春季熱帶南大西洋海表溫度異常與夏季亞澳季風區降水異常的聯系

陳晨,李忠賢,陳兵,于怡秋

摘要 利用1979—2019年Hadley中心的海表溫度資料、GPCP的降水資料以及NCEP-DOE的再分析資料等，分析了北半球春季熱帶南大西洋海表溫度異常與北半球夏季亞澳季風區降水異常的聯系。研究表明，北半球春季熱帶南大西洋海表溫度異常與隨后夏季熱帶西太平洋到南海（澳大利亞東側海域到熱帶東印度洋）地區的降水異常為顯著負相關（正相關）關系。北半球春季熱帶南大西洋的海表溫度正異常可以引起熱帶大西洋和熱帶太平洋間的異常垂直環流，其中異常上升支（下沉支）位于熱帶大西洋（熱帶中太平洋）。熱帶中太平洋的異常下沉氣流和低層輻散氣流引起熱帶中西太平洋低層的異常東風，后者有利于熱帶中東太平洋海表溫度出現負異常。通過Bjerknes正反饋機制，熱帶中東太平洋海表溫度異常從北半球春季到夏季得到發展。熱帶中東太平洋海表溫度負異常激發的Rossby波使得北半球夏季熱帶西太平洋低層出現一對異常反氣旋。此時，850 hPa上熱帶西太平洋到海洋性大陸地區為顯著的異常東風，有利于熱帶西太平洋到南海（澳大利亞東側海域到熱帶東印度洋）地區出現異常的水汽輻散（輻合），導致該地區降水減少（增加）。

關鍵詞 熱帶南大西洋;海表溫度異常;亞澳季風區;降水

熱帶海洋一直被認為是大尺度海氣相互作用中最重要的區域，對全球的氣候變化有顯著影響（Chang et al.，2006;Li et al.，2010）。國內外學者研究指出，熱帶東太平洋（Wang et al.，2000;Wu et al.，2009;陳蔚和管兆勇，2016）、熱帶西太平洋（黃榮輝和孫鳳英，1994;Wu et al.，2003;黃榮輝等，2005），以及熱帶印度洋（Schott and McCreary，2001;Li et al.，2008;陳小婷等，2010）海表溫度異常對亞澳季風區的氣候異常具有重要的影響。近年來，熱帶大西洋地區海表溫度異常及其影響成為學者們關注的前沿熱點問題（容新堯等，2010;Ham et al.，2013a，2013b;Hong et al.，2014;Jin and Huo，2018;李忠賢等，2019a;徐集云等，2019）。

熱帶南大西洋海表溫度異常作為熱帶大西洋地區氣候變率中的重要信號（Servain et al.，1999;Ruiz-Barradas et al.，2000），不僅在局地氣候變化中起到顯著作用（Vizy and Cook，2001;Okumura and Xie，2004;Barreiro and Tippmann，2008;Brandt et al.，2011），對較遠距離的氣候變化同樣有重要影響（Wang et al.，2009;Mohino and Losada，2015;Kucharski et al.，2016;Kucharski and Joshi，2017）。Kucharski et al.（2008，2009）的研究結果表明，北半球夏季熱帶南大西洋海表溫度正異?？梢栽跓釒Т笪餮蟮貐^激發出典型的Gill-Matsuno四極型環流異常，并通過大氣Kelvin波將環流異常信號傳遞到印度洋地區，使得印度洋地區對流層低層被異常高壓控制，引起印度季風環流減弱，從而導致印度地區夏季降水減少（Barimalala et al.，2012;2013）。Wang（2006）通過觀測分析表明，熱帶大西洋和太平洋間的海表溫度梯度異常會在南美洲赤道地區以及兩大洋上引起緯向風異常，該緯向風異常有利于兩大洋間的相互作用。隨后的研究表明，北半球夏季熱帶南大西洋海溫正異常引起Walker環流異常，熱帶中西太平洋低層出現異常東風，使得熱帶中太平洋海表溫度降低和溫躍層變淺，溫躍層負異常通過海洋冷性Kelvin波向東傳播，導致熱帶中東太平洋海表溫度降低，有利于誘發La Nia事件（Losada et al.，2010;Keenlyside et al.，2013;Martín-Rey et al.，2015;Polo et al.，2015）。研究發現北半球夏季熱帶南大西洋海表溫度異常與長江流域的夏季降水異常存在顯著的正相關關系（李忠賢等，2019b）。此外，研究指出北半球冬季熱帶南大西洋的海表溫度正異常將導致澳大利亞地區對流層低層受到異常氣旋性環流控制并伴有異常上升運動，使得該地區降水增加（Lin and Li，2012）。

