1 引言

东亚季风对中国气候影响巨大。东亚夏季风的环流特征突出表现为大气中层500 hPa西太平洋副热带高压(简称副高)的活动, 大气低层850 hPa风场的变化和雨带的停滞、跳跃性北进和南撤等(Zhou et al., 2009; Guo et al., 2015)。为了描述东亚夏季风的活动特征, 前人分别从热力学和动力学的角度提出了许多指数来表征东亚夏季风活动, 不同指数反映了季风活动期特定的物理量变化特征。降水指数(Lau et al., 2000; 江志红等, 2006)用降水多寡代表季风的强弱, 风场类指数(Lu and Chan, 1999; 张庆云等, 2003)用风向的转换和风速的大小代表季风的爆发和强弱, 温度场类指数(孙秀荣等, 2002)用海陆温度差异定义季风的强弱, 还有气压差类指数(郭其蕴, 1983), 环流场类指数(黄刚和严中伟, 1999), 出射长波辐射类指数(Wang and Fan, 1999), 大气热源指数(陈中钰等, 2010)等等。风场类指数直接描述季风的变化, 其它指数间接反映季风的活动, 相比较而言, 人们更关注季风活动引起的降水变化, 因此降水指数的使用率更多一些。东亚夏季风控制区大气具有高度的不稳定性, 而不同类型的云不仅可反映大气的稳定程度, 且对降水的性质有指示意义, 因此夏季风活动的任何“风吹草动”可能都首先在不同类型云的变化上有所体现。已有研究表明伴随季风的活动, 云的类型、云量等都有很大的变化(李积明等, 2009; Jiang et al., 2011; 汪会等, 2011; 杨大生和王普才, 2012; 彭杰等, 2013; 尹金方等, 2013), 但迄今为止尚未见到用云指数表征东亚夏季风活动的研究。寇雄伟等(2015)的研究表明, 季风活跃期, 深对流云(DC)云量增加, 高积云与积云之和(AU)的云量减少, 并且降水达到极大值时, DC云量也达到极大值, AU云量则为极小值。该研究表明DC以及AU云量与季风活动具有较好的对应关系, 可尝试用DC和AU云量定义云指数表征东亚夏季风活动。

本文的主要目的是尝试用云表征东亚夏季风活动的进程, 检验和验证用云表征东亚夏季风活跃期、过渡期和中断期的可行性和合理性, 比较用云指数和降水指数表征东亚夏季风活动的差异, 为理解和描述东亚夏季风活动提供一个新的视角。

2 资料和方法 2.1 资料简介

本文使用的云资料是ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project) D1全球逐3 h(每日8个时次)云气候资料(Rossow and Schiffer, 1999), 空间分辨率为2.5°×2.5°, 资料年限为1983年7月至2007年12月。ISCCP按照云顶高度和云光学厚度将云分为9类, 高云包括卷云(Ci)、卷层云(Cs)和深对流云(DC), 中云包括高积云(Ac)、高层云(As)和雨层云(Ns), 低云包括积云(Cu)、层积云(Sc)和层云(St)。本文主要使用DC、Ac和Cu的云量资料。

本文使用的降水资料是国家气象信息中心发布的基于全国2425个国家级气象台站观测的日降水量与CMORPH (CPC MORPHing technique)卫星反演降水产品融合的逐日降水量资料(沈艳等, 2013; Shen et al., 2014), 空间分辨率为0.25°×0.25°, 空间范围为0~60°N, 60°~160°E。考虑到不同资料时间序列的差异, 分别截取了1998~2007年5~9月的云资料和降水资料以保持资料时限的一致性。考虑到融合降水资料中中国周边海域降水量的不确定性, 本文将分析区域集中在中国东部的陆地区域。

季风环流场的分析使用了JRA-25(Japanese Re-Analysis 25 years)再分析资料(Onogi et al., 2007)。该资料空间分辨率为1.25°×1.25°, 时间分辨率为逐6 h, 本文对其进行了候平均。

2.2 云指数和降水指数的定义

降水指数有多种定义方式(Wang and Ho, 2002; 江志红等, 2006; Sperber et al., 2013; Zou and Zhou, 2015), 都可以有效地描述季风降水特征且差异不太大。由于云和降水具有地域性差异, 单独用云量和降水量不能很好地突出季风活动的特征。为消除地域差异, 本文借鉴江志红等(2006)的方法定义了云指数和降水指数。首先计算逐日云指数和降水指数, 进一步进行候平均得到云指数和降水指数的候平均值。

