林愛蘭， 谷德軍， 李春暉， 鄭彬

中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所/廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預報重點實驗室， 廣州　510080

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赤道MJO 活動對南海夏季風爆發(fā)的影響

林愛蘭， 谷德軍， 李春暉， 鄭彬

中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所/廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預報重點實驗室， 廣州510080

摘要利用1979—2013年NCEP/DOE再分析資料的大氣多要素日平均資料、美國NOAA日平均向外長波輻射資料和ERSST月平均海溫資料，分析赤道大氣季節(jié)內振蕩(簡稱MJO)活動對南海夏季風爆發(fā)的影響及其與熱帶海溫信號等的協(xié)同作用.結果表明，赤道MJO活動與南海夏季風爆發(fā)密切聯(lián)系，MJO的濕位相(即對流活躍位相)處于西太平洋位相時，有利于南海夏季風爆發(fā)，而MJO濕位相處于印度洋位相時，則不利于南海夏季風爆發(fā).赤道MJO活動影響南海夏季風爆發(fā)的物理過程主要是大氣對熱源響應的結果，當MJO濕位相處于西太平洋位相時，一方面熱帶西太平洋對流加強使?jié)摕後尫旁黾?，導致處于熱源西北側的南海—西北太平洋地區(qū)對流層低層由于Rossby響應產生氣旋性環(huán)流異常，氣旋性環(huán)流異常則有利于西太平洋副熱帶高壓的東退，另一方面菲律賓附近熱源促進對流層高層南亞高壓在中南半島和南海北部的建立，使南海地區(qū)高層為偏東風，從而有利于南海夏季風建立；當濕位相MJO處于印度洋位相時，熱帶西太平洋對流減弱轉為大氣冷源，情況基本相反，不利于南海夏季風建立.MJO活動、孟加拉灣氣旋性環(huán)流與年際尺度海溫變化協(xié)同作用，共同對南海夏季風爆發(fā)遲早產生影響，近35年南海夏季風爆發(fā)時間與海溫信號不一致的年份，基本上是由于季節(jié)轉換期間的MJO活動特征及孟加拉灣氣旋性環(huán)流是否形成而造成，因此三者綜合考慮對于提高季風爆發(fā)時間預測水平具有重要意義.

關鍵詞赤道MJO； 南海夏季風； 爆發(fā)； 海溫； 協(xié)同作用

The 35a (1979—2013) daily mean NCEP-DOE Reanalysis data, daily outgoing longwave radiation (OLR) and monthly extended reconstructed SST (ERSST.v2) from NOAA are used to analyze the impact of MJO activity on SCS summer monsoon onset and its synergy with tropical SST signal.

Results show that MJO in the West Pacific phase is favorable to the onset of SCS summer monsoon, and MJO in Indian Ocean phase is unfavorable to SCS summer monsoon onset. When MJO is in western Pacific phase, more latent heat releases from enhancing convection, resulting in an anomalous cyclonic circulation at tropospheric low level in SCS to Northwest Pacific as Rossby wave respond. The anomalous cyclonic circulation is favorable to the retreating eastward of subtropical high. On the other hand, the heat source over Philippines vicinity promotes the establishment of South Asia high over Indochina Peninsula and the northern SCS, and wind changes to easterly over SCS at tropospheric high level. Therefore the SCS summer monsoon begins. When MJO is in Indian Ocean phase, tropical western Pacific changes to cold source because of the weakening of convection, the situation opposite with above appears, which is not conducive to the SCS summer monsoon onset. The years which are inconsistent between SCS summer monsoon onset dates and SST signal are basically due to the characteristics of MJO and the cyclone circulation over Bay of Bengal during the seasonal transition period.

The equatorial MJO activity is related closely with SCS summer monsoon onset. The physical process in which MJO activity poses impact on SCS summer monsoon onset is primarily the response of atmosphere to the heat source. MJO activity and cyclonic circulation over Bay of Bengal cooperated with interannual SST signal influence the SCS summer monsoon onset. Comprehensive consideration of three factors, which are MJO, SST signal and circulation over Bay of Bengal, has great significance for improving monsoon onset prediction.

