李業(yè)進(jìn),王黎娟

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西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)變異及其鄰近地區(qū)對(duì)流活動(dòng)特征

李業(yè)進(jìn)①②,王黎娟①*

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/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣候模擬與預(yù)測(cè)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),江蘇 南京 210044;

② 泗陽(yáng)縣環(huán)保局,江蘇 宿遷 223700

2014-09-15收稿，2014-12-26接受

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB417403);江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(14KJA170004);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20131432)

利用1981—2011年共31 a夏季的GODAS月平均次表層海溫資料,以5～366 m次表層垂直平均海溫表征西太平洋暖池?zé)岷?分析了西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)變異及其鄰近區(qū)域?qū)α骰顒?dòng)特征。結(jié)果表明:1)暖池區(qū)熱含量異常變化最大,其季節(jié)變化與海表溫度季節(jié)變化高度一致,年際變率大于海表溫度的年際變率。2)暖池?zé)釥顟B(tài)以整體一致性正異常為主,其時(shí)間系數(shù)較好地體現(xiàn)了暖池區(qū)次表層熱狀況的年際變異特征。3)暖池鄰近地區(qū)對(duì)流活動(dòng)與暖池?zé)釥顟B(tài)異常密切相關(guān):當(dāng)暖池偏暖(冷)時(shí),菲律賓周圍關(guān)鍵區(qū)對(duì)流活動(dòng)顯著增強(qiáng)(減弱),并且該關(guān)鍵區(qū)的對(duì)流活動(dòng)受暖池?zé)岷康挠绊懣梢宰匪葜燎耙荒?月一直持續(xù)到當(dāng)年9月。4)暖池?zé)釥顟B(tài)異常引起菲律賓周圍關(guān)鍵區(qū)對(duì)流活動(dòng)異常,進(jìn)而激發(fā)出東亞地區(qū)夏季500 hPa高度場(chǎng)上自低緯度到中高緯度正、負(fù)、正的東亞—太平洋(EAP)遙相關(guān)型分布特征;暖池暖(冷)異常時(shí)對(duì)流層低層在菲律賓以東洋面形成一個(gè)異常的反氣旋性(氣旋性)偏差環(huán)流。

西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)熱含量對(duì)流活動(dòng)

西太平洋暖池是全球海洋表層溫度(Sea Surface Temperature,SST)最高的海域(Wyrtki,1989;Cravatte et al.,2009),是引發(fā)強(qiáng)烈的大氣對(duì)流,驅(qū)動(dòng)Walker環(huán)流(Cornejo-Garrdo and Stone,1977)和Hadley環(huán)流(Hu,1997)系統(tǒng)最主要的熱源地之一,對(duì)西太平洋副熱帶高壓以及東亞氣候異常(黃榮輝和孫鳳英,1994;李萬(wàn)彪和周春平,1999;馮娟等,2010;陳穎曼等,2013)具有重要的影響。越來(lái)越多的證據(jù)表明,西太平洋暖池在海氣耦合系統(tǒng)中占有十分重要的地位(Nitta,1987;Huang and Lu,1989;Wang et al.,2000;王東曉等,2001;岳彩軍和陸維松,2009),其熱狀態(tài)變異會(huì)導(dǎo)致大氣環(huán)流以及氣候的異常變化(Kurihara and Kawahara,1986;Huang and Sun,1992;謝炯光等,1997;Ren and Huang,1999;Lu,2001)。Donguy et al.(1984)指出Walker環(huán)流的上升分支的位置隨最大熱含量區(qū)變化而變化,即暖池的熱狀態(tài)變異會(huì)影響其上空的對(duì)流活動(dòng)。然而,對(duì)流活動(dòng)的變化比較劇烈,不像海溫那樣穩(wěn)定,它不僅受局地海溫的影響,而且還受到熱帶地區(qū)大尺度大氣環(huán)流的影響(Lau et al.,1997),因此,暖池區(qū)海溫偏高并不說(shuō)明其上空對(duì)流活動(dòng)也一定強(qiáng)(Nitta,1990)。黃榮輝等進(jìn)一步指出暖池及其上空的對(duì)流活動(dòng)可以激發(fā)夏季東亞—太平洋型(EAP或PJ型)遙相關(guān)波列,與東亞夏季氣候異常有著十分密切的關(guān)系(Huang,1992)。

海表溫度(SST)和熱含量(Heat Content,HC)是表征海洋熱力狀況的兩種最常用的物理量,常被用來(lái)研究暖池的變異等方面特征(Chen and Hu,2003;Fang et al.,2004;Hu and Yu,2008;Cravatte et al.,2009)。研究表明,由于海水溫度具有范圍廣闊的低水平梯度和垂直混合特性,暖池區(qū)SST變化較小,即使在ENSO期間,其變化也小于1 ℃。暖池因其水溫高、分布范圍廣而擁有極為豐富的熱含量,而強(qiáng)烈的熱含量變異會(huì)影響其上空的大氣環(huán)流特征,并對(duì)氣候產(chǎn)生重要作用(陳永利和胡敦欣,2003)。可見,熱含量在表征暖池?zé)釥顟B(tài)變化時(shí)更具優(yōu)越性。

