余斌,George J.BOER,Francis W.ZW IERS

(1.加拿大環(huán)境部氣候研究所氣候數(shù)據(jù)與分析研究室,加拿大多倫多;2.加拿大環(huán)境部氣候研究所加拿大氣候模擬與分析中心,加拿大維多利亞;3.維多利亞大學(xué)太平洋氣候影響研究部,加拿大維多利亞)

0 引言

海氣界面的能量交換與海洋平流一起控制海面溫度(sea surface temperature,SST)異常的形成、維持和衰減。一般來(lái)說(shuō),海洋熱輸送支配赤道太平洋東部SST異常(Philander,1990),而月平均海表熱通量(surface heat flux,SHF)異常與SST傾向在海洋的中高緯度地區(qū)顯著相關(guān)(Cayan,1992)。熱通量和SST之間的關(guān)系反映了SHF在大尺度SST異常的動(dòng)力學(xué)過(guò)程中所扮演的復(fù)雜角色;熱通量既有助于SST異常的產(chǎn)生,也作用于SST的演變及衰亡。在適當(dāng)?shù)募俣ㄏ?SHF可以進(jìn)一步分解為大氣強(qiáng)迫項(xiàng)和熱通量反饋?lái)?xiàng)之和(Frankignoul,1985)。SST異常和SHF異常之間的關(guān)系通常與所用模式有關(guān),有時(shí)還與SST異常的地理位置以及SST異常正負(fù)號(hào)有關(guān)(Kushnir and Lau,1992;Frankignoul et al.,1998)。

基于海表面能量收支平衡,我們將SST變率的大尺度特征與海表熱通量以及海洋熱輸送變率聯(lián)系起來(lái)(Yu and Boer,2003,2006)。此外,我們分析了NCEP/NCAR(美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心/美國(guó)大氣研究中心)再分析資料、ECMWF(歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心)再分析資料以及CM IP3(第3階段的全球耦合模式比較計(jì)劃)多模式氣候模擬存檔資料中的SHF和SST之間的協(xié)方差特征(Yu et al.,2009)。分析SHF-SST同時(shí)協(xié)方差有助于我們認(rèn)識(shí)SST異常的發(fā)展和抑制,而它們之間的滯后交叉協(xié)方差分析有助于認(rèn)識(shí)SHF的反饋?zhàn)饔谩Ｒ虼?分析SHF-SST間的協(xié)方差關(guān)系可以幫助我們理解與SST變率相關(guān)的物理過(guò)程。

1 海表熱通量反饋

1.1 SHF反饋

海洋上層能量收支異?？梢詫?xiě)為

其中:C0表示海洋混合層上層熱容量,近似為常數(shù);T是SST;Q=R+B是凈表面熱通量,它包括輻射(R,太陽(yáng)短波輻射和凈紅外輻射)和湍流(B,潛熱和感熱)表面能量交換;A是海洋熱輸送的散度。我們定義所有熱通量向下為正,即熱通量利于SST增強(qiáng)為正。上標(biāo)撇號(hào)表示與氣候平均值的偏差。

熱通量異常Q′近似為一個(gè)大氣強(qiáng)迫項(xiàng)(q′)以及一個(gè)與SST成正比的反饋?lái)?xiàng)(-λQT′)之和,即

其中λQ是熱通量反饋參數(shù)。參照Frankignoul et al.(1998)、Frankignoul and Kestenare(2002)的工作,熱通量反饋參數(shù)由SST-SHF間的滯后交叉協(xié)方差)以及SST自協(xié)方差()決定。在熱帶外區(qū)域,q′代表了較小時(shí)間尺度的隨機(jī)過(guò)程。假定大氣強(qiáng)迫作用影響SST,但SST不直接反作用于強(qiáng)迫項(xiàng),則其滯后協(xié)方差(τ)=0(τ＜0,T′超前q′)。這樣,SHF的反饋參數(shù)可由以下方程估算

