南海夏季风爆发日期与海温的多尺度关系及最优子集回归预测

采用小波变换,Lanczos时间滤波器,相关分析研究了南海夏季风爆发日期的多尺度特征及与海温场的关系,并研制了南海夏季风爆发日期的短期气候预测新方法——多尺度最优子集回归预测方法。结果表明,1958—2008年南海夏季风爆发的平均日期为5月18日,标准差约10d,具有弱的偏早爆发趋势,存在15.4a的年代际变化和5.3a的年际变化周期。在年际变化尺度上,南海夏季风爆发日期与前期冬季(12—2月)海温场有4个显著的相关区,分别为热带南印度洋,菲律宾以东的热带西北太平洋,赤道中东太平洋,热带东太平洋。在年代际尺度上,南海夏季风爆发日期与前一年(前一年3月至当年2月)海温场的显著相关除有与年际尺度一致的热带西北太平洋海区外,还存在5个显著不同的相关区,即西南印度洋,东南印度洋,北太平洋,热带东南太平洋和东南太平洋。1999—2008年的独立样本检验表明,多尺度最优子集回归预测方法的最大预测误差为8.5d,预测值与实际值相差在5d以内的占50%,且对爆发日期的异常迟早具有较好的预测能力,它明显好于最优子集回归预测与单,多变量的线性回归预测。多尺度最优子集回归预测可以为南海夏季风爆发日期的短期气候预测业务预报提供重要参考。

南海夏季风爆发的数值预报模拟实验

１９９８年５月２１日００时（ ＵＴＣ），对流层上部 ２００ ｈＰａ的南亚反气旋中心位于（１６°Ｎ， ９４°Ｅ）附近， ８５０ｈＰａ南海的中南部仍为副热带反气旋控制；到 ２１日１２时， ２００ｈＰａ的南亚反气旋中心迅速移到（２１°Ｎ， ９４°Ｅ）附近，同时 ８５０ ｈＰａ的南海副热带反气旋减弱东撤，南海的中南部由东南风转变为西南风，南海夏季风爆发。本文利用美国国家大气研究中心和宾西法尼亚州大学联合研制的中尺度模式（ＭＭ５Ｖ２）模拟预报这一过程，同时通过敏感性实验研究了区域边界条件和水平分辨率对季风预报模拟实验的影响。

影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区及机制初探

利用1958—2011年NCEP/NCAR再分析资料和ERSST资料,采用Lanczos时间滤波器、相关分析、回归分析、合成分析和交叉检验等方法,研究了影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区海温异常的来源与可能机制。结果表明,前冬(12—2月)热带西南印度洋和热带西北太平洋是影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区。冬季热带西南印度洋(热带西北太平洋)的异常增暖是由前一年夏季El Ni?o早爆发(强印度季风异常驱动的行星尺度东-西向环流)触发、热带印度洋(西北太平洋)局地海气正反馈过程引起并维持到春季。冬季热带西北太平洋反气旋性环流(气旋性环流)及印度洋(热带西北太平洋)的暖海区局地海气相互作用使得印度洋(热带西北太平洋)海温异常维持到春末。春季,逐渐加强北移到10°N附近的低层大气对北印度洋(热带西北太平洋)暖海温异常响应的东风急流(异常西风)及南海-热带西北太平洋维持的反气旋性环流(气旋性环流)异常,使得南海夏季风晚(早)爆发。

南海夏季风爆发与热带海洋海温和大气环流异常变化关系的研究

用合成和相关分析方法及ＳＶＤ技术研究了南海夏季风爆发早、晚年份４～６月季风建立时期季风环流的异常及其与热带太平洋－印度洋海温的关系。结果表明，南海夏季风爆发与热带大气环流和海温变异密切相关。（１）当热带中、东太平洋－印度洋（主要在西南部）及南海海温低（高），西太平洋－澳洲邻近海域海温高（低）时，南海夏季风爆发早（晚）。不同区域海温对季风的影响有明显的季节差异，印度洋主要为晚春至初夏（４～６月），南海为５～６月，而热带太平洋从前冬一直持续到夏季。（２）不同的海温异常产生不同的季风环流型，南海夏季风爆发早、晚年大气环流的异常变化基本相反。南海夏季风的活动主要受印度季风环流变化的影响，与前期冬春季西太副高的强弱及位置变化密切相关。西太副高弱时，南海夏季风爆发早；反之，爆发晚。（３）热带太平洋－印度洋海温异常引起季风环流和Ｗａｌｋｅｒ环流的异常变化可能是影响南海夏季风爆发早、晚的物理过程。

