印太海盆增暖對冬季MJO的影響及其與中國南方降水的關系

摘要" 利用1979—2012年NCEP／NCAR逐日再分析資料、澳大利亞氣象局MJO指數數據、中國臺站逐日降水觀測資料、NOAA逐月海表溫度資料，分析了印太海盆增暖對冬季MJO的影響及其與中國冬季降水變化的關系。結果表明：在印太海盆增暖背景下，熱量和水汽輸送的增強導致MJO各位相強度均有增強，其中第6位相強度增強最明顯。水汽垂直分布結構的改變不僅有利于MJO第4位相繼續東傳，而且有利于MJO在第5位相滯留，引起MJO第5位相頻數異常增多。上述MJO的變化引起的局地Hadley環流下沉支位于華南地區，導致了2001—2010年與MJO第5—6位相相關的華南地區次季節性降水異常減少。

關鍵詞MJO;熱帶印度洋和西太平洋海域;海表溫度;水汽;哈德萊環流

2024-04-30收稿，2024-06-26接受

福建省災害天氣重點實驗室開放課題（2022KFKT01）;國家自然科學基金重大研究計劃重點項目（91837206）

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Madden-Julian Oscillation（MJO）是熱帶地區季節內變率的主要模態，自Madden and Julian（1971）從熱帶風場發現以來已被廣泛研究。在北半球冬季，MJO主要在印度洋發生，并以波數1—4沿赤道向東傳播，周期約為20～80 d，功率譜峰值約為45 d。MJO在印度洋和西太平洋的平均相速度為5 m／s。當MJO穿過日界線時，相關的對流往往會減弱。然后，MJO以高頻開爾文波的形式向東傳播，相速度約為15 m／s，最終返回印度洋（Zhang，2005）。已有的研究表明，在熱帶印度洋和西熱帶太平洋，水汽通量和行星邊界層（planetary boundary layer，PBL）摩擦對激發和增強MJO對流起著重要作用。Wang（1988）、Wang and Rui（1990）指出，MJO的移動與PBL相關的不穩定上升運動和對流層內水汽輻合的強迫作用，以及通過摩擦對流加熱導致的濕開爾文波與羅斯貝波的耦合影響相關。Maloney and Hartmann（1998）通過分析與MJO周期相聯系的水汽垂直積分發現，在印度洋和西太平洋地區，從地面到300 hPa的水汽垂直積分異常和地表輻合具有顯著的相關關系。摩擦產生的水汽輻合使對流東部出現水汽正異常，并緩慢加濕大氣，有利于對流的發展。充放電理論則認為MJO強對流是通過低層濕靜力能（moist static energy，MSE）的聚集和釋放建立起來的，其中低層水汽的增加導致了低層MSE的聚集（Kemball-Cook and Weare，2001）。MJO濕模型理論認為，水汽異常的增長對于印度洋和西太平洋上的MJO對流的東移和發展至關重要。水汽的垂直結構分布決定MJO的移動和發展。Hus and Li（2012）通過對物理量場的診斷指出，和MJO相聯系的水汽異常在垂直方向上具有向后傾斜的結構，正是由于這種后傾結構導致水汽異常在邊界層中存在東西方向上的不對稱分布，對流東側PBL水汽正異常有利大氣穩定度下降，進而引起MJO的向東傳播。Feng et al.（2015）通過對比東傳和不傳播的MJO事件發現，位于MJO對流東側的正水汽異常決定了MJO通過海洋性大陸繼續東傳。Jiang et al.（2015）通過對24個模式的分析也表明，模式是否能夠對水汽結構進行正確的模擬，是模式較好模擬MJO的關鍵。因此，觀測和模擬結果都表明，水汽變化是影響MJO活動的最重要因素之一。

