何金海 徐海明 王黎娟 祁莉 朱志偉 馬靜 羅京佳
摘要 回顧了南京信息工程大學(xué)(簡稱南信大)建校60年來季風(fēng)研究的主要歷程以及在亞洲季風(fēng),特別是在東亞季風(fēng)研究方面取得的重要成果。20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初,中美季風(fēng)合作、中日季風(fēng)合作和“南海季風(fēng)試驗”3次國際季風(fēng)合作研究的順利實施,極大地推進了南信大季風(fēng)研究團隊的組建和壯大,同時也催生了一系列創(chuàng)新性成果。團隊首先揭示了東亞季風(fēng)與印度季風(fēng)環(huán)流的差異,提出了東亞副熱帶季風(fēng)的明確概念;發(fā)現(xiàn)了東亞副熱帶夏季風(fēng)的建立獨立并早于南海夏季風(fēng);揭示了“亞澳大陸橋”是北半球春季亞洲季風(fēng)區(qū)對流最活躍的地區(qū),其對流的建立和推進對東亞夏季風(fēng)的建立至關(guān)重要;較早開展了東亞季風(fēng)區(qū)季節(jié)內(nèi)振蕩北傳特征和機制的研究并成功應(yīng)用于東亞季風(fēng)區(qū)延伸期預(yù)報。這些創(chuàng)新性成果的取得為季風(fēng)研究做出了重要貢獻。近年來,南信大秉承“開放發(fā)展、聯(lián)合發(fā)展”的辦學(xué)理念,大力引進高層次人才,進一步推動了季風(fēng)研究。作為國際季風(fēng)研究的重要力量之一,南信大季風(fēng)研究團隊將始終堅守季風(fēng)研究陣地,不斷深化季風(fēng)理論認(rèn)識、提升季風(fēng)預(yù)測水平。
關(guān)鍵詞 亞洲季風(fēng);南海夏季風(fēng);東亞副熱帶夏季風(fēng);梅雨;季節(jié)內(nèi)振蕩
1 季風(fēng)研究歷程
季風(fēng),一個古老而又神秘的話題?!澳巷L(fēng)之薰兮,可以解吾民之慍兮;南風(fēng)之時兮,可以阜吾民之財兮”,“北風(fēng)其涼,雨雪其雱;北風(fēng)其喈,雨雪其霏”。中華文化里很早就有了對季風(fēng)的描繪。夏季盛行偏南風(fēng),帶來珍貴雨水;冬季盛行偏北風(fēng),送來紛飛大雪。我國地處亞洲季風(fēng)區(qū),天氣氣候深受季風(fēng)活動影響,季風(fēng)研究具有重要的科學(xué)意義和社會價值。
中國的季風(fēng)研究從20世紀(jì)30年代開始,至今已有80多年的歷史。作為一所以大氣科學(xué)學(xué)科為特色的高校,南京信息工程大學(xué)(以下簡稱南信大)為季風(fēng)研究做出了重要貢獻。南信大已走過60個春秋,其前身是南京氣象學(xué)院。學(xué)校創(chuàng)立初期,重基礎(chǔ),強實踐,以高水平為目標(biāo),在艱苦的辦學(xué)條件下開拓進取,形成了科教融合的辦學(xué)模式。改革開放以后,學(xué)??蒲泄ぷ鞯玫娇焖俣L足的發(fā)展。在朱乾根教授的帶領(lǐng)下,學(xué)校著力開展了季風(fēng)研究。在進行國內(nèi)季風(fēng)合作研究的同時,我校季風(fēng)團隊也開展了國際領(lǐng)域的合作,可以說,季風(fēng)研究團隊是在3次國際季風(fēng)合作中成長起來的。
1983—1993年開展了中美季風(fēng)合作研究,期間共舉行了5次研討會。1983年在北京召開的第一次專題討論會確立了主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線。1984年,何金海完成訪學(xué)任務(wù)回國后就立即加入了朱乾根教授的季風(fēng)研究團隊,潛心開展季風(fēng)研究。1985年6月,第二次專題討論會在美國加州蒙特雷市召開,朱乾根教授做了題為“印度季風(fēng)與東亞季風(fēng)的環(huán)流差異”的報告,首次闡明了東亞季風(fēng)的獨特特征。第三次專題討論會于1987年6月在昆明舉辦,會議成立了技術(shù)組,陶詩言先生任總顧問,朱乾根教授任技術(shù)組副組長。會上,朱乾根和何金海分別做了學(xué)術(shù)報告,朱乾根教授介紹了低頻振蕩能量平衡方面的研究工作,何金海則介紹了低頻振蕩的傳播特征,指出了低頻振蕩傳播的復(fù)雜性,特別在東亞地區(qū)存在明顯的經(jīng)向傳播。1989年,第四次專題討論會在美國賓夕法尼亞大學(xué)舉行,何金海做了題為“南半球澳大利亞低頻冷空氣影響東亞夏季風(fēng)”的學(xué)術(shù)報告,受到與會專家的關(guān)注。會議討論了中美季風(fēng)合作取得的亮點成果,并對未來幾年的季風(fēng)研究進行了展望。1993年6月,第五次學(xué)術(shù)研討會在杭州召開(圖1),此次會議盛況空前,除了總結(jié)了此次季風(fēng)合作的主要成果,還專門討論了擬開展的南海夏季風(fēng)試驗,明確了該試驗的科學(xué)目的和研究內(nèi)容。
1993—1999年的中日季風(fēng)合作進一步推動了我校季風(fēng)研究。何金海任專家組成員和技術(shù)組副組長。期間,朱乾根和何金海兩次訪問日本氣象研究所,日方的Murakami教授到我校進行了為期一個月的訪問,雙方在《熱帶氣象學(xué)報》(中、英版)上合作發(fā)表了題為《TBB資料揭示的亞澳季風(fēng)區(qū)季節(jié)轉(zhuǎn)換及亞洲夏季風(fēng)建立的特征》的學(xué)術(shù)論文(何金海等,1996a),合作主編出版了《亞洲季風(fēng)研究的新進展》論文集(何金海等,1996b)。上述論文指出,4月蘇門答臘對流中心沿“亞澳大陸橋”的系統(tǒng)性移動導(dǎo)致中南半島對流活躍,進而觸發(fā)南海-西太平洋熱帶夏季風(fēng)的建立。
