熱帶太平洋、印度洋海溫異常對(duì)處于厄爾尼諾事件成熟期的東亞Hadley環(huán)流的影響

李琰,朱偉軍

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210044)

熱帶太平洋、印度洋海溫異常對(duì)處于厄爾尼諾事件成熟期的東亞Hadley環(huán)流的影響

李琰,朱偉軍

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210044)

分析了熱帶太平洋ElNi~no事件和熱帶印度洋海盆一致的暖海溫異常事件(記為暖海盆模態(tài))與東亞Hadley環(huán)流的關(guān)系及海溫異常對(duì)東亞Hadley環(huán)流的影響。結(jié)果表明:(1)東亞Hadley環(huán)流與ElNi~no循環(huán)的關(guān)系密切,ElNi~no事件從開始到消亡的不同位相期,東亞地區(qū)表現(xiàn)為隨位相變化的異常經(jīng)向垂直環(huán)流,在ElNi~no成熟期由異常順時(shí)針經(jīng)向環(huán)流圈轉(zhuǎn)換為異常逆時(shí)針經(jīng)向環(huán)流圈,意味著東亞Hadley環(huán)流圈的顯著減弱。(2)冬季Ni~no3指數(shù)、赤道印度洋海盆一致型模態(tài)指數(shù)(I OBM I)與東亞Hadley環(huán)流指數(shù)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為-0.42、-0.39,遠(yuǎn)超過0.01信度的顯著性檢驗(yàn),表明當(dāng)ElNi~no事件和印度洋暖海盆模事件發(fā)生時(shí),東亞Hadley環(huán)流減弱。模擬結(jié)果與診斷分析結(jié)果一致。(3)鑒于印度洋海盆模態(tài)和太平洋ElNi~no事件的密切聯(lián)系,在考慮冬季東亞Hadley環(huán)流變化時(shí),應(yīng)考慮ElNi~no事件和印度洋海盆一致型海溫異常事件的共同作用。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明兩大洋的共同作用會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的東亞異常逆時(shí)針經(jīng)向垂直環(huán)流,使得東亞Hadley環(huán)流顯著減弱。

東亞Hadley環(huán)流;熱帶海溫;CAM3.0;數(shù)值模擬

Abstract:Based on observational data and an atmospheric general circulation model,the paper examined the relationship between the ElNi~no events and the Hadley circulation in East Asia in boreal winter as well as the relationship bet ween the Indian Ocean basin-wide warming event and the East Asia Hadley circulation.The influence of the sea surface temperature anomalies(SSTA)over the two tropical O-ceans on the EastAsia Hadley circulation was investigated.The main conclusions are as follows:(1) the intensity variation of the EastAsia Hadley circulation associates with the El Ni~no event through itswhole process.The anomalous EastAsia Hadley circulation cell is fully developed during the mature phase of ElNi~no;(2)the correlations of the Ni~no3 index and the Indian Ocean basin-wide mode index(I OBM I)with the EastAsia Hadley circulation index(EAH I)are-0.42 and-0.39,respectively(above 0.01%significance level),which means thatwhen the ElNi~no events and the war m SSTA over I OBM in winter occur,the intensity of the EastAsia Hadley circulation ismuch weaker than normal.Results of simulations confirm the diagnostic analysis results;(3)the I OBM in winter develops in response to both atmospheric and oceanic processesof ElNi~no.Thus,effectsof the two oceanic events both need to be considered when examining the influence of ElNi~no on the EastAsia Hadley circulation and the combined influence of ElNi~no and I OBM events tends to produce stronger East Asia Hadley circulation in winter.

Key words:EastAsia Hadley circulation;tropical SST;CAM3.0;numerical si mulation

0 引言

Hadley環(huán)流是低緯大氣中主要的大尺度環(huán)流因子之一,它的變化與全球大氣環(huán)流變化密切相聯(lián),進(jìn)而影響到全球天氣氣候的變化[1]。國(guó)內(nèi)外在Hadley環(huán)流對(duì)全球和局地天氣氣候影響方面進(jìn)行了一系列的研究,Chang[2]發(fā)現(xiàn)冬季強(qiáng)Hadley環(huán)流可以導(dǎo)致赤道西風(fēng)加速和中緯度溫度的升高。Hou[3]指出Hadley環(huán)流增強(qiáng)可以導(dǎo)致冬季熱帶外溫度顯著增加,對(duì)東亞季風(fēng)產(chǎn)生重要影響。周波濤和崔絢[4]利用數(shù)值模擬證實(shí)當(dāng)春季Hadley環(huán)流異常偏強(qiáng)時(shí),東亞夏季風(fēng)減弱,長(zhǎng)江流域降水增多?？梢奌adley環(huán)流對(duì)東亞季風(fēng)有顯著影響。

