西太平洋暖池熱含量與南海夏季風強度的關系

董玉杰，馮俊喬，胡敦欣

Received: Feb.6，2015Key words: intensity of South China Sea summer monsoon； upper ocean heat content of western Pacific warm pool； Walker circulation； cross equatorial flowAbstract: In this study，we investigate the relationship between the tropical western Pacific upper ocean heat content and the intensity of the South China Sea Summer Monsoon（SCSSM）fron 1948 to 2012，using ocean temperatures from the Japan Meteorology Agency，sea surface temperatures（SSTs）from the Hadley Center，and atmospheric data from the NCEP/NCAR reanalysis I.The main results are as follows.First，compared with the western Pacific warm pool（WPWP）SSTs，the WPWP upper ocean heat content（HC）is more effective as a predictor of SCSSM intensity.Secondly，the SCSSM intensity is highly related to the WPWP HC of the preceding winter and spring，especially in March.When the HC anomalies are positive，an anomalous anticyclone exists over the tropical Indian Ocean and the Walker circulation is strong over the tropical Indian Ocean.As a result，a westerly anomaly prevails over the tropical north Indian Ocean-South China Sea and the cross-equatorial flow over South China Sea is enhanced.In addition，the subtropical high weakens as its position moves northward.All these variations are favorable for the strengthening of the SCSSM.（本文編輯： 李曉燕）

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西太平洋暖池熱含量與南海夏季風強度的關系

董玉杰1，2，3，馮俊喬1，3，胡敦欣1，3

（1.中國科學院 海洋研究所，山東 青島 266071； 2.中國科學院大學，北京 100049； 3.中國科學院 海洋環流與波動重點實驗室，山東 青島 266071）

摘要：為了進一步明確西太平洋暖池熱含量對南海夏季風強度的影響，利用 1948～2012年日本氣象廳（japan meteorological agency，JMA）逐月的海溫資料、Hadley中心的海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）資料以及NCEP/NCAR再分析資料，分析比較了南海夏季風強度與熱帶太平洋上層海洋熱含量和SST的關系； 探討了海洋熱含量影響南海夏季風強度的機制。結果表明：（1）相比于西太暖池SST，西太暖池上層海洋熱含量是南海夏季風強度更好的預測因子；（2）前期冬春季的西太平洋暖池熱含量與南海夏季風強度呈現顯著的正相關，尤其在 3月，二者相關系數最大； 當暖池熱含量偏高（低）時，西太平洋副熱帶高壓偏弱（強），赤道印度洋出現異常反氣旋（氣旋），印度洋上空的 Walker環流分支偏強（弱），南海越赤道氣流增強（減弱），最終使得南海夏季風強度偏強（弱）。

關鍵詞：南海夏季風強度； 西太暖池熱含量； Walker環流； 越赤道氣流

［Foundation： Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences，No.XDA01010101； National Natural Science Foundation of China，No.41330963，No.41476017，No.41421005； the NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers，No.U1406401］

我國屬于典型的季風氣候，東亞夏季風對我國人民的生活、生產有重要的影響。而南海夏季風作為東亞夏季風的重要分支，暴發的早晚、強弱與我國夏季雨帶的分布有著非常密切的關系。吳尚森等［1］指出南海夏季風強度與我國汛期降水存在顯著相關，在南海夏季風強（弱）年，我國夏季雨帶型呈Ⅰ（Ⅲ）類分布，長江中下游地區夏季少雨干旱（多雨洪澇）。因此研究南海夏季風強度的變化規律對我國防洪抗旱、保障人民生命財產安全有一定的實踐意義。南海毗鄰全球最大的暖水體——西太平洋暖池； 西太平洋暖池海表面溫度（sea surface temperature，SST）超過 28℃，是深對流發展的重要區域，海氣相互作用異常劇烈，對東亞季風環流的變異具有重要影響。因此，在諸多影響南海夏季風的因素中，西太暖池的作用至關重要。研究［2-6］表明，當西太平洋暖池SST偏高時，南海夏季風強度偏強； 一些研究［7-8］也表明熱帶次表層海溫異常也可以影響南海夏季風強度，若前一年秋冬季赤道西太平洋次表層海溫出現正異常，南海夏季風往往加強，反之減弱［9］。

相比 SST或者次表層海溫，整個上層海洋的熱含量更具有穩定性，能夠代表大尺度的海洋變異特征。前人的一些研究曾指出上層海洋熱含量與南海夏季風爆發之間存在密切關系［10-13］。而南海夏季風強度與其爆發也存在對應關系： 南海夏季風爆發早（晚），其強度偏強（弱）［14］。盡管前人研究了西太平洋暖池SST、次表層海溫與南海夏季風強度的關系，但未系統地分析西太平洋暖池上層海洋熱含量對南海夏季風強度的影響。因此，本文將進一步基于過去60多年的長時間序列資料（1948～2012年），分析熱帶西太平洋暖池上層（400 m以上）海洋熱含量對南海夏季風強度的影響及其機制。

