李張瑞， 余錦華??， 李青青， 紀 源

(1.南京信息工程大學大氣科學學院， 江蘇 南京 210044； 2.南京信息工程大學大氣物理學院， 江蘇 南京 210044)

經(jīng)向熱量輸送(Meridional heat transport，MHT)是氣候系統(tǒng)能量平衡的重要過程，包括大氣(Atmospheric heat transport，AHT)和海洋(Ocean heat transport，OHT)兩部分，AHT約占70%[1]。增暖的經(jīng)向不均勻性會引起AHT發(fā)生變化，這又會反作用于全球增暖[2-3]。因此，在全球增暖背景下研究AHT氣候變化特征具有較為重要的意義。

AHT可分解為干靜力能(Dry static energy，DSE)和潛熱能(Latent heat energy，LE)的輸送(見圖 1)，兩者又合稱濕靜力能(Moist static energy，MSE)、DSE涵蓋位能(Potential energy，PE)和感熱(Sensible heat energy，SE)。從年平均角度出發(fā)，MSE向兩極的輸送大致位于5°N南北對稱，輸送最大值位于40°N/S附近[1]，其對總熱量輸送的貢獻存在明顯的半球差異[4-5]。DSE的對稱中心同樣位于5°N附近，輸送最大值位于15°N/S附近，45°N附近存在一個極大值。LE的輸送在熱帶和熱帶外分別主要由Hadley環(huán)流和渦旋運動承擔，在熱帶向赤道輻合、熱帶外向兩極輻散，其在中緯攜帶的水汽在全球熱量平衡中具有重要作用，這是因為濕空氣在運輸熱量方面的效率約為干空氣的100倍，1 kg水汽降溫10 ℃可釋放2.5×106J的熱量，同質量的空氣只能釋放4.2×104J[6]。從6—8月和12—2月平均角度出發(fā)，Hadley環(huán)流上升支在6—8月偏離赤道幅度比12—2月更大，表現(xiàn)為MSE對稱中心在6—8月更加偏離赤道[7]。從夏半球(6—8月的北半球和12—2月的南半球)指向冬半球(6—8月的南半球和12—2月的北半球)的越赤道PE凈通量和SE疊加，形成指向冬半球的DSE凈通量[8]。DSE和LE的共同作用使MSE在平均經(jīng)圈環(huán)流影響下，從夏半球熱帶輸送到冬半球副熱帶[7]。

全球增暖和Hadley環(huán)流與AHT之間存在較為密切的聯(lián)系。Alexeev等[9]在幾種接近當今氣候的模擬中對AHT的重要性進行評估，發(fā)現(xiàn)AHT在形成均勻強迫力的平衡增暖中不起作用，但AHT的反饋作用在塑造氣候調整至新平衡的軌跡方面發(fā)揮了重要作用。Budzianowski[10]進行的全球增暖動力學行為瞬態(tài)模擬分析表明，對流熱量輸送是造成地球氣候對大氣溫室氣體的熱響應存在時間延遲的因素之一。姚杰等[11]通過耦合氣候模式CESM的高原地形敏感性實驗發(fā)現(xiàn)，去掉高原會使北半球向北O(jiān)HT減弱，這會增強北半球經(jīng)向溫度梯度，導致Hadley環(huán)流增強，從而加強中低緯向北AHT，部分補償向北減弱的OHT，維持北半球中低緯能量平衡。Yang等[12]發(fā)現(xiàn)，除去全球表面風會使風驅動環(huán)流和溫鹽環(huán)流顯著減弱，導致向極OHT顯著減弱，赤道海表溫度做出響應，進而使Hadley環(huán)流增強并向赤道移動，這增強了向極AHT，從而補償向極減弱的OHT。Trenberth等[13]利用NCAR再分析資料發(fā)現(xiàn)，熱帶Hadley環(huán)流低層支將水汽向熱帶輻合帶(Intertropical convergence zone，ITCZ)輸送，而驅動Hadley環(huán)流的重要因子之一是Hadley環(huán)流上升支釋放的潛熱和水汽從副熱帶源地向ITCZ輻合，環(huán)流越強，水汽向ITCZ輻合越強，進而LE輸送增強。Heaviside等[14]利用ERA40再分析資料研究低緯向極地AHT機制，發(fā)現(xiàn)深厚的Hadley環(huán)流出現(xiàn)在對流頻繁的地區(qū)，這是AHT主要由軸對稱運動或“Hadley cell heat transport”控制的重要原因。

