2 云南省气象局, 昆明 650000
2 Yunnan Provincial Metrological Bureau, Kunming 650000
MJO(Madden-Julian Oscillation)自20世纪70年代初被发现以来, 一直是学者们研究的热点问题(Madden and Julian, 1971, 1972)。从80年代至今, MJO的时空尺度、结构和传播特征都有较多深入的研究。关于MJO产生的动力学机制, 有积云—对流反馈机制(李崇银, 1985; Lau and Peng, 1987; 王继勇和刘式适, 1996; 查晶和罗德海, 2011)、蒸发—风反馈机制(李桂龙和刘式适, 1993)、外强迫激发机制(Li and Xiao, 1992)及海气耦合机制(Lau and Shen, 1988; Li and Liao, 1996)等理论。
对MJO这种赤道的大气季节内震荡现象的描述需要借助指数的定义。Wheele and Hendon(2004) 在对大气向外长波辐射OLR(outgoing longwave radiation)、U200(200 hPa纬向风场)和U850(850 hPa纬向风场)这三个物理量进行扩展经验正交方法(EEOF)分解之后发现, MJO两个最显著的活动中心位于印度洋(EOF1) 和太平洋西部(EOF2) , 在此基础上定义出多变量实时MJO指数RMM(Wheeler and Hendon, 2004)。此指数为现在最常用的MJO指数。而近年纽约州立大学的Ventrice et al.(2013) 已经对RMM指数做出改进, 使用U200、U850以及200 hPa速度势(VP200) 进行EOF分解, 把RMM指数里OLR用VP200替代了。另一个常用的MJO指数为NOAA(美国海洋与大气管理局)下属的气候预测中心(CPC, Climate Prediction Center)所定义的10个MJO指数(Xue et al., 2002)。该指数是使用VP200进行EEOF分析后, 将数据在EEOF第一模态的十个空间场上进行投影得到。这两种指数各有侧重, RMM指数更侧重表现MJO在赤道传播的过程, 对其活动中心具体位置只有大概指示作用;而CPC的MJO指数则侧重表现在赤道十个关键经度上MJO的强弱变化情况, 在表征具体位置MJO活跃情况方面更有优势。
对MJO的振荡活动规律的研究表明, MJO主要是沿赤道向东传播的, 但有时也有准静止或向西传播的情况出现(Huang, 1994; 李崇银, 1995)。MJO活动有强的年际变化, 在一段时间的较强活动之后, 也会出现长时间的弱震荡或消失(Hendon et al., 1999; Zhang, 2005)。这些研究主要侧重于MJO活动强度的变化, 而对MJO活动中心出现的位置没有重视。而许多对MJO活动年际变率的研究主要针对MJO冬季的活动变化(程胜和李崇银, 2006), 将其与ENSO循环的发生、太平洋海温的变化相联系(龙振夏和李崇银, 2001), 对夏季MJO的异常活动则没有更进一步研究。众所周知, MJO是热带重要的大气系统, 其夏季活动的异常会对其他天气气候系统产生重要影响(Knutson and Weickmann, 1987; Rui and Wang, 1990; Hendon et al., 1999; 陈光华和黄荣辉, 2009; 潘静等, 2010; Jia and Liang, 2013), 特别是对夏季风的活动、季风区降雨多寡产生重要影响(Maloney and Hartmann, 2000; Higgins and Shi, 2001; 李汀等, 2012; Li et al., 2012; Bai et al., 2013)。因而对夏季MJO活动中心在特定区域持续异常的特征的定义和分析, 能够作为后续研究MJO异常造成其他气象系统异常的基础, 有重要意义。
2 资料和方法本文所使用的气象要素场资料有:(1) NCEP提供的第二套再分析逐日资料(Kanamitsu et al., 2002), 包括风场(u, v, w), 水平分辨率为2.5°×2.5°。(2) NCEP提供的对外长波辐射(OLR)逐日资料, 水平分辨率为2.5°×2.5°。两套资料的时间均从1979年1月1日至2013年12月31日。
