夏季哈德莱环流强度变化与亚洲季风区经向水汽输送的关系

郝 然

(中国民用航空华东地区空中交通管理局气象中心，上海 200335)



夏季哈德莱环流强度变化与亚洲季风区经向水汽输送的关系

郝 然

(中国民用航空华东地区空中交通管理局气象中心，上海 200335)

摘要采用NCEP/NCAR再分析资料，计算了夏季哈德莱环流(H.C.)强度，分析了夏季H.C.强度年际、年代际变化特征，以及亚洲季风区夏季水汽输送的气候特征，并研究了夏季哈德莱环流强度与亚洲季风区水汽输送的关系。结果表明，1979～2010年夏季南半球H.C.强度有明显增强趋势，同时也有明显的年际变化。索马里东部洋面和印尼东部洋面是南半球水汽北转输入亚洲的重要区域；夏季南半球哈德莱环流强度与索马里东部洋面和印尼东部洋面的经向水汽输送呈显著的正相关关系，与在我国中东部—南海南部、阿拉伯海东南部的经向水汽输送呈显著的负相关关系。

关键词水汽输送；哈德莱环流；亚洲季风区；经向水汽输送；夏季

哈德莱环流(Hadley Circulation，以下简记为H.C.)，是热带地区子午面(即经圈平面)上行星尺度的垂直热力环流圈，它由2个闭合环流圈构成，其公共上升支与热带辐合带(ITCZ)对应，而下沉支与两半球副热带高压带对应，其位置、强度存在明显的季节变化[1-4]。在地气系统的能量平衡中，热带区域是能源所在[1-2]，热带海洋、大气吸收的太阳辐射能量占地气系统吸收太阳辐射总量的主要部分，通过海、气环流将热量向热带外输送，驱动了全球海洋和大气环流。在热量由热带向热带外输送的过程中，H.C.是大气环流中最主要的角色。吴国雄等[5]和Trenberth等[6]研究表明，H.C.低层将水汽向赤道输送，在上升支中水汽凝结释放潜热，其垂直支的绝热加热效应平衡着自由大气中热通量的辐散和大气的非绝热加热。大气水汽输送在能量与水分循环中具有重要作用，其异常变化对降水有重要的影响[7-8]。

我国处于亚洲季风区，气候与亚洲季风密切相关，夏季受到来自低纬热带地区的印度西南季风及南海季风和西太平洋副热带东南季风的影响。夏季风的活动决定了季风水汽输送结构、路径和进入我国水汽的强弱，进而影响我国东部雨带及降水强度的变化，尤其是长江中下游地区的梅雨降水及其异常与亚洲季风环流之间存在非常密切的关系[8]。因此，搞清亚洲季风水汽输送及H.C.对其影响的规律，对改进和提高季风期降水和旱涝预报具有重要的经济和学术价值。笔者将H.C.质量流函数最大值代表H.C.强度，研究了夏季H.C.对亚洲季风区水汽输送的作用，并分析了其主要影响方式和对各地影响的区别。

1资料与方法

1.1资料选取采用的资料包括NCEP/NCAR月平均风场资料、月平均海平面气压场资料和月平均水汽场资料，覆盖时段为1979年1月～2010年12月，水平分辨率为2.5°×2.5°，风场和水汽场资料垂直分为4层(1000、925、850、700 hPa等压面)。

1.2分析方法

1.2.2H.C.的质量流函数的计算方案。根据文献[2]可知，全域H.C.的质量流函数由下式之一定义：

(1)

(2)

1.2.3相关系数(r)计算方案。相关系数的计算公式为：

(3)

相关系数的显著性检验使用t分布检验：

(4)

该研究中自由度n-2取30，故在0.05信度下，临界相关系数rc=0.349。

(5)

其中，波数k对应的角频率ωk、周期Tk，k=1～3波对应周期10a以上振荡，将其归为慢变波，标为s，它们与年代际变化对应；其余波动均为周期<10a的振荡，将其归为快变波，标为f，它们与年际变化对应。于是x′(ty)被分解为年代际、年际变化2个部分：

(6)

(7)

