春季Hadley 環(huán)流強度與我國東部地區(qū)夏季降水的聯(lián)系

肖艷林，秦育婧，張潤瓊

(1.貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553001;2.南京信息工程大學大氣科學學院，江蘇 南京 210044)

1 引言

眾所周知，Hadley 環(huán)流存在于熱帶地區(qū)的直接熱力環(huán)流圈。葉篤正［1］等、Lorenz［2］等定義Hadley環(huán)流(Hadley cell)為:熱帶地區(qū)子午面(經(jīng)圈平面)上達到行星尺度的直接熱力環(huán)流圈。Hadley 環(huán)流由3 個部分組成:兩個閉合環(huán)流圈和兩閉合環(huán)流圈之間的公共上升支［1，3］。

到目前為止，前人對Hadley 環(huán)流進行了很多研究。周波濤［3］等指出，北半球冬季(冬季)Halley 環(huán)流增強趨勢顯著，而北半球夏季(簡稱夏季)不明顯，并指出，在Hadley 環(huán)流的強度和位置都存在著明顯的季節(jié)變化。Chen et al［4］指出，20 世紀90年代以來，Halley 環(huán)流的年平均有明顯的增強趨勢。馮然［5］等人發(fā)現(xiàn)北半球夏季Halley 環(huán)流存在顯著的年代際轉(zhuǎn)型。Zhou［6］等人指出，春季Hadley 環(huán)流變化可以引起印度洋和南海SST 異常，并且發(fā)現(xiàn)該異常從春季一直持續(xù)到夏季，反過來引起東亞夏季環(huán)流異常，從而影響到我國長江流域夏季降水。另外，周波濤等［7］還針對春季Hadley 環(huán)流異常偏強情形下，對東亞夏季大氣環(huán)流和長江流域夏季降水進行了數(shù)值模擬，其結(jié)果表明當春季Hadley 環(huán)流異常偏強時，東亞夏季風減弱，夏季西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓加強，從而影響我國夏季長江流域降水。總之，Hadley 環(huán)流與我國氣候異常聯(lián)系密切。

因此，本文分析研究Hadley 環(huán)流季節(jié)和強度變化特征、我國東部地區(qū)夏季降水的分布特征以及春季Hadley 環(huán)流與我國東部地區(qū)夏季降水之間的關(guān)系。

2 資料和方法

2.1 資料

①1983—2012年ERA－INTERIM的月平均資料，包括1 000 hPa、975 hPa、950 hPa、925 hPa、900 hPa、875 hPa、850 hPa、825 hPa 等37 個氣壓層風場(v分量)，水平分辨率均為1.5° ×1.5°;②由國家氣候中心提供的我國160 個臺站(1983—2012，6—8月)月平均降水資料。

2.2 方法

2.2.1 質(zhì)量流函數(shù)法 從文獻［2］中可以知道，Hadley 環(huán)流的質(zhì)量流函數(shù)由下式之一定義:

式中，I是緯圈平均算符，a 為地球半徑。

使用王盤興［8］給出的疊加方案計算ψ 值，即所求質(zhì)量流函數(shù)。

2.2.2 相關(guān)系數(shù)法 選取4月份北半球環(huán)流圈最大質(zhì)量流函數(shù)作為Hadley 環(huán)流指數(shù)，與中國7月份(代表夏季)的降水場作相關(guān)關(guān)系場，從而得出春季Hadley 環(huán)流和我國東部地區(qū)(選取華南地區(qū)、長江流域地區(qū)、華北地區(qū))夏季降水間的相關(guān)關(guān)系。

采用文獻［9］中的方法，首先把資料進行標準化處理，即

rxy即為相關(guān)系數(shù)，其值在1 到－1 之間，當rxy為正時，則x 與y 正相關(guān);當rxy為負時，則x 與y 為負相關(guān)。|rxy|越大，x 與y 之間的相關(guān)關(guān)系越密切。

采用文獻［9］中的t 檢驗方法來判定兩氣候變量x 與y的線性相關(guān)是否顯著的檢驗，由給定樣本量n和相關(guān)系數(shù)rxy，統(tǒng)計量:

若統(tǒng)計量遵從自由度ν=n－2的t分布。給定顯著性水平α，查t分布表，若t ＞tα，則拒絕原假設，認為相關(guān)系數(shù)是顯著的。

3 Hadley 環(huán)流的特征

3.1 Hadley 環(huán)流的季節(jié)變化特征

圖1分別為1月、4月、7月、10月Hadley 環(huán)流的氣候態(tài)，代表四季的環(huán)流變化狀況。可以看出Hadley 環(huán)流在一直控制在30°S—30°N 范圍內(nèi)。由北半球來看，Hadley 環(huán)流強度在春季時較強，到夏季大幅度的減弱，到秋季有所增強，至冬季時增至最強(以下的冬夏都是針對北半球來說的)，如此循環(huán)。而在南半球，7月強度增至最強，到1月達到最弱。即是，Hadley 環(huán)流在冬半年環(huán)流強度最強，在夏半年環(huán)流強度最弱。

