春季對(duì)流層上層經(jīng)向熱力差與南海夏季風(fēng)爆發(fā)的關(guān)系

摘 要：利用1970—2023年ERA5逐日再分析資料，采用統(tǒng)計(jì)方法研究春季對(duì)流層上層經(jīng)向熱力差與南海夏季風(fēng)爆發(fā)的關(guān)系，構(gòu)建經(jīng)向熱力差指數(shù)和爆發(fā)指數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)春季對(duì)流層上層熱力差由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí)間位于3月下旬至5月上旬，南海夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間集中在5月中下旬，兩者呈顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.67）。夏季風(fēng)偏早，年季風(fēng)環(huán)流偏強(qiáng)；夏季風(fēng)偏晚，年季風(fēng)環(huán)流則偏弱。分析其原因可能是青藏高原熱源強(qiáng)度偏弱，導(dǎo)致高原上反氣旋環(huán)流建立推遲，從而抑制了低空西南季風(fēng)氣流北上，最終影響南海夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間。

關(guān)鍵詞：春季對(duì)流層上層經(jīng)向熱力差；南海夏季風(fēng)；爆發(fā)時(shí)間；高壓環(huán)流；相關(guān)性

中圖分類(lèi)號(hào)：P425.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）10–0-03

季風(fēng)是指近地面層冬、夏季盛行風(fēng)向接近相反且氣候特征（主要指降水）明顯不同的現(xiàn)象。世界上主要的季風(fēng)區(qū)有西非季風(fēng)區(qū)和亞澳季風(fēng)區(qū)，而亞洲季風(fēng)（包括南亞季風(fēng)和東亞季風(fēng)）活動(dòng)異常對(duì)當(dāng)?shù)氐奶鞖?、氣候和生存環(huán)境影響極大[1]。南海夏季風(fēng)是東亞季風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分，其演變規(guī)律對(duì)東亞地區(qū)氣候、生態(tài)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)都有很大影響。20世紀(jì)末的南海季風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果填補(bǔ)了東南亞季風(fēng)研究的空白，試驗(yàn)表明南海是比南亞更為典型的熱帶季風(fēng)區(qū)[2]。南海夏季風(fēng)一般在5月中后期在中南半島—南海區(qū)域爆發(fā)[3]，并且以降水的突然增加為標(biāo)志。不同于印度夏季風(fēng)，南海夏季風(fēng)爆發(fā)過(guò)程迅速，季風(fēng)建立后風(fēng)向突轉(zhuǎn)，其爆發(fā)時(shí)間的年際變異更大[4]。由于南海夏季風(fēng)爆發(fā)標(biāo)志著東亞夏季風(fēng)來(lái)臨和中國(guó)東部主汛期的開(kāi)始，因此影響南海夏季風(fēng)爆發(fā)的相關(guān)研究備受關(guān)注[5]。許多學(xué)者分別從不同的角度研究影響南海夏季風(fēng)爆發(fā)的因素，如從海陸熱力差異、大氣季節(jié)內(nèi)振蕩、海溫、中緯度天氣系統(tǒng)、青藏高原大地形的加熱和強(qiáng)迫作用，以及中南半島感熱等角度進(jìn)行研究[6-12]。

亞洲和毗鄰海域的熱力差是影響南海夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間年際變異的關(guān)鍵因子。作為世界“第三極”的青藏高原，平均海拔超4 000 m，其春夏季熱源作用是驅(qū)動(dòng)高原及周邊大氣環(huán)流的根本因素。位于青藏高原南側(cè)的印度洋，海溫常年較高，其熱力狀況通過(guò)季風(fēng)環(huán)流影響我國(guó)氣候。青藏高原和熱帶印度洋的氣溫在春夏季形成強(qiáng)烈對(duì)比，尤其是在對(duì)流層高層。然而，關(guān)于對(duì)流層上層青藏高原—熱帶印度洋（Tibetan Plateau-Tropical Indian Ocean，TP-TIO）熱力對(duì)比與南海夏季風(fēng)爆發(fā)的研究較少。由于春季TP-TIO經(jīng)向熱力差存在由負(fù)轉(zhuǎn)正的特征，因此，探討春季對(duì)流層上層經(jīng)向熱力差由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí)間和南海夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間及其強(qiáng)度的關(guān)系，進(jìn)一步通過(guò)爆發(fā)早晚的環(huán)流場(chǎng)、水汽場(chǎng)、降水場(chǎng)及對(duì)流層上層熱力差場(chǎng)等要素的合成，分析其物理機(jī)制。通過(guò)分析再分析資料發(fā)現(xiàn)，春季TP-TIO經(jīng)向熱力差轉(zhuǎn)變時(shí)間與南海夏季風(fēng)爆發(fā)關(guān)系密切，有必要進(jìn)一步探究其相關(guān)性及其可能的物理機(jī)制。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

