东亚冬季风指数的定义及其年际年代际异常

东亚冬季风指数的定义及其年际年代际异常（精选2篇）

东亚冬季风指数的定义及其年际年代际异常 第1篇

东亚冬季风指数的定义及其年际年代际异常

利用NCAR/NCEP再分析资料,通过相关分析方法分析了多种可以表征东亚冬季风活动的气象要素指数的相关性特征,选取地面温度、海平面海陆气压差和500 hPa高度3个要素,综合定义了一个东亚冬季风指数.结果表明,该指数表征的东亚冬季风有明显的QTO和QFO周期振荡特征,这一特征与冬季风年代际背景有关,强冬季风年代背景下的振荡比弱冬季风年代背景下的振荡显著,同时该指数能很好地表征东亚冬季风活动的各个方面.对强弱冬季风年的大气环流的结构及其相应的`低纬度对流活动、海洋和高低层大气热力状况的分析表明,强弱冬季风活动不仅表现在中高纬度高低层大气环流变化的差异,在局地Hadley环流和赤道附近Walker环流、低纬度对流活动、海洋和大气的热力状况的变化方面也表现出了显著的差异.

作 者：晏红明 周文 杨辉 蔡云 作者单位：晏红明(云南省气候中心,云南,昆明,650034)

周文(香港城市大学佳达亚太气候研究中心,香港)

杨辉(中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室,北京,100029)

蔡云(云南省气象信息中心,云南,昆明,650034)

刊 名：大气科学学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF NANJING INSTITUTE OF METEOROLOGY年，卷(期)：32(3)分类号：P434关键词：东亚冬季风指数 大气环流 年际变化 年代际特征

东亚冬季风指数的定义及其年际年代际异常 第2篇

关键词 东亚冬季风；潜热通量；感热通量；海温

中图分类号 P732 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)052-0186-04

亚洲地区的冬季风和夏季风对东亚的气候产生着重要的影响，多年以来也一直是广大学者研究的热点，其中东亚冬季风是最为典型的。已有研究表明，东亚冬季风异常与后期的环流变化有较好的相关关系，甚至可以跨季影响到夏季风。本文是研究东亚冬季风与东亚夏季风关系的一个基础，因夏季风受低纬海洋影响大，所以本文研究异常东亚冬季风南下到较低纬度时，对我国近海海气通量的影响。又因2月与夏季最近，因此着重考虑后冬的海气通量。

对东亚冬季风的研究比较多，很多学者对东亚冬季风的指数，东亚冬季风的强弱，东亚冬季风与某气象要素的关系进行了一些研究。像梁巧倩等研究了异常强的东亚冬季风和异常弱的东亚冬季风对西北太平洋的海温的影响。东亚冬季风指数定义方面，经历了一个对指数定义随时间逐渐递进的过程，从上世纪的60年代开始，就有研究者最早用海洋和大陆之间的气压差来对东亚冬季的指数进行定义，见徐淑英和季劲钧。1987年，郭其蕴也用陆地和海洋之间的气压差来定义东亚冬季风指数。自上个世纪的90年代以来，越来越多的研究者开始对东亚冬季风指数的定义进行关注，自此开始，对东亚冬季风指数定义趋于多样化。最早是以郭其蕴的通过海洋和陆地的差异表征东亚冬季风指数，赵汉光和张先恭也是用郭其蕴的方法来定义东亚冬季风指数、施能也是用类似的方法来定义。后来，另一项研究，着重通过陆地和海洋之间的气压差的耦合模式来表征东亚冬季风指数。与此同时，郭其蕴进行进一步开拓，用高压的特点定义东亚冬季风指数。后来，随着对冬季风指数定义的进一步开展，一部分研究者通过西伯利亚高压特征来刻画东亚冬季风指数。到了1996年，对东亚冬季风指数定义更多的用到了500hPa东亚大槽的强度，孙柏民、孙淑清最先通过东亚大槽周围的区域的500hPa位势高度值来对东亚冬季风指数进行定义，随后，更多研究者围绕着东亚大槽周围区域的500hPa位势高度值来描述东亚冬季风的活动。到了20世纪90年代末，一种新的东亚冬季风指数的定义产生了，侧重点是研究风场的特征，详见纪立人等，后来，以此为基础，又有学者对原来的方法加以改进，来表征东亚冬季风指数。随着科研手段、研究思维等的发展，从1999年起，陈隽和孙淑清综合考虑风场、气温常和高度场的共同影响，来对东亚冬季风指数进行定义。

