南海周边越赤道气流的多时间尺度变化特征及其与环流和降水的联系

张妤晴，林爱兰，温之平

(1.中山大学季风与环境研究中心/大气科学学院，广东广州510275；2.平潭综合实验区气象局，福建平潭350400；3.中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室，广东广州510641；4.复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院，上海200438)

1 引 言

越赤道气流(Cross Equator Flow，简称CEF)是热带大气环流的重要组成部分，是南、北半球间质量、动量以及水汽交换的主要通道[1]，其概念由Simpson[2]在1921年时提出，在1960年代末Findlater[3]发现索马里急流后受到广泛关注。之后有学者开始关注南海周边的几支越赤道气流并指出，夏半年南海周边的低空越赤道气流会影响南海季风[4-8]、南海和西太平洋台风[9-12]以及中国东南部降水[13-15]。可见，研究南海周边越赤道气流有助于改进中国南部及东部地区的季风研究及降水预报，对国民经济的发展具有重要的意义。

研究证实，南海周边的105°E、125°E及150°E越赤道气流变化特征有别于其他越赤道气流。高辉等[7]、彭维耿等[16]的研究指出，夏季45°E的索马里急流最强，125°E越赤道气流次之。冬季则以105°E越赤道气流最强，45°E越赤道气流次之。雷小春等[17]发现，在东半球几支越赤道气流中，以125°E越赤道气流的年际变化最显著。杜启倩等[18-19]证实了这一发现，指出菲律宾低空越赤道气流(125～130°E)不仅年际变化最强，位置偏移也是最明显的。南海周边三支越赤道气流在南海夏季风爆发偏早和偏晚之间也有明显不同的变化特征[20]。

一些诊断分析和数值模拟研究也发现，赤道外环流与越赤道气流是相互联系、相互作用的。黄亮等[21]的研究表明，冷澳洲大陆有利于澳大利亚高压的加强，弱的下垫面加热有利于弱Walker环流的形成，菲律宾强对流加热有利于北半球辐合带加强，它们都对应着100～130°E由南向北越赤道气流的增强。刘向文等[22]则发现，105°E与125°E越赤道气流的加强有利于也依赖于北半球辐合带的强度和位置变化。赵小平等[23]也指出西太平洋附近的低频越赤道气流会影响低频气旋，继而调节风场强辐合带、季风槽的位置与强度。另外，刘秦玉等[24]还探讨了南海SST变化对105°E越赤道气流的形成和维持的影响。

不少的研究表明，越赤道气流的时空演变规律与相关地区的降水异常也有显著的联系。Zhu等[25]、Chen等[26]的研究指出，低层澳大利亚越赤道气流减弱会增强东亚夏季风，进而增加黄河中游和长江之间区域的降水，减少中国南方的降水。施宁等[27]的研究提到，100～130°E 和 145～155°E越赤道气流偏强会造成华东地区高温干旱。李向红等[28]认为索马里急流和105°E越赤道气流与华南暴雨有密切联系。杜启倩等[19]则揭示了菲律宾低层越赤道气流的强度变化及位置偏移与东亚热带地区夏季降水的密切关系。另外，研究还证实[17]，越赤道气流与降水的联系可能还具有年代际变化，1970年以后东半球夏季越赤道气流与中国同期降水相关较密切。

综上所述，南海周边几支越赤道气流的变化特征存在差异，它们的演变规律与环流及降水都有密切的联系。但以上研究多关注单一尺度越赤道气流的变化特征，少有针对南海周边几支越赤道气流进行全面、系统的分析，并比较它们的时空演变特征及关联。因此，本文拟对夏季南海周边105°E、125°E以及150°E三支越赤道气流进行多时间尺度的特征分析，揭示三支越赤道气流季节内振荡与热带大气环流异常的关系，并探究三支越赤道气流与南海周边降水的联系，为中国夏季降水预测提供一定的参考依据。

2 资料和方法

本文采用了美国NCEP/NCAR-1的1948—2014年日平均和月平均再分析风场资料、欧洲中心 (ERA-40)1959—2002年月平均再分析风场资料、美国NOAA的1979—2012年外逸长波辐射OLR日平均资料、美国GPCP的1997—2014年逐日降水资料及1979—2014年逐月资料、美国气候预测中心的CMAP 1979—2014年逐月降水资料。以上资料中GPCP的逐日降水资料水平分辨率为1 °×1 °，其余资料的水平分辨率均为 2.5 °×2.5 °。