綜上所述，以往的研究主要關注北半球夏季熱帶南大西洋海表溫度異常與印度洋和太平洋地區海表溫度和氣候的聯系，而關于北半球春季熱帶南大西洋海表溫度變化特征及其對亞澳季風區降水影響的研究較少。那么，北半球春季熱帶南大西洋海表溫度異常與亞澳季風區的降水是否存在顯著聯系，以及其中可能的物理機制又是怎樣的呢？本文將主要解決上述問題，為亞澳季風區的夏季降水預測提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料

1）英國氣象局哈德萊中心（The UK Meteorological Office Hadley Center）提供的月平均海表溫度（sea surface temperature，SST）資料（Rayner et al.，2003），水平分辨率為1.0°×1.0°。2）美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）提供的逐月OLR資料，水平分辨率為2.5°×2.5°。3）GPCP（Global Precipitation Climatology Project）的逐月降水資料（Adler et al.，2003），水平分辨率為2.5°×2.5°。4）美國國家環境預報中心/美國能源部（NCEP-DOE）提供的逐月風場、位勢高度以及相對濕度等再分析資料（Kanamitsu et al.，2002），水平分辨率為2.5°×2.5°。上述所選用的資料均為1979—2019年，為了方便敘述，文中春季指北半球春季，為3—5月（MAM）;夏季指北半球夏季，為6—8月（JJA）。在進行分析前，資料中各要素的線性趨勢已去除。

1.2 方法

主要采用旋轉正交經驗函數（REOF）、相關分析、回歸分析以及合成分析等統計方法，此外通過t檢驗對統計結果進行顯著性檢驗。

利用熱帶太平洋和熱帶大西洋地區的850 hPa和200 hPa速度勢來定義兩個大洋間的緯向垂直環流強度指數IVC（vertical circulation index，VCI），具體公式如下：

φTP=φ850 hPaTP-φ200 hPaTP。（1）

φTA=φ850 hPaTA-φ200 hPaTA。（2）

IVC=φTP-φTA。（3）

其中：φTP為熱帶中太平洋（170°E～135°W，2.5°S～2.5°N）地區平均的850 hPa和200 hPa速度勢之差;φTA熱帶大西洋（45°W～0°，2.5°S～2.5°N）地區平均的850 hPa和200 hPa速度勢之差。當VCI為負時表示熱帶大西洋地區為上升氣流，熱帶中太平洋地區為下沉氣流;反之亦然。

2 春季熱帶南大西洋模態及其與夏季亞澳季風區降水的聯系

為分析春季熱帶大西洋海表溫度的變化特征，選取1979—2019年春季熱帶大西洋地區（70°W～15°E，30°S～30°N）海表面溫度距平EOF分解得到的前15個模態（累計方差貢獻為96.4%）進行REOF分解。REOF分解得到的第一模態的方差貢獻率為36.4%，其空間分布表現為熱帶北大西洋海表溫度異常（圖略），該模態被稱為熱帶北大西洋模態（Ham et al.，2013a）。第二模態的方差貢獻率為20.9%，其空間分布如圖1a所示，海表溫度異常主要位于熱帶南大西洋地區，而熱帶北大西洋地區海表溫度異常較弱，該模態被稱為熱帶南大西洋模態（Ruiz-Barradas et al.，2000）。從春季熱帶南大西洋模態的時間序列（圖1b）可知，該模態表現為明顯的年際變化特征，模態的時間系數最大值出現在1988年，最小值出現在1997年。

