RQL's Blog 菜鸟成长记

东亚夏季风简介

2020-06-30
renql

虽然经常看到有关于东亚夏季风的研究工作,自认为对其很熟悉,但忽然让我用几句话概括其基本特征时,却又不知道说啥,还怕概括漏了。因此这几天参考了那些有关EASM论文的introduction,学习他们是如何言简意赅地讲述EASM。

C.-P. Chang, 2004,《东亚季风》一书的前言

亚洲夏季风一词常用来指代南亚夏季的强降水季节,尤其是印度地区的。而东亚夏季风一词对于一些西方国家来说是比较陌生的。这是因为在夏季季节平均的地图上,南亚大部分区域的降水都很强,而东亚降水则相对弱很多。事实上,东亚夏季风具有不同于南亚夏季风的复杂时空结构。首先,东亚夏季风覆盖副热带和中纬度区域,其降水倾向于聚集在一条长几千公里的狭长雨带上,影响中国、日本、韩国及周围地区。窄的径向尺度、在准静止和向北移动两个状态间来回切换的特点,使东亚地区季节平均降水没有南亚那么集中。但是,由于与窄河流耦合的季节内时空结构对年际变化非常敏感,因此东亚夏季风期间的洪涝对人类生活和经济的影响同南亚季风一样重要。例如正常雨季内的强降水或者雨季维持时间异常长等事件都可以导致洪水。

东亚夏季风与西太平洋夏季风密切联系。两者都是全球气候系统的一部分,都受ENSO、西太及其周围海域地表温度、对流层准两年振荡(Tropospheric biennial oscillation)、南亚夏季风的影响。此外,在东亚夏季风期间,西太台风最为活跃。因此西太台风也被认为使东亚夏季风的一部分,因为他们贡献了大部分的降水同时对东亚地区有重要影响。

西方世界对东亚冬季风或者亚洲冬季风则相对熟悉很多。东亚冬季风环流覆盖广泛的纬度范围。冷空气从西伯利亚高压出发,深入赤道地区。此时赤道最强降水中心位于海洋性大陆,该中心一直以来都被认为是冬季行星尺度最大热源,驱动着全球环流。东亚冬季风通过跨越赤道的Hadley与澳大利亚夏季风直接联系,且两者都受到ENSO及太平洋和印度洋其他振荡的影响。此外,也发现了一些与东亚冬季风有关的全球遥相关现象,例如东亚急流振荡与北美温度降水的关系、欧洲冬季风暴发展与海洋性大陆前期对流的关系。

由于东亚季风影响了将近全球三分之一的人口以及全球气候系统,对于东亚季风的研究越来越受到东亚国家以及美国的关注。《东亚季风》这本书回顾了最近关于该课题的研究进展,主要分为五个部分(每个部分包含三个章节):东亚夏季和冬季季风年际变率全球环流模式天气尺度和中尺度过程与其他环流系统的相互作用

Sample,Xie,2010,Large-Scale Dynamics of the Meiyu-Baiu Rainband: Environmental Forcing by the Westerly Jet

东亚夏季早期的主要特征是从中国东南部到日本的准静止雨带。该雨带带来了大量的季节降水,在中国叫梅雨,日本叫baiu。该雨带从小时到年际都具有显著变率,使其成为东亚唯一最重要的气候现象。梅雨期间异常少的降水会导致干旱并影响社会经济活动。但若梅雨期间降水异常活跃,可能会有暴雨,导致洪涝和泥石流,1998年长江流域的洪水灾害就是一个例子。

在中国长江流域和日本中部,梅雨在6月中上旬出现,7月中旬结束。在该雨带内,中尺度扰动伴随强对流和强降水发展。梅雨是东亚夏季风的一部分。5月,降水首先出现在中国南海、印度支那半岛和菲律宾,随后向北移动到长江流域和日本。7月中旬,雨带又迅速移到中国北部及韩国,从而结束梅雨。

