熱帶印度洋夏季水汽輸送特征及對南亞季風區降水的影響

陳紅

0 引言

南亞(5～30°N,60～110°E)是著名的季風區,區域人口密集,旱澇異常對該區域人民的生活、農作物的生長、社會經濟的發展等均產生決定性的影響．南亞雨季主要集中在西南季風盛行的夏季(6—9月),受印度夏季風的影響,來自印度洋、阿拉伯海、孟加拉灣等地的水汽給南亞地區帶來充沛降水．印度年降水的近80%來自夏季風降水[1]．因此研究南亞地區夏季降水異常機理,對理解南亞季風區氣候異常成因、國家防災減災意義重大.

充沛的水汽輸送是形成持續性強降水的必要條件．南亞季風區受印度夏季風的影響,水汽輸送及其輻合輻散直接影響到區域旱澇的發生,水汽輸送異常決定了旱澇災害的時空分布,因此分析降水的水汽來源及輸送狀況對于研究降水成因和機理有重要的意義．迄今為止,已有不少研究關注了水汽輸送對南亞區域降水的影響．有研究指出,印度季風區和東亞季風區水汽輸送的氣候特征有明顯差異,印度季風區水汽輸送以緯向輸送為主,東亞季風區經向水汽輸送要大于緯向輸送[2];Ninomiya 等[3]的研究指出印度洋暖池是南亞季風降水的主要水汽源;Sadhuram等[4]發現阿拉伯海的水汽通量對西南季風期間印度降水非常重要;Rakhecha等[5]的研究也表明阿拉伯海是印度西岸強降水的重要水汽輸送源地;Prasanna[6]認為,熱帶印度洋和熱帶西太平洋的水汽輸送對印度旱澇循環的改變有重要影響．進一步地,相關研究也揭示了印度洋區域水汽輸送的變化是如何影響南亞降水的．如,Latif等[7]的研究表明,印度中北部降水的減少與孟加拉灣向北的水汽輸送異常有關,而阿拉伯海向北的水汽輸送增多則造成了巴基斯坦降水的增多；Ullah等[8]的分析強調了阿拉伯海水汽輸送的增強對1994年巴基斯坦及附近地區降水的偏多有重要作用；Latif等[9]基于CMIP5的結果分析表明,在全球變暖趨勢下阿拉伯海和孟加拉灣向北水汽輸送的加強是印度次大陸-巴基斯坦降水增強的可能原因．這些研究結果都強調了熱帶印度洋關鍵區域水汽輸送對南亞季風區夏季降水的影響.

以上這些研究主要從降水異常角度出發集中分析與區域降水相關的水汽輸送異常,缺乏關于水汽輸送時空異常特征及其對降水影響的研究．熱帶印度洋水汽輸送有什么樣的時空分布特征,其對南亞降水有何影響,影響水汽輸送時空變化的因子及影響機制如何?這些問題都缺乏系統研究．所以本研究擬從水汽輸送角度出發,探討熱帶印度洋水汽輸送對南亞季風區降水異常的影響及其機理.

1 資料和方法

本文采用的資料包括:大氣環流資料采用1979—2017年NCEP/NCAR(美國國家環境預測中心/國家大氣研究中心)2.5°×2.5°逐月再分析資料,包括1 000至10 hPa共17層的緯向風、經向風和比濕,以及地面氣壓場．降水為1979—2017年CMAP(CPC Merged Analysis of Precipitation) 2.5°×2.5°分辨率資料(https:∥www.psl.noaa.gov/data/gridded/)．觀測海表溫度資料采用NOAA重建的長時間序列海溫資料(https:∥www.psl.noaa.gov/data/gridded/),分辨率為2.5°×2.5°.

采用黃榮輝等[2]方法,計算地表至300 hPa 整層水汽輸送通量及水汽輸送通量散度．采用多元經驗正交函數分解(EOF)分析方法[10]對熱帶印度洋區域的整層水汽輸送通量(包括緯向和經向水汽輸送通量)的標準化場做EOF分解．另外還采用了一元線性回歸分析方法．文中夏季時段為6—9月．EOF分解的熱帶印度洋區域取為(15°S～30°N,30°～110°E).

