印太海盆增暖對(duì)冬季MJO的影響及其與中國(guó)南方降水的關(guān)系

摘要" 利用1979—2012年NCEP／NCAR逐日再分析資料、澳大利亞氣象局MJO指數(shù)數(shù)據(jù)、中國(guó)臺(tái)站逐日降水觀測(cè)資料、NOAA逐月海表溫度資料，分析了印太海盆增暖對(duì)冬季MJO的影響及其與中國(guó)冬季降水變化的關(guān)系。結(jié)果表明：在印太海盆增暖背景下，熱量和水汽輸送的增強(qiáng)導(dǎo)致MJO各位相強(qiáng)度均有增強(qiáng)，其中第6位相強(qiáng)度增強(qiáng)最明顯。水汽垂直分布結(jié)構(gòu)的改變不僅有利于MJO第4位相繼續(xù)東傳，而且有利于MJO在第5位相滯留，引起MJO第5位相頻數(shù)異常增多。上述MJO的變化引起的局地Hadley環(huán)流下沉支位于華南地區(qū)，導(dǎo)致了2001—2010年與MJO第5—6位相相關(guān)的華南地區(qū)次季節(jié)性降水異常減少。

關(guān)鍵詞MJO;熱帶印度洋和西太平洋海域;海表溫度;水汽;哈德萊環(huán)流

2024-04-30收稿，2024-06-26接受

福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（2022KFKT01）;國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（91837206）

引用格式：王禮松，楊櫟楠，姚永紅，等，2024.印太海盆增暖對(duì)冬季MJO的影響及其與中國(guó)南方降水的關(guān)系［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，47（6）：856-866.

Wang L S，Yang L N，Yao Y H，et al.，2024.Observed changes in wintertime MJO under sea surface temperature warming in the tropical Indian and western Pacific Oceans and their impacts on precipitation in southern China［J］.Trans Atmos Sci，47（6）：856-866.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20240430002.（in Chinese）.

Madden-Julian Oscillation（MJO）是熱帶地區(qū)季節(jié)內(nèi)變率的主要模態(tài)，自Madden and Julian（1971）從熱帶風(fēng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)已被廣泛研究。在北半球冬季，MJO主要在印度洋發(fā)生，并以波數(shù)1—4沿赤道向東傳播，周期約為20～80 d，功率譜峰值約為45 d。MJO在印度洋和西太平洋的平均相速度為5 m／s。當(dāng)MJO穿過(guò)日界線時(shí)，相關(guān)的對(duì)流往往會(huì)減弱。然后，MJO以高頻開(kāi)爾文波的形式向東傳播，相速度約為15 m／s，最終返回印度洋（Zhang，2005）。已有的研究表明，在熱帶印度洋和西熱帶太平洋，水汽通量和行星邊界層（planetary boundary layer，PBL）摩擦對(duì)激發(fā)和增強(qiáng)MJO對(duì)流起著重要作用。Wang（1988）、Wang and Rui（1990）指出，MJO的移動(dòng)與PBL相關(guān)的不穩(wěn)定上升運(yùn)動(dòng)和對(duì)流層內(nèi)水汽輻合的強(qiáng)迫作用，以及通過(guò)摩擦對(duì)流加熱導(dǎo)致的濕開(kāi)爾文波與羅斯貝波的耦合影響相關(guān)。Maloney and Hartmann（1998）通過(guò)分析與MJO周期相聯(lián)系的水汽垂直積分發(fā)現(xiàn)，在印度洋和西太平洋地區(qū)，從地面到300 hPa的水汽垂直積分異常和地表輻合具有顯著的相關(guān)關(guān)系。摩擦產(chǎn)生的水汽輻合使對(duì)流東部出現(xiàn)水汽正異常，并緩慢加濕大氣，有利于對(duì)流的發(fā)展。充放電理論則認(rèn)為MJO強(qiáng)對(duì)流是通過(guò)低層濕靜力能（moist static energy，MSE）的聚集和釋放建立起來(lái)的，其中低層水汽的增加導(dǎo)致了低層MSE的聚集（Kemball-Cook and Weare，2001）。MJO濕模型理論認(rèn)為，水汽異常的增長(zhǎng)對(duì)于印度洋和西太平洋上的MJO對(duì)流的東移和發(fā)展至關(guān)重要。水汽的垂直結(jié)構(gòu)分布決定MJO的移動(dòng)和發(fā)展。Hus and Li（2012）通過(guò)對(duì)物理量場(chǎng)的診斷指出，和MJO相聯(lián)系的水汽異常在垂直方向上具有向后傾斜的結(jié)構(gòu)，正是由于這種后傾結(jié)構(gòu)導(dǎo)致水汽異常在邊界層中存在東西方向上的不對(duì)稱(chēng)分布，對(duì)流東側(cè)PBL水汽正異常有利大氣穩(wěn)定度下降，進(jìn)而引起MJO的向東傳播。Feng et al.（2015）通過(guò)對(duì)比東傳和不傳播的MJO事件發(fā)現(xiàn)，位于MJO對(duì)流東側(cè)的正水汽異常決定了MJO通過(guò)海洋性大陸繼續(xù)東傳。Jiang et al.（2015）通過(guò)對(duì)24個(gè)模式的分析也表明，模式是否能夠?qū)λY(jié)構(gòu)進(jìn)行正確的模擬，是模式較好模擬MJO的關(guān)鍵。因此，觀測(cè)和模擬結(jié)果都表明，水汽變化是影響MJO活動(dòng)的最重要因素之一。

