2023, Vol. 49 
南海夏季风是影响中国降水的重要系统，其爆发预示着东亚夏季环流的发展。南海夏季风的活动不仅是华南雨季(前汛期)进入盛期的标志(谢炯光等，2008；陈隆勋等，2000)，还会对东亚，甚至北半球的环流和天气都产生重要影响。此外，作为东亚季风的重要组成部分，南海夏季风是连接印度/孟加拉湾季风、西北太平洋季风和东亚副热带季风的纽带，其独特的地理位置也越来越受世界各国的高度重视。因此，随着社会经济的发展，每年南海夏季风的爆发日期成为每年海洋和大气领域都重点关注的内容之一。
南海夏季风爆发的研究比较丰富，影响因子主要包含外强迫作用和大气内部动力热力学过程(邵勰等，2014)。大气内部过程包括热带季节内振荡(ISO)(林爱兰等，2016；李春晖等，2017)，越赤道气流(陶诗言等，1983；李崇银和吴静波，2002；高辉和薛峰，2006；Lin et al，2017；鲍媛媛，2021)和中高纬度系统(Chang and Chen, 1995；温之平等，2006；张立凤等，2008；林爱兰等，2010a；2010b)的影响。外强迫作用主要包含了海温异常(SSTA)(毛江玉等，2000；陈隽和金祖辉，2001；梁卫等，2009；林爱兰等，2013)和陆面过程的影响，而后者主要有青藏高原的动力热力作用(Wu and Zhang, 1998；陈隽和金祖辉，2001；邵慧和钱永甫，2001；简茂球和罗会邦，2001；于乐江和胡敦欣，2008)和中南半岛的作用(王世玉和钱永甫，2001；郑彬和蒙伟光，2006；蒙伟光和郑彬，2006)。此外，太阳活动周期变化(周群和陈文，2020)对南海夏季风的爆发也有一定的影响，但是最受关注的外强迫因子还是海温，特别是ENSO海温分布型对南海夏季风爆发影响的研究(陈隽和金祖辉，2001；温之平等，2005；胡鹏和陈文，2018)。
ENSO对影响我国的天气气候系统有显著的调制作用(殷明等，2016；罗连升等，2017；涂石飞等，2019)。以往研究表明，El Niño年南海夏季风爆发通常偏迟，而La Niña年则偏早。然而，2020/2021是La Niña年(韩荣青等，2021；刘芸芸和高辉，2021；赵俊虎等，2022)，但2021年南海夏季风爆发却是偏迟的。是什么原因导致2021年南海夏季风爆发偏迟呢？本文从季节内振荡北传和热带海温异常出发，分析二者对2021年南海夏季风爆发的影响，希望了解爆发偏迟的原因。1资料与方法
本文使用的资料为NCEP/NCAR再分析(Kalnay et al, 1996)逐日等压面的气温、比湿和水平风场，以及逐日下垫面温度和大气顶向外长波辐射(OLR)表面资料。其中等压面资料的水平分辨率为2.5°×2.5°，表面资料为高斯格点。NCEP/NCAR资料气候态取1981—2010年。
文中南海夏季风区域定义为5°~20°N、105°~120°E。ISO取10~60 d周期，利用11 d滑动平均值减去61 d滑动平均值得到ISO扰动，由61 d滑动平均计算得到背景场。另外，用垂直积分计算的正压风场与垂直平均得到的结果非常相近(图略)，因此，为计算方便，本文采取垂直平均的计算方法。
2 分析结果 2.1 2021年南海夏季风爆发梁建茵和吴尚森(2002)认为南海地区850 hPa平均纬向风大于零，西风主要源于热带低纬并持续5 d以上即标志着南海夏季风爆发。从气候上来看，5月第4候(16—20日)时，南海夏季风区域低层850 hPa风场全面由东风转为西风并持续(图 1c)，表明气候上的南海夏季风爆发日期为5月第4候。虽然200 hPa纬向平均风场显示南海全区域是在5月底转为东风(图 1a)，但是从区域平均来看，东风垂直切变也是从5月第4候开始(图略)。因此从风场垂直切变(Zheng et al, 2011)来看也有气候的南海夏季风爆发日期为5月第4候的结论。
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图 1 (a，c) 气候态和(b，d) 2021年的105°~120°E平均纬向风(填色和等值线)的演变(a，b)200 hPa，(c，d)850 hPa Fig. 1 Evolution of (a, c) climatology and (b, d) the 2021 zonal wind (colored and contour) averaged in 105°-120°E(a, b) 200 hPa, (c, d) 850 hPa |
