高由禧：有关季风的一些问题
2023-07-03 17:25阅读：
有关季风的一些问题
[取自《云南省气象学会一九七九年年会季风专题报告选编》，云南省气象学会，1979年。]
高由禧（中国科学院兰州高原大气物理研究所）
一、问题的重要性
凡冬夏盛行风有近乎相反变化的则称之为有季风现象。季风是一个古老的气象问题，本世纪70年代以来之所以再度引起人们重视，一是因为它的正常与否，直接关系到天气气候的旱、涝、冷、暖，直接影响到粮食生产，直接关系到近20亿人口的生活；二是因为它是一个极其重要的科学问题，要想在季风区做好中长期和超长期的天气预报，不了解季风形成变化的物理机制和物理过程几乎是不可能的。
（1）季风多是一个超长波现象，它既是整个地球大气环流变化的产物，也是大气环流和大范围天气气候的形成变化的控制系统。例如夏季亚欧非大陆热低压和对流上部亚欧非季风高压（即100mb青藏高压）以及冬季蒙古高压波长都超过1
万km，多长达150个经度，它们破坏了行星环流分布，又是大气环流形成的控制系统。很难想象，不了解这些控制的物理规律，能提出有物理依据的长期或超长期的天气预报的方法和理论。
（2）季风区（40°N～35°S，30°W～160°E）是整个大气环流最重要的能源区。一般认为，热带海洋地区是大气环流最重要的能源区，这话只说对一半，严格地说季风区海洋才是大气环流最重要的能源区。把地面（包括洋面）对大气的感热加热和潜热（降水和蒸发）加热算在一起，无论冬、夏季，季风区都是大气环流最重要的能源区。7月，季风区海洋供应大气的热能，比西半球要大2倍多（图略），同时最强加热区是出现在青藏高原东南部，阿萨姆附近的大陆上，其强度达800
cal/d·cm2；冬季1月，季风区供应的热能比非季风盛行区要大3倍多，最强加热区不是出现在热带海洋上，而是出现在西北太平洋上，在日本东南方的洋面上，其强度达
1100
cal/d·cm2。粗略的估计，1月西北太平洋（或西北大西洋）加热量远比热带海洋区大（图略）。
不仅如此，无论冬夏，季风区的东西风或南北风分量都是全球最强（图略）的，这也就是说，季风区既是大气环流最重要的能量源地，也是动能集中地区，又是能量最重要的输送道。
（3）季风区是大气最重要的水气源地。在对流层低层季风区海洋上，空气多是跨赤道往南北半球输送的，一是因为经过海洋的路径较长，含水气量大，二是因为季风区海洋蒸发大，因而季风区海洋大气是全球中最湿润的（图略）。例如，夏季7月尤其明显，最湿中心在高原南缘达16
g/kg，比西半球最大为11
g/kg要大5
g/kg。特别值得注意的是7月在对流层中上部（500mb以上），全球最湿中心是出现在青藏高原地区，越高最湿中心越偏在高原上（图略）。
（4）季风区是各种尺度天气扰动的源地。在热带地区，从太平洋西南部，经南中国海、孟加拉湾、阿拉伯海，到赤道非洲是热带低压、台风发生发展最频繁地区，特别是西南太平洋上台风数是全球最高频区，比西半球加勒比海要多。有人发现西南太平洋发生的台风可以绕地球一周，虽然它在绕行中，在有些地区减弱，在另一些地区则加强，此其一。其二，热带季风区是对流云团和雷暴等发生发展最高频区——就雷暴日数而言。第三，热带季风区是气旋涡和反气旋涡最发展地方，特别是对流层中上部这种旋涡尤其多（图略）。
在副热带地区，一般是天气较稳定，除副热带高压外，一般气旋反气旋是很难发展的，但由于青藏高原季风的发展，夏季副热带高压带和冬季西风带被破坏，在高原行星边界层里分别出现青藏热低压和冷高压以及许多中尺度天气系统，对比同纬度同高度地区，青藏高原及其邻近地区就成为各种强烈天气系统的发源地（图略）。
