越赤道氣流的時空特征分析

李 瓊 許 孌 肖天貴

(1.浙江省氣象科學(xué)研究所，浙江 杭州 310012; 2.成都信息工程大學(xué), 四川 成都 610225)

越赤道氣流的時空特征分析

李 瓊1許 孌1肖天貴2

(1.浙江省氣象科學(xué)研究所，浙江 杭州 310012; 2.成都信息工程大學(xué), 四川 成都 610225)

摘要：利用1948—2010年NCEP/NCAR逐日再分析場(2.5°×2.5°)的經(jīng)向風(fēng)資料，初步分析了全球越赤道氣流的時空分布特征。結(jié)果表明，全球越赤道氣流通道分布存在明顯的空間不對稱性，即垂直不對稱性和沿經(jīng)向不對稱，低層通道窄而多，高層通道寬而少；東半球低層通道數(shù)遠(yuǎn)較西半球多，且強(qiáng)度更強(qiáng)。在時間分布上，夏季越赤道氣流總和無論高低層都強(qiáng)于冬季。這些反映了南北半球空氣質(zhì)量交換的時空分布的不對稱性，即空氣質(zhì)量的交換主要集中在夏季和東半球。此外，夏季在140°E～150°E向北的越赤道氣流強(qiáng)度逐年增強(qiáng)，在冬季位于120°E～130°E處向南的越赤道氣流在逐年減弱，且在1958年前后向南的越赤道氣流出現(xiàn)突然增強(qiáng)期。

越赤道氣流；空間分布；時間特征；趨勢變化

0 引 言

越赤道氣流(cross-equatorial flow，簡稱CEF)是南、北半球相互作用的重要途徑，主導(dǎo)著兩個半球之間的質(zhì)量、動量及能量輸送，是影響南、北半球天氣氣候異常的重要因素之一，因此在全球大氣環(huán)流系統(tǒng)中有著非常重要的作用。越赤道氣流的概念首次由Simpson[1]提出，他指出印度西南季風(fēng)是由南半球東南信風(fēng)越過赤道而形成，并指出它與亞洲大陸的低壓和南印度洋上高壓的存在聯(lián)系。國內(nèi)，李憲之[2]在20世紀(jì)30年代指出，澳大利亞寒潮爆發(fā)后，冷空氣越過赤道，有利于北半球低緯洋面上形成臺風(fēng)。自20世紀(jì)60年代末FINDLATER[3]發(fā)現(xiàn)了索馬里低空急流以后，許多學(xué)者對越赤道氣流進(jìn)行了大量的研究。湯明敏等[4]發(fā)現(xiàn)，東半球越赤道氣流季節(jié)變化大，亦呈現(xiàn)季風(fēng)性質(zhì)，而西半球主要為信風(fēng)性。彭維耿等[5]認(rèn)為，南、北半球空氣質(zhì)量交換的時空分布是不對稱的，即空氣質(zhì)量的交換主要集中在夏季和東半球。劉向文等[11]認(rèn)為越赤道氣流的增強(qiáng)往往對應(yīng)著通道南側(cè)或北側(cè)從熱帶到副熱帶地區(qū)的環(huán)流調(diào)整，且125°E越赤道氣流比105°E越赤道氣流的增強(qiáng)過程更為顯著。曾剛等[12]則通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)M索馬里越赤道氣流年代際變化特征及其與東亞夏季風(fēng)年代際變化關(guān)系指出全球、熱帶、熱帶印度洋-太平洋及熱帶太平洋海表溫度變化均對索馬里越赤道氣流在1970年代中后期的年代際變化具有重要作用。隨著資料的逐漸詳盡和統(tǒng)一，對于越赤道氣流的通道也有了一致的結(jié)論，普遍認(rèn)為東半球夏季存在5條偏南越赤道氣流，分別位于45°E(索馬里)、85°E(蘇門答臘)、105°E(中國南海)、125°E(西太平洋)及150°E(巴布亞新幾內(nèi)亞)處，其中，索馬里越赤道氣流最強(qiáng)，105°E越赤道氣流強(qiáng)度次之[4]。越赤道氣流最強(qiáng)處位于925 hPa和150 hPa，而非之前所認(rèn)為的850 hPa和200 hPa[6-8]。

