譚桂容,耿新,盧明

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熱帶太平洋低層環(huán)流主模態(tài)與東亞大氣環(huán)流的可能聯(lián)系

譚桂容①②*,耿新①②,盧明③

① 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,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 94865部隊(duì)氣象臺,浙江 杭州 310021

2014-05-14收稿，2015-03-10接受

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41475088);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY20120616;GYHY20130628);江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(13KJB170013);江蘇省青藍(lán)工程

利用1958—2001年NCEP/NCAR再分析資料,探討了熱帶太平洋(100°E～60°W,10°S～10°N)10 m風(fēng)場的時空變化特征及其與東亞大氣環(huán)流的可能聯(lián)系。結(jié)果表明:1)熱帶太平洋風(fēng)場異常存在兩種主模態(tài),第一模態(tài)對應(yīng)中西太平洋一致的西(東)風(fēng)異常,關(guān)于赤道呈準(zhǔn)對稱分布,與ENSO(El Nio-Southern Oscillation)暖(冷)位相時風(fēng)場的分布對應(yīng);第二模態(tài)則關(guān)于赤道呈反對稱分布,西北太平洋存在顯著的反氣旋(氣旋)式環(huán)流,中太平洋異常西風(fēng)不再位于赤道上,而是南移到了10°S左右,對應(yīng)ENSO暖(冷)位相向相反位相轉(zhuǎn)換時的風(fēng)場分布特征。2)兩模態(tài)時間系數(shù)的主振蕩周期不同,與ENSO循環(huán)的位相關(guān)系也不同。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)兩模態(tài)呈正(負(fù))位相分布時,貝加爾湖南側(cè)(South to Lake Baikal,SLB)容易發(fā)生持續(xù)的高壓(低壓)異常環(huán)流。3)兩模態(tài)與SLB異常環(huán)流的聯(lián)系途徑不同。第一模態(tài)正位相對應(yīng)熱帶中東太平洋大范圍暖海溫引起的二極型Walker環(huán)流異常,SLB異常高壓不僅能通過東亞沿岸北風(fēng)和南海低槽的作用促進(jìn)第一模態(tài)的前期發(fā)展,還對其后期維持起重要作用。負(fù)位相時,情況相反。該環(huán)流系統(tǒng)既與熱帶中東太平洋大范圍垂直運(yùn)動有關(guān),還與鄰近的中國東南沿海低層異常輻合有關(guān);第二模態(tài)則對應(yīng)熱帶西太平洋及東印度洋為主、大西洋為輔的暖海溫引起的熱帶四極型Walker環(huán)流異常。此時熱帶西太平洋到東印度洋局地偏強(qiáng)的經(jīng)圈Hadley環(huán)流可能是SLB異常環(huán)流維持的主要原因。

熱帶環(huán)流異常大氣環(huán)流異常海氣相互作用貝加爾湖南側(cè)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)

熱帶海洋大氣系統(tǒng)在維持全球海洋和大氣環(huán)流中發(fā)揮重要作用。作為全球海氣相互作用最為劇烈的地區(qū),熱帶太平洋海氣系統(tǒng)及其與中緯度大氣環(huán)流相互作用的研究是大氣科學(xué)的重要課題。

由于赤道附近準(zhǔn)地轉(zhuǎn)關(guān)系不成立,實(shí)際分析中熱帶地區(qū)更多采用風(fēng)場來表征大氣環(huán)流(李崇銀,1984)。熱帶太平洋低層風(fēng)場的作用至關(guān)重要,既可用其估計(jì)大氣對海洋的動力作用(吹流作用),又可借助其變化了解大氣對海洋熱力(感熱、潛熱)作用的響應(yīng)(王盤興等,1991)。Walker(1928)很早就指出熱帶風(fēng)場與海表溫度存在密切聯(lián)系,隨后Bjeknes(1972)給出了描述熱帶海氣系統(tǒng)異常的El Nio-Southern Oscillation(簡稱ENSO)現(xiàn)象的概念,Wyrtki(1975)首次強(qiáng)調(diào)了赤道信風(fēng)異常在ENSO循環(huán)中的作用。此后的研究進(jìn)一步指出熱帶西太平洋西風(fēng)異常出現(xiàn)在中東太平洋海溫增暖之前,且該風(fēng)場異常的東傳與ENSO發(fā)生發(fā)展存在某種內(nèi)在的動力學(xué)聯(lián)系(Rasmusson and Carpenter,1982;傅云飛和黃榮輝,1996;張人禾和黃榮輝,1998;嚴(yán)邦良和張人禾,2002;曾剛等,2015)。研究表明,這種西風(fēng)異常的產(chǎn)生,可能與El Nio上一年冬季東亞頻繁的寒潮活動有關(guān)(Li,1990;普業(yè)等,2006),也可能是南北半球大氣相互作用的結(jié)果(阮均石,1998)。Zheng et al.(2014)通過對觀測資料和數(shù)值試驗(yàn)的綜合研究發(fā)現(xiàn),熱帶西太平洋西風(fēng)爆發(fā)與東亞冬季風(fēng)和澳大利亞夏季風(fēng)一致偏強(qiáng)有密切聯(lián)系,東亞冬季風(fēng)異?？赡苁呛笃贓NSO發(fā)生發(fā)展的重要原因之一。

