2020, Vol. 40
2. 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室, 山东青岛266100
2. Key Laboratory of Physical Oceanography (Ocean University of China), Ministry of Education, Qingdao 266100, China
冬季半球的冷空气对另一半球产生影响主要是通过越赤道气流的质量和动量输运。近年来, 国内针对越赤道气流对东亚降水异常影响的研究取得了不少成果。有研究[1-3]指出冬半球越赤道气流整体偏强的年份, 国内季风区降水偏强, 范围偏大。韩慎友[4]则发现夏季索马里越赤道气流的强弱能影响我国雨带的位置。石文静和肖子牛[5]研究表明索马里越赤道气流输送水汽的强度与黄淮流域及华北一带的异常降水存在显著的正相关关系。何敏等[6]研究表明南半球澳大利亚冷高压持续偏强, 其强冷空气对华南持续性降水起重要作用。赵玉春等[7]、范蕙君[8]的研究发现南半球冷空气活动是影响华南地区降水季节的一个重要因子:南半球冷空气爆发后, 会加强东半球中100°E以及60°~70°E这两支具有气候意义的越赤道气流通道, 加大暴雨区的水汽输送, 假如恰好遇上北半球中高纬地区的冷空气南下影响, 则会造成暴雨多发。
南美洲是全球重要的粮食生产地和输出地, 天气和气候对农作物的影响十分明显, 高温多雨天气有利于巴西、阿根廷大豆的增产, 相反则会降低粮食产量[9], 但目前国内研究对南美洲天气气候的关注程度相对较少。
冬季冷空气的爆发往往与大气环流形势的调整有关。就像南半球冷空气通过越赤道气流影响热带西太平洋热带辐合带(intertropical convergence zone, ITCZ), 北半球冷空气也有可能经越赤道气流影响南美洲的天气和气候变化。冬季北美洲冷空气活动能否通过向南越赤道气流, 影响南美洲ITCZ的位置和强度, 从而造成夏季南美洲热带地区降水异常？这个问题值得深入研究。
为应对经济全球化, 实施国家顶层战略“一带一路”倡议的需要, 关注南美洲天气和气候变化、探究冬季半球冷空气对夏半球大气环流异常的影响机理, 将为全球性的气候预测提供有应用参考价值的理论支持。
本文从分析ITCZ的位置和强度出发, 考察不同经度ITCZ位置和强度的不同要素场特征, 确定影响ITCZ强度和位置变化的因素, 初步提出北美洲冬季高纬度冷空气对南美洲夏季降水异常影响的物理机制。
1 资料与方法 1.1 资料研究使用资料时段为1979—2017年共39 a, 主要包括美国国家环境预报中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料中的850 hPa高度上的月平均风场资料, 分辨率为2.5°×2.5°; 月平均降水资料, 空间分辨率为2.5°×2.5°; 500 hPa月平均位势高度资料, 空间分辨率为2.5°×2.5°; 月平均海面温度(SST)资料, 空间分辨率为1°×1°。还用到欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的月平均总云量(total cloudiness)资料, 空间分辨率为1°×1°。
1.2 方法 1.2.1 热带辐合带的位置和强度的表示方法由于南美洲-大西洋区域的热带辐合带为信风辐合带, 因此利用经向风散度切变(∂v/∂y)的极小值所在纬度来表示南美洲信风辐合带位置, 并且与季风辐合带的定义作比较, 且辐合带在对流层下层最为明显[9-10]。论文中也利用总云量确定热带辐合带位置, 主要作为热带辐合带位置的验证指标。
考虑到南美洲热带辐合主要是南北侧经向风分量的辐合, 两侧经向风强度呈相反的变化趋势, 因此定义大西洋热带辐合带强度指数:
| $ \begin{array}{l} {I_{{\rm{ITCZ}}}}{\rm{ = }}{{v'}_{850}}[{W_{{\rm{ITCZ}}}}, {N_{{\rm{ITCZ}}}} - {2.5^ \circ }] - \\ {{v'}_{850}}[{W_{{\rm{ITCZ}}}}, {N_{{\rm{ITCZ}}}} + {2.5^ \circ }] \end{array} $ | (1) |
其中IITCZ为大西洋热带辐合带强度指数, v′850为850 hPa经向风, WITCZ和NITCZ分别表示ITCZ所在的纬度和经度。此指数利用热带辐合带所在纬度南北两侧各2.5个经度差的经向风速大小的差值来定义, 比较符合实际, 指数越大, 说明辐合带强度强。强度指数异常正值则说明热带辐合带强度偏强, 反之则偏弱。
1.2.2 合成分析合成分析是指对同类天气进行平均处理, 用于分析某类天气过程。本文利用合成分析方法研究季节平均下北美洲的环流形势背景场, 用于解释高纬度冷空气引起越赤道气流强度变化的过程。
2 2011年与2014年降水异常情况12月—次年2月是每年北半球冷空气活跃的时候, 对应的南美洲正是夏季降雨频繁的季节。2010年12月—2011年2月(以下简称为“2011年夏季”)南美洲降水异常分布(图 1a), 热带东部降水异常偏多, 西部异常偏少; 南部偏少, 北部偏多。2013年12月—2014年2月(以下简称为“2014年夏季”)南美洲降水异常分布(图 1b), 热带东部降水异常偏少, 西部异常偏多。
