2018年7月17日
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大气科学学院杨修群教授课题组在西北太平洋夏季季节内振荡中海气相互作用研究方面取得重要进展

北半球夏季季节内振荡(BSISO)是热带大气重要的次季节变化信号,其活跃于亚洲夏季风区,并具有显著的北传特征。西北太平洋BSISO在影响我国的东亚夏季风的建立,梅雨等季风雨带的季节性推进,夏季风的活跃、中断及其伴随的持续性强降水过程中都扮演重要的角色,同时也是东亚夏季风短期预测的关键信号。近年来海气相互作用在热带大气季节内振荡中的作用被越来越重视。我校大气科学学院杨修群教授课题组对西北太平洋30–60天尺度BSISO中海气相互作用所扮演的角色进行了深入研究,全面分析了其中大气与海洋相互作用反馈的几种主要途径,指出海气相互作用可为BSISO在大气内部动力机制之外提供额外的北传机制及低频振荡源。研究成果近日发表在《Journal of Climate》2018年(31卷)第4期(https://doi.org/10.1175/JCLI-D-17-0109.1)。

西北太平洋30–60天BSISO伴随的对流异常起源于赤道西太平洋,经向传播至15°N附近加强,并消散于东亚副热带,主周期40天左右。利用超前/滞后合成分析,研究发现BSISO对流异常的传播伴随显著的、有组织的海温异常演变,并与对流异常在时间及经向空间分布上呈准正交关系,即活跃(抑制)对流超前冷(暖)海温异常,而冷(暖)海温异常超前抑制(活跃)对流,间隔均为1/4周期左右(图1)。这种时空上准正交的关系表明大气与海洋两者之间可能存在相互作用。

在西北太平洋BSISO中,大气主要通过两种机制作用于海洋。一个活跃对流通过增加积云覆盖减少到达海表的短波辐射,同时其伴随的低层气旋性环流异常与背景西南季风叠加,在其中心北(南)侧减小(加大)了表层全风速,从而减少(增加)了海表向上感热、潜热通量。通过上述两个主要过程,一个活跃对流在其中心北(南)侧形成一暖(冷)海温异常、并在约1/4周期后达到最强;一个抑制的对流则产生相反的效果。

图1 西北太平洋BSISO中对流异常(填色)与海温异常(等值线)的周期性北传及准正交关系。

海温异常反馈大气的主要途径有三种。首先,活跃对流中心北侧的暖海温异常加大了海气温、湿度差,增加了向上感热、潜热通量并使之形成正异常,继而通过垂直扩散过程加热、加湿低层大气。其次,暖海温异常对表层大气的直接加热提升了低层大气层结不稳定性。活跃对流中心南侧的冷海温异常在上述两个过程中起相反作用。最后,经向海温梯度异常的作用可减弱活跃对流中心及其南侧的低层辐合,而在超前活跃对流1/4位相的暖海温异常区加强低层辐合。以上三种海温异常的主要反馈过程可使活跃对流在其中心及南部区域减弱,同时抑制其北侧的异常下沉,并在暖海温异常区触发可视为深对流发展前兆和孕育阶段的浅对流。

本工作还在结合前人研究的基础上发展了一套定量化的、可区分物理过程的低层大气水汽收支异常诊断方案。诊断结果表明,在活跃对流中心以北、超前其1/4位相的暖海温异常区,大气的净作用是消耗低层水汽;而暖海温异常的反馈加强了蒸发和低层辐合,其净作用为加湿低层大气,并导致了对流中心前方正的低层水汽含量时间倾向异常。从水汽收支异常的角度来看,海洋的反馈对30–60天BSISO对流异常在其中心北侧发展、加强起决定性的作用,而大气内部机制则不利于这一过程。

图2 西北太平洋BSISO暖海温异常区低层水汽收支异常诊断结果。其中海洋的净贡献( )为正,大气净贡献( )为负。诊断值( )与观测值( )接近,表明诊断方案具有较好的适用性。

在西北太平洋BSISO的海气相互作用过程中,一个活跃的对流在其中心南(北)侧强迫出冷(暖)海温异常,后者的反馈使活跃对流在其中心及南部区域减弱,同时在其中心北侧提供有利对流发展的条件。可见,上述过程提供了一种BSISO北传的机制,并对活跃对流起负反馈的作用。由于海洋混合层的热容量较大,反转海温异常的符号需要时间,这种负反馈总是延迟的。可以推测,延迟负反馈使得海气相互作用能够为BSISO提供一种额外的低频振荡源,其时间尺度主要由海温异常的持续性决定。在大气内部过程之外提供额外的北传机制与低频振荡源,是动力学层面海气相互作用在西北太平洋BSISO中所起的主要作用。

图3 西北太平洋30–60天BSISO中的海气相互作用机制示意图。

本研究以中国气象局-南京大学气候预测研究联合实验室,以及江苏省气候变化协同创新中心为平台,受国家自然科学基金及中国气象局公益性行业专项的资助。论文第一作者是大气科学学院博士生汪天一,通讯作者是杨修群教授,其他作者包括房佳蓓副教授、孙旭光副教授和任雪娟教授。

(大气科学学院 科学技术处)