熱帶海洋是水汽的最重要來(lái)源，海表溫度（sea surface temperature，SST）的正異常會(huì)增加熱帶海洋對(duì)大氣的加熱以及輸送水汽，通過(guò)改變自由大氣的MSE和PLB的水汽輻合，影響開(kāi)爾文和羅斯貝波的耦合，造成MJO的強(qiáng)度和傳播發(fā)生改變。Caballero and Huber（2010）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SST升高時(shí)，MJO會(huì)加強(qiáng)，因?yàn)樗惓Ｅc加熱存在1／4的位相差。太平洋中部赤道地區(qū)的SST增暖（冷卻）導(dǎo)致東傳MJO的強(qiáng)度增強(qiáng)（減弱）（Hendon et al.，1999;Kessler，2001）。Arnold et al.（2013）證實(shí)，在固定的水汽垂直分布條件下，增暖的SST將維持濕絕熱加熱引起MSE的變化。模式模擬研究表明，赤道地區(qū)的SST增暖和不同范圍SST的變化導(dǎo)致低層水汽的變化，將分別有利于開(kāi)爾文波和羅斯貝波的傳播，進(jìn)而影響MJO移動(dòng)速度的變異（Kang et al.，2013;Maloney and Xie，2013）。Liu et al.（2015）通過(guò)模式模擬研究表明，赤道地區(qū)的SST增暖可以通過(guò)PBL的?？寺槲饔茫欣陂_(kāi)爾文波快速向東傳播，造成MJO顯著東移。而范圍廣的SST增暖則有利于羅斯貝波發(fā)展，減緩了MJO的東傳。在東西方向上的SST增暖，其南北范圍較窄，有利于快速移動(dòng)的熱帶開(kāi)爾文波，而南北范圍寬廣的SST增暖造成赤道外地區(qū)水汽增強(qiáng)利于羅斯波發(fā)展，開(kāi)爾文波和羅斯貝波的耦合將減緩MJO的東傳（Kang et al.，2013）。Chang et al.（2015）比較了工業(yè)革命以前和未來(lái)CO2濃度增加情景下（RCP8.5）MJO的活動(dòng)特征，指出在RCP8.5情景下，MJO的振幅更大，東傳速度更強(qiáng)，出現(xiàn)的頻數(shù)更高，以及更廣闊的經(jīng)向延伸，但其緯向活動(dòng)受到限制。自1979年以來(lái)，觀測(cè)到的海表溫度在熱帶印度洋和西太平洋地區(qū)呈顯著升溫趨勢(shì)（Sabeerali et al.，2014;Chan and Wu，2015;圖1）。本文主要是檢驗(yàn)上述印度洋和西太平洋熱帶地區(qū)的升溫趨勢(shì)對(duì)觀測(cè)中MJO的影響。因?yàn)槟壳爸挥猩贁?shù)模型在模擬MJO變異性方面具有較高的技能，這表明模擬MJO及其對(duì)天氣和氣候的影響仍然是當(dāng)前氣候模型中的一大挑戰(zhàn)（Jiang et al.，2015），所以本文使用各種觀測(cè)數(shù)據(jù)集比較了1979—1988年和2001—2010年印度-太平洋盆地的MJO活動(dòng)。

許多研究揭示了MJO對(duì)中國(guó)氣候的影響（張芳華等，2019;覃衛(wèi)堅(jiān)等，2023;馬瀟祎等，2024）。Liu and Yang（2010）發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)MJO這8個(gè)位相的傳播，冬季中國(guó)東部的降水增加區(qū)域從長(zhǎng)江流域向南方移動(dòng)。這些變化與赤道羅斯貝波對(duì)東傳MJO對(duì)流加熱的響應(yīng)有關(guān)。He et al.（2011）指出，MJO對(duì)中國(guó)冬季地表氣溫和降水的影響主要與MJO加熱引發(fā)的局地哈德萊環(huán)流和赤道羅斯貝波在北半球的分支有關(guān)。Yao et al.（2015）指出MJO對(duì)中國(guó)南方冬季降水異常的貢獻(xiàn)約為10％。在2009年11月，中國(guó)東部發(fā)生的嚴(yán)重冰雪天氣事件中，強(qiáng)MJO事件是其中最重要的影響因素之一（Jia et al.，2011）。從1979年以來(lái)中國(guó)南方地區(qū)的冬季降水出現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)（Zhai et al.，2005;Wu et al.，2018）。本文還研究了自1979年以來(lái)MJO變化對(duì)中國(guó)南方冬季降水增加的貢獻(xiàn)。

