东亚与中国南海夏季风的相互作用： 季节内季风模式外文翻译资料

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Interaction between the Summer Monsoons in East Asia and

the South China Sea:Intraseasonal Monsoon Modes

TSING-CHANG CHEN, MING-CHENG YEN,* AND SHU-PING WENG

Atmospheric Science Program, Department of Geological and Atmospheric Sciences, Iowa State University, Ames, Iowa

(Manuscript received 2 September 1998, in final form 3 May 1999)

东亚与中国南海夏季风的相互作用：

季节内季风模式

TSING-CHANG CHEN, MING-CHENG YEN,* AND SHU-PING WENG

摘要：东亚夏季风以梅雨锋为特征，而东南亚夏季风以从中南半岛北部伸展到菲律宾海的季风槽为特征，这两个主要的季风系统被北太平洋的反气旋所分开。正如850hPa纬向风以及主要区域上空的积云对流所显示，这两个季风系统之间存在一个明显反相的季节内变化。主要采用两种方法来探索产生这种反相变化的原因：1）850hPa的纬向季风指数与850hPa流函数场之间的遥相关系数特征图和2）850hPa流线和120°E此处的纬向风合成图。结果表明这两个季风系统之间的反相变化是由环流异常引起的，该环流异常是与从赤道到20°N东北向移动的30-60天季风槽/脊和沿15-20°N向西传播的12-24天季风低压/高压系统。这篇文章中所得的结果被用来解释经常讨论的东亚季风现象：1)梅雨开始时长江流域梅雨锋的迅速北移与梅雨锋的南北振荡有关和2）中国东部三个径向的强降水区域是由与季节内季风涡旋（中心位于中国南海北部）相关的深厚的积云对流带的调整所形成的。

1. 引言

东亚夏季风以梅雨锋为特征，梅雨锋是气候学中主要的大气环流辐合区域之一。在夏季风期间，梅雨锋一直从中国南部延伸到日本和阿留申群岛，并且存在明显的湿度梯度（但是没有温度梯度）。来源于中国南海和赤道西太平洋的水汽通过西南季风沿着梅雨锋输送。锋面的湿度和降水是由水汽通量辐合来维持的，这种水文过程是由大尺度的辐散环流导致的。随着季节的推进，梅雨锋在5月从中南半岛北部北移到长江流域，在6月初到达日本南部。但是这种向北的移动并不是一直不变的，而是经历了由季节内全球辐散环流的向东移动导致的季节内南北振荡。因此，东亚季风的季节内演变是经向环流调整的。

分析东亚夏季风降水的短暂演变，Lau等指出主要季风降水的开始时期：第一个时期是6月上半月发生在中国的梅雨，第二个是7月末发生在中国东北部。正如Lau等的东亚夏季风降水的经验正交函数分解分析指出，这主要的三个雨带的快速转变是由于30-60天和12-24天季节内季风模式的锁相导致的。

中国南海和赤道西太平洋的水汽来源于西风季风和东贸易风输送的水汽通量辐合，据观测南亚季风西风的强度经过了30-60天季风槽/脊向北传播的调整，并且与北太平洋反气旋相关的东贸易风在向东传播过程中不断振荡。出于这些原因，中国南海和赤道西太平洋的水汽和水汽通量发生季节内波动。由于降水是由水汽通量的辐合维持的，中国南海和赤道西太平洋的季风降水经历了季节内波动。事实上，这种猜测是由Lau和Chan发现的季节内时间尺度赤道对流的偶极子结构所支持的，他们通过印度洋和中国南海、赤道西太平洋之间的放射长波辐射的EOF分析所发现的。

通过检验中国南海夏季风的时间变化，Chen指出在中国南海和赤道西太平洋的30-60天的季风槽/脊与全球30-60天的辐散环流相一致。中国南海夏季风的生命周期是由30-60天的季风槽/脊所调整的，以当季风槽（脊）移动至15-20°N时季风环流强度达到其最大值（最小值）来计算。中国南海夏季风的爆发会与中国南海北部的锁相一起发生。北部大部分地区与这两个季节内季风模式相关的的环流异常有可能会到达长江流域。

