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孟加拉湾地区季风建立的年际变化^[1]

YU Wei-Dong ,LI Kui-Ping, SHI Jian-Wei, LIU lin, WANG Hui-Wu, LIU Yan-Liang

Center for Ocean and Climate Research, First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China

摘要：利用浮标站2008-2011年的观测数据证明孟加拉湾地区季风建立过程的年际变化，分析得到2009年为季风建立显著提早年，而2010年为季风建立显著偏晚年。并且发现孟加拉湾海表面温度的年际变化和季节内振荡的异常导致了这种季风建立的年际变化。该发现提高了对孟加拉湾地区季风建立同化和预报存在的潜在困难的关注。这种不确定性很大一部分来自于模式对季节内时间尺度预测的不完善。

关键词：季风建立，年际变化，孟加拉湾，海平面气温

1. 介绍

亚洲季风是世界上最显著的气候系统之一，它随季节而变的大气环流和降水影响着百万人民。季风风向和降水的改变很普遍且极易导致亚洲大部分地区的旱涝灾害，并且通过遥相关影响远处地区的气候异常。对亚洲季风年际变化的预测是气候研究和观测的重中之重。

季风的突然建立是其季节性环流的显著特征^[1]，得到许多关注。不同地区的亚洲夏季风的建立体现出极为不同的年际尺度变化特征。例如，印度夏季风的建立在喀拉拉邦有着较为准时的日期，而中国南海夏季风的建立却有很大的不同^[2,3]。孟加拉湾连接了印度季风和南海季风，也是亚洲夏季风最早建立之地。孟加拉湾季风偏迟建立会导致东南亚地区热季延长，尤其是5月到8月初；热浪和干旱灾害袭击邻近国家。近年来，孟加拉湾季风建立的年际变化获得较大的关注^[4-7]，但对其研究还很少。

孟加拉湾地区观测水平的提高提供了研究孟加拉湾季风的诸多领域一个前所未有的机会，包括它的建立、季节变化和年际变化。RAMA^[8]作为印度洋观测系统的一部分已实现对包括孟加拉湾在内的东印度洋的覆盖。本文采用孟加拉湾7个RAMA浮标站2008-2011四年的数据进行研究。

文章第二部分介绍了数据和方法；第三部分对比了季风建立正常年和偏早年（偏迟年）的差异；第四部分讨论了影响孟加拉湾季风建立的可能机制；第五部分总结主要结论。

1. 数据方法

所选7个RAMA浮标站位于90°E，纬度分别为2°S，0°，2°N，4°N，8°N°，12°N，从赤道一直到孟加拉湾中部。数据流来自于这些浮标站对孟加拉湾季风变化的首次实时观测，尤其是它的建立、季节变化、年际变化。本文所采用的时间序列资料包括五天平均的海平面风、海平面温度以及向下短波辐射。短波辐射用于表征与季节内振荡（ISO）相联系的深对流活动。短波辐射还与对外长波辐射（OLR）高度相关。所有这些资料可以从NOAA获得，网址是htttp://www.pmel.noaa.gov/tao/rama/。

用NOAA逐日OLR资料^[9]和NCAR/NCEP逐日风场再分析资料^[10]定义孟加拉湾季风建立的长时间序列。用NOAA逐月海平面温度^[11]表征孟加拉湾海平面温度的年际变化。

3.孟加拉湾季风建立的年际变化的总体特征

有研究表明，孟加拉湾季风建立最显著的区域特征是其深对流和西风的突然爆发^[4,12-15]，因此我们以孟加拉湾区域（7.5°N–12.5°N, 85°E–95°E）平均OLR小于220W/m sup2;和同区域平均水平西风出现10天以上，作为孟加拉湾季风的建立。图1为以这两个特征表示孟加拉湾季风建立的时间序列。可看出，孟加拉湾季风建立有显著的年际变化特征，该特征比起印度夏季风的建立与南海夏季风的建立更为相似。应注意到这种年际变化特征与地区大小的选择无太大关系，甚至之前有研究者们认为深对流活动更多地出现在孟加拉湾的东部。1979-2011年间季风在孟加拉湾地区建立的平均日期是5月6日，左右大约为13天的偏差。从图1也可看出近年来季风建立有一个提早的大趋势。去除线性趋势后，近十年来，5月1日可代表孟加拉湾中部地区季风建立的平均日期。RAMA浮标观测数据2008年-2011年中，2008年和2011年为季风建立的正常年份，2009年为偏早年，2010年为偏晚年。因此，所选取研究的实测数据有利于去分析季风建立的年际变化。

