北太平洋热带辐合带区上升运动的季节和年际变化特征

隋晓霞,王 启

(中国海洋大学海洋气象学系,海洋-大气相互作用与气候实验室,山东青岛266100)

北太平洋热带辐合带区上升运动的季节和年际变化特征

隋晓霞,王 启＊＊

(中国海洋大学海洋气象学系,海洋-大气相互作用与气候实验室,山东青岛266100)

本文利用NCEP/NCAR再分析资料研究北太平洋热带辐合带区上升运动(ITCZω)强度和位置的垂直结构及其季节和年际变化。结果表明,气候平均态下西(东)ITCZω在高(低)层最强,低(高)层最弱,其位置随高度不变(偏北)。西ITCZω在8月最强,9月位置最北,2月最弱,位置最南;东ITCZω在8、9月最强,9月最北,2、3月最弱,位置最南,但中、高层的ω在11月也很弱。ITCZω强度最强(弱)的时间一般与位置的快速北跳(快速南撤)的时间相对应,并且有位置变化超前强度变化的表现。通过对ω气候值和异常值的经验正交函数分解,发现气候值EOF第一模态能很好的反映ITCZω的基本气候状态,具有准半年周期,第二模态反映了ITCZω的季节变化特征;异常值EOF第一模态空间场呈现东西反位相的特征,时间序列的功率谱分析最明显的周期为4.8 a。西ITCZω强度在厄尔尼诺年偏弱,拉尼娜年偏强;东ITCZω位置在厄尔尼诺年偏南,拉尼娜年位置则偏北。总体上ENSO事件对东ITCZω位置影响较大,而对西ITCZω强度影响较大。

北太平洋;ITCZ区;上升运动;垂直结构;ENSO

热带辐合带(ITCZ),又称为赤道辐合带,是热带大气最明显和最重要的天气系统之一,是大气环流的重要组成部分,它的移动、变化及强弱对热带环流和天气变化以及中纬度地区的旱涝[1-2]和全球大气环流的变化都有重要影响。台风的发生和发展[3-6]与ITCZ也有极密切的关系,因此更好地了解ITCZ的变化具有重要的意义。

ITCZ可被定义为热带对流带、气压槽和低层风场辐合带等等[7-9]。ITCZ最初是用风场资料进行研究的。Brooks和Braby[10],Alpert[11-13]从信风的稳定性出发,定义:Constancy=100V r/¯V,其中V r是平均矢量风速,¯V是平均风速。在热带辐合带中存在风场不连续带,因此Constancy的最小值能指示热带辐合带位置,但由于海洋上测站稀少,很难精确地确定;范蕙君[14]用多年月平均云量图取热带海洋上空月平均云量最大区域来表示热带辐合带的位置,发现中、东太平洋辐合带季节、年际变化都很小,一般稳定在5°N～8°N附近,而西太平洋辐合带则有明显的季节变化;蒋尚诚[15]定义30°N～30°S之间OLR<240W/m2区域内最小值所在的纬度为ITCZ轴所在的位置,以最小OLR的数值表示ITCZ强度而得出全球ITCZ的气候特征图。根据OLR资料分析的ITCZ与用最大云量带所确定的ITCZ相似。Chen[16]等利用卫星观测的日平均的降水资料研究中、西太平洋日平均ITCZ的空间结构特征,根据强降水的覆盖率定义了日平均ITCZ的6种空间类型,分别为北部型、南部型、弱型、赤道型、双ITCZ型和整型,并指出北部型和南部型ITCZ具有明显的季节变化,弱型ITCZ也存在明显的季节变化,且变化规律与北部型类似,其他3种类型的ITCZ的季节变化不明显。Peng[17]等利用垂直速度资料研究ITCZ的季节性跳跃,文中指出300 hPa上的垂直速度与深对流区相对应,并且垂直速度最大值所在的纬度可以很好地表征ITCZ的位置。

J.Fernandze和M.A.Estoque[18]把东太平洋-中美洲地区分为ITCZ区域、ITCZ北部区域和ITCZ南部区域3个部分来研究1979年6月5～8日ITCZ的温度和湿度的垂直结构。热带辐合带是热带上升运动的集中地区,蒋全荣[19]在分析赤道辐合带的动力学与能量学特征时用垂直速度ω计算得出在ITCZ中几乎有整层的上升运动,此外范蕙君[20]也用垂直速度ω研究ITCZ的二维垂直环流结构。ITCZ区上升运动(下文中简称为ITCZω)在不同高度即垂直结构上强度和位置有什么样的变化特征?本文运用月平均资料对该问题进行了探讨,提出了确定ITCZω的指标,并对其季节与年际变化特征作了初步的统计分析。