本文以熱含量為關(guān)鍵參數(shù),研究西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)變異及其鄰近地區(qū)對(duì)流活動(dòng)特征,以此揭示西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)異常特征以及暖池鄰近地區(qū)對(duì)流活動(dòng)的前期信號(hào),除了能更清楚地認(rèn)識(shí)西太平洋暖池和對(duì)流活動(dòng)之間的關(guān)系,前期熱含量異常信號(hào)還可以對(duì)東亞夏季氣候預(yù)測(cè)提供一定的參考。

圖1　1981—2011年熱帶太平洋夏季SST(28 ℃粗實(shí)線)和SST(a;陰影區(qū))、HC(b;陰影區(qū)≥0.6 ℃)的標(biāo)準(zhǔn)差(單位:℃)Fig.1　Annual tropical Pacific summer SST(thick solid contour:28 ℃) and the (a)SST standard deviation(shaded area) and (b)HC standard deviation(shaded area:≥0.6 ℃) distribution during 1981—2011(units:℃)

1　資料和方法

資料包括:1)NOAA V3b版本延長(zhǎng)重構(gòu)的海表溫度資料,水平分辨率為2°×2°;2)GODAS月平均次表層海溫資料,水平分辨率為1.0°×0.333°,根據(jù)需要選用上部27層(共40層),即5、15、25、35、45、55、65、75、85、95、105、115、125、135、145、155、165、175、185、195、205、215、225、238、262、303、366 m;3)NCEP/NCAR提供的逐月再分析位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和NOAA提供的向外長(zhǎng)波輻射(OLR)數(shù)據(jù),水平分辨率為2.5°×2.5°。以上資料所取時(shí)段均為1981年1月—2011年12月。

熱含量計(jì)算參考Hasegawa and Hanawa(2003)的方法,以366 m以上共27層的垂直平均海溫表征海洋上層的熱含量,以之反映海洋上層的熱狀態(tài)。

2　西太平洋暖池基本特征

2.1西太平洋暖池SST、HC標(biāo)準(zhǔn)差分布

從暖池區(qū)域位置(28 ℃等溫線包圍的區(qū)域)與海表溫度異常變化最大的區(qū)域位置(圖1a)來(lái)看,海表溫度異常變化最大的區(qū)域位于暖池區(qū)域以東,較為均勻地分布在赤道兩側(cè),最大變異達(dá)1.3 ℃。而從上層海洋熱含量異常的標(biāo)準(zhǔn)差分布可以看出,熱帶西太平洋暖池區(qū)是太平洋上層海洋熱含量異常變化最大的區(qū)域,南北半球巴布亞新幾內(nèi)亞和菲律賓海域各存在一個(gè)最大變異中心,最大變異達(dá)1.2 ℃,與海表溫度的變異相當(dāng),這是由于南北赤道流在熱帶太平洋西邊界的轉(zhuǎn)向造成的?？梢?暖池主體范圍與熱含量標(biāo)準(zhǔn)偏差最大的區(qū)域基本一致(陰影部分,大于等于0.6 ℃)。綜上,可以說(shuō)明熱帶西太平洋上層海洋的熱狀態(tài)主要反映了暖池的變化,而熱帶西太平洋熱含量的異常變化與ENSO循環(huán)有著緊密的聯(lián)系(Tourre and White,1995;Mcphaden,1999)。

參考黃榮輝和孫鳳英(1994)選取的西太平洋暖池區(qū)域,選取赤道以北區(qū)域(126～146°E,2～16°N)作為研究的西太平洋暖池區(qū)域(圖1中黑框區(qū)域),此區(qū)域既是SST高值區(qū),同時(shí)又是HC標(biāo)準(zhǔn)差大值區(qū)。

圖2　西太平洋暖池區(qū)SST、HC的季節(jié)變化(a)以及SST、HC合成的年際變化(b)(單位:℃)Fig.2　The (a)seasonal variation and (b)synthetic interannual variability of the SST and HC of the WP(units:℃)

2.2西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)季節(jié)、年際變化

圖2反映了暖池區(qū)域1981—2011年平均海表溫度、熱含量的季節(jié)以及年際變化特征。對(duì)于季節(jié)變化來(lái)說(shuō),SST最高出現(xiàn)在6月,達(dá)29.55 ℃,最低出現(xiàn)在2月,達(dá)28.01 ℃,月際最大差值1.54 ℃;HC最高出現(xiàn)在6月,達(dá)18.15 ℃,最低出現(xiàn)在1月,達(dá)17.05,月際最大差值1.1 ℃?？傮w上來(lái)看,二者均是夏季最高、春秋季次之,冬季最小,變化趨勢(shì)高度一致,二者的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.68,通過(guò)了0.05信度的顯著性水平的t檢驗(yàn),這反映了太陽(yáng)輻射隨緯度差異對(duì)暖池?zé)釥顟B(tài)季節(jié)變化所造成的影響。

