亚洲夏季风动力学研究综述

亚洲夏季风按照气候带可以分为东亚副热带夏季风和亚洲热带夏季风。就气候平均而言,东亚副热带夏季风于4月初在我国江南(泛称“华南”)地区建立,而亚洲热带夏季风首先于5月初在孟加拉湾东北部建立,之后向东推进,于5月第4候到达南海,然而夏季风无法直接西传至印度地区,因此印度夏季风的爆发表现为热带对流在阿拉伯海上空自赤道向北逐步推进的特征。东亚副热带夏季风与亚洲热带夏季风的爆发机制和时空变率都存在明显差异。亚洲夏季风的建立与青藏高原的动力和热力强迫作用联系紧密,其中东亚副热带夏季风的建立又与东亚大陆-西北太平洋的纬向海陆热力差异的季节转换紧密联系,而亚洲热带夏季风的爆发则与亚洲南部地区对流层中上部经向温度梯度的季节变化有关。同时,亚洲热带夏季风的建立过程还与亚洲南部高、低空环流的垂直耦合密切相关。就季节内变化而言,东亚副热带夏季风在4月份表现出10～20天季节内振荡,这与青藏高原表面感热的季节内变化有关,而盛夏的东亚副热带夏季风则存在准双周和21～30天两种振荡信号。亚洲热带夏季风的季节内振荡包含30～60天的北传信号和10～20天的西传信号,其中北传信号与环境气流的垂直切变、边界层辐合以及暖SST下垫面有关。亚洲夏季风年际变率的主要外强迫是ENSO事件,同时印度洋和大西洋海温异常、南极海冰以及青藏高原的冬、春季积雪和感热异常也影响着亚洲夏季风的年际变率。而亚洲夏季风的年代际变化既与气候系统的自然变率有关,又受热带海温强迫、人为排放气溶胶浓度和青藏高原表面热状况长期变化影响。      

亚澳季风各子系统气候学特征的异同研究 I.夏季风流场结构

利用1979~2003年的NCEP/NCAR再分析资料探讨了亚澳季风各夏季风子系统(南亚夏季风、东亚夏季风、北澳夏季风)流场结构及其季节演变的气候学特征。结果表明:南亚夏季风和北澳夏季风纯属热带季风,盛行纬向气流和纬向风垂直正切变,即低层西风、高层东风,但北澳夏季风的强度明显弱于南亚夏季风,而东亚夏季风由热带季风和副热带季风组成,盛行经向气流和经向风垂直正切变,即低层南风、高层北风,且纬向气流高低层配置相对复杂,相对北澳夏季风而言,南亚夏季风的低层西风强而深厚,而东亚夏季风的低层南风强而深厚。从热带季风区流场结构的季节演变过程看,这三个夏季风子系统均为垂直斜压结构。三者的共性还表现在热带季风区纬向气流高低层配置的季节性转向,即夏季风爆发时从低层东风、高层西风转换为低层西风、高层东风,夏季风撤退时从低层西风、高层东风转换为低层东风、高层西风。此外,南亚夏季风的季内变化平稳,而东亚夏季风和北澳夏季风的季内变化剧烈;东亚夏季风的经向跨度大、维持时间最长,而北澳夏季风的经向跨度小、维持时间最短。     

亚澳季风各子系统气候学特征的异同研究Ⅰ.夏季风流场结构

利用1979～2003年的NCEP/NCAR再分析资料探讨了亚澳季风各夏季风子系统 (南亚夏季风、东亚夏季风、北澳夏季风) 流场结构及其季节演变的气候学特征.结果表明: 南亚夏季风和北澳夏季风纯属热带季风, 盛行纬向气流和纬向风垂直正切变, 即低层西风、高层东风, 但北澳夏季风的强度明显弱于南亚夏季风, 而东亚夏季风由热带季风和副热带季风组成, 盛行经向气流和经向风垂直正切变, 即低层南风、高层北风, 且纬向气流高低层配置相对复杂, 相对北澳夏季风而言, 南亚夏季风的低层西风强而深厚, 而东亚夏季风的低层南风强而深厚.从热带季风区流场结构的季节演变过程看, 这三个夏季风子系统均为垂直斜压结构.三者的共性还表现在热带季风区纬向气流高低层配置的季节性转向, 即夏季风爆发时从低层东风、高层西风转换为低层西风、高层东风, 夏季风撤退时从低层西风、高层东风转换为低层东风、高层西风.此外, 南亚夏季风的季内变化平稳, 而东亚夏季风和北澳夏季风的季内变化剧烈; 东亚夏季风的经向跨度大、维持时间最长, 而北澳夏季风的经向跨度小、维持时间最短.     

