異常東亞冬季風指數(shù)計算的改進及風異常對中國近海海氣通量的影響

摘 要 利用1948年1月到2011年1月的ReynoldsSmith重構月平均海溫資料和NCEP/NCAR全球大氣月平均大氣環(huán)流再分析資料，研究了異常東亞冬季風及其對中國近海海氣通量的影響。結果表明，東亞冬季風指數(shù)計算采用季節(jié)時間尺度和采用月時間尺度存在明顯的差異，采用更細致空間劃分計算東亞冬季風指數(shù)使結果更體現(xiàn)實際。強、弱年潛熱、感熱、凈熱通量和海溫場的異常分布情況也具有不同的特點，冬季風活動范圍與海氣通量有很好的對應關系，冬季風異常對海氣通量的影響表現(xiàn)在當月，對海溫的影響會延遲一個月。

關鍵詞 東亞冬季風；潛熱通量；感熱通量；海溫

中圖分類號 P732 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)052-0186-04

亞洲地區(qū)的冬季風和夏季風對東亞的氣候產(chǎn)生著重要的影響，多年以來也一直是廣大學者研究的熱點，其中東亞冬季風是最為典型的。已有研究表明，東亞冬季風異常與后期的環(huán)流變化有較好的相關關系，甚至可以跨季影響到夏季風。本文是研究東亞冬季風與東亞夏季風關系的一個基礎，因夏季風受低緯海洋影響大，所以本文研究異常東亞冬季風南下到較低緯度時，對我國近海海氣通量的影響。又因2月與夏季最近，因此著重考慮后冬的海氣通量。

對東亞冬季風的研究比較多，很多學者對東亞冬季風的指數(shù)，東亞冬季風的強弱，東亞冬季風與某氣象要素的關系進行了一些研究。像梁巧倩等研究了異常強的東亞冬季風和異常弱的東亞冬季風對西北太平洋的海溫的影響。東亞冬季風指數(shù)定義方面，經(jīng)歷了一個對指數(shù)定義隨時間逐漸遞進的過程，從上世紀的60年代開始，就有研究者最早用海洋和大陸之間的氣壓差來對東亞冬季的指數(shù)進行定義，見徐淑英和季勁鈞。1987年，郭其蘊也用陸地和海洋之間的氣壓差來定義東亞冬季風指數(shù)。自上個世紀的90年代以來，越來越多的研究者開始對東亞冬季風指數(shù)的定義進行關注，自此開始，對東亞冬季風指數(shù)定義趨于多樣化。最早是以郭其蘊的通過海洋和陸地的差異表征東亞冬季風指數(shù)，趙漢光和張先恭也是用郭其蘊的方法來定義東亞冬季風指數(shù)、施能也是用類似的方法來定義。后來，另一項研究，著重通過陸地和海洋之間的氣壓差的耦合模式來表征東亞冬季風指數(shù)。與此同時，郭其蘊進行進一步開拓，用高壓的特點定義東亞冬季風指數(shù)。后來，隨著對冬季風指數(shù)定義的進一步開展，一部分研究者通過西伯利亞高壓特征來刻畫東亞冬季風指數(shù)。到了1996年，對東亞冬季風指數(shù)定義更多的用到了500hPa東亞大槽的強度，孫柏民、孫淑清最先通過東亞大槽周圍的區(qū)域的500hPa位勢高度值來對東亞冬季風指數(shù)進行定義，隨后，更多研究者圍繞著東亞大槽周圍區(qū)域的500hPa位勢高度值來描述東亞冬季風的活動。到了20世紀90年代末，一種新的東亞冬季風指數(shù)的定義產(chǎn)生了，側重點是研究風場的特征，詳見紀立人等，后來，以此為基礎，又有學者對原來的方法加以改進，來表征東亞冬季風指數(shù)。隨著科研手段、研究思維等的發(fā)展，從1999年起，陳雋和孫淑清綜合考慮風場、氣溫常和高度場的共同影響，來對東亞冬季風指數(shù)進行定義。

1 資料和方法

本文所用的資料有：1）1948年1月到2011年1月的ReynoldsSmith重構月平均海表溫度資料，分辨率為2°×2°；2）1948年1月到2011年1月的NCEP/NCAR全球大氣月平均大氣環(huán)流再分析資料，其中包括分辨率為2.5°×2.5°的500hPa P坐標垂直速度場和近地面10 m高度的水平風場，高斯網(wǎng)格的表面熱通量場（包括蒸發(fā)潛熱通量、感熱通量、凈長波輻射通量和凈短波輻射通量），其緯向分辨率為1.875°，經(jīng)向分布不均勻。其中表面熱通量的資料長度為1948-2011年共63年。