二者的年際變化方面,均表現(xiàn)為明顯的年際變化特征,相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.69,通過(guò)了0.05信度的顯著性水平的t檢驗(yàn),說(shuō)明二者具有顯著的正相關(guān)關(guān)系,且HC年際變率遠(yuǎn)大于SST,其年際異常與ENSO關(guān)系密切,而SST年際變化與ENSO關(guān)系不顯著(李麗平等,2004),這也是本文選取熱含量反應(yīng)海洋上層熱狀態(tài)的一個(gè)因素。

圖3　西太平洋暖池區(qū)HC與西太平洋暖池SST(a)以及赤道中東太平洋(80～160°W,10°S～10°N)SST(b)的時(shí)滯相關(guān)系數(shù)分布(虛線代表通過(guò)95%、99.9%置信度檢驗(yàn);“-”代表上一年,“0”代表當(dāng)年)Fig.3　The time lagged correlation coefficient distribution of the WP HC and the (a)WP SST and (b)central and eastern equatorial Pacific(10°S—10°N,80—160°W) SST(shaded areas indicate statistical significance over the 95% and 99.9% confidence levels)

2.3西太平洋暖池SST對(duì)局地HC的貢獻(xiàn)

為研究夏季暖池區(qū)域熱含量與暖池區(qū)域海表溫度以及赤道中東太平洋海表溫度的具體關(guān)系,圖3給出了暖池區(qū)域熱含量與上述區(qū)域海表溫度的時(shí)滯相關(guān)系數(shù)分布,可見,暖池區(qū)域熱含量與熱帶太平洋海溫場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)分布存在以西太平洋暖池和赤道中東太平洋為主的正、負(fù)相關(guān)分布特征。正相關(guān)分布特征表明暖池區(qū)域的熱含量主要受前期以及同期位于西太平洋暖池區(qū)域SST的影響,整體上呈現(xiàn)的是“三峰型”分布特征,其中同期1、2、3月的相關(guān)性最為顯著,通過(guò)了99.9%置信度檢驗(yàn)。負(fù)相關(guān)分布特征表明,暖池區(qū)域的熱含量變化與赤道中東太平洋SST存在反相關(guān)關(guān)系。上述分析結(jié)果表明,暖池區(qū)域的SST對(duì)局地?zé)岷看嬖谝欢ㄘ暙I(xiàn)。

圖4　夏季西太平洋暖池區(qū)熱含量距平EOF第一模態(tài)(a)以及第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)PC1(柱狀)、暖池區(qū)域平均熱含量標(biāo)準(zhǔn)化距平序列(實(shí)線)(b)(虛線為一元線性趨勢(shì)線)Fig.4　The (a)first EOF mode of the HC anomalies of the WP in summer,and (b)time coefficient PC1(bars) and the WP area-averaged HC anomalies standardized sequence(solid line)(dashed is the linear trend line)

3　西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)變異

3.1西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)時(shí)空變化

對(duì)1981—2011年共31 a夏季西太平洋暖池區(qū)(126～146°E,2～16°N)熱含量距平作經(jīng)驗(yàn)正交分析(EOF),其中第一模態(tài)占66.57%的方差貢獻(xiàn),遠(yuǎn)大于第二模態(tài)11.83%方差貢獻(xiàn),因此該模態(tài)是暖池區(qū)熱含量的主導(dǎo)模態(tài)。如圖4a所示,第一模態(tài)呈現(xiàn)的是暖池區(qū)整體一致性正異常分布特征,其中以8°N為中心的赤道太平洋西部出現(xiàn)一個(gè)大值帶,位置與熱含量異常變化最大值位置基本一致(圖1b),反映出北赤道逆流和赤道流相互作用所致的暖水積聚下沉或深層冷水涌升的特點(diǎn)。該模態(tài)的時(shí)間系數(shù)PC1與西太平洋暖池區(qū)域平均熱含量標(biāo)準(zhǔn)化距平的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.98,通過(guò)了99.9%置信度檢驗(yàn),可見,第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)主要體現(xiàn)了夏季暖池區(qū)熱含量的年際變異特征。從一元線性趨勢(shì)線上可以很明顯看出,該時(shí)間系數(shù)在1997年以后由負(fù)轉(zhuǎn)正,體現(xiàn)了暖池區(qū)域熱含量呈增溫趨勢(shì)。

根據(jù)圖4b,定義PC1為熱含量指數(shù),即HCI。為便于合成分析,對(duì)暖池進(jìn)行冷暖異常年份劃分。劃分標(biāo)準(zhǔn)為:冷暖異常年份是指HCI小于(大于)-1(1)的年份。從圖4b中可知冷異常年為:1991、1993、1997、2003、2004共5 a;暖異常年1984、1999、2000、2008、2009、2010共6 a,冷暖異常年份總數(shù)約占研究時(shí)段(共31 a)的1/3。