2夏季H.C.气候特征分析

2.1夏季H.C.质量流函数气候态由图1可知，夏季南半球H.C.强盛，范围广大，中心强度绝对值在180×109kg/s以上，700 hPa以下低层南北贯穿50个纬度左右；夏季北半球H.C.强度很弱。因此，下面仅关注夏季南半球H.C.的情况。

2.2夏季南半球H.C.强度变化特征由图2可见，近32 a夏季H.C.强度为150×109～220×109kg/s，存在年际和年代际变化；1979～1984年环流强度有明显减弱，之后随时间序列增加，强度有增加趋势，特别是20世纪90年代后期至2010年增幅均较大。

为了分析夏季南半球H.C.的年际和年代际变化特征，对强度序列(图2)中心化处理后进行了谐波分析，将其强度变化分解为年际和年代际变化2个部分。由图3可见，夏季南半球H.C.强度有明显的年际变化，最强为1986年，最弱为1996年，且1994～1999年变化最为剧烈；夏季南半球H.C.强度的年代际变化也十分显著，1981～1996年为负位相年，1997～2010为正位相年，其中1984年负位相达最大值，2008年正位相最大。

图1　1979～2010年夏季H.C.质量流函数气候平均态(单位：109 kg/s)Fig.1　Mass flow function climate mean state of H.C.during summer of 1979-2010

图2　1979～2010年夏季南半球H.C.强度变化Fig.2　The change of H.C.intensity in southern hemisphere in summer during 1979-2010

图3　1979～2010年夏季南半球H.C.强度年际(a)和年代际(b)变化特征谐波分析Fig.3　Annual(a)and interannual variation characteristics of H.C.intensity in southern hemisphere in summer during 1979-2010

3亚洲季风区夏季水汽输送气候特征分析

从1979～2010年夏季水汽通量矢量气候态(图4a)可以看出，水汽越赤道后，通向亚洲地区的水汽输送通道有2条，按照它们与我国的相对位置，可分为西南路和东南路：①西南路，南半球低纬地区西行的气流在索马里东部洋面附近越赤道进入北半球，并逐渐东偏，经过阿拉伯海时变为东向气流，到达印度后产生南向分量，而过印度后气流分为南北两支；北支经孟加拉湾北部进入中国大陆，南支经孟加拉湾南部后于105°E附近越赤道气流在南海南部汇合，转向北进入我国。②东南路：来自低纬西太平洋的气流与印度尼西亚附近的越赤道气流在菲律宾东南方洋面相会，北转一同进入东亚。水汽输送通量的经向分量的气候态(图4b)显示，水汽输送经向分量的正值的大值带共有3个，即索马里以东洋面、孟加拉湾、南海中部，这3个区域是夏季南半球H.C.向北半球输送水汽的重要地区；负值的大值地区仅有1个，在印度附近。说明夏季亚洲季风区水汽以南风输送为主。

图4　1979～2010年夏季水汽通量矢量[a，g/(hPa·cm·s)]和水汽通量散度[b，g/(hPa·cm2·s)]气候态Fig.4　Summer water vapor flux vector[a，g/(hPa·cm·s)] during 1979-2010 and water vapor flux divergence[b，g/(hPa·cm2·s)]

4夏季南半球H.C.强度与亚洲季风区经向水汽输送的关系

由图5可见，在北半球中低纬度地区，正相关的大值区域有3片，分别是索马里东部洋面至阿拉伯半岛东部、125°～145°E的赤道附近、孟加拉湾北部；负相关区域十分广阔，几乎覆盖了东亚、东南亚(除印尼东部)、南亚地区，其中大值区域有3片，即我国中部—越南—南海南部一片狭长的区域、苏门答腊岛及其西部海面、阿拉伯海东南部。结合图4a可知，上述正相关大值区域对应西南路的水汽输送，说明H.C.强度越大，在索马里和印尼东部附近洋面的越赤道经向水汽输送越强，输入进北半球的水汽通量也越强；3片负相关大值区域之一的苏门答腊岛西部，位置正处于西南路水汽输送有常年向南分量的地区，因南半球H.C.强度大时，越赤道气流增强，进而气流的向南分量也将增强，故负相关系数大；而我国中东部—南沙群岛和阿拉伯海东南这两片区域则处在水汽北向输送的通道上，说明H.C.强度越大，此处经向水汽输送越弱。

