西中太平洋经向大气环流的年际变化*

王 启，宫晓庆

（中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室，山东省高校海洋－大气相互作用于气候重点实验室，山东 青岛 266100）

Hadley环流是南北半球间以及热带和副热带之间质量、动量和角动量输送的主要通道，具有非常重要的研究意义，自1735年由Hadley提出解释以来［1］，受到学者的广泛关注［2－5］。

纬向平均经圈环流（MMC，Mean Meridional Circulation）是子午面上由沿纬圈平均的风经向分量υ和垂直分量ω构成的环流。目前，关于MMC的研究尤其是沿全纬圈Hadley环流的研究有很多。随着观测数据的不断发展，Hadley环流的季节分布特征已经得到认证［6－8］。近年来，许多学者关注并研究了全纬圈Hadley环流年际、年代际变化特征，而且发现Hadley环流与热带地区海表面温度（SST）关系密切。Oort and Yienger［9］指出，Hadley环流的强度与赤道中东太平洋的SSTa呈正相关关系，而与Walker环流呈负相关。周波涛和王会军［10］对北半球冬季和夏季的 Hadley环流分别进行讨论，发现冬季北半球Hadley环流有明显的年代际增强的趋势，而夏季控制热带地区经向环流的南半球Hadley环流为周期性年代际变化，没有明显的趋势，冬、夏季节 Hadley环流年际变化与Nio 3区SSTa呈显著正相关。马杰和李建平［11］指出，北半球冬季Hadley环流有显著的年代际增强趋势，与印度洋－西太平洋暖池地区海温相关显著，而ENSO则主要作用于其年际变化。冯然等［12］对北半球夏季Hadley环流进行分析，得到类似的结论。冯娟等［13－14］分析了北半球春季 Hadley环流的年际、年代际变化特征，指出赤道中东太平洋海温异常和印度洋－西太平洋暖池区异常海温的重要作用。

关于全纬圈Hadley环流的研究已经有很多，但是，由于海陆分布不均，沿整个纬圈的大气环流也各有各的特征，很有必要进行纬向区域划分，分析不同区域Hadley环流的特征及影响因素。目前，已经有学者重点关注了季风区和东西太平洋的经向环流特征，发现各个区域环流分布不同，并且有各自的季节和年际变化特征。陈月娟等［15－16］讨论了110°E～140°E经向环流的年际变化特征及其与东亚季风的联系，并从中得出东亚季风环流强度变化与ENSO有一定的关系。Wang［17］对比了El Nio（La Nia）生消各个阶段东西太平洋上空Hadley环流的异常场分布，发现东、西太平洋Hadley环流在El Nio（La Nia）阶段呈反位相变化。秦育婧和王盘兴［18］对比分析了季风区和Nio区局域经向环流的季节和年际变化特征，及其与SST的关系，发现ENSO事件对于不同区域环流都有重要作用。

从前人的研究可知，分区域进行经向环流研究非常有必要，而现在的研究相对较少，且不同学者对区域的划分标准各不相同。本文将给出合理的标准进行区域划分，并研究相应的环流特征。

1 资料与定义

本文主要采用NCEP/NCAR月平均再分析资料［19］中的速度势χ和垂直速度ω，水平分辨率为2.5（°）×2.5（°），垂直方向从1 000～10hPa，共17层，但ω仅有从1 000～100hPa共12层资料。海表面温度（SST）用的是NOAA提供的ERSST（Extended Reconstructed Sea Surface Temperature）数据［20］，水平分辨率为2（°）×2（°）。另外还用到 NOAA提供的 Nio 3.4指数。所有资料的时间跨度均为1951年1月～2010年12月，共720个月。

文中将使用经向质量流函数来表征经向环流。水平风场可以分解为无散的旋度风和无旋的散度风。在气压坐标系下的连续方程中，只有散度风能够引起垂直运动ω，而旋度风对ω不起作用。

对球面－气压坐标系下的连续方程求纬向平均，得到：

利用方程（1）可定义一个二维质量流函数ψ：

其中：φ为纬度；p为压强。实际计算时采用王盘兴［21］提出的双向叠加方案：设边界条件地面（ps＝1 013 hPa）和大气层顶（p＝0）质量流函数为0，分别对（2）式进行向上、向下积分，得到每个经度格点i上空单位格点宽度的质量流函数ψi（φ，p）：

对于经度格点i＝（a，b）的区域，该区域的总质量流函数ψ（φ，p）为：

2 经向环流年际异常的区域划分

由经向质量流函数ψ的定义可知，其正值表示顺时针的经圈环流，即北半球的正Hadley环流；负值表示逆时针的经圈环流，即南半球的正Hadley环流，并且经圈环流的中心对应着ψ的极值区。从全纬圈年际异常的经向环流分析结果看，异常环流中心位于400hPa左右［22］。因此，为了合理确定Hadley环流年际异常的区域，本节首先分析ψ在400hPa的特性。

