热带冬夏季内振荡的海气相互作用

热带冬夏季内振荡的海气相互作用

1带一路带大气iso的年际变化特征及机理在单带内，地震（i）被认为是单带循环系统中的一个重要系统之一。它的活动和异常对许多地区的气候和气候有显著影响。例如,2008年1月中旬至2月初,一场低温雨雪冰冻天气袭击了中国南方20个省(区、市),从时间尺度来看,此过程属于季节内时间尺度。数值天气预报结果清楚地表明,模式对大气ISO的描写(预报)如何,对预报效果有十分重要的影响。模式模拟结果的均方根误差中有30%～40%是来自于模拟的大气ISO的均方根误差,尤其是大气ISO模拟的均方根误差的分布形势与总的均方根误差的分布形势几乎完全一致。因此可以认为,大气ISO在天气气候模拟中极为重要,而如何在数值模式中模拟好大气季节内振荡还需要进一步的研究探索。大气ISO最早是在热带发现的,热带大气季节内振荡与季风系统的演变以及区域天气气候有密切的关系。例如,2005年6月中下旬华南发生了一次历史罕见的持续性致洪暴雨,此次华南持续性暴雨与热带ISO向北传播到华南有关;2008年2月热带对流季节内振荡在苏门答腊的异常停止对我国东南部地区的持续寒冷天气起到非常重要的作用。可见,研究热带大气ISO的活动变化特征及机理具有重要意义。20世纪80年代气象学家就注意到热带大气ISO年际变化特征。最近分析证明,热带季节内振荡存在着年际甚至更长时间的变化,20世纪70年代末期季节内振荡的幅度有一明显的突变。由于赤道中东太平洋海温异常(SSTA)最显著,因此长期以来对于热带大气ISO年际变化的研究大多与赤道中东太平洋ENSO事件联系起来。研究认为,在ENSO暖(冷)位相,中太平洋东传MJO加强(减弱),而其他地区MJO与ENSO基本无关。Li等利用11a资料分析表明,东太平洋海温年际变化与局地MJO强度呈正相关,而西太平洋海温年际变化幅度小,与局地MJO强度无直接联系。李崇银等研究发现,ENSO发生之前赤道西太平洋ISO较强,ENSO发生之后赤道西太平洋ISO较弱。Slingo等认为,总体MJO与ENSO无关,Lawrence等的结果说明南亚地区夏季ISO强度年际变化与任何同时或超前海表温度无相关。Chen等利用NCEP/NCAR资料揭示了全球不同纬度带之间的大气ISO年际变化具的同步性,以及大气ISO与东太平洋海温相关的复杂性,大气ISO与Niňo3指数的关系存在年代际尺度的变化。杨辉等利用NCEP/NCAR资料进一步分析表明,赤道大气ISO的纬向传播有明显的年变化特征,ENSO与赤道大气ISO的纬向传播有一定关系,赤道大气ISO的系统性东传与ElNiňo有密切关系,而LaNiňa的发生同大气ISO的西传关系明显,尤其是夏季。Teng等针对北半球夏季季节内振荡(borealsummerintraseasonaloscillation,BSISO)分析指出,当东太平洋SSTA为正异常时,西北太平洋盛夏(7～10月)向西传播和向北传播的ISO明显加强。Lin等进一步分析发现,ENSO发展阶段与衰减阶段,BSISO(5～10月)的异常变化具有不对称性:在ElNiňo(LaNiňa)发展年,最显著的变化是赤道及附近地区(5°S—10°N)纬向静止波和东传波明显偏强(偏弱);在ElNiňo(LaNiňa)衰减年,除了赤道地区东传波减弱(加强)外,南海纬度带东传波和西传波都明显减弱(加强),南海经度带北传波也明显减弱(加强)。可见,赤道东太平洋海温异常与南海及周边地区BSISO的关系在ElNiňo(LaNiňa)衰减阶段比发展阶段更为显著。以上关于ENSO与大气ISO遥相关的结果存在一定差异,说明两者之间的关系随ENSO循环的位相和季节而发生变化。热带ISO年际变化除了与ENSO相关之外,是否存在其他尺度的年际变化目前还缺乏清晰的认识。大家知道,热带对流层准2a周期振荡(TBO)是亚澳季风区海气耦合系统变化的基本特征之一,那么印度洋-太平洋区域BSISO年际变化主周期是什么?热带各海区海气相互作用分别起多大作用?这些问题都有待于研究探讨。本工作针对BSISO各种传播模态的年际变化特征、不同热带海区对其影响进行观测事实及数值模拟分析研究。