（气象学专业论文）qbo对南海夏季风爆发日期和强度的影响.pdf

l l i q b o 对南海夏季风 爆发日期和强度的影响 大气科学系 硕士生：梁维亮 导师：简茂球教授 【摘要】 大气是一个统一的整体，各层之间存在相互作用。平流层准两年振荡( q b o ) 有可能通 过一些中间过程，对对流层的南海夏季风系统产生影响。本文运用1 9 7 9 2 0 0 1 年n c e p 、e c m w f 再分析资料，分析了q b o 对南海夏季风建立时间和强度的影响及其物理机制。经小波分析， 确定q b o 的周期约2 7 个月。通过e o f 分析考察了q b o 向下传播的时空变化特征，时间系数 反映的周期与小波分析一致。q b o 位相与南海夏季风爆发时间及强度有很好的对应关系：超 前南海夏季风爆发约1 8 个月的q b o 西( 东) 风位相对应了季风爆发时间偏早( 晚) ；超前南 海夏季风爆发约7 个月的q b o 东( 西) 风位相对应了季风强度偏强( 弱) 。q b o 位相极值在 3 0 h p a 出现后，经过1 0 个月下传到对流层顶，在其后几个月里以对流层内的过程为媒介， 对南海夏季风系统产生影响。为分析q b o 引起的对流层的变化，按季风爆发早晚和q b o 位相 分别合成了平流层和对流层的风场、对流层顶风切变、对流层顶气压和温度、o l r 和s s t 。 通过分析上述参数的时空分布特征，发现在热带东印度洋和南海南侧，对流层顶风切变和高 度的变化发生在o l r 的变化之前，o l r 的变化又先于s s t 的变化，s s t 的变化最终会导致低 层风场的变化。 最后，探讨了q b o 影响南海夏季风的物理机制。结果表明：季风爆发前1 8 个月，3 0 h p a q b o 西风位相出现，1 0 个月后下传到平流层底部，使对流层顶高度增加、风切变偏小，有利 于对流发展。在往后4 个月内，云量的增加阻挡了更多的入射太阳辐射，导致季风爆发前赤 道东印度洋和南海南侧的s s t 降低，增大了海陆之间的温度梯度，有利于南海夏季风爆发早 和强度强。相反，q b o 东风位相则有利于南海夏季风爆发晚和强度弱。 【关键词】q b o 南海夏季风爆发时间强度对流温度梯度 i v t h ei m p a c to fq b oo nt h eo n s e ta n di n t e n s i t y o fs o u t hc h i n as e as u m m e rm o n s o o n d e p t o f a t m o s p h e r i cs c i e n c e n a m e ：l i a n gw e i l i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f j i a nm a o q i u i a b s t r a c t l ap o s s i b l em e c h a n i s mb yw h i c ht h eq u a s i - b i a n n u a lo s c i l l a t i o n ( q b o ) i nt h es t r a t o s p h e r ei m p a c t s o nt h es o u t hc h i n as e as u m m e rm o n s o o n ( s c s s m ) i se x a m i n e di nt h i sp a p e r 谢t l lt h en c e pa n d e c m w fd a t a t h ep e r i o do fq b oe x a m i n e db yw a v e l e ta n a l y s i si sa b o u t2 7m o n t h s h o wt h e q b op a s sd o w ni sd e t e c t e db ye o fa n a l y s i s t h e r ei sas i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e n q b oz o n a lw i n da n do n s e to fm o n s o o nw h e nz o n a lw i n dl e a d sm o n s o o no n s e ta b o u t18m o n t h s a n df o rt h ei n t e n s i t yo fs c s s m ，t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti sn e g a t i v ew h e nz o n a lw i n do fq b o i s7m o n t h sl e a d i n g t h ei m p a c ta p p r o a c h e st h et r o p o p a u s e10m o