MJO对我国南海冬季风异常的影响

周群，黄焕卿

（国家海洋环境预报中心，北京100081）

MJO对我国南海冬季风异常的影响

周群，黄焕卿

（国家海洋环境预报中心，北京100081）

摘要：利用长时间的逐日再分析资料和澳大利亚气象局提供的MJO指数，研究了MJO对我国南海冬季风异常的影响和过程。结果表明，随着MJO的对流中心从西印度洋进入西太平洋，南海海面风场出现偏南风-东北风-偏南风异常的振荡现象，表明南海冬季风阶段性的间断和活跃，最明显的偏南风异常和东北风异常分别位于MJO第8—2位相和第5—6位相。通过合成MJO各位相下500 hPa东亚大槽异常和200 hPa东亚急流异常，我们进一步证实南海冬季风活跃期（MJO第5—6位相），东亚大槽加深，高空急流加强，我国华南沿海上空的反气旋式环流异常，东南边缘的引导气流利于冷空气南下直达南海。相反，在南海冬季风间断期（MJO第8—2位相），东亚大槽和高空急流均减弱，不利于冷空气的南下。对200 hPa垂直速度的分析表明，MJO深对流活动的东移，调整东亚局地Hadley环流异常，在高空表现为反气旋/气旋式环流异常交替发展东移，最终消失在北太平洋地区。一方面通过科氏力的作用，引起东亚高空急流的异常，进而影响东亚大槽的位置和强度，从而影响冷空气的南下；另一方面直接加剧南海海面风场异常的南北向振荡。因此，在做南海冬季风季内变化特别是大风天气过程的延伸期预报时，热带MJO活动可以作为一个重要因子考虑在内。

关键词：MJO；东亚大槽；南海冬季风；延伸期预报

1　　引言

早在20世纪70年代，Madden等就发现赤道附近地区的风场及其异常变化存在明显的40—50 d周期的振荡［1］。此后，这种热带地区的季节内振荡现象被命名为MJO（Madden-Julian Oscillation）。MJO表现为热带对流活动从印度洋沿赤道的向东传播，其基本活动规律已经被揭示的较为清楚［2］。大量的诊断分析表明，MJO活动通过对流异常的强迫和遥相关，在不同的传播位相可以对全球的天气气候产生重要影响［3-5］。有关MJO对东亚天气气候的影响方面，已有一些研究指出东亚季风的爆发及异常、东亚不同季节的区域性降水等对MJO活动都存在明显的响应［6-8］。

南海是西北太平洋边缘海之一，其周围被大陆和岛屿环抱，属典型的季风气候，每年11月至次年3月盛行东北风。冬季由于冷空气频繁影响，大大加强了南海海面风力，由于海上大风引起的恶劣海况对船舶航行和海上作业的安全造成严重影响［9］。然而，冬季风环流也不是稳定的，会经历季节内变化过程，即有冬季风的活跃期和中断期。一般比较弱的冷空气很难影响到南海南部，而强冷空气侵入低纬地区能造成海洋大陆附近的深对流降水，水汽凝结释放潜热，成为大气环流的主要热源。这一热源反过来将通过影响中纬度的东亚西风急流的强度和位置，形成中纬度-低纬度地区强烈的相互作用［10］。

在揭示MJO活动显著影响东亚冬季风时，一些研究强调了中高纬地区低层温度平流的关键作用［4］，当MJO的对流中心位于印度洋时，易发生大规模的寒流。最近的研究也指出，此时在低纬地区对流层低层的异常南风作用下，有充沛的经向水汽输送，我国东南部地区降水明显增多［11］，从而证实了MJO活动对于我国冬季持续性冰冻雨雪天气等的重要作用［12-13］。由以上的回顾不难发现，同是MJO传播至印度洋，高、低纬度地区低层风场响应截然不同。由于南海特殊的地理环境，那么伴随热带MJO向东传播，冬季南海的海面风场会有怎样的响应，之前的研究尚未涉及。

众所周知，当前气象部门开展的预报业务主要包括10 d以内的中短期天气预报以及30 d以上的月、季、年尺度的长期趋势预报。而10—30 d时间尺度的天气过程预报（即延伸期预报）作为天气预报和气候预测衔接的时间缝隙，是迄今尚未解决的重要问题之一。目前MJO的预报时效为15—20 d，比中短期高频天气扰动具有更长的可预报性，因而是改进延伸期预报的重要途径［14］。冬季南海的东北季风风向比较稳定，能否利用MJO活动的变化为南海的海上大风过程（也即风力）提供预报，不仅是亟待解决的科学问题，也具有很高的业务应用价值。为此，本文首先将分析热带MJO传播的基本特征及其对南海冬季风季内变化的影响，在此基础上从对流层高、低层环流异常的角度分析与之相关的物理过程，以期为冬季南海海面大风过程的延伸期预报带来帮助。

