西太平洋區(qū)與中太平洋區(qū)環(huán)流的年際變化

西太平洋區(qū)與中太平洋區(qū)環(huán)流的年際變化

哈德利循環(huán)是南北北半球之間、亞熱帶和副熱帶之間質(zhì)量、變量和傾角運動的主要通道，具有非常重要的研究意義。自1735年hadley提出以來，它引起了科學(xué)家的關(guān)注。緯向平均經(jīng)圈環(huán)流(MMC,MeanMeridionalCirculation)是子午面上由沿緯圈平均的風(fēng)經(jīng)向分量υ和垂直分量ω構(gòu)成的環(huán)流。目前,關(guān)于MMC的研究尤其是沿全緯圈Hadley環(huán)流的研究有很多。隨著觀測數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展,Hadley環(huán)流的季節(jié)分布特征已經(jīng)得到認證。近年來,許多學(xué)者關(guān)注并研究了全緯圈Hadley環(huán)流年際、年代際變化特征,而且發(fā)現(xiàn)Hadley環(huán)流與熱帶地區(qū)海表面溫度(SST)關(guān)系密切。OortandYienger指出,Hadley環(huán)流的強度與赤道中東太平洋的SSTa呈正相關(guān)關(guān)系,而與Walker環(huán)流呈負相關(guān)。周波濤和王會軍對北半球冬季和夏季的Hadley環(huán)流分別進行討論,發(fā)現(xiàn)冬季北半球Hadley環(huán)流有明顯的年代際增強的趨勢,而夏季控制熱帶地區(qū)經(jīng)向環(huán)流的南半球Hadley環(huán)流為周期性年代際變化,沒有明顯的趨勢,冬、夏季節(jié)Hadley環(huán)流年際變化與Ni1o3區(qū)SSTa呈顯著正相關(guān)。馬杰和李建平指出,北半球冬季Hadley環(huán)流有顯著的年代際增強趨勢,與印度洋-西太平洋暖池地區(qū)海溫相關(guān)顯著,而EN-SO則主要作用于其年際變化。馮然等對北半球夏季Hadley環(huán)流進行分析,得到類似的結(jié)論。馮娟等分析了北半球春季Hadley環(huán)流的年際、年代際變化特征,指出赤道中東太平洋海溫異常和印度洋-西太平洋暖池區(qū)異常海溫的重要作用。關(guān)于全緯圈Hadley環(huán)流的研究已經(jīng)有很多,但是,由于海陸分布不均,沿整個緯圈的大氣環(huán)流也各有各的特征,很有必要進行緯向區(qū)域劃分,分析不同區(qū)域Hadley環(huán)流的特征及影響因素。目前,已經(jīng)有學(xué)者重點關(guān)注了季風(fēng)區(qū)和東西太平洋的經(jīng)向環(huán)流特征,發(fā)現(xiàn)各個區(qū)域環(huán)流分布不同,并且有各自的季節(jié)和年際變化特征。陳月娟等討論了110°E~140°E經(jīng)向環(huán)流的年際變化特征及其與東亞季風(fēng)的聯(lián)系,并從中得出東亞季風(fēng)環(huán)流強度變化與ENSO有一定的關(guān)系。Wang對比了ElNi1o(LaNi1a)生消各個階段東西太平洋上空Hadley環(huán)流的異常場分布,發(fā)現(xiàn)東、西太平洋Hadley環(huán)流在ElNi1o(LaNi1a)階段呈反位相變化。秦育婧和王盤興對比分析了季風(fēng)區(qū)和Ni1o區(qū)局域經(jīng)向環(huán)流的季節(jié)和年際變化特征,及其與SST的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)ENSO事件對于不同區(qū)域環(huán)流都有重要作用。從前人的研究可知,分區(qū)域進行經(jīng)向環(huán)流研究非常有必要,而現(xiàn)在的研究相對較少,且不同學(xué)者對區(qū)域的劃分標準各不相同。本文將給出合理的標準進行區(qū)域劃分,并研究相應(yīng)的環(huán)流特征。1水平分辨率和經(jīng)向質(zhì)量流函數(shù)本文主要采用NCEP/NCAR月平均再分析資料中的速度勢χ和垂直速度ω,水平分辨率為2.5(°)×2.5(°),垂直方向從1000~10hPa,共17層,但ω僅有從1000~100hPa共12層資料。