n t h sl a t e ra f t e rt h a tq b ow e s t ( e a s t ) w i n dp h a s ea c h i e v ei t se x t r e m u ma t3 0 h p a a n di nt h ef o l l o w i n gm o n t h s ，q b oi m p a c t st h e m o n s o o n ，v i as o m ep r o c e s s e sw i t h i nt r o p o s p h e r e b a s e do nt h ec o m p o s i t ea n a l y s i so nt h ew i n d ， w i n ds h e a r p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r eo ft r o p o p a u s e ，o l ra n ds s tf o rt h ee a r l i e r ( 1 a t 哪o n s e t c a s e so fs c s s ma n dt h eq b ow e s t ( e a s t ) - w i n dp h a s ec a s e sr e s p e c t i v e l y , i ti sf o u n dt h a ti nt h e t r o p i c a le a s t e r ni n d i a no c e a na n dt ot h es o u t ho fs o u t hc h i n as e a w i n ds h e a r ，p r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r ea tt r o p o p a u s ec h a n g e sp r i o rt oo l r c h a n g e so fo l rl e a dt ot h ec h a n g e so fs s t w h i c ht h e nl e a dt ot h ec h a n g e so fw i n da tl o wt r o p o s p h e r e a tl a s t ，t h em e c h a n i s mi sd i s c u s s e d i ft h e r ee x i s t sq b ow e s tp h a s ea t3 0 h p a18m o n t h sp r i o r t ot h eo n s e to fs c s s m ，t h et r o p o p a u s ew i l lb e c o m eh i g h e ra n dt h ez o n a lw i n ds h e a rw i l lb e c o m e w e a k e rw h e nq b ow e s t - w i n dp h a s ep a s sd o w nt ot h el o ws t r a t o s p h e r e1 0m o n t h sl a t e r i nt h i s c a s e ，c o n v e c t i o nc a nb ed e e p e ri nt h ef o l l o w i n g4m o n t h s t h e r ew i l lb et h i c k e ra n dm o r em a s so f c l o u d s a sar e s u l t ，t h er a d i a t i o nt h a tr e a c hs u r f a c ew i l lb ew e a k e r i tm a k e st h et r o p i c a ls s t b e c o m ec o o l e r s o ，s t r o n g e rt e m p e r a t u r eg r a d i e n tl e a d st oe a r l i e ra n ds t r o n g e rs c s s m q b o e a s t w i n dp h a s ea f f e c t ss c s s m r e v e r s e l y 【k e y w o r d 】q b o ，s o u t hc h i n as e as u m m e rm o n s o o n ，o n s e t , i n t e n s i t y , c o n v e c t i o n ， t e m p e r a t u r eg r a d i e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本论文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 洳8 年6 只7e t 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 导师签名： 耥 幽g 年月7 日 乃旅球 列龆年月7 日 第1 章引言 在十九世纪六十年代，人们就已经发现了平流层赤道区域纬向风存在东、西 风周期性交替并向下传播的现象( r e e dr qc ta 1 1 9 6 1 年) 。