夏季哈德萊環(huán)流強(qiáng)度變化與亞洲季風(fēng)區(qū)經(jīng)向水汽輸送的關(guān)系

郝 然

(中國(guó)民用航空華東地區(qū)空中交通管理局氣象中心，上海 200335)

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夏季哈德萊環(huán)流強(qiáng)度變化與亞洲季風(fēng)區(qū)經(jīng)向水汽輸送的關(guān)系

郝 然

(中國(guó)民用航空華東地區(qū)空中交通管理局氣象中心，上海 200335)

摘要采用NCEP/NCAR再分析資料，計(jì)算了夏季哈德萊環(huán)流(H.C.)強(qiáng)度，分析了夏季H.C.強(qiáng)度年際、年代際變化特征，以及亞洲季風(fēng)區(qū)夏季水汽輸送的氣候特征，并研究了夏季哈德萊環(huán)流強(qiáng)度與亞洲季風(fēng)區(qū)水汽輸送的關(guān)系。結(jié)果表明，1979～2010年夏季南半球H.C.強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)趨勢(shì)，同時(shí)也有明顯的年際變化。索馬里東部洋面和印尼東部洋面是南半球水汽北轉(zhuǎn)輸入亞洲的重要區(qū)域；夏季南半球哈德萊環(huán)流強(qiáng)度與索馬里東部洋面和印尼東部洋面的經(jīng)向水汽輸送呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與在我國(guó)中東部—南海南部、阿拉伯海東南部的經(jīng)向水汽輸送呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞水汽輸送；哈德萊環(huán)流；亞洲季風(fēng)區(qū)；經(jīng)向水汽輸送；夏季

哈德萊環(huán)流(Hadley Circulation，以下簡(jiǎn)記為H.C.)，是熱帶地區(qū)子午面(即經(jīng)圈平面)上行星尺度的垂直熱力環(huán)流圈，它由2個(gè)閉合環(huán)流圈構(gòu)成，其公共上升支與熱帶輻合帶(ITCZ)對(duì)應(yīng)，而下沉支與兩半球副熱帶高壓帶對(duì)應(yīng)，其位置、強(qiáng)度存在明顯的季節(jié)變化[1-4]。在地氣系統(tǒng)的能量平衡中，熱帶區(qū)域是能源所在[1-2]，熱帶海洋、大氣吸收的太陽(yáng)輻射能量占地氣系統(tǒng)吸收太陽(yáng)輻射總量的主要部分，通過(guò)海、氣環(huán)流將熱量向熱帶外輸送，驅(qū)動(dòng)了全球海洋和大氣環(huán)流。在熱量由熱帶向熱帶外輸送的過(guò)程中，H.C.是大氣環(huán)流中最主要的角色。吳國(guó)雄等[5]和Trenberth等[6]研究表明，H.C.低層將水汽向赤道輸送，在上升支中水汽凝結(jié)釋放潛熱，其垂直支的絕熱加熱效應(yīng)平衡著自由大氣中熱通量的輻散和大氣的非絕熱加熱。大氣水汽輸送在能量與水分循環(huán)中具有重要作用，其異常變化對(duì)降水有重要的影響[7-8]。

我國(guó)處于亞洲季風(fēng)區(qū)，氣候與亞洲季風(fēng)密切相關(guān)，夏季受到來(lái)自低緯熱帶地區(qū)的印度西南季風(fēng)及南海季風(fēng)和西太平洋副熱帶東南季風(fēng)的影響。夏季風(fēng)的活動(dòng)決定了季風(fēng)水汽輸送結(jié)構(gòu)、路徑和進(jìn)入我國(guó)水汽的強(qiáng)弱，進(jìn)而影響我國(guó)東部雨帶及降水強(qiáng)度的變化，尤其是長(zhǎng)江中下游地區(qū)的梅雨降水及其異常與亞洲季風(fēng)環(huán)流之間存在非常密切的關(guān)系[8]。因此，搞清亞洲季風(fēng)水汽輸送及H.C.對(duì)其影響的規(guī)律，對(duì)改進(jìn)和提高季風(fēng)期降水和旱澇預(yù)報(bào)具有重要的經(jīng)濟(jì)和學(xué)術(shù)價(jià)值。筆者將H.C.質(zhì)量流函數(shù)最大值代表H.C.強(qiáng)度，研究了夏季H.C.對(duì)亞洲季風(fēng)區(qū)水汽輸送的作用，并分析了其主要影響方式和對(duì)各地影響的區(qū)別。

