（气象学专业论文）南海夏季风爆发迟早的诊断和预测研究.pdf

摘要 南海夏季风爆发迟早的诊断和预测研究 专业：气象学 硕士生：周浩 指导教师：温之平 摘要 本文利用e c m w f 和n c e p ( 1 9 5 8 1 9 9 9 年1 两套全球格点再分析资料和美国 n o a a 的o l r 资料，运用相关分析、合成分析和小波分析等诊断方法研究了影 响南海夏季风爆发迟早的前期因子，在此基础上详细探讨了2 月份赤道纬向风异 常的产生机制。用前期影响因子建立了南海夏季风爆发时间预测方程，对2 0 0 6 年南海夏季风的爆发进行了预测。 主要研究结果如下： ( 1 ) 分析发现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( 2 0 0 h p a - l o o h p a ) 为正、低层( 1 0 0 0 h p a 7 0 0 h p a ) 为负的显著相关偶极子对， 而在赤道中太平洋j , i 爱( 1 6 0 。e - 1 6 0 0 w ) 则存在高层为负、低层为正的另一个显著 相关偶极子对，这种特征可以在赤道( 1 0 0 s 1 0 0 平均纬向风与建立日期的相关系 数分布中得到明显表现。分析这种相关特征的持续性，发现上述相关系数分布形 势从2 月到5 月份一直存在，且赤道印度洋地区高低层相反的相关系数值分布特 征从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。通过分析5 月份季风爆发早晚年赤道平均纬向风距平合成图，发现南海地区低层负相关对应 于西风异常，高层正相关则对应东风异常，说明低层西风，高层东风的纬向风场 分布有利于南海夏季风早爆发。而这种特征可以追溯到前期2 月份大气环流的异 常。 ( 2 ) 诊断分析发现，2 月份在8 5 0 h p a 气压层上赤道印度洋地区出现异常西风， 南海夏季风爆发迟早的诊断和预测研究 赤道太平洋地区出现异常东风，整个热带赤道地区为广阔的异常低压带( 在热带 印度洋i f , 现以赤道对称的显著低压中心) ，以苏门答腊地区为中心的对流活动正 异常之间的物理联系可由g i l l 的理论模型1 8 0 l 来解释。分析表明，2 月份赤道印度 洋一大陆桥地区出现的异常强对流活动将造成热带赤道地区大气流场和气压场 产生显著异常变化，并影响后期南海夏季风的爆发迟早。因此，2 月份该地区大 气各要素的异常变化可作为南海夏季风爆发迟早的前兆信号。 f 3 ) 分析南海夏季风建立日期与2 月份各气象要素的相关特征，定义了1 0 个用于诊断南海夏季风爆发迟早的前期因子。这些因子与大部分学者定义的南海 夏季风建立日期存在高相关系数，说明对季风爆发迟早有一定的反映能力和预测 作用。利用这些前期因子使用线性回归方法建立了南海夏季风爆发时间预测方 程，方程预测的季风建立日期与季风实际爆发时间有十分显著的相关，对具体日 期的拟合也较好，依据该方程预测了2 0 0 6 年南海夏季风建立日期为5 月第4 候。 关键词：南海夏季风爆发前期因子赤道纬向风预测方程 j i a b s t r a c t d i a g n o s i sa n dp r e d i c t i o no ft h eo n s e to fs o u t hc h i n a s e as u m m e rm o n s o o n m a j o r ： n a m e ： m e t e o r o l o g y z h o u h a o s u p e r v i s o r ：w e nz h i - p i n g a b s t r a c t b a s e do ne c m w fa n dn c a r n c e pm o n t h l y - m e a nr e a n a l y s i sd a t a s e t sf r o m 1 9 5 8t o1 9 9 9a n dn o a ao l rd a t a s e t s ( 1 9 7 8 1 9 9 9 ) ，t h e p r e c e d i n g f a c t o r s i n f l u e n c i n gs o u t hc h i n as e as u n u n e rm o n s o o n 佑c s s m ) o n s e th a v eb e e ns t u d i e db y u s eo ft h ec o r r e l a t i o na n a l y s e s ，c o m p o s i t ea n a l y s e sa n dw a v e l e ta n a l y s e s t h e p h y s i c a lm e c h a n i s mo fa n o m a l o u so fe q u a t o r i a lz o n a lw i n di si n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h ep r e d i c t i o ne q u a t i o no fs c s s mo n s e td a t ei sb