1引言

亞洲季風的爆發(fā)預示著大氣能量和水分循環(huán)的急速加強(吳國雄等，2013)，季風爆發(fā)及其活動對亞洲甚至全球天氣氣候有重要影響.東亞夏季風首先在南海地區(qū)爆發(fā)，南海夏季風的爆發(fā)是東亞夏季雨帶向北推進的前提，因此南海夏季風爆發(fā)也是我國汛期預測會商的重要議題之一.由于南海夏季風爆發(fā)研究具有科學意義和應用價值，關于南海夏季風爆發(fā)的動力學過程和年際變化成因吸引了國內外專家的研究.研究表明(Liu et al.，2002；吳國雄等，2013)，亞洲熱帶夏季風首先在孟加拉灣爆發(fā)之后，孟加拉灣以東至南海形成有利于夏季環(huán)流建立的環(huán)境，孟加拉灣季風降水所激發(fā)的Rossby 波沿低空西風帶東傳，導致南海夏季風的爆發(fā).關于海氣相互作用對南海夏季風爆發(fā)遲早的影響目前有不少工作(丁一匯和李崇銀，1999；陳隆勛等,1999；趙永平等，2000)，毛江玉等(2000)分析表明, 偏晚(早)年的SSTA(sea surface temperature anomaly，海表溫度異常)分布呈El Nino 型(La Nina 型).黃榮輝等(2005)研究認為，當春季熱帶西太平洋處于暖狀態(tài)，菲律賓周圍對流活動強，使得南海夏季風爆發(fā)早，當春季熱帶西太平洋處于冷狀態(tài), 情況相反.除了受熱帶太平洋海溫影響之外，季風爆發(fā)早晚與前期冬春季的印度洋海溫(梁肇寧等，2006)甚至南大洋海溫(林愛蘭等，2013a)變化也有聯(lián)系.有專家基于海溫建立了季風爆發(fā)日期的短期氣候預測方法(周文等，2002；谷德軍等，2011)，取得一定的成效.然而，今年春季基于海溫預測認為“2014年季風爆發(fā)時間為正常略偏早”*中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所.2014年季風預測快報(2014年第1期).2014年4月28日發(fā)布.http:∥113.108.192.91/grapes/jcgb/jcgb201401.pdf，但實際上直到6月5日南海夏季風才爆發(fā)，屬于異常偏遲.為什么今年南海夏季風爆發(fā)時間預測誤差這么大？是值得探討的問題.

熱帶大氣低頻振蕩與南海夏季風爆發(fā)存在一定的聯(lián)系(林愛蘭，1998)，穆明權和李崇銀(2000)從1998年850 hPa 低頻流場分布發(fā)現(xiàn)，菲律賓東側大氣季節(jié)內振蕩的發(fā)展和向南海地區(qū)的擴展對南海地區(qū)大氣季節(jié)內振蕩活動有重要作用, 并最終激發(fā)南海夏季風的爆發(fā).溫之平等(2006)從多年資料分析指出，5 月1—15日菲律賓南部的低頻對流發(fā)展西移，華南地區(qū)低頻對流活動南移以及加里曼丹島低頻對流活躍北移，有利于南海夏季風爆發(fā)偏早，若上述地區(qū)對流不活躍則南海夏季風爆發(fā)偏遲.沿赤道東傳的季節(jié)內振蕩(簡稱MJO)是熱帶大氣季節(jié)內振蕩的主要模態(tài)之一，大量研究表明MJO 不僅影響熱帶地區(qū)，而且影響熱帶外地區(qū)的天氣氣候(例如；Mo and Higgins, 1998; Higgins and Shi, 2001; Jones et al., 2004; Lorenz and Hartmann, 2006; Jeong et al., 2008；丁一匯和梁萍，2010；Jia et al.，2011；章麗娜等，2011；呂俊梅等，2012；林愛蘭等，2013b，2013c；李崇銀等，2013；Hung et al.，2014).Hendon和Liebmann(1990)合成分析表明，澳大利亞夏季風爆發(fā)與MJO東移經過澳大利亞北部相對應.現(xiàn)有研究表明，海溫年際甚至年代際變化和大氣季節(jié)內尺度變化都是南海夏季風爆發(fā)的影響因子，但關于沿赤道東傳的MJO活動與南海夏季風爆發(fā)是否存在物理聯(lián)系，現(xiàn)有文獻較少涉及.本文擬采用較長時間段的資料探討赤道MJO活動對南海夏季風爆發(fā)的可能影響及其與熱帶海溫信號的協(xié)同作用.

2資料與方法

本文所用資料包括：(1)NCEP-DOE 分析資料的大氣多要素日平均資料(Kanamitsu et al.，2002)，(2)來源于美國NOAA氣候診斷中心的日平均向外長波輻射資料(OLR，Liebmann and Smith，1996)，(3)來自NOAA 的拓展重建月平均海表溫度資料(ERSST.v2)(Smith and Reynolds，2004)，資料時段為1979年1月1日至2013年12月31日共35年，前兩項資料分辨率為2.5°×2.5 °，第三項海溫資料分辨率為2°×2 °.本文所用赤道MJO指數(shù)是Wheeler和Hendon(2004)提出的RMM指數(shù).

