南海—热带西北太平洋地区季节内尺度海气变化关系 南海—热带西北太平洋地区季节内尺度海气变化关系
  大气科学  2018, Vol. 42 Issue (4): 707-728   PDF    
南海—热带西北太平洋地区季节内尺度海气变化关系
吴仁广1,2, 曹西1, 陈樟3     
1 中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心, 北京 100029
2 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室, 北京 100029
3 成都信息工程大学大气科学学院, 成都 610225
摘要: 本文系统地回顾了作者近年来关于南海-热带西北太平洋地区大气和海洋季节内尺度变化关系方面的主要研究成果。文中对10~20天和30~60天两种季节内振荡海气变化关系的不同以及冬、夏季间的差异进行了系统地比较。相比较而言,大气中10~20天振荡所占比例大于30~60天振荡,海表温度30~60天的振荡在南海和西北太平洋副热带地区比10~20天振荡的贡献大,而在低纬度西太平洋地区10~20天振荡与30~60天振荡贡献相近或稍大。在北半球夏季,10~20天低频振荡的分布呈西南—东北走向,由赤道西太平洋地区向西北偏西方向传播,而30~60天低频振荡则以东西向分布为主,表现为由南向北的传播特征。在北半球冬季,10~20天和30~60天两种低频振荡的水平结构类似,均表现为西南—东北走向;同时,南海地区季节内变化信号表现出明显的向南传播的独特特征,并与东亚冬季风的季节内变化密切相关。北半球夏季,南海—菲律宾海地区10~20天低频振荡强度在厄尔尼诺发展年得到加强,而30~60天低频振荡强度则在拉尼娜衰减年得以加强。分析还指出,热带西北太平洋地区夏季热带辐合带附近的季节内变化,尤其是10~20天尺度变化,对季节平均海表温度异常有显著的反馈作用。
关键词: 南海—热带西太平洋      季节内尺度      海气变化关系     
Relationship of Intraseasonal Variations of Atmosphere and Ocean in the South China Sea and Tropical Western North Pacific
WU Renguang1,2, CAO Xi1, CHEN Zhang3     
1 Center for Monsoon System Research, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
2 State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
3 School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225
Abstract: This paper reviews results of the authors' studies about the relationship of intraseasonal variations between atmosphere and ocean over the South China Sea and tropical western North Pacific during the recent several years. The review compares the difference of the relationship between the 10-20-day and 30-60-day time scale intraseasonal variations and that between winter and summer. It is found that the 10-20-day intraseasonal oscillations (ISOs) account for a larger part of the intraseasonal variance in the atmosphere compared to the 30-60-day ISOs, whereas the 30-60-day ISOs explain a larger part of the intraseasonal variance in sea surface temperature (SST) than the 10-20-day ISOs except over the low-latitude western North Pacific, where the contribution of 10-20-day ISOs is comparable to or slightly larger than that of 30-60-day ISOs. In the boreal summer, the 10-20-day ISOs display a distribution along the southwest-northeast direction and northwest-westward propagation from the equatorial western Pacific, whereas the 30-60-day ISOs display a west-east distribution and northward propagation. In the boreal winter, the two ISOs display a similar distribution featuring a southwest-northeast orientation. The ISOs display a unique southward propagation over the South China Sea during boreal winter and a close association with the intraseasonal variation of the East Asian winter monsoon. Over the South China Sea-Philippine Sea, the 10-20-day ISOs intensify during the El Niño developing summers, whereas the 30-60-day ISOs tend to enhance during the La Niña decaying summers. Further analysis reveals that the intraseasonal variations, particularly on the 10-20-day time scale, around the inter-tropical convergence zone over the tropical western North Pacific have a prominent feedback on seasonal mean SST anomalies in boreal summer.
Key words: South China Sea and tropical western North Pacific      Intraseasonal variation      Atmosphere-ocean relationship     
1 引言

季节内振荡是指时间尺度介于天气和季节尺度之间的变化,是热带印度洋—西太平洋地区气候变异中的一个重要组成部分,对南海和热带西太平洋地区的气候变异起着重要作用。研究表明,季节内振荡既可影响南海夏季风爆发的早晚(Chen and Chen, 1995Wu and Wang, 20002001Chan et al., 2002温之平等, 2006Wu, 2010),又可调控南海和西北太平洋地区台风的发生及频率(陈光华和黄荣辉, 2009; 潘静等, 2010Huang et al., 2011; Feng et al., 2013)。同时,我国南方地区夏季降水的多寡与季节内振荡也有着密切联系(Li and Li, 1997Feng et al., 2013Wang et al., 2017)。因此,研究季节内振荡的特征和机理对于认识和理解天气和气候变化有着重要意义。

季节内振荡不仅存在于热带大气中,同时也存在于热带海洋不同变量的变化里。浮标和卫星观测分析资料揭示出孟加拉湾、南海和西太平洋暖池地区海洋表面温度的变化具有明显的季节内尺度特征(Lau and Sui, 1997Sengupta and Ravichandran, 2001; Sengupta et al., 2001Gao and Zhou, 2002Wu, 2010; Xie et al., 2007a)。已有研究揭示了海洋和大气在季节内尺度存在相互作用(Woolnough et al., 2000Kemball-Cook and Wang, 2001Wang et al., 2009Wu, 2010)。如Xie et al.(2007b)指出大气中风场的季节内尺度脉动可引起海表面温度降低,进而导致大气近地面层稳定度增加,最终反过来减弱当地地面风速。Tao et al.(2009a, b)的研究表明海表面温度的季节内尺度变化能改变大气边界层中的水汽和稳定度。海洋对大气的反馈作用能影响南海和西北太平洋地区季节内尺度信号的传播(Wu, 2010)。因此,有必要研究海洋和大气在季节内尺度上变化的关系及其联系过程。