后来，人们根据这 种现象的准两年周期( 约2 6 3 0 个月) ，将其命名为q u a s i b i e n n i a lo s c i l l a t i o n ( q b o ) 。 1 9 6 8 年，h o l t o n 和l i n d z c n 首次通过动力学方法提出了q b o 的产生及传播 机制垂直传播的行星波与平均气流的相互作用，即混合r o s s b y - - 重力内波 携带西风动量、k e l v i n 波携带东风动量周期性交替上传，使赤道平流层出现东、 西风的周期性交替。1 9 7 2 年，他们进一步完善了这个理论，使其成为被人们普 遍接受的q b o 产生及传播机制。根据他们的模拟结果，q b o 在2 2 5 k m - - 3 7 5 k m 两个高度之间可以几乎无衰减地向下传播，但在2 2 5 k m 高度以下则迅速地衰减。 q b o 的一个位相从3 7 5 k m 下传到2 2 5 k m 高度大约需要1 年的时间，平均下传 速度大约为l k m 月。这个结果再一次证实了q b o 的准两年周期。 最近的一些工作表明：平流层q b o 对对流层的系统有显著的相互作用。 e n s o 可以使q b o 西风位相缩短5 0 ，q b o 东( 西) 风位相时西太平洋副高强 度偏强( 弱) ，西风带强度的t b o 与q b o 有很好的对应关系( 李崇银等，1 9 9 0 年，1 9 9 2 年，1 9 9 7 年) 。陈文等( 2 0 0 4 年) 研究了q b o 对北半球冬季环流的影 响，发现q b o 东( 西) 风位相时对流层西风急流和极涡都减弱( 加强) 。可见 q b o 与对流层的环流系统存在着密切的联系。 南海夏季风是对流层环流研究领域中的热点问题。二十世纪九十年代的 s c s m e x 试验取得了重要成果。之后，关于南海夏季风的各种指数逐渐被提出 并得到承认( 何金海等，2 0 0 1 年6 月) 。由于侧重点不同，各种指数定义的南 海夏季风爆发时间和强度有所不同，但它们都能从某个或某几个方面很好地描述 南海夏季风的特征。同时，多种指数的并存也从一个侧面反映了南海夏季风的复 杂性及其影响因子的多样性。尽管各种指数的定义有差别，但它们定义出的南海 夏季风爆发时间在气候平均上一致，为5 月第4 候，而且定义出的逐年爆发时间 在大多数年份中也一致，只有少数年存在差别。同样，它们定义的南海夏季风强 度指数反映的各年季风强弱也是一致的。 南海夏季风对我国重大意义在于它从孟加拉湾和南海海区向我国华南、华东 地区输送了大量的水气，对华南降水产生直接影响。因此，南海夏季风爆发的时 间和季风的强度受到人们格外的关注。 南海夏季风作为亚澳季风系统的一部分，与q b o 之间存在相互作用的可能 性非常大。实际上，q b o 对热带对流云的高度有显著的影响( c o l l i m o r ee ta 1 2 0 0 3 ) ，而对流强度常被看作南海夏季风的重要参数。对流云的变化还可能造成 入射太阳辐射的变化，下垫面加热不均匀可能导致海陆温差的变化，这也有可能 对低层的环流产生影响。郑彬等( 2 0 0 7 年) 认为，q b o 可以在平流层激发出异 常的经向环流，并且异常环流能跟随q b o 下传，到达平流层底部时可以在对流 层激发出反向的异常经向环流。如果这个异常经向环流出现在南海夏季风期，就 可能对季风的强度有加强或削弱的作用( 郑彬等，2 0 0 7 ) 。 本文的目的是运用n c e p 和e c m w f 再分析资料，通过统计诊断分析的方 法，针对q b o 对南海夏季风的影响做深入讨论。首先，第2 章研究了q b o 的 位置和变化过程，通过小波分析和e o f 分析进一步了解q b o 的周期及时空变化 特征。第3 章计算q b o 和南海夏季风爆发时间的超前滞后相关，并在相关系数 的指引下合成风场、o l r 、s s t ，通过三者的时空关系，提出了q b o 对爆发时 间的影响机制。第4 章用与第3 章类似的方法，分析q b o 对南海夏季风强度的 影响。最后，第5 章对全文做小结，简单地总结了q b o 对南海夏季风的影响， 并且对某些有待研究的问题稍作讨论。 本文所用资料有：1 ) 1 9 7 9 - - - 2 0 0 6 年n c e p 候平均和月平均风场，2 5 。2 5 。，1 7 层；2 ) 1 9 7 9 2 0 0 1 年n c e p 月平均o l r ，2 5 。2 5 。；3 ) 1 9 7 9 2 0 0 1 年n c e p 月平均s s t ，2 。2 。；4 ) n c e p 月平均对流层顶位势高度、温度， 2 5 。