亚洲夏季风的年际与年代际变化特征

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1、亚洲夏季风的年际与年代际变化特征本文使用NCEP/NCAR再分析资料中的17层风场月平均资料和中国160个站 点的月平均降水量资料，利用陈桦等人修正的亚洲夏季风指数Idh = U850 U*150+100）研究了夏季风的年际和年代际变化特征；用季风指数DHI和我国各季 的降水做了相关性分析。结果表明：（1）亚洲夏季风的强度存在明显的年际和年 代际变化特征，总体趋势是逐年减弱，在大约70年代初到80年代中期，亚洲夏 季风发生了一次明显的突变，主要表现为亚洲夏季风强度的减弱现象，而在此期 间，夏季风指数存在显著的年际振荡；1970 年代以前，亚洲夏季风强度总体相 对较强，而在80年代中期以后，则转

2、为较弱。（2）季风指数DHI和我国各季的 降水存在一定的相关性，正负相关因地而异，夏季风强（弱）的年份，在西南、 华北和东北中部地区降水偏多（少），而在长江中下游、华南、新疆北部和东北 北部地区降水偏少（多）。人类对季风的研究，可追溯到1868年，最初，Halley对季风的理解是海陆 差异引起的热力直接环流； 1879年，沃耶科夫最早对季风下了定义； 1940年， Conrad 和 Hann 探讨各种季风指数来描述或比较各个地区的季风现象（汤绪等， 2007）。 30 多年以前，很多西方学者认为亚洲季风只有南亚季风，东亚夏季风只 是南亚季风的向东和向北的延伸；到了 1980 年以后，亚洲夏季风

3、应划分为南亚 和东亚两个子系统的观念才逐渐在国际上被接受；对亚洲季风的研究的历史已经 有了很长的时间了，但是都没有很大的成果， 1960年代以后，出现了重要的进 展，特别是在1978-1979年FGGE国际季风试验以后。一些学者经过一系列的 野外试验取得许多新的发现；另一些学者则发表了大量的研究文献和著作，使人 们对亚洲季风的研究进入了一个新的阶段（丁一汇等，2013a）。从此以后，各 国学者继续总结并且深化了亚洲季风的研究理论成果，使亚洲季风研究的科学水 平上升到了一个新的高度。1987年，Webster提出了目前最具有普遍意义的季风 的定义：冬夏风向的季节性反转和干湿期的季节性交替出现（

4、Webster， 1987）。对亚洲夏季风的研究，人们已经得出了许多重要的结论。因为亚洲地区及 我国具有显著的季风气候，所以形成了特有的天气气候特征。亚洲夏季风的爆发、 进退和维持与我国的西北地区干旱气候及其降水、东部地区的大雨带移动以及西 北地区的沙尘暴天气等都有着很大的相关性。亚洲夏季风还可以通过季风-ENS0 的关系、中低纬的相互作用、以及全球遥相关等对全球气候系统和预测产生深远 的影响（丁一汇等，2013b）。因此，亚洲夏季风的活动形成了各异的生态和环 境，同时也影响了各地域的文化和人民的生活方式以及经济社会的发展（秦大河，2002）。亚洲夏季风的活动具有广阔的空间尺度，其时间尺度变率

5、也很大。所以， 为了定量的描述夏季风的强度及其变率，定义一个可以用来描述复杂的大尺度夏 季风特征及变化的定量显得非常的重要，并且这个指数不可能显得过于简单（陈 桦等，2006a）。对季风指数的研究，从1908年开始，各国学者都进行了定义， 得出了许多从不同角度表示的夏季风指数，但是到目前为止，仍然没有统一的结 论。到目前为止，对夏季风指数的研究，大致都是从以下三方面着手的：一、1985年，陶诗言和陈隆勋用东亚降水指数表述了东亚夏季风的强度（Tao et al, 1985）。1999年和Fan则使用了对流指数对南亚和东南亚的夏季风年际变 化进行了研究（Wanget al.，1999）。这两种方法

6、是用降水和对流来表示亚洲夏季 风强度的，说明亚洲夏季风的强度与亚洲降水和对流具有一定的相关性。二、1983 年，郭其蕴指出季风的发生会受到海陆分布的影响，海陆热力差 异使得气压梯度随着季节的也表现出明显的不同，所以就用海陆之间的气压梯度 大小来表示亚洲夏季风的强度（郭其蕴， 1983）。 2000年，孙秀荣、何金海等在 郭其蕴的理论成果的基础上，定义了东亚海陆热力差指数（ILsTD）研究后发现， 该指数能够较好的反映出东亚夏季风的年际变化，并且该指数与亚洲夏季风的强 度呈正相关（孙秀荣等， 2000）。这两种方法都是基于海陆热力差异来反映亚洲 夏季风的强度的，把海陆热力差跟夏季风的强度关联起来

