林愛蘭，谷德軍，李春暉，鄭 彬，梁建茵

(中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所//熱帶季風(fēng)重點開放實驗室，廣東 廣州 510080)

南海夏季風(fēng)爆發(fā)的早晚、強弱及其活動對我國華南乃至江淮和華北降水和旱澇都有重要的影響，而且南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間的年際變幅度大，近幾十年來爆發(fā)時間最早年與最晚年相差達一個半月[1]。因此南海夏季風(fēng)爆發(fā)研究是季風(fēng)研究的重點科學(xué)問題。丁一匯等[2]認(rèn)為，海陸熱力差異的季節(jié)演變是基本因子,海溫與青藏高原的熱源是一種區(qū)域性直接導(dǎo)致或增強季風(fēng)爆發(fā)的因子，中緯度的擾動、熱帶天氣系統(tǒng)和低頻振蕩是重要的觸發(fā)因子。已有研究表明[3-5]，與初夏雨期爆發(fā)有關(guān)的中緯度鋒系本身是南海夏季風(fēng)爆發(fā)的一種觸發(fā)機制。近期監(jiān)測分析表明，2009年廣東省3月5日進入汛期，較常年提前近40 d[6]；南海夏季風(fēng)于4月17日在南海中南部地區(qū)爆發(fā)，爆發(fā)時間比氣候平均情況偏早一個月，是1958年以來爆發(fā)最早的年份[7]。那么，2009年廣東開汛與夏季風(fēng)爆發(fā)兩者在時間上的異常，是偶然的巧合，還是兩者之間存在內(nèi)在的聯(lián)系，需要進一步探討。作者在文獻[8]中，已經(jīng)從氣候平均態(tài)了解季節(jié)轉(zhuǎn)換期間南海地區(qū)大氣熱力結(jié)構(gòu)、動力結(jié)構(gòu)配置的獨特性，初步揭示華南前汛期第一階段鋒面降水對南海夏季風(fēng)爆發(fā)的影響機理。本文將進一步討論以下問題：南海夏季風(fēng)爆發(fā)異常情況下，大氣結(jié)構(gòu)特征有何變化？來源于中緯度冷空氣的強弱、華南前汛期鋒面降水的多寡或開汛遲早與南海夏季風(fēng)爆發(fā)異常之間是否存在聯(lián)系？其影響關(guān)系如何？

1 資 料

本文所用資料包括：①來源于中國氣象局氣候資料中心的1951-2000年共50 a全國700多個常規(guī)觀測站每日降水量資料；②1958-2000年(共43 a)NCEP/ NCAR 再分析日平均資料(溫度、經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)) ,等壓面選取1 000～100 hPa 共12層,格點資料的水平分辨率為2.5°×2.5°經(jīng)緯度。

2 南海夏季風(fēng)爆發(fā)異常年大氣結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)文獻[1]定義的南海夏季風(fēng)爆發(fā)日期，選擇1958-2000年期間9個偏晚年(5月11日之前)和8個偏早年(5月28日之后)分別進行合成分析。圖1是南海季風(fēng)爆發(fā)偏晚年(a)、偏早年(b)分別合成的區(qū)域平均緯向風(fēng)的時間—氣壓剖面圖(經(jīng)5 d滑動平均處理，下同)。由圖可見，從對流層高層(200 hPa)來看，春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換期間，在爆發(fā)偏晚年(圖1a)和偏早年(圖1b) 緯向風(fēng)的轉(zhuǎn)向(西風(fēng)轉(zhuǎn)東風(fēng))時間僅相差一候(分別是5月1候和4月6候)，且在爆發(fā)前4月份偏晚年西風(fēng)較強，偏早年西風(fēng)較弱；在夏季風(fēng)期間，偏晚年東風(fēng)較強，偏早年東風(fēng)較弱。而從對流層低層(850 hPa)來看，爆發(fā)偏晚年和偏早年緯向風(fēng)的轉(zhuǎn)向時間竟相差一個月(分別是6月1候和5月1候)；爆發(fā)偏晚年4月東風(fēng)較強，爆發(fā)偏早年則4月東較弱，這可以作為南海季風(fēng)爆發(fā)的預(yù)測信號；另外還可以看出，爆發(fā)偏早年在爆發(fā)后一個月內(nèi)西風(fēng)較弱(小于3 m/s)，直到6月中旬西風(fēng)才加強，不論爆發(fā)偏早年還是爆發(fā)偏晚年，較強西風(fēng)(大于等于3 m/s)都在6月中旬開始出現(xiàn)，這可能與大氣環(huán)流季節(jié)背景有關(guān)。圖1還顯示，對流層高層秋冬轉(zhuǎn)換季節(jié)(夏季風(fēng)撤退時)差異較明顯，在爆發(fā)偏早(晚)年東風(fēng)強(弱)、西風(fēng)出現(xiàn)偏晚(早)；而對流層低層西南風(fēng)撤退時間與爆發(fā)時間關(guān)系不太大，只是在爆發(fā)偏晚年，西風(fēng)撤退有大約1旬(9月下旬至10月上旬)的過渡期。