东亚副热带夏季风槽的气候特征及其与南海夏季风槽的比较

利用NCAR/NCEP再分析资料,从气候特征角度研究了东亚副热带夏季风槽的结构和演变特征及其与南海夏季风槽的区别。结果表明,无论是辐合还是对流,南海夏季风槽都强于副热带夏季风槽。南海夏季风槽伸展高度较低,位置少变;而副热带夏季风槽伸展高度较高,并且随高度向北倾斜。南海夏季风槽建立早且突然,表现为对流层低层正相对涡度突然出现,其撤退缓慢;副热带夏季风槽则是渐进式建立,表现为低层云贵高原、广西地区的正相对涡度逐步向东北方向扩展,其撤退较快。南海夏季风槽建立过程中东西风向逆转是一个很明显的指示因子,而副热带夏季风建立过程没有伴随明显的风向逆转,主要特征是西风增强。南海夏季风槽不具备锋面性质,副热带夏季风槽则具备明显的锋面性质。     

东亚副热带季风的季节转变特征及其可能机理

利用NCEP/NCAR再分析数据资料及CMAP降水资料,进一步对东亚副热带季风季节转换特征及其可能机理进行研究。首先根据东亚副热带季风经向风分量的季节性转变特征界定了东亚副热带季风活动代表区;联合“热成风”原理和“热力适应”理论推导得出了“热风雨”关系式,即纬向海陆热力(温度)差异、经向风垂直切变以及与季风雨相联系的垂直运动三者在副热带季风演变过程中的一致相关关系;比较分析了季风区不同时段的区域平均风向垂直变化以及相应的冷暖平流特征。结果表明:冬季风期间,区域平均风向随高度逆转,呈现冷平流特征;夏季风期间,区域平均风向随高度顺转,呈现暖平流特征。同时还分析了区域平均的风向季节转变,讨论了副热带季风经圈环流的演变过程以及相应的地面10 m风场转变过程特征。上述研究表明,无论是纬向海陆温度差异、经向风垂直切变、低层风向角、冷暖平流,还是中高层垂直运动及其相应降水距平都统一于18—22候发生显著季节转变,这说明副热带夏季风应于3月底4月初开始建立。最后给出了东亚副热带季风的季节转换概念框图。      

两种反映东亚夏季风异常的指数的比较研究

本文利用文献^ [4]提出的一种新的反映东亚夏季风异常的海陆温差指数分析了夏季风异常时我国气温、降水异常以及东亚环流状况，通过分析指出，东亚夏季风偏强，则中国东部夏季气温偏高，江淮干旱，华北多雨；夏季风偏弱则夏季气温偏低，江淮多雨，易涝，华北少雨。通过两种夏季风指数的对比，海陆温差指数能更好地反映东亚夏季环流及天气气候异常。文中还指出，海陆温差指数能更好的反映夏季风异常的原因是它的定义方法更科学，更全面的反映东亚海陆热力差异，既包含了东亚纬向海陆热力差异的影响，又考虑了东亚经向海陆热力差异的因素，并用地表气温和海表温度差来表示海陆热力差，好于以往用海平面气压差来反映海陆热力差。     

