陶麗,吳盟盟,沈新勇,趙久偉

(1.氣象災(zāi)害教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué))，江蘇 南京 210044;

2.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;3.南京信息工程大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院,江蘇 南京 210044)

1982—2009年冬夏兩季熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩的趨勢特征

陶麗1,2,吳盟盟3,沈新勇1,2,趙久偉2

(1.氣象災(zāi)害教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué))，江蘇 南京 210044;

2.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;3.南京信息工程大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院,江蘇 南京 210044)

摘要：采用1982—2009年美國國家海洋與大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)逐日向外長波輻射(outgoing longwave radiation,OLR)資料,利用EOF方法,分析了20～70 d北半球夏季(6—9月)季節(jié)內(nèi)振蕩(boreal summer intraseasonal oscillation,BSISO)與冬季(12月—次年2月)季節(jié)內(nèi)振蕩(也稱Madden-Julian Oscillation,MJO)不同的強(qiáng)度趨勢。結(jié)果表明:BSISO指數(shù)有明顯加強(qiáng)的趨勢,而MJO指數(shù)的趨勢則不明顯。進(jìn)一步利用頻率—波數(shù)分析方法將季節(jié)內(nèi)振蕩(intraseasonal oscillation,ISO)分成西傳和東傳兩部分。結(jié)果表明:東傳的BSISO在其活動中心——熱帶印度洋地區(qū)有顯著加強(qiáng)的趨勢,而東傳的MJO在其活動中心的趨勢則不明顯,僅在其活動中心西南部即熱帶印度洋西南部有減弱的趨勢。為探究其原因,文章進(jìn)一步分析了海表溫度(sea surface temperature,SST)和緯向風(fēng)垂直切變的趨勢變化。結(jié)果表明:1982—2009年,西太平洋和印度洋SST無論冬夏均持續(xù)增暖,SST并不能解釋冬夏兩季ISO不同的趨勢特征;而夏季熱帶印度洋地區(qū)對流層中低層?xùn)|風(fēng)垂直切變減弱,冬季海洋性大陸地區(qū)東風(fēng)垂直切變增強(qiáng)。由此認(rèn)為:熱帶印度洋東風(fēng)垂直切變減弱有可能有利于東傳的BSISO加強(qiáng);而海洋性大陸地區(qū)東風(fēng)垂直切變加強(qiáng)有可能削弱東傳的MJO,但這種減弱效應(yīng)被冬季海洋性大陸地區(qū)增強(qiáng)的上升運動產(chǎn)生的加強(qiáng)效應(yīng)抵消,所以MJO的變化趨勢并不顯著。

關(guān)鍵詞：熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩;趨勢;海面溫度;東風(fēng)垂直切變

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)05-0641-09P434

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130524001

Abstract:Based on the daily outgoing long-wave radiation(OLR) data of the National Oceanic and Atmospheric Administration(NOAA) from 1982 to 2009,by using EOF method,this paper investigated the intensity changes of the 20—70 d boreal summer(June-September;JJAS) intraseasonal oscillation(BSISO) and winter(December-next February;DJF) intraseasonal oscillation,also known as the Madden-Julian Oscillation(MJO).The results show that BSISO index has a significant intensifying trend during 1982—2009.On the other hand,little trend is found for boreal winter MJO index during this period.The wavenumber-frequency analysis method was applied to separate ISO(intraseasonal oscillation) into westward-propagated and eastward-propagated parts.For the eastward-propagated BSISO,a significant intensified trend is observed over tropical Indian Ocean or its action center.For the eastward-propagated MJO,there is no evident trend observed over its action center,except that a weakened trend is observed over southwestern tropical Indian Ocean(i.e.southwestern part of MJO action center).To gain insight into the different ISO characteristics,the tendencies of sea surface temperature(SST) and the vertical shear of zonal wind were analyzed.The results show that,in both seasons from 1982 to 2009,the global SST trends are similar,and thus they could not be used to explain the intensifying trend of BSISO.However,the lower-tropospheric easterly shear in boreal summer over tropical Indian Ocean has a decreasing trend,while the easterly vertical shear over the maritime continent is enhanced in winter.It is proposed that the reduced easterly vertical shear over tropical Indian Ocean favores the amplification of the eastward-propagated BSISO.The enhanced easterly vertical shear over the maritime continent might weakens the eastward-propagated MJO,but its impact is offset by the enhanced upward motion over the maritime continent.As a result,there is little trend for MJO in boreal winter.

收稿日期：2014-10-21;改回日期:2014-12-19

基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB430102);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201506002);國家自然科學(xué)基金資助項目(41205082)

通信作者：陳耀登,博士,副教授,研究方向為氣象資料同化,keyu@nuist.edu.cn.