1　資料與方法

所用資料包括：（1）日本氣象廳［15-17］提供的1948～2012年期間月平均的0～400 m的海溫資料，用于計算海洋上層（400 m以上）熱含量，水平分辨率為1°×1°；（2）Hadley中心的 1948～2012年期間月平均SST資料［18］，水平分辨率為1°×1°；（3）NCEP/NCAR［19］月平均再分析氣象資料中的風場、位勢高度場以及速度勢場，風場與位勢高度場的水平分辨率均為2.5°×2.5°，速度勢場的水平分辨率為 1.875°×1.9°，三個場所用時間長度均為 1948～2012年。南海夏季風強度指數采用吳尚森等［20］的定義方法，標準化的850 hPa西南風分量在6～8月份的平均代表南海夏季風強度。上層（400 m 以上）海洋熱含量 CH（Heat Content）的計算公式為：公式中h為海水深度，Cp為海水定壓比容，q為海水密度，T為海水溫度。

研究方法主要包括相關分析、合成分析、Student's t檢驗等。

2　南海夏季風強度與西太平洋暖池熱狀態異常的關系

2.1南海夏季風強度與熱含量，SST的相關分析

圖1是1948～2012年間南海夏季風強度分別與前期冬春季熱含量以及SST的相關分布，圖中陰影區域表示相關系數超過95%的顯著性檢驗。通過圖1a和圖 1c可以看出，前期冬春季熱帶太平洋熱含量與南海夏季風強度的相關分布呈現緯向蹺蹺板結構： 西太暖池區為正相關，赤道東太平洋為負相關； 西太暖池的正相關系數明顯高于赤道東太平洋的負相關系數；從冬季到春季，西太平洋暖池區與東太平洋區相關系數超過95%顯著性檢驗的相關區域變小，但是暖池區兩者相關系數明顯變大。由此我們推斷與冬季相比，春季西太平洋暖池區域的熱含量與南海夏季風強度的相關性更為顯著，后文通過超前滯后相關做進一步的檢驗。夏季兩者之間的相關比較差（圖片未列）。而通過前期冬春季熱帶太平洋 SST與南海夏季風強度的相關分布（圖1b和圖1d）可以看出，西太暖池區域的SST在前期冬春季節與南海夏季風強度的相關性均比較差； 赤道東太平洋SST在前期冬季與南海夏季風強度存在顯著的負相關，在春季兩者的相關不顯著。以上分析說明，相比西太暖池 SST，西太暖池熱含量對南海夏季風強度具有更強、更穩定的預測能力。雖然赤道東太平洋熱含量在前期冬春季節與南海夏季風強度存在顯著相關，由于熱帶西太平洋暖池區是太平洋上層海洋熱含量異常變化最大的區域［10］； 并且其SST超過28℃，是深對流發展的重要區域，海氣相互作用異常劇烈，因此本文主要分析西太平洋暖池上層海洋熱含量對南海夏季風強度的影響。

圖1　1948～2012年南海夏季風（SCSSM）強度分別與太平洋熱含量（CH）（a，c）以及SST（b，d）的相關分布Fig.1　Correlation maps of the intensity of SCSSM and heat content（a，c）and of the intensity of SCSSM and SST（b，d）in the Pacific Ocean from 1948 to 2012

陰影區： 信度檢驗超過95%

Shaded area： values with confidence levels above 95%

為了進一步檢驗暖池區熱含量與南海夏季風強度的關系，根據圖1a、圖1c選取與南海夏季風強度相關最大的區域（6.5°S～5.5°N，158.5～181.5°E）代表暖池區域，圖 2給出了該暖池區域平均的熱含量與南海夏季風強度的超前滯后相關關系，該圖橫坐標代表月份，正直為當年，負值為上一年。通過圖2可以看出從上年12月到當年5月，兩者之間呈現顯著正相關（置信度超過95%），其中，南海夏季風強度與當年 3月熱含量的相關系數最高。圖 3是 1948～2012年期間南海夏季風強度與 3月所選暖池區標準化的熱含量異常的時間序列，二者相關系數為 0.4，超過99.9%的置信度檢驗。而通過南海夏季風強度與該暖池區域 SST的超前滯后相關分析（圖略）得出兩者之間的相關性比較差，都沒有通過95%的信度檢驗。進一步說明了相對于西太平洋暖池區 SST，其熱含量是南海夏季風強度更好的預測因子。因此，可以用3月暖池熱含量的高、低來預測當年南海夏季風的強弱。

圖2　1948～2012年南海夏季風強度與所選西太暖池區熱含量的滯后相關Fig.2　Lagged correlation between the intensity of SCSSM and heat content in the selected Western Pacific Warm Pool region from 1948 to 2012

