春季热带南大西洋海表温度异常与夏季亚澳季风区降水异常的联系

陈晨,李忠贤,陈兵,于怡秋

摘要 利用1979—2019年Hadley中心的海表温度资料、GPCP的降水资料以及NCEP-DOE的再分析资料等，分析了北半球春季热带南大西洋海表温度异常与北半球夏季亚澳季风区降水异常的联系。研究表明，北半球春季热带南大西洋海表温度异常与随后夏季热带西太平洋到南海（澳大利亚东侧海域到热带东印度洋）地区的降水异常为显著负相关（正相关）关系。北半球春季热带南大西洋的海表温度正异常可以引起热带大西洋和热带太平洋间的异常垂直环流，其中异常上升支（下沉支）位于热带大西洋（热带中太平洋）。热带中太平洋的异常下沉气流和低层辐散气流引起热带中西太平洋低层的异常东风，后者有利于热带中东太平洋海表温度出现负异常。通过Bjerknes正反馈机制，热带中东太平洋海表温度异常从北半球春季到夏季得到发展。热带中东太平洋海表温度负异常激发的Rossby波使得北半球夏季热带西太平洋低层出现一对异常反气旋。此时，850 hPa上热带西太平洋到海洋性大陆地区为显著的异常东风，有利于热带西太平洋到南海（澳大利亚东侧海域到热带东印度洋）地区出现异常的水汽辐散（辐合），导致该地区降水减少（增加）。

关键词 热带南大西洋;海表温度异常;亚澳季风区;降水

热带海洋一直被认为是大尺度海气相互作用中最重要的区域，对全球的气候变化有显著影响（Chang et al.，2006;Li et al.，2010）。国内外学者研究指出，热带东太平洋（Wang et al.，2000;Wu et al.，2009;陈蔚和管兆勇，2016）、热带西太平洋（黄荣辉和孙凤英，1994;Wu et al.，2003;黄荣辉等，2005），以及热带印度洋（Schott and McCreary，2001;Li et al.，2008;陈小婷等，2010）海表温度异常对亚澳季风区的气候异常具有重要的影响。近年来，热带大西洋地区海表温度异常及其影响成为学者们关注的前沿热点问题（容新尧等，2010;Ham et al.，2013a，2013b;Hong et al.，2014;Jin and Huo，2018;李忠贤等，2019a;徐集云等，2019）。

热带南大西洋海表温度异常作为热带大西洋地区气候变率中的重要信号（Servain et al.，1999;Ruiz-Barradas et al.，2000），不仅在局地气候变化中起到显著作用（Vizy and Cook，2001;Okumura and Xie，2004;Barreiro and Tippmann，2008;Brandt et al.，2011），对较远距离的气候变化同样有重要影响（Wang et al.，2009;Mohino and Losada，2015;Kucharski et al.，2016;Kucharski and Joshi，2017）。Kucharski et al.（2008，2009）的研究结果表明，北半球夏季热带南大西洋海表温度正异常可以在热带大西洋地区激发出典型的Gill-Matsuno四极型环流异常，并通过大气Kelvin波将环流异常信号传递到印度洋地区，使得印度洋地区对流层低层被异常高压控制，引起印度季风环流减弱，从而导致印度地区夏季降水减少（Barimalala et al.，2012;2013）。Wang（2006）通过观测分析表明，热带大西洋和太平洋间的海表温度梯度异常会在南美洲赤道地区以及两大洋上引起纬向风异常，该纬向风异常有利于两大洋间的相互作用。随后的研究表明，北半球夏季热带南大西洋海温正异常引起Walker环流异常，热带中西太平洋低层出现异常东风，使得热带中太平洋海表温度降低和温跃层变浅，温跃层负异常通过海洋冷性Kelvin波向东传播，导致热带中东太平洋海表温度降低，有利于诱发La Nia事件（Losada et al.，2010;Keenlyside et al.，2013;Martín-Rey et al.，2015;Polo et al.，2015）。研究发现北半球夏季热带南大西洋海表温度异常与长江流域的夏季降水异常存在显著的正相关关系（李忠贤等，2019b）。此外，研究指出北半球冬季热带南大西洋的海表温度正异常将导致澳大利亚地区对流层低层受到异常气旋性环流控制并伴有异常上升运动，使得该地区降水增加（Lin and Li，2012）。

综上所述，以往的研究主要关注北半球夏季热带南大西洋海表温度异常与印度洋和太平洋地区海表温度和气候的联系，而关于北半球春季热带南大西洋海表温度变化特征及其对亚澳季风区降水影响的研究较少。那么，北半球春季热带南大西洋海表温度异常与亚澳季风区的降水是否存在显著联系，以及其中可能的物理机制又是怎样的呢？本文将主要解决上述问题，为亚澳季风区的夏季降水预测提供参考。