本文所用方法[29-30]主要有经验正交函数分解(EOF)、功率谱分析、Morlet小波分析、Lanczos带通滤波、相关分析(包括两个序列相关、超前滞后相关)和超前滞后回归分析、合成分析及north检验、显著性t检验。

通常考察越赤道气流的强度有直接使用赤道上的经向风、也有选择2.5°S～2.5°N或5°S～5°N范围进行区域平均[18]。作者比较表明，无论是105°E、125°E和150°E三支越赤道气流的平均气候态，还是它们的EOF分析结果，上述三个定义方法都基本一致(图略)。为了减少风速的随机误差，本文选择较大范围(5°S～5°N)5个格点上经向风的平均值来表征越赤道气流。

另外，从两套资料得到的全球越赤道气流的垂直分布看，低层经向风速中心所在高度大多位于925 hPa，这与相关学者的研究结果相吻合[7,25]。因此，本文分别以 925 hPa上 100～110°E、120～130 °E、145～155 °E 的 5 °S～5 °N 区域平均经向风，来定义 105 °E、125 °E、150 °E 三支越赤道气流的强度。由于NCEP-1和ERA-40两套资料在表现越赤道气流变化基本特征方面比较相似，所以本文选择了资料序列更长的NCEP-1逐日资料进行后续研究。

3 三支越赤道气流多时间尺度的活动特征

为了分析夏季(6—8月)三支越赤道气流强度变化特征，图1给出了三支越赤道气流的夏季平均强度指数序列，三支越赤道气流存在年际甚至年代际变化，且变化趋势相似，三支越赤道气流强度均在20世纪末处于低谷值。为了了解三支越赤道气流变化的相关性，将三支越赤道气流夏季平均强度指数分年际和年代际尺度做相关(表1)，其两两相关系数都通过了0.05显著性水平检验。其中，105°E与125°E越赤道气流的年际相关系数0.77为最大，表明其年际变化的正相关关系最好。相比之下，125°E与150°E越赤道气流在年际和年代际尺度上的相关均较低，尤其是其年代际相关关系相对较差。

图1 1948—2014年间夏季105°E、125°E、150°E三支越赤道气流的强度指数序列(蓝线)和11年滑动平均曲线(红线)

表1 三支越赤道气流强度的分尺度相关系数

对多年数据进行Morlet小波功率谱分析，得到夏季三支越赤道气流的周期分布以及平均小波功率谱曲线图(图2)。由图2 可知，105 °E、125 °E、150°E三支越赤道气流分别具有2～4年、2～3年、2～6年振荡周期，并在1970年代初和20世纪末均出现显著的振荡信号。

为了研究近67年夏季三支越赤道气流的低频振荡特征，首先将逐年5月30日—9月2日的越赤道气流逐日强度数据进行去气候态处理，再对逐年序列进行滑动5天平均，以消除高频波的影响[31]。

对上述经过处理的逐年三支越赤道气流夏季逐日资料进行功率谱分析(样本数N=92，最大滞后长度M=30)，并将每年各个周期的功率谱值与0.05显著性水平值相比得到每年各个周期的比值，以时间-年为横坐标，周期-天为纵坐标，得到二维的功率谱值的0.05显著性水平检验的逐年变化图(图3)。由图3可见，105°E与125°E越赤道气流均有显著的10～20 d以及30～60 d振荡周期，但105°E越赤道气流的准双周振荡特征更显著，125°E越赤道气流则有更多年份的谱峰值出现在30～60 d振荡周期。150°E越赤道气流主要呈准双周振荡，30～60 d振荡并不显著。

图2 三支越赤道气流夏季平均年际小波分析的能量谱(a，黑实线以外表示头部影响区域，彩实线为小波能量谱值，填色区为超过0.05的显著性水平检验)和平均小波功率谱曲线图(b，虚线是0.05显著性检验曲线)

图3 夏季三支越赤道气流1948—2014年逐年功率谱值与0.05显著性水平谱值之比(左，横坐标为年份，纵坐标为周期(天)，等值线间隔为0.5，阴影区为比值大于1的区域，表示超过0.05显著性水平检验)和比值的67年平均(右，纵坐标为对比值，横坐标为周期(天)，虚线为0.05显著性水平检验)

