南海夏季风垂直结构的变化特征及其对中国东部降水的影响

陈彦伟，巩远发，姜润

(成都信息工程大学大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室，四川 成都 610225)

1 引 言

我国位于典型的季风气候区，季风对我国的天气气候具有显著的影响，而南海是东亚夏季风爆发的源地，东亚夏季风先在南海地区爆发，而后才分别向西北和北方扩展[1]。因此，有关南海夏季风的研究历来受到广大气象学家的重视。多年以来，气象学者们利用不同的观测资料从各种角度出发，对南海夏季风进行了大量的研究。从热力学角度，陶诗言等[1]曾用季风降水的多寡定义南海夏季风爆发；江静等[2]采用小波分析方法分析了南海地区降水的多时间层次和多空间层次结构，确定了南海夏季风爆发于5月中旬；陈隆勋等[3]利用OLR和TBB资料提出了一个指标，用以判断南海夏季风爆发。从动力学角度，Wang等[4]用110～120°E，5～15°N区域平均的850 hPa的纬向风场U850来定义季风爆发;戴念军等[5]利NCEP再分析850 hPa风场资料，从夏季风爆发到8月底结束，当纬向风速大于零时累加南海区域(105～120°E，5～20°N)各网格点的全风速值，再经标准化处理后的数值确定了1949—1998年南海夏季风强度指数；李崇银等[6]认为基于南海夏季风环流的最基本特征，用对流层上下层的散度差来描写南海夏季风既能同时考虑纬向风和经向风变化，又代表了其重要环流特征，具有较强的物理意义；贺海晏等[7]定义了一个风场和高度场相结合的综合指数IWH，当IWH由负值转变为正值，且紧随正值第一候的间断，即IWH为负值，不超过3候时，则取该正值第一候为南海热带季风建立时间，若间断超过3候，则按照同样原则考虑下一个正值候。从热力学和动力学相结合的角度，吴尚森等[8]采用西南风分量和OLR相结合的方法定义南海夏季风强度指数；张秀芝等[9]利用风场、高度场以及OLR资料，将南海夏季风爆发定义为：850 hPa副热带高压撤出南海，南海上空受西南风控制，同时必须满足索马里或70～95°E越赤道气流存在；200 hPa高压环流控制中南半岛，中心位置到达17.0°N以北，南海处于东北气流控制之下；南海上空大范围深对流出现。此外，关于南海夏季风爆发的特征及其影响以及南海夏季风爆发的机制已经有大量的重要研究成果[10-23]。

综上所述，关于南海夏季风的研究已经取得了一系列有意义的研究成果，但从中也可发现，目前关于南海夏季风的研究，主要是侧重于南海夏季风的爆发、影响以及南海夏季风爆发机制等方面，南海夏季风也不仅是单纯对流层低层风场的季节性变化，也还包括对流层高层风场的季节性变化，而关于南海夏季风垂直方向上的结构所做的研究比较少见，除朱伟军等[24]曾提出南海夏季风的垂直结构具有风从上至下呈东北风-东南风-西南风分布外，表现出强烈的热力差异，但是并没有对这一特征进行深入的研究。

本文的研究目的是进一步分析南海夏季风垂直结构的变化特征，并探讨南海夏季风垂直结构对中国夏季降水可能带来的影响，为研究南海夏季风对中国天气气候的影响提供参考依据。

2 资料与方法

本文所使用资料为美国NCEP/NCAR再分析月平均资料，覆盖时段为1979—2018年，包括纬向风、经向风、垂直速度，分辨率为2.5°×2.5°。降水资料为NOAA提供的全球逐日降水资料(已经处理为逐月降水资料)覆盖时段为1979—2018年，水平分辨率为0.5°×0.5°。

研究方法主要有经验正交函数展开(EOF)、合成分析、显著性检验等方法。由于文章的目的主要是研究南海地区夏季低层西南风-高层东北风的季风环流垂直结构变化，因此基于图1的气候平均，不考虑赤道和20°N近地面附近的弱东风影响，选定的南海区域为110～120°E，5.0～17.5°N，夏季为6—9月的平均。