橫坐標正值： 當年； 橫坐標負值： 上一年

The positive values of x-coordinates： this year； the negative values of the x-coordinates： last year

圖3　1948～2012年3月所選西太暖池區熱含量與南海夏季風強度的時間序列Fig.3　Time series of the intensity of SCSSM and heat content in the selected Western Pacific Warm Pool region in March from 1948 to 2012

2.2西太平洋暖池熱含量影響南海夏季風強度的可能物理機制

以上相關分析結果表明，南海夏季風強度與當年 3月西太暖池熱含量相關最強，兩者之間為顯著正相關，即當3月西太暖池熱含量高（低）時，當年南海夏季風強度一般偏強（弱）。為了研究西太暖池熱含量的變化對南海夏季風強度的影響機制，根據所選西太暖池區域（6.5°S～5.5°N，158.5～181.5°E）3月熱含量的高低對850 hPa風場、200 hPa風場、速度勢場以及位勢高度場進行合成分析。1948～2012年，標準化熱含量異常大于等于 0.6的年份定義為西太暖池暖年，小于等于-0.6的定義為西太暖池冷年。暖年包括 1962、1967、1968、1971、1972、1974、1975、1981、1986、1989、1996、1997、2000、2001、2004、2006、2008、2009、2011、2012年，共20 a； 冷年包括 1950、1958、1966、1973、1987、1988、1992、1993、1995、1998、2010年，共11 a。通過圖3可以看出，在某些暖池熱含量較高的年份，南海夏季風不一定偏強，在某些暖池熱含量較低的年份，南海夏季風不一定偏弱，這可能與以下幾點原因有關。首先，南海夏季風存在非常強的季節內振蕩［21］。研究［10，22］表明，暖池熱含量的高低可以通過影響其上空對流活動對南海夏季風季節內變化產生影響。而本文選用 6～8月平均的南海季風強度，掩蓋了南海夏季風的季節內變化。這可能會導致暖池熱含量高低與南海夏季風強弱不一致的現象。其次，南海特殊的地理位置導致南海夏季風受多種因素如青藏高原、印度洋、越赤道氣流等的影響，這也會導致暖池熱含量高低與南海夏季風強弱不一致的現象。而本章重點分析西太平洋暖池熱含量影響南海夏季風強度的機制，因此根據上面定義的暖年與冷年進行后文的分析。

圖4為暖池暖年減冷年850 hPa緯向風、850 hPa經向風以及850 hPa與200 hPa矢量風場的夏季合成差值場。從圖4c可以看到，在暖池暖年，在850 hPa的低層，熱帶北印度洋出現異常反氣旋，熱帶西太平洋出現異常氣旋。而在200 hPa的高層，印度洋上空盛行東風異常（圖4d）。

圖 5是暖池暖年減去冷年速度勢場的夏季風合成差值場，可以看出，在暖池暖年西太暖池上空的上升對流加強，印度洋上空的下沉對流加強。以上分析顯示在暖池暖年印度洋上空的Walker環流分支偏強。而Walker環流增強有利于熱帶西印度洋、阿拉伯海、印度半島以及孟加拉灣到南海區域的西風加強（圖4a），該加強的西風進入南海，進而導致南海夏

圖4　西太暖池暖年減去冷年夏季風場合成差值場（單位： m/s）Fig.4　Composite warm-minus-cold year differences of wind anomaly（units： m/s）in summer

陰影區： 信度檢驗超過95%

Shaded area： values with confidence level above 95%

圖5　西太暖池暖年減去冷年的夏季速度勢合成場（單位： ×106mm/s）Fig.5　Composite warm-minus-cold year differences of velocity potential anomaly（units： ×106mm/s）in summer

陰影區： 信度檢驗超過95%

Shaded area： values with confidence levels above 95%季風偏強。同時圖4b顯示在暖池暖年，沿赤道區域，50°～120°E之間具有明顯的經向風異常，尤其南海區域出現顯著的南風異常即南海越赤道氣流加強，該越赤道氣流進入南海也有利于南海夏季風加強。

圖6是500 hPa位勢高度在暖池暖年、冷年的合成場，以及二者的差值場。對比在暖池暖年和冷年位勢高度場的差別，可以看到，在西太暖池暖年，西太平洋副熱帶高壓偏弱，位置偏北、偏東，面積偏小（圖6）。這有利于孟加拉灣上空西風以及南海上空越赤道氣流進入南海，從而使南海夏季風增強。

圖6西太暖池暖年、冷年以及暖年減去冷年的夏季500 hPa位勢高度合成場（單位： m）

Fig.6Composite warm，cold and warm-minus-cold year differences of 500 hPa geopotential height anomaly（units： m）in summer

