热带西太平洋是全球海表温度最高的海域，在次表层以上存在全球海洋最暖的水团，称之为西太平洋暖池。在北半球夏季期间，暖池上空存在强烈的对流活动，其异常变化对东亚和西太平洋地区气候有重要影响。在气候平均状况下，暖池对流在南海夏季风爆发之后开始逐渐增强并向东北扩展。在7月中下旬，暖池对流突然增强并向东北方向移动，西北太平洋夏季风开始，长江流域到日本一带梅雨结束，东亚地区进入盛夏期（Ueda et al., 1995; Suzuki and Hoskins, 2009; 苏同华和薛峰, 2010）。观测分析还表明，暖池对流的年际变化也同样影响到东亚夏季风的异常变化，当对流偏强时，西太平洋出现气旋异常，西太平洋副热带高压偏东，对流偏弱时相反。暖池对流与东亚夏季风之间形成一种遥相关型，这与暖池对流变化产生的Rossby波向中高纬度传播有关（Nitta, 1987; 黄荣辉和孙凤英, 1994; Lu, 2001; Xue et al., 2017）。

暖池对流变化受到热带海温异常强迫特别是ENSO（El Niño and South Oscillation）循环的影响。在ENSO循环的不同位相，暖池对流呈现出不同的异常变化。在El Niño发展年夏季，中东太平洋海温偏高，由于Gill型强迫影响，暖池对流偏强；在El Niño衰减年夏季，热带印度洋海温偏高，对流偏强，通过Kelvin波东传抑制了暖池对流发展（Xie et al., 2009; Xue et al., 2018）；在La Niña年，暖池海温偏高，对流偏强（Xue and Zhao, 2017）。因此，暖池对流变化在ENSO循环影响东亚夏季风的过程中起到桥梁的作用。

以上研究主要关注于夏季平均，但实际上暖池对流变化的主导周期为30～60 d，因而在6～8月期间暖池对流还存在显著的季节内变化。本文所关注的月际变化是季节内变化的一种时间尺度，具体指月平均异常值从一个月到另一个月之间的变化。虽然ENSO对夏季平均对流异常起到显著影响，但也存在一定程度的月际变化，如El Niño年最大异常在8月，而La Niña年则在7月（Xue and Zhao, 2017; Xue et al., 2018）。此外，若暖池对流月际之间存在显著的正负异常转变，则夏季平均异常可能很弱，因而仅从夏季平均结果中难以发现暖池对流变化的异常信号。相对于夏季平均而言，目前对暖池对流的月际变化尚缺乏系统性研究。为此，本文基于1979～2018年的观测资料和再分析资料，首先给出暖池对流显著月际变化的定义，据此分析了各类月际变化的过程和物理机制，希望为暖池对流的月际变化预测和相关的东亚夏季风预测提供观测依据和理论基础。

本文使用美国国家海洋和大气管理局提供的卫星观测向外长波辐射（Outgoing longwave radiation, OLR）来表示暖池对流的强弱变化（Liebmann and Smith, 1996），分辨率为2.5°（纬度）×2.5°（经度），月平均海表温度来源同上，分辨率为2°（纬度）×2°（经度）（Huang et al., 2017），美国国家环境预测中心和能源部提供的大气环流再分析资料和向下太阳辐射通量，分辨率分别为2.5°（纬度）×2.5°（经度）和1.904°（纬度）×1.875°（经度）（Kanamitsu et al., 2002）。此外，使用Niño3.4指数来鉴别El Niño和La Niña事件及其强度，该指数定义为（5°S～5°N，170°W～120°W）区域平均的海表温度异常。通常当该指数大于0.5°C并持续6个月以上时，就认为发生了一次El Niño事件，相反则为La Niña事件（Trenberth, 1997）。上述资料时间统一取为1979～2018年，共40年。

