印度洋地區(qū)MJO對流生成動力學機制的研究進展

張媛文 凌健

摘要Madden-Julian Oscillation （MJO） 是熱帶大氣在季節(jié)內時間尺度上的主要變化特征，MJO對流的活動對全球很多地區(qū)的天氣和氣候系統(tǒng)都有重要的影響，因此MJO是大氣科學重要的前沿課題之一.MJO對流的生成過程是MJO研究中公認的最薄弱的環(huán)節(jié)，文中從MJO的研究背景出發(fā)，對MJO對流生成的有關研究工作及其進展進行了回顧與總結，主要包括MJO對流生成的前期信號、MJO對流的數(shù)值模擬、MJO對流生成的動力學機制.最后對MJO對流生成研究中還有待解決的問題進行了分析與討論.

關鍵詞MJO；對流；MJO生成；動力學機制；數(shù)值模擬

中圖分類號P434；P435

文獻標志碼A

0 引言

Madden-Julian Oscillation （MJO） 是熱帶大氣季節(jié)內振蕩的主要組成部分[1-2]，是熱帶地區(qū)乃至全球重要的大氣環(huán)流系統(tǒng)之一.MJO的活動對全球很多地區(qū)的天氣和氣候系統(tǒng)都有重要的影響，因此備受各國學者的關注，成為大氣科學重要的前沿課題之一.

MJO最先由Madden 和Julian在1971年發(fā)現(xiàn)[1]，他們在分析南太平洋坎頓島（Kanton Island，3°S，172°W）的無線電探空數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)其緯向風和地面氣壓存在著一個周期為40～50 d的低頻振蕩.隨后，他們指出這種振蕩在全球熱帶大氣中普遍存在，主要以緯向一波結構向東傳播（圖1）[2].Gruber[3]和Zangvil[4]的研究表明赤道附近的云也存在周期為40～50 d的振蕩，證實了Madden和Julian關于赤道附近云系存在東傳的推測.Yasunari[5]發(fā)現(xiàn)印度季風區(qū)的云量也存在40 d左右的周期變化，并認為印度季風區(qū)向北傳播的云系始于赤道印度洋上向東傳播的云系.隨著1979年全球大氣研究計劃（Global Atmospheric Research Program，GARP）第一期全球試驗（First GARP Global Experiment，F(xiàn)GGE）和GARP季風試驗（Monsoon Experiment，MONEX）的進行，與MJO相關的研究得到了蓬勃開展.人們對MJO基本活動規(guī)律有了清晰的認知[6-10]，如MJO具有緯向一波為主的行星尺度空間結構，30～60 d的寬頻振蕩周期，以平均約5 m/s的速度從熱帶印度洋向熱帶太平洋中部地區(qū)緩慢東傳；MJO的垂直結構主要表現(xiàn)為對流層上下反向的斜壓結構、緯向風和溫度場隨高度明顯西傾；水平結構主要表現(xiàn)為東西方向上的偶極子特征；此外，MJO的活動還表現(xiàn)出明顯地域差異與季節(jié)性差異，MJO在北半球冬季和夏季的主要特征存在顯著不同.

在MJO對流和環(huán)流系統(tǒng)東傳的過程中，MJO對流異常通過熱力強迫和遙相關的方式對熱帶乃至全球天氣和氣候產生不同程度的影響[11].研究表明，MJO的活動對全球的季風系統(tǒng)都具有一定的調制作用[12]，它會影響亞洲季風[5，13-16]、澳洲季風[17-18]以及美洲季風[19]的爆發(fā)和中斷；MJO能夠改變熱帶氣旋生成的大尺度條件，進而調制熱帶氣旋的活動[20-23]；MJO和 ENSO 之間存在相互作用[24-28]，MJO東傳時的強西風異常能夠影響西太平洋和中太平洋地區(qū)的海溫，從而影響El Nio的發(fā)展速度以及強度；MJO對印度洋偶極子事件的發(fā)生、發(fā)展和消亡過程起著不同程度的作用[29-30].此外，MJO對極端降水[31-32]、洪澇[33-34]以及熱帶大氣氣溶膠[35]等都具有一定的調制作用.