使用歐洲中期預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-

Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大氣再分析

數(shù)據(jù)集（ERA5）逐小時(shí)數(shù)據(jù)，水平分辨率為0.25°×

0.25°，具體要素有400～200 hPa等壓面溫度。ERA5是由ECMWF開(kāi)發(fā)的一種全球性氣候變化再分析數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品，是由ECMWF的哥白尼氣候變化服務(wù)（C3S）生產(chǎn)的。ERA5收集了大量的全球氣象數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、風(fēng)速和氣壓等要素指標(biāo)，并將自身模型數(shù)據(jù)與來(lái)自世界各地的觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)全球完整的、一致的數(shù)據(jù)集。ERA5數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率、水平分辨率高，能夠提供每小時(shí)級(jí)別的、在經(jīng)度和緯度上分別間隔0.25°到0.1°的氣象數(shù)據(jù)，使得用戶可以更好地了解氣象現(xiàn)象的發(fā)展和趨勢(shì)，這在天氣預(yù)報(bào)、氣候研究、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大的價(jià)值。此外，ERA5數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多個(gè)質(zhì)量控制和校正，確保了其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和精度。該產(chǎn)品獨(dú)特的網(wǎng)格設(shè)定方式和大氣層模擬等技術(shù)，使得其能夠提供更加詳細(xì)、精確的全球氣象數(shù)據(jù)，有利于相關(guān)人員更深入地探索全球氣候變化的趨勢(shì)和規(guī)律。因此該資料在氣候診斷、天氣過(guò)程分析中的應(yīng)用較為廣泛[13-15]。

1.2 方法

1.2.1 對(duì)流層上層經(jīng)向熱力差指數(shù)

構(gòu)建青藏高原和熱帶印度洋對(duì)流層上層經(jīng)向熱力差指數(shù)TIup，具體的計(jì)算公式為：

TIup=[TTP（28°N～38°N，75°E～103°E）-TTIO（15°S～5°N，60°E～100°E）]

400～200 hPa（1）

式（1）中，TTP（28°N～38°N，75°E～103°E）和TTIO（15°S～5°N，60°E～ 100°E）分別代表青藏高原和熱帶印度洋溫度的面積加權(quán)區(qū)域平均值，右下角標(biāo)400～200 hPa表示平均，代表對(duì)流層上層。

1.2.2 南海夏季風(fēng)爆發(fā)指數(shù)

南海夏季風(fēng)爆發(fā)指數(shù)的定義很多，如從季風(fēng)環(huán)流角度、溫濕角度、環(huán)流和溫濕結(jié)合的角度來(lái)定義[16]。參考黃少妮引用的基于環(huán)流角度定義南海夏季風(fēng)爆發(fā)指數(shù)OSI，具體計(jì)算公式為：

OSI=u850（5°N～15°N，110°E～120°E）（2）

式（2）中，u850表示850 hPa的緯向風(fēng)，u850（5°N～15°N，

110°E～120°E）表示南海區(qū)域850 hPa的緯向風(fēng)的面積加權(quán)區(qū)域平均值，當(dāng)OSI＞0，且四候中至少有三候達(dá)到指標(biāo)，表示緯向西風(fēng)建立，南海夏季風(fēng)爆發(fā)。

1.2.3 合成分析

合成分析是對(duì)大氣平均狀態(tài)進(jìn)行分析的方法。將符合某一條件的多個(gè)時(shí)刻的同一要素場(chǎng)進(jìn)行平均，即得到合成場(chǎng)，也稱(chēng)為大氣變量的條件平均場(chǎng)。

1.2.4 雙尾t檢驗(yàn)

采用雙尾t檢驗(yàn)對(duì)以上統(tǒng)計(jì)方法得到的結(jié)果，通過(guò)構(gòu)造的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平為0.05。對(duì)相關(guān)系數(shù)采用雙尾t檢驗(yàn)。關(guān)于合成分析和雙尾t檢驗(yàn)的具體公式可參考黃嘉佑和李慶祥的研究[17]。

2 春季對(duì)流層上層經(jīng)向熱力差與南海夏季風(fēng)爆發(fā)的關(guān)系

從表1可以看出，初步得到由負(fù)轉(zhuǎn)正的時(shí)間位于4月下旬至5月上旬，最早于3月25日轉(zhuǎn)正，最晚于5月28日轉(zhuǎn)正，平均由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí)間為4月30日，標(biāo)準(zhǔn)差為17.25。南海夏季風(fēng)最早爆發(fā)時(shí)間為4月14日，最晚爆發(fā)時(shí)間為6月11日，平均爆發(fā)時(shí)間為5月17日，標(biāo)準(zhǔn)差為11.91。從圖1可以看出轉(zhuǎn)正時(shí)間早，季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間早，反之，則季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間晚，兩者有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，2個(gè)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)經(jīng)計(jì)算可達(dá)0.67，通過(guò)了95%顯著性水平檢驗(yàn)。