海表面溫度(SST)用的是NOAA提供的ERSST(ExtendedReconstructedSeaSurfaceTemperature)數(shù)據(jù),水平分辨率為2(°)×2(°)。另外還用到NOAA提供的Ni1o3.4指數(shù)。所有資料的時間跨度均為1951年1月~2010年12月,共720個月。文中將使用經(jīng)向質(zhì)量流函數(shù)來表征經(jīng)向環(huán)流。水平風(fēng)場可以分解為無散的旋度風(fēng)和無旋的散度風(fēng)。在氣壓坐標系下的連續(xù)方程中,只有散度風(fēng)能夠引起垂直運動ω,而旋度風(fēng)對ω不起作用。對球面-氣壓坐標系下的連續(xù)方程求緯向平均,得到:其中:為散度風(fēng)經(jīng)向分量。利用方程(1)可定義一個二維質(zhì)量流函數(shù)ψ:其中:φ為緯度;p為壓強。實際計算時采用王盤興提出的雙向疊加方案:設(shè)邊界條件地面(ps=1013hPa)和大氣層頂(p=0)質(zhì)量流函數(shù)為0,分別對(2)式進行向上、向下積分,得到每個經(jīng)度格點i上空單位格點寬度的質(zhì)量流函數(shù)ψiφ(,p):其中:為向上積分;為向下積分;對于經(jīng)度格點i=(a,b)的區(qū)域,該區(qū)域的總質(zhì)量流函數(shù)ψφ(,p)為:2u3000hpa南北緯的eof分解由經(jīng)向質(zhì)量流函數(shù)ψ的定義可知,其正值表示順時針的經(jīng)圈環(huán)流,即北半球的正Hadley環(huán)流;負值表示逆時針的經(jīng)圈環(huán)流,即南半球的正Hadley環(huán)流,并且經(jīng)圈環(huán)流的中心對應(yīng)著ψ的極值區(qū)。從全緯圈年際異常的經(jīng)向環(huán)流分析結(jié)果看,異常環(huán)流中心位于400hPa左右。因此,為了合理確定Hadley環(huán)流年際異常的區(qū)域,本節(jié)首先分析ψ在400hPa的特性。對400hPa南北緯30°范圍內(nèi)ψ的年際異常進行EOF分解,第一模態(tài)空間分布如圖1上圖所示,下圖為用ψ計算得到的垂直運動場ω,圖中ψ的單位為107kg/s。圖1上圖顯示,沿整個緯圈質(zhì)量流函數(shù)有3對關(guān)于赤道反對稱的異常中心,其經(jīng)度位置分別在120°E、170°W和50°W附近。其中170°W的北(南)半球正(負)異常,強度最強,中心位于北(南)緯7(10)度左右;120°E的是與170°W異常符號相反的2個中心,強度次之,北(南)半球負(正)中心位于北(南)緯20度左右;50°W是與120°E符號相同的2個中心,強度較弱,北(南)半球負(正)中心位北(南)緯20(15)度左右。3對質(zhì)量流函數(shù)異常分別對應(yīng)著西太平洋暖池的異常下沉、赤道中太平洋的異常上升和赤道大西洋的異常下沉(見圖1下圖)。本文將主要關(guān)注太平洋的Hadley環(huán)流年際異常,并根據(jù)圖1將其沿緯向分為各跨40個經(jīng)度的2個區(qū)域:西太平洋區(qū)(WP,100°E~140°E)和中太平洋區(qū)(CP,170°E~150°W),如圖1中黑色粗線劃出的范圍。3had高效環(huán)流在分析太平洋Hadley環(huán)流年際異常之前,有必要先了解其季節(jié)變化特征,以清晰異常環(huán)流與實際環(huán)流的關(guān)系(實際環(huán)流=異常環(huán)流+季節(jié)環(huán)流)。圖2分別給出了WP區(qū)和CP區(qū)的季節(jié)環(huán)流。圖2及其后面關(guān)于質(zhì)量流函數(shù)的分布圖,單位均為109kg/s,不同于圖1。WP區(qū)(見圖2上圖)有南北2支Hadley環(huán)流,但以各半球冬季Hadley環(huán)流占主導(dǎo)地位。