2试验设计和结果本工作用到的观测资料是1979—2005年向外长波辐射(OLR)候平均资料。利用SINTEX-F(ScaleINTeractionEXperiment-FRCGC)海气耦合模式进行模式试验研究,该模式在日本JAMSTEC地球模拟器计算机上开发运行。SINTEX-F海气耦合模式由FRCGC(FrontierResearchCenterforGlobalChange)基于原来欧洲的SINTEX模式发展而来。该耦合模式的大气模块采用约1.1°×1.1°高水平分辨率(T106)的ECHAM4,海洋模块是具有ORCA2配置的OPA8.2,ORCA2网格分布,2°(经度)×0.5°～2°(纬度),北极极点被转换到欧亚和北美大陆),没有通量校正的耦合信息每2h通过OASIS2.4耦合器在OPA和ECHAM4之间交换。SINTEX-F耦合模式能重现年循环、ENSO和PDO,包括3～5a的周期、振幅强度和热带太平洋SST异常在经向上大的空间型,印度洋上的ENSO遥相关和IOD也都真实地模拟出来。SINTEX-F模式有很强的季节预报能力,对1982—2001年间的所有ElNiňo和LaNiňa,超前12个月集合预报技巧评分达到0.7。有的ENSO事件甚至能提前2a预报。对印度洋的气候异常,特别是IOD的预报技巧也能达到提前2个季度左右。为了研究热带不同海区海气相互作用对BSISO年际变化的影响,本工作设计运行了4组SINTEX-F耦合模拟试验,每组试验积分70a。第一组试验是控制试验,大气和海洋在全球海洋上全耦合(将控制试验记为CTL);在第二组理想试验中,热带印度洋(30°S—30°N)给定来自控制试验中的SST气候年循环(记为ESdI);在第三组理想试验中,热带太平洋(30°S—30°N)给定来自控制试验中的逐年月平均SST(记为ESdP)。在第四个试验中,只有热带东太平洋(日界线以东)的海气相互作用被隔绝。通过分析比较第一组与第二组(第三组或第四组)试验结果,可以有效地了解热带印度洋(太平洋或东太平洋)海气相互作用对热带BSISO年际变化的影响。这种数值模拟试验研究,避免了实际观测资料中包含不同海区海气相互作用信息互相干扰的情况。本文分析去掉最初的spin-up积分(20a),仅用模式结果后50a资料。考虑到夏季(5～10月)亚太地区ISO同时存在3种传播形式:向东传播模、在印度-西北太平洋季风区的向北传播、赤道外的向西传播模,针对这3种传播方向,我们利用OLR资料,分别定义东传ISO指数、西传ISO指数和北传ISO指数。这里我们首先使用有限区域的波数-频率谱分析方法将时-空场转换为波数-频率谱,从而分离出各种不同频率(周期)、波数(空间尺度)和传播方向,再求夏季平均的某段频率、波数的区域平均谱密度,从而得到夏季亚太地区东传ISO指数、西传ISO指数和北传ISO指数多年时间序列。对观测资料和4组试验结果(主要选OLR、风速),都分别建立夏季亚太地区东传、西传和北传ISO指数60a时间序列。由于下垫面状况(如SST、陆地、洋面水汽分布)和季风环流三维结构特征的影响,BSISO基本上局限于夏季风区,因此,类似有关文献作法,我们将时空谱分析方法应用于以夏季风区为主的有限区域,即印度洋-西太平洋地区,每年夏半年(5～10月)分别取40°E—180°(或100°E—180°)范围进行纬向传播时空谱分解、取5°S—25°N范围进行经向传播时空谱分解。基于3种传播模态的谱分布特征,赤道东传波和不同海区北传波的能量主要集中在1波,而赤道外西传波在1,2,3波的能量都较大,本工作将5°S—10°N区域范围、4～10候周期段的纬向1波平均谱(时空谱分解纬向范围为40°E—180°)定义为赤道东传指数;将5°～20°N区域范围、2～10候周期段的纬向1,2和3波平均谱(时空谱分解纬向范围为100°E—180°)定义为赤道外西传指数;将65°～95°E(105°～120°E或120°E—180°)区域范围、6～10候周期段的经向1波平均谱(时空谱分解经向范围为5°S—25°N)定义为印度洋(南海或西太平洋)北传指数。在分析之前,有必要检验模式对BSISO各模态的气候谱分布特征的模拟效果。