东亚季风系统时空变化的特点，过程和原因外文翻译资料

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东亚季风系统时空变化的特点，过程和原因

黄荣辉 陈际龙 王林 林中达

中国科学院大气物理研究所 季风研究中心 北京1000190

摘要:这篇文章回顾了东亚季风系统时空变化的特点，过程和原因的最新研究进展。对于东亚季风系统的理解已经在很多方面都取得进步：东亚季风的水平和垂直结构的基本特征，东亚夏季风系统和东亚冬季风系统的年循环，以及东亚夏季风系统和东亚冬季风系统的时空变化特征特别是东亚季风系统的多种模式和他们的时空变化。在理解海气相互作用和大气—陆面相互作用影响东亚季风系统变化的过程方面已经获得了一些新的结论。基于现在的研究，东亚季风系统不仅仅被看作是一个循环系统，更被视为是一个大气—海洋—陆地耦合的系统，即，东亚季风气候系统。换句话说，更深入的研究将在诊断东亚季风气候系统可变性的内部物理机制，特别是关于东亚和北太平洋的东亚太平洋遥相关的属性和特征方面开展。东亚北太平洋的遥相关是沿着位于亚洲大陆对流层上部的西风急流的一个丝绸之路遥相关以及一个似稳的行星波活动对东亚季风系统可变现的动力影响。在文章的最后提出了一些关于理解东亚季风系统可变性的科学问题。

关键词：东亚季风系统 时空可变性 气候系统 东亚北太平洋遥相关

1. 引言

东亚季风系统的特点是夏季吹强的偏南风（如东亚夏季风），在冬季吹强的偏北风（如东亚冬季风），通常，偏南风在夏季会给中国东部，韩国，和日本带来水汽，但在冬季干的西北风盛行于中国北方，中国中部，中国东北部，韩国，日本地区，东北风盛行于中国东部，中国南部，中印半岛。强的夏季风给东亚带来大量的水汽，引起一系列气候灾害如中国南部的洪涝灾害，淮河-长江流域的干旱，以及中国东部，韩国，日本的极端炎热的夏季（Huang et al., 1998a, 2008; Huang and Zhou, 2002）。相反，强的冬季风将给东亚带来大量寒冷干燥的冷空气并将引起一些气候灾害，如在中国西北部，中国东北部，，中国北部，韩国和日本冬季的低温天气，以及在中国西北地区，和中国北方春季的沙尘天气（Chen et al., 2000; Huang et al., 2007b; Gu et al., 2008; Wang and Chen, 2010b）。另外，强的东亚冬季风能够在婆罗洲和印度尼西亚附近的海陆上空触发一些强的对流活动（Chang et al., 1979; Lau and Chang, 1987; Wang and Chen，2010a）。此外，很多研究已经表明，东亚季风系统在全球气候变化，特别是在东亚地区的以后变化上扮演了一个十分重要的角色。(e.g., Tao and Chen, 1987; Chen et al., 1991;Ding, 1994; Chang et al., 2000a, b; Huang et al., 2003,2004a, 2007a).

中国气候变化主要是受到东亚季风系统的影响(Zhu, 1934; Tu and Huang, 1944;Tao and Chen, 1987)。东亚季风系统的年际和年代际变化是十分重要的。因此，气候灾害如夏季的干旱，洪水和冬季的寒潮，冻雨，极端低温频繁在中国发生。(Huang and Zhou, 2002; Huang, 2006; Guet al., 2008; Huang et al., 2011c, 2012b; Barriopedro et al., 2012).特别是从1980年以来，极端的气候灾害已经给中国的农业和工业生产带来了严重的影响。每年由于干旱和洪涝造成的经济损失高达2000亿人民币（约300亿美元，Huang et al., 1999; Huang and Zhou, 2002)。例如，1998年夏季发生在长江流域，松花江流域和嫩江流域的大洪水造成的经济损失高达2600亿人民币（约380亿美元，Huang et al., 1998b）。从2009年冬季到2010年夏季，中国经历了许多极端气候灾害；自2009年11月到2010年1月的出现在中国东北部，西北部和北方的极端低温天气和暴风雪天气(Wang and Chen, 2010b)，2009年秋季到2010年春季出现在中国西南地区的极端干旱天气(Barriopedro et al., 2012; Huang et al., 2012b)，5~7月发生在中国南部，长江流域的洪涝灾害，特别是从7月末到8月初和八月末发生在中国东北的中部和东部的严重的洪涝灾害，以及在中国西北部，中国南方，长江流域和中国北方出现的极端炎热的夏季。这些严重的气候灾害导致的经济损失远远超过了1998年。并且，从20世纪90年代末以来发生在中国北方和中国东北南部的持续的干旱天气不仅仅在农业和工业生产上造成了严重的损失，而且对这些地区的水资源和生态环境也造成了严重的影响。例如，在2009-2010年中国西南地区的干旱导致的水资源的减少造成了全国范围内水电发电量平均减少了20% (Barriopedro et al., 2012)。

