孟加拉灣春季海溫增暖對其夏季風爆發(fā)的影響＊

李奎平，王海員，劉延亮，于衛(wèi)東，李俐俐＊

（1.中國科學院 海洋研究所，山東 青島266071；2.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；3.中國科學院大學，北京100049）

季風環(huán)流是控制亞洲地區(qū)的主要氣候系統(tǒng)，其特征具有顯著的冬夏差異。亞洲季風區(qū)由冬季環(huán)流向夏季環(huán)流的轉變具有明顯的突變性，體現(xiàn)在盛行風向的快速轉變以及對流降水的迅速增加等方面，稱之為夏季風爆發(fā)。夏季風爆發(fā)是以太陽輻射的季節(jié)變化為前提，在大尺度海陸熱力差異的背景下，由大氣內部動力過程所觸發(fā)。亞洲夏季風的建立具有階段性，其中，孟加拉灣（Bay of Bengal，BoB）是夏季風最早確立的海區(qū)，大約在4月底至5月初；隨后是中國南海，約在5月下旬確立；最后是印度地區(qū)，其夏季風大約出現(xiàn)在6月初［1］。

作為亞洲夏季風最早建立的海區(qū)，BoB夏季風的爆發(fā)與大氣季節(jié)內振蕩（Intra-Seasonal Oscillation，ISO）密切聯(lián)系［2-4］。ISO是熱帶地區(qū)的一類大尺度對流擾動系統(tǒng)，它具有明顯的季節(jié)特性，主要體現(xiàn)在其強度和傳播特征。ISO在冬季時較強，在印度洋和西太平洋以沿赤道向E傳播為主，這種過程通常稱為Madden-Julian Oscillation（MJO）。在夏季時，ISO強度較弱，并在季風區(qū)存在顯著地向N傳播，通常稱為Monsoon Intra-Seasonal Oscillation（MISO）。除了夏季風的爆發(fā)，ISO還對夏季風的活躍和中斷都有重要影響［5］。

海洋在夏季風的爆發(fā)過程中扮演了重要角色，季風區(qū)海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）在夏季風建立前迅速升高，對季風的爆發(fā)具有重要影響。在BoB水域，春季的海-陸-氣相互作用，使SST迅速升高，高SST引起的感熱加熱可以在BoB東南部激發(fā)大氣渦旋，大氣渦旋引發(fā)的對流過程進一步觸發(fā)夏季環(huán)流［6-7］。中部SST升高形成經(jīng)向上的暖軸，它可以增強大氣的對流不穩(wěn)定性，或者通過SST的南北梯度誘發(fā)水汽經(jīng)向輻合，從而引起大氣對流而觸發(fā)夏季風［8］。但是并非所有年份的夏季風爆發(fā)都存在爆發(fā)渦旋，SST暖軸的北跳與夏季風建立也不存在直接聯(lián)系。冬夏季風轉換期，ISO由冬季模態(tài)向夏季模態(tài)的轉變，即以向E傳播為主的對流系統(tǒng)開始向N轉向進入BoB，是觸發(fā)其夏季風的重要因子，稱其為第1支向N傳播的季節(jié)內振蕩（first-branch northward-propagating intra-seasonal oscillation，F(xiàn)NISO）［4］。Yu［3］利用現(xiàn)場浮標觀測資料指出，BoB SST在季風爆發(fā)前持續(xù)升高，并在FNISO向N轉向之前達到極大值；他推測BoB中部的高SST對誘發(fā)FNISO的向N傳播存在重要作用，但是并沒有給出一個詳細的機制解釋。

春季BoB中部形成的高SST通過何種途徑誘導FNISO向N傳播，從而觸發(fā)其夏季風呢？我們利用衛(wèi)星觀測資料，通過對2003—2009年的季風爆發(fā)過程進行合成分析，探討B(tài)oB春季SST增暖對夏季風爆發(fā)的影響。

1 資料和方法

近幾年衛(wèi)星觀測技術的迅速發(fā)展，為研究大尺度科學問題提供比較可靠的數(shù)據(jù)資料。本文用到的資料均來自衛(wèi)星觀測，包括：

1）美國海洋大氣局（NOAA）提供的對外長波輻射通量（Outgoing Longwave Radiation，OLR），水平分辨率2.5°×2.5°，時間分辨率為1 d［9］。OLR是用于表征大氣對流的參量；

2）美國航空航天局（NASA）提供的大氣紅外探測儀（Atmospheric Infrared Sounder，AIRS）的1 000 hPa比濕和位勢高度數(shù)據(jù)，水平分辨率1°×1°，時間分辨率為1 d［10］；

