南海大气季节内振荡特征及其与ENSO循环的关系

祝丽娟，王亚非，高桥正明

(1．卫星海洋环境动力学国家重点实验室/国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012;

2．中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京100081;3．东京大学气候系统研究中心，日本东京T153)

南海大气季节内振荡特征及其与ENSO循环的关系

祝丽娟1，王亚非2，高桥正明3

(1．卫星海洋环境动力学国家重点实验室/国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012;

2．中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京100081;3．东京大学气候系统研究中心，日本东京T153)

采用1979—2009年NCEP/NCAR再分析资料、NOAA向外长波辐射(outgoing long-wave radiation，简称OLR)及扩展重建海表面温度资料，对南海大气季节内振荡(Intra-seasonal Oscillation，简称ISO)特征及其与ENSO循环的关系进行了诊断分析。结果表明:1)南海大气ISO的30～60 d周期在5—10月均显著。一般年南海大气ISO的对流传播在纬向上存在东传和西传，在经向上具有南北半球季节性摆动的特征。以低频动能表征的南海大气ISO强度年代际变化特征明显，近31 a来趋势增强，年变化呈单峰结构，峰值在7—8月。2)南海大气ISO的对流与ENSO循环显著相关，其强度在El Niño(La Niña)年减弱(增强)。与一般年对比，南海大气 ISO对流在 El Niño和 La Niña年均表现为西传减弱、北传显著。北传特征表现为强对流活跃带于春季(4—5月)北跳至北半球(在La Niña年最北可至35°N)，但在北半球的传播方向与一般年相比存在显著差异。3)南海大气ISO强度与ENSO循环关系密切，在El Niño(La Niña)年减弱(增强)，两者表现为约半年(6～8个月)的滞后相关。Niño3区海表面温度异常序列与南海大气ISO强度的相关在中西太平洋地区和El Niño成熟前的春、秋季最显著，同时相关中心伴随低频动能高值区东移。

气候学;南海;30～60 d季节内振荡;ENSO循环;低频动能

0 引言

大气季节内振荡(Intra-seasonal Oscillation，简称ISO)，是由Madden和Julian在20世纪70年代首先利用坎顿岛的纬向风资料发现的(Madden and Julian，1971)，它已被视为重要的大气环流系统之一，其活动及异常对不少地区的天气和短期气候都有重要影响，且其年际变化在热带中西太平洋地区最强(龙振夏和李崇银，2001)。近十多年来，关于大气ISO的研究，包括其结构、预测机制及海气相互作用等均已取得丰硕成果(李崇银，2004;Lau and Waliser，2005;Zhang，2005;董敏和李崇银，2007)。热带大气ISO主要东传，与热带地区的积云对流密切相关，因此，强对流中心随着大气ISO东传，从印度洋东移到东太平洋，然后消失;其垂直方向上呈斜压特点，水平传播速度在东半球约6 m/s(龙振夏和李崇银，2001)。关于ISO形成机制也有几种不同解释，如较著名的依靠积云对流加热反馈的Wave-CISK机制(Chang and Lim，1988)、蒸发—风反馈机制(Needlin et al.，1987)、外强迫激发机制(Li and Xiao，1992)，以及李崇银(1993)提出的用以解释热带大气30～60 d低频振荡西传的CISK-Rossby理论等。大气ISO信号在许多气象和海洋物理变量中被发现和证实，例如向外长波辐射(outgoing long-wave radiation，简称OLR)、降水和对流层高低层的纬向风等。

