夏季105～125°E垂直经圈环流变化特征及其与海温的联系

岳阳，管兆勇，谌伟

(1.湖北省气象局，湖北武汉430074;2.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京210044;3.武汉中心气象台，湖北武汉430074)

夏季105～125°E垂直经圈环流变化特征及其与海温的联系

岳阳1，2，管兆勇2，谌伟3

(1.湖北省气象局，湖北武汉430074;2.南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京210044;3.武汉中心气象台，湖北武汉430074)

采用NCEP/NCAR再分析资料，利用质量流函数方案和EOF(empirical orthogonal function，经验正交函数)分解，研究了1979—2006年夏季105～125°E范围垂直经圈环流的变化特征及其与邻近海域海温变化的联系。结果表明:1)在105～125°E区域，夏季北半球Hadley环流明显偏强，和南半球Hadley环流对称出现，形成明显的“Hadley环流对”。2)小波分析显示，Hadley环流变化有准2～4 a和4～6 a周期。近28 a来，南半球Hadley环流有南退趋势，北半球Hadley环流逐渐增强，尤其是20世纪90年代中期之前，这种变化较显著。3)105～125°E区域夏季“Hadley环流对”的异常和邻近海域海表温度关系密切。无论是IOD(Indian Ocean Dipole)事件还是ENSO均对东亚经圈剖面内“Hadley环流对”产生影响，Hadley环流的主要模态EOF1与同期和滞后的SSTA的相关在太平洋上表现出El Nino发展期、盛期的海温分布形态。南半球Hadley环流偏北(南)，北半球Hadley环流减弱(增强)，则到来的冬季的El Nino(La Nina)发展，这对ENSO事件具有一定的预报意义。IOD事件对南半球Hadley环流的影响是显著的，当负IOD事件时，南半球Hadley环流减弱，但正IOD事件时并未显著相反。

Hadley环流对;EOF;海面温度;ENSO

0 引言

在赤道地区上升、副热带地区下沉的Hadley环流(简称HC)是尺度和强度最大的垂直环流，也是大气热量、动量、水汽输送和能量转换的重要机制。在夏季东亚大陆，由于亚洲东南部西南季风区是个巨大的热源，温度高于陆地南边的海洋，这一带的经圈环流与其他地区的Hadley环流相反，存在北部上升、南部下沉的垂直环流(Koteswarm，1958;陈秋士等，1964)。早在1979年叶笃正等(1979)就对东亚和太平洋上的平均垂直环流进行过计算和分析，并特别指出西南季风区与东太平洋区的经圈环流存在差异。陈月娟等(2001)分析和讨论了1961—1997年110～140°E垂直经圈环流的特征，指出它取代了北半球的Hadley环流，使低层越过赤道的气流一直到达55°N，在30～50°N的上空出现一个上升气流区。目前，区域经圈环流的研究依然较少，环流的描述也多为矢量法，该方法在定量表示HC时存在困难。秦育婧等(2006)、秦育婧和王盘兴(2010)用质量流函数(mass stream function，MSF)表示局域HC，对季风区、Nino区的HC进行研究，认为其差异与不同的下垫面密切相关。本文延用质量流函数法定量表示HC，研究105～125°E东亚季风区HC的气候特征及年际变化规律。

海洋是影响气候变化的重要物理因子，海陆热力对比引起的温度梯度增大(减小)，经圈环流很可能增强(减弱)。秦育婧和王盘兴(2010)对比了季风区、Nino区的HC，认为它们与太平洋SST(sea surface temperature)关系密切。研究表明，热带太平洋是影响东亚夏季风和东半球越赤道气流年际变化的关键区域(曾刚，2008)，印度洋偶极子型海温的异常变化对东亚大气环流和气候异常亦有重要作用(于波和管兆勇，2009)。本文将通过分析105～125°E区HC异常与太平洋和印度洋海表温度异常分布型的联系，了解不同海域对其影响的差异。

