任菊章 琚建华 米瑞芝 段长春 陶云

(1 云南省气象科学研究所，昆明 650034；2 云南省气象台，昆明 650034)

引 言

亚洲季风是全球最典型最强的季风系统，亚洲季风系统由南亚季风和东亚季风两个子系统组成，东亚季风又划分为南海季风(热带季风)和副热带季风，在我国也常称亚洲夏季风为西南季风，因为南海季风和南亚季风经向分量和纬向分量同样重要[1]。亚洲夏季风从太平洋或印度洋携带大量水汽进入我国并形成降水[2-3]，夏季两支季风在东亚地区交汇，水汽随夏季风进入我国内陆[4]，太平洋水汽影响边界基本位于印度洋和太平洋的地理分界线，而印度洋水汽影响边界在太平洋上，向北输送均可影响至我国32.5°N区域[5]，对我国南方强降水也有重要的影响[6]。夏季南海季风和副热带季风强弱对我国东部夏季降水有不同的影响[7]，强(弱)的南海季风通常导致长江中下游地区降水偏少(多)，华北地区降水偏多(少)[8-9]。南亚夏季风偏强(弱)年，青藏高原地区夏季降水偏多(少)[10]。我国南方地区夏季降水既受南海热带夏季风的影响也受南亚夏季风系统的影响。掌握亚洲夏季风的变化规律对预测旱涝等灾害性天气、促进工农业生产建设有具有重要意义。因此定义一个能够衡量亚洲夏季风强弱的季风指数是必要的，许多学者从不同角度，选用不同气象要素，定义了不同的夏季风强度指数。

目前所用指数大致分为3种：(1)选择降水定量表征夏季风强度，全印度季风降水指数常用来反映南亚夏季风的特征[11-12]，也有用东亚降水或中国夏季降水定义东亚夏季风强度和东亚副热带季风强度的变化[13-14]。(2)根据海陆热力差异定义的季风指数，如郭其蕴[15]选用10°～50°N范围内110°E与160°E海平面气压差表征东亚夏季风强度；施能等[16]在此基础上进行了改进，并定义了一个新的季风指数；赵平等[17]用蒙古低压和西太平洋副热带高压来定义季风指数；孙秀荣等[18]从东西及南北海陆热力出发定义的季风强度指数。(3)从季风环流本身出发，选择气象要素场去描述季风的强度。如用纬向风切变或经向风切变定义的季风指数[19-20]；用850 hPa纬向风或经向风定义的季风指数[21-23]；李崇银等[1]提出用对流层高低层散度差来描写南海夏季风；用500 hPa位势高度场定义的季风强度指数[24，25]；结合850 hPa风场和OLR场描述夏季风强度[26]。

比较几种南亚夏季风指数[27]和东亚夏季风指数[28]发现，各指数与降水量的相关系数有一定差别，各种指数确定的强弱季风年亦有不同，对夏季风强度的辨别能力各具特色[29]。这些季风指数有的具有明显的年代际变化特征，有的没有显著的年代际转折，其年际变化特征却很明显，可较好地反映东亚夏季风的年际变化。多数夏季风指数只针对南亚地区或东亚地区，可反映某一地区的季风特征，由于夏季东亚和南亚在850 hPa上最显著地环流特征是受西南气流控制，为此本文选用能够反映热带季风动力和热力学特征的西南季风，定义亚洲热带夏季风指数，进一步讨论亚洲热带夏季风的活动特征以及对中国南方降水的影响。

1 资料

利用1958—2013年NCEP/NCAR全球2.5°×2.5°逐日200 hPa和500 hPa位势高度场、海平面气压场、850 hPa风场[30]；NDC/NOAA全球1979—2013年的向外长波辐射(Outing Longwave Radiation， OLR)逐日资料[31]，空间分辨率为2.5°×2.5°，以及降水资料研究计划CMAP(CPC Merged Analysis of Precipitation)构建的较完整的、整体质量较好的全球格点逐候降水资料集，资料时间长度为1979—2013年[32]。降水资料为1979—2013年全国气象站点日降水量资料。

2 亚洲热带夏季风的变化及其对中国南方降水的影响

2.1 亚洲热带夏季风指数的定义

季风是多种要素共同作用的综合产物，将动力学因子和热力学因子结合起来构造季风指数，能较全面地描述季风的特征。琚建华等[33]曾提出一个夏季风指数定义：季风区内每个格点上的季风指数(I)为该格点上标准化后的西南风(vsw)与标准化后的向外长波辐射(R)之差：

(1)