2021年南海地区低层850 hPa全面转为西风在5月第6候(29日左右，图 1d)，因此尽管高层200 hPa在5月第4候时已经转为东风(图 1b)，但是爆发日期总的来看还是偏迟的。从美国气候预报中心(CPC)的监测结果(https://origin.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/MJO/enso.shtml) 可以看到，热带中东太平洋海温从2020年夏季开始持续偏低0.5℃以上，一直到2021年6月。以往研究表明，La Niña年的南海夏季风通常偏早爆发，但是2021年的南海夏季风爆发却是偏迟的。对2021年南海夏季风爆发偏迟原因，下文将从ISO北传以及热带海温异常方面进行分析。
2.2 热带海温异常的影响图 2a显示了1950年以来所有La Niña年前一年12月至当年2月(DJF)平均的SSTA合成，从图中可以看到，赤道中东太平洋地区海温显著偏低。2021年DJF的海温异常大值区在赤道中太平洋(图 2a)。二者在热带西北太平洋地区都是暖海温，在春季(3—5月，MAM)，确实都有减弱的500 hPa位势高度(图 3)，即有减弱的西太平洋副热带高压(以下简称西太副高)(丁硕毅等，2016)。但是印度洋SSTA分布有很大差异：DJF和MAM时，La Niña年的合成显示印度洋为整个海盆尺度的偏冷(图 2a和图 3a)，形成了热带印度洋-西太平洋-中东太平洋的三极模态，这与前人研究(琚建华等，2004；黄菲等，2010)的关于印度洋-太平洋SSTA联合模态在DJF和MAM的分布相似；而2021年DJF在北印度洋的中部和东部都有显著偏暖(图 2b)，MAM时，整个印度洋的海温几乎都是正异常(图 3b)，这种印度洋-太平洋SSTA偶极型分布与印度洋-太平洋SSTA主要模态的结构有很大差异。春季发展成熟的热带印度洋全区一致的增暖通过异常纬向环流(袁媛和李崇银，2009)或者通过增加热带印度洋潜热通量(王宏娜等，2014)会使西太副高加强西伸。2021年印度洋海盆尺度的增暖抵消了部分La Niña的影响，特别是在南海和20°N以北的西北太平洋地区，副高依然是增强的(图 3b)，从而使2021年南海夏季风爆发偏迟。
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图 2 (a) 1950—2021年La Niña年合成的和(b)2021年的冬季(DJF)海温异常 Fig. 2 SSTA in winter (DJF) for (a) composite of La Niña years during 1950-2021 and (b) in 2021 |
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图 3 (a) 1950—2021年La Niña年合成的和(b)2021年的春季(MAM)海温异常(填色)和500 hPa位势高度异常(等值线，单位：gpm) Fig. 3 SSTA (colored) and geopotential height anomaly (contour, unit: gpm) at 500 hPa in spring (MAM) for (a) composite of La Niña years during 1950-2021 and (b) in 2021 |
区分南海夏季风爆发早晚年，得到的热带SSTA结构基本还是呈现三极型分布，特别是印度洋在南海夏季风爆发偏早和偏晚的La Niña年都是负SSTA，但是对以往爆发偏晚的La Niña年合成显示，在西北太平洋地区的5月确实存在异常反气旋(异常高压)，而4月时异常高压不明显，只是从中纬度向南有一些延伸(图略)。因此以往La Niña年南海夏季风爆发偏迟可能与中高纬度的影响有关，而热带SSTA(包括太平洋和印度洋)都是有利于南海夏季风偏早爆发的。