季节内振荡存在两种不同的时间尺度。一种是10~20天尺度,另一种是30~60天尺度(Chen and Chen, 1995Fukutomi and Yasunari, 1999Annamalai and Slingo, 2001Mao and Chan, 2005Kikuchi and Wang, 2009Ye and Wu, 2015)。两种季节内尺度振荡具有不同的结构和传播特性(Kajikawa and Yasunari, 2005Mao and Chan, 2005Wang et al., 2009Ye and Wu, 2015Cao and Wu, 2018)。10~20天尺度振荡表现出从热带西太平洋到南海地区的西北偏西方向传播(Mao and Chan, 2005),而30~60天尺度振荡则呈现从热带东印度洋经南海向西北太平洋的传播(Yang et al., 2008)。由于两种尺度振荡具有不同的源地和生命史,因此需要分别研究它们的特征和机理以及海洋和大气在两种尺度上变化关系的不同。

冬、夏季均存在季节内振荡,但其特征具有明显的季节差异。在北半球冬季,季节内振荡沿赤道东传的同时,伴随着向赤道南北两侧的赤道外地区的延伸(Wang and Rui, 1990)。北半球夏季,热带西北太平洋地区的10~20天尺度振荡表现出明显地向西北偏西方向传播(Annamalai and Slingo, 2001Kemball-Cook and Wang, 2001)。最近的研究指出,冬季南海和副热带西北太平洋地区的季节内振荡具有显著的向南传播特征,这一特征似乎与东亚冬季风的活动有密切关系(Wu and Chen, 2015Wu, 2016a)。因此,有必要对冬、夏两个季节中海洋和大气季节内尺度变化的关系分别进行研究。

季节内振荡对天气和气候的影响依赖于其振幅的大小。热带西太平洋地区季节内振荡强度受到ENSO的调制(Liu et al., 2016a)。ENSO的影响取决于其位相和海温异常的位置。由此,季节内振荡强度的年际变化特征和区域随ENSO本身特征的变化而不同。研究发现,夏季热带西北太平洋的两种季节内振荡的强度变化与ENSO的关系明显不同(Kajikawa and Yasunari, 2005Yang et al., 2008Wu and Cao, 2017)。

近几年,作者在关于南海和热带西北太平洋地区季节内尺度变化方面取得了一些新的研究成果。由于李崇银(2004)李崇银等(2014)已经对南海和热带西北太平洋地区大气季节内振荡的研究进行了系统地总结,因此本文将主要回顾和综述以下四个方面:海洋和大气之间季节内尺度变化的关系;两种不同时间尺度季节内振荡的区别;冬、夏季季节内海气变化关系的比较;夏季热带西北太平洋地区季节内振荡强度的年际变化的研究。

2 大气和海洋中两种季节内尺度振荡的贡献

大气中季节内尺度变化存在10~20天和30~60天两种不同的信号(Chen and Chen, 1995Fukutomi and Yasunari, 1999Annamalai and Slingo, 2001Mao and Chan, 2005Kikuchi and Wang, 2009Ye and Wu, 2015Cao et al., 2017)。同样地,南海和菲律宾海地区的海表面温度也存在10~20天和30~60天两种尺度变化(Ye and Wu, 2015Wu and Chen, 2015Cao et al., 2017)。那么,上述两种尺度对大气和海洋季节内变化的相对贡献分别是多少?两种尺度的贡献在冬、夏季又是否存在差异?围绕这些问题,本节将先证实两种季节内尺度变化的存在,然后对两种尺度贡献的相对大小及其季节变化进行讨论。

以下几个例子可以用来揭示大气和海洋中两种不同季节内尺度变化的存在和其重要性。图 1ab给出1998和1999年5~9月南海区域(14°~18°N,115°~120°E)降水和海表面温度日异常的时间序列及其10~20天和30~60天滤波后的分量。类似地,图 1cd给出2004和2005年5~9月菲律宾区域(12°~16°N,125°~130°E)降水和海温日异常相应的时间序列。从去除多年平均后的时间序列可以清楚看到,降水和海温都有明显的季节内尺度变化。区域平均海温10~20天尺度变化可达+/-0.6℃,30~60天尺度变化可达+/-0.4℃。区域平均降水10~20天尺度变化可达+/-0.6 mm d-1。并且降水和海温之间的变化存在明显的时滞关系。降水峰值往往对应着海温的迅速降低,而高海温则与少雨时期相对应。上述关系在10~20天和30~60天两种时间尺度序列上都能清楚看到。以上结果表明降水和海温的季节内变化存在耦合。北半球夏季这种海气季节内变化的关系将在下章详细讨论。

图 1 (a)1998年和(b)1999年(14°~18°N,115°~120°E)区域和(c)2004年和(d)2005年(12°~16°N,125°~130°E)区域平均海表面温度(单位:℃,红线)和降水(单位:mm d-1,黑线)5~9月异常(左列)和相应的10~20天(中列)和30~60天(右列)分量时间序列。资料来自于Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) Microwave Imager (TMI)(Wentz et al., 2000 Figure 1 Time series of May-September daily anomalies (left column) of SST (units: ℃, red curves) and precipitation (units: mm d-1, black curves) averaged over the region of (14°-18°N, 115°-120°E) in (a) 1998 and (b) 1999, and averaged over the region of (12°-16°N, 125°-130°E) in (c) 2004 and (d) 2005, and the corresponding 10-20-day (middle column) and 30-60-day (right column) components. Data are from the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) Microwave Imager (TMI) (Wentz et al., 2000)

图 2分别给出了2000/2001年、2002/2003年、2003/2004年以及2005/2006年当年11月到次年3月南海地区(5°~20°N,105~120°E)海表面温度和南海—西北太平洋区域(10°~25°N,105°~135°E)经向风变化的日异常时间序列。与夏季不同,北半球赤道外地区冬季降水较少,但风场变化明显。因此,图 2给出的是冬季经向风的变化序列。比较去除多年平均后的时间序列,可以看到高海温出现在南风异常之后,而低海温出现在北风异常之后。由于南海—西北太平洋区域冬季平均风为北风,因此高海温与风速减弱对应,低海温与风速增强相对应。上述关系在10~20天和30~60天两种尺度时间序列上更为明显。从图 2可见,区域平均海温季节内尺度变化可达+/-0.4℃,区域平均经向风10~20天尺度变化最大可达+/-3 m s-1。北半球冬季大气和海洋季节内变化的关系将在第4章中详细讨论。