云指数和降水指数[S(t)]定义为

$ S(t){\rm{ = [}}R{\rm{(}}t{\rm{)}} - {R_S}]/{{\rm{ \mathsf{ σ} }}_S}, \;\;\;{\rm{(}}t{\rm{ = 1, 2, }}...{\rm{, }}n{\rm{)}}, $

(1)

$ {{\rm{ \mathsf{ σ} }}_S} = {[\sum\nolimits_{t = 1}^n {{{(R{\rm{(}}t{\rm{)}} - {R_S})}^2}} /n]^{1/2}}, $

(2)

其中, R(t)为第t日的物理量(降水量或云量), R_S为5~9月日平均物理量, n为5~9月的总天数。${{\rm{ \mathsf{ σ} }}_S}$反映了站点5~9月物理量的时间变率。

用上式定义了三个指数, 分别是降水指数S_Rain、DC云指数S_DC和AU云指数S_AU。由定义式可见, 云指数和降水指数的极大值区, 就是该时段该物理量集中出现的区域, 可根据云指数和降水指数大值区的移动, 表征季风活动的时空位置变化。

寇雄伟等(2015)的研究表明, 在我国东部地区S_Rain的大值区与降水的时空位置对应较好, 随着季风的北进, 雨带也逐渐向北推进, S_Rain能很好地表征东亚夏季风雨带的移动特征。DC云指数S_DC和AU云指数S_AU则能够反映某个区域DC及AU云量的集中变化, 且DC云指数和AU云指数呈相反变化关系, DC云指数的大值区对应AU云指数的小值区。因此, 结合S_DC的正极值区和S_AU的负极值区也能够很好的表征季风带的移动, 进而用来表征季风的推进特征。我们研究发现S_Rain≥0.2的区域较好地反映了我国东部夏季风降水增加的区域。因此, 定义S_Rain＝0.2的等值线在1候中北跳达3个纬度作为一次雨带北跳标志。研究也发现S_DC≥0.2的区域反映了伴随夏季风活动的增强, DC云量集中增加区域, S_AU≤−0.1的区域则反映了伴随夏季风活动的增强AU云量的集中减少区域。因此, 同样定义S_DC＝0.2和S_AU＝−0.1的等值线在1候中同时北跳达3个纬度作为一次云带北跳的标志。

3 云指数和降水指数表征的东亚夏季风进程

1998~2007年平均5~9月典型候期的降水指数和云指数的分布见图 1。5月初, S_Rain与S_DC大值区及S_AU的小值区均位于25°~28°N的华南地区(图 1a)。陈隆勋等(2000)指出, 这一时期的降水是由冷空气和副高转向的西南风和冬春西风槽西风汇合而形成的, 并非季风降水。降水在中国大陆东南部出现以后便向南传播, 直至南海夏季风爆发后在华南沿海与季风雨带汇合。此时华南沿海降水量增加, 可达10~12 mm d⁻¹, 季风雨带出现第一个停滞维持期。同时DC云量也相应增加(图 1b), AU云量相应减少(图 1c), 中国东部气候开始受东亚夏季风的影响。

随着夏季风进一步向北推进, 副高开始控制中国南方陆地, 副高脊线位于18°N以南。整个华南地区的降水量都开始增加并在6月上旬达18~20 mm d⁻¹。通常把这段时间之前的降水称为华南前汛期。对比这一时期DC以及AU云量的变化, 发现S_DC、S_AU和S_Rain具有同步的变化特征, 在同一时段降水集中出现的区域, DC(AU)云量相应地增加(减少)。

6月中旬, 副高脊线北跳至20°N以北, 并稳定在20°~25°N之间, 季风雨带已经北推至27°N。6月第5候, 雨带出现了第一次北跳(图 1d), 从27°N附近北跳至30°N的长江中下游地区, 雨带也进入了第二个停滞维持阶段, 即江淮梅雨期。此时华南地区的降水量显著减少, 而长江中下游降水量增加到14~16 mm d⁻¹。研究表明, 梅雨带通常在30°N的华东地区, 呈准纬向分布, 图中S_Rain分析的雨带符合这一分布特征, 对应的DC云量的大值带(图 1e)和AU云量的小值带(图 1f)也呈现类似的分布特征。

