林愛蘭，谷德軍，鄭 彬，李春暉，紀(jì)忠萍

1 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，廣州 510080

2 廣州中心氣象臺，廣州 510080

1 引 言

我國地處東亞季風(fēng)區(qū)，季風(fēng)變異對我國氣候異常有重要影響.由于東亞季風(fēng)的年際和年代際變化很大，因此造成我國旱澇等重大氣候災(zāi)害頻繁發(fā)生[1］.Tao和 Chen[2］首先指出亞洲季風(fēng)最早在南海地區(qū)爆發(fā)，后有研究認(rèn)為亞洲季風(fēng)最早在孟加拉灣、中南半島附近爆發(fā)[3-5］，但針對東亞地區(qū)，東亞夏季風(fēng)首先在南海地區(qū)爆發(fā)，這一點是無疑的.南海夏季風(fēng)的爆發(fā)標(biāo)志著東南亞與東亞夏季風(fēng)的到來和雨季的開始[6］.丁一匯和李崇銀等[7-8］指出，海-氣界面的熱量交換和前期海溫是南海西南季風(fēng)爆發(fā)早晚和強弱的重要強迫因子之一.毛江玉等[9］分析認(rèn)為，偏晚（早）年的SSTA分布呈El Nino（La Nina）型.趙永平等[10］對南亞至熱帶東印度洋海表溫度距平主要特征向量場的分析表明，當(dāng)以蘇門答臘為中心的熱帶海溫偏暖（冷）時，南海夏季風(fēng)往往爆發(fā)較遲（早）.梁建茵等[11-12］觀測分析和數(shù)值模擬結(jié)果都表明，西太平洋正（負(fù)）海溫異常與中太平洋負(fù)（正）海溫異常分布型有利于南海夏季風(fēng)偏早（晚）.黃榮輝等[13］研究表明，春季熱帶西太平洋處于暖狀態(tài)，菲律賓周圍對流活動強，西太平洋副熱帶高壓偏東，南海為氣旋性距平環(huán)流，在熱帶印度洋和蘇門答臘以西海域出現(xiàn)氣旋對.這使得此海域盛行西風(fēng)加強，南海夏季風(fēng)爆發(fā)早；春季熱帶西太平洋處于冷狀態(tài)，則情況相反.梁肇寧等[14］研究認(rèn)為，季風(fēng)爆發(fā)早晚與前期春季的印度洋海溫異常也有聯(lián)系.

相關(guān)研究都證明了海溫異常與南海夏季風(fēng)爆發(fā)早晚的密切關(guān)系，但目前普遍關(guān)注熱帶海洋的影響.而中高緯度、特別是南大洋海溫異常對南海夏季風(fēng)的影響研究極少.實際上，氣象學(xué)家早就認(rèn)識到用全球整體的觀點研究大氣環(huán)流變化和進行天氣預(yù)報的重要性，揭示了南北半球環(huán)流的相互作用對北半球季風(fēng)、熱帶、副熱帶天氣系統(tǒng)及臺風(fēng)活動影響的天氣事實.陶詩言等[15］從天氣分析的角度提出兩半球間環(huán)流關(guān)系密切，在東亞低緯經(jīng)向環(huán)流的盛行期間，南半球也盛行經(jīng)向環(huán)流，并且在澳洲附近從南半球向北半球的質(zhì)量輸送最強烈.楊修群等[16］、何金海等[17］以及徐祥德等[18］采用數(shù)值模擬研究南半球的馬斯克林高壓和澳大利亞高壓系統(tǒng)的變化對兩半球大氣環(huán)流異常的影響.季風(fēng)的爆發(fā)起源于南半球的越赤道氣 流[19］.Xue等[20］和 曾 慶 存 等[21］揭 示 了 大氣環(huán)流從春到夏的季節(jié)變化首先開始于南半球和平流層，說明南半球環(huán)流變化在全球季節(jié)變化的重要性.南極濤動（AAO）是近年來得到確認(rèn)的南半球中高緯大氣環(huán)流主要的氣候變率模態(tài)，又稱為南半球中高緯大氣環(huán)流的環(huán)狀模，它具有很強的緯向?qū)ΨQ性和明顯的正壓結(jié)構(gòu)，從海平面氣壓場到對流層以及平流層低層都有反映，同時有年代際、年際、季節(jié)內(nèi)時間尺度變化，是代表南半球中高緯大氣環(huán)流變動的一個很好的指示因子[22］.薛峰等研究表明[23］，春季AAO加強，則馬斯克林高壓和澳大利亞高壓加強，夏季東亞長江流域至日本一帶多雨；并指出AAO是除ENSO之外，能影響東亞夏季降水年際變化的強信號.范可和王會軍[24-25］從觀測分析和數(shù)值模擬試驗研究表明，南極濤動對北半球冬春季大氣環(huán)流和東亞氣候存在影響，并發(fā)現(xiàn)南半球高緯海溫異常能夠強迫出南極濤動異常，說明南極濤動變率的可預(yù)測性在一定程度上取決于南半球高緯（即南大洋）的海溫異常.綜合現(xiàn)有研究表明，東亞季風(fēng)系統(tǒng)與南半球大氣環(huán)流密切聯(lián)系，AAO對南半球中高緯大氣環(huán)流變化有很好的代表作用，而AAO與南大洋海氣相互作用緊密相關(guān).由此引發(fā)我們的思考：南大洋海溫異常引起的海氣相互作用對南海夏季風(fēng)爆發(fā)是否存在影響？這方面研究將有助于加深認(rèn)識夏季風(fēng)爆發(fā)機理，也有可能提供南海夏季風(fēng)爆發(fā)年際變化預(yù)測因子.本文將分析南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間的年際和年代際變化特征，考察南海夏季風(fēng)爆發(fā)早晚與南大洋海溫之間的聯(lián)系，探討海溫異常影響南海夏季風(fēng)爆發(fā)的可能途徑.