ENSO發(fā)生以后,異常信號最先反映到熱帶低層大氣環(huán)流場上,然后再通過大氣遙相關(guān)影響熱帶外地區(qū)。El Nio事件能夠在熱帶大氣強(qiáng)迫出有利于熱帶西太平洋和我國南海地區(qū)出現(xiàn)反氣旋性環(huán)流異常的熱力結(jié)構(gòu),再通過準(zhǔn)定常行星波的傳播導(dǎo)致東亞中高緯地區(qū)發(fā)生環(huán)流異常(Zhang et al.,1996;Wang et al.,2000),且不同階段的ENSO事件對應(yīng)的熱帶環(huán)流異常不同,對東亞大氣環(huán)流的影響也不同(Huang and Wu,1989;倪東鴻和孫照渤,2000;金祖輝和陶詩言,1999;何溪澄等,2008)。近期研究發(fā)現(xiàn)熱帶太平洋低層風(fēng)場第二模態(tài)是海溫年循環(huán)與ENSO非線性相互作用產(chǎn)生的組合模態(tài)(Stuecker et al.,2013),其不僅能導(dǎo)致強(qiáng)El Nio事件迅速衰減(Mcgregor et al.,2012,2013),還是形成西北太平洋反氣旋,即ENSO影響東亞大氣環(huán)流和天氣氣候的關(guān)鍵(Zhang et al.,2015)。熱帶大氣環(huán)流的中間調(diào)整也是ENSO影響東亞天氣氣候的必經(jīng)之路。也就是說,在ENSO與熱帶外東亞季風(fēng)環(huán)流的相互作用過程中,熱帶大氣環(huán)流的調(diào)整發(fā)揮著很關(guān)鍵的中間橋梁作用。

基于熱帶風(fēng)場在ENSO與東亞季風(fēng)的年際相互作用過程中的紐帶作用,本文擬從熱帶太平洋月平均低層環(huán)流異常主模態(tài)及其變異角度分析其與東亞大氣環(huán)流的關(guān)系,進(jìn)一步探討熱帶太平洋海氣系統(tǒng)的時空變化特征及其與東亞大氣環(huán)流的可能聯(lián)系。

1　資料和方法

1.1資料

1)美國國家環(huán)境預(yù)測中心/國家大氣環(huán)境中心(NCEP/NCAR)整理的1958—2001年全球再分析月平均風(fēng)場和位勢高度場資料,分辨率為2.5°×2.5°;

2)美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)重建的1958—2001年全球月平均海陸降水距平資料(PREC),分辨率為2.5°×2.5°;

3)NOAA拓展重構(gòu)的1958—2001年全球月平均海表溫度資料,分辨率為2°×2°;

以下均為對去除季節(jié)變化之后的距平資料進(jìn)行分析。

1.2方法

主要采用組合變量經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(MutiVariate EOF,MV-EOF)分解、線性相關(guān)、線性回歸、Morlet小波等分析方法,在此對組合變量經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(MV-EOF)分解方法作簡要介紹:若資料有m個空間點(diǎn),n個時間點(diǎn),根據(jù)風(fēng)場的MV-EOF分析方法(王盤興,1981),首先將所有格點(diǎn)上U、V合并起來,組成資料矩陣2mXn,2mXn中前m行是n個時間點(diǎn)上m個格點(diǎn)的東西風(fēng),后m行對應(yīng)南北風(fēng);然后按經(jīng)典標(biāo)量場EOF方法,計(jì)算出特征向量和對應(yīng)的時間權(quán)重系數(shù)。每個特征向量都是一個2m維的列向量,前m個元素對應(yīng)m個空間點(diǎn)上東西風(fēng)U,后m個元素對應(yīng)m個空間點(diǎn)上南北風(fēng)V;然后將其疊加在一起,得出m個空間點(diǎn)上向量風(fēng)場,組成風(fēng)場的特征向量場,對應(yīng)的每個時間權(quán)重系數(shù)都是一個長度為n的時間序列。

