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东亚季风变动与对流层准两年震荡

LI ChongYin1,2*, PAN Jing1 amp; QUE ZhiPing1,3

大气物理研究所大气力学与地球物理流体动力学数值模拟国家重点实验室，中国科学院，北京100029，中国；

气象学院，解放军理工大学，南京211101，中国；

中国科学院研究生院，北京100049，中国

于2010年4月16日接收；于2010年7月13日收入

摘要：

自二十世纪八十年代以来，对流层两年振荡（TBO）的研究引起了广泛的兴趣。然而，推动这一进程的机制仍不清楚。在本研究中，应用ECMWF日常数据来评估东亚季风变化及其与TBO的关系。首先，使用850 hPa u和v分量在一个选定的区域的基础上描绘了东亚季风指数（EAMI）。这个新指标不仅可以描述夏季风的特征，还可以描述冬季风的特征，这对于了解夏季和冬季季风之间的过渡过程至关重要。以下对EAMI的分析表明，夏季和冬季季风之间存在着密切的关系。一般来说，今年东亚冬季风强烈，来年东亚夏季风也强烈，冬季季风弱将导致夏季风弱。强（弱）夏季风后接着弱（强）冬季风，这形成了一种2年周期的循环，其可能是导致东亚地区TBO的机制。

关键字：

东亚季风年际变化；相互作用；对流层准两年振荡（TBO）；动力机制

东亚季风系统是东亚地区最强和最活跃的季风系统。它有两个主要组成部分——冬季风和夏季季风。这两个因素都对东亚，全球大气环流和气候产生重要影响。因此，对东亚季风系统的研究具有重要意义^[1-3]。虽然大多数以前的研究调查了冬季或夏季季风，也有人尝试评估其在东亚地区的相互作用。但是，这种关系的具体性质还不清楚。通过分析代表性的案例，孙等人^[4-5]指出，强弱（弱）冬季风季后的夏季风往往较弱（强）。赵等人^[6]发现大多数年份冬季和夏季都存在“异相”模式，陈等人^[7]提出了相对于西太平洋副热带高压（WPSH）的冬季风指数。这些作者还表示，在东亚强弱（弱）的冬季季风年份之后，WPSH在夏季向北（向南）转移。另外，夏季东亚季风与长江流域降水之间存在关系。然而，科学家们对冬季和夏季风之间的相互作用没有统一的意见。

除了平流层的准双年度振荡（QBO）之外，对流层循环和降水有两年一次的振荡现象，特别是亚洲季风地区。这种现象称为对流层双年度振荡（TBO）^[8,9]。以前的研究将东亚夏季风降水模式描述为明显的两年振荡特征^[10,11]。然而，这个特征的动力学机制还没有很好的理解。这个过程可能与ENSO的两年组成部分密切相关^[12,13]。事实上，李等人^[14]指出，EAWM与ENSO之间的相互作用可能是激发TBO的重要机制。此外，TBO已经与西太平洋的热力学条件相关，特别是水汽运输^[15] 。陈等 ^[16]从更广泛的角度研究了TBO的机制，并提出稳定的行星波的活动会通过QBO影响对流层，然后影响TBO的变化

在本研究中，分析了整个东亚季风系统。 首先，定义了一个新的统一季风指数，并对其变化进行了调查，以确定东亚季风的不同生命周期以及东亚季风夏季和冬季的相互作用。 最后，提出了东亚这两个季风组成部分的发展和转型过程可能是激发东亚季风区域的重要机制。

1 数据

所采用的基本数据包括40年（1961-2000年）的EMWCF每日平均数据，存储在从1000到1 hPa的23个等压面。 这些数据的水平分辨率为2.5°times;2.5°。变量的逐日数据异常高低被认为是与上述40年平均值的日均值的偏差。使用的另一个数据是1885年至2005年中国气象局国家气候中心的21年梅雨数据。本数据是通过对上海，南京，芜湖，九江，武汉等五个站点的数据进行平均分析而构建的。

