全球季风区的定义与变化及其影响因素

彭思敏，李育 ，李依婵

(兰州大学a. 资源环境学院；b. 干旱区水循环与水资源研究中心，兰州 730000)

0 引言

在所有环流系统中，季风表现出最显著的季节变化，作为全球气候系统的一个中心组成部分，其作用大到可以影响整个气候系统[1]。季风的相应变化具有重大的科学和社会意义，它影响着全世界三分之二以上的人口[2]。因此，季风研究一直都是气候变化研究的重点和热点课题。

要客观地表示季风的时空变化，就必须要定义一个季风指数来表征季风的强弱[3]，前人在这方面做了很多的研究。郭其蕴[4]使用110°～160°E与10°～50°N之间的海陆气压差来指示东亚夏季风的强弱，施能等[5-6]使用二次标准化处理改进了郭其蕴的方法,消去了均方差不均匀产生的不合理现象。Webster[7]用平均纬向风垂直切变值定义南亚季风指数，经纬度范围为5°～20°N和40°～110°E，高度范围为850 hPa和200 hPa，陈桦等[8]则对Webster[7]的定义进行了修正，将高度范围中的高层取为150 hPa～100 hPa。祝从文等[9]结合东西向110°～160°E之间的海陆气压差和0°～10°N之间的高、低层纬向风切变来定义东亚季风指数。张庆云等[10]从夏季东亚地区热带辐合带和副热带辐合带强度变化趋势相反出发，用东亚热带地区和副热带地区的850 hPa纬向风距平差定义了能够表征东亚夏季风环流系统变化的东亚夏季风指数。基于500 hPa位势高度场EOF分析和东亚大槽的平均位置，崔晓鹏等[11]用500 hPa东亚大槽活动定义东亚冬季风指数。武炳义等[12]根据冬季北大西洋涛动指数与冬季西伯利亚高压范围的反相关关系，用西伯利亚高压网格点数的变化，来反映东亚冬季风的强弱。汤懋苍等[13]用青藏高原上四周点与中心点的逐月高度距平差值定义了高原季风指数。这些都是在区域季风研究上的重要成果。除了对区域季风定义的众多研究，学者们在其变化及驱动机制上也做了大量的工作。青藏高原的抬升、ITCZ、海冰、ENSO和太阳活动等被认为是亚洲季风的驱动因素[14-15]。李吉均[16]利用地质记录和模拟试验证明青藏高原的隆升影响亚洲季风的形成。Chao等[17]认为季风是ITCZ季节性迁移的表现。黄荣辉等[18-19]认为ENSO作为一个周而复始的循环，对于亚洲季风有巨大的影响。段长春[20]和李崇银等[21]通过观测研究发现太阳活动引起辐射强度的任何微小变化都会对天气、气候产生重要影响，如影响区域间水汽的蒸发和输送情况，进而改变气候环境。

20世纪末以来，随着区域季风认识的深入，科学技术的不断创新和发展应用，从全球尺度去认识季风开始增多[22]，推动了全球季风认识的发展。对于全球季风区划分和季风降水变化的相关研究都在不断地开展，不同的学者也从不同的角度定义了全球季风及其强度指数[22]。20世纪80年代，Webster[23]提出了一个普遍的季风定义，即冬夏风向和干湿程度分别出现季节性反转和交替时则为季风。Trenberth等人[24]将全球季风定义为全球尺度下的大规模持续性的大气翻转。Chao等[17]认为季风出现在赤道辐合带(Intertropical Convergence Zone, 简称ITCZ)偏离赤道10°以上时。李建平等[25]用标准化风场季节变率来定义全球季风，并且将全球季风区分为热带季风、副热带季风和温寒带季风。Wang等[26]定义当夏季和冬季的平均降水量差值大于300 mm，且年平均降水量大于55%时为全球季风，由此也划分了全球季风的6个主要区域，即西非季风区、东亚季风区、北美季风区、南亚季风区、澳洲季风区及南美季风区。因此，前人对于全球季风指数的定义依然缺乏一个统一的标准[14]，主要的定义多是集中在“风”和“雨”上，以李建平和Wang为代表。