1 资料和方法

1.1 资料

1）英国气象局哈德莱中心（The UK Meteorological Office Hadley Center）提供的月平均海表温度（sea surface temperature，SST）资料（Rayner et al.，2003），水平分辨率为1.0°×1.0°。2）美国国家海洋和大气管理局（NOAA）提供的逐月OLR资料，水平分辨率为2.5°×2.5°。3）GPCP（Global Precipitation Climatology Project）的逐月降水資料（Adler et al.，2003），水平分辨率为2.5°×2.5°。4）美国国家环境预报中心/美国能源部（NCEP-DOE）提供的逐月风场、位势高度以及相对湿度等再分析资料（Kanamitsu et al.，2002），水平分辨率为2.5°×2.5°。上述所选用的资料均为1979—2019年，为了方便叙述，文中春季指北半球春季，为3—5月（MAM）;夏季指北半球夏季，为6—8月（JJA）。在进行分析前，资料中各要素的线性趋势已去除。

1.2 方法

主要采用旋转正交经验函数（REOF）、相关分析、回归分析以及合成分析等统计方法，此外通过t检验对统计结果进行显著性检验。

利用热带太平洋和热带大西洋地区的850 hPa和200 hPa速度势来定义两个大洋间的纬向垂直环流强度指数IVC（vertical circulation index，VCI），具體公式如下：

φTP=φ850 hPaTP-φ200 hPaTP。（1）

φTA=φ850 hPaTA-φ200 hPaTA。（2）

IVC=φTP-φTA。（3）

其中：φTP为热带中太平洋（170°E～135°W，2.5°S～2.5°N）地区平均的850 hPa和200 hPa速度势之差;φTA热带大西洋（45°W～0°，2.5°S～2.5°N）地区平均的850 hPa和200 hPa速度势之差。当VCI为负时表示热带大西洋地区为上升气流，热带中太平洋地区为下沉气流;反之亦然。

2 春季热带南大西洋模态及其与夏季亚澳季风区降水的联系

为分析春季热带大西洋海表温度的变化特征，选取1979—2019年春季热带大西洋地区（70°W～15°E，30°S～30°N）海表面温度距平EOF分解得到的前15个模态（累计方差贡献为96.4%）进行REOF分解。REOF分解得到的第一模态的方差贡献率为36.4%，其空间分布表现为热带北大西洋海表温度异常（图略），该模态被称为热带北大西洋模态（Ham et al.，2013a）。第二模态的方差贡献率为20.9%，其空间分布如图1a所示，海表温度异常主要位于热带南大西洋地区，而热带北大西洋地区海表温度异常较弱，该模态被称为热带南大西洋模态（Ruiz-Barradas et al.，2000）。从春季热带南大西洋模态的时间序列（图1b）可知，该模态表现为明显的年际变化特征，模态的时间系数最大值出现在1988年，最小值出现在1997年。

利用区域（45°W～15°E，25°S～5°N）平均的海表温度表示热带南大西洋海表温度变化特征（Servain，1991），并记为SBI（South Basin Index）。计算得到的春季SBI和热带南大西洋模态的时间系数之间的相关系数为0.86，通过了99%置信水平的显著性检验。可见，春季热带南大西洋模态可以充分体现春季热带南大西洋海表温度异常的变化特征，在后文分析中将标准化的热带南大西洋模态的时间系数记为STAI（South Tropical Atlantic Index）。将STAI大于1的年份记为热带南大西洋海表温度正异常年，小于-1的年份记为热带南大西洋海表温度负异常年，共挑选出6个正异常年（1985、1988、1996、1998、2008、2010年）和7个负异常年（1980、1981、1992、1993、1997、2012、2018年）。

图2为春季STAI与夏季亚澳季风区降水距平的相关系数分布。从图中可知，春季热带南大西洋海表温度异常与夏季热带西太平洋到南海地区的降水异常存在负相关关系，中心数值可达-0.40左右（通过了99%置信水平的显著性检验）;与澳大利亚东侧海域到热带东印度洋地区为正相关关系，中心数值达0.40左右（通过了99%置信水平的显著性检验）。这表明，当春季热带南大西洋海表温度正（负）异常时，夏季热带西太平洋到南海地区的降水将会减少（增加），澳大利亚东侧海域到热带东印度洋地区降水将会增加（减少）。

