主要集中在季节内振荡模态的结构, 时空分布、传播特征以及形成机制等方面[77~83]。

随着大气季节内振荡的基本活动特征和规律被陆续揭示以后, 关于大气季节内振荡对全球天气和气候影响的研究日益引起气象学家的关注。很多的研究表明, 大气季节内振荡对全球气候, 特别是对东亚地区气候的影响, 主要是通过其影响东亚季风和ENSO等海气相互作用事件来实现的[78, 84, 85]。功率谱分析也表明, 30~60天振荡是南海夏季风爆发期间的主导模态(图4)。

越来越多的气象学家认识到大气内部的季节内振荡是影响东亚季风系统的一个重要因子[86]。很多的研究[87~89]指出在亚洲季风区季节内振荡具有向北传播的特点, 在印度季风区, 季节内振荡的位相与印度季风的爆发和中断是锁相的。而这种向北传播的季节内振荡也同样发生在东亚及西北太平洋地区, 南海地区季节内振荡的传播更为明显。20世纪90年代以来, 陆续有研究发现季节内振荡模态可以触发南海夏季风爆发, 影响南海夏季风的爆发时间。这种季节内振荡的模态可以包括东传的MJO和与之相联系的Kelvin波, 以及北传的季节内振荡系统[90~94]。一方面, 季节内振荡可以通过自身的位相变化调节东亚地区的大气环流, 从而影响南海夏季风的爆发。另一方面, 季节内振荡也可以通过与其他系统的联合作用, 比如向东北方向传播的30~60天振荡可以和向西北方向传播的10~20天振荡模态联合作用, 通过减弱南海地区的副热带反气旋, 触发南海季风爆发[95]。向东传播的MJO也可以与来自中纬度地区的锋面系统等相互作用, 形成有利于南海夏季风爆发的大尺度环境[51, 96]。最近, Shao等[28]指出在南海夏季风的爆发过程中, 30~60天振荡起主导作用, 并且指出ISO的发展位相是触发南海夏季风爆发的必要条件, 是ISO影响南海夏季风爆发的关键(图5)。这一研究区别于前人提出的关于ISO的暖位相、湿位相、以及垂直运动的上升位相等ISO正位相对南海夏季风爆发的影响, 揭示了ISO位相对南海夏季风爆发的影响的本质。
图4 1979— 2011年平均的南海夏季风爆发期间(3月1日至8月31日)U850变化功率谱分析
Fig4 Spectrum analysis of U850 in the SCSSM onset season (Mar1 to Aug31), based on the years of 1979-2011 Composite of the 30~60-day filtered OLR (Unit:W/m2) of the onset-ISOsThe blue, red and green thin circles denote the monsoon onset phases and the thick circles denote the averaged onset phases for the early-onset years, the late-onset years and the normal-onset years respectively. The shadings indicate the standard deviations of the 30-60-day filtered OLR [28]图5 季风爆发周期内30~60天滤波后OLR(单位：W/m2)ISO位相演变合成图蓝色阴影表示30~60天OLR变化的标准差(蓝色, 红色和绿色圆圈分别表示爆发早年, 爆发晚年和爆发正常年)[28]

5 南海夏季风爆发的预报及可预报性

到目前为止, 关于南海夏季风爆发在预报技巧以及可预报性等预报方面的研究还很少。虽然很多研究[58, 97]在观测分析的基础上得到了南海夏季风爆发前的一些重要预测因子, 但是并未给出具体的预报方法和预报效果。何敏等[98]研究指出前期冬季的南海季风活动及其周边环流的异常特征与南海夏季风的爆发具有显著的关系, 并基于这种关系建立了预测南海夏季风爆发的概念模型。周文等[99]通过相关分析筛选出9个与南海夏季风爆发联系最为密切的主分量因子并进行逐步回归预报, 预报结果显示对于南海北部的季风爆发日期预测效果要好于南海南部, 同时, 南海北部的夏季风爆发日期主要与海温场有关, 而南部的季风爆发则主要由高度场异常影响, 特别是El Niñ o事件与南海南部夏季风爆发较晚有密切关系。

在可预报性方面, 周浩等[100]从统计角度选取了 10个与南海夏季风建立日期有密切联系的预测因子, 依据这10个预测因子进行回报试验发现, 拟合得到的试验结果与许多学者确定的建立日期之间的相关系数都达到95% 以上的置信度, 拟合误差基本控制在两候以内。在模式方面, 柳艳菊等[101]评估了澳大利亚大气海洋耦合预报模式(Predictive Ocean Atmosphere Model for Australia, POAMA)对南海夏季风爆发的预测能力, 指出该模式对南海夏季风爆发的最大预报时限可以提前到10~15天。在季节内尺度上, 黄少妮[102]的研究指出南海夏季风爆发的异常偏早偏晚具有一定的可预报性, 这种可预报性受到ENSO和太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)的共同调制, 当Nino3.4指数和PDO指数在初春同位相且较强时, 可预报性则较大一些。

6 值得进一步关注的问题

上文回顾了关于南海夏季风的爆发特征, 年际变化及其影响因素和影响机理等方面的研究。根据以上的回顾我们可以看出, 关于南海夏季风的爆发, 已有从观测分析, 动力诊断以及数值模拟等方面的很多研究, 取得了一系列有意义的研究成果。从近年的研究来看, 关于南海夏季风的爆发, 还有一些问题值得我们进一步关注。

第一, 到目前为止, 大气内动力过程对南海夏季风爆发的影响这一方面研究还不多。南海夏季风是一种具有热带性质的季风, 且研究表明南海夏季风在对流和风场两方面存在明显的耦合特征[103, 104]; 而赤道地区活跃的赤道对流耦合波动, 如赤道— 罗斯贝波、开尔文波等对流耦合波动的活动是否与南海夏季风爆发有关?他们之间是否存在波流相互作用?值得进一步研究。

第二, 在目前全球增暖背景下, 特别是我国近海和印度洋这两个靠近南海地区的海洋明显增温的情形下[105, 106], 南海夏季风系统会出现怎样的响应?南海夏季风的爆发受到外强迫因子和大气内动力过程诸多因素的影响, 那么在全球变暖的影响下, 这些影响因子是否会发生相应的变化, 并进一步影响夏季风爆发需要做更深入的研究。

第三, 虽然目前我们对南海夏季风的爆发机理已有一定的认识, 但在短期气候预测实践中, 对南海夏季风爆发的预测尚不尽如人意。因此我们仍需要在研究南海夏季风爆发机理的基础上寻找新的预测因子和预测方法, 提高季风预测的精度和准确性。特别是最近的研究指出ISO等低频活动的位相对南海夏季风爆发的重要作用[28], 因此分析这些低频信号对南海夏季风爆发可预报性的影响, 及进一步应用到南海夏季风爆发的短期预报中值得更加深入的研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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