热带大气ISO与海表面温度的关系一直倍受国内外学者关注。关于热带大气ISO与ENSO循环的关系也有了深入研究，但到目前为止还争论不休。Slingo et al.(1999)和 Hendon et al.(1999)发现有的海气耦合模式在改善了ISO模拟后，对ENSO的模拟影响不大，认为总体ISO活动与ENSO循环没有关系。同时，有研究认为，虽然ISO为季节内尺度，而ENSO循环为年际时间尺度，但与两者相联系的异常对流活动和环流在空间分布上有很大相似性(Lau and Chan，1983);两者存在某种内部联系，La Niña事件时，印度尼西亚区对流加强，日变更线附近对流受抑制，而El Niño事件时情况相反 (William，2001)。此外，大气ISO年际异常可以通过影响赤道东太平洋海表面温度等海气相互作用对El Niño事件起重要激发作用(李崇银，1995)，其强度在El Niño事件发生后减弱或趋于不活跃(李丽平等，2009)。龙振夏和李崇银(2001)进一步研究认为，是春夏季的热带30～60 d低频振荡在El Niño事件形成中起了重要作用。由于热带大气ISO是大气环流和深厚对流的耦合模态，对流的局地性较强，而环流则范围更大，表征对流和环流的要素特性就存在局地和非局地性(大范围)的差异，由此得出的研究结果必然存在差异(李丽平等，2009)。

南海处于著名的东亚季风区，地理位置特殊，存在活跃的大气低频变化(林爱兰，1998)，尤其是南海南部(110～120°E，5～15°N)。南海大气 ISO 在5—9月气候平均状况下有3次较明显的活跃过程(琚建华等，2010)，对南海地区的热带气旋活动及季风爆发有重要影响(穆明权和李崇银，2000)。由于受到来自周边海域以及中低纬低频信号的影响，南海地区ISO活动总体较为复杂，尤其是其传播问题。李崇银(1995)发现，热带大气ISO虽在赤道地区主要表现为东传，但仍可看到西传的情况。梁建茵等(2005)通过分析云顶黑体温度资料发现，南海及周边地区ISO传播具有多向性，包括了东向、西向和北向传播，其中南海大气50～70 d振荡与ENSO循环密切联系，经向上以东传为主，而13～36 d振荡受ENSO影响不明显，为局地现象且以西传为主。贺懿华等(2006)进一步发现南海夏季风ISO有明显北传现象且可影响到江淮地区。最近，郑彬等(2011)同样发现南海夏季风ISO有明显北传，且比南传分量显著占优，其主要影响因子是平均纬向风垂直切变和平均经向风对异常水汽的输送。到目前为止，人们对南海大气ISO活动的认识十分有限，需要进一步研究南海地区大气ISO对流传播、强度的年际变化及其与ENSO循环的联系。因此，本文从纬向风资料的小波分析入手，分析一般年南海地区大气ISO对流和强度特征，并探讨其年际变化与ENSO循环的联系。

1 资料与处理

本文所用的资料包括:1)1979—2009年NCEP/NCAR逐日风场资料，水平分辨率为2.5°(经度)×2.5°(纬度)，垂直范围为 1 000 ～10 hPa，共 17 层;2)来自NOAA的OLR月平均和日平均资料，分辨率为2.5°(经度)×2.5°(纬度);3)1979—2009 年NOAA扩展重建海表面温度，分辨率为2°(经度)×2°(纬度)。本文采用的方法主要包括Morlet小波分析、Butterworth滤波以及相关、合成分析等。南海范围定义为(110 ～120°E，10 ～25°N)。

1.1 海温资料处理

图1 给出了 Niño3 区(90 ～150°W，5°S ～5°N)海表面温度异常(sea surface temperature anomaly，简称SSTA)的时间演变，它清楚地反映了El Niño和La Niña事件。可见，自 1979年以来，1982—1983、1986—1987、1991—1992、1997—1998、2002—2003、2004—2005、2006—2007、2009 年为 El Niño 年(SSTA 大于 0.5 ℃)，1984—1985、1988—1989、1995—1996、1998—1999、1999—2000 和 2007—2008 年为La Niña 年(SSTA 小于 -0.5 ℃)，而 1979、1980、1981、1990、1993、1994 和 2001 年则为无 El Niño 和La Niña事件影响的一般年。

1.2 季节内变化周期的提取

首先分析南海大气ISO季节内变化的主要周期。在南海地区，年变化(季节循环)占近一半的方差贡献(梁建茵等，2003)。为了突出季节内尺度的变化，有必要去除年时间尺度变化。分析前人定义季节内振荡指数的方法(Xue et al.，2002;Wheeler and Hendon，2004;琚建华等，2010)，发现高低层风场在表现季节内振荡特征中起着非常重要的作用。因此，分别对一般年(图 2)、El Niño 年和 La Niña 年南海区域平均850 hPa纬向风进行小波分析，发现30～60 d周期在5—10月均显著，其中El Niño年与一般年相似，30～60 d周期在6—9月较活跃，La Niña年在7—10月较活跃(图略)。需要说明的是，本文所有合成分析均是针对经30～60 d周期Butterworth滤波后的结果。