2　熱帶太平洋低層環(huán)流主模態(tài)

為揭示低層環(huán)流的時空變化特征,對熱帶太平洋(100°E～60°W,10°S～10°N)10 m逐月水平風(fēng)場進(jìn)行MV-EOF分解,空間型用對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化時間系數(shù)與原距平場的回歸系數(shù)表示,根據(jù)North et al.(1982)的EOF顯著性檢驗(yàn)法則,前2個模態(tài)均能通過顯著性檢驗(yàn),其累積方差貢獻(xiàn)率占34.4%。從第三模態(tài)開始方差貢獻(xiàn)率小于10%,這里不作討論。

圖1　熱帶太平洋10 m距平風(fēng)場MV-EOF得到的第一(a)、第二(b)模態(tài)時間系數(shù)回歸的原場分布(單位:m·s-1)Fig.1　Regression coefficients between time coefficients of the (a)first and (b)second MV-EOF modes and the 10 m monthly wind anomalies over the tropical Pacific(units:m·s-1)

第一模態(tài)(圖1a)的方差貢獻(xiàn)為20.0%,反映了熱帶太平洋低層10 m風(fēng)場最主要的變化特征。對應(yīng)的空間型關(guān)于赤道呈準(zhǔn)對稱分布,熱帶中西太平洋存在一致的緯向風(fēng)異常,當(dāng)時間系數(shù)為正(負(fù)),即第一模態(tài)呈正(負(fù))位相時,除140°E以西有弱東(西)風(fēng)之外,熱帶中西太平洋主要由西(東)風(fēng)異常氣流控制,最大西(東)風(fēng)位于赤道附近,這也與Stuecker et al.(2013)得出的第一模態(tài)分布類似。對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化時間系數(shù)(簡稱PC1)與同期Nio3.4指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.74,通過了信度為0.01的顯著性檢驗(yàn),表明第一模態(tài)是ENSO暖(冷)事件對應(yīng)的模態(tài)。

圖2　熱帶太平洋10 m距平風(fēng)場前兩個MV-EOF模態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù)Fig.2　Time coefficients of the two leading modes of the 10 m monthly wind anomalies over the tropical Pacific

第二模態(tài)(圖1b)占總方差的14.4%,空間型關(guān)于赤道呈反對稱分布,當(dāng)時間系數(shù)為正(負(fù)),即第二模態(tài)呈正(負(fù))位相時,熱帶中太平洋的最大西風(fēng)異常不再位于赤道上,而是南移到了10°S左右,西北太平洋對應(yīng)一顯著的反氣旋(氣旋)式環(huán)流。雖然標(biāo)準(zhǔn)化的第二時間系數(shù)(簡稱PC2)與同期的Nio3.4指數(shù)之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系,但其在ENSO循環(huán)過程中仍扮演重要角色。El Nio成熟后西北太平洋常出現(xiàn)反氣旋異常(Zhang et al.,1996),使得赤道西太平洋產(chǎn)生東風(fēng)距平,進(jìn)而導(dǎo)致El Nio向La Nia的轉(zhuǎn)換(張人禾和黃榮輝,1998)。事實(shí)上,這一模態(tài)是西太平洋海溫年循環(huán)與ENSO非線性相互作用的產(chǎn)物(Stuecker et al.,2013),其對應(yīng)的跨赤道緯向風(fēng)強(qiáng)經(jīng)向切變及西風(fēng)異常的南移與強(qiáng)El Nio事件的衰減密切相關(guān)(Mcgregor et al.,2012,2013)。

圖3　MV-EOF分解得到的標(biāo)準(zhǔn)化時間系數(shù)的Morlet小波分析(虛線為邊界影響區(qū)域;陰影表示通過了信度0.05的顯著性檢驗(yàn))　　a.PC1;b.PC2Fig.3　Morlet wavelet power spectrum of the normalized time series derived from MV-EOF analyses(the affected boundary zone is shown by dashed lines;shading indicates statistical significance at the>95% confidence level)：(a)PC1;(b)PC2

