春季Hadley 環(huán)流強(qiáng)度與我國東部地區(qū)夏季降水的聯(lián)系

肖艷林，秦育婧，張潤瓊

(1.貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553001;2.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044)

1 引言

眾所周知，Hadley 環(huán)流存在于熱帶地區(qū)的直接熱力環(huán)流圈。葉篤正［1］等、Lorenz［2］等定義Hadley環(huán)流(Hadley cell)為:熱帶地區(qū)子午面(經(jīng)圈平面)上達(dá)到行星尺度的直接熱力環(huán)流圈。Hadley 環(huán)流由3 個部分組成:兩個閉合環(huán)流圈和兩閉合環(huán)流圈之間的公共上升支［1，3］。

到目前為止，前人對Hadley 環(huán)流進(jìn)行了很多研究。周波濤［3］等指出，北半球冬季(冬季)Halley 環(huán)流增強(qiáng)趨勢顯著，而北半球夏季(簡稱夏季)不明顯，并指出，在Hadley 環(huán)流的強(qiáng)度和位置都存在著明顯的季節(jié)變化。Chen et al［4］指出，20 世紀(jì)90年代以來，Halley 環(huán)流的年平均有明顯的增強(qiáng)趨勢。馮然［5］等人發(fā)現(xiàn)北半球夏季Halley 環(huán)流存在顯著的年代際轉(zhuǎn)型。Zhou［6］等人指出，春季Hadley 環(huán)流變化可以引起印度洋和南海SST 異常，并且發(fā)現(xiàn)該異常從春季一直持續(xù)到夏季，反過來引起東亞夏季環(huán)流異常，從而影響到我國長江流域夏季降水。另外，周波濤等［7］還針對春季Hadley 環(huán)流異常偏強(qiáng)情形下，對東亞夏季大氣環(huán)流和長江流域夏季降水進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)果表明當(dāng)春季Hadley 環(huán)流異常偏強(qiáng)時，東亞夏季風(fēng)減弱，夏季西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓加強(qiáng)，從而影響我國夏季長江流域降水?？傊?，Hadley 環(huán)流與我國氣候異常聯(lián)系密切。

因此，本文分析研究Hadley 環(huán)流季節(jié)和強(qiáng)度變化特征、我國東部地區(qū)夏季降水的分布特征以及春季Hadley 環(huán)流與我國東部地區(qū)夏季降水之間的關(guān)系。

2 資料和方法

2.1 資料

①1983—2012年ERA－INTERIM的月平均資料，包括1 000 hPa、975 hPa、950 hPa、925 hPa、900 hPa、875 hPa、850 hPa、825 hPa 等37 個氣壓層風(fēng)場(v分量)，水平分辨率均為1.5° ×1.5°;②由國家氣候中心提供的我國160 個臺站(1983—2012，6—8月)月平均降水資料。

2.2 方法

2.2.1 質(zhì)量流函數(shù)法 從文獻(xiàn)［2］中可以知道，Hadley 環(huán)流的質(zhì)量流函數(shù)由下式之一定義:

式中，I是緯圈平均算符，a 為地球半徑。

使用王盤興［8］給出的疊加方案計算ψ 值，即所求質(zhì)量流函數(shù)。

2.2.2 相關(guān)系數(shù)法 選取4月份北半球環(huán)流圈最大質(zhì)量流函數(shù)作為Hadley 環(huán)流指數(shù)，與中國7月份(代表夏季)的降水場作相關(guān)關(guān)系場，從而得出春季Hadley 環(huán)流和我國東部地區(qū)(選取華南地區(qū)、長江流域地區(qū)、華北地區(qū))夏季降水間的相關(guān)關(guān)系。

采用文獻(xiàn)［9］中的方法，首先把資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即

rxy即為相關(guān)系數(shù)，其值在1 到－1 之間，當(dāng)rxy為正時，則x 與y 正相關(guān);當(dāng)rxy為負(fù)時，則x 與y 為負(fù)相關(guān)。|rxy|越大，x 與y 之間的相關(guān)關(guān)系越密切。

采用文獻(xiàn)［9］中的t 檢驗方法來判定兩氣候變量x 與y的線性相關(guān)是否顯著的檢驗，由給定樣本量n和相關(guān)系數(shù)rxy，統(tǒng)計量:

若統(tǒng)計量遵從自由度ν=n－2的t分布。給定顯著性水平α，查t分布表，若t ＞tα，則拒絕原假設(shè)，認(rèn)為相關(guān)系數(shù)是顯著的。

3 Hadley 環(huán)流的特征

3.1 Hadley 環(huán)流的季節(jié)變化特征

圖1分別為1月、4月、7月、10月Hadley 環(huán)流的氣候態(tài)，代表四季的環(huán)流變化狀況?？梢钥闯鯤adley 環(huán)流在一直控制在30°S—30°N 范圍內(nèi)。由北半球來看，Hadley 環(huán)流強(qiáng)度在春季時較強(qiáng)，到夏季大幅度的減弱，到秋季有所增強(qiáng)，至冬季時增至最強(qiáng)(以下的冬夏都是針對北半球來說的)，如此循環(huán)。而在南半球，7月強(qiáng)度增至最強(qiáng)，到1月達(dá)到最弱。即是，Hadley 環(huán)流在冬半年環(huán)流強(qiáng)度最強(qiáng)，在夏半年環(huán)流強(qiáng)度最弱。

圖1 Hadley 環(huán)流氣候態(tài)(1983—2012年平均)等值線表示質(zhì)量流函數(shù)

由圖中可以看出，Hadley 環(huán)流強(qiáng)度越強(qiáng)，則相應(yīng)的環(huán)流的范圍越大。Hadley 環(huán)流在季節(jié)變化的同時，其強(qiáng)度和范圍也相應(yīng)的在改變。此外，發(fā)現(xiàn)在平均狀態(tài)下低緯地區(qū)上升氣流整體偏北，其公共上升支的南北移動應(yīng)該與太陽直射點的移動從而導(dǎo)致接收到的輻射的變化有關(guān)。Hadley 環(huán)流圈的頂部在100 hPa 以內(nèi)。在低層區(qū)，環(huán)流圈的Hadley強(qiáng)度中心通常在700～600 hPa 之間。其公共上升支在赤道附近南北移動。整個圈環(huán)流圈從冬季到夏季都在向北移動，最北到達(dá)20°N 附近。冬季時環(huán)流上升支在10°S 附近，春季時移至赤道附近，夏季時移至最北(20°N)，秋季又向南移動，冬季到達(dá)最南端，以此往復(fù)，并且在低層形成越赤道氣流。在高層，南北半球的Hadley 環(huán)流都分別向高緯輸送，在南北緯30°附近下沉，其中一支沿赤道流回，形成熱帶地區(qū)的2 個閉合環(huán)流圈。即為Hadley 環(huán)流圈，另一支則向高緯流去。

3.2 北半球Hadley 環(huán)流強(qiáng)度的變化特征

圖2(a)中可以看出，1月北半球Hadley 環(huán)流30a的強(qiáng)度指數(shù)幅度變化較大，年際變化明顯，而其年代際變化不明顯。故知，冬季北半球Hadley 環(huán)流強(qiáng)度具有明顯的年際變化，年代際變化不明顯。

圖2(b)，4月北半球Hadley 環(huán)流強(qiáng)度較1月份的有所減弱。年際變化的幅度大，1983—1985年的強(qiáng)度降幅達(dá)近50 個強(qiáng)度指數(shù)值，1987年強(qiáng)度指數(shù)回升到140，1987—1995年期間Hadley 環(huán)流的年際變化較小，1997—2000年間年際變化最大。4月北半球Hadley 環(huán)流強(qiáng)度的年際變化十分明顯，年代際變化基本表現(xiàn)為先減弱后增強(qiáng)的趨勢，但不是很明顯。

圖2(c)，7月北半球的Hadley 環(huán)流強(qiáng)度極弱，強(qiáng)度值幾乎都在35～60 之間。由北半球Hadley 環(huán)流強(qiáng)度時間序列圖可知，1983—1996年北半球Hadley 環(huán)流強(qiáng)度的年際變化較大，1996—2001年年際變化加大，1997—1998年的年際變化在這30 a 中是最顯著的，之后Hadley 環(huán)流年際變化幅度較小。