2 5 。；5 ) 1 9 7 9 - - 一2 0 0 1 年e c m w f 候平均和月平均风场2 5 。2 5 。， 1 8 层；6 ) 1 9 7 9 - - 一2 0 0 1 年e c m w f 月平均p 一垂直速度、位势高度、温度，2 5 。2 5 。，1 8 层。 第2 章q b 0 的变化特征 2 1 q a o 的观测事实 在赤道低平流层，纬向风( 以下简称u 风) 以东风占优势( 吴洪宝等，2 0 0 0 年) 。q b o 实际上可以看作是叠加在东风背景上的振荡。如果按实际风向划分 q b o 位相，那么处于东风位相的时间就明显多于西风位相，而且东风的振幅明 显大于西风的振幅。位相持续时间和振幅不一致，会给研究周期性振荡带来很多 困难。为了克服这个缺陷，将月平均的实际u 风减去相应月的多年平均。这样得 到的u 风距平就除去了背景东风和季节循环的影响。下文给出的q b o 变化特征 中，如无特别说明，u 风即是指按上述方法计算的u 风距平。 2 1 1纬向特征 q b o 位相转换的时间在不同地区是不一致的，但转换最早和最晚的时间大 约只相隔一个月( 李崇银，1 9 9 0 ) 。相比q b o 本身较长的周期，可以认为q b o 的位相转换有很好的纬向一致性。选取赤道上3 0 h p au 风作经度一时间剖面( 图 2 1 ) ，发现尽管东、西风转换的时间以及强度随经度略有变化，但大体上还是 体现出纬向一致的特征。 2 1 2下传特征 q b o 有明显的下传特征( 图2 2 ) 。风速从1 0 h p a 高度开始下传，到达1 0 0 h p a 以后不再下传( l i n d z e n ，1 9 6 8 ) 。在平流层高层，东风位相持续时间比西方位相 稍长，低层则相反。在平流层底部，周期变化变得相对不明显。u 风风速距平的 极值出现在2 0 - - 一3 0 h p a 左右，大小约2 0 m s 。在这个高度，东、西风位相的持续 时间大致相等。选择这个高度的纬向风距平作为划分q b o 位相的标准，比较有 合理性。 4 1 9 7 9 1 9 8 0 1 9 8 1 19 8 2 1 9 8 3 19 8 4 1 9 8 5 19 8 6 19 8 7 1 9 8 8 1 9 8 9 19 9 0 19 9 1 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 06 0 e1 2 0 e1 8 012 0 w6 0 w006 0 e12 0 e1 8 012 0 w6 0 w0 图2 11 9 7 9 2 0 0 6 年赤道3 0 h p au 风风速的经度一时问剖面( 单位：m s ) 5 1 u ，、 o q-20 t - - 、 l c ，) a ) l o l q ) l 3 l q - 。、 o 凸- c - - 、 l l 正 5 0 7 0 1 0 0 1 1 0 5 0 7 0 1 0 0 1 1 0 ，。、 o 凸- 2 0 c - - l n ) l 凸- 3 0 5 0 7 0 1 0 0 2 图2 21 9 7 9 2 0 0 6 年赤道平流层u 风风速的等压面一时间剖面( 取纬圈平均，单位：m s ) 一。兰 一6 2 1 3周期特征 前面分析显示q b o 有很好的纬向性，最大振幅在2 0 - - - 3 0 h p a 附近。因此取 赤道上空纬圈平均的3 0 h p au 风风速序列( n c e p 月、 ，均资料，1 9 7 9 2 0 0 6 年) 做小波分析。 图2 3 显示q b o 的周期约2 8 个月，周期本身有年代际振荡。总体上看，q b o 周期在2 6 3 ( ) 个月之i h j ，与功率谱分析得到的显著周期一致。 1 0 岔0 基。1 0 3 2 0 a u t i m e ( m o n t h ) b 。w a v e l e tp o w e rs p e c t r u m 2 4 仁 笮8 o e1 6 翟 3 2 “4 甚 6 4 乱 1 2 8 2 5 03 01 1 5 02 2 5 0黜 t i m e ( m o n t h ) m o d 墩6 0 0 t c - a l ( 辎溻毋目椭g 蛘舸哆 唾 c g i o b a lw a v e f 建 弋 0 1 1 1 01 铲1 0 31 扩 v a r i a n c e ( n v s ) 2 蝴w r e s c w r c h s y s t e m s , c o r n 图2 3 赤道3 0 h p au 风的小波分析，( a ) 为u 风时间序列，取纬圈平均；( b ) 为小 波模，黑色曲线表示通过显著水平0 0 1 的红噪音检验：( c ) 实线为功率谱分析，虚线为显 著水平0 0 1 的显著性检验线( h t t p ：i o n r e s e a r c h s y s t e m s c o m i o n s c r i p t w a v e l e t ) 2 2 平流层纬向风的e o f 分析 2 2 1赤道垂直面上的e o f 分析 1 9 7 9 - - - 2 0 0 6 年n c e p 月平均u 风做e o f 分析，取赤道上每层1 4 4 格点( i h j 隔2 5 。) ，1 0 0 h p a 、7 0 h p a 、5 0 h p a 、3 0 h p a 、2 0 h p a 、1 0 h p a 共6 层。 