圖 1 AHT分解示意Fig.1 The schematic diagram of AHT decomposition

近幾十年AHT存在明顯變化。Michaud等[7]利用ECMWF分析資料發(fā)現(xiàn)熱帶MSE輸送顯著增強。Yang等[12]發(fā)現(xiàn)熱帶輻合帶(ITCZ)南移導致通過大西洋上空向北越赤道AHT減弱，通過太平洋上空向北AHT增強。Trenberth等[15]利用垂直積分資料發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾-南方濤動(El Nino-Southern Oscillation，ENSO)、太平洋-北美遙相關、北大西洋濤動是AHT表現(xiàn)出明顯區(qū)域性月際差異的原因。此外，AHT在低緯受Hadley環(huán)流主導[1]，并且Hadley環(huán)流邊界正在向兩極擴張[16-17]，這會使赤道濕潤副熱帶干燥的分布形態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生較大改變[18]。Nicholas等[16]根據(jù)CMIP5和再分析資料檢驗不同標準估計的熱帶擴張速率，發(fā)現(xiàn)只有基于Hadley環(huán)流才可得到明顯的熱帶擴張。Davis等[17]利用再分析資料和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)基于平均經(jīng)圈流函數(shù)的Hadley環(huán)流每10年有0.5°～1.5°的擴張，并且半球和季節(jié)差異明顯。

全球增暖和Hadley環(huán)流對AHT的影響程度有待被進一步研究。本文基于ERA5月平均資料，嘗試從熱量輸送分量對總體的貢獻，以及不同季度對年平均的貢獻這兩個角度揭示AHT的氣候變化特征；采用可得到因果關系的信息流方法，在低緯主要分析AHT和Hadley環(huán)流的反饋關系，在溫度梯度較大的中緯和高緯分析AHT對全球增暖的響應程度，嘗試得到全球增暖和Hadley環(huán)流與AHT氣候變化特征的具體聯(lián)系。

1 資料和方法

1.1 資料

1979—2019年ERA5月平均經(jīng)向通量(包括總能量、動能、位能、感熱能和水汽)，以及氣溫和經(jīng)向風速，氣候態(tài)取1981—2010年。本文中Annual為年平均，MAM為3—5月，JJA為6—8月，SON為9—11月，DJF為12—2月，NH為北半球，SH為南半球。

1.2 熱量輸送的計算

MSE為三項之和，

CpT+gz+Lvr。

(1)

式中：前兩項依次為SE和PE，相加為DSE；第三項為LE。Cp為定壓比熱；T為絕對溫度；g為重力加速度；z為高于某個參考面的高度；Lv為汽化潛熱；r為空氣中水蒸氣的混合比。

1.3 質量流函數(shù)疊加方案[19]

為定量且直觀地描述Hadley環(huán)流，引進質量流函數(shù)ψ[20-21]，添加上邊界0 hPa，下邊界1 030 hPa，分兩步計算ψ。

計算ψ↑、ψ↓。從下邊界k=0處向上積分，求得ψ↑(k)：

(2)

式中N為風速資料層數(shù)。從上邊界k=N+1處向下積分，求得ψ↓(k)：

(3)

(4)

為第k′、k′-1層等壓面間平均向極質量輸送強度；φ為緯度；a為地球半徑；g為重力加速度；“[ ]”表示緯向平均。

(3)隨著消費者對再制造產(chǎn)品認知程度的增加，再制造產(chǎn)品需求增加。當θ從0.8增至0.9時，再制造產(chǎn)品需求增加量最大，變化最為明顯。

Δp(k′,k′-1)=p(k′-1)-p(k′)

(5)

為k′、k′-1層等壓面間氣壓差。

以W1、W2為權重，利用ψ↑、ψ↓計算疊加值ψ(k)：

ψ(k)=W1(k)ψ↑+W2(k)ψ↓,(k=1,2,…,N)。

(6)

