东南印度洋海温变化对我国东部夏季降水的影响
高艺;郑益群;邓飞;郭婷婷;高文洋
【摘 要】利用区域气候模式RegCM3对东南印度样海温变化对我国夏季降水的影响进行了模拟研究,结果表明:热带东南印度洋海温异常通过影响东亚大气环流和105°E附近越赤道气流,对南海夏季风爆发产生影响.热带东南印度洋海温异常对我国夏季降水影响显著,特别是长江中下游及黄淮地区的降水,与东南印度洋海温分别呈现出正相关及负相关的关系.
【期刊名称】《海洋预报》
【年(卷),期】2010(027)001
【总页数】6页(P13-18)
【关键词】降水;海温;数值模拟;RegCM3
【作 者】高艺;郑益群;邓飞;郭婷婷;高文洋
【作者单位】济南军区气象水文中心,山东,济南,250022;解放军理工大学,江苏,南京,211101;济南军区气象水文中心,山东,济南,250022;海军司令部气象水文中心,北京,100161;海军司令部气象水文中心,北京,100161
【正文语种】中 文
【中图分类】P731
大量研究表明，海表面的热力异常会造成东亚大气环流的异常，并导致各地区降水的变化。南海和孟加拉湾是我国夏季降水的主要水汽来源。南海夏季风的爆发对我国夏季降水有重要影响。关于海温对南海夏季风爆发早晚影响的研究，目前大多注重南海-太平洋一带海温的异常变化，而较少对印度洋的情况进行研究。热带印度洋是印度西南气流的上游海区，其海表面热力状况的异常将严重影响大气环流的异常。而西印度洋和澳大利亚两支越赤道气流必须经过热带东印度洋进入南海，才能引起南海西南季风的爆发。因此，研究热带东南印度洋海温异常对越赤道气流及随后南海季风爆发的影响将有重要意义。
陈烈庭[1]认为印度洋和南海之间的纬向热力差异的变化可能是影响印度西南季风和东亚东南季风变化的重要原因。赵永平等[2]指出中南半岛与其南侧热带海洋之间经向热力差异的变化则可能是导致南海季风强弱和爆发迟早的直接原因，相对于南亚一带的海陆对比来说中南半岛与其南侧热带海洋之间的经向热力差异是很小的，但左右这一经向热力差异变化的以苏门答腊为中心的热带海域恰恰位于越赤道气流的下方，是南海季风爆发的关键海区，因此，该海域海温异常变化首先造成中南半岛与其之间的经向热力差异的改变，进而对南海季风爆发时间的早晚产生重要的影响。那么，热带东印度洋海温异常是如何影响越赤道气流，进而影响南海季风爆发的呢？这是一个值得研究的问题。另外，海温的异常变化又会引起大气流场和水汽输送的异常，进而影响我国东部地区夏季降水的强度和分布。本文将利用区域气候模式RegCM3探讨热带东南印度洋海温异常对南海季风爆发和我国夏季降水的影响。
本文主要利用意大利国际理论物理中心（ICTP）发展的第三代区域气候模式RegCM3对东南沿海降水与东南印度洋海温变化的关系进行模拟试验，来进一步揭示东南印度洋海温异常是如何影响我国夏季降水的。
区域气候模式RegCM3采用MM5的动力框架，垂直方向为σ坐标，水平方向采用“Arakawa-B”交错网格。模式的主要物理过程包括辐射方案、陆面过程、行星边界层方案、积云对流降水方案、大尺度降水方案和气压梯度方案。RegCM3中一共有6种侧边界处理方案可供选择，分别是固定边界、线性松驰边界、时间相关边界、时间变化及流入流出边界、海绵边界和指数松驰边界。气压梯度方案可以选择正常方式或静力平衡扣除方式。模式输出包括大气模式、地面模式和辐射模式的结果,输出的物理量有40多种。
RegCM3的改进主要有：第一，用NCAR的CCM3辐射传输方案代替了原来的CCM2方案。第二，改进了云和降水的物理过程。引入次网格显式湿度方案（SUBEX），以更好地处理非对流性云和降水过程，减少数值点风暴的产生。积云对流降水方案除原来的Grell方案和Kuo方案外，新增了Betts-Miller方案作为选择[3]。海洋表面通量增加了新的参数化过程选择。第三，用USGS的全球陆地覆盖特征和全球30分高度资料创建模式地形，使模式能更精确地表示出下垫面的状况。最后改进了程序的设计，使模式更易于调试和应用。
