QBO与季风暴发间的关联分析
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇QBO与季风暴发间的关联分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
1引言
在1960年代，人们就已经发现了平流层赤道区域纬向风存在东、西风周期替并向下传播的现象[1]。后来又根据这种现象的准两年周期(约26~30个月)，将其命名为Quasi-BiennialOsci-llation(qbo)。最近的研究表明，平流层QBO与对流层大气环流系统有显著的相互作用。ENSO可以使QBO西风位相持续时间缩短50%，QBO呈东(西)风位相时西太平洋副高强度偏强(弱)，对流层西风带强度的准两年振荡与QBO有很好的对应关系[2-4]。陈文等[5]研究了QBO对北半球冬季环流的影响，发现QBO在东(西)风位相时对流层西风急流和极涡都减弱(加强)。可见QBO与对流层的环流系统存在着密切的联系。Muhankumar等[6]研究了印度季风区和赤道地区平流层QBO与对流层准两年振荡(TBO)的相互作用，发现在2年尺度上，印度地区平流层与对流层是密切相关的，而冬季的QBO是印度夏季风降水的一个有效的预测因子。
南海夏季风是对流层环流研究领域中的热点问题[7-12]。南海夏季风对我国的重大意义在于它从中南半岛和南海海区向我国华南、华东地区输送了大量水汽，对华南降水产生直接影响。南海夏季风作为亚澳季风系统的一部分，与QBO之间存在相互作用的可能性非常大。实际上，QBO对热带对流云的高度有显著的影响[13]，而对流强度常被看作南海夏季风的一个重要参数。对流云的变化还可造成入射太阳辐射的变化，进而导致下垫面加热不均匀，并导致海陆温差的变化，从而对低层环流产生影响。郑彬等[14]认为，QBO可以在平流层激发出异常的经向环流，并且后者能跟随QBO下传，到达平流层底部时可以在对流层激发出反向的异常经向环流。如果这个异常经向环流出现在南海夏季风期间，就可能对季风的强度产生影响。
到目前为止，人们主要从对流层和海陆下垫面来研究影响南海夏季风爆发的物理因子和过程，而有关QBO对南海夏季风爆发的影响的研究还没有涉及到。所以，本文目的是利用ECMWF再分析资料等，通过统计诊断分析方法，探讨QBO与南海夏季风爆发之间存在的联系。首先计算南海夏季风爆发时间，并计算其与QBO的超前滞后相关系数；在相关系数的指引下合成赤道平流层u风和850hPa风场，从而揭示两者的关系；最后通过计算偏相关系数简单比较了QBO、ENSO分别对南海夏季风爆发时间的影响。本文所用资料：1979—2001年ECMWF2.5°×2.5°的候平均和月平均风场、月平均位势高度再分析资料（简称ERA资料），NOAA的月平均海平面温度（SST）资料。
2南海夏季风爆发时间的定义
文献[15-16]考虑了南海夏季风的动力特征，通过高低层风场和高度场定义了南海夏季风的爆发指数，并且用NCEP再分析资料计算了1950—1998年的爆发时间。所定义的南海夏季爆发指数具体说明如下。南海区域定义为105～120°E，5～20°N。
本文根据其定义，用ERA候平均资料重新计算南海夏季风爆发时间(图1)。经对比发现新序列与文献[15-16]的计算结果大部分吻合，相差不超过2候(1981年的爆发时间本身存在争议，他们亦给出第27候和第31候两种结果)。少数年份存在差异有可能是使用的资料不一致造成的。
定义标准化距平大于0.8倍（小于－0.8倍）标准差的年份为南海夏季风爆发早（晚）年，得到爆发早年有：1984、1994、1996、1999年；爆发晚年有：1981、1982、1985、1987、1991、1993年。季风爆发早、晚年的爆发时间组成的序列分别与原序列做t检验，均能通过0.05的显著性水平的检验，说明挑选来出的季风爆发时间确实存在异常。
3QBO与南海夏季风爆发的关系