主要方法有標準差標準化、合成分析、統(tǒng)計相關等。

標準差標準化的公式為：

其中：xik為變量的觀察值，x為變量的平均值，sk為變量的標準差。

2 東亞冬季風強度指數(shù)定義

對于東亞冬季風強度指數(shù)的定義有多種，自20世紀60年代開始到現(xiàn)在，大體可以分成五類，分別是海陸差異類、高壓特征類、風場特征類、環(huán)流特征類以及綜合類。每一類定義也都有研究者對其稍微的改進，力求取得更好的結果。本文在對東亞冬季風指數(shù)定義過程中部分參照文獻的方法，該方法是目前為止對東亞冬季風強度指數(shù)定義最新的一個方法，考慮到實際觀測現(xiàn)象，受到南下冷空氣的影響，東亞地區(qū)冬季一般都表現(xiàn)為地面的降溫、北風、升壓和500hPa高空槽的活動，因此綜合地面要素變化和高空形勢變化定義了東亞冬季風的強度指數(shù)，對標準化的區(qū)域（110°-130°E，10°-30°Ν）平均地面10 m高度經(jīng)向風和溫度，以及標準化的（110°-130°E，20°-40°Ν）區(qū)域平均的500hPa高度場求和后再標準化，得到1949-2010年冬季（12月到次年2月）的東亞冬季風強度指數(shù)序列。在此基礎上，為體現(xiàn)冬季風在不同月份的實際情況和冬季風南下過程中影響到的緯度的實際情況，本文對冬季風強度指數(shù)定義進行了時間和空間上的改進。在時間上，分別畫出了冬季（12月到次年2月）平均的冬季風序列以及冬季逐月平均的冬季風序列（圖略）。其中指數(shù)的值越小，則表示該年的冬季風越強。以1955年為例，1955年的東亞冬季風指數(shù)是指1954年的12月到1955年的2月的冬季風；黑線表示冬季平均的東亞冬季風序列，紅線表示12月的東亞冬季風序列，為了對比方便，圖中將前一年的12月份歸在后一年里，即標記在1955的紅線實際上是1954年的12月；綠線和藍線分別表示1月和2月的東亞冬季風序列，對應年份為圖中標記的年份，其余年份的曲線分別以此類推。在空間上，考慮到冬季風成因的復雜性，及不同因子對區(qū)域氣候影響的貢獻程度不同，分區(qū)域研究也是指數(shù)研究的一個方向。因此本文在求冬季風強度指數(shù)時，在對時間細分的基礎上，又將所選區(qū)域經(jīng)向上（10°-30°Ν）以20°Ν為界劃分為南北兩個區(qū)域，分別求各自的冬季風指數(shù)；為方便區(qū)分，在下文中，分別畫出冬季風三個月的平均序列以及12月、1月、2月的記為方案1（圖略）。劃分南北兩個區(qū)域以后，用北部區(qū)域（20°-30°Ν）計算的冬季風指數(shù)序列記為方案2（圖略），用南部區(qū)域（10°-20°Ν）計算的冬季風指數(shù)序列記為方案3

（圖1）。

因為對冬季風異常年份的取樣要有一定的統(tǒng)計意義，對指數(shù)序列以±0.75為標準分別劃分出13個強冬季風年樣本（如1955、1956、1961、1962、1963、1968、1971、1974、1976、1977、1984、1986、1996年）和19個弱冬季風樣本年（如1949、1950、1954、1966、1969、1973、1979、1987、1988、1999、2001、2002、2003、2006、2007、2009、2010年）。