3 南海夏季风的气候特征

3.1 南海夏季风的垂直结构

图1是1979—2018年气候平均的夏季纬向风、经向风及其矢量场沿110～120°E平均的垂直剖面图，夏季南海纬向风(图1a)在垂直方向上具有明显的分布差异，以700～500 hPa为界，以下为西风，以上为东风；与此同时，夏季南海经向风(图1b)也具有相似的分布特征，但南风向上伸展的层次较西风深厚，一直延伸到400～300 hPa之间。这清楚地表明，南海夏季风盛行时，除了对流层中层500～400 hPa之间为东南风过渡带外，盛行风在对流层中从低层到上层主要呈西南风-东北风的季风环流垂直结构变化(图1c)。实际上南海夏季风的这种垂直结构有显著的年际变化。例如：2020年、2018年的夏季，低层纬向西风的平均高度可到400 hPa，而1998年、2010年等的夏季，低层纬向西风的平均高度在南海南部仅到850 hPa、南海北部也仅到700 hPa(图略)。

通过上述的分析可知，南海夏季风具有明显的垂直结构变化，下文将围绕这一问题展开研究。

3.2 南海夏季风指标的选择

季风区通常伴随着盛行风向的转变，因此，很多学者利用这一基本特征定义季风的爆发。为了研究南海夏季风的垂直结构变化特征，首先需要选择合适的指标，图2是南海夏季气候平均的850 hPa和200 hPa风场图。从图2a可看到，孟加拉湾西部为一个明显印度(南亚)季风槽，槽后的孟加拉湾为显著的西南风，中南半岛到南海南部则盛行西风，从中国广西东南部(大致位于105°E，17.5°N)到南海南部(大致在120°E，5°N)出现了一个较明显的西风转为西南风的风速切变现象，即有较明显的南海季风槽出现，揭示了南海热带季风的盛行；在西北太平洋海面上为反气旋式的西太平洋副热带高压，副高西南侧的东南气流在台湾到菲律宾一带与南海东部的西南气流汇合进入华南沿岸，并向北推进到40°N附近。200 hPa上(图2b)，整个亚洲地区被南亚高压控制，在25°N以南地区，西太平洋副热带地区、中国南海和中南半岛的孟加拉湾都盛行强大的东北风。

图3是南海850 hPa高度上气候平均的候平均纬向风(图3a)和经向风(图3b)随时间变化图，虽然南海夏季(31—54候)平均纬向风(图3a)明显要比平均经向风(图3b)大，但两者的风速都在同一个量级内，纬向风分量大致在2～7 m/s的区间范围内，而经向风分量的分布区间为2～3 m/s，这说明在研究南海夏季风时，纬向风分量和经向风分量是同等重要的。

图3 南海850 hPa气候平均的候平均纬向风(a)和经向风(b)随时间的变化

根据上文对南海大气环流基本特征的分析，可知道南海夏季风盛行期间具有明显的风向转变，且纬向风分量和经向风分量同等重要，因此，本文在选择南海夏季风指标时，可直接用南海区域的盛行风表示，但需要同时考虑到纬向风和经向风两个分量。因此，本文参照了吴尚森等[8]定义的南海区域850 hPa月或季平均的西南风分量的计算方法，即Vsw=(u+v)/2，计算出南海区域每一层的平均西南风或东北风，并将之作为各层的南海夏季风强度，记为Is，利用各层的Is强度变化对南海夏季风的垂直结构特征进行分析研究。

4 南海夏季风垂直结构的时空演变特征及其对中国降水的影响

4.1 南海夏季风垂直结构的时空演变特征

图4是南海1979—2018年逐年夏季Is强度(a)和Is强度距平(b)的时间-高度剖面图。从图4a中可发现，平均约在500 hPa高度层以上，南海区域为一致的东北风，200～150 hPa高度层以上为12～16 m/s的强风速区；500 hPa以下高度层盛行西南风，年际变化的幅度明显；可看到一些年份，如1991年、2009年、2012年、2018年等，低层西南风和高层东北风之间的“0”风速等值线向上伸到500 hPa以上，这些年南海低层的西南风不仅深厚、而且风速大，相应的东北风带则较浅薄；而另一些年份，如1983年、1988年、1998年、2010年等，“0”风速等值线分别向下伸展到600 hPa和700 hPa附近，这些年份对应的南海夏季风低层的西南风相对浅薄、风速小，东北风带则较深厚。