熱帶海洋是水汽的最重要來源，海表溫度（sea surface temperature，SST）的正異常會增加熱帶海洋對大氣的加熱以及輸送水汽，通過改變自由大氣的MSE和PLB的水汽輻合，影響開爾文和羅斯貝波的耦合，造成MJO的強度和傳播發生改變。Caballero and Huber（2010）發現，當SST升高時，MJO會加強，因為水汽異常與加熱存在1／4的位相差。太平洋中部赤道地區的SST增暖（冷卻）導致東傳MJO的強度增強（減弱）（Hendon et al.，1999;Kessler，2001）。Arnold et al.（2013）證實，在固定的水汽垂直分布條件下，增暖的SST將維持濕絕熱加熱引起MSE的變化。模式模擬研究表明，赤道地區的SST增暖和不同范圍SST的變化導致低層水汽的變化，將分別有利于開爾文波和羅斯貝波的傳播，進而影響MJO移動速度的變異（Kang et al.，2013;Maloney and Xie，2013）。Liu et al.（2015）通過模式模擬研究表明，赤道地區的SST增暖可以通過PBL的埃克曼抽吸作用，有利于開爾文波快速向東傳播，造成MJO顯著東移。而范圍廣的SST增暖則有利于羅斯貝波發展，減緩了MJO的東傳。在東西方向上的SST增暖，其南北范圍較窄，有利于快速移動的熱帶開爾文波，而南北范圍寬廣的SST增暖造成赤道外地區水汽增強利于羅斯波發展，開爾文波和羅斯貝波的耦合將減緩MJO的東傳（Kang et al.，2013）。Chang et al.（2015）比較了工業革命以前和未來CO2濃度增加情景下（RCP8.5）MJO的活動特征，指出在RCP8.5情景下，MJO的振幅更大，東傳速度更強，出現的頻數更高，以及更廣闊的經向延伸，但其緯向活動受到限制。自1979年以來，觀測到的海表溫度在熱帶印度洋和西太平洋地區呈顯著升溫趨勢（Sabeerali et al.，2014;Chan and Wu，2015;圖1）。本文主要是檢驗上述印度洋和西太平洋熱帶地區的升溫趨勢對觀測中MJO的影響。因為目前只有少數模型在模擬MJO變異性方面具有較高的技能，這表明模擬MJO及其對天氣和氣候的影響仍然是當前氣候模型中的一大挑戰（Jiang et al.，2015），所以本文使用各種觀測數據集比較了1979—1988年和2001—2010年印度-太平洋盆地的MJO活動。

許多研究揭示了MJO對中國氣候的影響（張芳華等，2019;覃衛堅等，2023;馬瀟祎等，2024）。Liu and Yang（2010）發現，對應MJO這8個位相的傳播，冬季中國東部的降水增加區域從長江流域向南方移動。這些變化與赤道羅斯貝波對東傳MJO對流加熱的響應有關。He et al.（2011）指出，MJO對中國冬季地表氣溫和降水的影響主要與MJO加熱引發的局地哈德萊環流和赤道羅斯貝波在北半球的分支有關。Yao et al.（2015）指出MJO對中國南方冬季降水異常的貢獻約為10％。在2009年11月，中國東部發生的嚴重冰雪天氣事件中，強MJO事件是其中最重要的影響因素之一（Jia et al.，2011）。從1979年以來中國南方地區的冬季降水出現顯著增加趨勢（Zhai et al.，2005;Wu et al.，2018）。本文還研究了自1979年以來MJO變化對中國南方冬季降水增加的貢獻。

1" 數據和方法

本研究使用的數據包括：1）NCEP／NCAR逐日再分析數據（Kalnay et al.，1996）的風速、比濕、溫度和海平面氣壓（sea level pressure，SLP），水平分辨率為2.5°×2.5°;NOAA重建SST V3b（Smith et al.，2008），水平分辨率約為2.0°×2.0°。2）MJO指數數據。3）中國氣象局氣候數據中心提供的約544個氣象站的日降水和地面氣溫的質量控制數據集（任芝花等，2012）。數據范圍為1979—2012年，北半球冬季定義為12月—次年2月。

圖1顯示1979—2010年印度洋-太平洋海洋盆地北半球冬季SST增暖趨勢顯著。這個結果與Chan and Wu（2015）的研究結果類似；該研究結果指出，人為溫室氣體濃度增加是導致熱帶印度洋和西太平洋SST變暖趨勢的原因。研究印度洋-太平洋海洋盆增暖對MJO的可能影響，將有助于理解未來全球增暖的影響。我們將研究時段分為1979—1988年和2001—2010年共兩個10 a。

為了分離季節內變化信號，本研究使用20～100 d帶通Lanczos濾波器。顯熱源（Q1）和顯濕源（Q2）的分布是用于檢驗加熱和濕度影響的基本變量（Yanai et al.，1973），Q1和Q2的定義與Zhou and Chan（2005）相同：

Q1=cpTt+V·

SymbolQC@ T+PP0Rcp·ω·θp，" （1）

Q2=-Lqt+V·

SymbolQC@ q+ω·qp。" （2）

其中：θ表示位溫;T表示氣溫;R和cp分別表示干空氣的氣體常數和比定壓熱容;P、P0、L和V分別表示氣壓、地表氣壓、凝結潛熱和風速矢量;ω和q分別表示垂直p坐標中的垂直速度和比濕。