1" 數(shù)據(jù)和方法

本研究使用的數(shù)據(jù)包括：1）NCEP／NCAR逐日再分析數(shù)據(jù)（Kalnay et al.，1996）的風(fēng)速、比濕、溫度和海平面氣壓（sea level pressure，SLP），水平分辨率為2.5°×2.5°;NOAA重建SST V3b（Smith et al.，2008），水平分辨率約為2.0°×2.0°。2）MJO指數(shù)數(shù)據(jù)。3）中國(guó)氣象局氣候數(shù)據(jù)中心提供的約544個(gè)氣象站的日降水和地面氣溫的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)集（任芝花等，2012）。數(shù)據(jù)范圍為1979—2012年，北半球冬季定義為12月—次年2月。

圖1顯示1979—2010年印度洋-太平洋海洋盆地北半球冬季SST增暖趨勢(shì)顯著。這個(gè)結(jié)果與Chan and Wu（2015）的研究結(jié)果類(lèi)似；該研究結(jié)果指出，人為溫室氣體濃度增加是導(dǎo)致熱帶印度洋和西太平洋SST變暖趨勢(shì)的原因。研究印度洋-太平洋海洋盆增暖對(duì)MJO的可能影響，將有助于理解未來(lái)全球增暖的影響。我們將研究時(shí)段分為1979—1988年和2001—2010年共兩個(gè)10 a。

為了分離季節(jié)內(nèi)變化信號(hào)，本研究使用20～100 d帶通Lanczos濾波器。顯熱源（Q1）和顯濕源（Q2）的分布是用于檢驗(yàn)加熱和濕度影響的基本變量（Yanai et al.，1973），Q1和Q2的定義與Zhou and Chan（2005）相同：

Q1=cpTt+V·

SymbolQC@ T+PP0Rcp·ω·θp，" （1）

Q2=-Lqt+V·

SymbolQC@ q+ω·qp。" （2）

其中：θ表示位溫;T表示氣溫;R和cp分別表示干空氣的氣體常數(shù)和比定壓熱容;P、P0、L和V分別表示氣壓、地表氣壓、凝結(jié)潛熱和風(fēng)速矢量;ω和q分別表示垂直p坐標(biāo)中的垂直速度和比濕。

濕靜力能（MSE）收支方程用于對(duì)MSE收支進(jìn)行診斷。根據(jù)能量平衡原理，垂直積分的MSE收支方程可以寫(xiě)成：

〈mt〉=-〈V·

SymbolQC@ m〉-〈ωmp〉+FLH+FSH+〈WL〉+〈WS〉。" （3）

其中：m表示cpT+Lq+gZ；cp表示干空氣比定壓熱容;L是凝結(jié)潛熱;g是重力加速度;T是氣溫，單位是K;q是比濕，單位是kg／kg;Z是位勢(shì)高度，單位是gpm。MSE收支方程中尖括號(hào)表示1 000～100 hPa的垂直積分;t是時(shí)間;V表示水平風(fēng)速矢量;

SymbolQC@ 為水平梯度算子;ω是p坐標(biāo)下的垂直速度，負(fù)值代表上升運(yùn)動(dòng)，正值代表下沉運(yùn)動(dòng);FLH是潛熱通量;FSH是感熱通量；〈WL〉和〈WS〉是大氣層頂與地表輻射通量的差值，〈WL〉代表長(zhǎng)波輻射，〈WS〉代表短波輻射。

所用MJO指數(shù)（RMM1和RMM2）采用Wheeler and Hendon（2004）的定義。RMM1和RMM2來(lái)自澳大利亞氣象局網(wǎng)站（http：／／www.bom.gov.au／climate／mjo／）。MJO振幅定義為IRMM1+IRMM2（Wheeler and Hendon，2004）。在分析中選取振幅大于1的MJO事件進(jìn)行位相頻數(shù)和振幅的合成。冬季為從12月—次年2月的時(shí)間段。

2" 印太海盆變暖背景下MJO的變化

MJO的頻數(shù)和振幅在1979—1988年和2001—2010年的8個(gè)位相的變化如表1、2所示。與1979—1988年相比，2000—2010年期間第5位相的頻數(shù)顯著增加，第3位相和第4位相的頻數(shù)也有所增加，但沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。與此同時(shí)，2001—2010年MJO每個(gè)位相的振幅普遍呈現(xiàn)正增長(zhǎng)，但只有第6位相增強(qiáng)超過(guò)90％置信度的顯著性檢驗(yàn)。因此，熱帶印度洋和西太平洋的溫暖SST對(duì)MJO的影響主要表現(xiàn)為第5位相的頻數(shù)增加和第6位相的振幅加強(qiáng)，在2000—2010年階段MJO的對(duì)流中心更多出現(xiàn)在海洋大陸地區(qū)。

圖2顯示了10°S～10°N區(qū)域平均的季節(jié)內(nèi)降水與印度洋區(qū)域平均降水時(shí)間序列的超前滯后回歸。從圖2中可以看出，全球變暖前后10 a，MJO的傳播速度具有相似的特征，從印度洋緩慢傳播到日界線，速度大約為5 m／s，這與引言中提到的諸多研究結(jié)果相似，表明雖然全球變暖對(duì)于MJO的強(qiáng)度以及位相頻數(shù)造成了顯著的差異，但是未造成MJO傳播速度的明顯改變。