夏季南海季风槽与印度季风槽的气候特征之比较

亚洲夏季风槽包括两大重要组成部分,即南海夏季风槽和印度夏季风槽.两个季风槽同属于热带夏季风系统,具有热带辐合带的性质.但由于所处地理位置、海陆分布、受到的影响系统不同等原因,两个季风槽有明显的异同点.利用气候平均资料分析,揭示南海夏季风槽和印度季风槽的结构特征和演变特征的异同点,有利于提高对亚洲夏季风系统的认识.作者首先讨论了结构特征方面的差异,从季风槽的对流特征、环流场配置特征、热力结构特征等方面探讨了两个季风槽的区别,分析结果表明南海夏季风槽和印度夏季风槽在结构特征方面区别不算很大,都具有热带季风辐合带的典型结构,低层辐合,高层辐散,有明显的季风经圈环流,热力结构特征均是低层偏冷,中高层偏暖.相对来说,印度夏季风槽比南海夏季风槽强且深厚.其次对南海夏季风槽和印度夏季风槽的演变的气候特征所进行的分析表明,季风槽建立时间与季风爆发时间是一致的.南海夏季风槽爆发早且突然,撤退缓慢,维持时间长;印度夏季风槽则是渐进式的爆发,撤退迅速,维持时间较短.两个季风槽的温湿演变特征也有所不同.     

硫酸盐气溶胶直接辐射效应对东亚副热带季风进程的影响

本文利用全球气候—大气化学模式CAM5 并结合NCEP/NCAR（National Centers for EnvironmentalPrediction/National Center for Atmospheric Research）1950～2009 年再分析资料,讨论硫酸盐气溶胶直接辐射效应对东亚副热带季风爆发、发展和结束进程的影响。模拟结果表明:硫酸盐气溶胶通过直接辐射效应引起东亚大陆大部分地区近地面降温,进而降低了中纬度东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力对比,延迟春初、提早夏末海陆纬向热力差异逆转时间,由此引发东亚副热带季风爆发时间延后了4 候左右,结束时间提前了3 候左右;减小的海陆热力差异导致东亚大陆偏南风减弱、东亚季风减弱以及季风降水的区域调整。我们通过NCEP/NCAR 再分析资料分析亦发现,1980 年以后中纬度东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力差异逆转时间比1980 年以前在春初延迟、夏末提前,导致了副热带季风爆发时间比1980 年之前延后,结束时间提前,东亚大陆偏南风减弱,副热带夏季风系统性减弱,硫酸盐直接辐射效应可能是造成这一结果的原因之一。以往的观测和模拟都表明,由于人为活动的增加,导致1980 年后东亚大陆硫酸盐气溶胶负荷较之前大幅增加,而东亚夏季风减弱,本文的研究进一步确认了两者间关系。     

东亚与太平洋地区热力差异对东亚季风的影响

利用1951-2014年NCEP/NCAR逐月、逐日再分析资料,1979-2014年CMAP降水资料对比分析了夏季各关键区大气热源及大气热源差值的变化特征,利用合成分析等方法探讨了关键区热力转换早晚对东亚副热带季风建立的影响,以及关键区热力差异大小对季风强弱的影响。结果表明,东亚与西太平洋热力转换早(晚)时,副热带季风建立时间早(晚),撤退时间晚(早),副热带季风持续时间长(短),热带夏季风爆发时间偏晚(早)。副热带季风建立的早晚与东亚和西太平洋热力转换的早晚在时间上较为一致。热带夏季风的爆发对副热带夏季风强度的增加有促进作用。高原的热力作用对东亚副热带季风的影响大于对热带季风的影响。海陆热力差值大(小)时,副热带高压脊线位置较常年偏南(北),东亚副热带地区表现为偏南(北)风距平,在低纬南海地区为偏西(东)风距平,高原及东亚大陆地区的上升运动较平均状态偏强(弱),西太平洋大部分地区的上升运动较平均状态偏弱(强)。且热力差值大时,南下的西北风与来自西太平洋的偏南风在30°N左右的副热带地区相汇,有利于此地区的降水的形成。包含高原的东亚与西太平洋热力差值大小比不包含高原的东亚与西太平洋热力差值大小对高度场、风场、垂直速度场的影响均更大。夏季热力差值大小对我国温度与降水的分布均有影响。     

