热带西太平洋暖池年际尺度上的局地海气相互作用

http://www.paper.edu.cn - 1 - 中国科技在线 热带西太平洋暖池年际尺度上的局地海气 相互作用# 郑建秋，任保华，李根，杨成昀** 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20093402110004） 作者简介：郑建秋，（1980-），男，讲师，海气相互作用 通信联系人：任保华，（1962-），男，教授，东亚季风和低频振荡. E-mail: ren@ustc.edu.cn （中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥 230026） 摘要：本文采用美国伍兹霍尔海洋研究所客观分析海气通量项目最新发布的海气热通量和相 关气象场以及 NOAA 提供的向外长波辐射和面风场等数据，研究了暖池区域（1º~6ºN，144 º~154ºE）年际尺度上局地海气相互作用的过程并探讨可能对其产生影响的外强迫。结果表 明，暖池区域海洋对大气的强迫在 3月份最为显著，大气对海洋的反馈在 6月份最为显著。 海洋强迫大气占主导时，海温趋势（dSST/dt）的年际变化小于海温；而大气反馈海洋占主 导时，海温趋势的年际变化则大于海温。ENSO 会减弱暖池区域 3 月份海洋对大气的强迫， 而 6 月份大气对海洋的反馈受 ENSO 影响不大；去除 IOD 影响后海气关系基本维持不变。3 月份 ENSO 通过增强暖池上空的对流，减少短波入射，从而使海温呈降低趋势，减弱海洋对 大气的强迫。 关键词：海气相互作用；暖池；海温；向外长波辐射 中图分类号：P46 Local Air-Sea Interaction over the Tropical Western Pacific Warm Pool on the Interannual Timescale Zheng Jianqiu, Ren Baohua, Li Gen, Yang Chengyun (School of Earth and Space Science, University of Science and Technology of China, HeFei 230026) Abstract: Based on the air-sea interface heat fluxes and related meteorological variables datasets recently released by Objectively Analyzed Air-sea Fluxes (OAFlux) Project of Woods Hole Oceanographic Institution, as well as the outgoing longwave radiation and surface wind datasets from National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), the processes of local air-sea interaction over the tropical western pacific warm pool that refers to the region (1º~6ºN, 144º~154ºE) on the interannual timescale are revealed and the remote forcing which probably impact on the air-sea interaction are examined. The results indicate the dominance of oceanic forcing in March and that of atmospheric forcing in June. While the interannual variability of sea surface temperature anomaly (SSTA) is larger than that of