隋曉霞,王 啟

(中國海洋大學海洋氣象學系,海洋-大氣相互作用與氣候實驗室,山東青島266100)

北太平洋熱帶輻合帶區(qū)上升運動的季節(jié)和年際變化特征

隋曉霞,王 啟＊＊

(中國海洋大學海洋氣象學系,海洋-大氣相互作用與氣候實驗室,山東青島266100)

本文利用NCEP/NCAR再分析資料研究北太平洋熱帶輻合帶區(qū)上升運動(ITCZω)強度和位置的垂直結構及其季節(jié)和年際變化。結果表明,氣候平均態(tài)下西(東)ITCZω在高(低)層最強,低(高)層最弱,其位置隨高度不變(偏北)。西ITCZω在8月最強,9月位置最北,2月最弱,位置最南;東ITCZω在8、9月最強,9月最北,2、3月最弱,位置最南,但中、高層的ω在11月也很弱。ITCZω強度最強(弱)的時間一般與位置的快速北跳(快速南撤)的時間相對應,并且有位置變化超前強度變化的表現。通過對ω氣候值和異常值的經驗正交函數分解,發(fā)現氣候值EOF第一模態(tài)能很好的反映ITCZω的基本氣候狀態(tài),具有準半年周期,第二模態(tài)反映了ITCZω的季節(jié)變化特征;異常值EOF第一模態(tài)空間場呈現東西反位相的特征,時間序列的功率譜分析最明顯的周期為4.8 a。西ITCZω強度在厄爾尼諾年偏弱,拉尼娜年偏強;東ITCZω位置在厄爾尼諾年偏南,拉尼娜年位置則偏北?？傮w上ENSO事件對東ITCZω位置影響較大,而對西ITCZω強度影響較大。

北太平洋;ITCZ區(qū);上升運動;垂直結構;ENSO

熱帶輻合帶(ITCZ),又稱為赤道輻合帶,是熱帶大氣最明顯和最重要的天氣系統之一,是大氣環(huán)流的重要組成部分,它的移動、變化及強弱對熱帶環(huán)流和天氣變化以及中緯度地區(qū)的旱澇[1-2]和全球大氣環(huán)流的變化都有重要影響。臺風的發(fā)生和發(fā)展[3-6]與ITCZ也有極密切的關系,因此更好地了解ITCZ的變化具有重要的意義。

ITCZ可被定義為熱帶對流帶、氣壓槽和低層風場輻合帶等等[7-9]。ITCZ最初是用風場資料進行研究的。Brooks和Braby[10],Alpert[11-13]從信風的穩(wěn)定性出發(fā),定義:Constancy=100V r/ˉV,其中V r是平均矢量風速,ˉV是平均風速。在熱帶輻合帶中存在風場不連續(xù)帶,因此Constancy的最小值能指示熱帶輻合帶位置,但由于海洋上測站稀少,很難精確地確定;范蕙君[14]用多年月平均云量圖取熱帶海洋上空月平均云量最大區(qū)域來表示熱帶輻合帶的位置,發(fā)現中、東太平洋輻合帶季節(jié)、年際變化都很小,一般穩(wěn)定在5°N～8°N附近,而西太平洋輻合帶則有明顯的季節(jié)變化;蔣尚誠[15]定義30°N～30°S之間OLR<240W/m2區(qū)域內最小值所在的緯度為ITCZ軸所在的位置,以最小OLR的數值表示ITCZ強度而得出全球ITCZ的氣候特征圖。根據OLR資料分析的ITCZ與用最大云量帶所確定的ITCZ相似。Chen[16]等利用衛(wèi)星觀測的日平均的降水資料研究中、西太平洋日平均ITCZ的空間結構特征,根據強降水的覆蓋率定義了日平均ITCZ的6種空間類型,分別為北部型、南部型、弱型、赤道型、雙ITCZ型和整型,并指出北部型和南部型ITCZ具有明顯的季節(jié)變化,弱型ITCZ也存在明顯的季節(jié)變化,且變化規(guī)律與北部型類似,其他3種類型的ITCZ的季節(jié)變化不明顯。Peng[17]等利用垂直速度資料研究ITCZ的季節(jié)性跳躍,文中指出300 hPa上的垂直速度與深對流區(qū)相對應,并且垂直速度最大值所在的緯度可以很好地表征ITCZ的位置。