第一模态方羞负献6 4 2 ，第二模态方差负献2 7 8 。日订两个模念累积方差 达到9 2 。第一模态高低层符号相反，上负下i 卜，零线在5 0 h p a 左右，高层负 值的绝对值较大，极值在2 0 h p a 附近，低层f 值的绝对值相对小一个量级( 图2 - - 4 ) 。第二模态也是高低层符号相反，上_ _ 】_ f 下负，负值极值| 又= 在3 0 - - - 5 0 h p a 附近， f 日是f 负值的绝对值大小相近，零线在2 0 h p a 以上的高度上。这两个模态实际上 足反映了q b o 纬向风分别在平流层低层上、卜郝的变化中心。 两个模态时问系数的周期相近，经小波分析得到其周期约2 8 个月( 图2 5 ， 幽2 6 ) 。两者的位相相差约四分之个q b o 周期，其中第模态时阳j 系数超 前笫二模态相关系数7 个月时两者相关最湿著，相关系数达到0 8 5 ( n - 略) 。 ( a )( b ) 。圈零翳露震 三兰，三醚釜 图2 5 第一、第一模态的时问系数( 实线，第一模态；虚线，第二模态) ( b ) 2 w 甜蝴懒m 4 8 1 6 3 2 6 4 1 2 8 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 。o05 01 0 01 5 02 ) o2 5 03 0 0 l i m e ( m o n t h ) t u n e ( m 0 l t h ) 图2 6 第一模态时问系数( a ) 和第二模态时问系数( b ) 的小波分析，黑色曲线表示 通过显著水平o 0 l 的红噪音检验( h t t p ：i o n r e s e a r c h s y s t e m s c o m i o n s c r i p t w a v e l e t ) 模念t i 办差贡献的分斫j ( 图2 7 ) 说明：第一模态在2 0 h p a 附近起主要作 用；第一：模态在5 0 h p a 附近起主要作用。模念点方差贞献指某模念的还原场各空 间点时f n j 序列方筹，叶陔空间点原始时间序列方差的西分比。牛h 比般的模念方差 贡献，点方筹贡献j + 以更细致地描述各模态方差贡献的空1 1 i j 分斫i ( 简茂球等， 2 0 0 6 年) 。结合时| u j i 系数的超前滞后相关，第一模态首先在高层发生变化，7 个 月后第二模念在低层发生变化。这个先后火系反映了q b o 的从上往下传播的特 征。 ( b ) 淤秒”够 、一o ，or 、一 = 五，= 二磊塞= = o 以 1 l豳 蕊豳 幽豳留翰绷 鞠霹嘲目目目目m豳 塑 第一、二模态的还原场相加后，在赤道l ：取纬圈平均，然后作高度一时问剖 而( 图2 8 ) 并与原来的再分析风场( 图2 - - 2 ) 作比较，周期特征和下传特征 非常地相近。还原场显得更加规律，尤其是在1 0 0 h p a 上出现了q b o 剧期变化。 在统计方法卜，将 j 仃两个模态还原并相加，实际目当于从原米的风场中滤去了 其他周期的变化及噪音的影响，使得q b o 的特征表现得更清楚。事实上，其他 模态的方差贞献都很小，而l l 它们的时i h j 系数并不存在明湿的周期( 幽略) 。 j | | | | j | | | | | | | | | | | | |0 0 一1 f ) 一 1 u ， o 乱2 0 c d ) l 3 f k q 3 , l 乱 d ) l 3 l 皿 3 0 5 0 7 0 1 0 0 1 1 0 5 0 7 0 1 0 0 1 1 ( ，、 o 凸一 2 ( 、 q s , l 3 l n ，。、 o 凸- f - - 、 q ) l l 乱 5 ( 7 ( 1 0 l 1 9 8 619 8 71 9 8 81 9 8 91 9 9 01 9 9 11 9 9 2 9 9 31 9 9 41 9 9 5 19 9 6 1 9 9 71 9 9 81 9 9 9 图2 8 笫一、第二模态还原场相加后的高度一时问剖面( 赤道上取纬圈平均) 一。兰 2 2 2多层结合的扩展e o f 分析 将多个要素场的数据首尾依次相接，看成同一个要素场来做e o f 分析，得到 的结果再按原顺序拆分还原成多个要素场，这就是扩展e o f 分析。这样做的好处 是不同的要素场可以有相同的时间系数，便于研究几个要素场共同变化的特征。 1 9 7 9 - - 2 0 0 6 年n c e p 月平均资料，在3 0 。s 一3 0 。n 之间的热带区域取5 。 5 。网格( 即7 2 1 3 个格点) ，7 0 h p a 、5 0 h p a 、3 0 h p a 、2 0 h p a 四层u 风。