1999年3月,第七次中日工作組會議在北京舉行,通過了“合作研究科學(xué)成果評述”,總結(jié)了雙方合作取得的亮點成果,主要包括青藏高原地氣相互作用的觀測和分析、環(huán)境條件和積雪(冰)對亞洲季風(fēng)循環(huán)的影響、大尺度季風(fēng)狀況和降水分析、季風(fēng)數(shù)值試驗研究以及東亞季風(fēng)區(qū)水分平衡等。
1996—2002年,我國與美國、澳大利亞和東南亞七國合作開展了以丁一匯和李崇銀為首席科學(xué)家的南海季風(fēng)試驗。何金海任專家組成員和第一課題組組長。外場觀測期間,成功觀測到了南海北部的早期季風(fēng)爆發(fā)、全面爆發(fā)和季風(fēng)氣流北推至江南和長江流域的過程,以及季風(fēng)爆發(fā)和對流發(fā)展過程中多個對流系統(tǒng)的演變生命史。南海季風(fēng)試驗催生了多個涉及南海季風(fēng)的建立和季節(jié)進程等方面的新理論,推進了東亞季風(fēng)基本理論框架的建立,深化了對東亞熱帶季風(fēng)本質(zhì)與變化規(guī)律的認(rèn)識。另一方面也總結(jié)和驗證了多種南海夏季風(fēng)指數(shù)的應(yīng)用,為東亞夏季風(fēng)的業(yè)務(wù)監(jiān)測和預(yù)報提供了量化依據(jù)。
三次國際季風(fēng)合作研究均取得了令人矚目的成果,這也直接或間接促成了我校季風(fēng)團隊三次榮獲國家級和省級科技進步獎項。1995年,“東亞季風(fēng)研究”獲國家自然科學(xué)獎二等獎;2003年,“中南半島地區(qū)熱力特征對南海季風(fēng)爆發(fā)的影響和機理研究”獲教育部提名國家科學(xué)技術(shù)獎自然科學(xué)一等獎;2010年,由何金海領(lǐng)銜完成的“東亞季風(fēng)多尺度變率與我國旱澇機理研究”獲江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎。
隨著三次國際季風(fēng)合作的順利開展,我校季風(fēng)研究團隊不斷壯大,涌現(xiàn)出一批勇于攻堅、敢于創(chuàng)新的學(xué)者。他們與國內(nèi)外季風(fēng)專家進行了廣泛而深入的合作,取得了一系列創(chuàng)新性成果:發(fā)現(xiàn)東亞副熱帶夏季風(fēng)的建立獨立并早于南海夏季風(fēng),由此提出我國汛期應(yīng)以東亞副熱帶夏季風(fēng)及其雨帶的建立為標(biāo)志,并就東亞副熱帶季風(fēng)的若干問題舉辦了全國研討會(圖2);發(fā)現(xiàn)東亞季風(fēng)雨帶推進過程存在“旱澇并存、旱澇急轉(zhuǎn)”的重要現(xiàn)象;揭示了“亞澳大陸橋”是北半球春季亞洲季風(fēng)區(qū)對流最活躍的地區(qū),其對流的建立和推進與東亞夏季風(fēng)建立關(guān)系密切,等等。這些創(chuàng)新性科研成果大力推動了季風(fēng)研究的發(fā)展,也為我國氣候預(yù)測提供了新的科學(xué)依據(jù)。
自2006年以來,我校全面推進開放辦學(xué)、聯(lián)合辦學(xué),廣招天下英才,先后引進了包括羅斯貝獎?wù)芦@得者王斌教授、國際知名季風(fēng)專家李天明教授在內(nèi)的多位在季風(fēng)研究領(lǐng)域具有國際影響力的專家。這些專家的加盟為季風(fēng)研究帶來了新的學(xué)術(shù)思想,活躍了學(xué)術(shù)氛圍,培育了一批年輕英才,推動了季風(fēng)研究。
毫無疑問,南信大季風(fēng)研究團隊是國際季風(fēng)研究的重要力量之一,建校以來取得了一系列創(chuàng)新成果。以下我們就這些成果進行簡要回顧,熱烈慶祝南信大建校60周年。
2 主要創(chuàng)新性成果
2.1 東亞熱帶夏季風(fēng)的建立與“亞澳大陸橋”對流活動
東亞季風(fēng)包括熱帶季風(fēng)和副熱帶季風(fēng)(Zhu et al.,1986)。早期研究主要關(guān)注熱帶季風(fēng),如南海夏季風(fēng)的建立過程和特征等。何金海等(1996b)基于云頂黑體溫度(Temperature of Black Body on the top of cloud,TBB)資料首先提出了4月蘇門答臘對流中心沿“亞澳大陸橋”(從蘇門答臘到中南半島的狹長地帶)的系統(tǒng)性北移導(dǎo)致中南半島對流活躍,造成副熱帶高壓在該區(qū)域斷裂,進而觸發(fā)南海-西太平洋熱帶夏季風(fēng)建立(圖3)。這主要是因為太陽輻射季節(jié)變化造成的“亞澳大陸橋”對流的季節(jié)性移動,也正是熱帶季風(fēng)第一推動力的一種表現(xiàn)(曾慶存和李建平,2002)。