图 2 (a)2000/2001年、(b)2002/2003年、(c)2003/2004年和(d)2005/2006年(5°~20°N,105°~120°E)区域平均海表面温度(单位:℃,红线)和(10°~25°N,105°~135°E)区域平均10 m高度上的经向风(单位:m s-1,黑线)11月至次年3月异常(左列)和相应的10~20天(中列)和30~60天(右列)分量时间序列。资料来自于TMI(Wentz et al., 2000)和NCEP-DOE再分析资料(Kanamitsu et al., 2002 Figure 2 Time series of November-March daily anomalies (left column) of SST (units: ℃, red curves) averaged over the region of (5°-20°N, 105°-120°E) and 10-m meridional wind (units: m s-1, black curves) averaged over the region of (10°-25°N, 105°-135°E) in (a) 2000/2001, (b) 2002/2003, (c) 2003/2004, and (d) 2005/2006, and the corresponding 10-20-day (middle column) and 30-60-day (right column) components. Data are from TMI (Wentz et al., 2000) and NCEP-DOE reanalysis (Kanamitsu et al., 2002)

10~20天和30~60天低频振荡对季节内变化的贡献在大气和海洋中明显不同。Ye and Wu(2015)指出北半球夏季南海和菲律宾海地区的降水变化中,10~20天贡献更大,而海表面温度变化中,30~60天所占比重更高。大气和海洋中两种季节内变化的贡献在北半球冬季也有类似的差异(Wu and Chen 2015)。图 3给出了1998~2012年北半球夏季5~9月海表面温度和降水两种尺度变化所占的方差百分比。显然,降水变化中高频部分所占方差的比例要大于低频部分,其比值约为两倍。而海温变化中两种尺度振荡所占方差比例的大小随区域变化。南海、菲律宾海地区(140°E以西)和副热带地区(大约20°N以北),30~60天尺度变化比10~20天尺度变化贡献大,而140°E以东的热带西太平洋地区(20°N以南),10~20天尺度变化所占比例更大。

图 3 1998~2012年5~9月(a,c)海表面温度和(b,d)降水(a,b)10~20天和(c,d)30~60天变化占季节内变化方差的百分比。资料来自于TMI(Wentz et al., 2000 Figure 3 Percent variances of intraseasonal (a, c) SST and (b, d) precipitation variations explained by (a, b) 10-20-day and (c, d) 30-60-day time scale variations during May-September for the period 1998-2012. Data are from TMI (Wentz et al., 2000)

图 4给出了1998/1999~2012/2013年冬季(11月至次年3月)海表面温度和经向风两种尺度变化所占的方差百分比。经向风10~20天尺度贡献明显要大于30~60天尺度,尤其在热带地区,两者比值为两倍甚至更大。海温10~20天变化在热带西太平洋地区所占的方差比相对较大,而在南海和副热带太平洋地区所占的方差比例较小。海温30~60天尺度变化所占的方差比例在10~20°N纬度带达到最大。相较而言,南海—副热带西太平洋地区海温10~20天尺度的贡献小于30~60天尺度,这一特征与经向风相反。

图 4 1998/1999~2012/2013年11月至次年3月(a,c)海表面温度和(b,d)10 m经向风10~20天和30~60天变化占季节内变化方差的百分比。资料来自于TMI(Wentz et al., 2000)和NCEP-DOE再分析(Kanamitsu et al., 2002 Figure 4 Percent variances of intraseasonal (a, c) SST and (b, d) 10-m meridional wind variations explained by (a, b) 10-20-day and (c, d) 30-60-day time scale variations during November-March for the period 1998/1999-2012/2013. Data are from TMI (Wentz et al., 2000) and NCEP-DOE reanalysis (Kanamitsu et al., 2002)
3 北半球夏季海气季节内变化的关系

本节首先分析北半球夏季降水和海表面温度10~20天和30~60天两种季节内尺度变化的局地时滞相关分布,再讨论季节内振荡的水平结构和传播特征,最后分析海表面温度与大气季节内尺度变化关系的空间分布。Ye and Wu(2015)利用1998~2010年资料分析了5~9月份降水和海表面温度变化的时滞关系,本文将资料延长至2013年。

图 5给出了北半球夏季5~9月份海表面温度和降水10~20天和30~60天尺度变化之间局地时滞相关的最大正、负相关系数及对应的超前和滞后天数。图中只给出最大相关系数超过0.2的格点。从图可以看到,对于10~20天尺度,海温超前的正相关和落后的负相关均出现在从南海到副热带西北太平洋的一个西南—东北走向区域,海温超前时间为5天左右,海温滞后时间为3~5天。在西北太平洋低纬度地区,海温滞后时间较长。对于30~60天尺度,海温超前的正相关和落后的负相关都出现在南海和菲律宾海地区,呈东西分布特征,海温超前达两周,而滞后时间为8天左右,时滞关系具有明显的不对称性。在副热带地区,海温超前时间较长,而海温落后时间较短。在低纬度地区,海温滞后时间较长。这种时滞时间的区域差异可能与海洋混合层厚度的空间分布有关。低纬度地区,海洋混合层较深,海温对大气变化的响应需要更长时间。

图 5 1998~2012年5~9月海表面温度和降水的局地变化时滞关系:(a–d)10~20天尺度;(e–h)30~60天尺度。(a)和(e)为海温超前的最大正相关;(b)和(f)为相应的超前天数;(c)和(g)为海温落后的最大负相关;(d)和(h)为相应的落后天数。图中只给出相关系数大小超过0.2的区域。资料来自于TMI(Wentz et al., 2000 Figure 5 The (a, e) maximum and (c, g) minimum lag-lead correlations of SST with regard to precipitation and their corresponding days by which SST (b, f) leads and (d, h) lags precipitation during May–September for the period 1998–2012 on the (a–d) 10–20-day and (e–h) 30–60-day time scales. Only regions with the magnitude of correlation coefficient exceeding 0.2 are shown. Data are from TMI (Wentz et al., 2000)

北半球夏季,两种季节内尺度海表面温度异常的主要模态均呈现出一个西南—东北向大值分布,从南海伸到副热带西北太平洋地区(图 6ac)(Cao et al., 2017)。对应的降水和表面风场(图 6bd)以及表面热通量的分布在两种尺度上则有明显的差异。10~20天尺度,上述变量的分布类似于海温,呈西南—东北向特征(图 6b)。而30~60天尺度,变量以东西向分布为主(图 6d)。热带和副热带地区的表面热通量异常大小相近,而海温异常则是副热带大于热带地区(Cao et al., 2017)。这种空间分布的不一致是由于海洋混合层深度的不同导致海温对大气变化响应快慢的不同。夏季气候平均海洋混合层在西北太平洋副热带较热带地区要浅,若给定同样大小的海表面热通量异常,海温变化的响应在混合层较浅的副热带地区较大。

