南海夏季风爆发早晚的经向环流异常的机理研究

温之平吴乃庚, 2, 3陈桂兴

1中山大学大气科学系/季风与环境研究中心, 广州5102752中国气象局广州热带海洋气象研究所, 广州5100803广州中心气象台，广州510080



南海夏季风爆发早晚的经向环流异常的机理研究

温之平1吴乃庚1, 2, 3陈桂兴1

1中山大学大气科学系/季风与环境研究中心, 广州510275
2中国气象局广州热带海洋气象研究所, 广州510080
3广州中心气象台，广州510080

摘 要南海夏季风爆发与东亚地区的局地经向环流密切相关。本文利用线性局地经向环流诊断模式，定量诊断分析了1979～2003年5月1～15日的局地经向环流及其在夏季风爆发早晚年的差异，分析找出了在该关键时段对经向环流异常有正贡献的主要因子，从而确立影响季风爆发的相应天气过程及贡献机制。结果表明，在季风爆发早年期间，局地经向环流异常呈现为“Hadley环流”形态：上升运动（下沉运动）影响南海中北部（江淮地区），低空非地转南风（北风）影响南海中南部（华南和江南地区）。季风爆发晚年的情况则与季风爆发早年相反。对造成经向环流异常的各个因子进行定量分析发现，经向分布不均匀的潜热加热的贡献作用最大，其次是温度平流和西风动量输送过程，与越赤道气流有关的边界效应则对南海中南部的低空南风有一定贡献。相应的天气学分析表明，季风爆发偏早年的副热带高空急流强度偏强且位置偏南，其动量输送过程导致对流层上层出现非地转南风、急流轴南侧（北侧）的华南（华北）地区出现高空辐散（辐合）和低层辐合上升（辐散下沉）。与此同时，中纬度西风带扰动的南下和副热带高压脊从南海地区的撤出，中低层温度平流导致华中地区冷却和南海中北部增暖，进一步加强低纬地区上升、中纬地区下沉的经向环流异常。华南地区异常的非地转北风与南海中南部异常的非地转南风，显著加强了南海中北部的低空水汽辐合和对流潜热释放，从而激发出强烈上升运动。由此可见，中低纬天气系统配置能有效调节中国东部及南海地区的潜热加热和冷暖平流的南北分布，从而引起与季风爆发对应的局地经向环流的显著变化。

关键词南海夏季风 季风爆发 局地经向环流 高空急流 副热带高压

资助项目 国家自然科学基金资助项目41175076、415305030

Funded by National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grants 41175076, 41530530)

Mechanisms for the Anomaly of Local Meridional Circulation during Early and Delayed Onsets of the South China Sea Summer Monsoon

WEN Zhiping1, WU Naigeng1, 2, 3, and CHEN Guixing1

1 Center for Monsoon and Environment Research/Department of Atmospheric Science, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275
2 Institute of Tropical and Marine Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou 510080
3 Guangzhou Central Meteorological Observatory, Guangzhou 510080

Abstract The onset of the South China Sea summer monsoon is strongly associated with the variations of meridionalcirculation over East Asia, particularly during 1–15 May. Using a linear diagnostic model, numerical experiments are performed that successfully capture the local meridional circulation and its anomaly relating to early and delayed onsets of the summer monsoon. It is shown that, in years with an early monsoon onset, anomalous ascending (descending) motion tends to occur over the South China Sea (central China), in clear contrast to the pattern in years with a delayed monsoon onset. Such a difference of meridional circulation is found to result from the meridional gradient of latent heat release, thermal and momentum advection, and the forcing effect of the southern boundary. An analysis of the related synoptic patterns suggests that the southward-shifted subtropical upper-level jets, westerly disturbances, frontal activities, and the retreat of the subtropical high from the South China Sea can trigger a direct circulation between low and middle latitudes through an effective transport of heat and momentum. The anomalous northerly wind from middle latitudes and the westerly wind from tropical regions work together to strengthen the low-level moisture convergence and convection over the South China Sea, driving strong upward motion. The results highlight that a strong interaction between midlatitude and tropical weather systems may play an important role in regulating the timing of the onset of the summer monsoon.