He et al.(2006a)進一步指出了“亞澳大陸橋”是北半球春季亞洲季風(fēng)區(qū)對流最活躍的地區(qū),其對流的建立和向北推進與東亞夏季風(fēng)的建立緊密聯(lián)系。北半球冬季,主要對流區(qū)位于赤道以南,4月中旬以前,中南半島和印度半島對大氣的加熱均以感熱為主。4月底至5月初,蘇門答臘地區(qū)的熱帶對流開始迅速北進并加強,與此同時中南半島對流開始活躍并向東西方向擴展,該地區(qū)潛熱加熱和印度半島的感熱加熱所激發(fā)的氣旋性流場在孟加拉灣地區(qū)相互疊加,有利于孟加拉灣低渦活動和低槽的形成,這可能是副高斷裂和印緬槽活躍的主要機制(圖4)。伴隨著印緬槽前西南氣流和赤道印度洋西風(fēng)擾動的東傳以及南海地區(qū)中低緯的相互作用,南海夏季風(fēng)建立(Xu et al.,2001,2002;何金海等,2002;He et al.,2003;Wang et al.,2004)。溫敏等(2004)進一步利用區(qū)域氣候模式證實了中南半島對流不僅導(dǎo)致副熱帶高壓帶在孟加拉灣斷裂,同時由于凝結(jié)潛熱加熱激發(fā)的Rossby波在南海北部形成有利于冷空氣南下的形勢,激發(fā)南海北部對流爆發(fā)和潛熱釋放,進而引起高層經(jīng)向溫度梯度反轉(zhuǎn)和西太平洋副熱帶高壓東撤,南海夏季風(fēng)隨之建立。
He et al.(2006b)總結(jié)了南海季風(fēng)建立期間發(fā)生在中南半島至印度半島之間的一系列事件,包括中南半島對流潛熱加熱和印度半島感熱加熱的相互疊加、80°E附近赤道兩側(cè)“渦旋對”的出現(xiàn)、斯里蘭卡低渦的北移、孟加拉灣槽的形成與發(fā)展,以及帶狀副熱帶高壓的斷裂和西太平洋副熱帶高壓的迅速東撤等(圖5)。南海夏季風(fēng)的建立不僅是西南風(fēng)由南向北推進的過程,而是在此之前首先表現(xiàn)為由西向東迅速推進的過程,這就解釋了為什么南海夏季風(fēng)在20個緯度(0°~20°N)范圍內(nèi)幾乎同時建立的問題。
事實上,副熱帶高壓帶斷裂、孟加拉灣槽建立和副熱帶高壓東撤以及南海夏季風(fēng)建立是一個迅速完成的過程,且伴隨著亞洲大尺度流場和水汽輸送場的季節(jié)突變(He et al.,2007a)。就夏季風(fēng)建立的源地來看,蘇門答臘地區(qū)熱帶對流4月底5月初的迅速北進是亞洲熱帶夏季風(fēng)建立的最先征兆,將亞洲熱帶夏季風(fēng)的“首發(fā)地”定在中南半島南端、蘇門答臘北部的周邊地區(qū)是比較合理的。亞洲熱帶夏季風(fēng)建立過程可以用圖6來表示。
Liu et al.(2013)和Wang et al.(2017)進一步闡釋了南亞高壓對南海夏季風(fēng)建立的重要作用。中南半島強烈的深對流活動釋放的凝結(jié)潛熱可以在對流層上層制造出反氣旋性相對渦度,導(dǎo)致南亞高壓西伸加強,并在孟加拉灣南部高空出現(xiàn)“喇叭口”狀的輻散流場,耦合低空匯合流場,進一步促進上升運動(圖7)。對流層上下層的耦合可進一步導(dǎo)致對流層中低層副熱帶高壓帶斷裂和印緬槽加深。印緬槽前西南風(fēng)將大量水汽輸送到槽前的中南半島地區(qū),反過來進一步促進中南半島對流的發(fā)展。
“亞澳大陸橋”對流活動對東亞夏季風(fēng)建立的重要作用以及亞洲熱帶夏季風(fēng)建立“首發(fā)地”的確認(rèn),為研究南海-西太平洋夏季風(fēng)建立機制提供了新思路。基于以上對南海夏季風(fēng)建立特征的認(rèn)識,何金海等(2001)從動力學(xué)和熱力學(xué)相結(jié)合的角度提出了南海季風(fēng)監(jiān)測的新方法,并將其應(yīng)用于國家氣候中心的監(jiān)測業(yè)務(wù)中,還確定了近40 a南海夏季風(fēng)的建立日期(平均于5月中旬建立)。Wang et al.(2007)進一步比較了南海夏季風(fēng)槽與東亞副熱帶夏季風(fēng)槽的結(jié)構(gòu)與演變特征,指出二者存在本質(zhì)區(qū)別。南海夏季風(fēng)槽主要表現(xiàn)為來自孟加拉灣的暖濕西南氣流與西太平洋副熱帶高壓南部的偏東氣流輻合帶,對流顯著,不具備鋒面性質(zhì),其建立具有爆發(fā)性和突然性,但其撤退緩慢,建立過程中東西風(fēng)向逆轉(zhuǎn)是一個明顯的指示因子。這些特征與東亞副熱帶夏季風(fēng)槽的鋒面結(jié)構(gòu)與演變有明顯區(qū)別,進一步說明了南海夏季風(fēng)的熱帶季風(fēng)屬性。
2.2 東亞副熱帶夏季風(fēng)和緯向海陸熱力差異
東亞副熱帶季風(fēng)的明確概念由我校學(xué)者朱乾根等首先提出。朱乾根、何金海和王盤興(Zhu et al.,1986)通過比較印度季風(fēng)環(huán)流和東亞季風(fēng)環(huán)流,發(fā)現(xiàn)印度季風(fēng)區(qū)主要模態(tài)為印度低壓(圖8)。而東亞季風(fēng)區(qū)則較為復(fù)雜,由三個主要模態(tài)構(gòu)成(圖9),第一模態(tài)(負(fù)位相)表現(xiàn)為南海低壓環(huán)流(圖9a),其內(nèi)的南海季風(fēng)槽位于西太平洋副熱帶高壓南側(cè),具有熱帶季風(fēng)性質(zhì);而第三模態(tài)(圖9c)中除了南海季風(fēng)槽,還有西太平洋副熱帶高壓北側(cè)的西南風(fēng)與中高緯冷空氣在副熱帶地區(qū)輻合,它位于高層南亞高壓脊線北側(cè)下方的西風(fēng)帶中,具有明顯的副熱帶季風(fēng)性質(zhì)。因此,東亞季風(fēng)由兩個獨立的子系統(tǒng)組成,即位于南海-西太平洋的熱帶季風(fēng)和位于中國大陸-日本的副熱帶季風(fēng),而印度季風(fēng)則為單純的熱帶季風(fēng)(圖8)。