7、。三、1992年，Webster等用了纬向风切变（850和200 hPa）来定义了夏季 风指数，自此以后，又有学者用经向风切变定义了 Hadley环流的指数，同样能 够反映季风的强度（陈 桦等， 2006b）。 1999年，李崇银等在研究南海地区的夏 季风环流时，由于地域的特殊性，用Webster等提出的季风指数并不能很好地表 示南海地区的季风强度，所以，李崇银等人则使用了对流层上下层的散度差能较 好的将南海地区的环流特征考虑在季风的强度变化之中（李崇银、张利平，1999）。 2003年，张庆云等为了使夏季风指数既能反映风场又能反映降水场的变化，用 6-8月平均的850hPa的纬向风距平差值定

8、义了东亚（10-20N, 100-150E； 25-35 N, 100-150 E）夏季风指数（EASMI），客观地反映了东亚夏季风的年变化与中 国东部夏季降水的关系（张庆云等， 2003）。 2000年，祝从文等从高、低（区域： 0-10N,100-130E）层纬向风切变（50-卩200;区域：0-10N,100-130E）和 0-50N内各纬度上东西向海平面气压差（160E110E）相结合定义了能够较 好的反映东亚冬、夏季风变化的季风指数（EAMI）（祝从文等，2000）。这些对 于季风指数的定义，运用了、风场或者与海平面气压差相结合定义了夏季风的强 度指数，都是从亚洲季风本身出发来研究季

9、风指数的。以上对于季风指数的研究，可以用来反映出我国夏季的降水。夏季风的活动 使得我国夏季降水出现了很大的区域差异，分布很不均匀，而降水主要集中在季 风盛行的地区。从1990年代以来，各国学者就开始研究不同时间段的气候变化问 题，发现降水等气象要素存在明显的年际和年代际变化特征（龚道溢等，2001）。 这也就使人们想到降水的变化是否与夏季风的年际和年代际变化有一定的相关 性。早在1998年，徐建军等人就研究发现，东亚夏季风与中国东部的夏季降水就 存在一定的关系，主要表现在当夏季风表现的较强时，中国的夏季降水可多也可 以少，但是总体来讲是以少雨为主；当夏季风表现的较弱时，中国的夏季降水以 多雨为

10、主，只有在华北、东北和东南等部分小范围区域内夏季风强度才与降水量 呈正相关，而降水量的多少则主要是由局地天气系统影响的（徐建军等，1998）。 2006年，刘飞等人又根据亚洲的西风指数与中国夏季降水的关系，研究发现亚洲 纬向西风与我国夏季降水有有良好的耦合关系，西风指数较高的年份,长江中下 游地区夏季降水表现为偏少，而在华南、河套和东北地区降水则变现为偏多，在 西风指数较低的年份则有相似的结论（刘飞等，2006）。说明夏季风对我国的降 水因不同区域而异。以上对于季风的研究历程、各国学者不同时期对季风指数的研究以及对中 国各季降水和亚洲夏季风之间的关系做了简要陈述。对于以上几种季风指数在表 示季

11、风的强度的时候各有优缺点，在用降水量表示季风指数时，常常受到资料不 足以及下垫面的影响；在用气压和气温表示夏季风强度时，在低纬度地区就会受 到限制，因为在热带低纬度地区温度和气压的时空变化值相对较小，很难表达出 夏季风指数的时空变化。本文在以前学者的研究基础之上，综合了以上几种季风 指数的优缺点，利用对流层高低层的纬向风切变的值反映季风指数的大小，也就 表示了季风的强度。并且用这种季风指数来分析亚洲夏季风的年际和年代际变化 描述近 60 多年来，夏季风的强弱。同时根据夏季风指数与同年夏、秋和冬以及 次年春和夏降水量的相关性，表示亚洲夏季风强弱与中国各季降水的相关性，探 讨夏季风的强弱变化是否对

12、我国降水有指示作用。第二章 资料与方法2.1 资料简介本文中使用的资料有：（1）本文中使用了 NCEP/NCAR 再分析资料中的 17 层风场月平均资料，全球范围，2.5x2.5（144x73）,时段为1950年1月-2014年12月；本文使用 850、150、100hPa 纬向风资料。(2)中国气象局(CMA)气象信息中心整编的19512014年中国160个 标准台站的月平均降水量观测资料。2.2 方法说明夏季风指数选取陈桦等人定义的 DHI 指数，公式表达为：IDH=U850一 U&5O+1OO）U*是U减去气候平均之后的距平值。距平的定义是一系列数值中某个数与平均值 的差值，距平有正负之