眾所周知,冬夏季風(fēng)環(huán)流的形成主要與冬夏海陸熱狀況有關(guān),下墊面加熱在Hadley環(huán)流發(fā)展變化中起到重要作用[5],國(guó)內(nèi)外學(xué)者在Hadley環(huán)流與海表溫度異常(SSTA)尤其是熱帶SSTA的關(guān)系方面做了大量研究。符淙斌等[6]發(fā)現(xiàn)赤道東太平洋海表溫度在增暖和冷卻兩種情況下,太平洋上空的平均經(jīng)圈垂直環(huán)流表現(xiàn)為兩種不同形式。Oort和Yienger[7]發(fā)現(xiàn)赤道東太平洋海溫升高(降低)時(shí),北半球Hadley環(huán)流增強(qiáng)(減弱)。孫柏民和孫淑清[8]分析指出ENSO暖位相使得東亞太平洋地區(qū)Hadley環(huán)流減弱東移,冷位相則使得該地區(qū)Hadley環(huán)流增強(qiáng)。周波濤和王會(huì)軍[9]發(fā)現(xiàn)在年際尺度上,冬季北半球Hadley環(huán)流與赤道太平洋Ni~no3區(qū)(150～90°W,5°S～5°N)的SST存在正相關(guān)關(guān)系。上述研究主要集中在海溫因子與北半球Hadley環(huán)流或全球平均經(jīng)圈環(huán)流的關(guān)系上,對(duì)于特殊經(jīng)度或某一特定區(qū)域平均的Hadley環(huán)流研究相對(duì)較少。110～140°E是東亞主要季風(fēng)區(qū),陳月娟等[10]指出110～140°E東亞季風(fēng)區(qū)夏季垂直經(jīng)圈環(huán)流與全球平均經(jīng)圈環(huán)流存在顯著差異。Wang[11]發(fā)現(xiàn)ENSO暖位相時(shí)西太平洋以及大西洋地區(qū)Hadley環(huán)流減弱,而東太平洋地區(qū)區(qū)域平均Hadley環(huán)流加強(qiáng)。那么熱帶太平洋SSTA與110～140°E局地Hadley環(huán)流(以下簡(jiǎn)稱東亞Hadley環(huán)流)會(huì)存在怎樣的聯(lián)系呢?東亞Hadley環(huán)流對(duì)熱帶太平洋SSTA響應(yīng)過程的主要機(jī)理是什么?這些問題將在本文中重點(diǎn)探討。與廣闊的太平洋相比,印度洋洋盆較小,其年際和年代際氣候信號(hào)異常的強(qiáng)度也較小,但由于熱帶印度洋海表溫度較高,幾乎整個(gè)印度洋海盆年平均海溫在28℃以上,那么即使較小的SSTA也會(huì)對(duì)大氣環(huán)流產(chǎn)生顯著影響[12]。印度洋是沃克環(huán)流、橫向季風(fēng)環(huán)流和側(cè)向季風(fēng)環(huán)流的交匯地,與亞澳季風(fēng)系統(tǒng)、ENSO系統(tǒng)、非洲季風(fēng)系統(tǒng)都存在密切的聯(lián)系,并通過這些環(huán)流系統(tǒng),使得熱帶印度SSTA的作用觸及到中高緯度地區(qū)。因此,熱帶印度洋SSTA對(duì)大氣環(huán)流的作用同樣不可忽視。周波濤和王會(huì)軍[9]通過診斷分析發(fā)現(xiàn)冬季北半球Hadley環(huán)流與熱帶太平洋和赤道印度洋都具有很好的正相關(guān)關(guān)系。曾剛等[13]研究發(fā)現(xiàn)在20世紀(jì)70年代末以后,在全球變暖背景下,北印度洋及南海附近的海表溫度發(fā)生了年代際增暖,引發(fā)東亞Hadley環(huán)流增強(qiáng),東亞夏季風(fēng)減弱。Krishnamurhty和Goswami[14]、Kucharski等[15]發(fā)現(xiàn)冷(暖)熱帶印度洋海溫異常可導(dǎo)致低層輻散(輻合)從而改變局地Hadley環(huán)流。由于熱帶印度洋SSTA對(duì)北半球Hadley環(huán)流尤其對(duì)東亞Hadley環(huán)流影響的研究相對(duì)較少,并且產(chǎn)生這種影響的機(jī)理并不十分清楚,因此本文將對(duì)熱帶印度洋SSTA對(duì)東亞Hadley環(huán)流的影響進(jìn)行探討。