隨后,陶詩言和陳隆勛給出了東亞季風(fēng)的完整環(huán)流系統(tǒng)圖(Tao and Chen,1987)。Wang and Lin(2002)分析了不同區(qū)域季風(fēng)的特征,也將東亞夏季風(fēng)分為兩支,其中南海-西太平洋地區(qū)被稱為“西北太平洋季風(fēng)區(qū)”,中國大陸-日本的副熱帶地區(qū)被稱為“東亞夏季風(fēng)區(qū)”。Li and Zeng(2003)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的季風(fēng)指數(shù)進一步給出了東亞副熱帶季風(fēng)的大致范圍。
此時,學(xué)術(shù)界對東亞副熱帶季風(fēng)的存在及其大致的地理范圍已基本達(dá)成共識。但是,對于東亞副熱帶季風(fēng)的本質(zhì)等問題還存在兩種不同的觀點:一種觀點認(rèn)為盛行于副熱帶地區(qū)的季風(fēng)即為東亞副熱帶季風(fēng),并未關(guān)注其本質(zhì)特征;另一種觀點則認(rèn)為南海—西太平洋熱帶季風(fēng)向北延伸后形成東亞副熱帶夏季風(fēng)。因此,對于東亞副熱帶季風(fēng)的建立時間和特征等存在較大的爭議。
大量觀測事實表明,東亞副熱帶夏季風(fēng)于3月底4月初就已建立(Zhao et al.,2007)。此時在副熱帶地區(qū),對流層低層盛行的冬季偏北風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠巷L(fēng),降水距平由負(fù)轉(zhuǎn)正(圖10),日降水率高達(dá)6 mm/d,同時經(jīng)向風(fēng)垂直切變、冷暖平流、中高層垂直運動等也都發(fā)生了顯著的季節(jié)轉(zhuǎn)變,冬季控制中國大陸的冷高壓系統(tǒng)性東移至我國東部沿海等(池艷珍等,2013)。這些特征均標(biāo)志著東亞副熱帶夏季風(fēng)的建立(Qi et al.,2008;任珂等,2010;朱志偉和何金海,2013;Chi et al.,2015)。
東亞副熱帶夏季風(fēng)建立的關(guān)鍵推動力是緯向海陸熱力差異。由冬至夏,東亞大陸(包括青藏高原)由冷源轉(zhuǎn)為熱源,使得東亞大陸與西太平洋的緯向熱力差異首先在副熱帶地區(qū)由“西冷東暖”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔髋瘱|冷”(Qi et al.,2008)。大陸感熱加熱迫使低層大陸冷高壓東移入海,激發(fā)副熱帶地區(qū)低層偏南風(fēng)的建立。低層南風(fēng)一方面輸送低緯度熱量,維持“西暖東冷”的形勢,另一方面它使得垂直經(jīng)向風(fēng)切變(低層減高層)由負(fù)轉(zhuǎn)正,產(chǎn)生上升運動,進而形成降水釋放潛熱加熱中高層大氣。如圖11所示,此時加熱中心位于對流層中高層,強度與熱帶對流相當(dāng)(黃嬌文等,2016)。通過“熱力適應(yīng)”過程,潛熱加熱又加強低層南風(fēng),激發(fā)高層偏北風(fēng)的出現(xiàn),同時凝結(jié)潛熱對“西暖東冷”的熱力分布也有很強的正反饋作用(圖12;朱志偉和何金海,2013;Chi et al.,2015)。
事實表明,東亞副熱帶夏季風(fēng)雨季建立明顯早于熱帶夏季風(fēng)雨季,兩者的雨帶、強低空輻合帶、強垂直運動帶均是相互分離的,因此,東亞副熱帶夏季風(fēng)雨帶并不是熱帶夏季風(fēng)雨帶向北推進的結(jié)果(何金海等,2008)。
3月底到4月初,東亞副熱帶夏季風(fēng)雨帶首先在江南地區(qū)建立(也有學(xué)者稱之為“春雨”),并徘徊在華南地區(qū)(包括臺灣地區(qū))形成華南前汛期。南海夏季風(fēng)于5月中旬建立后,前汛期雨帶向北推進,于6月中旬形成江淮梅雨,7月中旬以后移至華北、東北地區(qū),形成北方雨季。因此,3月下旬至南海夏季風(fēng)建立前的這一多雨時段,應(yīng)屬于東亞副熱帶夏季風(fēng)的早期階段,我們對副熱帶季風(fēng)雨季的關(guān)注點應(yīng)從5月中旬(南海夏季風(fēng)建立)提前至3月底,這對我國旱澇預(yù)測思路是一個新的拓展(何金海等,2008)。
然而,同樣位于副熱帶的北美東部卻不具有季風(fēng)特征,它的全年雨量分配均勻,不具有“降水顯著季節(jié)變化”這一季風(fēng)區(qū)的關(guān)鍵特征(常爐予等,2013)。Hu et al.(2020)利用大氣環(huán)流模式CAM5.1(Community Atmosphere Model Version 5.1)設(shè)計敏感性試驗(表1)發(fā)現(xiàn),改變海溫分布(ZMSST試驗)、改變經(jīng)向熱力差異(NOSA試驗)均不能改變北美區(qū)域降水的季節(jié)演變(圖13)。然而,如果將北美大陸南移,南移的北美大陸由春至夏出現(xiàn)較強且持續(xù)性的感熱加熱,加強了緯向海陸熱力差異,使得北美地區(qū)夏半年降水顯著增多,呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化,這表明北美地區(qū)出現(xiàn)了季風(fēng)區(qū)的關(guān)鍵特征(圖13)。這再次證實了緯向海陸熱力差異是形成副熱帶季風(fēng)的關(guān)鍵推動力。