（5）根据最近研究结果，季风区天气系统的发展同遥远地区天气发展间存在着遥相关，例如南亚一带同南方涛动间，青藏地区与太平洋中部间，南亚与马达加斯加间，相关的关键区是在青藏高原及其邻近地区上。北非东部与大西洋间等等都存在着显著相关。同时，叶笃正等的研究指出，夏半年东亚大陆特别是青藏高原及其邻近地区是北半球上升运动最强烈的地区，不仅与太平洋中部间存在着瓦克正环流，和南半球间也存在着经向季风环流（图略）。克列兹那姆蒂从计算得的夏季200mb速度势场的分布中指出，从高原东南部中心地区辐射出的辐散气流（图略），不仅可达南半球、北太平洋东部、南太平洋东部、北半球温带地区，还可以到达大西洋中部；这就是说，亚欧非大陆，特别是亚洲大陆与其四周地区普遍地存在着热力直接环流（包括季风、哈德莱和瓦克垂直热力环流），夏季从这里辐射出的辐散气流，可以加强或减弱整个太平洋、北印度洋、大西洋和北半球中纬度的天气系统。因此，研究季风区环流的变化情况，对全球天气的演变都得有着极重要的作用。
（6）研究季风对提高我国长期天气预报水平更是重要：第一，我国地区具有季风区中最典型的季风现象，一切天气气候变化中都烙印着季风的特性，不了解季风的各种基本规律，就很难做好天气预报，特别是长期和超长期的天气预报。第二，我国地区是温带季风（偏北季风）、副热带季风（东南季风）和热带季风（西南季风）交互作用最频繁的地区，因此研究它们间互相交替情况实际上就是研究中、低纬度间和南北半球间相互作用的规律，就是研究各不同纬带间各种物理量特别是能量、水气量动量等传输规律，这些问题本身就是非常重要的基本科学问题，例如，夏季，在我国北部平均有一极锋（即主要是东南季风和偏北季风交绥区），南边有一热带辐合区（ITCZ），每当偏北冷空气或南方赤道西南季风强烈活动时，不同纬度带间作用就非常强烈（图略），特别是西南太平洋上有台风形成并向西北移动或转向，北方又有冷空气南下活动，不同纬带间作用尤其强烈，我国地区常出现大暴雨或特大暴雨。这种交互作用在华西更复杂明显，这是因为在华西除了有偏北季风、东南季风和西南季风交互作用外，还有对流中部高原季风参加活动；另外，极锋和热带辐合区在这里最靠近，偏北冷空气较易在华西地区南下，这里不同纬带间相互作用虽不如沿海强烈，但作用更频繁也较明显。
二、一些新的认识
地球大气至少存在着五种大尺度（多数是超长波）热力扰动和五种季风。
（1）行星气压带和行星风带。如果地球是均匀的，并且太阳一直是照射在赤道上，那末，在地转偏向力和地表摩擦力的作用下，在海洋面上将出现赤道低压带、副热带高压带、极地低压带和极地高压，和这些气压带相适应的有热带东风带、中纬度西风带、极地东风带（图略）；在对流层中上层则只有赤道低压区、副热带高压带和极地低压以及与此相适应的热带东风带和中高纬度的西风带。实际上这些行星气压带和风带受到各种不同空间和时间尺度的动力和热力扰动。
（2）太阳直射高度季节变化扰动引起行星风带季节位移，产生了行星季风。盛夏太阳直射在北半球23.5°N附近，春秋季直射在赤道附近，隆冬则直射在在南半球23.5°S附近；粗略对比南北半球，盛夏北半球可视为相对热源，南半球为相对冷源，隆冬则相反；这种以年为周期的太阳直射的纬度变化，引起了行星风带南北向季节振荡，在振荡范围内，出现了冬夏完全相反的盛行风，例如，北半球对流层中高空冬季副热带高压脊是处在15°N以南，隆冬以后随太阳高度升高，副高脊北移，到夏季则北移至30°N附近，因此在15°～30°N上，冬季盛行西风，到夏季则盛行东风，形成了平行于纬圈、超长波尺度的相当典型的季风现象，对流层低层，在赤道低压带和极地低槽带也会发生类似现象（图略）。
（3）太阳直射高度年振荡，强迫对流层和平流层产生年振荡，产生了平流层季风现象。太阳直射高度年变化，在南、北纬66.5°以北（北半球）和以南（南半球）极地地区，夏半年无夜，冬半年无昼，冬半年极地在对流层和平流层存在着冷性极涡，这时，对流层和平流层都盛行西风；夏半年相反，由于极地半年无夜，在对流层上部和平流层中低层为极地暖高所盘踞，盛行东风环流（图略）。单从盛行风的相反变化来看，平流层季风是很典型的。
