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索马里急流在20世纪90年代末出现年代际转折的可能原因

肖子牛 石文静 杨萍

大气科学系，南京信息工程大学，南京210044，中国

大气科学和地球物理流体力学数值模拟国家重点实验室，大气物理所，北京 100029，中国

中国气象局培训中心，北京100081

气象卫星研究合作研究所，威斯康星—麦迪逊大学，麦迪逊，WI53706，美国

（接收日期：2014年10月15日；定稿日期：2014年12月11日）

摘要　本文使用观察资料发现，在20世纪90年代末索马里急流在较低层（lt;850hPa）和较高层（850-600hPa）都有显著的年代际转折。本文还发现索马里急流在高空与东亚季风降水的联系比低空更紧密。因此，基于5个层次（1000-600hPa）的平均经向风速定义了一个新的整层索马里急流指数（WSMJ），这个指数包括了高层急流的变化。索马里急流的年代际转折主要归因于赤道附近的经向热力差异，这与南印度洋的三极子空间型有关。

关键词 年代际转折，索马里急流，指数，亚洲夏季风，南印度洋，海表温度

1引言

西印度洋低层季风环流的特点是南半球的东南信风，索马里海岸附近的强而窄的越赤道气流（CEF）和阿拉伯海的西南风。低层越赤道气流通常被称为索马里急流（SMJ），是南北半球间质量、动量和热交换的重要通道，是南北半球之间天气和气候变化的“桥梁”。这个低层的强气流大约在700hPa最明显，其核心大约在925hPa附近（Qianet等，1987；Chakraborty 等，2009； Pu and Cook，2010），并且早在20世纪60年代中期被发现(Bunker，1965；Joseph and Raman，1966)。Findlater(1969a，b)首先表明，位于38°和55°之间的索马里急流来源于南印度洋东部的贸易风，该贸易风沿着索马里海岸狭窄的纵向带穿过赤道，并作为靠近阿拉伯海的西风气流转向印度。索马里急流在多个时间尺度上变化，不仅是季节性的，而且是年际和年代际的(Boos and Emanuel，2009；Pu and Cook,2010)。虽然索马里急流是最强的越赤道气流，但其年际变化强度小于东半球其他越赤道气流的变化强度(Lei and Yang，2008；Tang等，2009)。索马里急流的年代际变化大于其年际变化(Zhu，2012)。Shi等，(2007)发现索马里急流的强度平均每十年增强0.25。

作为季风系统的一部分（Ding，2005），发现索马里急流的强度与印度大部分地区的降雨量呈正相关，尤其是在年际和年代际的季风地区(Findlater，1977；Cadet and Desbois，1981；Halpern and Woiceshyn，2001； Cong等，2007)。一个更强的索马里急流与阿拉伯海西南风异常有关，异常的西南风可以给印度夏季风区带来更多的水汽(Chakraborty等，2009)，从而使印度大部分地区的降雨量增加。Krishnamurti等人（1976年）还认为，在强印度季风期间，越赤道气流比在弱季风期间更强。传统上，索马里急流的能量将向东北方向分散，给东亚夏季风地区带来大量的水汽(Shi等，2001；Wang and Xue，2003；Wang and Yang，2008；Shi and Xiao，2013；Dai and Xiao，2014)，但在年际时间尺度上索马里急流与东亚夏季降水的强联系还没有被发现(Lei and Yang，2008；Zhu，2012)。然而，在年代际尺度上，索马里急流的强度与东亚夏季降水的关系在长江以北呈正相关，在长江以南呈负相关(Zhu, 2012)。此外，索马里急流的变化还与西太平洋副热带高压、ENSO和太平洋十年振荡的位置有关(PDO； Chen等，2005； Wang and Yang，2008)。

与索马里急流形成有关的因素有：东非山脉、beta;效应、陆海对比、边界层斜压性和非绝热加热(Krishnamurti等，1976；Hart，1977；Bannon，1979a，b；Krishnamurti and Wong，1979； Bannon，1982； Li等，2006；Xu等，2010)。Rodwell和Hoskins（1995）利用一个具有特定区域流、地形和非绝热加热的原始方程模型，确定了地形引起的陆海对比在索马里急流强度变化中起着重要作用。Chakraborty等人（2009）认为即使没有非洲地形，也可以发生索马里急流。因此，海洋热状态与索马里急流变化的因果关系任然是一个有争议的问题。