13、分。气候平均是指1950 年-2014 年的平均值。（xi-X）2标准化的变量可以衡量资料围绕平均值的变化幅度，标准差的计算公式为：ni=1s =x、标准化时间序列为：x1-x x2-x .XnX， s s s相关性分析能够反映两个气象要素之间的关系。在置信度为 90%的前提下对 DHI 和中国各季降雨量做相关性分析。第三章 亚洲夏季风指数的选取本文选取对流层高、低层的纬向风切变值表示季风指数，底层选取 850hPa， 高层则需要适当的选取。由于热带东风急流是北半球亚洲夏季风系统高空的主要 环流特征，其核心位于150hPa和1OOhPa (Tanaka M, 1982),热带东风急流区 的最大

14、东风和夏季风区近地面层的西风区构成了反相位的高低空特征，能够更好 地表示夏季风的强弱变化。并且陈桦等人在 2006 年也通过风切变最大区域的散 度场分析研究发现，辐合的最大值位于925-850hPa,辐散的最大值则位于150hPa, 这就进一步确定了高低层环流的耦合关系；另外，他还计算了底层分别取200 hPa 和( 150+100) hPa 的风切变的值，表明前者的值要远小于后者。所以高层取 150-100hPa能更加确切和清楚的反映夏季风的强弱(陈桦等，2006c)。本文将 使用陈桦修正的季风指数(DHI)来表征亚洲夏季风强度。IDH=U850 - U&50+100)其中是是150hPa和

15、100 hPa纬向风的平均,U*是U减去气候平均之后的距平值。U850-U（150+100）图1 S&OhPa与l&O. lOOhPa平均的纬向凤切变从图1中我们可以看出，夏季6-8月夏季风指数用表示的纬向风切变在(0 -20N,40-110 E)区域内，即图中的方框区域是纬向风切变的最大区域，所 以我们在上述区域内讨论季风指数的变化才最具有代表意义。同时该区域也成为 公式 DHI 定义的区域。因为方框区域内的季风指数相对较大，所以用该区域的 区域平均来表示的气候平均值来修正了公式，即将U修正为使得公式表示的季风 指数更加准确和具有代表意义。在上述区域内亚洲夏季风的强度较强，同时表示 了夏季风

16、爆发以后所能影响到的地域。从图中可以看出，该区域主要包括非洲的 索马里半岛、阿拉伯半岛、阿拉伯海、印度半岛、孟加拉湾以及中南半岛的西岸， 这些地方也成了季风最活跃的地区，同时也受季风的影响最为显著。亚洲夏季风指数在上述区域内表现的最强与该区域的地理位置有很大的关 系，也印证了亚洲季风的产生原因，即由于海陆热力差异的季节性变化，使得大 尺度风系季节性反转的大气运动现象，同时也受到气压带、风带的季节移动和地 形因素等的影响(陈晶华等，1991)。以上的叙述说明了该季风指数在使用纬向风速场的基础上，能够很好地反映亚洲季风的强度。将夏季风指数表示的夏季风的强弱与以前学者的研究结论相 比较，都有相似的结

17、论（郭其蕴，1983；李崇银等，1999；张庆云等，2003）。第四章 亚洲夏季风的年际和年代际变化对于亚洲夏季风强度的的年际和年代际变化，许多学者都进行过大量的研 究，得出的基本结论是亚洲夏季风的年代际尺度在 20 世纪 70 年代末到 80 年代 初具有明显的减弱，而这种减弱使得东亚和南亚的夏季降水格局在过去的几十年 里发生了明显的变化（丁一汇等，2013）。4.1 亚洲夏季风的年际变化分析根据夏季风指数Idh=馬50 - U&5o+1oo），利用1950-2014年的纬向风速场资料, 计算出标准化的季风指数 DHI。数据统计：表11950014年标准化夏季风指数DHI年份DHI年份DHI

18、年份DHI19501.7331972-0.87319940.26819510.25819730.7681995-1.24619521.4401974-0.1031996-0.98519530.35219751.3291997-1.68719542.1821976-0.0071998-0.12719551.40919771.0051999-0.13819561.05019781.1782000-0.49019570.7621979-0.9032001-0.15619581.04819800.2692002-1.43919591.0961981-0.0312003-0.97219601.62719

19、82-0.2282004-0.92519611.4751983-1.3082005-0.46319620.52119840.4622006-0.10919630.08019850.5652007-0.72719640.99919860.0292008-0.71719650.1391987-0.7442009-1.93219660.4251988-0.0952010-1.20919671.2001989-1.0882011-1.80119680.9581990-0.4312012-0.85019690.1741991-0.5132013-0.67019701.2671992-1.3682014-