圖1" 春季對(duì)流層上層經(jīng)向熱力差轉(zhuǎn)正時(shí)間與南海夏季風(fēng)

爆發(fā)時(shí)間的關(guān)系

表1" 春季對(duì)流層上層經(jīng)向熱力差轉(zhuǎn)正和南海夏季風(fēng)爆發(fā)的時(shí)間

年份 由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí)間 南海夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間 年份 由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí)間 南海夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間

1970 4月25日 6月5日 1989 5月10日 5月17日

1971 4月15日 6月1日 1990 5月1日 5月20日

1972 5月6日 5月8日 1991 3月25日 5月20日

1973 5月5日 6月11日 1992 4月12日 5月8日

1974 5月15日 5月23日 1993 4月10日 5月7日

1975 5月16日 5月28日 1994 4月14日 5月11日

1976 5月23日 5月14日 1995 4月19日 5月16日

1977 5月28日 5月15日 1996 4月8日 5月8日

1978 5月13日 5月21日 1997 5月16日 5月25日

1979 5月9日 5月16日 1998 4月16日 5月13日

1980 5月5日 5月16日 1999 5月6日 5月19日

1981 5月11日 5月29日 2000 3月28日 5月1日

1982 5月20日 5月29日 2001 3月26日 4月14日

1983 5月19日 5月29日 2002 5月3日 5月22日

1984 5月8日 5月24日 2003 4月10日 5月5日

1985 5月9日 5月29日 2004 4月2日 4月21日

1986 4月25日 5月15日 2005 4月5日 5月1日

1987 5月21日 6月7日 2006 4月12日 5月9日

1988 5月12日 5月20日 2007 5月9日 5月10日

2008 5月10日 5月17日 2016 5月3日 5月20日

2009 5月10日 5月17日 2017 4月28日 5月16日

年份 由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí)間 南海夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間 年份 由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí)間 南海夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間

2010 5月18日 6月9日 2018 5月20日 6月2日

2011 4月29日 5月16日 2019 4月8日 4月30日

2012 5月24日 6月3日 2020 5月18日 6月6日

2013 4月5日 5月3日 2021 5月15日 5月20日

2014 4月26日 5月12日 2022 5月3日 5月15日

2015 4月16日 5月5日 2023 5月26日 5月14日

3 南海夏季風(fēng)爆發(fā)的影響因素

選取南海夏季風(fēng)爆發(fā)偏早年和偏晚年進(jìn)行合成分析發(fā)現(xiàn)，南海夏季風(fēng)爆發(fā)前后大氣環(huán)流存在顯著差異，夏季風(fēng)爆發(fā)偏早，年大氣環(huán)流較強(qiáng)夏季風(fēng)爆發(fā)偏晚，年大氣環(huán)流則偏弱。爆發(fā)偏早年低空流場(chǎng)顯示，夏季風(fēng)爆發(fā)前，南海區(qū)域和華南沿海地區(qū)低空主要受東北風(fēng)控制，爆發(fā)前夕，5°N～10°N之間的東風(fēng)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南風(fēng)，季風(fēng)爆發(fā)當(dāng)天，風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L(fēng)，華南地區(qū)形成異常反氣旋，而在其沿海區(qū)域太平洋上形成異常氣旋性環(huán)流。在季風(fēng)爆發(fā)后華南地區(qū)的異常反氣旋和海上的異常氣旋都向東移動(dòng)，且范圍不斷擴(kuò)大。高空流場(chǎng)顯示爆發(fā)前期，高空主要受到西北氣流影響，隨著時(shí)間推移風(fēng)向轉(zhuǎn)為平直西風(fēng)，夏季風(fēng)爆發(fā)當(dāng)天低緯地區(qū)5°N～10°N轉(zhuǎn)為南風(fēng)，而高緯地區(qū)以西北氣流為主。季風(fēng)爆發(fā)后隨著時(shí)間推移，主要受到東北氣流影響。爆發(fā)偏晚年季風(fēng)環(huán)流較弱，爆發(fā)前夕主要受平直東風(fēng)影響，且南海區(qū)域和華南及其沿海地區(qū)未出現(xiàn)異常環(huán)流。