隨著氣候模式的不斷發(fā)展,氣候模式在氣候預(yù)測(cè)和氣候變化的研究中發(fā)揮著越來越重要的作用,運(yùn)用氣候模式在分析可能的物理機(jī)制和減少其他影響因子的作用等方面有一定優(yōu)勢(shì)。因此本文將在診斷分析的基礎(chǔ)上,利用NCAR提供的Community AtmosphereModel version 3.0(CAM3.0)模式,就熱帶SSTA與東亞Hadley環(huán)流的關(guān)系及東亞Hadley環(huán)流對(duì)SSTA響應(yīng)等問題進(jìn)行一系列數(shù)值模擬研究。

1 資料和模式介紹

1.1 資料

NCEP/NCAR提供的1950年1月—2000年12月的12個(gè)層次(1 000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100 hPa)的水平風(fēng)矢量場(chǎng)和垂直風(fēng)速(ω)資料,空間分辨率為2.5°× 2.5°[16]。海溫場(chǎng)資料來自NOAA氣候診斷中心的SST擴(kuò)展重建資料(NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature(SST)V2),水平網(wǎng)格距為2.0°×2.0°,時(shí)段同樣為1950年1月—2000年12月[17]。

1.2 模式介紹和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用模式是美國(guó)國(guó)家大氣研究中心研制的第5代大氣環(huán)流模式CAM3.0,該模式是一個(gè)全球譜模式,采用三角形譜截?cái)?包含較為完整的物理參數(shù)化過程。本文中采用T42的水平分辨率,即全球128 ×64個(gè)高斯格點(diǎn),垂直方向采用混合η坐標(biāo),總有26層,以月平均海溫和海冰作為強(qiáng)迫場(chǎng)運(yùn)行的模式來完成數(shù)值試驗(yàn)。關(guān)于模式的具體介紹可參考文獻(xiàn)[18]。為了研究熱帶SSTA對(duì)東亞Hadley環(huán)流的影響,進(jìn)行如下數(shù)值試驗(yàn),具體介紹見表1。

表1 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table1 Designs of the num erical experim ents

1.3 觀測(cè)和模擬得到的氣候平均冬季東亞Hadley環(huán)流

為考察CAM3.0模式對(duì)東亞冬季Hadley環(huán)流的模擬性能,給出觀測(cè)和模擬得到的1月東亞Hadley環(huán)流分布(圖1)。由圖1可見,觀測(cè)結(jié)果中1月東亞地區(qū)為一強(qiáng)的順時(shí)針經(jīng)向垂直環(huán)流即東亞Hadley環(huán)流,其上升支位于赤道以南10°S～10°N,在高空由赤道向極地運(yùn)行,在副熱帶25～35°N下沉,下沉空氣在低層向赤道運(yùn)行,構(gòu)成一個(gè)完整的閉合順時(shí)針經(jīng)向環(huán)流圈即東亞Hadley環(huán)流。模擬結(jié)果不論是環(huán)流的上升支和下沉支的位置,還是Hadley環(huán)流強(qiáng)度,模擬與觀測(cè)事實(shí)都非常接近。整體而言,模式能夠很好地模擬出冬季東亞Hadley環(huán)流圈,因此可以利用CAM3.0模式來研究本文所關(guān)心的問題。

2 ElN i~no背景下的東亞Hadley環(huán)流的演變特征

眾所周知,El N i~no信號(hào)是熱帶海洋事件中的最強(qiáng)信號(hào),El N i~no對(duì)東亞Hadley環(huán)流的影響正是本文要重點(diǎn)討論的內(nèi)容。沃克環(huán)流在El N i~no事件中演變過程中的特征研究已有許多重要成果[19-20],但對(duì)于El N i~no背景下東亞Hadley環(huán)流演變特征的研究卻很少。陳月娟等[10]發(fā)現(xiàn)東亞Hadley環(huán)流在10～20°N之間的上升支的變化及其以北的季風(fēng)環(huán)流變化有一個(gè)循環(huán)過程,這個(gè)循環(huán)過程與El N i~no循環(huán)有一定關(guān)系。同一海域海溫變化的不同階段其對(duì)大氣環(huán)流的影響不同,那么在El N i~no循環(huán)的不同發(fā)展階段東亞Hadley環(huán)流有何異常特征?目前還沒有較細(xì)致的工作。

W ang[11]的研究工作將El N i~no事件的發(fā)展過程分成5個(gè)階段:開始階段(前年11月到當(dāng)年1月)、發(fā)展階段(當(dāng)年3月到5月)、轉(zhuǎn)換階段(當(dāng)年7月到9月)、成熟階段(當(dāng)年11月到次年1月)和衰亡階段(次年3月到5月)。按照W ang[11]的劃分,選取基本符合上述El N i~no發(fā)展過程的強(qiáng)El N i~no事件:1957/1958,1972/1973,1982/1983,1991/ 1992,1997/1998。為反映El N i~no事件在不同發(fā)展階段的東亞Hadley環(huán)流變化特征,對(duì)不同發(fā)展階段的東亞異常經(jīng)向垂直環(huán)流進(jìn)行合成分析(圖2)。