利用區域（45°W～15°E，25°S～5°N）平均的海表溫度表示熱帶南大西洋海表溫度變化特征（Servain，1991），并記為SBI（South Basin Index）。計算得到的春季SBI和熱帶南大西洋模態的時間系數之間的相關系數為0.86，通過了99%置信水平的顯著性檢驗?？梢?，春季熱帶南大西洋模態可以充分體現春季熱帶南大西洋海表溫度異常的變化特征，在后文分析中將標準化的熱帶南大西洋模態的時間系數記為STAI（South Tropical Atlantic Index）。將STAI大于1的年份記為熱帶南大西洋海表溫度正異常年，小于-1的年份記為熱帶南大西洋海表溫度負異常年，共挑選出6個正異常年（1985、1988、1996、1998、2008、2010年）和7個負異常年（1980、1981、1992、1993、1997、2012、2018年）。

圖2為春季STAI與夏季亞澳季風區降水距平的相關系數分布。從圖中可知，春季熱帶南大西洋海表溫度異常與夏季熱帶西太平洋到南海地區的降水異常存在負相關關系，中心數值可達-0.40左右（通過了99%置信水平的顯著性檢驗）;與澳大利亞東側海域到熱帶東印度洋地區為正相關關系，中心數值達0.40左右（通過了99%置信水平的顯著性檢驗）。這表明，當春季熱帶南大西洋海表溫度正（負）異常時，夏季熱帶西太平洋到南海地區的降水將會減少（增加），澳大利亞東側海域到熱帶東印度洋地區降水將會增加（減少）。

為了進一步分析春季熱帶南大西洋海表溫度異常與夏季亞澳季風區降水異常的聯系，圖3給出了春季熱帶南大西洋海表溫度正異常年與負異常年的夏季降水距平的合成差值分布。從圖3中可見，其空間分布與圖2基本一致，即春季STA正異常年，夏季熱帶西太平洋到南海地區（澳大利亞東側海域到熱帶東印度洋地區）降水較STA負異常年減少（增加）了 3.0 mm/d（2.0 mm/d）左右。綜上可知，春季熱帶南大西洋海表溫度異常與夏季亞澳季風區降水異常存在顯著的聯系。

3 春季熱帶南大西洋海表溫度異常影響夏季亞澳季風區降水異常的可能機制

夏季亞澳季風區的低層大氣環流對該地區的水汽輸送起到至關重要的作用，而水汽輸送及其輻合將直接影響降水（陳際龍和黃榮輝，2006;范倩瑩等，2018）。圖4給出了春季STAI與夏季亞澳季風區850 hPa風場、整層水汽通量（1 000～300 hPa）散度距平的回歸系數分布。從圖4中可知，當春季熱帶南大西洋海表溫度正異常時，夏季850 hPa上熱帶東太平洋到海洋性大陸地區為顯著的異常東風（圖4a），熱帶東太平洋到南海地區出現異常水汽輻散，有利于水汽向西輸送至熱帶東印度洋到澳大利亞東側海域地區并引起異常水汽輻合（圖4b），使得熱帶東太平洋到南海地區（澳大利亞東側海域到熱帶東印度洋地區）降水減少（增加）。

春季STAI與夏季OLR場以及500 hPa垂直速度的回歸系數分布如圖5所示。從圖5中可以看出，當春季熱帶南大西洋海表溫度正異常時，夏季從熱帶東太平洋到南海地區的OLR場為顯著正異常，表示上述地區對流活動受到抑制，同時500 hPa上表現為異常下沉運動，有利于該地區降水減少;夏季澳大利亞東側海域到熱帶東印度洋地區的OLR場為顯著負異常，表示該地區對流活動的發展，同時500 hPa上表現為異常上升運動，有利于該地區降水增加;反之亦然。