在各種南海夏季風爆發(fā)定義中，梁建茵和吳尚森(2002)所提出的南海夏季風爆發(fā)定義被認為較合理(黃榮輝等，2008)，即南海季風爆發(fā)需要滿足“南海地區(qū)平均緯向風速大于零”和“南海地區(qū)偏西風主要來源于孟加拉灣南部”這兩個條件，其中第二條件避免了南支西風槽影響而形成南海地區(qū)偏西風情形，但該條件基本靠人工分析判斷.近期林愛蘭等(2013a)為了便于自動化計算處理，基于以上定義將南海夏季風爆發(fā)定義修訂為：當南海監(jiān)測區(qū)域(105°E—120°E，5°N—20°N)850 hPa為西南風、200 hPa為偏東風持續(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爆發(fā)日.分析認為其中“200 hPa為偏東風”這一條件與梁建茵和吳尚森(2002)的“南海地區(qū)偏西風主要來源于孟加拉灣南部”有異曲同工之處，都標志著西風帶北撤、熱帶氣流北推這一特點(林愛蘭等，2013a)，因此本文沿用該定義指標.1979—2013年每年南海夏季風爆發(fā)日期可見表1，近35年平均南海夏季風爆發(fā)日序為135.6天(即5月16日)，這與最近吳國雄等(2013)用地面風轉向所定義的夏季風爆發(fā)指數(shù)也相當一致.南海夏季風爆發(fā)時間年際變化標準差為11.5天，按距平值正、負1倍(1.5倍)標準差劃分偏遲(異常偏遲)年和偏早(異常偏早)年，則異常偏遲(即遲于或等于6月2日)和異常偏早(即早于或等于4月28日)各有3年，偏遲(相當于5月26日—6月1日之間)和偏早(相當于4月29日—5月4日之間)分別有3年.

3MJO活動與季風爆發(fā)的關系

為了了解MJO活動與季風爆發(fā)的關系，將1979—2013年每年季風爆發(fā)當日MJO對應RMM1和RMM2指數(shù)畫在同一MJO位相圖上，圖1是近35年南海夏季風爆發(fā)日的MJO位相分布.可以看出，南海夏季風爆發(fā)當天，近35年中有31年MJO處于第4、5、6、7位相，約占89%，其中絕大多數(shù)MJO較強(強度大于等于1)；而季風爆發(fā)于MJO第8、1、2、3位相的年份很少.MJO的4、5、6、7位相表示活躍對流位于海洋大陸及西太平洋(下文簡稱西太平洋位相)，而8、1、2、3位相表示活躍對流位于非洲至印度洋地區(qū)(下文簡稱印度洋位相).需要說明的是，多年統(tǒng)計表明，4—6月MJO第4、5、6、7位相與第8、1、2、3位相出現(xiàn)概率接近，分別為50.1%和49.9%.可見，MJO活動對季風爆發(fā)很可能存在影響，當MJO處于第4、5、6、7位相(第8、1、2、3位相)時有利于(不利于)南海夏季風爆發(fā).

4赤道MJO影響南海夏季風爆發(fā)的物理過程

南海夏季風建立前后大氣環(huán)流的主要變化特征為：在對流層低層，西太平洋副熱帶高壓向東收縮，反氣旋環(huán)流西脊點東退出南海，熱帶西南風向東擴展，整個南海地區(qū)為西南風控制(圖2)；在對流層高層，則主要表現(xiàn)為南亞高壓在中南半島及南海北部的建立，南海大部分地區(qū)(中南部)為偏東風氣流(圖3).那么赤道MJO活動對上述環(huán)流變化是否產生影響？

1979—2013年南海夏季風爆發(fā)時間最早、最遲分別是4月17日和6月11日，因此可以認為4月4候至6月2候為季風爆發(fā)期(每年56天).統(tǒng)計表明，35年季風爆發(fā)期出現(xiàn)強MJO第1、2、3、4、5、6、7、8位相分別有163、152、150、154、149、152、158、163天.各位相合成圖表明，在第8、1、2、3位相(第4、5、6、7位相)，MJO強對流主要位于西半球和印度洋區(qū)域(西太平洋區(qū)域)，本文將MJO第8、1、2、3位相(第4、5、6、7位相)簡稱為印度洋位相(西太平洋位相).圖4是近35年南海夏季風爆發(fā)期間強MJO印度洋位相和西太平洋位相的OLR和850 hPa風速合成場.顯然，在印度洋位相(圖4a)，印度洋對流明顯加強，而西太平洋區(qū)域為對流減弱區(qū)；在西太平洋位相(圖4b)，印度洋對流減弱，而西太平洋區(qū)域對流明顯加強.根據(jù)Gill(1980)提出的理論模型，當赤道存在熱源(冷源)時，大氣將產生異常響應，在熱源(冷源)西北側和西南側，由于Rossby波響應出現(xiàn)一對氣旋性(反氣旋性)環(huán)流異常，在熱源(冷源)東側赤道附近，由于Kelvin波響應則產生東風(西風)異常.因此，在MJO處于西太平洋位相，由于該地區(qū)對流加強潛熱釋放，導致處于熱源西北側的南?！鞅碧窖蟮貐^(qū)為氣旋性環(huán)流異常，氣旋性環(huán)流異常則有利于西太平洋副熱帶高壓的東退；在MJO處于印度洋位相，情況基本相反，南?！鞅碧窖蟮貐^(qū)為反氣旋性環(huán)流異常，反氣旋性環(huán)流異常則有利于西太平洋副熱帶高壓的加強西伸.