图1 1979—2009年Niño3区SSTA的逐年变化Fig.1 Yearly variation of SSTA over Niño3 area from 1979 to 2009

图2 一般年南海区域平均的850 hPa纬向风异常的小波分析Fig.2 Wavelet analysis of the regional averaged 850 hPa zonal wind over the SCS during normal years

2 一般年南海大气ISO特征

2.1 一般年南海大气ISO的对流特征

分析与南海大气ISO传播相伴随的对流特征(图3)发现:纬向上(图3a)，存在以OLR正负异常中心交替出现表征振荡的东传和西传，其中东传于4月始于印度洋(60°E)，西传于1月始于东太平洋(130°W)，两支振荡于9月交汇并持续到年末。注意到在80～90°E和100～110°E范围分别存在一条低值带，可能是陆地(印度半岛和中南半岛)的存在，在一定程度上削弱了不同海域间的联系，因此，南海地区(110～120°E)OLR在30～60 d尺度的年变化上与西太平洋更加类似，这与梁建茵等(2005)的结论一致;经向上(图3b)，强对流活跃带在冬半年位于南半球10°S附近，在春季(4—5月)北跳至南海地区(10～20°N)并持续到年末。此外，对流中心在北半球的传播方向于9月后存在差异，由向南传转为向北传，部分于11月减弱南撤。因此，南海大气ISO在经向上具有南北半球季节性摆动的特征，即北半球冬季活跃于南半球热带地区，夏季则活跃于南海地区，与赤道辐合带相伴随。

图3 一般年大气ISO对流(单位:W/m2)沿南海所在纬度(10～25°N;a)和经度(110～120°E;b)平均的时间变化Fig.3 (a)Latitudinal(10—25°N)and(b)longitudinal(110—120°E)averaged distribution of ISO convection(units:W/m2)during normal years

2.2 一般年南海大气ISO的强度特征

借鉴前人定义大气ISO强度的方法(龙振夏和李崇银，2001;Li et al.，2001;田华等，2010)，用低频动能表征南海大气ISO的强度。首先将850 hPa逐日风场(u，v)进行30～60 d带通滤波，得到低频风场(u'，v')，然后计算低频动能 K=(u'2+v'2)/2。分析一般年南海大气ISO的强度特征发现:其具有明显的年代际变化特征，近31 a来大气ISO强度的总体趋势增强(图4);其年变化呈单峰结构(峰值在7—8月)，5—10月均维持较大值(图5)。

首先分析低频动能作为表征大气ISO强度的变量，是否能类似于OLR和涡度变量等(孙长等，2009)，表现出大气ISO主要的东传特征?图6为一般年季节平均的低频动能与850 hPa风场的合成分布。可见:春季(3—5月)，低频动能高值中心主要集中在印度洋和南海南部;夏季(6—8月)，高值中心北移至孟加拉湾及南海北部，且加强东移至西北太平洋，范围大且强度强;秋季(9—11月)，高值中心继续加强东移至中太平洋地区;冬季(12月—次年2月)，低频动能强度大大减弱，继续东传及南撤。因此，低频动能可以较好地表征大气ISO的东移特征，且其高值中心多数对应于低层风的气旋式切变区，说明其与对流活动密切相关。

分析一般年大气ISO强度特征可以发现:纬向上(图7a)，孟加拉湾区(80～95°E)存在强度较弱的东传，菲律宾以东区(120～150°E)存在较强的西传，南海地区低频动能在30～60 d尺度的年变化上与菲律宾以东区更为类似，集中在7—10月。另外，在90～100°E和110～120°E范围分别存在一条低值带，同样说明陆地对削弱不同海域联系的影响，这与对流的纬向传播类似(图3a);经向上(图7b)，低频动能于春季(4—5月)从南半球(10°S)北跳至南海范围(10～20°N)，这与OLR低值区(可代表赤道辐合带;图3b)位置变化较一致，但两者在北半球的传播方向存在差异，即:低频动能主要集中在10°N附近且以南传为主，而对流于9月后发生改变(图3b)。

