东亚季风区冬季经向风的季节内变化及其可能机理

李华凝 姚素香 储鹏

摘要利用1979—2013年ERAinterim再分析资料，通过均方差分析、功率谱分析、带通滤波及合成分析等统计方法系统地分析了东亚季风区冬季经向风的季节内变化及其可能机理。结果表明，东亚季风区冬季经向风异常在我国华南一带变化显著，振荡周期为10～20 d（准双周振荡）。在准双周尺度上，水平方向上，850 hPa异常北风主要呈现从高纬向低纬传播的特点，60°N附近异常经向风向东南方向传播，副热带30°N附近弱的异常经向风向东传播，二者在华南汇合，随后分为两支中心，分别向南和向东继续传播，我国华南一带存在基本气流向准双周尺度波动的能量转换，因此异常经向风在华南会显著增强；垂直方向上，对流层上层、中层、下层的经向风呈现强—弱—强的异常中心特征，对流层下层850 hPa和上层200～300 hPa均存在经向风大值中心；我国东部上空300 hPa上，副热带地区波动比850 hPa更明显，60°N附近波动向东南方向移动，同样在我国东部地区合并，波动辐合导致波动能量增强。

关键词东亚季风区；经向风；季节内变化；传播特征

东亚冬季风是北半球冬季最为活跃的大气环流系统之一。它不仅影响东亚地区的天气与气候，还能对热带大气、海洋的变化造成影响，甚至对全球天气、气候异常产生重要作用（Huang et al.，2003；Zhou，2011；丁一汇等，2014）。偏强的东亚冬季风为寒潮的爆发创造有利的气候条件，冷空气的活动不但与平均的冬季风有关，更是经向风季节内变化的产物。我国冬半年，在蒙古高压和阿留申低压间，为强盛的偏北季风，因此冬季风的异常与我国的天气、气候变化密切相关。东亚冬季风的强度与我国冬季大部分地区的气温呈现显著的负相关，东亚冬季风不仅仅影响华北、长江中下游地区冬季气温，还会进一步影响到华南、西南地区，研究显示（吴尚森等，2000），强的东亚冬季风期间，华南冬季异常冷月所在月异常偏强。除此之外，东亚冬季风的爆发还能带来热带海洋上空的大量水汽，导致东亚地区降水的产生（Jia et al.，2011）。

东亚冬季风是行星尺度的环流系统，还表现出明显的季节内变化，往往表现为冷空气的频发，导致寒潮过程南下影响我国，造成严重低温、暴雪等灾害性天气（丁一汇等，2014；辛欣等，2017）。许多研究显示，东亚冬季风能够加强中国南海和西太平洋的对流活动，导致菲律宾以东出现异常气旋环流（Ji et al.，1997；祝丽娟等，2014；Wu，2016），而对流加热反馈机制是产生与维持MJO的重要机制（Li，1985；Lau and Chan，1987；Li and Yang，2010）。Jeong et al.（2008）研究表明，MJO对天气和气候的影响不仅存在于热带，在副热带及中纬度地区，其对天气和气候的变化也具有显著的调节作用。由前人的研究得知，东亚季风具有显著的季节内变化，其主要周期突出表现为30～60 d（或准40 d）以及10～20 d（准双周）振荡周期（李崇银，1993；王晓聪等，2009）。马晓青等（2008）研究了2004/2005年中国冬季12月22日—1月1日和2月14—21日的两次大范围寒潮过程，并对寒潮爆发的周期及低频波动特征进行分析，指出2004/2005年冬季我国大部分地区气温波动存在10～20 d振荡，且两次强寒潮都在西伯利亚高压和气温波动的10～20 d增强的低频振荡背景下发生。Yang and Li（2016）研究了冬季欧亚大陆中高纬气温的季节内变化特征，提出低纬的气温异常与对流层上层高度异常密切相关，二者以相同的相速度向东南方向传播，而对流层温度的异常实际上是由平均风场异常所导致的，他们对波作用通量的分析显示东南方向传播的波列更有可能是Rossby波动的传播的作用，同时Rossby波列波动通量散度的大值区位于欧洲、大西洋地区。蔡学湛（2010）分析了东亚冬季风异常对华南前汛期降水的影响，提出东亚冬季风的异常，对华南前汛期降水有重要的指示作用，前冬东亚冬季风强，表现为前汛期降水偏少，反之冬季风弱，则表现为降水偏多。夏季风来临的早晚、向北推进快慢及其强度影响到该地区前汛期降水及雨带的分布。

综上所述，我国冬季气温与降水均存在典型的季节内振荡，而这些均与环流密切相关。目前，对东亚季风季节内振荡的研究往往集中在夏季（Wang and Rui，1990；Huang et al.，2003；琚建華等，2008），而对东亚冬季风季节内振荡的研究还比较少，因此本文主要围绕冬季经向风，重点分析冬季东亚经向风的季节内传播及强度的变化特征和机理。