近年来，90年代末气候年代际变化已成为研究的热点。例如，Wu等人（2012）发现，在过去20年中，9月份的北极海冰范围（SIE）呈现出明显的负向趋势，而夏季（7月至9月）的北极表面风模式在20世纪90年代后期经历了年代际变化。此外，北大西洋的海表温度（SSTS）和欧亚大陆的夏季大气环流也显示出早在20世纪90年代末就出现了年代际转变(Honda等，2009；Wu等，2013)。实际上，一些研究发现在1995年前后，索马里急流的垂直结构也显示出年代际变化(Qiu and Sun，2013；Xie等，2013；Qiu等，2014)。Zhu (2012)认为，根据1950-2010年期间的数据分析，90年代末索马里越赤道气流在高于850 hPa的高空呈现出强劲的上升趋势。

尽管之前有许多相关研究，但开放性问题仍然存在，需要进一步研究。为了描述索马里急流的强度，之前已经定义了一个急流指数，即JJA（6月-7月-8月）在925hPa或850hPa索马里周围经向风速的面积平均值(Findlater，1969a； Li and Lou，1987；Wang and Xue，2003；Lin等，2008；Wang and Yang，2008)。然而，人们很少注意到索马里急流在更高层次的组成部分（即850hPa以上的南风急流）。因此，在本研究中，我们重点研究了索马里急流的垂直结构，特别是高层急流的变化。为了表征索马里急流的强度，基于整层径向风速我们建立了一个新的急流指数，并研究了其对亚洲夏季风的影响。最后，我们还评估了1995年前后索马里急流垂直结构年代际转折的可能原因。本研究使用的数据主要来自NCEP/NCAR再分析数据集(Kalnay等，1996)。由于卫星数据在20世纪70年代末（sterl，2004年）被纳入重新分析，从而提高了重新分析的可靠性，因此我们将重点放在1979-2013年。

论文的其余部分组织如下。第2节概述了本研究中使用的数据；第3节描述了1979-2013年间索马里急流的时间特征和垂直结构，以及它与亚洲夏季风的联系；第4节介绍了1990年代末索马里急流垂直结构年代际转折的可能原因，第5节给出了结论。

2数据和方法

本研究中考虑的主要大气参数是17个标准等压面下的水平风速（m/s）和气温（℃），以及12个标准等压面下的垂直风速（Pa/s），这是从以月为时间尺度的NCEP/NCAR再分析数据集（Kalnay等人，1996年）获得的，空间分辨率为2.5°times;2.5°。由于NCEP/NCAR再分析与ECMWF再分析产品之间存在实质性差异，特别是在索马里急流地区（Annamalai等人，1999年），因此还使用了高分辨率（1.5°times;1.5°）ECMWF中期再分析（ERA-Interim；Simmons等人，2007年）的月风场数据进行比较。

降水数据集包括：（1）国家海洋和大气管理局（NOAA）/气候预测中心（CPC）提供的月平均降水量重建数据（Prec；Chen等人，2002；2.5times;2.5_mm/day）；（2）全球降水气候学中心监测产品的月平均数据（GPCC；鲁道夫等人，1994；1.0°times;1.0° mm）。我们从NOAA延伸重建的2°times;2°海表面温度数据集（Smith和Reynolds，2004）获得了月平均海表面温度数据（℃）。所有数据集涵盖1979-2013年之间的数据。夏季定义为6～8月的平均值，数据的统计处理采用相关分析、复合分析、滑动相关分析，并经t检验验证。

3夏季索马里急流强度变化及其对亚洲夏季风的影响

3.1 时间演化与垂直结构

索马里急流位于赤道40°-55°E，是东半球越赤道气流中最强的，在6-8月期间最为突出。为了反映索马里急流强度的时间演变和垂直结构，计算了不同层次夏季区域平均（赤道40°–55°E）经向风速和异常。选择这个平均区域是为了捕捉肯尼亚东海岸的最大南风速度。图1a表明，索马里急流的最大风速（gt;10 m/s）约在925 hPa，并从地面延伸至600 hPa（Gao和Xue，2006年；Boos和Emanuel，2009年；Chakraborty等人，2009年）。从20世纪90年代后期开始，更强的索马里急流（gt;2 m/s）的垂直高度显著增加到600 hPa以上。如图1a所示，在20世纪90年代后期，较高层次（850、700和600 hPa）的急流强度持续低于正常水平，但之后高于正常水平。对比之下，较低层次（1000和925 hPa）急流强度的变化遵循相反的模式。尽管在925 hPa（最大经向风速超过10 m/s）上索马里急流强度比在700 hPa（最大经向风速约为3 m/s）上更强，但后者的标准偏差（sd）要高得多（925 hPa，sd=0.53，700 hPa，sd=1.53；图1b）。正如邱和孙（2013）所指出的，高层次急流的变化幅度远大于低层次急流的变化幅度。

