亚洲热带气候态夏季风涌传播特征及其对中国降水的影响

任菊章，郑彬，金燕，琚建华

(1.云南省气象科学研究所，云南 昆明 650034;2.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东 广州 510641；3.云南省气候中心，云南 昆明 650034)

1 引 言

大气季节内振荡(ISO)在长期天气和气候变化中有重要作用，是大气科学领域的重要研究课题之一。1970年代发现热带大气存在季节内振荡(MJO)[1]，周期为40～50天。后续研究表明热带ISO周期的时间尺度主要集中在30～60天范围内[2-4]，这种振荡不仅存在于热带地区，其他纬度地区也同样存在，ISO是一种全球大气变化现象[5]。在亚洲夏季风区，气候态上时间尺度在30～60天的夏季风ISO活动特征显著，深对流ISO的位相变化显示从初夏开始逐渐由赤道地区向菲律宾北部移动[6]，其干湿位相的转换与亚洲夏季风的两次爆发相对应[7]。可见ISO与亚洲夏季风系统有密切的联系，亚洲季风区的两支季风子系统，即南亚季风系统和东亚季风系统[8-10]都存在ISO活动，其活动对季风的活跃、中断或撤退有一定影响[11-14]，它的经纬向传播特征明显[15-17]，相比较而言，经向传播更复杂[18]，研究表明北半球夏季ISO信号在30°N以南表现出明显的北传特征[19-20]。琚建华等[21-22]研究发现东亚夏季风区ISO随时间北传的特征明显，ISO北传时存在着在副热带地区增强的现象，这种增强是南亚季风区和南海季风区ISO在副热带地区汇合的结果[23]。西南季风ISO所影响的降水也会随低频对流的移动而移动[24]。赤道西太平洋大气ISO以准Rossby波的形式向西北方向传播，引起西北太平洋副热带高压的东西振荡，造成江淮流域持续性强降水异常[25]。分析研究表明，整个亚洲季风区ISO的空间环流形成“四极型”结构(BSISO)，即南亚季风区南-北向的ISO偶极型结构，及与它位相相反的东亚ISO偶极型结构[26-28]。南亚和东亚ISO的这种内在联系对夏季江淮流域的持续性降水异常有调控作用[29-30]，BSISO的位相与强度对降水均有影响，两者通过高层辐散环流相互作用引起长江中下游持续性降水异常[31]。沈雨旸等[32]系统研究了我国南方夏季五类大尺度低频雨型与热带ISO信号的经向传播关系，来自我国东南方向的热带海洋的湿ISO信号对我国南方的低频降水有影响。夏季来自西太平洋的ISO向西北传特征显著，对我国东部，尤其是南方的降水有直接影响[33-35]。南亚夏季风受海陆分布以及青藏高原地形的影响，其ISO的经纬向传播较复杂，一般南亚热带夏季风ISO的传播可分为东传、北传和东北传三种类型[36]。夏季南亚和东亚热带夏季风ISO的经纬向传播既相互联系又有各自的独立性，它们之间有着怎样的内在联系，随时间北传的亚洲热带夏季风ISO(亚洲热带夏季风涌)是如何形成发展的，其时空演变特征如何，目前仍需要多角度探索研究。本文将在前人的研究基础上，定性给出亚洲热带夏季风涌的指数定义，并描述亚洲热带夏季风涌的内在演变规律，及对我国夏季降水的影响。研究结果具有现实意义，为提高延伸期天气预报准确率和我国防灾减灾能力提供理论依据。

2 资料和方法

2.1 资 料

本文基于1979年1月1日—2020年12月31日 NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)的向外长波辐射(简称OLR)逐日资料、NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)的17层风场(U，V)、垂直速度场等全球再分析逐日资料[37]，水平分辨率为2.5°×2.5°(经度×纬度)，垂直分辨率为17个等压面层，以及全球CPC(NOAA Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)逐日降水资料，水平分辨率为0.25°×0.25°。

