【看天空的日子】當夏天來敲門-夏季季風肇始

大家好，今天要講一個早就知道結局卻每年都要演一下的故事

更慘的是這齣肥皂劇前後長達一個月而且預報員們是被強迫收視，不能轉台

這齣戲的全名，叫做『夏季季風肇始(Summer Monsoon Onset)』(非常不吸引人啊XD)

相信大家都有知道，季風的成因和海洋、陸地被加熱時溫度變化速率的不一致有關。夏天時太陽直射，陸地的溫度上升的比海洋快，因此陸地上的密度變小，產生低壓；海洋上則相對變成高壓，所以會產生持續一股由海面向陸地吹送的氣流。反過來當冬天時，陸地快速冷卻形成高壓，海洋相對變成低壓，因此冬半年又有那麼一股氣流從陸地吹向海洋。有些地方這樣冬夏兩季風向相反的特徵尤其明顯，因此我們又稱這些地方為"季風氣候區"。著名的例子包括東亞+澳洲、西非、甚至美墨都有人觀測到明顯季風的特徵。

但是最正宗、規模最大的，當然是我們「亞澳季風系統」了(昂首闊步抬頭挺胸)

我們首先看到東亞地區隆冬和盛夏之間850hPa(底層，距地表高度約1.5km)的風場(圖1)

可以發現兩個季節在這個區域所盛行的風幾乎是反向的，冬天由於北半球(尤其陸塊)比較寒冷，因此風由北半球的陸地向海洋吹送，最終來到盛夏之際的南半球；七月盛行風就整個反過來了，而且亞洲大陸陸塊更廣泛，升溫也就更明顯；所以由南半球吹往北半球陸地的風力更強，尤其在索馬利亞以東的阿拉伯海，月平均風速竟然可以超過25kts以上。

值得留意的是，夏季季風由於是從"熱帶"海洋吹向亞洲陸地

這樣的氣流伴隨大量暖、濕空氣輸送，常成為季風氣候區穩定、重要的水氣來源。因此夏季季風的出現另一個重要意義就是「雨季」的開始。全世界降雨量最大的地方-印度乞拉朋吉，就在亞澳季風區，平均年雨量11754毫米(圖2)。尤其夏季季風建立後的六月、七月，月雨量竟高達2500-3000毫米。鞍部，我們臺灣平均年雨量最大的人工站，年雨量也不過就4863毫米。我們下了一年，人家只需要下兩個月就看不見車尾燈了

對臺灣來說，夏季季風帶來的水量雖然不像印度這麼多，但是從幾個平地站的月雨量變化，也可以看見夏季季風的蹤跡(圖3)。臺灣周遭的夏季風大概五月中旬過後出現，一直要到快10月才會改吹冬季季風(東北季風)。正好迎西南風的臺中、高雄，主要的降雨都集中在五月下旬到九月(只是在六月中旬到七月有個雨量較少的時段)，高雄尤其明顯。至於其他非盛行夏季季風的時間，這兩個地方的降雨都少得可憐QQ，因此對西南季風所帶來的水資源仰賴度更高。

夏季季風能不能為乾渴的南臺灣帶來即時雨，也就更加重要 ! 另外統計上在夏季季風肇始之後，出現致災性強降雨的機會也就更高，對於各行各業、生活影響很大。所以再怎麼枯燥乏味，預報員也還是得托腮硬著頭皮收視完畢

而『夏季季風肇始』，描述的就是大氣環流由冬天調整到夏天的過程

那故事又是怎麼開始的呢？準備好了嗎？開始囉！

●當孟加拉灣的海風吹起時

時間剛過春分，在南半球優遊許久的太陽終於回到北半球。亞洲最先感受到夏天的，就屬北半球東南亞南端的馬來半島、蘇門答臘及婆羅洲等島嶼了。不過這時候的夏天總體來說在北半球還是個存在感極低、邊緣到不行的邊緣人。距離稱霸北半球，八字都還沒一撇...