1 资料和方法

使用1979—2006年NCEP/NCAR再分析月平均资料(Kalnay，1996)，包括经向风速(v)、垂直速度(ω)、温度(T)。还使用了海表面温度(Rayner and Parker，2003)、NOAA卫星月平均射出长波辐射(outgoing longwave radiation，OLR)资料等。除海温资料的分辨率为2°×2°外，其余均为2.5°×2.5°。

众所周知，由球面—气压坐标系下连续方程得到的质量流函数ψ计算公式中，［v］、［ω］为纬圈平均量(以“［］”表示此量的平均值)，其构成的垂直环流在经圈剖面是无辐散的。如此，纬向平均经圈环流质量流函数ψ的计算可使用迭代方案(吴国雄和Tibaldi，1988)。然而，当计算局地经圈环流时，迭代方案不再可用。那么，如何才能获得局地经圈环流的质量流函数呢?由于垂直气流由水平风场辐合、辐散造成，水平无辐散运动对垂直运动无直接贡献，因此，只要考虑辐散分量即可。注意到局地范围内纬向质量的辐合辐散不恒为0，这样球面—气压坐标系下的连续方程在［105°E，125°E］区间平均后(以“［］”表示此区间上的平均)，有如下等式

其中:ω为垂直速度;φ为纬度;a为地球半径;uχ和vχ为水平风场的辐散分量;uχ、λ的下标r、l分别代表所截取经度范围右、左边界的范围，即125°E、105°E;等式右端项代表了纬向质量净通量，即左右边界处对辐合辐散产生的贡献。要强调的是，若(1)式右端项过大，则意味着区间内流入的质量受纬向侧边界处辐散辐合的影响较大。此时，因计算质量流函数时使用到垂直速度速度ω，而ω不仅受到经向辐合影响，亦受纬向辐合影响，故迭代方案将不适合用于求解质量流函数。若(1)式右端项较小，则不可压关系近似可用，可用迭代方案计算质量流函数(吴国雄和Tibaldi，1988)。

为了估计(1)式右端项带来的影响，定义某月的误差量

其中:n为年份(n=28)。显然，Err＜1。当Err趋向于1时，表明侧边界处uχ的影响较小;而当Err趋向于0时，表明纬向侧边界处的辐散辐合影响很大。

计算得到105～125°E剖面内误差Err(图1)，可见，较小。因此，可将(1)式近似成

这样，可参考吴国雄和Tibaldi(1988)的迭代方案，近似地求取105～25°E区域平均的质量流函数。

图1 1979—2006年6月105～125°E剖面Err分布(阴影区数值小于0.5)Fig.1 The cross-section for Errover 105—125°E in June from 1979 to 2006(areas of values lower than 0.5 are shaded)

2 105 ～125E经圈环流的气候特征

2.1 105 ～125E经圈环流与其他经度经圈环流特征对比

分别计算105～125°E区域和此区间外其余部分即125°E～180°～105°E区域各月28 a平均的质量流函数［¯ψ］。为突出Hadley环流及中低纬东亚地区的特征，纬度范围均取30°S～60°N。图2为105～125°E Hadley环流的气候变化特征。

计算结果显示，105～125°E区域冬半年环流型及演变与125°E～180°～105°E区HC类似(图略)。但显著不同是，3月30～40°N对流层中下层分离出一个闭合正环流圈(称新环流圈)(图2)。夏半年环流型与125°E～180°～105°E区HC差异较大，主要表现为4月开始0°～20°N区域北半球环流圈迅速减弱;5月，新环流圈发展起来取代了原北半球的HC圈，占据20°N以北的区域，这与秦育婧和王盘兴(2010)结论一致，但出现时间更早。由于夏半年亚洲大陆、青藏高原和孟加拉湾的热源作用，105～125°E区HC在5°S～30°N形成宽广的上升气流区，5—10月北半球新环流圈和南半球HC圈对称出现，一起构成“Hadley环流对”，并在6—8月最强。由于此环流圈对的公共上升支强弱、位置变动与东亚夏季风的基本特征(降水和斜压性)密切相关，以下着重讨论“Hadley环流对”(简称”HC对”)的变化。

