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东亚冬季风

Lin Wang1and Mong-Ming Lu2

1. 季风研究中心，大气物理研究所，中国科学院，全球变化研究联合中心，北京
2. 台风和社会APEC研究中心，台北

简要回顾近年来关于东亚冬季风（EAWM）的研究。在年际时间跨度中，东亚冬季风的变化主要有两种模式：强度和路径的变化，分别与大气行星波的振幅和相位变化有关。乌拉尔山和太平洋地区的阻塞形势以及亚洲和西太平洋模式也会对东亚冬季风产生重要影响。乌拉尔山的阻塞形势同时也会对东亚冬季风十年间的增强有影响。ENSO和北极海冰是东亚冬季风变化的重要外部影响因子，但ENSO的影响在年代际间往往不同。在季节内时间跨度中，近三十年间初冬和隆冬，西伯利亚高压对东亚冬季风的影响显示出明显的异相位关系。平流层的变化以及Madden-Julian振荡都会影响东亚地区寒潮的特征。所有这些因素给东亚冬季风季节预报提供了可能。

1.引言

东亚冬季风，即自身变化会影响从亚极地地区到赤道间亚洲大陆和亚太地区天气和气候的一种直接大气现象。在近地面，主要由强的西伯利亚高压控制，阿留申低压在东亚地区东面，海洋大陆低压在其南面。由此在北纬30度北面和南面分别形成较强的西北风和东北风。这些地面特征与东亚地区对流层中层低压槽以及对流层上层急流有关。

由于相对较冷的亚洲大陆和相对较暖的邻近地区海洋间的大范围热量差异的存在，东亚冬季风在不同的时间范围内也呈现出不同的特征。东亚冬季风的这些变化与由于地形或海陆热力差异激发的大气行星波有密切联系。因此，热带海面温度（SST）和北极海冰等外部因素的变化都可以通过激发大气行星波来影响东亚冬季风。在本篇论文中，我们简要回顾了近年来关于东亚冬季风的研究，特别关注其从季节内到十年年际间等不同时间跨度内的变化趋势。

图1：12月-1月850hpa平均温度异常（a）不区分季风路径的强冬季风年（b）不区分季风路径的弱冬季风年（c）强南方路径的强冬季风年（d）强东部路径的强冬季风年

2.年际间变化

2.1东亚冬季风及相关行星波活动的主要模式

东亚冬季风的年际间变化可以用环流或者近地面温度场的几种主要模式描述。主要的温度模式可用东亚地区北纬50度南部的同质模式表征。温度的变化主要与东亚冬季风的强度变化有关，它以低于（高于）正常平均温度的程度反映在强（弱）冬季风年内东亚地区的寒冷程度。（图1a，b）第二种温度模式反映了东亚地区北纬40度两侧反位相的振荡。它与东亚冬季风的路径有关，路径反映了冷空气侵入我国可能的路线。例如，在强南方（北方）路径的强冬季风年，冷空气侵入东亚南部（北部）地区；因此，重要的低温异常出现在以北纬25度（45度）为中心的地区（图1c，d），大概是没有区分路径的强冬季风年低温异常区以南（北）10度左右（图1a）。

图2：12月-1月异常位势高度的气候态与北纬50度纬向平均位势高度的差值（a）在强弱冬季风年间（b）在南方和北方路径冬季风年间

东亚冬季风两种主要模式的变化和大气行星波有着内在联系，因为东亚冬季风和稳定的行星波都可以被大范围的海陆热力差异影响。这在一定程度上解释了为什么东亚冬季风的盛行北风层虽然很浅薄且一般在850hpa以下的高度，但是仍然与对流层中上层的波动和遥相关有密切的关系。东亚和西北太平洋之间增强的海陆热力差异也会增强由大气低层边界激发的行星波，会加强整个对流层尤其是亚洲北部太平洋地区行星波的振幅。（图2a）由于纬向2号波动，这个过程变得十分显著(图2，3)。纬向2号波能够加深东亚地区对流层中层的东亚大槽和地表西伯利亚高压及阿留申低压，进而导致强冬季风。这种强冬季风在东亚地区会造成强北风和大范围降温。当行星波的位相转而向西传播到中纬度太平洋北部时，它会使东亚大槽变得更加南北导向，但不会过多地改变其振幅（图2b）。这造成的径向气流最终会形成强的南方路径的冬季风，引导冷空气移向东亚南部。

图3：12月-1月强弱行星波活动年间平均海平面气压纬向2号波动的组合差异

图4：（a)12月-1月500hpa平均位势高度与1957-2000年乌拉尔山阻塞指数的相关或回归(b)12月-1月850hpa平均温度与1957-2000年乌拉尔山阻塞指数的相关或回归