暖池对流取为（10°N～20°N，110°E ～150°E）区域平均的OLR值，OLR负异常表示对流增强，正异常表示对流减弱，这里的纬向范围较Lu（2001）定义的略小，主要是考虑到在很多年份OLR异常在150°E以东与其西部有较大差异。图1为标准化6～8月暖池OLR异常的时间序列，除年际变化外，暖池对流还呈现出月际变化。这里定义显著的月际变化为：1）OLR逐月平均异常绝对值超过0.5个标准差，以保证月平均有足够的异常变化；2）相邻月份之间OLR异常有从正到负或从负到正的转变。上述两个条件保证了月际之间变化的绝对值超过1个标准差，所以称之为显著的月际变化。

图 1

Fig. 1

图 1 1979~2018年标准化暖池向外长波辐射异常：（a）6月；（b）7月；（c）8月 Fig. 1 Normalized outgoing longwave radiation (OLR) anomaly over the warm pool during 1979–2018: (a) Jun; (b) Jul; (c) Aug

根据图1的结果，暖池对流显著的月际变化可以分为如下3类：1）OLR异常在6月和8月为正，但7月为负，典型的年份有1984年、1985年和2004年；2）与1）中的变化过程完全相反，即OLR异常在6月和8月为负，但7月为正，典型的年份有1996年和2006年；3）OLR异常在6月和7月为正，但8月为负，典型的年份有1992年、2007年和2016年。前两类有完全相反的月际变化，即从正变负又从负变正或者完全相反，而第三类仅从正变负，因此第三类月际变化总体上较弱。由于符合上述标准的年份相对较少，以下我们以个例分析为主来研究暖池对流月际变化的成因。

根据图1的结果，第一类显著月际变化共有3年，即1984年、1985年和2004年，其中1984年最为显著，因此以1984年为主来分析其变化过程。图2为这三年月平均Niño3.4指数的演变，可见1984年和1985年为La Niña年，而2004年为El Niño发展年，除1985年个别月份外，从冬季到夏季的Niño3.4指数绝对值均低于1°C，表明ENSO强迫较弱。此外，这三年海温异常呈现出一个共同特征，即春季暖池海温偏高，这为6月对流发展提供了热力基础。

图 2

Fig. 2

图 2 1984年、1985年和2004年月平均Niño3.4指数 Fig. 2 Monthly mean Niño3.4 index in 1984, 1985, and 2004

如图3a所示，1984年5月南海到菲律宾以东海温偏高，而近赤道和台湾以东洋面海温偏低。受5月暖池海温偏高的影响，6月暖池对流开始发展，OLR最大负异常位于南海中部，中心低于−30 W/m²，而两侧海温较低的区域OLR为正异常，但OLR负异常中心与正海温异常中心并不一致，这是因为南海海温要高于菲律宾以东，南海对流发展较早（图4a）。另一方面，由于6月暖池对流偏强，云量增多，造成到达海表的太阳辐射减弱。如图4d所示，南海到菲律宾以东地表向下太阳辐射通量为负异常，中心位于菲律宾附近，低于－40 W/m²。由于辐射和海表温度之间的相互作用（Lau and Nath, 2009; Lu and Lu, 2014; Hu and Wu, 2016），6月菲律宾以东海温转变为负异常（图3b），表明6月海温开始降低。此外，我们还注意到160°E以东以及20°N以北海域，仍维持5月的异常，表明对流变化对这些区域海温异常影响较弱。

图 3

Fig. 3

图 3 1984年月平均海表温度异常（单位：˚C）：（a）5月；（b）6月 Fig. 3 Sea surface temperature (SST) anomaly (˚C) in 1984: (a) May; (b) Jun

图 4

Fig. 4

图 4 1984年月平均向外长波辐射异常（左列，单位：W/m2）和地表向下太阳短波辐射异常（右列，单位：W/m2）：（a、d）6月；（b、e）7月；（c、f）8月 Fig. 4 Monthly mean OLR anomaly (left panel, units: W/m2) and downward solar radiation flux anomaly at the surface (right panel, units: W/m2) in 1984: (a, d) Jun; (b, e) Jul; (c, f) Aug