3）QuickSCAT衛(wèi)星的散射計10 m風場數(shù)據(jù)，水平分辨率0.25°×0.25°，時間分辨率為1 d［11］；

4）熱帶降水觀測衛(wèi)星（TRMM）的微波成像儀（TMI）SST資料，水平分辨率0.25°×0.25°，時間分辨率為1 d［11］。

BoB夏季風爆發(fā)與FNISO相聯(lián)系［4］。針對2003—2009年的BoB季風爆發(fā)過程，以FNISO對流中心（OLR極小值）位于赤道東印度洋（5°S～5°N，85°～95°E）時為參考時間進行合成，合成的變量包括OLR、SST、海表風場、比濕和位勢高度。在表征季節(jié)內變化的信號時，我們對相關的變量進行了20～70 d帶通濾波。

2 SST、對流與夏季風爆發(fā)

圖1 孟加拉灣中部OLR，SST（℃）和海表風場的時間演化合成圖Fig.1 A composite diagram showing the temporal evolutions of OLR，SST（℃）and surface wind field in the central part of BoB

海洋是維持大氣對流的關鍵因素。圖1給出2003—2009年合成的BoB中部斷面（85°～95°E）的SST（等值線），OLR（陰影）和海表風場（矢量）的時間演化，其中，0 d表示合成的參考時間，負值表示超前，正值表示滯后。東印度洋當SST低于28℃時，基本沒有大氣對流發(fā)生，這說明高海溫是維持大氣對流的一個重要條件。與SST南北分布的季節(jié)性相對應，大氣對流在冬季時偏向赤道以南，基本處于5°N～15°S；在夏季時，對流中心移動到赤道以北的BoB。但是，大氣對流的分布并非單由SST決定。在春季時，隨著太陽輻射的向北移動以及海面風場減弱，BoB SST迅速升高，并在夏季風建立之前達到極大值，其值超過30℃。在春季，BoB的大氣對流并沒有隨著SST的迅速升高而快速增強；一直到夏季風爆發(fā)之前，BoB中北部（10°～20°N）基本沒有對流過程發(fā)生。通常情況下，在BoB發(fā)生的第一次強對流過程對應其夏季風的建立，該對流正是從赤道地區(qū)向北傳播的FNISO（圖1白五角星所示）。此后，大氣對流中心轉移至赤道以北。

BoB春季海溫的升高與局地大氣對流的增強并沒有明顯聯(lián)系，這是因為大尺度環(huán)流（上升或下沉運動）是影響局地SST與對流關系的重要因素。在大尺度上升運動區(qū)，對流活動隨SST的升高而顯著增強；而在某些SST高值區(qū)，卻基本沒有對流活動，這通常與周邊或遙強迫造成的下沉運動有關，SST的升高正是源于大尺度下沉運動導致的短波輻射增強及海面潛熱釋放減弱［12］。春季時，隨著太陽輻射的向N移動，BoB周邊陸地快速升溫，而海洋相對升溫較慢，由此導致的海陸溫差使BoB中北部被反氣旋控制，盛行下沉氣流。同時，由于東印度洋ITCZ位于赤道及偏南地區(qū)，它引起的Hadley環(huán)流的下沉分支進一步增強BoB中北部的下沉氣流。在此情況下，BoB天氣晴朗，風場很弱，海洋混合層很淺，短波輻射增強和潛熱釋放減少引起強烈的海表加熱，因此BoB SST在春季迅速升高，由28℃快速升至30℃以上。

圖2 FNISO的時間-空間演化過程Fig.2 Temporal-spatial evolution of FNISO

由于下沉氣流抑制BoB局地的對流活動，其夏季環(huán)流的觸發(fā)只能依賴由外部傳入的大尺度系統(tǒng)性擾動，沿赤道不斷向東傳播的ISO成為一個必要條件。為了更加清楚地描述ISO的演化進程，我們采用20～70 d帶通濾波提取季節(jié)內變化信號。圖2給出與FNISO相聯(lián)系的OLR、海表風場和1 000 hPa位勢高度場的擾動分布?？梢钥闯觯現(xiàn)NISO于-9 d起源于西南印度洋，它此后逐漸增強并向E傳播。在0 d時，F(xiàn)NISO對流中心位于赤道東印度洋，在對流加熱的驅動下，海面風場和位勢高度場的擾動分布與典型的Gill模型非常類似［13］。在對流加熱的南北兩側，各存在一個渦旋（低壓）中心，體現(xiàn)出Rossby波的特征；在對流的東側，則是顯著地東風異常，體現(xiàn)出Kelvin波的特征。隨后，對流系統(tǒng)發(fā)生分化，在東印度洋的南、北半球以及西太平洋都出現(xiàn)對流中心，這可能是Rossby波和Kelvin波發(fā)生分離所致。正如Wang［14］所指出，由ISO對流加熱耦合在一起的Rossby-Kelvin波包，會隨著對流系統(tǒng)向E移動。當ISO對流到達海洋大陸后，由于水汽等對流所需條件減少，導致對流加熱減弱而無法繼續(xù)維持Rossby-Kelvin波包，向W傳播的Rossby波和向E傳播的Kelvin波經(jīng)常會發(fā)生分離。此后，BoB的Rossby渦旋擾動不斷發(fā)展，與對流活動耦合在一起并向N移動，這最終觸發(fā)BoB夏季風。