图 6 1998~2012年5~9月由相应海表面温度异常的第一空间模态回归得到的(a,c)海温(单位:℃)、(b,d)降水(阴影,单位:mm d-1)和10 m风(矢量,单位:m s-1)的(a,b)10~20天和(c,d)30~60天尺度异常。(a)中红色虚线表示图 7(a)(b)剖面位置 Figure 6 Anomalies of (a, c) SST (shading, units: ℃), (b, d) precipitation (shading, mm d-1), and 10-m winds (vectors, units: m s-1) on (a, b) 10–20-day and (c, d) 30–60-day time scales obtained by regression on normalized time series of the first principal component of the corresponding SST anomalies during May–September for the period 1998–2012

海表热通量的季节内尺度变化对海温的影响可通过海温异常和表面热通量异常传播过程中的位相关系来说明。图 7给出了10~20天尺度穿过南海东南—西北向和30~60天尺度西北太平洋南北向剖面图。显然,10~20天尺度南海地区潜热和短波辐射的减少(向上为负)超前于负海温(图 7ab)。30~60天尺度在西北太平洋地区存在类似的位相关系。上述位相关系说明大气季节内振荡对海温季节内振荡的重要影响。

图 7 由1998~2012年5~9月10~20天尺度海表面温度变化的标准化第一模态回归得到的(a)海表面温度(阴影,单位:℃)和表面潜热通量(等值线,单位:W m-2)异常、(b)海表面温度(阴影,单位:℃)和表面净短波辐射(等值线,单位:W m-2)异常沿通过南海的东南—西北向剖面(见图 6a中虚线)从海表面温度模态超前10天到落后10天的变化。(c)和(d)类似于(a)和(b),但为30~60天尺度变化第一模态和沿西北太平洋(120°~140°E)的南北向剖面从海表面温度模态超前30天到落后30天的变化 Figure 7 Hovmöller diagrams of anomalies of (a) SST (shaded, units: ℃) and latent heat flux (contours, units: W m-2), (b) SST (shaded, units: ℃) and net shortwave radiation (contours, units: W m-2) on 10–20-day time scale along a section over the South China Sea (denoted by the dashed line in Fig. 6a) from 10 days before to 10 days after the first SST mode obtained by regression with respect to the normalized time series of principal component of the first SST mode during May–September for the period 1998–2012. (c, d) are the same as (a, b) but on the 30–60-day time scale along the section of 120°–140°E over the western North Pacific and from 30 days before to 30 days after the first SST mode

大气对海温季节内尺度变化的贡献不仅反映在表面热通量上,也反映在对海洋混合或上涌流的影响上。图 8给出了北半球夏季海表面温度变化趋势分别与表面净热通量、表面风应力涡度以及表面风速的局地相关分布。计算单点相关前,先将表面通量等插值到海温格点上,然后计算同一格点处它们之间变化的同时相关系数。对于15年资料长度,10~20天(30~60天)尺度变化的独立样本数估计为15年×5个月×30天/15天(45天)=150(50),其对应的95%信度的相关系数为0.159(0.273)。对于10~20天时间尺度,海温变化趋势和表面热通量在南海到副热带西北太平洋的带状区耦合变化的一致性最好(图 8a),这一区域也正是10~20天尺度海温变化第一模态的最大值所在。在30~60天时间尺度,耦合变化一致的大值区从南海向东延伸至菲律宾海(图 8b)。两种季节内尺度耦合变化一致区的分布差异与前面所述的大气中两种低频振荡水平结构的不同有关。Wu et al.(2015)就表面热通量对海温变化趋势的贡献进行了定量估计。比较而言,30~60天尺度的贡献比10~20天尺度要大,前者大概为后者的2倍或更高。表面潜热和短波辐射相比,潜热贡献大于短波辐射,特别是10~20天尺度变化。风应力涡度和海温变化趋势在南海北部到副热带西太平洋地区呈现明显负相关(图 8c, d),说明海洋上涌流对上述地区海温季节内变化的贡献。表面风速和海温变化趋势的相关分布类似于表面热通量,10~20天尺度的高相关从南海向东北方向延伸,30~60天尺度的高相关明显向东伸展(图 8e, f)。这说明海洋混合作用对海温变化趋势也有贡献,并与表面热通量的贡献相一致。

图 8 1998~2012年5~9月10~20天(左)和30~60天(右)尺度海表面温度变化趋势和(a,b)表面净热通量、(c,d)表面风应力涡度以及(e,f)表面风速的单点同时相关分布(Wu et al., 2015 Figure 8 Point-wise correlations of the SST tendency with (a, b) surface net heat flux, (c, d) surface wind stress curl, and (e, f) surface wind speed on the (a, c, e) 10–20-day and (b, d, f) 30–60-day time scales during May–September for the period 1998–2012 (Wu et al., 2015)

海表面温度的季节内变化可以通过改变大气低层的水汽辐合和近地层大气层结稳定度而反馈于大气中的季节内变化(Stephens et al., 2004Fu et al., 2006Tao et al., 2009a, bWu, 2010Roxy and Tanimoto, 2012Roxy et al., 2013Ye and Wu, 2015)。Wu(2010)的分析说明南海夏季风爆发之前,由于海表面异常增暖,气温和比湿增加,使得大气稳定度降低,提供了有利于对流发展的热力学条件。表面蒸发和低层水汽辐合都对大气边界层的加湿有所贡献。Ye and Wu(2015)通过比较发现,海表面温度对大气稳定度的作用在赤道以外地区两种尺度变化中都存在,尤以30~60天尺度更为显著。Wu(2010)的分析说明在赤道西太平洋地区,海表面温度的季节内变化对大气的反馈作用主要是通过调制大气低层的辐合辐散,但这一反馈作用在赤道以外地区(南海和菲律宾海)并不明显。