综上所述，以往对于季风的研究多是将季风看作是一种区域的环流现象，通过单一地分析区域季风来认识其变化特征。每个学者用不同的方法定义区域季风指数，分析季风变化的驱动因素，探讨其运行机理。虽然许多研究都讨论了最近季风变化的问题，但已发表的研究成果大多集中在世界上的特定地区，并使用了不同的季风强度测量方法。但是现今全球气候处于复杂变化中，季风是全球气候系统的一个中心组成部分，因此对于季风研究更需要全球尺度上的变化特征和影响分析。鉴于目前对全球季风的定义并没有统一的指标，但主要的工作都是以“风”和“雨”为出发点[14]。因此，从全球尺度出发，以李建平[25]和Wang[26]这2种全球季风定义方法为基础，计算了全球季风区1964—2013年50年平均分布，对比2种结果的差异，并从全球尺度来研究季风强弱变化和季风区范围的关系。最后根据Nio-3.4 SST指数、南方涛动指数、太阳黑子指数以及海冰数据1964—2013年时间序列图，对不同季风强度下的气候特征进行了初步探讨，以此研究全球季风变化的机制，有利于对复杂的全球气候变化进行预测。

1 数据和方法

1.1 数据来源

本研究使用的现代观测数据包括经向风、纬向风、降水、太阳黑子、Nio-3.4 SST、南方涛动和海冰。

1)风场数据来自美国国家环境预测中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)和国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)合作的NCEP/NCAR再分析项目[27]，该项目由美国国家海洋和大气局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)支持，美国国家环境预测中心负责设计再分析系统，国家大气研究中心负责数据的收集。该数据集的数据通过对地表、无线电探空仪、船舶、飞机和测风气球等多种来源的观测数据进行同化得到月平均风场再分析资料。经向风、纬向风时间间隔为1964—2013年，分辨率为2.5°×2.5°，在垂直方向上从1 000 hPa到10 hPa共17层。

2)1901—2014年全球陆地表面月平均降水格点数据由University of Delaware从大量的监测站收集并汇编而成，分辨率为0.5°×0.5°，只包括陆地数据。在本研究的计算中，夏季是指当年的6月、7月和8月，而冬季是指当年12月至次年的1月和2月。

3)太阳光球上周期性出现的暗斑点被称为太阳黑子，是太阳活动最基本的标志。1964—2013年月平均太阳黑子数据从SILSO(太阳黑子指数与长期太阳观测)获得(http://www.sidc.be/silso/datafiles)。

5)南方涛动指数SOI[29]指的是塔西提岛(Tahiti, 17°33′S, 149°37′W)与达尔文港(Darwin, 12°26′S, 130°52′E)的月平均海平面气压之差(Sea-level Pressure,SLP)，该数据可从美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的气候预测中心(CPC)下载(http://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices)。

6)月平均海冰数据从美国国家海洋和大气管理局(NOAA)获得。该数据是1850年至今全球月平均海面温度和海冰密集度的组合，分辨率为1°×1°。

1.2 研究方法

1)首先利用李建平等[25]所完善的标准化风场季节变率(δ)计算出季风区的计算公式为：

(1)

(2)

式(2)中，当δ*>0时则代表该地区为季风区。

2)其次是利用Wan et al[26]定义的季风降水指数(MPI)来计算出季风区和季风指数。MPI的计算公式为

(3)

2 结果与讨论

2.1 不同定义下的季风区

图 1 850 hPa标准化风场季风变率定义下的1964—2013年全球季风区平均分布Figure 1 Average distribution of 850 hPa global monsoon region under the definition of the normalized seasonality of winds from 1964 to 2013

图 2 季风降水定义下的1964—2013年全球季风区平均分布Figure 2 Average distribution of the global monsoon region under the definition of monsoon precipitation from 1964 to 2013