除了直接觀測(cè)到的風(fēng)場(chǎng)、溫度和濕度場(chǎng)外，Q1和Q2的變化可以捕捉季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上的對(duì)流活動(dòng)（Zhou and Chan，2005），并反映MJO對(duì)流的演變（Johnson et al.，2015），對(duì)MJO振幅有重要影響。Q1和Q2可以從溫度和濕度傾向方程中由直接觀測(cè)的氣象要素場(chǎng)得到（Yanai et al.，1973）。Chang et al.（2015）發(fā)現(xiàn)，在熱帶地區(qū)Q1的最大值在500 hPa處，Q2的最大值在400 hPa處。根據(jù)上述研究，我們分析了對(duì)應(yīng)MJO第6相時(shí)，1 000～100 hPa和1 000～300 hPa的Q1和Q2的垂直積分，用于檢測(cè)加熱和濕度對(duì)MJO強(qiáng)度的影響。圖3、4分別顯示了與第6相相對(duì)應(yīng)的加熱和濕度的時(shí)間演變。陰影區(qū)域表示通過(guò)90％置信度的顯著性檢驗(yàn)。當(dāng)Q1超前于MJO第6相15 d時(shí)，海洋性大陸和西太平洋地區(qū)的正加熱異常增強(qiáng)，此處為MJO第6位相對(duì)流中心所在地（圖中綠色方框）。當(dāng)Q1領(lǐng)先于第6位相5 d（“滯后=-5 d”）時(shí)正加熱異常達(dá)到最大值。滯后為0 d時(shí)，對(duì)流中心位于增強(qiáng)的加熱大值區(qū)，然后隨著MJO的移動(dòng)向東傳播。Q2的演變與Q1類(lèi)似，在“滯后=-10 d”時(shí)，西太平洋出現(xiàn)正的水汽異常，在“滯后=-5 d”時(shí)增強(qiáng)，然后向東傳播。上述結(jié)果表明，在第6位相出現(xiàn)之前的10 d內(nèi)，西太平洋地區(qū)的加熱和水汽異常顯著增強(qiáng)。由于印度洋-太平洋海洋盆地的變暖，異常的加熱和水汽增強(qiáng)有利于MJO獲得更多能量來(lái)維持其發(fā)展和增強(qiáng)。

分析MSE收支有助于進(jìn)一步理解MJO和其他熱帶擾動(dòng)變化的形成機(jī)理（Peters and Bretherton，2006;Maloney，2009;Frierson et al.，2011）。MSE收支平衡方程中不同項(xiàng)如水平和垂直平流、地表通量和輻射加熱在MSE收支中的作用可以揭示各種過(guò)程對(duì)大氣不穩(wěn)定性和MJO傳播的影響。前人的研究結(jié)果表明，MJO的降水事件發(fā)生前，水汽和MSE異常增加，而在MJO的降水事件發(fā)生后減弱（Kemball-Cook and Weare，2001;Kiladis et al.，2005;Maloney，2009）。根據(jù)Kiladis et al.（2005），計(jì)算了1 000～100 hPa整層積分的MSE收支，對(duì)應(yīng)MJO第6位相的強(qiáng)度增強(qiáng)，對(duì)比分析了1979—1988和2001—2010年兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)西太平洋地區(qū)MSE異常與MJO對(duì)流的關(guān)系（圖5）。從圖中可見(jiàn)，在前后兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，正MSE異常均對(duì)應(yīng)MJO的對(duì)流中心，并且最大的MSE正異常出現(xiàn)在MJO強(qiáng)對(duì)流異常的2 d前，有利于MJO在東傳到海洋性大陸和西北太平洋地區(qū)的過(guò)程中不斷有新的對(duì)流生成并維持。對(duì)比兩個(gè)階段MSE的異常值可以看出，在2001—2010年，對(duì)應(yīng)MJO的第6位相前期2 d，MSE的異常值偏大，與第6位相對(duì)流異常偏強(qiáng)一致。

為了了解不同時(shí)期對(duì)應(yīng)MJO第6相MSE收支異常以及各變量場(chǎng)對(duì)MSE收支平衡的作用，圖6顯示了垂直積分的MSE收支平衡方程的診斷結(jié)果。從圖中可以看出，水平平流項(xiàng)在兩個(gè)時(shí)期中對(duì)MSE的增加有正貢獻(xiàn)，但在2001—2010年期間貢獻(xiàn)相對(duì)較小。導(dǎo)致2001—2010年MSE增長(zhǎng)較1979—1988年更強(qiáng)的因素是MSE垂直平流項(xiàng)的負(fù)貢獻(xiàn)減弱。垂直平流項(xiàng)在兩個(gè)時(shí)期中都對(duì)MSE起負(fù)貢獻(xiàn)的作用，但在2001—2010年期間，垂直平流項(xiàng)對(duì)MSE減小的負(fù)貢獻(xiàn)要弱得多，因此造成第6相對(duì)應(yīng)的MSE的增加在2001—2010年期間更顯著。

