2021年南海夏季风爆发偏迟原因分析*

郑 彬 谷德军 林爱兰 陈 静 屈静玄 朱 泳

中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室,广州 510640

提 要: 通常年南海夏季风爆发偏早,但是2021年背景下南海夏季风于5月第6候爆发,较常年偏迟。利用NCEP/NCAR再分析资料,从热带海温异常(SSTA)和季节内振荡(ISO)北传的角度来分析2021年南海夏季风爆发偏迟的原因。结果表明确实使春季的西太平洋副热带高压(以下简称西太副高)减弱,特别是4月之前;但是由于热带印度洋海温在冬春季持续偏暖的背景下抵消了的影响,特别是在5月,的影响小于热带印度洋的作用,导致5月西太副高偏强,南海夏季风爆发偏迟。此外,受影响,4月西太副高偏弱,南海地区背景正压南风偏弱,不利于南海地区赤道ISO的北传,这与气候态正好相反;随着热带印度洋SSTA的影响越来越显著,西太副高逐渐加强,直到5月下旬,背景正压经向南风才扩展到10°N以南地区,导致2021年南海地区赤道ISO北传偏迟,这也是2021年南海夏季风爆发偏迟的一个重要原因。热带印度洋和太平洋SSTA通过“竞争”共同对南海夏季风爆发产生影响,因此关注二者在冬春季的发展非常重要。

引 言

南海夏季风是影响中国降水的重要系统,其爆发预示着东亚夏季环流的发展。南海夏季风的活动不仅是华南雨季(前汛期)进入盛期的标志(谢炯光等,2008;陈隆勋等,2000),还会对东亚,甚至北半球的环流和天气都产生重要影响。此外,作为东亚季风的重要组成部分,南海夏季风是连接印度/孟加拉湾季风、西北太平洋季风和东亚副热带季风的纽带,其独特的地理位置也越来越受世界各国的高度重视。因此,随着社会经济的发展,每年南海夏季风的爆发日期成为每年海洋和大气领域都重点关注的内容之一。

南海夏季风爆发的研究比较丰富,影响因子主要包含外强迫作用和大气内部动力热力学过程(邵勰等,2014)。大气内部过程包括热带季节内振荡(ISO)(林爱兰等,2016;李春晖等,2017),越赤道气流(陶诗言等,1983;李崇银和吴静波,2002;高辉和薛峰,2006;Lin et al,2017;鲍媛媛,2021)和中高纬度系统(Chang and Chen,1995;温之平等,2006;张立凤等,2008;林爱兰等,2010a;2010b)的影响。外强迫作用主要包含了海温异常(SSTA)(毛江玉等,2000;陈隽和金祖辉,2001;梁卫等,2009;林爱兰等,2013)和陆面过程的影响,而后者主要有青藏高原的动力热力作用(Wu and Zhang,1998;陈隽和金祖辉,2001;邵慧和钱永甫,2001;简茂球和罗会邦,2001;于乐江和胡敦欣,2008)和中南半岛的作用(王世玉和钱永甫,2001;郑彬和蒙伟光,2006;蒙伟光和郑彬,2006)。此外,太阳活动周期变化(周群和陈文,2020)对南海夏季风的爆发也有一定的影响,但是最受关注的外强迫因子还是海温,特别是ENSO海温分布型对南海夏季风爆发影响的研究(陈隽和金祖辉,2001;温之平等,2005;胡鹏和陈文,2018)。

1 资料与方法

本文使用的资料为NCEP/NCAR再分析(Kalnay et al, 1996)逐日等压面的气温、比湿和水平风场,以及逐日下垫面温度和大气顶向外长波辐射(OLR)表面资料。其中等压面资料的水平分辨率为2.5°×2.5°,表面资料为高斯格点。NCEP/NCAR资料气候态取1981—2010年。