以标准化风场季节变率(δ)和季风降水指数(MPI)这2种主要的全球季风定义方法为基础计算并绘制了全球季风平均分布图(图1、图2)。

由李建平等[30]定义的标准化风场季节变率(δ)可以很好地描述风向的变化。由于δ的结果值以2为临界值，为了方便，李建平等[25]用δ*>0(风向变化大于90°)作为季风区。用1964—2013年的NCEP/NCAR再分析月平均风场数据计算出了全球850 hPa的平均季风区分布，如图1，由于风场数据格点较大，因此季风区分布比较粗糙。计算结果与李建平等[25]的结果基本相似，涵盖了全球主要的季风区域，可分为热带季风区、亚热带季风区和温带季风区[25]。季风区主要位于热带地区及其周围，且呈东西延伸分布，另外东半球的季风区面积大且集中，而西半球范围小且分散，这可以从季风的形成原因进行分析。由于黄赤交角所引起的太阳辐射南北移动在热带地区表现为盛行风向的季节转变，使得风场标准化季节变率在热带地区表现的尤为明显，并与热带辐合带的位置基本重合。其次，全球最大的大洋和大陆均主要位于东半球，海陆间的热容差异不仅强度大,覆盖范围也更大，因此导致了更大范围的风向季节偏转。从图1中还可以看出，与经典季风区相比，在副热带的太平洋、北大西洋和印度洋上都存在明显的季风区，并且在北半球也有小范围的温寒带季风，这说明风向的显著季节变化涵盖的范围比经典季风更广。由于一直以来人们将季风与干湿变化等同起来，传统认识固化的原因，目前对于温寒带季风的研究相对较少且不深入[25]。温寒带季风不同于经典季风，而是一种“伪季风”。经典季风，如热带季风、东亚季风和北美季风等，其风向变化和天气特征都具有明显的季节性；但是温寒带“伪季风”，仅仅是具有风向的季节变化，天气现象上并不存在。另外，在伊朗高原和帕米尔高原地区出现的显著季节变率区实际是虚假的，因为那里的高度已经超过850 hPa[30]。

季风降水释放的潜热驱动着热带环流的年变化，同时季风降水是全球水文循环中对人类和社会影响最大的关键参数[31]，用季风降水来定义全球季风区能够对气候变化预测具有较为实际的意义。运用University of Delaware全球月平均降水格点数据，根据Wang[26]所定义的全球季风降水指数，计算出了1964—2013年50年的平均季风分布图(图2)。Wang[26]的季风区定义有2个标准：MPI>0.55;夏季平均降水量与冬季平均降水量的差值大于300 mm。第一个标准将季风气候与赤道常年降水模式区分开来，赤道常年降水模式的年变化范围相对于其年平均值更小，且虽然夏季降水量充足，但没有显著的季节变化；第二个标准区分除去了干旱和半干旱地区，这些地区的降水量有显著的季节变化，但是夏季降水量不够，因此没有达到定义标准[31-32]。结果显示，季风区主要在热带和副热带地区，且分布规则。在全球季风区中国东南地区出现的空白，主要是因为该地区其他季节的降水也占了全年降水的较大比重，无法达到定义要求。而海洋季风的缺失，是因为本研究所使用的数据为陆地降水数据。从图2中可以很明显地看到各主要季风区的轮廓和范围，包括东亚季风区、南亚季风区、西非季风区、南美季风区、澳洲季风区以及北美季风区[26]，这些都是季风降水指数大于0.55且夏季平均降水量与冬季平均降水量差值大于300 mm的地区。

2.2 全球季风强度变化及其与季风区范围的关系

季风的变化是复杂的，由于经纬度位置、海陆位置和区域地形状况的差异，使得区域季风的变化特征和机制不同，但是全球季风作为一种全球的、持续的大气翻转[24]，且使全球气候产生了季节性的特征，其必然存在着一定的变化规律。以往的研究一般从区域季风的变化出发，分析与季风区范围的关系。从整体和全球尺度出发，探讨季风强度和季风面积之间的联系。

