季節內振蕩對熱帶印度洋SST日變化的調制
——一維混合層模式的診斷結果

楊洋，Tim Li，李奎平，于衛東，劉延亮

(1. 中國海洋大學 海洋環境學院，山東 青島 266100；2. 國家海洋局 第一海洋研究所 海洋與氣候研究中心，山東 青島 266061；3. 美國夏威夷大學 氣象系，美國 夏威夷 火奴魯魯 96822)

季節內振蕩對熱帶印度洋SST日變化的調制
——一維混合層模式的診斷結果

楊洋1，2，Tim Li3，李奎平2*，于衛東2，劉延亮2

(1. 中國海洋大學 海洋環境學院，山東 青島 266100；2. 國家海洋局 第一海洋研究所 海洋與氣候研究中心，山東 青島 266061；3. 美國夏威夷大學 氣象系，美國 夏威夷 火奴魯魯 96822)

熱帶印度洋SST的日變化幅度受到大氣季節內振蕩(Madden-Julian Oscillation，MJO)的調制，其在MJO對流最強(弱)位相達到極小(大)值，并且在MJO對流增強位相顯著強于其對流減弱位相。本文利用逐時的再分析海表通量強迫一維海洋混合層模式，定量地診斷了MJO事件中SST日變化的差異成因。結果表明，SST日變化在MJO對流最強與最弱位相的顯著差異主要是由短波輻射的季節內變化所致(40%)，其次是風應力(38%)和潛熱通量(14%)，其他要素的影響較小。而SST日變化在MJO對流增強與減弱位相所呈現的不對稱特征，主要是由緯向風應力的不對稱性所致，這是MJO擾動結構與背景環流相互作用的結果。

SST日變化；季節內振蕩；一維混合層模式

1 引言

季節內振蕩(Madden-Julian Oscillation，MJO)[1]是活躍于熱帶大氣的行星尺度擾動現象，表現為大氣深對流活動及相關擾動環流的周期性交替，尤以冬半年最為顯著。MJO生成于熱帶西印度洋，以沿赤道向東傳播為主，其在印度洋-太平洋暖池區達到最強，隨后逐漸減弱并消失于東太平洋，其典型周期在45 d左右。MJO是銜接天氣尺度變化和低頻氣候過程的重要橋梁，對熱帶氣旋、亞澳季風、印度洋偶極子和ENSO等都具有重要影響[2]。

海-氣相互作用在MJO的生成和發展過程中扮演了重要角色。大量數值模擬研究已經證實了季節內尺度的海氣耦合對MJO模擬[3—6]和預報[7—8]的重要性；然而，其中的物理機制迄今還不甚明朗。SST是海洋與大氣相互作用的主要介質，SST的變化既反映了大氣的強迫效應，又對大氣運動存在反饋作用，明確MJO事件中SST的控制機制是揭示其中海-氣相互作用的重要突破口。

SST通過多種尺度過程與MJO相聯系，其中日變化是一種重要的影響途徑[9]。SST的日變化是一種非常顯著的高頻信號[10]，在晴朗無風的熱帶海域，其日變化幅度可達2～3℃[11—13]。在MJO影響下，SST的日變化存在明顯的季節內差異。Sui等[14]通過分析西太平洋浮標觀測資料發現，SST日變化幅度在MJO對流抑制階段顯著強于其對流活躍階段。衛星觀測資料也顯示出與上述結果類似的位相特征[15]。作為MJO的活躍區域，印度洋的SST日變化也受到MJO的調制。Mujumdar等[16]利用浮標觀測資料指出，孟加拉灣北部的SST日變化幅度在MJO不同階段存在明顯差異，MJO對流活動越強(弱)時，SST的日變化幅度越小(大)。赤道東印度洋的浮標觀測資料也反映出與之一致的結果，并且一維海洋混合層模式可以很好地再現這種位相特征[17]。