通过分析东亚地区地表空气温度，王还找出了两种在气候模式上东亚冬季风的可预报模式，即北方和南方模式。北方温度模式的中心在西伯利亚的中部和西部，而南方温度模式的中心在温度适宜的东亚地区，如中国，韩国，日本以及这些国家邻近海域。这两种模式的特征与上述东亚冬季风强度和路径变化的影响因素不同，所以它们之间的关系还有待研究。冷的北方模式在西伯利亚高压南部大量的秋雪盖之后出现，而冷的南方模式在拉尼娜和西伯利亚北部雪盖减少后出现。

图5：（a）高PDO年（b）低PDO年12月-1月平均表面温度与标准化厄尔尼诺指数间的相关或回归（c）23年间冬季厄尔尼诺指数与季风指数的滑动相关

2.2阻塞和遥相关模式的影响

东亚冬季风年际变化的一个关键环流特征是被行星波控制和影响的准欧洲模式（图4a）。准欧洲模式经常与欧洲和乌拉尔山地区的阻塞形势以及对流层上层季节内或年际的正压罗斯贝波波列有关。此外，还与西伯利亚高压、对流层中层的东亚大槽和东亚地区寒冷的环境有紧密的关系（图4b）。这解释了东亚地区冬季地表平均空气温度年际变化的30%。准欧洲模式与东亚冬季风间的关系在十九世纪七十年代中叶后由于ENSO和AO的影响而被加强。太平洋西部模式（WP）是东亚冬季风年际变化的另外一个关键的环流模式。阻塞形势在太平洋北部，主要由瞬变涡旋造成的涡度反馈形成。这种阻塞形势可以在季节内或年际尺度内从阿留申地区一直退到西伯利亚东部。它以WP模式呈现，解释了东亚平均温度年际变化的相当大一部分。该平均温度只比欧洲模式低一点点。

AO可以通过改变行星波的传播来影响东亚冬季风。增强的AO能够削弱东亚冬季风向上传播进入平流层，能够加对流层中强行星波向赤道方向传播。造成的行星波辐合会削弱东亚地区亚热带急流，进而造成弱东亚冬季风。这个机制在平流层热带准两年振荡早期位相中十分重要。

2.3 SST和海冰的影响

暖的（冷的）ENSO常常在隆冬时节通过Gill-型罗斯贝波导致菲律宾地区低对流层反气旋的异常，形成弱（强）东亚冬季风。这种关系只有在太平洋十年振荡（PDO）负相位时才会比较显著，因为PDO会对异常的反气旋有调节作用（图5a，b）。在1970年代中期到2000年之前，PDO处于正相位，因此在这期间ENSO-EAWM的关系较弱（图5c）。在复合的气候预报模式中，ENSO是东亚冬季风重要的预报源泉，因为其有效预报期可达七个月。在复合气候预报模式中要想成功复制ENSO-EAWM间关系需要对ENSO空间结构和年际强度变化进行合理的模拟。海气的耦合，尤其是西部海洋大陆对东亚冬季风的预报有重要作用。除了ENSO之外，热带印度海域也能够给EAWM的预报提供额外的信息。这其中相关的机制还不是很清楚，但是很有可能与热带对流层上部罗斯贝波列有关，这种rossby波由太平洋印度西部异常的热带降水引起。

北极的大西洋地区减少的秋季海冰为强东亚冬季风提供了冷的条件和雪。一方面，由于巴伦支海-克拉-拉普捷夫地区海冰减少造成热量增加为罗斯贝波向东亚地区传播提供了能源，同时也为乌拉尔山地区位势高度的异常提供了能源。另一方面，这一地区缩小的海冰会减小南部温度梯度，进而改变向北的地表斜压地区。冬季气旋的路径也会专项北边朝极地地区移去，会造成克拉海附近正的SLP值和位势高度的异常者两种机制都可以引起西伯利亚东部冷平流的异常（图6）。由此导致的地表冷空气的异常可以进一步造成地表反气旋可能涡度异常，也会加强对流层上层的波列，因此引发西伯利亚高压个增强和强东亚冬季风。由于大气内部存在大量的可变性，这些机制很难在实验中复制。但是用足够多的变量来设置模拟可以部分克服这个困难，会发现一个大概的大气对于海冰减少的反应。

图6：在强弱大西洋海冰年间250hpa（a）海平面气压（b）位势高度与波动变动的图

3.年代际和长期的变化

东亚冬季风最重要的年代际变化是其在1986年冬季之后的减弱（图7a），导致中国地区寒潮频率的减弱，加强（减弱）了中国南部地区的降水（台湾北部的山区），加强了北太平洋的暴雨的轨迹。这种减弱归可以因于北极涛动的年代际正相位；西伯利亚高压和阿留申低压的削弱，其削弱是因为稳定的行星纬向波2号振幅的减小造成；以及由于秋季亚欧地区雪盖的减少造成的相关暖平流。近年来，东亚冬季风从其较弱的时期开始恢复，在2004年秋季之后重新增强(图7a)。在最近的强东亚冬季风时期里，东亚已经经历了很多冷冬和空气温度异常。相关的冷源主要在东亚北部的岛屿上，主要呈东西走向。乌拉尔山地区加强的冬季阻塞形势(图7b，c）以及之前几年秋季减少的北极海冰水平分别是近年来东亚冬季风增强的内部大气过程和外部主导因子。与1990年的寒潮相比，在2004年之后强冬季风年代的寒潮会更强，持续时间也会更长。1990年的寒潮与1986年之前的寒潮有着相同的特征。