類(lèi)似此前的研究(Frankignoul and Kestenare,2002;Yu and Boer,2006),SHF反饋參數(shù)通過(guò)滯后1～3個(gè)月的平均λQ結(jié)果而得。注意反饋參數(shù)的正值表示負(fù)反饋的強(qiáng)度,反之亦然。

由于大氣的持續(xù)性影響不能直接從熱通量中分離出來(lái),所以在SHF反饋參數(shù)估算方程(3)中假設(shè)大氣譜為低頻白噪音。這種假定在熱帶外區(qū)域成立,除了需要在大氣強(qiáng)迫項(xiàng)中扣除ENSO變化(最重要的一種年際變率)可能帶來(lái)的低頻分量。我們通過(guò)線性回歸分析法消除了ENSO在SST和SHF中的影響。這里,ENSO引起的SST變化定義為12.5°S與12.5°N之間熱帶太平洋SST異常的前兩個(gè)主分量之和。

1.2 再分析資料與耦合氣候模擬中的SHF反饋

圖1為利用兩個(gè)再分析資料以及CM IP3多模式集合平均求得的凈通量及其輻射和湍流分量的SHF反饋參數(shù)的地理分布(Yu et al.,2009)。分析結(jié)果基于NCEP/NCAR2再分析資料(NCEP2;Kanam itsu et al.,2002)、ERA-40再分析資料(Uppala et al.,2005)以及CM IP3中20C3M的氣候模擬結(jié)果(M eehl et al.,2007)。為了方便分析,資料的時(shí)段均統(tǒng)一為1980年1月—1999年12月。由于存在強(qiáng)的海氣相互作用,SHF反饋無(wú)法在熱帶太平洋地區(qū)得到可靠估算,故不在圖中示出。強(qiáng)的凈熱通量負(fù)反饋(-λQT′),即正λQ值,出現(xiàn)在兩半球中緯度地區(qū),數(shù)值超出24W·m-2·K-1,最大值出現(xiàn)在大洋的中西部并向高緯度地區(qū)延伸(圖1a、d、g)。在北大西洋副極地環(huán)流部分地區(qū)也有強(qiáng)的反饋。兩個(gè)再分析結(jié)果有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,僅僅在數(shù)量上有微小差別,兩者空間分布的相關(guān)系數(shù)為0.95。多模式集合平均SHF反饋參數(shù)比再分析結(jié)果偏弱,這也許與大氣環(huán)流模式及再分析同化系統(tǒng)間不同的海氣耦合過(guò)程對(duì)海表熱通量阻尼效應(yīng)有關(guān)(Barsugli and Battisti,1998;Saravanan,1998;W u et al.,2006)。然而,反饋參數(shù)空間分布與再分析資料匹配很好,模式結(jié)果與兩種再分析結(jié)果之間相關(guān)為0.95。湍流熱通量反饋(λB,圖1c、f、i)決定凈通量反饋。輻射反饋(λR,圖1b、e、h)基本為弱的負(fù)值,除了很少一些地區(qū)出現(xiàn)弱的正反饋。

圖2為模式間SHF反饋參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差;圖3為比較反饋參數(shù)空間形態(tài)以及方差比的BL T統(tǒng)計(jì)圖。它們用于評(píng)估CM IP3中20個(gè)氣候模式與兩種再分析結(jié)果間的相對(duì)相似程度。BLT圖是一個(gè)改進(jìn)的Taylor圖(Boer and Lam bert,2001),它顯示了與NCEP2及ERA-40平均值相比的各氣候模式的空間形態(tài)相關(guān)性、相對(duì)均方差以及方差比率。

