春季南海及周边地区海温变化对大气环流的可能影响_高文娟.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation1562023 年 第 13 期文章编号：2095-6835（2023）13-0156-03春季南海及周边地区海温变化对大气环流的可能影响高文娟，李 戟，刘梅红，李 煌，李 洪（中国气象局气象干部培训学院湖南分院，湖南 长沙 410125；气象防灾减灾湖南省重点实验室，湖南 长沙 410118）摘要：利用 NCEP（美国国家环境预报中心）/NCAR（国家大气研究中心）再分析资料，采用回归分析、差值合成分析、相关分析等方法，研究南海及周边地区（South China Sea and surrounding areas，SCSAR）春季海温异常对大气环流的可能影响。研究表明当 SCSAR 春季海温全区一致增暖时，冬季 500 hPa 位势高度出现正负相间的波列分布。南海地区为波动能量源区，垂直方向上有波动能量从低空向高空传播；水平方向上，南亚地区有波动能量沿纬圈向东传播，在中国华南一带从低空向高空涌出，并东传到日本海附近，且大气波动能量在冬季最强。当 SCSAR 春季海温呈现南北反向分布时，冬季 500 hPa 位势高度场呈现出与 300 hPa 反向分布形态。波动能量从乌拉尔山脉附近向低纬传播，并在孟加拉湾汇聚，随后从南海地区重新激发波列向极地传播。大气垂直环流很好地揭示了降水异常。当 SCSAR 春季海温全区一致增暖时，SCSAR 降水呈现“北涝南旱”分布型；而当 SCSAR 春季海温呈现南北反向分布时，SCSAR 降水呈现“北旱南涝”分布型。关键词：南海；春季海温；大气波动；能量传播中图分类号：P461+.2文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.13.047南海处于东亚夏季风系统上游，是中国夏季降水和热量输运的重要源地之一。南海春季海温异常，对南海夏季风的建立及东亚春季气候会产生重要影响。南海夏季海温异常对 ENSO 事件（厄尔尼诺/南方涛动）具有较敏感的响应1-6。高文娟等发现，南海及周边地区（SCSAR）春季海温异常呈现 2 种分布型，第一分布型为南海及周边地区春季海温一致增暖，第二分布型呈现南北反向的海温分布7-11。海温异常作为外强迫，会激发大气遥相关响应。WALLACE 等12和GUTZLER 等13认为太平洋-北美型遥相关与赤道东太平洋的海表温度异常相联系，是大气对于赤道东太平洋海温异常的响应。杨丹宁等14发现 ENSO 循环对太平洋-北美遥相关事件的强度与发生频率有一定的调制作用。YANG 等15指出，太平洋地区关于赤道对称的南北分布的气压型，可能是春季中东太平洋地区海温异常激发的 Rossby 响应。南海春季海温受到印度季风系统和东亚季风系统季节进程的影响，南海、孟加拉湾和阿拉伯海海温纬向异常在大部分年份（春季）呈现出同位相分布，而这种异常分布对季风系统又有反作用，因此探讨春季南海及周边地区海温异常对大气环流的影响具有重要意义。本文利用 GAO 等10定义的 SCSAR 春季海温异常分布前 2 个主模态，以及 2 个模态对应的时间序列，从大气波动及能量传播的角度，进一步探究 SCSAR 春季海温对大气环流的可能影响，为提高该地区的春季气候预测水平提供有益的参考依据。1资料与研究方法1.1资料选取本文用到的数据如下：美国环境预报中心和国家大气研究中心（NCEP/NCAR）再分析月平均数据，物理量为风场、位势高度、向外长波辐射，水平分辨率为 2.52.5；高度为 1 000100 hPa，共 17 层；美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的 V3b 月平均扩展重建海表温度数据（ERSST），水平分辨率为 22；降水数据采用 NOAA 月平均降水重建数据，水平分辨 率 为 2.52.5。本 文 数 据 选 取 时 间 段 为19482018 年。