基于数值试验的南海越赤道气流与夏季赤道中东太平洋海温异常的关系研究

Study on the Relationship between the Cross-Equatorial Flow Over the South China Sea and the Summer SST Anomalies in the Equatorial Middle East Pacific Based on Numerical Experiments

摘要: 本文利用1979~2020年HadISST月平均海表面温度(Sea surface temperature, SST)资料，驱动改进的NCAR CAM5大气环流模式进行长时间积分试验所得结果，与ERA5再分析资料进行比较，进一步分析验证了夏季赤道中东太平洋海表面温度异常(Sea surface temperature anomalies, SSTA)对南海(South China Sea, SCS)低空越赤道气流(Cross-Equatorial Flow, CEF)强度的影响，研究表明：数值试验结果与观测分析结果较为一致，即夏季赤道中东太平洋SSTA对同期SCS CEF (SCEF)强度变化产生重要影响，存在显著正相关。当夏季赤道中东太平洋SSTA偏暖时，引起Walker环流及东亚局地Hadley环流异常偏弱，对应澳大利亚北部及热带西太平洋海洋性大陆海平面气压(Sea level pressure, SLP)异常上升，北太平洋SLP异常下降，西太平洋南北向气压梯度增加，故SCEF易增强；反之亦然。

Abstract: In this paper, a long-term integral test is carried out with the improved NCAR CAM5 atmospheric general circulation model by the monthly sea surface temperature (SST) data of HadISST in 1979~2020, which further verifies the influence of the summer SST anomalies (SSTA) in the equatorial Middle East Pacific on the intensity of the low-altitude Cross-Equatorial Flow (CEF) over the South China Sea (SCS) in summer compared with the ERA5 reanalysis data. The results show that: Numerical test results are consistent with the observational results, that is, the SSTA in the equatorial Middle East Pacific in summer has a significant positive influence on the SCS CEF (SCEF) intensity in the same period. When the summer equatorial Middle Eastern Pacific SSTA becomes warmer, it will cause the Walker circulation and the East Asian local Hadley circulation to be abnormally weaker, moreover, the corresponding Sea level pressures (SLP) in northern Australia and the tropical western Pacific Ocean rise abnormally, while the trend is reversed in the North Pacific Ocean, which lead to an increase in the north-south pressure gradient over the western Pacific, thus the SCEF is enhanced as well, and vice versa.

1. 引言

越赤道气流(Cross Equatorial Flow, CEF)是南、北半球物质、能量交换的主要通道，其变化强弱对亚洲季风爆发、台风的发生及东亚降水等有重要影响 [1] - [6] 。南海(South China Sea, SCS) CEF (SCEF)作为亚洲季风环流系统的重要成员之一，其变化会影响南海和西太平洋台风、南海季风以及中国东南部降水，有助于完善中国地区的季风研究及降水预报，对国民经济的发展具有重要的意义 [7] - [12] 。

海温变化作为影响短期气候预测重要的外强迫因子，也是CEF研究中不可忽视的基本物理因子。近年来，许多学者开始关注CEF与海温的关系，发现热带太平洋、印度洋及海洋性大陆区、澳洲东部区等海域海温异常对索马里CEF变化产生重要影响，主要表现为夏季索马里急流增强对应ENSO冷位相；反之亦然 [13] - [20] 。也有部分学者针对越赤道气流变化差异开展研究，发现当夏季索马里CEF和澳洲CEF反位相变化时，对应随后秋冬季节负(正)位相的印度洋偶极子(IOD)和ENSO事件的发展阶段 [21] [22] [23] 。刘秦玉和王韶霞 [24] 的研究表明，印度尼西亚群岛邻近海域海温异常的季节变化对SCEF和130~140˚E附近的越赤道气流影响较大。彭维耿等的研究 [25] 指出，SCEF年际变化主要受TBO (2~3a周期)和ENSO (4~7a周期)的周期振荡影响。曾刚等 [18] 通过数值试验分析发现，不同海域海温异常均对索马里CEF年代际变化产生重要影响，热带太平洋为海温关键区。