大氣通過海表熱量通量、動量通量和淡水通量對SST的變化產生影響，這也是MJO調制SST的必然途徑。已有的觀測資料顯示出SST日變化存在顯著的季節內差異，但是，其中的控制機制尚不明確。那么，MJO是如何調制SST日變化特征的呢？即以上各要素的相對貢獻各有多大呢？本文在楊洋等[17]研究的基礎上，利用逐時的再分析海表通量強迫一維海洋混合層模式，在驗證其適用性基礎上，通過敏感性實驗定量地診斷MJO各位相SST日變化特征的差異成因，為其后揭示SST日變化對MJO的反饋作用奠定基礎。

2 數據與方法

2.1 數據

本文采用的逐時SST資料來自Research Moored Array for African-Asian-Australian Monsoon Analysis and Prediction (RAMA)[18]浮標陣列位于1.5°S，90°E的浮標，時間跨度為2002年1月1日至2010年10月15日。該浮標位于赤道東印度洋，處于MJO的活躍區域，并且它也是印度洋現有浮標陣列中持續觀測時間最長的浮標。為了表征大氣深對流過程，我們采用了National Oceanic and Atmospheric Administration(NOAA)提供地逐日的大氣對外長波輻射(Outgoing Longwave Radiation，OLR)資料。在強迫一維混合層模式時，本文采用了National Aeronautics and Space Administration (NASA)提供的Modern Era-Retrospective Analysis for Research and Applications (MERRA)[19]逐時海表通量數據，水平分辨率為(2/3)°×(1/2)°。

2.2 方法

通過選取MJO事件并按位相合成的方法診斷MJO對SST的調制過程。以5°S～5°N，85°～95°E區域平均的20～90 d帶通濾波的OLR為標志，當北半球冬半年某次過程的OLR正負異常值均超過1倍標準差時則選定此MJO事件，據此共選取了19個MJO事件(表1)。為體現季節內差異，每次MJO事件選取5個代表性時刻：對流最活躍時(OLR極小值)定義為0°；相鄰的前、后兩個對流最弱時刻(OLR極大值)分別為-180°和+180°；相應的對流的增強和減弱時刻，即OLR異常值接近于0時分別為-90°和+90°。為了減小分析誤差，在每個代表性時刻的前后再各取2 d，以此5 d的平均狀態代表相應的位相(見圖1)。需要說明的是，當兩次MJO事件連續發生時，前一MJO事件的180°位相與后一MJO事件的-180°位相重合，故表1中的某些MJO事件起始時間有所交叉。

表1 MJO事件列表

圖1 MJO位相的定義示意圖 Fig.1 The phase definition of MJO progress depending on the 20 to 90 days filtered OLR

為診斷SST的控制機制，本文利用了PWP一維整體海洋混合層模式[20]，該模式已被廣泛地用于熱帶地區SST的日變化和季節內變化的模擬研究[12，21]。熱通量、動量通量和淡水通量是PWP模式的海表強迫項。其中，熱通量分為海表短波輻射(SW)、凈長波輻射(LW)、潛熱通量(LH)和感熱通量(SH)，動量通量為風應力(WS)，淡水通量為蒸發與降水之差(EP)。該模式在動力不穩定模型的基礎上，引入了風致混合參數化方案。上層海洋的垂直混合主要有3種方式：(1)通過與附近網格的混合使整個混合層滿足靜力穩定；(2)通過設置整體Richardson數(Rb)來控制混合層底的卷入與卷出；(3)通過設置梯度Richardson數(Rg)來消除混合層底與下層水體之間巨大的速度梯度。驅動PWP混合層模式時，采用了最新的MERRA逐時海表通量數據，模擬時間為2002-2010年，運行的時間分辨率為1 h，垂向分辨率為0.5 m，模式中的參數主要借鑒前人的研究[20]，臨界Rb和Rg分別取0.65和0.25。

