孟加拉灣夏季季節內振蕩的濕靜力能分析

李奎平王海員楊 洋于衛東李俐俐

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東 青島266237；3.中山大學 大氣科學學院,廣東 珠海519082)

大氣季節內振蕩(intra-seasonal oscillation,ISO)是熱帶地區的一類行星尺度(緯向1～3波)對流擾動系統,它具有明顯的季節特性[1-2]。冬季時,ISO事件主要活躍于赤道區域,在印度洋和西太平洋暖池區表現出顯著的向東傳播。夏季時,ISO事件的向東傳播特征減弱,而在南亞季風區存在顯著的向北傳播。ISO事件是銜接天氣尺度和季節尺度的關鍵橋梁,它對熱帶氣旋、季風系統、印度洋赤道急流、印度洋偶極子和ENSO事件等都具有重要影響[3-7]。

ISO事件包含了復雜的熱力和動力過程,在很大程度上表現為一種水汽驅動模態[8-9]。同時,海表湍流熱通量和大氣輻射通量的反饋機制也是ISO事件產生與維持的關鍵過程[10-11]。考慮到這些因素都是大氣濕靜力能(Moist Static Energy,MSE)的控制項,開展MSE診斷研究成為揭示ISO事件內在機理的重要手段。已有一些研究開展了ISO事件向東傳播階段的MSE分析[12-14],發現MSE的季節內變化是ISO事件對流演化的重要前提,它在對流活動之前不斷累積(充電),并在對流活動后期逐漸釋放(放電)。對各MSE控制項的診斷表明,MSE異常基本上與輻射和湍流加熱存在同時正相關,與垂向平流存在反相關,而水平平流則在東側領先于MSE異常,成為引導ISO向東傳播的重要條件。

以上研究大多關注了冬季ISO事件沿赤道的向東傳播過程。實際上,夏季ISO事件具有更加復雜的傳播特征,它除了沿赤道向東傳播,還在亞洲季風區存在東北方向傳播以及獨立的北向傳播[15]。ISO濕/干位相在亞洲季風區的交替向北傳播正是夏季風活躍/中斷的重要誘因[16]。已有研究指出[17],夏季期間ISO事件的向北傳播階段也存在MSE的充電和放電過程,并且強調了水汽水平平流的重要作用,但是并沒有明確控制水汽水平平流的關鍵物理過程。本文選取孟加拉灣這一典型代表區域,利用大氣再分析資料,通過進行MSE和水汽診斷分析,定量探討夏季ISO事件向北傳播階段的MSE演變特征及關鍵物理控制過程。

1 資料和方法

1.1 資料

本文用到的資料包括:

1)美國海洋大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供的大氣頂對外長波輻射通量(Outgoing Longwave Radiation,OLR)[18],水平分辨率2.5°×2.5°,時間分辨率為1 d,時間跨度為1979—2016年。OLR是用于表征大氣對流的參量,OLR越低表示對流越強。

2)歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)提供的ERA-Interim大氣再分析資料[19],包括200～1 000 hPa(共23層)的三維風速、氣溫、比濕和位勢高度,大氣頂和海表的長波與短波輻射通量,海表感熱與潛熱通量。資料水平分辨率1.5°×1.5°,時間分辨率為1 d,時間跨度為1979—2016年。

1.2 方法

大氣MSE的表達式為m=Lq+c p T+gz,式中,m表示MSE；L為潛熱常數,取2.5×106J·kg-1；q為大氣比濕；cp為定壓比熱,取1 004 J·K-1·kg-1；T為氣溫；g為重力加速度；z為高度。大氣柱垂向積分的MSE變化表示為[20]

式中,〈〉表示200～1 000 hPa的質量積分；V為水平速度；w為垂直速度；p為壓力；QT為湍流熱通量,即海表感熱與潛熱之和；Qs為輻射熱通量,即大氣吸收的長波和短波輻射之和；-〈V·?m〉稱為水平平流項；稱為垂向平流項。

為定量揭示控制水汽水平平流的關鍵物理過程,采用時間濾波將原始物理量A進行如下形式分解:A=Al+Am+As。其中Al為低頻變率,通過70 d低通濾波獲取,用以表征季風背景；As為高頻變率,通過20 d高通濾波獲取,主要包括天氣尺度過程和準雙周振蕩等；Am為季節內變化,通過將原始值減掉高頻和低頻變率后獲取,代表了周期20～70 d的ISO信號。據此,水汽水平平流項表達為3種尺度過程的相互作用:

圖1 依據參考指數定義的ISO位相示意圖Fig.1 Definition of ISO phases based on ISO index

本研究關注孟加拉灣夏季(5—9月)的ISO事件,通過選取典型ISO事件進行合成分析,揭示MSE的演變特征與機理。考慮到每次ISO事件的周期存在差異,采用了按照位相進行合成的方法。首先將孟加拉灣中部(85°～95°E,5°～15°N)OLR進行20～70 d帶通濾波,然后將5—9月的時間序列進行標準化處理構建了ISO參考指數。當參考指數低于-1時表示強事件發生,選定該事件作為分析樣本,共計104個。針對選定的ISO事件,以ISO參考指數達到極小值時為0°,緊鄰的前后兩個極大值分別定義為-180°和+180°,指數跨越零點的時刻分別定義為-90°和+90°(圖1),其他每10°間隔的位相通過內部插值獲得。統計顯示,104個ISO事件的平均周期為38 d,因此每10°間隔大致代表1 d。最后,將其它物理量進行20～70 d帶通濾波得到其季節內變化信號,并參照上述定義的ISO位相對104個典型事件進行合成。

2 結果與分析

2.1 濕靜力能的季節內變化

首先揭示夏季時MSE的季節內變化特征。圖2為OLR表征的ISO對流和MSE異常的位相-空間演化,僅填充了MSE異常超過99%顯著性水平(t-檢驗)的區域,并以星號表示了OLR異常超過99%顯著性水平的區域。

圖2 孟加拉灣夏季ISO事件的周期演化Fig.2 Lifecycle of summertime ISO events in the Bay of Bengal

由圖2可見,-180°位相,孟加拉灣被強烈的對流抑制過程控制,MSE呈現顯著負異常。進入-150°位相,在赤道西印度洋出現大面積MSE正異常,ISO對流開始形成。隨后,MSE正異常中心與ISO對流中心都不斷向東移動并逐漸增強,而孟加拉灣的MSE負異常和ISO對流抑制過程則逐漸消褪。-30°位相,MSE正異常中心與ISO對流中心到達赤道東印度洋,隨后開始向北轉向進入孟加拉灣；與此同時,赤道西印度洋開始出現MSE負異常。0°位相,孟加拉灣MSE正異常與ISO對流達到最強,此后二者在向北移動過程中逐漸減弱。赤道附近的MSE負異常逐漸增強,在+30°位相出現了ISO對流抑制過程。此后,MSE負異常和ISO對流抑制過程基本上重復上述時空演變特征。總體來看,MSE異常與ISO對流信號在空間和時間上都體現出較為一致的演變特征,即ISO對流區域(對流抑制區域)伴隨著MSE正(負)異常,并且二者在時間上也呈現出比較同步的增強和減弱。

夏季ISO事件在孟加拉灣主要表現為向北傳播,圖3為孟加拉灣(85°～95°E)OLR異常和MSE異常的經向-位相演化,僅填充了MSE異常超過99%顯著性水平(t-檢驗)的區域,并以星號表示了OLR異常超過99%顯著性水平的區域。圖3清晰顯示了ISO在孟加拉灣的向北傳播階段伴隨的MSE累積和釋放過程。在前期的對流抑制位相,MSE呈現顯著負異常；伴隨著MSE的不斷累積,ISO對流逐漸增強,并且都存在顯著的向北傳播特征；0°位相時,MSE異常和ISO對流都達到極大值；隨后,MSE逐漸釋放,ISO對流也不斷減弱并被對流抑制過程取代。在ISO事件周期演變中,OLR的變化幅度接近50 W·m-2,MSE的振幅大致在16×106J·m-2。在北移過程中,ISO活躍中心大致位于5°～15°N,以下我們將針對此孟加拉灣中部區域(85°～95°E,5°～15°N)開展 MSE診斷分析。

圖3 孟加拉灣斷面OLR和MSE的經向-位相演化Fig.3 Meridional-phase evolution of OLR and moist static energy along the Bay of Bengal