u i l tw i t ht h e s ep r e c e d i n gi m p a c t f a c t o r st of o r e c a s ts c s s mo n s e td a t ei n2 0 0 6 t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 i ti sf o u n dt h a tt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ns c s s mo n s e td a t e sa n dt h ee q u a t o r i a l z o n a lw i n df i e l d s ( 1 8s t a n d a r dp r e s s u r el e v e l ) i ss e p a r a t e l yp o s i t i v ea n dn e g a t i v ea t h i g hl e v e l ( 2 0 0 h p a - l o o h p a ) a n dl o wl e v e l ( 1 0 0 0 h p a - 7 0 0 h p a ) o v e re q u a t o r i a li n d i a n o c e a n ( 1 0 ) ，w h i c hr e s e m b l e s “d i p o l e ”，a n da n o t h e r “d i p o l e ”i sf o u n d o v e re q u a t o r i a l m i d d l ep a c i f i co c e a n ( p o ) w h e r et h en e g a t i v e ( p o s i t i v e ) c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ta r e a i sa th i 曲( 1 0 w ) l e v e li nf e b r u a r y t h i sc h a r a c t e r i s t i cw h i c hh a se x i s t e df r o mf e b r u a r y t om a y i sr e m a r k a b l yr e p r e s e n t e do nt h ed i s t r i b u t i o no ft h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t b e t w e e ne q u a t o r i a lm e a nz o n a lw i n d ( 1 0 0 s - i o 。n ) a n ds c s s mo n s e td a t e s i n a d d i t i o n ，t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t “d i p o l e ”o v e r1 0b e g i n st om o v i n ge a s t ws l o w l y i nm a r c h ，a n dt h e ns t a n d si ne a s t e r ni oa n dt h es o u t hc h i n as e a ( s c s ) 1 1 1 南海夏季风爆发迟早的诊断和预测研究 2 t h ea n o m a l i e so ft h ee q u a t o r i a lz o n a lw i n d ，t h ea n o m a l o u sd i s t r i b u t i o n so f g e o p o t e n t i a lh e i g h ta n do l r o v e rt r o p i ci nf e b r u a r ya r eq u i t ed i f f e r e n ti ne a r l ya n d l a t em o n s o o ny e a r s i ne a r l y ( 1 a t e ) m o n s o o ny e a r s ，t h e r ei st h en e g a t i v e ( p o s i t i v e ) a n o m a l yo fo l r o v e re q u a t o r i a le a s t e r ni oa n ds u m a t r ar e g i o n s ，w h i c hw i l lf i r s t l yd o f a v o rt ot w oa n o m a l o u sb a r o m e t r i cl o w ( h i g h ) c e n t e r so v e re q u a t o r i a le a s t e r ni oa n d a n o m a l o u sb a r o m e t r i cl o w ( h i g h ) b e l to v e re q u a t o