索马里急流和南亚高压对印度夏季风爆发的协同作用

李雅洁，李德琳，徐 峰，柴博语，韩利国，陈思奇，杨金艺，张韶晶

索马里急流和南亚高压对印度夏季风爆发的协同作用

李雅洁，李德琳，徐 峰，柴博语，韩利国，陈思奇，杨金艺，张韶晶

（1. 广东海洋大学海洋与气象学院 // 2. 广东海洋大学南海海洋气象研究院，广东 湛江 524088）

【目的】探讨索马里急流和南亚高压对印度夏季风 (Indian Summer Monsoon，ISM)爆发产生的协同作用。【方法】基于ECMWF欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料（ERA5）提供的逐日数据，结合印度气象局对ISM爆发日期（即印度次大陆最南端的喀拉拉邦降水骤升的日期）的统计数据采用功率谱分析、偏相关分析和滑动相关等统计学方法，分析索马里急流和南亚高压对ISM爆发的协同作用。【结果】ISM爆发前1候至当候，印度地区对流层高层南亚高压的范围和强度不断扩大，同时对流层低层索马里急流的强度和范围不断增强，使阿拉伯海地区的西南气流不断增强，将阿拉伯海地区大量水汽输送至印度大陆，在这样有利的条件下，印度南部降水量剧增，ISM爆发；当5月下旬的南亚高压、索马里急流以及阿拉伯海地区水汽通量和气旋性环流均显著偏强时，ISM会提前爆发，降水也会异常偏多。【结论】ISM爆发日期受到索马里急流和南亚高压两者协同作用的影响，而并非单独受到某个系统的影响。

印度夏季风；索马里急流；南亚高压；协同作用

印度夏季风(Indian Summer Monsoon，ISM)是亚洲夏季风系统的重要组成部分之一，是印度地区主要水源供应渠道，其带来的降水占据印度全年总降水量的78.2%，维持着印度人民的基本需求[1-3]，而ISM爆发也是印度地区雨季开始的重要标志[4]。ISM爆发及过程引发了专家学者们的大量关注，如Rai等[5]通过研究索马里急流异常位涡对ISM不同阶段产生的影响，指出索马里急流位涡异常的空间结构在ISM活跃期和间歇期的变化很大。Jain等[6]也指出ISM降水量的增加可以从索马里急流将阿拉伯海的异常增多水汽输送至亚洲季风区这一角度解释；Noska等[7]指出ISM爆发日期的偏早（晚）与印度地区降水的偏多（少）密切相关，而Wang等[8]定义了表征ISM爆发日期的指数OCI(Onset Circulation Index)，并指出通该过指数求出的爆发日期与真实爆发日期之间有显著相关关系，为数值模式对ISM爆发日期的预测提供新思路。与此同时，随着数值模式发展，ISM爆发日期预测的准确性也在不断提高[9-12]。因此，ISM爆发日期的影响因素是学术界持续关注的重点。

吴国雄等[1,13]指出，南亚高压的抽吸作用是诱发阿拉伯海扰动强烈发展和导致ISM爆发的重要的原因。而南亚高压是夏季出现在青藏高原以及邻近地区上空对流层上部的大型高压系统，其本身对我国甚至是东亚地区的大气环流会产生显著的影响[14-23]。而Prasad、Raju等[24-25]研究发现，在季风爆发之前，索马里急流就早已建立，且随着季风爆发，不断加强并向印度西海岸延伸，最终在阿拉伯海上空形成了低空急流，为季风爆发提供了有利条件。Joseph等[26]则进一步归纳出季风在印度爆发所需要的两个主要条件：（1）阿拉伯海地区需要有天气尺度或者中尺度的瞬时扰动的发展为其提供充足水汽条件；（2）阿拉伯海地区的风速要迅速增加。

综上，关于ISM爆发的研究，专家学者大多研究的是其对我国天气气候影响，以及青藏高原是如何为其提供有利条件，或更多关注于阿拉伯海地区的水汽条件和索马里急流对ISM爆发的影响，而较少分析两者对ISM爆发的协同作用。然而，ISM的爆发可能受到的是印度洋地区的索马里急流和青藏高原的南亚高压协同作用的影响。因此，本研究将探讨索马里急流和南亚高压对ISM爆发的协同作用，以期为异常ISM爆发日期的预测提供新思路，进而对由极端ISM可能引起的气象灾害进行预防。

