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东亚冬季风

2020-05-18
renql

主要翻译自2006年《The Asian monsoon》第三章

虽然亚洲冬季风和夏季风都是由于热力差异导致的,但两者之间的差异依旧很大。,例如:

  1. 亚洲冬季风的热源离赤道更近,从而使得科氏力的影响减弱。
  2. 亚洲冬季风跨越的径向范围大,使得热带与热带外存在较强的相互作用。

亚洲冬季风热带底层由东北信风控制(由于最大热源移到澳洲北部)。热带外底层由东北风控制,这是由西伯利亚高压Siberian-Mongolian high导致的。其中西伯利亚高压是一个很强的地表冷高压。当该地表冷高压向东南方向移动,靠近中国海岸线和太平洋西部时,就会爆发强冷空气。这些强冷空气可以在短时间内到达热带,带去温度变化,一般称之为“冷涌”cold surge。因此在亚洲冬季风期间,中高纬度的斜压发展可以对热带地区产生很强的影响。

冬季,最重要的热源位于海洋性大陆和澳大利亚北部。东亚强斜压系统和冷涌与该热源的相互作用能影响东亚急流,进而影响西太平洋到北美的天气。有研究表明海洋性大陆热源的突然爆发会产生向下游传播的波列,进而影响欧洲风暴轴的发展。然而在数值模拟中,西太平洋、海洋性大陆、澳大利亚的冬季模拟存在较大误差,这可能是因为模式对这些地区的热源描述存在误差。他们认为海洋性大陆上的冷偏差是导致热带印度洋、太平洋、北美和欧洲东北部模拟误差的主要原因。

冬季平均环流

中纬度冬季平均环流

东亚冬季风一般是11月到次年3月,其强度可以影响中国东部、韩国、日本等区域的温度和降水。地表由冷的西伯利亚高压、阿留申低压、强径向温度梯度控制。西伯利亚高压的中心强度常用来表示东亚冬季风强度。以温度骤降和风速增大为特征的冷涌事件是亚洲冬季风一个显著的瞬变活动。冷涌也会影响海洋性大陆的对流以及南半球的季风发展。

对流层中层,东亚长波槽位于日本,在槽南部存在副热带急流,槽上游存在辐合区。对流层高层,急流核位于日本南部。总的来说,东亚冬季是一个强斜压区域,以强垂直风切变和贯穿整个对流层的冷平流为标志。

很多研究表明青藏高原的地形作用对维持东亚冬季风的底层流场配置和高层急流起到重要作用。此外也有学者认为海陆热力对比也是东亚冬季风的主要驱动因子,其中西北太平洋强对流降水产生的潜热加热时主要的热源,大陆由于辐射冷却、下沉运动及持续的冷平流而形成一个冷盖,属于热汇

热带冬季平均环流

冬季,热带主要热源从夏季的南亚向东南方向移到海洋性大陆和赤道西太平洋。而副热带主要热源则位于东亚副热带急流南部,与热带热源处于相同经度范围内,意味着中纬度和热带可能存在强相互作用。

由于赤道科氏力的减弱消失,海洋性大陆对流层上层的流出气流在赤道热源两侧均形成反气旋环流。

地表季风槽位于澳大利亚北部,刚好在中纬度强降水南边。

在澳大利亚,对流层底层西风和与之相关的降水替换了南半球冬季盛行的干的东南信风。底层北部的离岸西风输送湿空气进入陆地,使得季风向澳大利亚中纬度扩展。

东亚冬季风的天气过程

爆发性气旋 Explosive cyclones

气旋是亚洲冬季风期间活跃的天气制造系统。很多气旋在中国东部发展,当移出东亚海岸线后,冷的空气遇到暖的洋面后迅速发展、深厚。学者们发现气旋的爆发性发展经常在移动槽下游700-800km处发生,经过黑潮区域的气旋中有90%会增强。

北美东海岸,暖的湾流内部或北部,也经常会发生气旋的爆发性发展。由于东亚位于东亚急流入口区(高层辐合),因此东亚气旋发展速度相比于北美气旋要慢且弱很多。

也有研究人员发现潜热释放也是觉得气旋是否能快速发展的一个关键因素,但背景场的强斜压性更为重要。而斜压性则来源于海平面温度的径向梯度,它与爆发性气旋的频率有密切关系。