中國也處于MJO對流活動的傳播經度范圍內，MJO在中國東部地區(qū)的天氣、氣候異常中扮演著重要角色.MJO的活動會影響我國東南地區(qū)冬季和夏季的降水強度[36-38]和云南地區(qū)的降水異常[39-40]，并且對夏季江淮流域的旱澇[41-44]有重要影響.此外，MJO的活動與我國一些極端天氣現(xiàn)象關系密切.如2008年1月到2月初，我國南方大范圍持續(xù)冰凍雨雪天氣和MJO的活動密切相關[45-47].

經過40多年的研究，目前人們對MJO有了一定程度的認知，例如MJO的大尺度結構[48-51]和多尺度特征[52-53]，MJO對全球天氣、氣候系統(tǒng)的影響[11，54]，MJO的傳播機制[55-57]等.但是仍然存在很多問題亟待解決[58-61]，目前大多數(shù)模式都無法準確模擬MJO的強度、周期及傳播特征，MJO活動的預測能力偏低，現(xiàn)有理論并不能完全解釋MJO的生成、維持和傳播機制.其中，MJO對流生成過程是MJO研究中公認最薄弱的環(huán)節(jié)，這反映出在MJO動力學理論機制，尤其是MJO對流信號在印度洋地區(qū)生成機制方面的研究中還存在明顯不足.

本文將首先回顧MJO對流生成的前期信號，并梳理MJO對流數(shù)值模擬的現(xiàn)狀，著重介紹現(xiàn)有MJO對流生成的動力學機制，最后對MJO對流生成研究中還有待解決的問題進行分析與討論，以期加深對印度洋地區(qū)MJO對流生成的理解.

1 MJO對流生成的前期信號

MJO對流是MJO研究的核心部分，它一般在西印度洋生成并向東傳播，途經海洋性大陸地區(qū)進入西太平洋，到達日界線后逐漸減弱并最終消亡.盡管在熱帶印度洋到太平洋暖池地區(qū)均可能有MJO對流生成，但印度洋是大多數(shù)MJO對流的生成地.目前關于MJO對流在初期形成的原因尚無定論，但已有不少研究指出MJO對流生成前期印度洋地區(qū)存在一些前兆信號.

Ling等[62]對比了初始型MJO和非 MJO對流生成之前大尺度環(huán)流場，指出MJO生成前熱帶印度洋地區(qū)存在3種大尺度信號：對流層低層首先出現(xiàn)東風異常并從低層向對流層中層延伸，與此同時該信號在印度洋地區(qū)自西向東移動；海平面氣壓場呈現(xiàn)緯向一波的結構，并且負的海平面氣壓距平在赤道地區(qū)從非洲一直延伸至海洋性大陸；對流層中層存在著負溫度距平，并且以接近 MJO傳播的速度從印度洋開始緩慢東傳.以上信號在MJO對流信號生成之前的20 d就已經存在，這些大尺度的信號可以為預測MJO對流的生成提供重要的客觀指標.

Zhao等[63]通過診斷NOAA衛(wèi)星觀測資料和ERA-40再分析資料，揭示了冬季MJO生成的前兆信號和相關動力過程.其研究指出熱帶西印度洋是MJO對流活動生成的關鍵區(qū)域.在MJO對流生成之前，熱帶西印度洋地區(qū)對流層低層的濕度顯著增加并且溫度顯著增高.水汽和溫度的增長有利于該地區(qū)對流不穩(wěn)定的增長并最終導致MJO對流產生.MJO對流觸發(fā)期間，MJO風場與低頻濕度場（溫度場）相互作用導致的水平濕平流（水平暖平流）是比濕（溫度）增加的主要原因.而這種低頻風場是對熱帶東印度洋MJO抑制位相的羅斯貝波響應，即下游強迫.但是并非每次MJO對流發(fā)生前都會有一個MJO事件存在，因此這種前兆信號的普適性有待檢驗.

Mei等[64]檢驗了赤道西印度洋上持續(xù)東傳的強MJO事件的前期信號，并將其分為3類：邊界層水汽超前型（類型Ⅰ）、對流層低層上升運動超前型（類型Ⅱ）和無明顯前兆信號型（類型Ⅲ）.在類型Ⅰ中MJO對流發(fā)生前約7天時印度洋地區(qū)邊界層水汽已經開始增加，這種增濕過程主要由低頻風場對平均濕度的平流引起，而這種低頻風場是位于赤道東印度洋上受前期MJO抑制位相引起的羅斯貝波的一部分.在類型Ⅱ中MJO對流發(fā)生前約4天時印度洋地區(qū)對流層低層上升運動出現(xiàn)，水平暖平流是上升運動產生的主要原因.類型Ⅲ中對流層低層并沒有顯著的前期水汽和上升運動異常信號，這種類型的MJO對流生成可能受到中緯度羅斯貝波能量的影響.

