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气候变化对亚洲季风季节性的影响及其对南亚季风降水变率的影响

Yen Yi Loo^a，Lawal Billa^b,*，Ajit Singh^a

a诺丁汉大学生物科学学院马来西亚分校，Jalan Broga，马来西亚Semenyih 43500

b诺丁汉大学马来西亚校区地理学院，Jalan Broga，马来西亚Semenyih 43500

摘要：全球变暖和气候变化是影响环境的研究和讨论中最广泛的主题之一。虽然有足够的历史证据支持气候变化是自然现象的理论，仍有许多研究科学家普遍认为20世纪气温升高与人类学有关。相关的影响是全球范围内观测到的降水和气旋模式的变化。在东南亚，全球变暖与季节性大气环流之间的联系表现出不同程度的模糊性。本研究探讨了气候变化对亚洲季风季节性的影响及其对东南亚季风降水变率的影响。20世纪70年代以前降水和温度异常年代际变化的比较表明，降水和温度异常的年代际变化普遍，且变化较大。但是在20世纪70年代以后，全球降水量异常的增加，与同期全球温度异常的增加几乎一致。 印度夏季风频繁发生变化并向西移动。虽然观测到降水比正常水位低70％，但在一些地区，地形影响降雨强度。该地区其他季风期这种变化影响着东南亚降水的变化和季风的爆发，并预计未来季风的爆发将推迟15天。海洋地区季风降水的变化被认为是年代际变化，季风期部分地区的间歇性洪涝的频率和强度对该地区的人力，财力，基础设施和粮食安全造成严重影响。

关键词：气候变化；温度异常；降水异常；季节性季风；降水变率；东南亚

1 引言

降水的全球循环是地球系统功能的重要组成部分。它通过将热量从热带输送到高纬度的方式来调节地球的温度。然而，这个系统很容易受到长期温度波动的影响，通常被称为气候变化。气候变化被认为是一个人类学上的增强现象。科学家们一直在试图量化气候变化及其与其他气候系统的关系。

可以说，东南亚是最依赖天气系统的一个地区。虽然关于季风季节性交互作用的文献很多，但气候变化对气温上升对东南亚季风降水强度的影响却很少受到关注。

这项研究的目的是建立全球变暖与降水增加之间的联系，并了解这些气候变化趋势对亚洲季风季节性变动的影响，以及它对东南亚降水变率的影响。气候变化主要参考20世纪后期至21世纪初观测到的温度异常（℃），而东亚夏季风的降水变化是根据观测到的季节降水异常来研究的。 对上个世纪测温记录的二次数据进行分析，从气温的总体变化和分布情况了解气候变化的影响，并结合全球降水和东南亚地区的气象记录对其进行讨论。

研究南亚季风和其他季风季节的模式，以了解它们对东南季风季节降水分布和脆弱性的影响。近年来，季风的不稳定和不可预测性造成了巨大的经济损失，对生命和财产以及对环境和农田都造成了严重的破坏。这就导致了粮食不安全问题。因此，预测和了解许多亚洲国家的季风降水模式已成为当务之急（Reuter等，2012年）。

2 气候变化和气候变率

气候变化本质上是不可避免，不可阻挡的。然而，20世纪的全球变暖与人类学的影响直接相关，如化石燃料的燃烧，温室气体的过度排放和城市化。气候变率是指气候要素在个别天气事件以外的所有空间和时间尺度上的“平均状态和其他统计数据(如标准偏差、极值或频率分布的形状)的可变性”(Serreze和Barry，2010年)。另一方面，气候变化是一种持续较长时间且在统计上显著的变率。

全球温度是通过结合来自世界各地的温度测量来记录的。NOAA（2012a）提出，由于包括18世纪早期发明的水银温度计在内的数据收集方法的多变性，1850年以前的温度记录被认为不可靠，不可用于解释气候变化。因此，温度异常，参考温度的偏差（NOAA，2012b）被用作比较温度变化的手段。正值表示较高温度，负值表示参考值中较低的温度。这些差异是基于正常的，这可以解释为“30年期间气候要素（例如温度）的算术平均值”。

根据英国东安格利亚大学气候研究室的资料，在1945年至1973年的最后一次下降后，气温有了明显的上升（Brohan等，2006年）。如图1所示，指数增长被认为是由碳排放和城市化引起的在人类学上的联系。

快速城市化对气候变化的影响是建筑物和城市活动引起的温度升高。气温的升高直接影响全球降水分布。NOAA-NCDC（2011年）研究（图2）显示了从1910年到2010年的全球年降水总量。1910年到2010年期间，平均降水量的变化可以在一个不随时间变化的基线上看到，这也反映在全球降水量平均值上。对这些资料的进一步观察表明，从1950年到1970年，负降水异常频率更高。1970年以后，正负降水异常频繁的波动随着全球气温的急剧上升而上升。因此，我们可以说，全球气温上升与1970年代以后的降水变化之间存在一定的关系。