南海夏季风爆发的大气热源特征及其爆发迟早原因的探讨

利用ECMWF(1979～1993年)的再分析资料分析了南海夏季风爆发前后的大气热源演变特征,并由此确定了南海夏季风爆发的大气热源判据.将该判据应用于1979～1993年总共15年的平均场,可判定南海夏季风平均于28候(5月第4候)爆发.而且,对于逐年南海夏季风爆发,该判据也有较好的指示意义.本文还发现,南海夏季风爆发的迟早与4月份40 (S纬圈平均的大气热源垂直积分<Q1>有着非常密切的联系,由此得到的南海夏季风爆发时间的前期判定指标能较好地判断南海夏季风的爆发时间.南海夏季风爆发迟早的原因,及其与4月份40 (S纬圈平均<Q1>之间的联系,可以通过南北半球哈得莱环流的变化得到解释.

南海夏季风爆发的动力过程研究

利用1958—1997年的NCEP/NCAR再分析资料,以南海季风爆发日为临界日期,计算了40年合成的季风爆发前月平均带状基流;在该基流上,计算了球面正压涡度方程中Rossby波的稳定性;并用谱函数展开法定义和计算了发展型波包的演变。结果显示:南海夏季风爆发前气候平均场上有球面Rossby波的正压不稳定,该不稳定主要由南半球的西风急流所激发,且不稳定扰动的最大振幅均出现在南半球西风急流以南。球面Rossby波发展型波包的最大振幅随时间会由两个半球的中高纬度向低纬扩展,虽然不能越过赤道,却激发了热带地区的积云对流,积云对流的爆发并向季风区传播,加速了大气环流的调整,其结果造成了南海夏季风的爆发。可见,南海夏季风的爆发虽是局地现象,但其爆发原因却是全球性的。

黑潮地区海温影响南海夏季风爆发日期的数值试验

采用合成分析和相关分析等方法讨论了季节转换时期 ( 4～ 6月 )黑潮地区海温异常对南海夏季风爆发时间和西太平洋副高位置与强度的影响。数值模拟结果进一步表明 ,该地区海温正异常将导致西太平洋副高位置偏南 ,强度偏强 ,南海夏季风建立较晚 ,强度偏弱 ,江淮流域偏涝 ;反之亦然。

南海夏季风爆发迟早与赤道纬向风关系的诊断研究

利用ECMWF和NCEP(1958~1999年)的再分析资料,研究南海夏季风与前期气象要素的关系,结果表明:南海夏季风建立日期与当年2月份赤道印度洋地区的纬向风存在高层(200~100 hPa)为正、低层(1000~700 hPa)为负的显著相关分布,类似于偶极子的分布特征;而在赤道中太平洋地区(160°E^160°W)则存在高层为负、低层为正的另一个显著相关"偶极子"。分析这种相关特征的持续性,发现上述形势从2月份到5月份一直存在,且赤道印度洋地区高低层相反的相关分布从3月份开始逐渐东移,到5月份维持在印度洋东部至南海一带。从5月份的相关系数分布图可发现,南海地区低层为负相关,高层为正相关,说明低层西风异常、高层东风异常的赤道纬向风分布有利于南海夏季风早爆发。针对南海夏季风建立日期与赤道地区(10°S^10°N平均)纬向风的"偶极子"型相关分布特征,定义了一个用于诊断南海夏季风爆发迟早的前期因子。该因子与大部分学者定义的南海夏季风建立日期存在着显著的相关,说明该因子对南海夏季风爆发迟早有一定的反映能力和预测作用。根据Gill(1980年)理论分析发现,上述2月份赤道地区纬向风异常是同期赤道印度洋-大陆桥地区异常强对流活动造成热带赤道大气环流显著异常变化的结果。