使用的MJO指数(IMJO)资料有:(1) 澳大利亚天气和气候研究中心开发的RMM指数(Wheeler and Hendon, 2004)。此指数通过将OLR、850 hPa和200 hPa风场投影到EEOF分解的前两个模态, 得到RMM1和RMM2两个时间序列。将RMM1和RMM2在极坐标下的投影, 即能近似得到MJO活跃中心在赤道的传播路径以及强度。(2) NOAA(美国海洋与大气管理局)下属的气候预测中心(CPC)所定义的10个MJO指数(Xue et al., 2002)。此指数通过使用了200 hPa速度势资料进行EEOF(扩展经验正交方法)分析, 由其中的第一模态中10个空间/时间场, 定义出了10个MJO指数(IMJO1, IMJO2, …, IMJO10), 对应10个MJO对流活动中心的位置(80°E、100°E、120°E、140°E、160°E、120°W、40°W、10°W、20°W和70°W)。因而CPC的10个MJO指数, 分别代表MJO的活动在热带印度洋、海洋性次大陆、热带太平洋到热带大西洋等不同地区的活跃和抑制状态。这两套MJO指数中RMM指数为日资料, MJO指数为侯资料, 时间均从1979年1月至2013年12月。由于我们观察到MJO在出现持续异常特征时周期发生了改变, 因此使用Morlet小波功率谱分析对特例年的MJO指数进行了分析, 确定其显著周期范围。之后我们对选取的典型年MJO指数进行了统计合成, 以分析持续异常特征;并同时合成分析了相关环流场, 进一步探讨在MJO持续异常情况下, 对大气环流以及其他气象要素造成的影响。
3 夏季MJO持续异常 3.1 MJO持续异常个例在对MJO监测的持续关注中, 我们发现夏季的MJO传播有几种典型形式。
正常情况下, MJO显著活跃中心是沿赤道向东传播的, 如1979年夏季。在MJO指数(图 1a)上可以清楚看到, 蓝色色标所表示的MJO活跃中心自6月从赤道非洲向东传播, 6月中旬在印度洋活跃, 7月上旬传播至西太平洋活跃, 7月中下旬回到赤道非洲大陆, 再次经历一次更强的MJO东传后, 在8月末重新回到非洲大陆。在整个夏季的东传过程中, MJO活动中心传播路径清晰, 并且MJO强度偏强。RMM指数(图 2a)上反映的信息与前述基本一致:1979年MJO中心6月从1位相开始东传, 经历两次东传循环后, 于7月中旬和8月底两次回到1位相。除7月下旬出现短暂强度小于1情况之外, 整个6~8月MJO强度都偏强。
并非所有年份MJO的东传都如此稳定和清楚。在某些年份, 夏季MJO会出现在太平洋持续异常活跃(如1982年夏季)或者在印度洋持续异常活跃(如2010年夏季)的两种特殊情况。如1982年(图 1b), 6、7、8月MJO的活跃中心长期在赤道西太平洋上空停滞维持。其间最显著的异常持续出现在6月下旬至整个7月, 在太平洋MJO持续活跃的同期印度洋MJO处于抑制状态。在RMM指数图(图 2b)上同样可见。1982年6~7月MJO中心位置基本一直处于代表太平洋的5、6、7位相, 传播路径并不清晰。7月末MJO强度减弱, 8月初MJO活动中心短暂出现在代表印度洋的2、3位相, 然后并向东传播。整个1982年夏季MJO强度不强, 其中心位置多数时间出现在太平洋附近。而2010年6~8月(图 1c)MJO的活动则一直持续在非洲大陆到印度洋区域, 强度中心主要位于70°E~80°E赤道印度洋附近, 与此相对应MJO在太平洋为抑制状态。在RMM的MJO强度中心图(图 2c)上同样可以看到, 虽然8月有一次较弱东传, 但整个夏季MJO活动中心基本位于1~3位相。这两种异常情况下, MJO东传活动不明显, 轨迹较为模糊。我们将夏季MJO东传明显停滞的现象称之为夏季MJO的持续异常现象。