2.2 濕靜力能診斷分析

以上觀測事實表明,ISO事件中MSE的累積(釋放)是大氣對流發展(衰減)的重要條件。MSE的變化受到平流輸送、湍流加熱和輻射加熱等多種物理過程的影響,那么是何種過程主導了ISO北傳階段MSE的季節內變化?我們依據式(1)對MSE的各控制項進行了分析(圖4)。從MSE時間變率(?m/?t)來看,它在-180°位相時轉為正值,表示MSE開始累積(充電),從OLR反映的大氣對流來看,它也開始逐漸增強；?m/?t在-90°位相時達到最大,表示此時的MSE累積速率最快；隨后?m/?t逐漸減小,并在0°位相時轉為負值,表示MSE充電結束,大氣對流達到了最強；此后,?m/?t保持負值,MSE逐漸釋放(放電),大氣對流也逐漸減弱；?m/?t在+90°位相時達到最小,表示此時的MSE釋放速率最快；+180°位相時,?m/?t開始趨近零點,MSE基本結束放電過程,大氣對流達到最弱。從MSE各控制項來看,水平平流項(-〈V·?m〉)的演化領先于?m/?t,它早在-180°位相時已體現出顯著的充電效應,并維持高值至-90°附近,隨后它快速降低并在-40°轉為負值,開始導致 MSE放電。輻射熱通量(QS)和湍流熱通量(Q T)的演化顯著滯后于?m/?t,它們分別在-80°和-60°位相轉為正值,呈現充電效應,并在0°位相附近達到極大值；而在MSE的初期放電階段(0～+90°),它們依然保持著充電效果。垂向平流項(-〈w·?m/?p〉)基本上與輻射/湍流熱通量呈現反相關,但是它對MSE變化的貢獻相對較小。在MSE季節內演變中,水平平流項、垂向平流項、湍流熱通量和輻射熱通量的振幅分別為60,11,31和38 W·m-2,這4個分項之和(黑色虛線)與?m/?t在時間演化和量值方面都具有較好的一致性,說明了式(1)在本研究中具備適應性。

圖4 孟加拉灣中部MSE控制項的位相演化Fig.4 Phase evolution of moist static energy budget terms in the central Bay of Bengal

為清晰對比ISO事件中MSE累積和釋放的控制機理,我們將-180°～-10°和+10°～+180°分別定義為充電階段和放電階段,并計算各MSE控制項在這兩個階段的貢獻大小(圖5)。比較發現,在MSE充電階段,僅有水平平流項體現為顯著的正貢獻,垂向平流項的貢獻接近為零,湍流熱通量和輻射熱通量則體現為負貢獻。類似地,在MSE放電階段,水平平流項也具有最大貢獻,垂向平流項作用較小,湍流熱通量和輻射熱通量表現為反作用。以上結果說明在孟加拉灣夏季ISO事件中,MSE的充電和放電過程是由水平平流項所主導。事實上,MSE的變化是由水汽、氣溫和位勢3個要素共同決定的,很多研究指出水汽的變化占據主導地位[12-14,21],從表1給出的各組成要素對MSE水平平流的貢獻比例可以看出,夏季MSE季節內變化同樣是由水汽所決定,這與之前的研究相一致[17]。

圖5 孟加拉灣中部MSE各控制項在充電階段和放電階段的對比Fig.5 Comparisons of moist static energy budget terms between recharge and discharge phases in the central Bay of Bengal

表1 充電和放電階段各組成要素對MSE水平平流的貢獻Table 1 Percentage contributions of moisture,air temperature and geopotential to horizontal moist static energy advection term in recharge and discharge phases

大氣垂向積分的結果表明水汽水平平流(-V·?q)是孟加拉灣夏季ISO事件中MSE充電和放電的關鍵控制因素,那么各氣壓高度上的物理控制過程是否一致?我們進一步分析了水汽水平平流及其2個分量的高度-位相演化(圖6),可以看出它們都在MSE的充電(放電)階段呈現顯著的正(負)異常,并且水平平流項在對流層中高層(400～600 hPa)和底層(700～900 hPa)存在2個顯著變化中心。通過對比緯向平流(-u?q/?x)和經向平流(-v?q/?y)兩個分量的垂向分布,可以看出對流層中高層的水汽變化中心主要是由緯向平流所致,低層的水汽變化中心則主要由經向平流貢獻。

圖6 孟加拉灣中部水汽水平平流的垂向-位相演化Fig.6 Vertical-phase evolution of horizontal moisture advection in the central Bay of Bengal