综上所述，对于SCEF与海温关系的研究，目前研究方法主要以气候统计和诊断分析为主，而较少采用适当的数值模式进行模拟和验证，范倩莹等观测分析表明，夏季赤道中东太平洋海温异常对SCEF强度变化产生重要影响，存在显著正相关。为了验证以上结论，本文采用改进的NCAR CAM5模式进行敏感性试验，有助于进一步理解和认识海温与亚洲夏季风环流系统之间的相互作用关系。

2. 资料和方法

2.1. 资料

欧洲中心(ERA5) 1979~2020年月平均再分析资料，包括海平面气压场(sea level pressure，SLP)、风场、散度场、垂直速度场，水平分辨率为2.5˚ × 2.5˚。

英国(HadISST) 1979~2020年月平均海温资料 [26] ，水平分辨率为1.0˚ × 1.0˚。

2.2. 模式和试验方案

2.2.1. 模式简介

本文所用模式为美国国家大气研究中心(NCAR)于2011年6月研制发布的CAM5.1全球大气环流模式，CAM5.1模式作为通用地球系统模式(Community Earth System Model 1_0_3, CESM1_0_3)的大气模块，既可以与海洋、海冰模式耦合运行，也可以独立运行。CAM5.1共有4种可选的动力核心：有限体积核心、谱元核心、欧拉核心和半拉格朗日核心。其中有限体积核心主要包括1.9˚ × 2.5˚，0.9˚ × 1.25˚等分辨率，模式垂直方向上采用 $\sigma -p$ 混合坐标系，近地面采用 $\sigma$ 坐标，中间采用 $\sigma -p$ 混合坐标，上层为纯 $p$ 坐标，分30层，模式层顶高度约为3.643 hPa，1.9˚ × 2.5˚分辨率的纬向由西向东均匀分布96个格点，经向由南往北均匀分布144个格点。相对于CAM4.0版本，CAM5.1的物理参数化方案有了实质性的修改，例如：更新了湿边界层和浅积云对流方案，改进了对低云的模拟等 [27] 。研究表明，该模式能很好模拟出东亚夏季大气环流形势及降水分布 [28] 。

2.2.2. 数值试验方案设计

利用NCAR CAM5.1大气环流模式进行夏季赤道中东太平洋SSTA变化对SCEF影响的模式试验。模式分辨率选取为1.9˚ × 2.5˚。

1) 控制试验。利用大气环流模式进行11年的积分，积分过程中下边界的海温采用气候平均的逐月海温，模式积分初始时间设定为第1年1月1日，大气初始场为模式自带的资料。

2) 暖位相试验。取控制试验模式积分第11年1月1日的大气资料作为初始场，在此基础上，从当年6月1日开始在赤道太平洋区(170˚E~110˚W, 5˚S~5˚N)加入3个月正海温异常(1.0℃)进行积分，在积分过程中海温异常强度保持不变。

3) 冷位相试验。取控制试验模式积分第11年1月1日的大气资料作为初始场，在此基础上，从当年6月1日开始在赤道太平洋区(170˚E~110˚W, 5˚S~5˚N)加入3个月负海温异常(−1.0℃)进行积分，在积分过程中海温异常强度保持不变。

采用模式积分第11年6~8月平均代表夏季，分别给出正、负异常试验与控制试验的差值分布及正负异常试验的差值分布，以分析夏季赤道中东太平洋SSTA对同期SCEF的可能影响。