亚洲季风活动及其与中国大陆降水关系

用１９８０～１９９２年ＥＣＭＷＦ的８５０ｈＰａ和２００ｈＰａ资料设计了南亚季风和东亚季风指数,发现南海夏季风的暴发和撤退具有较大的年际差异,南海北部和南部夏季风的暴发和撤退时间也不一致．相关试验表明,南亚季风指数与中国大陆春、夏降水的相关分布型类似于东亚季风指数与降水的相关分布型,且相关系数略高．东亚冬季风指数以南海地区区域平均的８５０ｈＰａ经向风速或纬向风速为好．夏季风指数以南海地区或亚洲区域平均的８５０ｈＰａ和２００ｈＰａ的纬向风速差最佳．     

亚洲季风季节进程的若干认识

简要归纳了不同时期随着观测资料的更新对亚洲季风季节进程的若干认识。南海季风试验前,研究认识了东亚季风系统与南亚季风系统的区别。南海季风试验后,对季风进程有了更多的认识,江南副热带雨季开始于4月初,中印半岛热带雨季开始于4月底,南海热带雨季突然建立于5月中旬,都具有半年际的干湿转换。南海中部季风爆发后,亚洲季风在南亚、青藏高原东侧和东亚-太平洋地区全面爆发并由南向北推进。利用近年来高分辨率资料并考虑热带地区半岛陆海地形与热力的影响,认识到亚洲存在5个夏季季风槽与降水相联系的系统,它们分别是西南亚(阿拉伯海)夏季热带季风、南亚(孟加拉湾)夏季热带季风、东南亚(南海)夏季热带季风、西北太平洋夏季热带季风和东亚夏季副热带季风。     

Seasonal Variation of the Meridional Wind in the Temperate Jet Stream and Its Relationship to the Asian Monsoon

The features of the temperate jet stream including its location, intensity, structure, seasonal evolution and the relationship with the Asian monsoon are examined by using NCEP/NCAR reanalysis data. It is indicated that the temperate jet stream is prominent and active at 300 hPa in winter over the region from 45°-60°N and west of 120°E. The temperate jet stream is represented by a ridge area of high wind speed and dense stream lines in the monthly or seasonal mean wind field, but it .corresponds to an area frequented by a large number of jet cores in the daily wind field and exhibits a distinct boundary that separates itself with the subtropical jet. A comparison of the meridional wind component of the temperate jet stream with that of the subtropical jet shows that the northerly wind in the temperate jet stream is stronger than the southerly component of the subtropical jet, which plays an important role in the temperate jet stream formation and seasonal evolution, and thus the intensity change of the meridional wind component can be used to represent the temperate jet stream＇s seasonal variation. Analysis of the temperature gradient in the upper troposphere indicates that the temperate jet stream is accompanied by a maximum zonal temperature gradient and a large meridional temperature gradient, leading to a unique jet stream structure and particular seasonal evolution features, which are different from the subtropical jet. The zonal temperature gradient related to the land-sea thermal contrast along the East China coastal lines is responsible for the seasonal evolution of the temperate jet. In addition, there exists a coordinated synchronous change between the movement of the temperate jet and that of the subtropical jet. The seasonal evolution of the meridional wind intensity is closely related to the seasonal shift of the atmospheric circulation in East Asia, the onset of the Asian summer monsoon and the start of Meiyu in the Yangtze and Huaihe River Valleys, and it correlates well with summer and wint     

The East Asian Subtropical Summer Monsoon:Recent Progress

The East Asian subtropical summer monsoon(EASSM) is one component of the East Asian summer monsoon system,and its evolution determines the weather and climate over East China.In the present paper,we firstly demonstrate the formation and advancement of the EASSM rainbelt and its associated circulation and precipitation patterns through reviewing recent studies and our own analysis based on JRA-55(Japanese 55-yr Reanalysis) data and CMAP(CPC Merged Analysis of Precipitation),GPCP(Global Precipitation Climatology Project),and TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission) precipitation data.The results show that the rainy season of the EASSM starts over the region to the south of the Yangtze River in early April,with the establishment of strong southerly wind in situ.The EASSM rainfall,which is composed of dominant convective and minor stratiform precipitation,is always accompanied by a frontal system and separated from the tropical summer monsoon system.It moves northward following the onset of the South China Sea summer monsoon.Moreover,the role of the land-sea thermal contrast in the formation and maintenance of the EASSM is illustrated,including in particular the effect of the seasonal transition of the zonal land-sea thermal contrast and the influences from the Tibetan Plateau and midlatitudes.In addition,we reveal a possible reason for the subtropical climate difference between East Asia and East America.Finally,the multi-scale variability of the EASSM and its influential factors are summarized to uncover possible reasons for the intraseasonal,interannual,and interdecadal variability of the EASSM and their importance in climate prediction.     

