2 中国海洋大学海洋与大气学院, 青岛 266100
3 中国地质大学大气科学系, 武汉 430074
4 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049
2 College of Ocean and Atmosphere, Ocean University of China, Qingdao 266100
3 Department of Atmospheric Science, China University of Geosciences, Wuhan 430074
4 College of Earth and Planetary Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
北大西洋多年代际振荡(AMO)是发生在北大西洋区域具有海盆尺度的海表温度准周期性暖冷变化(Kerr, 2000),其周期为65~80 a, 振幅为0.4℃,是气候系统的一种自然变率(Bjerknes, 1964; Folland and Parker, 1990; Kushnir, 1994; Schlesinger and Ramankutty, 1994; Mann and Park, 1994; Kerr, 2000; Enfield et al., 2001)。众多研究发现,AMO对北大西洋和全球其它区域的气候均有重要影响(Enfield et al., 2001; Folland et al., 2001; Goldenberg et al., 2001; Sutton and Hodson, 2005, 2007; Knight et al., 2006; Zhang and Delworth, 2006; Lu et al., 2006; Li and Bates, 2007; Feng and Hu, 2008; Wang et al., 2009; Zhou et al., 2015; Hao et al., 2016),因而对AMO的研究近十几年来一直是全球气候研究中的重要课题。
十多年来,人们发现AMO对南亚夏季降水存在显著影响。Goswami et al.(2006)通过观测分析显示,AMO正(负)位相对应印度夏季更多(少)的降水,印度夏季风撤退较晚(早);Lu et al.(2006)通过区域耦合的海气耦合模式试验,Li et al.(2008)和Wang et al.(2009)通过多个大气环流模式进行集合试验,均显示AMO正位相会增强印度夏季降水或延迟夏季风的结束时间。Delworth and Mann(2000)及Wang et al.(2009)显示,AMO正位相期间印度中部和南部夏季降水增多,北部降水减少;Sutton and Hodson(2007)通过HadAM3大气环流模式试验揭示,AMO正位相对应印度北部降水增多,中部降水减少。关于AMO影响南亚降水的机制,Feng and Hu(2008)提出AMO正位相对青藏高原有加热作用,使得热带印度洋和青藏高原对流层的温度梯度加大,导致印度夏季风加强;Luo et al.(2011)利用挪威卑尔根大学耦合模式(BCM),基于给定工业革命前强迫的试验结果,揭示AMO正位相激发从北大西洋传播到南亚的Rossby波列,增强了南亚高压,使得气流在低层辐合、高层辐散,导致了印度夏季风增强。
研究显示,在北半球夏季存在一支沿副热带高空急流传播的、绕半球的波列(Ding and Wang, 2005),以前人们发现的在欧亚副热带传播的波列(Lu et al., 2002)或丝绸之路波列(Enomoto, 2004)可能是该波列的一部分。该半球波列对南亚夏季气候具有显著影响(Lu et al., 2002;Enomoto, 2004;Kosaka et al., 2012)。当分开计算AMO正位相期间(1995~2014年)、负位相期间(1970~1990年)的该波列时,波列活动中心的位置和强度存在明显差异(图 1)。在负位相期间(图 1a),波列结构明显,中心振幅大,波长约80个经距;而在正位相期间(图 1b),波列活动中心减弱且位置偏东偏南,波长缩短为65个经距。二者之间的空间相关系数仅为0.33。这说明AMO调制了副热带波列的年际活动。