1 资料和方法

本文所用的资料有：1）1948年1月到2011年1月的Reynolds&Smith重构月平均海表温度资料，分辨率为2°×2°；2）1948年1月到2011年1月的NCEP/NCAR全球大气月平均大气环流再分析资料，其中包括分辨率为2.5°×2.5°的500hPa P坐标垂直速度场和近地面10 m高度的水平风场，高斯网格的表面热通量场（包括蒸发潜热通量、感热通量、净长波辐射通量和净短波辐射通量），其纬向分辨率为1.875°，经向分布不均匀。其中表面热通量的资料长度为1948-2011年共63年。

主要方法有标准差标准化、合成分析、统计相关等。

标准差标准化的公式为：

其中：xik为变量的观察值，x为变量的平均值，sk为变量的标准差。

2 东亚冬季风强度指数定义

对于东亚冬季风强度指数的定义有多种，自20世纪60年代开始到现在，大体可以分成五类，分别是海陆差异类、高压特征类、风场特征类、环流特征类以及综合类。每一类定义也都有研究者对其稍微的改进，力求取得更好的结果。本文在对东亚冬季风指数定义过程中部分参照文献的方法，该方法是目前为止对东亚冬季风强度指数定义最新的一个方法，考虑到实际观测现象，受到南下冷空气的影响，东亚地区冬季一般都表现为地面的降温、北风、升压和500hPa高空槽的活动，因此综合地面要素变化和高空形势变化定义了东亚冬季风的强度指数，对标准化的区域（110°-130°E，10°-30°Ν）平均地面10 m高度经向风和温度，以及标准化的（110°-130°E，20°-40°Ν）区域平均的500hPa高度场求和后再标准化，得到1949-2010年冬季（12月到次年2月）的东亚冬季风强度指数序列。在此基础上，为体现冬季风在不同月份的实际情况和冬季风南下过程中影响到的纬度的实际情况，本文对冬季风强度指数定义进行了时间和空间上的改进。在时间上，分别画出了冬季（12月到次年2月）平均的冬季风序列以及冬季逐月平均的冬季风序列（图略）。其中指数的值越小，则表示该年的冬季风越强。以1955年为例，1955年的东亚冬季风指数是指1954年的12月到1955年的2月的冬季风；黑线表示冬季平均的东亚冬季风序列，红线表示12月的东亚冬季风序列，为了对比方便，图中将前一年的12月份归在后一年里，即标记在1955的红线实际上是1954年的12月；绿线和蓝线分别表示1月和2月的东亚冬季风序列，对应年份为图中标记的年份，其余年份的曲线分别以此类推。在空间上，考虑到冬季风成因的复杂性，及不同因子对区域气候影响的贡献程度不同，分区域研究也是指数研究的一个方向。因此本文在求冬季风强度指数时，在对时间细分的基础上，又将所选区域经向上（10°-30°Ν）以20°Ν为界划分为南北两个区域，分别求各自的冬季风指数；为方便区分，在下文中，分别画出冬季风三个月的平均序列以及12月、1月、2月的记为方案1（图略）。划分南北两个区域以后，用北部区域（20°-30°Ν）计算的冬季风指数序列记为方案2（图略），用南部区域（10°-20°Ν）计算的冬季风指数序列记为方案3

（图1）。

因为对冬季风异常年份的取样要有一定的统计意义，对指数序列以±0.75为标准分别划分出13个强冬季风年样本（如1955、1956、1961、1962、1963、1968、1971、1974、1976、1977、1984、1986、1996年）和19个弱冬季风样本年（如1949、1950、1954、1966、1969、1973、1979、1987、1988、1999、2001、2002、2003、2006、2007、2009、2010年）。