圖1 南海季風(fēng)爆發(fā)偏晚年、偏早年合成的區(qū)域平均緯向風(fēng)(m/s)的時間-氣壓剖面

春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換期間，南海對流層經(jīng)向風(fēng)轉(zhuǎn)向(從北風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng))比緯向風(fēng)轉(zhuǎn)向早(4月中下旬)，且上下層風(fēng)轉(zhuǎn)向時間比較一致。在南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏晚年和偏早年之間經(jīng)向風(fēng)轉(zhuǎn)向時間僅相差1-2候(圖2)。可見南海夏季風(fēng)爆發(fā)日期的異常變化主要取決于緯向風(fēng)。秋冬季節(jié)轉(zhuǎn)換期間，在爆發(fā)偏早年，低層南風(fēng)撤退有大約1個月(10月份)的過渡期，說明夏季風(fēng)爆發(fā)偏早，秋冬季節(jié)轉(zhuǎn)換期間冷空氣較弱，冬季風(fēng)在該地區(qū)建立偏晚。

圖2 南海季風(fēng)爆發(fā)偏晚年、偏早年合成的區(qū)域平均經(jīng)向風(fēng)(m/s)的時間-氣壓剖面

圖3是表明，從春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換期間溫度經(jīng)向梯度零等值線可以看出，在爆發(fā)偏早年(圖3b)，200 hPa以下對流層溫度經(jīng)向梯度逆轉(zhuǎn)較早，并且基本上是從上往下逐漸傳播，200 hPa在4月底就發(fā)生逆轉(zhuǎn)，1 000 hPa到6月初才逆轉(zhuǎn)；在爆發(fā)偏晚年(圖3a)，200 hPa以下對流層溫度經(jīng)向梯度逆轉(zhuǎn)較晚，并且沒有從上往下逐漸傳播的規(guī)律，零等值線呈“之”字型，對流層高層200 hPa和中低層700、850 hPa同時在5月初就發(fā)生逆轉(zhuǎn)，中層600～400 hPa在5月下旬逆轉(zhuǎn)，而最底層1 000 hPa直到6月中旬才逆轉(zhuǎn)。從差值圖(圖3 c)可以看到，4-5月差異明顯：對流層中高層為正，對流層低層為負(fù)。說明季風(fēng)爆發(fā)異常早、晚年份，對流層中高層(600～200 hPa)與低層(1 000～700 hPa)溫度經(jīng)向梯度具有相反的異常趨勢：夏季風(fēng)爆發(fā)偏早年，對流層中高層溫度經(jīng)向梯度為正異常，對流層低層溫度經(jīng)向梯度為負(fù)異常；夏季風(fēng)爆發(fā)偏晚年，對流層中高層溫度經(jīng)向梯度為負(fù)異常，對流層低層溫度經(jīng)向梯度為正異常。比較圖1(a、b)、圖3(a、b)表明，與氣候平均類似，在爆發(fā)異常年，850 hPa西風(fēng)建立時間與對流層中層(600～400 hPa)溫度經(jīng)向梯度逆轉(zhuǎn)時間也有很好的對應(yīng)關(guān)系。

圖3還顯示，秋冬轉(zhuǎn)換季節(jié)(夏季風(fēng)撤退前后)，不論夏季風(fēng)爆發(fā)偏早年還是偏晚年，對流層低層溫度經(jīng)向梯度都在9月中旬就逆轉(zhuǎn)，比850 hPa東北風(fēng)建立早。從夏季風(fēng)爆發(fā)偏早年與偏晚年之差值(圖3 c)可見，對流層低層溫度經(jīng)向梯度逆轉(zhuǎn)之后，在9月中旬-10月初夏季風(fēng)爆發(fā)偏早年的負(fù)經(jīng)向梯度較強。