正如之前的研究所示，季节内振荡存在于东亚和中国南海、赤道西太平洋区域的夏季风之中。对于东亚而言，梅雨锋经历了南北移动的季节内振荡，因此降水也呈现出季节内波动。在中国南海和赤道西太平洋区域，夏季风的生命周期、积云对流和水文过程都是经过了季节内季风模式的调整。考虑到在这两个区域季风的季节内振荡，我们会提出一个问题：在东亚和中国南海赤道西太平洋这两个区域之间夏季风的季节内振荡是否有系统的物理上的联系？在检验梅雨开始期间中国东部上层环流的演变的过程中，Yeh等人呈现了一系列的3-KM流线图，这些图中所表现出的天气发展表明梅雨的开始在某些程度上与季风槽的北移有关。基于在140°E对流指数的y-t图，Chen和Murakami指出与赤道辐合带相关的积云对流在梅雨锋向南移动时加强。因此，在东亚和中国南海赤道西太平洋区域夏季风的季节内振荡有物理联系。

到目前为止，用来解释在这两个区域之间季风的物理联系的机理还没有得到系统的验证。考虑 Yeh 等人和Chen、Murakami的研究，这两个季风系统的耦合或许可以用梅雨锋和中国南海夏季风的生命周期之间一致的季节内振荡来解释。主要采用两种数据来源来开展这项研究任务：NCEP-NCAR1979-1993年期间的再分析资料和GMS观测的准黑体温度资料。相关结果将在下面的行文中呈现出来。这两个季风系统之间可能的耦合可以用第二部分一致的季节内振荡来解释，可能的耦合机理可以用第三部分合成的天气图和纬向风的遥相关系数图来证明，第四部分讨论了这两个经常讨论的东亚季风现象的可能影响：1）上层西风和梅雨锋在梅雨开始期间的快速移动和2）中国东部三件东西向强降水事件。第五部分则总结概括全文。

1. 可能的耦合标志

a.季风的时间序列指数

为了显示季风强度和生命周期的短暂变化，我们采用了月降水和低层风作为季风指数。由于这个原因，我们可以推断出一些在东亚和东南亚夏季风可能的耦合标志，它们是与梅雨锋和季风槽相关的气候学区域的时间序列指数。

由于在这些开阔海域没有降水资料，将采用卫星资料来代代替降水资料。Arkin和Ardanuy推测赤道降水可以用低于235W m^-2临界值的放射长波辐射值来估计，Nitta和Sekine则推测深厚的积云对流与大概在400hPa高度的云顶低于250K的温度值（T_BB）有关。Chen 和Chen用270K作为临界值来总结低对流云。对于降水和积云对流，我们定义下面两个对流指数：

Delta;OLR=235 W m^-2 -OLR和Delta;T_BB=270K-T_BB

如图1中所示的P、Delta;OLR、Delta;T_BB和850hPa风速u的时间序列直方图，左图是1979年，右图是1989年，为何要选择这两个夏季将会在后面解释。受到东亚和西太平洋夏季环流季节内变化的影响，大值中心的位置每个夏季都是不同的。在图1中，上面的直方图是长江流域南部的时间序列图，下面的是在中国南海和赤道西太平洋南部的季风槽的时间序列。为了便于比较，上面的直方图上下用黑点标绘出来，东亚和中国南海、赤道西太平洋区域的夏季风可以用季风指数很好的标明出来。在简介中引用的之前的研究指出两个季风系统的变化是30-60天和12-24天的季风模式调整得来的，为了标明这两个季节内模式在季风系统变化中的作用，我们将30-60天、12-24天季风指数的过滤带通叠加（图1中用实线表示）组合起来。这些指数主要有以下显著的特点：

1. 梅雨锋经历了一个南北季节内振荡，并且东亚季风受到季节内模式北移的影响，降水呈现出一个季节内的波动，这些东亚季风短暂的变化可以用上述指数来反映。
2. 中国南海、赤道西太平洋夏季风的生命周期基本上受30-60天季风槽脊的北移调整，并且30-60天、12-24天季风低压之间的锁相也会经常引起它的爆发。由于中国南海、赤道西太平洋区域经历了明显的季节内波动，这些区域的季风指数会发生季节内波动也不足为奇。
3. 所有季风指数的波谱分析显示30-60天、12-24天有明显的标志，但是并不一定会同时存在于季风系统中，在季风发生时，一个季节内模式有可能会比另一个更加显著。季风指数过滤带通之间的比较清楚的显示在1979年夏季，30-60天的模式更加显著，而在1989年12-24天的模式则起主要作用。因此，我们才选着这两年来显示两个季节内模式可能的耦合。
4. 图1中最有趣也是最重要的特征是两次季风中相同季风指数的反相变化。所有相关的过滤带通季风指数的遥相关系数在1989年都大于-0.7，在1979年夏季，这两者中的u、Delta;OLR遥相关系数分别是-0.7和-0.65，都略低于-0.5，这两者的反相变化肯定不是偶然的，它们之间有很强的物理联系。因此30-60天、12-24天的模式对所有季风指数短暂的变化有很重要的作用。

