楊 洋，于衛(wèi)東，孫即霖，李奎平，劉延亮，高立寶

（1.中國海洋大學 海洋-大氣相互作用與氣候實驗室，青島 山東266100；2.國家海洋局 第一海洋研究所海洋與氣候研究中心，青島 山東266061）

海表作為海洋和大氣的交界面，其溫度的變化受到多種因素的控制，不同時間尺度的大氣和海洋過程都會在SST 的變化上有所體現(xiàn)。作為大氣的底邊界，SST 的變化也會對不同時間尺度的大氣過程產生反饋作用［1-5］。

SST 的日變化過程是一種非常顯著的信號，尤其在熱帶地區(qū)，其變化幅度可達1℃［6-7］，如此顯著的SST變化很可能會對大氣產生反饋作用。雖然很多海氣耦合模式的實驗表明，在正確分辨SST 的日變化過程后，其模擬結果往往能夠得到較大改進［7-10］。但是，SST 的日變化特征及相應時間尺度的海-氣相互作用過程卻認識尚淺。作為一種小時間尺度的變化過程，SST 的日變化受到其它海洋和大氣低頻活動的影響［11］，其中，大氣季節(jié)內振蕩就是一個重要的影響因子。

大氣季節(jié)內振蕩是活躍于熱帶地區(qū)的一類大尺度擾動系統(tǒng)，其周期范圍在20～90d，根據大氣對流的發(fā)展狀況，可以將其劃分為對流活躍階段和抑制階段。MJO 導致的熱通量、動量通量和淡水通量的變化對SST 產生顯著影響，由此引起與MJO 相一致的SST 季節(jié)內變化過程［12-15］。

MJO 對SST 的影響顯著體現(xiàn)在其日平均值和日變化振幅兩個方面。就日平均的SST 而言，暖（冷）的SST 異常大約落后減弱（增強）的對流異常1／4周期，并且伴隨著MJO 對流異常向東傳播。這種SST 異常的振幅有時甚至超過2℃，它會對大氣產生反饋作用，影響MJO 對流的發(fā)展和傳播［16］。SST 的日變化特征，也受到MJO 過程的調制。Sui［8］利用浮標觀測資料，指出西太平洋SST 日變化特征受到MJO 影響，對流抑制階段的SST 日變化振幅顯著強于對流活躍階段。衛(wèi)星觀測資料也顯示出西太平洋的SST 日變化振幅與MJO 過程存在聯(lián)系［17］。Milind［18］利用孟加拉灣北部的浮標觀測資料，也指出其SST 日變化振幅在MJO 不同階段存在明顯差異，而且SST 的日變化過程與其季節(jié)內變化過程存在密切聯(lián)系。

很多模式實驗表明，SST 的日變化過程對大氣MJO 的模擬具有至關重要的作用［19-20］。雖然熱帶印度洋是MJO 最活躍的區(qū)域，但是受觀測資料的限制，關于SST 的日變化特征及其與MJO 聯(lián)系的研究甚少。以往針對SST 日變化特征的研究大多集中在太平洋海區(qū)，多數(shù)的研究只是集中在個例分析，多事件合成的統(tǒng)計性結果尚不多見。隨著印度洋海洋觀測系統(tǒng)“亞-非-澳季風分析和預測研究浮標網”（Research Moored Array for African-Asian-Australian Monsoon Analysis and Prediction，RAMA）的開展，大量的高分辨率實時觀測資料為我們研究熱帶印度洋SST 的日變化特征及其與MJO 的聯(lián)系提供了可靠依據。基于此，本文章將利用RAMA 浮標的提供地高分辨率現(xiàn)場觀測資料，進一步探討MJO 對SST 日變化特征的影響。