大氣通過海表熱通量，動量通量和淡水通量來影響SST，為了體現各強迫通量的季節內差異對SST日變化的影響，我們通過下述處理構造了各強迫通量的新序列：

(1)對原始序列I進行逐時平均，得到平均態的日變化時間序列A；

(2)通過對原始序列I進行90 d低通濾波，剔除其季節內變率，得到低頻的背景時間序列B；

(3)將序列A與B疊加得到新的時間序列F，則序列F即可認為是僅剔除了季節內變率但仍保留有高頻日變化和低頻背景變化的新序列。

為了診斷某一特定強迫項的季節內變化對SST日變化的影響，設計了14組敏感性測驗，其方案見表2。

表2 實驗名稱及所用強迫類型

續表2

注：I代表原始序列，F代表剔除了季節內變率的序列。

3 結果

盡管有研究強調了海洋水平溫度平流對特定MJO事件的重要性[22]，但Zhang和Aderson[23]的研究表明在水平溫度梯度很小的熱帶區域，水平平流對SST的作用可以忽略，PWP模式可以很好的再現SST的季節內變化特征。鑒于本研究涉及的浮標位于東印度洋暖池區，水平溫度梯度較小，一維海洋混合層模式在原則上具有可行性。楊洋等[17]以浮標觀測的海表通量來強迫PWP混合層模式，已對PWP模式在該區域的適用性進行了初步驗證。本文采用了MERRA再分析的海表強迫通量驅動一維PWP模式，其SST模擬結果也說明了該模式在本研究中的合理性(見圖2)。

從周期性特征來看(見圖2a、c)，SST日變化的模擬結果和觀測結果具有很好的一致性。SST在6時至8時達到全天最小值，而在14時至16時達到全天最大值。而且，一維模式也成功再現了SST日變化在MJO各個位相的差異，這種差異主要體現在SST日變化幅度上，即SST日最大值與最小值的差(見圖2b、d)。SST日變化幅度與MJO對流呈直接反位相關系，即在對流活動最強時(0°)，SST的日變化幅度最小，在對流活動最弱時(±180°)，SST的日變化幅度最大。在對流的增強(-90°)和減弱階段(+90°)，SST的日變化幅度存在明顯的不對稱性，前者強于后者。

在未考慮水平平流效應的情況下，一維PWP模式對SST日變化的周期性具有非常好的模擬能力，但對SST日變化幅度的模擬存在一定誤差。在MJO的5個位相，其模擬誤差分別為9%、11%、35%、27%和1%，這部分誤差可能源于水平平流效應，也可能源于再分析海表資料或者系統誤差。盡管如此，一維模式較好地抓住了SST日變化幅度的季節內差異特征，其診斷結果具有一定的代表性。為揭示MJO事件中SST日變化幅度的差異原因，我們利用PWP模式設計一系列敏感性實驗進行診斷，各組實驗的介紹見表2。

3.1 MJO對流活躍位相與抑制位相的對比分析

Price等[20]較為系統的描述了SST的日變化過程，并指出海表面短波輻射在白天與夜晚的不對稱分布是造成SST日變化的主要原因。本文的數值實驗也證明，只有保留短波輻射的日變化，SST的日變化特征才會存在；在保留短波輻射日變化的前提下，本文各組實驗模擬的SST日變化過程接近一致，即SST最大值出現在14時到16時左右，最小值出現在6時到8時左右。在MJO事件中，SST日變化的差異主要體現在變化幅度上，也即最大值與最小值之差。在對流活動最弱時，SST日變化幅度達到最大值；在對流活動最強時，SST日變化幅度達到最小值，二者相差0.6°C左右(見圖2)。那么，其中的控制過程是什么呢？表2中的前7組敏感性實驗即用于分析該問題，實驗結果如圖3所示。

圖3 MJO對流抑制位相與活躍位相SST日變化幅度的差異及各強迫項的貢獻Fig.3 The difference of diurnal range of SST between suppressed and active phase of MJO calculated from model results

在CTL run中，各強迫項均采用原始序列，PWP模式再現了SST日變化幅度在對流抑制位相與活躍位相的差異，與浮標觀測資料相一致。SW run至EP run實驗分別體現了單一強迫項的季節內變化對上述差異的貢獻大小，而且這6組實驗的總和(淺灰色柱)與CTL run相當，這說明本文設計的實驗方案是基本可行的。診斷表明，對于SST日變化幅度在MJO對流抑制位相與活躍位相存在的顯著差異，短波輻射(SW)的貢獻起主要作用，占40%；其次是風應力(WS)，占38%；第三位是潛熱通量(LH)，占14%；而感熱通量(SH)、長波輻射(LW)和淡水通量(EP)的作用相對微弱。以下將對3個主要因素展開討論，其他因素不再詳述。