為研究西太平洋暖池區(qū)熱狀態(tài)變異與暖池以外區(qū)域的熱含量變化的聯(lián)系,計(jì)算了該區(qū)域平均熱含量與其以外地區(qū)熱含量的相關(guān)系數(shù)(圖5),可以看出存在大范圍的顯著正負(fù)相關(guān)區(qū)域,大致以160°W為界,以西為正相關(guān)區(qū)域,以東則為負(fù)相關(guān)區(qū)域。其中,印度洋東部海域、熱帶西太平洋、以及西北太平洋均是超過(guò)99.9%置信度檢驗(yàn)的正相關(guān)區(qū)。這表明西太平洋暖池區(qū)一旦發(fā)生暖異常,暖異常區(qū)域不僅是它本身,而且還有其相關(guān)的海域,這體現(xiàn)了暖池區(qū)熱含量變異具有局地性特征。因此研究暖池?zé)釥顟B(tài)變異對(duì)大氣的影響也不僅是研究暖池區(qū)域本身,同時(shí)還得考慮與其存在顯著相關(guān)區(qū)域的影響。

圖5　1981年1月—2011年12月暖池區(qū)熱含量與其以外地區(qū)熱含量的同期相關(guān)分布(陰影區(qū)表示通過(guò)置信度99.9%的顯著性檢驗(yàn))Fig.5　The contemporaneous correlation distribution between the WP HC and the HC outside the WP from January 1981 to December 2011(shaded area represents the ≥99.9% confidence level)

3.2西太平洋暖池區(qū)不同深度異常海溫變化

為分析解暖池區(qū)海溫場(chǎng)在不同深度上的變化特征,圖6給出了暖池區(qū)(126～146°E,2～16°N)不同深度上海溫距平的變化曲線。可以發(fā)現(xiàn),暖池區(qū)域不同深度海溫場(chǎng)均具有明顯的年際變化特征。在不同深度的海溫變化過(guò)程中,表層海溫變化振幅最小(-1 ℃和1 ℃之間)。隨著深度的增加,海溫變化振幅增大,100～200 m處達(dá)到最大(-4.0 ℃和4.0 ℃之間)。隨著深度的繼續(xù)加深,異常海溫變化振幅又開始減小。另外,還可以看出,在暖池表層和366 m處增溫趨勢(shì)緩慢,而次表層(100～200 m)海溫增溫趨勢(shì)相對(duì)較快。

圖6　西太平洋暖池366 m(a)、238 m(b)、155 m(c)、75 m(d)、5 m(e)深度海溫距平的變化特征以及暖池區(qū)域海溫距平深度—時(shí)間變化(f)(單位:℃;虛線表示一元線性趨勢(shì)線)Fig.6　The temperature anomalies of different depths in the WP:(a)366 m;(b)238 m;(c)155 m;(d)75 m;(e)5 m(dashed lines are the linear trends);(f)WP regional SST anomaly depth-time variation(units:℃)

由圖6f可以清楚地看出,暖池區(qū)域次表層海溫的的年際振蕩較為顯著,顯著的冷(暖)海溫異常主要發(fā)生在次表層(50～250 m),尤其是100～200 m,最大變溫絕對(duì)值達(dá)3 ℃,而最大冷(暖)海溫恰好對(duì)應(yīng)于ENSO循環(huán)過(guò)程中的El Nio(La Nia)事件。

通常以28 ℃等溫線所在海水深度代表暖池厚度,以20 ℃等溫線所在海水深度代表溫躍層深度。圖7給出了暖池分別沿經(jīng)向和緯向平均的次表層海溫隨深度的剖面。緯向上來(lái)看,總體上溫躍層深度(暖池厚度)分布較為均勻,海溫均方差在100～200 m左右深度、128～135°E位置處達(dá)到最大。經(jīng)向上來(lái)看,總體上溫躍層深度(暖池厚度)是兩邊深(厚)中間淺(薄),溫躍層最深處和暖池最厚處與暖池位置有關(guān),海溫均方差最大值所在深度與經(jīng)向平均相近,經(jīng)向位置位于3～10°N。平均來(lái)看,夏季暖池厚度在50 m以淺,溫躍層深度在200 m以淺。

4　西太平洋暖池鄰近地區(qū)對(duì)流活動(dòng)特征

熱帶西太平洋暖池附近的海表溫度為全球最高,海洋和大氣之間有著強(qiáng)烈的熱量、水汽的交換,使得該地區(qū)成為全球熱帶主要的對(duì)流活動(dòng)中心之一(Chen et al.,2004),對(duì)我國(guó)的氣候也有重要的影響。下面將重點(diǎn)分析西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)異常時(shí)鄰近地區(qū)對(duì)流活動(dòng)以及環(huán)流場(chǎng)特征。