图5 1979—2009年南海地区大气ISO低频动能(单位:m2/s2)的逐月变化Fig.5 Monthly variation of ISO low frequency KE(units:m2/s2)over the SCS from1979 to 2009

3 南海大气ISO与ENSO循环的关系

根据一般年南海大气ISO特征可知，南海大气ISO不仅存在30～60 d的季节内变化，也存在明显的年际变化，下面进一步探讨其与作为年际变化背景场强信号的ENSO循环的联系。

3.1 南海大气ISO的对流与ENSO循环的关系

图4 1979—2009年南海地区大气ISO低频动能(单位:m2/s2)的年际变化Fig.4 Interannual variation of ISO low frequency KE(units:m2/s2)over the SCS from 1979 to 2009

1979—2009年 Niño3区 SSTA与南海区域OLR距平的相关系数为0.12，超过了0.05信度的显著性检验，表明El Niño和La Niña事件发生对南海大气ISO对流的年际变化影响显著，在El Niño(La Niña)年，南海地区 OLR 为正(负)异常，即对流较弱(强)。这是因为 El Niño、La Niña 事件的发生对热带大气环流有显著影响，El Niño年沃克环流的上升支东移至日变更线附近，副热带高压加强西伸，导致南海—菲律宾海地区的上升运动减弱，即对流减弱，而 La Niña年则反之(梁建茵等，2005)。

图6 一般年季节平均的大气ISO低频动能(单位:m2/s2)和850 hPa风场(单位:m/s)合成分布 a.3—5月;b.6—8月;c.9—11月;d.12月—次年2月Fig.6 Composite distribution of seasonal averaged ISO low frequency KE(units:m2/s2)and 850 hPa wind(units:m/s)during normal years a.from March to May;b.from June to August;c.from September to November;d.from December to next February

图8给出了 El Niño和 La Niña年南海大气ISO的对流传播情况。与一般年(图3)对比，南海大气ISO对流在El Niño和La Niña年均表现为西传减弱(图8a、c)、北传显著(图8b、d)。北传特征表现为强对流活跃带于春季(4—5月)北跳至北半球(La Niña年最北可至35°N)，但在北半球的传播方向与一般年(图3b)相比存在显著差异，即:El Niño年和La Niña年，对流带于4—6月由南半球北传至北半球，于6月前后则明显南传。此外，由OLR异常值表征的南海大气ISO对流强度在La Niña 年较强，在 El Niño 年较弱。

3.2 南海大气ISO的强度与ENSO循环的关系

El Niño年和 La Niña年南海大气 ISO 强度的空间分布表明:La Niña年大气ISO低频动能最强，高值中心分布在孟加拉湾东部至南海南部;El Niño年大气ISO强度最弱，高值中心分布与一般年相似，位于南海南部和菲律宾东部(图略)。

图7 大气ISO低频动能(单位:m2/s2)沿南海所在纬度(10～25°N;a)和经度(110～120°E;b)平均的时间变化Fig.7 (a)Latitudinal(10—25°N)and(b)longitudinal(110—120°E)averaged distribution of ISO low frequency KE(units:m2/s2)over the SCS during normal years

图8El Niño 年(a，b)和 La Niña年(c，d)OLR 异常(单位:W/m2)沿南海所在纬度(10 ～25°N;a，c)和经度(110 ～120°E;b，d)平均的时间变化Fig.8 Latitudinal(10—25°N)and longitudinal(110—120°E)averaged distribution of OLR anomaly(units:W/m2)during(a，b)El Niño and(c，d)La Niña years

1979—2009年Niño3区SSTA与南海大气ISO低频动能异常的相关系数为-0.11，通过了0.05信度的显著性检验，两者为显著负相关，即:El Niño(La Niña)年，南海地区大气ISO强度减弱(增强)，这与观测的对流强度情况一致。1979—2009年南海地区OLR距平与低频动能年际变化的相关系数为-0.57，呈显著的负相关关系，说明南海大气ISO对流的活跃程度与大气ISO低频动能紧密联系，对流活跃时，大气ISO强度更强。因此，El Niño和La Niña事件发生时，通过海表面温度异常影响南海地区对流活动，从而对南海大气ISO强度产生显著影响。