印度洋热通量变化及其对南海夏季风爆发的影响

采用卫星遥感资料反演出的海洋大气参数,应用通量算法(CORAER3.0),计算出了印度洋区域海气热通量,据此,分析研究了该区域海气热通量的年、年际和年代际变化特征。进而分析探讨了该区域热通量变化与南海夏季风爆发之间的联系。结果表明,北印度洋的热通量具有明显的季节变化特征,在一年四季最大热通量基本发生在阿拉伯海和孟加拉湾,但其量值具有明显的差异。特别是在南海季风爆发前后,其量值显著增大,4月份之前,平均潜热通量维持在110—120W/m2之间,4月份开始增大为130W/m2,5月份突然增大超过160W/m2。这种增大过程可能是影响南海夏季风或南亚夏季风爆发的关键。由分析可知,南海夏季风的爆发与北印度洋的热通量变化存在显著的相关关系,且它们均具有显著的年代际变化周期为16a。当3年前的5月份北印度洋区域海气潜热通量出现偏大(小)时,南海夏季风爆发时间会出现偏晚(早)的趋势。另外,为了预测南海夏季风爆发时间,建立了一个简单的回归方程,用来预测2012年南海夏季风爆发时间。预测结果表明,2012年南海夏季风爆发时间将会出现偏晚1—2候的趋势。

南海夏季风爆发机制的数值实验研究

通过３个数值实验和对１９９８年及１９９６年南海夏季风爆发的对比分析以及多年资料统计研究发现，南海夏季风何时爆发与南海局部地区的海温高低和南海经度上南北海温差异的大小关系不密切，主要决定于南海及其周围大范围地区的环流形势。南海季风爆发前１０天内，其环流特征是低层 ８５０ ｈＰａ上，西太平洋副热带高压脊经菲律宾西伸控制南海，南亚至东南亚为宽广的低槽区所控制，高空 ２００ ｈＰａ上，南亚高压位于阿拉伯海至南海一带，中心位于孟加拉湾东侧和中南半岛西侧的低纬地区，广大北方为西风气流所控制。

基于海温异常的南海夏季风爆发的可预报性分析

定义了综合评估南海地区大气对海温异常等外强迫响应的指数,并以此作为中间变量提出了利用前期海温异常预报南海夏季风爆发早晚的方法,进一步分析了基于海温异常的南海夏季风爆发的可预报性。分析表明:基于前期海温的异常,对于以日为单位预报对象的定量的南海夏季风爆发日期来说,基本没有可预报性;而对于定性的南海夏季风爆发早晚的预测,则可预报性大为提高。其预报时效可以提前至前期秋季的11月份。

西太平洋暖池区域热通量变化及其与南海夏季风爆发的关系

利用卫星遥感资料反演出的海洋大气参数,应用目前世界较为先进的通量算法(CORAER 3.0),计算了西太平洋区域海-气热通量(感热通量和潜热通量)。首先分析了海-气热通量的多年平均场和气候场变化的基本特征,以及年际和年代际变化特征;进而对其与南海夏季风爆发之间的关系进行了初步探讨。结果表明,西太平洋海-气热通量具有明显的时空分布特征,感热通量的最大值出现在黑潮区域,潜热通量的最大值出现在北赤道流区和黑潮区域。在气候平均场中,黑潮区域的感热通量和潜热通量最大值均出现在冬季,最小值出现在夏季;暖池区域感热通量除了春季较小外,冬、夏和秋季基本相同,而潜热通量最大值出现在秋、冬季,最小值出现在春、夏季。另外,海-气热通量还具有显著的年际变化和年代际变化,感热通量和潜热通量均存在16 a周期,与南海夏季风爆发存在相同的周期。由相关分析可知,4月份暖池区域的海-气热通量与滞后3 a的南海夏季风爆发之间存在密切相关关系,这种时滞相关性,可以用于进行南海夏季风爆发的预测,为我国汛期降水预报提供科学依据。基于以上结论,建立多元回归方程对2012年的南海夏季风爆发进行了预测,预测2012年南海夏季风爆发将偏晚1～2候左右。

2006年南海夏季风爆发过程数值模拟

本文用中尺度模式MM5V37对2006年南海(SCS)夏季风爆发过程进行了数值模拟。结果表明,模拟结果很好的反映了此次季风爆发的过程及与季风爆发相伴台风演变过程。从而证明了通过台风的协助,南海上空的季风风场和水汽通道的建立,南海夏季风建立的过程。