图1 1979-2011年孟加拉湾季风建立日期的时间序列

对孟加拉湾（及其他季风地区）季风建立的年际变化的物理机制研究是非常不完整的。一些统计分析指出，孟加拉湾（及邻近印度支那半岛）地区季风的建立和ENSO有非常密切的关系^[4,5]。前期冬天为El Nino（La Nina）则对应着孟加拉湾和印度支那半岛季风建立偏迟（偏早）。而这种遥相关背后的机制并没有透彻的研究。孟加拉湾季风建立的年际变化蕴藏着深层的未可知的物理本质阻碍了对它的研究。在此，我们通过初步的研究分析，尝试构建一个关于孟加拉湾季风建立的更为清晰的图像。

最近，Yu等^[16]提出假说，认为孟加拉湾季风的建立可能是孟加拉湾中部地区海表面温度最大值与第一支向北传的ISO（FNISO）之间的锁相。依照这种假说，那么孟加拉湾季风建立的年际变化至少可归因于两点，一是孟加拉湾中部海温的年际变化，二是赤道印度洋MJO的年际变化。

孟加拉湾海表面温度可以以7°N–15°N,85°E–95°E地区的RMS平均SST来表征。如图2，我们有趣地发现孟加拉湾中部海表面温度的年际变化具有明显的季节性的双峰特征。第一个峰值点出现在4-5月份，而第二个峰值点出现在接近历年的末尾。这种模型揭示了孟加拉湾中部SST最显著的年际变化特征，通常发生在4-5月份左右，与季风建立的日期有很好的对应。该结果也证明了孟加拉湾中部海温变化通过SST-FNISO锁相关系导致季风建立变化的可能性。

图2 各月的SST年际变化RMS数据

MJO的年际变化，包括它的频率和强度，已经有很多的研究^[17,18]。MJO年际变化活动中心之一位于赤道东部印度洋，并且影响着澳大利亚夏季风的建立和爆发^[19]。MJO的这种变化很有可能也影响了孟加拉湾季风的建立。

4.2009年与2010年季风建立的比较

来自孟加拉湾地区RAMA 7个浮标站4年的实测数据揭示了孟加拉湾季风建立年际变化的基本特征。2009年，孟加拉湾季风建立在4月11日，比平均日期提前了20天，也是自1979年以来季风建立最早的年份。2010年，孟加拉湾季风建立在5月17日，比平均日期落后15天，是自1979以来最显著的季风建立偏晚年。通过两年的比较初步的出了孟加拉湾季风建立年际变化最基本的信息。

在2008-2011年间孟加拉湾地区季风的建立虽存在较大的年际差异，但事实上也存在一些共同特征^[16]，图3为四年季风建立过程的合成图与它们各自建立日期的相关。在季风建立之前，孟加拉湾中部为混乱的微风，同时赤道地区被持续的西风控制。在季风建立之后，强烈的西南风迅速在孟加拉湾中部地区建立，赤道纬向风转向为南风。这些共同的特征支持了Yu^[16]的SST-FNISO锁相假说—-季风建立年际变化的深层机理。

图3 2008-2011年季风建立过程的合成与各自建立日期的相关（横坐标表示参考日期（每单位为5天）与季风建立日期（原点）的相关，黑、红、绿、蓝箭头分别表示2008、2009、2010、2011年的风）

图4是季风建立偏晚年2009年 海平面温度、辐射和风场图。5月底，当孟加拉湾中部海平面温度达到最大值（约30.5°C）时，为该地区季风的建立提供了前提。这个时间早于孟加拉湾海平面温度最大值出现日期的气候平均值。根据SST-FNISO锁相理论^[16]，一旦FNISO出现，那么季风就将建立。在5月底至8月初，MJO传播至了赤道印度洋东部，继而转向进入孟加拉湾。在SST最大值出现10天后，深对流中心移至孟加拉湾中部。在图4的第2张短波辐射图中可以清晰地看到这支向北传的深对流中心。虽然一些数据的缺失导致了对FNISO识别的困难，但仍然可以推测出FNISO大约在4月10日到达孟加拉湾中部。FNISO有利于该地西南风的突然建立，且季风在FNISO到达的5日之内就出现了。从图中还可看出孟加拉湾季风建立在2009年显著提前主要是由于孟加拉湾中部海平面温度在春天时比通常提早15天达到最大值。至于SST最大值提早出现原因很复杂，本文只在最后一部分作简短讨论。