Trend of tropical intraseasonal oscillations in summer and

winter during 1982—2009

TAO Li1,2,WU Meng-meng3,SHEN Xin-yong1,2,ZHAO Jiu-wei2

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

2.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.School of Mathematics and Statistics,NUIST,Nanjing 210044,China)

Key words:tropical intraseasonal oscillation;trend;SST;easterly vertical shear

0引言

熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(intraseasonal oscillation,ISO)是大尺度熱帶大氣活動最顯著的振蕩信號之一,也被視為重要的大氣環(huán)流系統(tǒng)之一。因其復(fù)雜性并與多種天氣及氣候現(xiàn)象相聯(lián)系,ISO一直受到氣象學(xué)者的高度重視。ISO主要分為兩種:一種是以沿赤道東傳為主的北半球冬季季節(jié)內(nèi)振蕩(MJO),另一種是以東傳和北傳為主的北半球夏季季節(jié)內(nèi)振蕩(BSISO)。ISO對亞澳夏季風(fēng)的活躍和中斷都有影響(Annamalai and Slingo,2001;蔣鎮(zhèn)和朱偉軍,2010;李崇銀等,2003;蔣國榮等,2005;李麗萍和羅婷,2014;于群等,2014),且對西北太平洋和加勒比海熱帶氣旋的生成(Liebmann et al.,1994;Ferreira et al.,1996;Maloney and Hartmann,2000;Hall et al.,2001;祝從文等,2004;陳光華和黃榮輝,2009;陶麗等,2012a,2012b),以及極端天氣事件(如干旱、洪水)的發(fā)生起到一定的調(diào)制作用(Higgins et al.,2000)。它對亞澳季風(fēng)區(qū)特別是東南亞地區(qū)的社會和經(jīng)濟(jì)活動具有深遠(yuǎn)的影響。

1資料和方法

采用1982—2009年美國國家海洋與大氣管理局(NOAA)的逐日向外長波輻射(OLR;Liebmann and Smith,1996)資料(水平分辨率為2.5°×2.5°)、英國氣象局Hadley氣候預(yù)測和研究中心編輯的月平均海表面溫度(SST)資料(水平分辨率1.0°×1.0°)以及歐洲中心(ECMWF)的ERA-interim再分析資料(水平分辨率1.5°×1.5°)。

本文還利用波數(shù)—頻率分析方法(Hayashi,1982),將BSISO和MJO分為東傳和西傳兩部分,并分析它們的趨勢特征。

2結(jié)果分析

圖1a、b分別為1982—2009年夏季(6—9月)OLR場的EOF第一模態(tài)和第二模態(tài),其方差貢獻(xiàn)率分別為15%和10%。由圖1c可見,第二模態(tài)的時間序列(PC2)滯后于第一模態(tài)的時間序列(PC1)10 d左右(滯后相關(guān)系數(shù)圖略),約為1/4個BSISO的活動周期,所以第二模態(tài)是第一模態(tài)東移后的結(jié)果。由圖1a可見,與BSISO相關(guān)的對流活躍區(qū)(負(fù)值)出現(xiàn)在西北印度洋、孟加拉灣、南海和赤道西太平洋,形成了一個沿西北—東南走向的對流活躍帶,而對流抑制區(qū)(正值)主要位于赤道中印度洋。圖1b為OLR場的EOF第二模態(tài),一部分對流抑制區(qū)北移至印度半島,一部分逐漸東移,跨過孟加拉灣、中南半島,傳播到南海和西太平洋,呈西北—東南走向的對流抑制帶,此時原菲律賓海附近的對流活躍區(qū)向西北移動,并逐漸加強(qiáng),活動中心位于130°E、17°N附近。上述結(jié)果表明,BSISO具有顯著的北傳特征。

圖2a、b分別為1982—2009年冬季(12月—次年2月)OLR場的EOF第一、第二模態(tài),其方差貢獻(xiàn)率分別為14%和11%。由圖2c可見,EOF第一模態(tài)的時間序列(PC1)滯后于第二模態(tài)的時間序列(PC2)約12 d(圖2c),約為MJO活動周期的1/4,第一模態(tài)是第二模態(tài)東移后的模態(tài)。由圖2b可見,與MJO相關(guān)的對流活躍中心位于赤道東印度洋,而對流抑制區(qū)出現(xiàn)在赤道西太平洋。由圖2a可見,MJO對流活躍區(qū)向東傳播到海洋性大陸,而對流抑制區(qū)位于中印度洋。上述結(jié)果表明,MJO具有顯著的東傳特征。這與BSISO的北傳特征存在明顯區(qū)別。