上述研究是在年代际、年际尺度上探讨AMO对印度降水的调制。Ding and Wang(2007)发现,从北大西洋到下游副热带欧亚地区,在季节内尺度上,也存在一支与年际尺度上类似的波列,它对印度夏季降水的季节内活动具有调制作用。故AMO作为年代际背景是否能调制欧亚副热带波列的季节内活动,从而影响印度降水,是一个不清楚的问题。本文将基于观测资料分析,对比正、负AMO位相下副热带波列的季节内活动特征及其相联系的印度夏季降水季节性的差异,期待对理解AMO作为气候背景态调制季节内活动的过程与机理提供新认知。
2 资料和方法 2.1 资料日资料:美国国家环境预测中心与国家大气研究中心(NCEP/NCAR)逐日再分析资料(Kalnay et al., 1996),包括1950年1月1日至2014年12月31日的200 hPa位势高度场和经向风分量场(v),1951年1月1日至2007年12月31日的500 hPa位势高度场、水平纬向风场(u)、经向风场(v)及气压垂直速度场(omega),分辨率为2.5°×2.5°;日本气象厅人类自然与大气科学研究所提供的高分辨率亚洲降水及水资源评价资料(APHRODITE)(Yatagai et al., 2009),资料范围为亚洲季风区(15°S~55°N,60°E~150°E),水平分辨率为0.5°×0.5°,时间从1951年1月1日至2007年12月31日。
为获得季节内变化分量,先将逐日资料处理成逐候资料,以去掉天气波动的影响。每5天为1候,第12候为2月25日至3月1日,闰年时多一天。定义夏季从5月31日(第31候的第一天)开始,9月27日(第54候的最后一天)结束,故每年夏季有24候。季节内变化分量的提取参考吴捷等(2013):首先用逐候的原始值减去该候多年气候平均值,以去掉气候上的季节循环;然后再去掉每一年夏季共24候的季节平均值,即去掉年际变化;最后再利用“1–2–1”平滑的方法,将周期小于7.5 d的高频噪声滤掉。
2.2 方法文中所用的主要方法包括经验正交函数分解(Empirical Orthogonal Function, EOF)、回归以及合成分析。首先针对AMO正、负位相时期,对200 hPa夏季经向风分量进行EOF分解,得到季节内变化的主要模态;随之,在前面基础上,将高度场、降水场对第一模态时间系数(PC1)进行超前—滞后回归,以分析AMO不同位相时,副热带波列及印度夏季降水的季节内演变特征;最后将500 hPa高度场、风场及垂直速度对PC1进行超前—滞后回归,以了解与副热带波列有关的印度夏季降水的大气环流过程和机理。
3 副热带波列季节内特征差异 3.1 空间分布与频率对比在副热带地区夏季,位势高度场及受副热带高空急流控制的纬向风分量值大而变率小,波列的活动在这两个变量上表现得不是很清楚。相比较而言,经向风分量均值与变率几乎相当,能更清楚地表现波列活动(Branstator, 2002; Lu et al., 2002)。故此,在(10°~70°N,60°W~100°E)范围内对200 hPa夏季逐候经向风场的季节内变化分量进行EOF分析。经比较,EOF结果对空间范围的选取不敏感(图略)。因我们重点关注AMO正、负位相期间副热带波列的差异,而所用资料序列长度又较短,故仅选取1995~2014年作为AMO的正位相、1970~1990年作为AMO的负位相,分不同时期分别进行EOF分析。
图 2为AMO负、正位相时期第一模态的空间分布场和时间系数序列,其解释方差率分别为15%和16%。可以看到,在AMO负、正位相下(图 2a、b),在副热带地区(约40°N)均存在从中纬度北大西洋向东到地中海、中亚、南亚的准纬向波列结构。尽管如此,但二者的差异仍很明显。与负位相相比,正位相期间波列中心东移了约15个经距。两空间模态的型相关系数仅为0.29。这说明,AMO对副热带波列的季节内活动具有调制作用。