（4）南北半球海陆分布差异的扰动，北半球为“陆半球”，南半球为“水半球”，使南北半球间产生了跨赤道的季风现象。冬季，北半球特别是北半球的东半球大陆冷高压发展，而在南半球为夏季，大陆热低压发达，例如中南非低压，澳洲低压和南美低压，特别是澳洲低压都非常发展，因此从北半球经赤道到南半球低纬地区，存在着极明显的从北到南的气压梯度，这使对流层低层北半球的东北信风大量跨越赤道，转变为西北风，向澳洲、中南非热低压辐合；在对流层上部，南半球副热带高压北边的东南气流则跨越赤道向北半球输送（图略）。
夏季相反，北半球大陆热低压发达，特别是亚欧非大陆低压温度最高；强度最强，范围最大；南半球则为大高压，例如澳洲冷高，马达加斯加高压和中南非冷高发展，因而南北半球间存在着从南半球跨赤道到北半球的气压梯度，在对流层低层南半球高压北侧的东南信风跨越赤道，转成西南风，向北半球大陆低压辐合；在对流层高层相反；北半球副高，特别是100mb青藏暖高南侧的东北气流则越过赤道，向南半球输送（图略）。
很明显，南北半球间，在热带地区上，冬夏季在对流层高低空存在着近乎相反的盛行风——季风现象。当然，在这里我们强调了南北半球海陆分布差异的作用，但不能说太阳高度季节变化在南北半球季风形成中没有作用，不过从南北半球季风只存在于季风区，特别是在0°～170°E间最明显，我们强调海陆分布在南北半球间季风形成中的重要作用是合理的。
（5）海陆热力差异的扰动，产生了经典的海陆季风，海洋高压发展，这种冬夏气压场相反分布和季节变化，形成了明显的季风现象。例如冬季亚洲大陆上，蒙古冷高压发展强大，北太平洋上阿留申低压发达，我国大陆上盛行偏北冬季风；夏季印度热低压强大，北太平洋副高也很发展，我国大陆上盛行偏南夏季风，就是很典型的大家都知道的季风现象。
显然，我们在这里强调海陆差异在对流层低层季风现象形成的作用，只是为了叙述方便。实际上，海陆间相反气压场的形成和季节演变，并不单一地决定于海陆分布，而是太阳辐射，大气环流和大地形相互作用下形成的。例如，最近对东亚季风的数值模拟结果，就认为青藏高原大地形在蒙古高压和大陆热低压的形成中起了决定性的作用，如果没有青藏高原，就没有现在的蒙古高压和印度低压，就没有现在的季风，我国副热带地区就很可能是干热不毛的沙漠气候了；显然，这也只是强调问题的一个方面，不过在我们强调海陆对季风形成中的作用时，可不能忘记问题的复杂和相互综合作用的另方面。
（6）青藏高原大地形加热季节变化的扰动，产生了青藏高原季风。相对于高原四周同高度自由大气，夏季高原地面为热源，冬季为冷源或加热小区，因此在高原行星边界层里，夏季为青藏热低压所控制，冬季为青藏冷高压所左右，和气压场相适应的，夏季高原为气旋性环流，冬季为反气旋性环流，许多地方冬夏盛行风近乎相反变化，这就是青藏高原季风。
这五种热力扰动叠加到行星环流上去，就使某些地区的行星环流变成为不可辨识的了。例如我国30°N以南地区地面上，照理全年应盛行东北信风，可是夏季却盛行东南季风或西南季风；在30°N以北，冬夏均应盛行西风（行星环流），可是冬季却盛行西北或北风气流，夏季却盛行偏东气流。在青藏高原的平均高度上，理应全年盛行西风环流，但在高原地区南部，冬季盛行偏东气流，夏季盛行相反的偏西气流，在高原边界层之上（6～7
km以上），冬夏季本应是盛行西风，可是夏季却盛行东风等等，等等。应该指出，这同五种扰动相联系的五种季风，除青藏高原季风是天气尺度的以外，其他四种都是超长波尺度的。
三、五种热力扰动和五种季风可归纳为四种热机、三种热力垂直环流
（1）平流层极地与赤道之间热机：冬季赤道为高温区，极区为低温区；夏季相反，极区为高温区，赤道为低温区；热机作用的方向，冬夏是相反的。和这个热机相适应的，冬季纬圈环流为正环流，夏季为反环流。
（2）海陆之间的热机：夏季大陆为高温区，海洋为低温区；冬季相反，海洋为高温区，大陆为低温区；热机作用方向，冬夏也是相反的。和这热机相适应的冬夏经圈或纬圈热力垂直环流也是相反的，都是正环流。南北半球间的季风也应归入这一类，因为北半球为“陆半球”，南半球为“水半球”，夏季北半球高温，南半球低温，冬季相反，北半球为低温区，南半球为高温区。这高低温区之间的确也存在着一个冬夏相反的热力垂直环流，它们和海陆季风热力垂直环流完全是一致的。