J.Fernandze和M.A.Estoque[18]把東太平洋-中美洲地區(qū)分為ITCZ區(qū)域、ITCZ北部區(qū)域和ITCZ南部區(qū)域3個部分來研究1979年6月5～8日ITCZ的溫度和濕度的垂直結構。熱帶輻合帶是熱帶上升運動的集中地區(qū),蔣全榮[19]在分析赤道輻合帶的動力學與能量學特征時用垂直速度ω計算得出在ITCZ中幾乎有整層的上升運動,此外范蕙君[20]也用垂直速度ω研究ITCZ的二維垂直環(huán)流結構。ITCZ區(qū)上升運動(下文中簡稱為ITCZω)在不同高度即垂直結構上強度和位置有什么樣的變化特征?本文運用月平均資料對該問題進行了探討,提出了確定ITCZω的指標,并對其季節(jié)與年際變化特征作了初步的統計分析。

1 資料和ITCZω定義

本文選用的資料為NCEP/NCAR再分析數據集中1979—2007年共29 a,850、500和300 hPa共3層月平均的垂直速度場(ω)和u,v風場資料,分辨率為2.5(°)× 2.5(°)。ITCZ是1條對流強的輻合帶,風場的輻合對于東太平洋地區(qū)來說只存在于邊界層,到850 hPa高度上輻合已經不明顯,甚至變成了輻散(見圖1)。但是ω場在東、西太平洋ITCZ區(qū)域從低層到高層都為負值且呈帶狀結構(見圖2),因此本文中利用ω場來研究ITCZω的垂直結構。從圖2可以看出,東、西太平洋ω場的極值中心分別在120°W和160°E附近,因此本文做如下定義:

ITCZω強度的定義:分別取140°E～170°E,0°N～ 30°N和140°W～90°W,0°N～15°N范圍內<-0.02 hPa/s的ω值與面積乘積之和再除以所選區(qū)域的面積,作為西ITCZω和東ITCZω的強度。

ITCZω位置的定義:西(東)北太平洋140°E～170°E (140°W～90°W)范圍內ω區(qū)域平均最小值所在的緯度作為判定位置的指標。

原數據資料分辨率為2.5(°)×2.5(°),在確定位置時利用插值方法把原始數據的分辨率差成0.25(°)× 0.25(°)。本文中分別用850,500和300 hPa代表對流層低、中和高層。

圖1 北太平洋地區(qū)風場輻散(10-6/s)氣候平均態(tài)分布Fig.1 Distribution of wind divergence(10-6/s)in long-term average in the North Pacific

圖2 北太平洋ω(hPa/s)氣候平均態(tài)分布Fig.2 Distribution ofω(hPa/s)in long-term average in the North Pacific

2 ITCZω強度和位置垂直結構的基本特征

2.1 氣候平均態(tài)下強度和位置的基本特征

圖3為東、西ITCZω強度和位置的氣候平均態(tài)的垂直分布圖。從圖中可以看出西ITCZω強度(見圖1a)在高層最強,中層次之,低層最弱;東ITCZω強度在低層最強,中層次之,高層最弱;西ITCZω的位置(見圖1b)在3個高度層上相差不大,高層較中層和低層略偏北,中層和低層位置相同;東ITCZω位置的垂直分布是高層最北,中層次之,低層最南,呈現出從低層到高層向北傾斜的特征。

圖3 東、西ITCZω強度(a)、位置(b)氣候平均態(tài)的垂直分布圖Fig.3 Vertical distribution of ITCZωstrength(a),position(b)in the Western and Eastern Pacific in long-term average

2.2 強度的季節(jié)變化特征

圖4a為西ITCZω強度季節(jié)變化垂直分布圖(圖中所示數值為強度的絕對值)。同氣候平均態(tài)下強度的垂直分布特征相同,1年中12個月都是低層弱,高層強。各層強度都是8月份最強,2月最弱。

東ITCZω強度的季節(jié)變化規(guī)律(見圖4c)是低層3月最弱,8月最強,中層2月最弱,9月最強,高層上則分別是在3月和9月。特別應該注意到中、高層的ω強度在11月還有另一個較弱期,反映了準半年周期特性。垂直結構變化整體上來說是高層最弱,低層最強。

圖4 西太平洋ITCZω強度絕對值(a)、位置(b)及東太平洋ITCZω強度絕對值(c)、位置(d)季節(jié)變化的垂直分布Fig.4 Vertical distribution of ITCZωstrength absolute value (a,c),position(b,d)in the Western(Eastern)Pacific

2.3 位置的季節(jié)變化特征

西ITCZω位置(見圖4b)在3個高度層上都是2月最南,與強度最弱的月份一致,9月位置最北,比強度最強的月份滯后1個月。從圖中還可以看出,2,8和9月低層偏南,其它月份隨高度變化不大。應該特別關注中、高層在7～8月有快速北跳,正對應8月的強度最強,低層則是8～9月快速北跳。而對應2月的最弱,是各層11～12月的快速南撤。