4 北半球冬季海气季节内变化的关系

本节将讨论北半球冬季海洋和大气的季节内变化的关系。由于冬季降水主要集中在赤道及其以南地区,而南海和西北太平洋受冬季风影响显著,所以对冬季的分析着重于经向风的季节内变化,同时强调东亚冬季风的季节内变化及其作用。我们首先给出海温和经向风的局地变化时滞关系,然后分析季节内振荡的水平结构和传播特征及其与东亚冬季风变化的关系,最后讨论海表面温度与表面热通量的耦合季节内变化关系的空间分布。

北半球冬季11月至3月海表面温度和表面风速的关系呈现出明显的地域差异,以南海地区的关系最为显著(Wu and Chen, 2015)。图 9给出了1998/1999至2012/2013年11月至3月海表面温度和风速10~20天和30~60天尺度变化中局地时滞相关的最大正、负相关系数及对应的超前和滞后天数。最大正、负相关主要出现于南海地区(图 9aceg)。10~20天尺度,高海温超前强风速约7天左右(图 9b),而强风速后的2天内容易出现低海温(图 9d),这说明海温对大气的响应尤为迅速。相比之下,热带西北太平洋地区海温和风速之间的时滞相关较弱,海温超前时间较短而落后时间较长。上述结果可能与海洋混合层深度的空间分布有关,南海地区海洋混合层深度比西太平洋地区要浅。30~60天尺度海表面温度和表面风速的时滞关系与10~20天尺度基本类似,但海温超前时间在西太平洋地区与南海地区的差别不大(图 9fh)。

图 9 1998/1999至2012/2013年11月至3月海表面温度和经向风的局地变化时滞关系:(a–d)10~20天尺度;(e–h)30~60天尺度。(a)和(e)为海表面温度超前的最大正相关;(b)和(f)为相应的超前天数;(c)和(g)为海表面温度落后的最大负相关;(d)和(h)为相应的落后天数。图中只给出相关系数大小超过0.2的区域。资料来自于TMI(Wentz et al., 2000)和NCEP-DOE再分析(Kanamitsu et al., 2002 Figure 9 The (a, e) maximum and (c, g) minimum lag–lead correlations of SST with regard to 10-m meridional wind speed and their corresponding days by which SST (b, f) leads and (d, h) lags 10-m meridional wind speed during November–March for the period 1998/1999–2012/2013 on the (a–d) 10–20-day and (e-h) 30–60-day time scales. Only regions with the magnitude of correlation coefficient exceeding 0.2 are shown. Data are from TMI (Wentz et al. 2000) and NCEP-DOE reanalysis (Kanamitsu et al., 2002)

北半球冬季南海—热带西北太平洋地区海表面温度季节内变化的主要模态表现为最大值分布呈明显的西南—东北走向,从南海南部延伸到南海北部和副热带西北太平洋地区(图 10ac)(Cao et al., 2017)。异常的降水和大气表面风场也存在类似的空间分布(图 10bd)。相比而言,10~20天尺度降水和表面风异常较30~60天尺度更大。

图 10 1998/1999至2012/2013年11月至3月回归到各自海表面温度变化的第一空间模态而得到的(a,b)10~20天和(c,d)30~60天的(a,c)海表面温度(单位:℃)以及(b,d)相应的降水(阴影,单位:mm d-1)和10 m风(矢量,单位:m s-1)的异常分布 Figure 10 Anomalies of (a, c) SST (shading, units: ℃), (b, d) precipitation (shading, units: mm d-1) and 10-m winds (vectors, units: m s-1) on (a, b) 10–20-day and (c, d) 30–60-day time scales obtained by regression on respective normalized time series of the first principal component of the corresponding SST anomalies during November–March for the period 1998/1999–2012/2013

北半球冬季,热带印度洋—西太平洋地区的季节内振荡主要表现为沿赤道向东传播并伴随着赤道两侧的向极传播(Wang and Rui, 1990)。分析揭示出南海地区的一个独特特征是季节内尺度海表面温度异常表现出向南传播(Wu and Chen, 2015Wu, 2016a)。图 11给出了由海表面温度季节内变化第一模态回归得到的海温、潜热和短波辐射异常沿105°~120°E的时间—纬度剖面。南海地区的海温异常在两种时间尺度都表现出向南传播的特征。10~20天尺度,海温异常从南海北部沿岸往南移至赤道附近大约需要2天时间(图 11ab)。负海温异常在华南沿海在-1天达最大,而在赤道附近在0~1天达最大。这种向南传播特征与表面潜热通量的变化一致,并且向上的潜热通量超前负海温异常大约3天(图 11a)。太阳短波辐射的向南传播主要局限于南海北部(图 11b)。30~60天尺度大致呈现类似特征(图 11cd),但其表面热通量异常比10~20天尺度小,且海温异常在南海南部更大。

图 11 由1998/1999至2012/2013年11月至3月海表面温度10~20天(左)和30~60天(右)变化第一模态回归得到的(a,c)海表面温度(阴影,单位:℃)和表面潜热通量(等值线,单位:W m-2)异常,(b,d)海温(阴影,单位:℃)和表面净短波辐射(等值线,单位:W m-2)异常沿105°~120°E的剖面从海表面温度模态超前6天到落后6天(10~20天尺度)或超前20天到落后20天(30~60天)的变化 Figure 11 Hovmöller diagrams of anomalies of (a) SST (shaded, units: ℃) and latent heat flux (contours, W m-2), (b) SST (shaded, units: ℃) and net shortwave radiation (contours, W m-2) on 10–20-day time scale along the section of 105°–120°E over the South China Sea from 6 days before to 6 days after the first SST mode obtained by regression with respect to the normalized time series of principal component of the first SST mode during November–March for the period 1998/1999–2012/2013. (c–d) are the same as (a–b) but on the 30–60-day time scale and from 20 days before to 20 days after the first SST mode

