夏季哈德萊環流強度變化與亞洲季風區經向水汽輸送的關系

郝 然

(中國民用航空華東地區空中交通管理局氣象中心，上海 200335)

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夏季哈德萊環流強度變化與亞洲季風區經向水汽輸送的關系

郝 然

(中國民用航空華東地區空中交通管理局氣象中心，上海 200335)

摘要采用NCEP/NCAR再分析資料，計算了夏季哈德萊環流(H.C.)強度，分析了夏季H.C.強度年際、年代際變化特征，以及亞洲季風區夏季水汽輸送的氣候特征，并研究了夏季哈德萊環流強度與亞洲季風區水汽輸送的關系。結果表明，1979～2010年夏季南半球H.C.強度有明顯增強趨勢，同時也有明顯的年際變化。索馬里東部洋面和印尼東部洋面是南半球水汽北轉輸入亞洲的重要區域；夏季南半球哈德萊環流強度與索馬里東部洋面和印尼東部洋面的經向水汽輸送呈顯著的正相關關系，與在我國中東部—南海南部、阿拉伯海東南部的經向水汽輸送呈顯著的負相關關系。

關鍵詞水汽輸送；哈德萊環流；亞洲季風區；經向水汽輸送；夏季

哈德萊環流(Hadley Circulation，以下簡記為H.C.)，是熱帶地區子午面(即經圈平面)上行星尺度的垂直熱力環流圈，它由2個閉合環流圈構成，其公共上升支與熱帶輻合帶(ITCZ)對應，而下沉支與兩半球副熱帶高壓帶對應，其位置、強度存在明顯的季節變化[1-4]。在地氣系統的能量平衡中，熱帶區域是能源所在[1-2]，熱帶海洋、大氣吸收的太陽輻射能量占地氣系統吸收太陽輻射總量的主要部分，通過海、氣環流將熱量向熱帶外輸送，驅動了全球海洋和大氣環流。在熱量由熱帶向熱帶外輸送的過程中，H.C.是大氣環流中最主要的角色。吳國雄等[5]和Trenberth等[6]研究表明，H.C.低層將水汽向赤道輸送，在上升支中水汽凝結釋放潛熱，其垂直支的絕熱加熱效應平衡著自由大氣中熱通量的輻散和大氣的非絕熱加熱。大氣水汽輸送在能量與水分循環中具有重要作用，其異常變化對降水有重要的影響[7-8]。

我國處于亞洲季風區，氣候與亞洲季風密切相關，夏季受到來自低緯熱帶地區的印度西南季風及南海季風和西太平洋副熱帶東南季風的影響。夏季風的活動決定了季風水汽輸送結構、路徑和進入我國水汽的強弱，進而影響我國東部雨帶及降水強度的變化，尤其是長江中下游地區的梅雨降水及其異常與亞洲季風環流之間存在非常密切的關系[8]。因此，搞清亞洲季風水汽輸送及H.C.對其影響的規律，對改進和提高季風期降水和旱澇預報具有重要的經濟和學術價值。筆者將H.C.質量流函數最大值代表H.C.強度，研究了夏季H.C.對亞洲季風區水汽輸送的作用，并分析了其主要影響方式和對各地影響的區別。

1資料與方法

1.1資料選取采用的資料包括NCEP/NCAR月平均風場資料、月平均海平面氣壓場資料和月平均水汽場資料，覆蓋時段為1979年1月～2010年12月，水平分辨率為2.5°×2.5°，風場和水汽場資料垂直分為4層(1000、925、850、700 hPa等壓面)。

1.2分析方法

1.2.2H.C.的質量流函數的計算方案。根據文獻[2]可知，全域H.C.的質量流函數由下式之一定義：

(1)

(2)

1.2.3相關系數(r)計算方案。相關系數的計算公式為：

(3)

相關系數的顯著性檢驗使用t分布檢驗：

(4)

該研究中自由度n-2取30，故在0.05信度下，臨界相關系數rc=0.349。

(5)

其中，波數k對應的角頻率ωk、周期Tk，k=1～3波對應周期10a以上振蕩，將其歸為慢變波，標為s，它們與年代際變化對應；其余波動均為周期<10a的振蕩，將其歸為快變波，標為f，它們與年際變化對應。于是x′(ty)被分解為年代際、年際變化2個部分：

(6)

(7)