東ITCZω位置(見圖4d)在高層3月份最南,中層3和4月最南,而低層2和3月最南,各層位置都是在9月達最北。也應該注意到各層在7～8月有快速北跳的特點,與8月的強度最強相對應。對應2,3月的最弱,是各層1～2月的快速南撤。而與中、高層的ω強度在11月還有另1個較弱期相對應,東ITCZω的中、高層位置在10～11月也有1次快速南撤的表現。綜上,ITCZω強度最強(弱)的時間一般與位置的快速北跳(快速南撤)的時間相對應,并且有位置變化超前強度變化的表現。

3 ω場的EOF分析

為驗證將ITCZω分為東、西2部分的合理性,本文對ω場進行了EOF分析。在采用EOF分析計算時,資料矩陣分別采用氣候值和異常值。

3.1 氣候值的EOF分析

對流層低層、中層、高層ω場氣候值EOF分析的前2個特征向量場的累積方差貢獻分別為89%, 89.6%,88.7%,其余各空間向量場的方差貢獻較小,不列入本文的分析范圍。第一特征向量的方差貢獻分別為72.2%,71.4%,67.5%,故該情況下的第一模態(tài)基本上能反映了要素的基本氣候狀態(tài),即為基本場或平均場。圖5a,b,c分別為850,500,300 hPaω氣候數據EOF分析的第一特征向量場。從對流層低層到高層ITCZω都呈現為負值的帶狀結構,與氣候平均態(tài)下的分布型相同,東、西太平洋ω的中心分別位于100°W和160°E附近。對應的時間系數(見圖5d-f)均為正值,呈雙峰雙谷型周期為準半年的變化,低層是2和9月較弱,6和12月較強,中、高層是2和10月較弱,7和12月較強。綜合第一特征向量場和時間系數可看出:3個高度層上的ω年變化幅度均不大。0.5 a周期的表現可能與太陽1年2次越過赤道有關。

圖5 ω氣候值EOF分析的第一特征向量場及其對應的時間序列Fig.5 The first EOF mode and time series ofωclimatic data

氣候值EOF分析的第二特征向量的方差貢獻從低層到高層分別為16.8%,18.2%,21.2%,空間場如圖6a、b、c所示。第二模態(tài)的空間場反映了ITCZω位置的季節(jié)變化特征,呈現南北反相變化的特點。時間系數(圖6d～f)具有1 a的周期變化,結合時間系數可以看出,在3個高度層上冬、春季節(jié)時間系數都為正值,低層和中層最大正值出現在2月,高層滯后1個月,出現在3月;夏、秋季節(jié)則為負值,3個層上最大負值都出現于9月,即冬、春季節(jié)ω位置偏南,低層和高層2月位置最南,高層3月最南;而夏、秋季節(jié)則正好相反,ω位置偏北,9月位置最北,即在低層和中層(高層)從2(3)月到9月ω位置逐漸北移,到9月位置達最北,從9月到翌年2(3)月ω位置有逐漸南移,到2(3)月位置達最南。

3.2 異常值的EOF分析

圖7為ω異常值EOF分析第一模態(tài)的空間場和時間序列。EOF分析第一特征向量的方差貢獻從低層到高層分別為12.5%,10.9%,10.3%,中、高層空間場存在東西2個符號相反的上升運動活動區(qū)域,中心分別位于中東太平洋赤道地區(qū)以及西太平洋130°E附近地區(qū),類似于拉尼娜期間海表溫度距平分布;第一模態(tài)時間系數與Nino3指數比較,具有明顯的反位相關系,同期相關系數分別為-0.79,-0.69,都通過了信度為0.001的可靠性檢驗,反映出ENSO循環(huán)暖(冷)位相時,中東太平洋海溫偏高(低),ω增強(減弱)。第一模態(tài)的時間序列進行功率譜分析,中、高層最明顯的是4.8 a的周期(見圖8b,c)。低層空間場與中、高層分布不同,呈現南北反相變化的特征,但是時間系數與中、高層有類似的變化趨勢并且與Nino3指數同期相關系數達到-0.64,因此有可能是太平洋上盛行季風,在大氣之中年內變化顯示的很強烈,低層ω也會隨之出現明顯的年內變化,強烈的年內變化掩蓋了長周期變化。為了突出年際變化,將低層第一模態(tài)時間序列進行濾波,濾掉1 a以下的周期,然后再對時間系數進行功率譜分析,結果如圖8d所示。結果顯示,經過濾波的時間系數最明顯的周期為4.8 a,同中、高層最明顯的變化周期相同。

