冬季北大西洋濤動對熱帶印度洋海表熱通量的影響

陳藝,龔道溢*,時(shí)一文

① 北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)研究院,北京 100875;② 北京師范大學(xué) 地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875

作為氣候系統(tǒng)的一個(gè)重要參量,海氣界面的熱通量是表征海洋與大氣之間能量和水汽交換的關(guān)鍵指標(biāo)。熱帶印度洋地理位置十分特殊,是沃克環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流的交匯地,該區(qū)域的海氣相互作用非?；钴S,相關(guān)物理過程對季風(fēng)、區(qū)域降水、太平洋海溫、極地海冰等都存在顯著影響(Webster et al.,1999;Hu et al.,2011;余斌等,2011;Liu and Chan,2012;王子謙等,2015;Lee and Seo,2019;Abid et al.,2021;Xu et al.,2021),因此,印度洋地區(qū)海表面熱通量的變化及影響因子是值得大家關(guān)注的問題。

已有研究表明,印度洋海氣熱通量受諸多因子影響。如周天軍和張學(xué)洪(2002)指出,在印度洋中東部及印度洋西北部地區(qū),冬季潛熱通量變化與海溫變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,體現(xiàn)了海洋對大氣的強(qiáng)迫作用。Cyriac et al.(2016)的研究表明孟加拉灣感熱通量的季節(jié)變化與障礙層厚度、海溫存在聯(lián)系,在夏季風(fēng)爆發(fā)前,障礙層厚度對感熱通量的貢獻(xiàn)較大,而在季風(fēng)期間及冬季,海溫對感熱通量的貢獻(xiàn)較大。Feng(2003)指出在澳大利亞西海岸附近海域年平均熱量損失較大,主要是由于Leeuwin Current逆風(fēng)向南流動帶來熱帶地區(qū)的暖水從而引起大量蒸發(fā)冷卻所致。Shinoda and Hendon(2002)發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩對流活躍區(qū)位于熱帶印度洋時(shí),熱帶印度洋以南的大部分地區(qū)海洋以潛熱的形式向大氣輸送能量,這與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩引起的海表面風(fēng)速增加有關(guān)。Girishkumar et al.(2017)在研究季風(fēng)季節(jié)內(nèi)振蕩與孟加拉灣表面熱通量關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn),在對流系統(tǒng)的下沉區(qū),干冷的下沉氣流降低了近地面空氣溫度和濕度,引起海洋潛熱和感熱損失增加。

這些對印度洋熱通量變化的研究,多強(qiáng)調(diào)局地或相鄰區(qū)域氣候因子的影響,而對中、高緯度環(huán)流因子的關(guān)注相對較少。北大西洋濤動(North Atlantic Oscillation,NAO)是北半球中高緯重要的大尺度環(huán)流模態(tài),與印度洋地區(qū)的海溫、降水以及季風(fēng)等有著重要聯(lián)系(L’Heureux and Higgins,2008;Lin et al.,2009;Lin and Brunet,2011;Syed et al.,2012;Gong et al.,2014,2017;吳玲玲等,2018)。在季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上,NAO可以作為大氣季節(jié)內(nèi)振蕩發(fā)生的前兆信號,其相關(guān)的大氣擾動可以導(dǎo)致印度洋對流層高層緯向風(fēng)變化從而影響大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(Lin et al.,2009;Lin and Brunet,2011)。在年際時(shí)間尺度上,NAO主要通過波列沿著副熱帶急流傳播至印度洋北部上空,使得西印度洋地區(qū)的降水增加(Gong et al.,2014)。在多年代際尺度上,NAO可能通過湍流熱通量影響了大西洋年代際振蕩,進(jìn)而通過大西洋-印度洋多年代際遙相關(guān)影響印度洋地區(qū)的凈長波輻射,使得熱帶印度洋海溫發(fā)生變化(Xie et al.,2021)。