文中南海夏季风区域定义为5°～20°N、105°～120°E。ISO取10～60 d周期,利用11 d滑动平均值减去61 d滑动平均值得到ISO扰动,由61 d滑动平均计算得到背景场。另外,用垂直积分计算的正压风场与垂直平均得到的结果非常相近(图略),因此,为计算方便,本文采取垂直平均的计算方法。

2 分析结果

2.1 2021年南海夏季风爆发

梁建茵和吴尚森(2002)认为南海地区850 hPa平均纬向风大于零,西风主要源于热带低纬并持续5 d以上即标志着南海夏季风爆发。从气候上来看,5月第4候(16—20日)时,南海夏季风区域低层850 hPa风场全面由东风转为西风并持续(图1c),表明气候上的南海夏季风爆发日期为5月第4候。

图1 (a,c) 气候态和(b,d) 2021年的105°～120°E平均纬向风(填色和等值线)的演变(a,b)200 hPa,(c,d)850 hPaFig.1 Evolution of (a, c) climatology and (b, d) the 2021 zonal wind (colored and contour) averaged in 105°-120°E(a, b) 200 hPa, (c, d) 850 hPa

虽然200 hPa纬向平均风场显示南海全区域是在5月 底转为东风(图1a),但是从区域平均来看,东风垂直切变也是从5月第4候开始(图略)。因此从风场垂直切变(Zheng et al,2011)来看也有气候的南海夏季风爆发日期为5月第4候的结论。

2.2 热带海温异常的影响

图3 (a)1950—2021年年合成的和(b)2021年的春季(MAM)海温异常(填色)和500 hPa位势高度异常(等值线,单位:gpm)Fig.3 SSTA (colored) and geopotential height anomaly (contour, unit: gpm) at 500 hPa in spring (MAM) for (a) composite of La years during 1950-2021 and (b) in 2021

图4显示2021年赤道印度洋SSTA与相关环流的演变。可以看到,超前的反气旋和高压异常是MAM印度洋海盆尺度增暖的重要因子(图4a,4b),而之后印度洋增暖的SSTA对西北太平洋反气旋有显著贡献(图4d～4f)。印度洋暖SSTA如何与西北太平洋反气旋联系在一起?从图5可以看到,印度洋暖SSTA区有显著的上升运动,而热带西北太平洋地区则是下沉运动。印度洋暖SSTA和西北太平洋反气旋之间正是通过异常的纬向垂直环流相联系,这与袁媛和李崇银(2009)的结果是一致的。

注:阴影和绿色箭矢为通过0.05显著性水平检验的区域,图a～图f分别为SSTA落后10 d到超前15 d。图4 2021年MAM赤道印度洋(5°S～5°N、40°～100°E)SSTA与850 hPa风场的偏相关系数(箭矢),与高度场的偏相关系数(等值线)Fig.4 Partial correlation coefficients between the equatorial Indian Ocean (5°S-5°N, 40°-100°E) SSTA and the 850 hPa wind (vector) and height (contour) in MAM of 2021

注:阴影和绿色箭矢为通过0.05显著性水平检验的区域,图a～图f分别为SSTA落后10 d到超前15 d。图6 2021年MAM赤道西太平洋(5°S～10°N、140°～160°E)SSTA与850 hPa风场的偏相关系数(箭矢),与高度场的偏相关系数(等值线)Fig.6 Partial correlation coefficients between the equatorial Western Pacific (5°S-10°N, 140°-160°E) SSTA and the 850 hPa wind (vector) and height (contour) in MAM of 2021

2.3 ISO北传的影响

已有许多研究指出ISO北传对南海夏季风爆发有显著作用(Zhou and Chan,2005;Zhou and Murtugudde,2014;Wang et al,2018),主要通过对流发展减弱西太副高,促使其东撤和热带西风向东推进。从图7a可以看到,气候态的10～60 d尺度的OLR从5月初开始北传,对流中心在5月第4候左右传到南海北部;而2021年的10～60 d尺度的OLR从5月16日左右才开始北传,对流中心在5月底传播到南海北部(图7b)。是什么原因导致2021年ISO北传偏迟,进而使南海夏季风爆发偏迟?