对400hPa南北纬30°范围内ψ的年际异常进行EOF分解，第一模态空间分布如图1上图所示，下图为用ψ计算得到的垂直运动场ω，图中ψ的单位为107kg/s。

图1 400hPa质量流函数（上图，单位：107 kg/s）年际分量第一模态及相应的垂直速度ω（下图，单位：10－4hPa/s）的空间分布Fig.1 Spatial distribution for mode1of MSF interannual anomaly（upper，Unit：107 kg/s）and the corresponding vertical velocityω（lower，Unit：10－4hPa/s）

图1上图显示，沿整个纬圈质量流函数有3对关于赤道反对称的异常中心，其经度位置分别在120°E、170°W和50°W 附近。其中170°W 的北（南）半球正（负）异常，强度最强，中心位于北（南）纬7（10）度左右；120°E的是与170°W异常符号相反的2个中心，强度次之，北（南）半球负（正）中心位于北（南）纬20度左右；50°W是与120°E符号相同的2个中心，强度较弱，北（南）半球负（正）中心位北（南）纬20（15）度左右。3对质量流函数异常分别对应着西太平洋暖池的异常下沉、赤道中太平洋的异常上升和赤道大西洋的异常下沉（见图1下图）。本文将主要关注太平洋的Hadley环流年际异常，并根据图1将其沿纬向分为各跨40个经度的2个区域：西太平洋区（WP，100°E～140°E）和中太平洋区（CP，170°E～150°W），如图1中黑色粗线划出的范围。

3 西中太平洋经向环流的季节变化

在分析太平洋Hadley环流年际异常之前，有必要先了解其季节变化特征，以清晰异常环流与实际环流的关系（实际环流＝异常环流＋季节环流）。图2分别给出了WP区和CP区的季节环流。图2及其后面关于质量流函数的分布图，单位均为109kg/s，不同于图1。

图2 WP区域（上图）和CP区域（下图）的垂直速度（阴影，正值上升、负值下沉）和质量流函数（曲线，单位：109kg/s）纬度－高度（单位：hPa）场的季节分布Fig.2 Seasonal evolution of vertical velocity（shaded，positive for ascending，and negative for descending）and MSF in latitude-height field（contour，unit 109 kg/s）for WP area（the upper row）and CP area（the lower row）

WP区（见图2上图）有南北2支Hadley环流，但以各半球冬季Hadley环流占主导地位。北半球冬季，北支Hadley环流水平跨度为10°S～40°N（南支在10°S～40°S），最大上升运动高度（也是环流中心高度）在350 hPa左右，经向范围在15°S～5°N之间，35°N有较强下沉中心，高度在500hPa左右；北半球夏季，南支Hadley环流水平跨度为30°S～20°N（北支很弱，北退到中纬度），最大上升运动高度在400hPa左右，经向范围在10°N～20°N之间，下沉区主要在25°S～15°S之间，高度偏低；春、秋季节为过渡季节，但都是南支Hadley环流偏强。WP区域Hadley环流季节变化特性显然是地形和暖池加热决定的，特别是上升区的季节移动，应该是暖池上空凝结潜热的作用结果。

CP区（见图2下图）2支Hadley环流都比WP区的弱得多，环流中心高度偏低（年平均约在450～500hPa左右），经向跨度较窄。其最大特点是主要上升区关于赤道对称，但明显分为离开赤道的南北2支，赤道区上升很弱，即2支Hadley环流在赤道区是分离的。除了一月份南支Hadley环流上升运动较强外，其余季节，2支上升运动差别不大，位置的季节移动也较小。CP区域Hadley环流季节变化特性应该是赤道冷舌和赤道辐合带位置决定的，其上升支主要受赤道辐合带上空的潜热释放驱动，驱动力要远低于西太暖池。

4 西中太平洋经向环流的年际变化

分别对 WP区域（100°E～140°E，60°S～60°N）和CP区域（170°E～150°W，60°S～60°N）质量流函数的年际异常做EOF分解，其中WP区第一模态和第二模态的方差贡献分别为62.0%和18.6%，CP区第一模态和第二模态的方差贡献分别为58.8%和22.7%。2个区域的第一模态都能够解释60%左右的方差贡献，第一模态与第二模态之和解释了80%之多的方差。

