李 瓊 許 孌 肖天貴

(1.浙江省氣象科學(xué)研究所，浙江 杭州 310012; 2.成都信息工程大學(xué), 四川 成都 610225)

越赤道氣流的時空特征分析

李 瓊1許 孌1肖天貴2

(1.浙江省氣象科學(xué)研究所，浙江 杭州 310012; 2.成都信息工程大學(xué), 四川 成都 610225)

摘要：利用1948—2010年NCEP/NCAR逐日再分析場(2.5°×2.5°)的經(jīng)向風(fēng)資料，初步分析了全球越赤道氣流的時空分布特征。結(jié)果表明，全球越赤道氣流通道分布存在明顯的空間不對稱性，即垂直不對稱性和沿經(jīng)向不對稱，低層通道窄而多，高層通道寬而少；東半球低層通道數(shù)遠(yuǎn)較西半球多，且強(qiáng)度更強(qiáng)。在時間分布上，夏季越赤道氣流總和無論高低層都強(qiáng)于冬季。這些反映了南北半球空氣質(zhì)量交換的時空分布的不對稱性，即空氣質(zhì)量的交換主要集中在夏季和東半球。此外，夏季在140°E～150°E向北的越赤道氣流強(qiáng)度逐年增強(qiáng)，在冬季位于120°E～130°E處向南的越赤道氣流在逐年減弱，且在1958年前后向南的越赤道氣流出現(xiàn)突然增強(qiáng)期。

越赤道氣流；空間分布；時間特征；趨勢變化

0 引 言

越赤道氣流(cross-equatorial flow，簡稱CEF)是南、北半球相互作用的重要途徑，主導(dǎo)著兩個半球之間的質(zhì)量、動量及能量輸送，是影響南、北半球天氣氣候異常的重要因素之一，因此在全球大氣環(huán)流系統(tǒng)中有著非常重要的作用。越赤道氣流的概念首次由Simpson[1]提出，他指出印度西南季風(fēng)是由南半球東南信風(fēng)越過赤道而形成，并指出它與亞洲大陸的低壓和南印度洋上高壓的存在聯(lián)系。國內(nèi)，李憲之[2]在20世紀(jì)30年代指出，澳大利亞寒潮爆發(fā)后，冷空氣越過赤道，有利于北半球低緯洋面上形成臺風(fēng)。自20世紀(jì)60年代末FINDLATER[3]發(fā)現(xiàn)了索馬里低空急流以后，許多學(xué)者對越赤道氣流進(jìn)行了大量的研究。湯明敏等[4]發(fā)現(xiàn)，東半球越赤道氣流季節(jié)變化大，亦呈現(xiàn)季風(fēng)性質(zhì)，而西半球主要為信風(fēng)性。彭維耿等[5]認(rèn)為，南、北半球空氣質(zhì)量交換的時空分布是不對稱的，即空氣質(zhì)量的交換主要集中在夏季和東半球。劉向文等[11]認(rèn)為越赤道氣流的增強(qiáng)往往對應(yīng)著通道南側(cè)或北側(cè)從熱帶到副熱帶地區(qū)的環(huán)流調(diào)整，且125°E越赤道氣流比105°E越赤道氣流的增強(qiáng)過程更為顯著。曾剛等[12]則通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)M索馬里越赤道氣流年代際變化特征及其與東亞夏季風(fēng)年代際變化關(guān)系指出全球、熱帶、熱帶印度洋-太平洋及熱帶太平洋海表溫度變化均對索馬里越赤道氣流在1970年代中后期的年代際變化具有重要作用。隨著資料的逐漸詳盡和統(tǒng)一，對于越赤道氣流的通道也有了一致的結(jié)論，普遍認(rèn)為東半球夏季存在5條偏南越赤道氣流，分別位于45°E(索馬里)、85°E(蘇門答臘)、105°E(中國南海)、125°E(西太平洋)及150°E(巴布亞新幾內(nèi)亞)處，其中，索馬里越赤道氣流最強(qiáng)，105°E越赤道氣流強(qiáng)度次之[4]。越赤道氣流最強(qiáng)處位于925 hPa和150 hPa，而非之前所認(rèn)為的850 hPa和200 hPa[6-8]。

本文利用NCEP/NCAR的63 a的全球17層歷年逐日格點(diǎn)日平均經(jīng)向風(fēng)資料，對全球越赤道氣流的氣候?qū)W特征進(jìn)行分析，為以后相關(guān)的研究提供科學(xué)的參考依據(jù)。由于我國在北半球，向北的越赤道氣流是特別重點(diǎn)考慮的，經(jīng)過分析在925 hPa高度以上的越赤道氣流風(fēng)速已經(jīng)很小，所以我們重點(diǎn)分析研究了近63 a來925 hPa上的越赤道氣流的特征，包括通道、趨勢變化和年際特征。