不仅如此，从图4b可看到南海上下层的Is强度距平在某些年份是反号的，如1979、1980、1983、1988、1992、1995、1996、2007、2008年等，上层为正距平下层为负距平，表现为上层东北风和下层西南风同时减弱，南海上空季风环流弱；还有一些年份如1985、1986、1999、2005、2009、2012、2018年等，上层为负距平下层为正距平，表现为上层东北风和下层西南风同时增强，南海上空季风环流强；另外，一些年份则是上下层的距平有相同的符号，如1997年和2011年上下层为一致的正距平、2017年上下层为一致的负距平，分别表现为上层东北风减弱(增强)，下层西南风增强(减弱)。

综合图4的结果可看到，南海夏季风的垂直结构不仅有明显的年际变化特征，其垂直结构的异常变化也有显著的差异。

图4 南海地区(110～120°E，5.0～17.5°N)1979—2018逐年夏季Is强度(a)及其距平(b)的时间-高度剖面图

4.2 南海夏季风垂直结构分型

为了进一步分析南海夏季风的垂直结构变化的模态，我们对南海1979—2018年40年夏季对流层各层(1 000～100 hPa)盛行风进行了EOF分析。由图5可见，前两个主模态的累积方差贡献率接近70%，能够较好地反映南海夏季风垂直结构异常的主要变化特征。图5a和图5c分别是EOF分解第一模态对应的空间型EOF1及时间系数PC1，EOF1的方差贡献高达49.6%，南海夏季风垂直结构以300 hPa层为界上下层之间呈现出“-+”的偶极型变化；结合EOF1的时间系数PC1及其9年滑动平均看，EOF1的年际变化特征明显、年代际信号较弱。从图5c的滑动平均曲线可看到，1979—1990年和2001—2005年两个时间段的时间系数PC1对应正值，EOF1对应的空间型垂直结构表现为对流层高层东北风和低层西南风同时增强；相反，在1991—2000年和2006—2018年两个时间段，时间系数PC1对应负值，EOF1对应的空间型垂直结构表现为高层东北风和低层西南风同时减弱；但PC1的滑动平均绝对值都非常小，最大不超过0.3个标准差，年代际变化信号非常弱。从年际尺度看，PC1的绝对值共有18年超过0.8个标准差、13年超过1个标准差，其中的2010年和2018年超过2个标准差，年际变化信号非常显著。

图5b和图5d是EOF分解第二模态对应的空间型EOF2及其时间系数PC2，EOF2的方差贡献率为18.9%。以南海上空上下层东北风和西南风为界，南海夏季风垂直结构第二模态EOF2可分为对流层低层和高层的不同变化，即对流层低层的上下层呈“+-”的垂直变化形态和对流层高层的上下层相反的“-+”的垂直变化形态，结合相应的时间系数PC2，EOF2具有明显的年代际变化特征。从图5d可看到，1979—2000年PC2的滑动平均为负值，最大值超过1个标准差，EOF2对应的垂直结构表现为对流层低层西南风是自下向上增强到减弱变化，对流层高层东北风的自下向上增强到减弱变化；反之，在2001—2018年PC2的滑动平均为正值，最大值达0.8个标准差以上，EOF2对应的垂直结构表现为对流层低层西南风自下向上的减弱到增强变化，对流层高层东北风自下向上的减弱到增强变化。

