西中太平洋經(jīng)向大氣環(huán)流的年際變化*

王 啟，宮曉慶

（中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室，山東省高校海洋－大氣相互作用于氣候重點實驗室，山東 青島 266100）

Hadley環(huán)流是南北半球間以及熱帶和副熱帶之間質(zhì)量、動量和角動量輸送的主要通道，具有非常重要的研究意義，自1735年由Hadley提出解釋以來［1］，受到學者的廣泛關注［2－5］。

緯向平均經(jīng)圈環(huán)流（MMC，Mean Meridional Circulation）是子午面上由沿緯圈平均的風經(jīng)向分量υ和垂直分量ω構成的環(huán)流。目前，關于MMC的研究尤其是沿全緯圈Hadley環(huán)流的研究有很多。隨著觀測數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展，Hadley環(huán)流的季節(jié)分布特征已經(jīng)得到認證［6－8］。近年來，許多學者關注并研究了全緯圈Hadley環(huán)流年際、年代際變化特征，而且發(fā)現(xiàn)Hadley環(huán)流與熱帶地區(qū)海表面溫度（SST）關系密切。Oort and Yienger［9］指出，Hadley環(huán)流的強度與赤道中東太平洋的SSTa呈正相關關系，而與Walker環(huán)流呈負相關。周波濤和王會軍［10］對北半球冬季和夏季的 Hadley環(huán)流分別進行討論，發(fā)現(xiàn)冬季北半球Hadley環(huán)流有明顯的年代際增強的趨勢，而夏季控制熱帶地區(qū)經(jīng)向環(huán)流的南半球Hadley環(huán)流為周期性年代際變化，沒有明顯的趨勢，冬、夏季節(jié) Hadley環(huán)流年際變化與Nio 3區(qū)SSTa呈顯著正相關。馬杰和李建平［11］指出，北半球冬季Hadley環(huán)流有顯著的年代際增強趨勢，與印度洋－西太平洋暖池地區(qū)海溫相關顯著，而ENSO則主要作用于其年際變化。馮然等［12］對北半球夏季Hadley環(huán)流進行分析，得到類似的結論。馮娟等［13－14］分析了北半球春季 Hadley環(huán)流的年際、年代際變化特征，指出赤道中東太平洋海溫異常和印度洋－西太平洋暖池區(qū)異常海溫的重要作用。

關于全緯圈Hadley環(huán)流的研究已經(jīng)有很多，但是，由于海陸分布不均，沿整個緯圈的大氣環(huán)流也各有各的特征，很有必要進行緯向區(qū)域劃分，分析不同區(qū)域Hadley環(huán)流的特征及影響因素。目前，已經(jīng)有學者重點關注了季風區(qū)和東西太平洋的經(jīng)向環(huán)流特征，發(fā)現(xiàn)各個區(qū)域環(huán)流分布不同，并且有各自的季節(jié)和年際變化特征。陳月娟等［15－16］討論了110°E～140°E經(jīng)向環(huán)流的年際變化特征及其與東亞季風的聯(lián)系，并從中得出東亞季風環(huán)流強度變化與ENSO有一定的關系。Wang［17］對比了El Nio（La Nia）生消各個階段東西太平洋上空Hadley環(huán)流的異常場分布，發(fā)現(xiàn)東、西太平洋Hadley環(huán)流在El Nio（La Nia）階段呈反位相變化。秦育婧和王盤興［18］對比分析了季風區(qū)和Nio區(qū)局域經(jīng)向環(huán)流的季節(jié)和年際變化特征，及其與SST的關系，發(fā)現(xiàn)ENSO事件對于不同區(qū)域環(huán)流都有重要作用。

從前人的研究可知，分區(qū)域進行經(jīng)向環(huán)流研究非常有必要，而現(xiàn)在的研究相對較少，且不同學者對區(qū)域的劃分標準各不相同。本文將給出合理的標準進行區(qū)域劃分，并研究相應的環(huán)流特征。