r i a lw e s t e r np oa n dt h e nl e a dt o a n o m a l o u sw e s t ( e a s t ) w i n do v e re q u a t o r i a l1 0a n da n o m a l o u se a s t ( w e s t ) w i n do v e r e q u a t o r i a lp oi nf e b r u a r y f i n a l l y , t h e s ea n o m a l i e sw i l lm a k es c s s mo n s e te a r l y t h i sr e s u l tm a y p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei np r e d i c t i o no ft h eo n s e to fs c s s m 3 b a s e do nt h es t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft h er e l a t i o n s h i pa n da n o m a l i e so f t h em e t e o r o l o g i c a le l e m e n t si nf e b r u a r ya n dt h eo n s e to fs c s s m ，t e np r e c e d i n g f a c t o r sa r ed e f i n e dt od i a g n o s ea n dp r e d i c ts c s s mo n s e t b e c a u s eo ft h eh i g h c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sb e t w e e nt h e s ef a c t o r sa n do n s e td a t e s ，t h e yc a nb eu s e dt o r e f l e c ta n dp r e d i c ts c s s mo n s e tv e r yw e l l t h ep r e d i c t i o ne q u a t i o no fs c s s mo n s e t d a t ei sb u i l tw i t ht h e mb yu s i n gl i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o d a c c o r d i n gt op r e d i c t i o n e q u a t i o n ，t h es c s s m o n s e td a t ei n2 0 0 6i st h ef o u r t hp e n t a do fm a y , w h i c hi su pt o t h eo b s e r v a t i o n a lf a c tt h i sy e a l k e yw o r d s ：s c s s mo n s e t ，p r e c e d i n gf a c t or ，e q u a t o r i a l z o n a lw i n d ，p r e d i c t i o n e q u a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 对东亚季风系统的研究【1 】表明，南海夏季风是亚洲季风中爆发最早的系统。 南海夏季风的爆发往往征兆亚洲季风区大气环流由冬季形势向夏季形势转变，东 亚夏季风的来临和中国东部雨季的开始。南海夏季风爆发的早晚及其强弱联系着 大气环流的异常并关系到中国东部地区的天气和降水。因此，关于南海夏季风建 立的研究得到了广大专家学者的高度重视。本章主要回顾近年来关于南海夏季风 建立机制及其影响系统和影响南海夏季风爆发迟早前期因子等方面的研究进展， 提出论文拟解决的主要科学问题并阐述本工作的研究意义。 1 1南海夏季风建立机制及其影响系统 季风的形成是季风研究中的一个基本问题。从季风形成原因的讨论来看 2 1 ， 低纬行星风带的位移与副热带海陆热力对比之间的联系，以及热带准定常行星波 与中纬度行星波之间的耦合关系等对季风的形成及其变率的影响得到了大家的 重视【3 1 。曾庆存和李建平【4 】曾指出：大气环流的季节变化和越赤道气流即两半球 的相互作用首先是由于赤道面与黄道面有交角而使太阳辐射有年变化所致，行星 热对流环流是热带季风的“第一推动力”，而地表面特性差异( 海陆热力特性差异 以及地形高度等1 所导致的准定常行星波为“第二推动力”，如以推动大气质量跨 纬圈传输的效力来看，平均来说两推动力的功效之比为2 ：1 。第二推动力在亚澳 季风区与第一推动力合拍，使热带季风在亚澳区最明显。在亚洲地区，季风分为 印度季风和东亚季风两个系统。印度季风区是显著的海陆经向热力差异影响的地 区；而南海有其特殊的地理位置，即处于热带范围内，连接印度洋和太平洋，西 边是中南半岛，北边是中国大陆，独特的地理位置使得南海夏季风系统比印度季 风系统复杂得多。