anomalous SST tendency in the case that oceanic forcing is dominant, the opposite is true when atmospheric forcing is dominant. The magnitude of the oceanic forcing of atmosphere tends to decrease in March for the occurrence of ENSO, however ENSO has little influence on the atmospheric feedback to ocean in June. The local air-sea interaction is substantially the same before and after removing the effect of Indian Oceanic Dipole (IOD). The reduction of shortwave radiation fluxes into the western pacific warm pool, due to the enhanced convection overlying the western pacific warm pool in March associated with ENSO, leads to the declination of SST tendency that will weaken the oceanic forcing of atmosphere. Keywords:air-sea interaction; warm pool; sea surface temperature; outgoing longwave radiation 0 引言 海气相互作用近年来倍受关注，许多与之相关的大型科学试验或计划先后实施，如国际 合作研究项目热带海洋与全球大气计划的海气耦合响应试验（TOGA COARE）、南海季风 试验（SCSMEX），以及我国的重点基础研究发展计划项目亚印太交汇区海气相互作用及其 对我国短期气候的影响[1]等。 http://www.paper.edu.cn - 2 - 中国科技论文在线 实况海温强迫的大气环流模式（AGCM）能否真实模拟大气变化？这与所在区域局地海 气相互作用的特征密切相关。如果局地海气相互作用主要表现为海洋对大气的强迫，则该区 域的大气变化可以较好地被实况海温强迫的 AGCM 描述。反之，如果局地海气相互作用主 要表现为大气对海洋的强迫则实况海温强迫的 AGCM 计算出的大气变化与实测值有较大偏 差[2]。如热带中东太平洋上海气之间表现为海洋对大气的强迫，实况海温强迫的 AGCM 能 较好地模拟出当地的海气相互作用状况[3]；而西北太平洋和热带季风区域则有显著的大气对 海洋的强迫，给定下垫面海温强迫的 AGCM 由于忽略了大气对海洋的反馈作用不能准确模 拟亚太地区的夏季风降水[4]，且模拟出的夏季西北太平洋大气变化偏强[5]；热带外中纬度地 区以大气强迫海洋为主[6]，AGCM 模拟出来的热通量与观测到的热通量很不一致[7]。因此， 关键海区局地海气相互作用现象的揭示及其机理的研究有利于改进数值模式，从而提高气候 预测能力。 最近，Wu 等[8]提出夏季西北太平洋海洋与大气的相互作用与 ENSO 的发展和消亡有关， 整体上海温与降水呈负相关主要归因于 ENSO 消亡阶段海温与降水的显著负相关。值得注 意的是 Wu 等[8]给出的图 1 中清楚显示了在 150º E 附近的热带西太平洋暖池区域，海温与降 水有很显著的负相关，但其在 ENSO 发展和消亡阶段不像西北太平洋呈现相反的相关性， 这意味着该区域的海气相互作用具有其独特性。此外，热带西太平洋暖池与我国的气候变化 息息相关[9]，可以通过大气桥和海洋桥影响我国气候。所以，本文尝试分析暖池区域年际尺 度上局地海气相互作用的过程和探讨可能对其产生影响的外强迫，通过加深对暖池区域海气 相互作用的认识从而改进亚洲季风数值模拟，改善我国的短期气候预测水平。 