20、1.47019710.9271993-1.193-21950 1954 1958 1962 1966 1970 1974 1978 1982 1980 1990 1994 19M 2002 2006 2010 2014 /ear B标准化的DHI变化标潘讣:的DHI变讣：2 f o f -工口騙殆技昨萃吳鸟ffl 2标准化季风指数DHI的年际变化根据图2中A图中的DHI年际变化趋势可以看出，亚洲夏季风强度存在明显 的年际变化，但是总体呈明显的下降趋势。在大约1970年代末以前，标准化指 数DHI基本上是正值，之后基本为负值，这就说明，在大约70年代末到80年代 中期，亚洲夏季风发生了一次明显的

21、突变，主要表现为亚洲夏季风强度的减弱现 象，在此期间，DHI指数处于震荡状态；从90年代开始，DHI指数一直保持着低 于平均值的状态。从图2中的拟合曲线中同样能明显的看出这种下降的变化趋势 以及季风强度的突变现象。另外，在50年代中期，DHI指数明显高于平均值很 多，说明夏季风很强，90年代初期和末期以及20世纪初期和末期，夏季风指数 低于平均值很多，强度较弱。从图B的折线图的变化中，我们能更加清楚的看到 夏季风的变化和年际振荡，以及变化的舒缓程度。而在上述年代内，1954年、1991年、1998年、2003年和2009年我国长江流域发生了特大洪涝灾害，图 中可以看出在上述年份夏季风指数的异常

22、，也反映出了亚洲夏季风强度变化对我 国降水的影响。4.2亚洲夏季风的年代际变化分析亚洲夏季风同样也存在明显的年代际变化，利用1950-2014年对流层高低 层纬向风速计算的季风指数DHI经过标准化处理，以10年为单位，做出亚洲夏 季风指数的年代际变化趋势（图3）。从图3中可以看出，亚洲夏季风指数存在 着明显的年代际减弱的趋势，从图中的拟合曲线也同样可以看出这种减弱 的变化趋势和在上世纪70年代末80年代初发生的明显的年代际突变。在1970 年代以前，夏季风指数的年代际值相对于平均值总体偏高，然后逐年减弱。从 1970年代初期到1980年代末期，亚洲夏季风出现了明显的年代际振荡，标准化 夏季风指

23、数DHI的年代际值由正变负，即发生了突变。从80年代开始，亚洲夏 季风指数的年代际值相对于平均值一直处于偏弱的状态，而且是这种趋势是逐年 加强的。从1990年代到2010年代，夏季风指数虽然相对于平均值较弱，但是年 代际变化基本保持平稳，没有出现大的波动。从2010年代开始，系季风指数有 进一步减弱的趋势。我国自上世纪70年代后期开始，我国东部地区的大雨带出 现异常的南移现象，从而影响了我国的降水分布，造成了南涝北旱的降水格局， 即在长江中下游地区的持续洪涝，而在华南和华北地区的持续干旱。我国东部这 种降水的变化，与夏季风强度从上述年代开始逐年减弱有关。J950-fP5P60-19691970

24、-19791980-1989t990-19992000-200?2010-243标准优季风指数DHI的年代际娈化第五章 亚洲夏季风指数与中国降水的关系根据上一章我们可以看出亚洲夏季风指数存在年际变化，我国降水在不同的时空区域也存在年际变化，为了研究亚洲夏季风的强弱变化与我国降水的关系，是否有指示性意义，我们先计算出160 个站点每年春、夏、秋、冬四季的降水量。得到5列年变化向量与DHI年变化向量做相关性分析。表2是每列向量的信息。表2各向量时段、长度DHIprecipita tion时间段向量长度时间段向量长度图A1951-2014641951-2014 夏季64图B1951-20146419

25、51-2014 秋季64图C1951-2014641951-2014 冬季64图D1951-2013631952-2014 春季63图E1951-2013631952-2014 夏季63求出每个站点的相关系数，得到经不规则插值得到下面5 张分布图。图A表示的是夏季风指数DHI与当年夏季降水量的同期相关性。从图中可以 看出，在我国的西南地区从云南南部呈狭长区域延伸至甘肃东南部的天水一带， 正相关系数较大，特别是在四川东南部的宜宾一带和四川中部的成都一带相关系 数达到了0.3 以上；在西北地区的宁夏北部也有较高的正相关性；华北地区南部 和北部的大片区域以及东北地区的沈阳长春一带正相关系数较高，尤其