4.1西太平洋暖池冷、暖異常年鄰近地區(qū)對(duì)流活動(dòng)特征

為分析暖池?zé)釥顟B(tài)異常與暖池鄰近地區(qū)對(duì)流活動(dòng)特征,根據(jù)已經(jīng)挑選出的西太平洋暖池冷、暖異常年份對(duì)OLR場(chǎng)進(jìn)行合成分析。圖8給出了夏季西太平洋暖池偏暖、偏冷年OLR異常分布?？梢?當(dāng)暖池偏暖時(shí)(圖8a),菲律賓周圍地區(qū)呈現(xiàn)的是大范圍的負(fù)異常分布特征,也即當(dāng)夏季暖池偏暖時(shí),菲律賓周圍對(duì)流活動(dòng)偏強(qiáng),暖池偏冷時(shí)(圖8b)對(duì)流活動(dòng)情況則與之相反。從差值場(chǎng)(圖8c)上可以看出,暖池?zé)岷慨惓r(shí),菲律賓以東地區(qū)對(duì)流活動(dòng)異常最為顯著,因此本文將此區(qū)域126～146°E、16～26°N(圖8中黑框區(qū)域)選為菲律賓周圍對(duì)流活動(dòng)關(guān)鍵區(qū),以反映暖池鄰近地區(qū)對(duì)流活動(dòng)特征。

圖7　2～16°N平均的次表層海溫緯向—深度剖面(a),以及126～146°E平均的次表層海溫經(jīng)向—深度剖面(b)(單位:℃;陰影區(qū)表示均方差大于等于1.8 ℃)Fig.7　(a)2—16°N-averaged subsurface temperature zonal-depth profiles;(b)126—146°E-averaged subsurface temperature warp-depth profiles(units:℃;shaded area shows the standard deviation≥1.8℃)

圖8　夏季西太平洋暖池偏暖(a)、偏冷(b)年份OLR異常分布,以及偏暖、偏冷年份OLR差值分布(陰影區(qū)通過(guò)0.1信度的顯著性檢驗(yàn))(c)(單位:W/m2)Fig.8　OLR anomaly map of the (a)warmer and (b)colder summer years of the WP,and (c)the OLR difference map between the warmer and colder summer year(shaded area significant at the 0.1 level)(units:W·m-2)

由圖9可見,菲律賓周圍關(guān)鍵區(qū)夏季對(duì)流活動(dòng)與西太平洋暖池?zé)岷康南嚓P(guān)整體上呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的分布特征,自前一年7月開始就呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(通過(guò)0.1信度的顯著性檢驗(yàn)),這種顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系可以一直持續(xù)到當(dāng)年9月,而后相關(guān)性開始減弱。整體上看,相關(guān)系數(shù)呈“雙峰”型分布特征,相關(guān)性最大的兩個(gè)月分別是前一年的9月和當(dāng)年的5月。以上分析,同時(shí)也從側(cè)面反映了熱含量異常對(duì)對(duì)流活動(dòng)的影響具有較強(qiáng)的持續(xù)性特征。

4.2西太平洋暖池冷、暖異常對(duì)東亞夏季大氣環(huán)流影響

圖10a反映了菲律賓周圍關(guān)鍵區(qū)夏季對(duì)流活動(dòng)異常與500 hPa高度場(chǎng)異常之間的聯(lián)系?？梢?在菲律賓周圍對(duì)流活動(dòng)異常的激發(fā)下,東亞地區(qū)夏季500 hPa高度場(chǎng)上自低緯度到中高緯度呈現(xiàn)的是正、負(fù)、正的東亞—太平洋(EAP)遙相關(guān)型分布特征。低緯度的正相關(guān)區(qū)對(duì)應(yīng)著西太平洋副熱帶高壓,中部的負(fù)相關(guān)區(qū)域?qū)?yīng)著梅雨鋒,而高緯度的正相關(guān)區(qū)域則代表了鄂霍次克海阻高。這種環(huán)流形勢(shì)表明,當(dāng)菲律賓周圍對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)時(shí),有利于西太平洋副熱帶高壓控制江淮地區(qū),但其強(qiáng)度減弱,同時(shí)鄂霍次克海阻高減弱,使得冷空氣南下減弱,進(jìn)而影響江淮地區(qū)夏季降水以及對(duì)流活動(dòng)。

為研究東亞地區(qū)大氣環(huán)流對(duì)西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)異常的響應(yīng),對(duì)顯著暖異常年和冷異常年夏季對(duì)流層低層風(fēng)場(chǎng)異常作了合成分析。從圖10b可以看出,暖異常時(shí),對(duì)流層低層菲律賓以東洋面有一支反氣旋性偏差環(huán)流(中心位于圖中“A”字所在的位置),它大大加強(qiáng)了西太副高系統(tǒng)南側(cè)的東風(fēng)強(qiáng)度,并向西南方向延伸,影響了熱帶西南季風(fēng)向東亞地區(qū)的發(fā)展,這支偏差氣流西側(cè)的偏南風(fēng)在臺(tái)灣海峽轉(zhuǎn)向形成一支氣旋性偏差環(huán)流,該偏差氣流北側(cè)的偏東氣流與日本群島附近的高壓系統(tǒng)南側(cè)的偏東氣流合并,一起轉(zhuǎn)向大陸,形成異常的副熱帶西南季風(fēng)。從圖10c可以看出,冷異常年的風(fēng)場(chǎng)距平合成與暖異常年的差異非常明顯,在冷異常年,西太平洋上空對(duì)流層低層菲律賓以東洋面有一支氣旋性偏差環(huán)流(中心位于圖中“C”字所在的位置),而日本群島附近有一支反氣旋性偏差環(huán)流,帶來(lái)的結(jié)果是二者中部交匯地帶有一支異常的偏東氣流影響我國(guó)東南沿海地區(qū),對(duì)我國(guó)東南沿海地區(qū)季風(fēng)以及降水有重要影響。