圖3 南海季風(fēng)爆發(fā)偏晚年、偏早年及其差值的區(qū)域平均溫度經(jīng)向梯度(10-3 K/km)的時間-氣壓剖面

3 冷空氣活動、華南鋒面降水與南海夏季風(fēng)爆發(fā)異常

以上分析表明，夏季風(fēng)爆發(fā)偏早(晚)年，對流層中高層溫度經(jīng)向梯度為正(負(fù))異常，對流層低層溫度經(jīng)向梯度為負(fù)(正)異常，這里我們進一步討論其原因。海平面氣壓變化能很好地反映冷空氣活動情況，圖4是南海季風(fēng)爆發(fā)偏晚年、偏早年的110～120°E平均海平面氣壓及其差值的時間—緯度剖面。由圖可見，夏季風(fēng)爆發(fā)偏早年，當(dāng)年春季(3-5月)華南-南海北部氣壓偏高，即冷空氣較強；夏季風(fēng)爆發(fā)偏晚年，當(dāng)年春季(3-5月)華南-南海北部氣壓偏低，即冷空氣較弱。說明華南-南海北部地區(qū)冬季(1-2月)冷空氣偏弱，春季(3-5月)冷空氣偏強，有利于南海夏季風(fēng)早爆發(fā)。

圖5是南海季風(fēng)爆發(fā)偏晚年、偏早年的110～120°E平均降水量的時間—緯度剖面。南海季風(fēng)爆發(fā)偏晚年，華南(20～25°N)4月底出現(xiàn)大于5 mm/d降水；而南海季風(fēng)爆發(fā)偏早年，華南4月中旬就出現(xiàn)5～9 mm/d降水?？梢姡A南開汛偏晚，4月降水偏少，則南海季風(fēng)爆發(fā)偏晚；華南開汛正?；蚱?，4月降水偏多，則南海季風(fēng)爆發(fā)偏早。將圖5與圖2比較可以發(fā)現(xiàn)，4月份南海地區(qū)對流層低層(600 hPa以下)經(jīng)向風(fēng)的轉(zhuǎn)向、南風(fēng)的建立，與華南地區(qū)降水的加強(降水大于5 mm/d)有相當(dāng)好的對應(yīng)關(guān)系，4月南海南風(fēng)偏強(弱)，則華南降水偏多(少)，這與低層氣流輻合上升有利于降水密切相關(guān)。個例分析進一步證明了華南降水與南海季風(fēng)爆發(fā)之間的關(guān)系(圖6)。1991年是近幾十年來南海季風(fēng)爆發(fā)異常偏晚年(6月8日)，1985、1999年是爆發(fā)異常偏早年(4月22日)，1991年在6月2候之前降水大于5 mm/d的天數(shù)極少，而1985、1999年降水量明顯比1991年多。

實際上，冷空氣南侵是華南前汛期降水的有利條件之一，因此，春季(3-5月)冷空氣偏強與華南鋒面降水偏多有關(guān)。南海季風(fēng)爆發(fā)偏早、晚年冷空氣活動、華南降水的差異，正好解釋了大氣結(jié)構(gòu)特征的差異。南海季風(fēng)爆發(fā)偏早年，華南春季冷空氣活躍，4月降水偏多，對流釋放潛熱偏多，使華南-南海北部地區(qū)對流層中高層大氣升溫，南海溫度經(jīng)向梯度為正異常，而對流層底層溫度經(jīng)向梯度為負(fù)異常，因此在熱成風(fēng)關(guān)系約束下，高層(200 hPa)西風(fēng)偏弱，低層(850 hPa)東風(fēng)偏弱。南海季風(fēng)爆發(fā)偏晚年，則情況相反。

圖4 南海季風(fēng)爆發(fā)偏晚年、偏早年及其差值的110～120°E平均海平面氣壓的時間-緯度剖面(單位：Pa)

圖5 4-6月日平均降水量緯度-時間剖面圖(陰影區(qū)為降水>5 mm/d)

圖6 4月1日-6月30日華南地區(qū)(18-25°N，110-120°E)平均降水量的時間變化(mm/d)

前面分析表明，在爆發(fā)偏早(晚)年，200 hPa以下對流層溫度經(jīng)向梯度逆轉(zhuǎn)較早(晚)，并且有(無)從上往下逐漸傳播的變化趨勢。這同樣與冷空氣活動、降水情況密切相關(guān)，南海季風(fēng)爆發(fā)偏晚年，冷空氣較淺薄，中低層700 hPa、850 hPa基本不受冷空氣影響，氣溫較高，因此溫度經(jīng)向梯度逆轉(zhuǎn)比其上層和下層早，使溫度經(jīng)向梯度零等值線呈“之”字型。