圖1 觀測(cè)(a)和模擬(b)的冬季氣候平均的東亞Hadley經(jīng)向垂直環(huán)流(垂直速度擴(kuò)大至100倍,單位為hPa·s-1;經(jīng)向風(fēng)單位為m·s-1)Fig.1 (a)O bserved and(b)si m ulated m eridional-vertical Hadley circulation in East A sia in w inter(V ertical velocity scales100,units:hPa·s-1;m eridional w ind units:m·s-1)

圖2 觀測(cè)資料合成的El N i~no事件的開始(a)、發(fā)展(b)、轉(zhuǎn)換(c)、成熟(d)和消亡(e)5個(gè)階段的東亞異常經(jīng)向垂直環(huán)流的演變(垂直速度擴(kuò)大至100倍,單位為hPa·s-1;經(jīng)向風(fēng)單位為m·s-1)Fig.2 O bservational composites of m eridional-vertical circulation anom alies in EastA sia during the(a)onset,(b)developm ent,(c)transition,(d)m ature and(e)decay phases of the ElN i~no events(V ertical velocity scales100, units:hPa·s-1;m eridional w ind units:m·s-1)

圖3 MULTI模式試驗(yàn)的El N i~no事件年開始(a)、發(fā)展(b)、轉(zhuǎn)換(c)、成熟(d)和消亡(e)5個(gè)階段合成的東亞異常經(jīng)向垂直環(huán)流的演變(垂直速度擴(kuò)大至100倍,單位為hPa·s-1;經(jīng)向風(fēng)單位為m·s-1)Fig.3 Composites of m eridional-vertical circulation anom alies in EastA sia during the(a)onset,(b)developm ent,(c) transition,(d)m ature and(e)decay phases of the El N i~no events in MULTI experi m ent(V ertical velocity scales100,units:hPa·s-1;m eridional w ind units:m·s-1)

圖2 和圖3分別給出觀測(cè)和數(shù)值模擬得到的El N i~no事件從開始、發(fā)展、轉(zhuǎn)換、成熟到消亡5個(gè)不同位相期的東亞經(jīng)向垂直環(huán)流異常分布,其異常分布由El N i~no事件合成得到的東亞經(jīng)向垂直環(huán)流減去氣候態(tài)東亞經(jīng)向垂直環(huán)流得到。圖2和圖3中當(dāng)El N i~no處于開始和發(fā)展階段時(shí),10～20°N地區(qū)異常上升氣流加強(qiáng),20～25°N地區(qū)異常下沉氣流加強(qiáng),相對(duì)于氣候態(tài)東亞Hadley環(huán)流,10～40°N地區(qū)呈異常順時(shí)針環(huán)流圈,觀測(cè)和數(shù)值試驗(yàn)都表明此刻?hào)|亞Hadley環(huán)流加強(qiáng)。當(dāng)在El N i~no轉(zhuǎn)換階段和成熟階段,觀測(cè)結(jié)果中10～20°N地區(qū)的異常上升氣流迅速減弱為異常下沉氣流,20～25°N間的異常下沉氣流迅速減弱為異常上升氣流,意味著東亞Hadley環(huán)流減弱;而模擬結(jié)果中東亞異常經(jīng)向垂直環(huán)流圈由順時(shí)針到逆時(shí)針的轉(zhuǎn)變較觀測(cè)落后一個(gè)階段,成熟階段在10～20°N地區(qū)異常上升氣流迅速減弱為異常下沉氣流,20～25°N地區(qū)異常下沉氣流迅速減弱成異常上升氣流,東亞地區(qū)呈異常逆時(shí)針經(jīng)向垂直環(huán)流圈,意味著東亞Hadley環(huán)流減弱。

由此可見,在El N i~no事件從開始到結(jié)束的不同位相期東亞異常經(jīng)向垂直環(huán)流表現(xiàn)出隨位相變化的特征,這種變化在El N i~no成熟期表現(xiàn)最為突出,在成熟期由異常順時(shí)針經(jīng)向垂直環(huán)流圈轉(zhuǎn)換為異常逆時(shí)針經(jīng)向垂直環(huán)流圈,意味著東亞Hadley環(huán)流的顯著減弱,也表明熱帶太平洋海溫異常對(duì)東亞Hadley環(huán)流有一定影響,這與Holton[21]的觀點(diǎn)一致,即與海表溫度有關(guān)的加熱作用是驅(qū)動(dòng)Hadley環(huán)流變化的主要原因。本文的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這種影響在El N i~no事件成熟期的冬季變現(xiàn)最為顯著。當(dāng)冬季處于El N i~no事件成熟階段時(shí),東亞異常經(jīng)向垂直環(huán)流圈經(jīng)歷了由順時(shí)針環(huán)流到逆時(shí)針環(huán)流的轉(zhuǎn)變,發(fā)展成完整的閉合環(huán)流,異常風(fēng)場(chǎng)也達(dá)到最強(qiáng)。鑒于東亞冬季風(fēng)異常在中國(guó)冬季天氣氣候變化中起到舉足輕重的作用,將針對(duì)冬季熱帶太平洋El N i~no事件對(duì)冬季東亞Hadley環(huán)流的影響進(jìn)行詳細(xì)探討。

