季节内振荡, 即30~60 d低频振荡, Madden和Julian首先在热带大气中发现^[1-2], 由于其同月、季时间尺度长期天气预报和短期气候预测均有密切关系^[3-5], 多年来一直受到广大气象学家高度重视, 是大气科学主要前沿研究课题之一^[6-7]。近10年来, 关于季节内振荡的研究, 特别是其大尺度和多尺度结构、不同尺度之间的相互作用、海气相互作用、季节内振荡的预测、机制及其对ENSO的影响方面均取得丰硕成果^[8-11]。

热带大气季节内振荡与海表温度关系一直倍受国内外大气科学家关注。其中, 热带大气季节内振荡强度异常与El Niño型海温异常关系又是一个重要研究分支。许多观测研究认为季节内振荡可能是ENSO事件的激发机制, 且El Niño事件发生之前有强热带大气季节内振荡活动, 事件发生后ISO强度明显减弱^[7]。陈隆勋等^[12]对OLR资料分析发现, 1982年El Niño事件发生前, 东半球赤道附近季节内振荡异常活跃, 并且在印度洋和西太平洋各有一个显著的振荡中心, 具有明显向东传播特征。事件发生后, 东半球振荡减弱, 上述振荡中心消失。Kousky等^[13]指出季节内振荡在El Niño年趋于不太活跃。李崇银等^[14-15]、龙振夏等^[16]分析指出在El Niño事件发生之前, 热带大气 (尤其是赤道西太平洋地区) 季节内振荡异常加强; 伴随El Niño事件发生, 热带大气季节内振荡强度明显减弱。1997—1998年的El Niño事件是20世纪以来最强的一次事件, 伴随有1997—1998年冬季强的ISO活动^[17]。

另有一些观测结果对季节内振荡与ENSO的关系提出异议。Slingo等^[18]和Hendon等^[19]指出热带大气季节内振荡的年际变化和ENSO型海表温度异常之间只有非常弱的同时性负相关。除了季节内振荡活动的向东传播, 在不同的暖事件期间不存在其他共同现象^[20-21]。一些数值模拟结论也存在类似争议。王盘兴等^[22]的数值模拟表明:El Niño事件发生后, 大气季节内振荡的强度减弱, 其结构趋于正压。Slingo等^[23]提出热带大气季节内振荡在El Niño年趋于不太活跃。Kessler等^[24]给出了1997—1998暖事件的模拟, 其中, 太平洋中大气季节内振荡增强了的SST异常占30%。Moore等^[25]指出在一个稳定耦合系统中ENSO循环可能被类似与大气季节内振荡的大气高频扰动维持。Syu等^[26]指出海洋对未耦合、高频强迫的响应是相当线性的, 没有显示出和ENSO循环以任何明显方式有关。Zebiak^[27]用一个简化模式进行的数值试验指出, 大气季节内变率对ENSO影响弱。

上述资料分析和数值模拟结果表明, 关于热带大气季节内振荡与海表温度异常的相互作用还存在颇多争议, 大致可概括为两种观点, 一种观点认为热带大气季节内振荡可能是ENSO事件的激发机制, 且在El Niño事件发生之前增强, 事件之后减弱; 另一种观点认为二者的年际异常关系很弱。导致这些结论差异的原因之一可能与研究所选要素本身特性有关。观测事实已显示热带大气季节内振荡是大气环流和深厚对流的大尺度耦合模态, 其信号表现在很多要素或变量中^[9]。本研究利用代表对流状况的OLR资料, 分析热带对流季节内振荡强度的季节变化及年际异常特征, 在此基础上, 进一步探讨其与海表温度及El Niño事件的关系, 力求给出热带对流季内振荡强度与海表温度异常之间的一个较清晰的关系, 这对进一步明确热带大气季节内振荡的维持机制及其与ENSO的关系都具有重要意义。

本文使用资料包括:1979年1月1日—2000年9月19日全球范围NCAR/NOAA的OLR资料, 分辨率为2.5°×2.5°; 1948年1月1日—2002年12月31日全球范围NCEP/NCAR风场, 水平分辨率为2.5°×2.5°, 共17层。本文使用其中的200 hPa和850 hPa资料; 英国气象局整编的1950年1月—2002年12月全球逐月SST格点资料, 水平分辨率为2°×2°。

