熱帶西太平洋及中國南海季節(jié)內(nèi)時間尺度上海氣相互作用研究

許園春，男，(1980-)，黑龍江人，中級工程師，項士，研究方向：海氣相互作用；Email:xuyuanchun200@；海南陵水92497部隊82分隊，572425家自然科學(xué)基金（40405010）資助熱帶西太平洋及中國南海季節(jié)內(nèi)時間尺度上海氣相互作用研究許園春譚言科焦云濤

(解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院)（海軍飛行學(xué)院）

摘要：利用TRMM日平均海表面溫度及NCEP再分析資料，通過濾波及合成位相分析等方法對熱帶西太平洋及中國南海地區(qū)在季節(jié)內(nèi)時間尺度上的海氣要素場相互作用的位相關(guān)系及其物理機制作了進一步分析和探討。分析結(jié)果表明：海洋大氣有著明顯相互作用和位相先后次序關(guān)系。關(guān)鍵詞：海表面溫度季節(jié)內(nèi)振蕩海氣相互作用

大氣季節(jié)內(nèi)振蕩直接與長期天氣變化和短期氣候異常有著密切關(guān)系[1-3]，近年來一直受到廣大氣象學(xué)家重視，成為大氣科學(xué)研究尤其是氣候變化研究的重要前沿課題之一。一些研究表明，大氣季節(jié)內(nèi)振蕩與海表面溫度季節(jié)內(nèi)振蕩有密切的關(guān)系。TOGA(TropicalOcean-GlobalAtmosphere）COARE(CoupledOcean-AtmosphereResponseExperiment)最重要的發(fā)現(xiàn)之一是海洋上層存在與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩相聯(lián)系的海表面溫度季節(jié)內(nèi)強迫作用[4]。HendonandGlick,1997[5]指出：海表面強迫項在結(jié)構(gòu)和向東傳播上與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩有高度的一致性。HendonandJ.Click,1997[6]指出：大氣季節(jié)內(nèi)振蕩強烈影響赤道印度洋和西太平洋暖池海域的海洋上層的熱平衡，這一點通過海表面溫度的季節(jié)內(nèi)變化已得到證實。Hendon,H,HandJ.Click,1997[6];Shmoda,T.,H.H.Hendon,J.Ghck,1998[7];Sun（1993）[8]等人指出：在西太平洋暖池區(qū)有明顯的海表面熱通量和SST的季節(jié)內(nèi)振蕩，它們之間可能有著緊密的聯(lián)系。Flatauetal.,1997[9];Waliseretal.,1999[10]指出：如果考慮SST對海表面熱通量的響應(yīng)，模擬出的MJO的強度、周期和傳播會更加合理。LiuQinyu和SunJilin[11]用TOGO-COARE觀測資料研究指出，在暖池區(qū)，海水混合層表層海流受MJO影響很大，混合層水溫季節(jié)內(nèi)振蕩與西風爆發(fā)，輻射距平及洋流有很大關(guān)系。EricD.Maloney[12]等指出：在ITCZ區(qū)域，海表面潛熱通量的變化對與MJO有關(guān)的SST季節(jié)內(nèi)振蕩起重要作用。T.N.Krishnamurti[13]等指出：海表面潛熱通量的季節(jié)內(nèi)變化決定于海表面風速和SST的季節(jié)內(nèi)振蕩。SteveWoolnough[14]等認為：在季節(jié)內(nèi)時間尺度上，OLR與SST、緯向風應(yīng)力、潛熱通量、太陽短波輻射都有著內(nèi)在聯(lián)系，且在西太平洋地區(qū)最為明顯。曾廣恩和練樹民等[15]對東海、黃海海表面溫度的季節(jié)內(nèi)變化進行了EOF分析，發(fā)現(xiàn)東、黃海SST季節(jié)內(nèi)變化與大氣中的季節(jié)內(nèi)振蕩緊密相關(guān)。