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南海夏季风爆发的可能前兆：南亚高压的影响

摘要：在气候学上，南海夏季风(SCSSM)一般发生在5月16日—20日。南亚高压向东延伸到南海可能是南海夏季风爆发的前兆。在对流层上层，南亚高压(SAH)通过诱导正位势涡度平流而使大气变暖，从而加强了南海南部的降水。当局地对流变得足够强，使得28-29的垂直温度梯度减小时，高层暖中心将覆盖在南海上空的云底暖区，以满足角动量守恒的要求。然后就形成了一股越赤道气流，与南海上空强烈的垂直风切变和深的季风对流，标志着南海夏季风的全面建立。因此，5月份南亚高压的突然变化可以作为南海夏季风爆发的早期指标。

1. 导言

气候学上南海夏季风的爆发一般在5月16日—20日左右，并被广泛地定义为东亚夏季风大规模降雨的前兆。[e.g., Lau and Li, 1984; Tao and Chen, 1987; Lau and Yang, 1997; Wang and Wu, 1997; Wang et al.2004; Zhu et al., 2005; Li and Zhang, 2009; Tian and Wang, 2010].在SCSSM爆发期间，对流层上部的南亚高压(SAH)向东北方向迅速移动。[He et al., 1987; Kueh and Lin, 2010]伴随着西太平洋副热带高压(WPSH)在对流层底层的持续东移 [So and Chan, 1997; Xie et al., 1998; He et al., 2006; Wang et al., 2009]。低层越赤道气流(CEF)在南海上空建立 [Gao and Xue, 2006]。南海上空存在着明显的南北向温度梯度逆转和垂直东风切变 [Mao et al., 2004]。

以前的工作已经将南海夏季风的爆发归因于大气内部的变化或外部基础条件。Zhou and Chan [2005]结果表明，赤道印度洋季节内振荡(ISO)向东传播30-60天，西北推进10-20天，可能导致南海上空的西太平洋副热带高压(WPSH)东退，从而导致南海环流的爆发。外力包括印度支那半岛的表面感热[Zhang and Qian, 2002; Liu et al., 2010]和青藏高原的地面感热加热 [He et al., 1987; Wu and Zhang, 1998]、南海海温异常[Chen and Wang, 1998; Lau and Nath, 2009]、赤道中部的东太平洋[Xie et al., 1998]、热带印度洋 [Yuan et al., 2008; Li et al., 2016]，甚至是全球海温的年周期[Jiang and Li, 2011]。由于南海夏季风的爆发以深对流和低层西南风爆发为主，因此对流层高层的影响，特别是南亚高压可能产生的影响关注较少。南海夏季风（SCSSM）的发生与邻近地区三圈环流的季节性突变密切相关，但大气环流垂直结构与越赤道气流（CEF）的关系尚未明确。这项研究的目的是：(1)确定南亚高压（SAH）对副热带高压（WPSH）和越赤道气流（CEF）的影响；(2)阐明与南亚夏季风爆发有关的高低层大气环流之间的垂直耦合。

我们使用NCEP/DOE再分析资料来描述SCSSM爆发的动力和热力学特征，包括三维风场、气温和比湿度，水平分辨率为2.5times;2.5°，17个标准等压线1000-10hPa [Kanamitsu et al., 2002]。热带和亚热带降水是从CPC合并的降水记录分析中提取出来的[Xie and Arkin, 1997], SCSSM对流是由NOAA射出的长波辐射(OLR)来表示的[Liebmann and Smith, 1996]水平分辨率为2.5times;2.5°。各气象要素是用1979~2010年的算术平均值来确定的。热带和亚热带降水是从CPC合并分析降水记录中提取的[Xie and Arkin, 1997], 热带和亚热带降水是从CPC合并的降水记录分析中提取出来的，SC南海南部夏季风对流对流是由NOAA向外输出的长波辐射(OLR)来表示[Liebmann and Smith, 1996]水平分辨率为2.5thinsp;times;thinsp;2.5°。各要素的气候学由1979年至2010年的算术平均数确定。

1. 南海夏季风（SCMM）爆发期间环流的垂直结构

南海夏季风爆发的特征是在5月中旬至5月下旬，深层对流突然加强且具有明显的环流变化(图1a-1d)。以低OLR为代表的南海夏季风爆发前，南海上空没有明显的对流，但深对流中心位于印度支那半岛和菲律宾南部(图1a)，（SAH）南亚高压较弱且位于印度支那半岛的对流层上层，而低层的副热带高压稳定位于南海上空（图1i）因此，南海上空的上层辐散和低层正涡度较弱。在第27候，两个深对流中心明显加强（图1b），伴随增强的南亚高压向北移动，并明显向东延伸至南海（图1f）在南亚高压南部，高层辐散与深对流同时出现（图1b和1f），然而，副高仍停留在南海上空，此时低层正涡度和西南风增强不明显(图1j)。在第28候当盛行的夏季风对流突然出现在南海上空，南亚高压明显向东延伸时，会发生明显的变化(图1c和1g)。南亚高压的进一步北移增强了南海上空的高空东风(图1 g)。副高随南海低空正涡度的产生而退出南海，南海上空的南信风开始在第28候桥接南半球的赤道风，预示着越赤道气流在原地形成（图1k）。在第29候，当南海夏季风完全建立时，随着南海上空对流的增强，越赤道气流会变得更强（图1d、1h和1l）。