2 結果分析

2.1 水汽輸送時空分布特征

南亞季風區夏季水汽輸送路徑比較簡單,水汽主要來源于索馬里急流,然后經阿拉伯海轉向流向印度半島、孟加拉灣,水汽輸送以緯向輸送為主[2]．這條熱帶印度洋水汽路徑的時空變化決定了南亞夏季降水的異常分布.

對1979—2017年熱帶印度洋區域的整層水汽輸送通量(包括緯向和經向水汽輸送通量)的標準化場做EOF分解,前兩個主模態解釋方差分別為17.1%和12.2%．按照North準測[11],這兩個主分量是顯著的,可以表征該區域水汽輸送異常的主要分布類型．圖1給出了水汽輸送前兩個模態的空間分布和時間系數．由圖1a可見,水汽輸送第一模態(EOF1)表現為異常水汽從南海向西到達孟加拉灣后分成兩支,一支向南轉向到達熱帶東印度洋,一支繼續往西轉西北到達印度和阿拉伯海東部.此外熱帶西印度洋為順時針水汽輸送,索馬里水汽輸送加強．第一模態時間系數(PC1)表現為明顯的年代際特征(圖1c),以1998年為界,之前時間系數以負值為主,1998年之后基本為正值,2010年后正異常值有所減弱．第二模態空間分布(EOF2)表現為異常水汽從赤道東印度洋一直往西輸送到達赤道西印度洋,然后轉向北沿阿拉伯海、印度半島、孟加拉灣、中南半島往東輸送,整個熱帶印度洋呈現一個反氣旋的異常水汽輸送(圖1b)．第二模態時間系數(PC2)也表現為一定的年代際變化特征(圖1d),1990年以前以負值為主,12年中8年為負值;1991—2009年以正值為主,19年中15年為正值;2010年后時間系數又以正值為主.

圖2是PC1、PC2回歸的整層水汽通量分布．從圖中可以發現回歸得到的空間分布與EOF1、EOF2 的空間分布是完全一致的．對于PC1 回歸的整層水汽通量而言(圖2a),中南半島、孟加拉灣、印度次大陸以偏東的異常水汽輸送為主,熱帶西印度洋為順時針異常水汽輸送,索馬里急流區水汽輸送加強,這些區域的水汽輸送異常基本都能通過顯著性檢驗．PC2 回歸的整層水汽通量表現為異常水汽從熱帶印度洋沿阿拉伯海、印度半島、孟加拉灣、中南半島的反氣旋輸送(圖2b),這些區域的水汽輸送異常也基本能通過顯著性檢驗.

2.2 熱帶印度洋水汽輸送與南亞夏季降水關系

為研究熱帶印度洋水汽輸送異常與南亞季風區降水的關系,圖3a和3b分別給出了PC1、PC2 對南亞夏季降水的一元線性回歸分布．可以看出,PC1與中南半島許多區域的降水呈負相關,顯著相關區位于緬甸及越南西南部等地;PC1與印度中部降水呈正相關,相關性通過90%以上信度檢驗的區域主要在印度中西部地區;PC1與印度半島南端及印度東北部降水為負相關,印度半島南端相關性通過90%信度檢驗．PC2與印度東北部區域降水呈顯著正相關,與印度南部降水呈顯著負相關;此外,PC2與中南半島降水大部區域呈正相關,但相關性不顯著.

為考察水汽輸送異常影響南亞季風區降水的初步成因,圖3c和3d分別給出了PC1、PC2回歸的整層水汽通量散度,圖3e和3f分別給出了PC1、PC2回歸的500 hPa垂直速度．圖3c及圖3e表明,PC1在印度中部對應顯著的異常水汽輻合,同時伴隨著顯著的上升運動,有利于該處降水的增多;在印度半島南端和東北部為水汽輻散,加上這些地區上空為下沉運動,不利于降水的發生;PC1在中南半島東南部和西部對應顯著的異常水汽輻散,導致這些區域降水的顯著減少．南亞季風區夏季水汽來源于阿拉伯海往東的水汽輸送,PC1對應的中南半島和印度半島南端水汽為顯著的往西的異常輸送(圖2a),導致這些區域水汽輸送的減少,因此降水減少．印度中部降水的增多可能與區域水汽向北的異常輸送有關．從圖3d和圖3f可以看出,PC2在印度東北部、中南半島對應顯著的水汽輻合,同時伴隨著這些區域上空顯著的上升運動,有利于降水的增多;PC2在印度中南部區域對應水汽輻散和下沉運動,導致了該區域降水的減少．從圖2b上也可發現,印度中南部為反氣旋異常水汽輸送,水汽輻散,不利于這些區域的降水發生,而印度東北部為氣旋性水汽輸送,有利于水汽輻合、降水發生.

