ENSO對(duì)MJO傳播特征演變的影響

龍雨青，張雪瑩，麥博儒

(1.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州510641；2.空軍航空大學(xué)，吉林 長春132000)

1 引 言

大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(Intraseasonal Oscillation，ISO)直接同延伸期天氣變化和短期氣候異常相聯(lián)系，是延伸期預(yù)報(bào)可預(yù)報(bào)性的主要來源。在北半球冬季，熱帶地區(qū)最顯著的季節(jié)內(nèi)尺度信號(hào)是Madden-Julian Oscillation(MJO)。MJO是赤道大氣季節(jié)內(nèi)變化的主要模態(tài)，最早是在1970年代初，Madden和Julian分析南太平洋坎頓島觀測(cè)資料時(shí)發(fā)現(xiàn)的40天左右的準(zhǔn)周期振蕩[1-2]。它在熱帶地區(qū)表現(xiàn)出大尺度的對(duì)流層上下呈反相的“斜壓”結(jié)構(gòu)，以垂直熱力環(huán)流形式沿赤道東傳。

一般認(rèn)為MJO對(duì)流和環(huán)流耦合的結(jié)構(gòu)是在印度洋地區(qū)發(fā)展起來并沿赤道向東傳播，在到達(dá)海洋性大陸地區(qū)時(shí)強(qiáng)度會(huì)減弱，進(jìn)入西太平洋地區(qū)再次增強(qiáng)，至中東太平洋附近徹底消亡[3]。通常來說，MJO對(duì)流以大約5 m/s的速度緩慢東傳[4]，但是在不同MJO事件或者同一事件的不同階段傳播速度可能存在差異[5]。當(dāng)MJO傳播到日界線附近時(shí)，MJO的對(duì)流信號(hào)雖然消失，但是風(fēng)場(chǎng)和地表氣壓異常會(huì)以更快的速度繼續(xù)東傳[6]，MJO環(huán)繞赤道東傳的特征主要出現(xiàn)在對(duì)流層高層[7]。許多研究都嘗試對(duì)MJO發(fā)展和傳播機(jī)制進(jìn)行解釋，這些理論大致上可以分為兩類：動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)理論。動(dòng)力學(xué)理論通常認(rèn)為MJO活動(dòng)與對(duì)流異常強(qiáng)迫的Rossby波、Kelvin波等活動(dòng)有關(guān)，熱力學(xué)理論則更多強(qiáng)調(diào)諸如水汽加濕大氣、地表通量交換等物理過程。

MJO作為全球最強(qiáng)的季節(jié)內(nèi)振蕩信號(hào)，它的活動(dòng)與許多天氣氣候異常有密切的聯(lián)系。厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ElNi?o-South Oscruation,ENSO)是一種熱帶海氣耦合年際信號(hào)，不同位相對(duì)熱帶氣旋、華南盛夏降水等有顯著影響[8-9]。MJO具有30～90天的季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度，ENSO有2～7年的年際變化時(shí)間尺度，雖然它們是兩個(gè)不同時(shí)空尺度的海氣相互作用系統(tǒng)，但同時(shí)也有著密切的聯(lián)系[10]。通常情況下，ENSO對(duì)季節(jié)平均的水汽有直接的調(diào)制作用，并且ENSO對(duì)MJO活動(dòng)有明顯影響：李崇銀等[11-12]通過分析觀測(cè)資料和數(shù)值試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)El Ni?o事件不僅可以調(diào)節(jié)MJO的強(qiáng)度，還可以影響它的垂直結(jié)構(gòu)，使垂直結(jié)構(gòu)更加趨于“正壓型”。Pohl等[13]的研究發(fā)現(xiàn)MJO的傳播速度與ENSO也有一定關(guān)聯(lián)。Klein等[14]研究發(fā)現(xiàn)ENSO期間印太暖池上空異常的Walker環(huán)流通過影響蒸發(fā)影響MJO生成和傳播。但也有一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)ENSO活動(dòng)期間MJO的活動(dòng)特征變化并不明顯[15-16]。同時(shí)，一些El Ni?o事件的發(fā)生也與MJO有關(guān)，中東太平洋海溫增暖之前6～12個(gè)月西太平洋地區(qū)MJO活動(dòng)會(huì)加強(qiáng)，因此北半球春季的MJO活動(dòng)對(duì)ENSO暖事件的預(yù)報(bào)也有一定意義[10]。