2.2 夏季105～125°E经圈环流及年际变率

与125°E～180°～105°E经圈夏季(6—8月)平均的气候态(图略)相比，105～125°E经圈环流出现明显“HC对”特征(图3a)。质量流函数距平场的均方差如图3b，反映出夏季“HC对”年际演变的一些特征:夏季“HC对”年际变化中心位于赤道附近(0°～10°N)上空，对流层中层尤其明显。此变化中心位置随月份南北振荡(图略)，反映了HC位置的经向移动和强度在不同年份间存在较大变化。

3 夏季105～125°E“HC对”主要模态及其变化

为更好地研究“HC对”的变化规律，对105～125°E区域28 a夏季平均的质量流函数距平场［ψ'］进行EOF(empirical orthogonal function，经验正交函数)分析，前两个特征向量的空间分布及其时间系数序列见图4。前两个向量的累计方差贡献为65.6%，且均通过置信水平检验(North et al.，1982)，能基本反映相应年夏季105～125°E“HC对”的空间和时间变化特征。

3.1 EOF1与EOF2揭示的空间分布

EOF第1特征向量方差贡献为47.3%，反映出夏季“HC对”变化的最主要空间分布(图4a)。由图4a可知，当时间系数大于0，105～125°E区域10°S以北为异常反环流，以南为异常正环流，表明这些年份的南半球HC中心北移，北半球HC减弱，此时7.5～30°N的上升运动异常增强;反之，当时间系数小于0，10°S以北为异常正环流，以南为异常反环流，此时7.5～30°N的上升运动减弱。进一步的分析表明，当时间系数为负时，“HC对”变化呈现出南半球HC中心南移(图略)。

图2 1979—2006年105～125°E区(a，c，e，g，i)及125°E～180°～105°E区(b，d，f，h，j)HC(单位:106t/s)a，b.3月;c，d.4月;e，f.5月;g，h.7月;i，j.10月Fig.2 Hadley circulations over(a，c，e，g，i)105—125°E and(b，d，f，h，j)125°E—180°—105°E(units:106t/s)a，b.March;c，d.April;e，f.May;g，h.July;i，j.October

第2特征向量方差贡献率为18.3%，是EOF1方差贡献的1/3，但由于两个异常中心位置分别位于10°S和20°N附近，对南半球的HC中心强度和位置(图3)有较大影响。由图4b可知，当时间系数大于0，环流异常场在10°N以北为异常正环流，以南为异常负环流，此时，10°S以南的下沉运动异常增强，10°S～20°N上升运动增强，20～50°N下沉运动增强。反之，当时间系数小于0，南半球HC中心向赤道靠近(图略)，10°S以南下沉运动减弱，10°S～20°N上升运动减弱，20～50°N上升运动增强。这种南半球HC与北半球HC表现出的随时间变化的一致性，显示了南半球和东亚地区环流变化的密切联系。

图3 1979—2006年夏季(6—8月)105～125°E纬向平均质量流函数(a;单位:106t/s)及其均方差(b;单位:106t/s)Fig.3 (a)The zonal mean mass stream function(106t/s)and(b)its mean root squared deviation(106t/s)over 105—125°E in JJA during 1979—2006

3.2 周期分析

对EOF模态时间序列进行Molet小波变换，用来了解“HC对”的周期变化特征。

去除头部影响，EOF1所示的夏季“HC对”的扰动在1990—2000年存在显著的准2～4 a周期(图4e)，与大气的准2 a和3.5 a振荡基本吻合。

EOF2所示的夏季“HC对”的扰动存在显著的4～6 a周期(图4f)，并且1981—1986年准2～3 a变化较强。已有的研究表明，El Nino主周期为3～7 a，次周期为准2 a振荡(Lau and Shen，1988)，EOF2的周期接近ENSO的周期，这种特征间接反映了“HC对”与ENSO的可能联系。