圖2(d)，10月北半球Hadley 環(huán)流強(qiáng)度指數(shù)值在81～105 之間，從1983—1992年期間，Hadley 環(huán)流強(qiáng)度變化不大。從1992—1996年，Hadley 環(huán)流強(qiáng)度變化幅度極大，1992—1994年Hadley的強(qiáng)度指數(shù)年際變化稍小。1996—2006 這11 a 之間，Hadley 環(huán)流強(qiáng)度值一直在88 附近變化，變化幅度比1983—1992年的要大。2006—2008年Hadley 環(huán)流的強(qiáng)度變化是此30 a 中強(qiáng)度幅度變化最大的，之后到2012年Hadley 環(huán)流強(qiáng)度在強(qiáng)度值為99 上下小幅度變動。以上說明，10月Hadley 環(huán)流年際變化較大，年代際變化也較明顯。

故知，在此30a 中Hadley 環(huán)流強(qiáng)度各季節(jié)年際變化較明顯，而年代際變化在秋季較明顯。

圖2 北半球Hadley 環(huán)流最大質(zhì)量流函數(shù)的時間序列圖(1983—2012年)

4 我國東部華南、長江流域、華北地區(qū)夏季降水分布特征

由圖3(a)可知，6月，我國東部地區(qū)的降水量從南至北逐漸減少，雨帶在華南地區(qū)，華南地區(qū)降水量極大，最多降水量達(dá)300 mm，在華南地區(qū)有一個多雨中心，位于武夷山地區(qū)。長江流域的降水量約為150～200 mm，越靠近華南地區(qū)降水量越大，且東部降水偏多，西部降水偏少。

由圖3(b)可知，7月，我國東部降水雨帶北推，華南地區(qū)降水減弱，降水量約為200～250 mm，無多雨中心;長江流域降水增強(qiáng)，降水量約為200 mm;華北地區(qū)降水量增至100～150 mm。7月，雨帶北推，華南降水開始減弱，長江流域與華北地區(qū)降水量都增強(qiáng)。

由圖3(c)可知，8月，雨帶繼續(xù)北推，到達(dá)華北地區(qū)。華南地區(qū)降水減少，部分偏北地區(qū)出現(xiàn)伏旱現(xiàn)象;長江流域出現(xiàn)伏旱現(xiàn)象，降水量減少到100～150 mm;華北地區(qū)降水量小于7月份，降水量約為100 mm。

由圖3(d)可知，夏季我國東部降水量從南至北逐漸減少。華南地區(qū)降水量約為600 mm，長江流域地區(qū)降水量為500～600 mm，華北東北地區(qū)降水量都約為300 mm。故知，我國夏季降水從南至北逐漸減少，并且隨著時間的變化，雨帶也隨著變化，從6—8月，雨帶由華南地區(qū)北推到長江流域，而后又被推至華北東北地區(qū)。

圖3 6—8月及整個夏季我國降水分布圖(1983—2012年)

5 春季Hadley 環(huán)流和我國東部地區(qū)夏季降水的聯(lián)系

由圖4 可以看出，春季北半球Hadley 環(huán)流強(qiáng)度與我國華南地區(qū)、長江流域和華北地區(qū)夏季降水的關(guān)系呈現(xiàn)出“負(fù)正負(fù)”的相關(guān)關(guān)系，其中，華南地區(qū)、長江流域偏西地區(qū)和華北地區(qū)都有相當(dāng)一部分通過信度為0.05的t 檢驗(t = 1.7286)＞(tα =1.7011)。由分析知:北半球Hadley 環(huán)流強(qiáng)度偏強(qiáng)，則我國華南地區(qū)夏季降水偏少，長江流域夏季降水偏多，華北地區(qū)夏季降水偏少。

下面，選取北半球Hadley 環(huán)流最大質(zhì)量流函數(shù)作為Hadley 環(huán)流強(qiáng)度指數(shù)。進(jìn)一步分析Hadley 環(huán)流與我國東部地區(qū)夏季降水之間的聯(lián)系。