圖9　菲律賓周圍關(guān)鍵區(qū)(126～146°E,16～26°N)夏季區(qū)域平均OLR距平與HCI的時(shí)滯相關(guān)系數(shù)序列(虛線通過(guò)0.1信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.9　The time lagged correlation coefficient sequence of the key area’s averaged OLR anomaly around the Philippines(16—26°N,126—146°E) with the HCI(dashed line indicates statistical significance at the>90% confidence level)

圖10　1981—2011年夏季對(duì)流關(guān)鍵區(qū)(126～146°E,16～26°N)區(qū)域平均OLR距平與500 hPa高度場(chǎng)距平的相關(guān)系數(shù)分布(a;陰影區(qū)表示通過(guò)0.1信度的顯著性檢驗(yàn)),以及西太平洋暖池偏暖(b)、偏冷(c)年合成850 hPa風(fēng)場(chǎng)異常分布Fig.10　(a)The correlation coefficient distribution of the regional averaged OLR anomalies with the 500 hPa height field anomaly(shaded areas are statistically significant at the>90% confidence level),and the (b)warmer and (c)colder wind anomaly at 850 hPa,during 1981—2011

綜上,西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)異常引起菲律賓周圍對(duì)流活動(dòng)異常,進(jìn)而激發(fā)出東亞地區(qū)夏季500 hPa高度場(chǎng)上自低緯度到中高緯度正、負(fù)、正的東亞-太平洋(EAP)遙相關(guān)型分布特征;環(huán)流場(chǎng)上,暖池暖(冷)異常時(shí),對(duì)流層低層在菲律賓以東的西太平洋洋面形成一個(gè)異常的反氣旋性(氣旋性)偏差環(huán)流,對(duì)東亞季風(fēng)以及我國(guó)東部地區(qū)降水有重要影響。

5　結(jié)論

本文以夏季西太平洋暖池次表層熱含量表征暖池?zé)釥顩r,分析了暖池?zé)釥顟B(tài)變異及其鄰近地區(qū)對(duì)流活動(dòng)特征,得到以下主要結(jié)論:

1)暖池區(qū)熱含量異常變化最大,其季節(jié)變化與海表溫度的季節(jié)變化高度一致,年際變率大于海表溫度的年際變率,暖池區(qū)域海表溫度對(duì)局地?zé)岷看嬖谝欢ㄘ暙I(xiàn)。

2)暖池?zé)釥顟B(tài)以整體一致性正異常為主,其時(shí)間系數(shù)較好地體現(xiàn)了暖池區(qū)次表層熱狀況的年際變異特征,暖池在100～200 m深度具有最大的海溫變異,平均而言,暖池厚度在50 m以淺,溫躍層深度在200 m以淺。

3)暖池鄰近地區(qū)對(duì)流活動(dòng)與夏季暖池?zé)釥顟B(tài)異常密切相關(guān),當(dāng)暖池偏暖(冷)時(shí),菲律賓周圍關(guān)鍵區(qū)對(duì)流活動(dòng)顯著增強(qiáng)(減弱),并且關(guān)鍵區(qū)的對(duì)流活動(dòng)受熱含量的影響可以追溯至前一年7月一直持續(xù)到當(dāng)年9月。

4) 暖池?zé)岷慨惓？梢砸鸱坡少e周圍關(guān)鍵區(qū)對(duì)流活動(dòng)異常,進(jìn)而激發(fā)出東亞地區(qū)夏季500 hPa高度場(chǎng)上自低緯度到中高緯度正、負(fù)、正的東亞—太平洋(EAP)遙相關(guān)型分布特征;環(huán)流場(chǎng)上,暖池暖(冷)異常時(shí)對(duì)流層低層在菲律賓以東的西太平洋洋面形成一個(gè)異常的反氣旋性(氣旋性)偏差環(huán)流。

References)

Chen G,Fang C,Zhang C.2004.Observing the coupling effect between warm pool and “rain pool” in the Pacific Ocean[J].Remote Sens Environ,91(2):153-159.

Chen Y,Hu D.2003.Influence of heat content anomaly in the tropical warm pool region on onset of South China Sea summer monsoon[J].Acta Meteor Sinica,17:213-225.

陳穎曼,曹杰,王傳輝.2013.中國(guó)東南部冬季降水變化及環(huán)流特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),36(3):323-330.Chen Y M,Cao J,Wang C H.2013.Precipitation variation over southeastern China in winter and its circulation pattern[J].Trans Atmos Sci,36(3):323-330.(in Chinese).

陳永利,胡敦欣.2003.南海夏季風(fēng)爆發(fā)與西太平洋暖池區(qū)熱含量及對(duì)流異常[J].海洋學(xué)報(bào),25(3):20-31.Chen Y L,Hu D X.2003.The relation between the South China Sea summer monsoon onset and the heat content variations in the tropical western Pacific warm pool region[J].Acta Oceanologica Sinica,25(3):20-31.(in Chinese).