1.2波通量的计算TN 波作用通量是 TAKAYA 和 NAKAMURA 推导出的三维波作用通量，用于描述定常 Rossby 群波的能量频散特征。TN 波作用通量，在 WKB 近似假定下与波的位相无关，而与定常 Rossby 波列的局地群速度方向一致，反映了 Rossby 群波能量的频散方向。需要指出的是，TN 波作用通量计算时，无需假设基本流场，必须是纬向平均基本流，可以包含纬向不平均的纬向基金项目湖南省气象局短平快课题（编号：XQKJ22B022）Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期157风和经向风。2结果与分析2.1SCSAR 春季海温一致增暖对北半球大气环流的可能影响利用 SCSAR 春季海温全区一致增暖对应的时间序列，分别与 300 hPa、500 hPa、850 hPa 位势高度场进行超前滞后相关。可以看出，500 hPa 位势高度场冬季，从南海至鄂霍次克海到北美洲，高度场呈现出“+”的位势高度距平分布。南海及周边地区出现位势高度正异常，鄂霍次克海地区为负异常，北美洲北部为正异常，北美洲南部为负异常。该分布形态形似东亚-太平洋型经向遥相关波列，对东亚地区夏季气候有显著影响。春季，正负相间的位势高度异常形式基本维持但强度和范围减弱，到夏季和秋季波列形态减弱消失。850 hPa 和 300 hPa 图上，冬季在对应区域同样体现出正负相间的波列分布，说明此时整层大气为正压结构。水平波通量图如图 1 所示。由图可知，波动能量在冬季最强，南亚地区有波动能量沿纬圈向东传播，途径阿拉伯半岛（位势高度正中心）、印度东北部（位势高度负中心），波动能量在孟加拉湾以北汇聚（位势高度正中心），并在中国华南一带从低空向高空涌出东传到日本海附近，之后波动能量分支向极地输送。赤道中东太平洋地区有比较强烈的波动能量沿东北方向向极地输送，对应 PNA 波列把波动能量从中东太平洋输送到北美洲北部。春季和夏季波动的传播形式不明显。秋季波动能量沿位势高度异常中心，按照大圆路径，从南亚向北美洲传播，路径与前一年冬季相似但强度有所减弱。图 1第一模态对应的水平波通量合成图由垂直波通量图可以看出，冬季南海及周边地区以及中东太平洋为波动能量上升区，即波动能量源，有波动能量从低空向高空输送，同时配合水平波动，将波动能量从低纬度向高纬度传播。热带扰动先通过赤道波的纬向输送到达某一区域发生能量的堆积，然后再通过发射波列的形式影响到中纬度地区的大气活动。春季南海地区依旧有垂直向上的波动，但 300 hPa水平波通量较弱。2.2SCSAR 春季海温南北反向分布模态对北半球大气环流的可能影响对于 SCSAR 春季海温第二模态所对应的大气环流形式，与第一模态不同的是中低纬度整层大气是斜压结构。300 hPa 位势高度场与 850 hPa 呈现出反向分布特征。分析前人研究发现，SCSAR 春季海温呈现第二模态分布时，菲律宾海、海洋性大陆地区和中国南海地区出现异常反气旋（气旋）环流，导致降水偏少（多）10。冬季，大气波动能量从孟加拉湾北部向赤道输送，到南海地区时发生转向，从菲律宾海附近转向极地传播。赤道中东太平洋出现波动能量 3 支走向，一支向赤道，一支沿纬圈向东传，另一支向极地传播。由于SCSAR春季海温第二模态海温受ENSO信号影响显著，海温变化导致南海及周边降水异常10，降水带来潜热释放，使得大气出现热力异常，并激发大气Rossby 响应，将赤道低纬度能量向中高纬度传播。垂直波通量图显示，孟加拉湾及南海地区为波动能量上升区，赤道中太平洋波动的上升运动亦十分显著，海温异常区即波动能量的源区。相对于中东太平洋波动能量很强的波动源区，南海及周边也有较明显的波动源。3结论本文研究了南海及周边地区春季海温异常对北半球大气环流及亚澳季风区气候的可能影响，主要结论如下。当 SCSAR 春季海温呈现全区一致增暖分布时，冬季 500 hPa 位势高度呈正负相间波列分布。