26、是渤海湾 沿岸正相关系数在 0.3 以上，部分地区可达 0.4。而在我国的台湾岛、江南和江 淮地区的东部以及江汉地区和重庆一带负相关系数较高，特别在长江三角洲地区 负相关系数达到了-0.3到-0.4 之间；在我国东北的宜春一带和新疆西部也存在着 这种明显的负相关。在我国西藏地区由于台站稀少，所以降水与夏季风指数不具 有可靠地相关性，不再分析。图 B 表示夏季风指数 DHI 与同年秋季降水的滞后相关性。图中显示，在我国西南地区的中北部和西北地区的兰州向南一带，正相关系数较高，四川南部显得更为突出；东北地区的沈阳长春一带以及江淮和黄淮的沿海地区也有显著地正相关。而在负相关区域除了新疆西北部的大片区

27、域以及海南岛显现出强的负相关性在长江中下游地区有较弱的负相关性，全国其他地方特征则无明显的负相关。图C显示的是季风指数DHI与同年冬季的滞后相关性。图中显示全国范围内呈正相关的区域相对较小，主要在新疆中部、内蒙古东部地区和陕西商洛一带的 小部分区域。负相关区域在江南和华南地区的西部分布广泛，强度较强，特别是 在长江三角洲地区，负相关系数可达-0.4；在我国大兴安岭西侧、东北地区的佳图4 DHI与降雨量的相关性分析图木斯和长春一带和新疆的西北部地区也有普遍较高的负相关系数，在新疆的克拉 玛依地区和大兴安岭北侧这种负相关更为明显。图D是夏季风指数DHI与次年春季降水的滞后相关分析。图中的正相关区域

28、 仅表现在贵州东部和湖南西部的小部分区域。在我国华南和台湾岛的小部分区域、 江淮地区的东部以及乌兰浩特向东南方向延伸的区域都表现出较强的负相关。西 藏地区不再分析。图E是夏季风指数DHI与次年夏季降水的滞后相关分析。在西南地区的南部 和北部有小范围的强正相关区域；从河北张家口向西北方向延伸的一块区域也有 较强的正相关。而在江淮的江南地区北部、西南地区西部、新疆北部和东北部和 大兴安岭地区则显示出很强的负相关性。从图 A-D 相比较可以看出，亚洲夏季风指数与中国降水之间存在一定的相关 性，而这种相关性主要集中表现在我国的西南、南部、东部和东北地区。相对来 讲，正相关区域主要在我国的西南、华北和东

29、北中部地区，并且这种相关性随着 滞后时间段的推移（从当年夏季到次年春季）在强度和范围上都有较大的缩减。 负相关区域主要集中在江南长江中下游、华南、新疆西北部和东北北部地区，随 着时间的推移（从当年夏季到次年春季），负相关的强度逐渐减弱，范围总体呈 扩大趋势。也就是说夏季风强（弱）的年份，在西南、华北和东北中部地区降水 偏多（少）；而在长江中下游、华南、新疆北部和东北北部地区降水偏少（多）。 比较图A和图E,对夏季风指数与当年夏季的同步相关性和次年夏季降水的滞后 相关性分析发现，在图A中正相关范围明显大于图E,且相关系数较大；图E中 负相关无论在范围还是强度上，较图 A 有所增加，相比之下，图

30、A 中相关性强 的范围总体较图 E 大，所以夏季风与我国当年夏季的降水的关系更为密切，而其 滞后影响效应相对较弱。第六章 结论本文通过使用修正的亚洲夏季风指数DHI,讨论了亚洲夏季风的年际和年代 际变化，并分析与中国各季降水的相关性，讨论了亚洲夏季风与我国降水的关系， 得出的结论主要有以下几点：（1）亚洲夏季风存在明显的年际和年代际变化，总体减弱趋势。在 70年代 末以前，大约70年代末到80 年代中期，亚洲夏季风发生了一次明显的突变，主 要表现为亚洲夏季风强度的减弱现象，而在此期间，夏季风指数存在显著的振荡。 1990 年代至今，夏季风的强度一直低于平均值较多，减弱明显。（2）DHI 指数与中国同年夏季、秋季和冬季，次年春季和夏季降水之间存在 一定的相关性，而这种相关性主要集中表现在我国的西南、南部、东部和东北地 区。相对来讲，正相关区区域主要在我国的西南、华北和东北中部地区；负相关 区域主要集中在江南长江中下游、华南、新疆西北部和东北北部地区。也就是说 夏季风强（弱）的年份，在西南、华北和东北中部地区降水偏多（少）；而在长 江中下游、华南、新疆北部和东北北部地区降水偏少（多）。