图 4显示2021年赤道印度洋SSTA与相关环流的演变。可以看到，超前的反气旋和高压异常是MAM印度洋海盆尺度增暖的重要因子(图 4a, 4b)，而之后印度洋增暖的SSTA对西北太平洋反气旋有显著贡献(图 4d~4f)。印度洋暖SSTA如何与西北太平洋反气旋联系在一起？从图 5可以看到，印度洋暖SSTA区有显著的上升运动，而热带西北太平洋地区则是下沉运动。印度洋暖SSTA和西北太平洋反气旋之间正是通过异常的纬向垂直环流相联系，这与袁媛和李崇银(2009)的结果是一致的。
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图 4 2021年MAM赤道印度洋(5°S~5°N、40°~100°E)SSTA与850 hPa风场的偏相关系数(箭矢)，与高度场的偏相关系数(等值线) 注：阴影和绿色箭矢为通过0.05显著性水平检验的区域，图a~图f分别为SSTA落后10 d到超前15 d。 Fig. 4 Partial correlation coefficients between the equatorial Indian Ocean (5°S-5°N, 40°-100°E)SSTA and the 850 hPa wind (vector) and height (contour) in MAM of 2021 |
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图 5 2021年MAM赤道印度洋(5°S~5°N、40°~100°E)SSTA与10°~20°N平均纬向垂直环流的偏相关系数(a)同时相关，(b)SSTA超前5 d 注：填色为通过0.05显著性水平检验的区域，红色、蓝色分别表示上升、下沉运动；流线由纬向风偏相关系数和垂直速度偏相关系数组成。 Fig. 5 Partial correlation coefficients between the equatorial Indian Ocean (5°S-5°N, 40°-100°E) SSTA and the 10°-20°N averaged vertical zonal circulation in MAM of 2021(a) simultaneous correlation, (b) SSTA being 5 d ahead |
从图 3b可以看到，2021年MAM的西太平洋SSTA也有较大的正异常，而春季西太平洋热状态对南海夏季风爆发也有重要影响(黄荣辉等，2005)。接下来将考察其在西北太平洋异常反气旋中的作用。从图 6可以看到，超前的低压异常将导致赤道西太平洋地区的异常辐合运动，会使海水下翻，更多的表层热海水聚集在赤道西太平洋引起增温(图 6a，6b)。而之后增暖的赤道西太平洋SSTA在西北太平洋激发出异常气旋(图 6d已经出现，但不明显，图 6e和6f则非常明显)。由此可见，赤道西太平洋SSTA对西北太平洋异常反气旋有负贡献，与赤道中东太平洋SSTA(La Niña)的结果一致(有利于南海夏季风提早爆发)，因此印度洋SSTA与赤道太平洋SSTA的“竞争”是西北太平洋反气旋形成的关键，也即是导致2021年南海夏季风爆发偏迟的关键。后文将给出另外的证据表明印度洋SSTA在“竞争”中逐渐占优。
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图 6 2021年MAM赤道西太平洋(5°S~10°N、140°~160°E)SSTA与850 hPa风场的偏相关系数(箭矢)，与高度场的偏相关系数(等值线) 注：阴影和绿色箭矢为通过0.05显著性水平检验的区域，图a~图f分别为SSTA落后10 d到超前15 d。 Fig. 6 Partial correlation coefficients between the equatorial Western Pacific (5°S-10°N, 140°-160°E) SSTA and the 850 hPa wind (vector) and height (contour) in MAM of 2021 |
已有许多研究指出ISO北传对南海夏季风爆发有显著作用(Zhou and Chan, 2005；Zhou and Murtugudde, 2014；Wang et al，2018)，主要通过对流发展减弱西太副高，促使其东撤和热带西风向东推进。从图 7a可以看到，气候态的10~60 d尺度的OLR从5月初开始北传，对流中心在5月第4候左右传到南海北部；而2021年的10~60 d尺度的OLR从5月16日左右才开始北传，对流中心在5月底传播到南海北部(图 7b)。是什么原因导致2021年ISO北传偏迟，进而使南海夏季风爆发偏迟？
