熱帶印度洋季節(jié)內(nèi)振蕩對(duì)海表溫度日變化的影響＊

楊 洋，于衛(wèi)東，孫即霖，李奎平，劉延亮，高立寶

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋-大氣相互作用與氣候?qū)嶒?yàn)室，青島 山東266100；2.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所海洋與氣候研究中心，青島 山東266061）

海表作為海洋和大氣的交界面，其溫度的變化受到多種因素的控制，不同時(shí)間尺度的大氣和海洋過(guò)程都會(huì)在SST 的變化上有所體現(xiàn)。作為大氣的底邊界，SST 的變化也會(huì)對(duì)不同時(shí)間尺度的大氣過(guò)程產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫?-5］。

SST 的日變化過(guò)程是一種非常顯著的信號(hào)，尤其在熱帶地區(qū)，其變化幅度可達(dá)1℃［6-7］，如此顯著的SST變化很可能會(huì)對(duì)大氣產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?。雖然很多海氣耦合模式的實(shí)驗(yàn)表明，在正確分辨SST 的日變化過(guò)程后，其模擬結(jié)果往往能夠得到較大改進(jìn)［7-10］。但是，SST 的日變化特征及相應(yīng)時(shí)間尺度的海-氣相互作用過(guò)程卻認(rèn)識(shí)尚淺。作為一種小時(shí)間尺度的變化過(guò)程，SST 的日變化受到其它海洋和大氣低頻活動(dòng)的影響［11］，其中，大氣季節(jié)內(nèi)振蕩就是一個(gè)重要的影響因子。

大氣季節(jié)內(nèi)振蕩是活躍于熱帶地區(qū)的一類大尺度擾動(dòng)系統(tǒng)，其周期范圍在20～90d，根據(jù)大氣對(duì)流的發(fā)展?fàn)顩r，可以將其劃分為對(duì)流活躍階段和抑制階段。MJO 導(dǎo)致的熱通量、動(dòng)量通量和淡水通量的變化對(duì)SST 產(chǎn)生顯著影響，由此引起與MJO 相一致的SST 季節(jié)內(nèi)變化過(guò)程［12-15］。

MJO 對(duì)SST 的影響顯著體現(xiàn)在其日平均值和日變化振幅兩個(gè)方面。就日平均的SST 而言，暖（冷）的SST 異常大約落后減弱（增強(qiáng)）的對(duì)流異常1／4周期，并且伴隨著MJO 對(duì)流異常向東傳播。這種SST 異常的振幅有時(shí)甚至超過(guò)2℃，它會(huì)對(duì)大氣產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫绊慚JO 對(duì)流的發(fā)展和傳播［16］。SST 的日變化特征，也受到MJO 過(guò)程的調(diào)制。Sui［8］利用浮標(biāo)觀測(cè)資料，指出西太平洋SST 日變化特征受到MJO 影響，對(duì)流抑制階段的SST 日變化振幅顯著強(qiáng)于對(duì)流活躍階段。衛(wèi)星觀測(cè)資料也顯示出西太平洋的SST 日變化振幅與MJO 過(guò)程存在聯(lián)系［17］。Milind［18］利用孟加拉灣北部的浮標(biāo)觀測(cè)資料，也指出其SST 日變化振幅在MJO 不同階段存在明顯差異，而且SST 的日變化過(guò)程與其季節(jié)內(nèi)變化過(guò)程存在密切聯(lián)系。

很多模式實(shí)驗(yàn)表明，SST 的日變化過(guò)程對(duì)大氣MJO 的模擬具有至關(guān)重要的作用［19-20］。雖然熱帶印度洋是MJO 最活躍的區(qū)域，但是受觀測(cè)資料的限制，關(guān)于SST 的日變化特征及其與MJO 聯(lián)系的研究甚少。以往針對(duì)SST 日變化特征的研究大多集中在太平洋海區(qū)，多數(shù)的研究只是集中在個(gè)例分析，多事件合成的統(tǒng)計(jì)性結(jié)果尚不多見。隨著印度洋海洋觀測(cè)系統(tǒng)“亞-非-澳季風(fēng)分析和預(yù)測(cè)研究浮標(biāo)網(wǎng)”（Research Moored Array for African-Asian-Australian Monsoon Analysis and Prediction，RAMA）的開展，大量的高分辨率實(shí)時(shí)觀測(cè)資料為我們研究熱帶印度洋SST 的日變化特征及其與MJO 的聯(lián)系提供了可靠依據(jù)?；诖耍疚恼聦⒗肦AMA 浮標(biāo)的提供地高分辨率現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，進(jìn)一步探討MJO 對(duì)SST 日變化特征的影響。