2　　资料与方法

本文所使用的数据资料主要是欧洲中期数值预报中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的自1979年1月至今的逐日再分析资料ERA-Interim，空间分辨率为0.75°× 0.75°，时间分辨率为每6 h一次。所用的变量包括：位势高度场、10 m高度经向风场和纬向风场、垂直速度场、降水场等资料，以便描述和计算冬季大气环流的异常情况。季节的划分按惯例将12月和次年1、2月划为冬季。

本文使用的MJO指数为Wheeler等［15］提出的实时复MJO指数（Real-time Multivariate MJO Series，RMM），该指数已被广泛应用于业务及科研工作中。它是将实时多变量的复合场进行EOF分析，然后将逐日观测资料投影到EOF 1与EOF 2上，再去掉年循环以及年内变化量，得到随MJO变化而变化的时间指数，分别被称为RMM 1和RMM 2。根据RMM 1和RMM 2所确定的位相分布图，将MJO对流从印度洋向太平洋的东传依次定义为位相1—8。这样根据不同的位相，就可以大致判断MJO对流强中心的位置。同时，MJO的振幅可以表征其强度，定义强度小于1（RMM12+RMM22＜1）为弱的MJO，表示MJO的信号不显著。一般来说，研究MJO的天气、气候效应不考虑分析弱的MJO部分，本文也沿用这一做法，只分析强的MJO部分（也即RMM12+RMM22≥1的部分）。该指数资料起始时间为1974年6月1日。

本文选用1979年12月1日—2014年2月28日间共计35个冬季的资料进行统计分析，采用的方法主要是合成分析，并利用t检验来验证其显著性。首先将逐日的环流资料减去逐日的气候平均（取1980/81—2009/10年平均作为气候态）得到矩平，然后根据MJO指数划分所属位相，分别合成各位相下的大气环流异常情况，得到各气象要素对MJO活动的响应。

3　MJO传播的基本特征

以往的研究表明，MJO作为热带大气季节内振荡最主要的成员之一，主要特征表现为大尺度的热带深对流异常的向东传播，始于印度洋途径印度尼西亚等地区进入西太平洋，在日界线附近消失［7-8］。图1是利用MJO指数合成的各位相的降水异常及700 hPa垂直速度异常的分布。一般来说，低层对流强盛（700 hPa垂直速度为负）则对应该区域降水偏多。从图1中可以看到，降水异常与垂直速度的异常分布基本吻合，均表现为从第1位相到第8位相，MJO强对流从西印度洋逐渐向东印度洋、海洋大陆以及太平洋传播，且进入第5位相后，也即对流中心移动到南海海域后，分为南北两个中心，其中北边的中心位于南海中南部海域，南边的中心位于10°S附近，两个对流中心分别向东继续移动至第8位相到达日界线附近并逐渐消亡。这些特征与前人对MJO生命循环过程的描述相一致［2，7-8，14］。

图1　　基于MJO位相合成的冬季700 hPa垂直速度（阴影，单位：10-2Pa/s）及降水异常（等值线，间隔：10-1mm/d）

4　MJO对冬季南海面风场异常的影响

东亚冬季风最明显的表面特征是沿西伯利亚高压东边缘的强劲西北风。它在日本南部分为两支，一支折向东进入副热带中西部太平洋；另一支沿着东亚沿岸进入中国南海。图2是冬季气候态的逐日平均海面10 m高处风场分布，可见我国南海冬季海面风向以东北向为主，这是由于冬季西太平洋副热带高压南撤并减弱，冷空气在南海活动频繁所致。同时，南海东北部和西南部海面的风力相对较大，这可能与台湾海峡的狭管效应及南海中南部气压梯度长时间维持有关。由于冷空气路径和强度复杂多变，强冷空气影响南海时，风大浪高，持续时间长，影响范围广，因此要做好南海东北大风过程的预测预报必须掌握强冷空气的季内变化规律。

图3是南海冬季表面风场异常与MJO位相变化的关系，很显然在MJO的第8—2位相（对流中心位于西印度洋时）南海海域为偏南风异常，表明南海风力减弱，影响南海的冷空气相对不活跃，也即东北季风阶段性减弱。相反，在MJO的第5—6位相（对流中心位于菲律宾和海洋大陆时）南海海域为较强的东北风异常，表明南海风力增强，影响南海的冷空气相对活跃，也即东北季风阶段性增强。所以，冬季MJO对流活动位相对南海风力大小存在明显的调制作用，这对于把握南海海域冬季大风天气过程是有帮助的。