3 熱帶SSTA與東亞Hadley環(huán)流強(qiáng)度變化

3.1 熱帶太平洋SSTA與東亞Hadley環(huán)流的關(guān)系

為研究熱帶太平洋El N i~no事件與冬季東亞Hadley環(huán)流的關(guān)系,用一個(gè)客觀和定量化的指數(shù)來表征東亞Hadley強(qiáng)弱變化是十分必要的。根據(jù)圖1a中1月東亞Hadley環(huán)流的上升支和下沉支的位置,將500hPa(110～140°E,25～35°N)和(110～140°E,5°S～5°N)區(qū)域平均的異常垂直速度之差,定義為東亞Hadley環(huán)流強(qiáng)度的指數(shù)(記為EAH I)。表征El N i~no事件的N i~no3指數(shù)定義為(150～90°W,5°S～5°N)海區(qū)平均海平面異常值。由于這兩個(gè)時(shí)間序列有明顯的線性變化趨勢(shì),因此對(duì)其作去除時(shí)間序列的線性趨勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)化處理。圖4為冬季EAH I與熱帶冬季海溫的相關(guān)分布,由圖4可見東亞Hadley環(huán)流與赤道東太平洋海溫為負(fù)相關(guān)關(guān)系,與赤道西太平洋海溫為正相關(guān)關(guān)系。圖5為冬季EAH I與N i~no3指數(shù)時(shí)間序列分布,計(jì)算兩指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)為-0.42遠(yuǎn)超過0.01信度的顯著性檢驗(yàn)。意味著冬季赤道太平洋El N i~no(L a N i~na)事件下出現(xiàn)弱(強(qiáng))東亞Hadley環(huán)流。

綜上所述,赤道太平洋冬季SSTA與東亞Hadley環(huán)流關(guān)系密切,赤道太平洋SSTA是東亞Hadley環(huán)流季節(jié)變化的重要外強(qiáng)迫因子。為清楚地表明赤道太平洋SSTA對(duì)東亞Hadley環(huán)流的作用和進(jìn)一步探討其影響的物理機(jī)制,下面將進(jìn)行一系列數(shù)值模擬研究。

圖4 1951—2000年冬季東亞Hadley環(huán)流指數(shù)與熱帶海表溫度場(chǎng)的相關(guān)(陰影區(qū)超過0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.4 The correlation bet ween sea surface temperature field over tropical ocean and the index of the Hadley circulation in East Asia in w inter during1951—2000 (The shaded areas denote the singnificance of95% confidence level in t-test)

3.2 海溫異常敏感性試驗(yàn)中El N i~no事件對(duì)東亞Hadley環(huán)流的作用

為分析熱帶太平洋El N i~no對(duì)東亞Hadley環(huán)流的作用,探討其影響的物理機(jī)制和排除其他影響因子的作用,進(jìn)行了TPO敏感性試驗(yàn),僅在熱帶太平洋海域從11月到次年2月加入選取的6個(gè) El N in~o事件合成得到SSTA,積分時(shí)段從11月到次年2月。圖6給出模式中加入1月SSTA的示意圖,其他月份的海溫異常SSTA分布圖略。以TPO試驗(yàn)結(jié)果減去控制試驗(yàn)的結(jié)果,作為El N i~no事件發(fā)生時(shí),大氣環(huán)流的響應(yīng)情況。圖7給出試驗(yàn)結(jié)果, 10°N附近區(qū)域呈現(xiàn)異常下沉運(yùn)動(dòng),25～35°N區(qū)域?yàn)楫惓Ｉ仙\(yùn)動(dòng),低層大氣由赤道向極地方向運(yùn)動(dòng),高空由副熱帶地區(qū)向赤道方向運(yùn)動(dòng),構(gòu)成完整的閉合異常逆時(shí)針經(jīng)向垂直環(huán)流圈,模擬出的EAH I為-2.56hPa·s-1,表明東亞Hadley環(huán)流的強(qiáng)度偏弱。圖7b為冬季200hPa速度勢(shì)距平場(chǎng)(χ>0表示輻散,χ<0表示輻合),在東亞110～140°E地區(qū)經(jīng)向?yàn)槊黠@的正負(fù)速度勢(shì)距平場(chǎng)分布,其負(fù)距平區(qū)域位于28～50°N,正距平區(qū)域主要位于0°～20°N。850hPa速度勢(shì)距平的分布基本與此相反(圖略)。高低層速度勢(shì)距平場(chǎng)的配置上也反映出東亞Hadley環(huán)流的減弱。