圖6為春季STAI與春、夏季850 hPa旋轉風場和流函數距平的回歸系數分布。從圖6中可以看到，當春季熱帶南大西洋海表溫度正異常時，在大西洋赤道北側激發出異常氣旋式環流（Matsuno，1966;Gill，1980），同時西太平洋的赤道兩側出現一對異常反氣旋（圖6a）。夏季，大西洋赤道北側的異常氣旋西移，西太平洋的赤道兩側的異常反氣旋加強，使得夏季亞澳季風區出現顯著的異常環流（圖6b）;反之亦然。

從春季STAI與春、夏季的輻散風場以及勢函數距平的回歸系數（圖7）可知，春季熱帶南大西洋海表溫度異常與大西洋和太平洋之間的垂直環流異常存在顯著聯系。當春季熱帶南大西洋海表溫度為正異常時，由于局地對流的活動加強，使得熱帶大西洋對流層低（高）層出現異常輻合（輻散）氣流，同時熱帶中太平洋地區對流層低（高）層出現異常輻散（輻合）氣流，在熱帶大西洋到熱帶太平洋間形成異常垂直環流。熱帶中太平洋地區的異常下沉氣流以及對流層低層的輻散氣流有利于熱帶西太平洋地區異常反氣旋的維持和加強（Hong et al.，2014）。

為了進一步分析春季熱帶南大西洋海表溫度異常對熱帶大西洋與熱帶太平洋間垂直環流的影響，圖8給出了春季STAI與5°S～5°N緯向平均垂直環流的回歸系數分布。從圖8中可知，當春季熱帶南大西洋海表溫度偏暖時，熱帶大西洋到熱帶太平洋地區出現異常垂直環流，其中上升支分別位于熱帶大西洋和熱帶西太平洋，下沉支位于熱帶中太平洋，熱帶中西太平洋低層為異常東風（圖8a）。夏季時，熱帶大西洋到熱帶西太平洋地區的異常垂直環流加強，熱帶西太平洋地區低層的異常東風進一步加強（圖8b）。

通過計算得到的春季STAI與春季和夏季熱帶大西洋與熱帶太平洋間緯向垂直環流強度指數（VCI）的相關系數分別為-0.58和-0.44，均通過了99%置信水平的顯著性檢驗。所以春季熱帶南大西洋地區海表溫度異常與春季和夏季熱帶大西洋到熱帶太平洋間的緯向環流圈具有顯著負相關關系。

圖9給出了春季STAI與春、夏季近地面風場以及海表溫度距平的回歸系數分布。由圖9a所示，春季熱帶南大西洋海表溫度正異常時，熱帶西太平洋近地面為異常偏東風，熱帶中東太平洋海表溫度為負異常。這可能是由于熱帶西太平洋海表異常偏東風有利于熱帶中東太平洋表層海水向西輸送，同時熱帶東太平洋冷水上翻造成的（Polo et al.，2015）。在熱帶海氣系統Bjerknes正反饋機制作用下（Chang et al.，2006），夏季熱帶南大西洋海表溫度正異常得以持續，熱帶西太平洋地區異常偏東風和熱帶中東太平洋海表溫度負異常加強，從而使得夏季熱帶太平洋地區出現類La Nia型海表溫度異常（圖9b）。

由此可知，北半球春季熱帶南大西洋海表溫度異?？梢詫Υ骸⑾募緹釒е袞|太平洋海表溫度異常產生重要的影響，而春、夏季熱帶中東太平洋海溫異常又進一步對亞澳季風區環流異常產生顯著的影響（Wang et al.，2000;Meehl and Arblaster，2011）。春季熱帶南大西洋海表溫度正異常，通過熱帶大西洋到熱帶太平洋地區的異常垂直環流，引起中西太平洋低層產生異常的東風，進而導致熱帶中東太平洋海表溫度產生負異常。通過Bjerknes正反饋機制，熱帶中東太平洋海表溫度異常信號從春季到夏季得到發展。熱帶中東太平洋海表溫度負異常激發的Rossby波使得夏季熱帶西太平洋低層出現異常反氣旋環流，使得亞澳季風區出現降水異常。