首先去除OLR资料季节循环^[7], 再用参数n=182 d的Lanczos带通滤波器^[28]从中滤出ISO分量。

为研究ISO强度的气候及异常特征, 定义一个合理描述ISO强度指数是重要的。学者们根据研究的具体情况定义了不同的ISO强度指数^{[17, 29-33]}, 每种指数都有各自的优点。本文用能量来定义ISO强度, 该指数的优点在于计算简单, 意义清晰。

取12月1日、3月1日、6月1日、9月1日为北半球冬、春、夏、秋季开始日, 各季长90日, 对t _y年、t_s季、t _d日、(i, j) 点的某要素序列R _{O L} (i, j, t _d, t _s, t _y), 得该要素场在t _y年、t _s季季内振荡分量的能量

(1)

以及总能量

(2)

由式 (1)、(2) 可得到t _s季多年平均的季内振荡能量和总能量, 分别记为

(3)

(4)

以及它们的比值

(5)

其中m _y为总年数, 式 (3)~式 (5) 的结果用于分析OLR季内振荡强度的季节变化及年际异常特征。

另外, 利用u, v资料计算了200 hPa和850 hPa辐散风场^[34]。

为研究OLR季节内振荡强度的季节变化特征, 给出OLR多年平均季季内振荡能量分布图 (图 1)。可见, 60°E~180°的热带印度洋区域和热带西太平洋区域常年存在强季节内振荡活动; 北半球冬、夏季 (春、秋季图略, 下文的春、夏、秋、冬季均指北半球的季节) 最强, 范围最大; 由冬到夏, 中心位置由10°S移向10°N附近。其他区域的季节内振荡较弱, 且为季节性现象, 较规则的有南美东部、非洲东南部和墨西哥附近。OLR的4个季节季内振荡能量图 (图略) 进一步说明上述结论。上述结论也验证了早期用OLR作为分析对象所得的结论^[35-36]。

图 1

图 1. OLR ISO能量季节平均分布图 (单位:W2/m4)(a)12月—次年2月, (b)6—8月 Fig 1. Seasonal mean OLR ISO energy (unit:W2/m4)(a) from Dec to next Feb, (b) from Jun to Aug

为探讨ISO气候最强区域分布的背景原因, 给出冬夏两个季节多年平均的OLR季内振荡能量分布与SST纬向偏差场以及850 hPa (图 2) 和200 hPa (图 3) 辐散风场配置的情况。比较两图可见, OLR最强季内振荡区主要位于SST纬向偏差高值区, 即热带印度洋和热带西太平洋区域; 850 hPa辐散风场 (图 2) 和200 hPa辐散风场 (图 3) 的辐合、辐散中心与SST高值区一致。以往研究指出, 热带大气季节内振荡最强中心位置的季节变化与ITCZ的平均位置有关^[7], Salby等^[37]曾用大气对热带热源纬向位置的响应来解释ISO强度位置的季节变化。用本文定义的季节内振荡强度指数所得出的上述结论, 再次证实前人的研究成果, 反映了该指数的合理性。

图 2

图 2. 850 hPa辐散风 (矢量, 单位:m/s)、SST的纬向偏差 (阴影, 单位:℃)、OLR的ISO能量 (粗实线包围的区域, 单位:W 2/m4) (a)12月—次年2月, (b)6—8月 Fig 2. 850 hPa divergence wind (vector, unit:m/s), SST zonal departure (shaded, unit:℃), OLR ISO energy (circled by thick line, unit:W2/m4) (a) from Dec to next Feb, (b) from Jun to Aug

图 3

图 3. 同图 2, 但为200 hPa辐散风场 Fig 3. Same as in Fig.2, but for 200 hPa divergence wind

为研究OLR季内振荡强度年际异常 (E′_OLR) 特征及其与海表温度异常T′_SS的关系, 截取3种资料即E′_OLR, T′_SS和辐散风场异常V′_d200, V′_d850的共同时段, 即1980年1月—1999年12月共240个月, 空间范围取为30°S~30°N, 30°E~120°W, 并对4个季节的T′_SS, V′_d200, V′_d850与E′_OLR作奇异值分解 (SVD)^[38]。