以上這些研究結(jié)果主要是針對(duì)MJO傳播到某一地區(qū)時(shí)展開的，對(duì)于ENSO不同位相年MJO位于不同區(qū)域時(shí)其活動(dòng)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)特征等差異對(duì)比的研究相對(duì)較少[17-18]，同時(shí)以往的研究多選用回歸合成分析，比如Chen等[19]對(duì)ENSO發(fā)展期間MJO的緯向傳播特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)El Ni?o發(fā)展期有更強(qiáng)的MJO從印度洋地區(qū)向東傳播，而在La Ni?a發(fā)展期印度洋和太平洋地區(qū)MJO活動(dòng)明顯偏弱，同時(shí)這種MJO活動(dòng)特征的不同與水汽輸送過程之間有無直接聯(lián)系等問題也值得進(jìn)一步探討。近幾年，許多學(xué)者通過對(duì)水汽和濕靜力能的診斷分析(Moist Static Energy，MSE)指出MJO的傳播與大氣中水汽、環(huán)流、太陽輻射和地表通量等物理量密切相關(guān)[17,20-22]。最近幾年Tseng等[22]通過分析DYNAMO/CINDY外場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)到的兩個(gè)MJO事件的活動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)生命周期中，對(duì)流發(fā)展的水汽主要來自于季節(jié)內(nèi)尺度風(fēng)場(chǎng)對(duì)低頻背景場(chǎng)水汽的平流作用，在MJO發(fā)展階段對(duì)流前方總是存在邊界層水汽的輻合，在消亡階段天氣尺度非線性平流項(xiàng)是最主要的水汽耗散項(xiàng)。Hung等[16]對(duì)MJO從印度洋傳遞至海洋性大陸整個(gè)階段的水汽變化也進(jìn)行了研究，他們總結(jié)在印度洋主要是波動(dòng)導(dǎo)致的邊界層輻合和東風(fēng)異常的作用促進(jìn)MJO發(fā)展和傳播，而在海洋性大陸地區(qū)季節(jié)內(nèi)尺度東風(fēng)異常受地形影響產(chǎn)生的水汽平流的緯向不對(duì)稱是造成對(duì)流中心出現(xiàn)南北分支的重要原因。

本文主要通過挑選不同ENSO位相下MJO事件分別進(jìn)行合成分析，研究MJO從印度洋東傳至太平洋地區(qū)時(shí)MJO對(duì)流和環(huán)流的結(jié)構(gòu)特征差異，來探究中東太平洋不同海溫異常在MJO演變過程中的影響。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù) 據(jù)

本文使用的降水資料是TRMM(Tropical Rainfall Measure Mission)第7版(3B42v7)多衛(wèi)星分析的逐日數(shù)據(jù)[23]，水平分辨率為0.25°×0.25°。溫度、比濕、環(huán)流場(chǎng)等大氣資料來自歐洲數(shù)值預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的ERA-Interim 6小時(shí)再分析資料[24]，每天4個(gè)時(shí)次平均得到逐日數(shù)據(jù)，其中水平分辨率為1.5°×1.5°，垂分辨率在1 000～750 hPa之間是25 hPa，在750～250 hPa之間是50 hPa，在250～100 hPa之間是25 hPa，主要變量包括經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)、緯向風(fēng)場(chǎng)、垂直風(fēng)場(chǎng)、比濕、溫度、非絕熱加熱等。海溫資料是來自英國國家氣象局Hadley中心提供的HadISST逐月海溫?cái)?shù)據(jù)[25]，水平分辨率為1°×1°。

以上所有數(shù)據(jù)都選取1998—2018年范圍，氣候態(tài)平均也是用這21年的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 研究方法

之前大多數(shù)研究對(duì)比不同地區(qū)MJO結(jié)構(gòu)的差異都使用了回歸或者使用RMM位相合成的方法。由于RMM指數(shù)主要受到大尺度風(fēng)場(chǎng)的影響，它其實(shí)并不能準(zhǔn)確地反映MJO對(duì)流的位置，所以在本文中我們使用追蹤MJO方法[26-27]獲得MJO傳播速度、MJO生成和結(jié)束的時(shí)間和位置來確定MJO對(duì)流傳播到不同經(jīng)度的時(shí)間從而進(jìn)行后續(xù)的研究。該方法通過識(shí)別赤道附近東傳的降水異常來對(duì)MJO個(gè)例識(shí)別，它可給出MJO事件的傳播特征，例如：起止日期、經(jīng)度范圍和傳播速度等。具體的步驟如下。

(1)數(shù)據(jù)處理：計(jì)算MJO尺度的降水異常在15°S～15°N的平均值。

(2)異常降水東傳事件的識(shí)別：按照一定標(biāo)準(zhǔn)[25]挑選熱帶地區(qū)東傳強(qiáng)度最強(qiáng)的降水傳播軌跡作為一次異常降水事件，同時(shí)得到該事件的起止經(jīng)度、平均傳播速度等信息。

(3)MJO事件的識(shí)別：使用統(tǒng)計(jì)的MJO傳播特征設(shè)定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)從異常降水事件中挑選出MJO事件，識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)主要包括至少50個(gè)經(jīng)度的傳播距離、傳播速度在3～7 m/s之間和傳播的持續(xù)時(shí)間超過20天。