圖4比較夏季風肇始前(左圖：四月)及肇始後(右圖：六月)的風場，可以看見兩個重大的差異

第一個差異是風向，肇始後(右圖)的印度洋，被強的西風主宰；但肇始前，印度洋上空被不同的反氣旋籠罩，風向較為混亂。另一個差異就是副熱帶高壓的位置，肇始前副熱帶高壓脊橫亙了西北太平洋、孟加拉灣、阿拉伯半島及北非，就像城牆一樣，將西風分成赤道和孟灣北部兩個部分。不過此時的夏季風也不是一無所有，太陽直射馬來半島和蘇門答臘，已經在赤道附近產生由印度洋吹向陸地的西風，並在斯里蘭卡以東遺留了一個氣旋式的環流。雖然強度和規模遠遠不足，但至少有些成果。也正因為開始有來自海洋濕潤的空氣，中南半島、海洋大陸(東南亞)也開始有些對流消消長長，這算是可用雲圖直接判斷的季節變換訊號，但背後還有更深層的意義，稍後會為大家說明。

俗話說一個成功的男(女)人，背後會有位偉大的女(男)人←排列組合請自行搭配

要喚醒一個沉睡半年的巨人，背後需要一些雞婆的人(X。雖然夏季季風一定會醒、一定會肇始。但這之間總是會有些愛管事的鬧鐘、媽媽(爸爸也可啦)時不時會走過來搖一下，而且有些手段其實相當激烈，身為一個懶惰的小編有時看了都覺得不忍QQ。

總之現在這個狀況，有兩個棘手的問題要解決

首先是西風的強度要增強，再來是得想辦法讓副熱帶高壓讓出一條北上的路，讓高壓南北兩側的西風合流。其實全球大氣環流按照最理論的模型(沒有陸地、海洋差別的話)，低緯度應該處於信風帶，北側盛行東北風、南側盛行東南風，地表並沒有西風的容身之處。不過實際的地球有海陸差異，先是導致加熱不均，進而引發了密度、氣壓的差異，給了西風一點容身之處(EX:溫度比較高的地方往往氣壓低，風就會由氣壓高的地方往氣壓低的地方流動)。而加熱而誘發的環流，有時候會以波動的形式在熱帶地區傳播，底層的西風也就隨著波動的通過時而增強，時而減弱消失。這當中最有名就是M和J發現的MJO(Madden-Julian Oscillation)(註1)

這種大型的熱帶波動約40-80天會由西向東環繞地球一圈。因為週期比一個季節(3個月)短，屬於季內震盪(intraseasonal oscillation)的一種。而當MJO對流發展活躍的區域通過後，會伴隨西風增強(圖5，深對流西側)，也會為南北兩側的底層帶來反旋式/氣旋式環流，此時若MJO東傳的路徑往北半球靠一點，就可能連帶的使緯度稍高的副熱帶高壓東退或斷裂，為夏天點了一盞明燈。按照MJO的週期，在4到5月有機會遇到1至2次西風爆發，每一次對夏季風來說都是個甦醒的契機。

接下來要介紹的這個手段更加暴力：颱風(印度洋稱"氣旋"(Cyclone))

過去很多研究發現，若印度洋/阿拉伯海有颱風在夏季風即將肇始的期間形成，颱風南側的西南風將會增強低緯度西風的強度，進而導致夏季季風爆發。因此他們定義，當颱風的生命期涵蓋了夏季季風爆發的時間，就稱這類颱風為『肇始渦旋』(Onset Vortex)2003年的01B就是一個肇始氣旋(圖6)

過去研究(註2)也發現，雖然才剛進入夏天，不過孟加拉灣環境已經很適合颱風形成。主要的有利條件有兩個，首先是斯里蘭卡以東、孟加拉灣南側的氣旋式環流(見圖4)，提供了初始的渦度，而且當近赤道西風增強後，渦度增加、來自洋面的可感熱、潛熱能量也增加，提供了熱帶擾動形成的溫床。另外是孟加拉灣上空的副熱帶高壓，高壓底層的輻散將海面蒸發的水氣向氣旋式環流輸送，維繫初生擾動的強度，又加上高壓使得孟灣上空雲量少、風也小，太陽長時間照射使得海溫快速上升，形成了一片暖海水聚集地。當南方的熱帶擾動稍北移進入暖海水區，就有很高的機會發展為颱風。

