夏季索馬里越赤道氣流垂直結(jié)構(gòu)的變化特征及其與東亞夏季風(fēng)活動的關(guān)系

邱金晶 孫照渤

南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點實驗室，南京210044

1 引言

越赤道氣流是熱帶大氣環(huán)流的重要組成部分，是南、北半球間質(zhì)量、動量、水汽交換的主要通道，是影響南、北半球天氣氣候異常的重要因素之一。上世紀(jì)60年代末，F(xiàn)indlater（1969）首先發(fā)現(xiàn)了索馬里急流，指出其對印度夏季風(fēng)的爆發(fā)有重要作用。此后，越赤道氣流引起廣泛關(guān)注。研究表明，索馬里越赤道氣流（以下簡稱SMJ）是最強大的低空越赤道氣流，其強度具有明顯的長期趨勢變化和年際、年代際變化（李曾中等，1998，2000；施能等，2007；唐碧等，2009），還存在明顯的周期變化特征，45°E越赤道氣流無論冬夏主要受2～3年周期的影響（彭維耿和蔣尚城，2003）。對索馬里低空氣流有關(guān)形成機制的模擬實驗表明，在邊界層中氣流的發(fā)展主要決定于非絕熱加熱的海陸不均勻分布，與地形高低的關(guān)系較小，但地形高低對氣流的強度、垂直伸展高度和風(fēng)速軸線隨高度的傾斜有影響（錢永甫等，1987）。越赤道氣流的變化與全球范圍內(nèi)的大氣環(huán)流密切相關(guān)（湯明敏等，1985；劉向文等，2009a，2009b）。另外，越赤道氣流與季風(fēng)的關(guān)系一直是熱點問題，它們是相互聯(lián)系和相互作用的兩個系統(tǒng)（范可和王會軍，2006）。曾慶存和李建平（2002）分析了季風(fēng)及越赤道氣流的本質(zhì)關(guān)系。李崇銀和吳靜波（2002）、叢菁等（2007）、汪衛(wèi)平和楊修群（2008）從不同角度研究了SMJ變化與亞洲夏季風(fēng)活動的關(guān)系，而且這種關(guān)系可能在季節(jié)、年際、年代際尺度上存在差異。另外，SMJ的強度變化會直接影響越赤道向東亞季風(fēng)區(qū)的水汽輸送量，對東亞夏季降水也有著顯著的影響（王會軍和薛峰，2003）。

有關(guān)夏季 SMJ的時空特征及其影響研究有很多，但絕大部分研究都是基于某一空間層的越赤道氣流。在較早的研究中，一般使用850 hPa越赤道氣流作為研究對象（李曾中和樓光平，1987；徐建軍等，1992），現(xiàn)在由于再分析資料的完善，發(fā)現(xiàn)氣候平均下低層越赤道氣流的最大值出現(xiàn)在 925 hPa（高輝和薛峰，2006），之后很多工作改選 925 hPa層次進行研究（梁俊明和孫照渤，2005；汪衛(wèi)平和楊修群，2008；杜啟倩等，2010）。近年來，有個別學(xué)者開始著眼于越赤道氣流在垂直尺度上的變化特征。趙煜飛（2008）提出了越赤道氣流以及赤道經(jīng)向風(fēng)異常的垂直傳播模態(tài)，謝磊（2011）的研究表明近 60 年索馬里低空越赤道氣流核心在925 hPa和850 hPa這兩個層次上交替出現(xiàn)，垂直結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生變化。

本文利用觀測分析資料分析研究了夏季 SMJ的垂直結(jié)構(gòu)，指出SMJ的垂直結(jié)構(gòu)變化與東亞夏季風(fēng)環(huán)流以及降水異常有密切關(guān)系。

2 資料與方法

所用資料有：1950～2010年NCEP/NCAR再分析月平均資料，包括緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、地面氣壓場，其中垂直方向有17層，格點分辨率為2.5°×2.5°。另取1958～2002年ERA40經(jīng)向風(fēng)月平均資料，垂直方向有23層，分辨率亦為2.5°×2.5°，用以對比NCEP/NCAR資料結(jié)果。降水資料為 1950～2010年全球陸地月降水資料（PREC/L），分辨率為2.5°×2.5°。本文中夏季是指當(dāng)年6月至8月平均。

主要采用經(jīng)驗正交函數(shù)展開（EOF）、Morlet小波分析、相關(guān)分析、合成分析等方法，顯著性檢驗為t分布檢驗。計算水汽輸送通量、水汽通量散度的方法詳見文獻（黃榮輝等，1998）。

3 夏季對流層中低層 SMJ垂直結(jié)構(gòu)的時空特征及分型

3.1 夏季SMJ強度指數(shù)的定義

為了表征越赤道氣流南北向輸送的特征，本文把2.5°S到2.5°N之間3個格點上經(jīng)向風(fēng)的平均值作為越赤道氣流。經(jīng)向風(fēng)在各經(jīng)度上的值差別很大，形成了一些越赤道氣流通道。從圖 1可以看到，東半球夏季低空30°E以東主要存在5個越赤道氣流大值中心，其中，中心位于40°～50°E的索馬里越赤道氣流最強，風(fēng)速最大可達 11 m/s以上，并且該位置上2 m/s的等風(fēng)速線基本到達600 hPa，可見 SMJ在垂直尺度上較其他氣流深厚得多。本文將研究對象設(shè)定為對流層中低層（1000 hPa至600 hPa）夏季SMJ的垂直結(jié)構(gòu)（如無特別說明，下文提到的SMJ垂直結(jié)構(gòu)均指1000 hPa至600 hPa層次內(nèi)的垂直結(jié)構(gòu)）。