北半球冬季,北支Hadley環(huán)流水平跨度為10°S~40°N(南支在10°S~40°S),最大上升運動高度(也是環(huán)流中心高度)在350hPa左右,經(jīng)向范圍在15°S~5°N之間,35°N有較強下沉中心,高度在500hPa左右;北半球夏季,南支Hadley環(huán)流水平跨度為30°S~20°N(北支很弱,北退到中緯度),最大上升運動高度在400hPa左右,經(jīng)向范圍在10°N~20°N之間,下沉區(qū)主要在25°S~15°S之間,高度偏低;春、秋季節(jié)為過渡季節(jié),但都是南支Hadley環(huán)流偏強。WP區(qū)域Hadley環(huán)流季節(jié)變化特性顯然是地形和暖池加熱決定的,特別是上升區(qū)的季節(jié)移動,應(yīng)該是暖池上空凝結(jié)潛熱的作用結(jié)果。CP區(qū)(見圖2下圖)2支Hadley環(huán)流都比WP區(qū)的弱得多,環(huán)流中心高度偏低(年平均約在450~500hPa左右),經(jīng)向跨度較窄。其最大特點是主要上升區(qū)關(guān)于赤道對稱,但明顯分為離開赤道的南北2支,赤道區(qū)上升很弱,即2支Hadley環(huán)流在赤道區(qū)是分離的。除了一月份南支Hadley環(huán)流上升運動較強外,其余季節(jié),2支上升運動差別不大,位置的季節(jié)移動也較小。CP區(qū)域Hadley環(huán)流季節(jié)變化特性應(yīng)該是赤道冷舌和赤道輻合帶位置決定的,其上升支主要受赤道輻合帶上空的潛熱釋放驅(qū)動,驅(qū)動力要遠低于西太暖池。4兩個區(qū)域第二模態(tài)的時空特征比較分別對WP區(qū)域(100°E~140°E,60°S~60°N)和CP區(qū)域(170°E~150°W,60°S~60°N)質(zhì)量流函數(shù)的年際異常做EOF分解,其中WP區(qū)第一模態(tài)和第二模態(tài)的方差貢獻分別為62.0%和18.6%,CP區(qū)第一模態(tài)和第二模態(tài)的方差貢獻分別為58.8%和22.7%。2個區(qū)域的第一模態(tài)都能夠解釋60%左右的方差貢獻,第一模態(tài)與第二模態(tài)之和解釋了80%之多的方差。圖3給出了2個區(qū)域第一模態(tài)的空間分布和時間序列。對比圖3a、b發(fā)現(xiàn),2個區(qū)域第一模態(tài)是關(guān)于赤道對稱,但互為反向的異常環(huán)流。WP區(qū)域異常環(huán)流范圍寬廣,已超南北緯60°,異常環(huán)流中心高度在400hPa左右,赤道下沉區(qū)占據(jù)了40個緯度之多(20°S~20°N),但強度較弱,尤其是副熱帶外的垂直運動強度更弱;CP區(qū)域異常環(huán)流寬度較窄,僅達南北緯30°左右,赤道上升區(qū)局限于10°S~10°N之間,但赤道區(qū)和赤道外區(qū)的垂直運動都較強,環(huán)流中心高度也偏高,位于350hPa左右。由圖3c可以看出,2個區(qū)域年際異常第一模態(tài)的時間系數(shù)演變非常一致,同期相關(guān)系數(shù)可達0.85,而且WP區(qū)超前CP區(qū)1個月時的相關(guān)系數(shù)最大,達0.86。比較WP區(qū)第一模態(tài)的空間型(見圖3a)與氣候態(tài)的Hadley環(huán)流(見圖2上圖)可知,當(dāng)?shù)谝荒B(tài)為正位相時(時間系數(shù)為正),20°S~20°N為異常下沉,而WP區(qū)氣候態(tài)的Hadley環(huán)流在10°S~20°N基本是上升運動,在20°S~10°S基本是下沉運動,所以當(dāng)WP區(qū)第一模態(tài)正(負)位相時將削弱(加強)Hadley環(huán)流的上升運動。當(dāng)CP區(qū)第一模態(tài)的空間型(見圖3b)正位相時,10°S~10°N為異常上升,而CP區(qū)氣候態(tài)的Hadley環(huán)流基本是分離在赤道兩側(cè)的上升運動,下沉區(qū)一般在20°以外(見圖2下圖)。所以當(dāng)CP區(qū)第一模態(tài)正(負)位相時將加強(削弱)Hadley環(huán)流,并使該區(qū)Hadley環(huán)流向赤道收縮(離赤道發(fā)散)。圖4所示為2個區(qū)域第二模態(tài)的時空變化特征。