4 夏季105～125°E“HC对”与邻近海域海温的联系

为弄清东亚“HC对”与海温异常的联系，拟研究EOF1与OLR异常及SST的相关关系。

4.1 EOF时间序列与OLR的联系

计算夏季“HC对”的EOF1时间系数序列与同期OLR的相关(图5)，在印尼群岛及赤道东印度洋区为显著正相关(最大相关系数超过0.8)，赤道中太平洋为负相关区(最大负相关系数超过－0.6)。表明在南半球HC偏北时，印尼附近和150°E以东赤道太平洋地区为对流加强地区。该相关形态与刘晓冉等(2008)揭示的OLR变化的第1模态一致，显示我国华南地区夏季降水偏多，而川渝地区和内蒙古东部地区降水偏少。当南半球HC偏南时，则相反。

4.2 ENSO、IOD年东亚季风区HC合成分析

根据Nino3区指数(来源http://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/sstoi.indices)，挑选El Nino发展的7月:1982、1987、1991、1997、2002年共5 a;La Nina发展的7月:1988、1995、1998年共3 a。根据Saji et al.(1999)定义的印度洋偶极子IOD(Indian Ocean Dipole)指数挑选正偶极子pDM(positive Dipole Mode)事件较强的1982、1987、1994、1997年，负偶极子nDM(negative Dipole Mode)事件出现的1980、1992、1996年，做105～125°E区“HC对”异常场的ENSO冷暖事件、正负IOD事件合成分析。

由图6a、b可知，在El Nino年7月，5°S以北是异常反环流，以南为异常正环流，“HC对”表现出南半球HC中心北移，北半球HC的MSF数值减弱，但在30°N以南上升运动增强;而在La Nina年7月，10°S以北为异常正环流，以南为异常反环流，此时北半球HC的MSF增强，但在30°N以南上升运动减弱。异常环流型与EOF分解第1模态的环流异常型(由图4a的数值与图4b的数值相乘得到)相一致，这样的异常环流结构有利于中国长江以南在El Nino年降水增强，而30°N以北降水减少。反过来，在La Nina年，长江以南降水减弱，而在江淮地区降水增强。

由图6c、d可知，在pDM年7月，10°S以北出现更强的异常反环流，以南为异常正环流，“HC对”南半球HC中心北移，北半球HC的MSF减弱，此时30°N以南上升运动增强;而在nDM年7月，30°S以北均为异常正环流，此时南半球HC的MSF减弱，北半球HC强度变化微弱，30°N以南上升运动减弱。注意到正IOD和负IOD事件导致的环流异常并不完全相反(于波和管兆勇，2009)，正IOD事件时的HC异常表现出类似El Nino年的特征，可能是由于正IOD事件显著的1982、1987、1997年同时有El Nino发生，而选取的负IOD事件年份并无明显La Nina事件发生，至少说明IOD对南半球HC的影响是显著的。单纯IOD事件与105～125°E范围“HC对”的显著关系至少需要在部分滤除ENSO影响后才能更为清晰。

图4 1979—2006年夏季质量流函数距平场EOF分析前两个特征向量的空间分布(a，b)和对应时间系数(c，d)及时间系数的Morlet小波分析(e，f)(图c，d中点实线为时间系数;实线为线性回归趋势;点划线为二段线性回归)Fig.4 (a，b)The spatial distributions，(c，d)time series and(e，f)their Morlet wavelet analysis respectively of the first and second EOF components of MSF in JJA in 1979—2006(dotted solid lines denote time series;solid lines denote the linear trend;dashed lines denote two-stage linear trend)