1 资料 本文所采用的资料为（1）美国伍兹霍尔海洋研究所客观分析海气通量项目（OAFlux） [10]提供的月平均数据（http://oaflux.whoi.edu/data.html），包括潜热通量、净短波辐射通量、 海表温度（SST）、2m 高度比湿和 10m 高度水平风速。其中潜热通量为正表示海洋失去热 量，净短波辐射通量为正表示海洋获得热量。由 SST 根据马格努斯（Magnus）经验公式计 算出饱和水汽压，代入比湿公式求得纯水表面的饱和比湿，考虑到海水盐度引起的水汽压下 降，将纯水表面饱和比湿乘以因子 0.98 以获得海水表面的饱和比湿[11]；（2）美国国家和海 洋大气管理局（NOAA）提供的逐月向外长波辐射（OLR）资料及 NCEP/NCAR 再分析资料 中的表面风场资料（ftp://ftp.cdc.noaa.gov）；（3）NOAA 气候预测中心（CPC）提供的南 方涛动指数 SOI（http://www.cpc.noaa.gov/data/indices/soi）。其中资料（1）和（2）的水平 分辨率分别为 1º×1º 和 2.5º×2.5º，为便于分析，将资料（1）线性插值成水平分辨率为 2.5º×2.5º 的格点数据。 2 暖池海温与其上空对流关系的季节变化 在热带地区，OLR 可以很好地表征对流[13]，通过研究局地 SST 与 OLR 的关系，我们 可以了解海温对其上空对流的影响，或者上空对流对海温的反馈。热带海温与其上空对流的 关系通常表现为暖海水有利于其上空强对流的形成；但有时暖海水上空反而出现弱对流，这 可能是受大尺度环流的影响[12]，也可能是由大气对海洋的反馈造成的。此外，Lu[14]通过暖 池对流弱年和对流强年的海温差别还指出暖池上空的对流与局地海温异常只有微弱的联系， 而与其西部的海温密切相关。Lu 给出的是年平均的情况，不同季节的海气关系可能因为相 互抵消而未能得到揭示，因此细致研究不同季节暖池海温与其上空对流的关系是非常必要 http://www.paper.edu.cn - 3 - 中国科技论文在线 的。图 1 给出了 1979~2006 年热带太平洋春（3~5 月）、夏（6~8 月）、秋（9~11 月）、冬 （12~次年 2 月）四季 SST 与 OLR 的相关关系。 图 1 1979~2006 年热带太平洋 SST 与 OLR 相关性的空间分布：(a) 春季; (b) 夏季; (c) 秋季; (d) 冬季。 阴影部分表示相关系数超过 95%的信度检验，方框包围区域(1º~6ºN, 144º~154ºE）为本文所指的暖池区域。 由图 1 可见，在热带太平洋中东部，SST 与 OLR 除南美沿岸有小区域呈正相关外，整 体表现出负相关关系，即海温越高，其上空的对流越强，反映了海洋对大气的强迫作用。而 在热带西太平洋，SST 与 OLR 的关系有明显的季节差异，春季热带西太平洋与热带中东太 平洋基本一致，呈显著负相关，秋季热带西太平洋 SST 与 OLR 相关性较中东太平洋小，冬 季 SST 与 OLR 的关系与春季相似，但相关性较弱。而夏季 SST 与 OLR 的关系与春、秋、 冬三季不同，在热带西太平洋呈现出正相关。值得注意的是位于（1º~6ºN，144º~154ºE）的 暖池区域（图 1 中方框包围的区域），其 SST 与 OLR 的关系表现出明显的季节变化，在冬、 春季呈现负相关，而在夏、秋季则出现正相关，尤其在夏季，SST 与 OLR 的正相关关系非 常显著，因此本文将重点讨论暖池区域（1º~6ºN，144º~154ºE）的局地海气相互作用。 3 暖池区域的局地海气相互作用过程 海温升高，通过海表面水汽蒸发和水汽辐合，对流得到加强。这个变化过程在较短时间 内完成，通常为 1-2 周时间[2]，因此可以采用 SST 与 OLR 的同期负相关来描述海洋对大气 的影响。同时，大气通过改变云量和流场可以影响海气界面的辐射、蒸发以及海水的混合、 上翻等，从而影响海水的状态。由于海水具有较大的热容量和热惯性，大气对海洋的反馈要 经过 1-2 月才能在海洋变化上体现出来[15]，因此滞后相关常被用于研究大气对海洋的反馈 [16]。