三种方案对比表见表1。

表1中，所指的强度相近或者强度相反是指前后冬的强度相近、相反，也就是说12月跟来年2月的冬季风强度指数进行对比，二者同时都大于零或者同时都小于零，则记为强度相近一次；如果两者一个大于零，另一个小于零，则记为强度相反一次；如果两者至少一个接近0，则不作考虑。案1所得结果，在62个样本年中，前冬和后冬冬季风强度指数强度相反的有32个，超过了样本总量的一半，强度相近的有19个，前冬后冬冬季风强度相反的年数（32）明显要多于强度相近的年数（19），多出13年，足可见在计算东亚冬季风强度的时候，如果按照整个冬季平均来算，三个月的平均使得前后冬强度相反的这32年资料强度被削弱了，超过了样本年数的一半，不如按照单独月份计算的效果好，分开月份单独计算更直观地反映了强弱冬季风的波动情况，更有利于下文的分析。与方案1的结果相比，方案2和3求出的强冬季风年个数几乎一致，但是弱冬季风年个数都减少了，前后冬强度相反年份也减少了。弱冬季风年的减少，是因为没有划分区域的时候，南下减弱的冬季风会影响到整个计算结果，分开南北区域以后来进行计算，则这样的影响就被削弱。对比强度相近年份，方案1和2是相同的，都是19年，方案3是29年，之所以会多，是因为纬度偏低，不管是在前冬还是在后冬，风在南下过程中渐弱，使得前后冬强度相近的年份增多。

表2中，按照方案1确定的2月份的强东亚冬季风年与按照方案2确定的强东亚冬季风年分别是16年和17年，方案2的结果多出一个2000年，其余16年与方案1的结果全部吻合。方案2与方案3的结果比较，方案2（对北边区域求指数）求得的强东亚冬季风年包含了方案3（以南边区域求指数）求得的大部分年份，并且多出来（1956、1964、1972、1980、1984、2000年），也就是说，在多余出来的这些年份中，东亚的冬季风在（110°-130°E，20°-30°Ν）的范围内还是强的，但是到了南边区域（110°-130°E，10°-20°Ν）的时候已经不在强东亚冬季风的范围内，在后面的讨论中这部分年份称为20°Ν以北为强冬季风年份，方便区分对比。因这6年的强冬季风是比较偏北的，如果按照整个大区域算，就发现不了这样的特点，分区域使选择出来的强冬季风年年份更能表现现实，更具有代表性。因为冬季强的冷空气气流在南下过程中，干燥寒冷的空气会使得热容量大的海洋向空气中释放蒸发潜热通量，感热通量等，并且南北的热力性质也不同，冷空气在南下过程中是要慢慢减弱的，因此划分开南北两个区域，分别求各个区域内冬季风的强度，能更直观更具体地看出该年冬季风的强度。

我们也可以这么考虑，简单地说，同一时间内，冬季风在所选区域内，以20°Ν为界，北部强，到了南部不一定强；但是如果南边冬季风强，北边的冬季风往往一定强，事实得出来的结果也是这样的因此本文用方案3的结果代表强东亚冬季风年份，又因本文是冬季风对夏季风影响的前一部分，而2月份是冬季中离夏季最近的一个月份，也是海温季节性最低月份，因此着重对2月份的强、弱冬季风年的气象要素合成分析。定义方案2比方案3多的6个强年为北边区域强冬季风年，方案3的的强年为南边区域强冬季

风年。

3 异常冬季风年的环流、潜热通量、感热通量时空变化特征

海-气相互作用最终是通过它们之间的潜热通量、感热通量、水汽通量和动量通量等来实现，东亚冬季风在吹过洋面时，寒冷的北风会使得海面失热，因此冬季风的强弱，从潜热通量、感热通量的释放量也可以很直观得表现出来。

图2a是2月北边区域强冬季风年份（1956、1964、1972、1980、1984、2000年）近地面10 m高度水平风的距平分布。由图可见，在我国近海的冬季风，风在20°Ν以北偏北风距平很强烈，但是过了20°Ν以后转为很弱，跟图2b形成很鲜明的对比。这些年份的冬季风，并不是持续强的，随着南下慢慢变弱，已经达不到强冬季风的标准。

