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南海夏季风的爆发与亚洲副热带高压结构的关系

毛江玉，Johnny C.L. CHAN，吴国雄

中国香港城市大学物理与材料科学系大气研究实验室

中国科学院大气科学研究所，物理流体力学数值模拟国家重点实验室，北京

摘要

利用美国国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的再分析数据，研究了副热带高压结构的变化与南海夏季季风爆发（SCS）的关系。副热带高压的脊面定义为由西北和东南边界 [或者是简单的西-东边界（WEB）。WEB能够很好地代表了副热带高压的三维结构。在热成风的约束下，WEB通常在垂直方向上向暖区倾斜。在亚洲季风地区，冬季对流层不同高度副热带高压脊线是连续的，呈相对带状结构。WEB随着高度的增加向南倾斜，WEB的平均位置更接近赤道。夏季，对流层中下部(上部)副热带高压脊线不连续（连续），WEB向北倾斜或垂直，同时WEB的平均位置位于25-30°N。5月是副热带高压结构变化最明显的时期。

在季节转换过程中，WEB的倾斜度由南向北变化。当WEB垂直球表面或向北倾斜时，经向温度梯度消失或为正，意味着冬季季风被夏季季风所替代。将“季节转换轴”(STA)定义为垂直脊轴，它是由WEB的倾斜度由南向北转换而来的结果。结果表明，STA首先于五月的第一候，在孟加拉湾东部和印度支那半岛上空建立。因此，亚洲夏季季风环流的开始与STA的位置密切相关。当STA在5月第4候到达南海东北部时，南海夏季季风发生。南亚夏季季风的爆发与6月前两候STA在印度中部的建立相一致。基于STA与季风爆发的密切关系，在WEB附近的平均对流层上层(200-500hPa)的区域平均经向温度梯度，可以作为定义南海夏季风爆发的一种指数。与区域平均的850hpa的纬向风和长波辐射确定的季风爆发日期相比，由这三个指标确定的日期与大量个别年份一致。 这意味着STA的建立，或者是经向温度梯度的逆转，能够反映与南海夏季风爆发相关的本质特征的基本特征。

1. 介绍

亚洲夏季风的爆发预示着雨季的开始。降雨时间和降雨量的微小变化有可能产生重大的社会后果(Webster等 . 1998)。东亚夏季风的一个重要组成成分是南海夏季风，He等(2001)认为南海夏季风是连接东亚季风和南亚季风系统的纽带。Lau等人（1998）；Ding和Li（1999）；Chan等（2000）；Lau等人（2002）指出对流层下部由东向西发生了大规模的风向转变，并在南海上空发生了一次深层对流的爆发标志着南海夏季风(SCSSM)的爆发。Tao和Chen（1987）；Ding和Li（1999）；Lau和Yang 1997；Hsu等人指出，在气候学上，南海夏季风在南海上空爆发日期是否在五月中旬左右，至今仍存在分歧。Wu和Zhang(1998)指出，亚洲夏季季风的爆发由三个重要的阶段组成，首先发生是孟加拉湾东部(BOB)，然后是南海，最后是南亚。Fong和Wang(2001)基于他们对850hpa的气候平均风速的分析支持这一观点。事实上，Lau和Yang(1997)以及Webster等人(1998)发现的亚洲夏季风的气候爆发日期，也没有表明SCSSM首先出现在亚洲夏季风系统中。SCSSM在特定年份的爆发日期也会在不同的研究人员中存在差异(如Dai等，2000，He等. 2001)。这些差异表明，需要进一步探讨SCSSM的爆发特征以及整个亚洲夏季风的演变。

南海季风实验(SCSMEX)于1998年在南海进行，为研究南海季风活动的物理过程提供了良好的机会。基于SCSMEX期间可用的观测数据，许多研究人员调查了1998年SCSSM的爆发情况，并且认为它发生在5月20-25日(Chen等.2000年；Ding和Liu 2001；Xu和Chan 2001；Lau等. 2002；Lau等. 2002)。不幸的是，这种全面的数据并不是每年都能得到，用来研究SCSSM爆发相关的气候特征。因此，有必要进行综合研究。

季风不仅是风向的季节性变化，也是热带、副热带及相关中纬度地区气压分布的季节性变化。以往的研究都强调了副热带高压对季风的影响。例如，Tao和Chen(1987)报道西太平洋副热带高压(WPSH)和南亚高压(SAH)是东亚季风系统的重要组成部分。西太平洋副热带高压脊的经向移动及其纬向移动影响了其东南气流与西南气流交汇处的位置，即索马里跨赤道气流的交汇处，从而影响了与夏季风有关的对流。近年来，与夏季风有关的深对流冷凝加热也被证明有助于副热带高压的形成和变化(Hoskins 1996；刘等. 2001；Rodwell and Hoskins 2001)。因此，夏季风与副热带高压之间存在着明显的相互作用关系。