图1

在南海夏季风爆发期间(a-d)输出长波辐射的季节演变(Wthinsp;m^minus;2)和(e-h)150thinsp;hPa和(i-l)850thinsp;hPa风场(矢量，mthinsp;s^minus;1)。图1e-1h和1i-1l的阴影分别代表150hPa的散度(10^minus;6thinsp;thinsp;s^minus;1)和850hPa的相对涡度(10^minus;6thinsp;thinsp;s^minus;1)。图1-1h和1i-1l中的红色等高线分别表示14,300和1505位势高度。

南亚高压的发展可归因于印度支那半岛和菲律宾南部热带对流所释放的非绝热，这种非绝热是通过鳃型反应产生的 [Gill, 1980; Liu et al., 2013]. 首先是南亚高压向北移动和向东伸展，然后是副高向东撤退，最后是南海上空越赤道气流的发生和南亚夏季风的开始。推测南亚高压的这种季节性变化可能是南亚夏季风爆发的前兆。

1. SAH的前体

位势涡度（PV）是绝对涡度和位温梯度的乘积，自20世纪80年代以来一直被用来研究大气中的动力和热力学过程的量[e.g., Hoskins et al., 1985; Davis and Emanuel, 1991].利用等熵PV(IPV)研究了5月和夏季SAH的变化[Wu et al., 2013] 和北方的夏天[Liu et al., 2007] 通过考虑在等熵面没有非绝热加热和摩擦作用的PV的守恒[Hoskins et al., 1985]. IPV还可用于显示南亚夏季风爆发前南亚高压的变化(图2)。在五月第26候南海夏季风爆发之前，在印度半岛上空360K等熵面上有一个非常弱的低涡面积(lt;0.5thinsp;的位涡单位)(图2a)，这与具有纬向伸展的较小的弱的南亚高压相一致（图1e）随着南亚高压增强并向东延伸,低IPV区域在孟加拉湾东部变得更大，南亚高压东部边缘的北风明显增强。这些风通过南海将较高的IPV从中纬度带到对流层上层；当地的IPV在第27候增加了1.0PVU(图2b)。这种情况一直维持到第28候，此时南海上空形成深对流和越赤道气流形成(图1g，1k和2c)。在第28候南亚夏季风对流建立之后，高层高IPV在南海上消失(图2d)，虽然南亚高压在第29候继续增强并向西北移动(图1h)。这部分是由于对流层上部的负涡度源高于最大非绝热加热水平，部分是由于深层季风对流向低IPV区垂直输送。

图2 (a-d)第26-29候在360thinsp;K等熵面上等熵位涡和风场(矢量，mthinsp;thinsp;s^minus;1)的季节演化

因此，IPV在高于南海的上层增加，在五月第27候和28候期间受到非绝热加热的影响较小，但在第29候南亚夏季风完全建立之后IPV降低。因此，当季风对流释放的非绝热加热在原地变得明显时，南海上空的PV强迫在在第28候前后应该是明显的。

3.1南亚高压诱导的PV强迫

有人认为，南亚高压的演变可以改变高层PV，从而影响南亚季风对流。[Wu et al., 2013; Wu and Liu, 2014].]理论上，正涡度平流(PVA)可以导致绝热和非摩擦框架下的上升运动，这被称为PVA规则[Hoskins et al., 1985].这种情况也发生在第28候南海夏季风完全建立之前。在第26候观测到的高层PV值lt;0.9thinsp;PVU在北南海上空，那里的PVU和上升运动较弱(图2a和3a)。在第27候，由于南亚向东延伸而产生的动力效应显著；弱的夏季季风对流开始出现在南海南部，但在低空风变化不大，从而在原地形成了稳定的副热带高压(图1f和1j)高PV由中纬度向南侵入北南海(图2b)在增强的北风的协助下，它产生了下游的正涡度平流(PVA)。在南海南部形成了，中层至高层的上升和由此产生的季风对流，是由于南海夏季风在爆发初期南亚高压引起的PV强迫而形成的(图1b和3b)。

图3

1. d)五月第26—29候的正势涡度平流110-120°E平均气压纬向截面图(紫色等高线，10^minus;5pvuthinsp;s^minus;1), q1(阴影，Kthinsp;d^minus;1)，以及局部经向环流(向量，ms^minus;1)红色(蓝色)向量表示大于minus;1.5thinsp;times;thinsp;10^minus;2 (lt;1.5thinsp;times;thinsp;10^minus;2)thinsp;Pathinsp;s^minus;1.

应根据大气连续方程，在高层散度增强后低层环流应发生改变。对流层低层环流的最明显变化发生在第28候28，产生正涡度和南亚高压动撤移出南海(图1k)。涡度预算表明，南海上空正涡度的发展主要是由于低层辐合增强(图中未显示)，以及与南亚高压东移有关的高层辐散。当高层散度被南海上空的低层季风槽叠加(图1g和1k)时，季风对流迅速发展，释放出大量的非绝热加热，破坏了绝热结构(图3c和3d)。南亚高压南部的高空东风和季风槽西侧的低空西风增强了南海上空的垂直东风切变。同时，南海季风槽前的较低层偏南风在高空北风之下加强，增强了局地垂直北向切变。随后在5月29日南海夏季风完全爆发后，在非绝热加

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