2.2 方 法

应用Butterworth函数滤波器对OLR场和风场的逐日资料进行30～60天的带通滤波处理，并用合成分析、功率谱检验等统计学方法对亚洲热带夏季风季节内传播规律进行研究。

3 夏季亚洲热带季风ISO气候态特征

很多研究工作[5-7,38-39]已证实在气候平均状况下，亚洲季风区夏季存在显著的30～60天季节内振荡(简称ISO)，其活跃中心在亚洲季风区有5个，分别位于印度洋北部阿拉伯海、孟加拉湾、南海、西太平洋暖池和东亚副热带地区，均是南亚季风区和东亚季风区的关键区域[40]。位于活跃中心的印度季风槽和南海季风槽分别是南亚夏季风和东亚夏季风的主要成员，其演变特征能够说明南亚夏季风(孟加拉湾夏季风)和东亚热带夏季风(南海夏季风)的变化特点[41]。因此，采用琚建华等[21]的方法构建能够反映孟加拉湾季风区(82.5～97.5°E，10～20°N)和南海季风活跃区(110～120°E，10～20°N)内热带夏季风活动特征的亚洲热带夏季风指数(TSMI)[42]，该指数能很好反映亚洲夏季热带季风与中国夏季气候的变化关系。

本文沿用此亚洲热带夏季风指数(TSMI)，选取1979—2020年的42年讨论气候平均状况下亚洲热带夏季风季节内振荡(CISO)特征。图1a是气候态夏季TSMI功率谱的检验结果，30～60天周期和准双周周期均通过0.05的显著性检验，ISO和准双周特征是亚洲热带夏季风的主要周期。用Lanczos带通滤波器[43]提取TSMI在气候平均状态下的30～60天周期分量(图略)，结果显示整个雨季(5—10月)亚洲热带夏季风CISO活动特征在主汛期(6—8月)最活跃，强于其他时段。图1b显示主汛期亚洲热带夏季风CISO有2次明显的波动特征，6—7月中旬是一次比较完整的波动，7月中旬到8月底是第二次波动，7月中旬前的波动强度明显强于7月中旬之后的波动，与李汀等[44]在比较孟加拉湾和南海西南季风CISO的特征时得到的结果一致，两支季风CISO最强振荡均发生在7月中旬之前。

图1 1979—2020年气候平均亚洲热带夏季风指数连续功率谱检验(a)及CISO的变化特征(b)

陶诗言等[33]和琚建华等[45]将东亚地区随时间向北传播的夏季风ISO称为“东亚夏季风涌”，据此概念本文将随时间向北传播的亚洲热带夏季风CISO称为“亚洲热带夏季风涌”。在印度-太平洋区域内，亚洲热带夏季风ISO振幅的强弱对南亚夏季风ISO和东亚热带季风ISO的北传有影响，对流加热和偏南的水汽平流是亚洲热带夏季风ISO北传的主要原因[46]。在月季时间尺度上表现为热带洋面上低频对流强时，夏季风涌传播特征显著，我国西南东部地区、长江中下游地区和淮河流域易发生洪涝[45,47]。在气候态下，亚洲热带夏季风CISO的强弱直接影响亚洲热带夏季风涌的形成，本文根据亚洲热带夏季风CISO的标准差值，反推得到一个标准差的亚洲热带夏季风CISO值(±0.06)，并取为亚洲热带夏季风涌的阈值，根据阈值将亚洲热带夏季风CISO的一次过程划分为四个阶段(4个位相)(图1b)。第1位相(CISO从-0.06到0.06的区间)为亚洲热带季风涌的发展阶段，第2位相(CISO值＞0.06的区间)为亚洲热带季风涌的活跃阶段，第3位相(CISO值从0.06到-0.06的区间)为亚洲热带季风涌的减弱阶段，第4位相(CISO值＜-0.06的区间)为亚洲热带季风涌的间歇阶段。通过位相合成的方法，探讨亚洲热带夏季风涌的演变特征及其对中国南方降水的影响。