图4 2009年1月至5月沿90°E孟加拉湾地区各要素的时间序列，从上到下为5天平均SST（单位：

°C）、短波辐射（单位W/msup2;）、风（单位m/s），粗黑线指示季风建立日期（4月11日），中间图中空白区域为辐射资料缺失

图5是季风建立偏晚年2010年的海表面温度、辐射和风场图，可看出SST的发展是非常独特的，尤其是它长时间维高值的特征。在季节平均环流上，孟加拉湾中部SST的最大值大约为30°C。在2010年，自4月初SST就超过了30°C，并且这种发展基本遵从平均季节变化。然而，SST继续增加，在4月底5月初竟达到32°C。这样的高温一直持续到 6月事件快结束的时候。海温条件虽已达到，但季风一直到5月中旬才建立。这种偏后的建立主要是由于赤道印度洋MJO的不活跃。从图5最后一张图可看到FNISO推迟到了5月中旬。从RAMA浮标站在沿90°E低纬地区的观测中可看到，事实上在5月末赤道印度洋东部存在着一个弱的MJO，但孟加拉湾中部SST却不够高。另外，对OLR的分析也可得知在2010年1月至4月MJO活动是异常偏低的（图表省略）。因此，我们认为2010年季风建立偏晚主要是由于赤道印度洋MJO活动的虚弱和FNISO到达的偏晚。至于为什么虚弱和偏晚。本文只在最后一部分作简要讨论。

图5 2010年1月至5月沿90°E孟加拉湾地区各要素的时间序列，从上到下为5天平均SST

（单位：°C）、短波辐射（单位W/msup2;）、风（单位m/s），粗黑线指示季风建立日期（5月17日）

5．结论和讨论

孟加拉湾季风的建立具有明显的年际变化特征，同时具有提早建立的大趋势。过去十年中，季风在孟加拉湾建立的平均时间是5月1日，前后有大约13天的偏差。

浮标站2008-2010年的实测数据为我们提供了很好的研究对象，2008年和2011年为季风建立正常年，2009年为偏早年，2010年为偏晚年。基于Yu等^[16]最近提出的SST-FNISO锁相理论，我们比较分析了2009年与2010年之间的差异，发现季风建立的年际差异由孟加拉湾海表面温度的年际差异（如2009年）引起或由ISO异常活动引起（如2010年）。近年来，Wu等^[6,7]强调了季风涡旋的重要性以及在孟加拉湾季风建立过程中所起到作用。要进一步开展研究需要理解他们的工作与现存研究之间的联系与差别。

控制孟加拉湾SST和FNISO的内在机理是非常复杂的。SST主要受到孟加拉湾地区季节性环流的影响，还有局地的海陆大气相互作用，这也是赤道印度洋一个大型的环流过程，以及来自其他水域的遥相关强迫。孟加拉湾SST既受本地影响又受远处强迫。FNISO的年际变化只有少量浅显的研究。未来对于这两方面的深化研究，有助于我们进一步认知孟加拉湾季风的异常。

目前的研究提高了对孟加拉湾季风建立的同化和预报困难的关注。耦合模式对季风降水的预测不尽人意，该模式极大的忽略了孟加拉湾海洋盐度的同化，对孟加拉湾中部海表面温度最大值预测的时间选择带来困难。另外，ISO的活动也不能被模式很好的预测。这两个误差导致了模式不能很好地同化和预测孟加拉湾季风的建立，还需要更多的研究。

参考文献

[1] Yeh D, S Tao, M Li. The Atmosphere and Sea in Motion [M]. Rockefeller Institute Press, Oxford, 1959: 249–267.

[2] Xie A, Y-S Chung, X Liu, et al. The interannual variations of the summer monsoon onset over the South China Sea. Theor[J]. Appl. Climatol,1998, 59: 201-213.

[3] Wu R, B Wang. Multi-stage onset of summer monsoon over the western North Pacific [J]. Climate Dyn, 2001, 17: 277–289.

[4] Zhang Y, T Li, B Wang, et al. Onset of the summer monsoon over the Indochina Peninsula: Climatology and interannual variations [J]. Climate, 2002, 15: 3206–3221.

[5] Mao J. Y and G X Wu. Interan

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