由于最强El Niño发生在11月前后，所以计算了1979—2009年10—12月平均的Niño3区SSTA，得到了31个样本的SSTA序列，然后计算其与全球季节平均低频动能的相关系数。图9为El Niño年合成的季节平均低频动能距平以及相关系数的空间分布。可见，1)从低频动能分布(等值线)来看，在El Niño成熟前的冬季(12月—次年2月)，低频动能高值中心位于印度尼西亚至菲律宾以东的热带西太平洋地区(图9a);春季(3—5月)，高值中心向北扩散且加强东移(图9b);夏季(6—8月)，高值中心继续加强且北抬至南海、菲律宾以东地区(图9c);秋季(9—11月)，El Niño已基本形成，高值中心维持在南海及菲律宾以东地区(图9d)。2)从相关系数分布来看，Niño3区SSTA序列与低频动能的相关性在中西太平洋地区及El Niño成熟前的春秋季最显著，冬季最弱，且相关中心随低频动能高值区东移。

为了定量研究南海大气ISO强度与ENSO循环的关系，进一步计算滞后相关。由图10可见，两者存在约半年(6～8个月)的滞后相关，呈显著负相关关系(通过0.05信度的显著性检验)，即El Niño(La Niña)事件发生约半年后，南海大气ISO强度显著减弱(增强)。注意到南海大气ISO强度超前或滞后 El Niño(La Niña)事件约3 a(36 ～40 个月)时，两者为显著的正相关关系，即南海大气ISO强度与El Niño(La Niña)事件爆发具有约3 a尺度的周期，这可能与ENSO循环的3～7 a周期存在一定联系。

图9 合成的大气ISO低频动能距平及相关系数的空间分布(等值线为El Niño年季节平均的低频动能距平，阴影区表示1979—2009年大气ISO低频动能与Niño3区SSTA相关系数通过0.05信度的显著性检验)a.12月—次年2月;b.3—5月;c.6—8月;d.9—11月Fig.9 Composite distribution of ISO low frequency KE anomaly and correlation coefficient(Isolines indicate seasonal averaged ISO low frequency KE anomaly during El Niño years;Shadings show correlation coefficient between ISO KE and SSTA over Niño3 area from 1979 to 2009，exceeding 0.05 significance level) a.from December to next February;b.from March to May;c.from June to August;d.from September to November

图10 1979—2009年Niño3区SSTA与南海大气ISO低频动能距平的滞后相关(横轴为南海大气ISO序列超前或滞后Niño3区SSTA的月数，负值表示南海ISO落后;虚线代表0.05显著性水平)Fig.10 Lag correlation coefficients between SSTA over Niño3 area and ISO low frequency KE anomaly over the SCS from 1979 to 2009(Horizontal axis indicates the lagged or leading months between ISO activity and SSTA，and negative value indicates ISO activity lagged.Dotted lines indicate the 0.05 significance level)

4 结论

南海大气ISO的30～60 d周期在5—10月显著。南海大气ISO具有明显的年际变化特征，其对流和强度与ENSO循环显著相关。本文通过对南海大气季节内振荡(ISO)特征及其与ENSO循环的关系进行诊断分析，得到如下结论:

1)通过对一般年南海大气ISO对流和强度的分析，得到南海大气ISO特征:纬向上，南海大气ISO存在东传和西传，其中东传于4月始于印度洋(60°E)，西传于 1 月始于东太平洋(130°W)，两支振荡于9月交汇并持续到年末;经向上，南海大气ISO存在南北半球季节性摆动的特征，即北半球冬季活跃于南半球热带地区，夏季则活跃于南海地区，与赤道辐合带相伴随，但是南海大气ISO强度与对流在北半球的传播方向上存在差异。此外，南海大气ISO强度年代际变化明显，近31 a来趋势增强;年变化呈单峰结构，峰值在7—8月，5—10月维持较大值。