考虑到海气相互作用具有季节依赖性，滞后相关描述大气对海洋的反馈仍然存在一些 http://www.paper.edu.cn - 4 - 中国科技论文在线 问题。大气对海洋的影响不能迅速在海温上体现出来，但在海温变化趋势中能捕捉到大气对 海洋的反馈，所以用 OLR 与 SST 趋势（dSST/dt）的同期正相关来表征大气对海洋的反馈[17] 更为合适。下文中的 SST 趋势采用中央差分计算得到，即当月的 SST 趋势由次月与前月的 海温差表征。 图 2 给出了 1979~2006 年逐月 OLR 与 SST、OLR 与 SST 趋势的同期相关系数，其中实 线为 OLR 与 SST 的相关系数，虚线为 OLR 与 SST 趋势的相关系数，点虚线表示相关性达 到 99.9%的信度检验。由图 2 可见，海洋对大气的影响有明显的季节变化，大气对海洋的反 馈呈现双峰结构。在 3 月份海洋对大气的强迫非常显著，大气对海洋的反馈不明显；而在 6 月份大气对海洋的反馈最为显著，海洋对大气的强迫不明显。6 月份大气对海洋的强反馈会 改变 OLR 与 SST 的关系，但由于反馈要延迟 1-2 月才能在海水状态上体现[15]，因此 OLR 与 SST 的相关性在 7 月份达到次大值，8 月份达到最大值。 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 相 关 系 数 月份 OLRvsSST OLRvsSSTten 图 2 1979~2006 年 OLR 与 SST（实线）、OLR 与 SST 趋势（虚线）的同期相关系数 点虚线表示达到 99.9%的信度检验 海洋强迫大气为主和大气反馈海洋为主两种情况下，热带西太平洋暖池的局地海气相互 作用过程有何不同？为回答这个问题，我们选取海气相互作用最显著的 3 月份和 6 月份，参 考 Wu 等[17]的方法进行研究，即分析 3 月份海洋和大气变量，包括海温、海温趋势、海表面 风场、海表风速、海气比湿差、潜热通量、OLR 和净短波辐射通量对热带西太平洋暖池海 温的回归（图 3），以及 6 月份相应海洋和大气变量关于热带西太平洋暖池海温趋势（dSST/dt） 的回归（图 4）。除净短波辐射通量外其余变量是对 1979~2006 年进行的回归，净短波辐射 通量受数据时间范围限制分析的是 1984~2004 年的回归。海气界面净热通量常用于衡量海气 之间的热交换，是湍流热通量（潜热通量和感热通量）和辐射热通量（净短波辐射通量和净 长波辐射通量）综合的结果。已有的研究表明在热带海区海气界面净热通量主要取决于潜热 通量和净短波辐射通量[18]，所以此处未考虑感热通量和净长波辐射通量的影响。 http://www.paper.edu.cn - 5 - 中国科技论文在线 图 3 3 月份海洋和大气变量对热带西太平洋暖池海温的回归， (a) 海温 (ºC); (b) 海温趋势 (ºC/month); (c) 海表面风场 (m/s); (d) 海表风速 (m/s); (e) 海气比湿差 (g/kg); (f) 潜热通量(W/m2); (g) OLR (W/m2); (h) 净短波辐射通量 (W/m2) 在 3 月份，伴随着暖池区域的海温升高（图 3a），对流增强（图 3g），这使得暖池上 空的云量增加，净短波入射减少（图 3h）。海表面大气表现为 Gill 型环流响应[19]，气旋式 环流出现在强对流中心的西北侧，暖池区域风场距平为西南风（图 3c），而 3 月份暖池的 平均风场为东北风，所以风速减弱（图 3d），不利于蒸发。但海气比湿差增加（图 3e）， 有利于蒸发。风速与海气比湿差对潜热通量的贡献不仅与风速和海气比湿差的距平有关，还 与风速和海气比湿差的平均值有关[20]，此时海气比湿差的变化对潜热通量的贡献超过了风 速，使得潜热通量增加（图 3f）。海洋获得的净短波辐射通量减少，而失去的潜热通量增 加，所以海洋总体上失去热量，这使海表温度呈降低趋势（图 3b），表现为大气对海洋的 负反馈。因为风速减弱，不利于海水混合和上翻，所以上述负反馈不显著，主要表现依然为 海洋对大气的强迫。 