梅雨雨带形成于副热带暖湿气团的北边界。北太平洋副热带高压西部的西南气流为梅雨输送水汽。来自印度支那半岛和中国南海的底层西南气流也是水汽输送的重要源头。由于积云对流活动的结果,在雨带中偶尔会观察到强降雨,伴随着对流层中层增暖和潮湿。梅雨雨带伴随着对流层下部的特点锋面结构,称为梅雨锋,可识别为比湿和相当位温的强梯度和水平风切变线。不同于水汽,底层温度梯度在中国弱,日本中等强度,因此梅雨锋与传统的冷暖锋或极锋(冷暖空气交界面)不同。Ninomiya认为梅雨锋是副热带锋,以其特征是在南部有一个厚的湿润层,具有湿中性分层,伴随水汽急剧地向极减少。

梅雨锋的爆发伴随着西太副高脊的向北移动和高层西风急流移到TP北部。此时,作为强季风对流的响应,南亚高压位于25-30N的对流层上层,而急流位于该高压北侧。地表,一个行星尺度的低压系统在大陆形成,因海陆热力差异而增强。该热低压导致了欧亚大陆东部的底层南风,从而有利于向梅雨雨带提供水汽。梅雨期间,上层副热带急流核位于雨带北部,而在雨带南侧往往能观测到一个底层西风急流。因此,在梅雨活跃期间,西风急流呈现出向北倾斜的特征。梅雨雨带的结束则以高层西风急流的急剧北跳和西太副高的北进。这些突变可能是由来自西方的Rossby波传播和南方对流活动引起的。副热带西北太平洋在7月下旬开始的对流常与梅雨雨带的结束有关,形成一个类似PJ(太平洋-日本)模态的径向偶极子。副热带西北太平洋的海温超过了梅雨地区,但7月下旬之前梅雨地区的对流更强,这也是一个令人困惑的问题。

尽管梅雨雨带很重要,但我们目前对它的大尺度动力学理解不够。很多模式在模拟天气尺度梅雨雨带的气候态及其季节演变时依然存在问题。困难根源在于对流参数化这一长期问题,在代表雨带内凝结加热和提供水汽的环流之间的相互作用这一方面依然存在挑战。对流强烈依赖于底层环流,而梅雨雨带中的对流加热又可以引起一个显著的环流响应,因此,研究观测中的对流和底层环流不足以解释梅雨系统的成因。有必要分离出引导气候态雨带的外部强迫。然而一些基本问题还未解决:什么决定了梅雨雨带的位置和时间?地表相当位温明明是梅雨雨带南部比较强,但为什么梅雨地区的对流非常活跃?大气环流模式(AGCMs)最近得到了改进,其中一些模型随着分辨率的提高,开始在初夏产生类似梅雨的气候雨带。为了验证和解释AGCM模拟,以及发展假设以在模式中进行检验,对梅雨气候动力学的理解是必要的。

除了内部对流反馈之外,这种动力学理解还必须识别导致梅雨形成的外部大尺度环境条件。西太副高就是这样一种环境强迫,它可以分解成两部分,一部分是与梅雨对流相互作用的内部变量,另一部分是由海陆热力对比导致的大尺度变量。在欧亚大陆东部,陆地热低压和海洋副高之间的底层南风通过水汽输送使雨带北移。在欧亚大陆西部,情况相反,雨带被向赤道推移。因此,纬向的海陆对比维持了大陆尺度雨带的东北倾斜,为类似于东亚梅雨的副热带雨带的形成奠定了基础。TP抬高的热源通过在对流层底层驱动出一个气旋性环流加强了这一趋势。

该文研究了梅雨的大尺度动力学,且主要关注于环境强迫。此处,环境强迫指外部且不受梅雨雨带很强影响的强迫。例如,日本南部底层风场辐合就不属于环境强迫,因为它与梅雨雨带间存在相互作用。在寻找环境强迫的过程中,作者发现梅雨与高层西风急流间存在经验关系。他们的进一步分析表明这种关系不是巧合。西风急流引起的从TP东部过来的暖平流及急流引导的扰动都有利于对流的发生。与20世纪90年代之前的研究相比,改研究受益于一项新发布的大气再分析数据,它使用一个动态模型来吸收不断增加的观测数据,包括站点观测和卫星观测数据。从这种再分析数据中计算出的新的梅雨气候学是对未来研究有用的副产品。

