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本文运用两种MJO指数、NCAR/NCEP再分析资料、日本降水资料和云南省站点资料等,立足于季节内振荡(ISO)理论,研究了热带季节内振荡的气候特征和年际变化;在此基础上着眼于亚洲夏季风系统,分析了孟加拉湾西南季风和南海热带季风及其季节内振荡特征的异同以及热带印度洋MJO(热带季节内振荡)分别对这两支季风ISO的激发作用;并以云南汛期的三个阶段为研究对象,阐述了两支季风系统的ISO对云南汛期的综合作用,揭示了MJO与云南主汛期ISO之间的联系及其对云南汛期天气-气候的影响。
本文首先研究了热带季节内振荡的气候特征和年际变化:通过对RMM(实时多变量MJO)指数和逐候MJO指数的分析得到了MJO强度和传播的季节性特征。MJO1-4位相和5-8位相中的对流和环流形势具有反位相特征,这是由于MJO对流主体沿赤道东传,同时激发ISO在阿拉伯海、孟加拉湾和南海这三个重要通道上的北传引起的。根据MJO强度变化将全年划分为5个阶段:MJO在11-3月(北半球冬半年)较强,4月(亚洲夏季风酝酿期)较弱,5月(亚洲夏季风建立期)时为全年最强,6-8月(亚洲夏季风盛行期)为全年最弱,9-10月(亚洲夏季风减退期)时有所回升。与MJO相联系的对流主体东传在4月时和11月-次年3月时东传路径主要在南半球热带地区,与冬半年时ITCZ(赤道辅合带)主要在南半球热带活动的形势相符;5月时对流主体东传路径最北,北传最明显,这与北半球大气环流从冬季型向夏季型的转换相联系,有利于亚洲夏季风的建立。夏季和秋季时,对流主体除东传和北传外,还有向阿拉伯海的西北向传播。用亚洲季风区内低层(850hPa)低频(30-60d)纬向风表征热带季节内振荡,其在70年代前的周期变化不明显,而在70年代以后则有几种不同尺度的振荡周期叠加在一起,随后的周期变化逐渐缩短。尽管MJO与ENSO和亚洲夏季风在时空尺度上截然不同,但它们的周期变化具有密切联系。
在上述对热带季节内振荡研究的基础上,本文接下来分别研究了亚洲夏季风中孟加拉湾西南季风(属于南亚夏季风)和南海热带季风(属于东亚夏季风)及其季节内振荡特征的异同,以及热带印度洋MJO对它们的激发作用:
就气候特征而言,孟加拉湾西南季风和南海热带季风在爆发时间、强度大小、持续时间长短、向北推进程度、建立过程快慢、盛行风经纬向分量对比、撤退时间和垂直经圈环流特征等方面均具有显著差异。在根据夏季风进程划分的不同阶段中,对流活跃区、低层环流和降水也各有差异。
就季节内振荡特征而言,孟加拉湾西南季风ISO和南海热带季风ISO在季风爆发前都有一个较弱的酝酿过程,在夏季风期内都有约3次半的ISO波动,但孟加拉湾西南季风ISO开始较早。在纬向传播上,孟加拉湾西南季风ISO主要为东传,在夏季风期内的第2次波动为全年最强,而南海热带季风ISO则是东传与西传并存,第1次波动为全年最强。在经向传播上,孟加拉湾在约15°N以南为ISO从热带东印度洋的北传,在约15°N以北为南传;而南海则是4次季风ISO从热带的北传。在以孟加拉湾西南季风ISO和南海热带季风ISO分别划分的6个位相中,都存在着1-3位相和4-6位相中低频对流、环流形势相反的特征,这是由热带东印度洋ISO的东传和北传所致。热带印度洋ISO沿西南-东北向经过约14d传到孟加拉湾,激发了孟加拉湾西南季风ISO,再经过约6d继续东传到南海,激发了南海热带季风ISO向华南的北传,再经过约25d的时间传到华南,形成ISO从热带印度洋向华南的经纬向接力传播,周期约为45d。孟加拉湾西南季风ISO所影响的降水主要是在20°N以南的热带地区的雨带随着低频对流区的东移而东移;而南海热带季风ISO所影响的降水除了这种热带地区雨带随低频对流区的东移外,还有在20°N以北的东亚副热带地区雨带随着南海低频对流区的北移而北移。
就热带印度洋MJO对两支季风的影响而言,MJO1(MJO逐候指数第一模态,对流主体位于80°E附近)在4月21日-5月5日的平均值与孟加拉湾西南夏季风ISO强度为显著负相关。当热带东印度洋MJO在春末夏初较活跃时,这种异常通过其对西南季风ISO的东传和北传的影响作用于孟加拉湾西南季风ISO的强度和位相,可持续整个季风期,使得孟加拉湾西南季风ISO酝酿期和活跃期提前发生、季风期延长、振荡强度增强。反之,当热带印度洋MJO在春末夏初不活跃年时,孟加拉湾西南夏季风ISO活动较弱,振荡不规律。另外,MJO1在4月第1-2候的平均值与南海热带季风ISO强度呈显著负相关,当热带印度洋MJO在4月第1-2候较活跃时,在随后夏季风期也大致偏强, ISO向南海的传播也较强,使得南海夏季风ISO加强;反之,当热带印度洋MJO在4月第1-2候不活跃时,南海夏季风ISO也将减弱。MJO1在春季的异常状况可以为我们预测随后孟加拉湾西南季风和南海热带季风ISO的强度以及分析相关地区的降水异常提供一定参考。
