由于海— 陆热力差异, 夏季亚洲大陆一般由一个巨大的热低压控制, 而海洋上由一个高压系统控制, 这种差异造成气流在夏季多由海洋吹向大陆, 这种海洋吹向大陆的盛行风将称为夏季风。位于东亚的我国夏季雨带就受控于东亚夏季风活动影响, 根据风向来源不同, 东亚夏季风包括东南夏季风和西南夏季风。

东亚夏季风主要来自于热带和太平洋副热带海洋上空, 其输送的气流往往会带来可观的降水, 通常在5月初开始影响我国华南沿海地区, 然后逐渐向北推进, 在7月左右到达黄河以北, 进入夏季风极盛期, 并在我国北方维持2个月左右, 大约在9月初开始由北向南撤退, 10月中旬完全撤出中国大陆^[8]。

夏季风在我国的活动位置可由假相当位温、标准化可降水量和西南风(或东南风)与纬度的对应关系来描述^[8], 如图1所示, 假相当位温、标准化可降水量、西南风和东南风均在5月初即第26侯左右迅速向北推进, 在7月底即41侯前后停止北推, 此时为夏季风所能到达的最北边界(夏季风北边缘线)。遵循这一思路, 诸多学者从上述要素出发, 通过多角度, 力求最大程度客观描述东亚夏季风影响我国的最北边界(即北边缘线), 如等雨量线、标准化降水指数、透雨量、等位温线等北边缘线定义^[8~14]。

夏季风每年推进的最北边缘线表示了季风所能影响的最大范围, 这也是季风强弱的重要标志之一。但夏季风最北边缘线并不是一个固定不变的地理界限, 有些年份比较偏北, 有的年份偏南, 存在年际波动、年代际变化变化趋势^[2]。图2给出了有完整气象要素记录以来近50年不同经度上最北边缘的年际波动方差, 可见北边缘线在近几十年的变化范围很大, 最小为1.1个经度, 最大超过2个经度。这必然会存在这样一个区域:在某些年份夏季风北边缘线能够达到这一区域, 而在另外一些年份夏季风北边缘线不能达到这一区域, 这一特殊区域即为夏季风影响过渡区。

从图3给出的该区域范围来看, 其分布呈西南— 东北走向, 与我国农牧交错带、干旱灾害多发区及半干旱生态脆弱带分布基本一致^[3]。一般夏季风越强, 北边缘线就越偏北, 该区域的降水就越多, 生态植被就越好。比如, 在全新世中期, 当时夏季风异常强盛, 其西北界限均偏北, 其中西界限向西推进至97° E即河西走廊的酒泉一带, 北方现在的半干旱区沙地在当时为湖沼及泥炭层; 而最近2万年来, 夏季风南退明显, 可能是北方地区沙漠化及水土流失较为严重的原因之一^{[15, 16]}。

图1

Fig.1

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	图1 气候平均的气象要素逐侯变化(据参考文献[9]改绘) (a)假相当位温(T> 340 K); (b)标准化可降水量(P> 0.618); (c)西南风(u> 0 m/s, v> 2 m/s); (d)东南风(u< 0 m/s, v> 2 m/s)Fig.1 Pentad change of meteorological elements(modified after reference[9]) (a)Pseudoe quivalent potential temperature(T> 340 K); (b)Standardized precipitation(P> 0.618); (c)Southwest winds (u> 0 m/s, v> 2 m/s) and (d) Southeast winds(u< 0 m/s, v> 2 m/s)

图2

Fig.2

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	图2 不同经度季风北边缘的年际波动方差(据参考文献[9]改绘)Fig.2 Interannual fluctutation variance of northernmost margin of the Asian Summer monsoon in different longitude(modified after reference[9])

图3

Fig.3

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	图3 夏季风影响过渡区的分布特征(据参考文献[9]改绘) 色标表示气候干燥度Fig.3 Distribution of summer monsoon transition zone (modified after reference[9]) Color bar is dry degree