图1. 1850年至2010年的全球温度异常（Brohan等，2006）。

图2. 1910至2010年全球降水异常（NOAA-NCDC，2011）。

3 季风天气系统

季节性是由地球的倾斜造成的，而季风天气系统是由太阳辐射引起的海陆温差造成的（Huffman等，1997年）。当地球围绕太阳自转和公转时，由于北半球和南半球的陆地质量不同，会出现不同的季节。为了理解这种现象，有必要指出的是，北半球的地表面积大于南半球，这导致北半球和南半球的反季节。两个季风是东南亚夏季风（10°-20°N）和西部北太平洋夏季风（10°-20°N，130°-150°E）（Kripalani和Kulkarni，1997）。这个季节性对于调节降雨情况非常重要。在冬季，地球的倾斜可以减少北半球太阳辐射，这会导致快速冷却，然后在大气压力下降。反气旋在西伯利亚发展，东北冷空气到达中国沿海水域，然后到东南亚（MMD，2012）。东亚冬季风（EAWM）在东南亚通常是干燥的。在夏季，西南季风降水受北半球变暖的控制，暖空气将上升，并通过季风吹向南半球（Wolfson，2012）。东亚夏季风（EASM）降水是东南亚许多国家的重要水资源。 因此，本文对EASM进行了更广泛的讨论。

3.1 南亚季风及其与其他天气系统的关系

如图3所示，东南亚国家包括东印度，缅甸，泰国，越南，老挝，柬埔寨，马来西亚，新加坡，印度尼西亚，婆罗洲，菲律宾群岛，葡萄牙帝汶和西新几内亚。受季风的影响，这是“大规模的风向季节性逆转”（Serreze和Barry，2010年）而这个词来源于阿拉伯语“mausim”，意思是季节性。夏季降雨量最大值和大部分全年雨量最大值地区都在季风区。季风不仅影响亚洲国家，而且还影响到热带的地区。季风降水也会影响最初不被认为是季风的地区（Serreze amp; Barry，2010）。 这两个主要的季风系统，在十一月至三月期间的被命名为东北季风（冬季季风），五月下旬至九月的是西南季风（夏季风）。此外，十月是从西南季风季节到东北季风季节的过渡月份（Cruz等，2012），而EASM发生在北方冬季降雨量达到最大时。而EAWM在北半球夏季降雨量达到最高。EAWM是亚洲地区的大气，其变化很大程度上取决于西伯利亚高压和北极涛动。（Wang等，2012）。

图3. 东南亚地区（Kripalani和Kulkarni，1997）。

西伯利亚高压（SH）指的是在西伯利亚东北部积聚冷空气的半永久系统。 它在冬季达到最大强度，并且是天气系统中最低的温度和最高压力的来源。北极涛动（AO）又称北半球大气环流的环状模式，通过观察逆时针方向绕北极的风的特征，将其分为两个阶段（NOAA，2012a）。当风势强劲时，环流仍停留在北极圈内。这被称为正相。在负相位，北极高压和中纬度低压（OSS，2013）导致风向热带地区移动。北极的天气和气候间接影响季风季节性。这就使许多科学家用测量黄土颗粒大小的方法记录下来，作为为EAWM强度的指标。更强的风能够携带更粗糙的尘埃（Wang et al，2012）。中国黄土记录显示，粒度增加表明EAWM的强度增加（Wang et al，2012）。增加的尘埃沉积与更干燥和更冷的EAWM条件有关（Porter，2001）。

然而，EASM由西太平洋副热带高压（WPSH）占据着主导地位（Zhou，2009；SOEST，2013；Wang等，2013）。Wang等人的研究发现，WPSH和海洋的正相互作用可以提供气候可预测性的来源，并强调了亚热带动力学对了解季风和热带风暴可预测性的重要性。周等人（2009）指出，大气温度的变化部分影响了WPSH，这直接影响了EASM。自20世纪70年代末以来，WPSH已经向西移动，原因不明。 参考Zhou等人的研究，（2009年），WPSH西部边缘平均位置（133.5°E）的西移在1980-1999（119.5°E）期间为14°。有人认为EASM的西移是由于大气对观测到的印度洋西太平洋（IWP）变暖的响应（Huang amp; Yan，1999; Zhou et al，2009）。 影响季风降水开始日期的另一个有趣因素是喜马拉雅山脉的隆起，即青藏高原隆升（Kilaru et al，2013）。 青藏高原的增长速度可能快于其侵蚀过程（Mishraamp;Kumar，2014）。该地区大部分地区的降雨量减少可能是侵蚀缓慢的原因，这被认为是推动亚洲季风加强的一个因素（Reuter等，2012）。高温对流增加导致背风区降雨量增加，这也可能是印度地区洪涝灾害的一个促成因素。