对应于6月暖池海温转变为负异常，7月暖池对流受到抑制，OLR转变为正异常，异常超过20 W/m²（图4b）。与6月的变化过程相反，7月暖池对流偏弱能增强入射太阳辐射，暖池大部分地区太阳辐射均明显增强，最大值超过60 W/m²（图4e），太阳辐射的增强促使菲律宾以东大部海域海温明显升高（图5a），但由于6月南海对流发展过强，南海仍维持降温趋势。此外，20°N以北海域海温的急剧上升是由6～7月间太阳北移的年循环造成的，而与暖池对流变化无关。与6月暖池对流发展的过程类似，受7月暖池海温上升影响，8月对流再度发展，南海到150°E一带OLR转变为负异常，异常值超过6月（图4c），太阳辐射减弱（图4f）。因此，8月海温再次降低（图5b），但与6月类似，变温中心与OLR异常中心并不一致。

图 5

Fig. 5

图 5 1984年海表温度月际差异（单位：˚C）：（a）7月减6月；（b）8月减7月 Fig. 5 Monthly SST departure (˚C) in 1984: (a) Jul minus Jun; (b) Aug minus Jul

在上述OLR月际变化过程中，前期暖池海温偏高触发了6月对流发展，而局地海气相互作用则在6～8月变化中起到关键作用。具体过程可归纳如下，6月对流发展使太阳辐射减弱，造成局地海温降低，抑制了7月对流发展，太阳辐射增强，促使局地海温再次升高，因而8月暖池对流再度发展，在此过程中形成了第一类月际变化。1985年和2004年的月际变化与1984年大体类似，但由于1985年La Niña信号略强，南海对流在5月已经开始发展，月际变化不如1984年显著。

第二类月际变化的转变过程与第一类完全相反，OLR在6月和8月为正异常而7月为负异常，典型的年份有1996年和2006年，但月际变化较第一类明显偏弱。图6为这两年Niño3.4指数的演变，1996年为La Niña年而2006年为El Niño发展年。从冬季到夏季，Niño3.4指数绝对值均低于1°C，4～8月期间低于0.5°C，因此ENSO强迫对暖池对流的影响比第一类更弱。由于2006年月际变化较1996年显著，以2006年为例来分析第二类月际变化的过程。

图 6

Fig. 6

图 6 1996年和2006年月平均Niño3.4指数 Fig. 6 Monthly mean Niño3.4 index in 1996 and 2006

图7a为2006年5月海温异常分布，南海到菲律宾以东为弱的负异常，但异常很弱，仅南海部分区域达到－0.2°C，台湾以东洋面存在一个显著的正异常中心，其他区域异常均较弱。对应于上述海温异常分布，2006年6月暖池地区出现较弱的OLR正异常，但仅个别区域达到10 W/m²（图8a）。与第一类中海温和对流变化过程类似，6月对流偏弱造成5～6月之间暖池海温上升（图7b），升温幅度约为0.6°C，但20°N以北的显著升温则与暖池对流变化无关。由于6月海温上升的影响，7月暖池对流明显增强，OLR最大负异常低于－30 W/m²（图8b）。与5～6月的变化过程相反，由于7月对流增强的影响，6～7月间暖池海温降低（图7c），降温幅度约为－0.6°C，因而8月暖池对流再次受到抑制，OLR异常分布与6月相似，异常强度也很弱。

图 7

Fig. 7

图 7 2006年（a）5月海表温度异常（单位：˚C），（b）6月与5月、（c）7月与6月海表温度差异（单位：˚C） Fig. 7 (a) SST anomaly (˚C) in May, (b) Jun minus May SST departure (˚C), and (c) Jul minus Jun SST departure (˚C) in 2006

图 8

Fig. 8

图 8 2006年月平均向外长波辐射异常（单位：W/m2）：（a）6月；（b）7月；（c）8月 Fig. 8 Monthly mean OLR anomaly (W/m2) in 2006: (a) Jun; (b) Jul; (c) Aug

因此，第二类月际变化的机理与第一类相似，即月际变化是由暖池地区局地海气相互作用造成的。但与第一类相比，由于海温异常较弱，月际变化不如第一类显著。1996年的变化与2006类似，但不如后者明显。