图1 1979—2013年夏季气候平均气压场(绿色实线,单位:hPa)、风场(单位:m·s-1)和OLR场(阴影，单位：W·m-2)Fig.1 The averaged summer pressure field (solid line, unit:hPa),wind vector (unit: m·s-1) and OLR (shaded,unit:W·m-2) from 1979 to 2013

孟加拉湾夏季风是南亚季风系统的一部分，它和南海热带夏季风同属热带西南季风，是中国南方乃至整个中国中东部水汽的主要来源地，西南气流对中国南方等地的夏季降水有重要影响。图1是多年平均(1980—2013年)夏季亚洲区域季风环流特征图，包括850 hPa风场特征、海平面气压场和对流活动特征。图中红色方框区域是孟加拉湾(the Bay of Bengal，BOB)和南海(the South China Sea，SCS)，海平面气压场显示低层亚洲南部海平面气压低，低压槽线穿越印度大陆北部和孟加拉湾，经过中南半岛和南海地区延伸至西太平洋[37]，850 hPa风场上夏季孟加拉湾和南海区域西南气流占主导地位，阴影区为OLR值低于230 W·m-2的对流活跃区，对流活跃中心位于孟加拉湾季风槽和南海季风槽区，这里也是亚洲夏季风季节内振荡的2个活跃中心[35]。夏季，ITCZ北抬至10°～20°N的位置，孟加拉湾季风和南海季风经向特征显著，来自印度洋和太平洋的两条西南水汽通道显著，鉴于夏季孟加拉湾和南海内风场、对流和气压场的近似特征，拟使用公式(1)的方法构建统一的亚洲热带季风指数。

因此，本文选取孟加拉湾季风槽区(10°～20°N，82.5°～97.5°E)和南海季风槽区(10°～20°N，110°～120°E)内850 hPa风场和OLR场，根据公式(1)计算得到孟加拉湾季风指数IBOB和南海季风指数ISCS，进而得到亚洲热带夏季风指数：

TSMI=(IBOB+ISCS)/2,

(2)

孟加拉湾季风指数IBOB和南海热带季风指数ISCS与亚洲热带夏季风指数(TSMI)间的相关系数分别为：0.85和0.93，通过α=0.01显著性水平检验，而IBOB和ISCS之间的相关系数为0.60，也通过了α=0.01显著性水平检验，说明孟加拉湾季风和南海热带季风间具有强的相互联系和协同性，定义的亚洲热带夏季风指数TSMI包含了IBOB和ISCS的特征信息，对IBOB和ISCS的年际变化特征有较好的指示意义。当TSMI指数为高值时，孟加拉湾季风槽和南海季风槽强，从孟加拉湾到南海海域西南风和对流活动异常活跃，亚洲热带夏季风偏强。相反，当TSMI指数为低值时，孟加拉湾季风槽和南海季风槽弱，从孟加拉湾到南海海域的西南风和对流活动相对不活跃，亚洲热带夏季风偏弱。

图2是1979—2013年亚洲热带夏季风指数TSMI距平的时间变化柱状图和谱分析图。结果显示亚洲热带夏季风指数TSMI的年际变化数能够描述出亚洲—太平洋夏季风系统的TBO特征[8]。TSMI指数准4 a和8～10 a周期振荡明显(图2b)，亚洲热带夏季风处于负位相的时期主要是1980s后期、1990s后期、和2000s后期；TSMI指数趋势线变化表明亚洲热带夏季风21世纪初转为正位相时期[38]，之前为负位相时期，与南亚夏季风和东亚夏季风自1978年后到21世纪初期间处于弱季风时期的结论一致[20]。

2.2 亚洲热带夏季风与中国南方降水的关系

图2 1979—2013年亚洲夏季风指数的年际变化特征(柱形是TSMI的分布，点线为指数振幅强度和指数的线性趋势):(a)年际变化;(b)谱分析Fig.2 Interannual variation of Asian TSMI from 1979 to 2013(column is the distribution of TSMI;dotted line is the amplitude intensity and the linear trend of Asian tropical summer monsoon):(a) interannual variation; (b) spectrum analysis

图3是TSMI指数与中国南方夏季降水的相关分布图。正相关区集中在华南和云南区域，负相关区则主要分布在长江流域，中国南方夏季降水呈南北相反的跷跷板式分布。强亚洲热带夏季风年里，我国华南降水偏多，长江流域降水偏少；弱亚洲热带夏季风年则相反。这与其他人关于南海夏季西南季风、南亚夏季风与长江流域降水呈反位相关系、与华南地区呈正位相关系的结论一致[39-40]。可见TSMI指数综合反映了南亚夏季风、南海夏季风与中国南方降水间的关系。