2统一东亚季风指数

在早期的研究中，东亚夏季风（EASM）和东亚冬季风（冬季）被视为个别的研究整体。有许多不同的指标已被应用于描述分别的活动和异常情况。最初，郭[ 17 ]定义了一个东亚夏季风强度指数，可以清楚地描述海平面气压（SLP）在东亚洲和西太平洋的特征，也可以识别陆地和海洋描述整个东亚夏季风的过程的差异。后来，中国南海夏季风指数被用来表示东亚夏季风过程。不同的变量被应用于定义这个指数，如850 hPa风场，长波辐射（OLR）和高低对流层水平偏离的程度^{[ 18 - 20 ]}。甚至热带和亚热带地区的纬向风差异和遥相关波列也被作为东亚夏季风指数^[21,22]。这些研究得出结论，应用风场比降水能更好的定义一个东亚季风区夏季风指数。

关于EAWM，寒潮事件通常用于表示其活动。史等^[23]将区带平均SLP的差异从20°到50°N应用于110°和160°E之间，以定义EAWM强度指数。 用于描述东亚地区冬季风活动的指标的其他变量包括500 hPa潜在高度，以及温度和北风组成^[24]。然而，虽然使用了不同的变量，但是EAWM的基本特征已经相互关联。

在东亚地区，冬季盛行东北风，夏季盛行西南风（图1）。基于在这些风场下，我们选择了西南-东北风风速为关键变量。过程中参与计算的网格点位于研究区域110°–122.5°E和10°–22.5°N之间，然后数据归一化计算统一的东亚季风指数（EAMI）：

其中V代表，u和v分别是纬向和径向风，n是样本数（基准天数）。 因此，我们获得了逐日EAMI。u和v是纬向和经向风，分别和n是样本天数）。由此，我们得到了逐日东亚季风指数EAMI。

图2描述了逐日东亚季风指数的多年平均的季节变化。该指数清楚地显示了夏季风和冬季风基本循环的特点。它不仅适用于冬季风，也适用于夏季风。该指数可以反映冬夏季风过渡的特点。在一般情况下，东亚夏季风在五月后期爆发，于十月消退。然后，东部冬季风建立于十月中旬和于五月消失。使用这个简单的指数，整个东亚洲季风系统循环的基本过程就显现。在夏天，从冬季风到夏季风的转变比从夏到冬的要更加平滑。也就是说，等高线在九月中旬与五月从冬天到夏天的过渡时间相比不太陡（从夏天到冬天的转变时间）。

曾等^[25,26]提出了一种方法来划分全球季风区与定量估算大气循环过渡时间。定义的指标在本文类似于他们的估计。

3 东亚冬季风与夏季风异常的关系

在本研究中，我们采用了合成分析的方法来揭示东亚夏季风和冬季风异常的关系。我们选择了十二月、一月、二月的平均东亚季风指数代表冬季条件，和六月，七月，八月代表夏季条件。然后发现，在夏天EAMI超过0.8则被选为强夏季风的情况下。

我们从40个样本中获得了15年强夏季风年（1967，1968，1972、1974、1975、1981、1982、1984、1985、1990、1991、1993、1994、1997和1999）。这15年是夏季风强的组合。然后，将组合结果从多年平均东亚季风指数中减去。最后我们获得了季风指数中强夏季风的异常，其夏季风指数异常如图3所示。关于强夏季风指数，季节性季风指数的变化表明，弱冬季风往往发生于强夏季风（季风指数显示正异常）之后。因此，这指数表明强夏季风将导致弱的冬季风。

我们用阈值为0.66来选择弱夏季风年（例如季风指数EAMI小于0.66）。以此获得11个弱夏季年（1964，1966，1969，1971，1980，1983，1988，1989，1995，1996，和1998）。这种方法与强夏季风相似。我们I从弱夏季风复合年份减去多年平均EAMI，得出弱夏季风异常.结果如图4所示。强冬季风（EAMI值低）经常在弱夏季风（EAMI负值）之后出现。