01B的生命期由5/10開始到5/19消散，根據JTWC的資料這個颱風一分鐘平均風曾經達到60kts，換算成臺灣標準大概是輕度颱風接近上限，本身不是個很強的系統，但是從當時的分析資料顯示，颱風北上的過程中，原本在700hPa及850hPa颱風北側東西相連的副熱帶高壓脊線斷裂(圖7)。這一斷，不只颱風順利北上，緊接著颱風南側的強西南風和副熱帶高壓北緣的西南風合流，孟加拉灣的夏季季風，於5/12正式爆發。

除了以上兩種主要的方式外，其實還有很多種方法可以喚醒夏季季風

基本上只要想辦法讓副熱帶高壓脊線斷裂，以及增強西風，大致都可以達到目的地但根據經驗，這沉睡的巨人通常不會鬧鐘一響就醒，而是會貪睡模式打開再賴床一下

而要讓夏季季風真正醒腦

其實還有一個很重要的關鍵，那就是第三個任務：...高層要配合

●所謂眾志成城：南亞高壓的出現

海洋和陸地的溫度差異會隨著夏天接近而更加明顯。但是這樣的溫度差距卻會隨著高度增加而弭平，熱帶的對流層高度約17公里，通常只有近地表1.5公里厚的大氣，才會感覺到海陸間溫度的差異。換句話說，儘管陸地再怎麼努力升溫，影響的也不過就對流層底下10%的區域而已。

所幸有一種東西叫水氣，它總會在關鍵時刻助大氣一臂之力

過程是這樣的，入夏增溫的過程中，由於陸地溫度上升的速度比海洋快，導致陸地上的空氣密度小，形成低氣壓；相對的海面上則為高壓。於是就有一股由海洋流向陸地、富含水氣的氣流。來自不同方向的氣流在陸地上空交會，產生上升運動形成對流，水氣在上升的過程中因飽和而凝結、成雲致雨而凝結所釋放的熱，又再度加熱周遭的氣塊，使得空氣就像裝了火箭推進器一樣，再度加速上升。由於熱帶的大氣(尤其海洋周邊)通常比較潮濕，氣塊可以維持在飽和狀態很久，而上升的過程中又不斷有水氣凝結放熱，因此氣塊持續上升，直到平衡高度(約10公里)才會慢慢停下來。夏季風的戰線在水氣的推波助瀾下，空戰也正式開打

這當中還伴隨了兩個效應，其一是上升運動將空氣由地面往上帶，使得高空的空氣質量增加；其二是凝結熱釋放的過程，讓整層大氣升溫，使得空氣厚度增加，也使得高空空氣質量增加。兩個效應使得高空被迫發展出高壓，藉由高壓的輻散，大氣竭盡所能地想排除堆積在高空的空氣。

假如只是零散的幾個對流胞，這樣的高壓其實並不會太強、規模也很小。但由於底層的氣流不斷地將海面上水氣往內陸輸送，使得這段時間中南半島的對流活動非常活躍，尤其中午過後同時間會有十來朵對流發展，而且天天報到，中南半島上空的氣層就這樣不斷地被加熱、增厚、空氣也不斷向高空堆積。於是在每個小對流丁點的努力下，中南半島上空(約10-15公里處)出現了一個大規模、穩定的高壓。這也就是為什麼中南半島對流的活躍程度是預報員等待西南季風肇始的觀察指標之一，當大量的對流爆發而且維繫了一段時間，代表了南亞高壓即將出現。這個高壓在夏季會隨著對流發展的位置逐漸由中南半島向北移動，經過印度、孟加拉，最後在六月、七月攀上青藏高原，由於活動的地方多在南亞，所以得到「南亞高壓」的稱呼，而當它攀上青藏高原後，又有人稱它為「青藏高壓」。而登上青藏高原的南亞高壓，受惠於身高五千米的青藏高原地表對於大氣的直接加熱，這個熱源比對流還更加有效率、更加穩定，南亞高壓也進入強盛期，高壓南測建立的東北風。也更加有效率地將季風上升運動區的氣塊往南半球抽送，夏季季風環流因此更加鞏固。

OS:有沒有覺得，長的高，並不只在人類社會有優勢呢?