以上研究從不同的角度探究MJO對流生成的前期信號，對MJO的預測具有一定的參考價值，但是更具有普適性的MJO對流生成的前兆信號依然有待于進一步探究.

2 MJO對流的數(shù)值模擬

從19世紀80年代開始，越來越多的學者將數(shù)值模式運用到MJO的研究中，數(shù)值試驗有助于探究MJO生成機制，然而大多數(shù)模式對MJO的模擬效果并不理想（圖2）.

目前大多數(shù)的大氣模式都低估了MJO的強度[65]，未能再現(xiàn)MJO的季節(jié)性差異[66-67]，模式中MJO的東傳速度過快[58]，高頻信號比觀測更強[68]，緯向西傳比東傳偏強[69].Hung等[70]評估了20個CMIP5模式對MJO和赤道波動的模擬能力，并且和CMIP3模式進行了對比，結果顯示大部分CMIP5模式模擬MJO的振幅、周期和東傳速度都有了顯著提高，但是模式模擬MJO的能力還是偏弱.導致模式模擬MJO存在偏差的可能原因主要包括模式分辨率[71-72]、對流參數(shù)化方案[73]、海氣相互作用[74]以及模式的平均態(tài)[75]等.

不同模式對MJO的模擬能力與模式分辨率的關系存在差異.Hayashi等[76]對比了GFDL（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory）模式2個不同分辨率版本中MJO的模擬結果，發(fā)現(xiàn)提高模式水平分辨率有利于MJO的模擬.Slingo等[77]對比了法國國家氣象研究中心CNRM（Centre National de Recherches Meteorlogiques）3個不同分辨率版本對MJO的模擬能力，發(fā)現(xiàn)隨著水平分辨率的提高MJO的強度反而減弱.Gualdi等[78]對ECHAM3模式的3個不同分辨率版本的分析結果也表明水平分辨率提高實際上降低了MJO的模擬能力.Jia等[68]對比了中國科學院大氣物理研究所/大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點試驗室發(fā)展的大氣環(huán)流模式SAMIL（Spectral Atmospheric Model of IAP/LASG）3個不同分辨率版本，結果表明分辨率的變化并沒有使MJO的模擬能力發(fā)生本質上的變化，但是對MJO的某些特征起到了明顯的調制作用.

對流參數(shù)化方案被普遍認為是影響MJO模擬的重要因素[79].Slingo等[77]對比了使用不同對流參數(shù)化方案的大氣環(huán)流模式對MJO模擬的結果，認為相比于基于水汽輻合的對流方案，浮力閉合對流方案可以更好地模擬出MJO的特征.王坤等[80]利用中國科學院大氣物理研究所的大氣環(huán)流模式（IAP AGCM 4），分析了Emanuel方案（EMA）、Zhang-McFarlane方案（ZM）和修改的Zhang-McFarlane方案（MZM）3種不同的對流方案，結果表明MZM方案較好地模擬出了MJO的基本特征，包括季節(jié)內的時間尺度、東傳特征以及傳播的連續(xù)性.

圖3給出了SAMIL R42L9分別使用MCA和Tiedtke積云對流參數(shù)化方案所模擬的MJO傳播特征.可以看到使用MCA方案可以模擬出MJO的東傳信號，而Tiedtke方案卻不能.對比它們的熱帶大氣垂直加熱廓線發(fā)現(xiàn)，使用MAC方案的大氣垂直加熱廓線的峰值位于對流層中下層.很多研究都表明，在對流參數(shù)化方案能否刻畫出對流層中低層的加熱峰值最為關鍵[81].只有當模式中熱帶大氣垂直加熱廓線的峰值位于對流層中低層時，才可以在對流層低層產生很強的上升運動以及水汽輻合，有利于深對流的產生和維持，從而使模式模擬出MJO的基本特征.

海氣相互作用對MJO的模擬性能也有一定的影響.一些研究認為引入海溫的季節(jié)內擾動反饋可以提高模式模擬熱帶大氣MJO的能力[9，66，82-84]，但是還有一些研究認為引入海氣相互作用之后模式對MJO的模擬能力反而變差[85-87].Zhang[9]認為，引入海氣相互作用能提升模式對MJO模擬能力的前提是該模式在沒有引入海氣相互作用的時候也可以模擬出MJO的信號.但是Liess等[87]的研究卻表明即使在大氣模式可以模擬出MJO信號的前提下，也不能保證在引入海氣相互作用后可以改善模式對MJO模擬的能力.