将1948—2014年三支越赤道气流夏季逐日强度数据进行去气候态处理后，分别对每年其中两支越赤道气流夏季逐日强度指数进行了超前滞后相关分析，将相关系数的逐年变化处理成二维超前滞后相关系数变化图 (图4)。由图4可见，105°E与125°E越赤道气流的正相关系数最大，相关性也最稳定。特别是0～4天几乎在整个研究时段都存在着显著的正相关，表明105°E越赤道气流滞后125°E越赤道气流0～4天是十分显著的。另外，105°E与150°E及125°E与 150°E越赤道气流在0～8天也存在一定的正相关，但均未超过显著性检验(图略)。

图4 1948—2014年105°E和125°E越赤道气流夏季逐日强度超前滞后相关系数的逐年分布图(左，纵坐标为超前滞后时间(天)，负数代表前一支越赤道气流超前后一支气流，正数则为滞后，填色部分显示相关系数绝对值大于0.1的部分，均通过0.05显著性检验)和多年平均曲线图(右，红线为0.05显著性检验标准)

4 三支越赤道气流季节内变化与热带大气环流异常的联系

将1948—2014年夏季逐日三支越赤道气流强度、925 hPa风场，1979—2012年夏季逐日OLR场分别去其气候态并做10～20 d、30～60 d滤波处理，再逐年进行超前滞后回归分析后，将多年回归值进行平均。

分析越赤道气流变化相伴随的925 hPa经向风场的异常发现，伴随着105°E、125°E越赤道气流的10～20 d周期振荡的变化，10～20 d振荡的低频经向风在孟加拉湾、中南半岛、华南、南海以及海洋性大陆赤道附近大范围地区(简称为南海及周边地区)都发生异常演变，经向风异常大体从东南向西北移动。

为了寻找经向风异常来源，本文分析了相应的低层低频环流形势。图5显示随着105°E异常越赤道气流的10～20 d振荡周期演变，南亚-南海-西太平洋地区对流层低层有10～20 d振荡的气旋和反气旋的异常环流活动，该气旋(反气旋)异常环流首先发生于菲律宾以东的西太平洋地区，随后加强并向西北方向移动，到达南海北部-华南地区时达到最强，之后转为向西移动并逐渐减弱，最后在印度-孟加拉湾北部消亡。该低频气旋(反气旋)异常环流基本上对应着低频对流的加强(减弱)(图6)。当低频气旋性环流异常或对流加强区(反气旋性环流异常或对流减弱区)移至南海北部时，对流层低层由南向北(由北向南)的越赤道气流达到最强。

对比发现，南海及周边地区10～20 d振荡的气旋和反气旋的异常环流活动，也决定着125°E越赤道气流10～20 d振荡的演变(图5)，因此，也就不难理解105°E与125°E越赤道气流之间存在稳定的0～4天稳定滞后相关的原因。然而，两者间的异常环流分布仍有一些差异，与125°E越赤道气流的10～20 d周期演变过程相关联的低频气旋和反气旋环流主要活动于西太平洋和南海地区，另外澳大利亚北部风场异常更明显。

与10～20 d振荡相比，30～60 d振荡演变过程的低频环流和对流异常的空间尺度更大 (图7、图8)。与105°E越赤道气流之30～60 d振荡所伴随的异常变化与热带夏季季节内振荡 (BSISO)的演变过程非常相似，低频对流从赤道中印度洋向东移动并加强，到达东印度洋之后，对流一方面继续沿赤道东移，另一方面转向北移向孟加拉湾，随后孟加拉湾对流继续北移，而向东传播的对流在西太平洋进一步发展并转为向北扩展，当对流移至南海北部-西北太平洋地区并与孟加拉湾-印度北部的对流连成西北-东南走向的强对流带时，由南向北的105°E越赤道气流达到最强。相对而言，125°E越赤道气流30～60 d振荡相关的低频环流和对流异常强度较弱，而且在越赤道气流强度峰值位相，孟加拉湾-南海区域的对流比130°E以东的西北太平洋对流区弱。

图5 1948—2014年夏季105°E(左)、125°E(右)越赤道气流与10～20 d滤波的925 hPa风场超前滞后回归 方框中的-8～6依次为风场超前(滞后)于越赤道气流的天数，阴影区域为通过0.05的显著性检验(经向风v＞0为红色，v≤0为蓝色)。

图6 1979—2012年夏季105°E(左)、125°E(右)越赤道气流与10～20 d滤波的OLR场超前滞后回归打点区域为通过0.05的显著性检验，方框中的-8～6依次为OLR场超前(滞后)于越赤道气流的天数。

