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东亚夏季风经典review

2020-07-01
renql

Wang,Ho,2001, Rainy Season of the Asian–Pacific Summer Monsoon

降水是描述季风气候态的重要气象要素。降水的分布代表了驱动热带环流的大气热源分布,因此降水的变化反映了整个季风环流系统的变化。降水同时也是地球气候系统水文循环的重要因素。

研究亚洲季风降水气候态的大量文献工作都集中于用雨量筒数据描绘陆地和岛屿上的雨季。在东亚地区,由于使用的数据和季风爆发定义的不同,使得东亚夏季风爆发日期在不同的文章中结果不同。一般而言,整个亚洲夏季季风区夏季季风雨季的开始和结束日期并没有统一的定义。当时,对亚洲沿海区域雨季的认知是不够,由于缺少可靠的长期观测数据。卫星数据表明季风海区的降水比周围陆地降水强很多。从动力学和水文学的角度出发,有必要了解海洋和陆地季风雨季是如何相互连接的。

热带西北太平洋季风虽然具有典型的季风特征,但经常被忽略。尽管西北太平洋上的海洋季风与陆地季风在某些方面很不同例如产生降水的系统,但不管是陆地季风还是海洋季风都是由太阳辐射年循环和海陆温差控制。因此他们具有共同的基础特征,例如盛行风的季节转变、雨季和干季的强烈对比。从风场标准和雨季特征出发,西北太平洋季风被认为是亚洲-太平洋季风的一部分,但目前还不清楚西北太平洋雨季如何与其他亚洲夏季风子系统联系。

巨大的亚洲季风系统,受地球上最高的地形影响,显示出区域多样性。东亚国家的气象学家强调南亚和东亚夏季风不同。为了识别区域季风子系统之间的差异和联系,我们迫切需要一个季风的通用定义和整个亚太季风领域降雨气候学定量描述的标准。目前为止,季风界还没有对亚太季风的范围和爆发形成共识。亚洲大陆雨季和邻近海洋雨季之间的联系也没有被很好地理解。

该研究的目的之一是研究使用一个简明而相关的降雨参数和一套通用标准来量化整个亚太季风区雨季特征的可行性。另一个目的是利用卫星观测得到的海洋降水数据和陆地雨量筒观测数据建立一个季节平均雨季图。

典型的季风雨季有三个特征:存在明显的年循环、强降水率、全年降水都主要聚集在夏季。因此定量描述大概需要三个指标:

  1. 夏季总降水量(衡量雨季强度)
  2. 降水率的年变化范围,用来衡量年变化幅度
  3. 降水的季节分布,用来衡量夏季降水占全年总降水的比例
    但是用三个指标来衡量过于麻烦,因此作者想了一个新的指标:相对于1月平均降水率的异常候平均降水率,并将该值大于5mm/day作为。并在近赤道地区要求该指标大于1月平均降水率,从而将近赤道季风区与赤道地区常年强降水区分开来。同时也可以用该指标来定义季风爆发、峰值和撤退。

季风最早P23-24在孟加拉湾东南部爆发,随后向东北方向延申,于是5月早期印度支那半岛季风爆发,5月中旬南海季风爆发,P29(第29侯)进入西北太平洋副热带区域,梅雨开始。在南海季风爆发后,从南亚沿海到日本南部的行星尺度雨带便建立,该雨带联系了热带南亚季风和副热带东亚季风。因此南海季风爆发预示着亚洲夏季风大尺度的爆发。6月早期,印度雨季的开始和梅雨雨带的形成构成了一个宏大的季风爆发模态,该模态与对流层上次径向温度梯度反转同时发生。该模态还标志着亚洲夏季风第二阶段的开始。阿拉伯海雨季最早撤退,可能是因为索马里急流爆发后,阿拉伯海中西部快速降温。东亚季风是向北撤退的(但在其他文章中,人为东亚季风也是向南撤退的)。

尽管三个季风间存在很多差异,但三者之间无疑是相互关联的:

  • 东亚夏季风西北太平洋季风在夏季前期通过西太副高联系,在夏季后期通过台风联系。
  • 印度夏季风西北太平洋夏季风则通过向东移动的季节内振荡联系。
  • 印度夏季风东亚夏季风也会通过水汽相互联系

