2019年南海夏季风爆发特征及其与10～25 d ISO的关系

张颖 王黎娟 赵小芳 邓顺芷

(1 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044；2 成都信息工程大学 大气科学学院，成都 610225)

引 言

亚洲季风系统的构成部分为东亚季风和南亚季风，而南海季风作为东亚季风的一员，其爆发有着标志性的作用，尤其是对东亚夏季风和我国雨季。南海夏季风爆发早晚对我国雨带的分布和江淮华北地区的旱涝灾害也有不同作用。我国雨带分布在爆发早晚年表现特征不同：早年主要分布于华南华北地区，而晚年则主要位于长江中下游[1]。南海夏季风的发生发展影响我国5—9月汛期，与洪涝和干旱等气候灾害密切相关[2]。可见，南海夏季风的爆发是我国预报雨季的起止、雨带的移动和预防气象灾害的重要参考因素之一。

目前，关于季风爆发突变性的研究已有很多基础。当前研究中对于南海夏季风爆发日期的定义指标大致可分为热力学指标和动力学指标两类。李俊乐等[3]发现南海夏季风与高原夏季风呈负相关，且对流活动及大气环流存在显著差异。李崇银等[4]认为经向分量与纬向分量同等重要，使用对流层高低层散度差构建季风指数。亚洲地区的南北温差和纬向风的突变也被认为是南海夏季风爆发的突变特征[5]。刘霞等[6]认为南海—西太平洋系统是南海夏季风建立的原因。低层西太平洋副高脊减弱东撤和南亚高压北跳为环流系统的最显著的特征，并且发现海洋上热带对流和位势不稳定的爆发晚于大陆和岛屿。这些特征可以作为南海地区季风爆发的标志[7]。刘芸芸等[8]发现2019年春季全国平均降水量为148.7 mm，较常年同期偏多3.5%，且旱涝空间分布存在显著差异。东北、西北地区东部和华南降水显著偏多，持续性的降水使其遭受暴雨洪涝灾害；而黄淮、江淮及云南大部降水异常偏少，都出现了中度至重度气象干旱。丁婷等[9]发现2019年江南梅雨和华南前汛期开始早结束晚，东部季风区降水呈现明显的季节内变化。前者从大气环流异常、西太平洋副热带高压异常和热带海温外强迫的角度分析了2019年春季降水异常的成因，而后者从槽脊演变情况提出了降水异常的直接原因。值得注意地是，2019年南海夏季风爆发偏早的特征前人也有所提及，但详细针对南海夏季风爆发异常时的特征与成因的研究还较少。鉴于南海夏季风的爆发可能也与2019年其他气象要素异常有密切关系，因此选择何种指标来定义2019年南海夏季风爆发日期以及探究夏季风爆发前后的环流演变特征就成了本文将要详细讨论的问题。

对于南海夏季风的爆发机理存在多种观点的讨论。吴丹晖等[10]发现南海夏季风爆发早晚与孟加拉湾区域的海表温度有密切联系性，当孟加拉湾海区温度负(正)异常时，南海夏季风爆发偏早(晚)。邵勰等[11]分析了海温异常对南海夏季风爆发的可预报性，结果表明海温异常可以用于定性预报南海夏季风爆发。大气季节内振荡(Intraseasonal Oscillation，ISO)也是主要观点之一。琚建华等[12]构造了ISO指数来反映南海850 hPa西南风的强度，具体为对其在南海区域进行30～60 d带通滤波后再取平均值，发现三次比较明显的活动过程在5—9月。穆明权等[13]发现局地活动特征是南海区域大气季节内振荡的特征之一，当南海季风爆发后局地活动的ISO才有明显北传的特征。李汀等[14]认为夏季北半球ISO不同位相对南海夏季风的爆发和季风区降水异常都起着重要作用。陈尚锋等[15]讨论了时间尺度为30～60 d的低频振荡对南海夏季风的影响。当位于活跃位相时，南海地区表现为低频西南风和对应着正涡度和增强的南海夏季风槽。当处于不活跃状态时，表现出相反的特征。因此，ISO是触发南海夏季风爆发的一个重要因子。研究2019年ISO活动对南海夏季风爆发的影响有助于解释2019年南海夏季风爆发异常，为我国其他气象要素异常提供诊断依据且为今后预测南海夏季风的爆发、季风灾害和减少灾害损失提供经验。