短波輻射日變化的季節內差異是調制SST日變化幅度的主要因素。由圖4可以看出，在MJO對流抑制位相短波輻射在正午時可達到800 W/m2，而在對流活躍位相卻只有500 W/m2左右，二者的差異在正午時刻可以超過300 W/m2。因此，在正午的SST快速升溫階段，對流抑制位相的短波加熱效應顯著強于對流活躍位相，由此導致了兩位相的SST日變化幅度的差異。

盡管各熱通量均存在一定的日變化，但相對于短波輻射來說，其他通量的日變化幅度非常微弱。潛熱通量的日變化幅度在MJO各個位相均不足20 W/m2，且日變化的周期特征不明顯，但其日平均值存在顯著的季節內差異。潛熱釋放在對流抑制位相只有90 W/m2左右，而在對流活躍位相卻超過150 W/m2，它通過與混合層的日變化相互作用來調制SST的日變化幅度。在白天的SST升溫階段，混合層很淺，較多的凈熱收入使對流抑制位相的SST升溫幅度顯著強于對流活躍位相；而在夜間的SST降溫階段，由于混合層劇烈加深[17]，對流抑制位相的SST降溫幅度只是稍強于對流活躍位相。這種混合層深度的晝夜不對稱，使MJO對流抑制位相的SST日變化幅度會稍強于其對流活躍位相，但該調制過程的貢獻較小，僅占14%左右。

圖4 MJO對流抑制位相(±180°)和對流活躍位相(0°)各海表面熱通量的對比Fig.4 The comparison of sea surface heat fluxes between suppressed (±180°) and active (0°) phase of MJO

在PWP模式中，風應力是作為動量通量給定的，它的變化不會影響潛熱和感熱通量的變化，僅體現了風應力通過動力過程對SST的日變化的影響。圖5給出了風應力在MJO對流活躍與抑制位相的合成圖，及相應的WS實驗中混合層內轉換層(Transition layer)深度在上述兩位相的對比。根據Price等[20]的理論，轉換層位于混合層內，更利于表征由風應力引起的混合層底的夾卷效應以及切變流不穩定性，所以我們在此用轉換層來表征風應力對海洋上層垂直混合的作用。從圖中可以看出，在對流抑制位相，風應力非常小，幾乎接近于0。這種近乎無風的狀態致使海洋的垂直混合非常弱，相應的海面吸收的熱量只能限制在很淺的表層(見圖5b)，在白天加熱最強的中午，海表轉換層深度只有5 m左右，從而使SST迅速的升高。相反，在對流活躍位相，風應力最大可超過0.08 N/m2。強烈的風力會對海洋產生劇烈的攪動，海表的垂直混合強烈，導致轉換層加深，即使在白天加熱最強的中午，最淺的轉換層深度也要超過20 m。在相同的熱力強迫下，熱量會被更快的混合到較深的海洋中去，所以在對流活躍位相，SST的升溫并不明顯，日變化幅度較小。

圖5 MJO對流抑制位相(±180°)和對流活躍位相(0°)的海面風應力對比(a)和風應力所致的轉換層深度的對比(b)Fig.5 The comparison of sea surface wind stress (a) and the transition layer depths (b) between suppressed (±180°) and active (0°) phase of MJO

3.2 MJO對流增強位相與減弱位相的對比分析

在MJO事件中，對流的增強與減弱階段，即在±90°位相，SST的日變化幅度存在明顯的不對稱性(見圖2)。從觀測來看，在對流增強階段(-90°)，SST的日變化幅度可達到0.54℃；但是在對流減弱階段(90°)，SST日變化幅度只有0.36℃。鑒于PWP模式可以再現這種位相差別，因此我們設計了7組敏感性實驗，以探明這種不對稱性的原因。