Keywords South China Sea summer monsoon, Monsoon onset, Local meridional circulation, Upper-level jet, Subtropical high

1 引言

经圈环流在大气环流调整、静力平衡重建和地转平衡状态中扮演重要角色（Eady，1950）。对经圈环流的研究很早就受到了气象学家们的重视，已有的研究成果不仅揭示了全球纬向平均经向环流的空间结构和时间演变特征，还探讨了经向环流在角动量及热量输送等方面的贡献作用（叶笃正和杨大升，1955；叶笃正等，1958；吴国雄和Tibaldi，1988；Hoskins et al., 1989；吴国雄和蔡雅萍，1994）。随后，国内外学者进一步指出，经向环流在季风系统中也扮演着重要的角色（陈隆勋等，1991；Lau et al., 2000；Dima and Wallace，2003；冯然等，2011）。其中，陈隆勋等（1991）对东亚季风的研究揭示，冬季经向环流具有明显的Hadley环流特征，而夏季经向剖面图上Hadley环流却不明显。Lau et al.（2000）研究亚洲季风系统动力特征后指出，与受Rossby波动力学支配的南亚经典季风不同，东亚季风是一个复杂的季风系统，经向环流作用显著，热带与中高纬度系统可通过经向环流而相联系。陈桂兴等（2004）分析南海夏季风经向环流20年平均的演变机制，认为非地转经向环流在南海夏季风的酝酿和爆发过程中起了十分重要作用。覃慧玲等（2004）和梁肇宁等（2004）对个例年进行分析，指出经向环流在夏季风爆发早晚年存在明显差别。因此，进一步从经向环流角度来探讨东亚夏季风的爆发早晚以及相关物理机制具有重要的意义。

关于南海夏季风爆发和变动机制，许多学者分别从不同的动力热力侧面做了研究，并取得了很多成果进展（Huang et al., 2003, 2012）。有人强调海陆热力差异对夏季风环流建立的影响（Murakami et al., 1986; So and Chan, 1997）, 有人强调青藏高原大地形的加热和强迫作用（Ueda and Yasunari，1998；Wu and Zhang，1998），也有人强调中南半岛—南海之间的纬向热力差异对南海夏季风的影响，认为海陆的感热差异是影响季风爆发的重要背景场（王世玉和钱永甫, 2001）。有的研究则从海气相互作用角度分析，指出热带海温异常对南海夏季风爆发的影响（袁媛和李崇银, 2009），或发现南海—西太平洋较大的纬向温度梯度是南海夏季风爆发早于南亚季风的原因之一（谢安等, 1999）。也有研究认为南海夏季风爆发与中纬度槽锋系统作用有关，中纬度锋本身就是南海夏季风的触发机制（Chang and Chen, 1995;吴池胜等，2001）。还有研究发现南海夏季风活动与大气低频振荡存在密切关系，显示热带天气系统的可能调节作用（温之平等，2006；陈尚锋等，2011）。

上述研究表明南海夏季风爆发与多个动力热力过程影响密切联系，但是这些因子在季风爆发早晚的相对大小，迄今为止仍不甚清楚。其中关键问题是，如何在同一基准下定量地估算各个因子的贡献大小，从而找出关键因子。为此，本文尝试在考虑所有动力热力因子作用的模式基础上，对季风经向环流的演变进行诊断分析。本文所选用的模式是局地纬向平均的经向环流诊断模式（袁卓建和王同美, 1998），该模式包含了影响季风爆发的所有动力因子（气压梯度力、科里奥利力、摩擦力、惯性力和大气稳定度）和热力因子（感热和潜热输送、长短波辐射、温度平流、水汽和温度层结调节过程等），能线性地计算出它们在驱动局地经向环流过程的贡献大小。这样，通过分析这些动力热力因子在季风爆发早晚年的贡献差异，就能找出影响南海夏季风爆发早晚的主要因子和相应天气过程。前期研究已表明，5 月1～15日是反映南海夏季风爆发迟早差异的关键时段，期间东亚季风区的大气环流和局地经向环流都存在显著性的差别（温之平等，2006）。因此，本文侧重对1979～2003年25年间的5月1～15日的局地经向环流进行了定量诊断分析，以期阐明经向环流变异的机理及其对南海夏季风爆发的影响。

2 资料处理和模式简介

2.1 数据资料和处理方法

为进行数值诊断分析，本研究使用由美国国家环境预报中心提供的1979～2003年再分析资料（NCEP-DOE Reanalysis 2）。该资料时间分辨率为6小时，水平分辨率为2.5°×2.5°（经度×纬度），垂直方向共17层。高空气象场包括水平风、垂直速度、位势高度、温度和相对湿度等变量。地面气象场包括水平风、气压、温度和湿度等变量。在进行数值诊断之前，先采用线性插值方法，将再分析资料插值到诊断模式的19层上（950～50 hPa，间距为50 hPa）。本研究主要关注110°～120°E范围的南海地区及中国东部，南北边界分别取在5°N和52.5°N，旨在考虑越赤道气流和冷空气的影响。将再分析资料输入到诊断模式，对每年5月1～15日期间逐6小时的局地经向环流进行数值诊断和合成分析。