綜上所述,由于南海-西太平洋熱帶季風(fēng)和中國大陸-日本副熱帶季風(fēng)這兩支性質(zhì)截然不同季風(fēng)子系統(tǒng)的共存,東亞區(qū)域的季風(fēng)氣候極其復(fù)雜(He and Liu,2016)。位于中國大陸-日本的東亞副熱帶夏季風(fēng)于3月底、4月初在江南地區(qū)首先建立,其關(guān)鍵推動力是東亞大陸(含高原)與西太平洋之間的緯向海陸熱力差異。東亞副熱帶季風(fēng)建立、季節(jié)進程及強度均對我國雨帶的位置和強弱有著顯著的影響,因此,我們應(yīng)加強對它的分析和預(yù)測,其監(jiān)測時間也應(yīng)從5月提前至3月。
2.3 東亞副熱帶季風(fēng)的盛期與梅雨
如前所述,南海熱帶夏季風(fēng)于5月中旬建立,由于熱帶夏季風(fēng)的推動,華南前汛期雨帶向北推進,于6月中旬推進至江淮流域,梅雨季節(jié)開始。7月中旬雨帶北推至華北-東北地區(qū),形成北方雨季(圖14)。大量證據(jù)表明,梅雨季節(jié)是東亞副熱帶夏季風(fēng)的典型階段(盛期),其雨量大,強降水頻發(fā),容易造成我國江淮流域大范圍洪澇災(zāi)害。因此,江淮梅雨一直是我國氣象工作者研究的重要課題,也是我校季風(fēng)研究團隊的主要研究方向之一。我校季風(fēng)研究團隊在梅雨入梅的年際變化、東北冷渦的“氣候效應(yīng)”及其對梅雨的影響、梅雨期降水分布非均勻性等方面做出了重要貢獻。
從氣候角度而言,6月中旬江淮流域入梅,但每年的入梅時間存在很大的差異。通常入梅時間早,梅雨期降水多,反之,降水偏少。早在21世紀(jì)初,徐海明等(2001)基于江蘇省氣象臺入梅標(biāo)準(zhǔn)確定的江淮梅雨入梅日期,研究了江淮梅雨入梅的年際變化與前期冬季環(huán)流和前期冬春季海溫的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)江淮入梅早晚與前期冬季的北大西洋濤動存在顯著的相關(guān)關(guān)系。入梅早的年份,其前期冬季北大西洋濤動強,而入梅晚的年份,則前期冬季北大西洋濤動弱。同時也發(fā)現(xiàn),江淮梅雨入梅早晚與前期冬春季的北大西洋海溫之間存在較為穩(wěn)定持續(xù)的顯著負(fù)相關(guān)區(qū)。數(shù)值試驗結(jié)果表明,北大西洋海溫的異常偏暖可通過激發(fā)類似橫跨歐亞大陸的歐亞遙相關(guān)型波列從而對梅雨產(chǎn)生影響(圖15)。在這之前,有關(guān)中國東部汛期降水(梅雨)年際變化的研究主要關(guān)注印度洋和熱帶太平洋海溫異常的影響,而該研究則表明中國東部汛期降水異常(梅雨)同時也受到其上游北大西洋海溫異常的影響,這為后期開展的大量有關(guān)大西洋海溫異常影響東亞氣候的研究有很好的啟示作用。竺夏英等(2008)基于長江中下游地區(qū)10個觀測站的入梅日期構(gòu)建了一個區(qū)域入梅指數(shù),他們同樣也發(fā)現(xiàn)入梅日期早晚與前期1—4月的北大西洋中緯度海溫呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。江淮梅雨入梅早晚除了與前期冬春季北大西洋海溫異常有關(guān)外,也與前期中太平洋ENSO(CP-ENSO)的冷暖位相有關(guān)(汪靖等,2009),當(dāng)前期冬季2月和春季呈現(xiàn)CP-ENSO暖(冷位相)時,梅雨建立偏晚(早),而CP-ENSO主要通過東亞-太平洋(EAP)遙相關(guān)型和熱帶西太平洋異常反氣旋影響梅雨的建立。這些結(jié)果對中國梅雨的分析和預(yù)報十分有益(徐海明等,2001;竺夏英等,2007,2008)。
梅雨期降水量存在明顯的年際變化,降水異常偏多或偏少可造成江淮流域嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害或干旱,如1954年、1991年、1998年和2020年洪澇以及1958年和1994年干旱。江淮梅雨期降水量的年際變化既受到來自熱帶低緯度系統(tǒng)的影響,同時也受到中高緯天氣系統(tǒng)的影響。何金海等(2006)發(fā)現(xiàn)頻繁的東北冷渦活動具有顯著的“氣候效應(yīng)”,即東北冷渦活動異常會引起季節(jié)平均氣溫和降水的異常,對梅雨期降水存在明顯的作用。他們發(fā)現(xiàn)梅雨期東北冷渦與降水量存在顯著的相關(guān)關(guān)系(圖16),東北冷渦越強,梅雨期降水量越多,東北冷渦越弱,梅雨期降水量也偏少。東北冷渦影響江淮梅雨期降水的機制可概括如下:隨著東北冷渦的加強南壓,它與西伸的西北太平洋副熱帶高壓相互作用使得我國江淮地區(qū)南側(cè)對流層中高層氣壓梯度力加大,動能也隨之增大,接著通過動能下傳致使江淮以南地區(qū)西南低空急流形成,將大量的暖濕氣流輸送到江淮地區(qū)并與東北冷渦引導(dǎo)南下的干冷空氣相互作用,形成“上干下濕”的不穩(wěn)定層結(jié),有利于梅雨鋒的形成與維持,在上升運動的觸發(fā)下,最終導(dǎo)致梅雨量偏多(圖17)。2020年夏季,長江流域發(fā)生了重大的持續(xù)性暴雨與洪水災(zāi)害。其中一個重要原因就是東北冷渦不斷地向南輸送冷空氣,并與北上的季風(fēng)暖濕氣流在長江流域相遇,造成了長江流域的多次強暴雨過程。這證實了東北冷渦對梅雨的氣候效應(yīng)。