大多数季风的基本驱动力是陆地和海洋之间的差异加热，以及由此产生的夏季和冬季半球之间产生的压力梯度力(Webster等. 1998)。由于夏季季风的爆发发生在一个从凉爽干燥到温暖潮湿条的过渡季节，除了对流层低层风场外，还不可避免地受到地转平衡和静水平衡约束，与整个对流层的温度场、气压场和风场的变化有关。因此，连接热带和中纬度大气环流的副热带高压带是亚洲季风系统的一个重要特征。Li和Zeng(2000)认为，显著的季节性与副热带高压密切相关，副热带高压的脊线在1月和7月与具有显著季节性的区域大致一致。Mao等人(2002)通过理论研究和数据分析发现，西东边界面(WEB)很好地代表了副热带高压带的三维结构。WEB代表了位势高度(气压)的最大值，是东风带和西风带之间的垂直切变带。因此，它可以作为气压场和风场基本特征的代表。由于垂直风切变依赖于经向梯度(MTG)，所以WEB结构的变化也可以反映温度场的变化。这些结果表明，WEB可能是季风季节变化的一个很好的指标。换言之，利用WEB来研究亚洲夏季季风爆发和演化提供了一个三维可视化的与亚洲夏季风有关的基本特性，而与简单的场相比，如低对流层中的降雨量场或风场，只考虑了季风的二维的方面。Li和Yanai(1996)发现亚洲夏季风的爆发与青藏高原南部的对流层上部MTG的逆转同时发生。然而，亚洲夏季风在亚洲不同地区并不是同时形成的。MTG在哪个纬度范围和哪一层能够指示某一特定地区的季风开始?对MTG与WEB之间关系的详细分析将提供关于应使用哪一层和什么范围来定义季风开始的信息。这样的信息将有助于更好地理解在亚洲不同地区在夏季风爆发期间的相似点、不同点和联系。

在本文中，从WEB的角度出发，整个对流层的副热带高压带被认为是一个整体，用来联系亚洲夏季风发生的气候特征。一个推论的目标是澄清关于SCSSM爆发是否是亚洲气候平均水平上最早爆发的争论。从理论上讲，由于海陆热力对比引起的WEB附近经向温度梯度的变化会导致WEB倾角的断裂和转换。因此，这里的方法是基于多年来的数据合成，来研究WEB的转换与低层东风向西风的转变和降雨之间的联系。

第2节描述了所使用的数据，并对WEB进行了理论分析。第3节和第4节分别研究了WEB倾斜度的断裂和转换，以及它们与亚洲夏季季风发生的关系。在第5节中，这些结果用于与的SCSSM爆发的日期相联系。第6节给出了总结和讨论。

2. 网络的数据和理论讨论

2.1数据

在这次研究中使用的数据是是全球国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP / NCAR) 月平均和日平均的再分析数据产品(Kalnay 等 . 1996年)，其中包括在从1958年至2001年，17层标准气压下，水平分辨率为2.5°纬度2.5经度°网格的风、位势高度、温度、垂直运动和特定湿度，候平均由日平均构成。长期平均是根据1968-1996年期间计算的；这个气候时期可以用来避免1968¹年以前的一些问题。

NOAA的月平均和日平均输出长波辐射(OLR)数据也采用2.5°纬度2.5°经度网格，跨度为1974年6月至2001年12月(1978年8个月除外)。气候日平均包括1979-1995年(计算中不使用闰日)。

2.2WEB倾角与水平温度梯度的关系

地转风关系可以写成：

（1）

其中为地转纬向风分量，为科里奥利参数，为位势高度。理论分析和数据诊断都表明，对于行星尺度和大尺度大气运动，在远离赤道5°以上的纬度上，地转风关系在很大程度上是有效的(如Li and Chou 1998；Mao2001年)。

以北半球的副热带地区为例。在线上，根据(1)，在y方向上有极值。极值是最大值还是最小值取决于的二阶导数。在副热带高压脊附近，，因此达到最大值。

也就是说线，也是副热带高压的脊线。本文的副热带高压带的脊线因此被定义为西北风和东南风之间的纬向风的等风速线。因此，将等压面上的脊线连接起来，就构成了一个由西向东的边界面，称为WEB。

热成风关系

（2）

显示了WEB倾角与水平温度梯度之间的关系，其中p为压力，T为温度，R为气体常数。在北半球冬季，对流层温度从赤道向极地下降。根据(2)，因为附近的经向温度梯度网络是负，。因此，随着高度的增加，WEB向南倾斜(图1a)。在北半球的夏季，在对流层低层的副热带高压的脊线被破坏。