为定义南海夏季风爆发日期，本文采用南海中南部（5°～17.5°N，110°～120°E）区域平均的850 hPa纬向风的季节性突变为指标（温之平等, 2006）。据该指标算出的季风爆发时间与其他研究结果（何金海等, 2001; Wang et al., 2004）存在较好的一致性。1979～2003年间季风爆发偏早的年份（日期）分别为1986 (May 10)、1994 (May 2)、1995 (May 12)、1996 (May 6)、1999 (April 22)、2000 (May 9)和2001 (May 8)，共7年；爆发偏晚的年份（日期）分别为1981 (May 30)、1982 (May 30)、1983 (June 2)、1985 (May 27)、1987 (June 7)、1991 (June 9)和1993 (June 5)，共7年；其余11年为正常年，对应于温之平等（2006）的表1和图2。由此可见，季风爆发偏早年份的爆发日期绝大多数出现于5月1～15日之间，而爆发偏晚年份的爆发日期全部在5月27日之后。因此，季风环流能否在5月1～15日建立，是夏季风爆发早晚的关键。5月1～15日时段在季风爆发偏早年，可能包含了爆发前后的状态，在本文中均被认为是季风环流建立或即将建立的状态；该时段在季风爆发偏晚年，则对应于季风环流尚未建立的状态。由于这两种状态的热带及中高纬大气环流存在明显差别（温之平等, 2006），以下分析侧重于相应的经向环流差异及其机制。值得指出的是，不同于随爆发日期变动的合成分析，本文采用固定时期的合成对比，从而很好地消除了季节变动背景的影响。对比结果不等同于季风爆发前后的差异，但也应存在一定的共性。

2.2 诊断方程和求解方法

为了研究与东亚夏季风有关的经向环流，本文采用一个局地纬向平均的局地经向环流的线性诊断模式（袁卓建和王同美, 1998; Yuan et al., 2000）。前期研究已详细介绍了模式的方程推导、求解方法和数据处理（袁卓建等, 2000; 陈桂兴等, 2004; Chen et al., 2005），这里仅作简短介绍。该模式为包含尽可能多的物理过程，除了将经向运动方程简化为梯度风平衡关系外，其余方程采用P坐标系的原始方程组。运用消元法和代入法，将连续方程、运动方程的三个分量式、热力学方程、水汽守恒方程和状态方程有机结合起来，可导出局地经向环流的流函数的椭圆型线性方程：

诊断方程（1）右边的总强迫项F共包括15个强迫因子：

当流体处于稳定状态时AC－B2＞0，方程（1）为椭圆型偏微分方程。根据理论分析（袁卓建和王同美, 1998）得知，方程（1）可近似为

其中，DF和QF是代表方程（1）的第I到VIII项和第IX到XV项，分别代表动力和热力强迫因子。（4）式表明流函数中心的正负号（即环流旋转方向）与热力强迫的经向梯度和动力强迫的垂直梯度有关。

利用超松弛迭代法，可求得方程（1）的数值解（袁卓建等，2000）。因为方程（1）为线性方程，方程解是可叠加或分解。这样，我们可以定量地估算出由（3）式中任一项强迫力单独激发的经向环流，也可估算出由所有强迫力共同驱动的总体的经向环流。在数值求解方程（1）之前，需先计算出方程（3）各个强迫力，包括预先估算经向剖面上的流场经向风v和垂直运动ω的辐散无旋成分(vχ, ωχ)。估算(vχ, ωχ)的方法之一，可利用球坐标系泊松方程，将实际风场(v, ω)分解成有旋(vψ, ωψ)和无旋(vχ, ωχ)两种成分。虽然这种方法不包含任何近似，但因计算涉及用差分方法求解高阶偏微分方程，计算结果会受到截断误差、离散误差、舍入误差以及大量小差等问题影响，计算误差会加大且无法估计。另一种方法，假设科里奥利参数f为常数，由p坐标的连续方程可知，只有能产生垂直运动的非地转成分vag对垂直经向环流有贡献（Yuan et al., 2000），经向剖面上的经向风的有旋和无旋成分近似于非地转风和地转风(vψ≈vag和vχ≈vg)。这种vχ估算方法的误差仅由f设为常数引起。本研究采用第二种方法来估算(vχ, ωχ)，并得到(vψ, ωψ)。值得注意的是，由此方法算出的(vψ, ωψ)是直接由再分析资料估算的，因此可作为“实测”值，用于对比由诊断方程（1）得到的估算值，检验诊断模式的计算性能。

为估算任一内力因子的单独作用，整个计算区域包括边界的流函数的初始值全设为零，其余内力因子也设为零，求解方程（1）所得的流场代表了该因子所驱动的经向环流。依次对（3）式中的各个强迫因子进行诊断计算，由此得到它们各自所驱动的经向环流。此外，为了估算边界效应的贡献即越赤道气流和北方冷空气的影响，模式区域的南北边界（5°N和52.5°N）作开边界处理，先由vψ≈vag和vχ≈vg反算出边界处的流函数。利用该流函数作为边界值，在不考虑内力强迫的情况下，迭代求解方程（1）就可得到由边界效应所驱动的经向环流。