基于該方法采用1998—2018年冬半年(10月—次年3月)TRMM降水?dāng)?shù)據(jù)，共挑選出62個(gè)MJO事件，其中生成在印度洋地區(qū)或者傳播通過印度洋地區(qū)的有50個(gè)(生成經(jīng)度在90°E以西并且結(jié)束經(jīng)度在90°E以東)。MJO活動(dòng)具有季節(jié)內(nèi)尺度的時(shí)間特征、行星尺度和向東傳播的空間特征，所以本文中MJO的信號(hào)是通過對(duì)降水、風(fēng)速、水汽等變量計(jì)算二維傅里葉變換進(jìn)行時(shí)間和空間濾波(20～100天，緯向0～10波)獲得。

本文引入水汽診斷的方法進(jìn)行研究。水汽趨勢(shì)項(xiàng)是由水汽的水平輸送、垂直輸送和凝結(jié)加熱項(xiàng)決定的[28]，即：

這里q表示比濕，u和v分別為緯向和經(jīng)向風(fēng)速度，ω是垂直速度，L表示凝結(jié)釋放潛熱，Q2是大氣可視水汽匯[29]。

由于MJO對(duì)流具有多尺度特征，為了揭示尺度間相互作用對(duì)MJO的影響，本文還采用尺度分解的診斷方法，對(duì)于任意變量x在時(shí)空尺度上可分解成以下三個(gè)部分：100天以上的低頻背景場(chǎng)部分、20～100天且空間0～10波的MJO尺度以及20天以下的高頻天氣尺度部分，即：

除此之外，本文還通過一種水汽通量和熱通量的診斷方法來定義對(duì)流中心強(qiáng)度。以往研究中診斷某一區(qū)域邊界的通量都是在確定經(jīng)緯度范圍的矩形區(qū)域內(nèi)展開的，但是有的時(shí)候研究區(qū)域是不規(guī)則形狀，無法直接計(jì)算東西南北四個(gè)邊界的通量。針對(duì)不規(guī)則形狀，本文主要通過計(jì)算它在東西南北四個(gè)邊界上的投影來計(jì)算該區(qū)域的邊界通量。

(1)首先確定該研究區(qū)域的經(jīng)度和緯度的范圍。

(2)確定東西邊界位置。對(duì)于在研究區(qū)域內(nèi)的任意緯度上，找到經(jīng)度Xi，如果Xi位于研究區(qū)域內(nèi)，并且X i-1位于研究區(qū)域外，那么經(jīng)度Xi表示該研究區(qū)域的西邊界。同樣可找到經(jīng)度Xj，如果Xj位于研究區(qū)域內(nèi)，并且Xj+1位于研究區(qū)域外，那么經(jīng)度Xj表示該研究區(qū)域的東邊界(圖1)。

(3)確定南北邊界位置。對(duì)于在研究區(qū)域內(nèi)的任意經(jīng)度上，找到緯度Yi，如果Yi位于研究區(qū)域內(nèi)，并且Yi-1位于研究區(qū)域外，那么緯度Yi表示該研究區(qū)域的南邊界。同樣可找到緯度Yj，如果Yj位于研究區(qū)域內(nèi)，并且Yj+1位于研究區(qū)域外，那么緯度Yj表示該研究區(qū)域的北邊界(圖1)。

(4)計(jì)算通量。以水汽通量的計(jì)算為例，由于對(duì)流中心區(qū)域東西邊界的法向量與經(jīng)向水汽通量垂直，所以通過東西邊界輸入或輸出的經(jīng)向通量為0，即經(jīng)向通量在東西邊界的投影為0。同理通過南北邊界輸入或輸出的緯向水汽通量也為0。因此所有西邊界(東邊界/南邊界/北邊界)格點(diǎn)緯向水汽通量的平均即表示整個(gè)區(qū)域通過西邊界(東邊界/南邊界/北邊界)輸入或輸出的平均水汽通量。類似的方法可計(jì)算不規(guī)則區(qū)域邊界的其他通量。

圖1不規(guī)則區(qū)域的邊界通量計(jì)算方法示意圖 橙色和綠色十字圓分別表示研究區(qū)域內(nèi)某一緯度的西邊界和東邊界的格點(diǎn)，紅色和藍(lán)色十字圓分別表示研究區(qū)域內(nèi)某一經(jīng)度的南邊界和北邊界的格點(diǎn)。