2 資料與方法

本文所用大氣多要素日平均資料來源于NCEP第二套大氣在分析資料（NCEP-DOE Reanalysis 2）[26］，由每天4個時次平均計算日平均，全球月平均海表溫度來自NOAA的拓展重建海表溫度資料（ERSST.v2）[27］，資料時段為1979年至2009年.

已有專家分析并比較了眾多關(guān)于亞洲夏季風(fēng)爆發(fā)的定義，認(rèn)為文獻[11］所提出的南海夏季風(fēng)爆發(fā)定義較合理[1］.該文提出的南海季風(fēng)爆發(fā)需要滿足兩個條件，第一是南海地區(qū)平均緯向風(fēng)速大于零，第二是南海地區(qū)偏西風(fēng)主要來源于孟加拉灣南部.其中第二條件主要是為了排除南支西風(fēng)槽影響而形成的南海地區(qū)偏西風(fēng)（春季常見這種情況），但該條件基本靠人工分析判斷.本文為了便于自動化計算處理，基于以上文獻將南海夏季風(fēng)爆發(fā)定義修訂為：當(dāng)南海監(jiān)測區(qū)域（105°E—120°E，5°N—20°N）850hPa為西南風(fēng)、200hPa為偏東風(fēng)持續(xù)5天或5天以上，則將第一天出現(xiàn)這種情況的日期定義為南海夏季風(fēng)爆發(fā)日.其中“200hPa為偏東風(fēng)”這一條件與文獻[11］的“南海地區(qū)偏西風(fēng)主要來源于孟加拉灣南部”有異曲同工之處，都標(biāo)志著西風(fēng)帶北收、熱帶氣流北推這一特點.因此根據(jù)本文定義計算獲得的每年季風(fēng)爆發(fā)日期（表1）與文獻[11］基本一致，1979—2009年平均爆發(fā)日為第136天，即5月16日.

3 南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間的變化及其與南大洋海溫之間的聯(lián)系

由圖1可見，南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間年際變化明顯，年際變化標(biāo)準(zhǔn)差為12天，1979—2009年期間最早爆發(fā)年（2009年）與最遲年（1987年）相差55天.另外，南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間年代際變化也較明顯，前期1979—1993年的平均爆發(fā)時間為第141天（即5月21日），后期1994—2009年的平均爆發(fā)時間為第131天（即5月11日），兩個階段平均值的統(tǒng)計t-檢驗值為2.276，超過α=0.05顯著性水平（t0.05=2.048），說明1993／1994年前后爆發(fā)時間存在階段性突變.

表1 1979—2009年南海夏季風(fēng)爆發(fā)日期Table 1 Onset date of South China Sea summer monsoon during 1979—2009

圖1 1979—2009年南海夏季風(fēng)爆發(fā)日期的演變（縱坐標(biāo)為爆發(fā)日在當(dāng)年的排序，從1月1日開始算起，單位：天）Fig.1 Variation of South China Sea summer monsoon onset date during 1979—2009（the y-axis is the sequence number of monsoon onset from 1January every year，Unit：day）