1 資料與定義

本文主要采用NCEP/NCAR月平均再分析資料［19］中的速度勢χ和垂直速度ω，水平分辨率為2.5（°）×2.5（°），垂直方向從1 000～10hPa，共17層，但ω僅有從1 000～100hPa共12層資料。海表面溫度（SST）用的是NOAA提供的ERSST（Extended Reconstructed Sea Surface Temperature）數(shù)據(jù)［20］，水平分辨率為2（°）×2（°）。另外還用到 NOAA提供的 Nio 3.4指數(shù)。所有資料的時間跨度均為1951年1月～2010年12月，共720個月。

文中將使用經(jīng)向質(zhì)量流函數(shù)來表征經(jīng)向環(huán)流。水平風場可以分解為無散的旋度風和無旋的散度風。在氣壓坐標系下的連續(xù)方程中，只有散度風能夠引起垂直運動ω，而旋度風對ω不起作用。

對球面－氣壓坐標系下的連續(xù)方程求緯向平均，得到：

利用方程（1）可定義一個二維質(zhì)量流函數(shù)ψ：

其中：φ為緯度；p為壓強。實際計算時采用王盤興［21］提出的雙向疊加方案：設邊界條件地面（ps＝1 013 hPa）和大氣層頂（p＝0）質(zhì)量流函數(shù)為0，分別對（2）式進行向上、向下積分，得到每個經(jīng)度格點i上空單位格點寬度的質(zhì)量流函數(shù)ψi（φ，p）：

對于經(jīng)度格點i＝（a，b）的區(qū)域，該區(qū)域的總質(zhì)量流函數(shù)ψ（φ，p）為：

2 經(jīng)向環(huán)流年際異常的區(qū)域劃分

由經(jīng)向質(zhì)量流函數(shù)ψ的定義可知，其正值表示順時針的經(jīng)圈環(huán)流，即北半球的正Hadley環(huán)流；負值表示逆時針的經(jīng)圈環(huán)流，即南半球的正Hadley環(huán)流，并且經(jīng)圈環(huán)流的中心對應著ψ的極值區(qū)。從全緯圈年際異常的經(jīng)向環(huán)流分析結果看，異常環(huán)流中心位于400hPa左右［22］。因此，為了合理確定Hadley環(huán)流年際異常的區(qū)域，本節(jié)首先分析ψ在400hPa的特性。

對400hPa南北緯30°范圍內(nèi)ψ的年際異常進行EOF分解，第一模態(tài)空間分布如圖1上圖所示，下圖為用ψ計算得到的垂直運動場ω，圖中ψ的單位為107kg/s。

圖1 400hPa質(zhì)量流函數(shù)（上圖，單位：107 kg/s）年際分量第一模態(tài)及相應的垂直速度ω（下圖，單位：10－4hPa/s）的空間分布Fig.1 Spatial distribution for mode1of MSF interannual anomaly（upper，Unit：107 kg/s）and the corresponding vertical velocityω（lower，Unit：10－4hPa/s）

圖1上圖顯示，沿整個緯圈質(zhì)量流函數(shù)有3對關于赤道反對稱的異常中心，其經(jīng)度位置分別在120°E、170°W和50°W 附近。其中170°W 的北（南）半球正（負）異常，強度最強，中心位于北（南）緯7（10）度左右；120°E的是與170°W異常符號相反的2個中心，強度次之，北（南）半球負（正）中心位于北（南）緯20度左右；50°W是與120°E符號相同的2個中心，強度較弱，北（南）半球負（正）中心位北（南）緯20（15）度左右。3對質(zhì)量流函數(shù)異常分別對應著西太平洋暖池的異常下沉、赤道中太平洋的異常上升和赤道大西洋的異常下沉（見圖1下圖）。本文將主要關注太平洋的Hadley環(huán)流年際異常，并根據(jù)圖1將其沿緯向分為各跨40個經(jīng)度的2個區(qū)域：西太平洋區(qū)（WP，100°E～140°E）和中太平洋區(qū)（CP，170°E～150°W），如圖1中黑色粗線劃出的范圍。