由时间系数序列(图 2c、d)可见,AMO负、正位相下均存在明显的季节内振荡。为定量分析二者季节内变率的周期差异,比较了两时间系数序列的连续功率谱。从图 3可以看出,在AMO负、正位相期间,二者差异不明显。在周期8候、5.3候和4候处谱值均显著,通过了90%的显著性检验。特别是前两个周期,通过了95%的显著性检验。说明两个波列都具有显著的4~8候即20~40天的季节内振荡。因而,尽管在AMO正、负位相时期副热带波列季节内活动的位置差异明显,但周期却大体相当。
为了叙述方便,我们把图 2a、b的空间分布型分别作为在AMO负位相和正位相背景下,副热带波列季节内活动的正位相,而把对应的时间系数称为副热带波列季内活动指数或简称副热带波列指数。考虑到EOF、回归等都是线性分析,在下面的分析中,只分析副热带波列正位相的情形,其负位相应该相反,因此不作讨论。
图 4分别给出了200 hPa位势高度场(Z200)和Plumb二维波作用通量对副热带波列指数的超前、滞后回归,以对比在AMO负、正位相时期,副热带波列的发展和演变特征。在AMO负位相时期,Z200超前3候时(图 4a),从中高纬北大西洋向东北到斯堪的纳维亚半岛为狭长的负高度异常,中心位于挪威海附近。在该异常的东边,西伯利亚北部到北冰洋为明显正异常。在副热带地区,比斯开湾到地中海北部存在一纬向伸展的正异常。此时能量频散及波列结构均不明显。随着时间向前演变(图 4b),北大西洋狭长的负异常在东西方向上变化不一致,挪威海的负中心减弱并向东南伸展,格陵兰以南的北大西洋快速发展出一个强负中心,并伴随着向东的能量頻散。与之对应,比斯开湾正异常发展增强,西伯利亚的正异常向里海—黑海伸展。到超前1候(图 4c)时,比斯开湾附近的正异常显著加强并向北扩展,北大西洋上空的负异常断裂成东、西两个中心,西部中心显著增强但仍位于北大西洋中部,东部负异常与地中海发展起来的负异常打通。其东部西伯利亚正异常在里海—黑海进一步发展。此时,“-+-+-”的准纬向波列十分清楚,平均波长约55个经度,并沿能量频散的方向向下游传播。在同期回归图(图 4d)上,组成该波列的各中心位置基本不变,但波列强度以及向东的能量频散达到最强。之后(图 4e),中高纬欧洲中部负异常发展明显,地中海负异常向西南伸展,出现南北两支波列的雏型。滞后2候时(图 4f),两支波列比较清楚,均呈准纬向结构。50°~60°N之间中纬度波列明显,而位于30°N的副热带波列较弱。两支波列基本呈反位相结构。这些分析表明,副热带波列的发展演变是与中高纬度波列紧密联系起来的。
对AMO正位相(图 5),超前3候时(图 5a),存在一支从格陵兰沿着东南方向向印度半岛传播的波列雏形。超前2候时(图 5b),随着格陵兰岛负异常向北大西洋中部发展、大不列颠岛正异常加强、欧洲东部负异常发展及里海正异常中心的形成,“-+-+-”的纬向波列结构逐渐清晰。之后,波列形态基本不变,但向东的能量频散及波列强度均显著增强。到同期时(图 5d)达最强。随后(图 5e、f),波列强度和能量频散迅速衰减,构成波列的各中心开始扩展减弱,波列变得不再纬向。
对比上面AMO负、正位相时期波列季节内演变可以看到,无论在前期还是后期,二者存在明显的非对称性。(1)在波列发展前期,大西洋异常的分布和演变形式不同。负位相时从中高纬北大西洋向东北到斯堪的纳维亚半岛为狭长的、单一的异常,随着副热带比斯开湾正异常加强北上,负异常发展成两个独立的异常中心,在超前1候时出现准纬向波列结构;而正位相时北大西洋无狭长、单一的异常结构。随着波列中心加强南伸,到超前2候时出现波列结构。(2)在波列强盛期,波列活动中心位置和强度不同。负位相时(图 4d),异常中心分别位于格陵兰岛以南北大西洋、大不列颠岛、地中海、黑海—里海及南亚北部;而正位相时(图 5d),异常中心位于冰岛以南北大西洋、丹麦南部、俄罗斯西部、中亚及南亚东北部。就同期而言,正位相相比负位相波列整体东移了15个经度左右。除丹麦南部中心外,其他中心明显偏强。与图 2显示的结果一致。(3)在波列衰退期,负位相时,西伯利亚北部和地中海各有一负异常中心,亚洲北部和里海各有一正异常中心,在滞后两候时出现与副热带波列位相相反的中纬度波列(图 4f)。而正位相时期,在滞后两候时副热带波列不清楚。