注:红色箭头表示10～60 d对流中心传播方向。图7 105°～120°E平均背景对流不稳定度(填色)和10～60 d滤波后OLR(等值线,单位:W·m-2)分布(a)气候态,(b)2021年Fig.7 Background convective instability (colored) and 10-60 d filtering OLR (contour, unit: W·m-2) averaged in 105°-120°E(a) climatology, (b) in 2021

赤道地区的ISO对流向北传播的机制已有很多研究,多是针对季风爆发后的北半球夏季ISO,但是总的来说ISO北传主要归因于大气背景场的分布结构(DeMott et al,2013)。由于季风爆发前后的大气环流背景差异,因此爆发前后的机制并不能等效。如爆发后的东风垂直切变机制(Wang and Xie,1997;Jiang et al,2004;Drbohlav and Wang,2005),在爆发前由于背景场是低层东风、高层西风,是西风垂直切变,不利于ISO北传。Li et al(2013)提出了季风爆发前ISO北传的背景对流不稳定度经向不对称机制,这个机制的关键就是对流不稳定度的经向梯度,如果随着纬度增大,对流不稳定度增大,则有利于ISO向北传播。本文的对流不稳定度采用郑彬等(2006)定义:

Δθse=θse|700 hPa-θse|925 hPa

式中θse为假相当位温。当Δθse<0,为对流不稳定;反之则稳定。从图7可以看到,2021年4—5月的对流不稳定度的分布与气候态非常相似,最大的不稳定区域位于12.5°N。也就是说背景对流不稳定度机制仅仅在12.5°N以南区域有利于ISO北传,并不能解释季风爆发前ISO对流从赤道附近传播到南海北部。

最近,有学者提出了季风爆发前ISO北传的正压涡度平流机制(Zheng and Huang,2019;Zheng et al,2019)。该机制的关键是背景正压经向南风对ISO对流引起的正压涡度正异常的平流输送,导致了对流北部超前的正压涡度正异常,从而有利于ISO向北传播。从图8a可以看到,气候的背景正压经向南风在4月初时几乎覆盖整个南海,随着时间推移,背景正压经向南风的范围逐渐缩小,虽然5月上半月只有10°N以北的南海北部有背景正压经向南风,但是结合背景对流不稳定度机制,季风爆发前的ISO依然可以向北传播;而5月下半月时,背景正压经向南风的范围继续缩小,南界在12.5°N附近,这时南海主要由背景斜压经向风所控制,爆发前的机制已经不适用ISO向北传播到南海北部。而2021年背景正压经向南风虽然逐渐向南扩张,但是在5月上旬之前一直在15°N以北(图8b),即使结合背景对流不稳定度机制也不能有效地促使赤道地区对流向整个南海传播。一直到5月中下旬,背景正压经向南风扩展到12.5°N以南,有利于ISO向北传播到南海北部。

注:图c和图d中横坐标的零值代表南海夏季风爆发日期,负值代表南海夏季风爆发之前,正值代表之后;红色箭头表示10～60 d对流中心传播方向。图8 105°～120°E 平均的850～200 hPa(a,b,d)背景正压经向风(填色和等值线),(c)对流不稳定度(填色)和10～60 d OLR(等值线,单位:W·m-2)分布(a)气候态,(b)2021年,年合成Fig.8 (a, b, d) Background barotropic meridional wind (colored and contour) averaged in 105°-120°E and 850-200 hPa, (c) convective instability (colored) and 10-60 d filtering OLR (contour, unit: W·m-2)(a) climatology, (b) in 2021, (c, d) composite of La years

正是由于2021年背景正压经向风演变与气候态的差异,使得ISO在5月中旬之前不能向北传播到南海北部,延缓了南海夏季风的爆发。而背景正压经向南风是由高层南亚高压和低层西太副高决定的。季风爆发前的4月,南海地区主要受南亚高压和西太副高西侧控制,因此,南海大部分地区有正压南风,随着南亚高压西移北推和西太副高的东撤,正压南风范围逐渐减小(图8a)。