2.3 水汽輸送與海溫的關系

印度洋海溫代表了印度洋上的熱力狀況,熱帶印度洋海溫對印度夏季風的發展和維持起著重要的作用,并對鄰近地區的降水產生影響,所以本節主要揭示熱帶印度洋海溫對該區域水汽輸送異常的影響．圖4 給出了PC1、PC2 與春季及夏季SST(海表溫度)的一元線性回歸分布．可以看出,與PC1相對應,春、夏季熱帶印度洋為一致的偏暖SST,春季表現為整個熱帶印度洋的顯著偏暖,夏季熱帶印度洋顯著偏暖范圍比春季有所減小,特別是靠近非洲大陸的西印度洋偏暖不顯著．由 PC2回歸的SSTA分布表明,PC2對應的春季海溫為熱帶印度洋的整體偏冷,東部偏冷程度要高于西部,偏冷顯著區主要集中在熱帶東印度洋．同期夏季主要為熱帶西印度洋SST 顯著偏暖,熱帶東南印度洋相應偏冷,對應熱帶印度洋偶極子正位相．因此,總的來說,就水汽輸送與海溫的關系而言,第一模態與熱帶印度洋整體增暖關系密切,而第二模態與同期的印度洋偶極子關系密切.

以上僅從統計上來考慮海溫與水汽輸送主要模態的關系.由于印度洋SST的年際變化和ENSO之間關系密切,為將印度洋的影響信號從ENSO的影響信號中分離出來,檢驗印度洋一致增暖和偶極子模態與水汽輸送前兩個模態是否存在直接的因果關系及可能影響機制,本文利用IAP AGCM4.0氣候模式進行數值試驗．該模式是中國科學院大氣物理研究所發展的第4代大氣環流模式,模式的水平分辨率為1.4°×1.4°,垂直方向26層,模式對基本氣候態、全球和區域尺度年際變率、季節內變率、年代際變率等具有一定的模擬能力[12-15]．針對熱帶印度洋一致增暖設計兩組試驗:一組試驗中熱帶印度洋(35°～110°E,15°S～25°N)3—9月海溫相對氣候態增加0.5 ℃(試驗1),另一組試驗中熱帶印度洋海溫相對氣候態減少0.5 ℃(試驗2)．通過試驗1和試驗2的差值來考察熱帶印度洋一致增暖對水汽輸送及降水的影響(圖5)．針對印度洋偶極子也設計兩組試驗:

一組試驗中夏季6—9月西印度洋(10°S～10°N,50°～70°E)海溫相對氣候態增加0.5 ℃,熱帶東印度洋區域(10°S～10°N,90°～110°E)海溫相對氣候態減少0.5 ℃(正偶極子試驗,試驗3),另一組試驗與試驗3相反(負偶極子試驗,試驗4)．通過試驗3和試驗4的差值來考察印度洋偶極子的影響．四組試驗均從3月1日積分到9月底,共取10個樣本,每個樣本的初始場為模式在氣候海溫驅動下達到積分平衡后每年輸出的一個積分結果.

熱帶印度洋一致增暖試驗顯示,熱帶印度洋正SSTA(海表溫度異常),夏季西太平洋副熱帶高壓加強西伸,熱帶西太平洋—孟加拉灣為東風異常(圖5a、5b)．Xie 等[16]的研究指出夏季熱帶北印度洋偏暖的SST可以加熱上空對流層大氣并激發暖性Kelvin 波東傳,最終造成西北太平洋出現異常反氣旋,從而增強西太平洋副熱帶高壓,本文模式試驗結果也證實了這一點．異常水汽沿著副高南緣向西輸送,一直到達中南半島、印度次大陸,減弱了氣候態上這些區域的西風水汽輸送,導致中南半島、印度東部降水減少(圖5c、5d)．此外,赤道西印度洋低層 850 hPa上為較強的西風異常,水汽輸送表現為順時針異常輸送,索馬里水汽輸送也是加強的．這些結果與水汽輸送第一模態分布比較接近,說明熱帶印度洋一致增暖是影響水汽輸送第一模態及相應的南亞降水異常的重要因子.