既然南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間變化明顯，因此有必要進一步尋找它的影響因素，從而提高預(yù)測水平.考慮到過去已有不少關(guān)于熱帶海洋對季風(fēng)爆發(fā)的影響研究，這里重點考察南大洋的可能影響.根據(jù)爆發(fā)時間1個標(biāo)準(zhǔn)差，從1979—2009年中選出了爆發(fā)偏早年5個（1984、1994、1999、2008、2009年）、偏遲年4個（1983、1987、1991、1993年）.對這些爆發(fā)異常年份的前期各月海溫距平（SSTA）進行合成分析，發(fā)現(xiàn)南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間與前期冬季（12、1月）印度洋—南大洋區(qū)域、春季（2、3月）太平洋—南大洋區(qū)域存在密切的聯(lián)系.夏季風(fēng)爆發(fā)偏早年份，前期12月和1月印度洋—南大洋區(qū)域（0°E—80°E，75°S—50°S）海溫偏低，2月和3月太平洋—南大洋區(qū)域（170°E —80°W，75°S—50°S）海溫也偏低（圖略）.

從相關(guān)分析表明，南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間與印度洋—南大洋12—1月平均海表溫度、太平洋—南大洋2—3月平均海表溫度都存在正相關(guān)（圖2）.進一步證明當(dāng)前期冬、春季南大洋海溫偏低（高），有利于南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏早（晚）.另外，用另一套海溫資料（Hadley中心GISST）進行分析，同樣反映出以上信號區(qū)的存在（圖略）.

將上述兩個海溫相關(guān)顯著區(qū)分別求區(qū)域平均，與南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間比較，可以看出變化趨勢相當(dāng)一致（圖3），說明南大洋海溫變化大體可以作為季風(fēng)爆發(fā)遲早的預(yù)測信號.12—1月印度洋—南大洋海溫距平（簡稱冬季信號）、2—3月太平洋—南大洋海溫（簡稱春季信號）與季風(fēng)爆發(fā)時間的相關(guān)系數(shù)分別為0.72和0.62.若將兩個信號進行組合，即計算冬季信號、春季信號的平均值并做標(biāo)準(zhǔn)化，則南大洋組合信號與爆發(fā)時間的相關(guān)有所提高，相關(guān)系數(shù)達到0.76，遠超過α=0.001顯著性檢驗.值得一提的是，南大洋海溫信號在1993／1994年也存在從高到低的階段性突變，與南海夏季風(fēng)爆發(fā)的年代際變化一致，可見對年代際變化也有很好的指示作用.

4 南大洋海溫異常對大氣環(huán)流的影響

為了理解南大洋海溫變化影響南海夏季風(fēng)爆發(fā)遲早的物理過程，下面分析冬春季南大洋海溫異常情況下，同期和后期的大氣環(huán)流特征.考慮到組合信號與季風(fēng)爆發(fā)之間的相關(guān)比原信號（冬季信號或春季信號）更高，因此下文主要依據(jù)組合信號進行分析.根據(jù)南大洋冬春海溫組合信號變化曲線（圖3紅色虛線）選出5個海溫偏高年（1980、1983、1987、1992、1993年）和5個海溫偏低年（1996、1999、2000、2008、2009年），分別進行合成分析.

圖2 南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間分別與前期12—1月（a）和2—3月（b）平均海溫距平之間的相關(guān)系數(shù)分布（陰影區(qū)為超過α=0.05顯著相關(guān)區(qū)域）Fig.2 Coefficient distribution of correlation between South China Sea summer monsoon onset date and SSTA in prior December-January（a）and February-March（b）.Shading indicates the 95%confidence level

圖3 南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間（黑色實線）與前期海溫信號的標(biāo)準(zhǔn)化曲線其中“Southern W”代表12—1月印度洋—南大洋海溫信號，“SouthernS”代表2—3月太平洋—南大洋海溫信號，“Southern WS”代表南大洋冬春海溫組合信號.Fig.3 The standardization curves of South China Sea summer monsoon onset date（black solid line）and its prior SST signals‘Southern W’indicates winter Southern Ocean SST signal，‘Southern S’indicates spring Southern Ocean SST signal，and‘Southern WS’indicates the composite Southern Ocean SST signal.