表1为选取的长江流域(17个站)和华南地区(14个站)内的气象站点，利用1979—2013年的日降水资料计算得到两个区域的夏季降水指数。图4是长江流域(图4a)和华南区域(图4b)内夏季降水年际分布和Morlet小波分析(4c、d)图，气候平均时间取1981—2010年。图中长江流域夏季降水1990s偏多，2000年后降水偏少，5 a滑动平均线显示长江流域夏季降水10 a变化特征显著，小波分析(图4c)也可以看到长江流域夏季降水2～4 a周期和10 a周期显著；华南地区1990s前降水偏少，表现为华南全区一致偏旱[41]，1990s到2005年降水偏多，2005年之后降水进入偏少位相，从华南降水集中期雨量的年际变化也有类似特征[42]，小波分析(图d)显示华南夏季降水2～4 a周期和4～8 a周期最为显著。

亚洲热带夏季风指数TSMI与长江游流域、华南区域夏季降水指数的相关系数分别为-0.34和0.49，均通过了α=0.05的显著性检验。在亚洲热带夏季风位于负位相时，长江流域地区夏季降水较华南地区降水偏多，而在亚洲热带夏季风处于正位相时，长江流域内夏季降水明显少于华南地区。

表1 区域降水的代表站Table 1 Representative stations of regional precipitation

图4 1979—2013年夏季(a)长江流域降水和(b)华南地区降水距平的时间变化序列(单位：mm)和(c、d)降水小波分析(虚线为5 a滑动平均;阴影区为通过α=0.05显著性检验)Fig.4 Time series of rainfall over (a) the Yangtze Valley and (b) southern China in summer during 1979-2013 (unit: mm); Morlet transformation of rainfall for (c) Yangtze Valley and(d) South China (the area with the 95% significance testing are shaded)

2.3 TSMI与亚洲夏季大气环流

根据TSMI指数绝对值大于1的标准来选取强、弱亚洲热带夏季风年。取6个强热带夏季风年：1984、1985、1991、1994、2012、2013年；以及6个弱热带夏季风年：1979、1988、1989、1996、1998、2010年。采用合成分析来揭示强、弱亚洲热带夏季风年的大气环流变化特征。

在亚洲热带夏季风指数强年，对流层低层850 hPa风场(图5a)上，从印度大陆西北部向东南延伸至孟加拉湾区域(即印度夏季风槽区域)，有一个明显的异常气旋，同时南海夏季风槽区域(10°～20°N，105°～120°E)， 也有一个明显的异常气旋，意味着印度夏季风槽和南海夏季风槽在同时加强加深；印度大陆以南区域南风分量异常强，孟加拉湾海域为一致西南风异常，越赤道急流向北输送异常，南海季风槽以南区域为西风异常，以北区域出现东风异常，长江流域出现异常辐散。对流层中层500 hPa(图5c)上，印度夏季风槽异常仍很明显，而南海季风槽异常没有伸展到500 hPa高度，受低层南海季风槽异常的影响，西太平洋副热带高压(以下简称副高)减弱，588线东退至140 °E以东区域，副高西侧东南气流异常，进入我国南方地区，中高纬西风异常，我国东北地区出现异常北风，在我国35°N附近区域出现距平风场的辐合。另外，对流层高层200 hPa(图5e)上，我国东部到日本上空出现一显著的异常反气旋，而亚洲大陆为异常东风，南亚高压弱，位势高度场显示南亚高压位置偏西，强度较弱，南亚高压的东西振荡对水汽输送路径有重要影响[43]，进而会造成我国南方夏季降水分布的异常。副高与南亚高压表现出典型的纬向分离形式。这种环流形势易使得低层气流在长江流域辐散，华南地区辐合，长江中下游流域出现异常下沉运动，造成长江流域降水偏少[44]。事实上，在强亚洲热带夏季风年里，海平面气压距平合成显示印度低压和南海低压均异常加强，亚洲季风槽区对流活跃(图6a)，夏季降水(图5a)集中在两个季风异常气旋的交汇处，云南及华南南部地区，降水偏多。在弱亚洲夏季风年里，这种环流形势与强季风年相反，低层亚洲季风槽减弱，越赤道急流向北输送偏弱，副高偏强，位置偏西，南亚高压偏强，位置偏东，两者表现出纬向重合形态，长江流域降水增加，华南及云南东部地区降水减少。