试验方案1：模式水平分辨率为90 km×90 km，水平格点数取60×115，垂直方向分18层，模拟区域的中心位于（100°E，7°S），模式顶层气压为50 hPa，积分时间步长为150 s。利用NCEP/NCAR再分析资料，为模式提供初边值场，每6小时更新一次；海温资料为NCEP/NCAR的OISST周平均资料。积云对流参数化方案选取Grell-FC方案，侧边界选择指数松弛方案，海洋通量参数化选择Zeng方案，缓冲区宽度为12个格点。模式积分时间从1998年1月1日～9月1日。该试验称为控制试验（以后简称为CN试验），其中模拟试验的区域及地形（见图1）。
试验方案2：对热带东南印度洋海温异常进行敏感性试验，有研究表明夏季海温存在异常时为双峰结构，热带东南印度洋（90°～110°E，15°S～EQ）海温在前期1～5月份也有海温的异常出现，因此，试验2将1998年1～5月热带东南印度洋海温增（减）0.5℃，1998年6～9月海温增（减）1℃，分别称为N+和N-试验。
为排除其它因素的影响，方案2中的其它参数设置均与方案1相同，我们以敏感性试验与CN试验的差值场作为大气环流对热带东南印度洋异常海温的响应。
4.1.1 850 hPa风场
850 hPa风场异常对于我国夏季降水有着十分重要的作用，为了更好的分析降水异常的原因，我们首先分析海温异常对850 hPa风场的影响。
4月份，从CN试验（见图2a）和观测结果（图略）850 hPa风场比较来看，整体形势都是赤道印度洋地区上空是大范围的东风，在70°～90°E附近上空有较强的东北风；西北太平洋上空有反气旋存在，中南半岛和南海上空是偏东的气流，我国华南及华中、华北地区上空是大片的西南气流，说明控制试验能够模拟出850 hPa风场的基本形势。图2c是N+试验与CN试验的850 hPa风差值，从中看到，赤道印度洋上空有较强的差值异常西风，南侧有较强的差值异常气旋性环流，北侧为逐渐减弱的差值异常西风，在10°N北印度洋上空有弱的差值异常气旋性环流；从中南半岛北部到南海再一直到我国东部沿海地区上空都有较强的异常西南风，在20°S附近印度洋有异常气旋环流出现。对照图2aCN试验的850 hPa风场说明4月份当东南印度洋海温升高时，赤道印度洋东风减弱，中南半岛北部到南海一带的偏东气流也减弱。东南印度洋海温降低的4月份850 hPa风差值场（图2d）中，北印度洋上空有强的差值异常西风，我国东南沿海上空也有强的差值异常西南气流；西太平洋上空有弱的差值异常西风，赤道印度洋附近上空有弱的差值异常反气旋环流，20°S附近的印度洋上空东风在减弱。
5月份的CN试验（见图2b）赤道印度洋上空是较强的偏北风，中南半岛到南海一带的东风转为了西风，范围增大，与观测结果（图略）850 hPa风场的形势基本一致。从5月份的N+试验850 hPa差值风场（见图2e）可以看到，赤道印度洋南侧上空有的差值异常气旋性环流仍然存在，但强度减弱，5°～10°N印度洋上空有强的差值异常西风，东南印度洋到印尼群岛一带上空有较强的差值异常东风，并一直延伸到南海地区上空；我国东部地区除了长江下游地区存在异常西南气流外，其他大部分地区都为东北风异常，这说明正常情况下5月份在南海一带上空由东风转为西风之后，为南海季风的爆发创造了条件，但是东南印度洋海温升高后，中南半岛到南海一带的西南气流减弱，不利于南海季风的爆发。图2f是N-试验5月份850 hPa差值风场，赤道印度洋上空有一个差值异常反气旋存在，中南半岛北部存在强的差值异常东北气流，南海有弱的差值异常气旋性环流；与图2d相比，由澳大利亚高压北侧进入南海的105°E越赤道气流偏强，有利于印度洋西风进入南海地区。