1資料與方法

1.1資料選取采用的資料包括NCEP/NCAR月平均風(fēng)場(chǎng)資料、月平均海平面氣壓場(chǎng)資料和月平均水汽場(chǎng)資料，覆蓋時(shí)段為1979年1月～2010年12月，水平分辨率為2.5°×2.5°，風(fēng)場(chǎng)和水汽場(chǎng)資料垂直分為4層(1000、925、850、700 hPa等壓面)。

1.2分析方法

1.2.2H.C.的質(zhì)量流函數(shù)的計(jì)算方案。根據(jù)文獻(xiàn)[2]可知，全域H.C.的質(zhì)量流函數(shù)由下式之一定義：

(1)

(2)

1.2.3相關(guān)系數(shù)(r)計(jì)算方案。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

(3)

相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)使用t分布檢驗(yàn)：

(4)

該研究中自由度n-2取30，故在0.05信度下，臨界相關(guān)系數(shù)rc=0.349。

(5)

其中，波數(shù)k對(duì)應(yīng)的角頻率ωk、周期Tk，k=1～3波對(duì)應(yīng)周期10a以上振蕩，將其歸為慢變波，標(biāo)為s，它們與年代際變化對(duì)應(yīng)；其余波動(dòng)均為周期<10a的振蕩，將其歸為快變波，標(biāo)為f，它們與年際變化對(duì)應(yīng)。于是x′(ty)被分解為年代際、年際變化2個(gè)部分：

(6)

(7)

2夏季H.C.氣候特征分析

2.1夏季H.C.質(zhì)量流函數(shù)氣候態(tài)由圖1可知，夏季南半球H.C.強(qiáng)盛，范圍廣大，中心強(qiáng)度絕對(duì)值在180×109kg/s以上，700 hPa以下低層南北貫穿50個(gè)緯度左右；夏季北半球H.C.強(qiáng)度很弱。因此，下面僅關(guān)注夏季南半球H.C.的情況。

2.2夏季南半球H.C.強(qiáng)度變化特征由圖2可見(jiàn)，近32 a夏季H.C.強(qiáng)度為150×109～220×109kg/s，存在年際和年代際變化；1979～1984年環(huán)流強(qiáng)度有明顯減弱，之后隨時(shí)間序列增加，強(qiáng)度有增加趨勢(shì)，特別是20世紀(jì)90年代后期至2010年增幅均較大。

為了分析夏季南半球H.C.的年際和年代際變化特征，對(duì)強(qiáng)度序列(圖2)中心化處理后進(jìn)行了諧波分析，將其強(qiáng)度變化分解為年際和年代際變化2個(gè)部分。由圖3可見(jiàn)，夏季南半球H.C.強(qiáng)度有明顯的年際變化，最強(qiáng)為1986年，最弱為1996年，且1994～1999年變化最為劇烈；夏季南半球H.C.強(qiáng)度的年代際變化也十分顯著，1981～1996年為負(fù)位相年，1997～2010為正位相年，其中1984年負(fù)位相達(dá)最大值，2008年正位相最大。

圖1　1979～2010年夏季H.C.質(zhì)量流函數(shù)氣候平均態(tài)(單位：109 kg/s)Fig.1　Mass flow function climate mean state of H.C.during summer of 1979-2010

圖2　1979～2010年夏季南半球H.C.強(qiáng)度變化Fig.2　The change of H.C.intensity in southern hemisphere in summer during 1979-2010

圖3　1979～2010年夏季南半球H.C.強(qiáng)度年際(a)和年代際(b)變化特征諧波分析Fig.3　Annual(a)and interannual variation characteristics of H.C.intensity in southern hemisphere in summer during 1979-2010