3. 气候态的模拟

控制试验结果可以代表模式模拟气候状态。对比ERA-Interim再分析资料结果(图1(a))，850 hPa风场的模拟结果(图1(b))表明：Cam5.1模式较好的模拟出了东亚夏季风环流系统的主要特征，如南海西南季风、东亚副热带西南季风等，结果与气候场接近，但模拟的风速比实况偏大。由海平面气压场(图1(c)、图1(d))可以看出，模式较好的模拟了夏季海平面气压场的分布特征，包括北半球的亚洲低压、北太平洋高压系统及南半球的澳大利亚高压、南太平洋高压和印度洋高压系统。综上所述，该模式对夏季气候具有较强的模拟能力，这为本文的研究提供了基础。

(a) (b) (c) (d)

Figure 1. The average wind field at 850 hPa (a, b, unit: m/s) and the sea level pressure field (c, d, unit: hPa) comparisons in summer (a/c. ERA-Interim reanalysis data, b/d. Cam5.1 simulation results)

图1. 夏季平均的850 hPa风场(a, b，单位：m/s)及海平面气压场(c, d，单位：hPa)对比(a/c. ERA-Interim再分析资料，b/d. Cam5.1模拟结果)

4. 数值试验结果

图2给出了赤道中东太平洋关键区海温暖、冷位相试验的夏季925 hPa风场差值以及暖、冷位相异常试验与控制试验的差值分布。由图2(a)可见，当夏季赤道中东太平洋海温异常偏高时，日本附近地区存在异常气旋式环流，使得南海地区为显著的西南风异常，而我国东南部及沿岸地区为东北风异常。由图2(b)可见，当夏季热带中东太平洋海温异常降低时，南海北部上空反气旋式风场异常增强，西北太平洋上空气旋式环流异常增强，热带西太平洋至孟加拉湾出现明显东北风异常。由暖、冷位相试验的差值分布(图2(c))可见，南海北部存在显著的气旋式环流异常，使得我国东南部及沿岸地区出现东北风异常，南海地区出现显著的西南风异常。此外，热带中东太平洋及热带西太平洋分别出现低空辐合气流及辐散气流，对应Walker环流减弱。由此可见，上述风场异常均易造成低空SCEF、南海夏季风增强及东亚副热带夏季风减弱。

(a) (b) (c)

Figure 2. Distribution of the difference between the 925 hPa wind field in control teat and the warm (a) and cold (b) phase anomaly test and the difference between warm and cold phase test (c) in the equatorial Middle East Pacific Sea (unit: m/s)

图2. 赤道中东太平洋海温暖(a)、冷(b)位相异常试验与控制试验的夏季925 hPa风场差值以及暖、冷位相试验的差值(c)分布(单位：m/s)

图3给出了赤道中东太平洋关键区海温暖、冷位相试验的夏季200 hPa风场散度差值以及暖、冷位相异常试验与控制试验的差值分布。由图3(a)可见，当夏季赤道中东太平洋海温异常偏高时，赤道西太平洋散度为负，存在异常辐合，其以北的副热带地区散度为正，存在异常辐散，东亚局地Hadley环流异常减弱，造成低空SCEF异常增强在20˚N附近与来自北半球的冷空气交汇上升。由图3(b)可见，当夏季赤道中东太平洋海温异常偏低时，相对暖位相试验，冷位相试验的南海SCEF明显减弱，这表明，当夏季热带中东太平洋海温偏低时，同期南海SCEF强度明显减弱。由暖、冷位相试验的差值分布(图3(c))可见，赤道西太平洋散度为负，存在异常辐合，其以北的副热带地区散度为正，存在异常辐散，赤道中东太平洋散度为正，存在异常辐散，使得东亚地区局地Hadley环流及Walker环流减弱均偏弱，对应南海SCEF强度异常增强。

(a) (b) (c)

Figure 3. Distribution of the difference between the 200 hPa wind field in control teat and the warm (a) and cold (b) phase anomaly test and the difference between warm and cold phase test (c) in the equatorial Middle East Pacific Sea (unit: 10⁻⁵/s)

图3. 赤道中东太平洋海温暖(a)、冷(b)位相异常试验与控制试验的夏季200 hPa风场散度差值以及暖、冷位相试验的差值(c)分布(单位：10⁻⁵/s)