圖5 1951—2000年標(biāo)準(zhǔn)化的冬季東亞Hadley環(huán)流指數(shù)與N i~no3指數(shù)的時(shí)間序列(實(shí)線為EAH I,虛線為N i~no3指數(shù))Fig.5 Temporal variations of norm alized w inter EAH I (dashed line)and N i~no3index(solid line)during1951—2000

圖7 試驗(yàn)TPO模擬的1月大氣環(huán)流異常場(chǎng) a.東亞經(jīng)向垂直環(huán)流(垂直速度擴(kuò)大至100倍,單位為hPa·s-1;經(jīng)向風(fēng)單位為m·s-1);b.200hPa速度勢(shì)(單位:105m2·s-1)Fig.7 The at m ospheric circulation anom aly in January from the TPO experim ent a.m eridional-vertical circulation in East A sia by averaging divergent w ind and vertical velocity betw een110—140°E(vertical velocity scales 100,units:hPa·s-1;m eridional w ind units:m·s-1);b.200hPa velocity potential(units:105m2·s-1)

由上述結(jié)果可以說明,當(dāng)冬季熱帶太平洋發(fā)生El N i~no事件時(shí),東亞Hadley環(huán)流減弱,與診斷分析結(jié)論一致。

3.3 熱帶印度洋海溫異常與東亞Hadley環(huán)流的關(guān)系及其作用

圖4中還發(fā)現(xiàn)冬季EAH I除與熱帶太平洋有顯著相關(guān)性外,在熱帶印度洋整個(gè)海盆上表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。事實(shí)上在熱帶印度洋SST異常年際變化中主要存在兩個(gè)模態(tài),即全區(qū)符號(hào)一致的海盆模和東西印度洋符號(hào)相反的偶極子模態(tài)[22],研究表明海盆符號(hào)一致的海盆模態(tài)是對(duì)太平洋ENSO的響應(yīng)模態(tài)[22-23]。從選取的較強(qiáng)ElN i~no年1月合成的SSTA分布圖中也可以看出在El N i~no年熱帶印度洋表現(xiàn)為暖海盆模態(tài)(圖6)。因此在研究El N i~no對(duì)東亞Hadley環(huán)流影響的同時(shí),也應(yīng)該考慮熱帶印度洋SSTA的作用。首先參考楊建玲和劉秦玉[24]的研究工作,定義印度洋海盆模態(tài)指數(shù)(IOBM I)為(40～110°E,20°S～20°N)范圍內(nèi)SSTA的區(qū)域平均值,同樣進(jìn)行去除線性趨勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)化處理。對(duì)50a冬季IOBM I與N i~no3指數(shù)的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析(圖8),兩指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)為-0.39,超過0.01信度的顯著性檢驗(yàn)。可見印度洋海盆模態(tài)海溫異常與東亞Hadley環(huán)流間也存在一定聯(lián)系。

為考察印度洋暖海盆模態(tài)對(duì)東亞Hadley環(huán)流的影響,進(jìn)行了TIO試驗(yàn):僅在熱帶印度洋海盆加入海溫異常,其他與試驗(yàn)TIO一致。圖9給出試驗(yàn)結(jié)果,可見10°S～0°為異常下沉運(yùn)動(dòng),25～35°N為異常上升運(yùn)動(dòng),高空氣流由副熱帶地區(qū)向赤道方向運(yùn)動(dòng),而低層經(jīng)向方向異常風(fēng)場(chǎng)較弱(圖8a)。200 hPa速度勢(shì)距平場(chǎng)中,東亞110～140°E范圍內(nèi)25～45°N經(jīng)向方向?yàn)榇蠓秶呢?fù)距平區(qū),20°N以南為大范圍的弱正距平區(qū)。850hPa速度勢(shì)距平的分布基本與200hPa相反(圖略)。模擬出EAH I為-1.8hPa·s-1,東亞Hadley環(huán)流顯著減弱。

圖8 1951—2000年標(biāo)準(zhǔn)化的冬季EAH I與IOBM I時(shí)間序列(實(shí)線為EAHI,虛線為IOBM I)Fig.8 Temporal variation of norm alized w inter EAH I (dashedline)andIOBM I(solidline)during 1951—2000

圖9 試驗(yàn)TIO模擬的1月大氣環(huán)流異常場(chǎng) a.東亞經(jīng)向垂直環(huán)流(垂直速度擴(kuò)大至100倍,單位為hPa·s-1;經(jīng)向風(fēng)單位為m·s-1);b.200hPa速度勢(shì)(單位:105m2·s-1)Fig.9 The sam e as Fig.7,but for the results of TIO experim ent