圖1 1950～2010年夏季平均東半球沿2.5°S～2.5°N平均經(jīng)向風(fēng)（m/s）的經(jīng)度—高度剖面Fig.1 The longitude-altitude cross section of the average meridional wind speed (m/s) along 2.5°S–2.5°N in summer of Eastern Hemisphere for 1950–2010

首先要確定描述各層 SMJ變化的特征序列。圖2指示了夏季1000 hPa至600 hPa內(nèi)五層SMJ核心風(fēng)速所在的位置，可見不同層次上不僅SMJ的中心值存在差異，中心位置也略有偏移。從歷年大值中心位置的變化來看，各層SMJ的中心位置不是固定的，但基本集中在一個較狹窄的區(qū)域內(nèi)，也就是說各層SMJ都有一個窄而強的通道位置。本文根據(jù)杜啟倩等（2010）的定義方法，通過對實際氣流的計算得到，1000 hPa至600 hPa 5層SMJ每年最大值基本出現(xiàn)在以下通道：1000 hPa（45.0°～50.0°E），925 hPa（42.5°～45.0°E），850 hPa（42.5°～45.0°E），700 hPa（42.5°～45.0°E），600 hPa（45.0°～47.5°E），然后以各層通道內(nèi)的最大經(jīng)向風(fēng)作為該年夏季各層 SMJ強度指數(shù)，記為ISMJ，將五個高度層上的SMJ強度分別記為ISMJ1000、ISMJ925、ISMJ850、ISMJ700、ISMJ600。

通過計算61年夏季各層ISMJ間的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)ISMJ1000和ISMJ925、ISMJ700和ISMJ600密切相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別高達 0.80和 0.87，但ISMJ1000與ISMJ700（ISMJ600）的相關(guān)系數(shù)僅為?0.11（?0.08），沒有通過顯著性檢驗，ISMJ925與ISMJ700（ISMJ600）也不相關(guān)。這說明下層（指研究區(qū)域的下層：925 hPa、1000 hPa，下同）SMJ與上層（指研究區(qū)域的上層：700 hPa、600 hPa，下同）SMJ的時空演變特征存在較大的差異，下面將作詳細(xì)討論。

3.2 夏季SMJ垂直結(jié)構(gòu)的時空演變特征

圖3是1950～2010年夏季5層ISMJ的年變化和累積距平圖。分別求得61年5層ISMJ的方差，發(fā)現(xiàn)ISMJ700年際變化最強，方差約為3.177，遠大于其它4層，ISMJ600次之；ISMJ1000年際變化相比之下最弱，方差僅為0.191，ISMJ925次之。采用Morlet小波分析方法對強度指數(shù)時間序列進行周期分析，從各層ISMJ的小波能量分布圖（圖略）可以看出，各高度層上SMJ年際變化均以2～3年周期為主，但存在的時段有所不同。1000 hPa、925 hPa、850 hPa上該周期存在的時段為1970年代前期和1990年代后期，700 hPa、600 hPa上該周期存在的時段為1960年代前期和1970年代末期至1980年代初期。

圖2 夏季索馬里地區(qū)沿2.5°S～2.5°N平均經(jīng)向風(fēng)（m/s）的經(jīng)度—時間剖面（陰影區(qū)是各層核心風(fēng)速區(qū)，從左到右分別為1000 hPa、925 hPa、850 hPa、700 hPa、600 hPa）Fig.2 The longitude–time cross sections of the Somali meridional wind speed (m/s) at 1000 hPa, 925 hPa, 850 hPa, 700 hPa, 600 hPa averaged along 2.5°S–2.5°N in summer during 1950–2010.Shaded areas denote max intensity

圖3 1950～2010年夏季1000 hPa至600 hPa 5層 (a) SMJ強度（m/s）的年變化（折線：強度；虛線：11年滑動平均；平直線：平均值）以及 (b) 累積距平Fig.3 (a) Time series of Somali cross-equatorial flow (SMJ) intensity at five levels in summer during 1950–2010 (Broken lines，dashed lines，and flat lines denote SMJ intensities, 11-year running averages, and 61-year averages, respectively); (b) accumulated SMJ intensity anomalies at five levels in summer during 1950–2010

利用趨勢系數(shù)來定量表示趨勢變化的大小，擬合得出1950～2010年這61年里ISMJ700、ISMJ600整體變化的趨勢是快速上升的，其他層次 SMJ較為平緩。除了長期趨勢變化外，各層越赤道氣流存在顯著的年代際變化。圖3中的虛線代表11 a滑動平均，可以看出，ISMJ1000、ISMJ925的年代際變化基本一致，SMJ在1960年代初開始減弱，1970年代初期進入上升段，到1980年代末又開始減弱。ISMJ850在1960年代為一個減弱段，1980年代為一個上升段，其余時間變化平緩，沒有顯著的年代際變化。ISMJ700和ISMJ600在1950年代中期快速增強，1960年代初進入迅速減弱階段，1980年代初期又開始急劇上升。由前面的分析發(fā)現(xiàn)，在年代際尺度上，主要是1970年代、1990年代這兩個時段里ISMJ1000、ISMJ925與ISMJ700、ISMJ600處于明顯不同的變化（增強或減弱）階段。