從850hPa位勢高度距平合成場來看，在南大洋冬春海溫偏高（低）年份，南大洋及南極區(qū)（60°S以南）為顯著正（負(fù)）異常，除東太平洋之外從南極至北半球低緯地區(qū)呈現(xiàn)出“正-負(fù)-正”（“負(fù)-正-負(fù)”）帶狀波列，而東太平洋從南半球中緯度至北半球中緯度都為負(fù)距平，這種分布形勢從冬季持續(xù)到春季4、5月份（圖4）.由于海溫偏高、偏低年份，大氣環(huán)流異常趨勢相反，為節(jié)省篇幅文中僅給出差值分布圖.海平面氣壓的異常分布（圖略）與850hPa位勢高度的異常分布類似.在對流層中高層（500hPa、200hPa），上述帶狀分布更為清楚，東太平洋也表現(xiàn)出與其它經(jīng)度一致的異常分布，遙相關(guān)波列緯向空間尺度基本擴展為整個地球緯圈（圖略）.南半球高緯度與中緯度位勢高度場變化趨勢相反，并具有垂直正壓結(jié)構(gòu)特征，這種異常分布反映了在南大洋海溫偏高（低）年份，南極濤動（AAO）偏弱（強）.這一點與已有研究結(jié)果[25，28］一致.AAO異常在冬季較明顯，春季有所削弱，而熱帶地區(qū)的異常幅度冬春季差不多，只是異常中心從赤道以南移向赤道以北.

從850hPa流場看，在南大洋冬春海溫偏高（低）年份，冬季南半球高緯65°S—50°S西風(fēng)減弱（加強）、副熱帶西風(fēng)加強（減弱），這也是AAO偏弱（強）的表現(xiàn)；赤道印度洋西風(fēng)減弱（加強）、赤道太平洋西風(fēng)加強（減弱），說明 Walker環(huán)流減弱（加強）.從冬季到春季赤道印度洋緯向風(fēng)異常逐漸向北、向西擴展，到4、5月份，北印度洋—南?！魈窖蟠蠓秶鷧^(qū)域都為明顯的東風(fēng)異常（圖5）.從圖5還可以看出，索馬里越赤道氣流在4、5月份也明顯減弱.

以上分析表明，南大洋海溫異常偏低（偏高）時，能引起大氣AAO偏強（偏弱），AAO偏強（偏弱）通過遙相關(guān)作用造成熱帶印度洋—西太平洋地區(qū)位勢高度偏低（偏高），緯向風(fēng)加強（減弱），熱帶大氣環(huán)流異常從冬季維持到春季并向北擴展.我們知道，春季副熱帶高壓帶的斷裂、大氣低層由南向北越赤道氣流的建立是亞洲夏季風(fēng)爆發(fā)的前提條件，熱帶西風(fēng)向東擴展、副熱帶高壓向東撤出南海是南海夏季風(fēng)爆發(fā)的標(biāo)志.因此，在4、5月份，若印度洋—南海—西太平洋熱帶地區(qū)位勢高度偏低（偏高）、西風(fēng)偏強（偏弱）、索馬里越赤道氣流偏強（偏弱），則有利于（不利于）南海夏季風(fēng)爆發(fā).可見，南大洋冬春海溫異常偏低（偏高）所導(dǎo)致的大氣環(huán)流異常，為南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏早（偏晚）提供有利條件.

為什么南大洋海溫異常偏低（偏高）能引起大氣AAO偏強（偏弱）？數(shù)值模擬試驗結(jié)果表明[25］，南半球高緯海溫是影響AAO異常海溫關(guān)鍵區(qū)，兩者之間的可能海氣相互作用過程為：一方面海溫的異常作為大氣的邊界強迫，能夠影響費雷爾大氣環(huán)流和繞極低壓帶，而繞極低壓帶和副熱帶之間的反位相變化出現(xiàn)了南極濤動異常，隨之出現(xiàn)高緯西風(fēng)異常；另一方面南極濤動的異常，能夠影響高緯西風(fēng)異常，進而影響有關(guān)海域海水的垂直混合和Ekman的漂流作用，甚至海冰的漂移，從而引起相應(yīng)海域的海溫變化[29-30］.當(dāng)然其物理機制還有待于進一步探討.