3.4 熱帶太平洋和印度洋SSTA對(duì)東亞Hadley環(huán)流的共同作用

為考察兩大洋SSTA對(duì)東亞Hadley環(huán)流的共同作用,進(jìn)行了TIP試驗(yàn),即在熱帶印度洋海盆和熱帶太平洋加入相應(yīng)的SSTA,其他與試驗(yàn)TIO一致。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示,10°N附近區(qū)域呈現(xiàn)異常下沉運(yùn)動(dòng),25～30°N為異常上升運(yùn)動(dòng),在東亞地區(qū)形成閉合的逆時(shí)針異常環(huán)流圈。200hPa速度勢(shì)距平場(chǎng)中(圖10b),東亞110～140°E經(jīng)向方向表現(xiàn)出與圖8b類似的南正北負(fù)的速度勢(shì)距平場(chǎng)分布,但異常強(qiáng)度較試驗(yàn)TPO和TIO偏強(qiáng)。模擬出的EAH I為-3.1hPa·s-1,其絕對(duì)值也較試驗(yàn)TPO和TIO偏大,表明在兩大洋SSTA共同作用下,可以產(chǎn)生更強(qiáng)的東亞異常經(jīng)向環(huán)流,造成顯著的東亞Hadley環(huán)流減弱,從而使得東亞冬季風(fēng)的顯著加強(qiáng)。

4 討論

圖10 試驗(yàn)TIP模擬的1月大氣環(huán)流異常場(chǎng) a.東亞經(jīng)向垂直環(huán)流(垂直速度擴(kuò)大至100倍,單位為hPa·s-1;經(jīng)向風(fēng)單位為m·s-1);b.200hPa速度勢(shì)(單位:105m2·s-1)Fig.10 The sam e as Fig.7,but for the results of TIP experim ent

圖11 TPO試驗(yàn)(a)、TIO試驗(yàn)(c)、TIP試驗(yàn)(e)模擬的冬季850hPa距平風(fēng)場(chǎng)(單位:m·s-1)和TPO試驗(yàn)(b)、TIO試驗(yàn)(d)、TIP試驗(yàn)(f)模擬的冬季平均距平降水場(chǎng)(單位:mm·d-1;陰影區(qū)表示負(fù)降水距平超過-0.5mm·d-1)Fig.11 Si m ulated w ind anom alies at850hPa in w inter in(a)TPO,(c)TIO,(e)TIP experi m ents(arrow:m·s-1),and si m ulated precipitation anom alies in w inter in(b)TPO,(d)TIO,(f)TIP experim ents(Shaded areas denote the negative precipitation anom alies exceeding-0.5mm·d-1)

通過診斷分析和數(shù)值模擬試驗(yàn),探討了El N i~no事件和印度洋暖海盆模事件與東亞Hadley環(huán)流的關(guān)系及海洋事件對(duì)東亞Hadley環(huán)流的影響。為研究?jī)纱笱骃STA對(duì)東亞Hadley環(huán)流作用的物理機(jī)制,給出TPO、TIO和TIP數(shù)值試驗(yàn)得到的850 hPa距平風(fēng)場(chǎng)和降水場(chǎng)(圖11)?？梢?無論是在僅有印度洋暖海盆模事件,僅熱帶太平洋El N i~no事件或是兩大洋均有SSTA時(shí),850hPa異常風(fēng)場(chǎng)中都可以模擬出明顯的自熱帶西太平洋穿過海洋大陸到東印度洋的東風(fēng)距平,在西北太平洋菲律賓海地區(qū)呈現(xiàn)出反氣旋異常環(huán)流,其中以圖11c中的西北太平洋反氣旋環(huán)流異常強(qiáng)度為最強(qiáng),圖11a中西北太平洋反氣旋環(huán)流異常強(qiáng)度次之,圖11b的反氣旋環(huán)流異常強(qiáng)度最弱。圖11e、11f、11g中在西北太平洋反氣旋的東南側(cè)有負(fù)降水異常,其中以圖11e和11g的降水負(fù)異常最為顯著,而圖11f中的降水負(fù)異常相對(duì)偏弱。根據(jù)大氣“M atsuno-G ill pattern”響應(yīng)理論[25-26],赤道中東太平洋暖海溫異?？梢栽谄湮鱾?cè)激發(fā)Rossby,引起西太平洋的東風(fēng)異常,同樣熱帶印度洋暖海盆模態(tài)也存在“M atsuno-G ill pattern”響應(yīng)即在其東邊激發(fā)出Kelvin波,造成西太平洋的東風(fēng)異常。結(jié)果表明,無論太平洋海溫異常還是印度洋海溫異常都能激發(fā)從熱帶西太平洋穿越海洋大陸到東印度洋的顯著東風(fēng)異常,從而導(dǎo)致熱帶大洋出現(xiàn)異常緯向垂直環(huán)流異常,下沉氣流減弱,造成西北太平洋東南部有負(fù)降水異常,負(fù)降水異常進(jìn)而在其西北側(cè)形成冷Rossby波,誘發(fā)低層西北太平洋反氣旋異常,而這個(gè)異常西北太平洋反氣旋必然會(huì)改變經(jīng)向方向的東亞Hadley環(huán)流,使之出現(xiàn)異常。A nnam alai等[23]利用大氣環(huán)流模式也模擬發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果,即春季印度洋暖海盆?？梢栽跓釒魈窖蟮貐^(qū)引起以赤道為中心的大氣Kelvin波,自赤道西太平洋到東印度洋形成東風(fēng)異常,改變赤道印度洋區(qū)域的沃克環(huán)流,抑制赤道西太平洋—海洋大陸降水,從而有利于西北太平洋反氣旋的發(fā)展。

