印度洋地区MJO对流生成动力学机制的研究进展

张媛文 凌健

摘要Madden-Julian Oscillation （MJO） 是热带大气在季节内时间尺度上的主要变化特征，MJO对流的活动对全球很多地区的天气和气候系统都有重要的影响，因此MJO是大气科学重要的前沿课题之一.MJO对流的生成过程是MJO研究中公认的最薄弱的环节，文中从MJO的研究背景出发，对MJO对流生成的有关研究工作及其进展进行了回顾与总结，主要包括MJO对流生成的前期信号、MJO对流的数值模拟、MJO对流生成的动力学机制.最后对MJO对流生成研究中还有待解决的问题进行了分析与讨论.

关键词MJO；对流；MJO生成；动力学机制；数值模拟

中图分类号P434；P435

文献标志码A

0 引言

Madden-Julian Oscillation （MJO） 是热带大气季节内振荡的主要组成部分[1-2]，是热带地区乃至全球重要的大气环流系统之一.MJO的活动对全球很多地区的天气和气候系统都有重要的影响，因此备受各国学者的关注，成为大气科学重要的前沿课题之一.

MJO最先由Madden 和Julian在1971年发现[1]，他们在分析南太平洋坎顿岛（Kanton Island，3°S，172°W）的无线电探空数据时发现其纬向风和地面气压存在着一个周期为40～50 d的低频振荡.随后，他们指出这种振荡在全球热带大气中普遍存在，主要以纬向一波结构向东传播（图1）[2].Gruber[3]和Zangvil[4]的研究表明赤道附近的云也存在周期为40～50 d的振荡，证实了Madden和Julian关于赤道附近云系存在东传的推测.Yasunari[5]发现印度季风区的云量也存在40 d左右的周期变化，并认为印度季风区向北传播的云系始于赤道印度洋上向东传播的云系.随着1979年全球大气研究计划（Global Atmospheric Research Program，GARP）第一期全球试验（First GARP Global Experiment，FGGE）和GARP季风试验（Monsoon Experiment，MONEX）的进行，与MJO相关的研究得到了蓬勃开展.人们对MJO基本活动规律有了清晰的认知[6-10]，如MJO具有纬向一波为主的行星尺度空间结构，30～60 d的宽频振荡周期，以平均约5 m/s的速度从热带印度洋向热带太平洋中部地区缓慢东传；MJO的垂直结构主要表现为对流层上下反向的斜压结构、纬向风和温度场随高度明显西倾；水平结构主要表现为东西方向上的偶极子特征；此外，MJO的活动还表现出明显地域差异与季节性差异，MJO在北半球冬季和夏季的主要特征存在显著不同.

在MJO对流和环流系统东传的过程中，MJO对流异常通过热力强迫和遥相关的方式对热带乃至全球天气和气候产生不同程度的影响[11].研究表明，MJO的活动对全球的季风系统都具有一定的调制作用[12]，它会影响亚洲季风[5，13-16]、澳洲季风[17-18]以及美洲季风[19]的爆发和中断；MJO能够改变热带气旋生成的大尺度条件，进而调制热带气旋的活动[20-23]；MJO和 ENSO 之间存在相互作用[24-28]，MJO东传时的强西风异常能够影响西太平洋和中太平洋地区的海温，从而影响El Nio的发展速度以及强度；MJO对印度洋偶极子事件的发生、发展和消亡过程起着不同程度的作用[29-30].此外，MJO对极端降水[31-32]、洪涝[33-34]以及热带大气气溶胶[35]等都具有一定的调制作用.

中国也处于MJO对流活动的传播经度范围内，MJO在中国东部地区的天气、气候异常中扮演着重要角色.MJO的活动会影响我国东南地区冬季和夏季的降水强度[36-38]和云南地区的降水异常[39-40]，并且对夏季江淮流域的旱涝[41-44]有重要影响.此外，MJO的活动与我国一些极端天气现象关系密切.如2008年1月到2月初，我国南方大范围持续冰冻雨雪天气和MJO的活动密切相关[45-47].