综合南海夏季风垂直结构变化分析的EOF1和EOF2两个主模态，第一垂直空间模态可细分为对流层低层西南风和高层东北风同时增强型和同时减弱型(后文简称“低层-高层同时增强”和“低层-高层同时减弱”)两类垂直结构的变化，时间上以年际变化为主；第二垂直空间模态可细分为对流低层西南风强弱-对流层高层东北风强弱型和相反的对流层低层西南风弱强-对流层高层东北风弱强型(后文简称“低层强弱-高层强弱”和“低层弱强-高层弱强”)的两类垂直结构变化，时间上以年代际变化为主。

由于EOF分解得到的PC1和PC2时间序列分别反映了第一模态型和第二模态型这两个主模态随时间的强弱演变特征，因此可选用PC1和PC2作为表征南海夏季风垂直结构变化分型的两个指数。

4.3 南海夏季风垂直结构对中国东部夏季降水的影响

以往大多数研究南海夏季风对中国降水的影响多是从季风强弱年的角度进行分析。我们根据上文对南海夏季风垂直结构的分析可发现，即使同是季风强年或者弱年，其对应的南海夏季风垂直结构也是存在差异的，接下来我们将分析不同的南海夏季风垂直结构给中国东部夏季降水带来的影响。

根据上一小节的分析，南海夏季风垂直结构的第一模态主要表现出年际变化特征，因此针对第一模态，主要研究它的年际变化特征对降水的影响。从图5c中筛选出PC1超过正负1个标准差的年份为垂直结构异常典型年，得到“低层-高层同时增强”典型年有1982、1985、1994、1999、2012、2018年，共6年，“低层-高层同时减弱”典型年有1983、1988、1995、1996、1998、2010、2015年，共7年。南海夏季风垂直结构的第二模态具有明显的年代际变化特征，因此，以图5d中的9年滑动平均曲线为标准，选取1983—2000年以及2001—2014年两个时间段，前期是“低层强弱-高层强弱”，后期是“低层弱强-高层弱强”，研究南海夏季风垂直结构第二模态年代际变化对降水的影响。利用上文挑选出来的典型年或时间段，对中国东部夏季降水进行合成分析。

图5 1979—2018年南海夏季纬度-高度盛行风距平EOF分解

图6是南海夏季风垂直结构呈第一模态型和第二模态型异常变化时，中国东部夏季降水距平差值合成图。图6a反映了南海夏季风垂直结构第一模态的年际变化特征对降水的影响。分析图6a可知，我国的华南地区以及东北的大部分地区为降水距平的正差值区，说明当南海夏季风垂直结构呈“低层-高层同时增强”变化时，这些地区的降水增多，当南海夏季风垂直结构呈“低层-高层同时减弱”变化时，这些地区降水减少；相反，我国的长江中下游地区及其以北的江淮、黄淮、华北等地为主要的降水距平负差值区，说明当南海夏季风垂直结构呈“低层-高层同时增强”变化时，这些地区的降水减少，当南海夏季风垂直结构呈“低层-高层同时减弱”变化时，降水增多。其中，长江中下游地区及华南北部地区是通过0.10显著性检验的主要区域。

图6b是南海夏季风垂直结构第二模态型代表的两类南海夏季风垂直结构型的中国东部夏季降水距平差值合成图，反映了第二模态的年代际变化特征对降水的影响。从图6b可知，我国江南一条窄带(25～30°N)、内蒙古东部及东北的大部分地区为降水距平的负差值区，说明与“低层强弱-高层强弱”时段相比，“低层弱强-高层弱强”年在这些区域的降水异常偏少；与此同时，华南、长江流域以北的江汉、黄淮、华北南部等地是降水距平的正差值区，且大都通过了0.10的显著性检验，与“低层强弱-高层强弱”年相比，当南海夏季风垂直结构呈“低层弱强-高层弱强”变化时，这些地区的降水增多。

图6 第一模态和第二模态中国东部夏季降水距平差值合成图(单位：mm)

5 南海夏季风垂直结构与亚洲-西太平洋地区环流场的联系

前述分析结果表明，南海夏季风垂直结构的第一、第二模态对中国东部夏季降水的异常分布有显著的影响，那么其内部存在什么物理机制呢？为了回答这个问题，我们分析了南海夏季风垂直结构变化对亚洲环流场的影响，以期能够初步厘清其内在的物理联系。