7月第2候, 副高脊线再次北跳, 越过25°N, 稳定在30°N以南, 雨带的大值区已由30°N推进至34°N的淮河流域(图 1g), 实现了雨带的第二次北跳。江志红等(2006)把这段时期雨带的移动称为一次突变, 并且分别把突变前后两个阶段的雨季称为江南梅雨和淮河梅雨。考虑到其同属于北亚热带气候区(丁一汇等, 2013), 并且历史上淮河流域梅雨与长江流域梅雨分离的年份并不多见, 因此把突变前后这段时间统称为江淮梅雨, 认为其同属于雨带的一个停滞维持阶段。DC大值带(图 1h)的位置与降水带具有较好的对应关系, AU小值带(图 1i)的中心位置更偏东一些。

7月第4候, 副高脊线越过30°N, 雨带的东端已延伸至华北地区, 实现了第三次北跳(图 1j)。在此期间, 整个华北地区的降水量都有不同程度的增大, 可达6 mm d⁻¹, 而此时长江以南地区降水量显著减少。SRain和SDC、SAU的突变几乎是同时发生的, 并且38°N左右华北降水增加的区域, DC云量显著增加(图 1k), AU云量显著减少(图 1l), 表明云指数和降水指数表征的季风推进特征具有一致性。

7月下旬和8月上旬雨带一直维持在全年最北位置, 此时北方的DC(AU)云量处于集中增加(减少)的时段。8月中旬开始, 全国雨量普遍减少, 雨带北界也逐渐向南回撤。8月底, 雨带最北端已经回落至黄河流域, 此时云带也相应地到达了这一区域。9月第1侯, 降水带已回撤至华南地区, 北方雨季结束, DC云量在整个北方都有所减少, AU云量则有所增加, 9月第3候季风迅速退出中国大陆(图略)。

从以上分析可见, S_Rain为0.2的等值线能较好的反映中国东部夏季风活动的推进过程, 与之相对应的是S_DC为0.2的等值线和S_AU为−0.1的等值线也能表征DC云带随雨带的推进和AU云带随雨带的变化, 进而用来描述季风活动。以上的研究表明降水指数和云指数均能表现出季风的推进和北跳特征, 且基本具有时空变化上的一致性。

4 云指数和降水指数表征的东亚夏季风活动期

前面的研究表明云指数和降水指数表征季风推进的过程具有基本的一致性, 下面将分别从云指数和降水指数的角度进一步定义季风活动的活跃期、过渡期和中断期, 并比较两种指数定义季风活动的异同。

4.1 各区域受东亚夏季风影响时段的判定

东亚夏季风在中国东部有明显的推进和北跳特征, 各区域夏季风影响时段显然是不同的, 这与印度季风有很大不同。由于东亚夏季风在华南地区(A区)、江淮地区(B区)和华北地区(C区)分别有三次阶段性静止, 并给这三个区域带来明显的降水过程, 因此在定义东亚夏季风活跃期、过渡期和中断期时, 本文将中国东部陆地划分为三个区域(图 2), 这三个区域降水的分布、降水量的大小都有显著差异。A区为华南地区(21°~28°N, 110°~122°E), B区为江淮地区(28°~34°N, 110°~122°E), 这与Luo et al.(2013)的区域划分一致, C区为华北地区(34°~41°N, 110°~122°E)。由于降水资料和云资料分辨率的差异, 三个区域包含资料(降水量, 云量)的格点数分别为A区(1344, 18), B区(1152, 18), C区(1344, 18)。

结合降水指数和两类云指数对逐年季风推进时间及所处位置进行分析。当某个子区域在某候开始出现S_Rain≥0.2、S_DC≥0.2和S_AU≤-0.1的等值线时, 则认为该子区域开始受季风影响, 当该等值线消失并在之后一直未出现时, 认为该子区域季风影响结束。定义各子区域季风影响时段是为了剔除非季风降水的影响。图 3为本文确定的A区、B区、C区逐年的季风影响时段, 其平均影响时间分别为23.1候、16.6候、13.2候。

4.2 季风活动期的定义

在季风影响时段内, 当季风处于活跃期时, 积云对流增强, 季风降水量增加, DC云量随之增加, AU云量相应减少。当季风处于中断期时, 积云对流减弱, 相应地降水量及云量表现出相反的变化特征。结合季风影响时各物理量的强度及范围的变化, 本文分别用降水指数和云指数定义了季风活跃期、过渡期和中断期。

降水指数S_Rain表征季风活跃期和中断期时, 用A_Rain⁺、A_Rain⁻分别表示S_Rain＞0和S_Rain＜0的格点占所在区域格点总数的比例。活跃期、过渡期和中断期的定义见表 1。