综上所述，当ENSO事件、IOD事件发生时，南北半球HC的MSF并不一致地增强或减弱，“HC对”的强度变化显得较为复杂。然而，在El Nino年和La Nina年之间或者是在pDM年和nDM年之间，异常的HC确实存在非常大的不同甚至相反的状况。为了进一步弄清东亚剖面“HC对”与海温异常的联系，下文将利用滞后相关求解EOF1与邻近海域SST的相关关系的演变。

图5 1979—2006年夏季HC和同期OLR距平的相关(阴影通过95%置信水平的统计检验)Fig.5 The correlations between HC in summer and OLR departure of the same period in 1979—2006(shaded areas denote significance over 95%confidence level)

图6 ENSO事件、IOD事件中105～125°E区异常Hadley环流合成a.El Nino年;b.La Nina年;c.pDM年;d.nDM年Fig.6 The composite Hadley circles over 105—125°E in ENSO and IOD yearsa.El Nino;b.La Nina;c.pDM;d.nDM

4.3 EOF1时间序列与海温的相关

图7 HC的EOF第1时间系数序列与超前、滞后SSTA相关(阴影通过95%置信水平的统计检验)a.滞后冬季;b.滞后秋季;c.同期夏季;d.超前春季;e.超前冬季Fig.7 The correlations between SSTA and time series of coefficients of the leading EOF mode for Hadley circles in 1979—2006(shaded areas denote significance over 95%confidence level)a.coming winter;b.coming fall;c.summer;d.past spring

EOF1与同期和滞后海表温度异常SSTA(sea surface temperature anomaly)的相关分布型(图7)在太平洋上表现出El Nino发展期、盛期的海温分布。El Nino时，EOF1正异常，南半球HC偏北，La Nina时相反。EOF1与Nino3指数的同期相关系数达0.62，而滞后相关亦很大(表1)。夏季“HC对”与ENSO存在显著相关，ENSO可能对夏季“HC对”的变动存在响应。事实上，夏季“HC对”偏北显著的1982、1987、1991、1997、2002年的冬季均为El Nino发展成熟的年份，而夏季“HC对”偏南的1988、1995、1998年的冬季均为La Nina发展年。夏季“HC对”的异常对来临的冬季的El Nino存在某种可能影响，对ENSO事件的预报具有一定意义。

有些研究讨论了ENSO与季风的相互作用问题(Webster and Yang，1992)，亦有研究结果表明“ENSO主要是东亚季风异常引起的赤道西太平洋纬向风异常所驱动的热带太平洋次表层海温异常的循环”(李崇银，2002)。而在印尼群岛附近的下沉运动(OLR与EOF1时间系数的相关为正，图5)可通过Walker环流产生异常赤道西风，由此影响到赤道中东太平洋地区的SSTA。

EOF1与SSTA的同时、滞后相关(图7)在东印度洋区是负相关，在西印度洋区是正相关，与滞后秋季的相关最强。一方面显示了夏季“HC对”与印度洋偶极子事件的显著联系，另一方面可能是由于印度洋偶极子型海温异常的季节锁相(近40 a中IODMI(Indian Ocean Dipole mode index)的峰值平均出现在10月)所导致。当正IOD事件发生时，南半球HC偏北，北半球HC中心减弱。南半球HC的异常偏北，使得HC上升支位置偏北，印尼附近出现异常下沉支，使Walker环流上升减弱，造成赤道印度洋上东风异常，东印度洋冷水上翻，表层暖水在西印度洋聚集，从而加强印度洋正偶极型异常。负IOD事件时则相反。

表1 夏季“HC对”的EOF1时间系数和IODMI及Nino3指数的超前滞后相关系数Table 1 Lag and simultaneous correlations of EOF1 time series of“HC pair”in summer with IODMI and Nino3

5 结论

用质量流函数反映的夏季105～125°E区纬向平均的HC分布与125°E～180°～105°E区间纬向平均的HC存在差异，主要表现为，在105～125°E东亚经圈剖面内，20～40°N存在较强的HC环流，而在125°E～180°～105°E区间纬向平均的赤道以北HC则位于热带区域。夏季105～125°E区间在5°S～30°N为宽广的上升气流区，北半球的HC和南半球HC圈对称出现，一起构成“HC对”。