南海和副热带西北太平洋地区冬季季节内信号的向南传播特征与东亚冬季风的活动密切相关(Wu and Chen, 2015Wu, 2016a)。图 12给出了由东亚冬季风指数回归得到的10~30天尺度变化沿107.5°~120°E的南北剖面图。图 12取自Wu(2016a),所分析的时间尺度与前图有所不同,但并不影响结果。东亚冬季风指数定义为(10°~25°N,105°~135°E)范围内的区域平均经向风。在东亚冬季风加强后的2~3天左右,南海地区海表面温度出现负异常(图 12a)。这种变化关系可由风—蒸发机制来解释。由于南海地区冬季气候态风场为北风,异常北风使得局地风速增大(图 12b),表面蒸发增加(图 12c),海洋失去热量,进而引起海表面温度降低。由图可知,冬季风的向南加强伴随着风速增大区以及蒸发增加区的向南移动。相应地,低海温区域也从南海北部南移至南海南部。

图 12 1998/1999至2012/2013年12月至2月由东亚冬季风指数回归得到的10~30天尺度的海表面温度(阴影,单位:℃)和(a)10 m风(矢量,单位:mm d-1)、(b)表面风速(等值线,单位:m s-1)、(c)潜热通量(等值线,单位:W m-2)异常沿107.5°~120°E剖面从冬季风指数超前16天到落后16天的变化 Figure 12 Hovmöller diagrams of anomalies of SST (shading, units: ℃) and (a) 10-m wind (vectors, units: m s-1), (b) surface wind speed (contours, 0.3 m s-1), and (c) surface latent heat flux (contours, units: W m-2) along 107.5°–120°E from 16 days before to 16 days after the EAWMI (East Asian winter monsoon index) obtained by regression with respect to the normalized EAWMI

上述海表面温度与表面热通量和风速变化的一致性可进一步从其耦合变化来说明。图 13给出了北半球冬季海温变化趋势分别与表面净热通量、表面风应力涡度及表面风速的局地相关分布。可以看到,海温变化趋势和表面净热通量在南海和副热带西北太平洋地区呈现非常高的全区一致性(图 13ab)。海温变化趋势和风速的相关分布也有类似特征(图 13ef)。但海温变化趋势和涡度的相关分布呈现南北反号的特征。南海中南部,正涡度表示上涌,对应于海温变化负趋势,而北部相反(图 13cd)。这说明,表面热通量、海洋混合和上涌三者作用在南海中南部是一致的,而在南海北部海温变化主要由表面热通量和海洋混合所决定。表面热通量中,潜热的贡献比短波辐射大得多(Wu et al., 2015)。

图 13 1998/1999至2012/13年11月至3月10~20天(左)和30~60天(右)尺度海表面温度变化趋势和(a、b)表面净热通量、(c、d)表面风应力涡度以及(e、f)表面风速的单点同时相关分布。[取自Wu et al., (2015)] Figure 13 Point-wise correlations of the SST tendency with (a, b) surface net heat flux, (c, d) surface wind stress curl, and (e, f) surface wind speed on the (a, c, e) 10–20-day and (b, d, f) 30–60-day time scales during November–March for the period 1998/1999–2012/2013. [From Wu et al. (2015)]

以往的研究通常强调印度洋东传的信号对海洋性大陆地区季节内变化的影响。但上文指出,北半球冬季南海地区存在向南传播的季节内变化信号(图 12)。而这种季节内尺度变化信号到达海洋性大陆时,可以改变大气中的辐合辐散,因此也能对当地的季节内振荡有所贡献。研究表明,南海南部地区北半球冬季降水的变化往往受东亚冬季风的影响(Wu and Chen, 2015Wu, 2016aCao and Wu, 2017, 2018)。图 14给出了南海南部区域(2.5°~12.5°N,108°~115°E)降水、东亚冬季风指数和热带东南印度洋区域(10°S~5°N,92°~105°E)降水10~20天和30~60天尺度变化之间的相互时滞关系。由图可知,10~20天时间尺度下,南海降水与东亚冬季风变化存在明显相关,最大相关出现在冬季风指数超前降水1~2天时;而东南印度洋降水与南海降水以及与东亚冬季风均没有明显关系(图 14a)。30~60天时间尺度,南海降水与东亚冬季风指数、东南印度洋降水的变化都有较好相关,南海降水落后东南印度洋降水大约8~10天(图 14b)。这说明南海南部10~20天尺度降水变化主要与东亚冬季风有关,而30~60天降水变化同时受东亚冬季风和来自印度洋低频振荡的影响。

图 14 1998/1999至2012/2013年11月至3月南海南部区域(2.5°~12.5°N,108°~115°E)降水和东亚冬季风指数(黑线)、南海南部区域降水和热带东南印度洋区域(10°S~5°N,92°~105°E,不包括0°–5°N, 99°–105°E)降水(红线)、东亚冬季风指数和热带东南印度洋区域降水(蓝线)(a)10~20天和(b)30~60天尺度变化之间的时滞关系 Figure 14 Lead–lag correlations of EAWMI with respect to southern South China Sea (2.5°–12.5°N, 108°–115°E) precipitation anomalies (black line), southeastern tropical Indian Ocean (10°S–5°N, 92°–105°E, excluding 0°–5°N, 99°–105°E) precipitation anomalies with respect to southern South China Sea precipitation anomalies (red line), and EAWMI with respect to southeastern tropical Indian Ocean precipitation anomalies (blue line) on (a) 10–20-day and (b) 30–60-day time scales during November–March for the period 1998/1999–2012/2013
5 北半球夏季热带西北太平洋季节内振荡强度的年际变化

南海和热带西北太平洋地区季节内振荡对东亚地区的气候有着重要影响,而其影响程度取决于季节内振荡的强度。因此,上述区域季节内振荡强度的年际变化是一个值得关注的问题。Liu et al.(2016a)指出东太平洋冷却可导致西北太平洋地区夏季30~60天季节内振荡的加强。ENSO对30~60天季节内振荡也有重要的调制作用(Teng and Wang, 2003; Liu et al., 2016a, bWu and Cao, 2017)。此外,6~7月南海地区10~20天和30~60天季节内振荡强度呈现反相变化的特征(Kajikawa and Yasunari, 2005Yang et al., 2008),这与两种尺度振荡受不同地区大气背景场的影响有关(Yang et al., 2008)。