1 資料和分析方法

1.1 資 料

本文章使用的主要資料來(lái)自RAMA 浮標(biāo)陣列位于90°E，1.5°S的浮標(biāo)（http：／／www.pmel.noaa.gov／tao／），包括逐時(shí)的SST，時(shí)間跨度為2002-01-01-2008-12-31；海表氣象資料：短波輻射、氣溫、氣壓、相對(duì)濕度和風(fēng)場(chǎng)，共含3個(gè)時(shí)間段：2002-01-01-2002-07-31、2003-07-13-2004-06-08和2004-07-13-2005-06-24。之所以選取該浮標(biāo)，是因?yàn)槠湮挥诔嗟罇|印度洋，MJO 過(guò)程非?；钴S，而且，它也是印度洋現(xiàn)有浮標(biāo)陣列中，持續(xù)觀測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)的浮標(biāo)。之所以采用上述時(shí)間段，是由浮標(biāo)有效觀測(cè)數(shù)據(jù)所決定。為了表征大氣深對(duì)流過(guò)程，我們采用了NOAA 逐日的大氣對(duì)外長(zhǎng)波輻射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）資料。

1.2 方 法

我們通過(guò)選取MJO 事件，然后利用合成分析的方法來(lái)研究SST 的季節(jié)內(nèi)變化特征。在選取MJO 事件時(shí)，以浮標(biāo)所處位置20～90d帶通濾波的OLR 為標(biāo)志，當(dāng)某次季節(jié)內(nèi)變化過(guò)程的正負(fù)異常值均超過(guò)一倍標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)則選定此MJO 事件。按照以上判據(jù)，我們一共選定了32個(gè)MJO 事件（圖1）。

對(duì)于所選取的MJO 事件，我們把對(duì)流最活躍時(shí)，即OLR 極小值時(shí)，定義為0°位相，前后兩個(gè)對(duì)流抑制階段，即OLR 極大值時(shí)，分別定義為-180°和+180°位相，而相應(yīng)的兩個(gè)中間階段，即OLR 異常值接近于零時(shí)，則分別為-90°和+90°位相。為了減小分析誤差，我們?cè)谏鲜龆x的每個(gè)位相附近各選取5d，以其平均值來(lái)代表該位相的狀態(tài)。根據(jù)上述定義的MJO 各位相，我們把浮標(biāo)觀測(cè)的逐時(shí)SST 資料在相應(yīng)的時(shí)間段按照時(shí)刻進(jìn)行合成，據(jù)此分析SST 在MJO 不同位相的特征。

SST 的變化主要受混合層熱平衡方程控制：

式中，T 為海表溫度；Qnet為海表凈熱通量；ρ為海水密度；Cp為海水比熱；H 為混合層深度；→U 為平流流速；w為混合層的夾卷速度。式（1）中為熱通量項(xiàng)；-·▽T 為溫度平流項(xiàng)；-w·為夾卷項(xiàng)；F 為耗散項(xiàng)，其量級(jí)一般較小，本文章不予考慮。

針對(duì)有海表氣象觀測(cè)資料的時(shí)間段，引入一維的PWP海洋混合層模式［21］，在驗(yàn)證其適用性后，據(jù)此分析SST 的控制機(jī)制。該時(shí)間段共含11個(gè)MJO 事件，如圖1方框所標(biāo)示。

以下的研究?jī)?nèi)容主要分為兩部分，首先利用浮標(biāo)觀測(cè)資料揭示SST 的季節(jié)內(nèi)變化特征；然后通過(guò)PWP一維海洋混合層模式對(duì)其季節(jié)內(nèi)變化特征進(jìn)行模擬并作簡(jiǎn)要分析。