分别对4个季节的T′_SS, V′_d200, V′_d850与E′_OLR作奇异值分解, 表 1给出了SVD第一模态的模方拟合率ρ₁及相关系数r ₁。第一模态均通过α=0.05的Monte Carlo显著性检验, r ₁均取为高值。故下面仅讨论各季SVD第一模态。

表 1

表 1 SVD第一模态的ρ1(单位:%)、相关系数r1 Table 1 ρ1 of the SVD first mode (unit:%) and correlation coefficient r1

表 1 SVD第一模态的ρ1(单位:%)、相关系数r1 Table 1 ρ1 of the SVD first mode (unit:%) and correlation coefficient r1

图 4~5给出冬季E′_OLR分别与T′_ss, V′_d200, V′_d850的SVD第一奇异向量及时间系数。可见, OLR季内振荡强度年际异常与海表温度、辐散风场在一些海域存在显著正相关关系, 即赤道中、东太平洋 (西北、西南太平洋区域) 海表温度异常升高 (降低), 伴随低层辐散风场的辐合 (辐散) 与高层辐散风场的辐散 (辐合), 相应局地对流增强 (抑制), 局地OLR的ISO增强 (减弱); 这种年际异常的局地关系在赤道西太平洋较上述3个区域弱, 印度洋区域则基本不存在这样的局地关系; 时间系数曲线峰、谷与El Niño, La Niña事件对应良好, 可知该模态与ENSO事件关系密切。春季E′_OLR与T′_ss, V′_d200, V′_d850存在类似冬季的局地关系, 但赤道中、东太平洋区域OLR ISO能量异常的范围和强度均较后者减小, 西北、西南太平洋区域和热带印度洋区域异常的范围和强度增大 (图略)。

图 4

图 4. 冬季SVD第一奇异向量（阴影区为′OLR，单位：W2/m4；断线为T’ss，单位：℃；矢量为V′d，单位：m/s） （a）′OLR~T′ss，（b）′OLR~V′d200，（c）E′OLR~V′d850 Fig 4. SVD first eigenvectors in the boreal winter (OLR:shaded, unit:W2/m4; T'ss; long dashed line, unit:℃; V'd:vector, unit:m/s) (a)OLR~T'ss, (b)OLR~V'd200, (c) EOLR~V'd850

图 5

图 5. 冬季SVD第一奇异向量（实线为′OLR×10-2，虚线为T′ss，V′d；●对应El Niño年，○对应La Niña年） （a）′OLR~T′ss，（b）E′OLR~V′d200，（c）E′OLR~V′d850 Fig 5. SVD first time coefficients in the boreal winter (solid line:'OLR×10-2; dashed line:T′ss, V′d; ● for El Niño events; ○ for La Niña events) (a) ′OLR~T′ss, (b) ′OLR~V′d200, (c) ′OLR~V′d850

由夏季E_OLR与T′_ss, V′_d200, V′_d850的SVD第一奇异向量 (图 6) 及其时间系数 (图 7) 可见, 时间系数曲线峰 (谷) 值与El Niño (La Niña) 事件对应关系弱于北半球冬春季。奇异向量中除赤道中、东太平洋T′_ss, V′_d200, V′_d850与E′_OLR存在类似冬春季的局地关系及分布外, 我国华南及南海、热带西太平洋区域也有显著的OLR季内振荡能量负异常。Huang等^[40]研究指出, 夏季我国长江流域降水与菲律宾周围对流活动有负相关关系, 由此看来, 本文得出的这一异常特征可能与我国东部夏季降水异常存在一定关系, 有待进一步研究。秋季E′_OLR与T′_ss正相关的局地关系更弱, 该模态也与ENSO关系较密切 (图略)。

