热带大气季节内振荡是大尺度热带大气活动最显著的振荡信号之一^[1]，具有明显的区域分布和季节变化特征^[2-3]，通常称为热带大气ISO (Intraseasonal Oscillation)，因其最初由Madden和Julian^[4-5]发现，故又称为Madden-Julian Oscillation (简称MJO)。热带大气ISO是一个相对宽频的现象，周期范围为20~100 d，其中30~60 d周期特征占优势；行星尺度的空间结构以东传的一波为主，也存在西传；垂直方向上为斜压结构，风场和位势场在对流层上层和下层呈反相分布；热带大气ISO在热带印度洋和热带西太平洋最强；冬、春季强，夏、秋季弱^[6-7]；除此之外, 还存在明显的年际变化, 甚至是年代际变化^[8]。由于热带大气ISO时间尺度介于月、季节之间，因而与长期天气变化和短期气候异常均有密切关联^[9-11]，热带大气ISO不仅对热带地区天气气候有重要影响，而且对热带外地区的天气气候也有影响^[12-16]，一直受到气象学界的广泛重视。

目前，国内广泛使用的再分析数据集主要有3套：美国国家环境预测中心和国家大气研究中心 (NCEP/NCAR，简称NCEPⅠ) 再分析数据集^[17]，美国国家环境预测中心和美国能源部 (NCEP/DOE，简称NCEPⅡ) 再分析数据集^[18]，欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 的ERA40再分析数据集^[19-20]。越来越多的研究表明，这3套再分析资料虽然有相似性，但也存在明显的差别。Annamalai等^[21]指出ERA40再分析资料在季节平均的某些气候特征方面要优于NCEPI再分析资料。Dell’Aquila等^[22]对冬季北半球中纬度地区500 hPa高度场研究结果显示，在1979年前后NCEPI及ERA40再分析资料所反映的高频波动存在差异性。Poccard等^[23]的研究结果显示，在热带局部地区NCEPI再分析资料与观测资料所揭示出的降水型存在明显差异。Inoue等^[24]指出利用NCEPI再分析资料所分析的海平面气压的年代际变化在某些区域存在过分夸大的现象。

由于NCEPⅠ再分析资料易于实时获取，现在气候业务上通常使用NCEPI资料；NCEPⅡ是在NCEPⅠ基础上修正错误、优化模式物理过程参数化方案得到，预期会优于NCEPI；已有的很多ISO研究使用的是ERA40资料。且以往的研究大多是就单一气候态下进行，WMO规定^[25]，每10年要更换30年气候平均值，2012年1月起将采用新的气候值 (1981—2010年)。采用新的气候态后，热带大气ISO的基本特征是否发生变化，这些都是与ISO相关的业务和科研工作中值得关注的问题。因此，本研究对3套再分析资料 (NCEPⅠ，NCEPⅡ和ERA40)、3种气候态 (1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年) 下的热带大气ISO进行比较分析，在加深对热带大气ISO特征和规律认识的同时，揭示不同资料、不同气候态下热带大气ISO的异同，为相关的气象科研和业务工作提供参考。

本文使用1961—2010年NCEP/NCAR (NCEPI)^[17]、1981—2010年NCEP/DOE (NCEPⅡ)^[18]和1961—2000年ECMWF的ERA40^[19-20]再分析资料的逐日200 hPa纬向风数据，研究范围均为全球，水平分辨率为2.5°×2.5°。由于资料长度的限制，对于1961—1990年、1971—2000年这两个气候态使用NCEPI资料与ERA40资料作对比，而对于1981—2010年这一气候态使用NCEPⅠ资料与NCEPⅡ资料进行对比。

为突出季节内尺度，对所有资料的原始值先去除季节循环^[26]。具体方法：将1年尺度的日平均值以及第1、第2谐波从原始序列中去除掉。为确定热带大气季节内振荡的周期、空间结构和传播特征，本文采用了时间-空间功率谱方法^[27]：先对纬向作傅里叶变换，再对时间作傅里叶变换，得到时空谱能量。此外，还使用了功率谱分析^[28]、Butterworth带通滤波^[29]、合成分析等统计诊断方法，这里不再作详细介绍。