1 资料和方法

本文使用的资料为NCEP/NCAR提供的2019年逐日再分析资料，包括向外长波辐射(Outgoing Longwave Radiation，OLR)、风场(u,v)、高度场、相对湿度和温度场，水平分辨率为2.5°×2.5°。南海夏季风爆发时间定义为：南海地区(10°～20°N，110°～120°E)连续两候850 hPa上空维持西风，且平均假相当位温超过340 K。在计算假相当位温时，采用如下公式：

(1)

为了提取资料的低频特征，本文采用Lanczos滤波器对南海地区风场进行滤波，提取OLR场振荡周期则采用功率谱分析法。为了确定风场的滤波周期，本文应用Lanczos滤波器将南海地区850 hPa的风场分解为3种时间尺度：10 d高频季节风场、10～60 d季节内风场和60 d以上的低频季节风场。综合滤波后的计算结果和功率谱分析的结果，发现10～25 d准双周振荡对2019年南海夏季风的爆发起主要调制作用。

2 2019年南海夏季风爆发日期

当前对于南海季风建立日期的定义较多，多考虑在南海季风爆发前后各个要素的显著突变，大致可分为热力学指标和动力学指标[17]，包括低水平纬向风[18]，850 hPa纬向风、西风急流和气柱稳定度的突变[19]、垂直风切变的变化[20]和假相当位温的突变[19，21]。国家气候中心判断季风爆发的标准为满足南海地区连续两候850 hPa上空维持西风，且平均假相当位温超过340 K。据此，国家气候中心认为在2019年5月第2候时季风已经爆发。为了进一步确认2019年的爆发日期，本文选择西南风和纬向风的垂直风切变为动力学指标，OLR和850 hPa假相当位温为热力学指标，而后对其在南海地区进行区域平均并进行标准化来分析以上物理量的变化特征，如图1所示。

图1 2019年南海区域(10°～20°N，110°～120°E)标准化的OLR，假相当位温，纬向风垂直风切变和西南风(设置5月6日为横坐标原点，并以其为界向前向后分别绘制10 d)

据计算， 5月6日，标准化的OLR值为1.12，并自此逐日递减，说明南海区域的对流活动自5月6日后不断增强；850 hPa的标准化假相当位温为1.35，表明850 hPa大气状态呈强位势不稳定。由此可知，5月6日南海区域位势不稳定程度最强。垂直风切变为-0.93，可知5月6日850 hPa的纬向西风最为强盛，符合南海季风爆发时的特征；南海区域西南风也十分强盛，其标准化值为1.38，此时不但东风转向为偏西风且在转向后稳定维持。因此，这些物理量的特征表明南海地区季风在5月6日已经爆发，由此定义5月6日为2019年南海夏季风的爆发日期。

3 2019年南海夏季风环流演变特征

3.1 200 hPa高度场及高空急流特征

南海夏季风建立时，伴随有西风急流突变[19]。根据季风爆发前后的200 hPa纬向风沿110°～120°E的纬度—时间剖面(图2)，可以发现5月4日之前，200 hPa纬向风总体维持在30～50 m·s-1，急流中心整体维持在30°N附近。随后在5月4—7日之间，200 hPa高空急流强度增强但位置北抬至40°N附近，中心轴附近风速开始达到60 m·s-1以上。到5月6日季风爆发时，高空急流中心发生南移，大于50 m·s-1的急流中心范围明显扩大，整体呈现高空急流大面积南移爆发的趋势。可以发现，高空急流在5月6日后南移所至的位置与5月1日所处位置相差不大，但二者显著不同之处在于前者急流中心风速极大(大于50 m·s-1)且范围更广。综上所述，5月6日南海夏季风爆发后高空环流特征表现为200 hPa高空急流的范围扩大并且强度增强。

