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印度季风区印度洋夏季风和ISO的相互作用

本文主要探究了夏季ISO强度和季节平均季风强度年际变化的关系。研究结果表明夏季季风区降水和ISO强度存在一反位相关系。其主要机制为：强印度季风减弱了赤道东印度洋的对流活动，进而减弱了印度洋地区ISO的东传和北传分量，导致印度季风区季节内活动的减弱。

ISO通过非线性涡动传输也会反馈到印度夏季风平均强度。另外，印度季风区ISO强度在ENSO发展年夏季增强，衰减年夏季减弱。

1. 引言

印度季风区有很强的季节内和季节变化，其对应的环流型十分相似[Goswami and Mohan, 2001; Ferranti et al., 1997]。物理机制上，前人的研究尚不明确印度季风区的ISO活动如何和平均夏季风强度相联系，并且这两者之间的关系，仍有争议。一方面，Singh et al. [1992] and Krishnamurthy and Shukla [2000]认为夏季风区域降水距平和ISO强度无关，另一方面，Lawrence and Webster [2001]认为印度洋夏季ISO活动和印度季风区强度呈现反位相关系。和显著东传的冬季MJ0不同，夏季ISO在印度季风区有很强的北传特征，和印度地区降水的建立和撤退有关。

和冬季制约在赤道附近的东移MJO活动不同，北半球夏季在印度季风区有显著的北移特征[e.g., Yasunari, 1979; Krishnamurti and Subrahmanyam, 1982; Wang and Rui, 1990; Li and Wang, 1994; Annamalai and Slingo, 2001]。北传的ISO和印度季风降水的爆发和撤退相关[Yasunari, 1979; Sikka and Gadgil, 1980;Wang et al., 2005]。Hendon et al. [1999] and Slingo et al. [1999]计算了冬季ENSO和ISO的关系，但是并没有发现显著的相关性。但Lawrence and Webster [2001]夏季ISO活动和赤道东太平洋海温在印度季风季开始时有弱正相关关系，但整个夏季的的关系不清晰。

在本次研究中，我们计划探究ISO和印度季风相互作用的本质和其中所含的物理机制。通过比较ENSO发展年和衰减年夏季环流背景场，探究东亚地区和ENSO位相相关的ISO活动特征。

2. 资料和方法

All-India rainfall index（AIRI）是[Parthasarathy et al., 1995]定义的计算6、7、8、9月印度地区降水的指数，用雨量器测得，表征印度夏季风强度，可挑选干湿季风年；另外，NCEP/NCAR再分析资料的Nino3.4指数(5°S–5°N, 120°W–170°W)，重建ERSST V2得到的分辨率为2°*2°的海温距平资料，和2.5°*2.5°的日向外长波辐射（OLR）。

资料因包含OLR，所以均从1975年至2003年共29年。本文定义6、7、8、9月为印度夏季风季。同时段30-60天带通滤波OLR的标准差表征ISO的强度。T检验用来检验相关和回归的显著性。

3. 季风对ISO的影响

上图是AIRI和ISO的相关关系，可见显著区域位于中东印度洋至孟加拉湾西部的印度季风区。相关系数达到95%信度检验。这一结果表示，ISO的季节变化和夏季平均季风降水距平有明显的的负相关关系，即湿季风弱ISO，干季风强ISO。

这种负相关关系通过关键区内区域平均的ISO强度和AIRI进一步表征。这里的ISO强度是图一所示阴影区的区域平均。计算和OLR的相关系数，我们发现AIRI可以代表印度更大范围的降水距平。ISO强度和夏季平均季风强度都呈现出很强的年际变化。图1b所示的里两时间序列的相关系数为-0.59。

是什么导致了这种负相关关系？[Goswami and Shukla, 1984; Annamalai and Slingo, 2001; Gadgil,2003]的研究发现了季风槽（15°N—20°N）和赤道东印度洋的跷跷板关系。夏季平均OLR和AIRI回归得到的最大负相关系数位于季风槽，正相关位于赤道东印度（2.5°S—2.5°N，90°—100°E）。下图是AIRI序列和季节平均的OLR距平（赤道东印度洋）的时间序列，相关系数达到-0.41，说明强夏季风会抑制赤道东印度洋的对流活动。