研究发现,夏季南海—热带西太平洋地区的两种季节内振荡强度变化与ENSO的关系明显不同。10~20天振荡在厄尔尼诺发展年夏季得到加强,而30~60天振荡的加强出现在拉尼娜衰减年夏季(Wu and Cao, 2017)。这种关系的不同表现在与两种季节内振荡强度年际变化相关的同期热带印度洋—太平洋海温异常分布的明显差异上。图 15cd给出了(5°~15°N,110°~150°E)范围内区域平均的6~8月份季节内振荡强度与同期热带印度洋—太平洋地区海温的相关分布,该范围是10~20天和30~60天振荡强度夏季平均和年际变化的大值区(图 15ab)(Wu and Cao, 2017)。这里,850 hPa风场的季节内变化分量的动能用来表示季节内振荡的强度。可以看到,10~20天振荡强度对应于厄尔尼诺型海温异常分布(图 15c),而30~60天振荡强度对应于北印度洋和北太平洋中部东西向海温异常分布型(图 15d)。这种海温异常分布型是拉尼娜衰减年夏季的特征。两种季节内振荡强度变化与ENSO关系的不同与影响热带西北太平洋地区低频振荡的来源不同有关。影响热带西北太平洋的10~20天振荡主要来自于赤道西太平洋地区向西北西方向传播(Yang et al., 2008)。在厄尔尼诺发展年夏季,在10~20天振荡源地和其传播路径的带状区,风的垂直切变、上升运动和水汽都受到厄尔尼诺海温异常的调制(图 15e),因而10~20天振荡强度受到明显改变。影响热带西北太平洋30~60天振荡主要来自于东印度洋和海洋性大陆地区向东北方向的传播(Yang et al., 2008)。拉尼娜衰减年,通过海气耦合过程,北印度洋—北太平洋之间形成东西向海温异常对比,其共同作用使得热带西北太平洋地区风的垂直切变和上升运动受到明显改变(图 15f),从而导致30~60天振荡强度的变化。

图 15 1979~2014年6~8月(a)10~20天和(b)30~60天尺度振荡强度(简称为KE1和KE2,单位: m2 s-2)的年际变化标准差;1982~2014年6~8月同期海表面温度异常与(5°~15°N,110°~150°E)区域(见a,b中矩形区)平均(c)10~20天和(d)30~60天尺度振荡强度变化的相关分布(粗线表示相关系数达到95%信度水平);(e)和(f)分别表示10~20天和30~60天振荡强度年际变化的示意图。示意图中,橙色箭头表示季节内振荡传播方向,黑色线表示异常东风垂直切变区,绿线表示高比湿区,蓝线表示异常上升运动区。红色和紫色阴影分别表示正和负海温异常区 Figure 15 Standard deviations of kinetic energy (units: m2 s-2) of intraseasonal oscillations (ISOs) of winds at 850 hPa on the (a) 10–20-day and (b) 30–60-day time scales (denoted by KE1 and KE2) during June–August for the period 1979–2014. Correlation coefficients of June–August SST anomalies with respect to area-mean June–August kinetic energy of ISOs of winds at 850 hPa over the region of (5°–15°N, 110°–140°E) (boxes in a and b) on the (c) 10–20-day and (d) 30–60-day time scales for the period 1982–2014. Thick lines denote correlation coefficient significant at the 95% confidence level. Schematic diagrams for (e) 10–20-day and (f) 30–60-day intraseasonal oscillations. Orange arrows denote the direction of propagation of intraseasonal oscillations, black lines denote the region of anomalous easterly vertical shear of zonal wind, green lines denote the region of positive specific humidity, and blue lines denote the region of anomalous upward motion. Red and purple shadings denote positive and negative SST anomalies, respectively

由于大气季节内振荡引起的辐射和蒸发扰动对其平均态存在非线性依赖,其异常大小在低频振荡的活跃位相和不活跃位相不是对称的。因此,大气季节内振荡引起的海表温度冷却和升温并不能相互抵消,最终导致海温的净冷却。这种净冷却效应在季节内振荡强时尤为明显。Wu and Cao(2017)通过诊断分析揭示出加强的季节内振荡对应于负海温变化趋势,这一关系在热带西北太平洋地区最为明显。这与季节平均短波辐射和潜热通量异常受季节内振荡强度的影响有关。图 16给出了6~8月份10~20天和30~60天振荡强度与同期海温变化趋势的局地相关分布。显然,在热带西北太平洋地区,它们之间存在着明显负相关(图 16ab)。比较而言,10~20天振荡强度与海温变化趋势的相关系数更大。从区域平均6~8月季节内振荡强度与当地逐月海温的时滞相关可以看到,6~8月低频振荡的加强伴随着海温的显著降低(图 16cd)。这一结果说明低频振荡对海温年际变化有影响,其中10~20天振荡对海温变化的影响比30~60天振荡更大。

图 16 1982~2014年6~8月(a)10~20天和(b)30~60天低频振荡强度(以850 hPa风季节内变化分量的动能来表示)与海表面温度变化趋势(以下一个月减去前一个月海温的差值来表示)的单点同期相关分布(粗线表示相关系数达到95%显著度)。(c)(5°~15°N,130°~160°E)区域(见图 16a中矩型区)月平均海表面温度异常和6~8月10~20天低频振荡强度的时滞相关以及(d)(2.5°~12.5°N,140°~170°E)区域(见图 16b中矩型区)月平均海表面温度异常和6~8月30~60天低频振荡强度的时滞相关。资料来自NCEP-DOE再分析(Kanamitsu et al., 2002)和NOAA OI v2(Reynolds et al., 2002 Figure 16 The point-wise simultaneous correlations of June–August ISO (intraseasonal oscillation) intensity (measured using the kinetic energy of intraseasonal component of 850-hPa wind) on (a) 10–20-day and (b) 30–60-day time scales and the SST tendency (the difference of SST, i.e., SST in the succeeding month minus that in the preceding month) for the period 1982–2014. The thick lines denote correlation coefficient significant at the 95% confidence. (c) Lead-lag correlation of area-mean monthly mean SST with respect to area-mean June–August 10–20-day ISO intensity averaged in the region of (5°–15°N, 130°–160°E) (the box in Fig. 16a). (d) is the same as (c) but for 30–60-day ISO and in the region of (2.5°–12.5°N, 140°–170°E) (the box in Fig. 16b). Data are from NCEP-DOE reanalysis (Kanamitsu et al., 2002) and NOAA OI v2 (Reynolds et al., 2002)