图1,图2将控制试验与观测分析进行比较,表明4种传播模态(向东传播、向西传波、向北传播和向南传播)气候谱分布特征与观测分析类似。这是下文进一步分析的必要基础。需要说明的是,虽然以上4种传播模态的气候谱分布与有关文献结果类似但量级差异较大,这是由于资料时间分辨率不同而引起的,文献用的是日平均资料,而本文采用候平均资料。3各种指数年际变化格局的日变化图3是赤道东传指数、赤道外(5°～20°N)西传指数、印度洋区域(65°～95°E)北传指数、南海区域(105°～120°E)北传指数以及西太平洋(120°E—180°)北传指数共5个指数的年际变化曲线。各曲线都表明年际变化都很明显。计算表明,年际标准差分别达到各自平均值的38.4%(赤道东传波)、14.2%(赤道外西传波)、27.1%(印度洋北传波)、43.9%(南海区域北传波)、48.4%(西太平洋北传波)。可见南海、西太平洋区域北传波年际变化百分比最高。图4是各指数的年际变化谱(即小波方差)。由图4表明,赤道东传波超过显著性检验的有两个周期段:2.1～3.5a,4.1～4.9a,其中2～3.5a为较强。赤道外西传波超过显著性检验的周期段为2.1～4.1a。印度洋北传波以2.1～2.9a为主要振荡周期,南海北传波超过显著性检验的有两个周期段:2.1～2.9a,3.5～4.9a,西太平洋北传波超过显著性检验的有两个周期段:2.1～2.9a,4.9a。以上表明各种指数年际变化谱分布各不相同,但总的来说,各种指数的年际变化主要有两个周期段:2～3a左右和5a左右,下文将2～3.5a时间范围称为准2a尺度、4～7a时间范围称为准5a尺度。在5种指数谱分布中,赤道外西传波(5°～20°N,100°E—180°)和印度洋北传波(5°S—25°N,65°～95°E)以准2a尺度为显著振荡周期,赤道东传波(5°S—5°N,40°E—180°)、南海北传波(5°S—25°N,105°～120°E)和西太平洋北传波(5°S—25°N,120°E—180°)则都包含两种周期,其中南海北传波准5a尺度年际振荡明显偏强,而赤道东传波和西太平洋北传波以准2a振荡为较强。可见,南海北传波是5种指数中惟一以准5a尺度为主要周期振荡的。4带太平洋海气相互作用对准2a振荡的控制作用很多研究表明,海气相互作用对大气ISO有重要的影响,然而单纯从观测分析很难了解各海区海气相互作用的影响程度。因此我们试图从数值模拟试验角度分析探讨热带各海区海气相互作用对BSISO年际变化的影响。首先有必要检验控制试验(ES10)对BSISO年际振荡谱特征的模拟效果。图5是由控制试验结果(后50a的OLR候平均资料)分析得到的5种指数的谱分布曲线。将图5与图4比较可以看出,模式结果大体与实测分析结果类似,例如,赤道东传波、南海北传波和西太平洋北传波谱曲线的双峰型分布,赤道外西传波谱曲线的单峰型分布,都在模式结果中得到体现。但对印度洋北传波年际谱模拟较差,模式夸大了准5a振荡强度、削弱准2a振荡。基于模式的模拟效果,本节将针对前4种指数(即赤道东传波、赤道外西传波、南海北传波和西太平洋北传波)进行分析。图6是热带印度洋给定气候值的理想试验(ESdI)中的4种指数(赤道东传指数、赤道外西传指数、南海北传指数以及西太平洋北传指数)小波方差图。与控制试验结果(见图5)比较可以发现,小波方差曲线的形状都发生了变化,说明热带印度洋海气相互作用对4种指数年际变化谱都有一定的影响。例如,比较图5b,图6b可以看出,在没有热带印度洋海气相互作用的情况下,西传波的准2a振荡谱仍然达到显著性检验,但谱值明显减弱,说明热带印度洋海气相互作用对西传波的准2a振荡起到加强作用,同时也说明西传波的准2a振荡并非完全由热带印度洋海气相互作用控制(因为图6b的准2a振荡谱仍然达到显著性检验)。从图6b还可看出另一点,准5a振荡是显著的,而图5b却没有此峰值出现。由此我们推测:热带印度洋海气相互作用对准5a振荡起削弱作用。从西太平洋区域北传波来看,热带印度洋海气相互作用同样有加强准2a振荡的作用(比较图5e,图6d)。