1 資料與方法

本文利用NCEP/NCAR 1948年1月1日—2010年12月31日逐日再分析風(fēng)場資料，水平分辨率為2.5 °×2.5 °，垂直分辨率為17層，對全球赤道計算了每個格點(diǎn)沿南北各5°(5個格點(diǎn))的平均經(jīng)向風(fēng)作為此經(jīng)度的越赤道氣流，并分析了它的逐日變化。當(dāng)赤道的經(jīng)向風(fēng)V為正(負(fù))，就表示有從南(北)半球向北(南)半球的越赤道氣流，并對全球越赤道氣流的氣候?qū)W主要特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析，同時計算了趨勢系數(shù)rxt，對東半球低層幾條主要通道定量分析了越赤道氣流長期變化的特征[9]。

2 全球越赤道氣流通道的垂直分布特征

我們作了1948—2010年平均的冬季(12—2月)、夏季(6—8月)經(jīng)向風(fēng)分布空間剖面圖(圖1)，發(fā)現(xiàn)冬夏季的高、低層均有幾個明顯的風(fēng)速中心，本文定義V風(fēng)速中心大于等于2 m/s的稱之為通道，圖1中實(shí)線為正值，虛線為負(fù)值。

圖1 1948—2010年冬季和夏季赤道平均經(jīng)向風(fēng)垂直剖面圖

冬季(12—2月)

冬季低層主要為由北向南的越赤道氣流，強(qiáng)風(fēng)速主要集中在925 hPa處，主要風(fēng)速中心(≥-2 m/s)的有45 °E(索馬里)、85 °E(蘇門答臘)、105 °E(中國南海)、125 °E(西太平洋)，在45 °E處，低層通道中心主要位于赤道南緯(3S～2S)處，在925 hPa處風(fēng)速最大可達(dá)-6 m/s，整體通道向北傾斜，高度可伸展達(dá)到700 hPa；45 °E高層通道中心主要位于200～100 hPa之間，橫跨約45個經(jīng)度(0～45 °E)，厚度大約在300～100 hPa之間，最大風(fēng)速中心大約在150 hPa處，風(fēng)速可達(dá)6 m/s。在85 °E處，低層通道中心最大風(fēng)速最大可達(dá)-2 m /s，低層通道可伸展至600 hPa；在105 °E處，低層通道中心最大風(fēng)速最大可達(dá)-3 m/s，低層通道可伸展至400 hPa；而125 °E，低層通道中心風(fēng)速最大可達(dá)-2 m/s,高度同樣亦可伸展至400 hPa。而在這三個通道高層大約200 hPa處存在一共同的通道中心，該通道橫跨約50個經(jīng)度(85 °E～135 °E)，厚度大約在300～100 hPa之間，最大風(fēng)速中心大約在150 hPa處，風(fēng)速最大可達(dá)3 m/s。

夏季(6—8月)

夏季低層盛行由南向北的越赤道氣流，分別位于15 °W～15 °E，41 °E～64 °E,85 °E～90 °E，100 °E～110 °E，120 °E～135 °E，90 °W～105 °W。夏季低層 45 °E (索馬里急流)處越赤道氣流最強(qiáng)，風(fēng)速最大可達(dá)10 m/s。通道中心略向西傾斜，伸展高度可達(dá)300 hPa。而在85 °E～90 °E，100 °E～110 °E，120 °E～135 °E、45 °W～60 °W處通道越赤道氣流風(fēng)速則基本維持在2 m/s左右，伸展高度也相較冬季時期降低，基本維持在900 hPa附近。而在夏季東半球高層大約150 hPa處存在一個通道中心，橫跨大約整個東半球，厚度約在250～100 hPa之間，最大風(fēng)速可達(dá)-6 m/s。另外在西半球上空300～100 hPa處，110 °W～40 °W之間也存在一個通道中心，風(fēng)速最大可達(dá)-4 m/s。

由于我國在北半球，向北的越赤道氣流是應(yīng)該特別重點(diǎn)考慮的。而統(tǒng)計顯示在925 hPa高度以上的越赤道氣流風(fēng)速一般很小，所以我們下面重點(diǎn)對近63 a來925 hPa上的越赤道氣流，分析了季節(jié)變化、長期趨勢和年際變化等主要特征。