2.3 诊断模式的性能检验

在利用模式结果进行深入分析之前，需要先对数值模式的诊断性能进行检验，以确保输出结果的可信度。如2.2节所述，检验标准在于，诊断模式在考虑所有强迫力和边界效应的情况下，所估算出的经向环流形态和强度是否接近于“实测”情况。图1a显示，在季风爆发偏早年，“实测”经向环流的上升支主要出现在30°N以南的南海地区和华南地区，对应于活跃的热带对流和梅雨锋雨带（陈桂兴等，2005；Chen et al., 2005）。上升运动在27.5°N最强，且随高度呈现向北倾斜的特征。10°～18°N南海中南部低空受到明显南风气流控制。经向环流的下沉支主要出现在30°N以北，并在35°N附近达到最强。图1b所示的经向环流总体估算场与图1a的“实测”场非常相似，包括环流形态和上升支下沉支中心位置。图1c表示季风爆发偏晚年的“实测”经向环流，27.5°N附近的华南地区仍受到上升运动控制，强度稍强于图1a的情况，但上升支随高度倾斜不明显。图1c还显示，20°N以南的南海地区转为下沉运动，显著不同于图1a中的季风爆发偏早的情况。此外，低空南风气流主要出现在20°N附近的南海北部地区，区别于季风爆发偏早年的南海中南部地区。图1d所示的季风爆发偏晚年的经向环流估算场，不仅很好地重现了图1c的“实测”场特征，还充分捕捉了上述“实测”场在偏晚年与偏早年之间的差异。由此可见，诊断模式能很好重现季风爆发偏早年和偏晚年的经向环流的空间结构及其差异，诊断结果具有很高的可信度。由于该诊断模式是一个线性模式，其对总体经向环流的诊断可靠性能类推到对各个强迫因子的诊断。

我们注意到，由诊断模式估算出的垂直运动稍弱于“实测”场。可能原因是本模式没包括辐射及云物理过程，且NCEP再分析资料中的垂直运动是预报值。前期工作表明，这些偏差可看作模式之间的系统差异，并不影响各强迫因子的贡献大小的排序（陈桂兴等，2004；梁肇宁等，2004），因此不影响本文的结论。

3 局地经向环流的变异和机理

3.1 局地经向环流在季风爆发早晚年的距平差异和主要贡献因子

2.3节已显示，局地经向环流在夏季风爆发早晚年存在一定差异，尤其是在中低纬地区。为突显这种差异和减少模式系统偏差的影响，我们将季风爆发早晚年的经向环流估算场减去气候平均场，得到相应的距平场。图2a显示，在南海季风爆发早年的5月1～15日，异常的上升运动出现在南海中北部（10°～22.5°N），另一支较弱的上升支出现华北地区（40°N附近）。与低纬上升支相联系的是，低层南风出现在南海中南部（10°～15°N），异常低层北风影响华南和江南地区（23°～30°N）。这两支气流在南海中北部辐合上升，对应于季风爆发偏早年在南海地区活跃的湿对流。异常的下沉运动主要出现华中地区（25°～37°N），与低纬地区上升支形成一个异常的局地“Hadley环流”。值得注意的是，垂直运动距平的量级达到−2×10−2Pa s−1，到达与气候平均态相近的量级，表明该距平经向环流非常显著。因此，研究该经向环流异常变化的机理将是揭示季风爆发偏早的成因机制的关键过程。

图2b显示，在夏季风爆发偏晚年份，局地经向环流的距平主要表现为，南海中北部和华北地区受异常的下沉运动影响，长江流域则受异常的上升运动控制。南海中南部低空出现异常北风气流，而华南地区低空则出现异常南风气流。这些特征对应于南海地区被抑制的大气对流。将图2b和2a进行对比，发现局地环流的异常形态在季风爆发偏晚年和偏早年几乎相反。我们还注意到，图2a所示的经向环流距平的高度伸展和垂直运动的强度均比图2b更明显，这显示在季风爆发偏早年的驱动局地经向环流的强迫因子更为活跃主动，有利于夏季风的提前爆发。