研究表明，MJO傳播與MJO對(duì)流中心的垂直向西傾斜結(jié)構(gòu)以及邊界層結(jié)構(gòu)之間存在密切關(guān)系，水汽異常的向西傾斜結(jié)構(gòu)有利于MJO向東傳播（Hsu and Li，2012;Feng et al.，2015）。MJO“濕模型”理論表明，在PBL中，位于MJO對(duì)流中心東側(cè)的負(fù)水汽異?？赡苡|發(fā)MJO，并使MJO得以發(fā)展并進(jìn)一步向東移動(dòng)。圖7、8分別顯示了1979—1988年和2001—2010年MJO第4、5位相的水汽異常垂直剖面和OLR異常的10°S～10°N區(qū)域平均值。在圖7中，對(duì)應(yīng)MJO第4位相，水汽的正異常中心與OLR異常的小值相匹配。與1979—1988年相比，2001—2010年的對(duì)流中心的水汽異常值沒(méi)有顯著差異，并且最大的正異常都位于對(duì)流層中層。但在2000—2010年，水汽異常垂直變化呈現(xiàn)出明顯的向西傾斜結(jié)構(gòu)，在對(duì)流中心東側(cè)具有更強(qiáng)的負(fù)水汽異常值和不穩(wěn)定的層結(jié)，有利于淺對(duì)流的發(fā)展和MJO從第4位相向第5位相的東移。這解釋了為什么在2001—2010年期間檢測(cè)到MJO第5位相頻數(shù)的顯著增加（表1）。由圖8可知，盡管在2001—2010年期間，水汽異常中心的值大于1979—1988年MJO第5位相的值，但在2001—2010期間其向西傾斜結(jié)構(gòu)不明顯。這種結(jié)構(gòu)不利于MJO的向東傳播，造成MJO對(duì)流在第5位相中滯留，這也解釋了在2001—2010年MJO第5位相頻數(shù)增加的原因。

3" MJO變化對(duì)中國(guó)冬季季節(jié)內(nèi)降水的影響

自1979年以來(lái)，中國(guó)南方冬季降水呈增加趨勢(shì)（Wu et al.，2018）。Liu and Hsu（2019）的研究表明，華南和長(zhǎng)江持續(xù)性強(qiáng)降水變化趨勢(shì)可能受到MJO活動(dòng)的年代際變化影響，在近十幾年，西太平洋地區(qū)MJO對(duì)流活躍，印度洋MJO對(duì)流活動(dòng)減弱，為華南持續(xù)性強(qiáng)降水發(fā)生提供了不利條件，但有利長(zhǎng)江流域持續(xù)性強(qiáng)降水的發(fā)生。圖9顯示了1979—1988年和2001—2010年前后兩個(gè)10 a間冬季與MJO第5、6位相頻數(shù)和強(qiáng)度相聯(lián)系的次季節(jié)降水的變化。在2001—2010年期間，長(zhǎng)江以北沿海地區(qū)的次季節(jié)冬季降水顯著增加。就MJO第5位相而言，在2001—2010年長(zhǎng)江以北及其中上游地區(qū)降水異常增加，而在中國(guó)華南地區(qū)異常減少。在MJO第6位相中，降水在長(zhǎng)江下游地區(qū)增加，在中國(guó)南部減少。因此，自1979年以來(lái)MJO強(qiáng)度和相頻數(shù)的變化可能導(dǎo)致中國(guó)南部降水異常減少。Yao et al.（2015）指出，MJO對(duì)中國(guó)南方降水變化貢獻(xiàn)約為10％，進(jìn)一步說(shuō)明MJO的變化雖然對(duì)1979年以來(lái)南方地區(qū)降水有負(fù)貢獻(xiàn)，但不足以影響其年代際增強(qiáng)的趨勢(shì)。

有模式模擬結(jié)果表明，MJO對(duì)流加熱通過(guò)強(qiáng)迫局地哈德萊環(huán)流的變化引起中國(guó)冬季降水的異常（He et al.，2011）。圖10 顯示了對(duì)應(yīng)1979—1988和2001—2010兩個(gè)階段，MJO第5位相和第6位相沿110°～120°E區(qū)域平均的垂直環(huán)流。圖中可見(jiàn)，與1979—1988年相比，2001—2010年間對(duì)流層低層20°N以北的地區(qū)存在顯著的下沉運(yùn)動(dòng)，與He et al.（2011）的模擬結(jié)果一致，這說(shuō)明局地哈德萊環(huán)流的下沉支是導(dǎo)致冬季中國(guó)南方地區(qū)次季節(jié)降水異常減少的原因。

4" 結(jié)論與討論

本文研究了1979—1988年和2001—2010年兩個(gè)10 a間MJO的變化，并探討了造成MJO變化的可能機(jī)制及其對(duì)中國(guó)冬季降水異常的影響。主要研究結(jié)果如下：

1）源自印度洋的MJO在2001—2010年，雖移動(dòng)速度沒(méi)有顯著改變，但其強(qiáng)度和頻數(shù)發(fā)生了顯著變化。MJO第6位相振幅顯著增強(qiáng)，第5位相頻數(shù)顯著增多，出現(xiàn)在海洋大陸附近MJO的頻數(shù)更高。