3.1QBO与南海夏季风爆发时间的相关
用1979—2001年ERA月平均资料计算平流层中低层u风与南海夏季风爆发时间的超前相关系数。考虑到南海夏季风爆发时间在4—6月，且大部分发生在5月，为叙述方便，假设南海夏季风爆发月为每年的5月，下文所指的季风爆发前1个月即指当年的4月，依此类推。超前季风爆发约20个月的20hPa的u风、超前约18个月的30hPa的u风，分别与南海夏季风爆发时间存在显著的负相关（图2）。另外，从图2还可以看出，QBO的u风与南海夏季风爆发时间的相关性有很好的纬向一致性。鉴于此，选取南海区域所在经度上的一点（110°E，0°）作为代表，做相关系数的超前时间-气压剖面图（图3）。之所以选择该点，因为QBO在赤道上空最显著，另外同一层次QBO的位相变化在南北纬20的范围内都非常一致。从图3可知，超前南海夏季风爆发20个月的20hPa的u风与南海夏季风爆发时间有显著的负相关。随着QBO的下传，显著的相关依次在30、50、70及100hPa出现，超前时间分别约为18、14、12及10个月。可见相关系数在平流层中有与QBO相似的下传特征，正负相关交替的周期与QBO位相交替的周期一致。这种高度地一致，表明QBO确实与南海夏季风爆发时间有显著的联系，其可能对南海夏季风爆发时间产生影响。QBO要对对流层的环流产生作用，其首先必须下传并影响对流层顶。季风爆发前8～10个月，对流层顶首先发生变化，对流层低层在很短的时间内出现响应。因此超前季风爆发约9个月左右，在对流层形成高层负相关、低层正相关。低层环流的快速响应说明影响过程在对流层中的传播比在平流层中要迅速很多。为了更好地体现QBO位相与季风爆发时间两者之间的对应关系，可选取季风爆发时间偏早、偏晚的年份来对赤道平流层u风进行合成；相反地，亦可选取QBO处于西风、东风位相的年份来对850hPa风场进行合成。
3.2南海夏季风爆发早、晚年赤道平流层u风的合成分析
经统计，季风爆发早的年份，季风爆发前18个月在30hPa等压面上QBO多数处于西风位相；反之多数处于东风位相（图4），线性回归更清楚地反映出这种趋势。按照前文选取的南海夏季风爆发早、晚年，分别合成季风爆发前18个月的赤道平流层u风风速距平（图5）。可见，季风爆发早年，爆发前18个月赤道上空20和30hPa是西风中心，最大西风距平风速大于16m/s，50hPa以下则是弱的东风（前一个东风位相）遗迹。季风爆发晚年大致与之相反，但东风中心强度相对较小，最大东风风速仅7m/s。出现这种现象的主要原因是，在季风爆发早年，季风爆发前第18个月大部分对应着平流层西风，而6个爆发晚年虽然以对应着东风为主（4年），但其中2年对应着西风的情况，因此做合成时东风分量很大一部分被西风抵消，东风距平数值较小，没有通过90%的信度检验。至少从风向来看，季风爆发早（晚）对应着18个月之前20～30hPa的西（东）风距平这个关系还是明显的。
3.3QBO西、东风位相影响下的850hPa风场
对1979—2001年月平均赤道上30hPa的u风风速（取纬向平均）减去对应月的气候平均值后，再进行标准化处理，选取风速大于1倍(小于－1倍)标准差为西(东)风位相盛期。因为南海夏季风爆发时间与18个月前的30hPa的u风风速有显著的负相关，因此选择季风爆发前18个月对应的11月份赤道30hPa西(东)风位相处于盛期的年份，分别对18个月后的850hPa风场进行合成。经计算判定，季风爆发前18个月时在30hPa上QBO处于西风位相极值的年份有：1982、1984、1987、1989、1992、1994年；处于东风位相极值的年份有：1981、1983、1991、1998年(图6)。对比依据上述西风位相和东风位相极值年份合成的其后第3年（即季风爆发当年，以QBO处于盛期当年为第1年）南海夏季风爆发前后850hPa的水平流场发现，对应不同QBO位相下合成的流场有较大差别，两者之间的明显区别从第25候（5月初）开始出现。在西风位相下，此时副高明显东撤，南海西部已经转为西南风，西南风覆盖了南海西部约1/2的南海区域（图7a）。东风位相下副高西脊点的位置还没有明显变化，仍然在90°E附近，整个南海区域都处在副高控制下（图略）。