2)南海大气ISO的对流与ENSO循环显著相关，其强度在 El Niño(La Niña)年减弱(增强)。与一般年对比，南海大气ISO对流传播在El Niño和La Niña年均表现为西传减弱、北传显著。北传特征表现为强对流活跃带于春季(4—5月)北跳至北半球(在La Niña年最北可至35°N)，但在北半球的传播方向与一般年相比，于9月后存在显著差异。

3)南海大气ISO的强度与ENSO循环关系密切，在 El Niño(La Niña)年减弱(增强)，且其与Niño3区海温异常序列的相关在中西太平洋地区和El Niño成熟前的春秋季最显著，冬季最弱，且相关中心随低频动能高值区东移。两者存在约半年(6～8个月)的滞后相关关系，为显著负相关(通过0.05 信度的显著性检验)，即 El Niño(La Niña)事件发生约半年后，南海大气ISO强度显著减弱(增强)。计算相关发现，南海大气ISO对流的活跃程度与大气ISO强度成正比，因此认为当El Niño和La Niña事件发生时，通过东太平洋海表面温度异常影响南海地区对流活动，从而对南海大气ISO强度产生显著影响。

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(责任编辑:倪东鸿)

Characteristics of ISO over the South China Sea and its relationship with ENSO cycle

ZHU Li-juan1，WANG Ya-fei2，Masaaki Takahashi3
(1.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics/Second Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Hangzhou 310012，China;2.State Key Laboratory of Severe Weather，Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China;3.Center for Climate System Research，University of Tokyo，Tokyo T153，Japan)

The characteristics of the 30—60 d intra-seasonal oscillation(ISO)over the South China Sea(SCS)and its relationship with ENSO cycle are diagnosed by using the NCEP/NCAR reanalysis data，NOAA outgoing long wave radiation(OLR)data and extended reconstructed sea surface temperature from 1979 to 2009.The results are as follows:(1)The 30—60 d period of the ISO over the SCS is significant from May to October.The ISO over the SCS during normal years，which is represented by the convection in company with the ISO，presents eastward and westward longitudinal propagation and seasonal latitudinal sway between the two hemispheres.The ISO intensity over the SCS represented by the low frequency kinetic energy(KE)shows interdecadal variation with an increasing trend during the past 31 years as wellas monthly change with a peak from July to August.(2)The ENSO cycle has a significant influence on the ISO convection over the SCS，and the convection intensity tends to be suppressed(intensified)during El Niño(La Niña)years.In contrast with normal years，the westward propagation of the ISO convection over the SCS weakens while the northward spread is notable during both El Niño and La Niña years.The northward spread is characterized by the northward leap of active convection band from the Southern Hemisphere to the Northern Hemisphere in the spring(from April to May)，and the band can reach 35°N during La Niña years.However，the spread direction in the Northern Hemisphere is distinctly different from that in the normal years around September.(3)The ISO intensity over the SCS has a close relationship with ENSO cycle.The ISO intensity would weaken(strengthen)during El Niño(La Niña)years and has about half a year(6—8 months)lag correlation with the occurrence of mature El Niño(La Niña)event.The correlation between ISO intensity and the sea surface temperature anomaly over the Niño3 region is the most striking over the western and central Pacific in the spring and autumn before the mature El Niño occurs.The correlation centers also spread eastward accompany with the high value centers of low frequency KE.

climatology;South China Sea;30—60 day intra-seasonal oscillation;ENSO cycle;low frequency kinetic energy

P466

A

1674-7097(2014)01-0009-10

祝丽娟，王亚非，高桥正明.2014.南海大气季节内振荡特征及其与ENSO循环的关系［J］.大气科学学报，37(1):9-18.

Zhu Li-juan，Wang Ya-fei，Masaaki Takahashi.2014.Characteristics of ISO over the South China Sea and its relationship with ENSO cycle［J］.Trans Atmos Sci，37(1):9-18.(in Chinese)

2012-05-02;改回日期:2013-09-06

国家海洋局青年海洋科学基金(2013256);国家自然科学基金资助项目(41375091);国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB417202);灾害天气国家重点实验室基本科研业务费

王亚非，研究员，研究方向为东亚季风和大尺度环流机理，yfwang@cams.cma.gov.cn.