4 亚洲热带夏季风涌的演变特征及对中国南方降水的影响

图2是1979—2020年气候平均夏季低频OLR、850 hPa低频矢量风场和日平均降水距平在亚洲热带夏季风涌1～4位相上的合成图。

在第一位相(亚洲热带夏季风涌发展阶段，图2a、2b)时，索马里越赤道异常气流穿过赤道进入北半球，促使阿拉伯海10°N附近西风异常加强，并在其两侧形成低频气旋对，阿拉伯海以北地区低频气旋明显，同时阿拉伯海、印度次大陆以及孟加拉湾西部低频对流发展活跃，在气旋东侧的偏南气流中易产生对流性降水[48-49]，图2a中的低频OLR对流中心正是位于低频气旋的东侧，通过第二级热力适应，低频气旋东侧的偏南气流异常发展并向北输送水汽，使得低频气旋东北侧产生异常对流活动和降水。因此阿拉伯海上的低频气旋和对流中心向东北方向移动。在热带西太平洋和孟加拉湾海域850 hPa风场上仍是东风异常，中南半岛及南海一带被低频反气旋占据，副热带西太平洋高压西伸脊线可达孟加拉湾东部地区，赤道西太平洋海域出现弱对流区。从孟加拉湾到西太平洋区域，热带大气环流形势不利于形成中国大范围的降水，图2b里我国大部分地区确实无明显的降水，只有华南沿海部分地区出现明显的降水现象，主要是东亚副热带季风异常引起的降水。

在第二位相(亚洲热带夏季风涌活跃阶段，图2c、2d)时，阿拉伯海域上的对流活跃区随低频气旋向东向北移动，进入孟加拉湾北部区域，而来自南半球的澳大利亚越赤道气流与索马里越赤道气流在孟加拉湾海域汇合，使得西风异常加强并向东移，受孟加拉湾低频气旋发展的影响，异常西风东传到中南半岛后分成两支：一支随孟加拉湾低频气旋东侧继续北上，形成南亚夏季风涌，在95～105°E附近区域可传播至25°N以北地区；另一支异常西风气流继续东传进入南海及以东的西太平洋海域，导致赤道西太平洋上对流加强，南海上空低频气旋发展，南海季风槽加深，西南气流异常占据整个南海，并与东退的低频反气旋西侧的东南气流汇合北上，形成南海夏季风涌，在110～120°E区域内北传到30°N附近地区，这一支季风ISO的经纬向接力传播路径在前人的研究中已有很好的揭示[23,44]。东亚地区经向上的低频“PJ”波列清晰，南海附近区域呈低频气旋，日本以南洋面上形成低频反气旋，由南向北呈“气旋-反气旋”波列结构，有利于南海夏季风涌的传播，有利于暖湿气流向北输送。图2d里我国华南、西南区域降水明显增加，南海夏季风涌与中高纬南下的偏北异常气流在福建、两广一带汇合，降水中心从华南沿海一带向北移到长江以南区域，而南亚夏季风涌和偏北异常气流在贵州、云南附近区域相汇，造成西南区域降水的增加。

在第三位相(亚洲热带夏季风涌减弱阶段，图2e、2f)时，索马里越赤道气流异常减弱，转为低频偏北气流向南半球传播，而澳大利亚越赤道气流减弱并维持，孟加拉湾与南海低频气旋消亡，南亚季风槽和南海季风槽同时减弱，热带太平洋区的低频气旋消减，东亚低频“PJ”波列减弱，大气低频环流场与第一位相(亚洲热带夏季风涌活跃阶段)基本相反。图2f显示降水中心也从长江以南流域向北移到长江中下游地区，而华南地区降水停歇。