圖1 浮標(biāo)所處位置20～90d帶通濾波OLR 時(shí)間序列Fig.1 20～90day band-pass filtered OLR time series at the buoy position

2 結(jié) 果

2.1 MJO 不同位相的SST 日變化特征

圖2給出了以O(shè)LR 為表征的MJO 時(shí)-空演化過(guò)程，圖中星號(hào)表示浮標(biāo)所處的位置。在-180°位相時(shí)，MJO 對(duì)流抑制階段控制了赤道東印度洋，此時(shí)，浮標(biāo)所處位置大氣對(duì)流很弱，天氣晴朗。-90°位相時(shí)，MJO對(duì)流抑制過(guò)程的主體移動(dòng)到孟加拉灣地區(qū)，一支新的MJO 對(duì)流在西印度洋生成。在0°位相時(shí)，MJO 對(duì)流向東移動(dòng)到東印度洋，此時(shí)，浮標(biāo)處于強(qiáng)對(duì)流區(qū)域，云層深厚，降水較多。在+90°位相時(shí)，MJO 對(duì)流已經(jīng)向東、向北傳播，新的對(duì)流抑制過(guò)程在西印度洋形成。至+180°位相時(shí)，MJO 對(duì)流抑制過(guò)程重新控制東印度洋，完成了一個(gè)周期。

圖3給出了上述MJO 各位相的逐時(shí)SST 合成結(jié)果。從SST 的日變化情況來(lái)看，在MJO 各個(gè)位相，SST 在08∶00之前呈現(xiàn)緩慢降低的狀態(tài)；隨后快速升高，在15∶00-16∶00點(diǎn)左右達(dá)到最大值。在MJO影響下，SST 呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)內(nèi)變化特征，主要體現(xiàn)在日平均值和日變化振幅兩個(gè)方面。為了便于討論，我們把每個(gè)位相的SST 分解為兩部分，即SST=+SST′。其中，代表日平均值，SST′為偏離的逐時(shí)異常值。

圖2 MJO 的時(shí)-空演化合成圖（w·m-2）Fig.2 Composited diagrams showing the spatial-temporal evolution of MJO（w·m-2）

圖3 逐時(shí)的SST（a）及變化率（b）在MJO 不同位相的特征Fig.3 Hourly SST（a）and SST trend（b）at different phases of MJO

圖4給出了與SST′的標(biāo)準(zhǔn)偏差（δSST′）在MJO 不同位相的分布特征。就而言（圖4b），它在-90°位相時(shí)達(dá)到最大值，在+90°位相時(shí)達(dá)到最小值，其季節(jié)內(nèi)變化幅度在0.5℃左右。也就是說(shuō)，正SST異常領(lǐng)先大氣對(duì)流1／4周期，而負(fù)異常落后大氣對(duì)流1／4周期。這種大氣對(duì)流變化與變化之間的關(guān)系已得到廣泛研究［17］，本文章不再贅述。

圖4 OLR（a），（b）和δSST′（c）在MJO 不同位相的分布Fig.4 OLR（a），（b）andδSST′（c）at different phases of MJO

SST 的日變化幅度（δSST′）也存在明顯的季節(jié)內(nèi)變化，但是它與MJO 對(duì)流的位相關(guān)系不同于，δSST′與MJO 對(duì)流活動(dòng)具有直接的反位相關(guān)系（圖4c）。在0°位相，即對(duì)流活動(dòng)最強(qiáng)時(shí)，SST 的日變化幅度最小，標(biāo)準(zhǔn)差大約為0.06℃；在±180°位相對(duì)流活動(dòng)最弱時(shí)，SST 的日變化幅度最大，標(biāo)準(zhǔn)差大約為0.23 ℃。顯然，MJO 對(duì)流最弱時(shí)的SST 日變化振幅大約是對(duì)流最強(qiáng)時(shí)的4倍，其季節(jié)內(nèi)變化異常顯著。

那么，大氣MJO 到底通過(guò)何種途徑影響SST 的日變化特征呢？在海表觀測(cè)資料的強(qiáng)迫下，一維海洋混合層模式能否再現(xiàn)SST 的季節(jié)內(nèi)變化特征呢？我們將在下一節(jié)進(jìn)行分析。