2）印度洋-太平洋洋盆的變暖導(dǎo)致了西太平洋MJO對(duì)流的加強(qiáng)。在全球變暖SST背景下，異常的加熱和水汽增加對(duì)MJO第6位相振幅增強(qiáng)起了重要作用。

3）出現(xiàn)在海洋性大陸附近的MJO頻數(shù)增大，其變化歸因于在全球變暖SST背景下，水汽異常在第4位相向西傾斜的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，而在第5位相則趨于垂直分布，這有利于MJO的由第4位相向東傳播到第5位相和在第5位相滯留不動(dòng)，從而導(dǎo)致2001—2010年MJO第5位相頻數(shù)的增加。

4）在2001—2010年，與MJO第5、6位相相關(guān)的次季節(jié)降水異常對(duì)中國(guó)南方冬季降水異常有負(fù)貢獻(xiàn)，但其異常貢獻(xiàn)不超過(guò)10％，因此對(duì)1979年以來(lái)中國(guó)南方冬季降水增加趨勢(shì)沒(méi)有產(chǎn)生顯著影響。

觀測(cè)結(jié)果表明，SST變暖對(duì)MJO活動(dòng)產(chǎn)生了顯著影響，造成某些地區(qū)MJO對(duì)流更活躍。未來(lái)利用先進(jìn)的全球氣候模型（GCMs）進(jìn)行研究，可能會(huì)進(jìn)一步加深SST變暖對(duì)MJO的影響的理解。此外，考慮到MJO指數(shù)是通過(guò)EOF分析得到的，因此并不能完全反映MJO事件的特征。鑒于MJO事件的多樣性及其對(duì)天氣系統(tǒng)的影響，未來(lái)的研究可以將MJO個(gè)例之間的差異性診斷分析納入研究范圍。

參考文獻(xiàn)（References）

Arnold N P，Kuang Z M，Tziperman E，2013.Enhanced MJO-like variability at high SST［J］.J Climate，26（3）：988-1001.doi：10.1175／jcli-d-12-00272.1.

Caballero R，Huber M，2010.Spontaneous transition to superrotation in warm climates simulated by CAM3［J］.Geophys Res Lett，37（11）：L11701.doi：10.1029／2010gl043468.

Chan D，Wu Q G，2015.Attributing observed SST trends and subcontinental land warming to anthropogenic forcing during 1979—2005［J］.J Climate，28（8）：3152-3170.doi：10.1175／jcli-d-14-00253.1.

Chang C W J，Tseng W L，Hsu H H，et al.，2015.The Madden-Julian Oscillation in a warmer world［J］.Geophys Res Lett，42（14）：6034-6042.doi：10.1002／2015gl065095.

Feng J，Li T，Zhu W J，2015.Propagating and nonpropagating MJO events over maritime continent［J］.J Climate，28（21）：8430-8449.doi：10.1175／jcli-d-15-0085.1.

Frierson D M W，KimD，Kang I S，et al.，2011.Structure of AGCM-simulated convectively coupled kelvin waves and sensitivity to convective parameterization［J］.J Atmos Sci，68（1）：26-45.doi：10.1175／2010jas3356.1.

He J H，Lin H，Wu Z W，2011.Another look at influences of the Madden-Julian Oscillation on the wintertime East Asian weather［J］.J Geophys Res：Atmos，116（D3）：D03109.doi：10.1029／2010jd014787.

Hendon H H，Zhang C D，Glick J D，1999.Interannual variation of the Madden-Julian Oscillation during austral summer［J］.J Climate，12（8）：2538-2550.doi：10.1175／1520-0442（1999）012lt;2538：IVOTMJgt;2.0.CO;2.

Hsu P C，Li T，2012.Role of the boundary layer moisture asymmetry in causing the eastward propagation of the Madden-Julian Oscillation［J］.J Climate，25（14）：4914-4931.doi：10.1175／jcli-d-11-00310.1.

Jia X L，Chen L J，Ren F M，et al.，2011.Impacts of the MJO on winter rainfall and circulation in China［J］.Adv Atmos Sci，28（3）：521-533.doi：10.1007／s00376-010-9118-z.

Jiang X N，Waliser D E，Xavier P K，et al.，2015.Vertical structure and physical processes of the Madden-Julian Oscillation：exploring key model physics in climate simulations［J］.J Geophys Res：Atmos，120（10）：4718-4748.doi：10.1002／2014JD022375.

Johnson R H，Ciesielski P E，Ruppert J H Jr，et al.，2015.Sounding-based thermodynamic budgets for DYNAMO［J］.J Atmos Sci，72（2）：598-622.doi：10.1175／jas-d-14-0202.1.

Kalnay E，Kanamitsu M，Kistler R，et al.，1996.The NCEP／NCAR 40-year reanalysis project［J］.Bull Amer Meteor Soc，77（3）：437-471.doi：10.1175／1520-0477（1996）077lt;0437：tnyrpgt;2.0.co;2.