三種方案對比表見表1。

表1中，所指的強度相近或者強度相反是指前后冬的強度相近、相反，也就是說12月跟來年2月的冬季風強度指數(shù)進行對比，二者同時都大于零或者同時都小于零，則記為強度相近一次；如果兩者一個大于零，另一個小于零，則記為強度相反一次；如果兩者至少一個接近0，則不作考慮。案1所得結果，在62個樣本年中，前冬和后冬冬季風強度指數(shù)強度相反的有32個，超過了樣本總量的一半，強度相近的有19個，前冬后冬冬季風強度相反的年數(shù)（32）明顯要多于強度相近的年數(shù)（19），多出13年，足可見在計算東亞冬季風強度的時候，如果按照整個冬季平均來算，三個月的平均使得前后冬強度相反的這32年資料強度被削弱了，超過了樣本年數(shù)的一半，不如按照單獨月份計算的效果好，分開月份單獨計算更直觀地反映了強弱冬季風的波動情況，更有利于下文的分析。與方案1的結果相比，方案2和3求出的強冬季風年個數(shù)幾乎一致，但是弱冬季風年個數(shù)都減少了，前后冬強度相反年份也減少了。弱冬季風年的減少，是因為沒有劃分區(qū)域的時候，南下減弱的冬季風會影響到整個計算結果，分開南北區(qū)域以后來進行計算，則這樣的影響就被削弱。對比強度相近年份，方案1和2是相同的，都是19年，方案3是29年，之所以會多，是因為緯度偏低，不管是在前冬還是在后冬，風在南下過程中漸弱，使得前后冬強度相近的年份增多。

表2中，按照方案1確定的2月份的強東亞冬季風年與按照方案2確定的強東亞冬季風年分別是16年和17年，方案2的結果多出一個2000年，其余16年與方案1的結果全部吻合。方案2與方案3的結果比較，方案2（對北邊區(qū)域求指數(shù)）求得的強東亞冬季風年包含了方案3（以南邊區(qū)域求指數(shù)）求得的大部分年份，并且多出來（1956、1964、1972、1980、1984、2000年），也就是說，在多余出來的這些年份中，東亞的冬季風在（110°-130°E，20°-30°Ν）的范圍內還是強的，但是到了南邊區(qū)域（110°-130°E，10°-20°Ν）的時候已經(jīng)不在強東亞冬季風的范圍內，在后面的討論中這部分年份稱為20°Ν以北為強冬季風年份，方便區(qū)分對比。因這6年的強冬季風是比較偏北的，如果按照整個大區(qū)域算，就發(fā)現(xiàn)不了這樣的特點，分區(qū)域使選擇出來的強冬季風年年份更能表現(xiàn)現(xiàn)實，更具有代表性。因為冬季強的冷空氣氣流在南下過程中，干燥寒冷的空氣會使得熱容量大的海洋向空氣中釋放蒸發(fā)潛熱通量，感熱通量等，并且南北的熱力性質也不同，冷空氣在南下過程中是要慢慢減弱的，因此劃分開南北兩個區(qū)域，分別求各個區(qū)域內冬季風的強度，能更直觀更具體地看出該年冬季風的強度。

我們也可以這么考慮，簡單地說，同一時間內，冬季風在所選區(qū)域內，以20°Ν為界，北部強，到了南部不一定強；但是如果南邊冬季風強，北邊的冬季風往往一定強，事實得出來的結果也是這樣的因此本文用方案3的結果代表強東亞冬季風年份，又因本文是冬季風對夏季風影響的前一部分，而2月份是冬季中離夏季最近的一個月份，也是海溫季節(jié)性最低月份，因此著重對2月份的強、弱冬季風年的氣象要素合成分析。定義方案2比方案3多的6個強年為北邊區(qū)域強冬季風年，方案3的的強年為南邊區(qū)域強冬季

風年。

3 異常冬季風年的環(huán)流、潛熱通量、感熱通量時空變化特征

海-氣相互作用最終是通過它們之間的潛熱通量、感熱通量、水汽通量和動量通量等來實現(xiàn)，東亞冬季風在吹過洋面時，寒冷的北風會使得海面失熱，因此冬季風的強弱，從潛熱通量、感熱通量的釋放量也可以很直觀得表現(xiàn)出來。

圖2a是2月北邊區(qū)域強冬季風年份（1956、1964、1972、1980、1984、2000年）近地面10 m高度水平風的距平分布。由圖可見，在我國近海的冬季風，風在20°Ν以北偏北風距平很強烈，但是過了20°Ν以后轉為很弱，跟圖2b形成很鮮明的對比。這些年份的冬季風，并不是持續(xù)強的，隨著南下慢慢變弱，已經(jīng)達不到強冬季風的標準。