http://www.paper.edu.cn - 6 - 中国科技论文在线 图 4 6 月份海洋和大气变量对热带西太平洋暖池海温趋势（dSST/dt）的回归， (a) 海温 (ºC); (b) 海温趋势 (ºC/month); (c) 海表面风场 (m/s); (d) 海表风速 (m/s); (e) 海气比湿差 (g/kg); (f) 潜热通量(W/m2); (g) OLR (W/m2); (h) 净短波辐射通量 (W/m2) 6 月份暖池海温距平西正东负，平均值接近为 0（图 4a），所以海温对大气的影响并不 显著。暖池区域的对流减弱（图 4g），受 Gill 型环流响应影响，暖池风场距平主要呈现东 风距平（图 4c），风速除暖池东北部外都出现减弱（图 4d），而海气比湿差增加（图 4e）， 二者的共同影响使得暖池西北部潜热通量增加，东南部潜热通量减少（图 4f）。由于对流 减弱，净短波辐射大大增加（图 4h），其数值比潜热通量大一个量级，所以净热通量取决 于净短波辐射通量，此时海气界面净热通量为正，海温有升高的趋势（图 4b）。 比较图 3 和图 4 可知，海洋强迫大气占主导时，海温趋势的年际变化小于海温；而大气 反馈海洋占主导时，海温趋势的年际变化则大于海温。不管海洋作用于大气为主还是大气作 用于海洋为主，风速与比湿差对潜热通量的贡献基本相反，净短波辐射通量都大于潜热通量， 净热通量的正负决定于净短波辐射通量。 4 外强迫对暖池局地海气相互作用的影响 通过大气桥或海洋桥，暖池年际尺度上的局地海气相互作用可能受到外强迫的影响。 ENSO 是目前观测到的热带地区最强的年际变化信号，其对区域乃至全球气候异常都有重大 影响；印度洋偶极子（IOD）近年来得到广泛关注，也会对全球气候变化产生影响[21]。ENSO 发生在暖池以东，IOD 发生在暖池以西，二者很可能影响到暖池的局地海气相互作用。为此， 下面将尝试讨论 ENSO 和 IOD 对暖池局地海气相互作用的影响。 首先采用 An[22]的方法去除 ENSO 和 IOD 的影响，即对需要分析的大气或海洋变量运用 http://www.paper.edu.cn - 7 - 中国科技论文在线 公式 * *cov( , ) / var( )Z Z Zξ ξ ξ= − × 进行预处理，其中 *ξ 表示处理前的 OLR、SST 或 SST 趋势，Z 为表征 ENSO 或 IOD 的指数，此处分别采用南方涛动指数（SOI）或印度洋偶极 子指数（DMI）[23]， *cov( , )Zξ 表示 *ξ 和Z 的协方差， var( )Z 为 Z 的方差。然后分析消 除 ENSO 或 IOD 信号前后的 OLR 与 SST 或 OLR 与 SST 趋势的相关性，如表 1 所示，其中 黑体部分表示相关系数超过 99%的信度检验。 表 1 消除 ENSO 或 IOD 信号前后的 OLR 与 SST、OLR 与 SST 趋势的相关性 黑体部分表示相关系数超过 99%的信度检验 相关系数(OLR,SST) 相关系数(OLR,SSTten) raw data remove SOI remove DMI raw data remove SOI remove DMI 1 月 -0.51 -0.02 -0.49 -0.51 -0.38 -0.52 2 月 -0.52 -0.20 -0.52 -0.06 -0.13 -0.07 3 月 -0.70 -0.37 -0.69 0.13 0.02 0.11 4 月 -0.48 -0.39 -0.49 0.37 0.28 0.35 5 月 -0.41 -0.52 -0.42 0.45 0.41 0.46 6 月 0.05 -0.13 0.09 0.80 0.85 0.78 7 月 0.54 0.42 0.47 0.53 0.58 0.53 8 月 0.57 0.56 0.55 -0.31 -0.22 -0.34 9 月 0.38 0.54 0.36 0.04 -0.09 0.05 10 月 0.09 0.08 0.06 0.33 0.17 0.40 11 月 0.03 0.00 0.07 0.43 0.42 0.46 12 月 -0.31 -0.10 -0.28 -0.13 0.05 -0.13 由表 1 可见，去除 ENSO 影响后，海洋对大气的强迫发生了明显变化，而大气对海洋 的反馈变化并不明显。