云指数S_DC、S_AU表征季风活跃期和中断期时, 用A_DC⁺和A_DC⁻分别表示S_DC＞0和S_DC＜0的格点数占所在区域格点总数的比例, 用A_AU⁺和A_AU⁻分别表示S_AU＞0和S_AU＜0的格点占所在区域的格点总数的比例。令A_Cloud⁺=A_DC⁺+ A_AU⁻, A_Cloud⁺表示与季风降水呈正相关变化的格点数占总格点数的比例; 令A_Cloud⁻=A_DC⁻+ A_AU⁺, A_Cloud⁻表示与季风降水呈负相关变化的格点数占总格点数的比例。活跃期、过渡期和中断期的定义见表 2。

4.3 云指数和降水指数表征东亚夏季风活动期合理性的检验

对云指数和降水指数分别定义的逐年季风活跃期、过渡期和中断期的物理量各自进行合成分析。季风活跃期、过渡期和中断期降水量和降水量指数、云量和云指数的空间分布, 以A区为例见图 4。图 4表明活跃期降水的大值中心与S_Rain的正极值中心对应, 中断期降水的小值区与S_Rain的负极值中心对应(图 4a-c), 云量和云指数的对应关系也非常好(图 4d-i)。云指数和降水指数表征的季风活动均能表现出季风活跃期、过渡期和中断期各物理量的变化, 即降水指数、DC云指数均表现为活跃期＞过渡期＞中断期, 而AU云指数正好相反。研究发现当某一子区域季风处于中断期时, 其它子区域的降水指数可能会较大, 这也反映出季风在三个区域并没有一致的变化特征, 应分区域进行研究。

为了进一步验证用云表征季风活动期的合理性, 利用JRA环流资料分析了用云指数定义的季风活跃期、中断期500 hPa环流场和比湿场的分布特征。图 5为各子区域季风活跃期、中断期500 hPa平均风场和比湿场减去整个季风活动阶段平均风场和比湿场的距平分布图。图 5表明A区在季风活跃期受气旋式环流距平控制, 风向为西南风, 并且与比湿场正的距平中心配置较好(图 5a); 在季风中断期主要受反气旋式环流距平控制, 风向为东北风, 对应的是比湿场负的距平中心(图 5b)。B区在季风活跃期处于南北风辐合区, 风向以偏南风距平为主, 配合水汽的正距平中心, DC云量较多(图 5c); 在季风中断期, 受NE风距平控制, 南来的水汽输送被阻断使得季风活动受到抑制(图 5d)。C区在季风活跃期为较强的西南风距平, 大量的水汽被输送到北方形成水汽汇区(图 5e); 在季风中断期, 受强的东北风距平控制, 处于水汽负距平区(图 5f), DC云量较少。季风活跃期和中断期环流场及水汽场的巨大差异, 验证了用云指数表征季风不同活动期的合理性。

4.4 云指数和降水指数表征季风活动期的异同

对1998~2007年三个区域季风影响时段内季风活跃期、过渡期和中断期的降水量、DC和AU云量进行了合成统计, 如表 3所示。从区域差异来看, 降水量均表现为A区＞B区＞C区, 表明降水量在我国由南向北呈阶梯型分布。DC云量则表现为A区≈B区＞C区, AU云量表现为A区≈B区＜C区, 表明夏季风活动的对流降水特征在A区比B区显著。比较两种指数定义的季风活动不同阶段的降水量, 在A、B、C区均可发现用降水指数定义的季风活跃期和中断期降水量的差异比云指数定义的活跃期和中断期降水量的差异更显著。同样的, 比较两种指数定义的季风活动不同阶段DC、AU云量, 在三个区域均可发现用云指数定义的季风活跃期、中断期云量的差异比降水指数定义季风活跃期、中断期云量的差异更显著。这也反映出用降水指数和云指数表征季风活动的侧重点不同, 前者反映降水量的变化特征, 后者则主要反映云量的变化特征。

云指数和降水指数确定的A区、B区和C区逐年季风活跃期、过渡期和中断期的分布如图 6所示。图中每个方格都对应着某一年某一子区域的某一候。方格又分为下三角区和上三角区, 分别表示降水指数和云指数定义的季风活跃期(黄色)、过渡期(绿色)和中断期(红色), 上、下三角颜色相同表示两种指数定义的季风活动一致。