南海及周边地区位势高度正异常，鄂霍次克海地区为负异常，北美洲北部为正异常，北美洲南部为负异常。冬季波动能量最强，南海地区是波动能量的源区。垂直方向上波动能量从低空向高空传播。水平方向上，南亚地区波动能量沿纬圈向东传播，并在中国华南一带从低空向高空涌出东传到日本海附近，之后分支，有微弱向极地输送的波动能量。当 SCSAR 春季海温呈现南北反向分布时，冬季秋季夏季春季冬季科技与创新Science and Technology&Innovation1582023 年 第 13 期500 hPa 位势高度场与 300 hPa 反向分布，南海及周边为位势高度正异常，日本上空为负异常。SCSAR 海温异常导致该区域降水异常，并激发大气 Rossby 响应，将赤道低纬度能量向中高纬度传播。波动能量从乌拉尔山脉附近向低纬传播，并在孟加拉湾汇聚，随后从南海地区重新激发波动向极地传播。大气垂直环流很好地揭示了降水异常。第一模态在20N30N大气出现显著的异常上升运动，在10N下沉，使得 SCSAR 区域南部降水偏少，而 SCSAR 北部大气上升运动区降水偏多，SCSAR 区域出现“北涝南旱”降水分布型。而第二模态大气垂直方向上在30N下沉，下沉气流在低空向南运动，并在低纬地区与异常上升支汇合，形成闭合环流圈，SCSAR 区域降水呈现“北旱南涝”分布型。由于合成分析得到的结论不足以解释南海海温的变化激发大气波动从而影响全球大气，且波通量的计算局限于 20N 以北，南海及周边地区波动能量的传播是因为波动在某一纬度发生转向，波动能量在孟加拉湾附近被吸收，在南海附近重新激发，具体情况还需结合模式实验进一步探究。参考文献：1王卫强，王东晓，齐义泉，等.南海表层水温年际变化的大尺度特征J.海洋学报，2000，22（4）：8-16.2陈海英，方国洪，乔方利，等.南海海面温度与 Nino/DMI指数年际变异的相关性分析J.海洋科学进展，2007，25（1）：20-27.3王东晓，谢强，杜岩，等.19971998 年南海暖事件J.科学通报，2002，47（9）：711-716.4LIU Q，JIANG X，XIE S P，et al.Agap in the indo-pacificwarmpooloverthesouthChinaseainborealwinter:seasonaldevelopmentandinterannualvariabilityJ.Journal of geophysical research：oceans，2004，109：7-11.5邢延松，程国胜，舒业强，等.El Nino 事件期间南海环流的异常特征J.海洋与湖沼，2012（2）：201-209.6伍红雨，杨崧.华南冬季气温异常与大气环流和海温的关系J.热带气象学报，2014，30（6）：1061-1068.7陈烈庭.东太平洋赤道地区海水温度异常对热带大气环流及我国汛期降水的影响J.大气科学，1977（1）：1-12.8ZHANG R，SUMIA，KIMOTO M.Impact of El nino on theeast asian monsoon:a diagnostic study of the 86/87 and91/92 eventsJ.Journal of the meteorological society ofJapan，1996，74（1）：49-62.9WANGB，WUR，FUX.Pacific-eastAsianteleconnection:howdoes ENSO affect east Asian climate?J.Journal of climat，2000，13（9）：1517-1536.10GAO WJ，YANG S，HU X，et al.Characteristics andformation mechanisms of spring SST anomalies in the southChina sea and its adjacent regionsJ.Atmosphere，2019，10（11）：649.