为了进一步分析春季热带南大西洋海表温度异常与夏季亚澳季风区降水异常的联系，图3给出了春季热带南大西洋海表温度正异常年与负异常年的夏季降水距平的合成差值分布。从图3中可见，其空间分布与图2基本一致，即春季STA正异常年，夏季热带西太平洋到南海地区（澳大利亚东侧海域到热带东印度洋地区）降水较STA负异常年减少（增加）了 3.0 mm/d（2.0 mm/d）左右。综上可知，春季热带南大西洋海表温度异常与夏季亚澳季风区降水异常存在显著的联系。

3 春季热带南大西洋海表温度异常影响夏季亚澳季风区降水异常的可能机制

夏季亚澳季风区的低层大气环流对该地区的水汽输送起到至关重要的作用，而水汽输送及其辐合将直接影响降水（陈际龙和黄荣辉，2006;范倩莹等，2018）。图4给出了春季STAI与夏季亚澳季风区850 hPa风场、整层水汽通量（1 000～300 hPa）散度距平的回归系数分布。从图4中可知，当春季热带南大西洋海表温度正异常时，夏季850 hPa上热带东太平洋到海洋性大陆地区为显著的异常东风（图4a），热带东太平洋到南海地区出现异常水汽辐散，有利于水汽向西输送至热带东印度洋到澳大利亚东侧海域地区并引起异常水汽辐合（图4b），使得热带东太平洋到南海地区（澳大利亚东侧海域到热带东印度洋地区）降水减少（增加）。

春季STAI与夏季OLR场以及500 hPa垂直速度的回归系数分布如图5所示。从图5中可以看出，当春季热带南大西洋海表温度正异常时，夏季从热带东太平洋到南海地区的OLR场为显著正异常，表示上述地区对流活动受到抑制，同时500 hPa上表现为异常下沉运动，有利于该地区降水减少;夏季澳大利亚东侧海域到热带东印度洋地区的OLR场为显著负异常，表示该地区对流活动的发展，同时500 hPa上表现为异常上升运动，有利于该地区降水增加;反之亦然。

图6为春季STAI与春、夏季850 hPa旋转风场和流函数距平的回归系数分布。从图6中可以看到，当春季热带南大西洋海表温度正异常时，在大西洋赤道北侧激发出异常气旋式环流（Matsuno，1966;Gill，1980），同时西太平洋的赤道两侧出现一对异常反气旋（图6a）。夏季，大西洋赤道北侧的异常气旋西移，西太平洋的赤道两侧的异常反气旋加强，使得夏季亚澳季风区出现显著的异常环流（图6b）;反之亦然。

从春季STAI与春、夏季的辐散风场以及势函数距平的回归系数（图7）可知，春季热带南大西洋海表温度异常与大西洋和太平洋之间的垂直环流异常存在显著联系。当春季热带南大西洋海表温度为正异常时，由于局地对流的活动加强，使得热带大西洋对流层低（高）层出现异常辐合（辐散）气流，同时热带中太平洋地区对流层低（高）層出现异常辐散（辐合）气流，在热带大西洋到热带太平洋间形成异常垂直环流。热带中太平洋地区的异常下沉气流以及对流层低层的辐散气流有利于热带西太平洋地区异常反气旋的维持和加强（Hong et al.，2014）。

为了进一步分析春季热带南大西洋海表温度异常对热带大西洋与热带太平洋间垂直环流的影响，图8给出了春季STAI与5°S～5°N纬向平均垂直环流的回归系数分布。从图8中可知，当春季热带南大西洋海表温度偏暖时，热带大西洋到热带太平洋地区出现异常垂直环流，其中上升支分别位于热带大西洋和热带西太平洋，下沉支位于热带中太平洋，热带中西太平洋低层为异常东风（图8a）。夏季时，热带大西洋到热带西太平洋地区的异常垂直环流加强，热带西太平洋地区低层的异常东风进一步加强（图8b）。

通过计算得到的春季STAI与春季和夏季热带大西洋与热带太平洋间纬向垂直环流强度指数（VCI）的相关系数分别为-0.58和-0.44，均通过了99%置信水平的显著性检验。所以春季热带南大西洋地区海表温度异常与春季和夏季热带大西洋到热带太平洋间的纬向环流圈具有显著负相关关系。

图9给出了春季STAI与春、夏季近地面风场以及海表温度距平的回归系数分布。由图9a所示，春季热带南大西洋海表温度正异常时，热带西太平洋近地面为异常偏东风，热带中东太平洋海表温度为负异常。这可能是由于热带西太平洋海表异常偏东风有利于热带中东太平洋表层海水向西输送，同时热带东太平洋冷水上翻造成的（Polo et al.，2015）。在热带海气系统Bjerknes正反馈机制作用下（Chang et al.，2006），夏季热带南大西洋海表温度正异常得以持续，热带西太平洋地区异常偏东风和热带中东太平洋海表温度负异常加强，从而使得夏季热带太平洋地区出现类La Nia型海表温度异常（图9b）。