注:红线为500 hPa的5880 gpm等值线。图9 (a,c)气候态,(b,d)2021年的(a,b)5月和(c,d)4月850～200 hPa平均水平正压风场(风矢)与200 hPa位势高度(等值线,单位:gpm)分布Fig.9 The distribution of barotropic horizontal wind (vector) averaged in 850-200 hPa and geopotential height (contour, unit: gpm) at 200 hPa in (a, b) May and (c, d) April (a, c) climatology, (b, d) in 2021

图10 2021年4—5月区域平均背景SSTA区域(5°S～5°N、120°～170°W),(b)赤道印度洋(5°S～5°N、40°～100°E)Fig.10 Background SSTA in April and May 2021 (b) equatorial Indian Ocean (5°S-5°N, 40°-100°E)

进行调制加强。

图11给出了印度洋-太平洋SSTA联合模态相关的环流演变,可以看到,在0 d时,西北太平洋有异常气旋,而+5 d时异常气旋减弱,之后的异常反气旋逐渐加强,变得越来越显著。这进一步表明印度洋SSTA在“竞争”中逐渐占优,导致5月西北太平洋异常反气旋的加强(西太副高的增强)和南海夏季风的偏迟爆发。另一方面,逐渐加强的西太副高使5月南海地区的背景正压南风也慢慢增强,5月下旬时扩展到10°N以南地区,引导了ISO的北传,最终导致南海夏季风在5月底爆发。

注:阴影和绿色箭矢为通过0.05显著性水平检验的区域,图a～图d分别为SSTA超前0～15 d。图11 2021年MAM印度洋-太平洋联合模态指数与850 hPa风场的相关系数(箭矢),与高度场的相关系数(等值线)Fig.11 Correlation coefficients between the joint mode index of the Pacific-Indian Ocean SSTA and the 850 hPa wind and height in MAM of 2021

3 结论与讨论

(1)2021年冬春季的热带太平洋海温异常(热带中东太平洋偏冷,热带西北太平洋偏暖)确实使西太副高减弱,但是由于热带印度洋海温持续偏暖,抵消了这种减弱效应。随着热带太平洋海温异常减弱,热带印度洋海温异常对西太副高的作用越来越大,到2021年5月,则以热带印度洋海温异常控制为主,导致西太副高偏强,南海夏季风爆发偏迟。

(2)2021年南海地区赤道ISO北传偏迟也是南海夏季风爆发晚的一个重要因素。主要过程是4月西太副高偏弱引起正压南风减弱,从而不支持ISO向北传播;之后随着热带印度洋海温异常的影响逐渐增大,南海地区正压南风也逐渐增强,5月下旬时扩展到10°N以南地区,有利于ISO北传。

热带印度洋和太平洋SSTA都会对南海夏季风爆发产生影响,二者通过“竞争”或者共同作用可能会对南海夏季风爆发产生不同影响,因此关注二者在冬春季的发展非常重要。此外,ISO北传对南海夏季风的爆发也非常重要,但其本身受背景场的影响,而背景场通常与外强迫(如海温异常)有联系。实际上,ISO和海温的确存在相互作用过程。例如,Kemball-Cook and Wang(2001)提出一个海温对ISO北传的影响机制,而之后Jiang et al(2004)和Gao et al(2019)研究发现,海温通过调制表面潜热和感热通量,可以对ISO北传做出贡献(最大达到约20%),但是总的来说海温对ISO北传有调制作用,但并不是关键因子;而ISO通过影响表面潜热通量,也会进一步影响局地海温(Kemball-Cook and Wang,2001),而且亚澳季风区ISO通过大气桥能够影响赤道中东太平洋海温(李崇银和周亚萍,1994;李崇银和李桂龙,1999),但是ISO对ENSO也仅仅有调制作用,而不是决定作用。因此,总体来看,ISO和海温异常虽然有相互作用,但是并不是决定因素,因此本研究中我们将二者分别讨论。