綜合有關(guān)文獻及本工作分析，可以得到一個關(guān)于冷空氣活動、華南鋒面降水與夏季風(fēng)爆發(fā)之間關(guān)系的概念模型。首先，大氣低層冷空氣活躍、南海地區(qū)南風(fēng)偏強(夏季風(fēng)爆發(fā)前為東南或偏南風(fēng))，氣流在華南地區(qū)輻合，使華南降水偏強，對流較強，釋放潛熱偏多，有利于中高層大氣加熱，在熱成風(fēng)關(guān)系約束下，副熱帶高壓脊面向北傾斜，高層南亞高壓北移。這一點我們從副熱帶高壓脊線位置的中、高層緯度差(表征脊面傾斜狀態(tài))的時間變化曲線(圖7)能得到很好的證明，夏季風(fēng)爆發(fā)偏早年曲線(短虛線)位于偏晚年(長虛線)之上，爆發(fā)偏早年在4月底5月初就達到0值(相當(dāng)于中、高層脊面垂直)，爆發(fā)偏晚年則5月中下旬才達到0值。同樣根據(jù)熱成風(fēng)關(guān)系，可以說明爆發(fā)偏早年，這段時間華南鋒面降水偏多，潛熱加熱較強，爆發(fā)偏晚年則相反。其次，春季850 hPa以下的底層(1 000、925 hPa)為弱東風(fēng)，冷空氣南壓至華南沿海時，冷平流作用下南海經(jīng)向溫度梯度仍然為負(fù)值，在熱成風(fēng)關(guān)系約束下，850 hPa出現(xiàn)西風(fēng)。最后，從天氣角度看，冷空氣南壓，迫使暖濕空氣抬升，對流有效位能(CAPE)釋放，促使對流發(fā)展[5]。這幾方面共同作用，使南海季風(fēng)偏早爆發(fā)。

圖7 4月1日-5月11日中、高層副熱帶高壓脊線位置緯度差的時間變化(200 hPa減500 hPa，單位：緯度)

4 結(jié) 論

本文在分析南海夏季風(fēng)爆發(fā)異常年(偏早或偏晚年)大氣結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，研究探討了冷空氣活動、華南鋒面降水情況對南海夏季風(fēng)爆發(fā)異常的影響，得出以下結(jié)論：

1)南海夏季風(fēng)爆發(fā)日期的異常變化主要取決于對流層低層(850 hPa)緯向風(fēng)變化。春夏季節(jié)轉(zhuǎn)換期間，對流層低層緯向風(fēng)的轉(zhuǎn)向時間，爆發(fā)偏晚年和偏早年相差一個月(分別是6月1候和5月1候)；對流層高層(200 hPa)緯向風(fēng)的轉(zhuǎn)向時間在爆發(fā)偏晚年和偏早年僅相差一候(分別是5月1候和4月6候)。對流層低層經(jīng)向風(fēng)轉(zhuǎn)向早于緯向風(fēng)轉(zhuǎn)向，爆發(fā)偏晚年和偏早年分別是4月中旬和下旬。

2)在夏季風(fēng)爆發(fā)偏早(晚)年，后期秋冬轉(zhuǎn)換季節(jié)轉(zhuǎn)換期間(即夏季風(fēng)撤退前后)，對流層高層?xùn)|風(fēng)偏強(偏弱)、西風(fēng)出現(xiàn)偏晚(偏早)；對流層低層冷空氣較弱(強)，北風(fēng)偏弱，冬季風(fēng)影響南海地區(qū)偏晚(早)。

3)南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏早年，華南春季冷空氣活躍，降水偏多，對流釋放潛熱偏多，使華南-南海北部地區(qū)對流層中高層大氣升溫，南海溫度經(jīng)向梯度為正異常，而對流層底層溫度經(jīng)向梯度為負(fù)異常，因此在熱成風(fēng)關(guān)系約束下，高層(200 hPa)西風(fēng)偏弱，低層(850 hPa)東風(fēng)偏弱。反之亦然。

4)在爆發(fā)偏早(晚)年，200 hPa以下對流層溫度經(jīng)向梯度逆轉(zhuǎn)較早(晚)，并且有(無)從上往下逐漸傳播的變化趨勢。這與冷空氣活動、降水情況密切相關(guān)。

5)依據(jù)資料診斷分析，得到一個關(guān)于冷空氣活動、華南鋒面降水與夏季風(fēng)爆發(fā)之間關(guān)系的物理概念模型，需要利用大氣環(huán)流模式進一步模擬驗證。需要指出的是，華南鋒面降水對南海夏季風(fēng)爆發(fā)的影響是一種局地性作用，其前提是建立在行星尺度大氣環(huán)流調(diào)整基礎(chǔ)上的。

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