綜上可見，在熱帶西太平洋海表面溫度季節(jié)內(nèi)振蕩（以下簡稱為：SSTISO）與大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（以下簡稱為：MJO）有著密切的聯(lián)系，Maloney選取MJO和SSTISO都較活躍的墨西哥西南海域（0~30oN,140oW~90oW）進行研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在明顯的季節(jié)內(nèi)時間尺度海氣相互作用。熱帶西太平洋及中國南海也是SSTISO[1]和MJO[19]的活躍區(qū)，但二者在該區(qū)域相互作用的物理過程（各要素場位相關(guān)系）和物理機制還不清楚，本文試圖對該問題做進一步研究。1資料說明及處理 本文使用了如下資料：美國NCEP日平均表層凈太陽短波輻射NSWR（netshortwaveradiation）資料，高斯網(wǎng)格點資料，NSWR為負數(shù)。美國NCEP日平均表層潛熱通量LH（latentheat）資料，高斯網(wǎng)格點資料。美國NCEP日平均10米高度風場資料，高斯網(wǎng)格點資料。美國NCEP日平均外逸長波OLR（outgoinglongwaveradiation）輻射資料，2.5度×2.5度經(jīng)緯度網(wǎng)格點資料。TRMM日平均海表面溫度SST（seasurfacetemperature）資料，0.25度×0.5625度經(jīng)緯度網(wǎng)格點資料。對資料進行諧波分解，利用30到90天周期范圍內(nèi)的簡諧波重構(gòu)得到以上各要素的季節(jié)內(nèi)振蕩信號，具體方法參考文獻[1]。2太平洋MJO和SSTISO的時空特征熱帶西太平洋和中國南海SSTISO活躍期為5到9月如圖1所示，其主要活躍區(qū)域在150oE以西，最強的SSTISO事件發(fā)生在6-8月，這一點與現(xiàn)有研究[16-20指出的熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩的季節(jié)性特征相似。圖15-30oNSSTISO絕對值季節(jié)變化（單位:℃）通過計算風速、LH、NSWR、OLR、SST這幾個要素季節(jié)內(nèi)振蕩的標準差分布，可以發(fā)現(xiàn)它們在熱帶西太平洋及中國南海區(qū)域(105o～140oE,5o～30oN)均較為活躍，如圖2，這一點與[21]中指出的：“大氣季節(jié)內(nèi)振蕩在熱帶西太平洋較為活躍”相吻合。圖4.2各要素場位相合成結(jié)果第1、3、5、7位相aLH（單位：W/m2,等值線間隔5W/m2）bNSWR（單位：W/m2,等值線間隔5W/m2）cSST（單位：℃,等值線間隔0.1℃,絕對值大于0.1℃dOLR（單位：W/m2,等值線間隔5W/m2）(3)區(qū)域平均位相關(guān)系分析為了更清楚的說明上述各要素場相互作用過程的位相先后關(guān)系，選取西太平洋（125～140oE，6～20oN）區(qū)域，取各要素合成結(jié)果的區(qū)域平均，并對其進行標準化處理得到圖4，由圖可見，LH和NSWR在位相上幾乎是同步的，但與OLR位相相反。SST極大（?。┲禍驦H、NSWR極?。ù螅┲导s12天（2個位相），OLR極小（大）值滯后SST極大值約12天（2個位相）。圖4西太平洋大氣季節(jié)內(nèi)振蕩和SSTISO合成結(jié)果的區(qū)域平均時間序列（實線為LH，十字線為NSWR，三角線為SST，圈線為OLR，橫坐標為天數(shù)，縱坐標為標準差值）12天12天本文得出的熱帶西太平洋及中國南海LH、NSWR、OLR與SST的位相關(guān)系可用下面示意圖表述：12天12天LH、NSWR極?。ù螅┲礢ST極大（?。㎡LR極?。ù螅㎜H、NSWR極小（大）值SST極大（?。㎡LR極?。ù螅﹫D5海氣要素場位相關(guān)系示意圖這與Maloney以南北緯5度平均緯向風場的EOF第一，第二時間序列做為合成指數(shù)，研究東太平洋SSTISO與MJO關(guān)系所得到的位相關(guān)系相吻合[22]，其它海域是否也有類似的現(xiàn)象還有待于在下一步工作中研究?？梢娫诩竟?jié)內(nèi)時間尺度上，海洋大氣是通過上述變量場之間的連鎖反應(yīng)相互作用的。4太平洋ISO相互作用的機理分析及討論上述位相關(guān)系反應(yīng)一系列海洋大氣物理作用過程。