圖1　1979—2013年南海夏季風爆發(fā)當日的MJO位相分布圖(紅色數(shù)字為年份)

圖2　1979—2013年合成的南海夏季風爆發(fā)之前3候、2候、1候和爆發(fā)當候850 hPa風(矢量，單位：m·s-1)和緯向風(等值線, 單位：m·s-1)黃(紫)色區(qū)代表緯向風大于(小于)氣候平均值達到0.05顯著性水平.

圖3　1979—2013年合成的南海夏季風爆發(fā)之前3候、2候、1候和爆發(fā)當候200 hPa風(矢量，單位：m·s-1)和位勢高度(等值線, 單位：gpm)黃(紫)色區(qū)代表位勢高度大于(小于)氣候平均值達到0.05顯著性水平.

從對流層高層來看，MJO活動與南亞高壓也有密切聯(lián)系.已有研究表明，在南亞高壓移上青藏高原之前，春季南亞高壓就已經在南海地區(qū)出現(xiàn)(Reiter and Gao, 1982; Zhu et al., 1986; 陳隆勛等, 1991；He et al., 2006; Liu et al., 2009, 2012)，從動力學角度研究認為(劉屹岷等,1999; Liu et al.，2013)，春季菲律賓南部對流的爆發(fā)使其北側產生負渦度源，從而導致對流層南亞高壓首先在南海地區(qū)建立.由圖5可見，在MJO處于西太平洋位相時，除了赤道西太平洋對流加強之外，菲律賓附近區(qū)域對流也有所加強，該地區(qū)對流的加強伴隨著南亞至南海北部大范圍地區(qū)產生反氣旋性環(huán)流和位勢高度正異常(圖5b)，從而有利于南亞高壓從西太平洋向西北移動并加強，使得南亞高壓在中南半島和南海北部建立.而在MJO印度洋位相，菲律賓附近區(qū)域對流也有所減弱，使南亞至南海北部地區(qū)產生氣旋性環(huán)流和位勢高度負異常(圖5a)，從而不利于南亞高壓在中南半島和南海北部建立.

以上分析說明，MJO影響南海夏季風爆發(fā)的物理過程主要是大氣對熱源響應的結果，當MJO濕位相處于西太平洋位相時，一方面熱帶西太平洋熱源通過Rossby波使對流層低層西太平洋副熱帶高壓東退，有利于熱帶西南風向東擴展控制南海地區(qū)，另一方面菲律賓附近熱源使對流層高層南亞高壓在中南半島和南海北部建立，使南海地區(qū)高層為偏東風，高低層相互配合有利于南海夏季風建立；當MJO濕位相處于印度洋位相時，情況基本相反，不利于南海季風建立.

圖4　1979—2013年南海夏季風爆發(fā)期間(4月4候—6月2候)強MJO印度洋位相(a)和西太平洋位相(b)分別合成的OLR(等值線, 單位：W·m-2)和850 hPa風(矢量，單位：m·s-1)距平分布紅(綠)色區(qū)代表OLR距平小于(大于)-6 W·m-2(6 W·m-2)，表示對流偏強(弱).850 hPa距平風僅畫出超過0.05顯著性檢驗的格點.

圖5　1979—2013年南海夏季風爆發(fā)期間(4月4候—6月2候)強MJO印度洋位相(a)和西太平洋位相(b)分別合成的200 hPa距平風(矢量，單位：m·s-1)和位勢高度距平(等值線, 單位：gpm)紅(綠)色區(qū)代表位勢高度負(正)距平超過0.05顯著性檢驗.