3 全球越赤道氣流的季節(jié)變化特征

圖3是1948—2010年63 a平均的全球逐日925 hPa越赤道氣流變化。1月份越赤道北風(fēng)平均大于2 m/s的通道大致是東半球的45 °E～50 °E、75 °E～85 °E、100 °E～115 °E、120 °E～130 °E、140 °E～150 °E以及西半球的45 °W～60 °W。在東半球的5個通道最多維持到3月份。西半球的45 °W～60 °W的通道維持到4—5月后也全部消失了。每年的4月上旬開始，位于45°E附近開始出現(xiàn)南向北的通道，并且風(fēng)速逐漸加強(qiáng)，最強(qiáng)發(fā)生在夏季，最大風(fēng)速可達(dá)10 m/s以上，通道寬度也隨著時間變化逐漸增強(qiáng)，在夏季最強(qiáng)時期可橫跨20個經(jīng)度。其余通道則從5月上旬開始出現(xiàn)，分別位于 75 °E～90 °E，100 °E～110 °E，120 °E～135 °E、150 °E，120 °W～90 °W，40 °W～5 °E。可見，東半球夏季的越赤道氣流通道有5個，而且在東半球的通道，強(qiáng)度大。其中最大的風(fēng)在45 °E附近，這就是索馬里越赤道氣流通道，這個強(qiáng)的越赤道氣流通道在6—8月期間，925 hPa的風(fēng)最大可達(dá)到14 m/s以上的風(fēng)速。

圖3 全球赤道地區(qū)925 hPa經(jīng)向風(fēng)逐日變化圖(單位： m/s)

4 東半球低層越赤道氣流的年際變化特征

4.1 東半球低層越赤道氣流長期趨勢

Pearson相關(guān)系數(shù)是描述兩個隨機(jī)變量線性相關(guān)的統(tǒng)計量，我們可以用其來研究氣象要素在氣候變化中升降的定量程度，并可對其進(jìn)行統(tǒng)計檢驗(yàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，本文計算了東半球低層越赤道氣流的氣候趨勢系數(shù)rxt，即時間序列與自然數(shù)列之間的相關(guān)系數(shù)。并重點(diǎn)就東半球低層存在的主要通道進(jìn)行了計算分析。結(jié)果共有3條越赤道氣流通道通過了t檢驗(yàn)，其中夏季位于45 °E～50 °E處的通道超過了5%的顯著性檢驗(yàn)，而冬季位于45 °E～50 °E處的通道超過了1%的顯著性檢驗(yàn)。另外兩條通道分別是在冬季位于120 °E～130 °E的通道和在夏季位于140 °E～150 °E的通道則均超過了0.1%的顯著性檢驗(yàn)。

表1給出了925 hPa東半球越赤道氣流主要通道在冬季和夏季的趨勢系數(shù)和回歸系數(shù)，可以看出在夏季，140 °E～150 °E處的越赤道氣流有非常強(qiáng)的正趨勢，趨勢系數(shù)為0.50，平均每10 a增強(qiáng)0.27 m/s,但是該地區(qū)的越赤道氣流本身并不強(qiáng)，平均2.05 m/s。而45 °E～50 °E是最強(qiáng)的索馬里越赤道氣流，趨勢系數(shù)為0.28，平均每10 a越赤道氣流增強(qiáng)0.1 m/s。而在冬季，120 °E～130 °E處的越赤道氣流北風(fēng)有明顯減弱趨勢，趨勢系數(shù)為0.46，平均每10 a減小0.26 m/s。同樣在冬季，45 °E～50 °E處的索馬里越赤道氣流北風(fēng)有明顯減弱趨勢，趨勢系數(shù)為0.39，平均每10 a減小0.2 m/s。

表1 925 hPa東半球低層越赤道氣流

4.2 東半球低層越赤道氣流變化的年際變化

除了長期趨勢變化以外，東半球部分越赤道氣流還有明顯的年際變化。圖4a是140 °E～150 °E夏季越赤道氣流的逐年變化圖?？梢钥闯鲈谙募?，位于140 °E～150 °E處的通道向北的越赤道氣流強(qiáng)度增強(qiáng)(向南的越赤道氣流減弱)。圖4b則是是120 °E～130 °E冬季越赤道氣流的逐年變化圖，可以看出在冬季，位于120 °E～130 °E處的通道向南的越赤道氣流在減弱(向北的越赤道氣流增強(qiáng))，且在1958年前后向南的越赤道氣流出現(xiàn)突然增強(qiáng)。