兩模態(tài)時間系數(shù)(圖2)存在明顯的季節(jié)和年際變化特征。從PC1、PC2的逐年—逐月剖面(圖略)中不難看出,第一模態(tài)(即中西太平洋一致的西風(fēng)異常)常在下半年達(dá)到正位相峰值,這與ENSO一般在春夏季發(fā)展,秋冬季成熟是吻合的。比較而言,PC2一般在PC1最大值的1～2個月后達(dá)到峰值,這是因?yàn)镻C2一般與強(qiáng)El Nio的衰減及其向La Nia的轉(zhuǎn)換相聯(lián)系(Stuecker et al.,2013)。由小波分析(圖3),第一模態(tài)存在顯著的2～7 a(約24～84個月)振蕩周期,與ENSO主周期一致,且在1985年后表現(xiàn)的更加明顯。第二模態(tài)(圖3b)的顯著周期信號主要位于1～3 a(約10～36個月),具體在20世紀(jì)70年代存在2 a(24個月)左右的顯著周期,80年代則為1 a(12個月)左右,90年代中后期對應(yīng)3 a(36個月)左右。

圖4　PC1與500 hPa高度距平時滯的回歸系數(shù)(等值線;單位:gpm)分布(陰影區(qū)域表示通過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn);每幅圖上方數(shù)字的絕對值代表超前/滯后PC1的月份數(shù),負(fù)數(shù)表示超前,正數(shù)為滯后)Fig.4　Spatial distribution of the lead-lag regression coefficients(contours;units:gpm) between PC1 and 500 hPa height anomalies(shading indicates statistical significance at the>95% confidence level;the absolute values of negative/positive numbers above each panel indicate the number of months leading/lagging PC1)

3　熱帶太平洋環(huán)流主模態(tài)與東亞大氣環(huán)流的可能聯(lián)系

圖5　PC1與850 hPa風(fēng)場時滯的回歸系數(shù)矢量分布(箭頭,對應(yīng)相關(guān)矢量大小小于0.1的格點(diǎn)未畫;單位:m·s-1;陰影表示對應(yīng)相關(guān)矢量大小達(dá)到0.1的區(qū)域;每小幅圖上方的數(shù)字的絕對值代表超前/滯后PC1的月份,負(fù)值表示超前,正數(shù)為滯后)Fig.5　Spatial distribution of the lead-lag regression coefficient vectors between PC1 and 850 hPa wind anomalies(arrows,grids whose magnitudes of corresponding correlation coefficient vectors are less than 0.1 are not provided;units:m·s-1;shading indicates statistical significance of the magnitude of the corresponding correlation coefficient vectors at the>0.1 confidence level;the absolute values of negative/positive numbers above each panel indicate the number of months leading/lagging PC1)

為進(jìn)一步分析熱帶太平洋10 m風(fēng)場異常與東亞大氣環(huán)流的關(guān)系,分別計(jì)算了PC1、PC2與500 hPa高度場和850 hPa風(fēng)場的時滯回歸系數(shù)。由圖4可見,第一模態(tài)正位相同期,在500 hPa高度場上,貝加爾湖南側(cè)(South to Lake Baikal,SBL)存在回歸系數(shù)的大值中心,通過了信度為0.01的顯著性檢驗(yàn)。在PC1滯后與超前的4個月內(nèi),也存在與同期類似的分布特征,高壓中心強(qiáng)度前期略大于后期。從850 hPa風(fēng)場(圖5)上可見,SLB存在一顯著的反氣旋式環(huán)流,與此相關(guān)的北風(fēng)異常到達(dá)南中國海后轉(zhuǎn)向成西北風(fēng)并在菲律賓附近與赤道西太平洋西風(fēng)異常匯合,隨著澳大利亞東海岸的異常東南風(fēng)逐漸增強(qiáng)并控制熱帶西太平洋,菲律賓附近的西北風(fēng)也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L(fēng)。值得注意的是,在這一過程中SLB的反氣旋環(huán)流中心始終存在,負(fù)位相時,情況相反。由第2節(jié)的分析可知,第一模態(tài)是ENSO模態(tài),因此SLB異常環(huán)流不僅影響了ENSO前期的發(fā)展過程,也對ENSO后期的維持具有重要的作用。根據(jù)前人的研究,在偏強(qiáng)澳大利亞夏季風(fēng)的配合下,偏強(qiáng)的東亞冬季風(fēng)能顯著加強(qiáng)赤道西太平洋的西風(fēng)異常,進(jìn)而激發(fā)El Nio事件(Li et al.,1990;Zheng et al.,2014),而偏強(qiáng)的東亞冬季風(fēng)與歐亞中高緯,尤其是環(huán)貝加爾湖地區(qū)冷高壓的加強(qiáng)有關(guān)(譚桂容和王騰飛,2014),這與本文中PC1與東亞大氣環(huán)流的關(guān)系也是基本對應(yīng)的。