2.2 MJO 對(duì)SST 日變化的影響機(jī)制分析

PWP一維整體海洋混合層模式已被廣泛的用于熱帶地區(qū)SST 的日變化和季節(jié)內(nèi)變化特征的模擬［22］，具有很好的適用性。本文章所用的浮標(biāo)位于東印度洋暖池區(qū)，水平溫度梯度較小，一維海洋混合層模式在原則上具有可行性。我們首先以浮標(biāo)觀測(cè)的海表通量，包括：熱通量、動(dòng)量通量和淡水通量，來(lái)強(qiáng)迫PWP 混合層模式，通過(guò)與浮標(biāo)觀測(cè)的SST 進(jìn)行比較，驗(yàn)證該模式的適用性。模式運(yùn)行時(shí)采用的時(shí)間分辨率為1h，垂向分辨率為0.5m。

針對(duì)本研究所選取的時(shí)間段中包含的11個(gè)MJO 事件，逐時(shí)的SST 觀測(cè)值和模擬值按照MJO 位相進(jìn)行了合成，如圖5。通過(guò)比較不難發(fā)現(xiàn)，在MJO各個(gè)位相，PWP模式的SST 的模擬結(jié)果都與觀測(cè)值相當(dāng)接近，這說(shuō)明該混合層模式在本研究中具有可行性。下面我們將利用模式結(jié)果開展進(jìn)一步分析，討論MJO 對(duì)SST 日變化的影響機(jī)制。

如方程1所示，影響SST 變化的主要因素包括熱通量項(xiàng)、水平溫度平流和混合層夾卷過(guò)程。一維混合層模式在不考慮水平溫度平流的情況下，很好地模擬了MJO 對(duì)SST 日變化特征的影響（圖5），這說(shuō)明該區(qū)域溫度平流項(xiàng)對(duì)SST變化的貢獻(xiàn)較小，而熱通量項(xiàng)和混合層夾卷過(guò)程是MJO 影響SST 日變化特征的主要途徑。MJO 作為周期性的過(guò)程，SST 的日變化振幅在其±180°位相時(shí)最大，在0°位相時(shí)最小，而±90°時(shí)則介于以上二者之間。在討論其季節(jié)內(nèi)變化特征時(shí)，為了方便，我們僅對(duì)-180°和0°位相進(jìn)行了比較。其中-180°代表了MJO 對(duì)流抑制階段，0°代表了MJO 對(duì)流活躍階段。

圖6給出了MJO 兩個(gè)位相的海表凈熱通量（圖6a）、混合層深度（圖6b）以及熱通量項(xiàng)（圖6c）和混合層夾卷過(guò)程（圖6d）的日變化情況，可以看出，上述變量在MJO 兩個(gè)位相存在顯著差異。在MJO 對(duì)流抑制階段，風(fēng)速較小，潛熱釋放較少，太陽(yáng)短波輻射較強(qiáng)，海表的凈熱通量在中午時(shí)可達(dá)600 W／m2（圖6a）；夜間短波輻射降為0后，在潛熱和感熱通量以及長(zhǎng)波輻射的失熱作用下，凈熱通量降至-150 W／m2左右，整個(gè)日變化幅度達(dá)到750 W／m2。在MJO 對(duì)流活躍階段，風(fēng)速較大，潛熱釋放增強(qiáng)，太陽(yáng)短波輻射減弱，海表的凈熱通量在中午時(shí)只有300 W／m2；夜間短波輻射降為0后，在潛熱通量等失熱項(xiàng)的作用下，凈熱通量降至-180 W／m2左右，整個(gè)日變化幅度只有480 W／m2，較對(duì)流抑制階段顯著減弱。風(fēng)場(chǎng)在MJO 兩個(gè)階段的差異，同時(shí)導(dǎo)致了混合層深度的差異（圖6b）。在對(duì)流抑制階段，平均混合層深度在10m 左右，在太陽(yáng)短波輻射最強(qiáng)時(shí)的中午更是不足5m，造成強(qiáng)烈的加熱效應(yīng)（圖6c）。而在MJO 對(duì)流活躍階段，平均混合層深度達(dá)到35m，中午最淺時(shí)仍有30m，其白天的加熱效應(yīng)顯著弱于MJO 對(duì)流抑制階段。在夜晚降溫階段，雖然對(duì)流抑制階段時(shí)海表失熱較少，大約為-150 W／m2，但是其混合層較潛，因此其冷卻效應(yīng)仍強(qiáng)于對(duì)流活躍階段（圖6c）。比較圖6c和圖5b，我們可以看出，熱通量項(xiàng)的熱效應(yīng)是SST 日變化的主要控制因素，它也是MJO 影響SST 日變化振幅的主要途徑。