注：其中实线代表全球季风指数，无量纲；虚线代表全球季风面积，单位为104 km2。 图 3 标准化风场季节变率定义下1964—2013年全球季风指数与季风区面积变化的时间序列Figure 3 Time series of diagram of the Global Monsoon index and the area of monsoon region under the definition of the normalized seasonality of winds from 1964 to 2013

季风区面积的计算方法采用的是Zhou等人[33]定义的季风覆盖指数，即风场和季风降水覆盖的网格的总面积。不同的定义使得季风强度和面积数值不同，且风场定义的季风区使用的是全球数据，而降水定义的季风区只包含陆地数据，因此季风区面积数值也相差较大。结合图3和图4，可以发现，2种定义下的季风强度和季风面积都存在显著的年际变化，且在1978—2013年间，全球季风强度在波动中呈减小趋势，季风区面积呈增加趋势，其中季风降水定义下的变化趋势更为明显。即当季风更弱时，相应的季风区面积会增大。

强、弱季风年交替出现，是全球季风年际变化特征之一。异常的强季风与异常的弱季风会影响季风区的分布，造成全球不同地区严重的洪涝和干旱灾害，给各地区带来巨大的生态环境破坏和经济损失。

注：其中实线代表全球季风指数，无量纲；虚线代表全球季风面积，单位为104 km2。 图 4 季风降水定义下1964—2013年全球季风指数与季风区面积变化的时间序列Figure 4 The time series diagram of the Global Monsoon index and the area of monsoon region under the definition of monsoon precipitation from 1964 to 2013

图 5 1964—2013年全球季风与Nio-3.4 SST指数、太阳黑子数和南方涛动指数时间序列Figure 5 Time series of diagram of Global Monsoon and Nio-3.4 SST Index,sunspot number and Southern Oscillation index from 1964 to 2013

2.3 全球季风强度的影响因素

表 1 2种全球季风指数与Nio-3.4 SST指数、太阳黑子数和南方涛动指数的相关系数Table 1 Correlation coefficients tables between two global monsoon indices and Nio-3.4 SST Index, sunspot number and Southern Oscillation Index

注：*、**、***分别表示通过0.1、0.05、0.01水平显 著性检验。

将通过0.1显著性检验的二者之间认为存在较强相关关系，通过0.05显著性检验的二者之间存在强相关关系，通过0.01显著性检验的二者之间存在极强相关关系。结合图5和表1可知，全球季风指数与Nio-3.4SST指数、南方涛动指数和太阳黑子指数之间具有以下关系：标准化风场季节变率定义下的季风指数与太阳黑子指数存在强正相关关系；与南方涛动指数SOI相关性较弱；与Nio-3.4SST指数存在较强正相关关系。季风降水定义下的季风指数与太阳黑子指数相关性较弱；与南方涛动指数SOI存在较强负相关关系；与Nio-3.4SST指数存在强正相关关系。从整体上看，2种季风指数对于3类气候特征的响应一致，只存在相关性程度上的不同。ENSO是厄尔尼诺-南方涛动的简称，主要发生在热带的太平洋海域。ENSO事件作为热带地区特别是赤道地区海-气相互作用最为突出和集中的反映，一旦发生，会产生全球的气候异常现象，从而使得世界各地出现严重的旱涝灾害，损害工农业生产[18]。因此，全球海洋和气象学家非常重视ENSO事件特征和机理的研究。而种种研究都表明ENSO不仅仅是一种事件，而是一个周而复始的循环，这个循环对季风有严重影响[19]。太阳辐射是大气和海洋运动的基本能量来源[34],观测研究发现太阳活动引起辐射强度的任何微小变化都会对天气、气候产生重要影响[20-21]，如影响区域间水汽的蒸发和输送情况，进而改变气候环境。图5中所反映的全球季风指数与厄尔尼诺和南方涛动的关系说明，当厄尔尼诺事件发生时，全球季风一般会增强，而当南方涛动加强时全球季风通常会减弱。以11年为周期的太阳黑子指数与降水定义的全球季风强度变化相关较弱，但与风场定义下的全球季风有明显的正相关关系，说明太阳活动对季风依然有一定的影响。这主要在于太阳活动是通过改变到达地球太阳辐射量而间接影响季风，当太阳辐射强度改变时，会影响区域间的水汽输送、气压水平和风向风力大小，从而使得季风产生强弱变化。