青藏高原—熱帶印度洋春季上層經(jīng)向熱力差異轉(zhuǎn)變與南海夏季風(fēng)的爆發(fā)時(shí)間有密切關(guān)系。由于經(jīng)向熱力差主要由青藏高原熱源主導(dǎo)，因此當(dāng)經(jīng)向熱力差由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí)間偏晚，說(shuō)明青藏高原熱源強(qiáng)度較氣候態(tài)偏弱，不利于南亞高壓環(huán)流的建立，低空西南氣流偏弱，導(dǎo)致南海夏季風(fēng)的爆發(fā)時(shí)間偏晚。

4 結(jié)論

采用ERA5再分析資料研究春季對(duì)流層上層青藏高原—熱帶印度洋經(jīng)向熱力差與南海夏季風(fēng)爆發(fā)的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)向熱力差由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí)間位于4月下旬至5月上旬，南海夏季風(fēng)爆發(fā)時(shí)間集中在5月中下旬，

兩者呈顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.67）。季風(fēng)爆發(fā)偏早，年季風(fēng)環(huán)流偏強(qiáng)，反之則偏弱，其可能原因是經(jīng)向熱力差由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí)間偏晚，青藏高原熱源強(qiáng)度較氣候態(tài)偏弱，不利于南亞高壓環(huán)流的建立，低空西南氣流偏弱導(dǎo)致南海夏季風(fēng)的爆發(fā)時(shí)間偏晚。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃少妮.南海夏季風(fēng)爆發(fā)的多尺度特征及其可預(yù)報(bào)性[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2011.

[2] 林祥，錢(qián)維宏.全球季風(fēng)和季風(fēng)邊緣研究[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2012，27（1）：26.

[3] 梁建茵，吳尚森.南海西南季風(fēng)爆發(fā)日期及其影響因子[J].大氣科學(xué)，2002，26（6）：829-844.

[4] 李汀，琚建華.孟加拉灣西南季風(fēng)與南海熱帶季風(fēng)的氣候特征比較[J].地球物理學(xué)報(bào)，2013，56（1）：27-37.

[5] 邵勰，黃平，黃榮輝.南海夏季風(fēng)爆發(fā)的研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2014，29（10）：1126.

[6] 羅小青.青藏高原—熱帶印度洋熱力差異及其與南亞夏季風(fēng)的關(guān)系[D].湛江：廣東海洋大學(xué)，2021.

[7] 鮑媛媛.2019年南海季風(fēng)爆發(fā)異常偏早的機(jī)制分析[J].氣象學(xué)報(bào)，2021，79（3）：400-413.

[8] 穆明權(quán)，李崇銀.1998年南海夏季風(fēng)的爆發(fā)與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的活動(dòng)[J].氣候與環(huán)境研究，2000，5（4）：375-387.

[9] 谷德軍，紀(jì)忠萍，林愛(ài)蘭.影響南海夏季風(fēng)爆發(fā)年際變化的關(guān)鍵海區(qū)及機(jī)制初探[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2018，34（1）：1-11.

[10] 溫之平，吳乃庚，陳桂興.南海夏季風(fēng)爆發(fā)早晚的經(jīng)向環(huán)流異常的機(jī)理研究[J].大氣科學(xué)，2016，40（1）：63-77.

[11] 張永生，吳國(guó)雄.關(guān)于亞洲夏季風(fēng)爆發(fā)及北半球季節(jié)突變的物理機(jī)理的診斷分析Ⅰ：季風(fēng)爆發(fā)的階段性特征[J].氣象學(xué)報(bào)，2013，56（5）：513-528.

[12] 柳艷菊，丁一匯.亞洲夏季風(fēng)爆發(fā)的基本氣候特征分析[J].氣象學(xué)報(bào)，2007，65（4）：511-526.

[13] 呂潤(rùn)清，李響.ERA-Interim和ERA5再分析數(shù)據(jù)在江蘇區(qū)域的適用性對(duì)比研究[J].海洋預(yù)報(bào)，2021，38（4）：27-37.

[14] 楊世昆，楊玲，張雪芬，等.地基遙感聯(lián)合反演大氣邊界層高度與ERA5再分析資料比對(duì)分析[J].氣象，2023，49（2）：

178-187.

[15] 李瑞輝，袁運(yùn)斌，張紅星.ERA5應(yīng)用于區(qū)域?qū)α鲗友芯康倪m用性分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2021，9（6）：29-37.

[16] 高輝，梁建茵.南海夏季風(fēng)建立日期的確定和東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)的選取[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2005（5）：525-532.

[17] 黃嘉佑，李慶祥.氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法[M].北京：氣象出版社，2015.

收稿日期：2024-06-12

基金項(xiàng)目：2021年廣東海洋大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目（060302032109）；廣東海洋大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（CXXL2023039）。

作者簡(jiǎn)介：崔影（2002—），女，黑龍江綏化人，研究方向?yàn)榇髿饪茖W(xué)。#通信作者：羅小青，E-mail：luo_201709@126.com。