图1中仅仅显示了两个季风季节的指数，或许有人会质疑是否在其他夏季也存在着季风指数的反相变化，展示所有季节的季风指数的时间序列和柱状图并不能很有效的回答这个问题。因此，我们展示了这两个过滤带通的季风指数之间的遥相关系数来代表所有的夏季。对于大多数的季风季节，u、Delta;OLR、Delta;T_BB的遥相关系数分别在-0.7、-0.6、-0.5之上。显然，这种在两个季风之间的短暂的演变的反相关系在大多数季风季节之间都是存在的。

b.季风区气流的y-t图

通过850hPa风速u或者是东亚季风的积云对流指数的研究，可以推断出梅雨锋的季节内南北振荡。由于这个季风指数是在一个复杂的区域测量得来的，那么必须建立该锋面的纬向区域指数来回答下面的问题：梅雨锋的季节内南北振荡能否与中国南海、赤道西太平洋夏季风的短暂演变相一致？这个问题可以用1979、1989年夏季115°E850hPa风速u的y-t图来解释。为了方便我们的讨论，我们在图上附加了两个季风指数图1）在7.5°N、115°E处的850hPa风速u指数2）梅雨锋115°E处850hPa风速u最大值的位置指数。后者指数是30-60天和12-24天850hPa风速u最大值纬向位置的组合。

季风环流的强度是由低层西风所反映的，因此，1979、1989中国南海夏季风的短暂演变可以由20°N以南的850hPa风速u的y-t图或者这两个季风季节之间的850hPa风速u指数清楚的显示出来。对于东亚夏季季风，我们用850hPa风速u最大值的位置来表明与梅雨锋相关的西南季风的中心。

通过中国南海850hPa风速u指数和梅雨锋位置指数的简单比较，我们可以容易的回答上面所提到的问题。

1. 梅雨锋位置指数的振幅大概在20个纬度，事实上，这种环流特征以及中国南海区域季节内模式的尺度与30-60天的季风槽脊是相关的。
2. 1979、1989年夏季季风梅雨锋的位置指数在南北方向上振荡与中国南海850hPa风速u季节内变化是相一致的。这两个时间序列的遥相关系数分别为0.91和0.95。

这一部分和第二章中a部分所呈现的两个季风系统之间季风指数的季节内变化使我们想到一个基本的问题：东亚梅雨锋的北进和中国南海、赤道西太平洋区域夏季季风强度的季节内变化之间的物理机制是什么？换句话说，是什么导致了这两者的耦合？

1. 耦合机制

分析1956年5月后半月和6月前期的对流层低层的流线图，Yeh等指出梅雨锋的爆发（由切变线的北移导致）与季风槽的北移和东扩有关。通过对Yeh等人的流线图认真分析，还可以发现在季风槽向北移动时，对流层低层的高压系统会从中国南海区域撤退到西太平洋区域。正如之前的研究所示，中国南海、赤道西太平洋区域上空的30-60天的季风槽脊北移与环流异常有关，并且向西传播的12-24天季风模式拥有双核结构，北部中心沿着15-20°N移动，南部中心沿着赤道移动。这两个季风的季风指数的反相季节内变化可能由它们之间的耦合所建立。该讨论将用下面两章的两种方法所论证：1）850hPa风速u季风指数和对流层低层流函数之间的遥相关系数图和2）对流层低层流线图和该区域的纬向风的合成天气图。

1. 遥相关系数图

通过对流函数与季风指数之间的遥相关系数图分析可以推断出夏季风扰动的空间特征，因此，我们建立了850hPa季风西风指数和850hPa流函数场的遥相关系数图。为了便于后面的讨论，我们定义三种临时的物理环境。中国南海、东亚区域的季风指数遥相关系数图，如图4a-4f所示。简而言之，图4中显示的遥相关系数图意味着这两个季风之间的季节内振荡是由环流异常的耦合所致，该环流异常是与30-60天的季风槽脊北移和12-24天季风高低压系统的西向传播有关。但是，这两个季节内模式对季风指数的季节内变化的影响不能直接从遥相关系数图所估计得到的，这种估计或许可以利用该区域的纬向风和流线图的合成图所得到。

b.合成图

为了解释这两个季风系统之间可能的耦合，合成图包括3个临时的变量：总的、30-60天、12-24天。合成过程中用到了下面的标准：

1. 在整个季风季节中国南海纬向风季风指数超出了其标准偏差0.8
2. 当纬向风指数满足标准1时，在中国南海北部有一个明显的气旋闭合中心存在。
3. 对于30-60天季风模式，当850hPa风速指数满足标准1时中国南

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