本文利用NCEP/NCAR的63 a的全球17層歷年逐日格點(diǎn)日平均經(jīng)向風(fēng)資料，對全球越赤道氣流的氣候?qū)W特征進(jìn)行分析，為以后相關(guān)的研究提供科學(xué)的參考依據(jù)。由于我國在北半球，向北的越赤道氣流是特別重點(diǎn)考慮的，經(jīng)過分析在925 hPa高度以上的越赤道氣流風(fēng)速已經(jīng)很小，所以我們重點(diǎn)分析研究了近63 a來925 hPa上的越赤道氣流的特征，包括通道、趨勢變化和年際特征。

1 資料與方法

本文利用NCEP/NCAR 1948年1月1日—2010年12月31日逐日再分析風(fēng)場資料，水平分辨率為2.5 °×2.5 °，垂直分辨率為17層，對全球赤道計算了每個格點(diǎn)沿南北各5°(5個格點(diǎn))的平均經(jīng)向風(fēng)作為此經(jīng)度的越赤道氣流，并分析了它的逐日變化。當(dāng)赤道的經(jīng)向風(fēng)V為正(負(fù))，就表示有從南(北)半球向北(南)半球的越赤道氣流，并對全球越赤道氣流的氣候?qū)W主要特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析，同時計算了趨勢系數(shù)rxt，對東半球低層幾條主要通道定量分析了越赤道氣流長期變化的特征[9]。

2 全球越赤道氣流通道的垂直分布特征

我們作了1948—2010年平均的冬季(12—2月)、夏季(6—8月)經(jīng)向風(fēng)分布空間剖面圖(圖1)，發(fā)現(xiàn)冬夏季的高、低層均有幾個明顯的風(fēng)速中心，本文定義V風(fēng)速中心大于等于2 m/s的稱之為通道，圖1中實(shí)線為正值，虛線為負(fù)值。

圖1 1948—2010年冬季和夏季赤道平均經(jīng)向風(fēng)垂直剖面圖

冬季(12—2月)

冬季低層主要為由北向南的越赤道氣流，強(qiáng)風(fēng)速主要集中在925 hPa處，主要風(fēng)速中心(≥-2 m/s)的有45 °E(索馬里)、85 °E(蘇門答臘)、105 °E(中國南海)、125 °E(西太平洋)，在45 °E處，低層通道中心主要位于赤道南緯(3S～2S)處，在925 hPa處風(fēng)速最大可達(dá)-6 m/s，整體通道向北傾斜，高度可伸展達(dá)到700 hPa；45 °E高層通道中心主要位于200～100 hPa之間，橫跨約45個經(jīng)度(0～45 °E)，厚度大約在300～100 hPa之間，最大風(fēng)速中心大約在150 hPa處，風(fēng)速可達(dá)6 m/s。在85 °E處，低層通道中心最大風(fēng)速最大可達(dá)-2 m /s，低層通道可伸展至600 hPa；在105 °E處，低層通道中心最大風(fēng)速最大可達(dá)-3 m/s，低層通道可伸展至400 hPa；而125 °E，低層通道中心風(fēng)速最大可達(dá)-2 m/s,高度同樣亦可伸展至400 hPa。而在這三個通道高層大約200 hPa處存在一共同的通道中心，該通道橫跨約50個經(jīng)度(85 °E～135 °E)，厚度大約在300～100 hPa之間，最大風(fēng)速中心大約在150 hPa處，風(fēng)速最大可達(dá)3 m/s。

夏季(6—8月)