3.2 东南亚地区气温升高和季风变化

Schewe和Levermann（2012）预测，21世纪末和22世纪初气温的升高将导致季风降水频繁变化，并转向低于正常水平的70％。 这不仅会影响印度夏季风，而且东南亚季风的爆发也可能会推迟15天。（Ashfaq等，2009年）。图4a和b显示了季风和气候变化的分布变化会导致夏季降水减少和EASM延迟。 这将对印度造成不利影响，因为印度年降水量的75％来自夏季风。2004年7月24日，情景有所不同，印度东北部和孟加拉国出现早期季风爆发，并且经历了最大的洪涝灾害，导致南亚地区约有1000人死亡（Coenraads，2006）。

小规模的区域环流更容易受到季风降水的影响（Rajeevan et al，2008）。 因此，季风系统强度的测量不足一般代表时间和空间分布。已有许多关于季风变率与厄

尔尼诺南方涛动（ENSO）联系的研究（Kripalani和Kulkarni，1997; Ranatunge等，2003）。 然而，ENSO对亚洲季风降水模式有一定程度的年际变化。 在Turner（2013）的研究中，印度季风降水未来可能会增加。预计随着大气中二氧化碳（CO₂）的增加，活跃-中断的周期会加剧。

图4.（a）印度夏季对流降水的未来变化和（b）印度季风爆发的未来变化（Ashfaq等，2009）

对菲律宾1960年至2010年季风降水变率的研究发现，EASM降雨总量及其降水分布呈下降趋势（Cruz et al，2012）。总降雨量每10年逐渐下降（0.016至0.075％）。1972年，菲律宾的降雨总量最高（1702毫米）。这与七月份菲律宾的大洪水事件同步发生（Gordon，1973）。极端日降水事件是由季风低压、对流或对流层中气旋造成的。EASM向西和向北传播受降水周期对流和环流的波动影响（2004年5月；普渡大学，2009年）。

东南亚国家季风降水的演变可以从各种来源的降雨总量趋势中理解。根据图5中标准化季风年降雨总量，Kripalani和Kulkarni（1997）使用Cramer的t型统计方法研究了降雨趋势。将十年平均降水量作为数据周期的零线，以总平均为基准。 高于整体平均值的年代际平均值为正，低于总平均值的值则为负季风降水异常值。 根据Cramer的t统计分析，季风降水模式显示年代际变率，这在统计上显着。在图6中，Cramer的t型统计方法分析，马来西亚和新加坡的过渡时间为十年，这与赤道更接近；泰国和菲律宾等亚热带地区则为三十年。

4 EASM诱发东南亚洪水

洪水或淹没的共同定义是雨水的积聚量足够大，以淹没地表。这些洪水从河流和湖泊中延伸出来，海洋在陆地上蔓延，覆盖低地地区。据说洪水在亚洲国家尤其是东南亚国家，即菲律宾，印度尼西亚，孟加拉国，泰国，越南和柬埔寨最为常见。在东南亚发生的大部分洪水都与EASM有关。自20世纪70年代以来，洪水的频率没有增加（Coenraads，2006）。这些洪水事件在东南亚可以作为季风降水变化的证据。

毫无疑问，最近全球降水模式发生了变化。在马来西亚和一些东南亚国家，季风期间降雨强度的增加不仅是大洪水的一个来源，而且也是引发重大山体滑坡事件的原因（Billa et al。，2004）。东南亚季风爆发已经造成了生命和财产的巨大损失。在菲律宾，2012年8月罕见的季风降水（300毫米）已造成170多人丧生。根据观察者的统计，有580445人已从马里拉这个洪水泛滥的首都撤离，有3035座房屋遭到破坏。比次洪涝事件，是台风索拉和台风海葵（WMO，2013）的累积

图5.（a）马来西亚，（b）新加坡，（c）泰国和（d）菲律宾（Kripalani和Kulkarni，1997年）的标准化年度季风降雨总量。

图6.马来西亚，新加坡，泰国和菲律宾Cramer关于年度季风降水总量的t统计（改编Kripalani和Kulkarni，1997年）。

除菲律宾外，包括泰国南部和马来西亚北部在内的马来西亚半岛地区也在2005年12月中旬经历了剧烈的EAWM降雨（300毫米）（NOAA，2012c）。图7显

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