1 资料和ITCZω定义

本文选用的资料为NCEP/NCAR再分析数据集中1979—2007年共29 a,850、500和300 hPa共3层月平均的垂直速度场(ω)和u,v风场资料,分辨率为2.5(°)× 2.5(°)。ITCZ是1条对流强的辐合带,风场的辐合对于东太平洋地区来说只存在于边界层,到850 hPa高度上辐合已经不明显,甚至变成了辐散(见图1)。但是ω场在东、西太平洋ITCZ区域从低层到高层都为负值且呈带状结构(见图2),因此本文中利用ω场来研究ITCZω的垂直结构。从图2可以看出,东、西太平洋ω场的极值中心分别在120°W和160°E附近,因此本文做如下定义:

ITCZω强度的定义:分别取140°E～170°E,0°N～ 30°N和140°W～90°W,0°N～15°N范围内<-0.02 hPa/s的ω值与面积乘积之和再除以所选区域的面积,作为西ITCZω和东ITCZω的强度。

ITCZω位置的定义:西(东)北太平洋140°E～170°E (140°W～90°W)范围内ω区域平均最小值所在的纬度作为判定位置的指标。

原数据资料分辨率为2.5(°)×2.5(°),在确定位置时利用插值方法把原始数据的分辨率差成0.25(°)× 0.25(°)。本文中分别用850,500和300 hPa代表对流层低、中和高层。

图1 北太平洋地区风场辐散(10-6/s)气候平均态分布Fig.1 Distribution of wind divergence(10-6/s)in long-term average in the North Pacific

图2 北太平洋ω(hPa/s)气候平均态分布Fig.2 Distribution ofω(hPa/s)in long-term average in the North Pacific

2 ITCZω强度和位置垂直结构的基本特征

2.1 气候平均态下强度和位置的基本特征

图3为东、西ITCZω强度和位置的气候平均态的垂直分布图。从图中可以看出西ITCZω强度(见图1a)在高层最强,中层次之,低层最弱;东ITCZω强度在低层最强,中层次之,高层最弱;西ITCZω的位置(见图1b)在3个高度层上相差不大,高层较中层和低层略偏北,中层和低层位置相同;东ITCZω位置的垂直分布是高层最北,中层次之,低层最南,呈现出从低层到高层向北倾斜的特征。

图3 东、西ITCZω强度(a)、位置(b)气候平均态的垂直分布图Fig.3 Vertical distribution of ITCZωstrength(a),position(b)in the Western and Eastern Pacific in long-term average

2.2 强度的季节变化特征

图4a为西ITCZω强度季节变化垂直分布图(图中所示数值为强度的绝对值)。同气候平均态下强度的垂直分布特征相同,1年中12个月都是低层弱,高层强。各层强度都是8月份最强,2月最弱。

东ITCZω强度的季节变化规律(见图4c)是低层3月最弱,8月最强,中层2月最弱,9月最强,高层上则分别是在3月和9月。特别应该注意到中、高层的ω强度在11月还有另一个较弱期,反映了准半年周期特性。垂直结构变化整体上来说是高层最弱,低层最强。

图4 西太平洋ITCZω强度绝对值(a)、位置(b)及东太平洋ITCZω强度绝对值(c)、位置(d)季节变化的垂直分布Fig.4 Vertical distribution of ITCZωstrength absolute value (a,c),position(b,d)in the Western(Eastern)Pacific

2.3 位置的季节变化特征

西ITCZω位置(见图4b)在3个高度层上都是2月最南,与强度最弱的月份一致,9月位置最北,比强度最强的月份滞后1个月。从图中还可以看出,2,8和9月低层偏南,其它月份随高度变化不大。应该特别关注中、高层在7～8月有快速北跳,正对应8月的强度最强,低层则是8～9月快速北跳。而对应2月的最弱,是各层11～12月的快速南撤。