为了进一步探索季风爆发机制，运用局地经向环流模式计算出各个热力动力因子 [即方程（3）的各项] 单独驱动的经向环流，侧重关注它们对季风爆发早晚年的经向环流距平（即图2）的贡献大小。我们详细检查模式输出的15项内力因子和边界强迫的贡献，根据它们所驱动的经向环流量级和形态，就可找出起重要贡献的因子。对季风爆发偏早年和偏晚年的经向环流异常起主要贡献的因子均为潜热加热、温度平流、西风动量水平输送和边界效应强迫。图3a显示，由潜热释放所激发的异常上升运动主要出现南海中北部，强度达到−1.2×10−2Pa s−1，下沉运动主要出现在华中地区，与图2a所示的总体经向环流距平的形态非常相似。图3b、c显示，温度平流和平均西风动量水平输送也对南海地区的上升运动有一定贡献，上升运动强度分别为−0.6×10−2Pa s−1和−0.3×10−2Pa s−1，两者强度之和接近于潜热释放。这说明热带地区的对流活动和伴随西风带扰动的热量动量输送过程均对南海季风爆发偏早有重要影响，下一章将结合天气形势进一步讨论。对比图3a–c可见，三个因子所激发的环流中心的高度和纬度均存在明显差别，体现相关物理过程影响局地经向环流的差异。例如，潜热加热所激发的环流中心主要在低纬的中低层，而温度和动量平流所激发的环流中心则在中纬度的对流层中层。图3d显示，南边界强迫也对南海地区上升运动和南海中南部低空南风的异常有一定正贡献，体现了偏强南边界入流的强迫作用，但是上升运动量级小于上述三个因子。

图1 南海夏季风爆发（a、b）偏早年和（c、d）偏晚年的5月1～15日平均局地经向环流的（a、c）“实测”值和（b、d）诊断模式估算值（阴影区为垂直运动中心，强度由等值线标记；单位：10−2Pa s−1）Fig. 1 The local meridional circulation averaged during 1–15 May in years with (a, b) early and (c, d) delayed onsets of summer monsoon: (a, c) Observed values; (b, d) diagnosed values. Shaded areas denotes the vertical motion with contours for intensity (units: 10−2Pa s−1)

图2 5月1～15日平均的南海夏季风爆发（a）偏早年和（b）偏晚年的局地经向环流诊断场的距平（阴影区为垂直运动中心，负值代表上升运动，单位：10−2Pa s−1）。图中空白地方是由于作距平处理后，数值接近零，并非缺测值，下同Fig. 2 The anomalies of the diagnosed local meridional circulation, averaged during 1–15 May in years with (a) early and (b) delayed onsets of summer monsoo Shaded areas denote the vertical motion with negative values for rising motion (units: 10−2Pa s−1). The blank areas in the figure denote a near-zero value rath than an undefined value

图3 5月1～15日平均的南海夏季风爆发偏早年的由主要因子激发的距平经向环流（阴影区为垂直运动中心，负值代表上升运动；单位：10−2Pa s−1）：（a）潜热加热；（b）温度平流；（c）水平动量输送；（d）边界效应Fig. 3 The anomalies of the diagnosed local meridional circulation driven by (a) latent heating, (b) thermal advection, (c) horizontal advection of westerly momentum, and (d) boundary effects, averaged during 1–15 May in years with early onset of summer monsoon. Shaded areas denote the vertical motion with negative values for rising motion (units: 10−2Pa s−1)

图4a显示，在季风爆发偏晚年的5月1～15日期间，由潜热加热所激发的经向环流距平在南海中北部为下沉运动，在江南地区为上升运动。对比图4a和2b显示，潜热加热的贡献很大程度上解释总体经向环流在低纬地区的异常特征。图4b、c显示温度和动量平流所激发的环流中心主要出现在中纬度地区，上升运动基本在25°N以北。将图4b、c与图3b、c相比，可清楚看到这两个强迫因子所激发的经向环流在季风爆发偏晚年显著北移，且垂直运动的强度也明显减弱。这意味着与中纬度西风带活动有关的强迫作用，在季风爆发偏晚年出现衰减，与季风爆发偏早年的情况相反。另外，图4d显示南边界效应对南海地区上空的下沉运动和低空北风有一定贡献，对应于季风爆发偏晚年的异常偏弱的入流强迫。