首先，我们分析南海夏季风垂直结构第一模态年际变化与亚洲-西太平洋大气环流的联系。图7是第一模态“低层-高层同时增强”与“低层-高层同时减弱”的850 hPa和200 hPa风场合成的差值图。从图7a可看到，对流层低层850 hPa上，赤道上加里曼丹-南海、孟加拉湾、阿拉伯海的异常偏南越赤道气流明显增强，南亚到西太平洋低纬地区的孟加拉湾北部、南海北部-台湾东南洋面是明显的气旋性环流差值中心，中纬度从中国华北到日本东部洋面是明显的反气旋性环流差值区，高纬度自贝加尔湖到中国东北北部是明显的气旋性切变差值区。对“低层-高层同时增强”年，受这些系统影响，我国长江流域及其以北的黄淮、华北等地区处于低纬度西太平洋气旋性差值环流和中纬度日本以东洋面的反气旋性差值环流之间的气流辐散区，不利于降水产生；华南地区则是南海异常气旋环流西北侧的异常切变辐合区，有利于降水；东北地区是高纬度贝加尔湖气旋性切变南侧西北气流与中纬度日本以东洋面反气旋性切变北侧的西南气流的辐合区，为降水提供了有利条件。

在对流层高层200 hPa差值环流图上(图7b)，对“低层-高层同时增强”年，15°N以南的南海到澳大利亚北部是大范围异常东北气流，长江流域到日本南部洋面为异常气旋环流，华北-东北到日本北部高纬度地区是异常反气旋环流；结合低层850 hPa异常环流变化，南海低纬热带季风环流异常加强，长江流域低层辐散、高层辐合，其南北两侧的华南地区和华北东北地区是低层辐合、高层辐散，我国东部的这种低层-高层环流配置是华南降水异常偏多、长江流域降水偏少、北方降水偏多的重要原因之一。对“低层-高层同时减弱型”年，则相反。

图7 风场在第一模态PC1正位相典型年(低层-高层同时增强)与负位相年(低层-高层同时减弱)的距平合成差值分布

接下来我们看南海夏季风垂直结构第二模态的年代际变化对亚洲-西太平洋环流及我国降水异常变化的影响。图8是第二模态“低层弱强-高层弱强”与“低层强弱-高层强弱”的850 hPa和200 hPa风场合成的差。对“低层弱强-高层弱强”时段(PC2正位相)，对流层低层850 hPa的环流场差值图可看到(图8a)，我国东部从南到北，华南地区是受气旋性差值环流的影响的辐合区，江南一带处于来自西北太平洋的偏异常东北气流和东南气流的辐散区，长江中下游以北的江汉、江淮、黄淮及华北等地南部是东南气流与北部异常反气旋环流之间的辐合区，东北地区是反气旋性差值环流中心的辐散区；对流层高层200 hPa环流图上(图8b)，华南地区位于中南半岛北部异常气旋环流和台湾东部洋面异常气旋之间的辐散区，江南一带是异常气旋环流北部的辐合带，长江流域到华北地区则位于内蒙古北部地区异常反气旋环流南部偏东气流辐散区，东北地区为异常西北气流和东北气流的辐合区。低层与高层异常环流配合，我国东部地区自华南到东北，分别是低层辐合(辐散)、高层辐散(辐合)的有利于上升(下沉)运动的环流条件。对“低层强弱-高层强弱”时段(PC2负位相)，则相反。

