热带印度洋季节内振荡首发事件的生成机制研究

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热带大气低频振荡(MJO)是一种行星尺度、向东传播的对流-环流耦合波动,它不断与下垫面的海洋相互作用,强烈影响着热带和热带外地区天气与气候。然而,目前的气候模式大都不能很好地模拟这种季节内尺度的变率,季节内振荡的模拟与预报是实现从天气到季节尺度“无缝隙”动力预报的难点。因而MJO的生成机制是大气科学领域研究的前沿课题。本文基于卫星观测资料、大气和海洋再分析资料以及CMIP5耦合模式试验产品,通过合成分析的方法,以印度洋和海洋大陆生成的两类首发MJO事件为对象,以触发湿位相启动的局地抑制对流异常(SCA)前兆因子为切入点,揭示MJO从无到有的生成机制。从海气相互作用的角度,考察SCA形成和湿位相启动的热力动力学过程。基于印度洋首发MJO事件的诊断事实,评估了5个CMIP5耦合模式对首发MJO事件的模拟性能。主要结论如下:  (1)印度洋首发MJO事件生成过程包括两个阶段,一是前兆信号的形成阶段即首发事件孕育阶段,二是湿位相启动阶段即深对流发展阶段。印度洋首发事件前兆信号表现为赤道地区局地的抑制对流异常(SCA),SCA形成时间超前于MJO湿位相启动大约15天。SCA的形成取决于热带外低频波动的动力强迫、低空逆温层和海洋热力反馈。高层热带外低频波动通过能量频散造成副热带正位涡向赤道流入,导致赤道印度洋高空异常辐合而产生下沉运动。存在逆温的稳定边界层导致低层下沉运动的形成。作为其下垫面的印度洋海温冷异常冷却低层大气,加强低层的下沉运动,由此在赤道北部形成海表反气旋环流异常。同时海温水平梯度引起的海表西风加强了低层辐散环流,造成高、低层下沉中心耦合,SCA生成。  (2)前兆SCA加强期间因入射短波增加而导致的赤道印度洋海表温度正异常以及高层涡度平流垂直梯度强迫的上升运动是印度洋型首发事件湿位相启动的主要因素。一方面, SCA加强期间,海表向下的净辐射通量增加,赤道附近异常辐散环流减弱背景西风,从而减少向上的海表潜热通量。这两种热通量异常均导致海表温度升高。变暖的海表反而增加向上的表面感热通量,激发低层气旋和上升运动。边界层水汽向异常暖海温区辐合,湿静力能急剧增长,为活跃对流提供了能量源,由此湿位相启动。另一方面,在高空,SCA的非绝热冷却形成西南-东北走向的正涡度带,在东风的作用下涡度平流随高度增加,激发高层初始上升运动,亦有利于MJO湿位相启动。  (3)海洋大陆型首发事件生成前也存在显著的SCA,该SCA不位于赤道地区而是位于10°N附近的自南海至西北太平洋中部的狭长纬度带。赤道以北的SCA是由高空辐合强迫,低层稳定层结以及下垫面感热负异常共同激发。热带外低频波能量向赤道方向频散,导致西北太平洋正位涡伴随的辐合环流南移至10°N,激发高层下沉运动。同时海洋大陆稳定的边界层及海温冷异常,加强低层下沉运动,从而与高空辐合下沉中心耦合,导致了赤道以北SCA的生成。  (4)海洋大陆型首发事件湿位相的生成是SCA引起的涡度平流、海洋热力强迫和岛屿地形强迫共同作用的结果。SCA激发的东北风使其西南侧出现正涡度平流,加之赤道以南的负涡度平流,造成海洋大陆高层出现上升运动。因海洋大陆附近陆地和海域异常偏暖,向上的海表感热通量加强,产生上升运动和海表气旋性环流。另一方面,东印度洋蒸发潜热和感热加热使低层大气变得异常暖湿,向东的暖湿气流受到苏门答腊岛屿的地形抬升作用,形成局地浅对流。低层水汽辐合又使得对流层湿静力能增加,因而MJO湿位相随之启动。  (5)5个CMIP5耦合模式对季节内振荡的主要模态和四类不同生成源地(赤道印度洋、海洋大陆、西太平洋和东非区域)的首发事件具有较好的模拟能力,模式对SCA模拟技巧直接决定了对首发MJO事件的模拟性能,证实了SCA是首发事件生成的先决条件,提高SCA的模拟性能有助于改进模式对首发MJO事件的模拟能力。使用水汽辐合闭合方案的模式对印度洋型首发事件前兆SCA的模拟优于其它模式,也能再现首发事件的地域偏向性特征,说明使用更合理的对流闭合方案是改进MJO模拟性能的途径之一。
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