梅雨的中尺度特征虽然对暴雨有重要影响,但超出了该研究的范围。梅雨作为一种中尺度/天气尺度的天气现象,已得到广泛的研究,但仍需要建立一个气候动力学框架来理解作为一种气候现象的梅雨雨带。该文将环境强迫与内部对流反馈分离的努力就是这样一种尝试。同一现象的天气和气候方面受截然不同的动力控制,这是很常见的。例如,单个的中纬度冬季风暴会形成较大的振幅,并且是高度非线性的,但是风暴路径的变异性往往可以用线性动力学来表示,并对来自热带的缓慢海温的强迫有反应。

Chen,Bordoni,2014,Orographic Effects of the Tibetan Plateau on the East Asian Summer Monsoon: An Energetic Perspective

季风通常被定义为伴随纬向不对称加热的干湿交替的季节性盛行风的夏季热带环流,对大气环流、全球水循环和大气能量输送具有重大而深远的影响。作为地球上最大的季风系统,亚洲季风在整个东半球具有重要作用,影响全球60%的人口。东亚夏季风是亚洲季风的一个重要分支。从大尺度来说,东亚夏季风以西南-东北延申、跨越中国日本直到太平洋西北部的雨带为特征。该该雨带为中国和日本带来主要降水。其季节内变率和年际变率能导致洪涝、干旱、热量及其他自然灾害,影响数百万人民的生活并造成巨大经济损失。

EASM与南亚季风及其他季风不同,因为他受到来自热带和中纬度锋面与西风急流的混合影响。EASM的显著特征是季节性的向北和东北迁移,且迁移过程中有三个平稳周期,两次突然的向北跳跃和快速的向南撤退:5月中旬强降水出现在中国南海和热带海域;6月中旬迅速北移到长江流域、朝鲜半岛、日本南部,此时梅雨锋达到成熟期;7月中旬,雨带北跳指中国北部,标志着梅雨的结束;8月末雨带撤回中国南部。

一般认为是海陆热力对比、大地形强迫和副热带西风急流的季节性移动导致了东亚夏季风的形成。
在理想实验中,如果只设置理想的海陆分布,即只有海陆热力对比,此时由于陆地和海洋对太阳辐射季节变化的不同响应,通过Rossby波和底层从海洋到陆地的湿静力能通量,在大陆东边产生降雨,大陆西边干旱,类似于欧亚大陆夏季的状况。
更复杂的实验表明,只有在模式中加入亚洲地形,东亚夏季风才能被模拟出来。

一直以来,大家都认为TP通过热力作用对亚洲气候态具有显著作用。暖季,TP区域增加的地表热通量驱动大尺度大气环流并增强海陆热力对比,导致EASM增强。抬升的热通量也会使地表气流沿山坡穿越等位温线造成对流层底层的气旋性环流和对流层高层的反气旋性环流。底层的气旋性环流增强了EASM的水汽输送,从而增强降水。作为大尺度亚洲季风的标志之一,南亚高压的建立,对EASM区域大气环流的季节性演变有重要影响,同时也对整个北半球有深远意义。

然而最近的研究表明TP的动力作用可能也很重要。春季后期,副热带西风急流核心依然位于TP区域,导致底层下游有辐合区,这可能是EASM的驱动因子之一。这或许可以解释为什么梅雨锋在7月中旬结束,与副热带西风急流北跳同时发生,尽管此时海陆热力对比增强。虽然这是一种暗示,但这种机制在MB雨带形成过程中的精确工作还没有被完全研究。