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图 1 南美洲夏季降水异常分布(填色为降雨率, 单位:mm·d-1; a. 2011年, b. 2014年) Fig.1 Distribution of summer precipitation anomaly over South America (shaded area for rate of precipitation, units: mm·d-1; a. 2011, b. 2014) |
由此可见, 2011年和2014年夏季南美洲存在明显的降水差异, 造成降水异常的成因有多种, 其中热带辐合带的位置和强度可能是影响热带地区降水的重要因素。因此下文将以这两年为个例, 探究热带辐合带强度和位置的异常变化及影响其变化的因素, 进一步分析北美洲冬季冷空气的变化是否对南美洲热带辐合带位置和强度产生影响。
3 月平均时间尺度热带辐合带位置与强度分析 3.1 热带辐合带位置与强度指数热带辐合带位置和强度的变化对热带降水有重要影响[11-13], 因此首先要确定南美洲热带辐合带的位置, 计算90°~30°W经度范围内1981—2010年共30 a平均的1月经向风散度分布场(图 2a), 每2.5个经度点取∂v/∂y极小值所在纬度的连线来表示ITCZ的位置, 并与总云量最大值(图 2b)所确定的ITCZ位置作比较, 并且给出了两种方法的位置差异(图 3)。结果表示, 在南美洲地区经向风散度极小值连线所表示的ITCZ与总云量最大值所表示的ITCZ位置较为符合, 尤其是在美洲大陆东部的符合程度较好, 并且两种表示方法在90°~30°W经度范围内的纬度差基本在2°以内。由于经向风散度值的极小值与两半球气流的辐合密切联系, 两半球天气系统的变化可通过越赤道气流影响到ITCZ。因此用∂v/∂y极小值连线标示ITCZ位置有利于分析其南、北两侧天气系统变化对ITCZ的影响。
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图 2 经向风散度极小值(a; 等值线为经向风散度, 单位:s-1)和总云量最大值(b; 等值线为总云量, 单位:%)确定的月平均ITCZ位置(粗黑线) Fig.2 Monthly location of ITCZ (thick black line) derived by the minimum divergence of meridional wind (a; contour for divergence of meridional wind, units: s-1) and the maximum total cloud cover (b; contour for total cloud cover, units: %) |
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图 3 散度表示法确定的ITCZ纬度值减去总云量表示法确定的ITCZ纬度值的差(蓝色实线为1月, 红色虚线为2月; 单位:°) Fig.3 Difference between latitude value of ITCZ derived by divergence and that by total cloud cover (blue solid line for January, red dashed line for February; units: °) |
根据上述定义方法计算2011年(图 4a)和2014年(图 4b)90°~30°W经度范围内南美洲夏季ITCZ的位置与多年平均的ITCZ位置比较, 以及利用算式(1)计算两年ITCZ强度异常随经度变化情况(图 5)。2011年和2014年南美洲夏季ITCZ的位置有明显差异。总体上来看, 2011年南美洲夏季90°~30°W经度范围内的ITCZ位置异常偏南, 而2014年南美洲夏季仅有70°~60°W经度范围内的ITCZ位置异常偏南, 但60°~30°W的位置异常偏北或接近于多年平均水平。由此可见, 两年辐合带位置的差异可能是造成降水差异的重要因素, 那么辐合带强度是否也有相应的变化？
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图 4 南美洲夏季热带辐合带位置随经度分布(等值线为经向风散度, 单位:s-1; 红色实线为季节平均, 黑色点划线为多年平均; a. 2011年; b. 2014年) Fig.4 Distribution of ITCZ location with longitude in South America in summer (contour for divergence of meridional wind, units: s-1; red solid line for seasonal mean, black dot-dash line for long-term mean; a. 2011, b. 2014) |