Kang I S，Liu F，Ahn M S，et al.，2013.The role of SST structure in convectively coupled Kelvin-Rossby waves and its implications for MJO formation［J］.J Climate，26（16）：5915-5930.doi：10.1175／jcli-d-12-00303.1.

Kemball-Cook S R，Weare B C，2001.The onset of convection in the Madden-Julian Oscillation［J］.J Climate，14（5）：780-793.doi：10.1175／1520-0442（2001）014lt;0780：toocitgt;2.0.co;2.

Kessler W S，2001.EOF representations of the Madden-Julian Oscillation and its connection with ENSO （［J］.J Climate，14（13）：3055-3061.doi：10.1175／1520-0442（2001）014lt;3055：EROTMJgt;2.0.CO;2.

Kiladis G N，Straub K H，Haertel P T，2005.Zonal and vertical structure of the Madden-Julian Oscillation［J］.J Atmos Sci，62（8）：2790-2809.doi：10.1175／jas3520.1.

Lin H，2015.Subseasonal variability of North American wintertime surface air temperature［J］.Climate Dyn，45（5）：1137-1155.doi：10.1007／s00382-014-2363-6.

Liu D Q，Yang X Q，2010.Mechanism responsible for the impact of Madden-Julian Oscillation on the wintertime rainfall over eastern China［J］.Sci Meteor Sinica，30（5），684-693.

Liu F，Huang G，Yan M，2015.Role of SST meridional structure in coupling the Kelvin and Rossby waves of the intraseasonal oscillation［J］.Theor Appl Climatol，121（3）：623-629.doi：10.1007／s00704-014-1266-0.

Liu Y，Hsu P C，2019.Long-term changes in wintertime persistent heavy rainfall over southern China contributed by the Madden-Julian Oscillation［J］.Atmos Ocean Sci Lett，12（5）：361-368.doi：10.1080／16742834.2019.1639471.

馬瀟祎，范可，楊洪卿，2024.2021年盛夏中國(guó)東部極端降水月際演變成因及可預(yù)測(cè)性［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，47（4）：541-556." Ma X Y，F(xiàn)an K，Yang H Q，2024.Causes and predictability of the inter-month evolution of extrem precipitation over eastern China in midsummer 2021［J］.Trans Atmos Sci，47（4）：541-556.（in Chinese）

Madden R A，Julian P R，1971.Detection of a 40—50 day oscillation in the zonal wind in the tropical Pacific［J］.J Atmos Sci，28（5）：702-708.doi：10.1175／1520-0469（1971）028lt;0702：doadoigt;2.0.co;2.

Maloney E D，Hartmann D L，1998.Frictional moisture convergence in a composite life cycle of the Madden-Julian Oscillation［J］.J Climate，11（9）：2387-2403.doi：10.1175／1520-0442（1998）011lt;2387：fmciacgt;2.0.co;2.

Maloney E D，2009.The moist static energy budget of a composite tropical intraseasonal oscillation in a climate model［J］.J Climate，22（3）：711-729.doi：10.1175／2008jcli2542.1.

Maloney E D，Xie S P，2013.Sensitivity of tropical intraseasonal variability to the pattern of climate warming［J］.J Adv Model Earth Syst，5（1）：32-47.doi：10.1029／2012ms000171.

Peters M E，Bretherton C S，2006.Structure of tropical variability from a vertical mode perspective［J］.Theor Comput Fluid Dyn，20（5）：501-524.doi：10.1007／s00162-006-0034-x.

覃衛(wèi)堅(jiān)，蔡悅幸，羅小莉，2023.南海夏季風(fēng)爆發(fā)對(duì)廣西6月暴雨的影響［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，46（1）：132-138." Qin W J，Cai Y X，Luo X L，2023.The impact of the onset of the South China Sea summer monsoon on rainstorm anomalies in June over Guangxi［J］.Trans Atmos Sci，46（1）：132-138.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20211115001.（in Chinese）.

任芝花，余予，鄒鳳玲，等，2012.部分地面要素歷史基礎(chǔ)氣象資料質(zhì)量檢測(cè)［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，23（6）：739-747." Ren Z H，Yu Y，Zou F L，et al.，2012.Quality detection of surface historical basic meteorological data［J］.J Appl Meteor Sci，23（6）：739-747.doi：10.3969／j.issn.1001-7313.2012.06.011.（in Chinese）.

Sabeerali C T，Rao S A，George G，et al.，2014.Modulation of monsoon intraseasonal oscillations in the recent warming period［J］.J Geophys Res：Atmos，119（9）：5185-5203.doi：10.1002／2013JD021261.

Smith T M，Reynolds R W，Peterson T C，et al.，2008.Improvements to NOAA’s historical merged land-ocean surface temperature analysis （1880—2006）［J］.J Climate，21（10）：2283-2296.doi：10.1175／2007jcli2100.1.

Wang B，1988.Dynamics of tropical low-frequency waves：an analysis of the moist kelvin wave［J］.J Atmos Sci，45（14）：2051-2065.doi：10.1175／1520-0469（1988）045lt;2051：dotlfwgt;2.0.co;2.