過去有少量研究注意到NAO影響下印度洋海氣熱通量的變化,如Gong et al.(2014)指出在冬季AO正位相期間,熱帶印度洋區(qū)域太陽輻射入射量減少,向上的凈長波輻射減少,10°S以北區(qū)域蒸發(fā)作用增強(qiáng)。不過對于大氣或者海洋過程的相對重要性討論較少?；诖?本文將對NAO相關(guān)的海氣界面熱通量變化特征及其可能的影響機(jī)制進(jìn)行細(xì)致探討。考慮到NAO在冬季最活躍,本文主要關(guān)注冬季NAO與同期印度洋海氣熱通量的聯(lián)系。

1 資料和方法

本文所用的海氣熱通量資料為法國Pierre Simon Laplace研究所與印度國家海洋研究所合作開發(fā)的TropFlux資料,該資料僅限于熱帶地區(qū)(30°S～30°N),空間分辨率為1°×1°(Kumar et al.,2012)。TropFlux資料融合了ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)(包括距離地面10 m的風(fēng)速,2 m處氣溫,2 m相對濕度,海溫和輻射通量)和國際衛(wèi)星云氣候計(jì)劃(International Satellite Cloud Climatology Project,ISCCP)的短波輻射通量,使用COARE 3.0算法估算潛熱通量和顯熱通量,并且通過浮標(biāo)觀測值進(jìn)行了偏差估算和校正。本文使用的海氣凈熱通量、感熱通量、潛熱通量、短波輻射、長波輻射均定義向下為正,代表海洋獲得熱量。

2 NAO不同位相下海表熱通量的變化特征

為了討論冬季北大西洋濤動和同期印度洋海氣凈熱通量的關(guān)系,給出了冬季NAO正、負(fù)位相年對應(yīng)的凈熱通量距平分布(圖1)。從圖1a可看出,當(dāng)NAO為正位相時(shí),在東南印度洋地區(qū)冬季海氣凈熱通量為正異常,即大氣進(jìn)入海洋的熱量增多,其中顯著變化區(qū)覆蓋的范圍較小,僅位于印度尼西亞以南海域,量值約為4～16 W/m。而在西印度洋至孟加拉灣區(qū)域凈熱通量為負(fù)異常,即海洋失去的熱量增多,其中顯著變化區(qū)有兩個(gè),一個(gè)位于孟加拉灣,覆蓋范圍大體包括80°～100°E、0°～20°N,另一個(gè)位于熱帶西印度洋,覆蓋范圍大體包括50°～80°E、10°S～20°N,量值約為4～16 W/m。從圖1b可看出,當(dāng)NAO為負(fù)位相時(shí),情況基本相反,東南印度洋為不顯著的得熱區(qū),西北印度洋為顯著的失熱區(qū),但孟加拉灣地區(qū)海氣凈熱通量的變化幅度較NAO正位相年較小,顯著區(qū)域范圍也較小。Gong et al.(2014)基于ERA-Interim再分析資料,計(jì)算了1979—2009年期間冬季印度洋表面凈熱通量對AO指數(shù)的回歸系數(shù),得到的分布特征與本文結(jié)果有較高的相似度,這也說明了本研究結(jié)果較為可靠。

圖1 NAO正(a)、負(fù)(b)位相年冬季海氣凈熱通量異常的合成分布(單位:W/m2;正值表示海氣凈熱通量向下;打點(diǎn)區(qū)域表示通過置信度為90%的顯著性檢驗(yàn))Fig.1 Composite distributions of net air-sea heat flux anomalies in winter of the NAO (a)positive and (b)negative phase years (units:W/m2.Positive values denote downward net air-sea heat fluxes.Dotted areas indicate the anomalies passing the significance test at 90% confidence level)

對比NAO正、負(fù)位相年海氣凈熱通量合成場可以發(fā)現(xiàn),熱帶西印度地區(qū)海氣凈熱通量的變化最為顯著,因此,將熱帶西印度洋50°～70°E、10°S～10°N(矩形框所示)關(guān)鍵區(qū)區(qū)域平均值作為海氣凈熱通量指數(shù)(Qnet)。圖2為冬季Qnet指數(shù)和NAO指數(shù)隨時(shí)間的變化,為了方便比較,所有時(shí)間序列均已標(biāo)準(zhǔn)化。結(jié)果表明,Qnet和NAO指數(shù)為負(fù)相關(guān)關(guān)系,它們的相關(guān)系數(shù)為-0.47,顯著水平達(dá)到0.01,與之前的結(jié)果一致。逐年波動上看,二者的對應(yīng)關(guān)系也很明顯,其中Qnet為正值的20 a里有13 a的NAO指數(shù)為負(fù)值,占65.0%,Qnet指數(shù)為負(fù)值的16 a里有13 a的NAO指數(shù)為正值,占81.2%。