3 ENSO對(duì)MJO傳播范圍的影響

我們首先使用CPC提供的ONI指數(shù)挑選ENSO事件，如果3個(gè)月平滑的ONI指數(shù)連續(xù)5個(gè)月大于0.5℃，則認(rèn)為是El Ni?o事件，如果3個(gè)月平滑的ONI指數(shù)連續(xù)5個(gè)月小于-0.5℃，則認(rèn)為是La Ni?a事件，其他的則認(rèn)為是ENSO正常位相年。通過這一方法，1998—2018年共挑選出7個(gè)El Ni?o事件和7個(gè)La Ni?a事件，El Ni?o事件出現(xiàn)的時(shí)間依次為1997—1998年、2002—2003年、2004—2005年、2006—2007年、2009—2010年、2014—2016年和2018—2019年；La Ni?a事件發(fā)生在1998—2001年、2005—2006年、2007—2008年、2010—2011年、2011—2012年、2016年和2017—2019年。

我們根據(jù)MJO事件對(duì)應(yīng)的ENSO位相對(duì)50個(gè)MJO事件進(jìn)行了分類，其中有14個(gè)MJO事件發(fā)生在El Ni?o期間，25個(gè)發(fā)生在La Ni?a期間，11個(gè)發(fā)生在ENSO正常年，可見La Ni?a期間MJO活動(dòng)更頻繁。圖2分別給出了El Ni?o和La Ni?a期間合成的MJO對(duì)應(yīng)的海溫異常分布。El Ni?o期間(圖2a)，赤道中東太平洋以及印度洋均表現(xiàn)為海溫暖異常，而在海洋性大陸東側(cè)為冷海溫異常。La Ni?a期間(圖2b)，MJO所處的海溫背景場(chǎng)在赤道中東太平洋以及印度洋均表現(xiàn)為冷異常，而在海洋性大陸東側(cè)為暖海溫異常。印度洋和中東太平洋地區(qū)的海溫異常有同步變化的趨勢(shì)，海洋性大陸和西太平洋地區(qū)海溫異常則與它們相反，整個(gè)印度洋-太平洋地區(qū)海溫異常呈“三極型”的分布結(jié)構(gòu)。

圖2 El Ni?o(a)和La Ni?a(b)期間MJO事件合成的異常海溫的水平分布 打點(diǎn)區(qū)域表示通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖3給出了不同ENSO位相下的MJO降水異常隨對(duì)流中心東傳的緯向分布特征。El Ni?o年冬季MJO活動(dòng)的經(jīng)向范圍較大，其對(duì)流在60°E以西地區(qū)生成，對(duì)流可一直傳播到180°以東的區(qū)域。在La Ni?a年冬季，MJO傳播范圍明顯變小，降水在150°E附近基本消失。由于MJO對(duì)流東側(cè)邊界層的水汽對(duì)對(duì)流發(fā)展的影響至關(guān)重要，接下來我們將重點(diǎn)分析對(duì)流層低層水汽的變化。

圖3 El Ni?o(a)和La Ni?a(b)期間10°S～10°N平均的邊界層水汽傾向(填色，單位：10-7 kg/(m2·s))和MJO降水異常(等值線，間隔為1 mm/d)隨著MJO對(duì)流中心(y軸)改變的緯向分布(x軸) 藍(lán)色實(shí)線表征MJO對(duì)流中心的傳播，打點(diǎn)區(qū)域表示通過0.05的顯著性檢驗(yàn)。

同時(shí)也可看到兩類MJO事件合成的對(duì)流層低層水汽變化(?q/?t)隨MJO對(duì)流中心演變的緯向分布特征(圖4)。La Ni?a年MJO對(duì)流中心東側(cè)對(duì)流層低層水汽累積在MJO傳播到120°E附近時(shí)基本消失；El Ni?o年MJO對(duì)流中心東側(cè)對(duì)流層低層水汽累積則一直維持到太平洋，使得MJO在太平洋地區(qū)繼續(xù)向東傳播。兩類事件MJO對(duì)流中心東側(cè)對(duì)流層低層水汽累積的最大差異出現(xiàn)在150°E附近，El Ni?o期間MJO對(duì)流東側(cè)水汽累積更強(qiáng)，向赤道兩側(cè)和對(duì)流以東廣闊的區(qū)域延伸。

MJO在傳播到150°E附近時(shí)的水汽診斷結(jié)果表明ENSO對(duì)MJO對(duì)流東側(cè)低層水汽輸送過程存在顯著影響(圖4a)。在La Ni?a年，對(duì)流東側(cè)低層水汽累積主要來自水汽的垂直輸送和緯向平流作用，經(jīng)向風(fēng)異常則會(huì)使得對(duì)流東側(cè)的水汽耗散，不利于淺對(duì)流生成。El Ni?o期間，東側(cè)水汽積累的最大的水汽貢獻(xiàn)項(xiàng)來自于水汽匯(-Q2/L)，此時(shí)水汽的垂直輸送會(huì)使對(duì)流東側(cè)的水汽顯著減少；這里水汽的經(jīng)向平流對(duì)低層大氣的加濕作用也很重要。該結(jié)果可能與El Ni?o年MJO對(duì)流東側(cè)更強(qiáng)的下沉氣流和低層偏強(qiáng)的緯向東風(fēng)異常有關(guān)，蒸發(fā)的水汽成為邊界層降水的重要水汽來源。