经过40多年的研究，目前人们对MJO有了一定程度的认知，例如MJO的大尺度结构[48-51]和多尺度特征[52-53]，MJO对全球天气、气候系统的影响[11，54]，MJO的传播机制[55-57]等.但是仍然存在很多问题亟待解决[58-61]，目前大多数模式都无法准确模拟MJO的强度、周期及传播特征，MJO活动的预测能力偏低，现有理论并不能完全解释MJO的生成、维持和传播机制.其中，MJO对流生成过程是MJO研究中公认最薄弱的环节，这反映出在MJO动力学理论机制，尤其是MJO对流信号在印度洋地区生成机制方面的研究中还存在明显不足.

本文将首先回顾MJO对流生成的前期信号，并梳理MJO对流数值模拟的现状，着重介绍现有MJO对流生成的动力学机制，最后对MJO对流生成研究中还有待解决的问题进行分析与讨论，以期加深对印度洋地区MJO对流生成的理解.

1 MJO对流生成的前期信号

MJO对流是MJO研究的核心部分，它一般在西印度洋生成并向东传播，途经海洋性大陆地区进入西太平洋，到达日界线后逐渐减弱并最终消亡.尽管在热带印度洋到太平洋暖池地区均可能有MJO对流生成，但印度洋是大多数MJO对流的生成地.目前关于MJO对流在初期形成的原因尚无定论，但已有不少研究指出MJO对流生成前期印度洋地区存在一些前兆信号.

Ling等[62]对比了初始型MJO和非 MJO对流生成之前大尺度环流场，指出MJO生成前熱带印度洋地区存在3种大尺度信号：对流层低层首先出现东风异常并从低层向对流层中层延伸，与此同时该信号在印度洋地区自西向东移动；海平面气压场呈现纬向一波的结构，并且负的海平面气压距平在赤道地区从非洲一直延伸至海洋性大陆；对流层中层存在着负温度距平，并且以接近 MJO传播的速度从印度洋开始缓慢东传.以上信号在MJO对流信号生成之前的20 d就已经存在，这些大尺度的信号可以为预测MJO对流的生成提供重要的客观指标.

Zhao等[63]通过诊断NOAA卫星观测资料和ERA-40再分析资料，揭示了冬季MJO生成的前兆信号和相关动力过程.其研究指出热带西印度洋是MJO对流活动生成的关键区域.在MJO对流生成之前，热带西印度洋地区对流层低层的湿度显著增加并且温度显著增高.水汽和温度的增长有利于该地区对流不稳定的增长并最终导致MJO对流产生.MJO对流触发期间，MJO风场与低频湿度场（温度场）相互作用导致的水平湿平流（水平暖平流）是比湿（温度）增加的主要原因.而这种低频风场是对热带东印度洋MJO抑制位相的罗斯贝波响应，即下游强迫.但是并非每次MJO对流发生前都会有一个MJO事件存在，因此这种前兆信号的普适性有待检验.

Mei等[64]检验了赤道西印度洋上持续东传的强MJO事件的前期信号，并将其分为3类：边界层水汽超前型（类型Ⅰ）、对流层低层上升运动超前型（类型Ⅱ）和无明显前兆信号型（类型Ⅲ）.在类型Ⅰ中MJO对流发生前约7天时印度洋地区边界层水汽已经开始增加，这种增湿过程主要由低频风场对平均湿度的平流引起，而这种低频风场是位于赤道东印度洋上受前期MJO抑制位相引起的罗斯贝波的一部分.在类型Ⅱ中MJO对流发生前约4天时印度洋地区对流层低层上升运动出现，水平暖平流是上升运动产生的主要原因.类型Ⅲ中对流层低层并没有显著的前期水汽和上升运动异常信号，这种类型的MJO对流生成可能受到中纬度罗斯贝波能量的影响.