該方案實質是從質量平衡出發(fā)，使子午面上[v]引起的穿越等φ線向北的質量輸送凈值為0。該方案的明顯特征為：僅用經(jīng)向風便可求取ψ，采用線性權重疊加法使計算明顯簡化。本文將ψ在500 hPa的零值對應緯度作為Hadley環(huán)流邊界[22]，ψ在500 hPa的最大值代表Hadley環(huán)流強度中心值。

1.4 Liang-Kleeman信息流方法[23-24]

在線性模型假設下，設有兩個時間序列X1及X2，從X2到X1的信息流速率的最大似然估計

(7)

利用z檢驗判斷|T2→1|是否顯著區(qū)別于0，進而衡量因果關系。若顯著區(qū)別于0，則X2是X1的因；若|T2→1|和|T1→2|均顯著區(qū)別于0且顯著性水平相同，則互為因果。理論上，式(7)分母可以為零，此時兩序列完全線性相關，相關系數(shù)為1或-1，而實際大氣運動是非線性的，故不存在這種特殊情況。與超前滯后相關的區(qū)別在于，信息流可區(qū)分相關分析的方向性。

2 AHT氣候態(tài)及其線性趨勢

年平均而言，濕靜力能、干靜力能和潛熱輸送的對稱中心均位于5°N附近(見圖 2(a)(b)(c))。南半球輸送強度普遍大于北半球。濕靜力能輸送最大值位于45°N/S附近，約為5 PW(1 PW=1015W)，與文獻[1]接近；干靜力能輸送在15°N/S和45°N/S附近各有一個極大值，潛熱輸送自南北半球副熱帶的輻散中心向赤道和極地輸送。6—8月和12—2月平均氣候態(tài)差異明顯，濕靜力能輸送在中緯的極大值冬季大于夏季，北半球差異更大；LEJJA和LEDJF在熱帶的差異與Hadley環(huán)流季節(jié)性移動有關，表現(xiàn)為在熱帶LEJJA向北半球輸送，而LEDJF向南半球輸送，水汽主要集中在低緯使得LEJJA和LEDJF的極大值位于赤道附近，在熱帶外兩者差異較小。

圖 2(d)(e)(f)反映了與圖 2(a)(b)(c)對應的線性趨勢。MSEAnnual在30°N附近向北輸送減弱，10°N—25°S向北(南)輸送增強(減弱)，45°S—65°S向南輸送增強；MSEJJA在15°N—65°N向北輸送減弱，35°S—60°S向南輸送增強；MSEDJF在5°N—40°S向北(南)輸送增強(減弱)。將年平均與6—8月和12—2月平均進行對比，MSEAnnual線性趨勢在低緯與MSEDJF更接近，30°N附近和南半球中高緯與MSEJJA更接近，表明在偏南半球的低緯，對年平均線性趨勢的主要貢獻時段為12—2月，在北半球副熱帶和南半球中高緯則以6—8月的貢獻為主。

分析圖 2(b)(e)得到，DSEAnnual在25°N—45°N向北輸送減弱，DSEJJA和DSEDJF變化顯著的區(qū)域位于夏半球熱帶至中高緯，以及冬半球熱帶至副熱帶。DSEJJA在10°N—65°N附近向南(北)輸送增強(減弱)，5°S—30°S向南輸送增強；DSEDJF在10°N—20°N向北輸送增強，10°S—55°S向北(南)輸送增強(減弱)；整體表現(xiàn)為指向冬半球的干靜力能凈通量增加。對比6—8月和12—2月，25N°—45°N冬季對DSEAnnual線性趨勢的貢獻在強度上比夏季強，而夏季的貢獻在范圍上比冬季廣，其他緯度冬夏季貢獻相當；DSEJJA和DSEDJF在輻散中心附近的變化使輻散中心表現(xiàn)出向兩極移動的趨勢。