图2 2019年4月28日—5月18日200 hPa纬向风沿110°～120°E的纬度—时间剖面(纬向风速填色，单位：m·s-1)

3.2 500 hPa高度场演变特征

王黎娟等[19]认为副高的不断东撤是南海夏季风爆发的来源和建立的直接表现，有利于不稳定能量的释放，副高可以作为判断南海夏季风的爆发的基本条件之一[17]。如图3所示，从副高位置来看，从4月28至30日，南海地区处于副高控制之下。随后，副高发生断裂，南海地区暂时不受副高控制，直至5月6日副高整体撤出南海地区。5月10日，副高再次控制南海地区。可见，5月6日季风爆发后500 hPa环流演变的显著表现为副高撤出南海地区。

图3 2019年4月28日—5月18日500 hPa高度场沿10°～20°N的经度—时间剖面(高度场中5 880 gpm，单位：gpm)

3.3 850 hPa风场和OLR场特征

南海地区西南风分量风速与OLR值的变化呈现出非常显著的负相关关系[22]。为了了解2019年南海季风爆发前后西南风和OLR发展演变情况，本文绘制850 hPa风场和对流场沿110°～120°E的纬度—时间剖面，如图4所示。5月3日之前，对流出现在赤道地区，南海地区并无对流活动且受到西南风控制。到了5月3日，对流活动开始向北延伸至南海地区，此时OLR值为200 W·m-2左右。5月6日季风爆发，对流活动在南海地区剧烈发展，具体表现为强度急剧增加和范围的扩大，扩展至整个南海地区后最低OLR值达到150 W·m-2以下。自5月4日南海地区转向为正西风后在6日又表现出一次强度的增强，而5月16日后南海地区对流活动衰退且东风再次占主导。

图4 2019年4月28日—5月18日850 hPa风场(箭矢，单位：m·s-1)和OLR场(OLR值<220 W·m-2;填色，单位：W·m-2) 沿110°～120°E的纬度—时间剖面

3.4 南海地区假相当位温分析

图5 (a)2019年南海区域(10°～20°N，110°～120°E)季风建立前后假相当位温廓线(单位：K)；(b)2019年南海区域(10°～20°N，110°～120°E)季风建立前后纬向风廓线(单位：m·s-1)

根据以上4个方面的分析可知，5月6日环流及物理量特征符合南海夏季风的爆发特征。具体表现为，在高层上高空急流存在范围扩大和强度增强，中层副高不断东撤，南海地区不再受副高控制而盛行西南风，中低层上850 hPa上南海区域盛行西南风，对流自此大面积爆发。对于假相当位温，则表现为在5月第2候850 hPa基本满足θse≥335 K，假相当位温随高度的变化特征显示出对流增强的趋势。同时，在5月第2候850 hPa纬向风为西风。

4 2019年南海ISO活动特征及其与季风活动的关系

4.1 南海夏季风爆发前后ISO特征

南海夏季风的触发机制之一为大气季节内振荡。王慧[23]从爆发早年、爆发正常年及爆发晚年讨论ISO的特征及其与南海夏季风的关系，并分析了各种情况的异同。为了进一步研究2019年季风爆发和ISO的调制关系及特征，本文将对2019年南海区域平均OLR和850 hPa风场分别进行功率谱分析和滤波，如图6所示。