1 参见http://www.cdc.noaa.gov/讨论

图1 北半球(a)冬季和(b)夏季WEB的倾斜与高度的示意图

三线表示WEB的表面；E和W代表东风和西风，改编自Mao(2001)

上述分析表明，在大尺度大气运动中，当地转关系成立时，WEB在垂直方向上总是向暖区倾斜，并且倾斜受热风关系的约束。因此，可以根据WEB的倾斜度的变化来考察副热带高压的结构变化和季节转换过程中热结构的变化。

3.网络配置与亚洲夏季季风的发作

本节试图利用WEB的月、候资料，以北半球春季和初夏转变为研究对象，揭示大尺度季风环流的气候特征。

3.1 WEB的时空演化关系识别

为了确定在季节过渡期间，WEB的断裂和亚洲夏季风爆发的关系，首先对WEB的时空结构进行了研究。1月(图2a)，所有脊线均为850 ~ 200 hPa的连续曲线，脊线和WEB随高度的增加而向南倾斜。

在7月(图2d)，对流层中上层脊线位于25-30°N左右。WEB一直向南倾斜到148°E(用实心三角形表示)和22°E以西 (以实心菱形表示)。这表明在这些区域的南侧，WEB附近大气的基本热状态仍然较暖。然而，在亚非季风区，WEB向北倾斜或接近垂直。在中国东部地区WEB向北倾斜更为明显。正是在这一地区，对流层中部的西太平洋副热带高压与对流层上部的南亚高压联系在一起。同时要注意400百帕以下的脊线是不连续的。

4月(图2b)副热带高压带基本保持冬季总体向南倾斜的结构。但是，在60°E(点B)和110°E (A点)，850hPa脊线在700 hPa时向南移动，这说明在这些经度范围内的对流层较低层，WEB的倾斜度是第一个发生变化的。也就是说，根据(2)，850 ~ 700 hPa之间的平均MTG沿10 ~ 20°N，在 60-110 °E内发生逆转。此外，要注意95°E和105°E在850hPa的脊线甚至延伸至500hPa以南。

5月(图2c)，副热带高压带的结构发生了两个重要的变化。一个是WEB的南北倾斜，另一个是东西方向的不连续。可以看出，400hpa以下的山脊线都在BOB上方断裂，而所有层次(850 -200hpa)的脊线在115°E (C点)堆积。在这个点的东部和55°E的西部 (点B)，副热带高压构造仍为冬季型。在90°E和115 °E之间，网络向北倾斜，这是典型的夏季结构。要注意的是，这种倾斜度比7月份大。Mao 等(2002)将脊线轴是垂直的点C，称为“季节过渡轴”(STA)。这些特征与BOB和SCS上空亚洲夏季风的发生密切相关。

南亚副热带高压的结构在70-90°E内更复杂。印度中部700至300百帕之间的WEB向南倾斜，而300百帕以上的WEB则向北倾斜。这表明在印度南部(5-13°N)的对流层中有一个暖中心。WEB的“不连续性”也出现在90°E附近的对流层中部。在北太平洋中部的500和400 hPa的脊线分裂相似，在那里的中太平洋槽切断了副热带高压带(Li和Chou 1998)。4月至5月，南亚高压脊线在200和300百帕的向北传播(图2b及2c)，这表示了南亚高压的发展。

综上所述，可以得出以下的气候观测结论。1)对流层各层副热带高压脊线在冬季是连续的，具有较强的纬向结构。随着高度的增加，WEB向南倾斜，同时WEB的平均位置更靠近赤道；2)在夏季亚洲季风区，对流层中下层副热带高压脊线不连续，但在对流层上部保持连续性。此外，WEB是向北倾斜或垂直的，WEB的平均位置位于25-30°N。南亚高压主体的垂直倾角较小，说明具有等效正压构造；3) 在4月在经度60 - 110°E范围内，对流层下部经向温度梯度在纬度10-20°N发生逆转；4) 5月是副热带高压结构变化最明显的时期。

3.2 WEB的中断过程

为了更详细地研究副热带高压带的断裂过程，分析了候平均演化过程(图3)。在四月的第三候^[2]850 hPa脊线与700 hPa的脊线在SCS的西部 (A点)和阿拉伯海西北部(B点)相交。

显然，在700 hPa以下的A和B之间的WEB的倾斜转换发生时间至少早于3/4候。在1/ 5候之前，活跃对流只存在于5°N以南，80°E以东。当500百帕以上在90-100°E的脊线很接近时，对流层上部的显著变化在5/4候开始。在1/5候前，由于上(下)脊线向北(南)移动，另外两个交点(C和D)出现。与此同时，850百帕脊线在BOB上完全分成两部分。随后，交点C (D)向东(向西)移动。因此，交点C和D代表对流层上部(200-500百帕)脊轴“垂直”的临界状态

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