(a)140 °E～150 °E,6—8月；(b) 120 °E～130 °E,12月—1月縱坐標(biāo)是風(fēng)速，直線是回歸線 (單位：m/s)圖4 1948—2010年的越赤道氣流的變化圖

5 結(jié) 語

1)全球越赤道氣流通道分布存在明顯的空間不對稱性，即垂直不對稱性和沿經(jīng)向不對稱，低層通道窄而多，高層通道寬而少；東半球低層通道數(shù)遠(yuǎn)較西半球多，且強(qiáng)度更強(qiáng)。

2)在時間分布上，無論在冬季還是夏季，東半球的越赤道氣流比西半球強(qiáng)。925 hPa越赤道氣流隨季節(jié)有變化。冬季越赤道氣流向南的主要有6個通道，大致是東半球的45 °E～50 °E,75 °E～85 °E,100 °E～115 °E,120 °E～130 °E,140 °E～150 °E以及西半球的45 °W～60 °W。夏季越赤道向北的主要有7個通道，是東半球的45 °E～50 °E，75 °E～90°E，100 °E～110 °E，120 °E～135 °E、150 °E，西半球的120 °W～90°W以及40°W～5°E。夏季越赤道氣流總和無論高低層都強(qiáng)于冬季。這些反映了南北半球空氣質(zhì)量交換的時空分布的不對稱性，即空氣質(zhì)量的交換主要集中在夏季和東半球。

3)在夏季，140°E～150 °E處的越赤道氣流有非常強(qiáng)的正趨勢，趨勢系數(shù)為0.50，平均每10 a增強(qiáng)0.27 m/s,但是該地區(qū)的越赤道氣流本身并不強(qiáng)，平均2.05 m/s。而45°E～50 °E是最強(qiáng)的索馬里越赤道氣流，趨勢系數(shù)為0.28，平均每10 a越赤道氣流增強(qiáng)0.1 m/s。而在冬季，120 °E～130 °E處的越赤道氣流北風(fēng)有明顯減弱趨勢，趨勢系數(shù)為0.46，平均每10 a減小0.26 m/s。同樣在冬季，45 °E～50 °E處的索馬里越赤道氣流北風(fēng)有明顯減弱趨勢，趨勢系數(shù)為0.39，平均每10 a減小0.2 m/s。

4)此外，夏季在140 °E～150 °E向北的越赤道氣流強(qiáng)度逐年增強(qiáng)(向南的越赤道氣流逐年減弱)。而在冬季位于120 °E～130 °E處向南的越赤道氣流在逐年減弱(向北的越赤道氣流逐年增強(qiáng))，且在1958年前后向南的越赤道氣流出現(xiàn)突然增強(qiáng)期。

[1] Simpson G. The Southwest monsoon [J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，1921，47(199)：151-172.

[2] 李憲之.臺風(fēng)的研究：中國近代科學(xué)論著叢刊·氣象學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1955：119-145.

[3] FINDLATER J.A major low-level air near the Indian Ocean during the northern summer[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，1969，95(404)：362-380.

[4] 湯明敏，黃士松，周德佩.全球越赤道氣流的時空變化[J].熱帶氣象,1985，1(4)：287-296.

[5] 彭維耿，蔣尚城.越赤道氣流特征及其年際變化特征初探[J].熱帶氣象學(xué)報，2003，19(1):87-93.

[6] 韓慎友，何金海.越赤道氣流時空變化特征及其與我國夏季降水和西北太平洋熱帶氣旋發(fā)生頻數(shù)的關(guān)系[D].南京：南京氣象學(xué)院，2002：90.

[7] 陳隆勛，金祖輝.夏季東亞季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)內(nèi)中期變化的南北半球相互作[C]全國熱帶夏季風(fēng)會議文集.昆明：云南人民出版社，1982：218-231.

[8] 王興東，陶詩言.西太平洋越赤道氣流的初步研究[J].海洋學(xué)報，1984，6(2)：160-173.

[9] 施能，封國林.1948-2004年全球越赤道氣流變化[J].熱帶氣象學(xué)報，2007，23(4)：326-332.

[10] 施能，陳家其.中國近100年來4個年代際的氣候變化特征[J]氣象學(xué)報，1995，53(4):431-439.

[11] 劉向文，孫照渤.105°E和125°E越赤道氣流與南、北半球環(huán)流變化的關(guān)系[J]大氣科學(xué)，2009，33(3)：443-458.

[12] 曾剛，孫照渤.不同海域SSTA對東半球越赤道氣流年代際變化影響的數(shù)值模擬研究[J]熱帶氣象學(xué)報，2011，27(5)：609-618.

2016-06-08