Cornejo-Garrdo A G,Stone P H.1977.On the hear balance of the Walker circulation[J].J Atmos Sci,34:1155-1162.

Cravatte S,Delcroix T,Zhang D,et al.2009.Observed freshening and warming of the western Pacific warm pool[J].Climate Dyn,33(4):565-589.

Donguy J R,Eldin G,Morliere A,et al.1984.Wind and thermal conditions along the Equatorial Pacific[J].J Mar Res,42:103-121.

Fang L,Chen G,Fang C,et al.2004.An investigation of recent western Pacific warm pool variabilities based on AVHRR/SST[J].Journal of Ocean University of China(English Edition),34:103-108.

馮娟,管兆勇,王黎娟,等.2010.夏季熱帶中太平洋SST異常型與中國(guó)東部夏季氣候異常的關(guān)系[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),33(5):547-554.Feng J,Guan Z Y,Wang L J,et al.2010.Impacts of central equatorial Pacific SSTA pattern on precipitation and temperature in East China in summer[J].Trans Atmos Sci,33(5):547-554.(in Chinese).

Hasegawa T,Hanawa K.2003.Heat content variability related to ENSO events in the Pacific[J].J Phys Oceangr,33:407-421.

Hu D,Yu L.2008.An approach to prediction of the South China Sea summer monsoon onset[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology,26:421-424.

Hu Z.1997.Interdecadal variability of summer climate over East Asia and its association with 500 hPa height and global surface temperature[J].J Geophys Res,102:19403-19412.

Huang R H.1992.The East Asia/Pacific pattern teleconnection of summer circulation and climate anomaly in East Asia[J].Acta Meteor Sinica,6(1):25-36.

Huang R H,Lu L.1989.Numerical simulation of the relationship between the anomaly of the subtropical high over East Asia and the convective activities in the western tropical Pacific[J].Adv Atmos Sci,6:202-214.

Huang R,Sun F.1992.Impacts of the tropical western Pacific on the East Asian summer monsoon[J].J Meteor Soc Japan,70:243-256.

黃榮輝,孫鳳英.1994.熱帶西太平洋暖池的熱狀態(tài)及其上空的對(duì)流活動(dòng)對(duì)東亞夏季氣候異常的影響[J].大氣科學(xué),18(2):140-151.Huang R H,Sun F Y.1994.Impacts of the thermal state and the convective activities in the tropical western warm pool on the summer climate anomalies in East Asia[J].Chin J Atmos Sci,18(2):140-151.(in Chinese).

Kurihara K,Kawahara M.1986.Extremes of East Asian weather during the post ENSO years of 1983/84-Severe cold winter and hot dry summer[J].J Meteor Soc Japan,64:493-503.

Lau K M,Wu H T,Bony S.1997.The role of large-scale atmosphere circulation in the relationship between tropical convection and sea surface temperature[J].J Climate,10:381-392.

李麗平,王盤興,何金海,等.2004.熱帶西太平洋熱狀況年代際和年際變化特征分析[J].熱帶氣象學(xué)報(bào),20(5):472-282.Li L P,Wang P X,He J H,et al.2004.Analysis of interdecadal and interannaual characterics of the tropical wesrtern pacafic warm pool heat status[J].J Trop Meteor,20(5):472-282.(in Chinese).

李萬(wàn)彪,周春平.1999.熱帶西太平洋暖池和副熱帶高壓之間的關(guān)系[J].氣象學(xué)報(bào),56(5):619-626.Li W B,Zhou C P.1999.The relationship between tropical western Pacific warm pool and subtropical high[J].Acta Meteorologica Sinica,56(5):619-626.(in Chinese).

Lu R.2001.Interannual variability of the summertime North Pacific subtropical high and its relation to atmospheric convection and over the warm pool[J].J Meteor Soc Japan,79:771-783.

Mcphaden M.1999.Genesis and evolution of the 1997—98 El Nino[J].Science,283:950-954.

Nitta T.1987.Convective activities in the tropical western Pacific and their impact on the Northern Hemisphere summer circulation[J].J Meteor Soc Japan,64:373-390.

Nitta T.1990.Unusual summer weather over Japan in 1988 and its relationship to the tropics[J].J Meteor Soc Japan,68:575-587.

Ren B,Huang R.1999.Interannual variability of the convective activities associated with the East Asian summer monsoon obtained from TBB variability[J].Adv Atmos Sci,16:77-90.

Tourre Y M,White W B.1995.ENSO signals in global upper ocean temperature[J].J Phys Oceanogr,25:1317-1332.

Wang B,Wu R G,Fu R H.2000.Pacific-East Asian teleconnection:How does ENSO affect East Asian climate?[J].J Climate,13:1517-1536.