3.2 低层经向风在季风爆发早晚年的贡献

图4 同图3，但为季风爆发偏晚年的情况。Fig. 4 As in Fig. 3 but for delayed onset of summer monsoon

3.1节已表明，来自南海中南部低空的非地转南风与来自华南地区的非地转北风在南海中北部辐合上升及其伴随的对流潜热释放，是形成局地经向环流异常和季风爆发偏早的关键因素。因此，本节进一步定量分析各个强迫因子在驱动低纬度经向风的贡献大小。图5a显示，在季风爆发偏早年的5月1～15日，南海北部及中国东部的总经向风主要为异常北风，而南海中南部低层则为异常南风（0.42 m s−1）。相比而言，在季风爆发偏晚年，中国东部地区主要为偏南风距平，但是南海中南部的经向风接近零值（图5b）。若将经向风分解为地转风vg（由气压梯度力驱动）和非地转风vag（其他许多动力热力因子驱动）。可以看到，虽然地转风解释了大部分的经向风成分（图5c、d），但是与季风爆发偏早密切相关的南海中南部低层南风和华南地区北风主要由非地转风解释（图5e），成为南海中北部出现上升运动的关键（图2a）。对比图5e和图5f发现，在季风爆发偏晚的年份，低纬度低空风场的正负出现反转，对应于南海中北部转为辐散，形成图2b所示的下沉运动距平。诊断模式估算出的非地转经向风（图5g、h）很好重现了上述的“实测”非地转经向风（图5e、f）。早前研究指出，南海低层非地转经向风在南海夏季风酝酿和爆发过程中起了十分重要作用（陈桂兴等，2004；梁肇宁等，2004；覃慧玲等，2004）。本文结果则进一步表明，低纬地区的非地转经向风差异也是影响季风爆发早晚的重要因素。

基于线性诊断方程（1）对各个因子的诊断结果，我们分析了造成经向风异常的主要因子。结果发现，在南海季风爆发偏早年的5月1～15日期间，对南海中南部的低层南风距平（0.42 m s−1）起主要正贡献的因子为潜热加热（0.44 m s−1）、温度垂直对流（0.1 m s−1）以及边界效应（0.13 m s−1），其余因子大多起了负贡献。对华南地区的低层北风距平起主要贡献的是潜热加热、温度平流和动量平流（图3a–c）。因此，由热带对流活动和中纬度西风扰动引起的环流调整，有利于低空辐合形势的形成和维持，成为建立和维持季风环流的关键过程。

在季风爆发偏晚年份的同期，南海中南部的低层北风距平（−0.25 m s−1）主要与南边界效应强迫有关（−0.21 m s−1），体现了异常偏弱的南边界入流的作用；华南地区的低空南风异常则主要与江南地区异常增加的潜热加热的影响有关（图4a）。由于热量和动量平流过程的影响位置偏北（图4b、c），它们对低纬地区的低空风场异常的贡献非常小。

图5 5月1～15日平均的南海夏季风爆发的偏早年（左列）和偏晚年（右列）的距平经向风（单位：m s−1）。（a，b）实测经向风；（c，d）地转风；（e，f）“实测”非地转风；（g，h）诊断非地转风Fig. 5 The anomalies of the meridional wind components (units: m s−1) during 1–15 May in years with early (left) and delayed (right) onsets of summer monsoon: (a, b) Observed meridional wind; (c, d) observed geostrophic component; (e, f) observed ageostrophic component; (g, h) diagnosed ageostrophic component

此外，我们还注意到中纬度的对流层中高层的经向风在季风爆发偏早年和偏晚年存在显著差别，分别呈现异常偏北风（图5a）和偏南风（图5b），显示对流层中高层的天气系统存在明显差异。在爆发偏早年，35°N以南地区高空的非地转风距平呈现为偏南风，35°N以北地区高空的非地转风距平呈现为偏北风（图5g）。对流层中上层的风向恰好与对流层底层的相反。与季风爆发偏晚年相比（对比图5g、h）发现，这种大气中高层的经向风异常在季风爆发偏早年的强度更大、垂直伸展更深厚。这可能跟副热带高空急流的活动密切相关，将在4.3节进行深入讨论。

4 与数值诊断对应的天气学分析

无论是南海夏季风爆发的偏早年还是偏晚年，造成南海地区经向风和上升运动异常都是非地转因子。引起两类年份的经向环流差异的物理因子之中，潜热加热、水平温度平流、水平动量平流起了主要的贡献作用。以下从天气形势角度，分析与这三个因子密切相关的潜热输送（水汽输送辐合）、伴随西风带扰动的冷暖平流、副热带高空急流以及它们的配置，探讨它们对夏季风爆发的影响机制。

4.1 季风爆发偏早年的天气形势

图6a 显示季风爆发偏早年的异常的850 hPa风场和比湿场。华南地区出现异常的偏北风，而南海南部主要为异常的偏西风，对应于夏季风的爆发。南海中北部上空存在一个明显的水汽辐合区和异常高值区，江南地区则存在一个异常的水汽辐散带。这样的水汽辐合辐散的经向分布，十分有利于南海中北部地区的水汽抬升和对流潜热释放的加强，有助于该地区的上升运动维持和加强。江南地区则因为水汽辐散，不利于对流活动的维持和加强，形成异常的下沉辐散气流。因此，这种凝结潜热的经向不均匀分布必然激发一个在南海中北部上升，江南地区下沉的局地经向环流（图3a）。