比較南亞高壓建立前後的200hPa流場(圖10)可發現當中有重大的改變:南亞高壓建立前高空多由西風槽脊主導，因此流場以偏西風為主；但南亞高壓建立後將伴隨反旋式的環流，高壓南側開始有流向南半球的東北風出現，西風則被南亞高壓高阻隔在北方。

南亞高壓建立之後，高空出現了穩定的東北風，迅速將北半球對流區上方堆積的氣快吹往南半球，大氣的流動暢通了起來，環境也更有利上升運動發生，因此底層更強的西南風流入上升運動區，對流也就更加活躍。而旺盛的對流將更多空氣往高空堆積，南亞高壓也日益茁壯，整個環流也日漸完整，到了此刻，有了高層的幫忙，夏季季風終於關掉貪睡模式

夏季季風環流(圖11)，終於登上了北半球的舞台

●雨的足跡，夏季風的稱霸之路

季風環流建立後，風、加熱源、對流三位也合成一體。

因為先有太陽加熱產生溫差，底層風吹起，對流隨之出現並強迫高層出現輻散氣流，季風環流因此而完備。可惜太陽不等人，才剛學會站的夏季風還來不及喘口氣，就因為太陽直射區更往副熱帶(北方)移動，只得連滾帶爬跟著向北調整。而正也因為三位一體，而且加熱源、對流正好標記著季風環流北上的最前線。因此引申出了五花八門追蹤季風肇始的方法，除了風的變化以外，對流發展的位置(紅外線雲頂溫度、觀測降雨變化)、對流的加熱(高空溫度梯度)...etc都有人愛用今天要分享兩篇的研究，是王斌老師和林和老師於2001年發表的期刊論文，分別利用雨量和紅外線溫度追蹤夏季季風的肇始及有趣的演變特徵

第一篇論文中，他們利用NOAA CPC再分析的雨量資料進行了一些計算:他們先用冬季雨量、夏季雨量定義了季風氣候區，再定義出東亞、南亞甚至西北太平洋一部分地區雨季開始的時間，如下圖:

圖上(圖12)顯示孟加拉灣東側，是雨季最早開始的地區。並隨著時間逐漸往中南半島(5/11)、南海擴展，5/21才輪到臺灣南部。至於印度、孟灣西北方則要等到六月，夥同華中梅雨季一起開始。除了東亞、南亞以外，還有另外一條向西北太平洋擴展的路線，在七八月逐漸向東擴張終於到了八月，才完成了夏季風完整的版圖

但是在五月到八月這段時間，其實西南風也不是一直在擴張

就降雨來說，甚至有些地方還會出現停歇(Break)的現象。另外一篇論文就利用了紅外線輻射追蹤了這段時間對流發展位置的改變。他們發現入夏這段時間，雖然可以看到對流活躍區域從南經中南半島往北移動的緩慢過程，但是在西北太平洋、印度洋上空的對流則有其他"快速變化"的過程。經過分析他們將季風爆發前及夏季風爆發後分成四個階段:

圖上有趣的是夏季季風和副熱帶高壓脊的關係:第一階段於季風爆發前，副熱帶高壓脊線由西北太延伸進孟加拉灣，高壓強勢，天氣相對乾燥；進入第二階段前汛期，也就是臺灣的梅雨季，由於西南季風增強使得副熱帶高壓東退，大部分的西南風流向副熱帶高壓北緣。到了第三階段副熱帶高壓又再度增強，西南季風於是一分為二，一部分隨著高壓北緣北上導致華中、日韓梅雨；另一部分則流向副熱帶高壓南緣，季風槽因此逐漸建立，西北太平洋的夏季季風也跟著爆發。