图 6 季风强年与季风弱年的春季北极海冰密集程度差值 Figure 6 The difference of Arctic sea ice density in spring between monsoon’s strong year and weak year

考虑到温寒带伪季风对海冰的影响，这里只采用Wangetal[26]定义的季风指数。根据图5，统计出全球季风较强的5个年份和较弱的4个年份：1980、1990、1991、2002、2012年为较强年份；1988、1964、1999、1984年为较弱年份，绘制出北极地区强季风年与弱季风年春季海冰密集程度差值图。从图6中可以看出，春季格陵兰海海域和楚科奇海海域为负值，即在季风强年该海域海冰减少，而喀拉海和巴伦支海海域在季风强年海冰更加密集，相反，当春季格陵兰海海域和楚科奇海海域海冰增加，喀拉海和巴伦支海海域海冰减少时，全球季风减弱。表明全球季风与格陵兰海海域和楚科奇海海域的海冰密集程度变化趋势相反，与喀拉海和巴伦支海海域的海冰密集程度变化趋势相似。极地海冰的变化通过大气与下垫面的热量和水汽交换改变，以及反照率的改变而对大气环流和气候产生影响[35]。高纬度地区的海冰覆盖不仅会影响局部地区的能量平衡，改变高纬环流，还会影响中低纬度的大气环流，甚至对全球气候产生影响。Horman等人[36]的研究指出极地冷源对高纬气候变化具有响应，并通过环流的演变影响到低纬度的副热带地区甚至另一个半球。而黄士松等[35]从资料分析和数值模拟2方面研究北极海冰覆盖对全球大气环流和气候产生的影响。根据北极地区强季风年与弱季风年春季海冰密集程度差值图，发现当春季格陵兰海海域和楚科奇海海域海冰减少，喀拉海和巴伦支海海域海冰增加时，全球季风增强，反之，则季风减弱，这正是海冰密集程度对大气环流和全球气候产生的影响。

3 结论

根据2种主流的全球季风定义方法(标准化风场季节变率和季风降水指数)，使用NCEP/NCAR的月平均再分析风场数据和UniversityofDelaware汇编的全球月平均降水格点数据，计算了1964—2013年全球季风平均分布，对不同定义产生的结果进行了差异分析，并根据季风降水指数定义计算全球季风指数和季风区面积时间序列，探讨了季风区范围变化和季风强度的关系，最后，利用Nio-3.4SST指数、南方涛动指数和太阳黑子指数以及北极海冰场分析了不同季风强度下的气候要素特征，主要结论是：(1)标准化风场季节变率定义下的季风区突破了传统研究中将季风与干湿变化等同的概念，包含了热带季风区、亚热带季风区和温寒带季风区。季风降水定义的全球季风包括了六大季风区：东亚季风区、南亚季风区、西非季风区、南美季风区、澳洲季风区以及北美季风区。(2)全球季风指数和季风面积主要表现为一定的年际变化，在1978—2013年间，季风强度整体上呈现减弱的趋势，季风面积呈增加趋势。(3)Nio-3.4SST指数和太阳黑子指数与全球季风指数存在正向变化关系；季风强弱与北极海冰密集程度紧密相关，冰源强度改变热量和水汽交换，不仅影响高纬度大气环流，还对中低纬度甚至全球气候产生影响。

本研究从全球尺度对季风的定义和时空变化特征进行分析，并对全球季风变化的影响因素进行了初步的探讨。变化特征只是这一全球气候系统中心组成部分的表面现象和规律，规律背后的产生机制才是问题的本质。透过现象看本质，反过来又利用本质来预测现象，这一理论才是研究全球复杂气候变化的必要基础。因此，要弄清全球季风整体变化的驱动机制，必须进一步深入分析不同季风强度下大气环流场(包括风场、位势高度场、水汽输送场)的变化情况，以及全球季风强度与季风降水的关系。