图 6

图 6. 同图 4，但为夏季SVD第一奇异向量 Fig 6. Same as in Fig.4, but for the boreal summer

图 7

图 7. 同图 5, 但为夏季SVD第一时间系数 Fig 7. Same as in Fig.5, but for the boreal summer

可见, OLR季内振荡强度年际异常显著的区域是热带中、东太平洋区域、西北、西南太平洋区域, 热带西太平洋区域的显著性稍弱; 在年际异常显著的区域, OLR季内振荡能量正 (负) 异常出现在海表温度正 (负) 异常区域, 伴随有低层辐合 (辐散)、高层辐散 (辐合) 的环流异常, 并与El Niño (La Niña) 事件关系密切; 这一关系在冬、春季最清楚, 夏、秋季略弱。

由上节分析可知, 太平洋一些区域OLR季内振荡强度异常与T′ss存在显著局地正相关关系, 为了更清楚显示这一结果, 根据前文对OLR季内振荡强度年际异常特征的分析, 划定4个关键区, 即热带西太平洋区域130°E~180°, 10°S~10°N; 西北太平洋区域160°E~150°W, 20°N~40°N; 西南太平洋区域160°E~150°W, 40°S~20°S; 赤道东太平洋140°W~90°W, 10°S~10°N, 得到了4个关键区域OLR季内振荡能量异常与海表温度时间序列曲线 (图略), 并计算OLR季内振荡能量异常与海表温度的相关系数。赤道东太平洋区域、西南太平洋区域、西北太平洋区域二者呈显著正相关, 相关系数分别为0.83, 0.48, 0.47, 表明当这3个区域海表温度升高 (降低) 时, OLR季内振荡增强 (减弱)。热带西太平洋区域OLR季内振荡能量异常与海表温度的相关系数仅为-0.12, 这进一步证明了上节结论。

很多研究指出, El Niño事件发生之前, 季节内振荡增强, 事件发生之后减弱^{[16, 7]}, 这似乎和上述结论存在一定矛盾, 为此, 本文选1982—1983, 1986—1987, 1997—1998年3次典型的El Niño事件^[41]过程进行分析。过程的合成结果和个例 (图略) 均显示, El Niño事件发生之前, 季节内振荡最强的热带印度洋和热带西太平洋区域有强的季节内振荡产生并逐渐东移, 事件发生时, 这两个区域以及西北、西南太平洋区域季节内振荡减弱, 热带中东太平洋区域季节内振荡增强, 这一结论和前人的研究结果不矛盾。

气候上西北太平洋、西南太平洋和赤道东太平洋是OLR季内振荡较弱的区域, 但这些区域却是海表温度年际异常最显著区域, 说明这些区域海表温度年际异常对OLR季内振荡强度异常起决定性作用。由此可知, 海表温度年际异常最强信号就是ENSO, 且这一信号在冬、春季最显著, 故本文得到的季内振荡强度异常与海表温度异常局地关系与ENSO事件存在密切关系也就可以理解。气候上热带西太平洋区域OLR的季内振荡较强, 但该区域海温年际异常较弱, 不足以引起显著的季节内振荡异常, 故该区域二者关系也较弱。对比OLR季内振荡强度季节变化和年际异常分析的结果, 发现OLR季节内振荡在这两种不同时间尺度上的变化存在本质的一致性, 即海表温度是决定OLR季内振荡强度变化的关键因素。

本文详细分析了OLR季内振荡强度的变化及年际异常特征, 特别探讨了其与海表温度异常的关系, 得到如下主要结论:

1) 气候上, OLR的季内振荡强活跃区位于高海温区, 即热带印度洋和热带西太平洋区域, 终年存在; 北半球OLR季内振荡冬、春季明显强于夏、秋季; 热带海洋加热大气形成的ITCZ是强OLR ISO产生的背景。

2) OLR季内振荡强度年际异常显著区域是热带中东太平洋区域、热带西北太平洋区域和热带西南太平洋区域, OLR季内振荡能量正 (负) 异常出现在海表温度正 (负) 异常显著的区域, 伴随有低层辐合 (辐散)、高层辐散 (辐合) 的环流异常, 并与El Niño (La Niña) 事件关系密切, El Niño事件时, 热带中东太平洋区域季内振荡增强, 西北、西南太平洋区域季内振荡强度减弱。