5MJO與熱帶海溫和孟加拉灣氣旋性環(huán)流的協(xié)同作用

5.1MJO與海溫協(xié)同作用對南海夏季風爆發(fā)的影響

冬季熱帶西太平洋、赤道中東太平洋區(qū)域海溫與南海夏季風爆發(fā)時間之間具有顯著的相關性(見圖6).南海夏季風爆發(fā)時間與上述區(qū)域海溫變化曲線(圖7)可以看出，爆發(fā)時間與熱帶西太平洋(130°E—160°E，0°—15°N)海溫變化趨勢基本相反，與赤道中東太平洋(180°W—140°W，5°S—5°N)海溫變化基本一致.進一步將兩個區(qū)域海溫進行組合，考慮到兩個區(qū)域海溫相關符號相反，用中東太平洋區(qū)域與西太平洋區(qū)域之間的差值表征熱帶太平洋海溫綜合信號，則爆發(fā)時間與海溫綜合信號(圖7紅色曲線)變化趨勢基本一致，兩者相關系數(shù)達到0.56，超過α=0.001信度，表明熱帶海溫年際變化是南海夏季風爆發(fā)遲早的重要影響因子.

雖然熱帶太平洋海溫綜合信號與南海夏季風爆發(fā)時間有很高的正相關，但仔細對比圖7的黑色實線與紅色虛線可以發(fā)現(xiàn)，還是有一些年份兩者差距較大甚至趨勢相反.這里根據(jù)南海夏季風爆發(fā)時間與海溫綜合信號兩者標準化值之差，來判斷爆發(fā)時間與海溫信號是否一致，當兩者標準化值之差絕對值在1以內(達到或超過1)，則認為南海夏季風爆發(fā)時間與海溫信號一致(不一致).35年中，南海夏季風爆發(fā)時間與海溫信號一致的有21年，不一致的有14年(見表1).說明若利用熱帶海溫信號預測季風爆發(fā)時間，則60%的年份預報誤差在一個標準差以內(約相當于12天以內)，但還有40%的年份預報誤差達到或超過12天.其中23個正常爆發(fā)年有16年與海溫信號一致，6個早爆發(fā)年(包括偏早和異常偏早)有4個與海溫信號一致，而6個遲爆發(fā)年(包括偏遲和異常偏遲)只有1年與海溫一致，說明對正常爆發(fā)和早爆發(fā)年份來說，利用熱帶海溫預測的準確率相對較高(69%)，對遲爆發(fā)年份來說，則海溫預報準確率很低(17%).

圖6　1979—2013年南海夏季風爆發(fā)時間與前期冬季海溫之間的相關系數(shù)分布顏色區(qū)為相關超過0.05顯著性檢驗.

圖7　南海夏季風爆發(fā)時間(黑色實線Onset date)與前期冬季熱帶西太平洋(藍色點線WP)、赤道中東太平洋(綠色虛線MEP)海溫以及海溫綜合信號(紅色虛線GMW)的標準化變化曲線