熱帶印度洋偶極子試驗結果顯示,夏季偶極子正位相時,熱帶西印度洋增暖,對流加強、輻合上升,東印度洋偏冷,對流減弱,上空大氣輻散下沉,引起印度洋walker環流異常,赤道印度洋低層盛行東風(圖6a),熱帶北印度洋為反氣旋異常環流(圖6b)．印度和孟加拉灣南部為反氣旋異常水汽輸送,水汽輻散,不利于這些區域的降水發生,而孟加拉灣北部為氣旋性水汽輸送,水汽輻合,有利于印度東北部及孟加拉灣北部地區降水發生(圖6c、6d)．這些結果與水汽輸送EOF2及對應的降水異常分布比較一致,說明同期熱帶印度洋偶極子確實與水汽輸送的第二模態及其對應的南亞降水異常密切相關.

3 結論與討論

利用1979—2017年NCEP/NCAR再分析環流資料、CMAP降水量和NOAA海溫資料,分析了熱帶印度洋夏季水汽輸送的主要時空變化特征,并考察其對南亞季風區降水的影響．通過對熱帶印度洋水汽輸送標準化場進行EOF分解,得到兩個主模態．第一模態表現為異常水汽從南海向西到達孟加拉灣后分成兩支,一支向南到達熱帶東印度洋，一支繼續往西到達印度次大陸和阿拉伯海,從而減弱了印度半島南端和中南半島的西風水汽輸送,導致這些區域降水的減少;此外熱帶西印度洋為順時針水汽輸送,索馬里水汽輸送加強．第二模態表現為異常水汽從赤道東印度洋一直往西輸送到達赤道西印度洋,然后轉向北沿阿拉伯海、印度半島、孟加拉灣、中南半島往東輸送,印度和孟加拉灣南部為反氣旋異常水汽輸送,水汽輻散并伴隨下沉運動,導致這些區域降水減少;而印度東北部為氣旋性水汽輸送,對應水汽輻合和顯著上升運動,有利于印度東北部降水增多.

就水汽輸送與局地海溫的關系而言,夏季熱帶印度洋水汽輸送第一模態與春、夏季熱帶印度洋整體增暖關系密切,而第二模態則與同期印度洋偶極子關系密切．數值試驗結果表明,熱帶印度洋為正SSTA,有利于西太平洋副熱帶高壓加強西伸,異常水汽沿副高南緣異常向西一直輸送到達孟加拉灣、印度區域,減弱了這些區域的西風水汽輸送．而熱帶印度洋偶極子正位相則有利于赤道印度洋盛行東風,熱帶北印度洋為反氣旋水汽輸送,印度和孟加拉灣南部為水汽輻散.

本文數值模擬結果證實了熱帶印度洋整體增暖對水汽輸送第一模態有重要影響,而第二模態則受同期的印度洋偶極子的影響．但我們也注意到熱帶印度洋一致增暖試驗中模式模擬的印度半島東部向北的水汽輸送與EOF1相比偏弱,導致印度半島降水中東部降水的偏多沒有模擬出來,偶極子試驗中中南半島向東的水汽輸送偏弱,等等．這一方面可能與模式分辨率、模式性能有關,另一方面可能是由于試驗中的海溫異常，本文給出的是理想異常海溫分布,并不是實際的異常海溫,所以模式結果與觀測并不完全一樣．此外,熱帶印度洋水汽輸送除了受印度洋海溫異常影響外,還可能受其他因子,如熱帶太平洋、大西洋海溫、歐亞積雪等的影響．本文側重分析了熱帶印度洋SST的影響,其他區域海溫及積雪等的影響需要以后進一步展開.