中国东部城市群发展对南海夏季风爆发影响的模拟研究

本文利用NCAR开发的CAM5.1(Community Atmosphere Model Version 5.1)模式,针对我国东部大规模城市下垫面发展对南海夏季风爆发的影响进行了数值模拟研究。结果表明我国东部大规模城市群发展可能使得南海夏季风提前1候爆发;机理分析表明:在南海夏季风爆发之前,中国东部城市群发展引起的陆面增温,使得南海及其附近地区南北温差提前逆转、中国东部区域海平面气压降低,导致中南半岛到南海地区西南气流加强,中南半岛到南海地区降水增加,而凝结潜热垂直变化强迫出的异常环流,促进了南亚高压的加强及提前北跳,相伴随的高层抽吸作用有助于季风对流的建立和西太平洋副高的减弱东撤,从而形成了有利于南海夏季风爆发的高低层环流条件,导致南海夏季风提前爆发。另外,观测结果表明1993年之后南海夏季风爆发的日期相对上一个年代明显提前约2候,城市化快速发展阶段与南海夏季风爆发的年代际变化存在时间段的吻合,表明城市下垫面发展可能是南海夏季风提前爆发的原因之一。

菲律宾以西海域的高温暖水与南海夏季风爆发

采用改进的甚高分辨率辐射计(AVHRR)、热带降水测量卫星(TRMM)、快速散射计(QuikSCAT)等最新高分辨率的卫星遥感资料和美国国家环境预报中心和气象研究中心(NCEP/NCAR)多年平均再分析资料,揭示出气候态下菲律宾以西海域30℃以上高温暖水的出现和面积突增可以作为南海夏季风爆发的先兆,高温暖水具有生命期短的特征。研究指出高温暖水导致的局地对流在南海夏季风爆发中起着重要作用,高温暖水的年际变化与南海夏季风爆发时间早晚关系密切。

南海夏季风爆发前后华南前汛期降水日变化对比分析

利用华南地区248个国家级地面气象站逐小时降水数据和14个探空站数据,分析了2003-2016年4-6月华南前汛期降水日变化特征。据南海夏季风爆发时间,将降水分为爆发前后两个时段。华南地区主要存在两条大雨带,一个位于云贵高原至南岭山脉以南,另一个位于广东沿海地区。偏北雨带集中发生在后半夜至清晨时段,偏南雨带集中发生在中午至下午时段。南海夏季风爆发前后,降水量不存在明显相关性,相关系数较大时次位于中午至下午时段。前后期年降水标准差在0.5附近,变化幅度明显时段主要集中于凌晨至清晨。午后出现3 h多年降水量变化幅度最大值,最小时段为中午12时。降水量、降水频率和降水强度的经向分布特征明显且相似:降水量和降水频率在112°E附近出现日变化转折,以西多出现不稳定夜雨,以东白天降水波动较大。在南海夏季风爆发前,降水特征主要表现为西部高频、南部高强,在清晨更多作用于对暴雨系统的增长;季风爆发后则表现为西北-东南南的高频率高强度降水形态,在傍晚更多作用于增加降水发生频率。

南海夏季风爆发与前期东亚冬季风异常的关系以及ENSO的作用

基于ERA-interim再分析资料采用相关分析研究了东亚冬季风和南海夏季风爆发的关系,并探讨了ENSO在其中的作用。结果表明,弱冬季风之后的南海地区5月有异常东风、降水偏少,对应于夏季风爆发偏晚;强冬季风之后则相反;但上述关系并不十分显著。进一步利用线性回归将东亚冬季风分为与ENSO有关和无关的部分,对于与ENSO有关的冬季风,上述冬季风—夏季风爆发的关系的显著性有明显提高;但与ENSO无关的冬季风和夏季风爆发并无显著联系。这说明冬季风—南海夏季风爆发的关系主要是由与ENSO有关的冬季风造成的。这一关系可以用ENSO激发的菲律宾异常反气旋或气旋来解释,以弱冬季风之后夏季风爆发偏晚为例:El Ni?o事件一方面激发出菲律宾异常反气旋,使得冬季风偏弱;另一方面又引起热带印度洋增暖,由于局地海气相互作用正反馈和印度洋电容器效应,菲律宾异常反气旋得以维持到晚春。该异常反气旋及其南侧的异常东风不利于南海夏季风的爆发,从而导致夏季风爆发偏晚。