雖然第三個階段被歸類在夏季季風全面爆發的時間，但臺灣在副熱帶高壓籠罩下天氣乾燥炎熱，所以在六月中到七月雨量反而會略微減少(見圖3)。降雨量一直要到第四個階段，副熱帶高壓脊北抬後才會再增加，此時大部分的西南風都流往高壓南側的季風槽中季風槽開始有熱帶氣旋出現，並帶給東亞沿岸較多的雨水終於，他們按照了對流區演變的特徵畫出了東亞、南亞各地的雨季圖-季風日曆

這張月曆顯示除了中南半島雨季整個夏天不間斷外，其他地區雨季都分成上下半場。而臺灣的雨季，在此研究中分別為5/18-6/12、7/17-8/21兩段時間。和文章開始的北中南東測站逐旬平均雨量相當吻合(圖3)。而若和其他地方比較，臺灣的雨季開始時間則比中南半島晚約10天左右，這個差距和前篇研究的結果相同

作業單位方面，中央氣象局對臺灣梅雨季時大尺度環流的特徵也有所定義，最後我們藉這個定義來複習一下夏季季風的環流特徵:

指標1選定了臺灣南方和北方的一塊區域，將兩區域的東西風相減。指標1>0有三種狀況，第一種是南邊的西風比北邊強、第二種是北邊的東風比南邊強，最後一種式南邊吹西風、北邊吹東風。由渦度的觀點來看，以上三種狀況都意味著臺灣位於氣旋式環流當中，也就是低壓籠罩的範圍，天氣自然不太穩定不過老實說這個指標其實很容易滿足，只要有鋒面通過，再弱爛都沒有問題。

最難達成的是指標2，菲律賓上空的垂直風切由西風風切轉成東風風切

這當中有兩個過程，分別是底層的西南風加強，另外是高層的西風必須減弱，甚至反轉為東風，其實伴隨的就是高層西風槽隨著入夏而減弱、北退，轉而由南亞高壓環流接手的過程這也就是夏季風的環流特徵，底層有由南半球吹向北半球的西南風；而高空南亞高壓出現，南緣環流的東北風又將空氣由高空向南半球輸送。因此季風環流建立後，垂直風切自然轉為東風，使得指標2由負轉正，但是大尺度環流建立後，臺灣周遭仍然必須要是不穩定的環境才易有降雨發生，所以必須要指標1也大於零，臺灣落在低壓帶中，才容易出現長時間、廣泛、下雨下到發霉的梅雨。

以上很冗長的和大家分享理論上夏季風肇始的過程

及理論上夏季風和夏天雨季的一些特徵雖然是平均特徵，但實際上每一年都有些無法解釋的狀況出現。

這需要更多篇幅、更多研究來討論了。而這也就是為什麼預報員們再覺得乏味，也還是得把整齣已經劇透到不能再多的肥皂劇看完。過去都是預報員們被強迫收視，今天就花這些篇幅強迫各位觀看這齣肥皂劇的劇本囉!

希望講到這邊，大家能對夏季季風的特性和重要性能更有認識下次看到一些平時不太關心南亞、東南亞的天氣迷或者是臉書上的前輩突然在四五月開始講起印度洋的颱風、中南半島的對流雲也能了解一點他們背後想要表達的想法囉~

※註1：有關MJO，可以參考網誌過去的一篇文章，裡面有相當多的參考論文喔：【看天空的日子】MJO，http://blog.xuite.net/steveyuchiliu/wretch/100612484

※註2：Wu, G. X., Y. Guan, Y. Liu, J. Yan, and J. Mao, 2012: Air–sea interaction and formation of the Asian summer monsoon onset vortex over the Bay of Bengal. Climate Dyn., 38, 261–279.

※註3：Wang, B., and LinHo, 2002: Rainy seasons of the Asian–Pacific summer monsoon. J. Climate, 15, 386–398.

※註4：LinHo, and B. Wang, 2002: The time–space structure of the Asian–Pacific summer monsoon: A fast annual cycle view. J. Climate, 15, 2001–2019, doi:10.1175/1520-0442(2002)015<2001:TTSSOT>2.0.CO;2.

※其他資料來源：NCEP Reanalysis1、IMD、CWB、JTWC、NOAA 、Google Earth.