（3）高低纬度间，特别是赤道与马纬（30°N或30°S）之间全年不变方向的热机：赤道区为高温区，高纬度为低温区；赤道区空气受热上升，到高空向北流，在30°N或30°S处下沉到地面，再向南流回赤道区，再上升……周而复始。这个热力垂直环流是大家熟识的哈德莱环流（Hadely
cell）。
（4）青藏高原与其四周同高度自由大气间的热机（其他足够高大的高原也都可能存在着这种热机）：夏季青藏高原为热源——高温区，四周自由大气为冷源——低温区；冬季相反，高原为冷源，同高度自由大气为热源。这类热机冬夏作用方向是相反的，与之相适应的热力垂直环流方向冬夏也是相反的。
这四类热机形成了三种热力垂直环流：即哈德莱环流、季风热力环流和瓦克环流，其中以季风热力直接环流最多见。
四、季风区的某些新现象（从略）
五、问题的复杂性
上面已经说过，地球上至少有五种大尺度的热力扰动和五个类型的季风现象，进而可以归纳为四种热机和三种热力垂直环流，虽然它们不一定都在一个地区上发生，但在季风区里，许多地区却可以同时出现二三种季风，在高原及其邻近地区甚至可以有三四种季风同时出现。这些季风是如何地相互作用，进而形成并影响其四周的天气、气候？这问题本身就已经很复杂，但还仅仅是问题的一个方面，问题复杂性还在于：
（1）各种周期性、准周期性和非周期性天气现象交织在一起，使问题变得更复杂。太阳是形成季风现象最根本的能源，而太阳辐射的季节变化是异常严格的以一年为周期的现象，因此按道理季风现象也应该是严格的周期现象，事实上并非如此，这是因为太阳辐射热能转化为大气的动能、内能或位能，还得通过各种下垫面（海、陆、高原等）吸收太阳短波辐射，加热自己，再通过湍流或热对流、长波辐射、蒸发或降水来加热大气，而这些加热过程在海洋、大陆、高原对流层和平流层是各不相同的，再加上各下垫面上还有积雪、结冰或冰冻以及大气环流的年际差异等等，使各种季风变成了一年的准周期现象，它们的位相角是不同的。
在这些准周期而且位相不同的季风现象上，再叠加上非周期性大气环流系统或天气系统发生、发展的扰动，使原来准周期季风现象有时变得很难肯定。例如，和夏季风活动有密切联系的雨季开始问题，这本来应该是准周期现象，但常常因为非周期性天气系统的叠加，有时夏季风并未开始，而只是因有非周期性降水天气系统发展，而误认为雨季已经开始了；但也有这样情况，夏季风已经开始了，只是因为暂时有不利降水的非周期性天气系统发展，没有明显降水，而认为雨季没有开始；这样常常只好等全过程情况了解后，再定雨季的起讫日期。据说，在定每年长江流域梅雨开始日期时，也常常发生上述很难确定的情况。
此外，在季风区，除了已发现有许多准定常的、区域性的天气系统和许多气象要素11年、2年、1年、15天、5天等准周期（还有22年、35年……等周期），这些不同周期天气现象叠加在一起，使季风的周期性现象也变得更难于区分，虽然我们可以用各种滤波办法把短周期的现象过滤掉，而显出较长周期的变化现象，但这往往只能在事后再加以分析研究，很难用当时资料做当时的预报。
（2）大尺度的季风现象常常因中小尺度季风的扰动变复杂了。上述五种季风现象都是超长波或长波尺度的季风现象，但具体地区的季风却是各种尺度季风相互作用的综合结果，不能一概而论。例如夏季南北半球海、陆差异所产生的西南季风，无疑的是一个超长波现象，印度西南季风虽是全球西南季风很突出的一支，但印度西南季风毕竟还要受次一级海陆分布影响，即在印度次大陆与孟加拉湾和阿拉伯海对比影响下产生另一些特殊性。至于研究某局地的季风现象，例如加尔各答的西南季风问题，那还要注意该地区又要小一级影响因素的作用。这也就是说，研究南北半球间西南季风的发生演变机制，虽然是很重要的，但还不足以预报印度次大陆和加尔各答西南季风的发生演变，因为某些特殊的甚至非常重要的演变规律，是在比南北半球海陆对比小一二级的因子作用下产生的。
