热带西太平洋及中国南海季节内时间尺度上海气相互作用研究

许园春，男，(1980-)，黑龙江人，中级工程师，项士，研究方向：海气相互作用；Email:xuyuanchun200@；海南陵水92497部队82分队，572425家自然科学基金（40405010）资助热带西太平洋及中国南海季节内时间尺度上海气相互作用研究许园春谭言科焦云涛

(解放军理工大学气象学院)（海军飞行学院）

摘要：利用TRMM日平均海表面温度及NCEP再分析资料，通过滤波及合成位相分析等方法对热带西太平洋及中国南海地区在季节内时间尺度上的海气要素场相互作用的位相关系及其物理机制作了进一步分析和探讨。分析结果表明：海洋大气有着明显相互作用和位相先后次序关系。关键词：海表面温度季节内振荡海气相互作用

大气季节内振荡直接与长期天气变化和短期气候异常有着密切关系[1-3]，近年来一直受到广大气象学家重视，成为大气科学研究尤其是气候变化研究的重要前沿课题之一。一些研究表明，大气季节内振荡与海表面温度季节内振荡有密切的关系。TOGA(TropicalOcean-GlobalAtmosphere）COARE(CoupledOcean-AtmosphereResponseExperiment)最重要的发现之一是海洋上层存在与大气季节内振荡相联系的海表面温度季节内强迫作用[4]。HendonandGlick,1997[5]指出：海表面强迫项在结构和向东传播上与大气季节内振荡有高度的一致性。HendonandJ.Click,1997[6]指出：大气季节内振荡强烈影响赤道印度洋和西太平洋暖池海域的海洋上层的热平衡，这一点通过海表面温度的季节内变化已得到证实。Hendon,H,HandJ.Click,1997[6];Shmoda,T.,H.H.Hendon,J.Ghck,1998[7];Sun（1993）[8]等人指出：在西太平洋暖池区有明显的海表面热通量和SST的季节内振荡，它们之间可能有着紧密的联系。Flatauetal.,1997[9];Waliseretal.,1999[10]指出：如果考虑SST对海表面热通量的响应，模拟出的MJO的强度、周期和传播会更加合理。LiuQinyu和SunJilin[11]用TOGO-COARE观测资料研究指出，在暖池区，海水混合层表层海流受MJO影响很大，混合层水温季节内振荡与西风爆发，辐射距平及洋流有很大关系。EricD.Maloney[12]等指出：在ITCZ区域，海表面潜热通量的变化对与MJO有关的SST季节内振荡起重要作用。T.N.Krishnamurti[13]等指出：海表面潜热通量的季节内变化决定于海表面风速和SST的季节内振荡。SteveWoolnough[14]等认为：在季节内时间尺度上，OLR与SST、纬向风应力、潜热通量、太阳短波辐射都有着内在联系，且在西太平洋地区最为明显。曾广恩和练树民等[15]对东海、黄海海表面温度的季节内变化进行了EOF分析，发现东、黄海SST季节内变化与大气中的季节内振荡紧密相关。综上可见，在热带西太平洋海表面温度季节内振荡（以下简称为：SSTISO）与大气季节内振荡（以下简称为：MJO）有着密切的联系，Maloney选取MJO和SSTISO都较活跃的墨西哥西南海域（0~30oN,140oW~90oW）进行研究，发现该区域存在明显的季节内时间尺度海气相互作用。热带西太平洋及中国南海也是SSTISO[1]和MJO[19]的活跃区，但二者在该区域相互作用的物理过程（各要素场位相关系）和物理机制还不清楚，本文试图对该问题做进一步研究。1资料说明及处理 本文使用了如下资料：美国NCEP日平均表层净太阳短波辐射NSWR（netshortwaveradiation）资料，高斯网格点资料，NSWR为负数。美国NCEP日平均表层潜热通量LH（latentheat）资料，高斯网格点资料。美国NCEP日平均10米高度风场资料，高斯网格点资料。美国NCEP日平均外逸长波OLR（outgoinglongwaveradiation）辐射资料，2.5度×2.5度经纬度网格点资料。TRMM日平均海表面温度SST（seasurfacetemperature）资料，0.25度×0.5625度经纬度网格点资料。对资料进行谐波分解，利用30到90天周期范围内的简谐波重构得到以上各要素的季节内振荡信号，具体方法参考文献[1]。2太平洋MJO和SSTISO的时空特征热带西太平洋和中国南海SSTISO活跃期为5到9月如图1所示，其主要活跃区域在150ºE以西，最强的SSTISO事件发生在6-8月，这一点与现有研究[16-20指出的热带大气季节内振荡的季节性特征相似。图15-30ºNSSTISO绝对值季节变化（单位:℃）通过计算风速、LH、NSWR、OLR、SST这几个要素季节内振荡的标准差分布，可以发现它们在热带西太平洋及中国南海区域(105º～140ºE,5º～30ºN)均较为活跃，如图2，这一点与[21]中指出的：“大气季节内振荡在热带西太平洋较为活跃”相吻合。