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图 5 南美洲夏季ITCZ强度随经度分布(蓝色实线为2011年, 红色虚线为2014年; 单位:m·s-1) Fig.5 Distribution of ITCZ intensity with longitude in South America in summer (blue solid line for 2011, red dashed line for 2014; units: m·s-1) |
通过ITCZ强度异常随经度分布发现2011年南美洲夏季90°~30°W经度范围内ITCZ的强度整体表现为正异常; 2014年南美洲夏季90°~50°W经度范围内的表现为负异常, 而50°~30°W经度范围内强度则为正异常。这就意味着2011年ITCZ的强度异常偏强, 但2014年90°~50°W经度范围内的强度异常偏弱。
综上所述, 南美洲夏季热带辐合带的位置异常变化比强度异常变化更明显。2011年夏季南美洲热带辐合带的位置偏北、强度偏强是造成降水异常偏多的重要因素。2014年夏季南美洲热带辐合带的位置偏北、强度偏弱是造成夏季热带降水偏少的原因之一。
南美洲热带辐合带的位置为什么会有较大的差别？下文将分析北美洲冬季异常环流形势的变化对向南越赤道气流位置和强度异常的影响, 进一步讨论这两年南美洲ITCZ具有不同变化特征的原因。
4 月平均尺度ITCZ强度与越赤道气流强度的关系热带辐合带位置和强度的变化与越赤道气流的强弱有密切联系, 但是南美洲上空ITCZ的位置和强度变化与什么经度范围内的越赤道气流强度有密切联系？
取赤道上850 hPa, 90°~30°W经度范围内的越赤道气流强度异常与同经度点的热带辐合带位置异常(图 6a)和强度异常(图 6b)作相关分析(等值线为正相关, 所绘等值线通过95%信度检验)。月平均时间尺度下, 80°~60°W经度范围内越赤道气流强度变化能够引起90°~85°W和65°~30°W经度范围内的热带辐合带位置变化, 但相关系数分布并不连续。90°~70°W经度范围内的越赤道气流强度与80°~40°W经度范围内的热带辐合带强度异常也有显著的正相关。60°~40°W的越赤道气流强度与70°~60°W和55°~45°W经度范围内的热带辐合带强度也有明显的相关, 但系数分布并不连续。上述结果表明, 90°~60°W经度范围内(强气流中心位于75°W附近)的向南越赤道气流能够对南美洲大陆热带辐合带的位置和强度产生影响, 因此需进一步分析两年南美洲夏季越赤道气流强度是否存在异常情况。
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图 6 Distribution of ITCZ intensity with longitude in South America in summer (blue solid line for 2011, red dashed line for 2014; units: m·s-1) Fig.6 Positive correlation coefficients (a) between ITCZ intensity anomaly and cross-equatorial flow intensity anomaly at the same longitude point as well as those (b) between ITCZ location anomaly and cross-equatorial flow intensity anomaly at the same longitude point in the area of 90°-30°W |
计算2011年和2014年夏季南美洲90°~30°W、2.5°S~2.5°N范围内的经向风异常值来表示越赤道气流的强度(图 7)。其中点虚线为1981—2010年长期平均的越赤道气流强度, 越赤道气流强度的正负代表气流方向, 即80°~40°W经度范围内的越赤道气流为负值, 说明南美洲大陆的越赤道气流是向南气流。因此2011年和2014年的越赤道气流异常值中正值代表向北气流增强, 负值代表向南气流增强。结果表明, 2011年80°~30°W经度范围内的越赤道气流强度表现为负异常; 2014年70°~30°W经度范围内的强度表现为正异常, 80°~70°W经度范围内的表现为正异常。结果表明, 2011年南美洲向南越赤道气流强度偏强, 2014年的向南气流强度稍偏弱。因此这两年降水的差异可能是由于热带辐合带位置和强度的不同, 而导致热带辐合带位置和强度异常不同变化的重要原因是向南越赤道气流强度异常变化。
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图 7 南美洲夏季越赤道气流强度随经度变化(蓝色实线为2011年强度异常, 红色虚线为2014年强度异常, 黑色点划线为1981—2010年长期平均; 单位:m·s-1) Fig.7 Change in cross-equatorial flow intensity with longitude in South America in summer (blue solid line for intensity anomaly in 2011, red dashed line for intensity anomaly in 2014, black dot-dash line for long-term mean from 1981 to 2010; units: m·s-1) |