3 西中太平洋經(jīng)向環(huán)流的季節(jié)變化

在分析太平洋Hadley環(huán)流年際異常之前，有必要先了解其季節(jié)變化特征，以清晰異常環(huán)流與實際環(huán)流的關系（實際環(huán)流＝異常環(huán)流＋季節(jié)環(huán)流）。圖2分別給出了WP區(qū)和CP區(qū)的季節(jié)環(huán)流。圖2及其后面關于質(zhì)量流函數(shù)的分布圖，單位均為109kg/s，不同于圖1。

圖2 WP區(qū)域（上圖）和CP區(qū)域（下圖）的垂直速度（陰影，正值上升、負值下沉）和質(zhì)量流函數(shù)（曲線，單位：109kg/s）緯度－高度（單位：hPa）場的季節(jié)分布Fig.2 Seasonal evolution of vertical velocity（shaded，positive for ascending，and negative for descending）and MSF in latitude-height field（contour，unit 109 kg/s）for WP area（the upper row）and CP area（the lower row）

WP區(qū)（見圖2上圖）有南北2支Hadley環(huán)流，但以各半球冬季Hadley環(huán)流占主導地位。北半球冬季，北支Hadley環(huán)流水平跨度為10°S～40°N（南支在10°S～40°S），最大上升運動高度（也是環(huán)流中心高度）在350 hPa左右，經(jīng)向范圍在15°S～5°N之間，35°N有較強下沉中心，高度在500hPa左右；北半球夏季，南支Hadley環(huán)流水平跨度為30°S～20°N（北支很弱，北退到中緯度），最大上升運動高度在400hPa左右，經(jīng)向范圍在10°N～20°N之間，下沉區(qū)主要在25°S～15°S之間，高度偏低；春、秋季節(jié)為過渡季節(jié)，但都是南支Hadley環(huán)流偏強。WP區(qū)域Hadley環(huán)流季節(jié)變化特性顯然是地形和暖池加熱決定的，特別是上升區(qū)的季節(jié)移動，應該是暖池上空凝結潛熱的作用結果。

CP區(qū)（見圖2下圖）2支Hadley環(huán)流都比WP區(qū)的弱得多，環(huán)流中心高度偏低（年平均約在450～500hPa左右），經(jīng)向跨度較窄。其最大特點是主要上升區(qū)關于赤道對稱，但明顯分為離開赤道的南北2支，赤道區(qū)上升很弱，即2支Hadley環(huán)流在赤道區(qū)是分離的。除了一月份南支Hadley環(huán)流上升運動較強外，其余季節(jié)，2支上升運動差別不大，位置的季節(jié)移動也較小。CP區(qū)域Hadley環(huán)流季節(jié)變化特性應該是赤道冷舌和赤道輻合帶位置決定的，其上升支主要受赤道輻合帶上空的潛熱釋放驅(qū)動，驅(qū)動力要遠低于西太暖池。

4 西中太平洋經(jīng)向環(huán)流的年際變化

分別對 WP區(qū)域（100°E～140°E，60°S～60°N）和CP區(qū)域（170°E～150°W，60°S～60°N）質(zhì)量流函數(shù)的年際異常做EOF分解，其中WP區(qū)第一模態(tài)和第二模態(tài)的方差貢獻分別為62.0%和18.6%，CP區(qū)第一模態(tài)和第二模態(tài)的方差貢獻分別為58.8%和22.7%。2個區(qū)域的第一模態(tài)都能夠解釋60%左右的方差貢獻，第一模態(tài)與第二模態(tài)之和解釋了80%之多的方差。

圖3給出了2個區(qū)域第一模態(tài)的空間分布和時間序列。對比圖3a、b發(fā)現(xiàn)，2個區(qū)域第一模態(tài)是關于赤道對稱，但互為反向的異常環(huán)流。WP區(qū)域異常環(huán)流范圍寬廣，已超南北緯60°，異常環(huán)流中心高度在400hPa左右，赤道下沉區(qū)占據(jù)了40個緯度之多（20°S～20°N），但強度較弱，尤其是副熱帶外的垂直運動強度更弱；CP區(qū)域異常環(huán)流寬度較窄，僅達南北緯30°左右，赤道上升區(qū)局限于10°S～10°N之間，但赤道區(qū)和赤道外區(qū)的垂直運動都較強，環(huán)流中心高度也偏高，位于350hPa左右。由圖3c可以看出，2個區(qū)域年際異常第一模態(tài)的時間系數(shù)演變非常一致，同期相關系數(shù)可達0.85，而且WP區(qū)超前CP區(qū)1個月時的相關系數(shù)最大，達0.86。