水汽水平平流在對流層低層和中高層存在顯著差異,為了明確水汽平流效應的潛在物理控制過程,我們采用時間濾波將比濕、緯向風和經向風分解為低頻變率、季節內變率和高頻變率,并按照式(2)計算了中高層(400～600 hPa)緯向平流和低層(700～900 hPa)經向平流的各控制項,它們在MSE充電和放電階段的對比如圖7所示。在對流層中高層(圖7a),水汽緯向平流在MSE充電和放電階段的顯著差異主要取決于緯向風季節內變化與低頻水汽緯向梯度的作用項(-um?ql/?x)；在對流層低層(圖7b),水汽經向平流在MSE充電和放電階段的顯著差異則主要來源于低頻經向風與水汽季節內變率經向梯度的作用項(-vl?qm/?y)。

針對對流層中高層和低層的兩個關鍵水汽平流控制項,圖8用于闡述它們的潛在物理機制。其中圖8a～8c分別為400～600 hPa的低頻水汽分布(q l,g·kg-1)、充電階段和放電階段的緯向風季節內異常(um,m·s-1),圖8d～8f分別為700～900 hPa的低頻經向風(vl,m·s-1)、充電階段和放電階段的水汽季節內異常(qm,g·kg-1)。夏季時孟加拉灣水汽呈現西低東高的分布(?ql/?x＞0,圖8a),水汽緯向平流在MSE充電和放電階段顯著對比是由緯向風異常的反號所致。在MSE充電階段,對流抑制過程導致孟加拉灣被東風異常控制(um＜0,圖8b),它對低頻水汽的輸送作用使孟加拉灣水汽不斷增強；在MSE放電階段,活躍對流導致孟加拉灣被西風異常控制(um＞0,圖8c),它對低頻水汽的輸送作用則會使孟加拉灣水汽不斷減少。與水汽緯向平流類似,水汽經向平流在MSE充電和放電階段的顯著對比是由于水汽季節內異常的經向梯度反號所致。夏季時孟加拉灣低層被南風控制(vl＞0,圖8d),在MSE充電階段,孟加拉灣南部(北部)為水汽正(負)異常,呈現南高北低的水汽分布(?qm/?y＜0,圖8e),它與低頻背景風場的相互作用使得孟加拉灣水汽不斷增強；而MSE放電階段水汽異常的南北分布恰好相反(?qm/?y＞0,圖8f),其與低頻背景風場的相互作用使得孟加拉灣水汽不斷減少。上述2項水汽平流控制過程最終顯著調制了MSE的充電和放電,影響了ISO事件的生命演化過程。

圖7 孟加拉灣中部水汽緯向平流和經向平流各控制項在充電和放電階段的對比Fig.7 Comparisons of zonal and meridional moisture advection terms between recharge and discharge phases in the central Bay of Bengal

圖8 緯向平流和經向平流關鍵控制要素的分布Fig.8 Distribution of critical variables that dominate the zonal and meridional moisture advection

3 結 語

夏季期間ISO事件活躍于孟加拉灣,并存在顯著的向北傳播。本文采用1979—2016年ERA-Interim大氣再分析資料,通過對典型ISO事件進行位相合成,分析了夏季孟加拉灣MSE季節內變化的演變特征和控制機理。結論如下:1)ISO事件在孟加拉灣的向北傳播與MSE的演化密切聯系,ISO對流的增強(減弱)伴隨著MSE的顯著充(放)電過程；2)孟加拉灣MSE在充電階段和放電階段的顯著對比主要是由水平平流項所控制,其中水汽要素占據主導地位；3)水汽水平平流在對流層中高層和低層的控制機理存在顯著不同。中高層主要是由緯向平流過程所致,取決于ISO擾動緯向風對低頻水汽的輸送；低層主要源自經向平流過程,取決于低頻經向風對ISO擾動水汽的輸送。

除孟加拉灣外,夏季ISO事件在阿拉伯海和中國南海也存在顯著的向北傳播,當前結果在其他2個海區的適應性需要進一步的研究予以確認。本文強調了不同高度背景風場和水汽分布對MSE季節內演化的重要調控作用,這對理解當前模式中的ISO模擬偏差具有重要指示意義,即提高模式對季風背景的模擬能力或是縮小ISO模擬偏差的重要前提。值得說明的是,水汽水平平流的演化顯著領先于ISO對流中心(圖6),這是誘導ISO對流向北傳播的關鍵因素,Jiang等[22]強調了對流層低層水汽平流過程的重要性,這里我們同時指出了中高層水汽平流的貢獻及其不同的物理控制過程,從而增進了對ISO北傳機制的理解。