春季对流层上层经向热力差与南海夏季风爆发的关系

摘 要：利用1970—2023年ERA5逐日再分析资料，采用统计方法研究春季对流层上层经向热力差与南海夏季风爆发的关系，构建经向热力差指数和爆发指数。研究发现春季对流层上层热力差由负转正时间位于3月下旬至5月上旬，南海夏季风爆发时间集中在5月中下旬，两者呈显著正相关（相关系数0.67）。夏季风偏早，年季风环流偏强；夏季风偏晚，年季风环流则偏弱。分析其原因可能是青藏高原热源强度偏弱，导致高原上反气旋环流建立推迟，从而抑制了低空西南季风气流北上，最终影响南海夏季风爆发时间。

关键词：春季对流层上层经向热力差；南海夏季风；爆发时间；高压环流；相关性

中图分类号：P425.4 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）10–0-03

季风是指近地面层冬、夏季盛行风向接近相反且气候特征（主要指降水）明显不同的现象。世界上主要的季风区有西非季风区和亚澳季风区，而亚洲季风（包括南亚季风和东亚季风）活动异常对当地的天气、气候和生存环境影响极大[1]。南海夏季风是东亚季风系统的重要组成部分，其演变规律对东亚地区气候、生态及社会经济活动都有很大影响。20世纪末的南海季风试验结果填补了东南亚季风研究的空白，试验表明南海是比南亚更为典型的热带季风区[2]。南海夏季风一般在5月中后期在中南半岛—南海区域爆发[3]，并且以降水的突然增加为标志。不同于印度夏季风，南海夏季风爆发过程迅速，季风建立后风向突转，其爆发时间的年际变异更大[4]。由于南海夏季风爆发标志着东亚夏季风来临和中国东部主汛期的开始，因此影响南海夏季风爆发的相关研究备受关注[5]。许多学者分别从不同的角度研究影响南海夏季风爆发的因素，如从海陆热力差异、大气季节内振荡、海温、中纬度天气系统、青藏高原大地形的加热和强迫作用，以及中南半岛感热等角度进行研究[6-12]。

亚洲和毗邻海域的热力差是影响南海夏季风爆发时间年际变异的关键因子。作为世界“第三极”的青藏高原，平均海拔超4 000 m，其春夏季热源作用是驱动高原及周边大气环流的根本因素。位于青藏高原南侧的印度洋，海温常年较高，其热力状况通过季风环流影响我国气候。青藏高原和热带印度洋的气温在春夏季形成强烈对比，尤其是在对流层高层。然而，关于对流层上层青藏高原—热带印度洋（Tibetan Plateau-Tropical Indian Ocean，TP-TIO）热力对比与南海夏季风爆发的研究较少。由于春季TP-TIO经向热力差存在由负转正的特征，因此，探讨春季对流层上层经向热力差由负转正时间和南海夏季风爆发时间及其强度的关系，进一步通过爆发早晚的环流场、水汽场、降水场及对流层上层热力差场等要素的合成，分析其物理机制。通过分析再分析资料发现，春季TP-TIO经向热力差转变时间与南海夏季风爆发关系密切，有必要进一步探究其相关性及其可能的物理机制。

1 数据和方法

1.1 数据

使用欧洲中期预报中心（European Centre for Medium-

Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大气再分析

数据集（ERA5）逐小时数据，水平分辨率为0.25°×

0.25°，具体要素有400～200 hPa等压面温度。ERA5是由ECMWF开发的一种全球性气候变化再分析数据库产品，是由ECMWF的哥白尼气候变化服务（C3S）生产的。ERA5收集了大量的全球气象数据，包括温度、湿度、风速和气压等要素指标，并将自身模型数据与来自世界各地的观测数据结合起来，形成一个全球完整的、一致的数据集。ERA5数据的时间分辨率、水平分辨率高，能够提供每小时级别的、在经度和纬度上分别间隔0.25°到0.1°的气象数据，使得用户可以更好地了解气象现象的发展和趋势，这在天气预报、气候研究、环境监测等领域的应用具有很大的价值。此外，ERA5数据经过多个质量控制和校正，确保了其数据的准确性、可靠性和精度。该产品独特的网格设定方式和大气层模拟等技术，使得其能够提供更加详细、精确的全球气象数据，有利于相关人员更深入地探索全球气候变化的趋势和规律。因此该资料在气候诊断、天气过程分析中的应用较为广泛[13-15]。

1.2 方法

1.2.1 对流层上层经向热力差指数

构建青藏高原和热带印度洋对流层上层经向热力差指数TIup，具体的计算公式为：

TIup=[TTP（28°N～38°N，75°E～103°E）-TTIO（15°S～5°N，60°E～100°E）]