從累積距平曲線明顯的上下起伏來進一步探討各層SMJ強度的年代際變化，結(jié)合左圖的滑動曲線，可以看出1950至2010年間，ISMJ1000、ISMJ925在1950年代至1970年代中期偏弱，1970年代中期以后，進入偏強階段，直至 1990年代中期又開始偏弱?？梢奍SMJ1000、ISMJ925經(jīng)歷弱、強、弱三個階段的年代際變化。ISMJ850在1950年代中期至1960年代中期偏強，1960年代末至1980年代末偏弱，1990年代又開始偏強，但是ISMJ850變化幅度較小，年代際變化相對較弱。ISMJ700和ISMJ600都在1980年代末經(jīng)歷由弱轉(zhuǎn)強的年代際變化，61年內(nèi)ISMJ700、ISMJ600主要經(jīng)歷弱、強兩個階段。經(jīng)過對比分析，發(fā)現(xiàn)年代際尺度上，1950～2010年間，ISMJ1000、ISMJ925與ISMJ700、ISMJ600變化階段是存在明顯差異的。

圖4是夏季ISMJ、ISMJ距平以及11年滑動平均的SMJI距平的時間—高度剖面，從圖4a中可以看出1000 hPa至850 hPa的SMJ為一致的南風(fēng)，風(fēng)速集中在7～13 m/s內(nèi)，850 hPa以上經(jīng)向風(fēng)速迅速減弱，700 hPa、600 hPa高度上SMJ強度介于－2～8 m/s之間，變化幅度較大。謝磊（2011）曾得出，某些年份SMJ核心維持在925 hPa層次上，而某些年份 SMJ向上延伸發(fā)展，核心上移至 850 hPa層次，其垂直結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。不僅如此，從圖 4b可以看到上層SMJ強度距平與下層SMJ強度距平在有些年份里是同號的，有些年份是反號的，并且61年里強度距平絕對值的大值中心基本位于 700 hPa，上層SMJ強度變化較下層明顯。由此可見，夏季SMJ存在不同的垂直結(jié)構(gòu)。從圖4c可知，SMJ垂直結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了3次顯著的年代際變化。1950年代中期至1970年代中期，上層與下層SMJ強度距平均小于0，其中1960年代中期至1970年代中期全區(qū)為一致的負(fù)距平，表明在這些時段內(nèi)上、下層SMJ呈同位相變化，一致減弱；1970年代中期至1980年代中后期，上、下層SMJ強度距平反號，呈反位相變化，1000 hPa、925 hPa SMJ強度距平大于0，強度偏強，而700 hPa、600 hPa高度上為明顯的負(fù)距平，SMJ強度偏弱；1980年代末至1990年代中后期各層SMJ強度距平均大于0，表明在上述時段里各層SMJ呈同位相變化，一致增強；1990年代末期至21世紀(jì)初，上、下層SMJ強度呈反位相變化，1000 hPa、925 hPa強度距平小于0，SMJ偏弱，而700 hPa、600 hPa高度上為明顯的正距平，SMJ強度偏強。

圖4 1950～2010年（a）夏季SMJ強度（m/s）、（b）SMJ強度距平（m/s）以及（c）11年滑動平均的SMJ強度距平的時間—高度剖面（m/s）。深、淺陰影表示正、負(fù)距平Fig.4 The time–altitude cross sections of (a) SMJ intensity (m/s) and (b) intensity anomaly (m/s) in summer during 1950–2010, and (c) 11-year running averages of SMJ intensity anomaly (m/s).Dark (light) shaded areas denote positive (negative) departures

3.3 夏季SMJ垂直結(jié)構(gòu)分型

為了能更好地體現(xiàn)上層與下層的配置關(guān)系，首先將各層ISMJ進行標(biāo)準(zhǔn)化，記為，五個高度層上分別記為、、、、。用61年（1950～2010年）夏季5層（1000 hPa至600 hPa）序列作EOF分析，來研究SMJ的主要垂直形態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)前兩個模態(tài)的累積方差貢獻率超過80%，能夠反映夏季SMJ垂直結(jié)構(gòu)異常的主要變化特征。