1资料与方法

主要利用欧洲中期天气预报中心ECMRWF（European Center for MediumRange Weather Forecasts）的再分析数据ERAinterim，时段为1979—2013年，冬季定义为每年11月1日—次年4月30日，水平分辨率为15°×15°，时间分辨率为6 h，全球240×121个格点；使用u、v风速场、位势高度场等资料，系统地分析1979年以来东亚季风区冬季经向风的季节内变化特征。为了确定和提取研究对象的低频活动特征，采用均方差分析确定研究关键区，随后使用功率谱分析确定周期，并通过Butterworth带通滤波器对资料的时间序列进行带通滤波，得到其相应的低频振荡分量，挑选出经向风典型振荡事件中的负异常事件，即北风异常事件，对背景环流场进行合成分析。

为了解冬季平均流场与QBWO（QuasiBiWeekly Oscillation，准双周振荡）异常流场的能量转换，这里采用了波动能量转换方程式。根据Hoskins（1983），能量转换项可被写作：

CQBWO=v′2-u′22x-y-u′v′y+x。（1）

其中：双上划线表示冬季平均阶段，当CQBWO为正值时，表示有能量从平均流场向QBWO异常流场转换。

为解释QBWO的波作用通量，根据Takaya and Nakamura（2001）提出的TN通量方程式计算二维波作用通量：

W=12||（ψ′2x-ψ′ψ′xx）+（ψ′xψ′y-ψ′ψ′xy）

（ψ′xψ′y-ψ′ψ′xy）+（ψ′2x-ψ′ψ′yy）。（2）

其中：ψ表示流函数，u=（u，v）为水平风速。波作用通量在近似假定下与波的位相无关，而与定长Rossby波列的局地群速度方向一致，反映了Rossby群波能量的频散方向（Tam and Li，2006）。

2冬季经向风异常的时空分布特征

季风主要表现在底层风场的季节差异。这里首先对东亚季风区（100～140°E，0°～60°N）范围内的850 hPa冬季逐日经向风做均方差分析（图1），得到东亚季风区经向风均方差大值区中心位于50°N附近以及我国华南一带（105～111°E，21～27°N），且华南中心数值最强，表明这片区域经向风变化幅度较大，且与我国关系密切，因此选定为研究的关键区。

为了揭示冬季850 hPa经向风季节内振荡周期，将所确定关键区域的经向风进行区域平均，得到经向风1979—2013年每年11月1日—次年4月30日共6 163 d的时间序列，之后做功率谱分析，得到功率谱曲线（图2a）。结果表明冬季东亚季风区经向风以10～20 d振荡（QBWO）为主，且均通过红噪声检验。由此可见，冬季东亚季风区的850 hPa经向风存在较为显著的10～20 d周期。为了研究冬季经向风季节内振荡的具体演变过程，对经向风逐日资料使用Butterworth滤波器进行10～20 d滤波，将关键区内（105～111°E，21～27°N）经向风场区域平均并标准化后，大于（小于）1个标准差（1个负标准差）的事件为正（负）异常事件，波峰时刻作为正异常事件的0时刻，波谷时刻作为负异常事件的0时刻。根据这种时间系数正、负异常的划分来进行合成。

合成结果显示，1979—2013年冬半年正异常事件（异常南风）频次为175次，负异常事件（异常北风）频次为178次。由此对10～20 d滤波后的经向风场时间序列做负异常事件合成分析（图2b；文中其余合成结果也为负异常事件）。

从该时间序列可以看出经向风场异常变化显著天数周期为12 d，异常风速大小约为2 m/s左右。

3冬季经向风准双周振荡的传播

针对华南冬季经向风的典型准双周振荡事件，对10～20 d带通滤波后的850 hPa经向风场和位势场进行负异常事件的合成分析（图3），可见，经向风负异常中心具有明显从高纬向低纬移动的特点，且传播方向为东南方向。经向风中心位于异常低压和高压之间。第-6天时，华南地区为异常南风控制，贝加尔湖到里海以南为异常北风控制，随着时间推移，贝加尔湖的异常北风向东南推进，里海以南的异常北风向东移动。第0天时，两者合并于我国华南，经向风负值中心范围达到最大。此过程中亦伴随异常气旋和反气旋的东南传播。异常北风到达华南之后，一部分主要向东移动，另外一部分可向南推进至南海。