到第29候，西风位相合成中，稳定的西南风占领了整个南海区域（图7b）。在东风位相合成的情况下，南海西部转为西南风，副高开始撤出南海，但仍然占据将近1/3的南海区域（图7c）。从第31候开始，东风位相合成的流场中西南气流才完全控制南海区域（图7d）。表1是合成分析中包含的各年份南海区域850hPa最早出现西南风（西南风区域面积占南海区域一半以上）的时间。从表1可知，西风位相大部分对应着西南风出现偏早的情形，而东风位相则全部对应着西南风出现偏晚的情形。
4QBO、ENSO与南海夏季风爆发的关系对比分析
以往的很多工作已经证明了ENSO和南海夏季风、ENSO和QBO两两之间存在互相影响。那么，在ENSO、QBO分别与南海夏季风爆发的关系中，究竟何者更显著？这是值得深入分析的。为了区分QBO信号和ENSO信号分别对南海夏季风爆发所起的作用，我们计算了QBO、ENSO和南海夏季风爆发时间的偏相关系数(表2)。偏相关系数主要用于分析互相影响的多个要素之间的关系。多个要素两两之间的偏相关系数，能反映去除其他要素影响之后它们的相关关系[17]。我们选取季风爆发前18个月30hPa的u风距平代表QBO、季风爆发前8个月Nio3.4区海温距平(季风爆发前8个月Nio3.4区海温距平与季风爆发时间相关最好)代表ENSO，然后分别计算它们和南海夏季风爆发时间的常规相关和偏相关。从表2可知，QBO与南海夏季风爆发时间的相关达到95%的信度，即使在去除ENSO影响后仍然能达到90%的信度。虽然相关系数不是非常高，但还是反映出QBO对南海夏季风爆发的明显调制作用。而ENSO对南海夏季风爆发时间的影响则不够显著。表2QBO、ENSO与南海夏季风爆发时间的相关系数和偏相关系数距平相关系数偏相关系数u风（30hPa，取纬圈平均，季风爆发前18个月）-0.457**-0.374*Nio3.4区海温（季风爆发前8个月）0.3510.216注：标记*、**分别是通过显著水平0.1、0.05的显著性检验。
5结论及讨论
（1）QBO与南海夏季风爆发存在显著的相关关系。11月前后的QBO西风（东风）位相对应着第3年南海夏季风爆发偏早（偏晚）。
（2）当QBO的影响下传到对流层顶，对流层低层很快响应，之后经过约9个月才影响到南海夏季风的爆发时间。
（3）QBO与南海夏季风爆发的联系要比ENSO与南海夏季风爆发的联系密切得多，这可能意味着QBO对南海夏季风爆发的影响要比ENSO更重要和显著。
本文仅对QBO与南海夏季风爆发之间的关系作了一些探索性分析，至于QBO影响南海夏季风爆发的物理过程及可能机理在此作一些简单的讨论，具体分析将在以后另文发表。
根据已有研究，QBO对热带对流云的高度有显著的影响[13]，当平流层中层为东风（西风）位相而平流层低层为西风（东风）位相时，平流层底部出现异常降温（增温），并出现异常的上升（下沉）运动，使得对流层顶的高度升高（降低），为对流的发展提供了更多（更少）的上升空间，使得对流更（不）容易发展。对流云的变化还可造成入射太阳辐射的变化，进而导致下垫面加热不均匀，并导致海陆温差的变化，从而对低层环流产生影响。根据本文图3的结果，对应南海夏季风爆发偏早年，季风爆发18月前在平流层中部（如30hPa层）呈现西风位相，并在季风爆发之前的8～9个月（约为前一年的9—10月）西风位相下传至平流层底部，有利于深对流发展。在往后的几个月里，由于对流增强而导致的云量增加阻挡了更多的入射太阳辐射，并进一步导致季风爆发前赤道东印度洋和南海南侧的SST降低，增大了海陆之间的温度梯度，有利于南海夏季风爆发偏早。类似地，对平流层中层QBO东风位相影响南海夏季风爆发偏晚的物理过程可作出相反的解释。