圖5a、c是EOF分析的第一空間型以及對應(yīng)的時間系數(shù)，EOF1占44.2%，對流層中低層內(nèi)SMJ垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為全區(qū)一致型（簡稱“A”型）。相應(yīng)的時間系數(shù)PC1總體呈快速的上升趨勢，具有顯著的年際、年代際變化特征。當(dāng)時間系數(shù)為正時，各層SMJ強度的標(biāo)準(zhǔn)化距平為一致的正值；反之，為一致的負(fù)值。本文把 SMJ第一模態(tài)，即夏季 SMJ第一類垂直結(jié)構(gòu)（“A”型）的正負(fù)位相分別稱為一致增強型（簡稱“A＋”型）和一致減弱型（簡稱“A－”型）。EOF第一模態(tài)分析表明年代際尺度上，1955～1986年P(guān)C1對應(yīng)負(fù)值，SMJ垂直結(jié)構(gòu)呈“A?”型。1987～2005年P(guān)C1對應(yīng)正值，垂直結(jié)構(gòu)呈“A＋”型。圖5b、d是EOF分析的第二空間型以及對應(yīng)的時間系數(shù)，EOF2占 40.7%，SMJ垂直結(jié)構(gòu)呈“－＋”的偶極分布形態(tài)，表現(xiàn)為上下反相型（簡稱“B”型）。相應(yīng)的時間系數(shù)PC2也具有年際、年代際變化特征。本文把SMJ第二模態(tài)，即夏季 SMJ第二類垂直結(jié)構(gòu)（“B”型）的正負(fù)位相分別稱為上弱下強型（簡稱“B＋”型）和上強下弱型（簡稱“B－”型）。第二模態(tài)分析表明年代際尺度上，1955～1973年，PC2對應(yīng)負(fù)值，SMJ垂直結(jié)構(gòu)體現(xiàn)“B－”型的特點，1974～1996年P(guān)C2為正值，垂直結(jié)構(gòu)呈“B＋”型，1997～2005年P(guān)C2又為負(fù)值，垂直結(jié)構(gòu)對應(yīng)“B－”型。分別對PC1、PC2進行Morlet小波分析（圖略），得知夏季SMJ兩類垂直結(jié)構(gòu)都具有2～3 年左右的年際周期，另外，“A”型結(jié)構(gòu)還具有3～4 年左右的周期，“B”型結(jié)構(gòu)還存在準(zhǔn)五年振蕩。綜上所述，夏季SMJ垂直結(jié)構(gòu)主要呈現(xiàn)出全區(qū)一致、上下反相兩種分布型（“A”型和“B”型），細(xì)分為一致增強型（“A＋”型）、一致減弱型（“A－”型）、上弱下強型（“B＋”型）和上強下弱型（“B－”型）。對照圖4b，61 a里SMJ垂直結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)出了這四類分布型的特點，可見該分類方式是比較合理的。

圖5 1950～2010年夏季SMJ強度標(biāo)準(zhǔn)化距平的EOF第一模態(tài)（a、c）、第二模態(tài)（b、d）：（a、b）空間分布型；（c、d）標(biāo)準(zhǔn)化的時間序列（直方圖）及其11年滑動平均（曲線）Fig.5 (a, c) Leading and (b, d) second EOF modes of standardized summer SMJ intensity anomaly for 1950–2010: (a, b) Spatial patterns; (c, d) normalized time series (bars) and its 11-year running mean (curve)

EOF分析得到的PC1、PC2的時間變化分別反映了兩類SMJ垂直結(jié)構(gòu)的演變特征，所以選用PC1、PC2作為表征“A”型垂直結(jié)構(gòu)的指數(shù)VS1和表征“B”型垂直結(jié)構(gòu)的指數(shù)VS2。

3.4 資料比較分析

為了加強研究結(jié)果的可信度，下面采用ERA40再分析資料進行驗證。前文定義所用的是 NCEP/NCAR資料，在這里使用前文定義的方法將兩種資料的結(jié)果進行對比。利用 ERA40資料對實際氣流進行計算得到，1000 hPa至600 hPa 5層SMJ的通道為：1000 hPa（47.5°E），925 hPa（42.5°E），850 hPa（40.0°～42.5°E），700 hPa（40.0°～45.0°E），600 hPa（37.5°～40°E）。相比于 NCEP/NCAR 資料，1000 hPa、925 hPa通道位置集中在一個經(jīng)度上，通道變窄，850 hPa通道位置向西偏移2.5個經(jīng)度，700 hPa通道位置變寬，向西擴展 2.5個經(jīng)度，總體而言，這四層SMJ通道位置變化較小，基本一致。不同的是，ERA40資料600 hPa通道位置偏西7.5個經(jīng)度，變化幅度較大。

由ERA40資料得到描述各層SMJ強度變化的特征序列（圖略），發(fā)現(xiàn)ISMJ1000和ISMJ925、ISMJ700和ISMJ600分別為高相關(guān)，但上、下層SMJ的時空特征存在較大差異，這與前文的結(jié)論是一致的。從氣候平均值來看，ERA40資料下 SMJ最大值位于 850 hPa，而非NCEP/NCAR資料得到的925 hPa。從方差來看，ISMJ700年際變化最強，ISMJ600次之；ISMJ1000年際變化相比之下最弱，ISMJ925次之，這與同一時段NCEP/NCAR資料所得的結(jié)果基本一致。分別計算兩種資料間5層ISMJ的相關(guān)系數(shù)，600 hPa相關(guān)系數(shù)最小，為0.26，通過90%的置信度檢驗，700 hPa的相關(guān)系數(shù)其次，為0.44，通過了99%的置信度檢驗。年代際時間尺度上，ISMJ1000、ISMJ925均在20世紀(jì)70年代后期經(jīng)歷由弱轉(zhuǎn)強的年代際變化，ISMJ700、ISMJ600均在20世紀(jì)80年代中后期經(jīng)歷由弱轉(zhuǎn)強的年代際變化，這與前文的結(jié)論是十分相似的。