MJO通常具有显著的30~60天周期(Madden and Julian, 1971, 1972, 1994; Zhang, 2005)。在MJO显著活跃东传的1979年的夏季, 从图 1和图 2我们可以大概推得其振荡周期约为一个半月。而值得注意的是, 在MJO出现持续异常活动的1982年和2010年, 其东传特征不明显, MJO的振荡周期似乎出现了改变。为进一步确认这种情况, 我们用1979年、1982年和2010年CPC的MJO指数分别进行小波分析, 最终取指数IMJO4的周期分析结果如图 3所示。其余指数的小波分析结果, 以及RMM1、RMM2指数的小波分析结果也都与之基本一致, 因此不再赘述。
1979年是MJO活动较正常、向东传播较为规律的年份(图 3a)。最显著周期出现在32~64天这个区间, 最强周期信号出现在6月份, 8月稍有减弱趋势。1982年(图 3b)MJO的活动中心在太平洋出现了异常停滞。6月初, MJO的显著周期在16~32天及32~64天范围都有出现。16~32天周期持续到6月末, 而32~64天周期在6月中旬之后就完全消失不显著了。可见1982年夏季MJO的周期活动都不太显著。2010年(图 3c)MJO的活动中心在印度洋出现了异常停滞。6~7月小波周期在16~32天、32~64天范围均有分布, 7月末32~64天周期消失, 16~32天周期加强, 并一直持续到9月末。由图可见, 2010年16~32天周期比32~64天的周期更加显著。
由以上分析发现, MJO在东传异常停滞的情况下, 可能会出现周期缩短的现象。原本的30~60天周期变弱, 并且出现更短15~30天周期。另外可能会出现强度较弱、周期消失的情况。
4 夏季MJO持续异常指数 4.1 MJO持续异常指数定义由上述分析可知, 夏季的MJO除了沿赤道正常向东传播的情况之外, 也会出现活动中心东传减弱而在印度洋或太平洋异常停滞的情况。因此, 我们定义出表示夏季MJO持续异常的指数IIP, 以描述夏季MJO的持续异常。如公式(1) 所示, 夏季MJO的持续异常指数IIP由CPC的IMJO计算得来。由IMJO定义可知, IMJO10和IMJO1位于70°E和80°E, 他们之和可以代表MJO在印度洋的活跃程度。IMJO5和IMJO6位于160°E和120°W, 他们之和可以代表MJO在太平洋的活跃程度。将MJO在印度洋和太平洋的活跃程度相减, 并对6~8月做平均, 即能得到当年的MJO持续异常指数IIP:
${{I}_{IP}}=\frac{1}{3}{{\sum\nolimits_{i=6}^{8}{\left[ \left( {{I}_{MJO10}}+{{I}_{MJO1}} \right)-\left( {{I}_{MJO5}}+{{I}_{MJO6}} \right) \right]}}_{i}},$ | (1) |
其中, i=6, 7, 8表示6月, 7月, 8月。CPC的IMJO的负值表示MJO的活跃位相, 正值表示MJO的抑制位相。因此可知在由CPC指数计算得出的IIP中表现的夏季MJO特征可能有三种:(1) 若IIP的值为负, 则夏季MJO在印度洋的活跃程度(由IMJO10和IMJO1表示)大于MJO在太平洋的活跃程度(由IMJO5和IMJO6表示), 且当IIP绝对值大时, 当年夏季MJO在印度洋异常活跃的情形显著;(2) 若IIP的值为正, 则夏季MJO在太平洋的活跃程度(由IMJO5和IMJO6表示)大于MJO在印度洋的活跃程度(由IMJO10和IMJO1表示), 且当IIP绝对值大时, 当年夏季MJO在太平洋异常活跃的情形显著;(3) 若IIP的值接近0, 表明当年夏季MJO自西向东正常传播, 没有停滞的情况, 或者是夏季MJO强度很弱, 在全球基本都不活跃。
用计算出的指数做1979~2012年的IIP逐年演变图(图 4), 从中挑选出IIP大于1的前8个年份作为高值典型年, 即6~8月MJO在太平洋活跃年份(包括1982、1986、1987、1990、1991、1997、2002和2009年), 并挑选出IIP小于-1的前8个年份作为低值典型年, 即6~8月MJO在印度洋活跃年份(包括1988、1995、1996、1998、1999、2007、2008和2010年)进一步进行合成分析。
前文对MJO在夏季可能出现的持续异常现象进行了举例和指数定义。但这种现象的具体表现究竟如何呢?为突出IIP高值年和IIP低值年的特征, 我们用IIP高值典型年与低值典型年的CPC的MJO指数做出差值合成图(图 5)。从图中可以发现:
(1) 从时间分布上看, 我们所定义的指数能够较清楚地反映夏季6~8月MJO持续异常停滞的特征。事实上全年中5~10月都存在不同程度的MJO持续异常现象。5月份已经开始出现MJO活动中心停滞的情况并且MJO强度偏弱;8月停滞的MJO活动中心强度为全年最强;秋、冬季MJO持续异常现象减弱, 且活动中心发生东移。
(2) 从空间分布上看, 与指数所选取的两个关键区范围(70°E~80°E和160°E~120°W)有较好对应, MJO持续异常振荡特征主要位于20°E~100°E的东非—印度洋区域和160°E~40°W的太平洋—美洲区域, 其最显著经度为正差值中心70°E~80°E和负差值中心160°E~120°W。MJO强度在两个关键区是反向变化的:当MJO活动中心在印度洋停滞, 即MJO在印度洋持续活跃时, 太平洋MJO的强度持续偏弱;而当MJO活动中心在太平洋停滞, 即MJO在太平洋持续活跃时, 印度洋MJO的强度持续偏弱。
我们的夏季持续异常指数IIP是用CPC的MJO指数来计算的, 但其实MJO夏季异常停滞的情况在RMM指数上亦有显著表现。统计IIP典型年6~8月RMM指数在各不同位相的平均天数后结果如表 1所示, 高值年与低值年RMM指数的位相平均天数有显著差异。进一步比较可知, 在MJO位于印度洋活跃的2、3位相里, 高值年(平均17.4天)的平均天数仅约为低值年(平均36.9天)的一半;而在MJO位于海洋性大陆—太平洋活跃的5、6、7位相里, 高值年(平均42.3天)的平均天数为低值年(平均17.5天)的大约2倍。两者差异显著。
MJO的RMM指数与IMJO虽然用两种不同的方式描述MJO的活动, 但都能反映出MJO在太平洋或者印度洋持续异常的情况。
5 夏季MJO持续异常的环流特征MJO在夏季的持续异常现象与大气环流的其他变化密切相关。下面用合成分析的方法比较MJO在太平洋持续异常活跃与MJO在印度洋持续异常活跃情况下大气环流的差异。
MJO在太平洋持续异常活跃的IIP高值年, 夏季低层850 hPa(图 6a)赤道及热带低纬地区从新加坡100°E一直到太平洋东部120°W均为显著异常西风, 东亚和西太平洋中纬度地区为异常偏北气流控制;高层200 hPa(图 7a)赤道太平洋区域为异常东风, 副热带西风急流异常加强, 高空太平洋副热带中部地区为距平反气旋性环流。结合赤道地区上空垂直距平环流(图 8a)上看, 100°E~120°E为显著异常下沉气流, 赤道地区东太平洋为显著异常上升气流。因此在赤道上空形成反沃克环流的异常形势, 可知, MJO在太平洋持续异常活跃时, 太平洋赤道地区低层西风减弱, 高层东风减弱, 整个沃克环流减弱。而在IIP低值年夏季, MJO中心在印度洋持续异常活跃。从异常风场合成图中可以看到, 赤道太平洋低层850 hPa为异常东风(图 6b), 东亚和西太平洋中纬度地区为异常偏南气流控制;高层赤道太平洋地区200 hPa为异常西风(图 7b), 副热带西风急流异常减弱, 高空太平洋副热带中部地区为距平气旋性环流。赤道地区上空垂直距平环流(图 8b)上赤道中东太平洋有显著的异常下沉气流, 显著的异常上升气流位于120°E以西的海洋性大陆和印度洋地区, 形成异常沃克环流的形势。因而, MJO在印度洋持续异常活跃时, 太平洋赤道地区低层东风更强, 高层西风也更强, 实际风场中的沃克环流被加强了。
同时, 在IIP高值年, 低层850 hPa(图 6a)异常的越赤道气流南风出现在90°E~130°E, 以及异常的越赤道气流北风出现在120°W~80°W, 太平洋信风减弱。90°E~130°E的高层200 hPa(图 7a)则有越赤道气流北风出现。在IIP低值年, 低层850 hPa(图 6b)异常的越赤道气流北风出现在90°E~100°E, 以及异常的越赤道气流南风出现在120°W~80°W, 太平洋信风加强。