1 資料和分析方法

1.1 資 料

本文章使用的主要資料來自RAMA 浮標陣列位于90°E，1.5°S的浮標（http：／／www.pmel.noaa.gov／tao／），包括逐時的SST，時間跨度為2002-01-01-2008-12-31；海表氣象資料：短波輻射、氣溫、氣壓、相對濕度和風場，共含3個時間段：2002-01-01-2002-07-31、2003-07-13-2004-06-08和2004-07-13-2005-06-24。之所以選取該浮標，是因為其位于赤道東印度洋，MJO 過程非常活躍，而且，它也是印度洋現(xiàn)有浮標陣列中，持續(xù)觀測時間最長的浮標。之所以采用上述時間段，是由浮標有效觀測數(shù)據所決定。為了表征大氣深對流過程，我們采用了NOAA 逐日的大氣對外長波輻射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）資料。

1.2 方 法

我們通過選取MJO 事件，然后利用合成分析的方法來研究SST 的季節(jié)內變化特征。在選取MJO 事件時，以浮標所處位置20～90d帶通濾波的OLR 為標志，當某次季節(jié)內變化過程的正負異常值均超過一倍標準差時則選定此MJO 事件。按照以上判據，我們一共選定了32個MJO 事件（圖1）。

對于所選取的MJO 事件，我們把對流最活躍時，即OLR 極小值時，定義為0°位相，前后兩個對流抑制階段，即OLR 極大值時，分別定義為-180°和+180°位相，而相應的兩個中間階段，即OLR 異常值接近于零時，則分別為-90°和+90°位相。為了減小分析誤差，我們在上述定義的每個位相附近各選取5d，以其平均值來代表該位相的狀態(tài)。根據上述定義的MJO 各位相，我們把浮標觀測的逐時SST 資料在相應的時間段按照時刻進行合成，據此分析SST 在MJO 不同位相的特征。

SST 的變化主要受混合層熱平衡方程控制：

式中，T 為海表溫度；Qnet為海表凈熱通量；ρ為海水密度；Cp為海水比熱；H 為混合層深度；→U 為平流流速；w為混合層的夾卷速度。式（1）中為熱通量項；-·▽T 為溫度平流項；-w·為夾卷項；F 為耗散項，其量級一般較小，本文章不予考慮。

針對有海表氣象觀測資料的時間段，引入一維的PWP海洋混合層模式［21］，在驗證其適用性后，據此分析SST 的控制機制。該時間段共含11個MJO 事件，如圖1方框所標示。

以下的研究內容主要分為兩部分，首先利用浮標觀測資料揭示SST 的季節(jié)內變化特征；然后通過PWP一維海洋混合層模式對其季節(jié)內變化特征進行模擬并作簡要分析。

圖1 浮標所處位置20～90d帶通濾波OLR 時間序列Fig.1 20～90day band-pass filtered OLR time series at the buoy position

2 結 果

2.1 MJO 不同位相的SST 日變化特征

圖2給出了以OLR 為表征的MJO 時-空演化過程，圖中星號表示浮標所處的位置。在-180°位相時，MJO 對流抑制階段控制了赤道東印度洋，此時，浮標所處位置大氣對流很弱，天氣晴朗。-90°位相時，MJO對流抑制過程的主體移動到孟加拉灣地區(qū)，一支新的MJO 對流在西印度洋生成。在0°位相時，MJO 對流向東移動到東印度洋，此時，浮標處于強對流區(qū)域，云層深厚，降水較多。在+90°位相時，MJO 對流已經向東、向北傳播，新的對流抑制過程在西印度洋形成。至+180°位相時，MJO 對流抑制過程重新控制東印度洋，完成了一個周期。

圖3給出了上述MJO 各位相的逐時SST 合成結果。從SST 的日變化情況來看，在MJO 各個位相，SST 在08∶00之前呈現(xiàn)緩慢降低的狀態(tài)；隨后快速升高，在15∶00-16∶00點左右達到最大值。在MJO影響下，SST 呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)內變化特征，主要體現(xiàn)在日平均值和日變化振幅兩個方面。為了便于討論，我們把每個位相的SST 分解為兩部分，即SST=+SST′。其中，代表日平均值，SST′為偏離的逐時異常值。

圖2 MJO 的時-空演化合成圖（w·m-2）Fig.2 Composited diagrams showing the spatial-temporal evolution of MJO（w·m-2）