由圖6可見,第二模態(tài)正位相時,在500 hPa高度場上,SLB也存在回歸系數(shù)的大值中心,且通過了信度為0.01的顯著性檢驗(yàn)。在PC2超前與滯后的4個月內(nèi),也存在類似的分布。850 hPa風(fēng)場上(圖7)與圖6基本對應(yīng),均存在顯著的反氣旋式環(huán)流,PC2滯后1個月時熱帶東印度洋出現(xiàn)西風(fēng)距平,加上逐漸增強(qiáng)的西太平洋副熱帶高壓南部的東風(fēng)距平,使Hadley環(huán)流在南亞地區(qū)的上升支愈發(fā)強(qiáng)勁,這可能是SLB反氣旋得以維持的重要原因。由第2節(jié)的分析可知,第二模態(tài)是ENSO循環(huán)中的轉(zhuǎn)換模態(tài),其最強(qiáng)正位相前期往往對應(yīng)強(qiáng)El Nio事件,而根據(jù)第一模態(tài)對應(yīng)的關(guān)系,El Nio成熟后SLB仍存在高壓異常,所以PC2前期SLB也存在高壓異常環(huán)流,后期SLB高壓異常則可能與熱帶東印度洋到西太平洋一帶異常的Hadley環(huán)流上升支有關(guān),負(fù)位相時,情況相反。王妍等(2014)研究指出,前期冬季印度尼西亞到西太平洋地區(qū)對流是夏季SLB環(huán)流異常的重要前兆信號之一,在一定程度上也佐證了本文的研究結(jié)論。

圖6　PC2與500 hPa高度距平時滯的回歸系數(shù)(等值線;單位:gpm)分布(陰影區(qū)域表示通過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn);每幅圖上方數(shù)字的絕對值代表超前/滯后PC2的月份數(shù),負(fù)數(shù)表示超前,正數(shù)為滯后)Fig.6　Spatial distribution of the lead-lag regression coefficients(contours;units:gpm) between PC2 and 500 hPa height anomalies (shading indicates statistical significance at the>95% confidence level;the absolute values of negative/positive numbers above each panel indicate the number of months leading/lagging PC2)

圖7　PC2與850 hPa風(fēng)場時滯的回歸系數(shù)矢量分布(箭頭,對應(yīng)相關(guān)矢量大小小于0.1的格點(diǎn)未畫;單位:m·s-1;陰影表示對應(yīng)相關(guān)矢量大小達(dá)到0.1的區(qū)域;每小幅圖上方的數(shù)字的絕對值代表超前/滯后PC2的月份,負(fù)值表示超前,正數(shù)為滯后)Fig.7　Spatial distribution of the lead-lag regression coefficient vectors between PC2 and 850 hPa wind anomalies(arrows,grids whose magnitudes of corresponding correlation coefficient vectors are less than 0.1 are not provided;units:m·s-1;shading indicates statistical significance of the magnitude of the corresponding correlation coefficient vectors at the>0.1 confidence level;the absolute values of negative/positive numbers above each panel indicate the number of months leading/lagging PC2)

由PC1、PC2回歸的東亞500 hPa位勢高度距平方差占總方差的比率(圖略)可見,兩模態(tài)在SLB都具有最大中心,兩者共同解釋的方差貢獻(xiàn)比超過13%,這進(jìn)一步表明熱帶太平洋環(huán)流異常與SLB高壓異常存在緊密的聯(lián)系。