东亚地区夏季风爆发过程

利用中国194站1961～1995年日降水资料及NCEP1979～1997年候格点降水资料,探讨了亚洲地区自春到夏的雨季开始分布。结果表明,东亚地区自春到夏存在副热带季风雨季开始和热带季风雨季开始。前者于4月初开始于华南北部和江南地区,随后向南和向西南扩展,于4月末扩展到华南沿海和中南半岛,这个雨带主要是冷空气和副热带高压西侧转向的SW风以及南亚地区冬春副热带南支西风槽中西风汇合而形成的,是副热带季风雨季开始。后者是南海热带季风爆发后使原来由江南移到华南沿岸的副热带季风雨带随副热带高压北进而北进,前汛期雨季进入盛期,江南出现第二次雨峰,形成梅雨期和江淮及华北雨季。同时,热带季风雨带也自东向西传播到达南亚地区而形成热带季风雨季。还讨论了1998年东亚地区夏季风爆发过程,指出南海夏季风爆发期的季风由副高北侧形成的新生气旋进入南海造成南海中部西风和南海越赤道气流转向的SW季风加强汇合而形成,因而是东亚季风系统中环流系统季节变化造成的,和印度季风无关。在南海季风爆发期阿拉伯海仍由副热带反气旋控制,南亚仍是上述副热带反气旋北侧NW风南下后转向的偏西副热带气流所控制,索马里低空急流仍未爆发,赤道西风并未影响南海。     

东亚季风研究的进展

中国气象科学研究院曾长期组织和从事东亚季风及其对中国天气和旱涝影响的研究。该文对中国气象科学研究院在东亚季风研究方面取得成果进行综述, 并回顾了20世纪50年代以来国内有关季风的研究活动, 也回顾了影响我国天气气候、东亚季风环流系统的提出及其后续的有关东亚和印度季风系统的相互作用, 引发中国大陆暴雨生成的水汽输送, 表达中国大陆季风活动的季风指数设计等研究结果。综述了南海夏季风爆发、梅雨开始、中国雨季开始及传播等有关研究成果; 东亚季风系统中副热带地区低频振荡纬向和经向传播特征及与赤道地区不同之处, 东亚低频振荡对El Ni?o形成及夏季东亚热带和副热带季风爆发的可能影响, 东亚热带和副热带季风低频振荡对中国天气气候的影响等有关成果; 亚洲地区大气热源的计算及其分布, 青藏高原夏季热源对东亚夏季风及降水的可能影响, 青藏高原冬季冷源对El Ni?o生成的可能影响等有关成果; 东亚季风及降水的年际变化特征, 准4年年际振荡的分析及与ENSO形成间的相互作用, 极地对东亚夏季降水的影响及东亚季风年代际变化特征等成果。综述东亚季风系统形成的可能机制, 特别是亚洲大陆—西太平洋海陆热力差异及非洲、印度半岛、中南半岛及澳大利亚陆地与周围海洋对冬夏季风形成、印度和东亚季风系统形成、南海夏季风形成作用的结果。     

The Role of Land–sea Distribution and Orography in the Asian Monsoon. Part I： Land–sea Distribution