圖3 逐時的SST（a）及變化率（b）在MJO 不同位相的特征Fig.3 Hourly SST（a）and SST trend（b）at different phases of MJO

圖4給出了與SST′的標準偏差（δSST′）在MJO 不同位相的分布特征。就而言（圖4b），它在-90°位相時達到最大值，在+90°位相時達到最小值，其季節(jié)內變化幅度在0.5℃左右。也就是說，正SST異常領先大氣對流1／4周期，而負異常落后大氣對流1／4周期。這種大氣對流變化與變化之間的關系已得到廣泛研究［17］，本文章不再贅述。

圖4 OLR（a），（b）和δSST′（c）在MJO 不同位相的分布Fig.4 OLR（a），（b）andδSST′（c）at different phases of MJO

SST 的日變化幅度（δSST′）也存在明顯的季節(jié)內變化，但是它與MJO 對流的位相關系不同于，δSST′與MJO 對流活動具有直接的反位相關系（圖4c）。在0°位相，即對流活動最強時，SST 的日變化幅度最小，標準差大約為0.06℃；在±180°位相對流活動最弱時，SST 的日變化幅度最大，標準差大約為0.23 ℃。顯然，MJO 對流最弱時的SST 日變化振幅大約是對流最強時的4倍，其季節(jié)內變化異常顯著。

那么，大氣MJO 到底通過何種途徑影響SST 的日變化特征呢？在海表觀測資料的強迫下，一維海洋混合層模式能否再現(xiàn)SST 的季節(jié)內變化特征呢？我們將在下一節(jié)進行分析。

2.2 MJO 對SST 日變化的影響機制分析

PWP一維整體海洋混合層模式已被廣泛的用于熱帶地區(qū)SST 的日變化和季節(jié)內變化特征的模擬［22］，具有很好的適用性。本文章所用的浮標位于東印度洋暖池區(qū)，水平溫度梯度較小，一維海洋混合層模式在原則上具有可行性。我們首先以浮標觀測的海表通量，包括：熱通量、動量通量和淡水通量，來強迫PWP 混合層模式，通過與浮標觀測的SST 進行比較，驗證該模式的適用性。模式運行時采用的時間分辨率為1h，垂向分辨率為0.5m。

針對本研究所選取的時間段中包含的11個MJO 事件，逐時的SST 觀測值和模擬值按照MJO 位相進行了合成，如圖5。通過比較不難發(fā)現(xiàn)，在MJO各個位相，PWP模式的SST 的模擬結果都與觀測值相當接近，這說明該混合層模式在本研究中具有可行性。下面我們將利用模式結果開展進一步分析，討論MJO 對SST 日變化的影響機制。

如方程1所示，影響SST 變化的主要因素包括熱通量項、水平溫度平流和混合層夾卷過程。一維混合層模式在不考慮水平溫度平流的情況下，很好地模擬了MJO 對SST 日變化特征的影響（圖5），這說明該區(qū)域溫度平流項對SST變化的貢獻較小，而熱通量項和混合層夾卷過程是MJO 影響SST 日變化特征的主要途徑。MJO 作為周期性的過程，SST 的日變化振幅在其±180°位相時最大，在0°位相時最小，而±90°時則介于以上二者之間。在討論其季節(jié)內變化特征時，為了方便，我們僅對-180°和0°位相進行了比較。其中-180°代表了MJO 對流抑制階段，0°代表了MJO 對流活躍階段。