模式平均態(tài)對MJO的模擬有重要影響.對流層低層平均濕度場可以決定MJO的傳播相速度和不穩(wěn)定增長率[9].存在強季節(jié)循環(huán)并且平均降水場更接近觀測的模式可以模擬出較好的MJO信號[77].此外，平均垂直風切變和低層緯向風場也對MJO的模擬有不可忽視的作用[84].Ling等[75]采用MJO Tracking方法評估了27個全球模式，指出每個模式都可以模擬出MJO大尺度對流緩慢東傳的信號，只不過不同模式產生MJO對流的頻率不同，該研究還進一步指出模式背景態(tài)對MJO對流的模擬至關重要.

3 MJO對流生成的動力學機制

隨著MJO研究的逐步深入，MJO對流的生成機制受到廣泛重視.李崇銀[88]最先將積云對流加熱反饋機制（CISK，Conditional Instability of Second Kind）引入到MJO的動力學研究中，認為積云對流加熱反饋是激發(fā)MJO對流的重要動力學機制.隨后Lau等[55]在此基礎上發(fā)展出了“可移動性”波動CISK理論，較好地解釋了MJO緩慢東傳的原因.Wang[56]進一步提出了摩擦波動CISK理論，認為低層水汽輻合引發(fā)的深積云對流釋放出的凝結潛熱強迫出的不穩(wěn)定東傳模具有和MJO類似的東傳速度.后來Li[89]進一步研究發(fā)現(xiàn)在積云對流加熱反饋作用下，熱帶大氣能夠產生一種既可以向西也可以向東傳播的并具有能量頻散特性的CISK羅斯貝波，并指出這種CISK羅斯貝波可能是赤道以外大氣30～60 d振蕩的重要激發(fā)和驅動機制.自此，與MJO相關的波動-CISK機制得以完善.雖然以上理論嘗試給出MJO生成過程的完整物理圖像和機制解釋，但是MJO對流在初期是如何形成的，尚存爭議.目前關于MJO對流的生成機制主要可以分為熱帶強迫（上游強迫、局地強迫和下游強迫）與熱帶外強迫[90].

上游強迫是指已存在的MJO對流沿赤道連續(xù)東傳并激發(fā)開爾文波，該開爾文波產生的異常風場東傳從西側進入熱帶西印度洋觸發(fā)新的MJO對流[55，91-94].Hsu等[95]認為已存在的MJO激發(fā)的開爾文波在越過非洲時由于地形抬升作用改變了印度洋地區(qū)的溫度場和濕度場，從而導致新的MJO對流的生成.

一些研究認為印度洋局地邊界層比濕增加與水汽輻合[49，96-97]、云-輻射-水汽反饋[98-103]和局地海氣通量與下墊面溫度變化[49，96，104-106]等局地變化過程能夠激發(fā)MJO對流的生成.Kemball-Cook等[49]的研究表明，東風異常通過改變海表潛熱通量使邊界層大氣增濕，濕靜力能先在邊界層增加引起淺對流的產生，又通過淺對流輻合進一步加濕大氣，最終激發(fā)MJO深對流生成.Bladé等[98]指出，在對流活躍位相與抑制位相之間變化的靜止熱源通過輻射-對流-表面水汽通量之間的非線性作用進行自我調節(jié)，導致了熱帶印度洋MJO對流的生成.Wang等[106]的研究表明，印度洋局地海溫的變化在某些MJO對流個例的生成中起著重要作用.

赤道太平洋地區(qū)已存在MJO抑制位相的羅斯貝波會通過異常水汽平流在熱帶西印度洋地區(qū)觸發(fā)新的MJO對流生成[46，63].Seo等[107]發(fā)現(xiàn)已存在的MJO會在對流層中低層產生正位渦，在東風作用下通過渦度平流引起上游低層輻合，產生上升區(qū)進而激發(fā)一次新MJO對流的生成.Zhao等[63]指出已存在的MJO抑制位相的羅斯貝波響應在熱帶印度洋產生的異常風場會激發(fā)新的MJO對流的生成.