南海夏季风的研究，特别是“南海季风试验”以来，取得了很 多有意义的成果【5 , 6 1 。黄荣辉等【7 】、温之平等【7 1 都对南海季风爆发机制和影响因子 的研究现状做了细致详尽的回顾。恰当的理解季风建立或爆发的机理，是了解季 风年际气候变化的基础。 南海夏季风爆发迟早的诊断和预测研究 1 1 1青藏高原对南海夏季风的影响 众所周知，青藏高原对世界气候有着巨大影响。f l o h n l 9 最早指出青藏高原对 大尺度亚洲季风形成和维持的重要性。这一结论随后被大量的资料分析工作所补 充证实1 1 0 。1 扪，数值试验研究也证实了这一观点【1 7 1 ( h a h na n dm a n a b e ，1 9 7 5 ； r u d d i m a n ，1 9 8 9 ；吴池胜，1 9 9 5 ：安芷生，2 0 0 1 ) ，青藏高原对亚洲季风形成和维 持起着重要的动力和热力作用。 吴国雄等【1 8 】的研究结果表明，青藏高原对周围大气起到“气泵”的作用，高 原热力和动力强迫是导致东亚季风比南亚季风爆发早的原因之一。y a n a i 等【1 9 】提 出高原增温后温度平流东传将会影响南海季风爆发。张永生【加1 对高原上空温度 场以及地面感热加热进行分析，结果表明青藏高原的热力作用对南海夏季风的维 持和建立起着十分重要的作用，青藏高原的抬升加热是南海季风爆发时期对流层 上层增暖的主要原因。余志豪等【2 1 】认为南海乃至亚洲季风区是环球信风纬度带 中的一个断裂缺口区，它与对流层中部5 0 0 h p a 的副热带高压带的断裂缺口有着紧 密的联系。这是由于青藏高原季节性受热通过高海拔的地形影响至- i j 5 0 0 h p a 以上， 使得5 0 0 h p a 鬲i 热带高压在那里断裂，为亚洲季风的爆发出现提供了重要条件。 此外，也有一些学者对青藏高原积雪进行分析，表明青藏高原雪盖( 雪盖面 积、深度、积雪日数等) 对南海夏季风建立日期和强度均有一定的影响【2 2 _ 2 9 。 1 1 2 热带海洋对南海夏季风的影响 海洋对大气的强迫作用很早就为气象学者关所观注，关于热带海洋对南海夏 季风建立的影响也有不少研究【2 6 。2 8 】。谢安等【2 6 】研究发现热带s s t 异常对南海夏季 风爆发有重要影响，南海一西太平洋纬向温度梯度是南海夏季风爆发早于印度季 风的原因之一。h u a n g 齐l w u 冽的研究表明：西太平洋暖池的热状态和菲律宾对 流活动不仅影响着西太平洋副热带高压带的季内变化，而且影响着南海季风爆发 的早晚。这可能是由于西太平洋暖池热状态影响经向和纬向环流( w a l k e r 环流和 h a d l e y 环流1 所致。 最近几年气象学者用不同的数值模式( 包括区域气候模式、海气耦合模式、 大气环流模式等等) 对热带海温进行模拟【2 9 m 】研究，表明南海、西太平洋暖池以 2 第1 章绪论 及赤道东太平洋海温异常均与南海夏季风建立有密切关系。梁肇宁等1 3 2 j 最近用 条件s v d 和联合s v d 方法对去除和不去除e n s o 信号情况下的印度洋s s t a 进行 分析，结果表明不同情况下，印度海洋异常对南海夏季风爆发有着不同的影响； 闰晓勇掣3 3 】也用数值模式证明了在赤道东太平洋海温异常协同作用下，印度洋 偶极子对南海夏季风爆发也有重要作用。 除了对海表温度( s s t ) 作分析外，还有一些学者对次表层的海g ( s u b s u r f a c e s e at e m p e r a t u r e ，s s s n 也进行了分析【3 4 。狮，结果显示太平洋一印度洋一带前期冬 季次表层海温对南海夏季风爆发也有很好的指示作用，而且与s s t 相比，s s s t 受外部因素的影响较小，因此扰动较少，稳定性也较高。 尽管对海温的诊断和模拟都做了不少工作，但关于海温强迫影响南海夏季风 建立的具体物理机制还并不是很清楚，有待于进一步研究。 1 1 3中纬度系统对南海夏季风的触发作用 h e 和c h e n 3 7 】认为南半球中纬度寒潮和斜压性发展可能是北半球夏季风的外 部强迫。而c h a n g 和c h e n 认为与初夏雨季爆发有关的中纬度锋面本身就是南海 夏季风的触发机制。吴池胜等【3 9 】利用中尺度模式m m 5 模拟了1 9 9 4 年南海夏季风 建立过程，结果也表明，具有一定强度的南下的接近于副热带地区的中纬度槽一 锋系统，可引发南海地区西太平洋副热带高压脊的减弱东撤，因而有利于南海夏 季风的建立。 1 1 4低频振荡对南海夏季风的影响 对亚洲季风活动的认识在8 0 年代有明显的提高，其重要标志之一就是季风 的3 0 一6 0 天振荡的研究结果 4 0 l 。m u r a k a m i 等【4 1 】通过向外长波辐射资料的谐波分 析，发现低频振荡是引起季风爆发和撤退的重要因子。 林爱兰等【4 2 1 , 用1 8 年的o u t 资料分析表明南海夏季风期间低频振荡的环流实 体是i t c z 的南北振荡和西太平洋副热带高压脊点的东西摆动。低频振荡与南海 季风的活跃、中断( 或减弱) 密切相关。彭楚明等【4 3 1 研究表明当热带西太平洋大气 低频西传进入南海时，振动迅速加强，南海夏季风爆发。