按扩 展e o f 的方法将四层的风场组合成7 2 1 3 4 个格点的空间场，并对这个空间场 的时间序列做e o f 分析。 用这种方法所得到的第一、第二模态在赤道上的剖面与前文中赤道垂直面上 的e o f 分析中对应模态相近( 图略) ，不再重复介绍。下面只分析多层综合起来 分析所得到的后者没有反映的其他一些特征。 第一模态( 图2 9 ) 2 0 h p a 、3 0 h p a 上仍以纬向一致为主，但值得注意的地 方是在2 0 h p a 上9 0 。w 附近、3 0 h p a 上1 2 0 。w 附近两个区域负值的绝对值较小， 而在5 0 h p a 上1 5 0 。附近、7 0 h p a 上1 8 0 。附近出现了正值中心。上述四个区域 由高到低按自东向西的顺序排列，体现出斜压的特征。同样的特征在o 。经线附 近也有出现，但相对来说不太明显。 第二模态( 图2 1 0 ) 同样具有斜压特征，斜压区的位置与第一模态相同。 不同的是第二模态大致上符号与第一模态相反。在2 0 h p a 上赤道区域是正值区， 而在低层则变成负值区。 第一模态方差贡献6 7 2 ，第二模态方差贡献1 6 1 ，前两个模态累积方差 贡献8 3 3 。相比只在赤道垂直面上做的e o f 分析，方差贡献较有所减小。通 过两者的比较不难发现：尽管两者方差贡献不同，但在热带平流层u 风场最显著 的变化仍然是q b o 变化。这一点可以从第一、第二模态在2 0 h p a 和3 0 h p a 上分 布的纬向一致性，以及它们对应的时间系数的准两年周期得到证实。至于后者前 两个模态的累积方差贡献有所减小，主要是由于后者的分析过程中包含了赤道以 外区域的其他变化，使得q b o 变化对整个e o f 分析的影响稍有减小。 一1 2 3 0 n 2 0 n 星1 o n e o 昌1 o s 2 0 s 3 0 s 3 0 n 2 0 n 星1 o n e 0 n o 1o s 2 0 s 3 0 s 3 0 n 2 0 n 星1 o n e o 昌1 o s 2 0 s 3 0 s 3 0 n 2 0 n 星1 o n ce o 2 1o s 2 0 s 3 0 s 3 0 n 2 0 n 星1 o n e o n o 1o s 2 0 s 3 0 s 3 0 n 2 0 n 星1 o n e o 曷1 o s 2 0 s 3 0 s 3 0 n 2 0 n 星1 o n e 0 o 10 s 2 0 s 3 0 s 3 0 n 2 0 n 星1 o n e 0 黑1 o s 2 0 s 3 0 s 06 0 e12 0 e1 8 012 0 w6 0 wo 06 0 12 0 e1 8 012 0 w6 0 wo 图2 9 四层u 风的扩展e o f 分析第一模态 06 0 e12 0 e 1 8 0 12 0 w 6 0 wo 06 0 e12 0 e1 8 01 2 0 w6 0 w0 0 6 0 e 12 0 e18 0 12 0 w6 0 w 图2 一1 0四层u 风的扩展e o f 分析第_ 模态 0 图2 1 1 是扩展e o f 第一、第二模态的时间系数。时间系数的周期大致与赤 道垂直面上e o f 的结果相似，不再深入分析。 图2 一1 1 扩展e o f 分析的时间系数，实线为第一模态，虚线为第二模态 2 2 3时间延迟e o f 分析 借鉴扩展e o f 的思路，将一个经纬度上n 层t 个时刻的数据按时间顺序排 列，看成一个n x t 格点的空间场。然后将起始时刻向后推一个时刻做同样的排 列，这样就得到了空间场的时间序列( f r a e d r i c hk c ta 1 ，1 9 9 3 ) 。对平流层u 风 做这样的处理以后做e o f 分析，可以更清晰地反映出q b o 的下传过程，以及下 传过程随时间的变化。 19 7 9 - - 一2 0 0 6 年n c e p 月平均再分析数据，赤道上10 0 h p a 、7 0 h p a 、5 0 h p a 、 3 0 h p a 、2 0 h p a 、1 0 h p a 共6 层u 风，取纬圈平均，延迟时刻数t - 3 0 ，做时间延 迟后得到共3 0 7 个时刻3 0 6 个格点的“空间场 。 第一、第二模态的分布( 图2 1 2 ) 更清楚地反映了u 风风速下传的特征。 其中第一模态和第二模态的方差贡献分别是4 0 6 和3 8 5 ，累积方差贡献7 9 1 ( 其余模态方差贡献均在3 5 以下，图略) 。前两个模态的方差贡献相当，在 q b o 变化中的作用同样重要。从时间系数( 图2 1 3 ) 上看两者相差1 4 周期， 但是两模态只是反映了u 风的下传状态，本身不存在先后或因果关系。两者的振 幅在随时间变化的同时几乎保持一致。q b o 位相从1 0 h p a 下传到1 0 0 h p a 大约需 要1 2 个月，下传速度大约l k m 月。 