为了更好地描述索马里急流在5个层次（从1000到600 hPa）下的整体强度，定义了一个整层索马里急流（WSMJ）指数，即在赤道40°-55°E区域，夏季（6-8月）经向风速在1000到600 hPa之间的面积和垂直平均值。WSMJ指数（实曲线）的时间序列如图1C所示。与WSMJ指数相比，925 hPa（正如在先前研究中传统定义的，如Tang等人，2009）上的急流指数的时间序列（虚线）和两个指数之间的差（bar）也如图1C所示。WSMJ指数和925 hPa的急流指数都表现出明显的年际和年代际变化。但是由于用于计算这两种指数的方法不同，它们之间存在很大的差异（条形图显示）。90年代末之前的WSMJ指数低于正常值，之后的WSMJ指数高于正常值，而925hPa的急流指数正好相反。在90年代末，索马里急流的垂直结构中存在一个年代际转折点。

利用基于NCEP/NCAR再分析数据（图2）的经验正交函数（EOF）分析，利用索马里急流强度异常（图1a；阴影）的时间-高度横截面的主导模式（解释总方差的55.1%）可以进一步确认年代际转变。分析表明，高、低空急流的变化是不同步的。对于相应的时间系数（图2b）存在明显的年代际变化。从20世纪80年代到90年代末，时间序列是负的，但从90年代末到现在，时间序列是正的。结合图2a可以看出，较低的急流强度在减弱，而较高的急流强度在增加。

为了隔离年代信号，图3a和3b中分别展示了NCEP/NCAR再分析和ERA-Interim数据集不同层次的9年急流强度异常运行方式。不同层次的急流强度的年代际变化与邱、孙（2013）和邱等（2014年）检验的夏季索马里急流垂直结构的结果相似。相比之下，NCEP/NCAR急流强度的大小在任何层次上都要比ERA-Interim急流强度大得多。在较高的层次（850–600 hPa），它们的空间分布相似。虽然在较低层次（lt;850 hPa）存在明显差异，但共同特征也是可见的。正如Pu（2012）所述，许多因素可能导致再分析数据集之间的差异；例如，不同的观测来源、模式中使用的物理参数化和同化方法。

为了研究较低和较高层次急流之间的联系，计算了1000、925、850、700和600 hPa上所有急流指数组合之间的相关性（表1）。1000和925hPa的急流指数之间的相关系数为0.892，在99%的置信水平下显著。此外，850、700和600 hPa的急流指数之间的相关系数都超过了99%的置信水平，除此之外850和600 hPa之间的相关系数超过了95%的置信水平。因此，在本研究中，较低层急流在1000-925 hPa，而较高层急流在700-600 hPa，过渡层为850 hPa。

同样值得注意的是，较低和较高层的急流之间的相关系数为负，意味着它们的变化不同步，这与上述分析一致。过渡层的急流与低层急流关系不大。

3.2 与东亚夏季风降水的相关性

上述分析表明，较高层的急流强度也表现出显著的逐年变化。为了强调高层急流的重要性，我们比较了五个层次的急流强度（1000、925、850、700和600 hPa）与东亚夏季季风降雨的相对作用。本文讨论了它们在年际时间尺度上的关系。采用9年的高斯滤波器分离年际时间尺度。结果（图略）表明，正相关（强急流与强降水，反之亦然）从黄河流域中游延伸。然而，在黄河流域，强正相关的大相干区域在高层比低层更为明显。

当包含高层急流变化的WSMJ指数和GPCC（图4a）和NCEP/NCAR（图4b）的夏季降水数据集相关时，出现相似的模式，正相关区域最大。根据图4a和4b所示的相关性，由29°–36° N、107°–117° E的GPCC夏季平均降雨量数据算得，我们定义了黄河流域降水指数。925和700 hpa的急流分别代表较低和较高层次的急流。图4c-e进一步验证了黄河流域降雨量与索马里急流强度的统计关系，显示出925（图4c）、700 hPa（图4d）、WSMJ指数（图4e）和黄河流域降水指数的年际变化。与925 hPa的急流指数相比，700hPa的急流指数与降水指数的关系更为密切，相关系数为0.527，超过99%的置信水平。WSMJ指数的年际变化与黄河流域降水量也有显著相关性，相关系数为0.594，也超过了99%的置信水平。传统上，925 hPa的急流被认为比其他层次的急流更重要，因为它是索马里急流的核心。然而，我们的比较表明，925hPa的急流指数与被测降雨量的关系比与WSMJ指数

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