圖3是1982—2009年季平均BSISO和MJO指數(shù)。圖3表明,BSISO振幅有正的變化趨勢(斜率為0.027 7),表明BSISO有增強(qiáng)趨勢;而MJO振幅的變化趨勢不明顯(斜率僅為0.008 7)。

BSISO指數(shù)的變化趨勢通過了95%的置信度檢驗(Z統(tǒng)計量;魏鳳英,2007),表明BSISO的變化趨勢是顯著的;而MJO的變化趨勢并不明顯。下面進(jìn)一步分析研究BSISO與MJO不同趨勢特征的原因。

為了深入分析BSISO與MJO不同趨勢特征的原因,本文利用波數(shù)—頻率分析方法(Hayashi,1982),空間上在一個緯圈上進(jìn)行傅里葉分解,取前1—5個波,時間分解后取20～70 d周期的振蕩,并將BSISO和MJO分為東傳和西傳兩部分。

圖1　1982—2009年夏季(6—9)月OLR場EOF第一(a)、第二(b)模態(tài)及其時間系數(shù)(c;PC1黑色,PC2灰色)Fig.1　Eigenvectors for the (a)first and (b)second EOF modes and (c)their associated PC times series(PC1(black),PC2(grey)) obtained from the OLR data in summer(June,July,August and September) during 1982—2009

圖2　1982—2009年冬季(12月—次年2月)OLR場EOF第一(a)、第二(b)空間模態(tài)及其時間系數(shù)(c;PC1黑色,PC2灰色)Fig.2　Eigenvectors for the (a)first and (b)second EOF modes and (c)their associated PC times series(PC1(black),PC2(grey)) obtained from the OLR data in winter(December,January and February) during 1982—2009

圖3　1982—2009年夏季(a;6—10月)和冬季(b;12月—次年2月)標(biāo)準(zhǔn)化的季平均ISO振幅Fig.3　Standardized seasonal amplitudes of ISO in (a)summer(JJAS) and (b)winter(DJF) during 1982—2009

圖4a、b分別為1982—2009年夏季20～70 d東傳和西傳1—5波OLR均方差及趨勢?？梢?東傳的BSISO在40～150°E、10°S～20°N范圍內(nèi)比較活躍,且BSISO東傳活動中心關(guān)于5°N對稱。其東傳活動中心有兩個:一個位于印度、孟加拉灣和中南半島,另一個位于中東印度洋。1982—2009年東傳的BSISO明顯增強(qiáng),活動中心通過了90%的信度檢驗。而西傳的BSISO的活動中心主要位于菲律賓海地區(qū)。1982—2009年其強(qiáng)度稍有減弱,未通過90%的顯著性檢驗。因此,圖3中BSISO指數(shù)增強(qiáng)趨勢主要是由于東傳的BSISO強(qiáng)度逐年增強(qiáng)造成的。

圖4　東傳(a)和西傳(b)的BSISO的OLR均方差(綠線;單位:W/m2)及1982—2009年變化趨勢(黑線;單位:W/(m2·a))(BSISO用波數(shù)為1—5波的20～70 d振蕩表示;陰影區(qū)表示通過90%的信度檢驗)Fig.4　OLR mean square deviations(green lines;units:W/m2) of (a)eastward-propagated and (b)westward-propagated BSISO which are represented by wavenumber 1—5 with 20—70 d period,and their trends(black lines;units:W/(m2·a)) from 1982 to 2009(Shadings denote values over 90% confidence level)

圖5a、b分別為1982—2009年冬季20～70 d東傳和西傳1—5波OLR均方差及趨勢?？梢?東傳的MJO在40°E～150°W的低緯地區(qū)較活躍,且東傳的MJO在赤道印度洋西南部有減弱趨勢(通過90%的信度檢驗),而在赤道以北有增強(qiáng)趨勢(沒有通過信度檢驗)。西傳的MJO明顯偏弱,其變化趨勢也很弱。因此,圖3中MJO指數(shù)趨勢并不明顯的部分原因是東傳的MJO在赤道以南減弱、赤道以北增強(qiáng)。

圖5　東傳(a)和西傳(b)的MJO的OLR均方差(綠線;單位:W/m2)及1982—2009年變化趨勢(黑線;單位:W/(m2·a))(MJO用波數(shù)為1—5波的20～70 d振蕩表示;陰影區(qū)表示通過90%的信度檢驗)Fig.5　OLR mean square deviations(green lines;units:W/m2) of (a)eastward-propagated and (b)westward-propagated MJO which are represented by wavenumber 1—5 with 20—70 d period,and their trends(black lines;units:W/(m2·a)) from 1982 to 2009(Shadings denote values over 90% confidence level)