最初对季风的定义仅仅是基于每年地面风的逆转。降雨的气象意义和实际重要性使我们有必要根据降雨特征来定义季风。该文探索了利用雨季特征来定义季风域的可能性。从大尺度来看,用降水特征定义的季风雨季区域同850hPa风场呈现显著季节反转的区域大致相同。然而这里对雨季的定义没有考虑具体的降雨系统类型。或许有学者人为由热带气旋产生的降水不属于季风降水。然而热带气旋同其他镶嵌在行星尺度季风系统内的天气尺度(如季风低压、梅雨锋内的中尺度气旋)一样,只是一种产生降水的系统罢了。在孟加拉湾,热带气旋提供了相当一部分季风降雨。在东亚,印度支那半岛、台湾和南韩雨季的第二个峰值主要都是由台风降水贡献。因此,该文只关注降水的强度、连续性、年变化范围和分布,不考虑产生降水的系统类别

三种非典型季风雨季:

  • 在阿拉伯海和孟加拉湾发现一个倾斜的季节分布,此处的降水在5月下旬迅速增加,在6月上旬达到峰值,随后缓慢减弱。在阿拉伯海,雨季的峰值和爆发都是逐渐向北发生的。且向北传播的速度与该区域的季节内振荡大致相同,表明阿拉伯海平均季风的爆发和峰值都是由向北传播的ISO的突然断点式出现导致的。ISO与年循环的紧密相锁是由于印度半岛和被印度洋变暖所驱动的大规模环流对ISO的调节。
  • 斯里兰卡和印度支那的季风降水呈现双峰型,其中最强降水发生在10-11月,第二个降水极值发生在6月。因为印度东南地区和孟加拉湾西南部式印度季风降水阴影区,故这里的夏季降水谱表低于印度半岛。
  • 中国东南地区的春季降水标志着局地雨季的开始。一般不认为春季降水是夏季风降水的一部分,因为此时大尺度环流和降水系统都与梅雨期间的很不一样。然而,这些地区夏季中期(七八月份)的干燥也是一个气候态特征,因此春季降水也代表了一年中主要的雨季。

一般认为对流中心的季节移动是陆地海洋对太阳强迫年循环的不同响应导致的。但SST的季节变化在其中也扮演了重要角色。另一方面,季风对暖池SST及地表边界状况的年循环也有很强的反馈。因此季风雨季的复杂表现必须通过耦合的大气海洋陆地模式来理解。目前的气候模式在模拟南亚夏季风时有明显的缺陷。模拟东亚和西北太平洋季风的表现就更糟了。很多大气环流模式严重低估了西北太平洋夏季风的降水强度和季节变化。大多数模式也无法复制东亚梅雨锋。目前的模式相互比较侧重于南亚季风的模拟,而较少关注WNPSM,一个可能对全球气候系统至关重要的区域。本文的分析结果表明,大陆季风和海洋季风是由完整的季风水文循环组成的。对季风域、爆发、高峰和撤退的简单而客观的定义为大气环流现象的诊断提供了有效的验证工具

Ding,Chan,2005, The East Asian summer monsoon: an overview

这篇应该算是将东亚夏季风的论文中比较经典的一篇review,主要讲了EASM的五个方面:爆发、东亚夏季风和主要雨带的季节演变、梅雨及其相关天气扰动、季节内振荡及遥相关模态、与季风爆发及季节演变相关的物理过程和机制。其中前两部分的内容和前一篇文章类似,就不再赘述,主要看一下后三个部分的内容。

4.The Meiyu/Baiu and associated weather disturbances

梅雨/baiu时东亚夏季风季节演变过程中一个独特的雨季,它与东亚夏季风在南海的爆发几乎同时发生。在夏季风向北推进的过程中,梅雨雨带先后在中国南部、台湾、长江淮河流域、日本、朝鲜半岛建立。在不同的区域,用不同的术语来描述这个巨大的季节性雨带。

尽管中国梅雨和日本Baiu都发生在东亚夏季前期,但他们的结构和动力学并不完全相似,因为行星锋面所处位置的不同。日本和中国东部海域的雨带结构类似于典型的中纬度斜压锋面,都有很强的垂直倾斜(向高层冷核倾斜)以及强水平温度梯度。但长江流域地区的雨带结构类似于一个半热带扰动,具有相当正压的暖核,弱温度梯度和底层的强水平风切变。