一二生 o 皿 、- 3 c ，) l o l ， ( a ) o o - 、 o ， l 乱 n 0 2 0 ( b ) 、 、 2 - - 1 3 第一模态的时问系数( 实线) 和第二模态的时间系数( 虚线) 2 3 小结 鬣 加 _ 寸 n出吖1 。曲 倡旧 态 ：瞻模 。m 舡 n 和 加 伽 黔 一 第的 _ 墨盯”ro 、m 迟 d e 2 ) c l 一赫腿旧叫时 ：吣 忆 e 一 。 9 n 2 n 图 。，。，0_ 州删 ，矗、l 州抖一飞m夺一 约匕懿驻刚 孵妣 叫碟虾 周 黜 q 萨 p ) 尖 k 舢 卿觥扩姒 ， 0 h 弱 列 ( 一一嬲一 在体叶汐映 嘶刖 ，一一乃 妯 三三 念 卜 。 也 值梃峨揲蒯 。 咖霎_燃一砒 榭啪郾 州 ，聃 、 系 甄 澎妣牡懈删一蝴 致崂：差缈烈挞向析乳m扑下 扛f八川 侉 则纠错分埘 一， m 到 掰游州 肭!莶洲唧蝌州 一蛳撇埘蝴揪 村酋丢多的 棚避剧纯蕈肭 o 。在征片 卅 唧佩一惭舯一 第3 章0 8 0 对南海夏季风爆发日期的影响 3 1 南海夏季风爆发时间的定义 贺海晏等( 2 0 0 0 年) 考虑南海夏季风的动力特征，通过高低层风场和高度 场定义了南海夏季风的爆发指数，并且用n c e p 再分析数据计算了1 9 5 0 - - 1 9 9 8 年的爆发时间( 图3 1 ) 。南海区域定义为1 0 5 。 - - 1 2 0 。e ， 5 。 - - 2 0 。n 。 风场指数： 1 w = i v v s v s i ( u s o ，u 2 0 ； 1 w n = 知，1 w 0 ，且紧随j 下值候首候的间断( 1 w n 、 a e 0 c ( 3 o e 卜 l a g - t i m e ( m o n t h ) 图3 1 5 对流层顶温度压距平在q b o 不同位相下合成后的差，其余同图3 一1 4 3 4 4o l r 和s s t 综合前面两小节的内容，q b o 西风位相下传后导致平流层底和对流层顶的 风切变增大，同时引起对流层顶的高度增加。其中前者扰乱了对流系统的维持和 发展，对对流有抑制作用；后者则为对流提供了更多的发展空间，有利于对流往 更高处发展。q b o 西风位相极值出现以后约1 2 个月，对流层顶的风切变已经减 小，这时的弱风切变又是有利于对流发展的。因此在分析对流时，需要考虑风切 变变化和对流层顶高度变化两种作用的净效果，也就是在这两种作用同时影响下 对流的实际状况。 对流强度的变化直接反映在对流云高度和覆盖范围的变化上。对流的加强、 云顶的增高往往伴随着云量的增加和覆盖面积的扩大。云的厚度和范围，则很大 程度上可以决定下垫面接收入射太阳辐射的多少，进而对下垫面( 包括陆地和海 洋) 温度产生重大影响。下面分别计算q b o 不同位相下赤道区域o l r 及s s t 的变化，将两者作对比，分析两者的差别。 按q b o 位相分类讨论之前，首先要做一个准备工作，必须考察o l r 和s s t 的联系，然后才能为解释q b o 和s s t 的关系提供依据。因为本文的最终目的是 讨论q b o 与南海夏季风的关系。为了使分析更有针对性，这里只选择赤道东印 度洋及南海南侧( 8 0 。 - - 1 2 0 。e ，1 0 。s - - - - 1 0 。n ) 这些与南海夏季风有直接关系 的海区来讨论。 o l r 和s s t 都在上述区域取平均，再减去对应月平均以消除季节变化，然 后各月份的o l r 与延迟1 1 2 个月的s s t 分别计算相关系数。从图3 一1 6 中可 以清楚地看到几乎全年的o l r 都会对s s t 产生显著的影响，但不同月份的o l r 对应的s s t 延迟时间不相同。 最值得关注的是9 1 2 月间的o l r 对s s t 的影响。q b o 的影响从3 0 h p a 下传到平流层底大约需要1 0 个月时间。所以，到3 0 h p a 出现q b o 西风或东风 位相极值的第二年9 月，对流层顶就应该会出现对q b o 变化的响应。对于9 1 2 月份，o l r 与之后3 1 0 个月的s s t 存在显著的正相关。o l r 减小则3 个月 以后s s t a 降低，o l r 增大则3 个月以后s s t 升高，o l r 对s s t 的影响可以维 持半年以上。 1 9 7 9 2 0 0 1 年n c e p 月甲均o l r 和s s t ，减之刈应月的平均以消除季1 了变 化，然后根掘q b o 的位相做合成。图3 1 7 给出了q b o 位相极值山现次年9 1 2 月的o l r 以及延迟4 个月的s s t 在西风、东风位相下分别合成后的芹。 从9 月丌始，赤道东印度洋和南海南侧( 图3 1 7 中方框所i ：翻区域) 的o l r 筹值为负值。说明从q b o 西风( 东风) 位相卜传到平流层底，1 ：始，这个区域的 云罩明显地增加( 减少) 。其后，这个区域中o l r 的负差值一商维持了4 个月。 对应地，该区域的s s t 次年1 4 月问都是负的差值，即西风( 东风) 位相影响 f 的s s t 偏低( 高) 。