去除 IOD 影响后，海洋对大气的强迫和大气对海洋的反馈基本维持 不变。下面重点考虑 ENSO 对海洋强迫大气过程的影响，由于海洋对大气的影响最显著在 3 月份，所以我们通过分析 3 月份 ENSO 去除前后海洋和大气变量对暖池区域海温回归的差 值（图 5）研究 ENSO 产生的影响，。 由图 5 可见，受 ENSO 影响 3 月份暖池的距平风场为东南风（图 5c），而平均风场为 东北风，这使得纬向风场加强，经向风场减弱，风速在暖池区域除东北部加强外其余地区减 弱（图 5d）。由于 ENSO 对海气比湿差影响很小（图 5e），暖池区域的潜热通量分布主要 受风速支配，也呈现为东北部加强其余地区减弱（图 5f）。ENSO 增强了暖池区域的对流（图 5g），有利于暖池上空云量增加，从而减弱暖池区域入射的净短波辐射（图 5h），其变化 比潜热通量大一个量级，决定了净热通量的变化。此时暖池海区主要为失热，海温呈降低趋 势（图 5b），减弱了海洋对大气的强迫。 http://www.paper.edu.cn - 8 - 中国科技论文在线 图 5 3 月份 ENSO 去除前后海洋和大气变量对暖池区域海温回归的差值 (a) 海温 (ºC); (b) 海温趋势 (ºC/month); (c) 海表面风场 (m/s); (d) 海表风速 (m/s); (e) 海气比湿差 (g/kg); (f) 潜热通量(W/m2); (g) OLR (W/m2); (h) 净短波辐射通量 (W/m2) 5 结论与讨论 通过分析暖池区域（1º~6ºN，144º~154ºE）年际尺度上的局地海气相互作用过程以及探 讨可能对其产生影响的外强迫，我们得到以下主要结论： （1）暖池区域 SST 与 OLR 的关系存在明显的季节变化，尤其在夏季 SST 与 OLR 呈现 出显著的正相关。暖池区海洋对大气的强迫在 3 月份最为显著，大气对海洋的反馈在 6 月份 最为显著。由于大气对海洋的反馈要延迟 1-2 月才能在海水状态上体现，OLR 与 SST 的相 关性在 7 月份达到次大值，8 月份达到最大值。 （2）海洋强迫大气为主时，海温趋势（dSST/dt）的年际变化小于海温；而大气反馈海 洋为主时，海温趋势的年际变化则大于海温。不管海洋强迫大气为主还是大气反馈海洋为主， 风速与比湿差对潜热通量的贡献基本相反，净短波辐射通量都大于潜热通量，净热通量的正 负决定于净短波辐射通量。 （3）ENSO 会减弱暖池区域 3 月份海洋对大气的强迫，而 6 月份大气对海洋的反馈受 ENSO 影响不大；去除 IOD 影响后，海洋对大气的强迫和大气对海洋的反馈基本维持不变。 在 3 月份 ENSO 主要是通过增强暖池上空的对流，削弱太阳短波入射，从而使海温呈降低 趋势，减弱了海洋对大气的强迫。 6 月份暖池区域大气对海洋的强反馈受 ENSO 和 IOD 的影响不显著，说明其可能不是 外强迫影响的结果，而是大气自身内动力造成的。Lau 等[12]指出 SST 和 OLR 的关系与 SST 的值有关，当海温超过 29.5ºC 时，OLR 随 SST 的升高而增加，海温是影响 SST 和 OLR 关 http://www.paper.edu.cn - 9 - 中国科技论文在线 系的重要因子。Wu 等[7]提出根据 Clausius-Clapeyron 方程，在高海温区域，海温变化 1ºC 对 其上方水汽的影响要大于低海温区域，通过环流及热交换，大气扰动被迅速放大，从而导致 较大的表面风场和热通量距平，相应地大气对海洋的反馈增强。这种机制可以较为合理地解 释 6 月份暖池区域大气对海洋的强反馈。 6 致谢 本研究的湍流热通量及气象场数据由美国伍兹霍尔海洋研究所提供，在此表示感谢！ [参考文献] (References) [1] 吴国雄, 李建平, 周天军, 等. 影响我国短期气候异常的关键区:亚印太交汇区[J]. 地球科学进展, 2006, 21(11): 1109-1118 [2] Wu R, Kirtman BP, Pegion K. 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