圖2 冬季海氣凈熱通量指數(shù)(50°～70°E、10°S～10°N區(qū)域平均)與NAO指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列Fig.2 Normalized time series of net sea-air heat flux index averaged over the region (10°S—10°N,50°—70°E) and NAO index in winter

NAO與凈熱通量可能存在滯后的聯(lián)系,進(jìn)一步分析了NAO正、負(fù)位相對應(yīng)的1—3月、2—4月和3—5月海氣凈熱通量距平分布特征(圖略)。在NAO正位相年,表面凈熱通量距平值從滯后+1個(gè)月到滯后+2月逐漸減少,通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域縮小,在滯后+3個(gè)月,西印度洋地區(qū)變化的信號變得不顯著。NAO負(fù)位相分布則與之相反。這說明冬季NAO對印度洋海氣凈熱通量的影響在同期最強(qiáng),隨時(shí)間后移逐漸減弱。此外,我們還計(jì)算了冬季NAO指數(shù)與時(shí)間滯后的Qnet指數(shù)的相關(guān)系數(shù),NAO與滯后+1個(gè)月Qnet指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.44,與滯后+2個(gè)月Qnet指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.29,與滯后+3個(gè)月Qnet指數(shù)的相關(guān)系數(shù)僅為-0.03,與前面結(jié)果相似,同期相關(guān)明顯強(qiáng)于滯后相關(guān)。

海表凈熱通量由短波輻射、長波輻射、潛熱通量和感熱通量四個(gè)分量構(gòu)成,為進(jìn)一步探究NAO異常年4個(gè)分量對凈熱通量異常的貢獻(xiàn)大小,給出了NAO正、負(fù)位相年對應(yīng)的冬季海氣凈熱通量各分量變化(圖3)。為方便比較,熱通量4個(gè)分量均以向下為正。當(dāng)NAO為正位相時(shí)(圖3a—d),除印度尼西亞以南海域短波輻射為顯著正距平外,印度洋大部分地區(qū)均為負(fù)距平,在熱帶印度洋50°～90°E附近為顯著變化區(qū),說明在NAO正位相事件影響下,整體上由大氣進(jìn)入印度洋的能量減少,減幅最高達(dá)8 W/m。與凈熱通量對比可以發(fā)現(xiàn),二者在關(guān)鍵區(qū)的變化較為一致。長波輻射變化幅度較小,通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域僅位于馬達(dá)加斯加西部和北部海域以及澳大利亞北部海域附近,與凈熱通量變化特征相反。潛熱通量表現(xiàn)為西北-東南反位相變化,顯著負(fù)距平位于阿拉伯海海域及孟加拉灣,正距平區(qū)位于東南印度洋,從印度洋中南部向蘇門答臘島傾斜。負(fù)距平值約為-2～-8 W/m,正距平值約為2～6 W/m。感熱通量除孟加拉灣南部外,與潛熱通量分布基本類似,其量值僅為潛熱通量五分之一。從感熱和潛熱通量的量值大小和變化范圍推斷,潛熱通量是對海氣凈熱通量影響較大的一個(gè)分量,而感熱通量的影響不大。當(dāng)NAO為負(fù)位相時(shí)(圖3e—h),各分量的變化與上述情況大致相反,對應(yīng)海氣凈熱通量顯著變化區(qū)域,短波輻射和潛熱通量變化幅度較大。

圖3 NAO正(a—d)，負(fù)(e—h)位相年冬季短波輻射(a、e)、長波輻射(b、f)、潛熱通量(c、g)和感熱通量(d、h)異常的合成分布(單位:W/m2;正值表示凈熱通量子項(xiàng)向下;打點(diǎn)區(qū)域表示通過置信度為90%的顯著性水平檢驗(yàn))Fig.3 Composite distributions of (a,e)shortwave radiation,(b,f)longwave radiation,(c,g)latent heat flux and (d,h)sensible heat flux anomalies in winter of the NAO (a—d)positive and (e—h)negative phase years (units:W/m2.Positive values denote downward components of net air-sea heat fluxes.Dotted areas indicate the anomalies passing the significance test at 90% confidence level)