本文的研究對象為 SMJ的垂直結(jié)構(gòu)，繼續(xù)對ERA40資料得到的1958～2002年1000 hPa至600 hPa 5層序列作EOF分析（圖6），對比同一時段45年NCEP/NCAR資料的EOF結(jié)果（圖7），SMJ的垂直結(jié)構(gòu)均主要呈現(xiàn)出全區(qū)一致（“A”型）和上下反相（“B”型）的分布特點，與前文的結(jié)論十分相似。對兩種資料得到的前兩個模態(tài)的時間系數(shù)PC1、PC2分別求相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 0.54和0.34，相關(guān)系數(shù)均通過99%的置信度檢驗。圖6和圖7中時間系數(shù)的11年滑動平均曲線進一步表明了兩種資料得到的PC1、PC2均存在顯著的年代際信號，且年代際變化十分相似，PC1均在1980年代出現(xiàn)反位相的年代際變化，PC2均在 1970年代和1990年代先后出現(xiàn)反位相的年代際變化特征，與前文的結(jié)論基本一致。不同的是，ERA40資料得到的PC2在 1960年代末期還存在一次顯著的年代際轉(zhuǎn)折，NCEP/NCAR資料不存在這一特征。進一步將1958～2002年NCEP/NCAR資料得到的PC1、PC2與前文定義的1950～2010年VS1和VS2指數(shù)序列取同時段的45年，再求相關(guān)，得到相關(guān)系數(shù)為0.86和 0.83，兩者關(guān)系密切。最后將 ERA40資料得到的 45年 PC1、PC2序列與前文定義的VS1和VS2指數(shù)取同時段，再求相關(guān)，得到相關(guān)系數(shù)為0.52和0.47，兩者關(guān)系較好。可見，兩種SMJ垂直結(jié)構(gòu)型

是比較穩(wěn)定的，不隨資料或時間段不同而發(fā)生大的變動。

圖6 1958～2002年ERA40資料夏季SMJ強度標(biāo)準(zhǔn)化距平的EOF第一模態(tài)（a、c）、第二模態(tài)（b、d）：（a、b）空間分布型；（c、d）標(biāo)準(zhǔn)化的時間序列（直方條）及其11年滑動平均（曲線）Fig.6 (a, c) Leading and (b, d) second EOF modes of standardized summer SMJ intensity anomaly for 1958–2002 ERA40 data: (a, b) Spatial patterns; (c, d)normalized time series (bars) and its 11-year running mean (curve)

圖7 1958～2002年NCEP/NCAR資料夏季SMJ強度標(biāo)準(zhǔn)化距平的EOF第一模態(tài)（a、c）、第二模態(tài)（b、d）：（a、b）空間分布型；（c、d）標(biāo)準(zhǔn)化的時間序列（直方條）及其11年滑動平均（曲線）Fig.7 (a, c) Leading and (b, d) second EOF modes of standardized summer SMJ intensity anomaly for 1958–2002 NCEP/NCAR data: (a, b) Spatial patterns;(c, d) normalized time series (bars) and its 11-year running mean (curve)

因此，NCEP/NCAR資料和 ERA40資料的研究結(jié)果有一些差別，但是沒有影響主要結(jié)論，本文采用NCEP/NCAR資料是可以接受的，下面繼續(xù)采用1950～2010年NCEP/NCAR資料展開詳細(xì)的討論。

4 夏季 SMJ垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)與大氣環(huán)流的關(guān)系

劉向文等（2009a）指出，越赤道氣流的變化受南、北半球環(huán)流因子及赤道局地環(huán)流因子的影響。本文則進一步分析 SMJ垂直結(jié)構(gòu)變化對應(yīng)的大氣環(huán)流異常。首先為了突出垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)年際變異的因素，把圖5c、d所示的VS1、VS2指數(shù)序列，先濾去長期變化趨勢，取得了去掉 61年變化趨勢后的指數(shù)。然后分別選取超過正、負(fù)1.2個標(biāo)準(zhǔn)差的年份為高、低指數(shù)年，得到VS1指數(shù)對應(yīng)的高值年為1958、1959、1960、1961、1970、1990、1992，共7年，低值年為1972、1974、1979、1981、1997，共5年；VS2指數(shù)對應(yīng)的高值年為1980、1981、1983、1984、1986、1991、1996，共7年，低值年為1963、1969、1972、1974、1999、2002、2009，共 7年。

分別對VS1指數(shù)高值年和低值年的925 hPa、700 hPa距平風(fēng)場進行合成分析。從925 hPa合成差值分布（圖8a）上可以看到，南半球馬達加斯加島以南受異常反氣旋環(huán)流控制，北側(cè)存在顯著的南風(fēng)異常。700 hPa合成差值分布（圖8b）上，南半球的差值風(fēng)場與低層925 hPa的分布基本一致，赤道地區(qū)SMJ通道以東存在一個顯著的順時針環(huán)流，其西側(cè)為南風(fēng)異常。結(jié)合高、低值指數(shù)年的合成分布（圖略）發(fā)現(xiàn)，925 hPa、700 hPa距平風(fēng)場上，南半球馬斯克林高壓偏強，另外，700 hPa距平風(fēng)場上SMJ通道以東存在順時針的距平環(huán)流，這樣的環(huán)流背景對應(yīng)ISMJ925、ISMJ700均偏強，SMJ垂直結(jié)構(gòu)呈“A＋”型；當(dāng)925 hPa、700 hPa距平風(fēng)場上，南半球馬斯克林高壓偏弱，700 hPa距平風(fēng)場上SMJ通道以東存在逆時針的距平環(huán)流，這樣的環(huán)流背景下ISMJ925、ISMJ700均偏弱，SMJ垂直結(jié)構(gòu)呈“A－”型。