潛熱輸送線性趨勢顯著的區(qū)域位于LE氣候態(tài)極值附近(見圖2(c)(f))。LEAnnual在30°N—50°N和5°N—25°S向北輸送增強，35°S—60°S向南輸送增強，表明LEAnnual從副熱帶向兩極輻散增強；LEJJA在5°S—25°S向北輸送增強，35°S—60°S向南輸送增強；LEDJF在南北半球中緯向極輸送增強，10°N—20°N向赤道輻合增強。對比6—8月和12—2月，年平均線性趨勢在南半球低緯與6—8月的線性趨勢更接近，在中緯與6—8月和12—2月均相近，在北半球中緯與12—2月更接近，表明在北半球中緯和南半球低緯，對LEAnnual線性趨勢的主要貢獻時段為兩半球的冬季，在南半球中緯冬夏季對年平均的貢獻相當；LEAnnual和LEJJA在25°S附近線性趨勢大于零，使南半球年平均和6—8月的副熱帶輻散中心表現(xiàn)出南移趨勢。

根據(jù)不同緯度潛熱和干靜力能輸送的線性趨勢，分析兩者對濕靜力能輸送變化的貢獻差異。和干靜力能輸送相比，MSEAnnual在30°N附近線性趨勢的絕對值和顯著范圍均減小，10°N—25°S線性趨勢由干靜力能輸送的負值轉為增加潛熱輸送后的正值，且趨勢由不顯著變?yōu)轱@著，45°S—65°S線性趨勢則由正轉負且趨勢變?yōu)轱@著，表明在偏南半球的低緯，對年平均濕靜力能輸送線性趨勢的主要貢獻量為潛熱輸送。MSE線性趨勢在兩半球夏季的顯著區(qū)域與DSE更接近，在南半球冬季中緯與潛熱輸送更接近，因此夏半球低緯至中高緯對濕靜力能輸送線性趨勢的主要貢獻量為干靜力能輸送，在南半球冬季中緯則以潛熱輸送貢獻為主。干靜力能輸送和潛熱輸送分別在冬季的10°N—20°N和5°S—30°S合并為MSE，變化趨勢轉為不顯著，表明在該區(qū)域兩者對濕靜力能輸送變化的貢獻相當。

結合圖 2(a)(d)發(fā)現(xiàn)，MSEAnnual在北半球低緯的輻散中心表現(xiàn)出向赤道靠近的趨勢，這與文獻[12]一致。本文還得到6—8月和12—2月的MSE輻散中心有向兩極移動的趨勢，其中對年平均的貢獻以12—2月為主。已知AHT在赤道附近輻合(輻散)的位置由ITCZ決定[1]，該位置被稱為“氣象赤道”(Meteorology Equator)[7]，MSE的輻散中心可作為ITCZ的平均位置。最新研究表明，ITCZ在東非和印度洋向北移動，在東太平洋和大西洋向南移動，導致熱帶雨帶在東(西)半球部分地區(qū)向北(南)移動，這種移動的區(qū)域不均勻性將對全球水資源和糧食生產(chǎn)造成連鎖影響并波及數(shù)十億人口[26]。

((a)、(b)和(c)為氣候態(tài)，大于0表示向北輸送。(d)、(e)和(f)為線性趨勢，大于0表示向北輸送增強(或向南輸送減弱)。加粗的位置通過顯著性水平5%的顯著性檢驗。(a), (b) and (c) are climate states, with values greater than 0 indicating northward transport. (d), (e) and (f) are climate tendency rates. Values greater than 0 showing enhanced northward transport or weakened southward transport. Bold curves indicate the results pass the significance t-test at the 5% confidence level.)

3 全球增暖對AHT的影響

大氣平均溫度(T)指向感熱、干靜力能和濕靜力能輸送的信息流顯示(見表 1)，回歸系數(shù)均為負，表明升溫導致感熱、干靜力能和濕靜力能輸送向極輸送減弱(或向低緯輸送增強)。上一節(jié)得到潛熱能的輻散中心有向兩極移動的趨勢(見圖 2(c)(f))，而T指向潛熱輸送的信息流在年平均、6—8月和12—2月平均各有一個區(qū)域恰好位于潛熱輸送輻散中心附近，并且回歸系數(shù)為負，因此是升溫導致潛熱輸送輻散中心向兩極移動。從表 1也可得到潛熱輸送對增暖的響應還表現(xiàn)為向極輸送增強。氣溫梯度(-T)指向潛熱、感熱、干靜力能和濕靜力能輸送的信息流顯示，回歸系數(shù)在大多數(shù)顯著范圍為正值，表明-T減小導致熱量向極輸送減弱。文獻[3]指出，全球增暖背景下大西洋經(jīng)向翻轉環(huán)流強度減弱導致向極大氣和海洋總熱量輸送減弱，根據(jù)表 1得到北半球冬季中高緯-T減小導致干靜力能和濕靜力能輸送向極輸送增強，為保持總輸送守恒，推測向極OHT減少，這與文獻[3]一致。