4.季节内变化

4.1西伯利亚高压

从季节内演变的观点来看，东亚冬季风可以被划分为初始阶段，发展阶段，以及消散阶段，同时显示出清晰的年纪变化。东亚冬季风的年际变化与西伯利亚高压年际变化有紧密联系。其与阻塞形势有关，这种阻塞形势起源于从该地到其西部，东部，分别以波列和向西倒退的形势。Lu和Wang发现在近五十年间在1970年中期之后只有少数极强的情况下，在乌拉尔山阻塞形势和西伯利亚高压间才存在着较紧密的关系。

Lu和Chang发现西伯利亚高压的季节内变化在近三十年间有季节同步的趋势，在11月到次年1月间有异相位的关系。这显示了季节内的可预报性，这种预报性在之前二十年间并不存在。如果这种关系继续存在，东亚冬季风会会是这样一个可以被预测的环流系统：其强度与上一个月反相。这种季节同步季节内的异相关系的空间结构与ENSO没有关系，与乌拉尔山和太平洋地区阻塞频率的季节内逆转有关（图8）。在正相位北极涛动阻塞形势中，这种反相位关系在季节转换之前观测不到。然而这表明如果北极涛动的相位反转了，这种可预报性可能会减小。在温室气体大量排放造成全球变暖的条件下，如果更频繁的正的北极涛动模式的预测实现的话，这种减小可能会变得更普遍。

图7：（a）标准化冬季风指数,正（负）值代表强（弱）冬季风年（b）两个强冬季风年份1976-1987以及2004-2012冬季平均500hpa位势高度

4.2北极涛动和平流层的影响

北极涛动对东亚地区的寒流有直接的影响。在北极涛动增强的月份，对流层的风大多是纬向型的。因此，寒流主要以对流层上层的波列为特征，波列主要向西传播到达北太平洋地区（图9a-c）。寒流的持续时间相对较短，由于寒潮路径向南转变，气候的影响也主要限制在中国内陆地区。在北极涛动减弱的月份，对流层中风大多是无规则的。寒流呈现出东亚地区一对非常有组织的反气旋对（图9d-f）。导致的气候变化是强而长时间持续的，伴随着寒流路径的向西转变。一方面，北极涛动的动态变化涉及到对流层和平流层的共同影响。因此，平流层内的气象要素信息可以为寒潮的预测提供可能。亚欧大陆上部尤其是东亚上空平流层极涡减弱之后，寒冷的日子明显增加了（图10）。一些学者的研究同样也支持平流层在寒潮过程中的重要作用。

图8：与1979-2008年11月份西伯利亚高压异常有关的（a）乌拉尔山阻塞指数（b）太平洋阻塞指数的时间序列

图9：300hpa以及500hpa位势高度异常在（a）-(c)AO正相位月份，（d）-（f）AO负相位月份

图10：在极涡（a）峰值（b）成熟（c）减弱（d）消亡 阶段的寒冷天数

4.3 Madden-Julian涛动的影响

Madden-Julian（MJO）在季节内时间跨度内是一个主要的可预报性因子，对东亚冬季风有重要影响。在2-3天的MJO振荡内（印度洋上部平流加强），东亚冬季风会带来冷空气，更强且更频发的寒潮以及强降水。在6-7天的MJO振荡中（西太平洋上空平流加强），东亚地区气候异常情况与2-3天振荡大致相反。这些影响通过三种因素的变化而总结得出。一是当地哈得雷环流的变化，二是由于MJO的加热作用导致的停滞在北半球的赤道罗斯贝波环流分支的变化，三是垂直运动的准地转强迫作用。ENSO引发的气候异常可以调节MJO遥相关模式，造成在厄尔尼诺年和拉尼娜年，MJO对东亚冬季风的影响不同。

5结论

东亚冬季风是全球季风系统的重要组成部分。要理解它的变化是个非常有挑战性的课题。尽管近年来此课题有些许进展，但仍然有许多问题有待研究。例如，在季节内时间尺度内，东亚冬季风变化的主要特征和机制是什么？在年际和年代际变化中主要的大气外部影响因子是什么？涉及到的物理过程有哪些？与影响东亚冬季风的变化的大气外部因素相比，大气内部因素的变化有哪些重要性？东亚冬季风对逐渐增多的人类活动影响会如何反应？在不同的模式中东亚冬季风的可重复性和可预测性如何？这些问题都有待于研究。

参考文献：

Chang, C. P., M. M. Lu, and B. Wang, 2011: The East Asian winter monsoon. The Global Monsoon System: Research and Forecast (2nd Ed), C. P. Chang, et al., Eds., World Scientific, 99–109.

Chang, C. P. and M. M. Lu, 2012: Intraseasonal predictability of Siberian

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