2011年和2014年夏季南美洲ITCZ强度和位置的差异与向南越赤道气流有密切联系, 那么向南越赤道气流的强弱是否与北美洲冬季冷空气有关？
分别计算2011年(图 8a)和2014年(图 8b)北美洲冬季(12月—次年2月)季节平均下高空500 hPa的多年平均位势高度和异常位势高度合成场。2011年冬季格陵兰岛及白令海上空位势高度为异常正值, 而北美洲大陆以及北大西洋30°N附近区域上空则是异常负值。由此可见, 2011年冬季北美大槽的位置异常偏南, 高纬度冷空气由槽后气流引导南下影响低纬度地区的天气。
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图 8 北美洲冬季500 hPa平均位势高度(黑色等值线)及位势高度异常(填色)分布(a. 2011年, b. 2014年; 单位:gpm) Fig.8 Mean geopotential height (black contour) and its anomaly (shaded) at 500 hPa in North America in winter (a. 2011, b. 2014; units: gpm) |
2014年冬季北美洲大陆中部和格陵兰岛的位势高度异常负值, 北大西洋和阿拉斯加湾表现为异常正值。由此可见2014年冬季北美大槽的位置偏西而且纬度偏高, 北大西洋副热带高压(以下简称“副高”)异常偏强, 因此大槽槽后气流引导冷空气受到副高的阻挡, 不能抵达低纬地区。
总结来说, 2011年冬季北美大槽的位置偏南, 冷空气影响的地区更偏南; 2014年冬季北美大槽的位置偏北, 大槽受到异常高压的阻挡。由两年大气环流异常来看, 北半球副热带系统是调整北美洲冬季冷空气活动影响南美洲热带地区夏季降水的重要系统[14-18]。
为了进一步分析高纬度冷空气影响越赤道气流强度的物理过程, 绘制月平均时间尺度冬季北美洲的2011年(图 9a)和2014年(图 9b)850 hPa异常风场和异常经向风分量。2011年北美洲冬季, 北大西洋出现异常气旋性环流, 其活跃在40°N附近, 这就说明2011年的北大西洋副高强度偏弱, 而且副高的位置偏南。2014年冬季北美洲北大西洋出现异常反气旋式环流且中心位置偏北, 这就意味着, 2014年北大西洋副高的强度异常偏强且位置异常偏北, 副高的西南气流阻碍了高纬度冷空气的南下过程。
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图 9 北美洲冬季850 hPa风场异常(黑色风矢)和经向风异常(填色)分布(a. 2011年, b. 2014年; 单位:m·s-1) Fig.9 Wind anomaly (black wind barb) and meridional wind anomaly (shaded) at 850 hPa in North America in winter (a. 2011, b. 2014; units: m·s-1) |
总体说明2011年冬季北美洲北美大槽位置偏南, 副高的强度偏弱且位置偏南, 高纬度的冷空气能够顺利南下加强低纬度东北气流, 使得向南越赤道气流加强, 进一步影响南美洲夏季ITCZ的位置和强度。2014年冬季北美洲副热带强度偏强且位置偏北, 高纬度冷空气南下过程受阻, 不能加强低纬东北气流, 导致向南越赤道气流的强度稍弱。
上述结果发现大气环流形势的不同导致了2011年和2014年ITCZ的位置和强度差异。那么进一步分析造成大气环流形势差异的原因, 也为中长期天气和气候预报提供参考。
2011年(图 10a)和2014年(图 10b)冬季北美洲的SST异常分布。2011年阿拉斯加湾和墨西哥湾的海面温度异常偏冷, 白令海和格陵兰海的海面温度异常偏暖。2014年则正好相反, 阿拉斯加湾和墨西哥湾的海面温度异常偏暖。由此说明, 2011年冬季北美洲附近海域维持异常偏低的海面温度, 导致北美洲大槽位置异常偏南和副高的异常偏弱, 使冷空气能够顺利南下。2014年冬季北美洲附近海域的SST异常偏高, 异常高压脊深入极地引导冷空气南下, 但北大西洋偏暖的海水加强了副高, 阻碍了高纬度冷空气的南下路径, 因此发现2014年冬季北美洲冷空气的强度比2011年的强度更强, 但对向南越赤道气流的影响程度有差异。
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图 10 北美洲冬季SST异常(填色区, 单位:℃)分布(a. 2011年, b. 2014年) Fig.10 SST anomaly (shaded, units: ℃) in North America in winter (a. 2011, b. 2014) |