为揭示不同资料、3种气候态 (1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年) 下热带地区200 hPa纬向风的振荡周期，对热带地区 (10°S~10°N) 平均的200 hPa纬向风时间序列进行功率谱分析，并给出0.05的显著性水平检验 (图 1)。由图 1可知，3套再分析资料均能反映出热带200 hPa纬向风存在明显的季节内振荡周期，功率谱峰值主要集中在20~100 d范围内，其中又以30~60 d内峰值最为显著。但不同气候态下，3套再分析资料中功率谱峰值集中的时段有所差别。在20~80 d周期内，NCEPI资料与ERA40资料功率谱结果差别不大；但在80~100 d周期内，ERA40功率谱值比NCEPⅠ明显偏强，这种偏差在1960—1990年比在1971—2000年显著；NCEPⅠ和NCEPⅡ的功率谱值基本一致。此外，在不同气候态，振荡周期有所差别，峰值也有所不同。例如，1961—1990年NCEPI的20~100 d振荡周期显著，峰值为55 d左右，ERA40的20~60 d振荡周期显著，峰值在50 d左右。1971—2000年NCEPI的20~100 d振荡周期显著，峰值为50 d左右，ERA40的20~75 d振荡周期显著，峰值在50 d左右。1981—2010年NCEPI的20~100 d振荡周期显著，峰值为50 d左右，NCEPⅡ的20~100 d振荡周期显著，峰值在50 d左右。

图 1

图 1. 3种气候态下10°S~10°N平均200 hPa纬向风的功率谱值和0.05显著性水平检验曲线 Fig 1. Power spectrum (solid line) of 200 hPa zonal wind averaged between 10°S-10°N and test line of 0.05 level (dashed line) in three different climate states

通过以上分析可知，3套再分析资料中的热带200 hPa纬向风在不同气候态下都存在显著的20~100 d的季节内振荡周期，因此第3章利用Butterworth带通滤波器，对3套再分析资料的热带地区200 hPa纬向风进行20~100 d的带通滤波，提取热带大气ISO信号，深入分析由200 hPa纬向风所表征的热带大气ISO在不同气候态下是否存在明显的时空差异。

图 2为经过20~100 d带通滤波后的200 hPa纬向风方差占总方差的百分比的空间分布图。阴影区为方差百分比不小于40%的区域，表示ISO较活跃的地区。由图 2可知，3套再分析资料一致地反映出热带大气ISO方差贡献最显著的区域出现在热带印度洋和热带西太平洋以及赤道东太平洋地区。图 3为1961—1990年这一气候态下，NCEPⅠ资料与ERA40资料经20~100 d带通滤波后200 hPa纬向风方差占总方差的百分比的差值，NCEPⅠ资料反映的方差贡献百分比在热带印度洋和热带西太平洋地区比ERA40资料稍弱，而在赤道东太平洋地区比ERA40资料稍强，1971—2000年这一气候态下两种资料的差值与1961—1990年类似 (图略)。NCEPⅠ资料与NCEPⅡ资料反映的1981—2010年这一气候态下方差贡献百分比差异较小 (图略)。通过对比3种气候态下热带大气ISO的空间分布可以发现：1961—1990年热带大气ISO方差贡献最大 (即热带大气ISO最活跃) 的区域位于10°N, 70°E附近，最大活跃中心的方差贡献率超过50%；1971—2000年热带大气ISO最活跃中心仍位于10°N，70°E附近，最大活跃中心的方差贡献率超过50%，但方差贡献率超过40%的范围变大，并向东扩展；1981—2010年热带大气ISO的活跃中心略微南移，方差贡献率超过50%的区域已延伸到赤道附近，方差贡献率超过40%的区域继续向东扩展，甚至扩展到赤道中太平洋地区。图 4为NCEPI资料1981—2010年的200 hPa纬向风20~100 d周期变化的方差解释总方差的百分比与1961—1990年的差值，可发现第3种气候态下热带印度洋和热带西太平洋地区的热带大气ISO强度较之前有增强的趋势，且ISO活跃区东伸、范围变大。