1 数据来源及指数定义

1.1 数据来源

本研究研究时段均为1979－2019年，使用资料主要有：

1）欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium Range Weather Forecasts, ECMWF）第五代全球大气再分析资料（ERA5）是同化了卫星数据、现场观测数据等多种数据产品的再分析数据，是目前公认的最为先进的再分析数据产品之一。本研究使用了ERA5提供的逐日降水、风场、向外长波辐射（Outgoing Long-wave Radiation，简称OLR）、位势高度以及垂直水汽积分数据，空间分辨率为0.25°×0.25°。（https://www.ecmwf.int/en/forecasts/dataset/ecmwf-reanalysis-v5）。

2）印度气象局（India Meteorological Depart-ment，IMD）提供的ISM爆发日期数据。(https://mausam.imd.gov.in)。

1.2 指数定义

1.2.1 南亚高压强度指数 本研究采用张琼等[27]提出的南亚高压强度指数(SAHI)表征南亚高压强度及其变化，即南亚高压区域内(0－150°E，0－50°N)区域内100 hPa位势高度上大于16 600 gpm的所有格点上位势高度值与16 600 gpm之差的总和。

1.2.2 索马里急流指数 本研究采用石文静和肖子牛[28]提出的索马里急流指数(SMJI)表征索马里急流的强度及其变化，即925 hPa上索马里急流区(40°E－55°E，10°S－5°N)经向风的平均值。

1.2.3 ISM爆发日期 本研究使用的爆发日期由IMD提供，IMD给出的ISM爆发日期定义为印度次大陆最南端的喀拉拉邦（Kerala）降水骤升的日期为爆发日期[29]。

2 ISM爆发前后相关物理量变化特征

基于IMD记录得到的1979－2019年的ISM爆发日期（图1）黑色实线可得，ISM爆发日期会呈现出明显的年际变化，对其进行7 a滑动平均后得到的是图中黑色的虚线，同样可以看出爆发日期呈现出年代际的变化趋势。

2.1 降水量、850 hPa风场及100 hPa南亚高压

根据ISM逐年的爆发日期，每年ISM爆发当天及后4 d记为0候，爆发前5 d记为-1候，爆发后5 ～ 10 d记为+1候的方式对时间进行划分，结合ERA5的数据资料对季风爆发前后降水量、850 hPa风场以及100 hPa南亚高压的面积变化进行气候态的平均。

黑色带圈实线为ISM爆发日期时间序列，黑色虚线为7 a滑动平均后的ISM爆发日期时间序列

ISM爆发当天及后4 d记为0候，爆发前5 d记为-1候，爆发后5 ～ 10 d记为+1候，依此类推；红色方框为索马里急流区，红色曲线圈出范围为南亚高压偏强区

由图2可以看到，爆发前期，赤道印度洋地区南风分量迅速增强，使得索马里急流强度不断加强，尤其是其北支的偏西气流不断由阿拉伯海吹向印度大陆，在爆发前1候至爆发当候，偏西气流迅速加强，印度西南海岸沿岸的降水也迅速增强，由本图及图3可知，南亚高压在季风爆发前后呈现持续增强状态，稳定位于在南亚高空，其外围辐散气流为ISM爆发期间强烈的持续性降水提供了有利的高空抽吸作用。

2.2 水汽通量

同样，对季风爆发前后水汽通量的变化进行分析（图4），可以看到爆发前5候至爆发前2候，阿拉伯海和印度大陆的水汽均处于稳定状态，而在爆发前1候至爆发当候，输送的水汽开始迅速增多，为印度大陆提供了充足水汽条件。

填色图为OLR，箭头代表200 hPa风场；ISM爆发当天及后4 d记为0候，爆发前5 d记为-1候，爆发后5 ～ 10 d记为+1候，依此类推

2.3 OLR和200 hPa风场

而其对应的对流层高层（图3），在爆发前5候至前3候，南亚高压不断增强并且持续控制着孟加拉湾地区，使其高层有充足辐散气流，同时，该地区的OLR值呈现出较小值也就意味着孟加拉湾地区的对流性活动较强。而在季风爆发前2候至当候，南亚高压迅速增强并且高值区不断西扩，导致孟加拉湾地区高层的辐散气流和强对流区也开始西扩，强度也同时在不断增强，为印度地区产生大量降水提供了有利动力和对流条件。