图7表明,在没有热带太平洋海气相互作用的情况下,赤道东传波准2a振荡主周期略偏短,谱峰值出现在2.1a(图7a),控制试验谱峰值在2.9a(见图5a)。说明热带太平洋海气相互作用对准2a振荡周期有调整作用,使振荡周期略加长。热带太平洋海气相互作用对赤道外西传波准2a振荡则有加强作用(比较图5b和图7b),对南海或西太平洋北传波的作用主要是加强准5a振荡(分别比较图5d和图7c,图5e和图7d)。在没有热带东太平洋海气相互作用的情况下(图8),赤道外西传波准2a振荡有所减弱,同时振荡周期略加长(比较图5b和图8b)。说明热带东太平洋海气相互作用加强准2a振荡并对准2a振荡周期有所调整。热带东太平洋海气相互作用对西太平洋北传波的准2a振荡也有加强作用(比较图5e和图8d)。综合比较图5、图7和图8,我们可以推测热带西太平洋海气相互作用对不同BSISO模态年际变化的影响。例如,图5a、图7a和图8a之间的差异表明,没有热带东太平洋海气相互作用情况下赤道东传波准2a振荡变化较小,而在没有整个热带太平洋海气相互作用情况下,赤道东传波准2a振荡变化较明显,说明这种变化是由热带西太平洋海气相互作用造成的。可见热带西太平洋海气相互作用对赤道东传波准2a振荡的影响比东太平洋明显。对南海北传波准5a振荡,则西太平洋海气相互作用起到关键作用(比较图5d、图7c和图8c)。为了较为直观地分析比较热带印度洋等海区海气相互作用对BSISO个指数准2a振荡、准5a振荡的作用,我们计算控制试验(ES10)及各理想试验(ESdI,ESdP,ESdEP)不同周期段年际振荡方差。具体地,首先对指数序列进行小波分析,然后分别针对准2a周期段(对应小波尺度1～4)、准5a周期段(对应小波尺度5～8)进行序列重构,最后计算各重构序列的方差。利用重构序列方差反映不同时间尺度年际振荡的相对强度,通过比较控制试验与各理想试验之间重构序列方差的差异,了解各海区海气相互作用对不同周期段年际变化的影响。图9给出了各试验中赤道东传指数、赤道外西传指数、南海北传指数以及西太平洋北传指数准2a(直方图)、准5a(实线)重构序列方差变化。首先从图9a—d可以看出,控制试验较好地反映出“南海北传波是惟一以准5a尺度为最主要周期振荡的指数,其他指数则以准2a振荡为最主要周期”这一特点。通过比较ES10与各理想试验(ESdI,ESdP,ESdEP)之间的差异,可以发现各海区海气相互作用对准2a振荡、准5a振荡的作用。就赤道东传波准2a振荡(见图9a直方图)而言,印度洋和太平洋都有加强作用,而热带东太平洋却有削弱作用,可见西太平洋起到较大的加强作用。就赤道东传波准5a振荡(见图9a实线)而言,热带西太平洋、东太平洋都有加强作用,而印度洋为减弱作用。就赤道外西传波准2a振荡(见图9b直方图)而言,赤道印度洋和太平洋都有加强作用。观测事实和控制试验同时表明,赤道外西传波只有准2a振荡达到显著性检验,因此准5a振荡不讨论。从南海北传波准2a振荡(见图9c直方图)来看,起加强作用的是西太平洋,东太平洋影响较弱,而印度洋却有减弱作用。从南海北传波准5a振荡(见图9c实线)来看,起加强作用的是西太平洋和印度洋,东太平洋影响反而较弱。对西太平洋北传波准2a振荡起加强作用的主要是热带印度洋和东太平洋(见图9d直方图),热带印度洋、西太平洋和东太平洋对西太平洋北传波准5a振荡则都有加强作用(见图9d实线)。为了较为定量地分析热带印度洋等海区海气相互作用对BSISO准2a振荡、准5a振荡的贡献,表1给出了各理想试验的重构序列方差变化百分比。所谓理想试验的重构序列方差变化百分比,就是控制试验某周期段重构序列方差与理想试验对应周期段重构序列方差之间的差异占控制试验相同周期段重构序列方差的百分比。以ESdI试验为例,其准2a、准5a振荡重构序列方差变化百分比的具体计算表达式如下:PER_TBO_dI=100%×(Var10_TBO−VardI_TBO)/Var10_TBO‚(1)PER_QFO_dI=100%×(Var10_QFO−VardI_QFO)/Var10_QFO‚(2)ΡER_ΤBΟ_dΙ=100%×(Var10_ΤBΟ-VardΙ_ΤBΟ)/Var10_ΤBΟ‚(1)ΡER_QFΟ_dΙ=100%×(Var10_QFΟ-VardΙ_QFΟ)/Var10_QFΟ‚(2)式中,PER_TBO_dI(PER_QFO_dI)为ESdI试验准2a(准5a)振荡重构序列方差变化百分比;Var10_TBO(Var10_QFO),VardI_TBO(VardI_QFO)分别表示ES10,ESdI试验准2a(准5a)重构序列的方差。