图6 2019年南海区域(10°～20°N，110°～120°E)OLR功率谱

有研究表明，北半球夏季亚洲季风区的大气季节内振荡主要有两种周期构成，分别为10～25 d准双周振荡和30～60 d振荡模态[24-25]。因此，本文为了研究不同时间尺度系统对2019年南海夏季风的爆发的影响机制，应用Lanczos滤波器把南海地区850 hPa的风场分解为3种时间尺度：10 d高频季节风场、10～60 d季节内风场和60 d以上的低频季节风场。据计算，在5月第2候中滤波后的850 hPa原风场表现出显著的10～60 d季节内振荡，其占比约为总风场的57.78%；在季风爆发前后20 d内(4月20日—5月9日)，10～60 d季节内风场则占总风场的72.16%，而60 d以上的低频季节风场和高频季节风场分别仅贡献3.91%和23.93%。由此可知在本文分解的3个时间尺度中，10～60 d季节内风场占主导地位。根据平均OLR场的功率谱分析可知，其存在10～25 d大气季节内振荡，置信区间为α=0.05，如图6所示。具体到5月6日，10～25 d低频振荡占10～60 d季节内风场的80.65%；在季风爆发前后20 d内(4月20日—5月9日)，10～25 d低频振荡占10～60 d季节内风场的80.81%，如图7所示。因此，10～25 d低频振荡是2019年南海10～60 d带通滤波的主要成分。更具体地说，振荡周期为10～25 d的大气季节内振荡对这次南海夏季风的爆发起主要调制作用。综上，2019年南海地区OLR及850 hPa风场主要受到10～25 d ISO的影响。

图7 4月20日—5月9日10～25 d滤波的风场占总季节内风场比例

4.2 ISO活动与季风爆发时间的关系

第2节选取了西南风、纬向风垂直风切变、假相当位温和OLR值4个物理量来综合定义2019年南海夏季风爆发日期(5月6日)。有研究表明，南海夏季风爆发年份可以划分为爆发早年，爆发正常年及爆发晚年，其中爆发正常年南海季风通常在5月中下旬爆发[23]。因此，2019年南海夏季风爆发偏早，属于爆发早年。温之平等[26]分析了ISO活动与南海夏季风爆发早迟的联系，发现当爆发前期出现低频对流活动在菲律宾南部周围发展西移，在华南地区南移以及在加里曼丹岛北移这3种特征时，南海夏季风爆发偏早。从纬向传播特征来看，当孟加拉湾东部的低频对流活动加强向东传播，140°～150°E西太平洋暖池区的低频对流向西发展并在南海地区耦合时，有利于南海夏季风爆发偏早。为了研究这一原因，本文分析了2019年南海夏季风爆发前期时850 hPa风场和OLR场10～25 d ISO活动演变(图8)。4月16日(图8a)，我国长江流域附近存在活跃的对流湿位相，20日(图8b)对流活动南移至我国江南地区且在经向方向扩展，至24日(图8c)，对流湿位相中心南移至我国台湾及南海部分海域且强度增强。同时，16日(图8a)菲律宾南部也存在低频对流活动，其在20—28日(图8b—d)西北移动至印度洋海域。再者，在加里曼丹岛上低频对流活动也存在北移特征。4月20日(图8b)，在加里曼丹岛上发现存在对流湿位相，而后分为东西两条路径北移。其中一部分西北传播至孟加拉湾(图8d)并在印度洋大片地区发展(图8e)，另一部分东北传播至南海和台湾地区(图8c)并进一步西移与前条路径合并共同在印度洋发展(图8d、e)。而在孟加拉湾东部地区，低频对流出现在4月20日后(图8b)，140°～150°E西太平洋暖池区的低频对流在4月16日(图8b)就较为显著。孟加拉湾地区的低频对流不断发展，而后者则不断向西传播(图8c)。6日(图8f)，上一时刻位于孟加拉湾东部的低频对流向东传播，与向西传播的太平洋暖池的低频对流在南海地区及其周边海洋性大陆、太平洋东岸发生耦合。汇合后的低频对流在5月6日强度最强、范围最广，有利于2019年南海夏季风爆发偏早。总之，在2019年南海夏季风爆发前10～25 d低频对流活动特征表现为华南地区南移，菲律宾南部周围发展西移以及加里曼丹岛分支北移后合并发展，孟加拉湾东部地区与140°～150°E西太平洋暖池区的低频对流在南海地区及其周边海洋性大陆、太平洋东岸发生耦合。因此，周期为10～25 d的ISO活动使2019年南海夏季风爆发偏早。