為更直觀地分析凈熱通量各分量項(xiàng)的貢獻(xiàn),選取了海氣凈熱通量顯著變化區(qū)域(50°～70°E,10°S～10°N),使用區(qū)域平均標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差量化該區(qū)域各分量對凈熱通量的相對貢獻(xiàn),公式如下:

(1)

3 海表熱通量異常的主導(dǎo)因子診斷分析

上文分析表明冬季NAO對熱帶印度洋凈熱通量的影響,主要與短波輻射和潛熱通量的異常有關(guān),那么短波輻射和潛熱通量又是哪些過程和變量主導(dǎo)的呢?

首先分析了短波輻射相關(guān)的變量。過去的研究表明,考慮到云量和水汽壓建立的短波輻射參數(shù)化方案估算效果較好(Dobson and Smith,1988)。因此分析了冬季總云量和整層水汽通量在NAO正、負(fù)位相年的合成差值分布(圖4)。NAO正位相事件期間,在印度尼西亞與澳洲的交界海域總云量顯著偏低2%～10%,在西印度洋5°S～15°N區(qū)域總云量顯著偏高2%～8%。整層水汽通量表現(xiàn)為南北反向分布,在印度半島-南海區(qū)域偏低0.5～3.5 kg/m,在印度洋東南部以及西印度洋區(qū)域偏高0.5～3.0 kg/m。將圖4與圖3a對比可以發(fā)現(xiàn),在西印度洋關(guān)鍵區(qū),短波輻射為負(fù)值,總云量和整層水汽通量均為正值,說明短波輻射和總云量、整層水汽通量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)NAO為正位相時(shí),西印度洋地區(qū)水汽增多、云量增加,云對短波輻射的反射和散射作用增強(qiáng),海洋獲得的短波輻射隨之減少。

接下來分析了潛熱通量相關(guān)因子的變化。潛熱通量可由基于COARE 3.0算法的公式計(jì)算(Fairall et al.,1996,2003):

=(-)。

(2)

式中:為潛熱通量；為10 m風(fēng)速；為海表飽和比濕；為2 m空氣比濕,其中海表飽和比濕通過海溫計(jì)算得到；海水密度；蒸散耗熱和潛熱通量傳輸系數(shù)均為常數(shù),分別取值為1 022.4 kg·m,2.44×10J·kg和1.2×10。由式(2)可知,潛熱通量與10 m風(fēng)速、海表飽和比濕和2 m空氣比濕有關(guān)。這些因子對潛熱通量變化的貢獻(xiàn),通常進(jìn)一步通過小擾動法線性化估算:

(3)

圖4 冬季總云量(a;單位:%)和整層水汽含量(b;單位:kg/m2)在NAO正、負(fù)位相年的差值分布(打點(diǎn)區(qū)域表示通過置信度為90%的顯著性水平檢驗(yàn))Fig.4 Composite differences in (a)winter total cloud amount (units:%) and (b)atmospheric column water vapor content (units:kg/m2) between the NAO positive and negative phase years (Dotted areas indicate the differences passing the significance test at 90% confidence level)

圖5 冬季海面飽和比濕項(xiàng)(a)、2 m空氣比濕項(xiàng)(b)和10 m風(fēng)速項(xiàng)(c)在NAO正、負(fù)位相年的差值分布(單位:W/m2;打點(diǎn)區(qū)域、黑色箭矢均表示通過置信度為90%的顯著性水平檢驗(yàn);灰色箭矢為風(fēng)場氣候態(tài))Fig.5 Composite differences in (a)the term of sea surface saturation specific humidity,(b)the term of air specific humidity at 2 m and (c) the term of speed wind at 10 m in winter between the NAO positive and negative phase years (units:W/m2.Dotted areas and black arrows indicate the differences passing the significance test at 90% confidence level.Gray arrows indicate the climatology of wind field)