A number of AGCM simulations were performed by including various land--sea distributions (LSDs), such as meridional LSDs, zonal LSDs, tropical large-scale LSDs, and subcontinental-scale LSDs, to identify their effects on the Asian monsoon. In seven meridional LSD experiments with the continent/ocean located to the north/south of a certain latitude, the LSDs remain identical except the southern coastline is varied from 40^o to 4^oN in intervals of 5.6^o. In the experiments with the coastline located to the north of 21^oN, no monsoon can be found in the subtropical zone. In contrast, a summer monsoon is simulated when the continent extends to the south of 21^oN. Meanwhile, the earlier onset and stronger intensity of the tropical summer monsoon are simulated with the southward extension of the tropical continent. The effects of zonal LSDs were investigated by including the Pacific and Atlantic Ocean into the model based on the meridional LSD run with the coastline located at 21^oN. The results indicate that the presence of a mid-latitude zonal LSD induces a strong zonal pressure gradient between the continent and ocean, which in turn results in the formation of an East Asian subtropical monsoon. The comparison of simulations with and without the Indian Peninsula and Indo-China Peninsula reveals that the presence of two peninsulas remarkably strengthens the southwesterly winds over South Asia due to the tropical asymmetric heating between the tropical land and sea. The tropical zonal LSD plays a crucial role in the formation of cumulus convection.     

东亚冬季风异常的空间结构及与海陆热力差异的联系

对NCEP／NCAR再分析资料采用经验正交函数和奇异谱分析方法研究东亚冬季风异常的空间结构和时间变率，在进行相关分析的基础上用奇异值分解方法研究东亚冬季风异常与海陆热力差异的联系。分析结果表明：在东亚季风区内冬季风异常有明显的地理差异，根据经向风的气修平均图及均方差图上极值中心的位置、形态，确定三个区域。WM1、WM2、WM3区为东亚冬季风的三个子系统，分别位于南海、东海、日本海上。三个子系统强度的年际、年代际变率都不同。近40aWM3区冬季风呈减弱趋势，而WM1、WM2区冬季风没有明显的减弱趋势，不同地区海陆热力差异明显不同子系统的强度，WM1、WM2区冬季风与热带西太平洋海温相关紧密，WM3区冬季风与高纬度海陆热力差异相关密切。     

Reappraisal of Asian Summer Monsoon Indices and the Long-Term Variation of Monsoon

The Webster and Yang monsoon index (WYI)-the zonal wind shear between 850 and 200 hPa was calculated and modified on the basis of NCEP/NCAR reanalysis data. After analyzing the circulation and divergence fields of 150-100 and 200 hPa, however, we found that the 200-hPa level could not reflect the real change of the upper-tropospheric circulation of Asian summer monsoon, especially the characteristics and variation of the tropical easterly jet which is the most important feature of the upper-tropospheric circulation. The zonal wind shear U850-U(150 100) is much larger than U850-U200, and thus it can reflect the strength of monsoon more appropriately. In addition, divergence is the largest at 150 hPa rather than 200 hPa, so 150 hPa in the upper-troposphere can reflect the coupling of the monsoon system. Therefore, WYI is redefined as DHI, i.e., IDH=U850* - U(150 100)*, which is able to characterize the variability of not only the intensity of the center of zonal wind shear in Asia, but also the monsoon system in the upper and lower troposphere. DHI is superior to WYI in featuring the long-term variation of Asian summer monsoon as it indicates there is obvious interdecadal variation in the Asian summer monsoon and the climate abrupt change occurred in 1980. The Asian summer monsoon was stronger before 1980 and it weakened after then due to the weakening of the easterly in the layer of 150-100 hPa, while easterly at 200 hPa did not weaken significantly. After the climate jump year in general, easterly in the upper troposphere weakened in Asia, indicating the weakening of summer monsoon; the land-sea pressure difference and thermal difference reduced, resulting in the weakening of monsoon; the corresponding upper divergence as well as the water vapor transport decreased in Indian Peninsula, central Indo-China Peninsula, North China, and Northeast China, indicating the weakening of summer monsoon as well. The difference between NCEP/NCAR and ERA-40 reanalysis data in studying the intensity and long-term variation of Asian summer monsoon is also compared in the end for reference.     

国内东亚热带-副热带季风的研究进展

简要回顾了近年来国内在东亚热带-副热带季风方面的研究进展。涉及亚洲热带季风爆发特征、爆发机制、季风指数设计、东亚季风环流系统、低频振荡活动以及东亚季风年际和年代际变化等问题,并讨论了东亚热带-副热带季风研究中存在的问题及未来的研究前景。