圖6 ω氣候值EOF分析的第二特征向量場及其對應的時間序列Fig.6 The second EOF mode and time series ofωclimatic observation data

圖7 ω異常值EOF分析的第一特征向量場及其對應的時間序列Fig.7 The first EOF mode and time series ofωanomaly data

圖8 ω異常值EOF分析的第一特征向量場對應的時間序列的功率譜分析Fig.8 Power spectrum of the time series for the first mode ofωanomaly data

4 ITCZω強度和位置的年際變化及其與ENSO的關系

西ITCZω強度(見圖9)在大多數厄爾尼諾年偏弱,拉尼娜年偏強。東ITCZω位置在大多數厄爾尼諾年從對流層低層到高層都偏南,在強厄爾尼諾年表現的尤為明顯,如1982—1983年和1997—1998年;在拉尼娜年位置則偏北。對流層低層到高層從2000年以后ITCZω位置有明顯的向赤道偏移的趨勢(見圖10)。東ITCZω強度和西ITCZω位置的變化沒有前面二者的明顯,2000年以后東ITCZω強度明顯增強,尤其是在對流層低層表現的更為顯著,與已有研究得到的140°W～90°W范圍內ITCZ的強度在逐漸增強相似[21]。

為了更明確地看出ENSO對ITCZω強度和位置的影響,Nino3指數與東、西ITCZω強度和位置異常的時間序列分別作同期以及超前滯后相關。圖11為Nino3指數與東ITCZω位置異常時間序列的時滯相關。對流層低層和中層相關系數的極值都出現在Nino3指數超前東ITCZω位置異常1個月(最大相關系數分別為-0.57,-0.74),而在對流層高層Nino3指數超前東ITCZω位置異常2個月(-0.58)時達到最大負相關。海溫正異常(厄爾尼諾事件)時東ITCZω位置偏南,海溫負異常(拉尼娜事件)則相反。Nino3指數與西ITCZω位置異常時間序列的相關(圖略)在低層只在Nino3指數超前西ITCZω位置異常4個月時過0.01的信度檢驗,相關系數為-0.16,中層都沒有過0.01的信度檢驗,高層在Nino3指數超前西ITCZω位置異常1～5個月時過信度檢驗,相關系數的極值出現在Nino3指數超前西ITCZω位置異常2個月時(-0.19)。

圖9 西(東)ITCZω強度異常隨時間的變化Fig.9 Anomalous ITCZωintensity in the Western(Eastern)Pacific

圖10 西(東)ITCZω位置異常隨時間的變化Fig.10 Anomalous ITCZωposition in the Western(Eastern)Pacific

圖11 Nino3指數與850 hPa(a)、500 hPa(b)、300 hPa(c)東ITCZω位置異常時間序列的時滯相關Fig.11 Lag correlation coefficient between Nino3 index nd anomalous position of ITCZωin the Eastern Pacific(a) for 850 hPa,(b)for 500 hPa,(c)for 300 hPa

圖12 為Nino3指數與西ITCZω強度異常時間序列超前、滯后的時滯相關。Nino3指數與低層和中、高層西ITCZω強度異常時間序列的時滯相關呈現不同的特點。在低層Nino3指數滯后西ITCZω強度異常6個月時達到負相關系數的極值(-0.42),Nino3指數超前西ITCZω強度異常7個月時達到正相關系數的極值(0.19)。中層和高層正相關系數的極值分別出現在Nino3指數超前4個月和3個月(最大相關系數分別為0.44,0.38),即厄爾尼諾年時西ITCZω強度減弱,拉尼娜年時則為增強。中層在Nino3指數滯后西ITCZω強度異常9和10個月時負相關系數通過了0.01的信度檢驗,負相關系數分別為-0.15,-0.148。高層在Nino3指數滯后西ITCZω強度異常8個月時達到負相關系數的極值(-0.22)。圖13為Nino3指數與東ITCZω強度異常時間序列的時滯相關。中層相關系數的極值出現在Nino3指數超前東ITCZω強度異常1個月時(-0.20);低層相關系數的極值出現在Nino3指數滯后東ITCZω強度異常4個月時(0.19),高層上都沒有過0.01的信度檢驗。所以總體上ENSO事件對東ITCZω位置影響較大,而對西ITCZω強度影響較大。

圖12 Nino3指數與850 hPa(a)、500 hPa(b)、300 hPa(c)西ITCZω強度異常時間序列的時滯相關Fig.12 Lag correlation coefficient between Nino3 index and anomalous intensity of ITCZωin the Western Pacific (a)for 850 hPa,(b)for 500 hPa,(c)for 300 hPa