因此,根據(jù)式(3)分別分析了NAO正、負(fù)位相合成的海面飽和比濕、2 m空氣比濕和10 m風(fēng)速項(xiàng)差值分布。由于本文潛熱通量以向下為正,在計(jì)算三個(gè)控制因子時(shí)均乘以-1。結(jié)果如圖5所示,當(dāng)NAO為正位相時(shí),海面飽和比濕項(xiàng)在印度洋大部分區(qū)域?yàn)樨?fù)距平,顯著區(qū)域位于東南印度洋,在南亞以及東非沿岸海域?yàn)檎嗥?變化幅度較小并且未通過顯著性檢驗(yàn)。2 m空氣比濕項(xiàng)分布與海面飽和比濕分布大致相反,在東南印度洋表現(xiàn)為顯著的正距平,在東非沿岸海域、阿拉伯海以及孟加拉灣為不顯著的負(fù)距平。10 m風(fēng)速項(xiàng)在西印度洋15°S～25°N區(qū)域表現(xiàn)出顯著的負(fù)距平,在孟加拉灣為不顯著的負(fù)距平,印度洋中部和東部均為正距平,其中印度尼西亞以南區(qū)域是顯著的。綜合來看,海面飽和比濕和2 m空氣比濕相互抵消,而10 m風(fēng)速項(xiàng)顯著負(fù)值區(qū)域與潛熱通量顯著負(fù)值區(qū)域有較好的對應(yīng)關(guān)系。說明在NAO正位相事件期間,印度洋北部偏北風(fēng)偏強(qiáng),海面蒸發(fā)加強(qiáng),使得向上的潛熱通量增加。

圖6 冬季850 hPa水平風(fēng)(a;單位:m/s)、500 hPa位勢高度(b;單位:m)和200 hPa緯向風(fēng)(c;單位:m/s)在NAO正、負(fù)位相年的差值分布(紅實(shí)線表示正值,藍(lán)虛線表示負(fù)值;陰影區(qū)、黑色箭矢表示通過置信度為90%的顯著性水平檢驗(yàn);灰色箭矢為風(fēng)場氣候態(tài))Fig.6 Composite differences in (a)850 hPa horizontal winds (units:m/s),(b)500 hPa geopotential heights (units:m) and (c)200 hPa zonal winds (units:m/s) in winter between the NAO positive and negative phase years (Solid red lines denote positive values and dashed blue lines denote negative values.Shaded areas and black arrows indicate the differences passing the significance test at 90% confidence level.Gray arrows indicate the climatology of wind field)

4 大氣環(huán)流場的相關(guān)變化

第3節(jié)分析表明,北大西洋濤動增強(qiáng)的情況下,熱帶西印度洋地區(qū)偏北風(fēng)增強(qiáng)是海水蒸發(fā)增加的主要原因,云量和水汽增加是下行短波輻射減少的主要原因。顯然這些影響因子與大尺度大氣環(huán)流密切相關(guān)。

進(jìn)一步對200 hPa緯向風(fēng)場、500 hPa位勢高度場以及850 hPa水平風(fēng)場進(jìn)行合成分析(圖6)。當(dāng)NAO指數(shù)偏強(qiáng)時(shí),在200 hPa緯向風(fēng)上,印度洋北部區(qū)域存在正負(fù)兩個(gè)變化中心,以20°N為界,異常偏西風(fēng)位于中東至南亞區(qū)域,異常偏東風(fēng)位于阿拉伯海及周邊,與這種異常相對應(yīng),該區(qū)域有明顯的反氣旋性切變。在500 hPa高度場上,阿拉伯海及周邊中東地區(qū)為顯著的正位勢高度異常,風(fēng)場上對應(yīng)著異常反氣旋性環(huán)流?？梢?阿拉伯海及阿拉伯半島地區(qū),對流層中高層均存在異常反氣旋環(huán)流,體現(xiàn)出準(zhǔn)正壓的特征。與這個(gè)反氣旋相對應(yīng),在850 hPa水平風(fēng)場上,西印度洋0°～10°N區(qū)域?yàn)轱@著的異常東北風(fēng)。一方面,異常東北風(fēng)疊加氣候態(tài)上的東北風(fēng)背景,意味著絕對風(fēng)速的加強(qiáng),另一方面,異常東北風(fēng)越過赤道,可增強(qiáng)赤道輻合帶的強(qiáng)度,從降水分布上(圖7)可以看到降水正距平中心位于赤道附近區(qū)域,二者是吻合的。