图4.2各要素场位相合成结果第1、3、5、7位相aLH（单位：W/m2,等值线间隔5W/m2）bNSWR（单位：W/m2,等值线间隔5W/m2）cSST（单位：℃,等值线间隔0.1℃,绝对值大于0.1℃dOLR（单位：W/m2,等值线间隔5W/m2）(3)区域平均位相关系分析为了更清楚的说明上述各要素场相互作用过程的位相先后关系，选取西太平洋（125～140oE，6～20oN）区域，取各要素合成结果的区域平均，并对其进行标准化处理得到图4，由图可见，LH和NSWR在位相上几乎是同步的，但与OLR位相相反。SST极大（小）值滞后LH、NSWR极小（大）值约12天（2个位相），OLR极小（大）值滞后SST极大值约12天（2个位相）。图4西太平洋大气季节内振荡和SSTISO合成结果的区域平均时间序列（实线为LH，十字线为NSWR，三角线为SST，圈线为OLR，横坐标为天数，纵坐标为标准差值）12天12天本文得出的热带西太平洋及中国南海LH、NSWR、OLR与SST的位相关系可用下面示意图表述：12天12天LH、NSWR极小（大）值SST极大（小）OLR极小（大）LH、NSWR极小（大）值SST极大（小）OLR极小（大）图5海气要素场位相关系示意图这与Maloney以南北纬5度平均纬向风场的EOF第一，第二时间序列做为合成指数，研究东太平洋SSTISO与MJO关系所得到的位相关系相吻合[22]，其它海域是否也有类似的现象还有待于在下一步工作中研究。可见在季节内时间尺度上，海洋大气是通过上述变量场之间的连锁反应相互作用的。4太平洋ISO相互作用的机理分析及讨论上述位相关系反应一系列海洋大气物理作用过程。NSWR与OLR的反位相关系反应了云量的多少对太阳短波辐射的遮挡作用，当OLR处于极小（大）值时，云量最多（少），对阳光的遮挡作用最明显（不明显），所以海表面净太阳短波辐射NSWR最多（少）。HendonandJ.Click,1997[6]指出潜热通量和太阳短波辐射是造成海表面温度变化的最主要因素，SST的变化方程[23]：是SST在时间的变化，是向下太阳辐射（单位：）,是表面风速（单位：）。可见，海温的变化主要决定于两个要素，（既NSWR）和。越大，越大，越大，越小。是影响蒸发LH的主要因子，计算蒸发率的公式为：这里是蒸发率，是在空气温度为处的饱和水汽压和水汽曲线对温度曲线的斜率，是辐射收支，是测湿常数，是2m高处的风速，是温度为T时的饱合水汽压，是平均水汽压。可见，海表面风速越大，蒸发率越高，蒸发从海表水中吸热越多，造成SST下降。这也是本文选取风速做为合成指数的原因，在合成结果中，风速极大（小）值出现时LH达到极大（小）值（图略）。所以，较多（少）的蒸发量从海表面吸收较多（少）的热能，与此同时较少（多）的净太阳短波辐射使海表面加热量减少（增加），在两方面共同作用下SST不断下降（升高），在LH、NSWR达到极大（小）值之后2个位相（约12天）二者处于由正到负（由负到正）的位相交替阶段，这时SST达到极小（大）值。在热带地区，OLR可以反应对流活动的剧烈程度，OLR越小对流活动越强。对流活动受下垫面加热影响，所以在SST达到极大值（极小值）后2个位相（约12天），SST处于由正到负（由负到正）位相交替阶段，加热（冷却）作用停止，此时气流上升（下沉）运动达到最强阶段，OLR达到极小（大）值。5小结 本文研究了热带西太平洋和中国南海海表面温度季节内振荡和大气季节内振荡相互作用过程，揭示海气要素场位相上的先后关系并讨论了其内在的物理机制，得到如下结论：1、SSTISO与MJO活动在季节性和空间分布上十分相似。2、SSTISO与MJO起着相互调制的作用，这种作用在滤波后各要素场位相上表现为：潜热通量和净太阳短波辐射在位相上几乎是同步的，但与外逸长波射位相相反。海表面温度极大（小）值滞后潜热通量、净太阳短波辐射极小（大）值2个位相，外逸长波射极小（大）值滞后海表面温度极大值约2个位相。参考文献：许园春谭言科李崇银.太平洋海表面温度季节内振荡特征[J].解放军理工大学学报，2008,9（2）：194-201HendonHH,etal.MediumrangeforecastserrorsassociatedwithactiveepisodesoftheMadden-JulianOscillation[J]Mon.Wea.Rev.,2000,128:69-85.JonesC,etal.PredicationskilloftheMadden-JulianOscillationindynamicalextendedrangeforecasts,[J]ClimateDyn.,2000,16:273-289.ZhangChidong.Intraseasonalatmosphericsurfaceforcing,oceanresponses,andSSTfeedbackintheequatorialwesternPacific[C]In.ProceedingofAconferenceontheTOGACOAR.WCRP-107(WMO/TD-No940),1999:175-176.Hendon,H,HandJ.Click.Intraseasonalair-seainteractioninthetropicalIndianandPacificOcean[J]Climate,1997,10:647-661.Shmoda,T.,H.H.Hendon,J.Glick.IntraseasonalvariabilityofsurfacefluxesandseasurfacetemperatureinthetropicalwesternPacificandIndianOceans[J]Climate,1998,11:1685-1702.Sun,Jilin,WuDexingandXuTianzhen.Analysisofintraseasonalvariationsof5STandair-seafluxesduringTOGA-COAREIOP[J]OceanUniversityofQingdao,23(Specialissue),Flatau,M.,P.J.Flatau,PPhoebus,andP.P.Nrller.Thefeedbackbetweenequatorialconvectionandlocalradiativeandevaporativeprocesses:Theimplicationsforintraseasonaloscillations[J]Atmos.Scr,1997,54:2372-2386.Waliser,D.E.,K.MLau,andJ.H.Kim.TheinfluenceofcoupledseasurfacetemperaturesontheMadden-Julianoscillation:Amodelperturbationexperiment[J]Atmos.Sci.,1999,56:333-358.LiWei(李薇),YuRucong(宇如聪),LiuHailong(刘海龙)andYuYongqiang(俞永强).ImpactsofDiurnalCycleofSSTontheIntraseasonalVariationofSurfaceHeatFluxovertheWesternPacificWarmPool[J]AdvancesinAtmosphericSciences,2001,18(5):793-806.LiuQinyu,andSunJilin.Themechanismofmixedlayerintraseasonalvariationsinthe“warmpool”area[C]theinternationalScientificConferenceontheTropicalOceanGlobalAtmosphereTOGAProgramme,WCPR-91-WMO/TD,1995,717:761-765.EricD.Maloney,AnAnalysisofJune-NovemberEasternPacificIntraseasonalSSTVariabilityusingtheTRMMMicrowaveImager[J]JournalofClimate,2002:1-16.T.N.Krishnamurti,K.K.OosterhofandA.V.Mehta,Air-SeaInteractionontheTimeScaleof30to50days[J]JOURNALOFTHEATMOSPHERICSCIENCES,1986,45(8):1304-1322.SteveWoolnough,JuliaSlingo,PeteInness,DanBernie,BrianHoskins,Air-seainteractionintheintraseasonaloscillation[C]Reading,2000:1-20.曾广恩,练树民,程旭华,华祖林,齐义泉,东、黄海海表面温度季节内变化特征的EOF分析[J]海洋科学进展,2006,24(2):146-155.Wang,B.,andX.Xie,Amodelfortheborealsummerintraseasonaloscillation[J]Atmos.Sci.,1997,54:72-86.Ferranti,L.,J.M.Slingo,T.N.Palmer,andB.J.Hoskins,RelationsbetweeninterannualandintraseasonalmonsoonvariabilityasdiagnosedfromAMIPintegrations[C]QuarterlyJournaloftheRoyalMeteorologicalSociety,1997,123(541):1323-1357.Annamalai,H.,J.M.Slingo,K.R.Sperber,andK.Hodges,ThemeanevolutionandvariabilityoftheAsiansummermonsoon:ComparisonofECMWFandNCEP-NCARreanalyses[J]MonthlyWeatherReview,1999,127(6):1157-118