而夏季风爆发偏早是因 为由西太平洋西传与印度洋向东传播的低频波在南海上空共同作用。南海夏季风 南海夏季风爆发迟早的诊断和预测研究 的建立时间与南海一西太平洋地区海洋一大气系统的低频振动相位有关。宋焱云 和谢安掣4 卅的研究也得出一致的结果。徐国强和朱乾根等【删认为低频振荡对南 海季风的爆发具有加强的作用，南海海温的低频振荡对南海季风的爆发具有触发 作用，低频s s t 与低频降水之间存在耦合作用。 最近，温之平等【删利用n c e p 再分析资料以及8 1 9 6 年n o a a 的o l r 逐日资料 分析了南海夏季风的季节内振荡情况，结果表明3 0 一6 0 天i s o 活动对南海夏季风季 节内演变有重要的影响。南海上空的对流在1 6 年里有1 0 年出现强的i s o 信号。随 着i s o 向东北传，南海地区低层低频西南风以及对流明显加强，向东北传的i s o 对南海夏季风的建立以及季节内变化起着重要的作用。 1 1 5 北半球副热带高压对南海夏季风的影响 北半球副热带高压是东亚季风体系的重要一员，中层副热带高压脊线是东亚 季风两个子系统的分界线，脊线以北是副热带季风，以南是南海季风。副高的强 度和东西位置变化与东亚夏季风活动密切相关【4 7 埘】。 许多分析表明，南海季风爆发前的一个重要特征就是低层的副热带高压“东 撤”，当副高撤出南海地区季风才爆发。毛江玉等 ”】提出夏季风的建立在很大程 度上取决于高空副热带高压脊附近经向温度梯度的逆转，并提出了季节转换轴 ( s t a ) f f 日概念。张韧等【”】研究发现，南海夏季风的强弱( 1 6 天以上周期的低频活动) 与夏季西北太平洋副高活动中心的东、西位置有较好的对应关系：南海夏季风强 ( 弱) 的年份，太平洋副高活动中心的位置大多相对偏东( 偏西) 。南海夏季风扰动 ( 5 8 天及8 1 6 天周期和准双周振荡) 与夏季西北太平洋副高的西伸过程关系密 切：南海夏季风准双周扰动强盛时期，西北太平洋副高往往有显著的西伸响应； 扰动较弱时期，副高中心位置的移动幅度大多较小。 何金海等【5 2 j 对多年的1 1 3 b 资料分析发现，4 月份t b b 高值带就在中南半岛断 裂，相应的西太平洋副高东段随后东移，使得南海夏季风建立，后来又利用南海 季风试验( s c s m e x ) 和日本气象研究所( m r i ) 的t b b 资料，分析了南海夏季风建 立期间副高带断裂和东撤过程的主要特征及其可能机制。发现北半球副热带高压 带的断裂( 低层早于高层) 和印缅槽( 或孟加拉湾槽) 的形成是南海夏季风建立的重 要前期征兆之一，也为副高东撤和南海夏季风的建立提供了重要条件。斯里兰卡 4 第1 章绪论 附近低涡的持续北移是副高断裂和印缅槽建立过程的显著特征。南海夏季风爆发 期间，副高东撤、季风加强和对流加热之间存在一种正反馈作用，这导致副高的 连续东撤和南海季风的“爆发性”以及各种要素的突变特征。当南海季风对流减 弱后，西太平洋副高则会西伸。 1 1 6中南半岛、孟加拉湾热力影响 刘屹岷等【5 3 1 的研究指出孟加拉湾季风爆发后产生的强对流加热将激发 r o s s b y 波列，并最终导致南海地区经向温度梯度的改变和南海夏季风的爆发。 徐海明等【5 4 】利用c c m 3 气候模式，模拟了中南半岛对南海夏季风的建立和维 持所产生的影响。试验表明，中南半岛地形起了非常重要的作用。当c c m 3 中去 除中南半岛地形后，南海夏季风便不再出现。数值结果进一步表明，在南海季风 爆发前2 个月，中南半岛地区感热加热使得其上空迅速增温，其与邻近的南海和 孟加拉湾的温度梯度发生逆转，导致原先控制南海和中南半岛的西太平洋副高脊 在中南半岛出现断裂，随着副高减弱东撤，南海季风也随之建立和维持。 最近，温敏等 5 5 荆用r e g c m 2 模式模拟了中南半岛对流强弱对南海夏季风建 立的影响，并讨论了南海夏季风建立过程的年际变化及其可能机制。她们认为由 冬至夏的季节转化期，中南半岛上空对流的强弱对北半球副热带高压带在孟加拉 湾上空断裂有重要影响。当副高带断裂后，孟加拉湾及周围地区的对流所激发的 r o s s b y 波列是西风和对流进入南海北部的直接原因，并导致南海夏季风的爆发。 目前对中南半岛的作用也存在一些争议，有学者提出中南半岛的局地作用是 否真的如模式显示那么显著还有待进一步研究。 1 1 7 e n s 0 循环的影响 e n s o 循环与季风是全球气候系统中最重要的两个系统。季风与e n s o 循环 相互作用是当前国际气候研究前沿课题之一，也是c l i v a r 中的一个重要研究领 域闭。早在7 0 年代，我国学者就研究了e n s o 对东亚季风的影响【5 7 。5 引。张秀芝 和李江龙等【3 6 l 通过对热带次表层海温与南海夏季风关系的分析，发现南海夏季 风强度与e n s o 事件密切相关，在l an i n a 年多数出现强夏季n , ( 1 6 2 0 ) ，e 1n i n o 南海夏季风爆发迟早的诊断和预测研究 年则伴随弱夏季风( 1 2 1 5 ) 。对于南海夏季风建立迟早与e n s o 事件关系近年来也 有些研究1 5 9 枷】，结果表明，e 1n i n o 年南海夏季风爆发较晚，而l an i n a 年， 南海夏季风爆发较早。