图8 2019年南海季风爆发前期10～25 d滤波的850 hPa风场(矢量，单位：m·s-1)和OLR场(阴影，单位：W·m-2; 异常风场仅画出大于0.7 m·s-1部分)：(a)4月16日；(b)4月20日；(c)4月24日；(d)4月28日；(e)5月2日；(f)5月6日

4.3 ISO活动与南海夏季风爆发强度的关系

表1 2019年南海夏季风爆发后附近一次ISO位相划分

图9 2019年南海夏季风爆发前后ISO的逐日演变

在此次ISO波动中第6位相没有明显表现，故选择附近的5月18日作为参考。接下来对表1中的位相进行合成分析，对各个位相的风场和OLR场使用Lanczos滤波器进行10～25 d滤波，然后在时间维上进行平均来绘制分位相合成，如图10所示。在第1位相(南海夏季风 ISO 发展位相，图10a)时，南海区域、太平洋西部、印度洋中部及海洋性大陆为对流湿位相，印度洋东部，孟加拉湾和台湾日本东部海域则处于对流干相位控制。在第2位相(南海夏季风 ISO峰值位相，图10b)时，可以发现原先位于印度洋东部的对流干位相整体向东北传播。同时，太平洋东部的ISO湿位相北抬加强而印度洋中部的湿相位东北传播且加强，南海地区出现异常东风，此位相上的南海区域ISO湿相位从范围和强度来看都处于峰值状态。在第3位相(南海夏季风 ISO减弱位相，图10c)时，位于印度洋东部的对流干相位穿过海洋性大陆传播至太平洋西部海域，表现为东北传播的特征，位于海洋性大陆和太平洋西部的湿位相则北抬加强。值得注意地是，在第4位相(南海夏季风 ISO抑制位相，图10d)，图10a、d中呈现出反位相，表明ISO的位相将从正值向负值变化。太平洋西部的干位相向东北传播，印度洋的湿相位也不断加强且有东传趋势，南海地区受到西南风控制。在第5位相(南海夏季风 ISO谷值位相，图10e)时南海地区及其北部都处于对流干相位并受到较大面积的偏西风控制，印度洋区域处于湿相位。同样地，图10b(峰值)与图10e(谷值)呈现出相反的特征，干湿位相及异常风场也处于峰值状态。在第6位相(南海夏季风 ISO恢复位相，图10f)时，台湾日本附近海域，印度洋和太平洋地区表现为对流干位相，南海地区和海洋性大陆西部海域则相反。观察图10a、f，发现随着ISO位相由负转为正，其对流干湿活动强度有所减弱但范围更为扩大。

