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季风这一古老的气候学问题,一直以来都是大气科学的研究热点。然而,关于季风成因这样一个十分基本且十分重要的问题,学术界尚存争议。大多数学者认为海陆热力对比是季风环流的根本驱动力:部分学者则强调高大地形的作用;最近有研究表明,数值模式中去除亚洲地区海陆热力对比以后,同样可以模拟出亚洲季风的大部分特征。事实上,海陆分布、地形及海温是季风形成过程中的三个十分重要的分量。从不同的侧面(比如,降水的季节性差异或冬夏季风向的反转等)去研究季风,三者的相对重要性可能不同,不同季风区的情况也可能有很大差别。就像十七世纪初开始的关于光的波动性和粒子性之争一样,有的科学家坚持粒子说,有的科学家则维护波动说,争论持续了三百多年,直至二十世纪初以光的波粒二象性而告终,即在有些情况下光表现为波动性,有些情况下则表现为粒子性。对海陆分布、地形及海温在季风系统中的相对重要性也可能存在类似的情况,不宜笼统地说准的作用是决定性的,需要具体问题具体分析。因此,本文将研究重点放在从不同侧面去讨论海陆分布和地形对季风的相对贡献。为此,我们设计了大量数值试验,通过改变数值模式下垫面海陆分布和地形,将不同的海陆分布和地形的作用区分开,研究大气对不同地区、不同尺度的海陆分布及地形的响应特征和强度。
海陆分布试验的结果表明:陆地的纬度是影响季风环流及降水的重要因素。当副热带大陆向南扩展到27°N以后,热带季风才开始出现,并且随着陆地的南扩,季风爆发时间提前、撤退时间推后,季风强度也不断增强。当东西向海陆分布出现后,大陆与海洋之间东西向气压梯度随季节发生反转,东亚副热带季风出现。但从风场米看,冬夏季风风向反转的区域仍限于35°N以南地区。热带陆地(非洲、印度半岛、中南半岛)出现后,使得陆地上空及其以两地区对流层低层的西风显著增强增厚,对流层高层东风也显著增强。印度半岛和中南半岛的出现使得南亚季风显著增强并向低纬扩展,通过不同试验比较发现,南亚次尺度陆地对季风区西风增量的贡献相当于亚洲高大地形贡献的50%:非洲大陆出现后,非洲季风及越赤道气流出现,但越赤道气流主体出现在非洲人陆上空,非洲大陆的出现对亚洲季风环流没有明显影响。
通过一系列地形试验,证实了青藏高原在亚洲季风系统中的重要作用,高原的出现使得南亚夏季风增强北进,东亚季风增强,范同向北方扩展。需要特别强调的是,非洲地形在亚洲季风系统中的作用也是十分重要的。虽然非洲地形的出现对南亚地区低层两风的水平范围及降水的季节性影响不大。但却使南亚地区西风明显增强增厚,对流层上层的东风也显著增强,说明非洲地形出现后,南亚地区大气斜压性明显增强。非洲地形对季风区西风增量的贡献与亚洲高大地形的贡献相当,对热带对流层上层东风增量的贡献大约相当丁亚洲高大地形贡献的70%。从不同地形试验结果的比较来看,亚非大尺度地形对亚洲季风的影响最大,季风区内次尺度地形及季风区外地形对亚洲季风的影响要小得多。从对季风范围、季风厚度及季风强度等方面的影响米看,南亚次尺度陆地对南亚季风的影响远比南亚次尺度地形重要。总体来说,与地形相比,低纬地区的海陆分布是影响低层季风水平范围的主要因素,亚非地形的出现对季风范围影响较小,但却使季风西风显著增厚。
此外,海温分布对亚澳季风的影响也是不容忽视的,大范同海温变化的影响可能比高大地形的影响还要重要。从海陆分布、地形及海温试验结果之间的相互比较来看,全球尺度海温分布的变化对低层季风区内风场及降水的水平分布特征的影响比海陆分布及亚非地形的影响还大。无论是对无山试验还是全山试验来说,当模式海温强迫由纬向平均海温换为实际海温分布以后,澳大利亚季风和南海夏季风才出现。这也进一步证实了海温分布在季风系统中的重要性。