2夏季H.C.氣候特征分析

2.1夏季H.C.質量流函數氣候態由圖1可知，夏季南半球H.C.強盛，范圍廣大，中心強度絕對值在180×109kg/s以上，700 hPa以下低層南北貫穿50個緯度左右；夏季北半球H.C.強度很弱。因此，下面僅關注夏季南半球H.C.的情況。

2.2夏季南半球H.C.強度變化特征由圖2可見，近32 a夏季H.C.強度為150×109～220×109kg/s，存在年際和年代際變化；1979～1984年環流強度有明顯減弱，之后隨時間序列增加，強度有增加趨勢，特別是20世紀90年代后期至2010年增幅均較大。

為了分析夏季南半球H.C.的年際和年代際變化特征，對強度序列(圖2)中心化處理后進行了諧波分析，將其強度變化分解為年際和年代際變化2個部分。由圖3可見，夏季南半球H.C.強度有明顯的年際變化，最強為1986年，最弱為1996年，且1994～1999年變化最為劇烈；夏季南半球H.C.強度的年代際變化也十分顯著，1981～1996年為負位相年，1997～2010為正位相年，其中1984年負位相達最大值，2008年正位相最大。

圖1　1979～2010年夏季H.C.質量流函數氣候平均態(單位：109 kg/s)Fig.1　Mass flow function climate mean state of H.C.during summer of 1979-2010

圖2　1979～2010年夏季南半球H.C.強度變化Fig.2　The change of H.C.intensity in southern hemisphere in summer during 1979-2010

圖3　1979～2010年夏季南半球H.C.強度年際(a)和年代際(b)變化特征諧波分析Fig.3　Annual(a)and interannual variation characteristics of H.C.intensity in southern hemisphere in summer during 1979-2010

3亞洲季風區夏季水汽輸送氣候特征分析

從1979～2010年夏季水汽通量矢量氣候態(圖4a)可以看出，水汽越赤道后，通向亞洲地區的水汽輸送通道有2條，按照它們與我國的相對位置，可分為西南路和東南路：①西南路，南半球低緯地區西行的氣流在索馬里東部洋面附近越赤道進入北半球，并逐漸東偏，經過阿拉伯海時變為東向氣流，到達印度后產生南向分量，而過印度后氣流分為南北兩支；北支經孟加拉灣北部進入中國大陸，南支經孟加拉灣南部后于105°E附近越赤道氣流在南海南部匯合，轉向北進入我國。②東南路：來自低緯西太平洋的氣流與印度尼西亞附近的越赤道氣流在菲律賓東南方洋面相會，北轉一同進入東亞。水汽輸送通量的經向分量的氣候態(圖4b)顯示，水汽輸送經向分量的正值的大值帶共有3個，即索馬里以東洋面、孟加拉灣、南海中部，這3個區域是夏季南半球H.C.向北半球輸送水汽的重要地區；負值的大值地區僅有1個，在印度附近。說明夏季亞洲季風區水汽以南風輸送為主。

圖4　1979～2010年夏季水汽通量矢量[a，g/(hPa·cm·s)]和水汽通量散度[b，g/(hPa·cm2·s)]氣候態Fig.4　Summer water vapor flux vector[a，g/(hPa·cm·s)] during 1979-2010 and water vapor flux divergence[b，g/(hPa·cm2·s)]

4夏季南半球H.C.強度與亞洲季風區經向水汽輸送的關系

由圖5可見，在北半球中低緯度地區，正相關的大值區域有3片，分別是索馬里東部洋面至阿拉伯半島東部、125°～145°E的赤道附近、孟加拉灣北部；負相關區域十分廣闊，幾乎覆蓋了東亞、東南亞(除印尼東部)、南亞地區，其中大值區域有3片，即我國中部—越南—南海南部一片狹長的區域、蘇門答臘島及其西部海面、阿拉伯海東南部。結合圖4a可知，上述正相關大值區域對應西南路的水汽輸送，說明H.C.強度越大，在索馬里和印尼東部附近洋面的越赤道經向水汽輸送越強，輸入進北半球的水汽通量也越強；3片負相關大值區域之一的蘇門答臘島西部，位置正處于西南路水汽輸送有常年向南分量的地區，因南半球H.C.強度大時，越赤道氣流增強，進而氣流的向南分量也將增強，故負相關系數大；而我國中東部—南沙群島和阿拉伯海東南這兩片區域則處在水汽北向輸送的通道上，說明H.C.強度越大，此處經向水汽輸送越弱。