雖然春季BoB SST的快速增暖對局地對流擾動的增強并沒有積極作用，但是它對誘導沿赤道E傳的ISO對流向N轉向，從而觸發(fā)BoB夏季環(huán)流卻有重要貢獻。

3 SST增暖對FNISO的影響

ISO在夏季時偏向北半球，在冬季時偏向南半球，其季節(jié)性與背景條件對赤道對流加熱引起的Rossby渦旋擾動的調制有關［14-16］。在夏季時，由于緯向風場切變和水汽分布的南北不對稱，使赤道以北的Rossby渦旋得到顯著增強，從而使ISO對流體現(xiàn)出顯著的季節(jié)性［14］。夏季向N移動的對流分支與北半球Rossby渦旋引起的海表摩擦輻合相聯(lián)系；在冬季時，雖然赤道對流加熱引起的Rossby渦旋擾動具有類似的分布，但是由于北半球SST相對較低而不能發(fā)生北傳［15］。ISO對流的經(jīng)向傳播與Rossby波引起的海表摩擦輻合相聯(lián)系，其季節(jié)性主要與背景風場切變和濕靜力能的季節(jié)分布有關［16］。但是，以上針對ISO季節(jié)性的研究都是基于穩(wěn)定的冬季或夏季背景場，相比而言，F(xiàn)NISO發(fā)生在冬季風已近結束，夏季風尚未建立的季風轉換期間，這說明此時的背景條件已經(jīng)適合ISO在BoB的發(fā)展。

季風轉換期間，BoB大氣對流不穩(wěn)定性顯著增強，是FNISO在BoB發(fā)展的重要背景條件［4］。在不穩(wěn)定的大氣背景條件下，當發(fā)生大尺度抬升或輻合擾動（例如Rossby渦旋擾動）時，容易形成對流活動。春季BoB大氣對流不穩(wěn)定性增強的決定性因素是底層水汽的增加，但是水汽增加的根本原因并不清楚。那么，春季BoB底層水汽增加的主導因素是什么呢？這主要與SST增暖過程有關。

通過BoB中部（85°～95°E，5°～15°N）SST與1 000 hPa比濕變化的關系（圖3），可以看出在冬季時（大約-90～-60 d），BoB的SST較低，水汽含量也相應較低。在春季的SST快速增暖期（-45～0 d），水汽含量基本上與SST的增長呈線性關系，它由15 g·kg-1快速升至17.5 g·kg-1；在季風爆發(fā)前，SST達到極大值，水汽含量也達到夏季期間的水平。而在夏季風爆發(fā)后，水汽含量與SST的變化則基本沒有關聯(lián)。以上充分表明春季SST增暖對大氣底層水汽增加的影響。通常情況下，SST與海表水汽含量在月時間尺度存在比較好的相關性，SST越高，海表水汽含量也越高；而在小時間尺度（如天氣尺度）和夏季的一些地區(qū)，二者的相關性并不好。但是，在春季的BoB海區(qū)，SST與海表水汽含量在小時間尺度上也存在很好的相關性，這可能是因為該時期BoB風速很小，擾動很弱，SST的變化成為影響海表水汽含量的最關鍵因素。

1 000 hPa比濕在冬季（-90～-60 d）、春季季風轉換期（-30～0 d）和夏季（60～90 d）的空間分布情況，以30 d平均值的分布情況來簡要表征ISO的背景條件（圖4）。在冬季時，高水汽位于赤道及略偏南的緯度帶內（圖4a）；在夏季時，高水汽則移動到赤道以北的季風區(qū)（圖4c），這與ISO的季節(jié)性分布相一致。在季風轉換期間（圖4b），雖然處于同一緯度的阿拉伯海的水汽分布仍然保持冬季狀態(tài)，但是BoB水汽快速升高，使其大氣對流不穩(wěn)定性顯著增強，為對流的發(fā)展提供了有利的背景條件。