s s t 变化比o l r 晚4 个月，主要原冈是海洋只自比较人 的热惯性，入射太阳辐射的作，l j 住4 个月之后才表现出来。 l - - 5 月东印度洋f8 0 。j ( ) 0 。f ，0 。10 。n ) 的s s t j 当年南海夏季风 爆发时| 、白j 存在显著正相关，并日全部通过9 9 的信度检验( 戴念笮等，2 0 0 0 年) 。合成分析的结果1 j 相关系数的结果一敛，说明q b o 通过s s t 影f 1 向了季风 爆发时问。 o l r1 ) er s s t2 a dr _ 。 i ，t ， j 毫： - j j 。 ：0 ：。f 1 型渗j t 。j， ，? 1 _ “，曩爹一 ：? 。，。7 ， 。譬，- - 。 j ：、 一一1 ，! n i ： ， 蠢、。7 ，ri ? 荔 ， ”。f 面面葡f 证1 而 1 ? 7 m f 、4 c j _ f ”、石了f 并了_ 焉f 焉i = 了i 可万瓦下。 图3 1 7 合成的9 1 2 月o l r ( 左) 及延迟4 个月的s s t ( 右) 在西风、东风位相 下的差值( 西风位相一东风位相) ，月份前的数字表示该月份所属q b o 盛期出现后的第几 年，实线方框表示赤道东印度洋和南海南侧的范h 爿( 8 0 。1 2 0 。e ，1 0 。s 1 0 。n ) 另外，从s s t 的筹值巾可以发现，两从i 化相影响下热带两太j 产洋的s s t 是 偏高的，与办道东印度 ts s t 偏低共同作口时，就i f j 能产生个东印度洋下沉， 西人下洋f ：丌，高层东北风，f 、层西南肛l 的片常热力环流。显然这个异常热力环 流l i i 是有利于季风早爆发的。但是，q b o 两肛l 位相是如何造成两太! f 洋s s t 偏 高的，原因可能与该地区处于西太平洋副高区，海温受副高活动或者e n s o 的 , v 髟- 1 1 h 7 有关。这有待刘f ：一步研究。 、鬻一 熊一 生攥藩塑蠢 斓y囊一藉一纛 弋 ，磐强4誓叫霉 3 5 q b o 影响南海夏季风爆发时间的物理机制 综合本章的内容，我们已经可以比较清楚地了解q b o 影响南海夏季风爆发 时间所经历的几个过程。以西风位相为例( 东风位相相反) ，具体过程如下： 季风爆发前两年的1 1 月，即季风爆发前1 8 个月，若3 0 h p a 等压面上出现 q b o 西风位相极值，那么它就可以对南海夏季风的爆发时间产生影响； 季风爆发前一年的9 月，q b o 西风位相经过约1 0 个月时间下传到平流层底， 此时3 0 h p a 上已经转换到东风位相。这样的纬向风配置使对流层顶的高度增加， 有利于对流的发展；季风爆发前一年的1 1 月，此前对流层顶较强的风切变已经 减弱，对对流发展也有一定的积极作用。 季风爆发前一年的9 - 1 2 月，由于这段时间内对流层项高度增加以及后期风 切变减小，赤道东印度洋和南海南侧的区域的云量偏多，o l r 异常减小。增加 的云量阻挡了更多的入射太阳辐射； 季风爆发当年的1 - 4 月，由于太阳辐射的减少，赤道东印度洋和南海南侧 的s s t 降低。这就增大了海陆温度梯度，最终导致季风爆发时间偏早。 图3 1 8 简化地给出了整个影响过程的物理机制。 约1 0 个月约1 2 个月 登鎏璧翼，陂艇、l 对流层顶 囊嫠升童! 嬖篓：i 菇芴萎豢小( 增大) 髯常e 升( 下沉)l ”j 嘲1 。、咽、7 对流加强( 减弱) 云基偏多( 偏少) 持续4 个月 约4 个月 入射太阳辐射减少( 增多) 图3 一1 8q b o 影响季风爆发时间的物理机制 3 6 小结 本章按照贺海晏等的定义重新计算了南海夏季风爆发时间及其标准化距平， 划分了季风爆发早年和晚年。季风爆发时间与根据季风爆发早、晚年合成的平流 层u 风有很好对应关系：季风爆发早( 晚) 对应着1 8 个月前2 0 - 3 0 h p a 的西( 东) 风。 相关系数表明，季风爆发前1 8 个月的赤道3 0 h p au 风与季风爆发时间有显 著的负相关。从相反的角度，按季风爆发前1 8 个月的q b o 位相合成了直到季 风爆发时各月的风场、风切变、对流层项气压和温度、o l r 和s s t 。从中发现 了季风爆发1 8 个月的q b o 位相影响季风爆发时间的过程和物理机制，即q b o 位相通过影响对流层顶的风切变和对流层顶高度，影响了热带对流和云量，进而 通过调节太阳入射辐射来改变s s t ，最终导致海陆温度梯度的变化，影响了季风 爆发时间。 第4 章0 8 0 对南海夏季风强度的影响 第3 章分析了q b o 对南海夏季风爆发时间的影响，其中强调了q b o 造成 的海陆温度梯度的异常。季风爆发后，海陆温度梯度的异常同样会对季风强度产 生影响。西风位相下传后造成海温偏低，这就可能激发出一个在东印度洋和南海 南侧的热带区域下沉、在亚洲大陆上升的异常热力环流。其低层的偏南风在地转 作用下偏转为西南风，对南海夏季风强度起加强的作用。相反，东风位相对南海 夏季强度起削弱作用。 4 1 南海夏季风强度的定义 根据谢安等的定义( 2 0 0 1 年) ，从