模式間的凈SHF反饋參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差與多模式集合平均相似,最大值主要出現(xiàn)在灣流區(qū)并向更高緯度地區(qū)延伸至副極地環(huán)流部分區(qū)域(圖2a)。同時(shí),模式間的標(biāo)準(zhǔn)差小于多模式集合平均,表明各模式具有整體一致性,但在SHF反饋高值區(qū)與海冰邊緣區(qū)差異最明顯。與之相反,海表面輻射反饋參數(shù)的模式間的標(biāo)準(zhǔn)差與多模式集合平均值相當(dāng),尤其是在熱帶大西洋和灣流地區(qū),表明輻射通量反饋在各模式中差異很大,甚至?xí)淖冞@些區(qū)域的平均輻射負(fù)反饋特性。

圖1 NCEP2(a,b,c)、ERA-40(d,e,f)和多模式集合平均(g,h,i)的凈(a,d,g)、輻射(b,e,h)和湍流(c,f,i)熱通量反饋參數(shù)(等值線間隔為8W·m-2·K-1;豎線范圍表示受ENSO影響而無(wú)法較好推算反饋參數(shù)區(qū)域;圖引自Yu et al.(2009))Fig.1 (a,d,g)Net,(b,e,h)radiative and(c,f,i)turbulent surface heat flux feedback parameters for(a,b,c)NCEP2,(d,e,f)ERA-40,and(g,h,i)the multi-model mean(Contour interval is8W·m-2·K-1.The vertically hatched areas indicate that the feedback parameters are not estimated because of the effects of ENSO-related low frequency variability.Panels from Yu et al.(2009))

圖2 凈(a)、輻射(b)和湍流(c)熱通量反饋參數(shù)(λQ,λR和λB)的模式間的標(biāo)準(zhǔn)差(等值線間隔為4 W·m-2·K-1;豎線范圍表示受ENSO影響而無(wú)法較好推算反饋參數(shù)區(qū)域;圖引自Yu et al.(2009))Fig.2 Inter-model standard deviations of(a)the net,(b)radiative and(c)turbulent heat flux feedback parameters(λQ,λR,andλB)(Contour interval is4 W·m-2·K-1.The vertically hatched areas indicate that the feedback parameters are not estimated because of the effects of ENSO-related low frequency variability.Panels from Yu et al.(2009))

圖3 BLT圖表征模式及再分析結(jié)果的相對(duì)平均方差和方差比率,以及模式與再分析結(jié)果的空間形態(tài)相關(guān)性(再分析結(jié)果是NCEP2和ERA-40的平均;平均模式結(jié)果也在圖中給出;圖引自Yu et al.(2009)) a.λQ;b.λR;c.λBFig.3 BLT diagrams illustrating the relative mean square difference,the ratio of the modeled to reanalyzed variance,and the pattern correlation between model and reanalysis components(The reanalyzed components are the means of NCEP2 and ERA-40.The mean model result is also shown.Panels from Yu et al.(2009)) a.λQ;b.λR;c.λB

圖3為凈、輻射和湍流熱通量的反饋參數(shù)BL T圖。就空間形態(tài)而言,λQ在所有模式和再分析結(jié)果間的對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)均很高(圖3a)。多模式集合平均與再分析結(jié)果平均的相關(guān)系數(shù)為0.96,表明多模式集合平均與再分析結(jié)果平均享有約92%一致的空間方差。多模式平均和再分析平均λQ的相關(guān)比任何單一模式與再分析平均的相關(guān)(范圍為0.89～0.95)都高。從這個(gè)角度來(lái)衡量,平均模式整體來(lái)說(shuō)是最好的模式。然而,模式和再分析反饋參數(shù)的方差比率顯示,多模式平均λQ(圖1)的空間方差仍比再分析的估值低。湍流通量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖3c)類(lèi)似于凈通量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。相比之下,模式λR統(tǒng)計(jì)值與再分析值吻合度不高(圖3b),盡管這是一個(gè)較小的反饋參數(shù)。