图7 1948—2014年夏季105°E(左)、125°E(右)越赤道气流与30～60 d滤波的925 hPa风场超前滞后回归阴影区域为通过0.05的显著性检验，方框中的-28～21依次为风场超前(滞后)于越赤道气流的天数。

图8 1979—2012年夏季105°E(左)、125°E(右)越赤道气流与30～60 d滤波的OLR场超前滞后回归打点区域为通过0.05的显著性检验，方框中的-28～21依次为OLR场超前(滞后)于越赤道气流的天数。

就150°E越赤道气流而言，10～20 d振荡相关的低频环流范围较小(图略)，对流异常偏弱，主要在近赤道地区，与105°E及125°E越赤道气流有较大差异。而其30～60 d振荡所伴随的异常低频环流形势则与南半球热带辐合带关系密切，新几内亚至澳大利亚东部西北-东南走向的区域出现显著对流异常变化(图9)。

图9 1979—2012年夏季150°E越赤道气流与30～60 d滤波的风场(左)、OLR场(右)超前滞后回归打点区域为通过0.05的显著性检验，方框中的-28～21依次为风场、OLR场超前(滞后)于越赤道气流的天数。

5 三支越赤道气流与南海周边降水的联系

为了解三支越赤道气流与南海周边降水异常的联系，本文用越赤道气流强度对降水数据也进行了超前滞后回归分析。图10显示的两支越赤道气流对应的低频降水场的异常分布与上文分析的低频环流、对流异常形势有较好的对应。105°E越赤道气流的10～20 d振荡与南海及华南区域降水异常有关，越赤道气流峰值位相(0天)及降水滞后2天，南海及华南南部区域降水显著增强。此时，对流层低层由南向北的越赤道气流达到最强，最先发生在菲律宾以东的西太平洋上的气旋性环流异常和对流加强区正好移至南海北部，一方面异常水汽从热带印度洋沿纬圈经中南半岛向南海地区附近进行输送,另一方面从西太平洋经赤道向南海及华南南部区域输送，水汽输送的增强有利于南海及华南南部区域降水异常增强。125°E越赤道气流10～20 d振荡则与南海偏东区域降水异常有联系，越赤道气流增强时，来自于西太平洋和南海的异常水汽输送增强，对应南海偏东区域降水增强。

两支越赤道气流30～60 d振荡伴随的低频降水异常呈带状分布 (图11)，空间尺度明显较10～20 d更大，这与低频环流、对流异常形势基本吻合(图7、图8)。105°E越赤道气流的30～60 d振荡伴随南海降水增加，而长江流域降水相应减少，这与10～20 d低频降水回归结果不同。125°E越赤道气流伴随的低频降水异常变化与105°E越赤道气流相似，只是异常中心强度较弱，位置偏东。两支越赤道气流达到最强时，均对应从热带西太平洋、热带印度洋越过赤道到南海上空的水汽输送增强。

150°E越赤道气流对应的10～20 d低频降水异常区域较小且主要出现在西太平洋赤道地区，30～60 d对应的降水异常中心主要出现在西太平洋，异常形势也有东传和北传的现象，且多以小范围团状出现。由此看来，无论是10～20 d还是30～60 d低频振荡周期，150°E越赤道气流其所伴随的低频降水异常与另外两支越赤道气流有较大的不同，与南海区域降水无显著联系(图略)。

图10 1997—2014年夏季105°E(左)、125°E(右)越赤道气流与10～20 d滤波的GPCP降水场超前滞后回归阴影区域为通过0.05的显著性检验，方框中的-8～6依次为降水场超前(滞后)于越赤道气流的天数。

图11 1997—2014年夏季105°E(左)、125°E(右)越赤道气流与30～60 d滤波的GPCP降水场超前滞后回归阴影区域为通过0.05的显著性检验，方框中的-28～21依次为降水场超前(滞后)于越赤道气流的天数。

本文还从年际角度探讨了三支越赤道气流的异常年南海周边的降水异常分布。选取1979—2014年夏季三支越赤道气流强度进行标准化处理后消除线性趋势，选取超过一倍标准差的正负异常年(表2)，使用 1979—2014年 GPCP和 CMAP逐月降水资料对南海周边降水场进行合成分析。