由于水汽垂直輸送和水汽凝結(jié)的抵消作用，這里將它們共同視為垂直方向上的水汽變化項(xiàng)。圖4b給出了兩類MJO傳播到150°E時(shí)，水汽的緯向平流、經(jīng)向平流和垂直變化項(xiàng)目對(duì)水汽積累的相對(duì)貢獻(xiàn)。El Ni?o冬季，在太平洋MJO最重要的水汽增加過程與水汽經(jīng)向平流有關(guān)，而La Ni?a顯著偏少的經(jīng)向水汽輸送可能是導(dǎo)致這里MJO傳播特征不顯著的原因。

圖4 El Ni?o和La Ni?a期間當(dāng)MJO對(duì)流中心位于150°E時(shí)東側(cè)正水汽傾向中心區(qū)域平均的水汽診斷方程各項(xiàng)大小(a，單位：10-7 kg/(m2·s))及其與水汽傾向的比值(b)

4 ENSO對(duì)MJO活動(dòng)強(qiáng)度的影響

上一節(jié)的分析結(jié)果表明ENSO不同位相下MJO的傳播距離存在明顯差異，這一小節(jié)我們進(jìn)一步比較ENSO不同位相下MJO的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度特征。圖5給出了El Ni?o和La Ni?a期間MJO對(duì)流位于印度洋、海洋性大陸和西太平洋時(shí)MJO的850 hPa風(fēng)場(chǎng)和降水結(jié)構(gòu)。El Ni?o年冬季，MJO降水異常較強(qiáng)，同時(shí)對(duì)流中心的經(jīng)向范圍較小，異常強(qiáng)降水基本集中在10°S～10°N的地區(qū)(圖6a～6c)，對(duì)流中心Rossby波的特征不明顯。La Ni?a年MJO活動(dòng)有所減弱(圖5d～5e)，但是對(duì)流中心經(jīng)向范圍更大，并且Rossby波結(jié)構(gòu)特征較明顯，在海洋性大陸地區(qū)Kelvin-Rossby波的耦合結(jié)構(gòu)非常顯著，在印度洋和海洋性大陸對(duì)流中心的水平結(jié)構(gòu)與所有MJO事件合成的結(jié)果類似(圖略)；西太平洋地區(qū)降水異常的南半球分支則更加靠近南太平洋輻合帶。

圖5 El Ni?o(a～c)和La Ni?a(d～f)期間MJO對(duì)流中心位于80°E(a，d)、120°E(b，e)和160°E(c，f)時(shí)850 hPa風(fēng)場(chǎng)(箭頭，單位：m/s)和降水異常(填色，單位：mm/d)的水平分布藍(lán)色實(shí)線圍成的區(qū)域表征對(duì)流中心的范圍，黑色箭頭和填色的降水表示通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

El Ni?o年冬季，MJO對(duì)流中心附近的850 hPa緯向風(fēng)最強(qiáng)，赤道附近MJO緯向風(fēng)的經(jīng)向范圍整體偏小，主要集中在15°S～15°N的區(qū)域。La Ni?a年MJO對(duì)流中心附近緯向風(fēng)的經(jīng)向范圍則明顯更大，對(duì)流西側(cè)赤道兩側(cè)的氣旋式環(huán)流結(jié)構(gòu)也更顯著。

圖6給出了El Ni?o期間和La Ni?a期間MJO在印度洋、海洋性大陸和西太平洋水汽場(chǎng)和環(huán)流場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)。El Ni?o年MJO對(duì)流中心附近水汽含量更多、上升運(yùn)動(dòng)也更強(qiáng)，對(duì)流中心兩側(cè)有明顯的下沉運(yùn)動(dòng)，尤其是對(duì)流東側(cè)的類Walker環(huán)流結(jié)構(gòu)[30]的經(jīng)度范圍更大。MJO對(duì)流中心位于海洋性大陸地區(qū)時(shí)對(duì)流中心平均水汽含量減少，但是赤道附近異常降水的緯向范圍更大(圖6b)，環(huán)流場(chǎng)和水汽場(chǎng)的“西傾”特征也最明顯；MJO對(duì)流中心位于西太平洋時(shí)對(duì)流東側(cè)存在微弱的下沉氣流，低層水汽正異常中心有向東延伸的趨勢(shì)。在La Ni?a年，MJO對(duì)流位于印度洋地區(qū)時(shí)其降水小于El Ni?o年的MJO降水，MJO對(duì)流中心位于海洋性大陸時(shí)MJO降水略大于El Ni?o年的MJO降水，而MJO對(duì)流中心位于西太平洋時(shí)對(duì)流中心水汽含量明顯減少，中低層水汽不再向東延伸(圖6f)；兩類MJO的降水強(qiáng)度變化整體與50個(gè)MJO事件合成的演變過程一致(圖略)，在印度洋地區(qū)El Ni?o年的MJO降水略強(qiáng)，MJO傳到海洋性大陸地區(qū)時(shí)La Ni?a年降水則略微偏強(qiáng)，由于La Ni?a年的MJO基本在150°E附近消亡，所以此時(shí)太平洋地區(qū)對(duì)流降水非常微弱。