圖13 Nino3指數與850 hPa(a)、500 hPa(b)東ITCZω強度異常時間序列的時滯相關Fig.13 Lag correlation coefficient between Nino3 index and anomalous intensity of ITCZωin the Eastern Pacific (a)for 850hPa,(b)for 500 hPa

5 結論

本文用ω場定義了3個高度層上ITCZω強度以及位置指數,研究了其氣候平均態(tài)、季節(jié)以及年際變化規(guī)律,并對ITCZω強度和位置與ENSO間的關系作了初步的統計分析,得出了以下結論:

(1)氣候平均態(tài)下西(東)ITCZω強度在高(低)層最強,低(高)層最弱;西ITCZω在8月最強,9月位置最北,2月最弱,位置最南;東ITCZω在8,9月最強,9月最北,2,3月最弱,位置最南,但中、高層的ITCZω強度在11月也很弱。ITCZω強度最強(弱)的時間一般與位置的快速北跳(快速南撤)的時間相對應,并且有位置變化超前強度變化的表現。

(2)氣候值EOF第一模態(tài)能很好的反映ITCZω的基本氣候狀態(tài),具有準0.5 a周期;第二模態(tài)反映了ITCZω位置的季節(jié)變化特征,具有1 a周期;異常值EOF第一模態(tài)空間場呈現東西反位相的特征,時間序列的功率譜分析最明顯的周期為4.8 a。

(3)西ITCZω強度在厄爾尼諾年偏弱,拉尼娜年偏強。東ITCZω位置在厄爾尼諾年偏南,拉尼娜年位置則偏北。ENSO對東ITCZω位置和西ITCZω強度的影響要大于對東ITCZω強度和西ITCZω位置的影響。東ITCZω位置異常與Nino3指數的相關系數在對流層低層、中層和高層分別于Nino3指數超前東ITCZω位置異常1個月,1個月和2個月時達到極值;西ITCZω強度異常與Nino3指數的相關系數在對流層低層、中層和高層分別于Nino3指數滯后西ITCZω強度異常6個月、超前4個月和超前3個月時達到極值。

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Abstract: The omega data and sea surface wind data from NCEP/NCAR reanalysis data during 1979 to 2007 were used to investigate the vertical distribution characters of ITCZωintensity and the position in the North Pacific and their seasonal and interannual features.The results show that in long-term average the strongest intensity of ITCZωin the Western(Eastern)Pacific is on the top(bottom)of troposphere and the weakest one is on the bottom(top).The most northern position in the Western Pacific is almost the same as each other on three levels.In the eastern Pacific the most northern(southern)position is on the top(bottom).The strongest intensity in the Western(Eastern)Pacific is in August(August and September)and the most northern position is in September.The weakest intensity and the most southern position are in February(February and March).In the Eastern Pacific the intensity is also weaker in November.The time that ITCZωintensity reaches to the strongest(weakest)corresponds to the rapid northward (southward)shift of position.When the position is more northern(southern),the intensity is stronger (weaker).And there are changes in position ahead of that in intensity.By Empirical Orthogonal Function analyses(EOF)for climatic data and anomaly data,it is found that the first mode of climate data is the basic meteorological state of ascending motion with quasi-semiannual cycle and the second mode is the seasonal position fluctuation of ITCZω.The first mode of anomaly data is east-west dipole mode and in an 4.8-year cycle by spectrum analysis of the time series.The intensity of ITCZωin the Western Pacific is weaker (stronger)in Elnino(Lanina)years.The position of ITCZωin the Eastern Pacific is more southern (northern)than normal years in Elnino(Lanina)years.In general,ENSO has great influence on the position in the Eastern Pacific and the intensity in the western Pacific.

Key words: the North Pacific;ITCZ;ascending motion;vertical structure;ENSO

責任編輯 龐 旻

The Seasonal and Interannual Features of Ascending Motion Intensity and Position in the Intertropical Convergence Zone in the North Pacific

SUI Xiao-Xia,WAN G Qi
(Atmosphere-Ocean Interaction and Climate Laboratory(OAC),Department of Meteorology,Ocean University of China, Qingdao 266100,China)

P732.3

A

1672-5174(2011)04-019-09

國家自然科學基金項目(40876004,40890150/D0601);國家基礎科學研究項目(2007CB411801,2005CB422301)資助

2010-04-20;

2010-05-06

隋曉霞(1984-),女,碩士生。E-mail:sxxyahu@163.com

E-mail:wangqi@ouc.edu.cn