东ITCZω位置(见图4d)在高层3月份最南,中层3和4月最南,而低层2和3月最南,各层位置都是在9月达最北。也应该注意到各层在7～8月有快速北跳的特点,与8月的强度最强相对应。对应2,3月的最弱,是各层1～2月的快速南撤。而与中、高层的ω强度在11月还有另1个较弱期相对应,东ITCZω的中、高层位置在10～11月也有1次快速南撤的表现。综上,ITCZω强度最强(弱)的时间一般与位置的快速北跳(快速南撤)的时间相对应,并且有位置变化超前强度变化的表现。

3 ω场的EOF分析

为验证将ITCZω分为东、西2部分的合理性,本文对ω场进行了EOF分析。在采用EOF分析计算时,资料矩阵分别采用气候值和异常值。

3.1 气候值的EOF分析

对流层低层、中层、高层ω场气候值EOF分析的前2个特征向量场的累积方差贡献分别为89%, 89.6%,88.7%,其余各空间向量场的方差贡献较小,不列入本文的分析范围。第一特征向量的方差贡献分别为72.2%,71.4%,67.5%,故该情况下的第一模态基本上能反映了要素的基本气候状态,即为基本场或平均场。图5a,b,c分别为850,500,300 hPaω气候数据EOF分析的第一特征向量场。从对流层低层到高层ITCZω都呈现为负值的带状结构,与气候平均态下的分布型相同,东、西太平洋ω的中心分别位于100°W和160°E附近。对应的时间系数(见图5d-f)均为正值,呈双峰双谷型周期为准半年的变化,低层是2和9月较弱,6和12月较强,中、高层是2和10月较弱,7和12月较强。综合第一特征向量场和时间系数可看出:3个高度层上的ω年变化幅度均不大。0.5 a周期的表现可能与太阳1年2次越过赤道有关。

图5 ω气候值EOF分析的第一特征向量场及其对应的时间序列Fig.5 The first EOF mode and time series ofωclimatic data

气候值EOF分析的第二特征向量的方差贡献从低层到高层分别为16.8%,18.2%,21.2%,空间场如图6a、b、c所示。第二模态的空间场反映了ITCZω位置的季节变化特征,呈现南北反相变化的特点。时间系数(图6d～f)具有1 a的周期变化,结合时间系数可以看出,在3个高度层上冬、春季节时间系数都为正值,低层和中层最大正值出现在2月,高层滞后1个月,出现在3月;夏、秋季节则为负值,3个层上最大负值都出现于9月,即冬、春季节ω位置偏南,低层和高层2月位置最南,高层3月最南;而夏、秋季节则正好相反,ω位置偏北,9月位置最北,即在低层和中层(高层)从2(3)月到9月ω位置逐渐北移,到9月位置达最北,从9月到翌年2(3)月ω位置有逐渐南移,到2(3)月位置达最南。

3.2 异常值的EOF分析

图7为ω异常值EOF分析第一模态的空间场和时间序列。EOF分析第一特征向量的方差贡献从低层到高层分别为12.5%,10.9%,10.3%,中、高层空间场存在东西2个符号相反的上升运动活动区域,中心分别位于中东太平洋赤道地区以及西太平洋130°E附近地区,类似于拉尼娜期间海表温度距平分布;第一模态时间系数与Nino3指数比较,具有明显的反位相关系,同期相关系数分别为-0.79,-0.69,都通过了信度为0.001的可靠性检验,反映出ENSO循环暖(冷)位相时,中东太平洋海温偏高(低),ω增强(减弱)。第一模态的时间序列进行功率谱分析,中、高层最明显的是4.8 a的周期(见图8b,c)。低层空间场与中、高层分布不同,呈现南北反相变化的特征,但是时间系数与中、高层有类似的变化趋势并且与Nino3指数同期相关系数达到-0.64,因此有可能是太平洋上盛行季风,在大气之中年内变化显示的很强烈,低层ω也会随之出现明显的年内变化,强烈的年内变化掩盖了长周期变化。为了突出年际变化,将低层第一模态时间序列进行滤波,滤掉1 a以下的周期,然后再对时间系数进行功率谱分析,结果如图8d所示。结果显示,经过滤波的时间系数最明显的周期为4.8 a,同中、高层最明显的变化周期相同。

图6 ω气候值EOF分析的第二特征向量场及其对应的时间序列Fig.6 The second EOF mode and time series ofωclimatic observation data

图7 ω异常值EOF分析的第一特征向量场及其对应的时间序列Fig.7 The first EOF mode and time series ofωanomaly data