夏季低層盛行由南向北的越赤道氣流，分別位于15 °W～15 °E，41 °E～64 °E,85 °E～90 °E，100 °E～110 °E，120 °E～135 °E，90 °W～105 °W。夏季低層 45 °E (索馬里急流)處越赤道氣流最強(qiáng)，風(fēng)速最大可達(dá)10 m/s。通道中心略向西傾斜，伸展高度可達(dá)300 hPa。而在85 °E～90 °E，100 °E～110 °E，120 °E～135 °E、45 °W～60 °W處通道越赤道氣流風(fēng)速則基本維持在2 m/s左右，伸展高度也相較冬季時期降低，基本維持在900 hPa附近。而在夏季東半球高層大約150 hPa處存在一個通道中心，橫跨大約整個東半球，厚度約在250～100 hPa之間，最大風(fēng)速可達(dá)-6 m/s。另外在西半球上空300～100 hPa處，110 °W～40 °W之間也存在一個通道中心，風(fēng)速最大可達(dá)-4 m/s。

由于我國在北半球，向北的越赤道氣流是應(yīng)該特別重點(diǎn)考慮的。而統(tǒng)計顯示在925 hPa高度以上的越赤道氣流風(fēng)速一般很小，所以我們下面重點(diǎn)對近63 a來925 hPa上的越赤道氣流，分析了季節(jié)變化、長期趨勢和年際變化等主要特征。

3 全球越赤道氣流的季節(jié)變化特征

圖3是1948—2010年63 a平均的全球逐日925 hPa越赤道氣流變化。1月份越赤道北風(fēng)平均大于2 m/s的通道大致是東半球的45 °E～50 °E、75 °E～85 °E、100 °E～115 °E、120 °E～130 °E、140 °E～150 °E以及西半球的45 °W～60 °W。在東半球的5個通道最多維持到3月份。西半球的45 °W～60 °W的通道維持到4—5月后也全部消失了。每年的4月上旬開始，位于45°E附近開始出現(xiàn)南向北的通道，并且風(fēng)速逐漸加強(qiáng)，最強(qiáng)發(fā)生在夏季，最大風(fēng)速可達(dá)10 m/s以上，通道寬度也隨著時間變化逐漸增強(qiáng)，在夏季最強(qiáng)時期可橫跨20個經(jīng)度。其余通道則從5月上旬開始出現(xiàn)，分別位于 75 °E～90 °E，100 °E～110 °E，120 °E～135 °E、150 °E，120 °W～90 °W，40 °W～5 °E。可見，東半球夏季的越赤道氣流通道有5個，而且在東半球的通道，強(qiáng)度大。其中最大的風(fēng)在45 °E附近，這就是索馬里越赤道氣流通道，這個強(qiáng)的越赤道氣流通道在6—8月期間，925 hPa的風(fēng)最大可達(dá)到14 m/s以上的風(fēng)速。

圖3 全球赤道地區(qū)925 hPa經(jīng)向風(fēng)逐日變化圖(單位： m/s)

4 東半球低層越赤道氣流的年際變化特征

4.1 東半球低層越赤道氣流長期趨勢

Pearson相關(guān)系數(shù)是描述兩個隨機(jī)變量線性相關(guān)的統(tǒng)計量，我們可以用其來研究氣象要素在氣候變化中升降的定量程度，并可對其進(jìn)行統(tǒng)計檢驗(yàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，本文計算了東半球低層越赤道氣流的氣候趨勢系數(shù)rxt，即時間序列與自然數(shù)列之間的相關(guān)系數(shù)。并重點(diǎn)就東半球低層存在的主要通道進(jìn)行了計算分析。結(jié)果共有3條越赤道氣流通道通過了t檢驗(yàn)，其中夏季位于45 °E～50 °E處的通道超過了5%的顯著性檢驗(yàn)，而冬季位于45 °E～50 °E處的通道超過了1%的顯著性檢驗(yàn)。另外兩條通道分別是在冬季位于120 °E～130 °E的通道和在夏季位于140 °E～150 °E的通道則均超過了0.1%的顯著性檢驗(yàn)。