對比圖4a、b發(fā)現(xiàn),2個區(qū)域第二模態(tài)的空間型在熱帶地區(qū)比較相似,主要環(huán)流均為跨赤道的逆時針環(huán)流,異常環(huán)流中心高度在350hPa左右,較強的上升區(qū)位于5°N~15°N,下沉區(qū)位于赤道以南;WP(CP)區(qū)的北支順時針環(huán)流很弱(較強),北邊界僅達30°N(已達60°N)多。2個區(qū)域第二模態(tài)的空間型在南半球副熱帶差異較大,WP區(qū)為很弱的順時針環(huán)流,而CP區(qū)為逆時針環(huán)流。2個區(qū)域第二模態(tài)的時間系數(shù)(見圖4c)相關(guān)性也較高,尤其是峰期非常一致,同期相關(guān)系數(shù)為0.54,遠超99%信度。2個區(qū)域第二模態(tài)對氣候態(tài)Hadley環(huán)流的影響主要表現(xiàn)在:當(dāng)?shù)诙B(tài)正(負)位相時將加強(削弱)5°N~15°N兩區(qū)Hadley環(huán)流的上升運動?？紤]到2個區(qū)域Hadley環(huán)流在5°N~15°N基本上為上升區(qū),因此當(dāng)?shù)诙B(tài)正(負)位相時將加強(削弱)2個區(qū)域的Hadley環(huán)流。所以WP區(qū)和CP區(qū)Hadley環(huán)流年際異常的特點是2個區(qū)域的第一模態(tài)是相反的環(huán)流,時間系數(shù)十分一致;2個區(qū)域的第二模態(tài)是基本相同的環(huán)流,時間系數(shù)也較相似。因此可以設(shè)想,若將2個區(qū)域合在一起,Hadley環(huán)流年際異常的空間主要特征可能就類似2個區(qū)域較一致的第二模態(tài)異常分布型;2個區(qū)域第一模態(tài)之和,因為相互抵消,合區(qū)后可能會成為次要特征。時間系數(shù)可能分別與第二模態(tài)和第一模態(tài)的時間系數(shù)接近。選取西中太平洋區(qū)域(100°E~150°W,60°S~60°N,記作WCP),即WCP區(qū)=WP區(qū)+CP區(qū)+區(qū)域(140°E~170°E,60°S~60°N)。圖5和圖6給出了WCP區(qū)質(zhì)量流函數(shù)年際異常的EOF分解結(jié)果,第一模態(tài)和第二模態(tài)的方差貢獻分別為39.6%和32.8%。圖5a給出的是WCP區(qū)的第一模態(tài),圖5b是WP區(qū)和CP區(qū)的第二模態(tài)之和,可以看出,圖5a、b相似度很高;圖5c分別給出了圖5a的時間系數(shù)(黑線)和WP區(qū)和CP區(qū)第二模態(tài)的平均時間系數(shù)(紅線),兩者幾乎重合。圖6a給出的是WCP區(qū)的第二模態(tài),圖6b是WP區(qū)和CP區(qū)的第一模態(tài)之和,可以看出,圖6a、b也有較好的相似度;圖6c分別給出了圖6a的時間系數(shù)(黑線)和圖6b的時間系數(shù)(紅線),兩者也非常一致?？偨Y(jié)上述結(jié)果,西中太平洋區(qū)域(WCP區(qū))的Hadley環(huán)流年際異常的特點,一是西太平洋和中太平洋各有相反的Hadley環(huán)流對,西(中)太的Hadley環(huán)流對范圍寬(窄),強度弱(強);隨時間變化可用WCP區(qū)第二模態(tài)的時間系數(shù)(見圖6c中黑線)表示。另一特點是有全區(qū)統(tǒng)一的跨赤道Hadley環(huán)流,主要上升(下沉)區(qū)發(fā)生在5°N~15°N區(qū)間,;隨時間變化是WCP區(qū)第一模態(tài)的時間系數(shù)(見圖5c中黑線)。5第二模態(tài)時間系數(shù)及非?，F(xiàn)象下的環(huán)境特征ENSO現(xiàn)象是海-氣相互作用中最顯著的年際變化信號,那么Hadley環(huán)流的年際變化與ENSO有何聯(lián)系呢?圖7給出了WCP區(qū)第一模態(tài)和第二模態(tài)的時間系數(shù)及Ni1o3.4指數(shù)?？梢钥闯?