3亞洲季風(fēng)區(qū)夏季水汽輸送氣候特征分析

從1979～2010年夏季水汽通量矢量氣候態(tài)(圖4a)可以看出，水汽越赤道后，通向亞洲地區(qū)的水汽輸送通道有2條，按照它們與我國(guó)的相對(duì)位置，可分為西南路和東南路：①西南路，南半球低緯地區(qū)西行的氣流在索馬里東部洋面附近越赤道進(jìn)入北半球，并逐漸東偏，經(jīng)過(guò)阿拉伯海時(shí)變?yōu)闁|向氣流，到達(dá)印度后產(chǎn)生南向分量，而過(guò)印度后氣流分為南北兩支；北支經(jīng)孟加拉灣北部進(jìn)入中國(guó)大陸，南支經(jīng)孟加拉灣南部后于105°E附近越赤道氣流在南海南部匯合，轉(zhuǎn)向北進(jìn)入我國(guó)。②東南路：來(lái)自低緯西太平洋的氣流與印度尼西亞附近的越赤道氣流在菲律賓東南方洋面相會(huì)，北轉(zhuǎn)一同進(jìn)入東亞。水汽輸送通量的經(jīng)向分量的氣候態(tài)(圖4b)顯示，水汽輸送經(jīng)向分量的正值的大值帶共有3個(gè)，即索馬里以東洋面、孟加拉灣、南海中部，這3個(gè)區(qū)域是夏季南半球H.C.向北半球輸送水汽的重要地區(qū)；負(fù)值的大值地區(qū)僅有1個(gè)，在印度附近。說(shuō)明夏季亞洲季風(fēng)區(qū)水汽以南風(fēng)輸送為主。

圖4　1979～2010年夏季水汽通量矢量[a，g/(hPa·cm·s)]和水汽通量散度[b，g/(hPa·cm2·s)]氣候態(tài)Fig.4　Summer water vapor flux vector[a，g/(hPa·cm·s)] during 1979-2010 and water vapor flux divergence[b，g/(hPa·cm2·s)]

4夏季南半球H.C.強(qiáng)度與亞洲季風(fēng)區(qū)經(jīng)向水汽輸送的關(guān)系

由圖5可見(jiàn)，在北半球中低緯度地區(qū)，正相關(guān)的大值區(qū)域有3片，分別是索馬里東部洋面至阿拉伯半島東部、125°～145°E的赤道附近、孟加拉灣北部；負(fù)相關(guān)區(qū)域十分廣闊，幾乎覆蓋了東亞、東南亞(除印尼東部)、南亞地區(qū)，其中大值區(qū)域有3片，即我國(guó)中部—越南—南海南部一片狹長(zhǎng)的區(qū)域、蘇門(mén)答臘島及其西部海面、阿拉伯海東南部。結(jié)合圖4a可知，上述正相關(guān)大值區(qū)域?qū)?yīng)西南路的水汽輸送，說(shuō)明H.C.強(qiáng)度越大，在索馬里和印尼東部附近洋面的越赤道經(jīng)向水汽輸送越強(qiáng)，輸入進(jìn)北半球的水汽通量也越強(qiáng)；3片負(fù)相關(guān)大值區(qū)域之一的蘇門(mén)答臘島西部，位置正處于西南路水汽輸送有常年向南分量的地區(qū)，因南半球H.C.強(qiáng)度大時(shí)，越赤道氣流增強(qiáng)，進(jìn)而氣流的向南分量也將增強(qiáng)，故負(fù)相關(guān)系數(shù)大；而我國(guó)中東部—南沙群島和阿拉伯海東南這兩片區(qū)域則處在水汽北向輸送的通道上，說(shuō)明H.C.強(qiáng)度越大，此處經(jīng)向水汽輸送越弱。

注：陰影區(qū)域通過(guò)0.05信度檢驗(yàn)，深色陰影區(qū)代表正值，即正相關(guān)；淺色陰影區(qū)代表負(fù)值，即負(fù)相關(guān)。 Note：Shadow area pass through the 0.05 reliability test，the dark shadow area is positive，namely positive correlation；the light shadow area is negative，namely negative correlation.圖5　夏季南半球H.C.強(qiáng)度指數(shù)與同期低層經(jīng)向水汽通量(Qv)的相關(guān)系數(shù)分布Fig.5　The H.C.intensity index in southern hemisphere in summer and correlation coefficient of low layer meridional water vapor flux

