PDF《夏季南北半球际大气质量涛动及其与季风异常的 联系》

1 资料及方法 1.1 资料 本文数据取自 NCEP/NCAR 再分析数据集[10] , 所用变量为地表气压(Ps)、海平面气压场(SLP)、位势 高度、比湿及高空风场(u 和v), 格点分辨率为 2.5°*2.5°, 覆盖时段为 1958~2006 年, 共49 个夏季(6,

7 和8月平均). 尽管 Ps 在该套资料中被划分为了 B 类资料(高度地依赖于同化模式地形)[10] , 但文献[8, 11]通过干空气质量守恒性验证了该变量的可靠性. 本文所取季风指数有 Webster 和Yang[12] 提出的亚洲 夏季风指数(WYI, http://iprc.soest.hawaii.edu/~ykaji/ monsoon/wymidx/wymidx-jja.txt)、Li 和Zeng[13] 提出 的东亚夏季风指数(EASMI) 及西非夏季风指数(WASMI, http://www.lasg.ac.cn/staff/ljp/index.html). 另 取同时段我国

160 站月平均降水资料. 1.2 方法 文献[1]利用地表气压场 Ps 构造夏季 IHO 指数, 其公式如下: d d sSH sNH π/2 sNH s

0 0 sSH s π/2 , cos , cos , IHO I P P P P P P ? ? ? ? ? = ? = = ∫ ∫ (1) 式中 PsNH 和PsSH 分别表示南、北半球表面异常气压 的权重面积平均值, ?为纬度, s P 表示纬向平均的地 表气压. 这里 IIHO 取为南半球减北半球平均地表气压 差, 与文献[1]指数符号相反, 因为在季节变化过程 中, 北半球的夏季对应着南半球的冬季, 南半球平均 Ps 一般高于北半球, 以此构造夏季 IHO 指数更为直 观(本文中夏季均对北半球而言).

2 夏季IHO与全球大气异常质量分布 大气质量异常分布对低层大气环流变化起着重 要作用. Guan 等[5] 指出在南半球中高纬区域, 四季 IHO 对应的年际异常大气质量均出现大值区, 而南 极涛动 AAO 为影响该区域大气环流的主要大气涛动, 这说明 IHO 与AAO 可能存在联系. 参考 Gong 和Wang[2] 利用 40°~65°S 纬度间 SLP 气压差定义 AAO 指数方法, 本文计算了夏季 IHO 指数与 AAO 指数的 相关系数, 其数值为?0.81;

通过 0.01 显著性水平的 t 检验, 表明 IHO 与AAO 可能存在密切联系. 然而, AAO 对低层大气环流变化的贡献主要集中于其相关 中心及附近[14] , 而IHO 则表现为半球际大气相互作 用及全球范围内的大气质量重新分布, 两者对低层 大气环流变化的贡献有所不同. 分析 IHO 和AAO 对 各纬圈大气质量分布的平均方差贡献率(表1)可知, 夏季 IHO 对全球范围内的大气质量分布贡献达到 20%, 除对南极60°~90°S 范围贡献较高外,对30°S~60°N 区域的大气质量分布变化亦有较大影响;

而AAO 贡献较大区域主要集中于南半球 30°~90°S 区域, 且在其余各纬圈的贡献率均低于 IHO. 由图

1 看出, IHO 方差贡献高值区主要集中在南极地区以及 30°S~60°N 东半球区域;

而AAO 尽管在亚非地区出 现贡献大值区, 但方差贡献值小于 IHO. 而由于夏季 AO 处于弱位相期, 其主要贡献局限于北半球的中高 纬区域. 由于采用 SLP 分析低层大气环流更为常用, 图2(a)还给出了 IHO 指数与全球 SLP 的相关系数. 可以 看出, 夏季 IHO 与全球大部分区域 SLP 均存在显著 相关, 其中正显著相关基本出现于南半球中高纬度 表1夏季 IHO, AAO 和AO 对各纬圈大气质量分布的平均贡献率 90°~60°N 60°~30°N 30°N~0° 0°~30°S 30°~60°S 60°~90°S 北半球 南半球 全球 IHO

6 20

24 19

11 48

20 19

20 AAO

4 14

20 17

13 59

15 21

18 AO

14 8

6 4

2 5

8 3

6 a) 单位: %, 按面积加权平均

803 卢楚翰等: 夏季南北半球际大气质量涛动及其与季风异常的联系 图1IHO(a)和AAO(b)对夏季大气异常质量分布的方差贡献率 图2IHO 与SLP(a)和850 hPa 位势高度(b)的相关系数 阴影通过 0.05 显著性水平的 t 检验 区域, 而在30°S~60°N纬带出现大范围的负相关高值 区, 除北美以外的世界著名季风区均在其中, 可见 IHO 对低层大气环流变化有显著影响. 值得注意的 是, 近几十年来南极极区 6~8 月增温明显(图略), 地 表加热使得南极极区的地表气压降低, 由IHO 引起 全球范围的大气异常质量重新分布, 将导致东半球 的30°S~60°N纬带大气异常质量的堆积, 使得该区域 SLP 升高, 最终影响该区域夏季风的减弱. 计算了 IHO 与850 hPa 位势高度的相关系数(图2(b)), 可以 看出 IHO 与850 hPa 的相关分布比 SLP 更为显著, 显 著区域几乎扩展至整个南北半球的热带及副热带区 域(30°S~30°N), 另外其相关系数的数值也明显大于 SLP. 值得注意的是, IHO 对30°S~60°N 纬带影响具有 明显的不对称性, 其对东半球区域的影响更为明显, 这可能与该区域正好处于季风活跃区有关. 由前面 分析可知 IHO 与两半球的大范围经向质量输送相联 系, 而大气质量经由风场输送, 因此 IHO 又与季风 (高、低层)相联系. 曾庆存和李建平[15] 曾指出, 在30°~180°E 季风区域行星对流环流与地表面特性差异 所导致的准定常行星波相合拍, 使得该区域的经向 质量输送强度明显强于纬向平均. 经向大气质量输 送在此区域更为活跃, 由此形成了 IHO 对大气异常 质量分布的不对称.