另一些研究則強調來自熱帶外的擾動對MJO對流產生的影響，包括中緯羅斯貝波和斜壓渦動的能量頻散和動量傳輸[63，108-112]，有的研究還表明冷涌能夠激發(fā)MJO對流[108，113-114]，但是在印度洋地區(qū)這樣的個例偏少.

MJO具有準周期性，其生成的時間并不規(guī)律.Matthews[93]利用OLR指數(shù)將其分為初始型MJO和連續(xù)型MJO.上述熱帶強迫機制中的上、下游強迫與連續(xù)型MJO對流的激發(fā)有密切的關系，局地強迫與初始型MJO對流的生成有一定聯(lián)系，大多數(shù)研究認為初始型MJO對流的生成機制主要受到來自赤道外的影響.然而上述連續(xù)型MJO的生成機制難以解釋為什么連續(xù)型MJO沒有持續(xù)激發(fā)新的MJO對流，而初始型MJO的生成頻率遠遠低于理論得出的生成次數(shù)，顯然僅僅依靠熱帶外的影響不足以觸發(fā)初始型 MJO對流的生成.

4 總結與討論

MJO是熱帶大氣在季節(jié)內時間尺度上的主要變化特征，MJO對流的活動對全球天氣和氣候系統(tǒng)都有重要的影響.作為全球最強低頻信號，國內外普遍認為MJO可以作為聯(lián)系天氣和氣候的橋梁.MJO對流的生成過程是MJO研究中公認的最薄弱環(huán)節(jié)，由于篇幅和作者能力所限，本文只是對MJO對流生成的有關研究工作及其進展進行了簡要的回顧與總結，可歸納為以下幾點：

1）MJO對流生成的前20 d，熱帶印度洋地區(qū)存在如下大尺度信號：對流層低層存在東風異常并自西向東移動；海平面氣壓場呈現(xiàn)緯向一波的結構；對流層中層出現(xiàn)負溫度距平并緩慢東傳.此外，熱帶西印度洋地區(qū)生成的持續(xù)東傳強MJO對流事件的前期信號可分為邊界層水汽超前型、對流層低層上升運動超前型和無明顯前兆信號型.

2）目前模式對MJO的模擬效果并不理想，大多數(shù)模式都低估了MJO的強度，未能再現(xiàn)MJO的季節(jié)性差異，模式中MJO的東傳速度過快，模式中高頻信號比觀測更強.導致MJO模擬偏差的可能原因主要有模式分辨率、對流參數(shù)化方案、海氣相互作用以及模式模擬的平均場等.其中，對流參數(shù)化方案在MJO對流的模擬中起著至關重要的作用.在對流參數(shù)化方案中，當熱帶大氣垂直加熱廓線的峰值位于對流層中低層時能夠更好地刻畫MJO的基本特征.盡管調整某些參數(shù)能夠使MJO的模擬效果提高，但是這可能會導致模式對其他地方的模擬能力變弱.

3）MJO對流信號在印度洋地區(qū)的生成機制尚不明確.目前關于MJO對流的生成機制主要可以分為熱帶強迫（上游強迫、局地強迫和下游強迫）與熱帶外強迫.但這些機制并不能完全解釋MJO對流生成的原因.加深對MJO對流在印度洋地區(qū)生成機制的理解對提高模式對MJO的模擬能力和預測能力有重要的參考價值.

對MJO對流生成過程的深入理解能夠為MJO生命史中其他階段的研究工作提供參考，對提高模式的模擬能力和次季節(jié)預測的能力有重要參考價值.目前國際上大多數(shù)模式對MJO的模擬能力偏低，相關理論有待完善，這都反映了我們對MJO對流生成機制的認識還有待加深.因此，關于MJO對流生成機制、模擬和預測的全面和深入的研究工作有待進一步開展.

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Abstract The Madden-Julian Oscillation （MJO） is a dominant component of tropical variability at intraseasonal time scales.The activities of the MJO convection have important impacts on weather and climate systems in many parts of the world.The study of the MJO therefore represents one of the frontiers of atmospheric science.Since the convective initiation is the least understood aspect of MJO，this review aims to synthesize and summarize studies of convective initiation of the MJO include but are not limited to：its observed precursor signals，the numerical simulations，and the mechanisms.The focuses of ongoing research and unsolved issues related to MJO initiation are also presented.

Key words Madden-Julian oscillation；convection；MJO initiation；dynamic mechanisms；numerical simulation