400～200 hPa（1）

式（1）中，TTP（28°N～38°N，75°E～103°E）和TTIO（15°S～5°N，60°E～ 100°E）分别代表青藏高原和热带印度洋温度的面积加权区域平均值，右下角标400～200 hPa表示平均，代表对流层上层。

1.2.2 南海夏季风爆发指数

南海夏季风爆发指数的定义很多，如从季风环流角度、温湿角度、环流和温湿结合的角度来定义[16]。参考黄少妮引用的基于环流角度定义南海夏季风爆发指数OSI，具体计算公式为：

OSI=u850（5°N～15°N，110°E～120°E）（2）

式（2）中，u850表示850 hPa的纬向风，u850（5°N～15°N，

110°E～120°E）表示南海区域850 hPa的纬向风的面积加权区域平均值，当OSI＞0，且四候中至少有三候达到指标，表示纬向西风建立，南海夏季风爆发。

1.2.3 合成分析

合成分析是对大气平均状态进行分析的方法。将符合某一条件的多个时刻的同一要素场进行平均，即得到合成场，也称为大气变量的条件平均场。

1.2.4 双尾t检验

采用双尾t检验对以上统计方法得到的结果，通过构造的统计量进行显著性检验，显著性水平为0.05。对相关系数采用双尾t检验。关于合成分析和双尾t检验的具体公式可参考黄嘉佑和李庆祥的研究[17]。

2 春季对流层上层经向热力差与南海夏季风爆发的关系

从表1可以看出，初步得到由负转正的时间位于4月下旬至5月上旬，最早于3月25日转正，最晚于5月28日转正，平均由负转正时间为4月30日，标准差为17.25。南海夏季风最早爆发时间为4月14日，最晚爆发时间为6月11日，平均爆发时间为5月17日，标准差为11.91。从图1可以看出转正时间早，季风爆发时间早，反之，则季风爆发时间晚，两者有很好的对应关系，2个指数的相关系数经计算可达0.67，通过了95%显著性水平检验。