夏季风影响过渡区还是气候环境剧烈变化的地区, 由图4可以看到, 夏季降水量从南边缘的900 mm迅速减少到北边缘的100 mm, 递减梯度达到了200 mm/100 km左右; 而对应的鲍恩比则从1.0迅速增加到6.0, 递增梯度达到了1.3/100 km左右。总体上, 降水量和鲍恩比的空间梯度变化均十分剧烈, 且两者空间变化在南北方向的梯度明显比东西方更显著。说明夏季风北边缘线的南北摆动对夏季风影响过渡区的气候具有重要影响。当然, 由于受东北冷涡及东北亚阻塞高亚等环流系统影响^[18], 降水空间变率受夏季风影响的梯度剧烈程度在东北地区不如其他地区明显。

夏季风影响过渡区还是典型的生态过渡带。由于年降水量的显著空间变化, 其生态植被的空间变化也很大, 并且显著影响着地表植被覆盖类型(图5), 该地区以荒漠、天然草地、灌木林和农田等不同类型的稀疏植被为主(http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=99), 同时, 这一地区潜在蒸发量很大, 平均年总蒸发量最高能够达到1 500 mm左右, 是平均年降水量的4倍左右, 总体表现为干燥气候特征, 气候干燥度指数为0.2~0.5^[3]。

图4

Fig.4

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	图4 夏季(a)平均降水量(据参考文献[11]改绘, 单位:mm)和(b)鲍恩比[17](单位:1)的水平空间分布Fig.4 The spatial distribution of average rainfall in summer (a) (modified after reference[11], unit: mm) and Bowen ratio[17] (b) (unit: 1)

图5

Fig.5

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	图5 季风影响过渡区(a)生态植被(引自中国科学院资源环境科学数据中心)和(b)潜在蒸发量(据参考文献[19]改绘)空间分布特征Fig.5 The distribution of (a)vegetation (citation from Resources and Environment Science Data Center, Chinese Academy of Sciences) and (b) potential evapotranspiration(modified after reference[19]) in summer monsoon transition zone

随着全球变暖, 夏季风影响过渡区的气候环境响应问题引起了重点关注。最近有研究发现, 该区域气候干燥程度在过去60年呈现出显著增加的趋势, 而且与季风活动及气候变暖密不可分^[20]; 区域夏季降水在21世纪的变率有所增强, 且极端降水事件频率也存在着更大的空间差异性^{[5, 21]}。

同时, 围绕着上述气候变化的成因分析也相继展开, 有研究发现, 东亚和西亚西风急流都有会显著影响100° E以东干旱/半干旱区降水; 内蒙古地区夏季旱年和多雨年阻高次数和距平分布相反; 半干旱气候区扩张很大程度上与东南季风、西南季风和西风环流等综合作用有关^{[22, 23]}。此外, 在考虑夏季风这一主要因素的同时, 也要考虑其他因素的影响。有研究从遥相关角度出发, 发现ENSO、北极涛动、北半球极涡、太平洋甚至印度洋海温变化等环流信号和海温信号都会通过波列作用影响季风影响过渡区的气候环境。如印度洋与华北夏季降水的负相关性已经同赤道中东太平洋的相关性不相上下^[24]。

除了大量利用气象观测资料从现代气候学角度来研究季风影响过渡区外^[7~14], 也有研究依据树木年轮、黄土、冰川和颗粒物气候等代用资料从古气候学角度来研究季风影响过渡区的范围或者干湿变化^[25]。

野外观测试验是陆— 气相互作用研究最重要的手段之一。自20世纪70年代, 国内外开展了一系列陆— 气相互作用试验, 有部分涉及到我国夏季风影响过渡区。如内蒙古半干旱草原土壤— 植被— 大气相互作用试验(Inner Mongolia Semi-Arid Grassland Soil-Vegetation-Atmosphere Interaction, IMGRASS)、稀疏植被下垫面与大气相互作用研究试验、黄土高原陆面过程观测试验(Experimental study of Land and Surface Processes in Chinese Loess Plateau, LOPEX)等^[26]。

陆— 气相互作用的研究包含气候对陆面特征的影响及陆面特性的改变对大气活动甚至局地气候的反馈过程等2个方面的内容。前一过程因为气候对陆面的影响更为直接, 研究成果相对成熟^[27]。而对于后一过程, 由于陆面特性变化对大气的反馈需要通过边界层及大气环流等一系列能量和动量传输过程, 其影响相对间接, 也比较缓慢, 所以这方面的研究还不是很充分。不过, 由于这种反馈过程对气候变化影响的重要性, 近些年受到了更多关注。