圖2b是2月南邊區(qū)域的強冬季風年合成的近地面10 m高度水平風的距平分布。從圖中可見，在孟加拉灣海區(qū)東部是一個反氣旋式的距平環(huán)流，菲律賓以東海區(qū)是一個氣旋式的距平環(huán)流，北太平洋中緯度海區(qū)也是一個氣旋式的距平環(huán)流，在孟加拉灣東部的反氣旋和菲律賓海區(qū)的氣旋之間，也就是我國南海地區(qū)，有強烈的偏北風距平，不僅如此，北太平洋中緯度的氣旋和菲律賓海區(qū)的氣旋距平環(huán)流西邊的偏北風都經(jīng)過日本南部以南海域—臺灣附近海域—南海海域的偏北風距平十分顯著。

圖2c、2e、2g分別是2月北邊區(qū)域強冬季風年份合成的下墊面潛熱通量，感熱通量，凈熱通量距平分布。圖2d、2f、2h分別是2月南邊區(qū)域強冬季風年合成的下墊面潛熱通量，感熱通量，凈熱通量距平分布。在對潛熱通量和感熱通量的影響上面，相對于單獨用冬季平均來看，用各月的更加準確。

圖2c、2d是潛熱通量的距平分布。北邊區(qū)域的強冬季風年份，東亞臨海為顯著的正距平，從南海的北部到東海一直延伸到北太平洋中部都是正距平，在北印度洋也有顯著的正距平（圖2c）。南邊區(qū)域的強年份（圖2d），東亞臨海為顯著的正距平，北太平洋中部也為正距平，與圖2c不同的是，潛熱釋放的量值更大，大值區(qū)位置偏南，在南海北部相同區(qū)域內，潛熱釋放的更多。弱冬季風年的情況與強年相反，在東亞臨海附近為負距平（圖2b）。

圖2e、2f是感熱通量的距平分布。北邊區(qū)域的強冬季風年份，從中國近海一直延伸到北太平洋中部都是正距平，在北印度洋也為正距平（圖2e）。南邊區(qū)域的強年份，圖中大部分海洋區(qū)域都為正距平，說明在強東亞冬季風年，一方面寒冷的北風會使海洋向大氣釋放感熱通量增多，另一方面海氣溫差的加強也使得海洋向大氣放出更多的感熱通量，其中仍以黑潮暖水區(qū)域的感熱通量值最大。弱年感熱通量的情況與強年相反，在弱東亞冬季風年份，東亞臨海則以負距平為主，只在高緯度地區(qū)海洋表現(xiàn)為較強的正距平，說明在弱年，風速跟海-氣溫差都比平均情況要小，大氣向海洋輸送的感熱通量更多。

對比北邊區(qū)域強冬季風年和南邊區(qū)域強冬季風年合成的氣息要素圖可見，東亞冬季風異常與海氣通量有很好的對應關系，當冬季風強度偏北時，相應的潛熱通量、感熱通量的大值區(qū)都偏北；當冬季風南下范圍較深時，潛熱通量、感熱通量的大值區(qū)普遍偏南。

對比方案3南部區(qū)域強冬季風與方案1整個區(qū)域強冬季風年合成的氣象要素圖，有不同，表現(xiàn)在方案1的北風活動經(jīng)向范圍更廣，高緯地區(qū)的北風也很強，熱通量方面也是集中在高緯地區(qū)釋放多，海溫方面，我國近海異常偏冷的區(qū)域相對方案3的海溫區(qū)域偏北，范圍也相對小。

弱東亞冬季風年的情形與強年相反，因此不多做介紹。

4 結果與討論

本文從東亞冬季風異常的角度出發(fā)，在對東亞冬季風指數(shù)定義時，從時間、空間兩方面分別進行了細分，求得更精確的異常東亞冬季風年，對比三種方法求得的異常東亞冬季風的異同，以及對中國近海的海氣通量，海溫的影響，結果如下。

東亞冬季風指數(shù)計算采用季節(jié)時間尺度和采用月時間尺度存在明顯的差異。分開冬季三個月分別計算比整個冬季平均效果要好。在此基礎上，空間劃分為南北兩個區(qū)域比比劃分更精確。時空結合求出的異常東亞冬季風年更具有其特點和代表性。

用南部區(qū)域（10°-20°Ν）求得的強東亞冬季風年，與只在北部區(qū)域為強冬季風的年份相比，合成的海氣通量與風場有很好的對應關系，強冬季風活動范圍偏北（南），海氣通量的大值區(qū)也偏北（南）。冬季風對海氣通量的影響表現(xiàn)在當月。

進一步探討冬季風-海氣通量-海溫-夏季風之間的相互作用，從氣候預測的角度，將對南海夏季風爆發(fā)早晚有所啟示。

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