在最近的一项观察性研究中,Sampe和Xie(2010)呼吁重新解释TP对EASM的热影响。在夏季前期,由于抬高的地形和南亚季风对流潜热,TP上和南部空气比周围区域暖很多。而此时副热带急流依然位于TP区域,使得TP东南部的暖空气更多地输送到梅雨锋地区。在非绝热加热缺席的情况下,该暖平流为梅雨锋的维持提供了一个大尺度强迫。这种强迫也可以引导天气尺度扰动。该扰动通过增强低层水汽平流和扰动向上运动,有利于垂直对流。7月中旬,西风急流快速北跳,于是西风急流与对流层中层最大温度源不再耦合,导致EASM雨带的快速减弱。

尽管EASM是东亚和西北太平洋夏季热带和亚热带环流的一个大尺度特征,但在大多数一般环流模式(GCMs)中,无论是气候特征还是季节演化,都没有很好地模拟出EASM模型分辨率是影响EASM地区大规模降水模拟质量的一个因素。海气相互作用被认为是影响亚洲季风降水模拟效果的其他因素,因为在规定了海洋表面温度即不允许海气相互作用地大气环流模式中,EASM的强度相对观测较低。

由于EASM社会经济的重要性,其气象和气候意义在文献中得到了突出和广泛的研究。然而,即使是它的大尺度动力学,目前仍知之甚少,更不用说控制其多尺度变化的因素。很多基本问题依然没有得到解决,例如是什么在控制东亚夏季风锋面的位置和季节演变?为什么最大降水没有和最大SST出现在同一个地方?随着气候变化,预计亚热带干燥区将扩大,可能对亚热带降水锋(如EASM)产生重大影响,并增强区域对温室气体和气溶胶辐射强迫的敏感性,在这种情况下,寻找这些问题的答案就更加紧迫了。该文试图通过研究TP影响EASM形成和季节性的机制来寻找这些问题的答案。该文逻辑同Sampe and Xie (2010)类似,但在湿静力能和湿度收支这些更一般的背景下进行分析。

Kong,Chiang,2019, Interaction of the Westerlies with the Tibetan Plateau in Determining the Mei-Yu Termination

梅雨是一个从中国东中部延申到日本的准静止雨带,在6月中旬建立,7月中旬消失,其动力学与途径TP的西风带密切相关。特别地,TP上空西风带的纬度位置和东亚夏季雨带空间分布的同步关系早就被人们所识。例如,2009年Schiemann发现5月西风急流移动到TP区域时伴随着中国东南地区的梅雨前期;6月西风急流移动到TP北部时,中国中东部梅雨开始;78月份急流移出TP北部时,雨带移到中国东北部。梅雨期间,长江流域夏季降水减少往往是因为西风急流异常偏北。最近的研究进一步表明亚洲西风急流相对于TP的径向位置控制着梅雨的开始和维持

对于西风带如何调节梅雨,学者们提出了各种各样的机制。日本气象学家发现baiu(梅雨在日本的称呼)的结束与8月在日本上空建立的反气旋有关,该反气旋是向东移动波列(即丝绸之路遥相关)的一部分。随后的研究认为EASM的年际变化同丝绸之路遥相关密切相关。2017年,Li and Lu发现长江流域增强的降水同该区域北部的异常东北风有关。他们认为对流层底层的这个东北风异常同东亚对流层上层的异常气旋有关,而后者是由西风急流上的丝绸之路遥相关激发出来的。事实上,丝绸之路遥相关的活动同亚洲西风带的南北位置密切相关。例如,Hong and Lu(2016)发现当急流位置偏南时,丝绸之路遥相关倾向于在东亚呈现异常气旋,反之亦然。2018年,Hong等人进一步表明当急流位于TP北部时,丝绸之路遥相关最显著。综上所述,西风带可能通过调节丝绸之路遥相关的变化来影响梅雨

另一方面,梅雨期内中国中东部地区的降水与对流层中层的上升运动和水平暖平流表现出很强的相关性。这个强相关性让Sampe and Xie(2010)年得出这样的结论:西风急流通过引起TP东南侧暖平流来锚定梅雨雨带,该暖平流可以在东亚上空引起上升运动,从而产生对流。该结论将梅雨的结束归咎于急流向北移动后远离了对流层中层最大温度源。东亚夏季雨量在年际尺度上的变化研究进一步支持了这个解释。