根據(jù)表 1分析，PE、LE對AHT整體反饋作用的影響。在信息流從T指向AHT的區(qū)域，PE和SE相加得到DSE，和SE相比，升溫對DSE的反饋作用在中高緯增強，在低緯減弱。再加入LE得到MSE，升溫對MSE的反饋作用在所有信息流顯著的范圍均減弱，表明低緯和中緯的LE輸送削弱了升溫對AHT的反饋作用。在信息流從-T指向AHT的區(qū)域，-T對SE的影響最明顯，加入PE得到DSE，-T對DSE的反饋作用相比于SE明顯減弱，信息流顯著的范圍也減??；再加入LE得到MSE，-T對MSE的反饋作用和信息流顯著的范圍均增大，這種變化在南半球低緯最明顯，表明LE在低緯至中緯-T對AHT的反饋中起到增強反饋的作用。

表 1 從T和-T到AHT的信息流通過顯著性水平5%的顯著性檢驗的區(qū)域和回歸系數(shù)均值Table 1 Regions of the information flow from T and -T to AHT, which pass the significance t-test at the 5% confidence level and the mean of the regression coefficient

表 1 從T和-T到AHT的信息流通過顯著性水平5%的顯著性檢驗的區(qū)域和回歸系數(shù)均值Table 1 Regions of the information flow from T and -T to AHT, which pass the significance t-test at the 5% confidence level and the mean of the regression coefficient

信息流Information flowT→AHT/(10-1 PW·K-1)-?T→AHT/(105 PW·K-1·m)年平均 Annual6—8月平均 JJA12—2月平均 DJF區(qū)域Region均值Mean區(qū)域Region均值Mean區(qū)域Region均值MeanT→SE22.50°S—34.50°S-2.40321.75°S—27.25°S-4.218——T→LE59.50°N—36.50°N0.60728.00°N—20.00°N2.19224.50°N—17.50°N-0.75820.75°S—27.75°S-0.88518.00°S—28.50°S-2.638.75°S—46.75°S1.3538.00°S—49.75°S0.854T→DSE55.50°N—28.50°N-1.4860.00°N—52.50°N-0.9444.25°N—36.50°N-1.43143.50°N—40.00°N-0.27825.00°N—21.25°N-1.578T→MSE37.25°N—30.50°N-0.6961.50°N—48.25°N-0.2646.50°N—39.25°N-0.741-?T→SE69.75°N—65.25°N2.582——22.00°N—14.75°N16.09325.50°N—16.75°N9.832-?T→LE27.50°S—18.50°S4.177————-?T→DSE10.00°S—14.50°S2.226——70.00°N—47.50°N-1.337-?T→MSE31.00°N—22.00°N1.833——57.75°N—48.25°N-1.01410.25°S—23.75°S3.431

注：正值代表向極輸送增強(或向赤道輸送減弱)。 Positive values indicating increased poleward transport or decreased equatorward transport.

“—”無顯著信息流?！啊眛he information flow is not significant.

4 Hadley環(huán)流和AHT的關系

從圖 2(b)(c)可直觀地得到潛熱在副熱帶的輻散中心和Hadley環(huán)流邊界位置接近，潛熱和干靜力能輸送在低緯的最大值和Hadley環(huán)流強度中心對應的位置接近，因此AHT和Hadley環(huán)流邊界及強度之間存在較為密切的聯(lián)系，對該方面的進一步研究也有助于彌補低緯溫度梯度較小導致利用溫度梯度對低緯AHT變化特征分析的不足。