濕靜力能（MSE）收支方程用于對MSE收支進行診斷。根據能量平衡原理，垂直積分的MSE收支方程可以寫成：

〈mt〉=-〈V·

SymbolQC@ m〉-〈ωmp〉+FLH+FSH+〈WL〉+〈WS〉。" （3）

其中：m表示cpT+Lq+gZ；cp表示干空氣比定壓熱容;L是凝結潛熱;g是重力加速度;T是氣溫，單位是K;q是比濕，單位是kg／kg;Z是位勢高度，單位是gpm。MSE收支方程中尖括號表示1 000～100 hPa的垂直積分;t是時間;V表示水平風速矢量;

SymbolQC@ 為水平梯度算子;ω是p坐標下的垂直速度，負值代表上升運動，正值代表下沉運動;FLH是潛熱通量;FSH是感熱通量；〈WL〉和〈WS〉是大氣層頂與地表輻射通量的差值，〈WL〉代表長波輻射，〈WS〉代表短波輻射。

所用MJO指數（RMM1和RMM2）采用Wheeler and Hendon（2004）的定義。RMM1和RMM2來自澳大利亞氣象局網站（http：／／www.bom.gov.au／climate／mjo／）。MJO振幅定義為IRMM1+IRMM2（Wheeler and Hendon，2004）。在分析中選取振幅大于1的MJO事件進行位相頻數和振幅的合成。冬季為從12月—次年2月的時間段。

2" 印太海盆變暖背景下MJO的變化

MJO的頻數和振幅在1979—1988年和2001—2010年的8個位相的變化如表1、2所示。與1979—1988年相比，2000—2010年期間第5位相的頻數顯著增加，第3位相和第4位相的頻數也有所增加，但沒有通過顯著性檢驗。與此同時，2001—2010年MJO每個位相的振幅普遍呈現正增長，但只有第6位相增強超過90％置信度的顯著性檢驗。因此，熱帶印度洋和西太平洋的溫暖SST對MJO的影響主要表現為第5位相的頻數增加和第6位相的振幅加強，在2000—2010年階段MJO的對流中心更多出現在海洋大陸地區。

圖2顯示了10°S～10°N區域平均的季節內降水與印度洋區域平均降水時間序列的超前滯后回歸。從圖2中可以看出，全球變暖前后10 a，MJO的傳播速度具有相似的特征，從印度洋緩慢傳播到日界線，速度大約為5 m／s，這與引言中提到的諸多研究結果相似，表明雖然全球變暖對于MJO的強度以及位相頻數造成了顯著的差異，但是未造成MJO傳播速度的明顯改變。

除了直接觀測到的風場、溫度和濕度場外，Q1和Q2的變化可以捕捉季節內時間尺度上的對流活動（Zhou and Chan，2005），并反映MJO對流的演變（Johnson et al.，2015），對MJO振幅有重要影響。Q1和Q2可以從溫度和濕度傾向方程中由直接觀測的氣象要素場得到（Yanai et al.，1973）。Chang et al.（2015）發現，在熱帶地區Q1的最大值在500 hPa處，Q2的最大值在400 hPa處。根據上述研究，我們分析了對應MJO第6相時，1 000～100 hPa和1 000～300 hPa的Q1和Q2的垂直積分，用于檢測加熱和濕度對MJO強度的影響。圖3、4分別顯示了與第6相相對應的加熱和濕度的時間演變。陰影區域表示通過90％置信度的顯著性檢驗。當Q1超前于MJO第6相15 d時，海洋性大陸和西太平洋地區的正加熱異常增強，此處為MJO第6位相對流中心所在地（圖中綠色方框）。當Q1領先于第6位相5 d（“滯后=-5 d”）時正加熱異常達到最大值。滯后為0 d時，對流中心位于增強的加熱大值區，然后隨著MJO的移動向東傳播。Q2的演變與Q1類似，在“滯后=-10 d”時，西太平洋出現正的水汽異常，在“滯后=-5 d”時增強，然后向東傳播。上述結果表明，在第6位相出現之前的10 d內，西太平洋地區的加熱和水汽異常顯著增強。由于印度洋-太平洋海洋盆地的變暖，異常的加熱和水汽增強有利于MJO獲得更多能量來維持其發展和增強。