如表2中第8組至第14組實驗，其中CTL0實驗表示所有海表強迫通量的季節內變率均已被剔除，而SW0至EP0實驗表示只有相應的強迫項剔除了季節內變率。如CTL0實驗結果所示(見圖6b)，將所有海表通量的季節內變率剔除以后，SST的日變化幅度在MJO各個位相基本無差別，其季節內變化特征消失。逐項測試表明，唯有剔除風應力的季節內變化時(也即WS0實驗)，SST日變化幅度在±90°位相才接近相等(見圖6d)，其他實驗結果均保留了這種不對稱性。這說明海表面風應力在±90°位相的差異是造成該位相SST日變化不對稱的主要原因。除風應力外，其他海面強迫項在±90°位相基本呈現對稱分布(圖略)，對上述兩個位相的SST日變化差異基本無貢獻。

前人的研究已經指出，緯向風的季節內變化是MJO事件中動量通量擾動的主要原因[24]，經向風的擾動可忽略不計[25]。從圖7給出的海表面風應力在MJO對流增強與減弱位相(±90°)的日變化曲線可以看出，風應力的緯向分量在兩個位相存在較大的差異，而經向分量的離散性并不大，所以緯向風應力的季節內差異是造成±90°位相SST日變化幅度產生不對稱性的主要原因。通過前文的分析我們知道(2.1)，風應力的強弱與SST日變化幅度成負相關性。在-90°位相，緯向風應力維持在0.015 N/m2左右，這種弱的風應力無法使海洋上層產生強的垂直混合，海洋混合層相對較淺，從而SST日變化較強。而在+90°位相，緯向風應力可以達到0.03 N/m2左右，強烈的風應力會加強海洋的垂直混合，海洋混合層變深，海表吸收的熱量更快的與深層的冷水混合，從而減弱SST的日變化強度。因此，在這種不對稱風應力的調制下，SST日變化幅度在±90°位相產生了差異。

其他海面通量在±90°位相基本呈對稱分布的情況下，為何緯向風應力在這兩個位相具有顯著的不對稱性？這是MJO空間結構與背景環流共同作用的結果。MJO事件中，深對流位于海面風場的輻合中心之上。受對流輻合的影響，對流西側會出現西風異常，而東側則是東風異常，并且西風異常顯著強于東風異常。在冬半年，赤道東印度洋受背景西風控制，同時MJO及相應的擾動環流沿赤道自西向東移動。在-90°位相，對流位于浮標位置以西，此時浮標點受MJO對流東側的異常東風控制，它與背景西風相疊加會使緯向風應力減弱；而在+90°位相，對流位于浮標位置以東，此時浮標點受MJO對流西側的異常西風控制，它與背景西風相疊加導致緯向風應力顯著加強。由此，MJO事件中緯向風應力的大小在±90°位相具有了不對稱性。

4 結論

在MJO調制下，熱帶印度洋SST的日變化幅度呈現顯著的季節內差異。在MJO對流活動最強(弱)時，SST的日變化幅度最小(大)；并且MJO對流增強階段的SST日變化幅度顯著強于其對流減弱階段。為揭示MJO事件中上述SST日變化特征的差異成因，我們利用MERRA逐時海表面通量資料強迫PWP一維整體混合層模式定量的進行了診斷分析。

圖6 8組敏感性實驗中MJO各位相SST日變化幅度的對比Fig.6 The comparison of diurnal range of SST in different phase of MJO from 8 sensitive runs listed in Tab.2

圖7 MJO對流增強位相(-90°)與對流減弱位相(+90°)的海面風應力對比Fig.7 The comparison of sea surface wind stress between developing (-90°) and decaying (-90°) phase of MJO