EOF分解第1和第2模态揭示了南半球HC南北移动和北半球HC强弱变化。小波分析表明，“HC对”的南半球HC北移(南退)、北半球HC中心数值偏小(大)的周期为准2～4 a和4～6 a。除了年际变化外，夏季“HC对”亦存在年代际变化及长期趋势。

105～125°E区夏季“HC对”的异常和邻近海域SST关系密切。EOF1与同期和滞后SSTA的相关在太平洋上表现出El Nino发展期、盛期的海温分布形态。夏季“HC对”对到来的冬季的El Nino/La Nina出现存在可能的影响，这对ENSO事件预报具有意义。

无论是IOD事件还是ENSO均对东亚经圈剖面内“HC对”产生影响，如当El Nino时，西太平洋及印尼群岛地区海温负异常，而当正IOD事件时，赤道东印度洋地区海温亦为负异常。这种负异常海温强迫大气，可导致北半球大陆地区上升运动增强，对“HC对”产生影响。

致谢:国家自然科学基金委员会地球科学部南京信息工程大学大气资料服务中心提供资料服务。再分析资料取自http://www.cdc.noaa.gov/。谨致谢忱!

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Characteristics of summer meridional circulation changes over 105—125°E and their relations with SST

YUE Yang1，2，GUAN Zhao-yong2，CHEN Wei3

(1.Hubei Meteorological Bureau，Wuhan 430074，China;2.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education，NUIST，Nanjing 210044，China;3.Wuhan Central Meteorological Observatory，Wuhan 430074，China)

Based on the mass stream function scheme and EOF(empirical orthogonal function)，the NCEP/NCAR reanalysis data were used to investigate the meridional circulation changes and their relations with SSTA(sea surface temperature anomaly)form 1979 to 2006.The conclusions are as follows:(1)The south Hadley cell emerges together with the boreal Hadley cell which is more intensive over 105—125°E in boreal summer.These two meridional circulations are named as the“Hadley cell pair”;(2)During the past 28 years，this pair of Hadley cells varies with periodicities of 2—4 and 4—6 years.The south Hadley cell tends to move southward while the intensity of boreal Hadley cell tends to stronger，especially before the mid 1990s;(3)Variations of Hadley cell pair is significantly correlated with IOD(Indian Ocean Dipole)and ENSO events.Lag and simultaneous correlations of the leading EOF mode forHadley cells with SSTA is consistent with the SST pattern of El Nino developing or prevailing period over the Pacific.That the south Hadley cell is northward(southward)and that the boreal Hadley cell is weak(severe)are correlated with the development of El Nino(La Nina)in the coming winter.This can be a potential indicator in predicting ENSO events.The IOD SSTA is able to change the south Hadley cell.With negative IOD events，the south Hadley cell is weakened.However，with positive IOD events，there is no obvious opposite phenomenon.

Hadley cell pair;EOF;SST;ENSO

P434

A

1674-7097(2011)04-0400-10

2010-09-05;改回日期:2011-04-15

国家重点基础研究发展计划项目(2011CB403406);国家自然科学基金资助项目(40475028)

岳阳(1982—)，女，河南内乡人，硕士，研究方向为短期气候预测，yueyang826@yahoo.com.cn;管兆勇(通信作者)，教授，博士生导师，guanzy@nuist.edu.cn.

岳阳，管兆勇，谌伟.2011.夏季105～125°E垂直经圈环流变化特征及其与海温的联系［J］.大气科学学报，34(4):400-409.

Yue Yang，Guan Zhao-yong，Chen Wei.2011.Characteristics of summer meridional circulation changes over 105—125°E and their relations with SST［J］.Trans Atmos Sci，34(4):400-409.

(责任编辑:刘菲)