除了上述梅雨期整個江淮流域降水多寡造成洪澇干旱以外,我國氣象工作者還發(fā)現(xiàn),即使在梅雨期降水正常的年份,降水分布的不均勻也可造成局部地區(qū)的洪澇干旱(朱乾根等,1992)。竺夏英等(2007)通過對江淮地區(qū)15個站江淮梅雨期(6—7月)降水的經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)分析,發(fā)現(xiàn)第一特征向量為前人主要討論的江淮流域降水整體同位相的變化,而第二特征向量則反映了梅雨期降水的經(jīng)向非均勻分布特征,即梅雨期降水型可明顯分為南澇北旱和南旱北澇型(圖18)。大多數(shù)南澇(旱)北旱(澇)年整個江淮地區(qū)的梅雨期降水量接近正常年份。當(dāng)江淮梅雨期降水呈南澇北旱型時,同期梅雨期低層鋒區(qū)和水汽輻合中心偏南、東亞副熱帶夏季風(fēng)偏弱和西太平洋副熱帶高壓和200 hPa南亞高壓位置偏南;南旱北澇型時,情況相反。在此基礎(chǔ)上,胡景高等(2013)進一步指出,我國江淮地區(qū)梅雨期降水空間分布可分為南部型、長江型和江淮型三種基本型態(tài)。在年際時間尺度上,梅雨期降水的南北反位相特征更加明顯;而長江型梅雨期降水較其他兩個型態(tài)而言相對獨立。這些梅雨期降水量空間非均勻分布特征的揭示為國家氣候中心梅雨監(jiān)測指標(biāo)體系的建立提供了科學(xué)依據(jù)。吳志偉等(2006)發(fā)現(xiàn)梅雨期降水量在時間上也存在非均勻特征,會出現(xiàn)“旱澇并存、旱澇急轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象,即梅雨期某一時段特別旱,而另一時段又特別澇,旱澇交替出現(xiàn)的情形。上述研究結(jié)果對梅雨區(qū)降水的精細(xì)化監(jiān)測與預(yù)報提供了重要參考。
2.4 東亞季風(fēng)與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩
大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(IntraSeasonal Oscillation,ISO)一般指時間尺度大于7~10 d而小于90 d的大氣中所具有的準(zhǔn)周期性的變化。20世紀(jì)70年代,大氣季節(jié)內(nèi)振蕩被Madden and Julian(1971)首先在熱帶發(fā)現(xiàn),并命名為Madden Julian Oscillation(MJO)(最近證實最早由中國學(xué)者北京大學(xué)謝義炳教授在1963年發(fā)現(xiàn);Li et al.,2018)。人們后來發(fā)現(xiàn),大氣季節(jié)內(nèi)振蕩廣泛存在于熱帶至中高緯度、對流層至平流層,是全球大氣運動的基本特征之一。
大氣季節(jié)內(nèi)振蕩能夠顯著影響東亞季風(fēng)的建立和推進以及月季尺度內(nèi)的“旱澇急轉(zhuǎn)、旱澇并存”。早在20世紀(jì)80年代初,我校何金海與夏威夷大學(xué)Murakami和Nakazawa教授就合作開展了一系列有關(guān)亞洲季風(fēng)的季節(jié)內(nèi)振蕩研究,揭示了40~50 d大氣季節(jié)內(nèi)振蕩信號表現(xiàn)出顯著的北傳特征,闡明了瞬變波動影響季節(jié)內(nèi)振蕩北傳的動力學(xué)機制(Murakami et al.,1984a),同時發(fā)現(xiàn)了季風(fēng)中斷與視熱源和水汽匯的季節(jié)內(nèi)振蕩活動聯(lián)系緊密(何金海等,1984;Murakami et al.,1984b)。隨后,何金海和于新文(1986)進一步聚焦我國東部季風(fēng)雨帶,發(fā)現(xiàn)各緯帶的水汽輸送都存在不同周期的振蕩特征,揭示了中國南海北部水汽向北傳播輸送能夠影響中國大陸東部夏季風(fēng)降水(圖19),南海地區(qū)(平均緯度18°N)和22.5°N緯帶上的水汽經(jīng)向輸送具有大約5 d的位相差。南海地區(qū)水汽輸送40~50 d振蕩的每一次增強過程均對應(yīng)著一次我國東部大型天氣過程。如5月中旬第一次增強過程對應(yīng)南海季風(fēng)建立,6月中下旬第二次增強過程對應(yīng)長江流域的梅雨建立,7月底第三次增強對應(yīng)著雨帶在華北地區(qū)的穩(wěn)定和維持。
除了南海地區(qū)水汽季節(jié)內(nèi)尺度的輸送對中國東部夏季風(fēng)降水影響,He(1988)和He and Chen(1988)分別用觀測診斷和數(shù)值模擬的方法論證了南半球中高緯度冷空氣40~50 d季節(jié)內(nèi)振蕩活動能夠通過越赤道氣流影響中國東部夏季降水的季節(jié)內(nèi)振蕩變化,強調(diào)了與澳大利亞高壓和馬斯克林高壓相聯(lián)系的南半球冷空氣活動是北半球夏季風(fēng)活動的來源之一。如圖20所示,南半球中高緯度溫度的季節(jié)內(nèi)振蕩波谷超前于赤道上的南風(fēng)異常,而越赤道南風(fēng)氣流又超前于南海地區(qū)的緯向西風(fēng)異常。數(shù)值試驗也證實了在有南半球冷空氣活動下,經(jīng)向風(fēng)擾動存在顯著的北傳的特征(He et al.,1990;何金海和李俊,1991)。這種南北半球間在季節(jié)內(nèi)尺度上的超前滯后關(guān)系證實了由澳洲冬季風(fēng)和亞洲夏季風(fēng)組成的亞澳季風(fēng)系統(tǒng)在季節(jié)內(nèi)尺度上的相互聯(lián)系和影響。