值得注意的是，春季季風轉換期BoB中部（5°～15°N）的高水汽帶，恰好與北半球Rossby渦旋擾動中心的位置相一致（圖5），其水汽含量甚至已經(jīng)超過南半球的。在此情況下，當赤道東印度洋存在對流加熱時，其北側的Rossby渦旋擾動會引起更強的水汽輻合，更易發(fā)展成為對流活動。從圖2也可以看出，在0 d時存在于東印度洋南、北半球的2個Rossby渦旋擾動，其北側渦旋不斷發(fā)展，對流活動增強，成為顯著的對流中心，這最終導致BoB夏季風的爆發(fā)；其南側渦旋擾動引起的對流活動則相對較弱。雖然赤道地區(qū)對流加熱引起的Rossby波位勢高度擾動在南、北半球基本相當，但是對流系統(tǒng)更加傾向于北半球（圖5），這說明BoB的背景條件更有利于Rossby渦旋擾動發(fā)展成為強對流系統(tǒng)。

圖3 孟加拉灣SST與1 000 hPa比濕的關系Fig.3 Relationship between SST and specific humidity at 1 000 hPa in BoB

BoB夏季風的爆發(fā)是一個包含陸地、海洋和大氣相互作用的過程。春季，隨著太陽輻射的向北移動，海陸熱力差異導致BoB中北部被反氣旋控制而盛行下沉氣流。在此情況下，BoB中部天氣晴朗，風場很弱，海洋混合層很淺，短波輻射增強和潛熱釋放減少引起強烈的海表加熱［17］，同時存在的某些海洋過程［6-7］，共同導致BoB春季SST快速升高。隨著夏季環(huán)流得以維持的背景條件日趨成熟，而下沉氣流抑制了BoB局地的對流活動，夏季環(huán)流的觸發(fā)必須依賴由外部傳入的大尺度系統(tǒng)性擾動，沿赤道不斷向東傳播的ISO成為一個必不可少的條件。此時，增暖的SST成為誘導東傳的ISO對流進入BoB的關鍵因素，導致BoB底層水汽的快速升高從而顯著增強局地的大氣對流不穩(wěn)定性。當ISO傳播至東印度洋時，赤道對流加熱引起Rossby波響應，其北側的渦旋擾動在對流不穩(wěn)定的層結背景下發(fā)展成為強對流系統(tǒng)，該對流系統(tǒng)最終觸發(fā)BoB夏季風。

圖4 1 000 hPa比濕的分布圖Fig.4 Distribution of specific humidity at 1 000 hPa

圖5 孟加拉灣中部OLR與1 000 hPa位勢高度擾動的演化圖Fig.5 Evolutions of anomalous OLR and geopotential height at 1 000 hPa in the central part of BoB

4 結 語

利用7 a的衛(wèi)星觀測資料進行合成分析，討論孟加拉灣春季SST增暖對其夏季風爆發(fā)的可能影響。BoB中部SST在春季快速升高，并在夏季風爆發(fā)前達到全年最大值；但是，增暖的SST并沒有增強局地的對流活動，它恰恰是大氣對流減弱的結果。BoB夏季風的爆發(fā)與ISO相聯(lián)系，雖然增暖的SST不能通過增強局地的對流活動來觸發(fā)夏季環(huán)流，但是它對誘導沿赤道向E傳播的ISO向N轉向進入BoB，從而觸發(fā)其夏季風卻有重要影響。BoB中部增暖的SST引起了底層水汽的快速升高從而顯著增強了局地的大氣對流不穩(wěn)定性，為對流的發(fā)展提供有利的背景條件。當ISO沿赤道傳播至東印度洋時，對流加熱引起Rossby波響應；位于BoB的渦旋擾動在對流不穩(wěn)定的層結背景下發(fā)展成為強對流系統(tǒng)，該對流系統(tǒng)進一步向北移動并觸發(fā)了BoB夏季風。

夏季風的爆發(fā)是一個復雜的過程，本文提出的BoB SST增暖通過誘導ISO向北傳播從而觸發(fā)其夏季風的機制需要進一步的模式檢驗。但是，已有的大氣模式敏感性實驗能夠佐證［18-19］，在SST最大值位于赤道且南北對稱分布的情況下，Kelvin波變得不穩(wěn)定從而使ISO的E傳趨勢有所增強。當SST最大值偏離赤道時，ISO的東傳會減弱，而位于高海溫一側的Rossby渦旋則發(fā)展較強，這與SST分布導致的對流不穩(wěn)定性分布相聯(lián)系［18］?；诖?，季風爆發(fā)前SST最大值位于BoB中部的分布形式，將有利于北半球的Rossby渦旋發(fā)展，從而使ISO對流向北移動。至于ISO對流對BoB夏季環(huán)流的觸發(fā)機制還需要進一步的研究。

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