4.1 Hadley 環(huán)流邊界

大氣經(jīng)向熱量輸送(AHT)各分量在副熱帶的輻合輻散中心和Hadley環(huán)流邊界的年際變化展現(xiàn)在圖 3中，總體而言在南半球的移動趨勢更顯著(見圖 3(b)(d)(f))。其中Hadley環(huán)流邊界、感熱、位能和潛熱的輻合輻散中心在南半球秋季顯著地向南移動(見圖 3(b))，并且向極地方向移動的幅度大于其他半球季節(jié)。在南半球秋冬季，Hadley環(huán)流邊界南移顯著，達到每10年0.418°，比AHT各分量的輻合輻散中心南移幅度更大(見圖 3(b)(f))。

計算Hadley環(huán)流邊界和AHT各分量的輻合輻散中心之間的信息流得到表 2。分析Hadley環(huán)流邊界指向AHT各分量的信息流得到，南半球冬季Hadley環(huán)流邊界南移導致感熱和潛熱輻散中心南移。圖 3個別量雖然沒有顯著的移動趨勢，但其在表 2中存在顯著的信息流，即存在因果關系。如北半球春季Hadley環(huán)流邊界移動導致位能輻合中心移動(見圖 3(a))，北半球秋季Hadley環(huán)流邊界移動導致潛熱輻散中心移動(見圖 3(c))，北半球冬季Hadley環(huán)流邊界移動導致感熱輻散中心移動(見圖 3(e))。AHT各分量指向Hadley環(huán)流邊界的信息流顯示，南半球冬季感熱輻散中心南移導致Hadley環(huán)流邊界南移，顯著性水平達到1%。此外，北半球春季位能輻合中心、南半球冬季感熱輻散中心移動與Hadley環(huán)流邊界移動相互反饋。

(虛線為通過顯著性水平5%的顯著性檢驗的回歸直線。Dashed lines are regression lines that pass the significance t-test at the 5% significance level.)圖 3 AHT在副熱帶的輻合(輻散)中心位置和Hadley環(huán)流邊界的年際變化Fig.3 Time series of locations of the AHT convergence (divergence) center in the subtropics and the boundary of the Hadley cell

4.2 哈德萊Hadley環(huán)流強度

Hadley環(huán)流增強程度在各季節(jié)半球普遍大于AHT，僅在南半球冬季Hadley環(huán)流和位能輸送的增強程度相當(見圖 4(f))。除北半球冬季外，Hadley環(huán)流強度均有顯著變化。其中，南北半球春季(見圖 4(a)(d))和南半球秋冬季(見圖 4(b)(f))哈德萊Hadley環(huán)流增強，南半球春季AHT各分量和哈德萊Hadley環(huán)流強度在南半球春季增強最明顯，其中Hadley環(huán)流增強幅度達到每10年0.533×1010kg·s-1。感熱、位能強度的年際變化與Hadley環(huán)流的年際變化相似，而干靜力能和潛熱輸送的強度幾乎不隨時間變化，表明兩者較為穩(wěn)定并猜測Hadley環(huán)流對其影響較小，這需要根據(jù)表 3具體分析。

結合圖 4和表 3發(fā)現(xiàn)，北半球春秋季環(huán)流強度的變化導致感熱向赤道輻合的強度發(fā)生變化，具體為北半球春季(秋季)Hadley環(huán)流增強(減弱)導致感熱向赤道輻合增強(減弱)。Hadley環(huán)流增強還導致南半球春季位能向副熱帶輻合增強，南半球秋季潛熱向赤道輻合增強。AHT也會導致Hadley環(huán)流強度變化，如北半球春秋季Hadley環(huán)流強度與感熱向赤道輻合的強度變化相互反饋，證實了前段末尾有關圖 4(a)(e)的猜想。南半球春季Hadley環(huán)流強度與潛熱向副熱帶輻合強度的變化相互反饋，其中從潛熱指向Hadley環(huán)流的信息流顯著性水平更高，表明潛熱對哈德萊Hadley環(huán)流強度變化的影響更大。

表 2 從質量流函數(shù)指向AHT輻合輻散中心位置的信息流以及相反方向的信息流(與圖 3對應)Table 2 Information flow from mass stream function to the convergence and divergence center of SE, PE and LE transport and information flow in the opposite direction(Corresponds to Fig.3)

(縱坐標絕對值越大，強度越強。虛線為通過顯著性水平5 %的顯著性檢驗的回歸直線意義同圖 3。由于干靜力能和位能在低緯向兩極輸送而潛熱和感熱向赤道輸送，將感熱和潛熱輸送加負號以便分析。The greater the absolute value of ordinate, the stronger the intensity. The meaning of dashed lines are regression lines that pass the significance t-test at the 5% significance level.consistent with Fig.3. Adding negative signs to SE and LE to facilitate analysis.)