Wang B，Rui H L，1990.Dynamics of the coupled moist Kelvin-Rossby wave on an equatorial β-plane［J］.J Atmos Sci，47（4）：397-413.doi：10.1175／1520-0469（1990）0470397：dotcmkgt;2.0.co;2.

Wheeler M C，Hendon H H，2004.An all-season real-time multivariate MJO index：development of an index for monitoring and prediction［J］.Mon Wea Rev，132（8）：1917.doi：10.1175／1520-0493（2004）132lt;1917：AARMMIgt;2.0.CO;2.

Wu Q G，Yao Y H，Liu S Z，et al.，2018.Tropical Indian Ocean warming contributions to China winter climate trends since 1960［J］.Climate Dyn，51（7）：2965-2987.doi：10.1007／s00382-017-4059-1.

Yao Y H，Lin H，Wu Q G，2015.Subseasonal variability of precipitation in China during boreal winter［J］.J Climate，28（16）：6548-6559.doi：10.1175／jcli-d-15-0033.1.

Yanai M，Esbensen S，Chu J H，1973.Determination of bulk properties of tropical cloud clusters from large-scale heat and moisture budgets［J］.J Atmos Sci，30（4）：611-627.doi：10.1175／1520-0469（1973）030lt;0611：DOBPOTgt;2.0.CO;2.

Zhai P M，Zhang X B，Wan H，et al.，2005.Trends in total precipitation and frequency of daily precipitation extremes over China［J］.J Climate，18（7）：1096-1108.doi：10.1175／JCLI-3318.1.

Zhang C D，2005.Madden-Julian Oscillation［J］.Rev Geophys，43（2）：e2004rg000158.doi：10.1029／2004rg000158.

張芳華，陶亦為，高輝，等，2019.2018年春末南方極端持續(xù)高溫及MJO影響［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，42（1）：100-108." Zhang F H，Tao Y W，Gao H，et al.，2019.Persistent extreme high temperature event in southern China in late spring of 2018 and the effect of Madden-Julian Oscillation［J］.Trans Atmos Sci，42（1）：100-108.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20180928002.（in Chinese）.

Zhou W，Chan J C L，2005.Intraseasonal oscillations and the South China Sea summer monsoon onset［J］.Int J Climatol，25（12）：1585-1609.doi：10.1002／joc.1209.

·ARTICLE·

Observed changes in wintertime MJO under sea surface temperature warming in the tropical Indian and western Pacific Oceans and their impacts on precipitation in southern China

WANG Lisong1，YANG Linan2，YAO Yonghong1，3，WU Qigang4

1School of Atmospheric Sciences，Nanjing University，Nanjing 210023，China;

2Meteorological Center，Southwest Regional Air Traffic Management Bureau，CAAC，Chengdu 610000，China;

3Fujian Key Laboratory of Severe Weather，F(xiàn)uzhou 350008，China;

4Department of Atmospheric and Oceanic Sciences／Institute of Atmospheric Sciences，F(xiàn)udan University，Shanghai 200000，China

Abstract" The Madden-Julian Oscillation （MJO） is the dominant mode of intraseasonal variability in the tropics and has been widely studied since its discovery by Madden and Julian in 1971.The tropical oceans are a critical source of moisture，and positive sea surface temperature （SST） anomalies enhance heating and moisture fluxes，which facilitate the initialization and propagation of the MJO.Observations reveal a significant warming trend in the tropical Indian Ocean and western Pacific （TWIP） since 1979，associated with anthropogenic greenhouse gas forcing.However，previous studies indicate that current climate models struggle to simulate MJO variability accurately，underscoring the challenges in understanding its role in weather and the climate systems.This study examines the observed impacts of SST warming in the TWIP on the MJO，focusing on changes in its characteristics and their influence on winter precipitation in China from 1979 to 2012.South China，where precipitation is heaviest，has experienced a significant increase in rainfall since 1979，making it vital to investigate the contribution of MJO changes to this trend.The analysis reveals that SST warming in the TIWP intensifies heating and moisture fluxes，leading to an increase in MJO amplitude across all phases，with a statistical significant rise in phase 6.Vertical water vapor distribution changes result in an increased frequency of MJO phases，particularly phase 5，facilitating eastward propagation from phase 4 to phase 5 and prolonging phase 5 activity.These MJO changes are linked to enhanced subsidence in South China，associated with local Hadley cell dynamics，resulting in more negative sub seasonal precipitation anomalies during MJO phases 5 and 6 in recent decades.

The findings provide observational evidence of the significant influence of SST warming on MJO activity and its subsequent impacts on regional precipitation patterns.The results highlight that MJO phase frequency changes reflect shifts in preferred regions of activity and structural adjustments.Future research should employ state-of-the-art GCMs to explore the influence of SST warming on MJO in greater detail.This study focuses on climatological changes in MJO under TWIP basin-wide warming.However，variations in MJO structure and their differential impacts on weather systems，warrant further diagnostic analysis.

Keywords" MJO;the tropical Indian Ocean and the western Pacific Ocean;SST;moisture;Hadley circulation

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20240430002

（責(zé)任編輯：袁東敏）