图8 风场在第二模态PC2正位相时段(低层弱强-高层弱强型)与负位相年(低层强弱-高层强弱型)的距平合成差值分布

前面分析了南海夏季风垂直结构前两个模态中对流层低层和对流层高层的环流特征差异及其对中国降水的影响，接下来我们进一步从南海地区到我国东北的经向垂直剖面的差异看南海夏季风垂直结构变化与降水的联系。图9是两个模态4种不同结构的南海夏季风沿110～120°E纬向平均垂直速度距平差的纬度-高度剖面。对第一模态的“低层-高层同时增强型”与“低层-高层同时减弱型”的差而言(图9a)，从南海中部到华南地区(12～25°N)都是异常上升气流，长江流域到华北则是大范围的异常下沉气流，45°N以北的东北地区又是异常上升运动，中国东部从南到北的这种“上升-下沉-上升”垂直速度差异的异常变化不仅与图6a的降水差异有非常好的对应关系，也与图7的低层-高层差值环流相匹配。对第二模态的“低层强弱-高层强弱”与“低层弱强-高层弱强”的垂直速度差(图9b)，20°N以南的南海上空都为异常下沉气流，20°N以北的华南、江南、江淮、华北和东北分别是异常上升、下沉、上升和下沉运动，也与图6b的降水异常有非常好的对应关系。

图9 垂直速度场沿110～120°E平均的距平差值高度-纬度分布图(单位：10-2 Pa/s)

6 结论与讨论

采用NCEP/NCAR再分析月平均资料和NOAA全球逐日降水资料，首先分析了南海夏季风的垂直结构时空变化特征，然后探讨了南海夏季风垂直结构与中国降水的影响。

(1)南海夏季风的垂直结构有明显的年际和年代际变化特征。EOF第一模态型主要表现为南海夏季风垂直结构的年际变化特征，可分为对流层低层西南风和对流层高层东北风同时增强(同时减弱)(简称“低层-高层同时增强”和“低层-高层同时减弱”)两种典型结构变化；EOF第二模态主要表现为南海夏季风垂直结构的年代际变化，可分为对流低层西南风从下向上增强到减弱的变化-对流层高层东北风也是从下向上增强到减弱的变化、相反的对流层低层西南风减弱到增强-对流层高层东北风减弱到增强(简称“低层强弱-高层强弱”和“低层弱强-高层弱强”)的两个不同年代(时段)的垂直结构变化。

(2)南海夏季风垂直结构对我国东部夏季降水有显著的影响。南海夏季风呈“低层-高层同时增强”(“低层-高层同时减弱”)垂直结构时，长江中下游及黄淮地区降水减少(增多)，华南、东北地区降水增多(减少)；南海夏季风呈“低层弱强-高层弱强”(“低层强弱-高层强弱”)垂直结构时，华南、江淮地区降水增多(减少)，江南、东北地区降水减少(增多)。

(3)南海夏季风垂直结构是通过改变对流层低层、高层的环流异常变化来影响中国东部夏季降水的异常变化。对第一模态的垂直结构变化，在“低层-高层同时增强”典型年，南海低纬热带季风环流异常加强，长江流域低层辐散、高层辐合及异常下沉运动，其南侧的华南地区和北侧的东北地区是低层辐合、高层辐散和异常上升运动，这种低层-高层环流配置是华南降水异常偏多、长江流域降水偏少、北方降水偏多的重要原因之一；在“低层-高层同时减弱”年，则相反。第二模态的垂直结构变化也有类似的特征。

最后需要说明的是，本文仅通过EOF分析对南海夏季风垂直结构的变化特征进行了研究，并初步分析了相应的垂直结构变化对中国东部夏季降水异常变化的影响及相应的机制。对南海夏季风垂直结构的变化而言，还有很多问题需要研究，如南海夏季风第一模态垂直结构变化对500 hPa西太平洋副热带高压有明显的影响：在“低层-高层同时增强”年，西太平洋副热带高压西脊点异常偏东、脊线偏北；在“低层-高层同时减弱”年，西太平洋副热带高压西脊点异常偏西、脊线偏南。但是，南海夏季风第二模态的垂直结构变化对西太平洋副热带高压的影响似乎又不大。这是什么原因？是需要进一步研究的问题。此外，海温也是影响季风活动的重要因素之一[25-26]，而本文仅是研究了南海夏季风垂直结构变化跟大气环流的关系，那么南海夏季风垂直结构的变化跟海温之间是否也存在某种联系?另外，南海夏季风通常属于热带季风，南海夏季风垂直结构的变化对东亚副热带季风变化的影响也是值得深入研究的问题。