4 与印度夏季降水季节内变化的联系 4.1 超前—滞后关系下面对比分析AMO负、正位相期间,与副热带准纬向波列有关的印度夏季降水季节内分量的超前—滞后演变。对应AMO负位相期间(图 6),在超前副热带波列3候时(图 6a),恒河平原及恒河三角洲为降水增加区,中部为降水减少区。印度总体分布格局为北部增多,中部减少。随时间向前推移(图 6b–d),半岛南部降水增加,而恒河平原降水增加区不断缩减,恒河三角洲逐渐转变为降水减少区。印度中部、西北部降水愈益负异常。同期时(图 6d),降水负异常最强,超过-1 mm d-1。从超前2候到同期,印度降水呈现出东北部和南部增多、中部减少的三极型分布。之后,南部正异常减弱,恒河平原转变为减少区,且中部和西北部的负异常减弱。滞后2候时(图 6f),中部大部地区负异常弱于-0.5 mm d-1,甚至出现正异常。总的说明,伴随着副热带波列的建立、成熟到衰退,印度中部和西北部季节内降水表现出由少到更少,再到变少减弱的过程,而恒河平原表现为由多到变多减弱,再到变少的演变趋势。
对应AMO正位相期间的副热带波列有关的降水演变(图 7),从超前3候到滞后2候,印度总体上表现为由减少,逐渐发展成增多的过程。增多是从超前2候开始的,首先在中部地区出现,然后向南、向东再向西扩展,最后发展到近乎全印度的过程。恒河平原则表现由增多到减少,再到减少增强的相反趋势。当波列衰退2候时(图 7f),中部、西北部增多趋势达到最强,中部异常超过2 mm d-1,西海岸增加超过4 mm d-1,恒河平原负异常也达到最强。
综上所述,在不同的AMO位相时期,副热带波列的季节内活动不同,与之相联系的印度降水季节内演变也不同。伴随着AMO负位相时期副热带波列的建立,印度降水异常由北部增多、中部减少的分布格局,转变为东北部、南部增多,中部、西北部减少的三极子分布。印度大部表现为朝减少方向发展的趋势,在同期时降水减少最强;而伴随着正位相时期副热带波列的建立,印度降水异常由中部、东北部增多,西部减少的分布格局,转变为东北部减少、其余地方增多的偶极子分布,印度大部表现为增多的态势,在滞后2候时增多最明显。这一结果与以前多模式模拟得到的年代际结果有很好的一致性(Li et al., 2008; Wang et al., 2009; Luo et al., 2011),说明AMO通过调制副热带波列季节内活动,进而调制印度降水的季节内分布是可能的。
4.2 环流演变分析下面分析与降水相对应的环流场的演变。针对AMO正、负位相期间,将500 hPa风场、气压垂直速度omega及位势高度场的季节内分量,对相应的副热带波列指数进行从超前3候至滞后2候的回归。从图 8、图 9可以看到:AMO负位相期间(图 8a–c,9a–c),印度北部存在由西北向东南延伸的位势高度负异常及气旋式风场,其南部的西风与印度中部的东风形成反气旋式切变,该环流形势减弱季风槽和季风低压,不利于水汽输送和降水发生。在副热带波列建立前2候(图 6b、图 8a、图 9a),印度中部对流层低层辐散、高层辐合,低层存在负涡度异常,该高低空配置易产生下沉运动,对应omega正异常,解释了该时期印度中部季节内降水的减少。随着副热带波列成熟到衰退,即从同期到滞后2候时(图 6d–f、图 8b–c、图 9b–c),印度中部低层辐散、高层辐合的配置先增强后减弱,对应omega正值区即下沉运动先增强后减弱,与印度中部季节内降水由减少到异常变弱的趋势一致。