图3给出了2个区域第一模态的空间分布和时间序列。对比图3a、b发现，2个区域第一模态是关于赤道对称，但互为反向的异常环流。WP区域异常环流范围宽广，已超南北纬60°，异常环流中心高度在400hPa左右，赤道下沉区占据了40个纬度之多（20°S～20°N），但强度较弱，尤其是副热带外的垂直运动强度更弱；CP区域异常环流宽度较窄，仅达南北纬30°左右，赤道上升区局限于10°S～10°N之间，但赤道区和赤道外区的垂直运动都较强，环流中心高度也偏高，位于350hPa左右。由图3c可以看出，2个区域年际异常第一模态的时间系数演变非常一致，同期相关系数可达0.85，而且WP区超前CP区1个月时的相关系数最大，达0.86。

图3 WP区域和CP区域经向环流年际分量第一模态的空间、时间分布Fig.3 Spatial and temporal distribution of mode1for MSF interannual variation

比较WP区第一模态的空间型（见图3a）与气候态的Hadley环流（见图2上图）可知，当第一模态为正位相时（时间系数为正），20°S～20°N为异常下沉，而 WP区气候态的Hadley环流在10°S～20°N基本是上升运动，在20°S～10°S基本是下沉运动，所以当WP区第一模态正（负）位相时将削弱（加强）Hadley环流的上升运动。

当CP区第一模态的空间型（见图3b）正位相时，10°S～10°N为异常上升，而CP区气候态的Hadley环流基本是分离在赤道两侧的上升运动，下沉区一般在20°以外（见图2下图）。所以当CP区第一模态正（负）位相时将加强（削弱）Hadley环流，并使该区Hadley环流向赤道收缩（离赤道发散）。

图4所示为2个区域第二模态的时空变化特征。对比图4a、b发现，2个区域第二模态的空间型在热带地区比较相似，主要环流均为跨赤道的逆时针环流，异常环流中心高度在350hPa左右，较强的上升区位于5°N～15°N，下沉区位于赤道以南；WP（CP）区的北支顺时针环流很弱（较强），北边界仅达30°N（已达60°N）多。2个区域第二模态的空间型在南半球副热带差异较大，WP区为很弱的顺时针环流，而CP区为逆时针环流。

2个区域第二模态的时间系数（见图4c）相关性也较高，尤其是峰期非常一致，同期相关系数为0.54，远超99%信度。

2个区域第二模态对气候态Hadley环流的影响主要表现在：当第二模态正（负）位相时将加强（削弱）5°N～15°N两区Hadley环流的上升运动。考虑到2个区域Hadley环流在5°N～15°N基本上为上升区，因此当第二模态正（负）位相时将加强（削弱）2个区域的Hadley环流。所以WP区和CP区Hadley环流年际异常的特点是2个区域的第一模态是相反的环流，时间系数十分一致；2个区域的第二模态是基本相同的环流，时间系数也较相似。因此可以设想，若将2个区域合在一起，Hadley环流年际异常的空间主要特征可能就类似2个区域较一致的第二模态异常分布型；2个区域第一模态之和，因为相互抵消，合区后可能会成为次要特征。时间系数可能分别与第二模态和第一模态的时间系数接近。

选取西中太平洋区域（100°E～150°W，60°S～60°N，记作WCP），即WCP区＝WP区＋CP区＋区域（140°E～170°E，60°S～60°N）。图5和图6给出了 WCP区质量流函数年际异常的EOF分解结果，第一模态和第二模态的方差贡献分别为39.6%和32.8%。

图4 同图3但为第二模态Fig.4 Same as Fig.3 but for Mode 2

图5a给出的是WCP区的第一模态，图5b是WP区和CP区的第二模态之和，可以看出，图5a、b相似度很高；图5c分别给出了图5a的时间系数（黑线）和WP区和CP区第二模态的平均时间系数（红线），两者几乎重合。

图6a给出的是WCP区的第二模态，图6b是WP区和CP区的第一模态之和，可以看出，图6a、b也有较好的相似度；图6c分别给出了图6a的时间系数（黑线）和图6b的时间系数（红线），两者也非常一致。

图5 WCP区域年际分量第一模态空间分布（a），WP区和CP区第二模态平均的空间分布之和（b）及相应的时间系数（c）Fig.5 Spatial distribution for mode1of WCP interannual variation（a），sum of mode2of WP and CP area（b）and temporal distribution for mode1of WCP（black）and average of mode 2of WP and CP area（c）

图6 WCP区域第二模态空间分布（a），WP区和CP区第一模态空间分布之和（b）及相应的时间系数（c）Fig.6 Spatial distribution for mode 2of WCP interannual variation（a），sum of mode1of WP and CP area（b）and temporal distribution for mode2of WCP（black）and average of mode1of WP and CP area（c）

总结上述结果，西中太平洋区域（WCP区）的Hadley环流年际异常的特点，一是西太平洋和中太平洋各有相反的Hadley环流对，西（中）太的Hadley环流对范围宽（窄），强度弱（强）；随时间变化可用 WCP区第二模态的时间系数（见图6c中黑线）表示。另一特点是有全区统一的跨赤道Hadley环流，主要上升（下沉）区发生在5°N～15°N区间，；随时间变化是 WCP区第一模态的时间系数（见图5c中黑线）。