图2b是2月南边区域的强冬季风年合成的近地面10 m高度水平风的距平分布。从图中可见，在孟加拉湾海区东部是一个反气旋式的距平环流，菲律宾以东海区是一个气旋式的距平环流，北太平洋中纬度海区也是一个气旋式的距平环流，在孟加拉湾东部的反气旋和菲律宾海区的气旋之间，也就是我国南海地区，有强烈的偏北风距平，不仅如此，北太平洋中纬度的气旋和菲律宾海区的气旋距平环流西边的偏北风都经过日本南部以南海域—台湾附近海域—南海海域的偏北风距平十分显著。

图2c、2e、2g分别是2月北边区域强冬季风年份合成的下垫面潜热通量，感热通量，净热通量距平分布。图2d、2f、2h分别是2月南边区域强冬季风年合成的下垫面潜热通量，感热通量，净热通量距平分布。在对潜热通量和感热通量的影响上面，相对于单独用冬季平均来看，用各月的更加准确。

图2c、2d是潜热通量的距平分布。北边区域的强冬季风年份，东亚临海为显著的正距平，从南海的北部到东海一直延伸到北太平洋中部都是正距平，在北印度洋也有显著的正距平（图2c）。南边区域的强年份（图2d），东亚临海为显著的正距平，北太平洋中部也为正距平，与图2c不同的是，潜热释放的量值更大，大值区位置偏南，在南海北部相同区域内，潜热释放的更多。弱冬季风年的情况与强年相反，在东亚临海附近为负距平（图2b）。

图2e、2f是感热通量的距平分布。北边区域的强冬季风年份，从中国近海一直延伸到北太平洋中部都是正距平，在北印度洋也为正距平（图2e）。南边区域的强年份，图中大部分海洋区域都为正距平，说明在强东亚冬季风年，一方面寒冷的北风会使海洋向大气释放感热通量增多，另一方面海气温差的加强也使得海洋向大气放出更多的感热通量，其中仍以黑潮暖水区域的感热通量值最大。弱年感热通量的情况与强年相反，在弱东亚冬季风年份，东亚临海则以负距平为主，只在高纬度地区海洋表现为较强的正距平，说明在弱年，风速跟海-气温差都比平均情况要小，大气向海洋输送的感热通量更多。

对比北边区域强冬季风年和南边区域强冬季风年合成的气息要素图可见，东亚冬季风异常与海气通量有很好的对应关系，当冬季风强度偏北时，相应的潜热通量、感热通量的大值区都偏北；当冬季风南下范围较深时，潜热通量、感热通量的大值区普遍偏南。

对比方案3南部区域强冬季风与方案1整个区域强冬季风年合成的气象要素图，有不同，表现在方案1的北风活动经向范围更广，高纬地区的北风也很强，热通量方面也是集中在高纬地区释放多，海温方面，我国近海异常偏冷的区域相对方案3的海温区域偏北，范围也相对小。

弱东亚冬季风年的情形与强年相反，因此不多做介绍。

4 结果与讨论

本文从东亚冬季风异常的角度出发，在对东亚冬季风指数定义时，从时间、空间两方面分别进行了细分，求得更精确的异常东亚冬季风年，对比三种方法求得的异常东亚冬季风的异同，以及对中国近海的海气通量，海温的影响，结果如下。

东亚冬季风指数计算采用季节时间尺度和采用月时间尺度存在明显的差异。分开冬季三个月分别计算比整个冬季平均效果要好。在此基础上，空间划分为南北两个区域比比划分更精确。时空结合求出的异常东亚冬季风年更具有其特点和代表性。

用南部区域（10°-20°Ν）求得的强东亚冬季风年，与只在北部区域为强冬季风的年份相比，合成的海气通量与风场有很好的对应关系，强冬季风活动范围偏北（南），海气通量的大值区也偏北（南）。冬季风对海气通量的影响表现在当月。

进一步探讨冬季风-海气通量-海温-夏季风之间的相互作用，从气候预测的角度，将对南海夏季风爆发早晚有所启示。

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