圖6 El Ni?o(a～c)和La Ni?a(d～f)期間MJO對(duì)流中心位于80°E(a，d)、120°E(b，e)和160°E(c，f)時(shí)10°S～10°N平均的MJO緯向-垂直風(fēng)場(chǎng)(箭頭)和比濕(填色，單位：kg/kg)的垂直-緯向分布圖曲線表示10°S～10°N平均的降水異常的緯向分布(單位：mm/d)。填色和黑色箭頭表示通過0.05的顯著性檢驗(yàn)。

我們用對(duì)流中心區(qū)域平均的降水異常表征MJO的活動(dòng)強(qiáng)度。圖7給出了ENSO不同位相下MJO強(qiáng)度隨著對(duì)流東傳的變化特征。由于對(duì)流中心降水、水汽含量和垂直速度表征的MJO強(qiáng)度的演變特征相似，我們只選擇了對(duì)流中心平均的降水異常來表征MJO強(qiáng)度。類似所有MJO事件合成的強(qiáng)度演變(圖略)，隨著對(duì)流中心的東傳兩類MJO都有逐漸增強(qiáng)然后減弱的變化趨勢(shì)。在海洋性大陸兩類MJO的強(qiáng)度差異不大，La Ni?a年MJO降水略強(qiáng)于El Ni?o年MJO降水。兩類MJO的強(qiáng)度差異主要出現(xiàn)在印度洋和中東太平洋地區(qū)：El Ni?o期間的MJO活動(dòng)比La Ni?a年冬季的MJO明顯偏強(qiáng)，與降水和水汽的水平和垂直分布特征也基本一致。

圖7 El Ni?o和La Ni?a期間MJO東傳過程中其對(duì)流中心區(qū)域平均的降水異常(單位：mm/d)

通過對(duì)比MJO對(duì)流中心東西邊界向內(nèi)輸送水汽的多少可很好解釋不同ENSO位相下MJO降水強(qiáng)度差異，接下來我們將通過水汽通量診斷解釋MJO活動(dòng)強(qiáng)度變化。圖8a～8b給出了兩類MJO東傳過程中通過東邊界和西邊界進(jìn)入對(duì)流中心的水汽通量的演變。在印度洋地區(qū)，MJO對(duì)流中心東邊界輸入的水汽都是首先連續(xù)增加，在60°E附近之后開始減少；通過西邊界的水汽輸入則是由負(fù)變正迅速增加。在這里兩類事件水汽通量的差別主要在于通過各邊界輸入水汽質(zhì)量的相對(duì)大?。涸谟《妊蟮貐^(qū)，El Ni?o年MJO對(duì)流中心東邊界輸入的水汽明顯偏多，水汽通量最多可達(dá)到10 kg/(m·s)，最少也大于7 kg/(m·s)；La Ni?a年對(duì)流中心東邊界水汽通量略小，大致在6～9 kg/(m·s)之間變化，因此MJO活動(dòng)較弱。當(dāng)MJO傳播到太平洋時(shí)，維持MJO對(duì)流的水汽主要來自對(duì)流中心以西地區(qū)，此時(shí)不斷有水汽通過對(duì)流中心的東邊界向外輸出。El Ni?o期間，東邊界輸出的水汽較少，向外的水汽通量維持在1 kg/(m·s)以內(nèi)，而La Ni?a年通過東邊界向外輸出的水汽通量可達(dá)到3 kg/(m·s)以上，說明在太平洋地區(qū)，El Ni?o年MJO活動(dòng)更強(qiáng)可能與通過東邊界流出水汽較少有關(guān)。在MJO傳播到120°E之前，兩類MJO事件在對(duì)流中心西邊界的水汽通量都有連續(xù)增加；而在160°E以東，La Ni?a期間MJO對(duì)流中心西邊界的水汽甚至多于El Ni?o年，但是這里的對(duì)流降水仍然比El Ni?o年弱，但總的來說La Ni?a期間輸送進(jìn)入MJO對(duì)流中心的水汽更少。由于水汽輸送強(qiáng)度的不同，El Ni?o期間的MJO在印度洋和中東太平洋的強(qiáng)度都比La Ni?a年MJO強(qiáng)，這與對(duì)流中心東西邊界的水汽通量，尤其是通過對(duì)流東邊界輸入的水汽通量密切相關(guān)。