时间—经度和时间—纬度剖面可以进一步揭示经向风准双周振荡的传播特征。图4a、4b分别给出了不同纬度带经向风的时间—经度剖面。在20～40°N（图4a）之间东传较强，范围较广，且在105°E附近存在显著增强的现象；而在50～70°N（图4b）也存在明显的东传，但其只能传播到90°E附近；结合时间—纬度剖面可见，在100～120°E（图4c）附近有明显的南传信号，该信号可从极地一直传播到近赤道附近。结合经向和纬向传播特征可知，来自高纬的异常扰动可东传至90°E，在90～100°E附近转为向南传播，并与20～40°N之间东传的波动汇合。

前面的分析都清晰可见华南为经向风振荡的大值中心，为进一步解释冬季经向风异常出现在华南一带的机理，计算了850 hPa冬季平均流场和QBWO流场的正压能量转换。从图5可以看出，华南地区存在显著的能量转换中心（虚线方框处），为基本气流向准双周风场提供能量，而在其他区域，能量转换较弱，且存在扰动气流向基本气流提供能量的情况。因此认为华南地区风场的准双周振荡强度一方面是两支波动汇合的结果，另一方面该区域有基本气流为准双周尺度提供振蕩能量。

4冬季东亚季风区上层经向风的季节内振荡特征

图6显示了华南地区经向风的垂直结构分布情况，可见，在对流层底层和上层均存在大的风场异常中心。在第-6天，正中心分别位于对流层底层850 hPa和上层200～300 hPa附近，在第0天，850 hPa和200～300 hPa上都有明显的负中心。相对来说，对流层中层风场的准双周振荡强度偏弱。此外，高层的中心略微超前低层中心1～2 d。

为了进一步解释对流层上层出现这一异常分布的原因，选取Rossby波较明显的300 hPa，分析对流层上层QBWO的演变机制。图7为负异常事件合成的300 hPa经向风场和位势场，可以看出，上层的负异常中心与下层850 hPa的中心位置接近，同时存在一定的差别。300 hPa上存在两个明显的负异常中心，一支中心位于70°E、50°N的新地岛以南地区，主要表现为东南传播；另一支中心位于30°N附近，主要表现为东传，和850 hPa相比，30°N附近的信号更强。两支信号在东亚东部地区汇合，合并为一支信号，且负异常中心强度达到最大。

进一步计算300 hPa二维波作用通量，图8显示了波作用通量的水平分布及其散度特征。可以清楚地发现，我国东部上空300 hPa存在经向风准双周振荡的两个大值中心，一支Rossby波能量从欧洲方向向东传播，另一支从太平洋向西传播，副热带地区波动比850 hPa更为明显，两支中心在我国东部地区合并，波动的辐合导致波动能量的增强。

5结论

1）东亚季风区冬季经向风异常在我国华南一带变化显著，振荡周期为10～20 d的准双周振荡。

2）水平方向上，850 hPa经向风基本呈现从高纬向低纬移动的特点，60°N附近异常经向风向东南传播，副热带30°N附近弱的异常经向风向东传播，二者在华南汇合，随后分为两支中心，分别向南和向东继续传播。冬季经向风的振荡演变基本呈现贝加

尔湖附近与我国华南地区反位相的特征。负异常中心在我国华南一带显著增强的原因是因为这一区域存在基本气流向准双周扰动提供能量。

3）垂直方向上，对流层上层、中层、下层的经向风呈现强—弱—强的异常中心特征，对流层下层850 hPa和上层200～300 hPa均存在经向风大值中心，而在对流层中层经向风的准双周振荡较弱。在Rossby波变化显著的300 hPa上副热带地区波动比850 hPa更为显著，存在两个明显的负异常中心，并随时间不断向东推进，两支中心在我国东部地区合并，波动的辐合导致波动能量的增强。

值得指出的是，本文仅从再分析资料对冬季东亚经向风的季节内传播及强度的变化情况进行了初步分析，而东亚季风区冬季经向风季节内变化的年际差异及其机理可能还需要进一步的研究，这也是下一步工作的重点。

参考文献（References）

蔡学湛，2001.青藏高原雪盖与东亚季风异常对华南前汛期降水的影响[J].应用气象学报，12（3）：358367.Cai X Z，2001.The influence of abnormal snow cover over QinghaiXizang plateau and east Asian monsoon on early rainy season rainfall over South China[J].J Appl Meteor Sci，12（3）：358367.（in Chinese）.

丁一汇，柳艳菊，梁苏洁，等，2014.东亚冬季风的年代际变化及其与全球气候变化的可能联系[J].气象学报，72（5）：835852.Ding Y H，Liu Y J，Liang S J，et al.，2014.Interdecadal variability of the East Asian winter monsoon and its possible links to global climate change[J].Acta Meteor Sinica，72（5）：835852.（in Chinese）.

Hoskins B J，1983.The shape，propagation and meanflow interaction of largescale weather systems[J].J Atmos Sci，40（7）：15951612.