4　熱帶太平洋環(huán)流主模態(tài)與東亞大氣環(huán)流的可能聯(lián)系途徑

為了解這種相互作用的可能機(jī)理,分別計(jì)算了PC1、PC2與850 hPa及200 hPa(圖略)速度勢和輻散風(fēng)的時滯回歸系數(shù)。在與第一模態(tài)相聯(lián)系的低層速度勢及輻散風(fēng)場(圖8)上,東半球?yàn)楫惓５南鲁吝\(yùn)動,西半球?yàn)楫惓５纳仙\(yùn)動,異常Walker環(huán)流呈現(xiàn)二極型。而在東半球的下沉區(qū)內(nèi),低層850 hPa上還存在相對的輻合輻散異常中心。如在中國東南沿海的海陸邊界處有輻合異常,在貝加爾湖附近存在輻散異常?？梢奡LB反氣旋既與熱帶太平洋異常引起的半球范圍的下沉運(yùn)動有關(guān),又與鄰近海陸邊界區(qū)域的局地輻合環(huán)流有關(guān)。第二模態(tài)則存在從二極向四極型的轉(zhuǎn)換(圖9),其前期類似第一模態(tài)。從PC2滯后2個月開始,分別在熱帶東印度洋到西太平洋、熱帶東太平洋到大西洋區(qū)域出現(xiàn)低層輻合高層輻散的異常上升區(qū),而在北非和中東太平洋上為相反的環(huán)流異常,異常Walker環(huán)流呈四極型,此時SLB低層為異常輻散中心,表現(xiàn)為與其南側(cè)熱帶太平洋到東印度洋地區(qū)的上升氣流相聯(lián)系。

圖8　PC1與850 hPa速度勢(等值線;單位:106 m2·s-1)和輻散風(fēng)(矢量,只畫通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域;單位:m·s-1)的時滯回歸分布(陰影區(qū)域表示通過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn);每幅圖上方數(shù)字的絕對值代表超前/滯后PC1的月份數(shù),負(fù)數(shù)表示超前,正數(shù)為滯后)Fig.8　Spatial distribution of the lead-lag regression coefficients between PC1 and 850 hPa velocity potential(contours;units:106 m2·s-1) and divergent wind (arrows,units:m·s-1;only grids that are statistically significance at the>95% confidence level are provided;shading indicates statistical significance for velocity potential at the>95% confidence level;the absolute values of negative/positive numbers above each panel indicate the number of months leading/lagging PC1)

海溫與降水場也表現(xiàn)出對應(yīng)的特征(圖10),第一模態(tài)在中東太平洋有大范圍的暖海溫和正降水異常,與該地區(qū)異常的上升運(yùn)動對應(yīng);而西太平洋為顯著的負(fù)海溫和負(fù)降水距平,印度洋雖有暖海溫異常但降水為負(fù)距平,與圖8中異常的下沉運(yùn)動區(qū)對應(yīng)。與第二模態(tài)相關(guān)的暖海溫和正降水距平主要位于西太平洋及東印度洋,此外在大西洋也存在明顯的暖海溫異常,分別與熱帶西太平洋到東印度洋、熱帶東太平洋到大西洋的上升異常區(qū)對應(yīng);冷海溫和負(fù)降水異常主要位于中太平洋,與圖9中中東太平洋異常的下沉區(qū)對應(yīng)。

圖9　PC2與850 hPa速度勢(等值線;單位:106 m2·s-1)和輻散風(fēng)(矢量,只畫通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域;單位:m·s-1)的時滯回歸分布(陰影區(qū)域表示通過了0.05信度的顯著性檢驗(yàn);每幅圖上方數(shù)字的絕對值代表超前/滯后PC2的月份數(shù),負(fù)數(shù)表示超前,正數(shù)為滯后)Fig.9　Spatial distribution of the lead-lag regression coefficients between PC2 and 850 hPa velocity potential(contours;units:106 m2·s-1) and divergent wind(arrows,only grids that are statistically significant at the>95% confidence level are provided;units:m·s-1;shading indicates statistical significance for velocity potential at the>95% confidence level;the absolute values of negative/positive numbers above each panel indicate the number of months leading/lagging PC2)

圖10　時間系數(shù)與同期熱帶海溫距平(單位:℃)、降水距平(單位:mm)和10 m風(fēng)場距平(單位:m·s-1)的回歸系數(shù)分布(陰影表示海溫距平回歸系數(shù)絕對值大于等于0.1;箭頭表示風(fēng)場距平回歸矢量的大小大于等于0.1;等值線表示降水距平回歸系數(shù)絕對值達(dá)到0.3)　　a.PC1;b.PC2Fig.10　Spatial distribution of the contemporary regression coefficients between the time series and the tropical SST anomaly(units:℃),10 m wind anomalies(units:m·s-1) and precipitation anomalies(units:mm)(shading indicates absolute values of SST regression coefficients not less than 0.1;arrows indicate magnitudes of the wind regression coefficient vectors not less than 0.1;contours indicate absolute values of precipitation regression coefficients not less than 0.3)　　a.PC1;b.PC2