西风带在梅雨中的作用的另一种观点由Molnar等人于2010提出。他们关注于途径TP的西风带对改变下游环流的影响,特别是产生了定义梅雨雨带的水汽辐合轨迹。从这个角度,梅雨的结束与西风从TP南部移到北部的季节演变有关:当西风急流核心移出TP北部时,TP的动力作用消失,梅雨雨带也消失。从能量和水汽收支角度来看,Chen and Bordoni(2014)认为TP下游的热带外北风通过干焓平流来增强中国中东部的水汽辐合,进而起到维持梅雨锋的作用。

以上研究表明西风带可能存在多种过程来影响梅雨。虽然这些机制的起源是独立的,但它们始终表明西风急流相对于TP的经向位置是梅雨形成和维持的关键然而,这与梅雨消亡之间的动力关系并未被详细研究,而这就是该文的重点。此外,由于梅雨的终止是突然的,这就提出了一个问题,即急流相对于高原的位置是否存在一个纬度阈值,从而触发梅雨的终止。最近对全新世急流和EASM的季节演变的模拟研究表明,梅雨爆发期间,TP上空200hPa西风急流最大值位于40N,当梅雨结束时,急流轴向北移动了1度或2度。显然,40N是80E-100E高原平均海拔低于1.5 km的纬度,标志着高原的北部边缘。这表明40N是那个纬度阈值,当急流核移到40N以北时,梅雨结束。

该研究证实了以往的发现——梅雨的结束确实与TP区域对流层上次最大西风移到40N以北一致。作者还发现这些变化伴随着中国东北地区对流层北风的消失。这些同时发生的现象从年际和天气尺度都是一致的,这激励作者假设:途径TP的急流迁移到40N以北可以引起地形下游北风的减弱,从而结束梅雨期。

长期以来,人们一直认为山脉在形成北半球环流和气候中起着重要作用。模式模拟结果表明亚洲大地行的存在对亚洲季风的形成至关重要。一个普遍持有的观点是,TP区域的抬升感热驱动了EASM。但是,这个观点被那些强调TP动力作用的研究所挑战。

该研究认为地形驱动的定常波为途径TP的西风带核下游北风响应提供了一个可能的动力联系。在中纬度,大气对地形强迫的线性响应表现为定常Rossby波的向赤道传播和山体下游底层气旋性运动的产生。因此,该文将中国东北地区北风的变化归因于TP下游气旋性环流强度的变化,认为急流移动到TP北部的现象减弱了地形强迫,从而减弱气旋性环流,导致下游北风的减弱甚至消失。

Park et al. 2015 The Effect of Midlatitude Transient Eddies on Monsoonal Southerlies over Eastern China

东亚降水的年循环以冬季的干旱和春夏雨季为特征,其中夏季降水常被认为是东亚夏季风。在夏季前期(六七月),强的底层南风在东亚地区发展,纬向延申的雨带出现在中国东部的南部和中部、南韩及日本南部。该雨带也叫梅雨-baiu雨带,常形成于副热带暖湿空气北边界。在梅雨雨带北部,有强的对流层上层西风急流,它在EASM的季节演变中起到关键作用。该梅雨雨带是准静止的,在6月和7月对东亚有较大影响。到7月后期,西风急流减弱,其核心向东北移动,而梅雨则转变为更零星和短暂的降水事件。梅雨的位置和强度在不同时间尺度都呈现出很强的变率,对自然和人类活动的影响较强。例如,东亚地区的强季风南风的发展经常伴随着雨带向北偏移,导致中国北部降水增多。

准定常西太副高的存在被认为是维持底层季风南风的关键。西太副高时间平均的位置和强度与海表温度SST及相关的非绝热加热场有关。与SST空间重新分布及非绝热加热变化有关的西太副高向西增强现象一般认为是控制东亚季风南风和降水的因子。特别地,热带印度洋的异常暖SST和热带太平洋中部的异常冷SST能引起西太副高向西增强。

