孟加拉地区夏季水汽变化及其与太平洋年代际振荡的联系_郭静妍.pdf

第 41 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.41 No.3June，2023干旱气象Journal of Arid Meteorology孟加拉地区夏季水汽变化及其与太平洋年代际振荡的联系郭静妍1，2，肖栋2（1.中国气象科学研究院，北京 100081；2.中国气象局上海城市气候变化与应对重点开放实验室，上海 200030）摘要：孟加拉地区位于青藏高原与孟加拉湾、印度半岛与中南半岛的中间地带，是亚洲季风爆发率先影响的区域，孟加拉地区的水汽变化对亚洲南部以及东亚气候有重要的指示意义。采用19792020年欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料和美国国家海洋和大气管理局提供的海表面温度等资料，分析孟加拉地区夏季（69月）大气可降水量（Atmospheric Precipitable Water，APW）变化成因及其可能的物理过程。结果表明，孟加拉地区APW在亚洲南部同纬度最大，夏季APW占全年50%以上，且夏季平均APW呈显著增加趋势。从孟加拉地区4个边界整层的水汽收支和水汽收支垂直廓线来看，西边界与北边界的水汽收支趋势不利于该区域水汽增加，而东边界与南边界的水汽收支趋势利于该区域水汽增加。孟加拉地区夏季APW与太平洋年代际振荡（IPO）在年际和年代际尺度上均呈显著负相关。当IPO为正位相时，对流层低层赤道太平洋（赤道印度洋）盛行西风（东风）异常，对流层高层与之相反，表明印度洋与太平洋上的Walker环流减弱；对流层低层的赤道印度洋南北两侧呈Gill型反气旋环流异常，印度季风偏弱，阿拉伯半岛至孟加拉一带盛行西北风异常，西风气流不利于水汽向孟加拉地区输送，同时反气旋型环流伴随的下沉气流不利于该区域水汽汇聚，使得孟加拉地区APW减少。反之，当IPO为负位相时，则有利于孟加拉地区夏季APW增加。关键词：孟加拉地区；大气可降水量；水汽输送；海表面温度；太平洋年代际振荡文章编号：1006-7639（2023）03-0380-10 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03-0380中图分类号：P467 文献标志码：A引 言孟加拉地区位于青藏高原（简称“高原”）南侧、孟加拉湾北侧，是南亚与东亚两大季风区的交汇地带，是越赤道气流经过阿拉伯海、印度输送到东亚与南亚季风区的必经之地（Araya-Melo et al.，2015；Bosmans et al.，2018；Shi et al.，2020；Cheng and Lu，2020；Clemens et al.，2021），也是孟加拉湾的水汽输送到东亚地区的必经之地（Chen et al.，2013）。孟加拉地区的水汽变化与我国华北（张人禾，1999；郝立生等，2016）、华南（陶诗言等，1988；蔡学湛，2001）、江淮流域（尹树新和江燕如，1993；王文等，2017）以及河套地区（李栋梁等，2016）等的降水密切相关，研究孟加拉地区的水汽分布对于了解我国的气候变化有重要的科学意义。1976/1977年太平洋海温及其大气环流发生显著的年代际突变，由正位相转为负位相，在海洋上表现为热带中东太平洋海表温度（Sea Surface Temperature，SST）出现年代际异常升高，黑潮及其延伸体区域和北太平洋中部SST异常降低，而北太平洋东部沿岸SST异常升高；大气方面表现为北太平洋海平面气压和 500 hPa高度场明显降低，阿留申低压异常加深、东移并偏南（Trenberth，1990；Trenberth and Hurrell，1994）。Mantua 等（1997）将 20N 以北郭静妍，肖 栋.孟加拉地区夏季水汽变化及其与太平洋年代际振荡的联系 J.干旱气象，2023，41（3）：380-389，GUO Jingyan，XIAO Dong.Changes of summer water vapor in Bengal region and its linkage with the interdecadal Pacific oscillation J.Journal of Arid Meteorology，2023，41（3）：380-389，DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03-0380收稿日期：2022-06-20；改回日期：2022-11-09基金项目：第二次青藏高原科学考察项目（2019QZKK0105）、中科院先导专项项目（XDA20100300）和国家自然科学基金项目（42175053）共同资助作者简介：郭静妍（1998），女，硕士研究生，主要从事气候变率的研究。E-mail:。通信作者：肖栋（1981），男，研究员，博士生导师，主要从事气候动力学研究。E-mail:。第 3 期郭静妍等：孟加拉地区夏季水汽变化及其与太平洋年代际振荡的联系的太平洋海表温度异常的经验正交分解第一模态定义为北太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation，PDO）。Power等（1999）研究表明这种年代际模态也存在于整个太平洋，即正位相表现为南、北太平洋SST呈现负异常而热带中东太平洋SST呈现正异常，并将其称之为太平洋年代际振荡（Interdecadal Pacific Oscillation，IPO）。相比于 IPO，PDO更关注北太平洋，但两者在年际与年代际尺度上具有较高的相关性，IPO在1925、1945、1977年发生的位相转变与PDO类似（Han et al.，2014），PDO与IPO指数的月平均时间序列相关性达 0.74（Newman et al.，2016）。IPO和PDO对全球气候有重要影响，一方面作为年代际背景对厄尔尼诺南方涛动（El Nino-Southern Oscillation，ENSO）及其诱发的大气遥相关有非常重要的调制作用（Newman et al.