下面將針對南海夏季風爆發(fā)時間與海溫信號不一致的年份，分析季節(jié)轉換期間的MJO活動特征，了解這些年份爆發(fā)時間與海溫信號的不一致，是否由MJO活動影響而造成.通過逐年分析，將MJO的調制作用歸納為以下五種情形(參見表2)：第一，海溫信號為負異常，但MJO處于不利位相(即印度洋位相)導致爆發(fā)偏晚，1985、1989、2006年屬于這種情形，這些年在季風爆發(fā)前半個月基本上MJO都處于第8、1、2、3位相，直到爆發(fā)前3天甚至爆發(fā)當天MJO才東移進入西太平洋地區(qū)(圖8a).第二，海溫信號為正異常，由于MJO處于不利位相，導致爆發(fā)偏遲幅度遠遠超過海溫，即爆發(fā)異常與海溫信號趨勢相同，都為正異常，但異常幅度不匹配.這種情形包括1987、1991、1993年，這3年也是1979年以來異常偏晚的3年，爆發(fā)異常(標準化值分別為2.3，2.1，1.7)程度遠遠超過海溫(1.2，0.7，0.8)，其MJO的共同特點是5月中旬后期至6月初長達20天甚至20多天MJO都處于不利位相，直到6月2候MJO進入西太平洋區(qū)域之后，才觸發(fā)季風建立(圖8b).可見這3年也是海溫和MJO兩個因素的同位相疊加，即兩者處于不利于季風爆發(fā)狀態(tài)的共同作用，使季風爆發(fā)異常偏晚.第三，海溫信號為正異常，但MJO處于有利位相(即西太平洋位相)導致爆發(fā)偏早(1994、2005)或接近正常(1995)，這些年5月上旬初至上旬末MJO就從東印度洋向東移入西太平洋區(qū)域活動(圖8c)，從而使夏季風在5月初或5月中旬爆發(fā).第四，海溫信號為負異常，由于MJO處于有利位相，導致爆發(fā)偏早幅度遠遠超過海溫負異常幅度.2009年是這種類型的典型個例，2009年是1979年以來最早爆發(fā)的年份，爆發(fā)日期標準化值(-2.5)異常程度遠遠超過海溫(-1.2)，這一年從3月底至4月底MJO強度一直異常強(超過2.0)，3月29日開始在西印度洋發(fā)展之后逐漸向東移動，在中東印度洋(第3位相)進一步加強，4月15日東移至西太平洋區(qū)域，兩天后(4月17日)季風建立(見圖8d紅色曲線).可見，2009年是海溫和MJO兩個有利因素同位相疊加，共同作用使季風爆發(fā)偏早.第五，海溫信號正異常明顯，但由于MJO處于季風爆發(fā)有利位相，導致爆發(fā)時間偏向正常.1992年和1998年就屬于這種情形，這兩年海溫異常分別達到1.7和1.4，但爆發(fā)時間僅為0.6和0.4.其中1992年5月上中旬(6—20日)MJO在西太平洋活動長達半個月，雖然16日之前強度較弱，但17日開始有所加強并持續(xù)5天，21日季風則爆發(fā)(圖8d綠色曲線)；1998年5月上旬后期開始加強，5月13日東移進入西太平洋區(qū)域并持續(xù)加強(強度最強超過3.0)，在該地區(qū)活躍8天后季風爆發(fā)(圖8d藍色曲線).綜合以上五種情形可以歸為兩大類：第一類是由于MJO處于有利位相(即西太平洋位相)，使得爆發(fā)時間明顯早于根據(jù)海溫信號所估測的時間，包括上述第三、四、五種情形；第二類是由于MJO處于不利位相(即印度洋位相)，使得爆發(fā)時間明顯遲于根據(jù)海溫信號所估測的時間，包括上述第一、二種情形.統(tǒng)計表明，第一類爆發(fā)前MJO在西太平洋位相且強度較強的平均持續(xù)天數(shù)為5天，平均強度為2.0；第二類爆發(fā)前MJO在西太平洋位相且強度較強的平均持續(xù)天數(shù)為4天，平均強度為1.6.說明第一類爆發(fā)前的MJO強度更強，進入西太平洋位相時間較長.

表1　1979—2013年南海夏季風爆發(fā)時間、與海溫信號的一致性、爆發(fā)日的MJO強度和位相

注：*、**、+、++分別代表爆發(fā)偏早、異常偏早、偏遲、異常偏遲.

表2　MJO起調制作用五種情形的海溫及MJO特征

圖8　南海夏季風爆發(fā)日及之前15天(a、c、d)或20天(b、e)的MJO活動位相圖(a) 1985、1989、2006年； (b) 1987、1991、1993年； (c) 1994、1995、2005年； (d) 1992、1998、2009年； (e) 2000、2001年.

圖9　MJO位相圖(a) 2014年5月1日—31日； (b) 1989年4月9日—5月19日.

以上分析表明，爆發(fā)日期與海溫信號不一致的年份絕大多數(shù)(占12/14)與MJO活動密切相關，特別是近35年6個超過1.5倍標準差的異常爆發(fā)年份，就有4個異常年份受到MJO很明顯調制作用.從本文引言提到的2014年來看，5月份MJO活動相當異常，5月上半月MJO從第8位相至第1、2、3位相向東移動，但隨后MJO卻沒有如通常那樣持續(xù)向東移進西太平洋，而是在印度洋減弱停滯甚至西退，直到5月底才在西印度洋重新加強(圖9a)，MJO這種活動特征確實不利于南海夏季風的爆發(fā).可見考慮MJO的調制作用對于提高季風爆發(fā)預報水平具有重要意義，季節(jié)內尺度的MJO活動與年際尺度的海溫變化共同對南海夏季風爆發(fā)遲早產生影響.當然，爆發(fā)日期與海溫信號一致的年份，并非完全不受MJO活動影響，換句話說，當強MJO西太平洋位相與年際海溫背景較為匹配，則應該認為是兩者共同作用的結果，當MJO較弱則主要受海溫的影響.

5.2MJO與熱帶海溫和孟加拉灣氣旋性環(huán)流的協(xié)同作用

上文結果表明，由于MJO西太平洋(印度洋)位相有利于(不利于)南海夏季風爆發(fā)，使得一些年份季風爆發(fā)時間明顯早于(遲于)根據(jù)海溫信號所估測的時間.我們知道，赤道MJO各季節(jié)都存在，冬季甚至比夏季更強.那么在春夏季節(jié)轉換期間，是否存在MJO處于西太平洋位相而季風不爆發(fā)的情形？若有的話，同樣是MJO西太平洋位相，為什么有時爆發(fā)有時不爆發(fā)？

通過每年普查可以發(fā)現(xiàn)，在海溫信號預估爆發(fā)時間的前后一個標準差時間范圍內，出現(xiàn)強MJO處于西太平洋位相但季風卻不爆發(fā)的是1989年4月中下旬.從1989年5月19日季風爆發(fā)之前40天的MJO活動位相圖(圖9b)可以看出，除了爆發(fā)期間MJO處于西太平洋位相之外，在4月17—30日長達14天的時間段，MJO活動于西太平洋位相且強度超過1.5.