圖1 Hadley 環(huán)流氣候態(tài)(1983—2012年平均)等值線表示質(zhì)量流函數(shù)

由圖中可以看出，Hadley 環(huán)流強度越強，則相應的環(huán)流的范圍越大。Hadley 環(huán)流在季節(jié)變化的同時，其強度和范圍也相應的在改變。此外，發(fā)現(xiàn)在平均狀態(tài)下低緯地區(qū)上升氣流整體偏北，其公共上升支的南北移動應該與太陽直射點的移動從而導致接收到的輻射的變化有關(guān)。Hadley 環(huán)流圈的頂部在100 hPa 以內(nèi)。在低層區(qū)，環(huán)流圈的Hadley強度中心通常在700～600 hPa 之間。其公共上升支在赤道附近南北移動。整個圈環(huán)流圈從冬季到夏季都在向北移動，最北到達20°N 附近。冬季時環(huán)流上升支在10°S 附近，春季時移至赤道附近，夏季時移至最北(20°N)，秋季又向南移動，冬季到達最南端，以此往復，并且在低層形成越赤道氣流。在高層，南北半球的Hadley 環(huán)流都分別向高緯輸送，在南北緯30°附近下沉，其中一支沿赤道流回，形成熱帶地區(qū)的2 個閉合環(huán)流圈。即為Hadley 環(huán)流圈，另一支則向高緯流去。

3.2 北半球Hadley 環(huán)流強度的變化特征

圖2(a)中可以看出，1月北半球Hadley 環(huán)流30a的強度指數(shù)幅度變化較大，年際變化明顯，而其年代際變化不明顯。故知，冬季北半球Hadley 環(huán)流強度具有明顯的年際變化，年代際變化不明顯。

圖2(b)，4月北半球Hadley 環(huán)流強度較1月份的有所減弱。年際變化的幅度大，1983—1985年的強度降幅達近50 個強度指數(shù)值，1987年強度指數(shù)回升到140，1987—1995年期間Hadley 環(huán)流的年際變化較小，1997—2000年間年際變化最大。4月北半球Hadley 環(huán)流強度的年際變化十分明顯，年代際變化基本表現(xiàn)為先減弱后增強的趨勢，但不是很明顯。

圖2(c)，7月北半球的Hadley 環(huán)流強度極弱，強度值幾乎都在35～60 之間。由北半球Hadley 環(huán)流強度時間序列圖可知，1983—1996年北半球Hadley 環(huán)流強度的年際變化較大，1996—2001年年際變化加大，1997—1998年的年際變化在這30 a 中是最顯著的，之后Hadley 環(huán)流年際變化幅度較小。

圖2(d)，10月北半球Hadley 環(huán)流強度指數(shù)值在81～105 之間，從1983—1992年期間，Hadley 環(huán)流強度變化不大。從1992—1996年，Hadley 環(huán)流強度變化幅度極大，1992—1994年Hadley的強度指數(shù)年際變化稍小。1996—2006 這11 a 之間，Hadley 環(huán)流強度值一直在88 附近變化，變化幅度比1983—1992年的要大。2006—2008年Hadley 環(huán)流的強度變化是此30 a 中強度幅度變化最大的，之后到2012年Hadley 環(huán)流強度在強度值為99 上下小幅度變動。以上說明，10月Hadley 環(huán)流年際變化較大，年代際變化也較明顯。

故知，在此30a 中Hadley 環(huán)流強度各季節(jié)年際變化較明顯，而年代際變化在秋季較明顯。

圖2 北半球Hadley 環(huán)流最大質(zhì)量流函數(shù)的時間序列圖(1983—2012年)

4 我國東部華南、長江流域、華北地區(qū)夏季降水分布特征

由圖3(a)可知，6月，我國東部地區(qū)的降水量從南至北逐漸減少，雨帶在華南地區(qū)，華南地區(qū)降水量極大，最多降水量達300 mm，在華南地區(qū)有一個多雨中心，位于武夷山地區(qū)。長江流域的降水量約為150～200 mm，越靠近華南地區(qū)降水量越大，且東部降水偏多，西部降水偏少。