圖8 夏季SMJ垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)異常時同期925 hPa（a、c）、700 hPa（b、d）距平風(fēng)場（m/s）合成差值分布（高指數(shù)年減低指數(shù)年）：（a、b）VS1指數(shù)；（c、d）VS2指數(shù)。淺、深陰影區(qū)表示風(fēng)速通過了95%、99%置信度檢驗Fig.8 Composite differences of the wind vectors (m/s) at (a, c) 925hPa and (b, d) 700 hPa in summer between high and low SMJ vertical structure indices:(a, b) VS1index, (c, d) VS2 index.Shaded areas represent the differences significant above the 95% (light color) and 99% (dark color) confidence levels

接著對VS2指數(shù)的高值年和低值年的925 hPa、700 hPa距平風(fēng)場進行合成分析。從925 hPa合成差值分布（圖8c）上可以看到，北半球阿拉伯海以南為顯著的偏西風(fēng)異常。700 hPa合成差值分布（圖8d）上，南半球馬達加斯加島以北為顯著的西風(fēng)異常，北半球阿拉伯海及印度半島受氣旋性環(huán)流控制。結(jié)合高、低值指數(shù)年的合成分布（圖略）發(fā)現(xiàn)，925 hPa距平風(fēng)場上，北半球阿拉伯海以南存在西風(fēng)距平，700 hPa距平風(fēng)場上南半球馬達加斯加島以北為西風(fēng)距平，北半球阿拉伯海及印度半島受氣旋性距平環(huán)流控制，這樣的環(huán)流背景對應(yīng)ISMJ925偏強、ISMJ700偏弱，SMJ垂直結(jié)構(gòu)呈“B＋”型；當(dāng)925 hPa距平風(fēng)場上，北半球阿拉伯海以南為東風(fēng)距平，700 hPa距平風(fēng)場上馬達加斯加島以北存在東風(fēng)距平，北半球阿拉伯海及印度半島受反氣旋性距平環(huán)流控制，這樣的環(huán)流背景下ISMJ925偏弱、ISMJ700偏 強，SMJ垂直結(jié)構(gòu)呈“B－”型。

根據(jù)上述的分析可以看出，與SMJ“A”型垂直結(jié)構(gòu)變化相聯(lián)系的風(fēng)場環(huán)流系統(tǒng)有925 hPa、700 hPa南半球馬斯克林高壓、以及700 hPa索馬里地區(qū)附近的渦旋距平；與SMJ“B”型垂直結(jié)構(gòu)變化相聯(lián)系的系統(tǒng)為925 hPa北半球阿拉伯海以南的緯向風(fēng)異常、700 hPa南半球馬達加斯加島以北的緯向風(fēng)異常、北半球阿拉伯海及印度半島地區(qū)的渦旋距平。

5 夏季 SMJ垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)與東亞夏季風(fēng)環(huán)流和降水的關(guān)系

5.1 東亞夏季風(fēng)環(huán)流

越赤道氣流是亞洲夏季風(fēng)的源頭，這里進一步探討夏季SMJ垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)與東亞夏季風(fēng)的關(guān)系。采用施能等人（1996）的東亞夏季風(fēng)強度指數(shù)，絕對值大的正指數(shù)值表示弱夏季風(fēng)，絕對值大的負(fù)指數(shù)值表示強夏季風(fēng)。圖9a給出了VS1指數(shù)和東亞夏季風(fēng)強度指數(shù)的多年序列，二者相關(guān)較好，相關(guān)系數(shù)為－0.35（去掉了長期趨勢），通過了99%置信度檢驗，另外可以看到前四十年里兩者對應(yīng)很好，相關(guān)系數(shù)高達－0.54。圖9b給出了VS2指數(shù)和東亞夏季風(fēng)強度指數(shù)的時間序列，二者為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 0.33（去掉了長期趨勢），同樣通過了 99%置信度檢驗?？梢?，夏季SMJ“A＋”（“A－”）型垂直結(jié)構(gòu)對應(yīng)強（弱）東亞夏季風(fēng)，夏季SMJ“B＋”（“B－”）型垂直結(jié)構(gòu)對應(yīng)弱（強）東亞夏季風(fēng)。

為了繼續(xù)說明垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)與東亞夏季風(fēng)的同期關(guān)系，給出VS1指數(shù)與850 hPa風(fēng)場、地面氣壓場的同期相關(guān)分布，如圖10a?？梢钥吹絍S1指數(shù)與東亞夏季風(fēng)存在顯著的正相關(guān)，從陰影區(qū)分布可知，亞洲大陸上為顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)，中心位于蒙古地區(qū)，太平洋中部洋面上存在一個顯著的正相關(guān)區(qū)。分析可得，當(dāng)VS1指數(shù)偏高時，亞洲大陸低壓系統(tǒng)發(fā)展強盛，海洋高壓偏強，在亞洲大陸和北太平洋之間形成了從海洋指向大陸的東西向的異常氣壓梯度，因此海陸熱力對比增強，對夏季風(fēng)起加速作用；反之，當(dāng)VS1指數(shù)偏低時，大陸熱低壓偏弱，海洋高壓亦偏弱，它們之間存在從大陸指向海洋的東西向的異常氣壓梯度，海陸熱力對比不明顯，夏季風(fēng)偏弱。采用前文挑選得到的典型年份，對高、低 VS1指數(shù)年進行合成分析（圖略），可以進一步看到VS1指數(shù)與東亞夏季風(fēng)有很好的對應(yīng)關(guān)系。因此，夏季SMJ“A＋”（“A－”）型結(jié)構(gòu)對應(yīng)強（弱）的東亞夏季風(fēng)。