最近, Gibbard等^[28]通过模拟研究, 发现若将全球森林替换成草地之后平均气温会有0.4 ℃的下降现象, 说明地表植被会对气候产生影响; 利用GOALS/LASG的模式研究发现, 陆面蒸散异常会通过季风降水的变化和β 效应, 影响副热带高压的形成和夏季风北边缘位置, 进而造成北半球甚至全球大气环流变化^[29]; 对区域气候的研究也表明^[30], 西非地区地表植被改变会显著影响该区域降水和中尺度系统数量。我国针对这方面的研究也不少。比如, 西北地区地表温度可作为预测东亚夏季风降水的重要指标^[31], 东亚地表植被变化, 会改变当地陆— 气耦合强度^[32]; 地表感热、潜热等边界层非绝热过程会通过影响气压、华南的偏南风最终使大气层变得更不稳定, 有利于对流的启动和发展^[33]。

从夏季风影响过渡区或干湿过渡带的陆— 气相互作用来看, Charney^[34]早在1975年就提出, 气候过渡区的陆面特性改变会对蒸发量及陆面过程和边界层特征产生影响, 进而通过改变局地环流甚至夏季风系统来影响天气气候状态。Parasnis^[35]发现在季风爆发后, 不仅大气边界层结构变化明显, 而且降水增多和土壤湿度增大。如北非地表反照率增大可以抑制局地对流和降水的发生, 导致北非地区下沉气流增强, 从而加强了北非副高, 进一步加剧干旱程度^[36]; 非洲半干旱区对降水变化特别敏感的植被变化会加剧气候与生态植被相互作用的不稳定性, 引起气候突变^[37]; 过渡区土壤湿度或者积雪、土地荒漠化以及植被变化均会改变能量输送及水分循环过程, 进而改变边界层和云降水过程, 最终对季风形成产生动力和热力影响, 并对大气环流也有重要影响^{[38, 39]}。

此外, 有学者探讨了大气边界层热力和动力结构及其与顶部夹卷层之间的物理联系, 建立了陆面过程对边界层发展形成和发展的影响关系; 还有研究对云与大气边界层及边界层与自由大气之间的互相作用做了探讨^{[40, 41]}。

在夏季风影响过渡区这一特殊地理环境和生态气候区域, 其陆— 气相互作用过程具有一定的独特性。主要表现在如下4个方面:

第一, 气候环境受夏季风强弱或者北边缘南北摆动的影响最为显著, 陆— 气相互作用对夏季风降水的依赖性很强。由于该地区的特殊性, 夏季风降水往往会迅速改变陆面水分过程, 进而很快牵动陆面热力过程和生态生理过程的响应^[42], 从而造成该区域陆面水热交换、能量输送、蒸散发的季节内、年际变率都很强。近几十年来我国夏季风的减弱, 受影响最严重的区域恰好就是季风影响过渡区; 陆— 气相互作用过程受夏季风动力学影响十分明显, 尤其受季风降水的调控很突出^{[43, 44]}。

第二, 陆面物理特性水平空间变化十分明显, 导致水热交换、大气边界层输送及大气边界层结构存在显著的空间梯度, 这种剧烈的梯度必然会影响大气运动甚至产生局地大气环流。已有研究发现, 在夏季风影响过渡区的定西、平凉、庆阳这3个不同气候类型代表站的近地层气象要素、地表通量及其他陆面物理量的差异十分明显^[45]。图6中给出的从非夏季风区向夏季风过渡区延伸过程中边界层厚度和日最大感热通量的分布表明, 两者均从西北向西南急剧降低, 梯度变化非常明显, 使得该地区大气边界层流场结构也更为复杂^[4]。这不仅会影响大气边界层与自由大气相互过程, 而且还会对边界层的动量、能量和物质传输及局地大气环流产生重要作用, 甚至由此影响到该区域的干旱、沙尘暴、局地暴雨和冰雹等灾害性天气气候的形成和发展。事实上, 国外也有研究发现^{[46, 47]}, 陆面特性和大气边界层的空间差异性极易激发非典型中尺度环流或局地大气环流。