表1給出了925 hPa東半球越赤道氣流主要通道在冬季和夏季的趨勢系數(shù)和回歸系數(shù)，可以看出在夏季，140 °E～150 °E處的越赤道氣流有非常強(qiáng)的正趨勢，趨勢系數(shù)為0.50，平均每10 a增強(qiáng)0.27 m/s,但是該地區(qū)的越赤道氣流本身并不強(qiáng)，平均2.05 m/s。而45 °E～50 °E是最強(qiáng)的索馬里越赤道氣流，趨勢系數(shù)為0.28，平均每10 a越赤道氣流增強(qiáng)0.1 m/s。而在冬季，120 °E～130 °E處的越赤道氣流北風(fēng)有明顯減弱趨勢，趨勢系數(shù)為0.46，平均每10 a減小0.26 m/s。同樣在冬季，45 °E～50 °E處的索馬里越赤道氣流北風(fēng)有明顯減弱趨勢，趨勢系數(shù)為0.39，平均每10 a減小0.2 m/s。

表1 925 hPa東半球低層越赤道氣流

4.2 東半球低層越赤道氣流變化的年際變化

除了長期趨勢變化以外，東半球部分越赤道氣流還有明顯的年際變化。圖4a是140 °E～150 °E夏季越赤道氣流的逐年變化圖?？梢钥闯鲈谙募?，位于140 °E～150 °E處的通道向北的越赤道氣流強(qiáng)度增強(qiáng)(向南的越赤道氣流減弱)。圖4b則是是120 °E～130 °E冬季越赤道氣流的逐年變化圖，可以看出在冬季，位于120 °E～130 °E處的通道向南的越赤道氣流在減弱(向北的越赤道氣流增強(qiáng))，且在1958年前后向南的越赤道氣流出現(xiàn)突然增強(qiáng)。

(a)140 °E～150 °E,6—8月；(b) 120 °E～130 °E,12月—1月縱坐標(biāo)是風(fēng)速，直線是回歸線 (單位：m/s)圖4 1948—2010年的越赤道氣流的變化圖

5 結(jié) 語

1)全球越赤道氣流通道分布存在明顯的空間不對稱性，即垂直不對稱性和沿經(jīng)向不對稱，低層通道窄而多，高層通道寬而少；東半球低層通道數(shù)遠(yuǎn)較西半球多，且強(qiáng)度更強(qiáng)。

2)在時間分布上，無論在冬季還是夏季，東半球的越赤道氣流比西半球強(qiáng)。925 hPa越赤道氣流隨季節(jié)有變化。冬季越赤道氣流向南的主要有6個通道，大致是東半球的45 °E～50 °E,75 °E～85 °E,100 °E～115 °E,120 °E～130 °E,140 °E～150 °E以及西半球的45 °W～60 °W。夏季越赤道向北的主要有7個通道，是東半球的45 °E～50 °E，75 °E～90°E，100 °E～110 °E，120 °E～135 °E、150 °E，西半球的120 °W～90°W以及40°W～5°E。夏季越赤道氣流總和無論高低層都強(qiáng)于冬季。這些反映了南北半球空氣質(zhì)量交換的時空分布的不對稱性，即空氣質(zhì)量的交換主要集中在夏季和東半球。

3)在夏季，140°E～150 °E處的越赤道氣流有非常強(qiáng)的正趨勢，趨勢系數(shù)為0.50，平均每10 a增強(qiáng)0.27 m/s,但是該地區(qū)的越赤道氣流本身并不強(qiáng)，平均2.05 m/s。而45°E～50 °E是最強(qiáng)的索馬里越赤道氣流，趨勢系數(shù)為0.28，平均每10 a越赤道氣流增強(qiáng)0.1 m/s。而在冬季，120 °E～130 °E處的越赤道氣流北風(fēng)有明顯減弱趨勢，趨勢系數(shù)為0.46，平均每10 a減小0.26 m/s。同樣在冬季，45 °E～50 °E處的索馬里越赤道氣流北風(fēng)有明顯減弱趨勢，趨勢系數(shù)為0.39，平均每10 a減小0.2 m/s。

4)此外，夏季在140 °E～150 °E向北的越赤道氣流強(qiáng)度逐年增強(qiáng)(向南的越赤道氣流逐年減弱)。而在冬季位于120 °E～130 °E處向南的越赤道氣流在逐年減弱(向北的越赤道氣流逐年增強(qiáng))，且在1958年前后向南的越赤道氣流出現(xiàn)突然增強(qiáng)期。

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2016-06-08