在IIP高值年夏季纬向沃克环流的减弱的同时, 从140°E~160°E平均的垂直经向环流图(图 9a)上看:(1) 热带西太平洋10°N附近为异常上升气流, 高空一支向北, 于30°N附近下沉, 低层有异常北风流向赤道, 形成闭合的环流, 可见西太平洋的哈得来环流在IIP高值年是加强的。(2) 其次, 随着夏季整个赤道辐合带北移, 气流在10°N异常上升后, 另一支在高空向南, 越过赤道后下沉, 并在低层出现南风异常越过赤道回到10°N。(3) 哈得来环流在西太平洋25°N~30°N显著下沉的气流, 对夏季西太平洋副高也会造成影响。相对应地在500 hPa环流距平场高值年合成图(图 10a)上, 异常的位势高度正值区位置对应着通过信度检验的异常反气旋环流。反之, 在IIP低值年沃克环流增强的同时, 热带西太平洋10°N附近为异常下沉气流(图 9b)。这支异常下沉气流在850 hPa低层向北流至30°N处上升, 在200 hPa高层流回赤道。形成的异常经向环流与哈得来环流是反向的, 即西太平洋的哈得来环流在低值年减弱。同时, 哈得来环流位于西太平洋30°N的下沉气流的减弱, 会导致西太平洋副高位置偏南。与此相对应, 500 hPa环流场上(图 10b), 西太平洋到南海北部区域有显著距平反气旋气流, 可见IIP低值年夏季副热带高压位置更偏西南。
大气长波辐射(OLR)能够表明热带地区对流形势的变化, 而200 hPa速度势(VP200) 所代表的高层辐散场可以反映出热带地区大气环流的变化。在IIP高/低值年异常哈德莱环流和沃克环流表现出显著差异的情况下, OLR和VP200的距平场也与之对应。在IIP高值年, OLR(图 11a)的负异常显著区域出现在赤道太平洋, 显著正异常区域为海洋性大陆以及赤道印度洋地区, 这表明高值年对流的异常活跃区位于赤道太平洋。而与之相对应地, VP200(图 12a)在太平洋为强的负距平, 为高层辐散区, 同时印度洋—海洋性大陆为正距平, 为高层辐合区。IIP高值年OLR和VP200的异常与MJO在太平洋持续异常活跃是相对应的。反之在IIP低值年, OLR的负异常显著区域(图 11b)为热带印度洋以及海洋性大陆, 对流的异常活跃区位于此处。同时整个太平洋OLR都为异常正值, 高值中心位于西太平洋暖池区域。与此相对应, 低值年VP200距平合成图中(图 12b), 印度洋出现强的负距平, 为高层辐散区, 太平洋出现强的正距平, 为高层辐合区。可知IIP低值年OLR及VP200的异常活跃形式与MJO在印度洋的持续异常活跃相对应。
由以上分析可知, MJO的持续异常情况下整个大气环流都会发生改变。IIP高值年MJO在太平洋持续异常, 沃克环流减弱, 西太平洋哈得来环流增强, 西太平洋副高位置偏北。太平洋为对流活跃区域, 高层辐散。IIP指数低值年MJO在印度洋持续异常, 沃克环流增强, 西太平洋哈得来环流减弱, 西太平洋副高位置偏西南。印度洋为对流活跃区域, 高层辐散。
6 结论和讨论通常MJO有30~60天周期, 并沿赤道向东传播。但我们发现夏季MJO具有非常显著的持续异常特征, 即在赤道太平洋持续活跃或在赤道印度洋持续活跃。在这两种情况下, MJO的东传停滞, 活跃中心持续出现在太平洋或印度洋。持续异常情况下的MJO振荡周期也出现变化, 表现为周期缩短或变弱。我们由此定义出IIP来描述6~8月MJO在印度洋或者太平洋的这种异常活跃情况。然后发现:当MJO在印度洋持续活跃的时候太平洋的MJO活动则是持续偏弱;而MJO在太平洋活跃的时候印度洋的MJO活动则持续偏弱。
MJO的持续异常会造成大气环流的显著改变。太平洋MJO持续异常活跃时低纬沃克环流减弱, 西太平洋哈德来环流增强, 西太平洋副高位置偏北。与此相配合, OLR的活跃区和200 hPa速度势辐散区位于赤道西太平洋160°E~160°W区域, 热带海洋性大陆以及整个赤道印度洋为对流抑制区。赤道印度洋MJO持续异常活跃时大气环流情况相反。
由夏季MJO在印度洋或者太平洋的持续异常状况将会影响大气环流等要素的改变, 导致了两种不同的环流形势出现。其中哈得来环流的强度以及西太平洋副高的位置可能会造成东亚夏季风强弱、大陆季风区降雨多寡的不同, 而沃克环流强弱导致的太平洋洋流变化可能会对秋冬ENSO的形成造成影响, 这是我们下一步将要讨论的问题。
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