图6b显示同期的600 hPa温度和风场异常分布。江淮和华北地区为异常的冷中心，华南及沿海地区为弱的暖中心。中国东部盛行异常偏北风，在30°N附近长江流域上空形成强盛的冷平流，在南海北部形成较弱的暖平流。这种冷暖平流配置可造成南海中北部的增暖和华中地区的冷却，相应热力作用的南北梯度有利于激发一个在南海中北部上升、华中地区下沉的距平经向环流（图3b）。

4.2 季风爆发偏晚年的天气形势

与季风爆发偏早年的天气形势相比，季风爆发偏晚年的情况明显不同。图7a显示850 hPa的异常风场和比湿场。南海南部上空受异常东风影响，华南地区则受异常西南风和高湿条件控制，因此在江南地区形成水汽辐合带，在南海中北部形成弱的水汽辐散区。相应的水汽抬升和潜热释放形成的南北不均匀加热场，有利于驱动出在江南地区上升、南海地区下沉的局地“Anti-Hadley”环流（图4a）。

图6 5月1～15日平均的南海夏季风爆发偏早年的（a）850 hPa异常风场（箭头, 单位：m s−1)、异常比湿（线条, 单位：g kg−1）和（b）600 hPa异常风场（箭头, 单位：m s−1)、异常温度场（线条, 单位：K）Fig. 6 (a) The anomalous horizontal winds (units: m s−1) and specific humidity (contours; units: g kg−1) at 850 hPa, (b) the anomalous horizontal winds (units: m s−1) and temperature (contours; units: K) at 600 hPa, averaged during 1–15 May in years with early onset of summer monsoon

图7 同图6，但为季风爆发偏晚年。Fig. 7 As in Fig. 6 but for delayed onset of summer monsoon

图7b显示大气中层的风场和温度距平场。华南和江南地区受异常西南风影响，相应的暖平流使得长江流域（～32°N）出现异常偏暖。华北地区主要为明显的西北风影响，出现相应的冷平流。这种冷暖平流的经向配置主要激发出江南地区上升、华北地区下沉的局地经向环流（图4b），对南海地区的影响较弱。对比图6和图7，季风爆发早晚年的天气形势差异，不仅出现热带地区西风入流（季风气流）的明显差别，还出现中国东部的中纬度西风扰动活动的显著差异，两个地区天气系统的共同作用很好地解释了局地经向环流的差异。

4.3 西风带活动对局地经向环流异常的影响

为探讨对流层中上层西风带活动的影响，我们考察了副热带高空急流、纬向风距平及北风距平的垂直分布。图8a显示，在季风爆发早年，30°～40°N附近上空的西风急流中心位置偏南、强度偏强，中心风速达到40 m s−1。偏北风异常中心在35°N附近的200 hPa向下延伸到25°N附近的850 hPa，表明伴随着副热带急流位置偏南，中低层冷空气南侵可导致华南地区锋面活动的活跃（如图6所示）。反之，季风爆发偏晚年的副热带急流的中心位置明显偏北、强度偏弱，对应于西风带扰动和锋面活动的位置偏北和强度偏弱（如图7所示）。早前研究指出，高空急流对局地的垂直经向环流有重要影响（Uccellini and Johnson, 1979；Uccellini and Kocin, 1987）。通过动量输送和上下层质量调整，西风急流能在急流入口区激发出南侧有上升运动、北侧有下沉运动、高层有非地转南风、低层有非地转北风的正环流。图8a所示的高空急流特征正对应于图5g所示的非地转经向风结构，相应的动量输送的强迫作用激发出图3c所示的经向环流，均与理论概念相一致。可见，副热带高空急流的异常活动能对局地经向环流起一定调节作用，进而影响季风爆发早晚。

伴随副热带高空急流在季风爆发偏早年的南移，对流层中低层出现异常偏北风（图8a），对应于中纬地区的槽后冷平流与低纬地区的暖平流形成经向梯度（图6b），也有利于激发出低纬地区上升、中纬地区下沉的热力环流（如4.1节所述）。与高空急流活动有关的动量和热量平流所驱动的经向环流均较为深厚（图3b、c），很好地解释了图2a所示的垂直伸展深厚的经向环流异常。此外，副热带急流轴南侧（江南和华南地区）的大气低层的异常非地转北风（图5g），有助于南海中北部的水汽输送辐合和对流潜热释放。由此可见，副热带高空急流及低槽活动的共同作用，有利于冷空气南下，通过温度平流的经向差异和水汽辐合的对流潜热释放，激发南海地区上空强盛上升运动。从单个因子所驱动的上升运动和非地转经向风的量级来看（图3），潜热加热是引起季风爆发偏早年的经向环流异常的最大贡献因子，西风带活动有关的动量输送和温度平流则对环流异常发生具有一定促发作用。