除了地表原因外,也有学者认为高层槽的热力和涡度平流也很重要,因为他们会引起上升运动。

也有学者认为底层急流的热力和水汽平流也很重要。

冷涌 Cold surges

冷涌是亚洲冬季风最具戏剧性的天气事件,可以影响从东亚到西太平洋的大部分区域。平均每个月会发生1到3次,是西伯利亚高压增强或向东南方向移动or扩展or分裂的结果,导致西伯利亚高压东部和南部的东北风增强、地表温度下降。该过程可以快速发展进而影响中国南海区域。

由于中国海南部靠近赤道,暖洋面使由冷涌带来的地表降温减弱,因此此时也称冷涌为压涌。尽管该冷事件的爆发存在很多定义,但他们都包含短时间内的温度骤降、东北风加速以及持续一段时间的强风。

香港将上述冷涌过程称为“北风涌”。另外还有一种与地表东风增强有关的“东风涌”,这种天气过程伴随着底层反气旋向东移动,靠近中国东海岸,主要影响南海北部区域。

向东南方向移到菲律宾喝赤道西太平洋的冷涌时间还与赤道西太平洋的西风事件及对流增强有关。

冷涌的发展过程

冷涌的发展一般起源于地表高压的建立、向东南扩展或分类。此时,西伯利亚高压中心可能会随着一起向东南方向移动,也可能保持静止,但会有一些冷空气包伴随着小高压中心或反气旋中心向动移动。

西伯利亚对流层高层的环流变化一直被认为是冷涌的前奏。最众所周知的变化是贝加尔湖附近、与对流层高层波动相关的西北风,该变化超前于中国南部冷涌1-2天。此外,也有研究表明与西伯利亚北部发展的西风脊相关的对流层高层异常东北风也可能预示着几天后会发生冷涌。当一个短波向东传播进入位于日本附近、相对静止的东亚大槽中,东亚大槽的加深会增强北风及到达中国南部的冷涌。与短波相关的急流也会通过急流入口区北侧的下沉运动加强西伯利亚高压。与贝加尔湖附近高层北风分量相关的强冷平流过程一定强于下沉增暖,因此等熵面下降,成为到达南海北部的冷涌。虽然冷涌起源于中纬度对流层高层,但它对南海的影响则局限于地表到850hPa高度的薄层中。

1971年Ramage观测到了一个冷涌发展东亚局地Hadley环流增强几乎同时发生的案例。Chang和Lau认为该冷涌发展导致了中纬度和热带行星尺度环流在一周内的变化。在冷涌爆发前,中纬度斜压性增强,导致东亚大槽南部的中纬度西风急流增强。冷涌到达南海北部大约一天后,冷涌下游的热带深对流增强,使得Hadley环流和Walker环流增强。对流层上层的径向回流空气(南风)在急流入口处(日本附近)增强,有利于急流的进一步增强和东移。

上述例子描述了单个冷涌事件在大约一周时间内的发展过程。然而,南海北部的冷涌信号一般都是连续的,中间只有一到几天的时间间隔。且并不是所有的冷涌事件都伴随着西伯利亚高压的西南扩张或分裂,但东亚大槽的增强和急流向东扩张始终是冷涌事件的重要组成部分。

一般认为东亚大槽的增强是因为从西边过来的短波槽,但太平洋脊的增强亦会使东亚大槽加深,配合从西边过来的短波槽,触发冷涌事件。

冷涌的重力波特征

与冷涌相关的地表反气旋的移动和高层西风槽都包含相对、行星涡度平流。在地表高压中心向东南方向移动后,南海北部底层东北风的自发增强变冷表明冷涌的发展速度快于Rossby波内部的平流过程。热带地区地表气旋性环流会因此快速发展增强。这些气旋与深对流的突然强盛有关。这些现象让学者们开始考虑冷涌过程中可能包含重力波。随后举了赤道beta平面的模式模拟结果和观测两个例子来说明该猜想。

东亚冬季风的年际变率

东亚冬季风强时,表明西伯利亚高压、阿留申低压以及俄罗斯海岸的东北风强,对流层中层的槽加深,高层西风急流增强。且强的东亚冬季风往往对应着华南地区降水减少、海洋性大陆降水增加。一般认为赤道东太平洋的异常增暖(EINino)会通过两次海气相互作用引起底层西北太平洋异常反气旋,进而使东亚冬季风减弱。LaNina则会使东亚冬季风增强。不过据说这个关系并不是很稳固,容易PDO(Pacific Decadal Oscillation)位相的调节。