图2　　气候态（取1980/81—2009/10年平均）冬季逐日平均的海面10 m高度风场（m/s）分布

5　　大气环流及影响途径分析

为了揭示MJO活动如何影响南海冬季风振荡的机理，本节主要通过位相合成和对比分析指出MJO传播的不同阶段500 hPa位势高度场异常、200 hPa纬向风及垂直速度异常等特征，从而得到热带MJO影响冬季南海海面风力变化的物理过程及途径。

东亚冬季风在500 hPa的显著特征是以日本所在经度为中心的广阔的大槽，在200 hPa主要表现为东亚急流，其最大值位于日本东南部［9］。图4给出了对应MJO传播的各个位相东亚冬季高空环流异常形势。可以看到，对应MJO的第1—2位相，日本上空是一个位势高度的正异常，表明东亚大槽变浅；对应MJO的第3—4位相，覆盖整个东亚大陆上空的位势高度负异常不断东移出海，同时中纬度20°—50°N之间的西北太平洋洋面上的正异常中心整体向东移动，表明此阶段东亚大槽逐渐加深；对应MJO的第5—6位相，日本上空基本为负异常控制，而我国南方地区重新被正异常占据，表明此时东亚大槽进一步加深；至MJO的第7—8位相，位于160°E，40°N的位势高度负异常迅速东移至阿留申群岛附近，50°N以南的东亚大陆上的位势高度正异常进一步发展。值得注意的一点是，MJO第5位相下，东亚大陆的高空反气旋式环流位置明显偏南，中心位于我国华南沿海地区，受其东南侧的东北气流影响，有利于冷空气南下侵入低纬地区，这与此时南海出现的东北风异常相吻合（见图3）。至MJO第6位相，冷高压变性入海，但南海中南部仍可能维持较大的气压梯度，因此易于出现持续性大风天气［16］。

图3基于MJO位相合成的冬季海面10 m高度风场（m/s）异常分布

图4 基于MJO位相合成的冬季200 hPa纬向风（阴影，单位：m/s）异常及500 hPa位势高度

图5 基于MJO位相合成的200 hPa垂直速度（10-2Pa/s）异常

上述MJO对东亚冬季大气环流的影响在200 hPa高空急流的异常分布上也可以得到验证（见图4）。在MJO活动的第8—2位相，中心位于日本南部的东亚急流明显减弱，对应冬季风偏弱；在MJO活动的第4—6位相，急流则明显加强，对应冬季风偏强。位相3和7为转换位相。这与随MJO变化的500 hPa东亚大槽异常相一致，均表明东亚冬季风的阶段性活跃和间歇。那么，中纬度高空环流异常交替发展东移与低纬度MJO活动的向东传播有怎样的必然联系？它与表征东亚冬季风的大槽和急流变异的关系又是怎样的呢？

为了进一步了解造成高空环流异常的原因，我们对200 hPa上的垂直速度按MJO各位相合成进行诊断分析。图5结果显示，在东亚地区存在以15°N为界的南北相反的垂直速度异常中心，可以用来表征经向Haley环流异常。对应MJO的前4个位相（后4个位相），MJO对流中心位于印度洋（MJO对流中心位于南海及西太平洋），菲律宾及海洋大陆地区高层主要表现为异常的下沉（上升），东亚局地Hadley环流减弱（加强），对应我国南方地区为异常的上升（下沉）气流控制。事实上，MJO的深对流所引起的上升运动足以达到对流层上层，这里的结果强调了MJO不断东传能显著改变东亚地区经向Hadley环流，这是MJO影响中纬度高空环流异常的重要途径。

与此同时，伴随MJO位相发展，位于20°—40°N之间东亚大陆上空的垂直速度负异常中心（正异常中心）不断向东移动并逐渐减弱，最终消失在北太平洋地区（见图5）。故在对流层高层，东亚局地Hadley环流的高空回流通过科氏力的作用，产生纬向风力矩，能引起200 hPa东亚急流强度和位置的改变，进一步影响500 hPa东亚大槽的变化，从而对东亚冬季风变异、冷空气的爆发及路径进行调制。此外，在对流层低层，经向Hadley环流的减弱和加强可以直接造成南海海面风场异常的南北向振荡。因此，在高、低层环流异常的共同作用下，MJO 第5—6位相（第8—2位相）时，南海冬季风偏强（偏弱），风力增大（减小），而东亚局地Hadley环流异常则是沟通热带MJO深对流活动与冬季风异常的重要桥梁。