与前两类不同的是，第三类月际变化仅发生在7～8月之间，OLR表现出由正异常到负异常的单向变化，但7～8月之间的异常转变非常显著，其中典型的年份有1992年、2007年和2016年。图9表明这三年均为El Niño衰减年，其中1月Niño3.4指数分别为1.8°C、0.7°C和2.6°C，3个El Niño事件的强度有显著差异，表明第三类月际变化与El Niño的衰减位相有关，但与强度关系不大。已有研究表明，当El Niño衰减之后，热带印度洋开始变暖，引起该地区对流增强，并激发东传的Kelvin波引起暖池对流减弱（Xie et al., 2009; Xue et al., 2018），据此可以推断第三类月际变化与印度洋的海温异常有关。鉴于2016年的月际变化更为显著，下面我们以该年为主来分析第三类月际变化。

图 9

Fig. 9

图 9 1992年、2007年和2016年月平均Niño3.4指数 Fig. 9 Monthly mean Niño3.4 index in 1992, 2007, and 2016

随着2016年强El Niño事件从冬季到夏季的衰减，热带印度洋到西太平洋明显变暖。图10为2016年5月海表温度异常分布，从印度洋到菲律宾以东约140°E均为显著正异常，南海和阿拉伯海大部分海域异常超过0.8°C，台湾以东洋面超过1.0°C，在145°E以东存在一个较弱的负异常。由于5月印度洋变暖的影响，6～7月印度附近OLR为明显的负异常（图11a和11b），OLR负异常中心随印度夏季风变化明显北移，6月位于印度南端，7月则位于印度西北部。受印度附近对流增强的影响，6～7月菲律宾以东OLR为正异常，暖池对流受到抑制，印度附近和暖池OLR异常呈现出明显的反向变化。

图 10

Fig. 10

图 10 同图7，但为2016年 Fig. 10 Same as Fig. 7, but for 2016

图 11

Fig. 11

图 11 2016年月平均向外长波辐射异常（单位：W/m2）：（a）6月；（b）7月；（c）8月 Fig. 11 Monthly mean OLR anomaly (W/m2) in 2016: (a) Jun; (b) Jul; (c) Aug

另一方面，由于印度附近对流增强的影响，6～7月间热带印度洋特别是阿拉伯海的海温明显降低（图10b和10c），5～6月间变温中心位于东非沿海，低于－2.0°C，6～7月间变温中心北移至阿拉伯半岛沿海，低于－2.5°C。与此相反，由于6～7月暖池对流偏弱，该海域海温则持续升高。但需要指出的是，5～6月15°N以北（图10b）和6～7月20°N以北（图10c）暖池海温的升高主要与太阳北移造成的年循环有关。

8月的情况则与6～7月有很大不同，由于热带印度洋特别是阿拉伯海海温明显降低，8月印度附近的对流明显减弱，OLR正异常超过10 W/m²（图11c）。另一方面，由于暖池海温在6～7月持续升高，8月暖池对流开始显著增强，OLR负异常中心位于160°E，低于−40 W/m²，南海到150°E一带OLR负异常也低于−10 W/m²。需要强调的是，尽管8月印度附近和暖池OLR异常也呈现相反变化，但8月暖池对流增强是在前期海温升高的背景下，由局地海气相互作用影响下造成的，其物理机制与第一类和第二类月际变化类似，但与印度附近对流减弱无关，二者之间缺乏必要的物理联系。换言之，印度附近对流增强可以影响到暖池对流减弱，但相反的情况却不成立。

与前两类月际变化不同，第三类月际变化发生在El Niño衰减年夏季，其变化与热带印度洋和暖池地区的局地海气相互作用有关，6～7月暖池对流减弱与印度洋变暖造成的对流增强有关，而8月暖池增强则是在前期海温升高之后由局地海气相互作用造成的。此外，2007年的情况与2016年大体相同，但1992年春季暖池海温显著偏低，对该年6～7月暖池对流减弱也有一定影响。但总体上看，印度洋偏暖引起的对流增强对暖池对流的影响要大于前期当地海温偏低的影响。