注：阴影区域通过0.05信度检验，深色阴影区代表正值，即正相关；浅色阴影区代表负值，即负相关。 Note：Shadow area pass through the 0.05 reliability test，the dark shadow area is positive，namely positive correlation；the light shadow area is negative，namely negative correlation.图5　夏季南半球H.C.强度指数与同期低层经向水汽通量(Qv)的相关系数分布Fig.5　The H.C.intensity index in southern hemisphere in summer and correlation coefficient of low layer meridional water vapor flux

为了验证H.C.强度与上述正、负相关大值地区经向水汽通量关系，对夏季南半球H.C.强度年际、年代际变化(图3)进行进一步分析。规定H.C.强度序列中心化处理后的值大于0.4的年份为强年，小于-0.4的年份为弱年，则得到近32 a来夏季H.C.强度年际变化强年7个(1983、1986、1994、1997、1999、2008、2010年)、弱年6个(1980、1984、1989、1996、1998、2007年)。根据H.C.强度序列中心化处理后的值的正负，可以分为正位相年与负位相年，得到近32 a来夏季H.C.强度1997～2010年为正位相年，1981～1996年为负位相年。分别做强年与弱年、正位相年与负位相年的经向水汽通量(Qv)之差合成图，从图6可看出，索马里东部洋面、印尼东部洋面、孟加拉湾北部强弱年和正负位相年的Qv之差均为正，说明夏季南半球H.C.强度与输送进入北半球的水汽通量呈正相关；广大的东亚、东南亚(印尼东部除外)、南亚地区差值均为负，说明H.C.强度与这些区域的径向水汽通量呈负相关。这些均与图5的结论相符。

5结论

该研究采用NCEP/NCAR再分析资料，计算了H.C.质量流函数，分析了夏季H.C.强度年际、年代际变化特征，以及亚洲季风区夏季水汽输送的气候特征；运用相关分析和合成分析方法，研究夏季H.C.强度变化与亚洲季风区经向水汽输送的关系，得出以下几点结论：

(1)1979～2010年夏季南半球H.C.强度有明显增强趋势，同时也有明显的年际变化。

(2)索马里东部洋面和印尼东部洋面是南半球水汽北转输入亚洲的重要区域；南半球水汽越赤道后，通向亚洲的通道有西南路和东南路2条。

(3)夏季南半球H.C.强度与索马里东部洋面和印尼东部洋面的经向水汽输送呈显著的正相关关系，与我国中东部—南海南部、阿拉伯海东南部的经向水汽输送呈显著的负相关关系。

图6　夏季南半球H.C.年际变化强年与弱年(a)和年代际变化正位相年与负位相年(b)经向水汽通量之差合成[单位：g/(hPa·cm·s)]Fig.6　Summer southern hemisphere H.C.interannual variability of strong and weak years(a)and interannual change positive phase and negative phase(b)differential synthesis of the meridional water vapor flux

参考文献

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作者简介郝然(1987-)，男，山东泰安人，助理工程师，从事强对流预报研究。

收稿日期2016-04-11

中图分类号S 165+.2

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)16-198-03

The Relationship between Change of Hadley Circulation Intensity in Summer and Meridional Water Vapor Transport in Asian Monsoon Region

HAO Ran

(China Civil Aviation East China Air Traffic Management Bureau Meteorological Center, Shanghai 200335)

AbstractUsing NCEP/NCAR reanalysis data, Hadley Circulation intensity in summer was calculated, the annual variation characteristics were analyzed, as well as the climate features of water vapor in Asian monsoon region. The relationship between H.C. intensity and water vapor in Asian monsoon region was studied. The results showed that during the summer of 1979 to 2010, the intensity of H.C. in the southern hemisphere was significantly increased, and there was a significant annual variation. The eastern ocean of Somalia and Indonesia was an important region of the southern hemisphere water vapor transport to Asia; the intensity of H.C. in summer in southern hemisphere presented significant positive correlation with meridional water vapor transport in eastern ocean of Somalia and Indonesia, showed significant negative correlation with meridional water vapor transport in middle east of China-south of the Nanhai Sea, southeast of Arabia sea.

Key wordsTransfer of water vapor; Hadley Circulation; Asian monsoon region; Meridional water vapor transport; Summer