1998年夏季风爆发前后南海上混合层的特征及成因

利用１９９８年“南海季风实验（ＳＣＳＭＥＸ）”南北部两个点的资料，采用１． Ｌａｕｎｉａｎｅｎ和Ｔ．Ｖｉｈｍａ提出的方法，计算了潜热通量、感热通量和风应力，分析了南海上 混合层动力、热力特征及其与南海夏季风爆发之间的关系。发现在西南季风爆发前后，南海 北部、南部的两个观测点的海洋上混合层温度和深度随时间的变化具有不同的特点：北部混 合层温度经历由高到低再变高，混合层深度经历由浅变深再变浅的３个时段；南部混合层温 度经历由低到高再变低，混合层深度经历由深变浅再变深的３个时段。这与南海南、北部海 面的风和海面热通量具备不同的特征有关。在５～６月南海上混合层动力、热力特征基本受 局地风与短波辐射控制，海面潜热和感热的作用较小。在５月份，南海南部观测点海面附近 存在浅薄的高盐高密度层，在６０ｍ以上的上层海洋内存在着许多高盐高密度核。在１９９８年 “南海季风实验”期间南海南、北部两个观测点都存在较浅薄的障碍层，在西南季风爆发期 间，南海北部观测点的障碍层较厚达到 ２０ ｍ以上。

1998年南海夏季风的爆发与大气季节内振荡的活动

利用ＮＣＥＰ再分析及ＴＢＢ资料，系统地研究了１９９８年南海夏季风爆发与大气季节内振荡活动的关系，结果表明，１９９８年南海夏季风爆发与南海及其临近地区３０～６０天低频振荡的发展有着极为密切的关系。南海及临近地区３０～６０天低频纬向风及低频动能的时间－经（纬）度剖面明显地反映出该地区的大气季节内振荡的加强是由于其临近地区（菲律宾以东）３０～６０天低频气旋发展及其向西扩展的结果，与孟加拉湾地区低频气旋的活动关系不大；同时，我们也看到了夏季风爆发前后南海地区为 ８５０ｈＰａ低频动能的大值区，而 ２００ｈＰａ上为一弱区，反映了１９９８年南海夏季风爆发期间该地区大气季节内振荡有上弱下强的垂直分布特征。进一步分析表明，南海及其临近地区大气季节内振荡的活动主要为局地振荡型，夏季风爆发后才有明显的向北传播，成为南海夏季风爆发影响东亚大气环流和天气的重要途径之一。另外，１９８０和１９８６年南海地区３０～６０天低频动能的发展特征与 １９９８年的类似，说明了南海及其临近地区大气季节内振荡的局地振荡特征并不是１９９８年所特有的，它对南海夏季风爆发有普遍的重要作用。

南海夏季风爆发和撤退的多时间尺度变化及其机制研究进展

南海夏季风爆发预示着东亚夏季风和西北太平洋夏季风的建立以及主雨季的开始.南海夏季风爆发的早晚,对于中国夏季的气候异常有着重要的指示意义,因此南海夏季风爆发受到了广泛的研究关注,并在近几十年一直是季风研究的热点.文章回顾了南海夏季风爆发在多个时间尺度(从年代际到天气尺度)上的变化及其机制,并聚焦于最近五年以来的研究进展.在年代际尺度上,南海夏季风爆发日期在20世纪90年代中后期经历了显著的提前,这可能与太平洋海温的年代际背景有关.在年际时间尺度上,厄尔尼诺-南方涛动被认为是影响夏季风爆发最关键的因子,然而二者的关系在近年来有明显减弱.季节内振荡可以显著地调节南海夏季风的爆发,由不活跃位相向活跃位相的转变,可能比位相本身更值得关注.南海夏季风爆发和天气尺度系统(如热带气旋)之间存在着密切的相互作用,热带气旋是夏季风爆发重要的触发因子,而夏季风爆发又会为热带气旋生成提供有利的背景环流.此外,本文还回顾了近期关于南海夏季风撤退的一系列工作.在此基础上,最后提出了一些未来值得进一步探讨的科学问题.