第二模態(tài)(相當(dāng)于WP和CP區(qū)域的第一模態(tài))的時間系數(shù)與Ni1o3.4指數(shù)極為一致,說明西太平洋和中太平洋相反的Hadley環(huán)流異常與ENSO關(guān)系密切;WCP區(qū)第一模態(tài)(相當(dāng)于WP和CP區(qū)域的第二模態(tài))的時間系數(shù)與Ni1o3.4指數(shù)沒有很好的一致性,但可以發(fā)現(xiàn)在幾次較強ElNi1o事件的發(fā)展(衰減)期,發(fā)生了第一模態(tài)的正(負)值峰值,例如1972—1973、1982—1983、1986—1987、1997—1998和2009—2010年等。圖8給出了WCP區(qū)第一模態(tài)、第二模態(tài)的時間系數(shù)和Ni1o3.4指數(shù)相互之間的相關(guān)系數(shù),表明第二模態(tài)與ENSO的聯(lián)系最密切,在超前和滯后半年之內(nèi),兩者都有較高的正相關(guān)系數(shù)(見圖8方線),說明兩者是強烈的相互作用關(guān)系,第二模態(tài)超前Ni1o3.4指數(shù)1個月時相關(guān)系數(shù)高達0.85;第一模態(tài)與第二模態(tài)的相關(guān)是在超前5個月和滯后6個月時最好,相關(guān)系數(shù)分別是0.34和-0.48(見圖8三角線);這種關(guān)系意味著,若第二模態(tài)(或Ni1o3.4指數(shù))在冬季達到正峰值,這時西太平洋Hadley環(huán)流減弱,中太平洋Hadley環(huán)流加強,則之前(之后)的春夏季5°N~15°N西中太平洋有異常上升(下沉)運動的可能,即加強(減弱)了西太平洋的跨赤道夏季Hadley環(huán)流和中太平洋北支Hadley環(huán)流。由于第二模態(tài)與Ni1o3.4指數(shù)是很好的正相關(guān),所以第一模態(tài)與Ni1o3.4指數(shù)的相關(guān)類似于第一模態(tài)與第二模態(tài)的相關(guān)(見圖8菱線)。海表面溫度異常(SSTa)是驅(qū)動異常Hadley環(huán)流的重要因素,而且異常Hadley環(huán)流中心一般位于400hPa以上的高度,可知深對流潛熱加熱是主要機制,所以應(yīng)主要關(guān)注暖池區(qū)和熱帶輻合帶(ITCZ)區(qū)域的SSTa。圖9給出了WCP區(qū)域第二模態(tài)時間系數(shù)對400hPa垂直速度異常和SSTa的回歸場。圖9b是典型的ElNi1o型SSTa分布,赤道中東太平洋冷舌區(qū)是強烈的正SSTa,西太暖池區(qū)是相對弱的負SSTa。東太平洋冷舌區(qū)由于氣候溫度低(海洋對大氣作用小),雖然正異常很強,但不足以驅(qū)動強的異常Hadley環(huán)流;而中太平洋的氣候態(tài)是暖池和冷舌的交匯區(qū)(也是海氣相互作用最強區(qū)),ElNi1o期間暖池西移至中太平洋,在海氣相互作用下可驅(qū)動較強的異常Hadley環(huán)流;西太暖池區(qū)是海洋對大氣作用的最強區(qū),較弱的負SSTa依然能使赤道上升運動明顯減弱(見圖9a)。但應(yīng)注意到400hPa垂直運動異常中心,有偏西SSTa中心的特性。圖10給出了WCP區(qū)域第一模態(tài)時間系數(shù)對400hPa垂直速度異常和SSTa的回歸場。圖10b顯示西中太平洋熱帶SSTa分布主要表現(xiàn)在5°N~15°N(ITCZ區(qū))的正異常,對應(yīng)著400hPa的上升運動,也是中心偏西于SSTa中心(見圖10a)。從SSTa的2個模態(tài)來看,主要模態(tài)是ElNi1o型(見圖9b),其主要特征是西中太平洋(見圖9b2黑線之間)赤道區(qū)緯向反位相,即西負東正,而副熱帶緯向符號較一致;另一模態(tài)的突出特點是ITCZ型(5°N~15°N的正異常,見圖10b),赤道區(qū)緯向符號相同,但在副熱帶緯向反位相。2種模態(tài)的SSTa對應(yīng)了不同的垂直運動(見圖9a,10a),和不同型的異常Hadley環(huán)流。6第二模態(tài)的比較本文分析了局域Hadley環(huán)流的年際變化特征,主要結(jié)論和討論如下:(1)局域Hadley環(huán)流年際變化的最強信號位于西中太平洋區(qū)(約在100°E~150°W之間),并且西太平洋與中太平洋的異常Hadley環(huán)流反號,因此又將西中太平洋區(qū)分為西太平洋區(qū)(WP,10