由圖3(b)可知，7月，我國東部降水雨帶北推，華南地區(qū)降水減弱，降水量約為200～250 mm，無多雨中心;長江流域降水增強，降水量約為200 mm;華北地區(qū)降水量增至100～150 mm。7月，雨帶北推，華南降水開始減弱，長江流域與華北地區(qū)降水量都增強。

由圖3(c)可知，8月，雨帶繼續(xù)北推，到達華北地區(qū)。華南地區(qū)降水減少，部分偏北地區(qū)出現(xiàn)伏旱現(xiàn)象;長江流域出現(xiàn)伏旱現(xiàn)象，降水量減少到100～150 mm;華北地區(qū)降水量小于7月份，降水量約為100 mm。

由圖3(d)可知，夏季我國東部降水量從南至北逐漸減少。華南地區(qū)降水量約為600 mm，長江流域地區(qū)降水量為500～600 mm，華北東北地區(qū)降水量都約為300 mm。故知，我國夏季降水從南至北逐漸減少，并且隨著時間的變化，雨帶也隨著變化，從6—8月，雨帶由華南地區(qū)北推到長江流域，而后又被推至華北東北地區(qū)。

圖3 6—8月及整個夏季我國降水分布圖(1983—2012年)

5 春季Hadley 環(huán)流和我國東部地區(qū)夏季降水的聯(lián)系

由圖4 可以看出，春季北半球Hadley 環(huán)流強度與我國華南地區(qū)、長江流域和華北地區(qū)夏季降水的關(guān)系呈現(xiàn)出“負正負”的相關(guān)關(guān)系，其中，華南地區(qū)、長江流域偏西地區(qū)和華北地區(qū)都有相當一部分通過信度為0.05的t 檢驗(t = 1.7286)＞(tα =1.7011)。由分析知:北半球Hadley 環(huán)流強度偏強，則我國華南地區(qū)夏季降水偏少，長江流域夏季降水偏多，華北地區(qū)夏季降水偏少。

下面，選取北半球Hadley 環(huán)流最大質(zhì)量流函數(shù)作為Hadley 環(huán)流強度指數(shù)。進一步分析Hadley 環(huán)流與我國東部地區(qū)夏季降水之間的聯(lián)系。

由圖5(a)知，Hadley 環(huán)流強度指數(shù)大年(1983、1987、1991、2001年)，7月份華南地區(qū)30 a 降水平均為150～200 mm;長江流域降水約為200～250 mm;華北地區(qū)降水為100 mm。而由本文第四節(jié)的內(nèi)容知，7月份華南地區(qū)30 a 降水平均約為200～250 mm;長江流域降水平均約為200 mm;華北地區(qū)降水平均為100～150 mm。即是，春季Hadley 環(huán)流強度指數(shù)大年，我國華南地區(qū)夏季降水偏少，長江流域降水偏多，華北地區(qū)降水偏少。

圖4 4月Hadley 環(huán)流指數(shù)與我國7月降水的相關(guān)分布圖

由圖5(b)知，Hadley 環(huán)流強度指數(shù)小年(1985、1996、1997、1999、2004年)，春季Hadley 環(huán)流強度指數(shù)小年，我國華南地區(qū)夏季降水偏多，長江流域降水偏少，華北地區(qū)降水偏多。

故而得知，春季Hadley 環(huán)流強時，我國夏季華南地區(qū)降水偏少，長江流域降水偏多，華北地區(qū)降水偏少，即是呈“－+－”的相關(guān)關(guān)系。

圖5 強弱Hadley 環(huán)流年降水的合成圖

6 結(jié)論

本文利用ERA－INTERIM 再分析資料及中國氣象局提供的我國160 個臺站夏季降水資料，利用相關(guān)性分析和合成分析的方法，得出以下結(jié)論:

①Hadley 環(huán)流強度存在明顯的季節(jié)變化，其中北半球Hadley 環(huán)流在冬季最強，夏季最弱。南半球相反。并且Hadley 環(huán)流強度越強，則相應的環(huán)流的范圍越大。Hadley 環(huán)流在季節(jié)變化的同時，其強度和范圍也相應的改變。Hadley 公共上升支在赤道附近南北移動。整個圈環(huán)流圈從冬季到夏季都在向北移動。

②Hadley 環(huán)流強度各季節(jié)年際變化較明顯，年代際變化在秋季較明顯。

③春季Hadley 環(huán)流強度與我國華南地區(qū)、長江流域地區(qū)和華北地區(qū)夏季降水呈“負正負”的相關(guān)關(guān)系。

④利用合成分析春季北半球Hadley 環(huán)流強的年份，我國夏季華南地區(qū)降水偏少，長江流域降水偏多，華北地區(qū)降水偏少。與相關(guān)分析得出的結(jié)果一致。

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