根据谢安等[4]提出的方法,从850 hPa纬向风和深对流两方面来定义南海夏季风的爆发，具体标准为当南海（105°～120°E，5°～20°N）区域平均的逐日OLR值下降至235 W/m2，同时区域平均的850 hPa纬向风由东风转为西风，且至少维持1周以上，视为南海季风爆发。所以说105°～120°E纬向平均的850 hPa合成风场时间-纬度剖面图能很好地反映南海季风的爆发情况。本次试验中CN、N+以及N-试验南海上空东南风转为西南风的时间基本是一致的，都为5月21日左右（图略），但是强度上有明显的差别。
高辉等[5]指出，低层越赤道气流中心位于925hPa，低层的索马里和南海越赤道气流对南海夏季风的爆发有至关重要的作用，当前期这两支越赤道气流建立偏早、强度偏强时，南海夏季风爆发易偏早；反之则反。由于模拟区域的限制，我们主要分析海温异常对105°E附近南海越赤道气流的影响（主要关注105°E附近的变化）。
CN、N+以及N-试验的低空925 hPa赤道经向风的爆发增强时间与观测结果基本一致，都在5月第2侯左右（图略），但是强度上有所差别。从图3a可以看到，海温升高使得90°～110°E区域在大部分时间为偏北风异常，使得南海地区越赤道气流减弱，不利于南海季风的爆发，南海季风爆发后也较弱；而N-试验中（见图3b）海温降低，105°E附近越赤道气流一直非常明显，尤其是在6月第3侯，N-试验105°E附近越赤道气流与CN试验的差值达到了4 m/s，图3a中仅为2 m/s。
海温异常对降水有明显的影响，N+试验模拟的夏季降水场与观测场结果基本一致（图略），在此基础上，进行降水差值场的比较。
图4a是N+试验与CN试验的夏季降水差值场，从图中可以看到海温升高后，华北及黄淮地区降水显著增多，东部地区降水普遍减少，长江中下游大部分地区降水减少，东南沿海地区降水也明显减少。海温降低后的降水差值场如图4b所示，黄淮地区降水减少，长江上游降水减少，长江中下游降水显著增加，尤其是出现（30°N，115°E）和（30°N，120°E）两个增中心。东南沿海的福建及台湾地区降水增加，另外两广地区降水也有所增加。说明东南印度洋海温升高（降低）后，黄淮地区降水增多（减少），长江中下游大部分地区降水减少（增多），但是东南沿海地区的情况比较复杂，除了福建沿海部分地区与海温呈现负相关之外，其他地区的降水都是减少的。可以看出，我国东部大部分地区在东南印度洋海温升高和降低时的降水存在着相反的形势，尤其是长江中下游及黄淮地区，与东南印度洋海温分别呈现出正相关及负相关的关系，说明东南印度洋海温确实对我国东部及东南沿海地区的降水有重要影响。
本章利用区域气候模式RegCM3.1，研究了海温异常作用下对南海夏季风爆发及我国夏季降水的影响，得到一些结论：
（1）热带东南印度洋海温异常通过影响东亚大气环流和105°E附近越赤道气流，对南海夏季风爆发产生影响。
（2）海温异常数值试验的差值分析表明，热带东南印度洋海温异常对我国夏季降水有重要影响，特别是长江中下游及黄淮地区的降水，与东南印度洋海温分别呈现出正相关及负相关的关系。
【相关文献】
[1]陈烈庭.热带印度洋-太平洋海温纬向异常及其对亚洲夏季风的影响[J].大气科学（特刊），1988，142-148.
[2]赵永平，陈永利，白学志，王凡.南海-热带东印度洋海温年代际变化与南海季风关系的初步分析[J].热带气象学报，2000，16（2）：115-122.
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[4]谢安，刘霞，叶谦.亚洲季风研究的新进展[M].北京：气象出版社，1996，132-142.
[5]高辉，薛峰.越赤道气流的季节变化及其对南海夏季风爆发的影响[J].气候与环境研究，2006，11（1）：57-68.
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