圖8 El Ni?o和La Ni?a期間MJO東傳過程中其對(duì)流中心西邊界(a)和東邊界(b)整層平均的向內(nèi)輸入的水汽通量 c～f分別表示60°E和160°E低層(1 000～700 hPa)通過西邊界和東邊界向內(nèi)水汽通量尺度分解后各項(xiàng)的大小(單位：kg/(m·s))。

由于兩類MJO在印度洋和太平洋中部地區(qū)的差異最明顯，我們接下來重點(diǎn)分析MJO對(duì)流傳播到60°E和160°E時(shí)通過西邊界和東邊界的水汽通量。圖8c～8f是MJO對(duì)流中心傳播到60°E和160°E時(shí)兩類MJO事件合成的1 000～700 hPa平均的西邊界和東邊界尺度分解的水汽通量大小。我們把風(fēng)速和水汽分別分解成低頻背景場(chǎng)尺度、MJO尺度和高頻尺度三部分，進(jìn)而可把緯向水汽通量分解成9個(gè)部分。診斷結(jié)果表明，兩類事件中MJO尺度緯向風(fēng)對(duì)背景水汽的輸送始終主導(dǎo)水汽通量的變化。在60°E，MJO對(duì)流發(fā)展所需要的水汽主要通過東邊界輸入到對(duì)流中心，西邊界的水汽輸送貢獻(xiàn)較小。由于El Ni?o冬季MJO對(duì)流東側(cè)的季節(jié)內(nèi)尺度東風(fēng)把更多水汽輸送到對(duì)流中心，所以60°E附近El Ni?o期間的降水比La Ni?a年強(qiáng)。MJO傳播到160°E附近時(shí)，雖然通過西邊界MJO尺度緯向風(fēng)對(duì)背景水汽的輸送在La Ni?a年更多，但是由于La Ni?a年對(duì)流東側(cè)有水汽大量流出，而El Ni?o年對(duì)流東側(cè)仍然有MJO緯向氣流輸送的水汽加濕對(duì)流中心，所以在160°E附近El Ni?o年MJO強(qiáng)度仍然比La Ni?a年強(qiáng)。

圖9給出了El Ni?o和La Ni?a冬季MJO傳播到60°E和160°E時(shí)MJO風(fēng)場(chǎng)和大尺度背景水汽的分布。兩類MJO傳播到60°E附近時(shí)，MJO對(duì)應(yīng)的背景水汽大值中心都位于西太平洋地區(qū)，異常東風(fēng)將大值中心的水汽向西邊印度洋和海洋性大陸輸送，使對(duì)流中心東邊界的水汽通量增加。此時(shí)對(duì)流中心東側(cè)緊鄰區(qū)域的水汽含量和季節(jié)內(nèi)尺度異常東風(fēng)的風(fēng)速都是El Ni?o年更強(qiáng)。隨著MJO不斷向東傳播，水汽向海洋性大陸地區(qū)集中，不斷加強(qiáng)的MJO西風(fēng)異常也可通過水汽平流作用加濕對(duì)流中心的空氣。在160°E附近，兩類MJO事件對(duì)流中心附近的風(fēng)場(chǎng)和水汽場(chǎng)最顯著的差異仍然出現(xiàn)在對(duì)流東側(cè)，更強(qiáng)的MJO低層?xùn)|風(fēng)異常和背景水汽使El Ni?o期間的MJO在這里活動(dòng)更強(qiáng)。

圖9 El Ni?o(a～b)和La Ni?a(c～d)年MJO對(duì)流中心位于60°E(左)和160°E(右)時(shí)MJO尺度風(fēng)場(chǎng)(箭頭，單位：m/s)和背景尺度水汽(填色，單位：kg/kg)的水平分布及El Ni?o和La Ni?a年(e～f)的差異綠色實(shí)線圍成的區(qū)域表征對(duì)流中心的范圍，黑色箭頭和填色的水汽表示通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

通常來說，MJO的活動(dòng)強(qiáng)度與海溫背景有關(guān)，海表溫度偏暖更有利于MJO對(duì)流的生成和發(fā)展。El Ni?o期間，中東太平洋存在暖海溫異常，La Ni?a期間則為冷海溫異常，不利于對(duì)流發(fā)展。所以在MJO傳播到180°時(shí)不同海溫使MJO活動(dòng)強(qiáng)度不同。印度洋地區(qū)的海溫與中東太平洋海溫變化趨勢(shì)一致(圖2)，El Ni?o年印度洋海溫也有顯著的暖異常，與此時(shí)的MJO活動(dòng)更強(qiáng)有關(guān)。在海洋性大陸附近，La Ni?a年海表溫度更高，MJO活動(dòng)也更強(qiáng)。這些現(xiàn)象都說明，背景海溫對(duì)MJO活動(dòng)強(qiáng)弱有很大影響。