图8 5月1～15日期间110°～120°E纬向平均西风急流中心（粗实线）、北风距平（虚线）和西风距平中心（阴影）（单位：m s−1）。（a）季风爆发偏早年；（b）季风爆发偏晚年Fig. 8 The mean zonal wind (solid contours; units: m s−1), the anomalies of zonal wind (shaded; units: m s−1) and meridional wind (dashed contours; units: m s−1) during 1–15 May in years with (a) early and (b) delayed onsets of summer monsoon

图9显示相应的500 hPa天气形势。在季风爆发偏早年，对应于副热带急流的南移，东亚大槽明显较深，中国东部地区出现偏北风异常，有利于槽后冷空气在中低层向南侵入。与此同时，副热带高压脊撤出南海地区，有利于热带地区的低空西风气流进入南海南部，并与南海北部的偏北气流形成气旋性辐合（图9a）。在季风爆发偏晚年的同期，东亚大槽较浅，5880位势米以上的副热带高压基本控制了南海及附近地区，不利于热带地区的低层西风进入南海南部（图9b）。由此可见，副热带高压从南海地区的撤出，对低层辐合在南海地区的建立有重要影响。前期研究表明，5月1～15日期间乌拉尔山及其以西地区的高压异常和东亚中纬度西风带短波槽、锋面活动异常，可能是导致西太平洋副热带高压脊从南海地区撤出的重要原因（温之平等，2006）。

图9 5月1～15日期间的500 hPa位势高度场（等值线, 单位：gpm）、距平高度场（阴影）和850 hPa距平风场（箭头, 单位：m s−1）。(a)季风爆发偏早年；（b）季风爆发偏晚年Fig. 9 The mean (contours) and anomalous (shaded) geopotential height (units: gpm) at 500 hPa and the anomalous horizontal winds at 850 hPa (units: m s−1) during 1–15 May in years with (a) early and (b) delayed onsets of summer monsoon

图10 南海夏季风爆发偏早年5月1～15日期间的天气系统配置和局地经向环流的概念图Fig. 10 Schematic diagrams of the synoptic weather patterns and local meridional circulation for the early onset of summer monsoon during 1–15 May

基于以上研究结果，我们给出造成南海季风爆发偏早的可能机制的概念图（图10）。相关的天气系统配置包括：对流层高层为副热带高空急流的南移；对流层中层为东亚大槽的加深和副热带高压从南海地区的撤出；对流层低层为冷空气的南下、热带季风气流的推进及两者在南海中北部的异常辐合等。与副热带高空急流密切相关的动量输送过程、与西风带扰动有关的冷暖平流和与水汽输送辐合有关的对流潜热释放，都对东亚地区的局地经向环流异常尤其是南海地区的上升运动起到了明显的正贡献。在这些中低纬天气系统的共同作用下，相应的动力和热力过程能有效地驱动出局地经向环流，进而影响南海夏季风爆发的迟早。

5 结论

本文利用线性局地经向环流诊断模式，定量地诊断了1979～2003年南海夏季风爆发偏早年和偏晚年5月1～15日期间的局地经向环流异常情况，通过数值分析得到了这个时段对东亚地区的局地经向环流异常起正贡献的主要物理因子，并对其天气学意义进行了分析，主要结论有：

（1）在季风爆发早年期间，东亚地区的局地经向环流异常呈现为“Hadley环流”：10°～22°N南海中北部的上升运动异常加强，25°～35°N华中地区则受异常下沉运动影响，10°～15°N南海中南部出现加强的低层非地转南风，23°～30°N华南及江南地区出现异常的低层非地转北风。季风爆发晚年的经向环流的异常形态与季风爆发偏早年基本相反，但是强度明显偏弱。这表明局地经向环流的差异与南海夏季风爆发的迟早密切相关。

（2）定量分析发现，对经向环流异常起重要贡献的因子为：与热带对流有关的潜热加热、与西风带系统有关的温度平流和动量水平输送、与热带季风气流东进有关的边界效应强迫。从南海中北部上升运动和低纬地区非地转经向风的量级来看，潜热加热是对局地经向环流异常的最大贡献因子，温度平流和动量水平输送则起到了非常重要的促发作用。

（3）与数值诊断相应的天气学分析表明，有利于夏季风爆发偏早的天气形势包括：副热带高空急流的南移、东亚大槽的加深、副热带高压从南海地区的撤出、冷空气在华中和华南地区的南侵、热带地区季风气流的推进等。这些天气形势的配置体现了中低纬度系统的共同作用，通过有效调节东亚地区的局地经向环流的建立和维持，从而影响南海夏季风爆发。

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作者简介温之平，男，1963年出生，博士，教授，主要从事季风气象学和热带大气环流的研究。E-mail: eeswzp@mail.sysu.edu.cn

收稿日期2015-05-25；网络预出版日期 2015-08-19

doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15204

文章编号1006-9895(2016)01-0063-15

中图分类号P466

文献标识码A