NSWR與OLR的反位相關(guān)系反應(yīng)了云量的多少對太陽短波輻射的遮擋作用，當OLR處于極小（大）值時，云量最多（少），對陽光的遮擋作用最明顯（不明顯），所以海表面凈太陽短波輻射NSWR最多（少）。HendonandJ.Click,1997[6]指出潛熱通量和太陽短波輻射是造成海表面溫度變化的最主要因素，SST的變化方程[23]：是SST在時間的變化，是向下太陽輻射（單位：）,是表面風速（單位：）。可見，海溫的變化主要決定于兩個要素，（既NSWR）和。越大，越大，越大，越小。是影響蒸發(fā)LH的主要因子，計算蒸發(fā)率的公式為：這里是蒸發(fā)率，是在空氣溫度為處的飽和水汽壓和水汽曲線對溫度曲線的斜率，是輻射收支，是測濕常數(shù)，是2m高處的風速，是溫度為T時的飽合水汽壓，是平均水汽壓。可見，海表面風速越大，蒸發(fā)率越高，蒸發(fā)從海表水中吸熱越多，造成SST下降。這也是本文選取風速做為合成指數(shù)的原因，在合成結(jié)果中，風速極大（?。┲党霈F(xiàn)時LH達到極大（?。┲担▓D略）。所以，較多（少）的蒸發(fā)量從海表面吸收較多（少）的熱能，與此同時較少（多）的凈太陽短波輻射使海表面加熱量減少（增加），在兩方面共同作用下SST不斷下降（升高），在LH、NSWR達到極大（小）值之后2個位相（約12天）二者處于由正到負（由負到正）的位相交替階段，這時SST達到極小（大）值。在熱帶地區(qū)，OLR可以反應(yīng)對流活動的劇烈程度，OLR越小對流活動越強。對流活動受下墊面加熱影響，所以在SST達到極大值（極小值）后2個位相（約12天），SST處于由正到負（由負到正）位相交替階段，加熱（冷卻）作用停止，此時氣流上升（下沉）運動達到最強階段，OLR達到極小（大）值。5小結(jié) 本文研究了熱帶西太平洋和中國南海海表面溫度季節(jié)內(nèi)振蕩和大氣季節(jié)內(nèi)振蕩相互作用過程，揭示海氣要素場位相上的先后關(guān)系并討論了其內(nèi)在的物理機制，得到如下結(jié)論：1、SSTISO與MJO活動在季節(jié)性和空間分布上十分相似。2、SSTISO與MJO起著相互調(diào)制的作用，這種作用在濾波后各要素場位相上表現(xiàn)為：潛熱通量和凈太陽短波輻射在位相上幾乎是同步的，但與外逸長波射位相相反。海表面溫度極大（?。┲禍鬂摕嵬俊籼柖滩ㄝ椛錁O?。ù螅┲?個位相，外逸長波射極?。ù螅┲禍蠛１砻鏈囟葮O大值約2個位相。參考文獻：許園春譚言科李崇銀.太平洋海表面溫度季節(jié)內(nèi)振蕩特征[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報，2008,9（2）：194-201HendonHH,etal.MediumrangeforecastserrorsassociatedwithactiveepisodesoftheMadden-JulianOscillation[J]Mon.Wea.Rev.,2000,128:69-85.JonesC,etal.PredicationskilloftheMadden-JulianOscillationindynamicalextendedrangeforecasts,[J]ClimateDyn.,2000,16:273-289.ZhangChidong.Intraseasonalatmosphericsurfaceforcing,oceanresponses,andSSTfeedbackintheequatorialwesternPacific[C]In.ProceedingofAconferenceontheTOGACOAR.WCRP-107(WMO/TD-No940),1999:175-176.Hendon,H,HandJ.Click.Intraseasonalair-seainteractioninthetropicalIndianandPacificOcean[J]Climate,1997,10:647-661.Shmoda,T.,H.H.Hendon,J.Glick.IntraseasonalvariabilityofsurfacefluxesandseasurfacetemperatureinthetropicalwesternPacificandIndianOceans[J]Climate,1998,11:1685-1702.Sun,Jilin,WuDexingandXuTianzhen.Analysisofintraseasonalvariationsof5STandair-seafluxesduringTOGA-COAREIOP[J]OceanUniversityofQingdao,23(Specialissue),Flatau,M.,P.J.Flatau,PPhoebus,andP.P.Nrller.Thefeedbackbetweenequatorialconvectionandlocalradiativeandevaporativeprocesses:Theimplicationsforintraseasonaloscillations[J]Atmos.Scr,1997,54:2372-2386.Waliser,D.E.,K.MLau,andJ.H.Kim.TheinfluenceofcoupledseasurfacetemperaturesontheMadden-Julianoscillation:Amodelperturbationexperiment[J]Atmos.Sci.,1999,56:333-358.LiWei(李薇),YuRucong(宇如聰),LiuHailong(劉海龍)andYuYongqiang(俞永強).ImpactsofDiurnalCycleofSSTontheIntraseasonalVariationofSurfaceHeatFluxovertheWesternPacificWarmPool[J]AdvancesinAtmosphericSciences,2001,18(5):793-806.LiuQinyu,andSunJilin.Themechanismofmixedlayerintraseasonalvariationsinthe“warmpool”area[C]theinternationalScientificConferenceontheTropicalOceanGlobalAtmosphereTOGAProgramme,WCPR-91-WMO/TD,1995,717:761-765.EricD.Maloney,AnAnalysisofJune-NovemberEasternPacificIntraseasonalSSTVariabilityusingtheTRMMMicrowaveImager[J]JournalofClimate,2002:1-16.T.N.Krishnamurti,K.K.OosterhofandA.V.Mehta,Air-SeaInteractionontheTimeScaleof30to50days[J]JOURNALOFTHEATMOSPHERICSCIENCES,1986,45(8):1304-1322.SteveWoolnough,JuliaSlingo,PeteInness,DanBernie,BrianHoskins,Air-seainteractionintheintraseasonaloscillation[C]Reading,2000:1-20.曾廣恩,練樹民,程旭華,華祖林,齊義泉,東、黃海海表面溫度季節(jié)內(nèi)變化特征的EOF分析[J]海洋科學(xué)進展,2006,24(2):146-155.Wang,B.,andX.Xie,Amodelfortheborealsummerintraseasonaloscillation[J]Atmos.Sci.,1997,54:72-86.Ferranti,L.,J.M.Slingo,T.N.Palmer,andB.J.Hoskins,RelationsbetweeninterannualandintraseasonalmonsoonvariabilityasdiagnosedfromAMIPintegrations[C]QuarterlyJournaloftheRoyalMeteorologicalSociety,1997,123(541):1323-1357.Annamalai,H.,J.M.Slingo,K.R.Sperber,andK.Hodges,ThemeanevolutionandvariabilityoftheAsiansummermonsoon:ComparisonofECMWFandNCEP-NCARreanalyses[J]MonthlyWeatherReview,1999,127(6):1157-118