以上研究从不同的角度探究MJO对流生成的前期信号，对MJO的预测具有一定的参考价值，但是更具有普适性的MJO对流生成的前兆信号依然有待于进一步探究.

2 MJO对流的数值模拟

从19世纪80年代开始，越来越多的学者将数值模式运用到MJO的研究中，数值试验有助于探究MJO生成机制，然而大多数模式对MJO的模拟效果并不理想（图2）.

目前大多数的大气模式都低估了MJO的强度[65]，未能再现MJO的季节性差异[66-67]，模式中MJO的东传速度过快[58]，高频信号比观测更强[68]，纬向西传比东传偏强[69].Hung等[70]评估了20个CMIP5模式对MJO和赤道波动的模拟能力，并且和CMIP3模式进行了对比，结果显示大部分CMIP5模式模拟MJO的振幅、周期和东传速度都有了显著提高，但是模式模拟MJO的能力还是偏弱.导致模式模拟MJO存在偏差的可能原因主要包括模式分辨率[71-72]、对流参数化方案[73]、海气相互作用[74]以及模式的平均态[75]等.

不同模式对MJO的模拟能力与模式分辨率的关系存在差异.Hayashi等[76]对比了GFDL（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory）模式2个不同分辨率版本中MJO的模拟结果，发现提高模式水平分辨率有利于MJO的模拟.Slingo等[77]对比了法国国家气象研究中心CNRM（Centre National de Recherches Meteorlogiques）3个不同分辨率版本对MJO的模拟能力，发现随着水平分辨率的提高MJO的强度反而减弱.Gualdi等[78]对ECHAM3模式的3个不同分辨率版本的分析结果也表明水平分辨率提高实际上降低了MJO的模拟能力.Jia等[68]对比了中国科学院大气物理研究所/大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点试验室发展的大气环流模式SAMIL（Spectral Atmospheric Model of IAP/LASG）3个不同分辨率版本，结果表明分辨率的变化并没有使MJO的模拟能力发生本质上的变化，但是对MJO的某些特征起到了明显的调制作用.

对流参数化方案被普遍认为是影响MJO模拟的重要因素[79].Slingo等[77]对比了使用不同对流参数化方案的大气环流模式对MJO模拟的结果，认为相比于基于水汽辐合的对流方案，浮力闭合对流方案可以更好地模拟出MJO的特征.王坤等[80]利用中国科学院大气物理研究所的大气环流模式（IAP AGCM 4），分析了Emanuel方案（EMA）、Zhang-McFarlane方案（ZM）和修改的Zhang-McFarlane方案（MZM）3种不同的对流方案，结果表明MZM方案较好地模拟出了MJO的基本特征，包括季节内的时间尺度、东传特征以及传播的连续性.

图3给出了SAMIL R42L9分别使用MCA和Tiedtke积云对流参数化方案所模拟的MJO传播特征.可以看到使用MCA方案可以模拟出MJO的东传信号，而Tiedtke方案却不能.对比它们的热带大气垂直加热廓线发现，使用MAC方案的大气垂直加热廓线的峰值位于對流层中下层.很多研究都表明，在对流参数化方案能否刻画出对流层中低层的加热峰值最为关键[81].只有当模式中热带大气垂直加热廓线的峰值位于对流层中低层时，才可以在对流层低层产生很强的上升运动以及水汽辐合，有利于深对流的产生和维持，从而使模式模拟出MJO的基本特征.

海气相互作用对MJO的模拟性能也有一定的影响.一些研究认为引入海温的季节内扰动反馈可以提高模式模拟热带大气MJO的能力[9，66，82-84]，但是还有一些研究认为引入海气相互作用之后模式对MJO的模拟能力反而变差[85-87].Zhang[9]认为，引入海气相互作用能提升模式对MJO模拟能力的前提是该模式在没有引入海气相互作用的时候也可以模拟出MJO的信号.但是Liess等[87]的研究却表明即使在大气模式可以模拟出MJO信号的前提下，也不能保证在引入海气相互作用后可以改善模式对MJO模拟的能力.