云指数定义的季风活跃期、过渡期和中断期分别占整个季风影响时段的37.2%、32.7%、30.1%, 降水指数定义的则分别占37.8%、29.5%、32.7%, 说明两种指数定义的季风活动不同阶段持续时间较为一致。两种指数定义同一候季风活动相同的比例占整个季风活动的59.0%, 考虑到两种定义的差异, 如果季风活动在同一候分别被定义为活跃期和过渡期、中断期和过渡期的组合被认为是基本一致的, 而活跃期和中断期的组合被认为差异较大, 则差异较大的比例仅占整个季风活动期的3.8%。

总体来看, A区季风影响时段主要为5月下旬至9月上旬, 活跃期主要集中在6月和8月, 降水指数定义的活跃期和云指数定义的活跃期基本一致, 说明A区表现出显著的对流降水特征。B区季风影响时段主要为6月中下旬至8月, 活跃期主要集中在6、7月份, 这与江淮梅雨持续时间及梅雨期降水量有关。整个季风活动时段内, 降水指数定义的活跃期略多, 云指数定义的中断期略多, 说明降水的性质不完全是对流降水, 层状降水也占一定的比例。6月中旬到8月初, 随季风雨带的北进, 层状云发生频率的大值带也逐步向北推进, 且层状云云带与季风雨带的位置随时间的演变非常一致, 说明季风降水带主要是由层状云带构成的(高翠翠等, 2017)。C区季风影响时段为7月至8月下旬, 以活跃期为主, 这也是华北全年雨量最集中的时间。在整个华北雨季, 云指数定义的活跃期候数略多, 降水指数定义的过渡期略多, 说明对流云量较大时未必都产生很大的降水, 北方对流云降水的效率没有南方大。

5 结论

对比云指数和降水指数表征的东亚夏季风活动可以加深我们对东亚夏季风特征的认识。本文从东亚夏季风活动期间云和降水量的分布特征、东亚夏季风在中国大陆推进的过程、东亚夏季风活跃期、过渡期和中断期的日数等方面对比了云指数S_DC、S_AU和降水指数S_Rain表征的东亚夏季风活动特征, 通过夏季风不同活动阶段环流场和水汽场的差异验证了用云指数表征东亚夏季风活动的合理性。研究结论如下:

(1) 借鉴江志红等(2006)的方法定义了降水指数和两类云指数。DC云指数代表了深对流云量, AU云指数代表了中低空的浅对流云量。DC云指数的大值带和AU云指数的小值带的位置变化可表征云带随季风的推进。云指数和降水指数均能表现出东亚夏季风在推进过程中的停滞与北跳特征, 且具有时空上的一致性。

(2) 将中国东部陆地划分为华南地区(A区)、江淮地区(B区)和华北地区(C区)三个区域, 通过降水指数和云指数的变化特征对各个区域逐年季风影响时段进行了判定, 发现A区、B区、C区季风平均影响时间分别为23.1候、16.6候、13.2候, 季风的影响时段从南向北递减。

(3) 根据云指数定义了季风活跃期、过渡期和中断期, 检查发现中国不同区域季风活跃期和中断期云量和云指数有显著差异, 验证了用云指数定义季风活动期的合理性。进一步通过分析500 hPa的季风环流场和水汽场, 发现中国三个区域季风活跃期均有较一致的西南风或西风距平, 并且有充沛的水汽输送, 而季风中断期各子区域均为北风距平控制, 水汽输送中断, 抑制了季风的活动, 从而进一步验证了用云指数表征季风不同活动阶段的合理性。

(4) 研究发现用云指数定义的季风活跃期、过渡期和中断期分别占整个季风影响时段的37.2%、32.7%、30.1%, 用降水指数定义的则分别占37.8%、29.5%、32.7%;两种指数同时定义同一候为活跃期(或过渡期、中断期)的候数占整个季风活动期的59.0%, 云指数定义某一候为活跃期(中断期)而降水指数定义为中断期(活跃期)的候数只占整个季风活动时段的3.8%。这说明云指数和降水指数在表征季风活跃期和中断期上是基本一致的, 但云指数和降水指数表征季风活动的侧重点有所区别, 前者主要表征不同类型云量的变化, 后者主要表征降水量的变化。

(5) 云指数和降水指数表征的季风活动候数也有一定的差异, 该差异反映了云和降水之间的联系。当降水指数较大而DC云指数较小时, 反映了降水的性质多为持续性层状云降水; 当降水指数较大, DC云指数也较大时, 反映了降水的性质多为强的对流性降水; 当降水指数较小而DC云指数较大时, 反映了降水的性质多为弱的对流性降水。研究发现我国华南地区对流降水的特征比较显著, 江淮地区对流降水和层状降水各占一定的比例, 华北地区对流降水的效率较华南低。