圖7 冬季500 hPa垂直速度(紅點(diǎn)表示上升運(yùn)動,藍(lán)點(diǎn)表示下沉運(yùn)動)和降水(陰影;單位:mm/d)在NAO正、負(fù)位相年的差值分布(只給出了通過置信度為90%的顯著性檢驗(yàn)的值)Fig.7 Composite differences in 500 hPa vertical velocity (Red points denote ascending motion and blue points denote sinking motion) and precipitation (shadings;units:mm/d) in winter between the NAO positive and negative phase years (Only differences that pass the significance test at 90% confidence level are given)

圖8 冬季大氣運(yùn)動(u、v和ω)在NAO正、負(fù)位相年的合成差值的緯度-高度剖面(單位:m/s;箭矢表示ω和v,且通過置信度為90%的顯著性水平檢驗(yàn);等值線表示u,紅實(shí)線為正值,藍(lán)虛線為負(fù)值,陰影區(qū)表示通過置信度為90%的顯著性水平檢驗(yàn))Fig.8 Latitude-altitude profile of composite differences in zonal (u),meridional (v) and vertical (ω) winds in winter between the NAO positive and negative phase years (units:m/s.Theω and v are shown as arrows,which pass the significance test at 90% confidence level.The u is shown as contours,with red lines denoting positive values,blue lines denoting negative values and shadings denoting the differences passing the significance test at 90% confidence level)

進(jìn)一步檢查大氣垂直運(yùn)動特征,圖7給出NAO異常年500 hPa垂直運(yùn)動場的合成差值分布?？梢钥闯?赤道附近存在顯著的上升運(yùn)動,顯著區(qū)域大體位于5°S～5°N、50°～85°E,與總云量以及降水的相關(guān)極值中心分布一致,而沙特阿拉伯王國至阿拉伯海北部存在顯著的下沉運(yùn)動,與異常反氣旋性環(huán)流對應(yīng)。為更細(xì)致地分析整個(gè)對流層垂直環(huán)流特征,將NAO指數(shù)分別與區(qū)域平均的緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)和垂直風(fēng)場做合成分析(圖8)。因?yàn)?0°～70°E區(qū)域大體是海氣凈熱通量變化顯著區(qū)域,所以我們選擇該區(qū)域?qū)⑺薪?jīng)度進(jìn)行平均。結(jié)果表明,當(dāng)NAO指數(shù)偏強(qiáng)時(shí),在南印度洋有異常的上升氣流,顯著區(qū)從850 hPa向上延伸至200 hPa,也與對流活躍區(qū)域相吻合。同時(shí)注意到,在印度洋北部20°～30°N,500 hPa至200 hPa存在顯著的異常下沉運(yùn)動。異常西風(fēng)帶出現(xiàn)在20°～30°N,從700 hPa延伸至對流層頂,最大異常風(fēng)速超過4 m/s,位于200～300 hPa。異常東風(fēng)帶位于赤道以北至20°N,500～200 hPa之間的異常值約為0～-2 m/s,200 hPa以上最大值約為4 m/s,對流層高層有明顯的輻合。顯著下沉區(qū)及高層輻合區(qū)與圖6中的異常反氣旋是吻合的,說明這種氣旋性質(zhì)的環(huán)流特征可以從對流層中層維持到對流層高層。