為了揭示BSISO活動有逐年增強(qiáng)的趨勢的原因,本文分析了1982—2009年夏季和冬季海表溫度(Sea Surface Temperature,SST)的變化趨勢。由圖6可見,夏季北太平洋、西南太平洋、赤道西太平洋、印度洋以及北大西洋SST都有明顯增暖的趨勢;冬季除了赤道東太平洋SST有較明顯的變冷趨勢外,SST增暖的區(qū)域與夏季基本一致,且冬季南半球SST增暖趨勢的范圍比夏季南半球SST增暖趨勢的范圍更大。

圖6　1982—2009年夏季(6—9月;a)和冬季(12月—次年2月;b)SST的變化趨勢(單位:℃/a;黑實線表示通過90%的信度檢驗)Fig.6　SST trend(units:℃/a) in (a)summer(JJAS) and (b)winter(DJF) during 1982—2009(black solid lines denote values over 90% confidence level)

夏季、冬季赤道西太平洋和印度洋SST均為增暖趨勢,那么,為何ISO僅在夏季顯著逐年增強(qiáng)呢?本文進(jìn)一步分析熱帶大氣垂直運動(圖7、8)和相應(yīng)的緯向風(fēng)垂直切變(圖9),以此解釋BSISO增強(qiáng)的原因。

圖7a是沃克環(huán)流(5°S～15°N)夏季氣候場。由圖7a可見,在50～120°E,500 hPa以下為平均西風(fēng),而對流層上層為平均東風(fēng)。50～120°E范圍內(nèi)有明顯的東風(fēng)垂直切變。圖9a是200～850 hPa夏季緯向風(fēng)的垂直切變分布(黑線)。可見,在(10°S～20°N,40～160°E)區(qū)域,即熱帶印度洋、北印度洋、中印半島、中南半島以及海洋性大陸以東地區(qū),200～850 hPa間有明顯的東風(fēng)垂直切變(圖9a,黑線)。然而,由1996—2009年與1982—1995年夏季沃克環(huán)流的氣候差值分布(圖7b)可見,在50～110°E范圍內(nèi),對流層底層出現(xiàn)東風(fēng)異常,而其上空700～500 hPa存在西風(fēng)異常。即對流層低層?xùn)|風(fēng)垂直切變在后一階段有減弱的趨勢。由圖9a中彩色陰影可見,此對流層低層?xùn)|風(fēng)垂直切變的減弱區(qū)域主要位于熱帶印度洋上空。

圖7　1982—2009年夏季(6—9月)沃克環(huán)流(5°S～15°N)的氣候場(a)以及1996—2009年與1982—1995年夏季沃克環(huán)流的氣候差值分布(b)(垂直速度放大至100倍)Fig.7　(a)Climatologically zonal and vertical motion along 5°S—15°N in summer(JJAS) during 1982—2009,and (b)the climatological differences between 1996—2009 and 1982—1995(vertical velocity multiplied by 100)

圖8　1982—2009年冬季(12月—次年2月)沃克環(huán)流(5°S～5°N)的氣候場(a)以及1996—2009年與1982—1995年冬季沃克環(huán)流的氣候差值分布(b)(垂直速度放大至100倍)Fig.8　(a)Climatologically zonal and vertical motion along 5°S—5°N in winter(DJF) during 1982—2009,and (b)the climatological differences between 1996—2009 and 1982—1995(vertical velocity multiplied by 100)

圖9　a.1982—2009年夏季(6—9月)200 hPa與850 hPa間緯向風(fēng)的垂直切變氣候場(黑線;單位:m·s-1)及1996—2009年與1982—1995年夏季(6—9月)600 hPa與850 hPa間緯向風(fēng)垂直切變的氣候差值場(彩色陰影;單位:m·s-1);b.1982—2009年冬季(12月—次年2月)200 hPa與850 hPa間緯向風(fēng)垂直切變氣候場(黑線;單位:m·s-1)及1996—2009年與1982—1995年之差(彩色陰影;單位:m·s-1)Fig.9　a.climatologically vertical shear of zonal wind(black lines;units:m·s-1) between 200 hPa and 850 hPa in summer(JJAS) during 1982—2009 and the climatological differences(color shadings;units:m·s-1) of vertical shear of zonal wind between 600 hPa and 850 hPa between 1996—2009 and 1982—1995;b.climatologically vertical shear of zonal wind(black lines;units:m·s-1) between 200 hPa and 850 hPa in winter(DJF) during 1982—2009 and the climatological differences(color shadings;units:m·s-1) between 1996—2009 and 1982—1995