尽管e n s o 事件对南海夏季风爆发具有一定的指示作用， 但e ln i n o ( l an i n a ) 事件并不是与南海夏季风的爆发早( 晚) 一一对应。说明e n s o 可能通过其它系统来对南海夏季风爆发产生影响1 6 l l 。但就目前来说，关于e n s o 循环与南海夏季风关系的深入分析还比较少。南海夏季风与e n s o 系统关系的 深入认识对提高模式模拟亚洲季风系统与e n s o 循环相互作用将会有十分积极 的意义。 1 2 影响南海夏季风爆发迟早前期因子的研究现状 通过1 1 节的回顾知道，在南海夏季风建立机制方面已经进行了大量深入而 富有成效的研究，取得了令人振奋的结果。但同时也表明南海夏季风的建立和维 持机制非常复杂，从气候平均态来看，南海夏季风建立日期大约在5 月第4 候。 许多学者用不同标准确定的建立日期虽然存在差异，但对于多数年份日期基本一 致，特别是建立日期的气候平均值几乎都相同【6 2 1 。从高辉等【6 2 】最终确定的4 1 年 ( 1 9 5 8 1 9 9 8 ) 南海夏季风爆发的日期来看南海夏季风的爆发存在明显的年际变 化，有的年份爆发早，有的年份爆发晚，最早的在4 月底，最迟的则到了6 月初。 南海夏季风的建立为什么会有如此明显的年际变化? 1 1 节关于南海夏季风形成 机制及其影响系统的研究回顾为我们理解南海夏季风建立迟早年际变化提供了 知识背景和研究思路。 对于影响南海夏季风建立的前期物理因子也开展了一些卓有成效的研究工 作。孙淑清等【删指出冬季风异常产生的影响可以从冬季一直持续到春、夏季。 在强冬季风年，南海夏季风爆发偏早、偏强且突发性显著。何敏等畔l 也指出南 海冬、夏季风存在隔季的相关，冬季风的强度可以作为南海夏季风爆发早、晚和 强、弱的信号。赵永平等【6 5 】研究表明，冬春季南海海温偏暖( 冷) ，南海季风爆发 多偏晚( 早) ，并指出南海海温异常主要是对e n s o 事件的响应。毛江玉等【删研究 同样指出南海夏季风爆发的年际变化与s s t 异常有密切关系，季风爆发晚年与 早年冬春季s s t 正、负距平区符号完全相反，偏晚年的s s t a 分布呈e i n i n o 型， 第1 章绪论 偏早年的分布如同i a n i n a 型。陈隽等1 6 7 1 揭示了南海夏季风爆发早晚与前期冬季 东亚大气环流、热带对流、热源及热带太平洋海温的异常分布有密切联系，南海 夏季风爆发偏早年的前期有冬季风偏强、高原积雪偏少，海洋大陆地区的对流活 跃、热源增强及l an i n a 型海温分布等主要特征，南海夏季风爆发偏晚年的前期 特征则基本相反。张勇掣6 8 】研究表明o l r 在初春，纬向风速和垂直速度在整个 前期的异常都与南海夏季风的异常存在极强的相关性。以上工作多是对影响南海 夏季风爆发迟早的前期大气环流特征进行合成研究，没有着重分析这些特征与南 海夏季风建立的内在联系。 蓝光东等【6 9 】的研究指出，利用各年4 月份4 0 0 s 纬圈平均大气热源垂直积分 的距平值，可得到南海夏季风爆发时间的前期判断标准。王黎娟等r 7 0 】认为苏门 答腊地区对流沿“大陆桥”移动加快是一个先兆信号。黄荣辉等r ”】分析1 9 7 8 1 9 9 9 年的平均高云量( h c a ) 资料发现，春季菲律宾周围的高云量与南海夏季风爆发日 期的相关系数达到了0 7 6 ，说明菲律宾周围春季的对流活动强弱对南海夏季风的 爆发有重要的影响。张秀芝等指出，7 0 。e 9 0 0 e 赤道西风加强导致赤道两侧涡 旋对发生和加强，进而激发南海季风爆发，涡旋对候平均涡度合计值 2 0 可作 为南海夏季风爆发的预报指标。通过以上回顾可知，前人虽然指出了对南海夏季 风爆发有前兆信号意义的物理因子，但所用资料的时问序列较短，黄荣辉等1 7 1 l 的研究也只利用了1 9 7 8 年至1 9 9 9 年2 2 年的资料。对于更长时间的资料序列而 言，以上揭示的事实是否也显著存在? 是否还有其他能够更好征兆南海夏季风爆 发迟早的前期因子是值得进一步研究的科学问题。 1 3 拟解决的科学f 目题及其研究意义 前面综述了南海夏季风爆发迟早及其前期影响因子方面的一些研究现状，指 出了其中存在的一些不足和值得研究的一些问题，基于以上讨论，本文拟研究的 科学问题有： ( 一) 南海夏季风建立迟早与前期大气环流的关系，及其前期影响因子的研 究。研究过程中，利用e r a 和n c e p 两套长时间序列资料进行相关分析，诊断 研究季风爆发前期冬、春季大气各要素与建立日期之间的相关系数分布特征，并 南海夏季风爆发迟早的诊断和预测研究 定义影响南海夏季风爆发迟早的前期因子。 ( 二) 研究影响南海夏季风爆发迟早的前期因子产生的可能物理机制，并分析 其与南海夏季风爆发迟早的物理联系。 ( 三) 利用与南海夏季风建立迟早有显著关系的前期因子，建立南海夏季风建 立日期回归方程，并对日期进行预测。 围绕以上三个主要问题，本论文的章节安排如下： 第2 章：资料与研究方法介绍； 第3 章：南海夏季风爆发迟早的前期因子诊断研究； 第4 章：赤道纬向风异常与南海夏季风爆发迟早的研究； 第5 章：南海夏季风建立日期的预测研究； 第6 章：总结与研究展望。 