Huang R，Zhou L，Chen W，2003.The progresses of recent studies on the variabilities of the East Asian monsoon and their causes[J].Adv Atmos Sci，20（1）：5569.

Jeong J H，Kim B M，Ho C H，et al.，2008.Systematic variation in wintertime precipitation in East Asia by MJOinduced extratropical vertical motion[J].J Climate，21（21）：788801.

Ji L R，Sun S Q，Arpe K，et al.，1997.Model study on the interannual variability of Asian winter monsoon and its influence[J].Adv Atmos Sci，14（1）：122.

Jia X L，Chen L J，Ren F M，et al.，2011.Impacts of the MJO on winter rainfall and circulation in China[J].Adv Atmos Sci，28（3）：521533.

琚建华，孙丹，吕俊梅，2008.东亚季风区大气季节内振荡经向与纬向传播特征分析[J].大气科学，32（3）：523529.Ju J H，Sun D，Lyu J M，2008.The relay character analysis of the zonal and longitudinal propagations of the atmospheric intraseasonal oscillation in the East Asian monsoon region[J].Chin J Atmos Sci，32（3）：523529.（in Chinese）.

Lau K M，Chan P H，1987.Aspects of the 40—50 day oscillation during the northern winter as inferred from outgoing longwave radiation[J].Mon Wea Rev，113（11）：13541367.

李崇銀，1993.大气低频振荡[M].北京：气象出版社：201.Li C Y，1993.Low frequency oscillations in the atmosphere[M].Beijing：China Meteorological Press：201.（in Chinese）.

Li C Y，1985.Actions of summer monsoon troughs（ridges） and tropical cyclone over South Asia and the moving CISK mode[J].Scientia China（B），28：11971206.

Li Y Q，Yang S，2010.A Dynamical index for the East Asian winter monsoon[J].J Climate，23（15）：42554262.

马晓青，丁一汇，徐海明，等，20082004/2005年冬季强寒潮事件与大气低频波动关系的研究[J].大气科学，32（2）：380394.Ma X Q，Ding Y H，Xu H M，et al.，2008.The relation between strong cold waves and lowfrequency waves during the winter of 2004/2005[J].Chin J Atmos Sci，32（2）：380394.（in Chinese）.

Takaya K，Nakamura H，2011.A formulation of a phaseindependent waveactivity flux for stationary and migratory quasigeostrophic eddies on a zonally varying basic flow[J].J Atmos Sci，58（6）：608627.

Tam C Y，Li T，2006.The origin and dispersion characteristics of the observed tropical summertime synopticscale waves over the western Pacific[J].Mon Wea Rev，134（6）：16301646.

Wang B，Rui H，1990.Synoptic climatology of transient tropical intraseasonal convection anomalies：1975—1985[J].Meteorol Atmos Phys，44（1/2/3/4）：4361.

王曉聪，陆维松，陶丽，2009.北半球季节内振荡经向分布及异常的分析[J].大气科学学报，32（4）：582589.Wang X S，Lu W S，Tao L，2009.Longitudinal distribution of atmosphere lowfrequency oscillation in north hemisphere and its abnormality analysis[J].Trans Atmos Sci，32（4）：582589.（in Chinese）.

Wu R，2016.Coupled intraseasonal variations in the East Asian winter monsoon and the South China Seawestern North Pacific SST in boreal winter[J].Clim Dyn，47（7）：20392057.

吴尚森，梁建茵，2000.华南冬季异常冷月预测概念模型Ⅱ——大气环流、极冰、积雪等物理因子特征[J].热带气象学报，16（4）：289296.Wu S S，Liang J Y，2000.Schematic predictive model II for extremely severe cold months in South China minter[J].J Trop Meteor，16（4）：289296.（in Chinese）.

辛欣，曾胜兰，姚素香，2017.北太平洋冬半年位势高度季节内振荡及其诊断分析[J].大气科学学报，40（2）：280287.Xin X，Zeng S L，Yao S X，2017.The intraseasonal oscillations of the winter geopotential height over the North Pacific and its diagnosis[J].Trans Atmos Scis，40（2）：280287.（in Chinese）.

Yang S，Li T，2016.Intraseasonal variability of air temperature over the midhigh latitude Eurasia in boreal winter[J].Clim Dyn，47（7/8）：21552175.

Zhou L T，2011.Impact of East Asian winter monsoon on rainfall over southeastern China and its dynamical process[J].Int J Climatol，31（5）：677686.

祝丽娟，王亚非，高桥正明，2014.南海大气季节内振荡特征及其与ENSO循环的关系[J].大气科学学报，37（1）：918.Zhu L J，Wang Y F，Masaki Takahashi，2014.Characteristics of ISO over the South China Sea and its relationship with ENSO cycle[J].Trans Atmos Sci，37（1）：918.（in Chinese）.