图8 ω异常值EOF分析的第一特征向量场对应的时间序列的功率谱分析Fig.8 Power spectrum of the time series for the first mode ofωanomaly data

4 ITCZω强度和位置的年际变化及其与ENSO的关系

西ITCZω强度(见图9)在大多数厄尔尼诺年偏弱,拉尼娜年偏强。东ITCZω位置在大多数厄尔尼诺年从对流层低层到高层都偏南,在强厄尔尼诺年表现的尤为明显,如1982—1983年和1997—1998年;在拉尼娜年位置则偏北。对流层低层到高层从2000年以后ITCZω位置有明显的向赤道偏移的趋势(见图10)。东ITCZω强度和西ITCZω位置的变化没有前面二者的明显,2000年以后东ITCZω强度明显增强,尤其是在对流层低层表现的更为显著,与已有研究得到的140°W～90°W范围内ITCZ的强度在逐渐增强相似[21]。

为了更明确地看出ENSO对ITCZω强度和位置的影响,Nino3指数与东、西ITCZω强度和位置异常的时间序列分别作同期以及超前滞后相关。图11为Nino3指数与东ITCZω位置异常时间序列的时滞相关。对流层低层和中层相关系数的极值都出现在Nino3指数超前东ITCZω位置异常1个月(最大相关系数分别为-0.57,-0.74),而在对流层高层Nino3指数超前东ITCZω位置异常2个月(-0.58)时达到最大负相关。海温正异常(厄尔尼诺事件)时东ITCZω位置偏南,海温负异常(拉尼娜事件)则相反。Nino3指数与西ITCZω位置异常时间序列的相关(图略)在低层只在Nino3指数超前西ITCZω位置异常4个月时过0.01的信度检验,相关系数为-0.16,中层都没有过0.01的信度检验,高层在Nino3指数超前西ITCZω位置异常1～5个月时过信度检验,相关系数的极值出现在Nino3指数超前西ITCZω位置异常2个月时(-0.19)。

图9 西(东)ITCZω强度异常随时间的变化Fig.9 Anomalous ITCZωintensity in the Western(Eastern)Pacific

图10 西(东)ITCZω位置异常随时间的变化Fig.10 Anomalous ITCZωposition in the Western(Eastern)Pacific

图11 Nino3指数与850 hPa(a)、500 hPa(b)、300 hPa(c)东ITCZω位置异常时间序列的时滞相关Fig.11 Lag correlation coefficient between Nino3 index nd anomalous position of ITCZωin the Eastern Pacific(a) for 850 hPa,(b)for 500 hPa,(c)for 300 hPa

图12 为Nino3指数与西ITCZω强度异常时间序列超前、滞后的时滞相关。Nino3指数与低层和中、高层西ITCZω强度异常时间序列的时滞相关呈现不同的特点。在低层Nino3指数滞后西ITCZω强度异常6个月时达到负相关系数的极值(-0.42),Nino3指数超前西ITCZω强度异常7个月时达到正相关系数的极值(0.19)。中层和高层正相关系数的极值分别出现在Nino3指数超前4个月和3个月(最大相关系数分别为0.44,0.38),即厄尔尼诺年时西ITCZω强度减弱,拉尼娜年时则为增强。中层在Nino3指数滞后西ITCZω强度异常9和10个月时负相关系数通过了0.01的信度检验,负相关系数分别为-0.15,-0.148。高层在Nino3指数滞后西ITCZω强度异常8个月时达到负相关系数的极值(-0.22)。图13为Nino3指数与东ITCZω强度异常时间序列的时滞相关。中层相关系数的极值出现在Nino3指数超前东ITCZω强度异常1个月时(-0.20);低层相关系数的极值出现在Nino3指数滞后东ITCZω强度异常4个月时(0.19),高层上都没有过0.01的信度检验。所以总体上ENSO事件对东ITCZω位置影响较大,而对西ITCZω强度影响较大。

图12 Nino3指数与850 hPa(a)、500 hPa(b)、300 hPa(c)西ITCZω强度异常时间序列的时滞相关Fig.12 Lag correlation coefficient between Nino3 index and anomalous intensity of ITCZωin the Western Pacific (a)for 850 hPa,(b)for 500 hPa,(c)for 300 hPa