分析MSE收支有助于進一步理解MJO和其他熱帶擾動變化的形成機理（Peters and Bretherton，2006;Maloney，2009;Frierson et al.，2011）。MSE收支平衡方程中不同項如水平和垂直平流、地表通量和輻射加熱在MSE收支中的作用可以揭示各種過程對大氣不穩定性和MJO傳播的影響。前人的研究結果表明，MJO的降水事件發生前，水汽和MSE異常增加，而在MJO的降水事件發生后減弱（Kemball-Cook and Weare，2001;Kiladis et al.，2005;Maloney，2009）。根據Kiladis et al.（2005），計算了1 000～100 hPa整層積分的MSE收支，對應MJO第6位相的強度增強，對比分析了1979—1988和2001—2010年兩個時間段內西太平洋地區MSE異常與MJO對流的關系（圖5）。從圖中可見，在前后兩個時間段內，正MSE異常均對應MJO的對流中心，并且最大的MSE正異常出現在MJO強對流異常的2 d前，有利于MJO在東傳到海洋性大陸和西北太平洋地區的過程中不斷有新的對流生成并維持。對比兩個階段MSE的異常值可以看出，在2001—2010年，對應MJO的第6位相前期2 d，MSE的異常值偏大，與第6位相對流異常偏強一致。

為了了解不同時期對應MJO第6相MSE收支異常以及各變量場對MSE收支平衡的作用，圖6顯示了垂直積分的MSE收支平衡方程的診斷結果。從圖中可以看出，水平平流項在兩個時期中對MSE的增加有正貢獻，但在2001—2010年期間貢獻相對較小。導致2001—2010年MSE增長較1979—1988年更強的因素是MSE垂直平流項的負貢獻減弱。垂直平流項在兩個時期中都對MSE起負貢獻的作用，但在2001—2010年期間，垂直平流項對MSE減小的負貢獻要弱得多，因此造成第6相對應的MSE的增加在2001—2010年期間更顯著。

研究表明，MJO傳播與MJO對流中心的垂直向西傾斜結構以及邊界層結構之間存在密切關系，水汽異常的向西傾斜結構有利于MJO向東傳播（Hsu and Li，2012;Feng et al.，2015）。MJO“濕模型”理論表明，在PBL中，位于MJO對流中心東側的負水汽異常可能觸發MJO，并使MJO得以發展并進一步向東移動。圖7、8分別顯示了1979—1988年和2001—2010年MJO第4、5位相的水汽異常垂直剖面和OLR異常的10°S～10°N區域平均值。在圖7中，對應MJO第4位相，水汽的正異常中心與OLR異常的小值相匹配。與1979—1988年相比，2001—2010年的對流中心的水汽異常值沒有顯著差異，并且最大的正異常都位于對流層中層。但在2000—2010年，水汽異常垂直變化呈現出明顯的向西傾斜結構，在對流中心東側具有更強的負水汽異常值和不穩定的層結，有利于淺對流的發展和MJO從第4位相向第5位相的東移。這解釋了為什么在2001—2010年期間檢測到MJO第5位相頻數的顯著增加（表1）。由圖8可知，盡管在2001—2010年期間，水汽異常中心的值大于1979—1988年MJO第5位相的值，但在2001—2010期間其向西傾斜結構不明顯。這種結構不利于MJO的向東傳播，造成MJO對流在第5位相中滯留，這也解釋了在2001—2010年MJO第5位相頻數增加的原因。

3" MJO變化對中國冬季季節內降水的影響

自1979年以來，中國南方冬季降水呈增加趨勢（Wu et al.，2018）。Liu and Hsu（2019）的研究表明，華南和長江持續性強降水變化趨勢可能受到MJO活動的年代際變化影響，在近十幾年，西太平洋地區MJO對流活躍，印度洋MJO對流活動減弱，為華南持續性強降水發生提供了不利條件，但有利長江流域持續性強降水的發生。圖9顯示了1979—1988年和2001—2010年前后兩個10 a間冬季與MJO第5、6位相頻數和強度相聯系的次季節降水的變化。在2001—2010年期間，長江以北沿海地區的次季節冬季降水顯著增加。就MJO第5位相而言，在2001—2010年長江以北及其中上游地區降水異常增加，而在中國華南地區異常減少。在MJO第6位相中，降水在長江下游地區增加，在中國南部減少。因此，自1979年以來MJO強度和相頻數的變化可能導致中國南部降水異常減少。Yao et al.（2015）指出，MJO對中國南方降水變化貢獻約為10％，進一步說明MJO的變化雖然對1979年以來南方地區降水有負貢獻，但不足以影響其年代際增強的趨勢。

有模式模擬結果表明，MJO對流加熱通過強迫局地哈德萊環流的變化引起中國冬季降水的異常（He et al.，2011）。圖10 顯示了對應1979—1988和2001—2010兩個階段，MJO第5位相和第6位相沿110°～120°E區域平均的垂直環流。圖中可見，與1979—1988年相比，2001—2010年間對流層低層20°N以北的地區存在顯著的下沉運動，與He et al.（2011）的模擬結果一致，這說明局地哈德萊環流的下沉支是導致冬季中國南方地區次季節降水異常減少的原因。