图1" 春季对流层上层经向热力差转正时间与南海夏季风

爆发时间的关系

表1" 春季对流层上层经向热力差转正和南海夏季风爆发的时间

年份 由负转正时间 南海夏季风爆发时间 年份 由负转正时间 南海夏季风爆发时间

1970 4月25日 6月5日 1989 5月10日 5月17日

1971 4月15日 6月1日 1990 5月1日 5月20日

1972 5月6日 5月8日 1991 3月25日 5月20日

1973 5月5日 6月11日 1992 4月12日 5月8日

1974 5月15日 5月23日 1993 4月10日 5月7日

1975 5月16日 5月28日 1994 4月14日 5月11日

1976 5月23日 5月14日 1995 4月19日 5月16日

1977 5月28日 5月15日 1996 4月8日 5月8日

1978 5月13日 5月21日 1997 5月16日 5月25日

1979 5月9日 5月16日 1998 4月16日 5月13日

1980 5月5日 5月16日 1999 5月6日 5月19日

1981 5月11日 5月29日 2000 3月28日 5月1日

1982 5月20日 5月29日 2001 3月26日 4月14日

1983 5月19日 5月29日 2002 5月3日 5月22日

1984 5月8日 5月24日 2003 4月10日 5月5日

1985 5月9日 5月29日 2004 4月2日 4月21日

1986 4月25日 5月15日 2005 4月5日 5月1日

1987 5月21日 6月7日 2006 4月12日 5月9日

1988 5月12日 5月20日 2007 5月9日 5月10日

2008 5月10日 5月17日 2016 5月3日 5月20日

2009 5月10日 5月17日 2017 4月28日 5月16日

年份 由负转正时间 南海夏季风爆发时间 年份 由负转正时间 南海夏季风爆发时间

2010 5月18日 6月9日 2018 5月20日 6月2日

2011 4月29日 5月16日 2019 4月8日 4月30日

2012 5月24日 6月3日 2020 5月18日 6月6日

2013 4月5日 5月3日 2021 5月15日 5月20日

2014 4月26日 5月12日 2022 5月3日 5月15日

2015 4月16日 5月5日 2023 5月26日 5月14日

3 南海夏季风爆发的影响因素

选取南海夏季风爆发偏早年和偏晚年进行合成分析发现，南海夏季风爆发前后大气环流存在显著差异，夏季风爆发偏早，年大气环流较强夏季风爆发偏晚，年大气环流则偏弱。爆发偏早年低空流场显示，夏季风爆发前，南海区域和华南沿海地区低空主要受东北风控制，爆发前夕，5°N～10°N之间的东风开始转变为东南风，季风爆发当天，风向转变为西南风，华南地区形成异常反气旋，而在其沿海区域太平洋上形成异常气旋性环流。在季风爆发后华南地区的异常反气旋和海上的异常气旋都向东移动，且范围不断扩大。高空流场显示爆发前期，高空主要受到西北气流影响，随着时间推移风向转为平直西风，夏季风爆发当天低纬地区5°N～10°N转为南风，而高纬地区以西北气流为主。季风爆发后随着时间推移，主要受到东北气流影响。爆发偏晚年季风环流较弱，爆发前夕主要受平直东风影响，且南海区域和华南及其沿海地区未出现异常环流。

青藏高原—热带印度洋春季上层经向热力差异转变与南海夏季风的爆发时间有密切关系。由于经向热力差主要由青藏高原热源主导，因此当经向热力差由负转正时间偏晚，说明青藏高原热源强度较气候态偏弱，不利于南亚高压环流的建立，低空西南气流偏弱，导致南海夏季风的爆发时间偏晚。

4 结论

采用ERA5再分析资料研究春季对流层上层青藏高原—热带印度洋经向热力差与南海夏季风爆发的关系，研究发现经向热力差由负转正时间位于4月下旬至5月上旬，南海夏季风爆发时间集中在5月中下旬，

两者呈显著正相关（相关系数0.67）。季风爆发偏早，年季风环流偏强，反之则偏弱，其可能原因是经向热力差由负转正时间偏晚，青藏高原热源强度较气候态偏弱，不利于南亚高压环流的建立，低空西南气流偏弱导致南海夏季风的爆发时间偏晚。

参考文献

[1] 黄少妮.南海夏季风爆发的多尺度特征及其可预报性[D].青岛：中国海洋大学，2011.

[2] 林祥，钱维宏.全球季风和季风边缘研究[J].地球科学进展，2012，27（1）：26.

[3] 梁建茵，吴尚森.南海西南季风爆发日期及其影响因子[J].大气科学，2002，26（6）：829-844.

[4] 李汀，琚建华.孟加拉湾西南季风与南海热带季风的气候特征比较[J].地球物理学报，2013，56（1）：27-37.

[5] 邵勰，黄平，黄荣辉.南海夏季风爆发的研究进展[J].地球科学进展，2014，29（10）：1126.

[6] 罗小青.青藏高原—热带印度洋热力差异及其与南亚夏季风的关系[D].湛江：广东海洋大学，2021.

[7] 鲍媛媛.2019年南海季风爆发异常偏早的机制分析[J].气象学报，2021，79（3）：400-413.

[8] 穆明权，李崇银.1998年南海夏季风的爆发与大气季节内振荡的活动[J].气候与环境研究，2000，5（4）：375-387.

[9] 谷德军，纪忠萍，林爱兰.影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区及机制初探[J].热带气象学报，2018，34（1）：1-11.

[10] 温之平，吴乃庚，陈桂兴.南海夏季风爆发早晚的经向环流异常的机理研究[J].大气科学，2016，40（1）：63-77.

[11] 张永生，吴国雄.关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析Ⅰ：季风爆发的阶段性特征[J].气象学报，2013，56（5）：513-528.

[12] 柳艳菊，丁一汇.亚洲夏季风爆发的基本气候特征分析[J].气象学报，2007，65（4）：511-526.

[13] 吕润清，李响.ERA-Interim和ERA5再分析数据在江苏区域的适用性对比研究[J].海洋预报，2021，38（4）：27-37.

[14] 杨世昆，杨玲，张雪芬，等.地基遥感联合反演大气边界层高度与ERA5再分析资料比对分析[J].气象，2023，49（2）：

178-187.

[15] 李瑞辉，袁运斌，张红星.ERA5应用于区域对流层研究的适用性分析[J].导航定位学报，2021，9（6）：29-37.

[16] 高辉，梁建茵.南海夏季风建立日期的确定和东亚夏季风强度指数的选取[J].热带气象学报，2005（5）：525-532.

[17] 黄嘉佑，李庆祥.气象数据统计分析方法[M].北京：气象出版社，2015.

收稿日期：2024-06-12

基金项目：2021年广东海洋大学博士科研启动项目（060302032109）；广东海洋大学创新创业训练计划项目（CXXL2023039）。

作者简介：崔影（2002—），女，黑龙江绥化人，研究方向为大气科学。#通信作者：罗小青，E-mail：luo_201709@126.com。