5 總結(jié)和討論

本文采用追蹤MJO的方法挑選了1998—2018年20個(gè)冬季的MJO個(gè)例進(jìn)行合成分析，主要研究了ENSO不同位相下MJO的強(qiáng)度、傳播特征以及MJO對(duì)流場(chǎng)和環(huán)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的異同。

(1)ENSO顯著影響MJO的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、以及傳播特征。El Ni?o年MJO的結(jié)束經(jīng)度普遍偏東，La Ni?a年大多MJO事件都在西太平洋地區(qū)消亡。印度洋和太平洋MJO活動(dòng)在El Ni?o年更強(qiáng)，海洋性大陸附近則是在La Ni?a年更強(qiáng)一些。

(2)El Ni?o期間印度洋地區(qū)的MJO更強(qiáng)與對(duì)流中心東側(cè)MJO尺度緯向氣流對(duì)背景水汽的輸送有關(guān)；太平洋地區(qū)通過對(duì)流中心西邊界的水汽雖然是對(duì)流發(fā)展主要的水汽來源，但是在這里MJO更強(qiáng)的原因主要與對(duì)流東邊界的水汽通量有關(guān)；El Ni?o年太平洋MJO對(duì)流東側(cè)仍然有MJO尺度水平氣流將水汽集中到對(duì)流中心附近，但是La Ni?a年對(duì)流中心的水汽通過東邊界向外輸送，使得對(duì)流顯著減弱。

(3)對(duì)流東側(cè)邊界層水汽變化可改變淺對(duì)流生成的條件，進(jìn)而影響MJO東傳。El Ni?o年MJO可傳播更遠(yuǎn)主要是由于東太平洋地區(qū)有持續(xù)的季節(jié)內(nèi)尺度的經(jīng)向水汽輸送有關(guān)。El Ni?o年MJO在太平洋持續(xù)傳播最重要的過程是水汽經(jīng)向平流，在La Ni?a年這種經(jīng)向水汽輸送顯著偏少，可能是造成MJO不能繼續(xù)東傳的重要因素。

ENSO主要通過大范圍的環(huán)流調(diào)整影響MJO活動(dòng)，過去的研究多從ENSO循環(huán)引起海溫異常進(jìn)而通過海氣相互作用影響熱帶大尺度環(huán)流。還有一些研究從赤道地區(qū)大氣等壓面厚度引起Kelvin波異常來解釋MJO活動(dòng)的減弱[17]。本文引用的個(gè)例合成分析主要通過水汽層面診斷每一個(gè)事件的水汽來源，更能直觀準(zhǔn)確地分析每一個(gè)MJO事件的發(fā)生發(fā)展的水汽條件和輸送方式，補(bǔ)充了海溫年際尺度變化對(duì)大尺度水汽場(chǎng)和各個(gè)尺度環(huán)流場(chǎng)的配置以及MJO的結(jié)構(gòu)和傳播特征，進(jìn)而解釋不同海溫背景條件下的MJO強(qiáng)度變化和傳播異同產(chǎn)生的原因。

赤道太平洋海溫增暖中心位于大洋中部和東部的El Ni?o事件分別被稱作中部型和東部型El Ni?o事件。近年來，一些科學(xué)家對(duì)兩類事件對(duì)MJO的影響分別進(jìn)行了一系列的研究及對(duì)比[31-32]，指出在東部型El Ni?o年冬季MJO在印度洋至西太平洋地區(qū)的活動(dòng)強(qiáng)度會(huì)減弱，而在中部型El Ni?o年則有所加強(qiáng)。Feng等[31]通過研究MJO不同位相在兩類El Ni?o的活動(dòng)特征發(fā)現(xiàn)在東部型El Ni?o期間MJO 4～6位相的活動(dòng)減弱，而在中部型事件中這種變化不再顯著。Pang等[32]也指出在東部型El Ni?o年冬季MJO在印度洋至西太平洋地區(qū)的活動(dòng)強(qiáng)度會(huì)減弱，而在中部型El Ni?o年則有所加強(qiáng)。此外，通過引入數(shù)值模式也能更深入探究海氣耦合對(duì)ENSO對(duì)MJO活動(dòng)的影響[9,33-34]。后續(xù)研究可進(jìn)一步探討不同模態(tài)的海溫、與其他年際活動(dòng)對(duì)MJO的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)特征及傳播特征等的影響。

致 謝：感謝中國科學(xué)院大氣物理研究所李崇銀院士和凌健研究員對(duì)論文的指導(dǎo)，感謝中國科學(xué)院大氣物理研究所陳桂萬博士對(duì)本文研究技術(shù)上的幫助，感謝中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所林愛蘭研究員對(duì)本文的寫作指導(dǎo)。