圖10b為VS2指數(shù)與850 hPa風(fēng)場、地面氣壓場的同期相關(guān)分布，可以看到VS2指數(shù)與東亞夏季風(fēng)存在顯著的負(fù)相關(guān)，從陰影區(qū)分布可知，東亞沿海地區(qū)為顯著的正相關(guān)區(qū)，西太平洋存在顯著的負(fù)相關(guān)。分析可得，當(dāng)VS2指數(shù)偏高時，東亞地區(qū)地面氣壓增強，西太平洋副熱帶高壓偏弱，兩者之間形成了從大陸指向海洋的異常氣壓梯度，東亞夏季風(fēng)偏弱；反之，當(dāng)VS2指數(shù)偏低時，東亞地區(qū)地面氣壓減弱，西太平洋副熱帶高壓偏強，兩者之間形成了從海洋指向大陸的異常氣壓梯度，使得東亞夏季風(fēng)偏強。對高、低VS2指數(shù)年進行合成分析（圖略）的結(jié)果也進一步說明了上述對應(yīng)關(guān)系。因此，夏季SMJ“B＋”（“B－”）型結(jié)構(gòu)對應(yīng)弱（強）的東亞夏季風(fēng)。

圖9 東亞夏季風(fēng)強度指數(shù)和夏季SMJ垂直結(jié)構(gòu)指數(shù) (a) VS1、(b) VS2的時間變化（已去掉線性趨勢，數(shù)值已標(biāo)準(zhǔn)化）Fig.9 Detrended and standardized East Asian summer monsoon index (dashed line) and (a) VS1 index (solid line) and (b) VS2 index (solid line) during 1950–2010

圖10 夏季SMJ垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)與同期850 hPa風(fēng)場（矢量）、地面氣壓場（等值線）的相關(guān)分布：（a）VS1指數(shù)；（b）VS2指數(shù)。陰影區(qū)表示與地面氣壓的相關(guān)系數(shù)通過了95%置信度檢驗，箭頭表示與風(fēng)場的相關(guān)系數(shù)通過了95%置信度檢驗Fig.10 Contemporaneous correlations between indices and 850-hPa winds (vectors) and surface pressure (isolines) in summer: (a) VS1 index; (b) VS2index.Shaded areas represent the correlations of indices with surface pressure significant above the 95% confidence level, arrows denote the correlations of indices with 850-hPa winds significant above the 95% confidence level

由上述可知，夏季SMJ垂直結(jié)構(gòu)異常時，東亞海陸熱力對比程度隨之改變，造成東亞夏季風(fēng)的強度發(fā)生變化。值得一提的是，與VS1指數(shù)關(guān)系密切的夏季風(fēng)主要位于我國，與VS2指數(shù)關(guān)系密切的夏季風(fēng)主要位于日本列島及其附近海域。

5.2 東亞夏季降水特征

SMJ對兩半球間的水汽輸送起著十分重要的作用，它把水汽從冬半球輸送到夏半球，因此夏季SMJ垂直結(jié)構(gòu)的異常很可能會造成東亞季風(fēng)區(qū)內(nèi)水汽輸送異常，并使降水發(fā)生變化。由于本文研究的對象是對流層中低層（1000 hPa至600 hPa）內(nèi)SMJ的垂直結(jié)構(gòu)，這里分析1000 hPa至600 hPa厚度層內(nèi)水汽通量的變化。

圖11a中陰影部分表明VS1指數(shù)和我國內(nèi)蒙古東部、華北地區(qū)降水存在顯著正相關(guān)。箭頭表明我國東部地區(qū)40°N以南VS1指數(shù)和水汽通量矢量在緯向和經(jīng)向上都為正相關(guān)，40°N以北緯向為正相關(guān)，經(jīng)向為負(fù)相關(guān)。表明VS1指數(shù)偏高時，SMJ垂直結(jié)構(gòu)對應(yīng)“A＋”型，40°N以南西南風(fēng)水汽輸送加強，40°N以北西北風(fēng)水汽輸送加強，水汽在我國內(nèi)蒙古東部和華北地區(qū)輻合加強，使得這些地區(qū)降水加強；反之，VS1指數(shù)偏低時，SMJ垂直結(jié)構(gòu)對應(yīng)“A－”型，內(nèi)蒙古東部和華北地區(qū)降水減弱。由圖11b可知VS2指數(shù)偏高時，即SMJ垂直結(jié)構(gòu)為“B＋”型，我國江南、日本西南風(fēng)水汽輸送減弱，從而該地區(qū)的降水顯著偏少；反之，VS2指數(shù)偏低時，即SMJ垂直結(jié)構(gòu)為“B－”型，西南風(fēng)水汽輸送加強，我國江南、日本降水顯著偏多。另外，兩指數(shù)均與印度季風(fēng)區(qū)降水關(guān)系顯著，VS2指數(shù)還和內(nèi)蒙古地區(qū)的降水有著顯著的正相關(guān)。降水的形成條件十分復(fù)雜，這里僅從水汽輸送的角度進行了簡單討論，需進一步從其它條件來分析。