圖6給出了MJO 兩個位相的海表凈熱通量（圖6a）、混合層深度（圖6b）以及熱通量項（圖6c）和混合層夾卷過程（圖6d）的日變化情況，可以看出，上述變量在MJO 兩個位相存在顯著差異。在MJO 對流抑制階段，風速較小，潛熱釋放較少，太陽短波輻射較強，海表的凈熱通量在中午時可達600 W／m2（圖6a）；夜間短波輻射降為0后，在潛熱和感熱通量以及長波輻射的失熱作用下，凈熱通量降至-150 W／m2左右，整個日變化幅度達到750 W／m2。在MJO 對流活躍階段，風速較大，潛熱釋放增強，太陽短波輻射減弱，海表的凈熱通量在中午時只有300 W／m2；夜間短波輻射降為0后，在潛熱通量等失熱項的作用下，凈熱通量降至-180 W／m2左右，整個日變化幅度只有480 W／m2，較對流抑制階段顯著減弱。風場在MJO 兩個階段的差異，同時導致了混合層深度的差異（圖6b）。在對流抑制階段，平均混合層深度在10m 左右，在太陽短波輻射最強時的中午更是不足5m，造成強烈的加熱效應（圖6c）。而在MJO 對流活躍階段，平均混合層深度達到35m，中午最淺時仍有30m，其白天的加熱效應顯著弱于MJO 對流抑制階段。在夜晚降溫階段，雖然對流抑制階段時海表失熱較少，大約為-150 W／m2，但是其混合層較潛，因此其冷卻效應仍強于對流活躍階段（圖6c）。比較圖6c和圖5b，我們可以看出，熱通量項的熱效應是SST 日變化的主要控制因素，它也是MJO 影響SST 日變化振幅的主要途徑。

混合層溫度的變化還受到其底部夾卷冷卻過程的影響，與熱通量項的作用相比，它對混合層溫度日變化的影響較小，但也存在季節(jié)內變化（圖6d）。在MJO 對流抑制（活躍）階段，由于白天短波輻射較強（弱），而且混合層較淺（深），混合層的升溫較多（少），導致混合層與其底部的溫差較大（小），因此傍晚混合層加深時，夾卷過程對混合層的降溫作用相對較強（弱）。

通過以上的分析我們可以看出，海表熱通量和混合層深度的季節(jié)內變化是導致SST 的日變化特征在MJO 不同位相產生差異的主要原因，而短波輻射通量在熱通量四項中作用最為明顯。在MJO 對流抑制階段，熱通量的日變化振幅較大，而且平均混合層較淺，導致混合層在白天的升溫效應和夜晚的降溫效應都較強，因此SST 的日變化較大?；旌蠈虞^淺，白天升溫快，導致其底部的垂向溫度梯度較大，因此傍晚混合層夾卷的冷卻效應較強，這與熱通量引起的降溫效應相配合，增強了SST 的日變化振幅。MJO 對流活躍階段的SST 日變化較弱，其分析與上類似，不再詳述。

圖5 SST 日變化的觀測值和模擬值的對比Fig.5 Contrast between the observed and the simulated values of diurnal variations of SST

圖6 MJO 對流抑制位相和對流活躍位相的對比Fig.6 Contrast between the suppressed and the enhanced phases of MJO

3 結 語

本文章利用印度洋觀測浮標提供的逐時資料，按照MJO 位相進行合成，揭示了SST 的季節(jié)內變化特征。結果顯示，日平均SST 和SST 日變化均存在顯著的季節(jié)內變化。其中，日平均SST 的變化趨勢落后于MJO 對流1／4周期；與之不同，SST 的日變化與MJO 對流呈直接反位相關系。在對流活動最強時，SST 的日變化振幅最小，標準差為0.06 ℃；在對流活動最弱時，SST 的日變化振幅最大，標準差為0.23 ℃。

以浮標觀測的海-氣通量強迫一維海洋混合層模式，再現(xiàn)了SST 的日變化特征及其季節(jié)內差異。診斷表明海表熱通量和混合層深度的季節(jié)內變化，是導致MJO 不同位相SST 的日變化存在差異的主要原因。

本研究對SST 季節(jié)內變化特征的分析，僅基于（90°E，1.5°S）的浮標數(shù)據，不排除的分析結果存在一定誤差。隨著印度洋海洋觀測系統(tǒng)的發(fā)展，可利用的浮標數(shù)量越來越多，進一步的工作可以致力于分析MJO影響下SST 日變化特征的區(qū)域差異。

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