6　　结论

通过对诊断资料的统计分析，本文研究了MJO对中国南海冬季风异常的调制以及相关的物理过程。得到如下一些主要结论：

（1）热带MJO活动对冬季南海海面风场异常存在显著调制作用，当MJO处于第5—6位相，也即对流中心位于菲律宾及海洋大陆地区时，南海出现东北风异常，冬季风加强。由于南海冬季盛行东北风，所以对应此时南海风力加大，冷空气造成的南海大风天气也较多。而在其他位相则基本不利于南海冬季风的增强，其中MJO第8—2位相时偏南风响应最为明显，表明此时冬季风偏弱；

（2）对MJO各位相下的环流异常的合成分析显示，随着MJO位相发展，中纬度地区高空表现为气旋式/反气旋式环流异常相间并不断东移，导致在第7—2（第3—6）位相，日本上空500 hPa为位势高度正（负）异常覆盖，东亚大槽减弱（增强），200 hPa东亚急流减弱（增强）。特别是MJO第5位相，位于东亚大陆的反气旋式环流异常位置明显偏南，中心位于我国华南沿海地区，受其东南侧气流影响，利于冷空气侵入南海。随后，较大气压梯度在南海中南部维持，易造成大范围持续性大风过程［16］。因此，中纬度高空环流异常随MJO活动的变化，可以很好地解释南海冬季风的季内振荡现象；

（3）进一步分析表明，MJO作为热带地区的深对流活动沿纬向从西印度洋移向北太平洋，在经向上能够引起东亚地区局地Hadley环流的异常响应，从而在我国南方地区200 hPa高空交替形成辐散/辐合中心发展东移，最终消失在北太平洋地区。一方面，引起科氏力异常，调整东亚急流的位置和强度，继而影响东亚大槽异常。另一方面，直接造成南海海面风场异常的南北向变化。所以，与局地Hadley环流相联系的对流层高、低层环流的共同配合，是导致南海冬季风出现活跃和中断的主要原因。

需要说明的是，本研究只是从统计角度出发分析了MJO位相发展对南海冬季风异常的影响，并试图从东亚地区环流异常的响应给出合理的解释。进一步的研究还需要利用数值模拟试验加以验证。鉴于目前热带MJO可预报性已达到15—20 d，今后有必要加强MJO活动影响我国近海天气气候及相关机制的研究，为提高海洋气象预测预报能力，特别是10—30 d延伸期预报水平提供一定依据。

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中图分类号：P425.4+2

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2016）03-0009-09

DOI：10.11737/j.issn.1003-0239.2016.03.002

收稿日期：2015-08-28

基金项目：国家海洋局极地专项《南极周边海域气象环境综合分析与评价》（CHINAER 2013-04-01）；国家海洋局极地专项《北极地区环境与资源潜力综合评估》（CHINARE 2014-04-03）。

作者简介：周群（1986-），女，工程师，博士，主要从事气候动力学及季风动力学方面的研究。E-mail:zhouqun1224@163.com由于南海的风时风区较长，强冷空气造成的大风大浪持续的时间也特别长，是冬季影响南海的最主要的灾害性天气系统。因此，认清冬季风的季节内振荡及相关的机制，是做好南海冬季气象保障工作的重要环节。

Impact of the Madden-Julian oscillation on winter monsoon anomaly over the South China Sea

ZHOU Qun，HUANG Huan-qing
（National Center for Marine Environment Forecast，Beijing 100081 China）

Abstract：Based on the long-term daily reanalysis data set as well as the real-time multivariate MJO index from the Bureau of Meteorology of Australia，the influences of the MJO on winter monsoon anomalies in South China Sea（SCS）are investigated.The results show that the wintertime surface wind anomaly over the SCS shows south-northeast-south wind pattern variations as the convection centre of MJO moves from the Indian Ocean to the western Pacific.This indicates the enhancement and suppression of the winter monsoon and the most remarkable south and north wind anomalies appear in phase 8—2 and phase 5—6，respectively.Composite results further demonstrate the East Asian trough at 500 hPa and the 200 hPa westerly jet associated to the East Asian local Hadley circulation anomalies can be contributed to the intra-seasonal oscillations of the South China Sea winter monsoon.Therefore，tropical MJO could be taken as an important factor in extended-range forecast of the monsoon anomalies especially the gale wind over the SCS during the winter.

Key words：MJO；EastAsian trough；South China Sea winter monsoon；extended-range forecast