就说因太阳高度季节变化所产生超长波尺度行星季风现象，要不了解南北半球海陆分布不均匀性、亚欧非大陆和青藏高原大地形对它的扰动的影响，就很难理解行星季风的某些特殊规律，也就很难作某一具体地区行星季风活动的预报了。
（3）高层、中层和低层季风同时起作用。上述五种季风不仅尺度大小不同，周期变化也不是同步的，而且出现的高度也不同，有的平流层现象（平流季风），有的是对流层上部现象（行星季风），有的是对流层中部现象（高原季风），有的则是对流层低层现象（海陆季风），这些季风在垂直方向上是如何相应地起作用，这也是较复杂的课题。例如亚非大陆热低压、印度次大陆热低压、我国大陆热低压，分别在3月和4月下旬形成，平流层也从4月下旬起西风变为东风；这时对流层中高层大气环流形势仍维持盛行冬季型；这也就是说，大气环流季节变化，对流层低层和平流层要比对流层中、上部早一个多月。从夏到冬也有类似现象：季风区对流层和平流层低层季风环流早在8月底变为冬季型，而对流层中、上部则在10月上旬才变过来，又落后了一个多月；换句话说，平流层和对流层低层季风起止都比对流层中、上部行星季风早，为什么？这也是不清楚的复杂问题,
（4）季风区的季风问题是复杂的，分析研究是比较困难的，但不是不可认识的。对不同地区、不同研究对象只要抓住主要矛盾，由易到难，由浅入深，由单因子到多因子综合作用，由现象到本质，现象总是可以认识的，问题总是可以逐步解决的。例如四川省为了解决本省旱涝问题，从天气气候角度，抓住高原季风和行星季风这两个控制因子，研究此二者互相作用和制约的机制，对四川省夏半年旱涝作了较深入细致的分析，取得了初步可喜成果。我国东部华南地区，只要抓住副热带季风（东南季风）和西南季风以及行星季风这三个主要矛盾方面，对华南地区的洪涝和旱凉天气的了解和预报，就可能找到新的途径。在云南省要抓住研究西南季风、高原季风和行星季风的形成演变规律，就有可能把各种灾害性天气和气候的预报做得更好一些。
这里还应该说明一点，即季风和大气环流的季节变化有何异同？实际上此二者都是大气环流及其季节变化的组成部分，不过季风也有其特殊意义，它是指大气环流季节变化中主要是加热场明显季变所引起的盛行风近似相反变化的一部分。因此，季风区就是指在这里冬夏大气环流是近乎相反的，没有这现象或者这现象不明显的就归入非季风区。
六、季风问题
季风是气象学上的一个古老科学问题，本世纪70年代以来虽然再一次引起大家广泛的重视，也做了许多研究工作，还组织过多次综合科学考察，特别是今年结合全球大气研究实验，在阿拉伯海、孟加拉湾和南中国海印尼地区举行了大规模综合观测实验。有关的大成果还有待进一步的分析研究，应该说许多大问题都还没有得到应有的解决，归纳起来有下面几点：
（1）季风的气候学研究：研究季风的气候特征、季风季节变化、年际变化等机制，长周期的振荡，特别是季风异常的形成机制要着重研究南北半球的季风作用，及其与旱、涝、低温冷害的关系，提出季风异常的长期和超长期预报方法。
（2）季风环流的研究：研究季风区的环流特点，季风中周期的振荡机制，季风的季节变化规律，特别是季风的开始、终止的形成机制与我国雨季起讫的关系及其中长期预报方法。
（3）季风的天气学研究：研究季风的天气学特色，季风环流建立后的短期振荡机制，着重研究季风的维持、中断和活跃的形成机制，它与我国多雨期、暴雨和少雨期（旱期）的关系，提出多雨期和少雨期的中短期的预报方法。
（4）青藏高原季风和高原对季风形成演变的影响。
（5）季风动力学的研究：研究各种季风的形成原因，季风季节变化特别是渐变、突变的理论，各种季风间相互作用的动力学，季风各不同周期振荡的形成以及季风在大气环流形成变化中的作用等理论或数值实验研究。
我们认为，地球上即使可以分成季风区和非季风区，那末季风区的气候、天气、环流的形成一定有不同于非季风区的特色特点，不是西风带天气学所能概括的。我们应该努力创造季风气候学、天气学、季风环流和季风动力学，以提高长、中、短期的天气预报水平，在这领域里实现赶超国际水平，这不仅需要，也完全是可能的。
（罗会邦主编《高由禧院士文集》中山大学出版社，
1999；P209～215）