1.3 反饋的季節(jié)性特征

SHF反饋的空間分布在4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)季節(jié)的結(jié)果(圖略,參閱Yu et al.,2009)與使用所有月份資料獲取的結(jié)果(圖1)相似。反饋參數(shù)在冬季(DJF)和秋季(SON)加強(qiáng),表明在這兩個(gè)季節(jié)里熱通量對(duì)SST有較強(qiáng)的負(fù)作用;反饋參數(shù)在春季(MAM)和夏季(JJA)減弱。這種季節(jié)差異也許與冬季(DJF)和秋季(SON)相對(duì)較大的地面風(fēng)速變化有關(guān)(例如:Frankignoul and Kestenare,2002)。反饋的季節(jié)變化特征在多模式集合平均以及單模式中均得到較好體現(xiàn)。然而,與再分析結(jié)果比,模式的反饋參數(shù)值總體上被低估了,尤其在北半球秋、冬季。

2 SST方差與熱通量、熱輸送方差之間的關(guān)系

2.1 總體關(guān)系

基于海表能量收支方程(1),Yu and B oer(2006)將SST方差與海表熱通量、海洋熱輸送方差之間的關(guān)系表述為

方程(4)中每一項(xiàng)都代表了能量收支的一個(gè)方面。與SST方差()相聯(lián)系的有:與時(shí)間尺度有關(guān)的傳輸系數(shù)G;熱通量、熱輸送方差;與協(xié)方差結(jié)構(gòu)有關(guān)的因子e。衡量能量收支中熱通量、熱輸送項(xiàng)的總體方差效應(yīng)。若海表熱通量及海洋熱輸送之間不存在關(guān)聯(lián),則熱通量、熱輸送將維持SST方差變率。G取決于SST時(shí)間序列的自相關(guān)結(jié)構(gòu)以及有效混合層的熱容量。e表征各物理強(qiáng)迫機(jī)制之間相互抵消特性。注意e=1表示線性無(wú)關(guān)的過(guò)程(所有相關(guān)系數(shù)r=0)。相同的關(guān)系式適用于不同時(shí)間尺度,但傳輸系數(shù)G不相同。

2.2 波譜描述

對(duì)方程(1)作傅立葉變換,SST方差與熱通量、熱輸送方差之間的波譜關(guān)系可表述為其中:(ω)=(ω)+(ω)+(ω),表示如果熱通量、熱輸送間不存在線性相關(guān),則它將決定SST變率;e(ω)=1+2(σRσBCcoh-RBcosφRB+σRσACcoh-RAcosφRA+σBσACcoh-BAcosφBA)/(ω),取決于各強(qiáng)迫項(xiàng)之間在時(shí)間上的協(xié)變;ω是頻率;Ccoh-xy是相關(guān)協(xié)譜;φxy是相位譜(例如:von Storch and Zw iers,1999);E(ω)(Yu and Boer,2003)。

圖5顯示了在太平洋(150°E～120°W)區(qū)域緯向平均統(tǒng)計(jì)方差結(jié)果。各格點(diǎn)上3次擬合趨勢(shì)以及年循環(huán)在計(jì)算譜結(jié)果前都已從月度資料中扣除。結(jié)果基于1949年1月到1998年12月的50a NCEP1再分析數(shù)據(jù)(Kistler et al.,2001)。緯向平均SST方差主要反映了不同緯度上年際和年代際方差特征。在年際時(shí)間尺度上,沿赤道最大值集中于2～7a,與ENSO方差變化有關(guān)。在年代際時(shí)間尺度上,SST譜在熱帶和中緯度都存在大值。特征與SST方差特征相似,只是其熱帶中心在經(jīng)向伸展更寬,強(qiáng)度在中緯度較弱。在熱帶,海洋熱輸送(ω)在年際時(shí)間上支配了(ω),而(ω)和(ω)對(duì)于年代際SST方差的貢獻(xiàn)相當(dāng)。在中緯度,A和B的方差貢獻(xiàn)在兩種時(shí)間尺度上均同等重要(圖略)。海表輻射和湍流通量以及海洋熱輸送的方差之和被它們之間的協(xié)方差負(fù)貢獻(xiàn)所抵消,SST方差為這兩種相反作用所平衡。E(ω)直接聯(lián)系著SST方差與熱通量、熱輸送方差。