热带印度洋MJO对于亚洲夏季风的上述激发作用,将对亚洲天气-气候产生重要影响,本文以云南汛期的季节内振荡活动和降水为分析对象,将云南汛期划分为三个阶段分别进行研究:
在针对云南从干季向雨季的过渡期(5月)的研究中发现:在MJO不同位相上,云南5月降水呈现明显差异。在第1-3位相,孟加拉湾还未形成西南向水汽输送,云南处于水汽辐散区,降水较少;第4位相时对流主体到达孟加拉湾并生成气旋性环流,向云南输送水汽,降水增多;第5位相时对流主体传到南海以南并形成北传的气旋性环流;第6位相时MJO对流主体虽然东移出孟加拉湾,但孟加拉湾和南海的两个气旋性环流依然维持并继续北传,孟加拉湾气旋东部的西南风和南海气旋西部的东北风在云南交汇,云南被强烈的水汽辐合区控制,降水最充沛。第7、8位相时,对流主体减弱并东移到西太平洋,孟加拉湾停止向云南的水汽输送,云南处于水汽辐散区控制下,降水减少。MJO主体在东传过程中,分别在孟加拉湾和南海两条通道出现对流的北传,强盛的水汽输送和两个海区气旋性环流的有利配置是造成云南5月降水主要原因。
另外,发现关键区(77.5~82.5°E,5~10°N)内OLR低频振荡在4月2-3候的平均值与云南5月降水具有显著负相关关系。云南5月多雨年时,关键区在4月2-3候出现的强低频对流标志着亚洲热带季风开始在关键区建立并进入ISO活跃期,约20 d后的4月末-5月初关键区低频振荡再次进入活跃位相,激发西南季风沿西南-东北方向传播并开始向云南输送水汽,当低频对流传到云南后,西南季风在云南建立,云南较早进入雨季期,5月降水迅速增多。而当关键区低频信号于4月末-5月初较晚出现时,第二次低频对流和西南季风ISO的东北向传播也随之推迟,云南夏季风的建立和雨季的开始均偏晚,5月降水偏少。因此,关键区内低频OLR在4月2-3侯平均值可作为云南雨季开始早晚和5月降水多寡的前兆信号。
在针对云南主汛期(6-8月)的研究中发现:可用低频OLR表征云南夏季风ISO。在云南主汛期ISO活跃年时,主汛期ISO主要来自于两条传播路径:赤道印度洋低频对流一方面沿孟加拉湾西岸作西南-东北向传播,激发了孟加拉湾西南季风ISO继续向云南传播;另一方面东传到南海以南的热带洋面并向南海北传,激发了南海热带季风ISO北传到副热带中国东部地区,再向云南西传,越过云南后与从东北方向传来的低频对流在孟加拉湾以北地区交汇,完成了一个经纬向接力传播的周期。而在云南主汛期ISO不活跃年时,主汛期ISO仅有两次弱的传播:从副热带西太平洋的西传和从阿拉伯海北部的东传。因此,正是热带印度洋ISO通过两条路径对南海夏季风ISO和孟加拉湾西南季风ISO的激发,使得东亚夏季风和南亚夏季风这两个亚洲夏季风系统共同作用于云南汛期ISO。当热带印度洋MJO较强时,激发ISO传播增强,经过约30-40d左右的时间到达云南,云南主汛期ISO也加强。另外,云南汛期降水与当地的低频对流有较好的对应关系,将云南主汛期ISO划分为6个位相:在1-3位相(或4-6位相),由于副热带低频对流活跃区(或抑制区)向云南的西传和孟加拉湾低频对流活跃区(或抑制区)向云南的东北向传播,云南主汛期降水处于正距平(或负距平)。上述结论为今后通过监测热带印度洋MJO对云南汛期降水进行短期气候预测提供了理论依据。
在针对云南雨季结束期的研究中发现:云南10月水汽来源主要是孟加拉湾、南海及西太平洋。在MJO不同位相上,云南10月降水呈现明显差异。当MJO对流中心移动到孟加拉湾(第4位相)时激发的气旋性环流有利于孟加拉湾西南风向云南的水汽输送,强大的对流活跃区可控制云南,该位相降水最多;随后MJO对流中心继续东移到南海-热带西太平洋(第5-7位相),激发出南海或热带西太平洋的气旋性环流,有利于向云南输送西太平洋水汽,因此这3个位相中降水也较多;而其余的1-3位相和8位相中降水则较少。
本文的结论中,一部分是对前人研究结论的验证,在此基础上,首次发现热带印度洋MJO是影响孟加拉湾西南季风和南海热带季风季节内振荡的关键区,利用前期MJO异常可预测随后两支季风环流的活动情况;首次开展了关于ISO对云南汛期不同阶段影响的研究;首次揭示了两支不同季风系统中ISO影响云南的路径,分析了南亚夏季风和东亚下季风通过季节内振荡对云南夏季风和汛期降水的综合影响。