综上，ISM爆发前5候至当候，印度地区对流层高层南亚高压范围和强度不断扩大，其高层辐散场不断西扩，辐散气流不断增强，有利于对流层中、低层上升运动的发展。而在爆发前2候至当候，索马里急流强度和范围也迅速增强，使阿拉伯海地区的西南气流随之增强，同时，阿拉伯海地区水汽大量聚集并输送至印度大陆。在这样有利条件下，印度南部降水量剧增，ISM爆发。

ISM爆发当天及后4 d记为0候，爆发前5 d记为-1候，爆发后5 ～ 10 d记为+1候，依此类推；箭头代表水汽输送的方向

2.4 各物理量在ISM爆发前后的区域平均

为更加直观看到各物理量在季风爆发前后的变化，对其进行区域的平均（图5），可以看到阿拉伯海地区的水汽在爆发前1候明显开始迅速增多，尤其在爆发当候，阿拉伯海地区水汽大幅增加（图5(a)）。而索马里急流的强度在爆发前1候开始有明显增强，并持续保持增强趋势至爆发当候，在爆发当候强度的增加到达最大（图5(b)）。而南亚高压在爆发当候开始有明显增强，并在爆发后也维持不断增长趋势。印度地区的850 hPa风速和降水在爆发前1候开始有明显增强，并持续增强趋势至爆发后（图5(c)）。因此，在爆发前1候至当候，阿拉伯海的水汽、索马里急流的强度以及南亚高压的强度均有明显增长（图5(d)），为季风爆发提供有利的前期条件。

结合上述所有分析，结果显示，在季风爆发前后，对流层高层始终存在南亚高压不断提供大量辐散气流，并且其范围不断向西扩大，为对流层中、低层上升运动的发展提供了有利条件。而到爆发前1候，索马里急流急剧增强，与此同时，水汽大量聚集在阿拉伯海地区，索马里急流开始迅速将阿拉伯海的水汽源源不断输送至印度大陆。在对流层高层辐散气流和低层索马里急流带来的水汽的共同作用下，季风爆发前2候，阿拉伯海地区东南部出现强对流活动中心。并且在爆发前2候至爆发前1候期间，该强对流区逐渐加强并且北抬西伸至印度周围地区，在此期间，阿拉伯海地区水汽开始大幅增多，低空西风气流明显增强。在季风爆发前1候至爆发当候，索马里急流、阿拉伯海地区的水汽通量依旧维持不断增长的状态，与此同时，强对流区开始由阿拉伯海东南部向印度大陆扩张，最终在各系统配合下，ISM爆发。而在爆发当候，索马里急流依旧显著增强，印度地区的对流活动和降水也维持着较强状态，16 600 gpm线控制着南亚地区。在爆发当候至爆发后1候，索马里急流的强度发生微弱增强，阿拉伯海地区的水汽通量持续增多，南亚高压的强度和范围也随之增加，降水也由西南沿海地区逐渐东扩。总体来说，从爆发当候至爆发后3候，随着南亚高压强度和范围的逐渐增加，阿拉伯海东南部对流性增强，对流活动中心逐渐北移西进，阿拉伯海的水汽和索马里急流依旧处于较强状态，所以印度地区的降水和风速仍处于较强状态，只不过变化幅度有所减缓。其中，值得注意的是索马里急流、阿拉伯海地区的水汽以及阿拉伯海东南部对流性活动是在季风爆发之前逐渐增强，而后在季风爆发之后处于稳定状态。然而，南亚高压在季风爆发之后依旧处于持续不断增强的状态。

（a）为阿拉伯海水汽通量（kg·m-1·s-1）；（b）为索马里急流强度（m/s）；（c）为南亚高压强度（gpm）；（d）为印度大陆降水（mm）以及（e）为印度大陆850 hPa风速（m/s）