以上分析初步形成這樣的推測：當(dāng)南大洋海溫異常偏低（偏高）時，冬季AAO偏強（偏弱），同時通過遙相關(guān)作用使熱帶印度洋—西太平洋地區(qū)位勢高度偏低（偏高）、緯向風(fēng)加強（減弱），熱帶大氣這種環(huán)流異常一直維持到春季4、5月份，位勢高度和緯向風(fēng)異常范圍逐步向北擴展并伴隨索馬里越赤道氣流的加強（減弱），從而為南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏早（偏晚）提供有利環(huán)流條件.AAO影響北半球熱帶地區(qū)的遙相關(guān)機理是什么？Guan和Yamagata[31］利用地表氣壓資料進行EOF分析，得到前三個模態(tài)分別是南極濤動（AAO）、北極濤動（AO）和南北濤動（IHO），其中IHO揭示了南北半球之間因大氣質(zhì)量重新分布而形成的振蕩.進一步研究表明[32］，地表氣壓主要模態(tài)實際上隨季節(jié)變化，冬季AAO、AO是主要模態(tài)，而春季IHO信號強于AAO和AO，是EOF分析的第一模態(tài).統(tǒng)計夏季IHO對各緯圈大氣質(zhì)量分布的方差貢獻率表明[33］，除對南極60°S—90°S范圍貢獻較高外，對30°S—60°N區(qū)域的大氣質(zhì)量分布變化亦有較大影響.圖6是冬春南大洋海溫偏高年份與偏低年份之間，春季4—5月平均850hPa位勢高度的差異.該圖顯示出從南極至北極存在著沿南大洋—南太平洋—海洋大陸、南海和北印度洋—亞歐大陸的經(jīng)向遙相關(guān)結(jié)構(gòu).孟加拉灣—南海至西太平洋地區(qū)正處于此經(jīng)向遙相關(guān)波列的正變高區(qū)，不利于副熱帶高壓斷裂和東退，從而使夏季風(fēng)爆發(fā)偏晚.以上遙相關(guān)波列走向與春季正負(fù)IHO指數(shù)對應(yīng)的緯向風(fēng)合成差圖所反映的遙相關(guān)型（參見文獻[34］中圖8）[34］相似.說明南大洋海氣相互作用對春季4—5月份熱帶地區(qū)的影響與半球間大氣質(zhì)量重新分布引起的南北濤動有關(guān)，由于IHO兩半球中高緯地區(qū)的異常質(zhì)量堆積，產(chǎn)生經(jīng)向氣壓梯度力，半球間異常大氣質(zhì)量以遙相關(guān)形式進行交換補償，從而導(dǎo)致對亞洲熱帶季風(fēng)活動產(chǎn)生影響.

5 結(jié)論與討論

利用1979—2009年NCEP第二套大氣再分析資料和ERSST海溫資料，分析了南海夏季風(fēng)爆發(fā)早晚與南大洋海溫之間的聯(lián)系，揭示了一些新的事實，主要結(jié)論有：

（1）南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間年際和年代際變化明顯，年際變化標(biāo)準(zhǔn)差達12天，1979—1993年與1994—2009年前后兩個階段爆發(fā)時間存在階段性突變.

（2）南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間與前期冬季（12—1月）印度洋—南大洋（0—80°E，75—50°S）海溫、春季（2—3月）太平洋—南大洋（170°E —80°W，75—50°S）海溫都存在正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)前期冬、春季南大洋海溫偏低（高）時，南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏早（晚）.

（3）基于以上冬春季的海溫顯著相關(guān)區(qū)組合的南大洋海溫信號，無論是年際還是年代際變化，都對南海夏季風(fēng)爆發(fā)具有一定的預(yù)測指示作用.

圖6 南大洋冬春海溫偏高年份與偏低年份4—5月平均全球850hPa位勢高度合成差值場（單位：gpm）（陰影區(qū)為超過α=0.05顯著相關(guān)區(qū)域）Fig.6 Composite difference of global 850hPa geopotential height field（Unit：gpm）averaged from April to May between positive and negative SST anomalous years over Southern Ocean.Shading indicates the 95%confidence level

（4）南大洋海溫異常通過海氣相互作用和大氣遙相關(guān)影響南海夏季風(fēng)爆發(fā)的遲早.當(dāng)南大洋海溫異常偏低（偏高）時，冬季AAO偏強（偏弱），同時通過遙相關(guān)作用使熱帶印度洋—西太平洋地區(qū)位勢高度偏低（偏高）、緯向風(fēng)加強（減弱），熱帶大氣這種環(huán)流異常一直維持到春季4、5月份，位勢高度和緯向風(fēng)異常范圍逐步向北擴展并伴隨索馬里越赤道氣流的加強（減弱），從而為南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏早（偏晚）提供有利環(huán)流條件.綜合有關(guān)文獻[31-34］初步分析認(rèn)為，南大洋海氣相互作用與熱帶大氣環(huán)流的遙相關(guān)、半球際大氣質(zhì)量重新分布引起的南北濤動（IHO）有關(guān).

雖然本文獲得了一些觀測事實，但還存在一些問題需要進一步研究.例如，AAO與熱帶大氣遙相關(guān)的內(nèi)在機制是什么？另外，已有研究表明了南海夏季風(fēng)爆發(fā)與熱帶西太平洋海洋熱狀況和對流的密切聯(lián)系[12-13］，而南大洋海氣相互作用與熱帶海洋存在何種關(guān)系，也是需進一步研究的問題.

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