AMO正位相期间(图 8d–f、图 9d–f),印度大部分区域500 hPa位势高度为正异常,青藏高压加强,自阿拉伯海和孟加拉湾向印度的水汽输送增强,印度季风槽和季风低压的活动增强。在副热带波列建立(即超前)2候时(图 7b、图 8d、图 9d),中部无明显的垂直速度异常,高低空辐合辐散场配置亦不明显,对应该阶段中部降水异常不明显。在孟加拉湾存在弱的季风槽,增强的水汽辐合解释了东北部降水的增加。在副热带波列成熟即同期时(图 7d、图 8e、图 9e),整个印度盛行东北风,与来自孟加拉湾的水汽在半岛东中部汇合,对流层低层辐合、高空辐散,对应ω负异常即上升运动,这一配置为降水发生提供了动力条件,解释了该时期东中部降水的增加。在副热带波列衰退即滞后2候时(图 7f、图 8f、图 9f),不同于AMO负位相期波列衰退的情况,来自阿拉伯海的西南风异常显著加强,向印度输送大量的暖湿空气,季风槽和季风低压活动加强,有利于水汽汇聚。同时,对流层高层辐散加强,低层辐合加强,对应omega负异常即上升运动的加强,充足的水汽条件叠加有利的动力条件,使得在该时期印度中部降水达到最强。
上面发现在AMO正、负位相背景下,印度夏季降水季节内演变表现出不同特征。这些差异从其两个主模态在AMO不同位相的差异也可以看到。印度降水季节内变化第一模态(EOF1)表现为自南向北的三极子分布,即印度半岛中部的降水变化与南端及北部的相反(图 10a)。第二模态(EOF2)表现为偶极型,即印度北部、东北部降水与南部呈反位相关系。北部多雨时南部少雨,反之北部少雨时南部多雨(图 10b)。
如果把中部多雨而南部及北部少雨定义为EOF1降水型的正位相,则在AMO正、负位相期间,均倾向于出现负的降水型。尽管如此,相比较而言,在AMO正位相期间的负降水型强于AMO负位相期间(图 10c)。表现为:EOF1时间系数在AMO负位相时,偏度值为0.30,正位相时,偏度值为0.24,均表现为右偏态。但正位相期间时间系数集中在-3~-1.5的概率高于负位相,而集中在-1~0的概率低于负位相,故正位相时更易出现强的负降水型。此外,由时间系数正值部分的概率密度曲线可知,AMO正位相期比负位相期更易出现强的正降水型,而负位相比正位相更易出现弱的正降水型。综上,无论是正降水型或是负降水型,AMO正位相期间更易出现强降水异常。
对EOF2,在AMO正、负位相期间,似乎二者均近似正态分布(图 10d)。说明该降水型并不表现出明显的偏向。因此,AMO主要调制三极型降水的分布多寡。这些结果说明,印度降水季节内变率的两个优势模态在AMO正、负位相期间的活动存在明显差异,在一定程度上验证了AMO作为年代际背景场,对印度降水季节内变化确有调制作用。
6 结论年代际作为背景场,除了调制年际气候变率外,也可能调制季节内变率。本文基于观测资料计算的AMO指数演变,选取1970~1990年和1995~2014年代表AMO负、正位相时期,对比了夏季欧亚副热带波列季节内活动特征及其相联系的印度夏季降水的差异,探究AMO作为气候背景态对季节内活动的调制。得到了如下结论:
(1)在AMO正、负位相背景下,在季节内时间尺度上,副热带波列空间型表现出明显差异,构成波列的主要中心位置不同。相比较而言,AMO正位相时波列中心东移了15个经距左右。
(2)在AMO正、负位相背景下,对应季节内时间尺度上副热带波列活动,与之相联系的印度降水变化也不同。对应AMO负位相期间的副热带波列,印度西北部、中部降水与东北部、南部降水呈季节内反相变化;对应AMO正位相期间的副热带波列,印度中部向南至西南沿岸降水与西部、东北部的季节内降水反相变化。
(3)对应AMO正、负位相期间副热带波列的不同,印度降水、区域中层风场以及垂直运动场等要素的季节内演变特征表现出明显差异。对应AMO负位相期间,副热带波列存在4~8候左右的准周期,波列由正位相朝反位相演变时,对应着下沉中心在印度中部先加强后减弱,印度中部及西北部季节内降水先变少加强后变少减弱;在AMO正位相背景下,波列由正位相朝反位相演变时,对应着水汽辐合上升区从印度中部向南、向东西两侧扩展,使得印度中部及东西两侧季节内降水增加。
值得指出的是,本文只是揭示了一些观测事实,对AMO为什么能调制季节内波列的活动没有解释,其影响机制有待深入分析。由于文章使用资料单一,精确度有限,所以AMO对欧亚副热带波列季节内活动及其相联系的印度降水的影响是否如此,还需用多种资料进行验证。
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