模式平均态对MJO的模拟有重要影响.对流层低层平均湿度场可以决定MJO的传播相速度和不稳定增长率[9].存在强季节循环并且平均降水场更接近观测的模式可以模拟出较好的MJO信号[77].此外，平均垂直风切变和低层纬向风场也对MJO的模拟有不可忽视的作用[84].Ling等[75]采用MJO Tracking方法评估了27个全球模式，指出每个模式都可以模拟出MJO大尺度对流缓慢东传的信号，只不过不同模式产生MJO对流的频率不同，该研究还进一步指出模式背景态对MJO对流的模拟至关重要.

3 MJO对流生成的动力学机制

随着MJO研究的逐步深入，MJO对流的生成机制受到广泛重视.李崇银[88]最先将积云对流加热反馈机制（CISK，Conditional Instability of Second Kind）引入到MJO的动力学研究中，认为积云对流加热反馈是激发MJO对流的重要动力学机制.随后Lau等[55]在此基础上发展出了“可移动性”波动CISK理论，较好地解释了MJO缓慢东传的原因.Wang[56]进一步提出了摩擦波动CISK理论，认为低层水汽辐合引发的深积云对流释放出的凝结潜热强迫出的不稳定东传模具有和MJO类似的东传速度.后来Li[89]进一步研究发现在积云对流加热反馈作用下，热带大气能够产生一种既可以向西也可以向东传播的并具有能量频散特性的CISK罗斯贝波，并指出这种CISK罗斯贝波可能是赤道以外大气30～60 d振荡的重要激发和驱动机制.自此，与MJO相关的波动-CISK机制得以完善.虽然以上理论尝试给出MJO生成过程的完整物理图像和机制解释，但是MJO对流在初期是如何形成的，尚存争议.目前关于MJO对流的生成机制主要可以分为热带强迫（上游强迫、局地强迫和下游强迫）与热带外强迫[90].

上游强迫是指已存在的MJO对流沿赤道连续东传并激发开尔文波，该开尔文波产生的异常风场东传从西侧进入热带西印度洋触发新的MJO对流[55，91-94].Hsu等[95]认为已存在的MJO激发的开尔文波在越过非洲时由于地形抬升作用改变了印度洋地区的温度场和湿度场，从而导致新的MJO对流的生成.

一些研究认为印度洋局地边界层比湿增加与水汽辐合[49，96-97]、云-辐射-水汽反馈[98-103]和局地海气通量与下垫面温度变化[49，96，104-106]等局地变化过程能够激发MJO对流的生成.Kemball-Cook等[49]的研究表明，东风异常通过改变海表潜热通量使边界层大气增湿，湿静力能先在边界层增加引起浅对流的产生，又通过浅对流辐合进一步加湿大气，最终激发MJO深对流生成.Bladé等[98]指出，在对流活跃位相与抑制位相之间变化的静止热源通过辐射-对流-表面水汽通量之间的非线性作用进行自我调节，导致了热带印度洋MJO对流的生成.Wang等[106]的研究表明，印度洋局地海温的变化在某些MJO对流个例的生成中起着重要作用.

赤道太平洋地区已存在MJO抑制位相的罗斯贝波会通过异常水汽平流在热带西印度洋地区触发新的MJO对流生成[46，63].Seo等[107]发现已存在的MJO会在对流层中低层产生正位涡，在东风作用下通过涡度平流引起上游低层辐合，产生上升区进而激发一次新MJO对流的生成.Zhao等[63]指出已存在的MJO抑制位相的罗斯贝波响应在热带印度洋产生的异常风场会激发新的MJO对流的生成.