由此可知，北半球春季热带南大西洋海表温度异常可以对春、夏季热带中东太平洋海表温度异常产生重要的影响，而春、夏季热带中东太平洋海温异常又进一步对亚澳季风区环流异常产生显著的影响（Wang et al.，2000;Meehl and Arblaster，2011）。春季热带南大西洋海表温度正异常，通过热带大西洋到热带太平洋地区的异常垂直环流，引起中西太平洋低层产生异常的东风，进而导致热带中东太平洋海表温度产生负异常。通过Bjerknes正反馈机制，热带中东太平洋海表温度异常信号从春季到夏季得到发展。热带中东太平洋海表温度负异常激发的Rossby波使得夏季热带西太平洋低层出现异常反气旋环流，使得亚澳季风区出现降水异常。

4 讨论和结论

1）热带南大西洋海表温度异常变化是春季热带大西洋海表温度异常REOF分解的第二模态，方差贡献率为20.9%，该模态存在较为显著的年际变化特征。

2）当春季热带南大西洋海表温度正异常时，夏季850 hPa上热带西太平洋到海洋性大陆地区表现为显著的异常东风，西太平洋地区赤道两侧出现一对异常气旋，在热带西太平洋到南海（澳大利亚东侧海域到热带东印度洋）地区出现异常水汽辐散（辐合），导致降水减少（增加）。

3）春季热带南大西洋海表温度正异常通过热带大西洋和热带太平洋间的异常垂直环流，引起热带中西太平洋低层出现异常的东风，进而导致热带中东太平洋海表温度产生负异常。通过Bjerknes正反馈机制，热带中东太平洋海表温度异常信号从春季到夏季得到发展。热带中东太平洋海表温度负异常激发的Rossby波使得夏季热带西太平洋低层出现异常反气旋环流，异常反气旋通过异常的水汽输送影响夏季亚澳季风区的降水异常。

本文的研究表明，北半球春季热带南大西洋海表温度异常与夏季亚澳季风区降水异常存在密切的联系，前者可以作为夏季亚澳季风区的气候预测的一个潜在的预测因子。本文所得结果基于诊断分析，对于春季热带南大西洋海表温度异常对夏季亚澳季风区降水异常影响的机理仍有待于数值试验的进一步验证。

致谢：本文的数值计算得到了南京信息工程大学高性能计算中心的计算支持和帮助。

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Relationship between spring South tropical Atlantic SST anomalies and summer precipitation anomalies in Asian-Australian monsoon region

CHEN Chen1，2，LI Zhongxian1，CHEN Bing3，YU Yiqiu4

1 Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

2Qiqihar Meteorological Bureau，Qiqihar 161006，China;

3Jiangsu Climate Center，Nanjing 210019，China;

4Shenyang Regional Climate Center，Shenyang 110166，China

Based on the sea surface temperature （SST） from Hadley Center，the precipitation data of GPCP，NCEP-DOE reanalysis data，the variability of boreal spring south tropical Atlantic （STA） SST anomaly （SSTA） and its association with boreal summer precipitation in the Asian-Australian monsoon region are investigated by using statistical analysis methods.The results indicate a significant negative （positive） relationship between boreal spring STA SSTA and subsequent summer precipitation anomalies in the tropical western Pacific-South China Sea （the sea between eastern Australia and the tropical eastern Indian Ocean）.The spring positive STA SSTA can cause an anomalous vertical circulation over the equatorial Atlantic and tropical Pacific.The anomalous descending and low-level divergence over the tropical central Pacific can generate anomalous easterly conditions in the tropical western Pacific，which can result in a negative SSTA in the tropical central eastern Pacific.In the tropical central and eastern Pacific，the SSTA can be enhanced by the Bjerknes positive feedback mechanism from boreal spring to summer.During boreal summer，two anomalous anticyclones are induced over the western Pacific as a result of the Rossby wave response to the negative SSTA in the tropical central eastern Pacific.The tropical western Pacific and South China Sea （seas to eastern Australia and tropical eastern Indian Ocean） are experiencing anomalous easterly winds in 850 hPa，resulting in less （more） precipitation for tropical west Pacific and South China Sea.

South tropical Atlantic;SSTA;Asian-Australian monsoon region;precipitation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200522001

（責任编辑：刘菲）