已有研究表明(毛江玉，2002；Mao et al.，2003；吳國雄等，2013；李汀和琚建華，2013)，亞洲夏季風首先在孟加拉灣爆發(fā)，隨后向東推進南海夏季風才爆發(fā).從近35年合成分析進一步表明，在季風爆發(fā)之前的1—2候，孟加拉灣地區(qū)有顯著的氣旋性環(huán)流變化(圖10a)，該氣旋性環(huán)流異常與已有研究(Wu et al.，2011；吳國雄等，2013；朱志偉和何金海，2013)所揭示的孟加拉灣季風爆發(fā)渦旋相一致.可見，孟加拉灣地區(qū)的氣旋性環(huán)流異常是南海夏季風爆發(fā)的前提條件和前期信號.從1989年4月中旬至5月孟加拉灣區(qū)域渦度變化情況來看(圖10b)，在4月中下旬基本都為負渦度，5月上旬則在零值上下波動，5月13日開始正渦度明顯加強.上述提到的強MJO處于西太平洋位相的4月17—30日這段時間，孟加拉灣地區(qū)的氣旋性環(huán)流仍未形成，因此南海夏季風不能爆發(fā).另外，2000、2001年海溫異常(圖7紅虛線)有利于爆發(fā)偏早， MJO雖然強度不穩(wěn)定，但處于有利于爆發(fā)的西太平洋位相(圖8e)，然而，這兩年的5月2候之前孟加拉灣氣旋式環(huán)流還不活躍(圖略)，因此實際爆發(fā)接近正常.綜合以上分析說明，南海夏季風爆發(fā)預測需要考慮MJO與熱帶海溫和孟加拉灣氣旋性環(huán)流的共同作用.

當然，MJO與孟加拉灣低渦之間也存在一定聯(lián)系.近期研究發(fā)現(xiàn)(Li et al. 2013)，孟加拉灣低渦經常受熱帶印度洋第一支北傳季節(jié)內振蕩激發(fā)形成，而第一支北傳季節(jié)內振蕩則源于赤道西印度洋向東傳播的MJO，至東印度洋轉向北孟加拉灣.春季MJO第一次轉向北傳的可能物理機制包括兩方面，第一是背景場對流不穩(wěn)定的經向不對稱，第二是邊界層濕度擾動在MJO北側起引導作用，兩者共同使季節(jié)內振蕩從赤道東印度洋轉向北傳播至孟加拉灣，從而形成孟加拉灣低渦.

6結論與討論

利用1979—2013年NCEP-DOE資料的大氣多要素日平均資料、美國NOAA日平均向外長波輻射資料和ERSST月平均海溫資料，分析赤道MJO活動與南海夏季風爆發(fā)之間的聯(lián)系，考察MJO活動與年際海溫背景的協(xié)同作用對南海夏季風爆發(fā)遲早的影響.主要結論有：

(1) 赤道MJO活動與南海夏季風爆發(fā)關系密切，當MJO濕位相處于西太平洋位相(即4、5、6、7位相)時，有利于南海夏季風爆發(fā)，而當MJO濕位相處于印度洋位相(即第8、1、2、3位相)時，則不利于南海夏季風爆發(fā).

(2) 赤道MJO活動影響南海夏季風爆發(fā)的物理過程主要是大氣對熱源響應的結果.當MJO濕位相處于西太平洋位相時，一方面熱帶西太平洋對流加強使?jié)摕後尫旁黾樱瑢е绿幱跓嵩次鞅眰鹊哪虾！鞅碧窖蟮貐^(qū)對流層低層由于Rossby響應產生氣旋性環(huán)流異常，氣旋性環(huán)流異常則有利于西太平洋副熱帶高壓的東退；另一方面菲律賓附近熱源促進了對流層高層南亞高壓在中南半島和南海北部建立，使南海地區(qū)高層為偏東風，從而高低層相互配合有利于南海夏季風建立.當MJO濕位相處于印度洋位相時，熱帶西太平洋對流減弱轉為大氣冷源，情況基本相反，從而不利于南海夏季風建立.