注：陰影區域通過0.05信度檢驗，深色陰影區代表正值，即正相關；淺色陰影區代表負值，即負相關。 Note：Shadow area pass through the 0.05 reliability test，the dark shadow area is positive，namely positive correlation；the light shadow area is negative，namely negative correlation.圖5　夏季南半球H.C.強度指數與同期低層經向水汽通量(Qv)的相關系數分布Fig.5　The H.C.intensity index in southern hemisphere in summer and correlation coefficient of low layer meridional water vapor flux

為了驗證H.C.強度與上述正、負相關大值地區經向水汽通量關系，對夏季南半球H.C.強度年際、年代際變化(圖3)進行進一步分析。規定H.C.強度序列中心化處理后的值大于0.4的年份為強年，小于-0.4的年份為弱年，則得到近32 a來夏季H.C.強度年際變化強年7個(1983、1986、1994、1997、1999、2008、2010年)、弱年6個(1980、1984、1989、1996、1998、2007年)。根據H.C.強度序列中心化處理后的值的正負，可以分為正位相年與負位相年，得到近32 a來夏季H.C.強度1997～2010年為正位相年，1981～1996年為負位相年。分別做強年與弱年、正位相年與負位相年的經向水汽通量(Qv)之差合成圖，從圖6可看出，索馬里東部洋面、印尼東部洋面、孟加拉灣北部強弱年和正負位相年的Qv之差均為正，說明夏季南半球H.C.強度與輸送進入北半球的水汽通量呈正相關；廣大的東亞、東南亞(印尼東部除外)、南亞地區差值均為負，說明H.C.強度與這些區域的徑向水汽通量呈負相關。這些均與圖5的結論相符。

5結論

該研究采用NCEP/NCAR再分析資料，計算了H.C.質量流函數，分析了夏季H.C.強度年際、年代際變化特征，以及亞洲季風區夏季水汽輸送的氣候特征；運用相關分析和合成分析方法，研究夏季H.C.強度變化與亞洲季風區經向水汽輸送的關系，得出以下幾點結論：

(1)1979～2010年夏季南半球H.C.強度有明顯增強趨勢，同時也有明顯的年際變化。

(2)索馬里東部洋面和印尼東部洋面是南半球水汽北轉輸入亞洲的重要區域；南半球水汽越赤道后，通向亞洲的通道有西南路和東南路2條。

(3)夏季南半球H.C.強度與索馬里東部洋面和印尼東部洋面的經向水汽輸送呈顯著的正相關關系，與我國中東部—南海南部、阿拉伯海東南部的經向水汽輸送呈顯著的負相關關系。

圖6　夏季南半球H.C.年際變化強年與弱年(a)和年代際變化正位相年與負位相年(b)經向水汽通量之差合成[單位：g/(hPa·cm·s)]Fig.6　Summer southern hemisphere H.C.interannual variability of strong and weak years(a)and interannual change positive phase and negative phase(b)differential synthesis of the meridional water vapor flux

參考文獻

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作者簡介郝然(1987-)，男，山東泰安人，助理工程師，從事強對流預報研究。

收稿日期2016-04-11

中圖分類號S 165+.2

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)16-198-03

The Relationship between Change of Hadley Circulation Intensity in Summer and Meridional Water Vapor Transport in Asian Monsoon Region

HAO Ran

(China Civil Aviation East China Air Traffic Management Bureau Meteorological Center, Shanghai 200335)

AbstractUsing NCEP/NCAR reanalysis data, Hadley Circulation intensity in summer was calculated, the annual variation characteristics were analyzed, as well as the climate features of water vapor in Asian monsoon region. The relationship between H.C. intensity and water vapor in Asian monsoon region was studied. The results showed that during the summer of 1979 to 2010, the intensity of H.C. in the southern hemisphere was significantly increased, and there was a significant annual variation. The eastern ocean of Somalia and Indonesia was an important region of the southern hemisphere water vapor transport to Asia; the intensity of H.C. in summer in southern hemisphere presented significant positive correlation with meridional water vapor transport in eastern ocean of Somalia and Indonesia, showed significant negative correlation with meridional water vapor transport in middle east of China-south of the Nanhai Sea, southeast of Arabia sea.

Key wordsTransfer of water vapor; Hadley Circulation; Asian monsoon region; Meridional water vapor transport; Summer