第2 章资料与研究方法介绍 第2 章资料与研究方法介绍 本章主要介绍在整个论文研究过程中所用资料的情况，并对具体的研究方法 作简要的介绍。第1 章已经指出本论文主要关注南海夏季风的研究，那么确定南 海夏季风逐年建立日期是十分必要的。但是由于目前有许多学者定义了各自不尽 相同的建立日期，所以本章将着重分析选择适合本研究的南海夏季风建立日期。 2 1 资料情况 本文的研究采用两套逐月常规气象要素资料，一套是欧洲中期天气预报中心 ( e c m w f ) 的再分析资料( 以后简称为e a r 资料) 。另一套是美国环境预报中心 ( n c e p ) 美国国家大气研究中一c 4 n c a r ) 第1 版再分析资料( 以后简称为n c e p 资料) 。 e a r 资料是垂直1 8 层f 分别为1 0 0 0 ，9 2 5 ，8 5 0 ，7 7 5 ，7 0 0 ，6 0 0 ，5 0 0 ，4 0 0 ， 3 0 0 ，2 5 0 ，2 0 0 ，1 5 0 ，1 0 0 ，7 0 ，5 0 ，3 0 ，2 0 和1 0 h p a ) 、水平分辨率为2 5 0 2 5 0 经纬度，总长度为5 2 8 个月( 1 9 5 8 年1 月一2 0 0 1 年1 2 月) 的全球格点再分析资料。 e a r 分析系统采用e c m w f 业务资料同化系统的特别版，它包括一个t 1 0 6 谱 预报模式，垂直为3 1 层，采用三维半拉格朗日平流格式( g i b s o n 等( 竹j ) 。 n c e p 资料垂直方向分为1 7 层( 分别为1 0 0 0 ，9 2 5 ，8 5 0 ，7 0 0 ，6 0 0 ，5 0 0 ， 4 0 0 ，3 0 0 ，2 5 0 ，2 0 0 ，1 5 0 ，1 0 0 ，7 0 ，5 0 ，3 0 ，2 0 和1 0 h p a ) ，水平分辨率为2 5 0 2 5 0 经纬度，总长度为6 9 8 个月( 1 9 4 8 年1 月2 0 0 6 年2 月) 的全球格点再分析资料。 此外，论文研究还用其他一些资料： 曲美国n o a a 极轨业务气象卫星观测的全球月平均向外长波辐射( o l r ) 资料。资料长度为2 5 2 个月0 9 7 8 年1 月- 1 9 9 9 年1 2 月) ，分辨率2 5 0 ： 2 5 0 经纬度。 b ) 用e r a ( 1 9 5 8 2 0 0 1 年) 各标准等压面的温度、湿度、位势高度及风场的 月平均资料，求得大气热源的整层垂直积分值 。分辨率为2 5 0 2 5 0 经纬度，垂直方向总共有1 3 层。 南海夏季风爆发迟早的诊断和预测研究 2 2 南海夏季风建立日期的选定 南海夏季风建立日期是研究南海夏季风的一个重要指标。不同的学者根据不 同的条件定义了各自不完全相同的建立日期，所以选定一个既简单又能较好反映 南海夏季风建立的日期序列是十分必要的，而作为一篇研究南海夏季风爆发迟早 的论文，寻找合适的建立日期就成为所有研究工作的第一步。 文献1 6 2 1 提供了不同学者定义的南海夏季风建立日期。计算建立日期两两相 关系数( 表2 1 ) 可见，梁建茵等【7 4 】定义的南海夏季风建立日期与其他建立日期的 相关系数中有七分之五高于o 7 ，远远超过9 9 的信度水平。相比，其他建立日 期的相关表现则较差一些，说明梁建茵等1 7 4 i 确定的日期能较好的反映南海夏季 风爆发的特征，具有一定的普遍性。w a n g 等【7 5 】也曾指出，利用南海区域8 5 0 h p a 的纬向风出现西风来定义季风爆发，不仅简单，而且有很好的表征能力。因此本 文以后的研究均选择梁建茵等1 定义的南海夏季风e t 期。 表2 , 1 各学者确定的南海夏季风建立日期之间的相关系数表( 资料长度为1 9 5 8 1 9 9 8 年) 梁建茵等【7 4 j 依据南海区域8 5 0 h p a 平均纬向风变化来确定南海夏季风建立日 期的，他们认为南海地区8 5 0 h p a 平均纬向风速大于零f 表明西太平洋副高脊大部 分移出南海地区1 ，同时南海地区偏西风主要来源于孟加拉湾南部。当上述两个 条件同时满足并持续5 天以上，且其后连续中断( 南海地区平均纬向风小于零) 天 数不大于前期西南季风出现天数的3 倍，则将满足条件的第一天定为南海夏季风 1 0 第2 章资料与研究方法介绍 建立日。根据此标准图2 1 描绘了1 9 5 8 1 9 9 9 年南海夏季风建立日期的变化( 标 准化) 。从图2 1 可见，南海夏季风建立日期存在明显的年际变化，最早建立于4 月2 2 日爆发，最晚爆发于6 月8 日，平均建立日期为5 月1 9 日，即5 月第4 候，与何金海等1 6 2 l 整理的气候平均意义上的建立日期相同。本文选取4 2 年 ( 1 9 5 8 1 9 9 9 年) 的建立日期资料进行研究。按照梁建茵等【7 4 l 的标准，爆发早年( 早 于5 月1 2 日) 有9 年，爆发晚年( 晚于5 月2 3 日) 则有1 1 年，正常年份共有2 2 年， 说明南海夏季风建立日期满足正态分布原则。 厂、 m入入儿刀 y 。v w 一川 图2 1 1 9 5 8 1 9 9 9 年粱建茵等州定义的南海夏季风建立日期( 标准化) 2 3 研究方法简单介绍 本论文主要是对气象历史资料进行气候统计诊断和分析，在研究中使用到以 下一些研究方法： r 1 ) 相关统计量的计算 相关系数是衡量两个气象要素( 变量) 之间关系的统计量。