圖11 夏季SMJ垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)與同期1000 hPa至600 hPa垂直積分的水汽通量場（矢量）、降水場（等值線）的相關(guān)分布：（a）VS1指數(shù)；（b）VS2指數(shù)。陰影區(qū)表示與降水的相關(guān)系數(shù)通過了90%置信度檢驗Fig.11 Contemporaneous correlations between indices and vertically integrated water vapor flux vectors from 1000 hPa to 600 hPa (vectors) and precipitation(isolines) in summer: (a) VS1 index; (b) VS2 index.Shaded areas represent the correlations of indices with precipitation significant above the 90% confidence level

結(jié)合圖11和圖10的矢量分布，可知VS1指數(shù)和VS2指數(shù)分別與東亞季風(fēng)區(qū)對流層中低層內(nèi)水汽輸送矢量的同期相關(guān)分布和兩個指數(shù)分別與東亞夏季風(fēng)環(huán)流的相關(guān)分布基本一致。綜上，夏季SMJ垂直結(jié)構(gòu)的變化可以直接影響東亞西南季風(fēng)，同時改變對流層中低層內(nèi)東亞季風(fēng)區(qū)內(nèi)的水汽輸送量，從而再影響東亞氣候。雖然針對SMJ與夏季風(fēng)活動的聯(lián)系已有不少研究，但這里從一個全新的角度闡釋了這種聯(lián)系，側(cè)重分析了 SMJ垂直結(jié)構(gòu)變化與東亞夏季風(fēng)環(huán)流和降水的關(guān)系，這有利于進一步認(rèn)識季風(fēng)活動規(guī)律。

6 小結(jié)與討論

通過對夏季SMJ的分析以及資料的對比，本文揭示了夏季對流層中低層 SMJ存在不同的垂直結(jié)構(gòu)，并對垂直結(jié)構(gòu)的時空演變特征進行了分析，在此基礎(chǔ)上對垂直結(jié)構(gòu)型進行分類，定義了結(jié)構(gòu)指數(shù)，最后著重討論了SMJ垂直結(jié)構(gòu)與大氣環(huán)流、東亞夏季風(fēng)的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

（1）對流層中低層SMJ存在不同的垂直結(jié)構(gòu)，且具有顯著的年際、年代際變化特征。夏季 SMJ主要呈現(xiàn)出全區(qū)一致、上下反相兩種分布型（“A”型和“B”型），將其細(xì)分為四類，即一致增強型（“A＋”型）、一致減弱型（“A－”型）、上弱下強型（“B＋”型）和上強下弱型（“B－”型）。兩種SMJ垂直結(jié)構(gòu)型是比較穩(wěn)定的，不隨資料或時間段不同而發(fā)生大的變動。

（2）將 EOF分析得到的前兩個主要模態(tài)的時間系數(shù)分別作為表征“A”型和“B”型垂直結(jié)構(gòu)的指數(shù)VS1和VS2，對高指數(shù)年和低指數(shù)年的合成分析表明，SMJ“A”型垂直結(jié)構(gòu)與925 hPa、700 hPa南半球馬斯克林高壓、以及700 hPa索馬里地區(qū)附近的渦旋距平關(guān)系密切；SMJ“B”型垂直結(jié)構(gòu)與925 hPa北半球阿拉伯海以南的緯向風(fēng)異常、700 hPa南半球馬達加斯加島以北的緯向風(fēng)異常、北半球阿拉伯海及印度半島地區(qū)的渦旋距平關(guān)系密切。

（3）夏季SMJ垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)與東亞夏季風(fēng)活動關(guān)系密切。當(dāng)VS1指數(shù)為高指數(shù)，即SMJ呈“A＋”型垂直結(jié)構(gòu)時，海陸熱力對比增強，東亞夏季風(fēng)偏強，我國內(nèi)蒙古東部、華北地區(qū)水汽輻合加強，降水偏多；反之亦然。當(dāng)VS2指數(shù)為高指數(shù)，即SMJ呈“B＋”型垂直結(jié)構(gòu)時，海陸熱力對比減弱，東亞夏季風(fēng)偏弱，我國江南、日本地區(qū)水汽輸送減弱，降水偏少；反之亦然。值得一提的是，與VS1指數(shù)關(guān)系密切的夏季風(fēng)活動主要位于我國，與VS2指數(shù)關(guān)系密切的夏季風(fēng)活動主要位于日本列島及其附近海域。

最后需要說明的是，本文給出的結(jié)果僅限于同期關(guān)系，然而關(guān)于SMJ通道在垂直尺度上的偏移、SMJ不同垂直結(jié)構(gòu)的發(fā)生發(fā)展機制以及 SMJ垂直結(jié)構(gòu)如何與東亞海陸熱力差異聯(lián)系等問題都需要更深入的研究。

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