綜上分析,冬季太平洋El N i~no事件與東亞Hadley環(huán)流有密切聯(lián)系,El N i~no事件可以引起較強(qiáng)的東亞異常經(jīng)向垂直環(huán)流,使得東亞Hadley環(huán)流顯著減弱,而印度洋暖海盆模態(tài)同樣可以造成東亞Hadley環(huán)流減弱。盡管印度洋暖海盆的影響作用要較El N i~no事件的影響小很多,但其作用仍不可忽視,在同時(shí)考慮印度洋暖海盆作用時(shí),會(huì)產(chǎn)生異常強(qiáng)大的東亞異常經(jīng)向垂直環(huán)流(圖10a,11c)。可以說印度洋暖海盆的作用使得ElN i~no對(duì)東亞Hadley環(huán)流的影響加大,也必然使得這種環(huán)流異常得以維持更長(zhǎng)的時(shí)間。由于印度洋海盆模態(tài)和太平洋El N i~no事件間密切聯(lián)系,在分析熱帶SSTA對(duì)東亞Hadley環(huán)流影響時(shí),應(yīng)考慮熱帶太平洋和赤道印度洋兩大洋的共同作用。

5 結(jié)論

本文分別對(duì)熱帶太平洋、印度洋SSTA與東亞Hadley環(huán)流的關(guān)系及兩大洋SSTA對(duì)其的影響等問題進(jìn)行了診斷分析和數(shù)值模擬研究,得出以下結(jié)論。

(1)東亞Hadley環(huán)流與ElN i~no循環(huán)存在顯著關(guān)系,在El N i~no事件從開始到消亡的不同位相期,東亞地區(qū)表現(xiàn)出隨位相變化的異常經(jīng)向垂直環(huán)流,在El N i~no成熟期異常經(jīng)向垂直環(huán)流圈由順時(shí)針環(huán)流轉(zhuǎn)換為逆時(shí)針環(huán)流,意味著東亞Hadley環(huán)流由增強(qiáng)轉(zhuǎn)為顯著減弱。

(2)冬季N i~no3指數(shù)、IOBM I與東亞Hadley環(huán)流指數(shù)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為-0.42、-0.39,遠(yuǎn)超過99%的信度檢驗(yàn),表明當(dāng)El N i~no事件和印度洋暖海盆模事件發(fā)生時(shí),東亞Hadley環(huán)流減弱。模擬結(jié)果證實(shí)了上述診斷分析的結(jié)論。

(3)鑒于熱帶印度洋海盆模態(tài)與太平洋海溫異常事件的密切聯(lián)系,在考察熱帶太平洋El N i~no事件對(duì)冬季東亞Hadley環(huán)流影響時(shí),應(yīng)考慮El N i~no和熱帶印度洋海盆一致型海溫異常事件的共同作用。結(jié)果表明兩大洋SSTA的共同作用會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的東亞異常經(jīng)向垂直環(huán)流,使得東亞Hadley環(huán)流更加顯著減弱。

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(責(zé)任編輯:張福穎)

Effects of the SSTA over Tropical Pacific Ocean and Ind ian Ocean on the Hadley Circulation over East As ia in
theMature Phase of El Nin~ o Event

L I Yan,ZHU Wei-jun
(KeyLaboratory ofMeteorologicalDisaster ofMinistry of Education,NU IST,Nanjing 210044,China)

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A

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2010-01-05;改回日期:2010-02-22

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(GYHY(QX)2008-06-005);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CX09B-221Z);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40975024)

李琰(1982—),女,安徽宿州人,博士生,研究方向?yàn)楹庀嗷プ饔?ok8200@sina.com.