图5 亚洲夏季850 hPa风场(单位:m·s-1)和降水的距平合成(a、b)、500 hPa风场和位势高度场合成(c、d)和200 hPa风场和位势高度场合成(e、f)(阴影区为通过α=0.05信度的显著性水平的区域，红色箭头是风场通过α=0.05信度的显著性水平的区域；位势高度单位：10 gpm):(a、c、e)强亚洲夏季风年; (b、d、f)弱亚洲夏季风年Fig.5 (a，b)Composite of wind anomaly at 850 hPa (unit: m·s-1) and summer precipitation in Asia， (c，d)wind anomaly and geopotential height anomaly at 500 hPa， (e，f)wind anomaly and geopotential height anomaly at 200 hPa for (a，c，e) strong monsoon years and(b，d，f) weak monsoon years (The shaded area and the red arrow show t-test significance of 95% level; geopotential height unit: 10 gpm)

从强、弱亚洲热带夏季风年的合成环流中看到，西太平洋副热带高压和南亚高压在纬向上存在重叠或分离状态。进一步分析两高纬向脊点时间序列的变化特征，副高的位置用国家气候中心整编的74项环流指数中副高西伸脊点指数表示。取200 hPa位势高度场上1 252 dagpm等值线东扩脊点的经度值表示南亚高压的纬向位置[45]，计算得到1979—2013年夏季南亚高压东扩脊点的位置序列。图7纵坐标为经度值，实线是西太平洋副热带高压变化序列，虚线是南亚高压变化序列。图中可见，副高西伸和南亚高压东扩均具有明显的2～4 a和10 a周期变化，1980s副高位置偏东，平均经度约在122.2°E，南亚高压位置平均经度约在117°E，两高纬向位置重叠概率高；1990s副高位置偏西平均约在110°E，南亚高压位置也较为偏西平均约在103.6°E，两高纬向多为分离状态；2000s西太平洋副热带高压西伸脊点平均位置约在117.4 °E，南亚高压东扩脊点平均位置约在107 °E，两高纬向位置也多为分离状态。

计算西太副高西伸脊点指数、南亚高压东扩脊点指数与亚洲热带夏季风指数的相关系数分别为0.47和-0.31，相关系数均通过了α=0.05的显著性检验。在强亚洲夏季风年，西太副高西伸弱，位置偏东，南亚高压东扩弱，位置偏西，两高纬向位置多为分离状态；弱亚洲夏季风年，南亚高压东扩明显，位置偏东，西太副高西伸强，位置偏西，两高纬向位置多有重叠。当两个高压纬向异常重叠时，来自印度洋及西太平洋的水汽，在长江流域异常辐合，华南区域水汽异常辐散，而当两个高压纬向异常分离时，水汽主要来自北印度洋的西南风输送，长江流域降水偏少。

图7 1979—2013年夏季西太平洋副热带高压西伸脊点指数(实线)和南亚高压东扩脊点指数(虚线)的时间序列Fig.7 Time series of the west-extension ridge point index of thewestern Pacific subtropical high (solid line) and the east-extensionridge point index of the south Asian high (dotted line) during thesummer from 1979 to 2013 year

3 结论

采用动力学因子vsw(西南季风)和热力学因子OLR，取孟加拉湾季风区(10°～20°N,82.5°～97.5°E)和南海西南季风活跃区(10°～20°N,110°～120°E)的区域平均值，构造亚洲热带夏季风活动指数。分析了亚洲热带夏季风年际变化特征，及季风强弱年东亚大气环流的异常特征及中国南方夏季降水的分布特征。

新的亚洲热带季风指数天气学意义清楚，能够很好地反映夏季南海季风和南亚季风的变化特征，能描述出亚洲热带夏季风系统的TBO特征，还能更好地表征夏季中国南方降水的差异变化。在强亚洲热带夏季风年，印度夏季风槽和南海夏季风槽加强加深，孟加拉湾海域一致西南风异常，越赤道急流向北输送偏强，南海季风槽以南区域为西风异常，以北区域出现东风异常，西太平洋副热带高压偏弱，位置偏东，高空南亚高压偏弱，位置偏西，中高纬东风异常，低层气流在长江流域辐散，华南地区辐合，长江中下游流域出现异常下沉运动，造成长江流域降水偏少，华南地区降水比常年偏多。此外，东亚季风环流中的两个主要系统——南亚高压和西太平洋副热带高压，它们之间的变化关系在强弱亚洲热带夏季风年中也有明显的差异。亚洲热带夏季风指数与两高脊点指数的相关分别为-0.31和0.47，当亚洲热带夏季风偏强时，两高纬向位置出现分离状态的概率高，而在亚洲热带夏季风偏弱时，两高纬向位置出现重叠的概率高。