，2003；Liu et al.，2021；徐建军等，1996；李崇银，2000；王绍武，2001）；另一方面，IPO和PDO是一种长期气候周期的偏离，作为年代际变化的强信号对太平洋及周边地区有非常重要的影响。IPO与PDO作为年代际背景影响东亚夏季风环流，对东亚地区“南涝北旱”降水格局的年代际变化起主导作用：当IPO由正位相转为负位相时，热带太平洋SST东西梯度增大，南方涛动指数偏强，Walker环流偏强，Hadley环流东弱西强，东亚夏季风偏弱，我国华北及其以南大部分地区气压偏高，华北地区受异常西北风控制而降水减弱，长江下游地区则偏涝（王绍武和赵宗慈，1979；李峰和何金海，2000；陈隆勋等，2004；唐民和吕俊梅，2007；丁一汇等，2013；王会军和范可，2013；He et al.，2017；Yang et al.，2017）。IPO与PDO不仅作为年代际背景影响东亚地区降水，同时也作为年代际背景影响印度太平洋地区降水的年代际变化（Deser et al.，2004），影响南亚季风区夏季降水，IPO与PDO正位相有利于孟加拉湾地区对流层下部东风带和对流层上部西风带异常，当 IPO和 PDO由正位相转为负位相时，Walker环流与Hadley环流均偏强，有利于年际尺度下孟加拉湾异常夏季风爆发，影响南亚季风降雨（Krishnan and Sugi，2003；Wu and Mao，2019；Huang et al.，2020）综上所述，太平洋SST的年代际信号与东亚、南亚地区气候在年际和年代际尺度上有密切联系，而孟加拉地区正好位于南亚季风与东亚季风交汇区，太平洋SST异常也可能与孟加拉地区的气候变化有关联。在全球大气循环中，水汽作为重要的温室气体之一影响着地气系统（Hall and Manabe，1999；Solomon et al.，2010）。在全球变暖大背景下，孟加拉地区的空中水资源长期趋势及与IPO的联系是什么？本文分析该区域不同方向的水汽收支在整层以及垂直方向上的变化特征，揭示水汽收支对孟加拉地区空中水资源长期趋势的贡献，试图探讨夏季孟加拉地区大气可降水量（Atmospheric Precipitable Water，APW）的变化及与IPO的联系，揭示IPO影响孟加拉地区大气可降水量的可能物理过程。1资料和方法采用 19792020 年欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）第五代大气数据再分析资料（ERA5）（Hersbach et al.，2020），空间分辨率为0.250.25，时间分辨率 1 h。其中大气可降水量资料为 112月月平均资料，比湿、风场、地表面气压与位势高度为69月月平均资料。海表温度数据集使用19792020年69月美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmosphere Administration，NOAA）提供的第五代扩展重建海面温度数据集（Extended Reconstructed Sea Surface Temperature version 5，ERSSTv5）（Huang et al.，2017），ERASSTv5是源自国际海洋大气综合数据集（International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set，ICOADS）的全球海面温度数据集，空间分辨率为22，相比以往的海温数据，对统计方法和偏差矫正方法进行了升级，增强了空间完整性。对于太平洋年代际振荡信号，采用19792020年 69月 NOAA物理科学实验室（Physical Science Laboratory，PSL）提 供 的 IPO 指 数（Henley et al.，2015）。大气可降水量（APW）为整个大气柱内所含水汽的重量，APW 及整层积分的水汽通量计算公式如下：Ptcwv=-1gPsPtqdP（1）Qu=1gPsPtqudP（2）Qv=1gPsPtqvdP（3）式中：Ptcwv（kgm-2）为大气可降水量；q（kgkg-1）为比湿；P（hPa）为 大 气 气 压，Ps（hPa）为 地 表 气 压，Pt（hPa）为大气层顶气压；g 为重力加速度，取值9.8 ms-2；u、v（ms-1）分别为纬向风和经向风；38141 卷干旱气象Qu、Qv（kgms-1）分别代表纬向与经向的水汽通量。计算各边界的水汽收支并相加得到水汽净收支。4个边界的水汽收支计算公式如下：QE=12Qu(2,y)l(2,y)（4）QW=12Qu(1,y)l(1,y)（5）QN=12Qv(x,2)l(x,2)（6）QS=12Qv(x,1)l(x,1)（7）QT=QW+QE+QS+QN（8）式中：QE、QW、QN、QS（kgs-1）分别代表东边界、西边界、北边界与南边界的水汽收支；QT（kgs-1）代表孟加拉地区的水汽净收支；1、2、1、2分别为各边界的经度与纬度；x、y 为所选取经纬度内的格点数；l（m）为所选取经纬度的格点长度。用9 a滑动平均代表时间序列的年代际尺度变率，原始序列减去9 a滑动平均为时间序列的年际变率，9 a滑动平均计算公式如下：xj=1ki=1kxi+j-1（9）式中：k表示滑动长度9；j=1，2，n-k+1，n为时间序列长度；xi+j-1表示原时间序列的第i+j-1个数；xj表示滑动平均后第j个数。2亚洲南部的降水与大气可降水量变化从亚洲南部19792020年季节平均的APW空间分布（图 1）可以看出，孟加拉地区（85E95E,23N27N）的APW在与其同纬度的地区中最大。春季 图1（a），高原上APW普遍小于8 kgm-2，而孟加拉地区平均APW达32 kgm-2，与我国华南地区大致相当；夏季 图1（b），孟加拉地区APW在整个亚洲南部最大，最大达65 kgm-2，均值为60 kgm-2，孟加拉湾与南海地区平均APW普遍大于等于56 kgm-2，夏季水汽最为丰沛；秋季 图1（c），亚洲南部APW大于春季而小于夏