赤道东印度洋地区的平均环流是如何影响印度洋地区的ISO活动？我们知道，赤道东印度洋是ISO集中的区域，ISO联系的对流活动一般在西印度洋生成，沿赤道东传，在赤道东印度洋达到最强[Jiang and Li, 2005; Wang et al., 2006]。注意到，印度洋ISO强度的季节变化和赤道东印度洋的对流活动紧密联系[Teng and Wang, 2003]，所以赤道东印度洋对ISO活动有大尺度调控作用。干湿季风年合成的有限区域内的波数-频率谱分析，可以清楚的表示出ISO和季风的联系（ac湿年，bd干年）。可以看出，湿（干）年，沿赤道印度洋东传的分量和沿孟加拉湾、北印度洋北传的分量被抑制（加强），这归因于赤道东印度洋对流活动的减弱（加强）。变弱的北传分量导致印度地区季节内变量的减弱。所以，季风对决定印度地区和印度洋ISO的强度有重要作用。

4 . ISO对季风的反馈作用

在这个部分，我们从现行和非线性探究ISO对平均季风距平的可能反馈作用。计算6月1日至30日带通滤波后累积OLR距平来代表的ISO扰动，再和季风平均的OLR距平求相关系数，结果为-0.04。表明ISO对季风活动的贡献不是线性的。

为了表征ISO对平均季风的非线性作用，我们计算了由涡动动量输送诱发的季节平均纬向风趋势。ISO对平均西风趋势的贡献可以表述为上式。u，v分别代表850hPa纬向和经向风场。“-”代表年变化（年和半年次谐波），“ rsquo;”表示ISO扰动场。

气候变率来看，正的低层西风趋势出现在季风发展阶段（即6、7月）。所以，在ISO强弱年分别计算了印度地区6、7月实际纬向风趋势（方程左边项）和由非线性涡动动量输送诱发的趋势（右边方程第一项）。弱的减去强的结果表明，实际纬向风场距平趋势为正时（4.1m/s^2，代表强季风），非线性ISO的贡献为负（-12.9 m/s^2）。这表明，由湿季风诱发的弱ISO，在一定程度上倾向于减弱夏季平均季风的强度。

5. ENSO发展年和衰减年夏季ISO活动的变化

通过计算ISO和ENSO的关系，我们发现印度区域夏季ISO强度和Nino3.4的同时相关系数不显著，它们的关系有很强的年际变率，并且依赖于ENSO的位相。图a、b是在ENSO夏季（El Nino - La Nina）合成的ISO强度。（厄尔尼诺和拉尼娜分别定义为标准化的夏季季节平均的海温距平＞1，小于-1）。在发展的位相，有4个El Nino事件（1987、1991、1997、2002）和四个La Nina事件（1975、1988、1998/1999）；在衰减的位相，有5个El Nino事件（1983、1987、1992、1995、1998）和5个La Nina事件（1976、1985、1989、1999、2000）.可以看出ISO活动在El Nino发展年夏季变强，衰减年夏季变弱；La Nina年时相反。

夏季ISO强度对ENSO位相的依赖性可以通过遥和局地海温距平的作用来解释。El Nino发展年夏季，西太副高加强西伸（这是罗斯贝波对海洋性大陆对流加热变弱的响应[Zhang et al., 1996; Zhang and Sumi, 2002]）。西太副高的加强伴随印度夏季风的减弱[Zhang, 2001]，所以ISO强度增强。在El Nino成熟年和衰减年，印度洋正的海温距平一直从北半球冬季持续至夏季，正海温距平增加了赤道印度洋的局地的水汽（因为表面蒸发增多），水汽输送的增强使得印度季风区增强[Li et al., 2001; Li and Zhang, 2002]，导致ISO变弱。

此次合成中，也发现个例情况，比如1985年冷事件，ISO显著变弱，，然而其他冷事件时，ISO增强。

6. 结论

运用OLR和印度季风数据，计算1975-2003年间夏季平均季风强度的季节变化和印度季风区ISO的强度的关系，我们可以发现存在着很强的负位相关系。

这种负位相关系主要归因于平均季风对ISO的作用。强印度季风导致赤道东印度洋季节平均对流减弱，进而东传和北传ISO分量都减弱。北传分量的减弱使得印度季风区季节内变率减弱。

30-60天带通滤波的OLR距平累积可得，其并未对季节平均OLR距平有贡献，但是ISO通过涡动动量输送对平均季风区却有非线性的反馈作用。由ENSO导致的湿季风从而诱发的弱ISO，可能有效减弱季风的强度。这一结果表明，上文得到的负相关系数是因为平均态对ISO的影响，ISO对季风的反馈作用重要性次之。
Nino3.4指数和夏季ISO强度的同时相关系数很小。但是，这种关系有很强的季节变化，且依赖于ENSO的位相。在El Nino发展年的夏天，ISO的强度增强，因为东太平洋海温距平导致干印度季风。但在衰减年的夏天，ISO强度变弱，这是由于海盆尺度印度洋增暖作用造成的，加强了夏季印度季风。

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