陰影區： 信度檢驗超過95%

Shaded area： values with confidence levels above 95%

通過以上分析我們得出，當前期 3月西太平洋暖池熱含量高（低）時，熱帶北印度洋出現異常反氣旋（氣旋），熱帶西太平洋出現異常氣旋（反氣旋），即印度洋上空的 Walker環流分支偏強（弱），導致熱帶西印度洋、阿拉伯海、印度半島以及孟加拉灣到南海區域的西風加強（減弱）； 同時在暖池熱含量高（低）時，60°～120°E的越赤道氣流尤其南海越赤道氣流偏強（弱），西太平洋副熱帶高壓明顯偏弱（強）。在以上Walker環流、越赤道氣流以及西太平洋副熱帶高壓共同作用下南海夏季風強度偏強（弱）。

3　結論

本文利用海洋大氣再分析資料，研究了西太平洋暖池上層海洋熱含量和南海夏季風強度的關系，獲得如下結論。

1）南海夏季風強度與前期冬春季節西太平洋暖池上層海洋熱含量的相關關系比其與暖池 SST的關系更密切； 相比暖池SST，西太暖池上層海洋熱含量對南海夏季風強度具有更強、更穩定的預測能力。當前期冬春季西太暖池上層海洋熱含量高（低）時，南海夏季風強度偏強（弱）。當年3月西太平洋暖池上層海洋熱含量與南海夏季風強度的相關系數最強。

2）西太暖池上層海洋熱含量影響南海夏季風強度的主要機制為： 前期春季暖池偏暖（冷），熱帶北印度洋出現異常反氣旋（氣旋），熱帶西太平洋出現異常氣旋（反氣旋），印度洋上空的 Walker環流分支偏強（弱），南海越赤道氣流偏強（弱），西太平洋副熱帶高壓偏弱（強），從而南海夏季風強度偏強（弱）。

本文只是對西太平洋暖池熱含量對南海夏季風強度的影響做了初步的探討分析，發現相對于西太平洋暖池 SST，其熱含量的高低可以更好地對南海夏季風的強弱進行預測。相比以前［7-13］有關西太平洋暖池熱含量影響南海夏季風的機制研究，本文發現除了Walker環流、80°～90°E越赤道氣流以及索馬里越赤道氣流外，南海越赤道氣流對于南海夏季風的強弱也有非常重要的作用。由于南海夏季風受到多種因素影響，期望以后可以借助優秀的海氣耦合模式對每個因素影響南海夏季風強弱的貢獻率大小進行更深一步的分析研究，從而對南海夏季風強弱進行更好的預測。

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Received: Feb.6，2015
Key words: intensity of South China Sea summer monsoon； upper ocean heat content of western Pacific warm pool； Walker circulation； cross equatorial flow
Abstract: In this study，we investigate the relationship between the tropical western Pacific upper ocean heat content and the intensity of the South China Sea Summer Monsoon（SCSSM）fron 1948 to 2012，using ocean temperatures from the Japan Meteorology Agency，sea surface temperatures（SSTs）from the Hadley Center，and atmospheric data from the NCEP/NCAR reanalysis I.The main results are as follows.First，compared with the western Pacific warm pool（WPWP）SSTs，the WPWP upper ocean heat content（HC）is more effective as a predictor of SCSSM intensity.Secondly，the SCSSM intensity is highly related to the WPWP HC of the preceding winter and spring，especially in March.When the HC anomalies are positive，an anomalous anticyclone exists over the tropical Indian Ocean and the Walker circulation is strong over the tropical Indian Ocean.As a result，a westerly anomaly prevails over the tropical north Indian Ocean-South China Sea and the cross-equatorial flow over South China Sea is enhanced.In addition，the subtropical high weakens as its position moves northward.All these variations are favorable for the strengthening of the SCSSM.
（本文編輯： 李曉燕）

Relationship between Heat Content over the Western Pacific Warm Pool and Intensity of South China Sea Summer Monsoon

DONG Yu-jie1，2，3，FENG Jun-qiao1，3，HU Dun-xin1，3
（1.Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China； 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China； 3.Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China）

中圖分類號：P731.27

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3096（2016）03-0160-07

doi：10.11759/hykx20150206002

收稿日期：2015-02-06； 修回日期： 2015-04-14

基金項目：中國科學院戰略性先導科技專項（XDA01010101）； 國家自然科學基金NSFC（41330963，41476017，41421005）； NSFC-山東省人民政府聯合資助海洋科學研究中心項目（U1406401）

作者簡介：董玉杰（1986-），女，山東濰坊人，博士研究生，主要從事大尺度海氣相互作用的研究，電話： 15215428856，E-mail： yujie19861019@126.com； 胡敦欣，通信作者，中國科學院院士，物理海洋學家，電話： 0532-82898678，E-mail： dxhu@qdio.ac.cn