在第四位相(亚洲热带夏季风涌间歇阶段，图2g、2h)时，越赤道异常气流消亡，10°N以南区域转为东风异常区，孟加拉湾和南海季风区均由低频气旋转为低频反气旋，南亚和南海夏季风涌进入间歇期。大气环流形势与第二位相(亚洲热带夏季风涌活跃阶段)基本相反。受西太平洋副热带低频反气旋异常的影响，中国东部被异常南风控制，促使低纬水汽向更北的东北及日本南部地区输送。因此，降水异常中心带也向北移动，达到华北-朝鲜半岛一带。亚洲热带夏季风涌完成了一个完整的北传周期。

图2 1979—2020年气候平均夏季亚洲区域850 hPa低频风场(单位：m/s)和低频OLR场(单位：W/m2)

在亚洲热带夏季风涌(发展-活跃-减弱-间歇)的不同阶段中，大气环流850 hPa低频风场和低频OLR场上经纬向传播接力过程清晰，这种经纬向的接力在亚洲热带夏季风CISO指数剖面图上亦能清晰看到。图3是1979—2020年逐日气候平均亚洲热带夏季风CISO指数经度-纬度-时间的综合剖面图。图3a由四副图拼接组成，纵坐标为时间轴。左起第1幅图是印度洋片区热带夏季风CISO沿15°N的经度-时间剖面，图中亚洲热带夏季风ISO随时间向东传播；第2幅图为沿97.5°E的纬度-时间剖面，显示出亚洲热带夏季风CISO沿孟加拉湾东部至青藏高原东麓的北传；第3幅为沿30°N的经度-时间剖面，为亚洲热带夏季风CISO在30°N的东传；第4幅为沿112.5°E的纬度-时间剖面，表现的是亚洲热带夏季风CISO在我国东部地区的东传和北传。图中粗实线左起第1条表示97.5°E，15°N交汇界面，第2条表示97.5°E，30°N交汇界面，第3条表示112.5°E，30°N交汇界面。

图3a中，亚洲热带夏季风CISO正值中心从低纬印度洋随时间向东传，约10 d传到孟加拉湾-中南半岛西岸附近，并促使当地季风ISO发展，进而使得亚洲热带夏季风ISO不仅继续东传，还出现北传，沿孟加拉湾东部区域CISO向北传播，最高北界可传到30°N青藏高原北部地区。随着CISO北上能量的减弱及中纬度低频西风的加强，30°N区域夏季风CISO纬向传播显著，向东传播10 d左右可达中国东部112.5°E附近区域，与南海北传过来的季风涌汇合，并继续向北传到35°N附近地区。

图3b中，亚洲热带夏季风CISO东传至南海，并激发南海热带夏季风CISO北传。它由2副图组成，左图是亚洲热带夏季风CISO沿10°N的经度-时间剖面；右图为亚洲热带夏季风CISO沿115°E的纬度-时间剖面，中间的粗实线表示115°E，10°N交汇界面。图中，亚洲热带夏季风CISO从低纬印度洋沿10°N附近向东移动，到达中南半岛后继续东移，进入南海热带区域，激发南海夏季风涌的发展并在115°E附近向北传播至中国东部25°N附近区域，汇合来自于菲律宾向西传播过来的东亚副夏季风CISO[22]后继续向北移动到中国东部30°N附近区域，在这一区域与图3a中青藏高原东麓北部地区东传的南亚夏季风涌汇合，促使此区域的夏季风CISO加强并向北移动到35°N以北地区，最高北界可达40°N。