表3 從質量流函數(shù)指向感熱、位能和潛熱輻合輻散最大值的信息流以及相反方向的信息流(與圖 4對應)Table 3 Information flow from mass stream function to the maximum of SE, PE and LE transport and information flow in the opposite direction.(Corresponds to Fig.4)

5 結論

本文基于1979—2019年ERA5月平均資料分析了AHT的氣候變化特征、全球增暖和Hadley環(huán)流對AHT氣候變化特征的影響。與已有研究不同的是，本文從季節(jié)對年平均的貢獻、分量對總體的貢獻這兩個角度討論了AHT氣候變化特征，并采用可以得到因果關系的信息流方法定量描述了AHT對增暖的響應程度、Hadley環(huán)流與AHT的相互作用，主要結論如下。

(1) 從6—8月和12—2月對年平均貢獻的角度來看，對MSEAnnual線性趨勢的貢獻在中緯以6—8月為主，在低緯則以12—2月為主；6—8月北(南)半球中緯向極輸送減弱(增強)，12—2月赤道至南半球副熱帶向極(赤道)輸送減弱(增強)，因此指向冬半球的MSE凈通量有增加的趨勢。DSEJJA和DSEDJF對年平均線性趨勢的貢獻在所有緯度上幾乎相等；夏半球低緯至中緯向極DSE輸送減弱，冬半球低緯向極輸送增強，因此指向冬半球的DSE凈通量有增加的趨勢。在北半球中緯和南半球低緯，對LEAnnual線性趨勢的貢獻以冬季為主，南半球中緯冬夏季貢獻相當；從副熱帶向赤道(極地)的輻合(輻散)在冬半球顯著增強，這些區(qū)域位于氣候態(tài)極值附近。

(2) 從干靜力能和潛熱對濕靜力能變化特征貢獻的角度來看，在偏南半球低緯，對MSEAnnual線性趨勢的貢獻以潛熱為主，在夏半球低緯至中高緯則以干靜力能為主，在冬季南半球中緯主要為潛熱，冬季潛熱和干靜力能在10°N—20°N和5°S—30°S對濕靜力能線性趨勢的貢獻相當。

(3) 表1和圖2(d)(e)(f)通過顯著性檢驗的區(qū)域明顯重疊，表明是經(jīng)向不均勻增暖導致干靜力能和濕靜力能在北半球向極輸送減弱以及潛熱在南北半球向極輻散增強(向赤道輻合減弱)。潛熱在低緯和中緯削弱(增強)了T(-T)對AHT的影響。

(4) 在南半球，除夏季外，感熱和潛熱在副熱帶的輻散中心和Hadley環(huán)流邊界向南移動，秋季最為明顯，環(huán)流邊界比AHT各分量輻合輻散中心的南移趨勢更明顯。南半球冬季，環(huán)流邊界南移導致潛熱在副熱帶的輻散中心南移，感熱在副熱帶的輻散中心南移與環(huán)流邊界南移相互反饋。

(5) 在南半球春秋冬季和北半球春季，感熱向赤道輻合、位能向副熱帶輻散、Hadley環(huán)流均有增強，以南半球春季最明顯，并且環(huán)流強度變化比AHT各分量更明顯。北半球春(秋)季感熱向赤道輻合增強(減弱)與環(huán)流增強(減弱)相互反饋，南半球春季環(huán)流增強導致PE向副熱帶輻合增強，南半球秋季環(huán)流增強導致位能向赤道輻合增強。

致謝：本文第一作者對梁湘三老師、馬紅云老師，葉天、張旭煜、歐立健、戴宇凡、張殷宸、張藍心等師兄師姐對本研究給予的寶貴指導與支持表示誠摯謝意。