He and Yang(1990)利用歐洲中心資料發(fā)現(xiàn)歐亞大陸中高緯度大氣環(huán)流的季節(jié)內(nèi)振蕩對東亞夏季風(fēng)降水也有顯著影響。中高緯度正壓結(jié)構(gòu)的低頻波動中的擾動低壓異常向東傳播,途經(jīng)地中海、中亞,最后到達(dá)東亞沿岸,最終通過影響東亞夏季風(fēng)槽從而調(diào)控東亞夏季風(fēng)季節(jié)內(nèi)降水變率。這種低頻波動類似后來被發(fā)現(xiàn)的季節(jié)和年際尺度定常羅斯貝波,即絲綢之路波列(Lu et al., 2002; Enomoto et al., 2003)。此外,He et al.(2007b)還討論了海溫對大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的影響,他們利用非地轉(zhuǎn)、斜壓的動力理論模型進行了敏感性試驗,發(fā)現(xiàn)氣候態(tài)的高海溫能激發(fā)更高頻的天氣尺度波動,而海溫的正異常能夠激發(fā)更大尺度、更低頻的行星尺度波動,闡明了氣候態(tài)海表溫度和異常的海表溫度各自對大氣季節(jié)內(nèi)振蕩傳播的影響。該結(jié)論也為全球變暖背景下海表溫度影響大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的研究提供了新視角。
綜上,東亞季風(fēng)受到來自不同源地大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的影響,然而,近年來越來越多的學(xué)者也開始認(rèn)識到東亞副熱帶季風(fēng)本身也可以作為北半球副熱帶的一個重要熱源強迫(Zhu and Li,2016),在季節(jié)內(nèi)尺度上對下游北美地區(qū)的氣候變率產(chǎn)生重要影響(Yang et al.,2020)。
隨著天氣和氣候預(yù)測技術(shù)的進一步發(fā)展,以大氣季節(jié)內(nèi)振蕩信號為預(yù)報源的延伸期天氣預(yù)報和短期氣候預(yù)測已成為大氣科學(xué)領(lǐng)域廣泛關(guān)注的熱點和前沿。針對東亞冬夏季風(fēng)的季節(jié)內(nèi)變率特征,He et al.(2011)揭示了冬季熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的兩個主模態(tài)和東亞冬季地表氣溫的超前滯后關(guān)系,為東亞冬季氣溫延伸期預(yù)報提供了理論支撐;李文鎧等(2014)強調(diào)了MJO的2~3位相和6~7位相對后期華南前汛期降水的影響,為華南前汛期降水的延伸期預(yù)報提供了科學(xué)依據(jù);He et al.(2015)基于東亞地區(qū)30~60 d季節(jié)內(nèi)振蕩經(jīng)向傳播的特點,利用東亞副熱帶季風(fēng)降水的前兩個模態(tài)的組合,設(shè)計了表征季風(fēng)雨帶季節(jié)內(nèi)向北推進的新指數(shù)(圖21),研發(fā)了東亞副熱帶季風(fēng)區(qū)延伸期監(jiān)測和預(yù)測的方法,取得了良好的效果。
近年來,Zhu et al.(2015)利用拓展的最大協(xié)方差方法提取了隨時間變化的預(yù)報因子場和預(yù)報量場時空耦合信息,融合了“過程預(yù)報過程”的統(tǒng)計預(yù)報思想,構(gòu)建了多種基于時空投影法的延伸期預(yù)報模式(Spatial Temporal Projection Model,STPM)。STPM不僅能將傳統(tǒng)的MJO指數(shù)統(tǒng)計預(yù)報時效提前5~10 d,還能夠較好地模擬冬夏季熱帶對流異常分布,把熱帶對流異常分布的延伸期預(yù)報時效延長至25~30 d。同時,基于長期對東亞季風(fēng)多尺度變異及其影響因子的理解和認(rèn)識,挑選了適用于不同預(yù)報對象的預(yù)報因子,分別建立了中國夏季降水異常分布(Zhu and Li,2017a)、夏季地表溫度及熱浪(Zhu and Li,2018)、冬季地表溫度與極端冷事件(Zhu and Li,2017b)、南海夏季風(fēng)爆發(fā)過程(Zhu and Li,2017c)和西北太平洋群發(fā)臺風(fēng)(Zhu et al.,2017)等統(tǒng)計延伸期預(yù)報模式,均達(dá)到了15~20 d的預(yù)報時效,顯示了可喜的預(yù)測技巧。
3 結(jié)語
從竺可楨、涂長望時期的“統(tǒng)計季風(fēng)”,到葉篤正、陶詩言等的“環(huán)流季風(fēng)”,再到當(dāng)今的“物理季風(fēng)”、“全球變暖下的季風(fēng)”;從印度季風(fēng),到東亞季風(fēng)、亞澳季風(fēng),再到全球季風(fēng)(Wang and Ding,2008;Wang et al.,2018);季風(fēng)研究不斷推進,逐步深入,從未停歇。
季風(fēng)作為自然奧秘的典型代表,吸引著我們不斷探索的腳步,進一步加深其變化機理的認(rèn)識、提升其預(yù)測水平,無論是過去、現(xiàn)在還是將來都是我們前進的動力和方向。未來季風(fēng)研究的一大挑戰(zhàn)是季風(fēng)的時空多尺度預(yù)測,包括延伸期、季節(jié)、年際、年代際預(yù)測和季風(fēng)變化預(yù)估以及季風(fēng)暴雨、季風(fēng)雨帶等,預(yù)測水平的提升依賴新理論的發(fā)現(xiàn)、新方法的探索以及新工具的應(yīng)用。此外,亞洲季風(fēng)區(qū)作為強大的熱源,可能對全球氣候產(chǎn)生影響,這或許是未來季風(fēng)研究的一大熱點。