图13 Nino3指数与850 hPa(a)、500 hPa(b)东ITCZω强度异常时间序列的时滞相关Fig.13 Lag correlation coefficient between Nino3 index and anomalous intensity of ITCZωin the Eastern Pacific (a)for 850hPa,(b)for 500 hPa

5 结论

本文用ω场定义了3个高度层上ITCZω强度以及位置指数,研究了其气候平均态、季节以及年际变化规律,并对ITCZω强度和位置与ENSO间的关系作了初步的统计分析,得出了以下结论:

(1)气候平均态下西(东)ITCZω强度在高(低)层最强,低(高)层最弱;西ITCZω在8月最强,9月位置最北,2月最弱,位置最南;东ITCZω在8,9月最强,9月最北,2,3月最弱,位置最南,但中、高层的ITCZω强度在11月也很弱。ITCZω强度最强(弱)的时间一般与位置的快速北跳(快速南撤)的时间相对应,并且有位置变化超前强度变化的表现。

(2)气候值EOF第一模态能很好的反映ITCZω的基本气候状态,具有准0.5 a周期;第二模态反映了ITCZω位置的季节变化特征,具有1 a周期;异常值EOF第一模态空间场呈现东西反位相的特征,时间序列的功率谱分析最明显的周期为4.8 a。

(3)西ITCZω强度在厄尔尼诺年偏弱,拉尼娜年偏强。东ITCZω位置在厄尔尼诺年偏南,拉尼娜年位置则偏北。ENSO对东ITCZω位置和西ITCZω强度的影响要大于对东ITCZω强度和西ITCZω位置的影响。东ITCZω位置异常与Nino3指数的相关系数在对流层低层、中层和高层分别于Nino3指数超前东ITCZω位置异常1个月,1个月和2个月时达到极值;西ITCZω强度异常与Nino3指数的相关系数在对流层低层、中层和高层分别于Nino3指数滞后西ITCZω强度异常6个月、超前4个月和超前3个月时达到极值。

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Abstract: The omega data and sea surface wind data from NCEP/NCAR reanalysis data during 1979 to 2007 were used to investigate the vertical distribution characters of ITCZωintensity and the position in the North Pacific and their seasonal and interannual features.The results show that in long-term average the strongest intensity of ITCZωin the Western(Eastern)Pacific is on the top(bottom)of troposphere and the weakest one is on the bottom(top).The most northern position in the Western Pacific is almost the same as each other on three levels.In the eastern Pacific the most northern(southern)position is on the top(bottom).The strongest intensity in the Western(Eastern)Pacific is in August(August and September)and the most northern position is in September.The weakest intensity and the most southern position are in February(February and March).In the Eastern Pacific the intensity is also weaker in November.The time that ITCZωintensity reaches to the strongest(weakest)corresponds to the rapid northward (southward)shift of position.When the position is more northern(southern),the intensity is stronger (weaker).And there are changes in position ahead of that in intensity.By Empirical Orthogonal Function analyses(EOF)for climatic data and anomaly data,it is found that the first mode of climate data is the basic meteorological state of ascending motion with quasi-semiannual cycle and the second mode is the seasonal position fluctuation of ITCZω.The first mode of anomaly data is east-west dipole mode and in an 4.8-year cycle by spectrum analysis of the time series.The intensity of ITCZωin the Western Pacific is weaker (stronger)in Elnino(Lanina)years.The position of ITCZωin the Eastern Pacific is more southern (northern)than normal years in Elnino(Lanina)years.In general,ENSO has great influence on the position in the Eastern Pacific and the intensity in the western Pacific.

Key words: the North Pacific;ITCZ;ascending motion;vertical structure;ENSO

责任编辑 庞 旻

The Seasonal and Interannual Features of Ascending Motion Intensity and Position in the Intertropical Convergence Zone in the North Pacific

SUI Xiao-Xia,WAN G Qi
(Atmosphere-Ocean Interaction and Climate Laboratory(OAC),Department of Meteorology,Ocean University of China, Qingdao 266100,China)

P732.3

A

1672-5174(2011)04-019-09

国家自然科学基金项目(40876004,40890150/D0601);国家基础科学研究项目(2007CB411801,2005CB422301)资助

2010-04-20;

2010-05-06

隋晓霞(1984-),女,硕士生。E-mail:sxxyahu@163.com

E-mail:wangqi@ouc.edu.cn