图10 2019年南海夏季风爆发后ISO波动的分位相合成，其中图a—f分别对应第1—6位相

根据上文对各位相的分析，可以发现南海区域的10～25 d低频对流场在第1—3位相和第4—6位相上呈现反位相的特征。具体表现为，在第2位相(ISO峰值位相)上，南海区域对流湿位相也达到峰值，此时对流活动最为强烈，有异常东风出现在南海区域；在第5位相(ISO谷值位相)上，南海区域对流干位相最为强烈，有利于局地海温升高，异常西南风最为强盛。与此同时，发展—最强—减弱—抑制—最弱—恢复的6个阶段的变化也发生在孟加拉湾—印度洋东部低频对流中，且OLR异常值大致与南海区域OLR异常值呈反相位。根据这个规律，可以发现，处于孟加拉湾—印度洋东部的10～25 d低频对流向东北传播，这就造成了南海区域对流的波动性变化。据图4所示，在5月6日时对流并未在南海地区爆发，直至5月8日(第1位相)对流活动才在南海地区大面积爆发，这说明ISO活动使得2019年南海夏季风强度增强并使其持续爆发。具体从分位相来看，当ISO活动处于峰值位相时，大致对应图4中5月11日OLR值小于150 W·m-2，对流活动显著增强。当ISO活动处于谷值位相时，大致对应图4中5月16日OLR值大于200 W·m-2，对流较峰值位相时有所减弱。从风场来看，当ISO活动处于正位相时，风场明显增强，而ISO活动处于负位相时，偏西风不显著。也就是说，从图10可以看出南海季风爆发后，ISO从孟加拉湾—印度洋东部低频对流多次随时间向东北传播。ISO活动传播至南海地区后，峰值(谷值)位相使得OLR活动强度增强(减弱)，其正位相(负位相)也使得南海地区偏西风增强维持(减弱)。但低频风场的表现总体来说并不显著，在南海区域仅在第4—6位相上出现了西南风，第5位相(ISO谷值位相)上的西南风达到顶峰，而印度洋—孟加拉湾地区并无异常风场的出现。此时，考虑南海地区的西风由孟加拉湾—印度洋东部地区的强对流激发。在西太平洋上，在第1—3位相对应着偏西风，第4—6位相则逐渐转为偏东风。总之，ISO的东北传播激发孟加拉湾的对流发展使得南海地区东风转向为西风并且使得对流活动在南海地区大面积爆发并维持，对于2019年南海夏季风的爆发强度起着增强作用。

5 结论

本文使用NCEP/NCAR提供的2019年逐日再分析资料，探讨了南海地区物理量突变特征，确定了2019年南海夏季风爆发的日期，讨论了2019年南海夏季风爆发前后环流演变特征，采用Lanczos滤波器进行分位相考察了2019年南海夏季风的爆发与ISO的关系。主要结论如下：

(1) 本文选取OLR，假相当位温，纬向风垂直风切变以及西南风这4个物理量为判断依据，发现在5月6日OLR值不断减小、垂直切变达到极小值、假相当位温为大值表示强位势不稳定以及西南风达到最大。由此可以定义5月6日为爆发日期。在2019年环流演变的分析中，物理量特征与已有研究中南海夏季风爆发时的特征相符。具体表现在南海区域高空急流的扩大和增强、副高的东撤与西南风的盛行、850 hPa西南风的盛行伴随着对流的爆发以及假相当位温随高度的变化显示出对流增强的趋势。

(2) 2019年南海区域OLR存在10～25 d大气季节内振荡，并且是季节内风场的主体，说明10～25 d的ISO对2019年南海夏季风的爆发有调制作用。在2019年南海夏季风爆发前，ISO活动表现为在华南地区南移，在菲律宾南部的西移，在加里曼岛上的低频对流分支北移后合并发展，孟加拉湾东部地区与140°～150°E西太平洋暖池区的低频对流在南海地区及其周边海洋性大陆、太平洋东岸发生耦合，说明周期为10～25 d的ISO活动使得2019年南海夏季风爆发偏早。

(3) 2019年南海夏季风爆发后，孟加拉湾—印度洋东部地区低频对流经历发展—最强—减弱—抑制—最弱—恢复的6个阶段，表现出东北传播的特征，造成了南海地区对流的波动性变化。也就是说，从孟加拉湾—印度洋东部低频对流的多次随时间向东北传播，促进南海地区东风转为西风及对流的爆发和维持进而使得2019年季风爆发强度增强。

南海夏季风爆发的机理非常复杂，影响因子也很多且不同的物理量存在不同的变化趋势。本文仅仅选择了4个物理量来判断2019年南海夏季风爆发日期，在环流演变上也仅分析了4个方面。因此，从其他物理量突变来分析2019年南海夏季风爆发前后的环流演变特征有待进一步研究。此外，在本文中只讨论了10～25 d ISO对2019年南海夏季风爆发的影响，30～60 d ISO及其关系还有待进一步分析。

致谢：本论文数值计算得到了南京信息工程大学高性能计算中心的计算支持和帮助。