為了驗(yàn)證H.C.強(qiáng)度與上述正、負(fù)相關(guān)大值地區(qū)經(jīng)向水汽通量關(guān)系，對(duì)夏季南半球H.C.強(qiáng)度年際、年代際變化(圖3)進(jìn)行進(jìn)一步分析。規(guī)定H.C.強(qiáng)度序列中心化處理后的值大于0.4的年份為強(qiáng)年，小于-0.4的年份為弱年，則得到近32 a來(lái)夏季H.C.強(qiáng)度年際變化強(qiáng)年7個(gè)(1983、1986、1994、1997、1999、2008、2010年)、弱年6個(gè)(1980、1984、1989、1996、1998、2007年)。根據(jù)H.C.強(qiáng)度序列中心化處理后的值的正負(fù)，可以分為正位相年與負(fù)位相年，得到近32 a來(lái)夏季H.C.強(qiáng)度1997～2010年為正位相年，1981～1996年為負(fù)位相年。分別做強(qiáng)年與弱年、正位相年與負(fù)位相年的經(jīng)向水汽通量(Qv)之差合成圖，從圖6可看出，索馬里東部洋面、印尼東部洋面、孟加拉灣北部強(qiáng)弱年和正負(fù)位相年的Qv之差均為正，說(shuō)明夏季南半球H.C.強(qiáng)度與輸送進(jìn)入北半球的水汽通量呈正相關(guān)；廣大的東亞、東南亞(印尼東部除外)、南亞地區(qū)差值均為負(fù)，說(shuō)明H.C.強(qiáng)度與這些區(qū)域的徑向水汽通量呈負(fù)相關(guān)。這些均與圖5的結(jié)論相符。

5結(jié)論

該研究采用NCEP/NCAR再分析資料，計(jì)算了H.C.質(zhì)量流函數(shù)，分析了夏季H.C.強(qiáng)度年際、年代際變化特征，以及亞洲季風(fēng)區(qū)夏季水汽輸送的氣候特征；運(yùn)用相關(guān)分析和合成分析方法，研究夏季H.C.強(qiáng)度變化與亞洲季風(fēng)區(qū)經(jīng)向水汽輸送的關(guān)系，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)1979～2010年夏季南半球H.C.強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)趨勢(shì)，同時(shí)也有明顯的年際變化。

(2)索馬里東部洋面和印尼東部洋面是南半球水汽北轉(zhuǎn)輸入亞洲的重要區(qū)域；南半球水汽越赤道后，通向亞洲的通道有西南路和東南路2條。

(3)夏季南半球H.C.強(qiáng)度與索馬里東部洋面和印尼東部洋面的經(jīng)向水汽輸送呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與我國(guó)中東部—南海南部、阿拉伯海東南部的經(jīng)向水汽輸送呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖6　夏季南半球H.C.年際變化強(qiáng)年與弱年(a)和年代際變化正位相年與負(fù)位相年(b)經(jīng)向水汽通量之差合成[單位：g/(hPa·cm·s)]Fig.6　Summer southern hemisphere H.C.interannual variability of strong and weak years(a)and interannual change positive phase and negative phase(b)differential synthesis of the meridional water vapor flux

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作者簡(jiǎn)介郝然(1987-)，男，山東泰安人，助理工程師，從事強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)研究。

收稿日期2016-04-11

中圖分類(lèi)號(hào)S 165+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)16-198-03

The Relationship between Change of Hadley Circulation Intensity in Summer and Meridional Water Vapor Transport in Asian Monsoon Region

HAO Ran

(China Civil Aviation East China Air Traffic Management Bureau Meteorological Center, Shanghai 200335)

AbstractUsing NCEP/NCAR reanalysis data, Hadley Circulation intensity in summer was calculated, the annual variation characteristics were analyzed, as well as the climate features of water vapor in Asian monsoon region. The relationship between H.C. intensity and water vapor in Asian monsoon region was studied. The results showed that during the summer of 1979 to 2010, the intensity of H.C. in the southern hemisphere was significantly increased, and there was a significant annual variation. The eastern ocean of Somalia and Indonesia was an important region of the southern hemisphere water vapor transport to Asia; the intensity of H.C. in summer in southern hemisphere presented significant positive correlation with meridional water vapor transport in eastern ocean of Somalia and Indonesia, showed significant negative correlation with meridional water vapor transport in middle east of China-south of the Nanhai Sea, southeast of Arabia sea.

Key wordsTransfer of water vapor; Hadley Circulation; Asian monsoon region; Meridional water vapor transport; Summer