5 西中太平洋Hadley环流与ENSO的关系

ENSO现象是海－气相互作用中最显著的年际变化信号，那么Hadley环流的年际变化与ENSO有何联系呢？图7给出了WCP区第一模态和第二模态的时间系数及Nio3.4指数。可以看出，第二模态（相当于WP和CP区域的第一模态）的时间系数与Nio3.4指数极为一致，说明西太平洋和中太平洋相反的Hadley环流异常与ENSO关系密切；WCP区第一模态（相当于WP和CP区域的第二模态）的时间系数与Nio3.4指数没有很好的一致性，但可以发现在几次较强El Nio事件的发展（衰减）期，发生了第一模态的正（负）值峰值，例如1972—1973、1982—1983、1986—1987、1997—1998和2009—2010年等。

图7 WCP区域第一模态（蓝虚线）和第二模态（黑实线）时间系数及Nino3.4指数（红实线）Fig.7 Temporal distribution for mode1（blue dashed line）and mode2（black solid line）of WCP interannual variation and Nio3.4index（red solid line）

图8 WCP区域第一模态和第二模态的时间系数及Nio3.4指数相互的时滞相关Fig.8 Lead-lag correlation coefficient for mode1＆ Nio3.4（blue），mode2＆ Nio3.4（purple）and mode1＆mode2（black）

海表面温度异常（SSTa）是驱动异常Hadley环流的重要因素，而且异常Hadley环流中心一般位于400hPa以上的高度，可知深对流潜热加热是主要机制，所以应主要关注暖池区和热带辐合带（ITCZ）区域的SSTa。图9给出了WCP区域第二模态时间系数对400hPa垂直速度异常和SSTa的回归场。

图9 WCP区域第二模态时间系数对400hPa垂直速度异常和SSTa的回归场Fig.9 Regression of vertical velocity at 400hPa and SSTa by mode2time series of WCP area interannual variation

图10给出了WCP区域第一模态时间系数对400hPa垂直速度异常和SSTa的回归场。

图10b显示西中太平洋热带SSTa分布主要表现在5°N～15°N（ITCZ区）的正异常，对应着400hPa的上升运动，也是中心偏西于SSTa中心（见图10a）。

图10 WCP区域第一模态时间系数对400hPa垂直运动和SSTa的回归场Fig.10 Regression of vertical velocity at 400hPa and SSTa by mode1time series of WCP area interannual variation

6 结论

本文分析了局域Hadley环流的年际变化特征，主要结论和讨论如下：

（1）局域Hadley环流年际变化的最强信号位于西中太平洋区（约在100°E～150°W之间），并且西太平洋与中太平洋的异常Hadley环流反号，因此又将西中太平洋区分为西太平洋区（WP，100°E～140°E）和中太平洋区（CP，170°E～150°W）。WP区和 CP区质量流函数年际异常的EOF第一模态和第二模态的方差贡献都是60%和20%左右。2个区域第一模态的时间系数十分一致，第二模态的时间系数相关性也远超99%信度。

（2）WP区第一模态的显著特点是20°S～20°N为异常下沉，是南北跨度大的负Hadley环流；CP区第一模态的空间特点是10°S～10°N为较强异常上升，是南北跨度较小，但强度较强的正Hadley环流，2个区域第一模态的时间系数基本一致，与Nio3.4指数相关系数高达0.85。WP区和CP区第二模态的共同特点是在5°N～15°N都为上升运动，但在副热带差异较大，2个区域第二模态的时间系数相关系数达到0.54，但与Nio3.4指数同期相关系数很低。所以，WP区和CP区异常Hadley环流的第一模态在赤道区符号相反，而第二模态的主要差异是在副热带。

（3）将整个西中太平洋区（WCP，100°E～150°W）的Hadley环流质量流函数年际异常做EOF分解，结果表明，第一模态对应着西中太平洋区一致型，即与 WP区和CP区的第二模态之和很相似；第二模态对应着西中太平洋区相反型，即与WP区和CP区的第一模态之和很相似。说明WP区和CP区的异常Hadley环流模态可以线性叠加，而时间系数不变，从而证实了两区EOF分解的合理性。

（4）西中太平洋有两类SSTa，通过其上的深对流潜热加热驱动异常Hadley环流：El Nio型驱动了 WP区和CP区赤道区符号相反的第一模态异常环流型；ITCZ型驱动了WP区和CP区5°N～15°N区符号一致的第二模态异常环流型。超前滞后相关系数分析表明，SSTa和异常Hadley环流是海－气相互作用的结果。

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