3 索马里急流和南亚高压对ISM爆发的协同作用

3.1 对ISM爆发早晚的协同作用

为研究ISM爆发日期异常的影响因素，选取爆发偏早、偏晚年进行合成分析。在之前对爆发日期的计算中可知，ISM爆发日期的气候态为6月1日，计此为0候，以±5 d为标准（图6），选取了8个爆发偏早年和9个爆发偏晚年。

根据上述结果，记6月第1候为0候，5月最后一候为-1候，对偏早和偏晚年份的高空异常环流形式之间的差异进行分析，结果如图7所示。

结果显示，南亚高压强度在偏早年与偏晚年之间出现的显著偏差从-5候一直持续至0候，并且持续控制着印度北部地区（图7），直方图（图8(a)）和剖面图（图8(b)）也显示偏差最大出现在-5候到-4候。然而，综合可知，对于ISM爆发偏早和偏晚，南亚高压强度差异变化最强出现在-1候。换言之，在-1候时，南亚高压在爆发偏早年和偏晚年之间的变化会有显著改变。

实线为较平均爆发日期偏晚5 d，虚线为较平均爆发日期偏早5 d

利用上述同样的方法，由图9可得，索马里急流在ISM爆发偏早年和爆发偏晚年之间变化最大的时期为-2到-1候，这点也可以在相应的直方图（图10a）和剖面图（图10b）中得到。进一步，由直方图可以直观具体的得到索马里急流强度在爆发偏早年和偏晚年之间差异最大出现在-2候，并且爆发偏早年和偏晚年之差的变化最大也出现在-2候。

6月第1候记为0，打点区域为通过95%显著性检验的区域

6月第1候记为0

在上述对索马里急流在异常年份的分析过程中发现，印度大陆降水量在季风爆发偏早年和偏晚年之间有明显差异的现象发生在-3候到-1候（图9），再结合图11，可具体得到印度大陆降水量在季风偏早年和偏晚年偏差最大发生在-2候到-1候。随后，结合水汽在季风爆发偏早年和偏晚年的变化情况（图12-图13），即在-2候到-1候，阿拉伯海及印度地区的水汽在季风爆发偏早年和偏晚年之间的差异最大。可得，在-2候到-1候不同水汽条件影响下，索马里急流以及南亚高压相互配合影响，会使得印度大陆降水量在季风偏早年和偏晚年偏差最大发生在-2候至-1候期间。结合上述对影响ISM爆发的各物理量和天气系统的分析，可知ISM爆发偏早和偏晚之间差异最大的现象会发生在5月下旬。

6月第1候记为0，箭头代表850 hPa风场

所以，若5月下旬的南亚高压、索马里急流以及阿拉伯海地区的水汽通量均显著的偏强，那么ISM在很大程度上会提前爆发，其带来的降水也会异常的偏多。因此，关注5月下旬的南亚高压、索马里急流以及阿拉伯海地区的水汽通量对ISM爆发日期的预报有着指示性的意义，并由此可对由极端ISM可能引起的气象灾害进行提前规避。

3.2 对ISM爆发当候的协同作用

为更加清晰直观地得到在ISM爆发当候索马里急流和南亚高压的协同作用对ISM爆发日期的影响。分别求1979－2019年ISM爆发的日期与爆发前的索马里急流（图14(a)）和南亚高压（图14(b)）强度之间的相关系数，结果显示，两者均在爆发前5候与爆发日期之间呈显著的正相关关系，并且相关系数均可通过90%的显著性检验，且结果显示，爆发前5候的南亚高压与ISM爆发在年际变化中的相关性更好。

6月第1候记为0，箭头代表水汽输送方向

记6月第1候为0

（a）为ISM爆发日期与爆发前5-0候南亚高压强度；（b）为ISM爆发日期与爆发前5 - 0候索马里急流强度

随后，为避免ISM爆发日期、-5候南亚高压强度与索马里急流强度之间相互作用对结果产生影响。对三者两两之间进行偏相关分析（图15），结果显示，剔除掉-5候南亚高压的影响，索马里急流与ISM爆发日期之间未能呈现显著正相关关系。而不排除南亚高压的影响，-5候的索马里急流强度与ISM爆发日期之间的正相关性显著增强，可以很好通过99%的显著性检验。而同样剔除掉-5候索马里急流的影响，南亚高压与ISM爆发日期之间的正相关系数虽然可以通过90%的显著性检验，但若不剔除索马里急流的影响，则南亚高压强度与ISM爆发日期之间的正相关系数会大幅增强，通过高达99%的显著性检验。但-5候的南亚高压和索马里急流之间无论是否有ISM爆发日期的影响，其相关性均不显著。综上，可以看出-5候的索马里急流和南亚高压之间的协同作用对ISM爆发提供了有利的前期条件，且ISM爆发日期受到索马里急流和南亚高压两者协同作用的影响。