PER_TBO_dI(PER_QFO_dI)可代表热带印度洋海气相互作用对BSISO准2a振荡(准5a振荡)的贡献率。同理可以计算热带太平洋、热带东太平洋海气相互作用对BSISO准2a振荡(准5a振荡)的贡献率PER_TBO_dP(PER_QFO_dP),PER_TBO_dEP(PER_QFO_dEP)。并利用ESdP,ESdEP两试验之间差异推算出热带西太平洋海气相互作用对BSISO准2a振荡(准5a振荡)的贡献率PER_TBO_dWP(PER_QFO_dWP)。由表1可以清楚地看出,热带印度洋、西太平洋、东太平洋三海区海气相互作用比较而言,对赤道东传波(5°S—10°N,40°E—180°)准2a和准5a振荡起最大加强作用的都是西太平洋海区海气相互作用;对赤道外西传波(5°～20°N,100°E—180°)准2a振荡起最大加强作用的是印度洋海区海气相互作用(贡献率42.6%),赤道东太平洋也有较大的贡献率(36.6%);对南海北传波(5°S—25°N,105°～120°E)准2a和准5a振荡起最大加强作用的都是西太平洋海区海气相互作用(贡献率分别为9.4%,70.3%);而对西太平洋北传波(5°S—25°N,120°E—180°)准2a和准5a振荡起最大加强作用的则都是热带印度洋海气相互作用(贡献率分别为57.3%,64.7%),热带东太平洋的作用略小,但其贡献在50%左右,也不可忽视。表1不同指数之间比较可以发现,上述三海区海气相互作用影响最强的是西太平洋海区海气相互作用对南海北传波准5a振荡的影响(贡献率达到70.3%),受海气相互作用影响最弱的是南海北传波准2a振荡(最大贡献率只有9.4%)。由此可见西太平洋海气相互作用对南海北传波准5a振荡的可预报性最高,另外,热带印度洋海气相互作用对西太平洋北传波准2a和准5a振荡的可预报性也较高(贡献率为57.3%,64.7%),而其他都低于50%。从表1我们还注意到,热带印度洋和太平洋两海区海气相互作用对南海(或西太平洋)北传波指数准5a振荡的贡献率之总和超过了100%,这可能与不同海区之间存在相互作用有关,其确切原因需要进一步研究。5海气耦合模式本文利用卫星观测OLR资料以及数值模拟试验结果,在波-频分析的基础上,提取了各种传播模态的强度指数序列。分析了BSISO各种传播模态的年际变化谱特征,探讨了热带各海区海气相互作用对其影响。主要结果如下:(1)观测分析表明,BSISO各模态(向东传播、向西传波、向北传播和向南传播)的年际变化都很明显。在5种指数的小波谱分析发现,赤道外西传波(5°～20°N,100°E—180°)和印度洋北传波(5°S—25°N,65°～95°E)以准2a尺度为显著振荡周期;赤道东传波(5°S—5°N,40°E—180°)、南海北传波(5°S—25°N,105°～120°E)和西太平洋北传波(5°S—25°N,120°E—180°)则都包含两种周期,其中南海北传波准5a尺度年际振荡明显偏强,而赤道东传波和西太平洋北传波以准2a振荡为较强。可见,南海北传波是5种指数中惟一以准5a尺度为最主要周期振荡的模态。(2)SINTEX-F海气耦合模式,对BSISO各模态(向东传播、向西传波、向北传播和向南传播)的季节内气候谱分布特征的模拟效果较好地。控制试验(ES10)对BSISO年际变化谱特征的模拟情况为:赤道东传波、南海北传波和西太平洋北传波谱曲线的双峰型分布,赤道外西传波谱曲线的单峰型分布,都在模式结果中得到体现。但对印度洋北传波年际谱模拟较差,模式夸大了准5a振荡强度、削弱准2a振荡。基于模式的模拟效果,针对前4种指数(即赤道东传波、赤道外西传波、南海北传波和西太平洋北传波)进一步分析各海区海气相互作用对其影响。(3)各海区海气相互作用对