4 討論和結論

1）熱帶南大西洋海表溫度異常變化是春季熱帶大西洋海表溫度異常REOF分解的第二模態，方差貢獻率為20.9%，該模態存在較為顯著的年際變化特征。

2）當春季熱帶南大西洋海表溫度正異常時，夏季850 hPa上熱帶西太平洋到海洋性大陸地區表現為顯著的異常東風，西太平洋地區赤道兩側出現一對異常氣旋，在熱帶西太平洋到南海（澳大利亞東側海域到熱帶東印度洋）地區出現異常水汽輻散（輻合），導致降水減少（增加）。

3）春季熱帶南大西洋海表溫度正異常通過熱帶大西洋和熱帶太平洋間的異常垂直環流，引起熱帶中西太平洋低層出現異常的東風，進而導致熱帶中東太平洋海表溫度產生負異常。通過Bjerknes正反饋機制，熱帶中東太平洋海表溫度異常信號從春季到夏季得到發展。熱帶中東太平洋海表溫度負異常激發的Rossby波使得夏季熱帶西太平洋低層出現異常反氣旋環流，異常反氣旋通過異常的水汽輸送影響夏季亞澳季風區的降水異常。

本文的研究表明，北半球春季熱帶南大西洋海表溫度異常與夏季亞澳季風區降水異常存在密切的聯系，前者可以作為夏季亞澳季風區的氣候預測的一個潛在的預測因子。本文所得結果基于診斷分析，對于春季熱帶南大西洋海表溫度異常對夏季亞澳季風區降水異常影響的機理仍有待于數值試驗的進一步驗證。

致謝：本文的數值計算得到了南京信息工程大學高性能計算中心的計算支持和幫助。

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Relationship between spring South tropical Atlantic SST anomalies and summer precipitation anomalies in Asian-Australian monsoon region

CHEN Chen1，2，LI Zhongxian1，CHEN Bing3，YU Yiqiu4

1 Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

2Qiqihar Meteorological Bureau，Qiqihar 161006，China;

3Jiangsu Climate Center，Nanjing 210019，China;

4Shenyang Regional Climate Center，Shenyang 110166，China

Based on the sea surface temperature （SST） from Hadley Center，the precipitation data of GPCP，NCEP-DOE reanalysis data，the variability of boreal spring south tropical Atlantic （STA） SST anomaly （SSTA） and its association with boreal summer precipitation in the Asian-Australian monsoon region are investigated by using statistical analysis methods.The results indicate a significant negative （positive） relationship between boreal spring STA SSTA and subsequent summer precipitation anomalies in the tropical western Pacific-South China Sea （the sea between eastern Australia and the tropical eastern Indian Ocean）.The spring positive STA SSTA can cause an anomalous vertical circulation over the equatorial Atlantic and tropical Pacific.The anomalous descending and low-level divergence over the tropical central Pacific can generate anomalous easterly conditions in the tropical western Pacific，which can result in a negative SSTA in the tropical central eastern Pacific.In the tropical central and eastern Pacific，the SSTA can be enhanced by the Bjerknes positive feedback mechanism from boreal spring to summer.During boreal summer，two anomalous anticyclones are induced over the western Pacific as a result of the Rossby wave response to the negative SSTA in the tropical central eastern Pacific.The tropical western Pacific and South China Sea （seas to eastern Australia and tropical eastern Indian Ocean） are experiencing anomalous easterly winds in 850 hPa，resulting in less （more） precipitation for tropical west Pacific and South China Sea.

South tropical Atlantic;SSTA;Asian-Australian monsoon region;precipitation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200522001

（責任編輯：劉菲）