此外一些研究表明异常的东亚冬季风会通过引起异常对流和在赤道西太平洋引起异常西风来引起赤道东太平洋的异常SST。还有研究认为东亚冬季风通过风蒸发反馈在ENSO与季风的准两年振荡中起到重要的作用。但Wang等人(2004)认为ENSO对东亚东季风的影响更为显著,因为异常的东亚冬季风本身并不是引起ENSO的充要条件。

此外,西北太平洋和热带外北太平洋海温也在东亚冬季风的年际变率中起到重要的作用,且这种作用与热带中东太平洋海温的作用不同。

此外,欧亚大陆积雪也能影响东亚冬季风。当西伯利亚、中国东北部、俄罗斯远东的积雪异常多时,西伯利亚高压和阿留申低压均增强,东亚急流增强,对流层底层偏冷,冬季风增强。积雪的作用是非常直接的,自下而上的,主要局限于对流层底层;而热带海温对东亚冬季风的作用则是自上而下的

东亚冬季风也存在年代际变化,最显著的一个变化是:自1980s年代开始东亚冬季风开始减弱(以40-60N,70-120E区域平均的地表气压为指标),2000年代中期增强。很多学者认为这与NAO/AO、PDO有关,毕竟NAO在1980s年代也有一次位相转变。一般NAO与欧亚大陆的地表温度及积雪变化有关,因此它可能通过热平流影响东亚冬季风。此外,也有研究认为地中海附近、与NAO有关的异常辐合能引起高层波列并导致东亚地表增温。然而,一些研究认为西伯利亚的异常积雪能引起NAO/AO的位相转变及东亚冬季风的变化,从而导致两者很高的同时相关,即两者不存在因果关系

东亚冬季风在不同时间尺度上的变化和变率受很多学者关注,目前发现其存在准两年振荡、年代际振荡。有学者发现自1980s年代中期开始,东亚冬季风显著减弱,有人认为这是对冬季东亚大槽强度减弱、位置东移的响应。然而在1950s到1970s期间,东亚冬季风还相对比较强,尤其在1960s和1970s。有学者认为东亚冬季风的减弱可能与全球变暖有关,因为欧亚大陆中高纬冬季对全球变暖的响应比较显著。例如,1951-1999年,冬季(DJF)中国的增暖速率为0.3-0.35摄氏度/10年,远远大于年平均的增温速率0.06-0.07摄氏度/10年。已有很多研究基于726个地表站点数据研究中国冬季平均温度和降水在1951-2000年间的长期变化,发现冬季平均温度自1980s中期开始迅速升温,且这种正温度异常一直持续到2000年,从而造成17个连续暖冬。区域增暖现象非常明显,中国北部、东北、西北以及青藏高原区域的增暖最为显著。至于降水,中国西北、青藏高原以及中国西南地区降水的长期变化呈现出增长趋势。比较有趣的是,地表风速自1970s后期开始显著减弱,与全球冬季的快速增暖时期一致。到了1980s中期,地表风速的减弱趋势更加显著,而这与中国冬季平均温度的变化时期一致。

人类活动会如何影响东亚冬季风呢?以往已有很多文章利用观测资料或模式研究发现全球变暖倾向于减弱东亚冬季风。而中国东部大尺度城市化也倾向于增加中国东部的地表气温,减弱东亚冬季风,但会增强中国东北地区的冬季风。除了全球变暖和城市化,人为气溶胶对东亚气候的影响也越来越受到重视,因为严重的大气污染事件在近几十年频发。因此有很多关于人为气溶胶对东亚夏季风和华南春季降水影响的文章。然而人为气溶胶对东亚冬季风的研究则相对较少。Liu2009年利用全球气候模式研究了气溶胶对东亚冬季风的影响,发现硫酸盐倾向于降低东亚地表气温,减弱中国东南部的季风环流。Niu2020利用全球气候模式发现气溶胶的增加会加热大气,在中国中东部产生一个气旋性环流异常。然而这些研究都是基于旧的大气环流模式CAM,而这些旧模式中只考虑了气溶胶的直接效应。(翻译自Jiang, Y., X. Yang, X. Liu, D. Yang, X. Sun, M. Wang, A. Ding, T. Wang, and C. Fu, 2017: Anthropogenic aerosol effects on East Asian winter monsoon: The role of black carbon-induced Tibetan Plateau warming. J. Geophys. Res. Atmos., 122, 5883–5902.)


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