虽然非绝热加热是夏季副热带环流的基本驱动因子,但西风急流的存在对Rossby波及相关的西太副高的产生是基本的要素。而西风急流的位置和强度对热带非绝热加热非常敏感,说明影响波传播的平均状态特性对非绝热加热场的变化有响应。因此,人们自然会问叠加在西风带上的温带气旋是否会影响副热带环流。事实上,以前的研究一致表明,即使在夏季,亚热带环流也会受到斜压区温带涡旋的影响。例如,Song and Zhou 2013的研究表明天气尺度瞬变涡旋的活动对东亚时间平均的副热带急流模拟误差有影响。

EASM的温带斜压性在梅雨降水最大值的锋面上表现得很明显。这里天气尺度瞬变涡旋活动定义为250hPa位势高度的10天高通滤波的方差。六七月时,副热带急流强度在TP区域最大,而瞬变涡旋活动则在高纬地区达到峰值。此外,虽然TP区域的瞬变涡旋活动很弱,但500hPa位温的径向梯度在TP区域最大,伴随着下游瞬变涡旋活动增强(需要注意的是500hPa是高原大部分区域的行星边界层)。从热成风关系看,副热带亚洲和北太平洋的位温径向梯度峰值与最强西风吻合。中国东部刚好位于TP下游,受上游相对强的斜压性控制。瞬变活动在中国东部迅速增强,这与梅雨雨带内增强的锋面活动一致。

该文研究了夏季热带外涡旋与中国南部底层南风的相互作用。以往研究表明东亚季风雨带的季节演变和年际变化除与西太副高相关外,也与东亚西风急流的位置紧密联系。此处,作者猜想西风急流位置与季风雨带的关系可能是因为急流上的天气尺度瞬变活动。因此该文试图通过以下几个问题来阐明温带涡旋对EASM的影响:

  1. 在西太副高向西增强前的天气涡旋结构及与之相关的强季风南风的动力学及热力学特征
  2. 对流层高层的波传播如何影响底层季风环流

为了解决这些问题,该文对中国东部异常强的季风南风时间进行了超前滞后的合成分析。

Chen et al,2017, Impacts of Anomalous Midlatitude Cyclone Activity over East Asia during Summer on the Decadal Mode of EASM

第一段简要描述了东亚夏季风的年代际变化情况.

尽管在理解EASM的变化方面取得了重大进展,但由于其内在的复杂性,其机制仍远未被充分理解。EASM不仅受到热带和副热带季风环流的影响,同时也受中高纬度环流及相关冷空气活动的影响。从外部大气强迫的角度来看,气候系统的其他组成部分(如海洋和陆地表面)也与EASM变率密切相关。

EASM同印度夏季风的一个显著不同是:EASM同中高纬度大气环流密切相关。来自南边的暖湿空气与来自中高纬度的冷空气相互作用导致梅雨锋降水。梅雨期的维持和降水量不仅受热带环流系统的位置、强度及水汽输送的影响,也受中高纬度环流的影响。但目前,研究中高纬度环流对EASM影响的研究较少。已有研究指出中高纬度夏季异常大气环流对东亚天气气候的影响主要反映在阻塞高压和纬向分布的异常遥相关波列。然而,较少研究报告了中高纬度气旋活动和EASM的关系及相关物理机制。

在过去的几十年里,欧亚大陆的中高纬度地区经历了最强烈的变暖。最近的研究发现,欧亚大陆地表温度的变化具有很强的空间异质性,最强的增暖发生在亚洲西北部(俄罗斯东南、蒙古、中国北部)。该区域地表温度显著的年代际变化发生在1990s早期。中纬度气旋式一个具有很强斜压性的低压涡旋,常发生在南北半球的中高纬度。在全球变暖的环境下,地表温度的变化对气旋的生成和发展具有显著影响。以往的研究表明东亚气旋活动和大气环流在过去几十年内发生显著变化。这种环流异常也能导致EASM活动异常,从而影响东亚气候态。因此,该文研究了东亚夏季中纬度气旋活动同EASM的关系及可能的物理机制。同时还探究了异常中纬度气旋活动和不均匀地表增暖间的联系。


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