这些气候灾害和东亚季风系统的时空变化密切相关(Huang, 2006)。东亚季风系统的变化不仅受大气内部动力和热力学过程影响，也受大气-海洋-陆地耦合系统相互作用的影响。Webster等（1998）提出亚洲-澳大利亚季风能够被看作是一个大气-海洋-陆地耦合系统。类似的，东亚季风系统同样也能被视作一个大气-海洋-陆地耦合系统。我们定义它为东亚季风气候系统与Tao和Chen定义的一般大气环流系统（1987）(以及 Huang et al., 2004a, 2007a)相区别。东亚季风气候系统包括东亚季风环流，西太平洋副热带高压，中高纬度的大气扰动，西太平洋暖池和菲律宾附近相关的对流活动，热带印度洋的热力状态，在热带太平洋的ENSO循环，青藏高原的动力及热力影响，中国西北部的干旱和半干旱地区的地表过程，欧亚大陆和青藏高原的积雪。东亚季风气候系统的时空变化的特点和他们对中国气候灾害的影响在最近这些年已经研究过了。影响这些变化的内部和外部的物理过程最近也已经研究过了。

在本文中，我们概括了在东亚季风系统的时空变化的特点，过程和原因方面的最新进展，特别是在东亚夏季风和东亚冬季风系统的时空变化，大气-海洋-陆地耦合系统对东亚季风系统变化的影响和过程以及东亚季风系统变化的内部动力和热力动力机制方面。这篇文章将主要关注最近五年中国的研究进展。

1. 东亚夏季风系统的气候特征

因为南亚季风，东亚季风和北澳大利亚季风之间有紧密的联系，所以一些学者把他们看作亚洲-澳大利亚季风系统的三个子系统。（(e.g.,Webster et al., 1998)。然而，东亚季风的特征和南亚季风和北澳大利亚季风有着显著的不同。根据陶和陈的研究可以看出，东亚夏季风系统由于受到西太平洋副热带高压和中纬度扰动和热带系统的影响因此它不仅具备热带季风性质也具有副热带环流的性质。相反，南亚夏季风却只是一个热带季风。因此，东亚夏季风系统的时空变化的特征可能也与南亚夏季风系统有较大的差异。

• 1. 东亚夏季风系统的环流结构特征

陶和陈（1985）表明东亚夏季风系统的主要成员包括印度西南季风气流，澳大利亚冷性反气旋，沿100°E以东的越赤道气流，南海和赤道西太平洋的季风槽（或赤道辐合带），西太平洋副高和热带东风气流，梅雨锋，中纬度扰动。他们的结论表明虽然东亚夏季风系统与南亚夏季风有关但是一个相对独立的季风环流系统。

最近，陈和黄（2006）分别研究了北纬0°-45°，东经100°-140°地区的东亚夏季风系统的风场结果的气候特征和在0-25°N，60°-100°E地区北方夏季的南亚夏季风系统。他们的结果表明了在东亚夏季风地区的纬向风垂直结构，包括在25°N以南的地区的垂直东风切变，如南海和热带西太平洋和在25°N以北的副热带地区的垂直西风切变，如中国大陆，朝鲜，日本（如图1a）。相反，南亚夏季风系统是一个纯粹的热带季风，有强的纬向气流和垂直东风切变即低空西风气流和高空东风气流。

图1 东亚地区（20°N-45°N，100°E-140°E）1979-2003年（a）平均纬向风和（b）南亚地区（0°-25°N，60°-100°E）高度-时间剖面图（单位：m/s）在（a）（b）图中实线和虚线分别表示：西风和东风。资料取自NCEP/NCAR再分析资料。

图2除了经向风以外其余和图1类似。

此外，从图2a可以看出，东亚夏季风系统是由热带和副热带夏季风以及重要的经向气流和垂直北风切变即低纬南风和高纬北风组成。和南亚夏季风系统的经向风场组成相比较（图2b），东亚夏季风地区（图2a）的低空偏南风和高空偏北风比南亚夏季风系统更强。