4" 結論與討論

本文研究了1979—1988年和2001—2010年兩個10 a間MJO的變化，并探討了造成MJO變化的可能機制及其對中國冬季降水異常的影響。主要研究結果如下：

1）源自印度洋的MJO在2001—2010年，雖移動速度沒有顯著改變，但其強度和頻數發生了顯著變化。MJO第6位相振幅顯著增強，第5位相頻數顯著增多，出現在海洋大陸附近MJO的頻數更高。

2）印度洋-太平洋洋盆的變暖導致了西太平洋MJO對流的加強。在全球變暖SST背景下，異常的加熱和水汽增加對MJO第6位相振幅增強起了重要作用。

3）出現在海洋性大陸附近的MJO頻數增大，其變化歸因于在全球變暖SST背景下，水汽異常在第4位相向西傾斜的結構增強，而在第5位相則趨于垂直分布，這有利于MJO的由第4位相向東傳播到第5位相和在第5位相滯留不動，從而導致2001—2010年MJO第5位相頻數的增加。

4）在2001—2010年，與MJO第5、6位相相關的次季節降水異常對中國南方冬季降水異常有負貢獻，但其異常貢獻不超過10％，因此對1979年以來中國南方冬季降水增加趨勢沒有產生顯著影響。

觀測結果表明，SST變暖對MJO活動產生了顯著影響，造成某些地區MJO對流更活躍。未來利用先進的全球氣候模型（GCMs）進行研究，可能會進一步加深SST變暖對MJO的影響的理解。此外，考慮到MJO指數是通過EOF分析得到的，因此并不能完全反映MJO事件的特征。鑒于MJO事件的多樣性及其對天氣系統的影響，未來的研究可以將MJO個例之間的差異性診斷分析納入研究范圍。

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·ARTICLE·

Observed changes in wintertime MJO under sea surface temperature warming in the tropical Indian and western Pacific Oceans and their impacts on precipitation in southern China

WANG Lisong1，YANG Linan2，YAO Yonghong1，3，WU Qigang4

1School of Atmospheric Sciences，Nanjing University，Nanjing 210023，China;

2Meteorological Center，Southwest Regional Air Traffic Management Bureau，CAAC，Chengdu 610000，China;

3Fujian Key Laboratory of Severe Weather，Fuzhou 350008，China;

4Department of Atmospheric and Oceanic Sciences／Institute of Atmospheric Sciences，Fudan University，Shanghai 200000，China

Abstract" The Madden-Julian Oscillation （MJO） is the dominant mode of intraseasonal variability in the tropics and has been widely studied since its discovery by Madden and Julian in 1971.The tropical oceans are a critical source of moisture，and positive sea surface temperature （SST） anomalies enhance heating and moisture fluxes，which facilitate the initialization and propagation of the MJO.Observations reveal a significant warming trend in the tropical Indian Ocean and western Pacific （TWIP） since 1979，associated with anthropogenic greenhouse gas forcing.However，previous studies indicate that current climate models struggle to simulate MJO variability accurately，underscoring the challenges in understanding its role in weather and the climate systems.This study examines the observed impacts of SST warming in the TWIP on the MJO，focusing on changes in its characteristics and their influence on winter precipitation in China from 1979 to 2012.South China，where precipitation is heaviest，has experienced a significant increase in rainfall since 1979，making it vital to investigate the contribution of MJO changes to this trend.The analysis reveals that SST warming in the TIWP intensifies heating and moisture fluxes，leading to an increase in MJO amplitude across all phases，with a statistical significant rise in phase 6.Vertical water vapor distribution changes result in an increased frequency of MJO phases，particularly phase 5，facilitating eastward propagation from phase 4 to phase 5 and prolonging phase 5 activity.These MJO changes are linked to enhanced subsidence in South China，associated with local Hadley cell dynamics，resulting in more negative sub seasonal precipitation anomalies during MJO phases 5 and 6 in recent decades.

The findings provide observational evidence of the significant influence of SST warming on MJO activity and its subsequent impacts on regional precipitation patterns.The results highlight that MJO phase frequency changes reflect shifts in preferred regions of activity and structural adjustments.Future research should employ state-of-the-art GCMs to explore the influence of SST warming on MJO in greater detail.This study focuses on climatological changes in MJO under TWIP basin-wide warming.However，variations in MJO structure and their differential impacts on weather systems，warrant further diagnostic analysis.

Keywords" MJO;the tropical Indian Ocean and the western Pacific Ocean;SST;moisture;Hadley circulation

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20240430002

（責任編輯：袁東敏）