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图 7 105°~120°E平均背景对流不稳定度(填色)和10~60 d滤波后OLR(等值线，单位：W·m-2)分布(a)气候态，(b)2021年 注：红色箭头表示10~60 d对流中心传播方向。 Fig. 7 Background convective instability (colored) and 10-60 d filtering OLR (contour, unit: W·m-2) averaged in 105°-120°E(a) climatology, (b) in 2021 |
赤道地区的ISO对流向北传播的机制已有很多研究，多是针对季风爆发后的北半球夏季ISO，但是总的来说ISO北传主要归因于大气背景场的分布结构(DeMott et al，2013)。由于季风爆发前后的大气环流背景差异，因此爆发前后的机制并不能等效。如爆发后的东风垂直切变机制(Wang and Xie, 1997；Jiang et al，2004；Drbohlav and Wang, 2005)，在爆发前由于背景场是低层东风、高层西风，是西风垂直切变，不利于ISO北传。Li et al(2013)提出了季风爆发前ISO北传的背景对流不稳定度经向不对称机制，这个机制的关键就是对流不稳定度的经向梯度，如果随着纬度增大，对流不稳定度增大，则有利于ISO向北传播。本文的对流不稳定度采用郑彬等(2006)定义:
| $ \Delta \theta_{\mathrm{se}}=\left.\theta_{\mathrm{se}}\right|_{700 \mathrm{hPa}}-\left.\theta_{\mathrm{se}}\right|_{925 \mathrm{hPa}} $ |
式中θse为假相当位温。当Δθse < 0，为对流不稳定；反之则稳定。从图 7可以看到，2021年4—5月的对流不稳定度的分布与气候态非常相似，最大的不稳定区域位于12.5°N。也就是说背景对流不稳定度机制仅仅在12.5°N以南区域有利于ISO北传，并不能解释季风爆发前ISO对流从赤道附近传播到南海北部。
最近，有学者提出了季风爆发前ISO北传的正压涡度平流机制(Zheng and Huang, 2019；Zheng et al，2019)。该机制的关键是背景正压经向南风对ISO对流引起的正压涡度正异常的平流输送，导致了对流北部超前的正压涡度正异常，从而有利于ISO向北传播。从图 8a可以看到，气候的背景正压经向南风在4月初时几乎覆盖整个南海，随着时间推移，背景正压经向南风的范围逐渐缩小，虽然5月上半月只有10°N以北的南海北部有背景正压经向南风，但是结合背景对流不稳定度机制，季风爆发前的ISO依然可以向北传播；而5月下半月时，背景正压经向南风的范围继续缩小，南界在12.5°N附近，这时南海主要由背景斜压经向风所控制，爆发前的机制已经不适用ISO向北传播到南海北部。而2021年背景正压经向南风虽然逐渐向南扩张，但是在5月上旬之前一直在15°N以北(图 8b)，即使结合背景对流不稳定度机制也不能有效地促使赤道地区对流向整个南海传播。一直到5月中下旬，背景正压经向南风扩展到12.5°N以南，有利于ISO向北传播到南海北部。
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图 8 105°~120°E平均的850~200 hPa(a，b，d)背景正压经向风(填色和等值线)，(c)对流不稳定度(填色)和10~60 d OLR(等值线，单位：W·m-2)分布(a)气候态，(b)2021年，(c，d)La Niña年合成 注：图c和图d中横坐标的零值代表南海夏季风爆发日期，负值代表南海夏季风爆发之前，正值代表之后；红色箭头表示10~60 d对流中心传播方向。 Fig. 8 (a, b, d) Background barotropic meridional wind (colored and contour) averaged in 105°-120°E and 850-200 hPa, (c) convective instability (colored) and 10-60 d filtering OLR (contour, unit: W·m-2)(a) climatology, (b) in 2021, (c, d) composite of La Niña years |