三維大氣環(huán)流異常顯示,熱帶印度洋大氣環(huán)流最突出的特征是北部存在的準(zhǔn)正壓性的異常反氣旋,該反氣旋與區(qū)域性的近地面風(fēng)速、對流層垂直運(yùn)動等變化有密切關(guān)系。那NAO是如何影響熱帶印度洋區(qū)域的大氣環(huán)流呢?為闡明NAO與印度洋異常環(huán)流之間的動力學(xué)機(jī)制,我們進(jìn)一步對NAO正、負(fù)位相年200 hPa波活動通量場和流函數(shù)場合成差值分布進(jìn)行分析。由圖9可見,NAO引起了由格陵蘭島向歐亞大陸傳播的遙相關(guān)波列結(jié)構(gòu),北支波列經(jīng)北大西洋地區(qū),向東轉(zhuǎn)向經(jīng)北歐影響至俄羅斯地區(qū),南支波列從北大西洋地區(qū)經(jīng)過西歐,向南傳播至中東、阿拉伯海地區(qū),并可以一直延伸至東亞地區(qū),沿中高緯路徑傳播的遙相關(guān)結(jié)構(gòu)相對于沿中低緯路徑傳播的遙相關(guān)結(jié)構(gòu)較弱。南支波列的異常反氣旋環(huán)流中心位于阿拉伯海北部,與圖6的環(huán)流異常中心對應(yīng)。Watanabe (2004)指出,冬季NAO會激發(fā)以副熱帶急流為波導(dǎo)的羅斯貝波從而影響至東亞地區(qū),其討論的波列結(jié)構(gòu)與本研究中沿中低緯路徑傳播的波列類似。因此,南支波列可能是聯(lián)系冬季NAO與印度洋地區(qū)海氣凈熱通量的紐帶。

圖9 冬季200 hPa波活動通量(箭矢;單位:m2·s-1)和流函數(shù)(陰影區(qū);單位:m2·s-1)在NAO正、負(fù)位相年的差值分布(箭矢、打點(diǎn)區(qū)域表示通過置信度為90%的顯著性水平檢驗(yàn))Fig.9 Composite differences in wave activity fluxes (arrows;units:m2·s-1) and stream functions (shadings;units:m2·s-1) in winter between the NAO positive and negative phase years (Arrows and dotted areas indicate the differences passing the significance test at 90% confidence level)

5 結(jié)論與討論

以上分析表明,冬季北大西洋濤動對同期印度洋海氣凈熱通量有顯著影響。冬季NAO與印度洋凈熱通量總體呈負(fù)相關(guān),超過90%置信度水平的區(qū)域主要位于熱帶西印度洋(50°～70°E，10°S～10°N),該區(qū)域平均海氣凈熱通量時(shí)間序列與NAO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.47。NAO與印度洋海氣凈熱通量的強(qiáng)相關(guān)主要集中在同期,隨時(shí)間后移相關(guān)性減弱。

為量化海氣凈熱通量各分量對凈熱通量的相對貢獻(xiàn),計(jì)算了海氣凈熱通量顯著變化區(qū)區(qū)域平均標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差。在NAO正位相事件期間,短波輻射、潛熱通量、長波輻射和感熱通量的貢獻(xiàn)依次為61.48%、72.96%、-3.18%和10.96%,在NAO負(fù)位相事件期間,貢獻(xiàn)依次為57.06%、71.72%、1.68%和10.01%。可見,凈熱通量變化主要取決于短波輻射和潛熱通量變化。

NAO可能通過Rossby波列影響印度洋地區(qū)局地大氣環(huán)流進(jìn)而影響海氣熱通量。當(dāng)NAO為正位相時(shí),南支波列從格陵蘭島出發(fā),經(jīng)北大西洋地區(qū)向南傳播至中東、印度洋地區(qū),在阿拉伯海北部對流層高層觸發(fā)異常反氣旋環(huán)流,反氣旋性環(huán)流疊加在氣候背景上加強(qiáng)了東北風(fēng)以及越赤道氣流,一方面有利于海水蒸發(fā),另一方面,可導(dǎo)致水汽、云量以及熱帶輻合帶降水的增多,不利于海表下行短波輻射增加。

需要指出的是,由于全球海氣熱通量長時(shí)間序列資料缺乏,本文的分析是基于TropFlux資料,該數(shù)據(jù)僅融合了ERA-interim 再分析數(shù)據(jù)和ISCCP衛(wèi)星數(shù)據(jù),若今后出現(xiàn)長時(shí)間序列且質(zhì)量較好的資料將進(jìn)一步探討。而有關(guān)冬季北極濤動對同期印度洋海氣熱通量的影響機(jī)制也有待通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一步驗(yàn)證。