对三支越赤道气流强度正负异常年中南海周边降水场(图12)的合成分析表明，105°E越赤道气流较强时，西太平洋降水有显著增加，海洋性大陆及东印度洋区域降水异常减少；南海北部至华南区域降水增加，而江淮区域降水减少。当125°E越赤道气流加强则在南海北部及长江流域降水均有显著减少，这与105°E越赤道气流明显不同。150°E越赤道气流强弱年在南海及中国大陆区域无显著降水异常分布。为了验证合成分析的结果，本文还使用了CMAP资料(图略)对比分析，结果与GPCP资料的降水异常分布相似，只是中国大陆的显著异常区域相对略小。

表2 三支越赤道气流强度的正负异常年

图12 三支越赤道气流强度正负异常年的南海周边降水场(使用GPCP降水资料) a.正异常年；b.负异常年；c.正异常年减去负异常年。红色方框内为下文特别关注的降水异常显著区域。

特别地，在105°E越赤道气流的相关降水异常场中选取了江淮降水异常区域(105～115°E，27～37°N)、华南及南海北部降水异常区域(108～115 °E，20～24 °N)；125 °E 越赤道气流相关降水异常场中则选择了长江流域降水异常区域(105～120 °E，24～30 °N)(图12(1)c、12(2)c的红色方框)。本文对比了中国大陆这三个降水异常区域与105°E及125°E越赤道气流强度的年际变化曲线。图13的曲线对比显示，在105°E越赤道气流强年，江淮区域大多对应着降水负异常，并且气流与降水曲线的相关系数达到-0.36，通过0.05显著性检验。而华南及南海北部区域降水与105°E越赤道气流有相对一致的变化，即105°E越赤道气流强，降水对应增加。尤其在1985年之后，105°E越赤道气流与该区域降水相关系数为0.34，通过0.10显著性检验。而125°E越赤道气流强年，长江流域基本对应降水减弱，相关系数达到-0.40，通过0.05显著性检验。可见南海周边105°E、125°E两支越赤道气流对我国东部区域夏季降水有一定的指示作用。

图13 越赤道气流强度与三个降水显著异常区的年际变化曲线对比 黑线是降水强度，对应左坐标，红线是越赤道气流强度，对应右坐标。

6 结 论

本文对夏季南海周边105°E、125°E以及150°E三支越赤道气流进行了多尺度特征分析，重点探讨三支越赤道气流季节内振荡的变化特征及其与热带大气环流异常及南海周边降水的联系，得到了以下结论。

(1)在季节内时间尺度上，105°E与125°E越赤道气流均具有10～20 d以及30～60 d低频振荡显著周期，而150°E越赤道气流则以10～20 d周期为主。在年际尺度上，105 °E、125 °E、150 °E越赤道气流分别具有2～4年、2～3年、2～6年振荡周期。无论其季节内还是年际变化，皆以105°E与125°E越赤道气流之间关系较密切。

(2)南亚-南海-西太平洋地区对流层低层10～20 d振荡的气旋和反气旋环流活动变化，对应着对流的加强和减弱，决定着105°E越赤道气流的10～20 d振荡的演变。125°E越赤道气流的10～20 d振荡演变还伴随着澳大利亚北部风场的异常变化。

(3)伴随105°E越赤道气流30～60 d振荡变化的热带大气环流异常与热带夏季大气季节内振荡(BSISO)的周期演变过程非常相似，对应着南海北部-西北太平洋地区至孟加拉湾-印度北部的西北-东南走向强对流带的演变。相对而言，与125°E越赤道气流30～60 d振荡相伴随的低频环流和对流异常强度较弱，而且在其强度峰值位相，孟加拉湾-南海区域的对流比130°E以东的西北太平洋对流区弱。就150°E越赤道气流而言，10～20 d振荡相关的低频风场和对流异常主要在近赤道附近地区，而其30～60 d振荡所伴随的异常低频环流形势则与南半球热带辐合带关系密切。

(4)越赤道气流变化与南海周边降水异常有显著相关。在年际尺度上，105°E越赤道气流偏强年，南海北部至华南区域降水增加、江淮区域降水减少；125°E越赤道气流偏强年，南海北部及长江流域降水均有显著减少。越赤道气流季节内振荡与南海周边低频降水异常也有一定联系，其周期演变过程中，105°E越赤道气流之10～20 d振荡增强时对应着南海与华南南部区域降水增加；与越赤道气流之30～60 d振荡相关低频降水异常呈带状分布。105°E越赤道气流与125°E越赤道气流的低频振荡增强时均对应着南海降水增加，长江流域降水减少。150°E越赤道气流的低频振荡则与南海区域降水无显著联系。