综合图3a、3b，6月上旬亚洲热带夏季风涌在70°E附近开始形成，约10 d传到中南半岛西岸97.5°E附近，一支亚洲热带夏季风涌向北传播，6月底—7月初传到青藏高原东麓北部地区，汇入中纬度西风CISO后向东传播，7月上旬传到我国长江下游区域，与南海夏季风涌汇合继续北传，最北可达40°N，即我国东北、朝鲜一带。另一支亚洲热带夏季风涌在低纬继续东传，6月中旬进入南海，激发南海热带夏季风涌活跃，6月底传到我国华南地区，汇入西传来的东亚副热带CISO，并继续北传。整个亚洲热带夏季风涌的演变过程中存在2条路径上的经纬向的相互补充，南亚夏季风涌和南海夏季风涌7月上旬在我国长江中下游汇合继续北上，从而使得我国降水中心由南向北移动。

图3 1979—2020年逐日气候平均亚洲夏季风指数CISO经度-纬度-时间综合图

5 总结和讨论

本文探讨了亚洲热带夏季风涌的传播过程及与我国南方夏季降水间的联系，重点揭示了亚洲热带夏季风涌的传播路径以及对相关区域降水分布的影响。

(1)亚洲热带夏季风指数(TSMI)的功率谱分析表明气候态夏季TSMI具有显著的30～60天振荡特征(CISO)，通过滤波后得到在整个雨季(4—10月)里，主汛期(6—8月)TSMI的CISO最活跃。因此，夏季亚洲热带夏季风CISO活动是亚洲夏季风活动的主要特征。

(2)亚洲热带夏季风涌的演变可分为发展-活跃-减弱-间歇4个阶段。850 hPa低频风场和低频OLR场显示，亚洲热带夏季风涌发展阶段，印度洋区域低频气旋与对流活跃，孟加拉湾和南海热带区域是低频东风控制，我国大部分地区无降水发生，降水中心位于两广地区；当进入亚洲热带夏季风涌活跃阶段，孟加拉湾和南海热带地区低频气旋和对流活跃，东亚低频“PJ”波列显著，我国降水中心北移到长江以南附近区域；亚洲热带夏季风涌减弱阶段，孟加拉湾与南海低频气旋消亡，对流减弱，低频西风加强，日本南部附近低频反气旋明显，我国长江中下游低频南风活跃，降水中心也北移到长江中下游地区，而华南地区已无降水，此位相期间的大气低频环流场与亚洲热带夏季风涌发展阶段基本相反；亚洲热带夏季风涌间歇阶段，孟加拉湾和南海热带地区低频反气旋活跃，对流不显著，日本南部附近的低频反气旋北移减弱，我国东部基本在低频南风的控制下，降水中心也逐步北移到华北-朝鲜半岛一带，此时的大气低频环流场与亚洲季风涌活跃阶段基本相反。

(3)亚洲热带夏季风涌由南亚夏季风涌和南海夏季风涌组成。6月上旬亚洲热带夏季风CISO在70°E附近开始形成，约10 d传到中南半岛西岸97.5°E附近，经向上会激发南亚夏季风涌，纬向上一部分继续东传，6月中旬进入南海热带区域，激发南海夏季风涌。6月底—7月初南亚夏季风涌传到青藏高原东麓北部地区，汇入中纬度西风CISO中向东传播，而南海夏季风涌会传到我国华南地区，汇入西传来的东亚副热带CISO，继续北传。7月上旬南亚夏季风涌传到我国长江下游区域，与南海夏季风涌汇合继续北传，可达40°N即我国东北、朝鲜一带。整个夏季风涌的传播过程中存在2条路径上经纬向的相互补充，南亚夏季风涌和南海夏季风涌7月上旬在我国长江中下游汇合继续北上，使得我国降水中心也继续由南向北移动。

本文重点分析的是气候平均状态下亚洲热带夏季风涌的一个完整的周期传播过程，南亚夏季风涌和南海夏季风涌传播特征清晰，关于南海夏季风涌的传播机理已有揭示，但对于南亚夏季风涌的传播仍没有定论，在它的传播路径中，如何北上达到青藏高原北部地区？亚洲热带夏季风涌的年际变化如何？这些问题我们将在另外的论文中详细讨论。