正是由于2021年背景正压经向风演变与气候态的差异，使得ISO在5月中旬之前不能向北传播到南海北部，延缓了南海夏季风的爆发。而背景正压经向南风是由高层南亚高压和低层西太副高决定的。季风爆发前的4月，南海地区主要受南亚高压和西太副高西侧控制，因此，南海大部分地区有正压南风，随着南亚高压西移北推和西太副高的东撤，正压南风范围逐渐减小(图 8a)。
从图 8c可以看到，在所有La Niña年的南海夏季风爆发前都有显著的ISO北传，而相应的背景环流和不稳定度(图 8c, 8d)也都支持ISO北传。因此，对于一般La Niña年而言，它对ISO北传的影响并不明显。当然也可能个别年出现海温显著影响ISO北传的例子，如2021年季风爆发前的ISO北传，海温起了显著的作用，但是在本文中也仅提到海温的显著影响，而没有排除其他影响因子，因为影响西太副高异常的因素很复杂。
2021年为什么4月的正压南风范围很小，之后逐渐增大呢？从图 9a和9c可以看到，气候态的4月位势高度5880 gpm线西侧压着南海，5月则撤出南海。相应地，南海4月有显著的正压南风，5月不明显。而2021年200 hPa位势高度线分布与气候态非常相似，那么高层风场也与气候态相近。由于正压南风主要源于高低层风场的一致性，可见异常的正压南风演变主要来自中低层风场变化(与西太副高的分布有关)的影响。从图 9b和9d可以看到，受La Niña影响，2021年4月热带西北太平洋地区位势高度降低，500 hPa的5880 gpm线仅仅局限在南海，南海地区主要受正压北风影响，而5月时副高控制区域明显增大，向东延伸到西北太平洋地区，南海地区主要受正压南风影响。
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图 9 (a，c)气候态，(b，d)2021年的(a，b)5月和(c，d)4月850~200 hPa平均水平正压风场(风矢)与200 hPa位势高度(等值线，单位：gpm)分布 注：红线为500 hPa的5880 gpm等值线。 Fig. 9 The distribution of barotropic horizontal wind (vector) averaged in 850-200 hPa and geopotential height (contour, unit: gpm) at 200 hPa in (a, b) May and (c, d) April (a, c) climatology, (b, d) in 2021 |
2021年4月西太副高控制范围偏小(图 9d)，而5月明显增大，可能与太平洋海温异常的影响减小，而印度洋的影响增大有关。从图 10可以看到，背景的Niño3.4区域SSTA持续减小，而赤道印度洋地区的SSTA则从4月中旬开始直到5月底，一直维持一个相对的大值。由此可见，2021年4月西太副高受La Niña影响更大，而之后主要由印度洋SSTA进行调制加强。
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图 10 2021年4—5月区域平均背景SSTA(a)Niño3.4区域(5°S~5°N、120°~170°W)，(b)赤道印度洋(5°S~5°N、40°~100°E) 注：阴影和绿色箭矢为通过0.05显著性水平检验的区域，图a~图d分别为SSTA超前0~15 d。 Fig. 10 Background SSTA in April and May 2021(a) Niño3.4 zone (5°S-5°N, 120°-170°W), (b) equatorial Indian Ocean (5°S-5°N, 40°-100°E) |