图 2

图 2. 3种气候态下200 hPa纬向风20~100 d周期变化方差解释总方差的百分比 (单位：%；阴影区为方差百分比不小于40%的区域) Fig 2. Explained variance percentages of 200 hPa zonal wind by 20—100 d filtered in three different climate states (unit:%; explained variance percentages of shaded areas are not less than 40%)

图 3

图 3. 1961—1990年NCEPI与ERA40资料200 hPa纬向风20~100 d周期变化方差解释总方差的百分比差值 (单位：%; 阴影区为偏差绝对值不小于2%的区域) Fig 3. The difference of explained variance percentages of 200 hPa zonal wind by 20—100 d filtered between NCEPI and ERA40 data in 1961—1990 (unit:%; the difference of shaded areas is not less than 2%)

图 4

图 4. 1981—2010年NCEPI资料200 hPa纬向风20~100 d周期变化方差解释总方差的百分比与1961—1990年的差值 (单位：%; 阴影区为偏差绝对值不小于4%的区域) Fig 4. The difference of explained variance of 200 hPa zonal wind by 20—100 d filtered between NCEPI data in 1981—2010 and 1961—1990 (unit:%; the difference of shaded areas is not less than 4%)

已有研究表明，热带大气ISO表现为冬春季强、夏秋季弱^[7]的特征。本文将200 hPa纬向风季节内变化的方差定义为热带ISO指数^[30-31]。即对10°S~10°N纬向平均200 hPa纬向风做20~100 d的带通滤波，求得其方差值，并做逐日的多年平均，以突出其年循环特征。

由图 5可以看出，该指数明显揭示了热带大气ISO冬春强、夏季弱的年循环特征，且NCEPⅠ, NCEPⅡ和ERA40资料均能较好地表现这一特征，热带大气ISO的峰值基本均出现在冬、春季。但在1961—1990年和1971—2000年这两个气候态下，ERA40的振荡位相较NCEPI的振荡位相超前10 d左右, 且12月—次年3月中旬ERA40振荡强度较NCEPI偏强；3月中旬—11月ERA40振荡强度较NCEPI偏弱。对比3种气候态下热带大气ISO的季节变化特征可以看出，在前两个气候态下，3月前后会出现1个较小值，而在第3个气候态下，这个较小值不存在。由图 5还可以明显看出，在1981—2010年这个时段，热带大气ISO冬春季加强、夏季减弱，使得ISO冬春强、夏秋弱的年循环特征更加突出。

图 5

图 5. 同图 1，但为热带大气ISO指数的年循环时间序列 Fig 5. The same as in Fig. 1, but for the annual cycle time series of tropical ISO index

本文对热带地区 (10°S~10°N) 整个纬度带的200 hPa纬向风异常值，先作纬向的傅里叶变换，再作时间的傅里叶变换，得到时空谱能量，最后求功率谱30年的平均值。

由图 6可知，热带大气ISO的功率谱能量集中在东传的1~2波、周期范围为30~90 d的扰动上，同时也有西传成分，以3波为主，但其能量远小于东传波。当然，由于波数与频率完全相同且振幅也相等，但移动方向相反 (即频率符号相反) 的两个波会形成驻波，因此，实际表现出来的波的能量要比图 6中所示的能量小一些。3套再分析资料反映出的热带大气ISO的时空谱特征基本一致，在1961—1990年和1971—2000年这两个气候态下，NCEPⅠ资料反映的谱能量东传部分要弱于ERA40资料，西传部分强于ERA40资料；在1981—2010年这一气候态下，NCEPⅠ资料反映的谱能量东传部分与NCEPⅡ资料基本一致，西传部分要稍弱于NCEPⅡ资料。比较1961—1990年、1971—2000年和1981—2010年这3种气候态下200 hPa纬向风的时空谱特征，可以发现，能量有向东传的1~3波集中的趋势，西传波则相对减弱。

图 6

图 6. 同图 2，但为200 hPa纬向风的空间-时间功率谱 (横坐标表示向东为正值，向西为负值的波频率；纵坐标表示空间纬向波数；阴影区为功率谱能量不小于0.04 m2·s-2的区域) Fig 6. The same as in Fig. 2, but for spatial-temporal spectrum of 200 hPa zonal wind (the horizontal axis represents wave frequency, positive value represents eastward propagation, negative value represents westward propagation; the vertical axis represents wave number, the spectrum of shaded areas is no less than 0.04 m2·s-2)