基于1979～2018年期间观测的向外长波辐射资料和其他再分析资料发现，西太平洋暖池对流存在3类显著的月际变化。第一类表现为OLR 6月和8月为负异常，而7月为正异常，暖池对流从6月偏强转变为7月偏弱，而8月再次转变为偏强的过程，第二类月际变化过程与第一类完全相反，但转变强度较弱。与前两类不同的是，第三类月际变化仅发生在7～8月之间，对流从偏弱转变为偏强。这三类月际变化的发生与ENSO循环位相和强度有关，其中第一类和第二类发生在较弱的La Niña年和El Niño发展年，ENSO强迫较弱，而第三类则发生在El Niño衰减年，ENSO强迫较强。

第一类和第二类月际变化的发生与春季暖池海表温度异常有关。当5月暖池海温偏高时，6月暖池对流偏强，偏强的对流造成太阳辐射减弱，暖池海温降低，进而抑制了7月对流发展，而偏弱的对流造成太阳辐射增强，反过来促使海温升高，因而8月对流再次增强，从而形成了第一类月际变化。因此，局地海气相互作用在第一类月际变化过程中起到关键作用，这是一种海温和对流之间的负反馈过程，海温异常超前对流异常约一个月。第二类月际变化与第一类相反，5月暖池海温呈现较弱的负异常，不利于6月对流发展，6～8月之间对流和海温的异常变化与第一类大体相反，但变化机理相同，由此形成了第二类月际变化。

与前两类完全不同，第三类月际变化发生在El Niño衰减年，ENSO强迫的信号很强，热带海温异常分布也与前两类有很大差异。当El Niño在热带太平洋衰减之后，热带印度洋海温明显升高，偏高的海温造成6～7月印度附近对流增强，通过Kelvin波东传抑制了暖池对流发展，形成了印度洋和暖池对流的反向异常变化。与暖池对流和海温之间的变化类似，6～7月对流偏强也促使局地海温降低，造成该地区8月对流减弱。与印度洋地区的变化相反，6～7月暖池对流减弱促使该海域海温上升，8月对流开始增强，从而形成了第三类月际变化。因此，第三类月际变化与印度洋和暖池地区的局地海气相互作用有关，其中海温偏高造成的对流偏强起到主动作用，而与海温偏低相关的对流偏弱则是一个被动的角色。

第二类月际变化过程与第一类完全相反，但在实际大气中难以发现与第三类完全相反的月际变化，即OLR在6月和7月为显著负异常，8月为显著正异常，这与西太平洋暖池7～8月之间的季节内变化有关。7月下旬之后，暖池对流增强东扩，这种变化有利于对流增强而不是减弱。另外，暖池对流增强造成西南夏季风环流减弱，印度夏季风与东亚夏季风的联系开始明显减弱，也不利于印度附近对流对暖池对流的抑制（薛峰和苏同华, 2018）。在1979～2018年间，仅个别年份出现7月OLR显著负异常转变为8月的显著正异常，但6月异常很弱，如1994年7月OLR异常为−2.1，8月为0.6，转变过程与第三类月际变化类似。

文中第三类月际变化的3个个例均发生在El Niño衰减年，但我们同时注意到，并非所有衰减年都有显著的月际变化，如1998年6～8月OLR均为显著正异常，8月异常最强，但月际之间并无正负异常的转变。在这些年份，热带印度洋和热带北大西洋均显著偏暖，二者的共同作用造成暖池对流在6～8月一致偏弱（Lu and Dong, 2005; 薛峰等, 2018）。此外，如果La Niña信号很强，OLR在6～8月均为负异常，最显著异常在7月，月际变化也不明显。在此情况下，虽然局地海气相互作用在6～8月的对流变化中也能起到一定作用，但暖池对流异常主要受控于La Niña（Xue and Zhao, 2017）。

鉴于暖池对流异常变化对东亚夏季风有重要影响，上述研究结果对提高东亚夏季风的月际预测水平有重要意义。目前，由于ENSO预测水平的提高，东亚夏季风的季度预测已经取得很大进步，但季节内预测包括月际预测仍处在较低水平。从本文的研究结果看，除ENSO循环的背景包括位相和强度外，暖池地区局地海气相互作用是影响对流月际变化的一个强信号，在3类显著月际变化中均起到关键作用，需要进一步加强研究。