3 結(jié)論

SST與SHF之間的二階統(tǒng)計(jì)量、方差和協(xié)方差描述了SST變率和SHF反饋的物理特性。本文回顧了SHF反饋以及SST方差與熱通量、熱輸送方差之間的關(guān)系。

圖5 基于1949年1月—1998年12月NCEP1再分析資料的緯向(150°E～120°W)平均SST譜值(a;單位:10-1K2)、熱通量和熱輸送方差譜(b;單位:102W2·m-4)、因子E(c;單位:10-4K2/(W2·m-4))以及它們?cè)?a(d)和15a(e)的結(jié)果(圖5d-e中,SST譜密度的單位為2×10-1K2,通量譜密度的單位為102W2·m-4,因子E的單位為10-4K2/(W2·m-4))Fig.5 Zonally(150°E—120°W)averaged(a)temperature spectra(10-1K2),(b)the sum of heat flux/transport spectra(102W2·m-4),(c)the factor E(10-4K2/(W2·m-4)),and their values at(d)5-yr and(e)15-yr based on the NCEP1reanalysis from January1949to December1998(In Fig.5d-e,units of2×10-1K2for temperature power spectral density,102W2·m-4for flux power spectral density,and10-4K2/(W2·m-4)for E)

依據(jù)Frankignoul and Kestenare(2002)所提的方法,SHF反饋參數(shù)可由SST-SHF交叉協(xié)方差和SST自協(xié)方差估算。熱通量反饋主要由與其湍流分量相關(guān)的負(fù)反饋所決定。強(qiáng)的負(fù)反饋位于南北兩半球的中緯度地區(qū),最大值出現(xiàn)在太平洋和大西洋的中西部海域,并伸展到高緯度地區(qū)。負(fù)的湍流和凈熱通量反饋在北半球秋、冬季較強(qiáng),春、夏季較弱。年和季節(jié)反饋特征在CM IP3多模式集合平均以及各模式中均得到較好模擬。與再分析結(jié)果比,在所有模式中,平均模式擁有最好的空間形態(tài)相關(guān)性,并且均方差最小,盡管其量值仍比再分析結(jié)果偏低。

SST的方差可以表示為3個(gè)要素之積:1)海表輻射和湍流通量以及海洋熱輸送的方差之和;2)一個(gè)表征SST持續(xù)性的傳輸系數(shù)G;3)反映海表熱通量及海洋熱輸送之間協(xié)方差結(jié)構(gòu)的一個(gè)有效因子e。SST方差的地理分布與海表熱通量及海洋熱輸送的方差之和相類(lèi)似,但為G和e因子所修正。這種現(xiàn)象在季至年代際的時(shí)間尺度上均可見(jiàn)。

致謝:余斌為曾就讀于南京氣象學(xué)院,并能在朱乾根教授的指導(dǎo)下取得碩士學(xué)位感到榮幸。朱先生是將余斌引入研究生涯的最重要的導(dǎo)師之一。他的科學(xué)洞察力以及正直、熱情和耐心使余斌深受鼓勵(lì)。同時(shí),余斌也感激朱先生與師母李教授在我學(xué)習(xí)期間給予的生活上的關(guān)心和學(xué)業(yè)上的指導(dǎo)。作者也感謝兩位匿名審稿專(zhuān)家對(duì)該研究所提供的有益評(píng)論和建議。本文為紀(jì)念朱乾根教授而作。感謝智協(xié)飛教授對(duì)稿件的關(guān)心以及趙文煥、倪東鴻編審對(duì)譯稿所付出的努力。

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