涡度收支方程表明水平辐合产生的气旋性涡度被东部的积云阻尼以及西部山地边界层摩擦抵消。理论、模式和观测都表明梅雨锋生过程由CISK机制通过位涡异常和对流潜热相互作用触发和维持

虽然梅雨锋与强对流降水相关,但强的对流不稳定并不是他的特点,而是近乎湿润的中性层结。这表明与积云对流有关的对流不稳定释放。为了梅雨期间强降水的维持,必然由大尺度过程来产生对流不稳定,从而抵抗积云对流的去不稳定作用。前人计算表明是位温平流为梅雨锋地区提供对流不稳定。

梅雨期间的强降水主要由中尺度alpha和beta扰动产生,这些扰动镶嵌在梅雨锋云系内并沿之移动。准静止锋边界将非常温暖潮湿的热带太平洋空气与稍冷但仍然潮湿的空气分开,使得降雨集中在一个相对狭窄的纬带内。梅雨锋内的中尺度beta系统发生在小波槽向前倾斜之前,位于梅雨云系,高空急流右侧,低空急流左侧。

梅雨期间的中尺度alpa系统可以分为两类:长江流域的切变线和低涡。而低涡也有两种。一种是在TP背风坡产生的西南涡。当高层没有槽引导它移出四川盆地时,西南涡倾向于准静止并在局地引起强降水。一旦它移出并向东移动时,多数情况下它会沿着梅雨切变线向东北或东南方向移动。另一种是在梅雨锋内产生的中尺度气旋,水平尺度约为1000-3000km左右。

西南涡的生成和发展一般需要两个条件:

  1. 从TP东部吹向四川盆地的底层南风。该南风在西南涡生成过程中有双重作用:一是摩擦的水平变化有利于气旋的生成;二是输送暖湿空气。
  2. 必要的触发机制。一般从TP经过的低压槽可以作为触发机制。Chang等(1998)研究了一个低层西南涡旋的发展,该涡旋与两个高层扰动耦合。这两种扰动均出现在低空涡的上游和后期。更快的向东移动使它们赶上了低空涡旋,导致了强烈的垂直耦合和对流层顶的深折叠。
    由于西南涡往往伴随大量降水和对流活动,一般认为西南涡的发展依赖于潜热释放。且Wang等人(1993)也表明TP背风坡的中尺度涡旋是热力驱动的。

中尺度alpha云系统有利于中尺度对流系统MCS的发生。MCS经常发生于中国西南部、夏季前期中国南部雨带、梅雨雨带中。MCS常发生于西北太平洋副高西北边缘,因为这里经常发生冷暖空气交汇过程。此外,MCS也会因为强地表加热和局地不稳定层节发生于中国南部和东部

5. ISO and teleconnection patterns

季风的季节内振荡主要有两种:10-20-day和30-60-day后者也叫MJO。在中国南海和东亚夏季风中,季节内振荡主要起到三个作用

  1. 作为季风爆发的触发作用
  2. 调节夏季风或雨季的活跃和停滞过程
  3. 将夏季风活动与周围其他夏季风系统联系起来。

当季节内振荡可以在更大尺度或半球尺度上传播或振荡时,会引起某种大气遥相关模态或Rossby波列。南海夏季风30-60天振荡在南海上空呈现出槽脊跷跷板,伴随着异常气旋(反气旋)的增强(受抑制)对流北移。另一方面,10-20天的振荡则表现为热带西太平洋上的一个反气旋\气旋系统,向西传播进入南海。

ISO振荡的到来不仅是东亚夏季风突然发作的可能触发机制,而且对东亚夏季风的逐步北进和区域雨季的调节也起着至关重要的作用。需要指出的是,虽然ISO往往是季风爆发的主要原因,但季风爆发还是由大尺度环流的季节演变和热力学决定的,这些同时也决定季风爆发前进的方向。

在季节演化建立的大尺度背景下,多个ISO湿期相继到来,触发了深对流的发展。由于季节的调节,相对于日历年,ISO有一种锁相的趋势,因此季风爆发的气候态表现为多个阶段。

此外还有两个与亚洲夏季风有关的遥相关模态被揭示:

  1. 南海和菲律宾地区对流活动造成的热源可能激发出一个定长波列,从而产生一个遥相关模态,叫JP模态(Japan-Pacific)。这股波列的传播直接影响了西太平洋副热带高压的运动,特别是副热带高压的位置,从而影响夏季降水。此外还有研究认为该模态不仅会影响东亚,也可能影响北美。
  2. 印度地区大量降水产生的强热源的作用。印度夏季降水与中国北方夏季降水间存在稳定的正相关关系,表明这两个地区的洪涝事件会同年出现。而日本南部夏季降水则与印度降水存在负相关关系,表明波状环流在亚洲中纬度的下传。