上述分析中讨论了2011年和2014年的降水差异的机理, 北美洲大槽的位置是影响冷空气能否南下的关键, 冷空气南下能对南美洲热带辐合带位置和强度产生影响, 导致降水异常。那么在长期统计下, 北美洲冬季冷空气是否与南美洲夏季降水有关。
计算1979—2017年月时间尺度下, 北美洲冬季冷空气的强度异常与南美洲热带辐合带位置(图 11a)和强度(图 11b)异常的相关系数, 并绘成系数分布。月时间尺度下, 利用500 hPa的异常位势高度代表冷空气强度异常。结果表明, 热带辐合带的位置异常与北美洲东部的位势高度显著的正相关, 与阿拉斯加湾呈负相关, 这就意味着, 北美大槽异常偏强时与有利于推动热带辐合带的位置偏南, 而阿拉斯加湾的高压脊偏强时会导致热带辐合带的位置偏北。热带辐合带的强度与北美大陆的位势高度异常有显著正相关, 与北大西洋的位势高度也有明显的相关, 与白令海峡的位势高度的负相关明显。这就说明了北美冷空气异常偏强时同样可以影响到热带辐合带的强度发生变化。
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图 11 月时间尺度下冷空气强度异常与ITCZ位置和强度异常的相关系数分布(红色实线为正相关, 蓝色虚线为负相关; a.冷空气强度与ITCZ位置相关, b.冷空气强度与ITCZ强度相关) Fig.11 Correlation coefficients (a) between cold air intensity anomaly and ITCZ location anomaly as well as those (b) between cold air intensity anomaly and ITCZ intensity anomaly on the monthly time scale (red solid line for positive correlation, blue dashed line for negative correlation) |
根据上述结果, 影响南美洲天气过程的冷空气源自于北美洲大陆东部, 因此将120°~40°W, 80°~60°N范围内的位势高度距平作为冷空气强度异常的指标, 位势高度异常负值则说明冷空气异常偏强。计算了1979—2017年共39 a冷空气强度异常与90°~30°W经度范围内同期和滞后一个月的热带辐合带位置和强度异常的相关(图 12)。结果显示, 北美冬季冷空气的强度异常能够影响到同期90°~30°W经度范围内的热带辐合带位置和强度异常。冷空气强度异常与90°~30°W经度范围内的热带辐合带位置通过95%置信度的显著相关, 相关系数达到0.5;与70°~40°W经度范围内的热带辐合带强度有显著相关, 相关系数达到0.4, 这就意味着北美洲冬季冷空气对南美洲夏季热带辐合带的位置影响更大。高纬度冷空气与落后一个月的50°~30°W经度范围内的ITCZ位置有95%置信度相关, 与ITCZ强度相关性不显著。这就意味着冷空气强度对与ITCZ位置和强度的影响逐渐向东缩小, 最后集中在50°~30°W的ITCZ位置上。
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图 12 冷空气强度异常与ITCZ位置和强度异常相关(A线为冷空气强度与同期ITCZ位置的相关, B线为冷空气强度与同期ITCZ强度的相关, C线为冷空气强度与落后一个月ITCZ位置的相关, D线为冷空气强度与落后一个月ITCZ强度的相关, E线为95%置信检验线) Fig.12 Correlation between cold air intensity anomaly and contemporaneous ITCZ location/intensity anomaly (line A/B), correlation between cold air intensity anomaly and ITCZ location/intensity anomaly lagging by one month (line C/D), and the significance test at 95% level (line E) |
1) 北美洲冬季冷空气间接影响了南美洲夏季的降水异常:冷空气通过加强向南越赤道气流, 推动ITCZ的位置变化, 并且使ITCZ的强度发生改变, 使其影响区域的降水发生异常。越赤道气流的强弱对ITCZ的强度和位置均有影响。
2) 2011年冬季, 北美洲附近海域海面温度异常偏低, 副高偏弱, 北美大槽位置偏南, 强冷空气受槽后气流引导南下使向南越赤道气流加强, 导致南美洲夏季热带辐合带位置偏南, 降雨带向南移动, 使南美洲热带地区降水增多。
3) 2014年冬季, 北美洲附近海域海面温度偏高, 北大西洋副高偏强, 阻碍冷空气南下。由于副高位置偏北, 使东北气流偏弱, 导致向南越赤道气流稍偏弱, 进一步导致南美洲夏季热带辐合带位置偏北, 热带地区降水偏少。
4) 多年统计分析发现, 北美洲东部冬季冷空气强度异常与南美洲夏季ITCZ位置异常和强度异常均有明显的相关, 但这种相关性随时间逐渐向东缩小; 冷空气强度异常对ITCZ位置异常的影响更大。
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