由圖5(a)知，Hadley 環(huán)流強(qiáng)度指數(shù)大年(1983、1987、1991、2001年)，7月份華南地區(qū)30 a 降水平均為150～200 mm;長江流域降水約為200～250 mm;華北地區(qū)降水為100 mm。而由本文第四節(jié)的內(nèi)容知，7月份華南地區(qū)30 a 降水平均約為200～250 mm;長江流域降水平均約為200 mm;華北地區(qū)降水平均為100～150 mm。即是，春季Hadley 環(huán)流強(qiáng)度指數(shù)大年，我國華南地區(qū)夏季降水偏少，長江流域降水偏多，華北地區(qū)降水偏少。

圖4 4月Hadley 環(huán)流指數(shù)與我國7月降水的相關(guān)分布圖

由圖5(b)知，Hadley 環(huán)流強(qiáng)度指數(shù)小年(1985、1996、1997、1999、2004年)，春季Hadley 環(huán)流強(qiáng)度指數(shù)小年，我國華南地區(qū)夏季降水偏多，長江流域降水偏少，華北地區(qū)降水偏多。

故而得知，春季Hadley 環(huán)流強(qiáng)時，我國夏季華南地區(qū)降水偏少，長江流域降水偏多，華北地區(qū)降水偏少，即是呈“－+－”的相關(guān)關(guān)系。

圖5 強(qiáng)弱Hadley 環(huán)流年降水的合成圖

6 結(jié)論

本文利用ERA－INTERIM 再分析資料及中國氣象局提供的我國160 個臺站夏季降水資料，利用相關(guān)性分析和合成分析的方法，得出以下結(jié)論:

①Hadley 環(huán)流強(qiáng)度存在明顯的季節(jié)變化，其中北半球Hadley 環(huán)流在冬季最強(qiáng)，夏季最弱。南半球相反。并且Hadley 環(huán)流強(qiáng)度越強(qiáng)，則相應(yīng)的環(huán)流的范圍越大。Hadley 環(huán)流在季節(jié)變化的同時，其強(qiáng)度和范圍也相應(yīng)的改變。Hadley 公共上升支在赤道附近南北移動。整個圈環(huán)流圈從冬季到夏季都在向北移動。

②Hadley 環(huán)流強(qiáng)度各季節(jié)年際變化較明顯，年代際變化在秋季較明顯。

③春季Hadley 環(huán)流強(qiáng)度與我國華南地區(qū)、長江流域地區(qū)和華北地區(qū)夏季降水呈“負(fù)正負(fù)”的相關(guān)關(guān)系。

④利用合成分析春季北半球Hadley 環(huán)流強(qiáng)的年份，我國夏季華南地區(qū)降水偏少，長江流域降水偏多，華北地區(qū)降水偏少。與相關(guān)分析得出的結(jié)果一致。

［1］葉篤正，朱抱真.大氣環(huán)流的若干基本問題［M］.北京:科學(xué)出版社，1958.

［2］洛倫茨EN.大氣環(huán)流的性質(zhì)和理論［M］.北京:科學(xué)出版社，1976.

［3］周波濤，王會軍.Hadley 環(huán)流的年際和年代際變化及其與熱帶海溫之間的聯(lián)系［J］.地球物理學(xué)報，2006，49(5):1 271－1 278.

［4］Chen J Y.Carlson B E，Del Gemo A D.2002.Evidence for strengthening of the tropical general circulation in the 1990s［J］.Science，25(5556):838－841.

［5］馮然，李建平，王金成.北半球夏季Hadley 環(huán)流的主導(dǎo)模態(tài)及其變率［J］.大氣科學(xué)，2011，35(2):201－216.

［6］Zhou Botao，Wang Huijun.Relationship between the boreal spring Hadley circulation and the summer precipitation in the Yangtze Rfiver valley.J.Geophys Res.，2006.111:D16109. doi:10 1029/2005JD007006.

［7］周波濤，王會軍.春季Hadley 環(huán)流與長江流域夏季降水關(guān)系的數(shù)值模擬［J］.氣候與環(huán)境研究，2008，13(2):182－188.

［8］王盤興.垂直低分辨率GCM 模式大氣平均經(jīng)圈環(huán)流的診斷［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，1994，17(2):200－204.

［9］施能.氣象科研與預(yù)報中的多元分析方法(第二版)［M］.北京:氣象出版社，2002，14－15.

［10］王玉，莊亮，湯潔.Hadley 環(huán)流強(qiáng)度與我國中東部氣溫的相關(guān)分析［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2012，35(2):61－66.