在亚洲季风区,太阳辐射的季节循环过程中海陆温差造成的热对比是季风爆发的季节性先决条件。然后,亚洲季风并不完全由海陆温差驱动,也由TP产生的抬高的热源驱动。以往学者利用热收支估算,发现TP提供的总能量在晚春和早夏最大,峰值出现在5月。更有趣的是,从春季到夏季的转变季节中,TP区域的增暖比同纬度其他区域的增暖出现得更早。3月,500-300hPa的大气厚度的增加也非常明显并在56月份达到最大值,超前于亚洲夏季风的爆发。所有这些都表明由TP导致的海陆热力对比对亚洲夏季风爆发的作用

自然地,或许会有人问,为什么亚洲季风最早在印度支那半岛和南海爆发,而不是其他地方?有学者尝试回答该问题,他们发现TP东部和中国中部平原在5月中上旬的突然增温导致该地区径向温度梯度反转,从而使得风向或垂直切变发生变化。中国南部和印度支那半岛夏季前期或春季降水释放的潜热加热或许也对夏季风爆发前期大陆大气加热有正贡献。

MJO振荡的到来也是夏季风突然爆发和北进的一个触发机制。但是,只有MJO在某些年和某些地区不足以引起夏季风的爆发。在这样的情况下,中纬度事件可能起到一个重要作用。然而,很少有学者具体研究中纬度槽或锋面系统入侵引起夏季风爆发的物理过程和机制。2001年,Ding和Liu根据前人研究,在他们的研究中总结了中纬度环流特征变化对南海北部夏季风爆发的可能触发机制

  1. 有利于释放对流潜在不稳定,从而有利于对流和降水的发生
  2. 通过加强径向温度梯度而使底层东北风加速,从而增强涡度切变和风切变线的气旋式环流
  3. 增强水平温度梯度,从而增强斜压性,扰动或锋面区域中尺度系统发展提供充足的有效位能
  4. 激发大尺度对流云系统的发展,这有利于底层风切变区域(东北风和西南风)及相关的低压槽(这能通过某些反馈过程强迫副高向东向南撤退)区域内中尺度系统的发展。
    亦有学者强调了中纬度冷空气向南入侵对触发南海夏季风爆发的重要性。在夏季风爆发前,底层热带或副热带西南风通过热量和水汽输送使大家对流不稳定建立,而中纬度冷空气通过抬升暖湿且不稳定的空气来释放对流有效位能。

中纬度的影响不仅体现在EASM的爆发过程中,还体现在EASM的季节演变中。欧亚大陆中高纬度的阻塞系统能引起持续向南入侵的冷空气及与之伴随的锋面系统(即梅雨锋)。一个位于乌拉尔山、另一个位于鄂霍茨克海的双阻塞高压状态 is the most favorable situation for prolonged Meiyu/Baiu heavy rainfall。因此东亚夏季风和印度夏季风主要区别之一就是中纬度事件对他们的不同影响

EASM还具有显著的年际变率,大量研究将该变率归咎于欧亚大陆/TP积雪、太平洋海温的变化。1998年,中国国家气候中心就发现冬春季节的TP积雪和随后长江流域夏季降水间存在正相关。因为过多的积雪会通过增强反照率和春季积雪融化导致TP热源强度降低,从而减弱亚洲夏季风的驱动因子——海陆热力对比。

ENSO对东亚夏季风及相关的季节降水的影响已被广泛研究,发现最显著的影响出现在EINino爆发次年夏季,此时长江流域降水异常增多,EASM减弱,这主要通过EINino期间菲律宾出现的异常反气旋来实现。

东亚夏季风的年代际变率也是一个很多研究者关注的话题。他们一般将EASM的年代际变化同海气耦合系统的背景态中的另一个年代际变化联系起来,或者同热带印度洋和太平洋的长期增暖趋势联系。在这些可能的影响因子中,太平洋年代际振荡Pacific Decadal Oscillation (PDO)印度洋偶极子Indian Ocean Dipole (IOD)可能扮演者重要角色。他们与EASM的关系有待于进一步研究。


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