另一些研究则强调来自热带外的扰动对MJO对流产生的影响，包括中纬罗斯贝波和斜压涡动的能量频散和动量传输[63，108-112]，有的研究还表明冷涌能够激发MJO对流[108，113-114]，但是在印度洋地区这样的个例偏少.

MJO具有准周期性，其生成的时间并不规律.Matthews[93]利用OLR指数将其分为初始型MJO和连续型MJO.上述热带强迫机制中的上、下游强迫与连续型MJO对流的激发有密切的关系，局地强迫与初始型MJO对流的生成有一定联系，大多数研究认为初始型MJO对流的生成机制主要受到来自赤道外的影响.然而上述连续型MJO的生成机制难以解释为什么连续型MJO没有持续激发新的MJO对流，而初始型MJO的生成频率远远低于理论得出的生成次数，显然仅仅依靠热带外的影响不足以触发初始型 MJO对流的生成.

4 总结与讨论

MJO是热带大气在季节内时间尺度上的主要变化特征，MJO对流的活动对全球天气和气候系统都有重要的影响.作为全球最强低频信号，国内外普遍认为MJO可以作为联系天气和气候的桥梁.MJO对流的生成过程是MJO研究中公认的最薄弱环节，由于篇幅和作者能力所限，本文只是对MJO对流生成的有关研究工作及其进展进行了简要的回顾与总结，可归纳为以下几点：

1）MJO对流生成的前20 d，热带印度洋地区存在如下大尺度信号：对流层低层存在东风异常并自西向东移动；海平面气压场呈现纬向一波的结构；对流层中层出现负温度距平并缓慢东传.此外，热带西印度洋地区生成的持续东传强MJO对流事件的前期信号可分为边界层水汽超前型、对流层低层上升运动超前型和无明显前兆信号型.

2）目前模式对MJO的模拟效果并不理想，大多数模式都低估了MJO的强度，未能再现MJO的季节性差异，模式中MJO的东传速度过快，模式中高频信号比观测更强.导致MJO模拟偏差的可能原因主要有模式分辨率、对流参数化方案、海气相互作用以及模式模拟的平均场等.其中，对流参数化方案在MJO对流的模拟中起着至关重要的作用.在对流参数化方案中，当热带大气垂直加热廓线的峰值位于对流层中低层时能够更好地刻画MJO的基本特征.尽管调整某些参数能够使MJO的模拟效果提高，但是这可能会导致模式对其他地方的模拟能力变弱.

3）MJO对流信号在印度洋地区的生成机制尚不明确.目前关于MJO对流的生成机制主要可以分为热带强迫（上游强迫、局地强迫和下游强迫）与热带外强迫.但这些机制并不能完全解释MJO对流生成的原因.加深对MJO对流在印度洋地区生成机制的理解对提高模式对MJO的模拟能力和预测能力有重要的参考价值.

对MJO对流生成过程的深入理解能够为MJO生命史中其他阶段的研究工作提供參考，对提高模式的模拟能力和次季节预测的能力有重要参考价值.目前国际上大多数模式对MJO的模拟能力偏低，相关理论有待完善，这都反映了我们对MJO对流生成机制的认识还有待加深.因此，关于MJO对流生成机制、模拟和预测的全面和深入的研究工作有待进一步开展.

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Abstract The Madden-Julian Oscillation （MJO） is a dominant component of tropical variability at intraseasonal time scales.The activities of the MJO convection have important impacts on weather and climate systems in many parts of the world.The study of the MJO therefore represents one of the frontiers of atmospheric science.Since the convective initiation is the least understood aspect of MJO，this review aims to synthesize and summarize studies of convective initiation of the MJO include but are not limited to：its observed precursor signals，the numerical simulations，and the mechanisms.The focuses of ongoing research and unsolved issues related to MJO initiation are also presented.

Key words Madden-Julian oscillation；convection；MJO initiation；dynamic mechanisms；numerical simulation