圖3 WP區(qū)域和CP區(qū)域經(jīng)向環(huán)流年際分量第一模態(tài)的空間、時間分布Fig.3 Spatial and temporal distribution of mode1for MSF interannual variation

比較WP區(qū)第一模態(tài)的空間型（見圖3a）與氣候態(tài)的Hadley環(huán)流（見圖2上圖）可知，當?shù)谝荒B(tài)為正位相時（時間系數(shù)為正），20°S～20°N為異常下沉，而 WP區(qū)氣候態(tài)的Hadley環(huán)流在10°S～20°N基本是上升運動，在20°S～10°S基本是下沉運動，所以當WP區(qū)第一模態(tài)正（負）位相時將削弱（加強）Hadley環(huán)流的上升運動。

當CP區(qū)第一模態(tài)的空間型（見圖3b）正位相時，10°S～10°N為異常上升，而CP區(qū)氣候態(tài)的Hadley環(huán)流基本是分離在赤道兩側(cè)的上升運動，下沉區(qū)一般在20°以外（見圖2下圖）。所以當CP區(qū)第一模態(tài)正（負）位相時將加強（削弱）Hadley環(huán)流，并使該區(qū)Hadley環(huán)流向赤道收縮（離赤道發(fā)散）。

圖4所示為2個區(qū)域第二模態(tài)的時空變化特征。對比圖4a、b發(fā)現(xiàn)，2個區(qū)域第二模態(tài)的空間型在熱帶地區(qū)比較相似，主要環(huán)流均為跨赤道的逆時針環(huán)流，異常環(huán)流中心高度在350hPa左右，較強的上升區(qū)位于5°N～15°N，下沉區(qū)位于赤道以南；WP（CP）區(qū)的北支順時針環(huán)流很弱（較強），北邊界僅達30°N（已達60°N）多。2個區(qū)域第二模態(tài)的空間型在南半球副熱帶差異較大，WP區(qū)為很弱的順時針環(huán)流，而CP區(qū)為逆時針環(huán)流。

2個區(qū)域第二模態(tài)的時間系數(shù)（見圖4c）相關性也較高，尤其是峰期非常一致，同期相關系數(shù)為0.54，遠超99%信度。

2個區(qū)域第二模態(tài)對氣候態(tài)Hadley環(huán)流的影響主要表現(xiàn)在：當?shù)诙B(tài)正（負）位相時將加強（削弱）5°N～15°N兩區(qū)Hadley環(huán)流的上升運動?？紤]到2個區(qū)域Hadley環(huán)流在5°N～15°N基本上為上升區(qū)，因此當?shù)诙B(tài)正（負）位相時將加強（削弱）2個區(qū)域的Hadley環(huán)流。所以WP區(qū)和CP區(qū)Hadley環(huán)流年際異常的特點是2個區(qū)域的第一模態(tài)是相反的環(huán)流，時間系數(shù)十分一致；2個區(qū)域的第二模態(tài)是基本相同的環(huán)流，時間系數(shù)也較相似。因此可以設想，若將2個區(qū)域合在一起，Hadley環(huán)流年際異常的空間主要特征可能就類似2個區(qū)域較一致的第二模態(tài)異常分布型；2個區(qū)域第一模態(tài)之和，因為相互抵消，合區(qū)后可能會成為次要特征。時間系數(shù)可能分別與第二模態(tài)和第一模態(tài)的時間系數(shù)接近。

選取西中太平洋區(qū)域（100°E～150°W，60°S～60°N，記作WCP），即WCP區(qū)＝WP區(qū)＋CP區(qū)＋區(qū)域（140°E～170°E，60°S～60°N）。圖5和圖6給出了 WCP區(qū)質(zhì)量流函數(shù)年際異常的EOF分解結果，第一模態(tài)和第二模態(tài)的方差貢獻分別為39.6%和32.8%。