4东亚季风变动与对流层准两年震荡

在第4节的分析清楚地表明，弱冬季风活动往往发生于强大的夏季风的情况下，而强烈的冬季风活动发生在弱夏季风的情况下。换言之，在夏季与之后的冬季的季风之间有一个不一致的模式。在这一节中，我们讨论的情况为夏季风之后的冬季风异常情况及它们联系。首先，考虑强夏季风情况，EAMI异常是由气候平均EAMI减去合成结果得出的。强冬季风的年份包括13年（1961，1966，1969，1970，1971，1973，1975，1981，1985，1988，1995，1998，1999）。冬季风异常（强）与EAMI的季节性变化有联系，可以从图5中看出。在冬天强（冬季负EAMI），接下来的夏季风趋于强烈。夏季风EAMI正异常与弱的冬季风相伴。弱冬季风年，夏季风弱（夏季负EAMI）（图中未标出）。在冬季风合成的情况下，冬季风和夏季风有同相模式。强（弱）冬季风经常激活强（弱）夏季季风。这些结果可以由以前的研究^{[ 24 ]}佐证。

在东亚和南亚季风地区，从对流层向平流层延伸出明显的周期振荡现象。这种现象有2年左右的时间。在平流层中，这种振荡称为准双年振荡（QBO），对流层称为TBO。我们从长江流域的梅雨分析中获得了TBO特征，图6显示了长江流域梅雨的小波分析结果。此外，梅雨降水变化较大。分别为11，5-8和2年。使用不同的动力机制来解释不同的活动期。11年的振荡受到太阳活动的影响^[27]和夏季北太平洋涛动（PDO）^[28]。5-8年的振荡受ENSO循环诱发的异常大气环流的影响^[29]。二年振荡与一些重要的大气环流过程有关，特别是东亚夏季风的异常状况。夏季风较弱导致梅雨降水，而强烈的夏季风事件导致长江流域降水减少。

长江流域梅雨降水的TBO现象与东亚夏季风活动的不同方面密切相关^[11,15]。静态特征已经在文献中进行了广泛的评估，本文没有讨论。此外，本文重点介绍强弱的冬夏季风之间存在的紧密季风循环。 图7中的原理图说明了这一概念。

季风周期（图7）描述了冬、夏季风的关系。它代表了一个为期两年的周期，这正好符合了TBO的振荡周期。因此，强烈的夏季风会导致弱的冬季风，弱的冬季风导致夏季风弱，其次是一个强大的冬季风。因此，强烈的冬季风通常先于一个强大的夏季风，这表明季风周期的开始。夏季风和梅雨降水之间的密切关系提供了东亚季风循环的证明。此外，看来夏季风和冬季风的相互作用可能是一个导致TBO的重要动力机制。

5 讨论与总结

为了比较研究冬夏季风过渡特征和其相互作用，定义了一个统一的东亚季风指数EAMI。该指数不仅描述了冬季，而且还描述了夏季风的特征。这个指数也可以用来识别过渡特征之间的冬、夏季风。该结果与目前现有的单一的夏季或冬季风指数一致，突出了一个简单的统一的EAMI的优势。

在本文的前一部分，合成的分析方法被应用到不同的异常情况和不同关系之间的冬、夏季风。结果表明，强冬季风导致的强夏季风，而弱冬季风导致弱夏季风；夏季，弱夏季风导致强冬季风，而强的夏季风导致强的冬季风。在这些基本原则的基础上，可以构建一个超过2年的时间的季风周期，其中包括TBO时期。

东亚地区的大气环流是重要的振荡模式。季风强弱与冬季和夏季风相互作用循环过程可能是激发TBO的重要机制。

目前的研究主要集中在东亚季风活动，并讨论可能的TBO的内部机制，内部机制并不矛盾，外部TBO可能的机制在1节中提到，可以看作是对过程的一个补充说明。从这项研究中，我们深化了对TBO的理解。进一步的研究可以基于内部和外部因素的组合来研究大气系统的动力机制。

这项工作是由国家自然科学基金中国（u0833602），和中国国家重点基础研究发展计划支持（2007cb411805和2010cb950400）。

6 参考文献：

1 Chen L X, Zhu Q G, Luo H B, et al. East Asian Monsoon (in Chinese).Beijing: China Meteorological Press, 1991. 362

2 Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences. East Asian Monsoon and Torrential Rain in China (in Chinese). Beijing:China Meteorological Press, 1998. 503

3 Chang C P. East Asian Monsoon. Singapor

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