图6

Fig.6

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	图6 夏季风影响过渡区夏季晴天对流层边界层厚度(a)和陆面感热通量日最大值(b)由西向东的降低趋势(据参考文献[4]改绘)Fig.6 The reducing trend of sunny summer tropospheric boundary layer thickness (a) and the maximum land surface sensible heat flux (b) (modified after reference[4]) in summer monsoon transition zone

第三, 陆面与大气之间可能存在多重互馈机制。从图7给出的区域气候、陆面过程和边界层过程之间关系可以看出, 夏季风减弱, 北边缘南撤, 季风降水减少, 地表植被退化, 干旱化和荒漠化将加剧。致使地表反照率和地表温度升高, 蒸散量变小, 感热交换加强等一系列陆面特性变化, 进而引起对流边界层增厚和湍流增强; 由此, 导致边界层热量输送加强, 而水分输送减弱, 位温升高, 同时湿静力能降低, 最终影响到非典型中小尺度环流的形成和区域大气环流的位势高度和辐散趋势, 并在一定程度上反过来影响季风活动和区域气候。夏季风减弱的驱动最终结果是:一方面会使不利于局地降水的物理条件增强, 又反过来加剧干旱化和荒漠化趋势, 从而形成一个由夏季风活动触发的陆面过程和边界层过程与局地气候之间的互馈过程; 另一方面, 更强的边界层加热作用会使区域大气环流场的位势高度和辐散趋势增强, 在一定程度上抑制夏季风边缘向北推进, 从而形成陆面过程和大气边界层与夏季风进退之间的互馈过程。

第四, 陆— 气相互作用对气候变化的响应更敏感。在该区域, 近地层气温升高会使边界层与大气之间的能量传输明显增强, 并且地表能量分量年际变化对降水和温度变化的响应将会变得敏感^[48]。而且, Wei等^[49]的研究也发现, 随着气候变暖, 在月尺度内, 非洲撒哈拉和美国南部气候过渡区, 土壤湿度对降水的影响在气候过渡区最为显著和明显, 而其他气候区降水则受外界水汽输送影响更显著。

图7

Fig.7

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	图7 夏季风驱动下区域气候与陆面过程和边界层过程之间相互作用的基本物理框架Fig.7 The basic physics frameworks of interaction between regional climate and processes of land surface and boundary layer

虽然, 以往已经开展过一些夏季风影响过渡区及其陆— 气相互作用的研究, 但许多研究仍然缺乏针对性和科学深度, 尤其对区域陆— 气相互作用与不同时间尺度夏季风活动的关系认识还比较模糊。如传统认为季风越强, 华北降水越多, 但是有研究发现, 在年际尺度上, 季风强度越强, 华北气候并不一定偏湿^{[50, 51]} , 实际上除了夏季风强度外, 夏季风爆发、维持的时间以及北边缘线进退的快慢均应该考虑在内。其次, 该区域是气候过渡区, 其陆面特性水平空间梯度大, 能量输送和水循环过程具有一定的独特性, 这种独特性对局地环流存在怎样的影响, 若能够激发非典型中尺度环流或局地大气环流, 这一过程又受到怎样的机制控制?对这些问题目前的研究还未涉及。同时, 以往研究较少涉及大气边界层与自由大气的物质和能量交换, 也很少把陆— 气相互作用与夏季风环流背景强迫联系起来。具体而言, 夏季风影响过渡区及其陆— 气相互作用研究的主要科学问题可归纳如下:①夏季风影响过渡区的生态生理过程与陆面热力和水分过程之间的耦合作用问题; ②陆面特性剧烈空间变化引起的不均匀下垫面的陆面动量、能量和物质交换问题, 及其对大气边界层传输和大气边界层与自由大气互相作用的影响问题; ④夏季风驱动下该区域气候与陆— 气相互作用之间的多重互馈机制问题; ⑤在陆面过程模式和边界层模式中如何对夏季风气候动力学作用进行参数化问题。

针对该研究领域目前存在的主要科学问题和国际发展趋势, 未来的研究工作应该重视如下几个方面:

第一, 关于多个夏季风系统影响夏季风影响过渡区形成的问题。中国大陆夏季风同时由东南季风、西南季风和高原季风等多个夏季风系统组成, 虽然不同夏季风系统的发源地、进退路径和主要影响范围有所不同, 但它们的活动却有一定的重叠, 它们的判别指标大部分也是类似的, 很难客观辨识夏季风的影响, 这会影响对夏季影响过渡区基本特征的准确认识, 所以仍然需要对这方面进行针对性的深入研究。

第二, 关于夏季风影响过渡区的夏季风活动的多时间尺度特征及其对气候环境的不同影响问题。一般, 夏季风活动具有突出的年、年际波动、年代际及长期趋势的多时间尺度活动, 不同时间尺度对该区域气候环境的影响是不同的。因此需要通过滤波技术或信息分离技术剥离出不同时间尺度变化信号, 研究不同时间尺度夏季风的变化规律及其对夏季风影响过渡区气候环境的不同影响特征。同时, 由于不同时间尺度上的夏季风的范围和走向差异很大, 时间尺度越长夏季风北边缘线的活动范围就越大。为了更清晰地认识夏季风影响过渡区的变化规律, 应该在给出特定时间尺度夏季风影响过渡区之后, 再来研究这个区域在更长时间尺度的迁移过程, 这尤其在以后将现代器测资料与长时间序列代用资料结合来研究夏季风影响过渡区应该充分考虑。

第三, 关于夏季风、西风带和大地形对夏季风影响过渡区的耦合作用问题。夏季风影响过渡区不仅处在夏季风与西风带系统的交汇区, 与夏季风的强弱、夏季青藏高原热力状况、高纬度冷空气、青藏高原积雪、太平洋甚至印度洋海温等多种要素相关。这意味着其中任何一个因素变化都会使得夏季风影响过渡区的位置及该区域气候环境发生变化。加强这方面研究对于更加系统深入了解夏季风影响过渡区大气环流的影响机制是十分重要的。

第四, 关于陆面生理生态过程与能量和水分过程之间的相互作用问题。以往对陆面生理生态过程、能量过程和水分过程等每个单独的过程研究相对较多。然而, 在夏季风影响过渡区, 由于植被状态对陆面水热过程的依赖性强, 不仅其陆面生理生态、能量和水分过程本身比较独特, 而且它们之间的耦合作用更为突出。实际上, 陆面生理生态与陆面能量和水分过程之间的耦合作用是陆— 气相互作用中最复杂的部分, 尤其还直接涉及到干旱致灾过程、强对流灾害天气形成和生态环境保护等重大现实问题。因此对该问题的研究应该是夏季风影响过渡区陆— 气相互作用研究的重点之一。

第五, 关于夏季风驱动下陆— 气相互作用的多重互馈机制问题。在夏季风影响过渡区, 陆面物理要素大都比较活跃敏感, 在许多环节上都容易发生连锁反应, 往往牵一发而动全局。所以, 在夏季风驱动下, 该区域陆— 气相互作用不是单一的线性作用过程, 而是多链条的非线性过程, 往往会存在不同空间和时间尺度甚至尺度交叉的循环反馈过程, 这决定了夏季风影响过渡区陆— 气相互作用及其对天气气候影响的多面性, 也许在某个循环链条上是正反馈机制, 而在另一循环链条上又是负反馈机制。因此, 夏季风驱动下陆— 气相互作用的多重互馈机制研究对于深入认识夏季风影响过渡区陆— 气相互作用的本质规律至关重要。

第六, 关于陆面特征变化对深层大气的影响问题。由于陆面特性变化的显著影响一般主要表现在浅层大气, 并且由于受观测条件限制, 所以以往研究主要集中在陆面特性变化影响大气近地面层和边界层等较浅层大气特征方面, 而对于陆面特征变化如何通过陆面物质和能量交换及大气边界层输送来影响深层大气物理结构和运动特征的研究则很少。然而, 由于夏季风影响过渡区陆面特性的时空变化均非常显著, 及陆— 气相互作用过程也更为强烈, 陆面特征变化很多时候很可能会通过多界面交换过程对更深层大气甚至整个对流层产生影响。并且, 即使对边界层顶之上的深层大气的影响不如浅层大气显著, 但这种影响可能对天气气候形成和演化的作用更重要。所以, 从业务应用的现实意义讲, 今后应该特别加强对陆面特征变化对较深层大气影响特征的研究。