根據(jù)以上分析,繪制了熱帶太平洋低層環(huán)流與東亞大氣環(huán)流可能聯(lián)系的示意圖(圖11)。第一模態(tài)對應(yīng)熱帶中東太平洋大范圍暖異常引起的二極型Walker環(huán)流異常,在東亞為異常的下沉區(qū),SLB低層為異常的輻散中心,同時其鄰近的中國東南沿海低層還存在異常的輻合中心。即SLB高壓不僅與熱帶中東太平洋大范圍垂直運(yùn)動有關(guān),還與鄰近的中國東南沿海低層的異常輻合相關(guān)。第二模態(tài)則對應(yīng)熱帶西太平洋及印度洋為主、大西洋為輔的異常暖海溫引起的熱帶四極型Walker環(huán)流異常,此時西太平洋局地偏強(qiáng)的經(jīng)圈Hadley環(huán)流可能是SLB低層異常輻散環(huán)流維持的主要原因,即第二模態(tài)SLB異常高壓的異常維持可能與熱帶海洋強(qiáng)迫的西太平洋局地偏強(qiáng)的經(jīng)圈Hadley環(huán)流有關(guān)。這在一定程度上也反映了前人(譚桂容等,2008)的研究成果,即北太平洋西部海溫強(qiáng)迫的輻合輻散是導(dǎo)致貝加爾湖南側(cè)環(huán)流異常的重要原因之一。

圖11　熱帶太平洋低層環(huán)流主模態(tài)與SLB高壓的聯(lián)系示意圖(H和L分別代表高壓和低壓;淺色陰影區(qū)為氣流垂直上升區(qū),深色陰影區(qū)為氣流垂直下沉區(qū))　　a.第一模態(tài);b.第二模態(tài)Fig.11　Schematic diagram showing the physical processes involved in the relationship between the two leading modes of low-level circulation over the tropical Pacific and the SLB high(H and L denote high and low pressure anomalies,respectively;light/dark shadow indicates areas where upward/downward flow prevail)　　a.first leading mode;b.second leading mode

5　結(jié)論

1)MVEOF的結(jié)果表明,熱帶太平洋風(fēng)場異常存在兩種主模態(tài),第一模態(tài)是關(guān)于赤道準(zhǔn)對稱分布的風(fēng)場空間型,熱帶中西太平洋對應(yīng)一致的西(東)風(fēng)距平,與ENSO暖(冷)位相期間的風(fēng)場分布對應(yīng);第二模態(tài)空間型關(guān)于赤道反對稱,在西北太平洋存在顯著的反氣旋(氣旋)式環(huán)流,且中太平洋西風(fēng)不再位于赤道上,而是南移到了10°S左右,對應(yīng)ENSO暖(冷)位相向相反位相轉(zhuǎn)換時風(fēng)場的分布特征。

2)第一、第二模態(tài)時間系數(shù)分別存在2～7 a(約24～84個月)和1～3 a(約10～36個月)的振蕩周期。其中第一模態(tài)周期與ENSO主導(dǎo)周期一致。

3)當(dāng)兩模態(tài)呈正(負(fù))位相分布時,貝加爾湖南側(cè)(SLB)都容易發(fā)生持續(xù)的高壓(低壓)異常環(huán)流。進(jìn)一步分析表明,兩模態(tài)與貝加爾湖南側(cè)高壓的聯(lián)系途徑不同。第一模態(tài)正位相對應(yīng)熱帶中東太平洋大范圍暖異常引起的二極型Walker環(huán)流異常。SLB異常高壓不僅與熱帶中東太平洋大范圍垂直運(yùn)動有關(guān),還與鄰近的中國東南沿海低層的異常輻合相關(guān),負(fù)位相時,情況相反;第二模態(tài)正位相則對應(yīng)熱帶西太平洋及印度洋為主、大西洋為輔的異常暖海溫引起的熱帶四極型Walker環(huán)流異常。此時西太平洋到印度洋局地偏強(qiáng)的經(jīng)圈Hadley環(huán)流可能是SLB低層異常輻散環(huán)流維持的主要原因,負(fù)位相時,情況相反。