对任意两个要素变 量也，工。，如果取n 个资料样本，它们的相关系数计算公式为： ”砉薹( 警) ( 孚) p - ， 其中，而分别为变量稚和_ 的标准差。 ( 2 ) 两组样本平均值差异的显著性检验 南海夏季风爆发迟早的诊断和预测研究 该方法用于检验气象要素异常年份与一般年份平均值差异的显著性。设一般 年份有t n 年，特殊年份有n 年，某气象要素在这两个序列中的平均值分别表示为 矿及尹，检验统计量 f 。一f 4 t 2 1 s ( + ) 2 ( 2 2 ) 遵从自由度为n + 坍一2 的t 分布，式中s 2 为它们差值方差的无偏估计量，即： ( 2 3 ) 其中工；和群分别为一般年份和特殊年份中某年的气象要素值。 ( 3 ) 小波分析 小波分析是近年来新发展起来的一种数学方法，9 0 年代以来在大气科学中 的应用也越来越广泛。小波分析具有时频局部化的功能，通过伸缩和平移对函数 和信号进行多尺度分析，能有效的从中提取信息，特别适合用于对非平稳时间序 列的分析。它是在傅立叶分析的基础上发展起来的，与传统的傅立叶分析相比较， 主要具有以下两个优点1 7 6 】：( a ) 给出要素序列的瞬时振动频率随时间变化的情况； ( b ) 可以看出不同频率之问的相互关系，反映出要素序列中不同时间尺度的振荡 此消彼长的变化。由于气象资料本身的缺点，目前在气象上常用连续子波变换， 主要有墨西哥帽( m e x i h a t1 子波和m o r l e t 子波。本文在研究中选取m o r l e t 子波 作为母子波来分析，分析方法参阅文献 7 7 ，7 8 1 。 矿一 扣 + 一mr 一+f 一。 ，f 一 。v 留一 第3 章南海夏季风爆发迟早的前期因子诊断研究 第3 章南海夏季风爆发迟早的前期因子诊断研究 本章将使用第2 章介绍的资料计算南海夏季风逐年建, - re t 期与当年季风爆 发前期各月大气流场( u 、v 、叻、位势高度场、气温场、热带对流和大气热源等 气象要素的相关系数，然后通过分析相关系数分布特征寻找到影响南海夏季风爆 发迟早的关键区域，并定义关键区的气象要素平均值为影响季风爆发迟早的前期 因子。 3 1 南海夏季风爆发迟早与前期各要素场的相关特征 通过第1 章绪论部分的回顾知道关于南海夏季风爆发迟早的研究已经做了 大量工作，并取得许多重要的成果，同时也存在一些不足之处，如孙淑清等j 分析发现冬季风异常与南海夏季风存在很好的相关性，但没有具体指出对季风爆 发迟早有先兆信号意义的影响因子。蓝关东等【6 9 】虽提出了有预测作用的前期因 子，却存在所用资料时间序列较短的问题。对于更长时间的资料序列而言，以上 揭示的事实是否也显著存在? 是否还有其他能够更好征兆南海夏季风爆发迟早 的前期因子。关于前期因子的研究更多的是对季风爆发前期4 月份信号的分析， 在更早的时间是否也存在影响南海夏季风爆发迟早的前期因子? 带着这样一些 问题，本文利用e r a 和n c e p 两套4 2 年长时间序列资料，试图在本章的研究 中找出与南海夏季风爆发迟早具有较好关系的前期因子。 3 1 1 南海夏季风建立迟早与2 月份大气流场的相关特征 利用e r a 槲4 ( 1 9 5 8 1 9 9 9 年) 计算南海夏季风逐年建立日期与2 月份水平流 场( 1 8 个标准气压层) 的相关系数( 图3 1 ) ，发现在赤道印度洋地区建立日期与 8 5 0 h p a 和2 0 0 h p a 气压层纬向风都存在大面积高相关系数区，同样在赤道中太平 洋地( 1 6 0 0 e 一1 6 0 。w ) 也存在类似的显著相关系数分布，只是数值符号正好相反。 分析2 巧月份这种相关系数分布的持续性( 图略) ，发现上述形势一直存在，且赤 南海夏季风爆发迟早的诊断和预测研究 道印度洋地区高低层相关系数正负相反的分布形势从3 月份开始逐渐东移，到5 月份维持在印度洋东部到南海一带。通过分析n c e p 资料，同样发现2 月份赤 道印度洋和太平洋存在显著相关偶极子( 如图3 2 ) 。 图3 1 2 月份8 5 0 h p a 和2 0 0 h p a 的u 、v 风场( e r a ) 与建立日期相关系数分布图 阴影区为建立日期与u 分量相关系数超过9 5 信度水平的显著相关区 实线所围区域为建立日期与v 分量相关系数超过9 5 信度水平的显著相关区 分析其他气压层水平流场与建立日期相关系数分布( 图哟，结果表明对流层 低层( 1 0 0 0 h p a 7 0 0 h p a ) 具有与8 5 0 h p a 气压层相似的分布特征，而高层 ( 2 0 0 h p a l o o h p a ) 贝l j 具有类似于2 0 0 h p a 气压层的相关系数分布特征，说明u 分量 与建立日期的显著相关分布十分深厚，根据这一显著相关分布特征定义因子n 。 分析发现，图3 1 a 和图3 1 b 在澳大利亚东南面海洋附近都有两个对显著相 第3 章南海夏季风爆发迟早的前期因子诊断研究 关偶极子对，一对是u 分量与建立日期的显著相关区，呈南北分布；另一对v 分量与建立日期的显著相关区，为东西向分布。与赤道地区高低层相反的显著相 关系数斜压分布不同