圖10　(a) 1979—2013年南海夏季風爆發(fā)之前1候的850 hPa風(矢量，單位m·s-1)和渦度(等值線，單位10-6s-1)距平合成場(顏色區(qū)為渦度距平超過0.05顯著性檢驗)；(b) 1989年4月11日—5月19日孟加拉灣區(qū)域(75°E—90°E，10°N—20°N)平均渦度(柱狀)及其5天滑動平均(紅色曲線)

(3) 季節(jié)內尺度的MJO活動與年際尺度的海溫變化協(xié)同作用，共同對南海夏季風爆發(fā)遲早產生影響.近35年南海夏季風爆發(fā)時間與熱帶海溫信號一致(不一致)的有21年(14年)，爆發(fā)時間與海溫信號不一致的年份絕大多數(shù)(占12/14)由季節(jié)轉換期間的MJO活動特征而造成，即由于MJO處于有利位相(即西太平洋位相)或不利位相(即印度洋位相)，使得爆發(fā)時間明顯早于或遲于根據(jù)海溫信號所預測的時間.

(4) MJO對季風爆發(fā)時間的影響需要考慮孟加拉灣氣旋性環(huán)流這一前提條件.1989、2000、2001年的熱帶海溫和MJO條件有利于季風偏早爆發(fā)，但由于孟加拉灣氣旋性環(huán)流條件不配合，使實際爆發(fā)時間接近正常.

本文結果說明，綜合考慮年際海溫、赤道MJO活動、孟加拉灣環(huán)流變化因子對于提高季風爆發(fā)預報水平具有重要意義，例如，近35年中的6個異常爆發(fā)年份，就有4年需要考慮MJO信號才能有效降低預報誤差.當然，季風爆發(fā)成因復雜，除了熱帶海溫和MJO外，也受中高緯度地區(qū)的大氣內動力和外強迫等諸多因素的影響(溫之平等，2006；于樂江和胡敦欣，2008；林愛蘭等，2010a；2010b；林愛蘭等，2013a)，例如何金海等(2007)綜合分析認為，副熱帶季風建立后南壓促發(fā)了熱帶季風的爆發(fā).從氣候態(tài)來講，青藏高原對亞洲夏季風爆發(fā)有錨定作用(吳國雄等，2013).從年際變化來看，青藏高原熱狀況和積雪多寡影響季風爆發(fā)遲早(毛江玉和吳國雄，2006；于樂江和胡敦欣，2008；李青等，2008).青藏高原3 月份積雪偏多(少)與南海夏季風爆發(fā)偏遲(早)對應，其物理過程主要是青藏高原的積雪異常會影響到其上空的溫度異常和高層海陸間的溫差, 一方面使得南亞高壓向西北移動的速度發(fā)生變化, 另一方面影響到低層大氣的運動(于樂江和胡敦欣，2008).數(shù)值模擬試驗結果進一步證實了高原積雪對南海夏季風爆發(fā)的影響過程(周悅等，2011).因此，在實際業(yè)務預報中需要更全面地考慮這些不同影響因素和各種時間尺度的影響.

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(本文編輯何燕)

基金項目國家重大科學研究計劃項目(2014CB953901)；國家自然科學基金項目(41575043)；廣東省科技計劃重點項目(2012A030200006)資助.

作者簡介林愛蘭，女，研究員，主要從事熱帶季節(jié)內振蕩、熱帶季風氣候研究.E-mail:allin@grmc.gov.cn

doi:10.6038/cjg20160104 中圖分類號P461,P401

收稿日期2014-10-31，2015-10-10收修定稿

Impact of equatorial MJO activity on summer monsoon onset in the South China Sea

LIN Ai-Lan, GU De-Jun, LI Chun-Hui, ZHENG Bin

InstituteofTropicalandMarineMeteorology/GuangdongProvincialKeyLaboratoryofRegionalNumericalWeatherPrediction，ChinaMeteorologicalAdministration，Guangzhou510080，China

AbstractPrevious studies show that the interannual and interdecadal variability of sea surface temperature (SST) and the variation of the atmospheric intraseasonal variations are the factors that affect summer monsoon onset in the South China Sea (SCS). However there is little analysis about physical relationship between the equatorial Madden-Julian Oscillation (MJO) activity and the SCS summer monsoon onset. This paper attempts to study the impact of MJO activity on SCS summer monsoon onset and its synergy with tropical SST signal.

KeywordsEquatorial MJO; South China Sea summer monsoon; Onset; Sea surface temperature; Synergistic effect

林愛蘭， 谷德軍， 李春暉等. 2016. 赤道MJO 活動對南海夏季風爆發(fā)的影響.地球物理學報，59(1):28-44,doi:10.6038/cjg20160104.

Lin A L, Gu D J, Li C H, et al. 2016. Impact of equatorial MJO activity on summer monsoon onset in the South China Sea.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(1):28-44,doi:10.6038/cjg20160104.