王東曉,謝強(qiáng),周發(fā)琇.2001.南海及鄰近海域異常海溫影局域大氣環(huán)流的初步試驗(yàn)[J].熱帶氣象學(xué)報(bào),20(3):82-89.Wang D X,Xie Q,Zhou F X.2001.Preliminary experiments for regional atmospheric circulation’s response to SST anomalies in south China Sea and its adjacent areas[J].J Trop Meteor,20(3):82-89.(in Chinese).

Wyrtki K.1989.Some thoughts about the West Pacific Warm Pool[C]//Proceedings of the Western Pacific international meeting and workshop on TOGA-COARE.New Caledonia:99-109.

謝炯光,秦冰冰,王靜淵.1997.奇異值分解方法在季降水預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].氣象學(xué)報(bào),55(1):117-123.Xie J G,Qin B B,Wang J Y.1997.The application of singular value decomposition analysis in the prediction of seasonal rainfall[J].Acta Meteorological Sinica,55(1):117-123.(in Chinese).

岳彩軍,陸維松.2009.1997/1998年El Nino事件發(fā)生、發(fā)展可能機(jī)制的進(jìn)一步研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),32(4):513-521.Yue C J,Lu W S.2009.Further study on possible mechanism for genesis and development of 1997/1998 El Nino event[J].Trans Atmos Sci,32(4):513-521.(in Chinese).

The variability of the thermal state over the western Pacific warm pool(WP) and the characteristics of its adjacent convective activities were studied using the monthly subsurface sea temperature data of GODAS from 1981 to 2011,together with a variety of statistical methods.The heat content(HC) was defined as the subsurface vertical temperature averaged from 5 to 366 m.The results demonstrate that:

(1)The WP area is the place where the HC has its largest variability,and its maximum value can reach 1.2 ℃ which is equivalent to the variation in SST.The depth layer from 100 to 200 m is the largest in terms of the change in subsurface temperature,usually changing from -4.0 ℃ to 4.0 ℃ Its seasonal variation is highly consistent with SST,and its interannual variability is much greater than that of SST.There is a certain degree of contribution to the HC from the SST of the WP.The thermal condition of the WP is closely related with ENSO events,as the largest cold(warm) SST anomalies correspond to El Nio(La Nia) events in the ENSO cycle.

(2)The dominant mode of HC is one of positive anomalies,and its corresponding time coefficient(PC1) shows evident annual variability in the sub-layer heat condition over the WP.A heat content index(HCI) was constructed by using the HC averaged over the WP region.Then,five colder years(HCI smaller than -1) and six warmer years(HCI larger than 1) were identified from the total 31 years,with the total abnormal years accounting for 1/3 of the whole period.

(3)There is a close relationship between the convective activities nearby the WP and the abnormal thermal state there in summer.The area of(16—26°N,126—146°E) around the Philippines was chosen as the key area to reflect the characteristics of convection of the adjacent areas of the WP,revealing that the convective activities over this critical region significantly enhance(weaken) when the WP is warmer(colder).The fact that convective activities are affected by the HC can be traced back to the July prior to a particular year,and through to the September of that current year,demonstrating the strongly persistent effects of the HC anomalies on the convective activities.

(4)HC anomalies of the WP cause abnormal convection around the Philippines,and thus stimulate the East Asia-Pacific teleconnection pattern,with a positive-negative-positive pattern of centers in the 500 hPa height fields from the low to the high latitudes over East Asia in summer.The region with positive correlation in the low latitudes corresponds to the western Pacific subtropical high;the negative correlation in the midlatitudes corresponds to the Mei-yu front;and the other positive correlation in the high latitudes represents the Okhotsk high.This circulation situation indicates that when the convective activities around the Philippines are enhanced,it is conducive to the western Pacific subtropical high controlling the Yangtze River region,with its intensity weakened.As a result,the precipitation and convective activities over the Yangtze River in summer will be affected,due to the weakened southward movement of cold air,which is the result of the weakened Okhotsk high.

In order to study the responses of the atmospheric circulation in East Asia to the thermal states of the WP,the anomalous wind fields in the lower troposphere were composited between the significant warmer and colder years.The results reveal that there is an abnormal anticyclonic(cyclonic) circulation bias in the lower troposphere over the western Pacific Ocean to the east of the Philippines when the WP is warmer(colder),which has an important influence on the East Asian monsoon and the precipitation over eastern China.

western Pacific warm pool;thermal state;heat content;convective activity

(責(zé)任編輯：張福穎)

Variability of the thermal state of the western Pacific warm pool and the characteristics of its adjacent convective activities

LI Yejin1,2,WANG Lijuan1

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange(ILCEC)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD)/ScienceandTechnologyInnovationTeamonClimateSimulationandForecast,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2EnvironmentalProtectionBureauofSiyangCounty,Suqian223700,China

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140915043

*聯(lián)系人，E-mail:wljfw@163.com

引用格式：李業(yè)進(jìn),王黎娟.2016.西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)變異及其鄰近地區(qū)對(duì)流活動(dòng)特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(2):156-165.

Li Y J,Wang L J.2016.Variability of the thermal state of the western Pacific warm pool and the characteristics of its adjacent convective activities[J].Trans Atmos Sci,39(2):156-165.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140915043.(in Chinese).