大气ISO的明显东传主要发生在北半球的冬春季节，夏秋季节纬向上的东传要弱得多。以往研究^[4]表明，在赤道地区，低频振荡一般向东传播；在季风区，夏季低频振荡向北传播。东亚地区是热带季风与副热带季风共存的区域^[32], 是大气ISO经向传播明显的地区。何金海等^[33]曾利用1981年6—9月欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 资料分析了东亚地区低频 (准40 d) 振荡的传播特征，发现在120°E上的高空副热带地区有一个低频纬向风经向传播的分离带。参考他们的做法，本文对3套再分析资料、不同气候态下东亚地区大气ISO的经向传播进行分析。由图 7可知，在10°~20°N以北，大气ISO以向北传播为主；10°~20°N以南，大气ISO以向南传播为主。4—9月，恰为东亚夏季风期间，大气ISO的经向传播较为明显，但在不同气候态3套再分析资料有所差别。如在第1气候态下，大气ISO的几次显著的传播在两套资料中有一些差别，在7月中旬，NCEPI资料反映的大气ISO从赤道附近分别向南、北传播，而ERA40资料反映的此次传播以北传为主，南传较弱，且NCEPI资料反映的大气ISO起始北传时间较ERA40资料偏早。比较不同气候态可以发现，大气ISO在北半球向南传播的起始时间有所差别，这或与东亚夏季风的爆发时间及强弱有关。在第3气候态下，5月初大气ISO出现了显著南传，一直传播到南半球，与前两个气候态有显著不同，且起始北传时间较前两种气候态偏晚。这或与不同气候态下东亚夏季风的爆发时间及强弱有关，其原因有待进一步研究。

图 7

图 7. 3种气候态下200 hPa纬向风ISO沿120°E的纬度-时间剖面图 (单位：m/s) Fig 7. Latitude-time section of 200 hPa zonal wind ISO along 120°E in three different climate states (unit:m/s)

本文利用NCEPI, NCEPⅡ和ERA40再分析资料，采用多种诊断分析方法，对比研究了3套再分析资料在不同气候平均态下200 hPa纬向风所表征的热带大气季节内振荡时空特征的异同。主要结论如下：

1) 3套资料的200 hPa纬向风在不同气候态下均存在显著的ISO特征，并以30~60 d周期最为显著。不同气候态下，3套资料的功率谱峰值集中的时段有所差别。在80~100 d的周期内，ERA40资料的振荡能量较NCEPI资料偏强。

2) 热带大气ISO在空间分布上，NCEPI资料反映的前两个气候态 (1961—1990年和1971—2000年) 下的方差百分比在热带印度洋和热带西太平洋地区较ERA40资料偏弱，在赤道东太平洋地区较ERA40资料偏强。1981—2010年热带印度洋和热带西太平洋地区热带大气ISO的强度较之前有增强的趋势。

3) 热带大气ISO的年循环特征在前两个气候态下，ERA40较NCEPI的振荡位相超前10 d左右；且12月—次年3月中旬，ERA40的振荡强度较NCEPI偏强；3月中旬—11月，ERA40的振荡强度较NCEPI的偏弱。此外，1981—2010年较前两种气候态，热带大气ISO冬春强、夏秋弱的年循环特征更加明显。

4) 热带大气ISO的时空谱特征在前两种气候态下，NCEPI的东传谱能量弱于ERA40，西传部分则强于ERA40；在1981—2010年气候态下，NCEPI的东传谱能量与NCEPⅡ基本一致，但西传部分稍弱于NCEPⅡ。近30年，热带ISO能量有向东传1~3波集中的趋势，西传部分则相对减弱。

5) 对比不同资料的东亚地区大气ISO经向传播特征发现，7月中旬NCEPI资料反映的大气ISO经向北传较ERA40资料偏弱；1981—2010年气候态下，大气ISO的起始北传时间较前两种气候态偏晚，在5月初大气ISO出现了显著南传，且传播至南半球，与前两种气候态有显著差异。