我國科學(xué)家是亞洲季風(fēng)、特別是東亞季風(fēng)研究的主力之一,在東亞季風(fēng)研究方面具有顯著的國際地位和影響,季風(fēng)研究水平也位于國際前列。南京信息工程大學(xué)的季風(fēng)研究團隊作為國際季風(fēng)研究的重要力量之一,將秉承傳承發(fā)展、開拓創(chuàng)新的理念,始終堅守季風(fēng)研究的前沿陣地,不斷深化季風(fēng)理論認(rèn)識,為提升季風(fēng)預(yù)測水平做出重要貢獻。
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This paper reviews the main course of monsoon research in Nanjing University of Information Science and Technology (NUIST) since the founding of NUIST 60 years ago,and the important achievements in the Asian monsoon,especially in the East Asian monsoon.From 1980s to early 2000s,the successful implementation of the PRC-US,PRC-Japan cooperated monsoon research projects and the “South China Sea Monsoon Experiment” has greatly promoted the formation and growth of the monsoon research team in NUIST,and also contributed to a series of innovative achievements.First,the atmospheric circulation differences between the East Asian monsoon and the Indian monsoon were revealed,and the clear concept of the East Asian subtropical monsoon was proposed.Second,an earlier onset of the East Asian subtropical summer monsoon than the South China Sea summer monsoon with the former independent of the latter was found.Third,the Asian-Australian “l(fā)and bridge” was identified as the region with the most active convections in the Asian monsoon region in the Northern Hemisphere in spring,and the associated convection occurrence and northward advancement play a vital role in the onset of the East Asian summer monsoon.Fourth,the northward-propagation characteristics and mechanism of the summer intraseasonal oscillation over the East Asian monsoon region were unraveled and successfully applied to the extended-range forecast.These innovative achievements have made great contributions to the monsoon research.In recent years,NUIST has been adhering to the idea of “Open Development and Joint Development” and vigorously introducing high-level talents,which further contribute to the monsoon research.As one of the important teams dedicated to international monsoon research,NUIST monsoon research team will keep deepening the understanding of monsoon theory and improving the level of monsoon forecast.
Asian monsoon;South China Sea summer monsoon;East Asian subtropical summer monsoon;Meiyu;intraseasonal oscillation
doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200903001
(責(zé)任編輯:張福穎)