图 11给出了印度洋-太平洋SSTA联合模态相关的环流演变，可以看到，在0 d时，西北太平洋有异常气旋，而+5 d时异常气旋减弱，之后的异常反气旋逐渐加强，变得越来越显著。这进一步表明印度洋SSTA在“竞争”中逐渐占优，导致5月西北太平洋异常反气旋的加强(西太副高的增强)和南海夏季风的偏迟爆发。另一方面，逐渐加强的西太副高使5月南海地区的背景正压南风也慢慢增强，5月下旬时扩展到10°N以南地区，引导了ISO的北传，最终导致南海夏季风在5月底爆发。
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图 11 2021年MAM印度洋-太平洋联合模态指数与850 hPa风场的相关系数(箭矢)，与高度场的相关系数(等值线) Fig. 11 Correlation coefficients between the joint mode index of the Pacific-Indian Ocean SSTA and the 850 hPa wind and height in MAM of 2021 |
南海夏季风爆发代表冬季环流完成向夏季环流的转化，代表热带环流系统开始影响我国的天气气候，因此一直是我国汛期会商的重要内容之一。影响南海夏季风爆发的因子通常包含外强迫和大气内部动力学过程，其中外强迫，特别是海温异常的强迫尤其得到重视。以往研究表明，El Niño年南海夏季风爆发通常偏迟，而La Niña年则偏早。然而2020/2021是La Niña年，但是2021年的南海夏季风爆发却是偏迟的。本文从热带SSTA和ISO北传出发，分析其对2021年南海夏季风爆发的影响，得到如下结果。
(1) 2021年冬春季的热带太平洋海温异常(热带中东太平洋偏冷，热带西北太平洋偏暖)确实使西太副高减弱，但是由于热带印度洋海温持续偏暖，抵消了这种减弱效应。随着热带太平洋海温异常减弱，热带印度洋海温异常对西太副高的作用越来越大，到2021年5月，则以热带印度洋海温异常控制为主，导致西太副高偏强，南海夏季风爆发偏迟。
(2) 2021年南海地区赤道ISO北传偏迟也是南海夏季风爆发晚的一个重要因素。主要过程是4月西太副高偏弱引起正压南风减弱，从而不支持ISO向北传播；之后随着热带印度洋海温异常的影响逐渐增大，南海地区正压南风也逐渐增强，5月下旬时扩展到10°N以南地区，有利于ISO北传。
如果仅考虑La Niña的作用(ISO北传也仅考虑La Niña的影响)，那么必然只有其衰减期春季西北太平洋的异常气旋和ISO北传的推迟，且ISO北传将在La Niña的影响结束或减弱(夏季)后才会出现，此时的南海夏季风早已爆发，背景风场也已改变，ISO的影响已经不重要了。因此，如果仅考虑La Niña的作用，那么其引起的西北太平洋异常气旋将起主要作用，南海夏季风将偏早爆发。当然，ISO北传不仅会受La Niña的影响，印度洋SSTA也可能有一定的调制作用，如本文提到的2021年ISO北传就明显受印度洋海盆尺度SSTA的影响。对于一般La Niña年，南海夏季风爆发偏早和偏迟的年份是相当的，而从图 8c可以看到，La Niña衰减年南海夏季风爆发前都有显著的ISO北传，可见ISO北传是影响南海夏季风爆发的关键因子，而La Niña仅仅提供有利爆发的气候背景。
热带印度洋和太平洋SSTA都会对南海夏季风爆发产生影响，二者通过“竞争”或者共同作用可能会对南海夏季风爆发产生不同影响，因此关注二者在冬春季的发展非常重要。此外，ISO北传对南海夏季风的爆发也非常重要，但其本身受背景场的影响，而背景场通常与外强迫(如海温异常)有联系。实际上，ISO和海温的确存在相互作用过程。例如，Kemball-Cook and Wang(2001)提出一个海温对ISO北传的影响机制，而之后Jiang et al(2004)和Gao et al(2019)研究发现，海温通过调制表面潜热和感热通量，可以对ISO北传做出贡献(最大达到约20%)，但是总的来说海温对ISO北传有调制作用，但并不是关键因子；而ISO通过影响表面潜热通量，也会进一步影响局地海温(Kemball-Cook and Wang, 2001)，而且亚澳季风区ISO通过大气桥能够影响赤道中东太平洋海温(李崇银和周亚萍，1994；李崇银和李桂龙，1999)，但是ISO对ENSO也仅仅有调制作用，而不是决定作用。因此，总体来看，ISO和海温异常虽然有相互作用，但是并不是决定因素，因此本研究中我们将二者分别讨论。
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