圖8a為是沃克環(huán)流(5°S～5°N)冬季氣候場。由圖8a可見,在60～150°E,對流層低層為西風(fēng)并伴有較強(qiáng)的上升運動,而對流層上層主要為東風(fēng)。圖9b是200～850 hPa冬季緯向風(fēng)垂直切變分布(黑線)?？梢?在(15°S～5°N,40°E～180°)區(qū)域,即熱帶印度洋、海洋性大陸、熱帶西太平洋地區(qū),200～850 hPa間有明顯的東風(fēng)垂直切變(圖9b,黑線)。然而,由后一階段減去前一階段的沃克環(huán)流冬季氣候差值分布(圖8b)可見,在60～120°E范圍內(nèi),對流層出現(xiàn)西風(fēng)異常,而其上空400 hPa以上為東風(fēng)異常。即東風(fēng)垂直切變在后一階段有增強(qiáng)的趨勢。由圖9b中彩色陰影可見,此對流層中東風(fēng)垂直切變的增強(qiáng)區(qū)域主要位于80～140°E,即熱帶東印度洋和海洋性大陸上空。

本文還利用NCEP/NCAR再分析資料分析了緯向風(fēng)垂直切變趨勢(圖略),結(jié)果類似,即夏季,在熱帶印度洋區(qū)域東風(fēng)垂直切變在對流層低層有減弱的趨勢,而冬季,在熱帶東印度洋和海洋性大陸區(qū)域,東風(fēng)垂直切變在整個對流層中有增強(qiáng)的趨勢。

基于上述分析,本文認(rèn)為:正是熱帶印度洋地區(qū)減弱的東風(fēng)垂直切變使得東傳的Kelvin波增強(qiáng),從而導(dǎo)致BSISO東傳增強(qiáng);而海洋性大陸增強(qiáng)的西風(fēng)垂直切變可能使得東傳的Kelvin波減弱,從而使得東傳的MJO減弱,但是由于位于海洋性大陸地區(qū)的上升運動加強(qiáng),所以MJO的趨勢變化并不顯著。

3結(jié)論

本文利用經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)分解方法,分析了1982—2009年夏季(6—9月)和冬季(12月—次年2月)的OLR場,發(fā)現(xiàn)夏季(BSISO)和冬季(MJO)熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩強(qiáng)度有不同的變化趨勢。分析發(fā)現(xiàn)夏季BSISO指數(shù)呈顯著的增強(qiáng)趨勢,而冬季MJO指數(shù)的趨勢變化不明顯。進(jìn)一步利用波數(shù)—頻率分析方法分析發(fā)現(xiàn):東傳的BSISO在其活動中心,即熱帶印度洋、印度半島、孟加拉灣和中南半島有顯著的增強(qiáng)趨勢;而西傳的BSISO主要位于菲律賓海,且沒有顯著的變化趨勢。對MJO即北半球冬季ISO而言,其活動中心主要位于40～150°E、25°S～15°N區(qū)域;在熱帶印度洋西南部,MJO的東傳具有減弱趨勢。為了揭示BSISO和MJO不同變化趨勢的原因,進(jìn)一步分析了SST和東風(fēng)垂直切變的變化趨勢,發(fā)現(xiàn)1982—2009年,無論是夏季還是冬季,中西太平洋和印度洋的SST都在增暖。但是,夏季熱帶印度洋對流層中低層的東風(fēng)垂直切變減弱,而冬季海洋性大陸上空的東風(fēng)垂直切變增強(qiáng)。熱帶印度洋減弱的東風(fēng)垂直切變有利于東傳的BSISO增強(qiáng)。海洋性大陸地區(qū)加強(qiáng)的東風(fēng)垂直切變有可能削弱東傳的MJO,但是海洋性大陸地區(qū)增強(qiáng)的垂直上升運動有利于MJO增強(qiáng),這與東風(fēng)垂直切變加強(qiáng)不利于東傳MJO增強(qiáng)的效應(yīng)相抵消,使得東傳的MJO趨勢不明顯。

Wang and Xie(1997)的數(shù)值模擬結(jié)果顯示,東風(fēng)切變增強(qiáng)了低層的Rossby波,并北傳到東南亞夏季風(fēng)區(qū)。基于上述研究,本文認(rèn)為:削弱的東風(fēng)垂直切變加強(qiáng)了ISO的東傳,增強(qiáng)的東風(fēng)垂直切變對ISO的東傳影響不大(或者說不利于ISO的東傳)。該結(jié)論尚需利用理想模式作進(jìn)一步驗證。

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(責(zé)任編輯：倪東鴻)

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