上述分析反映熱帶太平洋低層大氣與東亞環(huán)流有較好的關(guān)系。兩模態(tài)都對應(yīng)東亞SLB環(huán)流異常,但熱帶海氣相互作用的特征及其聯(lián)系的途徑不同,這也證實(shí)了熱帶太平洋海氣相互作用與熱帶外環(huán)流相互作用的復(fù)雜性。此外,本文僅從熱帶外源引起的直接強(qiáng)迫異常方面分析了其與東亞環(huán)流的聯(lián)系及其可能途徑,關(guān)于熱帶熱源激發(fā)的羅斯貝波及其傳播等與熱帶外環(huán)流的聯(lián)系及機(jī)理,還需要進(jìn)一步的探討。

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Based on the methods of multivariate EOF(MVE-OF) and lead-lag correlation and regression analysis,the spatiotemporal variations of the 10 m horizontal wind over the tropical Pacific(10°S—10°N,100°E—60°W) and their associations with East Asian atmospheric circulation were investigated using the monthly global NCEP/NCAR reanalysis data for the period 1958 to 2001.

The MV-EOF results show that there are two leading modes of the 10 m horizontal wind anomalies over the tropical Pacific.The first leading mode captures the well-known wind anomaly pattern associated with El Nio(La Nia),and is also characterized by the equatorially quasi-symmetric westerly(easterly) wind anomalies over the central Pacific and convergence(divergence) onto the equator in the east.The corresponding PC time series(PC1) is highly correlated(R=0.74) with the time series of the Nio3.4 index,suggesting that PC1 captures the main ENSO mode and that the mode corresponds to the low-level horizontal wind anomalies during the warm(cold) phase of ENSO.The second leading mode,however,is highly antisymmetric about the equator and exhibits a pattern of easterly(westerly) anomalies north of the equator and westerly(easterly) anomalies south of the equator,along with a strong low-level anticyclonic(cyclonic) circulation anomaly over the western North Pacific.The westerly(easterly) anomalies south of the equator,at about 10°S,in the central Pacific,correspond to the southward displacement of zonal wind anomalies during the decaying spring season of El Nio(La Nia),which is in accordance with the wind anomalies during the transition phase of ENSO.The corresponding PC2 usually emerges rapidly several months after the PC1 peak.The two corresponding time series both feature significant interannual varibility and seasonal phase-locking characteristics,but their dominant oscillation periods and relationships with the ENSO cycle vary prominently.

The lead-lag regression analysis reveals that persistent significant anomalous positive(negative) geopotential height at 500 hPa and remarkable anticyclonic(cyclonic) atmospheric circulations at 850 hPa are set up to the south of Lake Baikal(SLB) when the two leading modes are in their positive(negative) phases.Further examination of the corresponding velocity potential quantities show that the connection pathways between the two modes and the anomalous SLB circulations differ from one another.The first mode,which is characterized by abnormal dipole Walker Circulation forced by the warm water in the eastern tropical Pacific,may be affected by the anomalous SLB circulation through the northerly winds over the East Asian coast and the South China Sea trough during its developing period.In addition,the anomalous SLB circulation also plays an important role in the maintenance of the mode after it matures.The circulation is linked with large-scale vertical motion over the central eastern tropical Pacific,and also the abnormal convergence motion over Southeast China.The opposite situation occurs when the first mode is in its negative phase.The second mode features abnormal quadrupole Walker Circulation forced by the warm water over the regions from the eastern tropical Indian Ocean to the western tropical Pacific,as well as the Atlantic Ocean.Thus the corresponding anomalous SLB circulation may be mainly related to the strong meridional Hadley Circulation over the the region from the eastern tropical Indian Ocean to the western tropical Pacific,and vice versa.

tropical circulation anomaly;atmospheric circulation anomaly;air-sea interaction;south of Lake Baikal region;EOF

(責(zé)任編輯：孫寧)

The possible association between the leading modes of low-level circulation anomalies over the tropical Pacific and the atmospheric circulation over East Asia

TAN Guirong1,2,GENG Xin1,2,LU Ming3

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisasters,MinistryofEducation(KLME)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2SchoolofAtmosphericSciences,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;3UnitNo.94938ofthePLA,Hangzhou310021,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140514001

*聯(lián)系人，E-mail:tanguirong@nuist.edu.cn

引用格式：譚桂容,耿新,盧明.2016.熱帶太平洋低層環(huán)流主模態(tài)與東亞大氣環(huán)流的可能聯(lián)系[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(2):145-155.

Tan G R,Geng X,Lu M.2016.The possible association between the leading modes of low-level circulation anomalies over the tropical Pacific and the atmospheric circulation over East Asia[J].Trans Atmos Sci,39(2):145-155.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140514001.(in Chinese).