为了说明季节内尺度表面潜热通量变化对季节平均海温异常的贡献,Wu(2016b)将风速、海温和比湿等变量分解成不同时间尺度的分量,然后估算了季节内尺度变化对季节平均潜热通量的贡献。结果表明,在夏季热带西北太平洋地区,与高频变化(<90天)相关的潜热通量对季节平均通量有着非常重要的贡献。因而,季节内振荡是季节平均海温变化趋势的一个主要影响因子。图 17给出了根据6~8月(5°~15°N,130°~160°E)区域平均10~20天低频振荡强度回归得到的同期变量的异常分布。在热带西北太平洋地区,季节平均潜热通量异常随低频振荡加强而增大(图 17b),这主要归之于高频变化分量的贡献(图 17e)。季节平均分量的贡献呈现西南—东北对比分布(图 17d)。这是因为异常风在平均热带辐合带的东西两侧与平均风分别同号和反号(图 17c),使得风速异常在两侧相反。对应潜热通量增加,海温变化趋势为负(图 17a)。10~20天振荡对高频潜热分量的贡献大约为1/3(图 17f)。

图 17 1982~2014年6~8月由(5°~15°N,130°~160°E)区域(见图中矩型区)平均10~20天低频振荡强度回归得到的(a)同期海表面温度变化趋势(根据45 m海洋混合层转换到通量单位)(单位:W m-2)、(b)潜热通量(单位:W m-2)、(c)850 hPa风(单位:m s-1)、(d)潜热的年际分量(单位:W m-2)、(e)潜热的高频分量(单位:W m-2)和(f)潜热的10~20天分量(单位:W m-2)。等值线间隔为3 W m-2(没画0等值线)。阴影区表示异常达到95%信度水平 Figure 17 Anomalies of June-August (a) SST tendency (converted to the unit of heat flux using a mixed-layer depth of 45 m) (units: W m-2), (b) latent heat flux (units: W m-2), (c) 850 hPa wind (units: m s-1), (d) interannual component of latent heat flux (units: W m-2), (e) high-frequency (< 90 d) component of latent heat flux (units: W m-2), and (f) 10–20-day component of latent heat flux (units: W m-2) obtained by regression with respect to normalized June–August 10–20-day ISO intensity in the region of (5°–15°N, 130°–160°E) (the box) for the period 1982–2014. The contour interval is 3 W m-2 and the zero contour is omitted. Shading denotes anomalies significant at the 95% confidence level

上述高频分量导致的季节平均通量可用其对风速的非线性依赖来解释(Wu, 2016b)。在西北太平洋热带辐合带附近,平均风很弱。在此背景下,不管是季节内振荡的东风还是西风位相,都能引起风速增大,使得表面潜热通量增加。季节平均后,得到的潜热通量并不互相抵消,而是有一个净的累积作用。

6 总结和讨论

本文回顾和综述了作者近几年关于南海—热带西北太平洋地区大气和海洋在季节内尺度变化关系方面的研究成果。这有助于了解季节内尺度变化中海气耦合过程及其在季节内信号传播中的作用。所揭示的两种不同低频振荡海气变化关系的差异和其季节变化说明区别10~20天和30~60天季节内尺度变化的必要性。

南海和热带西北太平洋地区大气和海洋中都有明显的10~20天和30~60天季节内振荡。比较而言,大气中10~20天低频振荡所占比例比30~60天低频振荡更大,而海表面温度30~60天低频振荡的相对贡献比10~20天低频振荡大,但低纬度西太平洋地区例外,该区域夏季10~20天低频振荡与30~60天低频振荡的贡献相近或前者稍大。

北半球夏季10~20天和30~60天低频振荡呈现不同的水平结构和传播特征。10~20天低频振荡分布呈西南—东北走向,由赤道西太平洋向西北偏西方向传播。而30~60天低频振荡则以东西向分布为主,表现为由南向北的传播特征。北半球冬季10~20天和30~60天低频振荡的水平结构类似,表现为西南—东北走向。南海地区季节内变化信号具有明显的向南传播特征,并与东亚冬季风的活动密切相关,尤其是10~20天尺度变化。

北半球夏季,南海—菲律宾海地区的两种季节内振荡强度的年际变化与ENSO的关系存在差异。10~20天振荡强度在厄尔尼诺发展年夏季得到加强,而30~60天振荡强度在拉尼娜衰减年夏季得到加强。上述关系的不同源自于影响该地区两种季节内振荡的源地和传播路径不同。10~20天低频振荡主要来自于赤道西太平洋并向西北方向传播,其源地和传播路径范围内的夏季背景场都受到ENSO影响。30~60天低频振荡主要来自于东印度洋地区,该区域的背景场与ENSO无明显关系。而夏季西北太平洋地区的背景场受到北印度洋—北太平洋东西海温异常影响。这种海温异常分布通常出现在ENSO衰减年夏季。

分析指出热带西北太平洋地区夏季热带辐合带附近的季节内振荡对季节平均海温异常有显著反馈作用,特别是10~20天尺度振荡。其反馈作用是由于季节内尺度变化引起的表面潜热通量的累积效应。由于该区域平均风较弱,无论处于季节内振荡的干位相还是湿位相,季节内尺度的风异常都能引起表面潜热通量的增加。

根据过去的研究,季节内尺度振荡在赤道北侧通常表现为向北传播。作者的研究揭示出南海地区冬季季节内变化信号具有独特的向南传播特征。这一现象说明南海地区冬季的季节内变化可能与中纬度地区的季节内变化存在联系。向南传播的形成主要是由于大气内部过程还是与海气耦合作用有关,值得进一步研究。

作者的研究揭示出热带西北太平洋地区夏季季节内振荡强度的年际变化受到ENSO的调制。其它地区海温异常对热带西北太平洋地区季节内振荡强度的影响及其过程需要分析研究。另外,上述地区其它季节中季节内振荡强度的年际变化及其因子也是一个值得研究的问题。

关于不同尺度变化之间的关系,过去的研究大多注重于低频变化分量对高频变化的调制作用。作者的研究指出了季节内尺度振荡的强度变化对季节平均海温异常存在着反馈作用。这种反馈作用的地区性和季节性需要进一步分析研究。

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