圖4 同圖3但為第二模態(tài)Fig.4 Same as Fig.3 but for Mode 2

圖5a給出的是WCP區(qū)的第一模態(tài)，圖5b是WP區(qū)和CP區(qū)的第二模態(tài)之和，可以看出，圖5a、b相似度很高；圖5c分別給出了圖5a的時間系數(shù)（黑線）和WP區(qū)和CP區(qū)第二模態(tài)的平均時間系數(shù)（紅線），兩者幾乎重合。

圖6a給出的是WCP區(qū)的第二模態(tài)，圖6b是WP區(qū)和CP區(qū)的第一模態(tài)之和，可以看出，圖6a、b也有較好的相似度；圖6c分別給出了圖6a的時間系數(shù)（黑線）和圖6b的時間系數(shù)（紅線），兩者也非常一致。

圖5 WCP區(qū)域年際分量第一模態(tài)空間分布（a），WP區(qū)和CP區(qū)第二模態(tài)平均的空間分布之和（b）及相應的時間系數(shù)（c）Fig.5 Spatial distribution for mode1of WCP interannual variation（a），sum of mode2of WP and CP area（b）and temporal distribution for mode1of WCP（black）and average of mode 2of WP and CP area（c）

圖6 WCP區(qū)域第二模態(tài)空間分布（a），WP區(qū)和CP區(qū)第一模態(tài)空間分布之和（b）及相應的時間系數(shù)（c）Fig.6 Spatial distribution for mode 2of WCP interannual variation（a），sum of mode1of WP and CP area（b）and temporal distribution for mode2of WCP（black）and average of mode1of WP and CP area（c）

總結上述結果，西中太平洋區(qū)域（WCP區(qū)）的Hadley環(huán)流年際異常的特點，一是西太平洋和中太平洋各有相反的Hadley環(huán)流對，西（中）太的Hadley環(huán)流對范圍寬（窄），強度弱（強）；隨時間變化可用 WCP區(qū)第二模態(tài)的時間系數(shù)（見圖6c中黑線）表示。另一特點是有全區(qū)統(tǒng)一的跨赤道Hadley環(huán)流，主要上升（下沉）區(qū)發(fā)生在5°N～15°N區(qū)間，；隨時間變化是 WCP區(qū)第一模態(tài)的時間系數(shù)（見圖5c中黑線）。

5 西中太平洋Hadley環(huán)流與ENSO的關系

ENSO現(xiàn)象是海－氣相互作用中最顯著的年際變化信號，那么Hadley環(huán)流的年際變化與ENSO有何聯(lián)系呢？圖7給出了WCP區(qū)第一模態(tài)和第二模態(tài)的時間系數(shù)及Nio3.4指數(shù)。可以看出，第二模態(tài)（相當于WP和CP區(qū)域的第一模態(tài)）的時間系數(shù)與Nio3.4指數(shù)極為一致，說明西太平洋和中太平洋相反的Hadley環(huán)流異常與ENSO關系密切；WCP區(qū)第一模態(tài)（相當于WP和CP區(qū)域的第二模態(tài)）的時間系數(shù)與Nio3.4指數(shù)沒有很好的一致性，但可以發(fā)現(xiàn)在幾次較強El Nio事件的發(fā)展（衰減）期，發(fā)生了第一模態(tài)的正（負）值峰值，例如1972—1973、1982—1983、1986—1987、1997—1998和2009—2010年等。

圖7 WCP區(qū)域第一模態(tài)（藍虛線）和第二模態(tài)（黑實線）時間系數(shù)及Nino3.4指數(shù)（紅實線）Fig.7 Temporal distribution for mode1（blue dashed line）and mode2（black solid line）of WCP interannual variation and Nio3.4index（red solid line）

圖8 WCP區(qū)域第一模態(tài)和第二模態(tài)的時間系數(shù)及Nio3.4指數(shù)相互的時滯相關Fig.8 Lead-lag correlation coefficient for mode1＆ Nio3.4（blue），mode2＆ Nio3.4（purple）and mode1＆mode2（black）