东亚季风系统和南亚季风系统每年风向的差异可以从东亚和南亚的纬向风和经向风的高度-时间截面看出（图1和2）.从6月上旬强西风盛行于南亚500hPa以下的对流层低层，强东风盛行于对流层高层（高于500 hPa）（图1b）。然而，从十月上旬开始，在对流层低层700 hPa西风变成东风，然而在这一地区500 hPa以上的对流层上层东风变成了西风。因此，在南亚季风地区，冬夏季风是年际风循环显著取决于纬向风场。然而，由图1a和图1b的比较可以看出在东亚对流层地区纬向风的季节性反向在南亚季风地区并不明显。在图2a中可以看出，经向风的季节性反向显著分别发生在六月初和九月中旬的东亚上空对流层低层和对流层高层。

从这些分析中可以看出，夏季和冬季季风的年际循环主要表现在东亚季风地区经向风场组成，这与南亚季风系统有明显的不同。

• 1. 东亚夏季风地区水汽输送的特征

最近，陈和黄（2007）利用1979-2002年ERA-40再分析资料详细分析了东亚夏季风和南亚夏季风的水汽输送。他们的研究表明东亚夏季风地区的水汽输送特点与南亚夏季风地区有很大的不同。东亚夏季风的气候态降水主要受到来自孟加拉湾，南海，热带西太平洋的三支水汽输送的影响。他们的研究表明，在南亚夏季风地区，纬向水汽输送占主导而经向输送却相对较小，但是经向水汽输送却在东亚夏季风地区占主导。在图3a和3b中可以看出，他们的差异更明显的表现在与季风降水有关的水汽输送的散度上，这是由于在东亚夏季风地区的湿平流和风场的辐合导致的，在南亚夏季风地区季风降水却主要取决于风场的辐合。这个结论也很好的支持了黄荣辉的研究（1998a）。

图3 基于ERA-40再分析资料（Uppala et al.,2005）北方夏季在亚洲季风地区平流（a）水汽散度的分布（b）风场的散度 在（a）和（b）中实线和虚线分表表示辐散和辐合，阴影为辐合的区域 单位：mm

黄和陈（2010）利用ERA-40再分析资料分析了东亚夏季风地区和中国西北部的干旱和半干旱地区夏季水汽输送的差异。结果表明在东亚夏季风地区和中国西北部的干旱和半干旱地区夏季水汽输送有很大的差异。因为由亚洲夏季风带来的大量的水汽主要是从孟加拉湾，南海，赤道西太平洋吹向东亚夏季风地区，在中国南部和长江流域经向水汽输送通量比纬向水汽输送通量大。相反，由于强的中纬度西风带的影响在中国西北部干旱和半干旱地区的夏季纬向水汽输送通量比经向大。在这些地区的水汽散度主要取决于水汽平流。除此之外，不论是纬向水汽输送通量还是经向水汽输送通量在干旱和半干旱地区都只有东亚夏季风地区的10%左右，这使得中国西北部只有少量的夏季降水，引发干旱灾害。

• 1. 东亚夏季风系统的云系特征

最近，杜等（2011）报道了东亚夏季风地区的云系与南亚夏季风地区有很大的不同。因为在东亚夏季风地区和南亚夏季风地区的环流结构和水汽输送有很大的不同。他们利用12年的热带降水测量任务的降水数据分析了对流降水和层状降水的时空分布的特征。他们的结果表明对流降水和层状降水的空间分布在东亚夏季风地区随着纬度变化（图4）。在25°N以北的副热带季风地区，夏季层状降水的比例占总降水量的60%。这个比例与25°N以北的纬度成正相关，他也随着地区变坏。相反，在25°N以南的地区，夏季降水主要取决于对流云系，对流云降水占到了总降水量的50%，并且这个比例在这个地区是不变的。因此，在东亚夏季风系统地区的夏季降水云系在25°N以北主要是层状云系，在25°N以南则主要是对流云系。相反，在南亚季风系统地区，夏季降水主要是对流云系。付等（2003）和刘和付（2010）利用1998-2007期间热带降水测量任务的降水数据分析了亚洲季风地区的对流降水和层状降水的季节特征以及中国南方夏季层状降水和对流降水的气候特征。他们的结论也表明在中国南方层状降水量与对流降水量是相当的。这些研究可以解释在东亚夏季风系统地区夏季降水云系由层状云系和对流云系混合组成。这个混合体使得利用数值模式对东亚夏季风系统进行参数化变得困难。（如程等1998）。

图4 1988-2009年间平均夏季降水分布，（a）为对流降水（b）为层状降水资料为TRMM数据

这些结论可以清晰的表明东亚夏季风系统和南亚夏季风系统是不相同的。虽然东亚夏季风系统受到南亚夏季风系统的影响，但他是一个独立的季风系统。

1. 东亚夏季风系统的时空变化特征

东亚夏季风系统可变性不仅仅受到南亚夏季风系统和西太平洋副高（陶和陈1987；黄和孙，1992）的影响并且也受到中高纬度扰动的影响（陶和

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