索马里急流强度单位：m/s，南亚高压强度单位：gpm，偏相关以黑色字体示，相关系数以红色字体示

4 结论

本研究利用ERA5再分析的降水、风场、向外长波辐射、位势高度和垂直水汽积分数据，对1979－2019年ISM爆发前后印度洋和青藏高原地区的海气系统变化特征以及索马里急流和南亚高压对印度夏季风爆发的协同作用进行分析，结果表明：

1）ISM爆发前1候至当候，印度地区对流层高层南亚高压范围和强度不断扩大，对流层低层索马里急流强度和范围不断增强，使阿拉伯海地区的西南气流不断增强，将阿拉伯海地区大量水汽输送至印度大陆。在这样有利的条件下，印度南部降水量剧增，ISM爆发。

2）当5月下旬的南亚高压、索马里急流以及阿拉伯海地区水汽通量和气旋性环流异常偏强时，ISM提前爆发且印度地区降水也会异常偏多。

3）索马里急流和南亚高压两者协同作用对ISM爆发日期影响较大，而非单独受到某个系统影响。

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Synergistic Effects of the Somali Jet Stream and the South Asia High on Onset of Indian Summer Monsoon

LI Ya-jie, LI De-lin, XU Feng, CHAI Bo-yu, HAN Li-guo，CHEN Si-qi, YANG Jin-yi, ZHANG Shao-jing

（1.,// 2.,524088,）

【Objective】The study is to explore the synergistic effects of the Somali jet stream and the SAH(South Asia High) on the onset of the Indian Summer Monsoon (ISM).【Method】The study is based on the daily data provided by the ERA5 of the ECMWF(European Centre for Medium Range Weather Forecasts) which is combined with the statistics of the ISM onset date (the date of a sharp increase in precipitation in the southernmost Indian subcontinent of Kerala) from the Meteorological Administration of India. Statistical methods such as power spectrum analysis, partial correlation analysis and sliding correlation were used to analyze the synergistic effect of the Somali jet and the South Asian High on the ISM onset.【Result】The scope and intensity of SAH in the upper troposphere over India were continuously expanded during the first week before the ISM onset, and the intensity and scope of Somali jet in the lower troposphere were continuously enhanced, which made the southwest airflow over the Arabian Sea continuously strengthened, and a large amount of water vapor from the Arabian Sea transported to the Indian mainland. Under these favorable conditions, there was a surge in precipitation in southern India and an onset of ISM. When the South Asia High, Somali jet stream and the cyclonic circulation over the Arabian Sea in late May are all significantly stronger, ISM will break out in advance and bring abnormally more precipitation. 【Conclusion】The ISM onset date was influenced by the synergistic effect of the Somali jet stream and the SAH, rather than by a single system.

Indian summer monsoon; Somali Jet Stream; South Asia high; synergistic effect

P426.615

A

1673-9159（2022）01-0067-11

10.3969/j.issn.1673-9159.2022.01.010

李雅洁，李德琳，徐峰，等. 索马里急流和南亚高压对印度夏季风爆发的协同作用[J]. 广东海洋大学学报，2022，42（1）：67-77.

2021-06-10

国家重点研发计划（2018YFA0605604）；广东省重点领域研发计划（2020B0101130021）；广东省基础与应用基础研究基金项目（2019A1515111009）；广东海洋大学科研启动经费资助项目（060302032102）

李雅洁（1997―），女，硕士研究生，研究方向为海洋与气候变化。E-mail: liyajie@stu.gdou.edu.cn

李德琳（1990―），女，讲师，研究方向为海气相互作用、气候动力学。E-mail: lidl@gdou.edu.cn

徐峰（1962―），男，教授，从事海洋气象学科研究。E-mail:xuf@gdou.edu.cn

（责任编辑：刘岭）