海表面溫度異常（SSTa）是驅(qū)動異常Hadley環(huán)流的重要因素，而且異常Hadley環(huán)流中心一般位于400hPa以上的高度，可知深對流潛熱加熱是主要機制，所以應主要關注暖池區(qū)和熱帶輻合帶（ITCZ）區(qū)域的SSTa。圖9給出了WCP區(qū)域第二模態(tài)時間系數(shù)對400hPa垂直速度異常和SSTa的回歸場。

圖9 WCP區(qū)域第二模態(tài)時間系數(shù)對400hPa垂直速度異常和SSTa的回歸場Fig.9 Regression of vertical velocity at 400hPa and SSTa by mode2time series of WCP area interannual variation

圖10給出了WCP區(qū)域第一模態(tài)時間系數(shù)對400hPa垂直速度異常和SSTa的回歸場。

圖10b顯示西中太平洋熱帶SSTa分布主要表現(xiàn)在5°N～15°N（ITCZ區(qū)）的正異常，對應著400hPa的上升運動，也是中心偏西于SSTa中心（見圖10a）。

圖10 WCP區(qū)域第一模態(tài)時間系數(shù)對400hPa垂直運動和SSTa的回歸場Fig.10 Regression of vertical velocity at 400hPa and SSTa by mode1time series of WCP area interannual variation

6 結論

本文分析了局域Hadley環(huán)流的年際變化特征，主要結論和討論如下：

（1）局域Hadley環(huán)流年際變化的最強信號位于西中太平洋區(qū)（約在100°E～150°W之間），并且西太平洋與中太平洋的異常Hadley環(huán)流反號，因此又將西中太平洋區(qū)分為西太平洋區(qū)（WP，100°E～140°E）和中太平洋區(qū)（CP，170°E～150°W）。WP區(qū)和 CP區(qū)質(zhì)量流函數(shù)年際異常的EOF第一模態(tài)和第二模態(tài)的方差貢獻都是60%和20%左右。2個區(qū)域第一模態(tài)的時間系數(shù)十分一致，第二模態(tài)的時間系數(shù)相關性也遠超99%信度。

（2）WP區(qū)第一模態(tài)的顯著特點是20°S～20°N為異常下沉，是南北跨度大的負Hadley環(huán)流；CP區(qū)第一模態(tài)的空間特點是10°S～10°N為較強異常上升，是南北跨度較小，但強度較強的正Hadley環(huán)流，2個區(qū)域第一模態(tài)的時間系數(shù)基本一致，與Nio3.4指數(shù)相關系數(shù)高達0.85。WP區(qū)和CP區(qū)第二模態(tài)的共同特點是在5°N～15°N都為上升運動，但在副熱帶差異較大，2個區(qū)域第二模態(tài)的時間系數(shù)相關系數(shù)達到0.54，但與Nio3.4指數(shù)同期相關系數(shù)很低。所以，WP區(qū)和CP區(qū)異常Hadley環(huán)流的第一模態(tài)在赤道區(qū)符號相反，而第二模態(tài)的主要差異是在副熱帶。

（3）將整個西中太平洋區(qū)（WCP，100°E～150°W）的Hadley環(huán)流質(zhì)量流函數(shù)年際異常做EOF分解，結果表明，第一模態(tài)對應著西中太平洋區(qū)一致型，即與 WP區(qū)和CP區(qū)的第二模態(tài)之和很相似；第二模態(tài)對應著西中太平洋區(qū)相反型，即與WP區(qū)和CP區(qū)的第一模態(tài)之和很相似。說明WP區(qū)和CP區(qū)的異常Hadley環(huán)流模態(tài)可以線性疊加，而時間系數(shù)不變，從而證實了兩區(qū)EOF分解的合理性。

（4）西中太平洋有兩類SSTa，通過其上的深對流潛熱加熱驅(qū)動異常Hadley環(huán)流：El Nio型驅(qū)動了 WP區(qū)和CP區(qū)赤道區(qū)符號相反的第一模態(tài)異常環(huán)流型；ITCZ型驅(qū)動了WP區(qū)和CP區(qū)5°N～15°N區(qū)符號一致的第二模態(tài)異常環(huán)流型。超前滯后相關系數(shù)分析表明，SSTa和異常Hadley環(huán)流是海－氣相互作用的結果。

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