總體上，PWP模式可以成功再現SST日變化特征的季節內差異。而相應的敏感性實驗表明，SST日變化幅度在MJO對流最弱與對流最強時的顯著差異主要是由短波輻射造成的，大約占40%；其次是風應力，占38%；第三位是潛熱通量，占14%；而感熱通量、凈長波輻射和淡水通量的作用相對微弱。SST日變化幅度在MJO對流增強與對流減弱階段的不對稱性，主要是與緯向風應力的不對稱有關。緯向風應力在MJO對流減弱階段顯著強于其對流增強階段，由此導致的垂直混合差異是SST日變化幅度存在不對稱的誘因。而緯向風應力在上述兩個位相的差異是MJO空間擾動結構與背景環流相互作用的結果。

在本文設計的多組敏感性實驗中，驅動PWP模式時，各海表強迫項是獨立給定的，而在現實中，多個物理量之間可能存在聯系。如風應力的變化既能通過動力效應(垂直混合)，又能通過熱力效應(潛熱和感熱通量)對SST施加影響。因此本文的數值實驗屬于理想實驗，人為隔離了風應力的動力效果和熱力效果，然后給與了單獨評估；事實上，目前的數值實驗未能針對風應力的影響實現綜合評估，更加全面的實驗設計方案有待提出。

本文僅以位于1.5°S，90°E的浮標觀測數據為參考，通過引入PWP數值模式分析了SST日變化特征的季節內差異，結論的代表性存在局限，不排除本文的分析結果在其他區域會有一定的誤差。鑒于本文已經驗證了MERRA逐時海表面通量與PWP混合層模式的結合在研究SST日變化特征時的可行性，進一步的研究工作可以推廣到更多的觀測浮標和更廣的海域，以獲取更具代表性的診斷結果。

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Modulation of Madden-Julian Oscillation on the diurnal cycle of SST in the tropical Indian Ocean——Results from one dimensional mixed layer model

Yang Yang1，2，Tim Li3，Li Kuiping2，Yu Weidong2，Liu Yanliang2

(1.CollegeofPhysicalandEnvironmentalOceanography，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 2.CenterforOceanandClimateResearch，FirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China; 3.IPRCandDepartmentofMeteorology，UniversityofHawaii，Honolulu，HI，USA)

Modulated by the Madden-Julian Oscillation (MJO)，the diurnal range of sea surface temperature (SST) peaks on the convection suppressed phase and drops to its lowest on the convection active phase. What’s more，this kind of diurnal range on the developing phase of MJO is much larger than that on the decaying phase. Using a one-dimensional ocean mixed layer model，forced by the newly developed hourly reanalysis of sea surface fluxes，the cause of the difference of diurnal range of SST during the evolution of MJO is diagnosed quantitatively. It is demonstrated that the intro-seasonal variation of sea surface shortwave radiation is the main reason for the striking difference of diurnal range of SST between suppressed phase and active phase of MJO (40%). The intra-seasonal variation of wind stress (38%) and latent heat flux (14%) are also important. Due to the scale interaction between MJO perturbation and background circulation，the asymmetry of zonal wind stress determines the asymmetry of diurnal range of SST between developing and decaying phase of MJO．

diurnal range of sea surface temperature (SST); Madden-Julian Oscillation; one dimensional ocean mixed layer model

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.004

2014-09-10；

2014-11-05。

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金(2014G03，GY02-2011G22)；國家自然科學基金項目(41005032，41406034)；國家國際科技合作專項資助-孟加拉灣區域海洋觀測與對亞洲季風影響合作研究(2010DFB20210)。

楊洋(1986—) ，男，山東省淄博市人，博士研究生，主要從事海-氣相互作用方面研究。E-mail：namedyy231@163.com

*通信作者：李奎平(1982—)，男，山東省濰坊市人，助理研究員，主要從事物理海洋學方面研究。E-mail：likp@fio.org.cn

P731.11

A

0253-4193(2015)05-0034-10

楊洋，Tim Li，李奎平，等. 季節內振蕩對熱帶印度洋SST日變化的調制——一維混合層模式的診斷結果[J]. 海洋學報，2015，37(5)：34-43，

Yang Yang,Tim Li,Li Kuiping，et al. Modulation of Madden-Julian Oscillation on the diurnal cycle of SST in the tropical Indian Ocean——Results from one dimensional mixed layer model[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(5)：34-43，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.004