混合層溫度的變化還受到其底部夾卷冷卻過(guò)程的影響，與熱通量項(xiàng)的作用相比，它對(duì)混合層溫度日變化的影響較小，但也存在季節(jié)內(nèi)變化（圖6d）。在MJO 對(duì)流抑制（活躍）階段，由于白天短波輻射較強(qiáng)（弱），而且混合層較淺（深），混合層的升溫較多（少），導(dǎo)致混合層與其底部的溫差較大（?。虼税砘旌蠈蛹由顣r(shí)，夾卷過(guò)程對(duì)混合層的降溫作用相對(duì)較強(qiáng)（弱）。

通過(guò)以上的分析我們可以看出，海表熱通量和混合層深度的季節(jié)內(nèi)變化是導(dǎo)致SST 的日變化特征在MJO 不同位相產(chǎn)生差異的主要原因，而短波輻射通量在熱通量四項(xiàng)中作用最為明顯。在MJO 對(duì)流抑制階段，熱通量的日變化振幅較大，而且平均混合層較淺，導(dǎo)致混合層在白天的升溫效應(yīng)和夜晚的降溫效應(yīng)都較強(qiáng)，因此SST 的日變化較大?；旌蠈虞^淺，白天升溫快，導(dǎo)致其底部的垂向溫度梯度較大，因此傍晚混合層夾卷的冷卻效應(yīng)較強(qiáng)，這與熱通量引起的降溫效應(yīng)相配合，增強(qiáng)了SST 的日變化振幅。MJO 對(duì)流活躍階段的SST 日變化較弱，其分析與上類似，不再詳述。

圖5 SST 日變化的觀測(cè)值和模擬值的對(duì)比Fig.5 Contrast between the observed and the simulated values of diurnal variations of SST

圖6 MJO 對(duì)流抑制位相和對(duì)流活躍位相的對(duì)比Fig.6 Contrast between the suppressed and the enhanced phases of MJO

3 結(jié) 語(yǔ)

本文章利用印度洋觀測(cè)浮標(biāo)提供的逐時(shí)資料，按照MJO 位相進(jìn)行合成，揭示了SST 的季節(jié)內(nèi)變化特征。結(jié)果顯示，日平均SST 和SST 日變化均存在顯著的季節(jié)內(nèi)變化。其中，日平均SST 的變化趨勢(shì)落后于MJO 對(duì)流1／4周期；與之不同，SST 的日變化與MJO 對(duì)流呈直接反位相關(guān)系。在對(duì)流活動(dòng)最強(qiáng)時(shí)，SST 的日變化振幅最小，標(biāo)準(zhǔn)差為0.06 ℃；在對(duì)流活動(dòng)最弱時(shí)，SST 的日變化振幅最大，標(biāo)準(zhǔn)差為0.23 ℃。

以浮標(biāo)觀測(cè)的海-氣通量強(qiáng)迫一維海洋混合層模式，再現(xiàn)了SST 的日變化特征及其季節(jié)內(nèi)差異。診斷表明海表熱通量和混合層深度的季節(jié)內(nèi)變化，是導(dǎo)致MJO 不同位相SST 的日變化存在差異的主要原因。

本研究對(duì)SST 季節(jié)內(nèi)變化特征的分析，僅基于（90°E，1.5°S）的浮標(biāo)數(shù)據(jù)，不排除的分析結(jié)果存在一定誤差。隨著印度洋海洋觀測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，可利用的浮標(biāo)數(shù)量越來(lái)越多，進(jìn)一步的工作可以致力于分析MJO影響下SST 日變化特征的區(qū)域差異。

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