图4为赤道中东太平洋关键区海温暖、冷位相试验的夏季海平面气压场差值以及暖、冷位相异常试验与控制试验的差值分布。由图4(a)可见，当夏季热带中东太平洋海温异常偏高时，热带西太平洋赤道辐合带及亚洲大陆热低压均增强，而海洋性大陆区气压差值为正距平。由图4(b)可见，当夏季热带中东太平洋海温异常偏低时，热带西太平洋赤道辐合带及亚洲大陆热低压均明显减弱，最大变压中心位于南海附近，达2 hPa。由暖、冷位相试验的差值分布(图4(c))可见，亚洲大陆热低压以及位于热带西太平洋的赤道辐合带均明显增强，而海洋性大陆区气压差值为正距平，使得西太平洋南北向气压梯度增加，有利于赤道附近出现西南气流，故而引导SCEF增强。

(a) (b) (c)

Figure 4. Distribution of the difference between the sea level pressure field in control teat and the warm (a) and cold (b) phase anomaly test and the difference between warm and cold phase test (c) in the equatorial Middle East Pacific Sea (unit: hPa)

图4. 赤道中东太平洋海温暖(a)、冷(b)位相异常试验与控制试验的夏季海平面气压场差值以及暖、冷位相试验的差值(c)分布(单位：hPa)

图5为赤道中东太平洋关键区海温暖、冷位相试验的夏季沿赤道太平洋的垂直环流差值以及暖、冷位相异常试验与控制试验的差值分布。由图5(a)可见，夏季热带中东太平洋海温异常偏暖使得该区域海表湍流热通量增加，其上空大气受热抬升，赤道太平洋区域低空出现西风异常，引起Walker环流减弱，赤道西太平洋出现下沉运动，该地区对流活动减弱，因而东亚地区局地Hadley环流表现为异常偏弱，对应南海SCEF强度异常增强。由图5(b)可见，当夏季热带中东太平洋海温异常偏冷，其上空大气遇冷下沉，赤道太平洋区域低空出现东风异常，赤道西太平洋地区出现上升运动，引起Walker环流及东亚地区局地Hadley环流的增强。由暖、冷位相试验的差值分布(图5(c))可见，赤道中东太平洋存在明显上升运动，而赤道西太平洋出现下沉运动，引起东亚地区局地Hadley环流表现为异常偏弱，对应南海SCEF强度异常增强。

(a) (b) (c)

Figure 5. Distribution of the difference between the vertical circulation along the equatorial Pacific Ocean in control teat and the warm (a) and cold (b) phase anomaly test and the difference between warm and cold phase test (c) in the equatorial Middle East Pacific Sea (units of zonal wind velocity: m/s, units of vertical wind velocity: 0.01 Pa/s)

图5. 赤道中东太平洋海温暖(a)、冷(b)位相异常试验与控制试验的夏季沿赤道太平洋的垂直环流差值以及暖、冷位相试验的差值(c)分布(纬向风速单位：m/s，垂直速度单位：0.01 Pa/s)

5. 结论

本文利用1979~2020年逐月观测海表温度，驱动改进的NCAR CAM5大气环流模式进行长时间积分试验所得结果，与ERA5再分析资料进行比较，从数值模拟的角度进一步验证了观测分析中赤道中东太平洋SSTA对SCEF变化的重要作用。研究表明：数值试验结果与观测分析结果较为一致，当夏季赤道中东太平洋SSTA偏暖时，引起Walker环流及东亚局地Hadley环流异常偏弱，对应澳大利亚北部及热带西太平洋海洋性大陆海平面气压(Sea level pressure, SLP)异常上升，北太平洋SLP异常下降，西太平洋南北向气压梯度增加，故SCEF易增强；反之亦然。

基金项目

陕西省气象局秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室开放基金课题(2023Y-1)。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。