杨洋，Tim Li，李奎平，于卫东，刘延亮

(1. 中国海洋大学 海洋环境学院，山东 青岛 266100；2. 国家海洋局 第一海洋研究所 海洋与气候研究中心，山东 青岛 266061；3. 美国夏威夷大学 气象系，美国 夏威夷 火奴鲁鲁 96822)

季节内振荡对热带印度洋SST日变化的调制
——一维混合层模式的诊断结果

杨洋1，2，Tim Li3，李奎平2*，于卫东2，刘延亮2

(1. 中国海洋大学 海洋环境学院，山东 青岛 266100；2. 国家海洋局 第一海洋研究所 海洋与气候研究中心，山东 青岛 266061；3. 美国夏威夷大学 气象系，美国 夏威夷 火奴鲁鲁 96822)

热带印度洋SST的日变化幅度受到大气季节内振荡(Madden-Julian Oscillation，MJO)的调制，其在MJO对流最强(弱)位相达到极小(大)值，并且在MJO对流增强位相显著强于其对流减弱位相。本文利用逐时的再分析海表通量强迫一维海洋混合层模式，定量地诊断了MJO事件中SST日变化的差异成因。结果表明，SST日变化在MJO对流最强与最弱位相的显著差异主要是由短波辐射的季节内变化所致(40%)，其次是风应力(38%)和潜热通量(14%)，其他要素的影响较小。而SST日变化在MJO对流增强与减弱位相所呈现的不对称特征，主要是由纬向风应力的不对称性所致，这是MJO扰动结构与背景环流相互作用的结果。

SST日变化；季节内振荡；一维混合层模式

1 引言

季节内振荡(Madden-Julian Oscillation，MJO)[1]是活跃于热带大气的行星尺度扰动现象，表现为大气深对流活动及相关扰动环流的周期性交替，尤以冬半年最为显著。MJO生成于热带西印度洋，以沿赤道向东传播为主，其在印度洋-太平洋暖池区达到最强，随后逐渐减弱并消失于东太平洋，其典型周期在45 d左右。MJO是衔接天气尺度变化和低频气候过程的重要桥梁，对热带气旋、亚澳季风、印度洋偶极子和ENSO等都具有重要影响[2]。

海-气相互作用在MJO的生成和发展过程中扮演了重要角色。大量数值模拟研究已经证实了季节内尺度的海气耦合对MJO模拟[3—6]和预报[7—8]的重要性；然而，其中的物理机制迄今还不甚明朗。SST是海洋与大气相互作用的主要介质，SST的变化既反映了大气的强迫效应，又对大气运动存在反馈作用，明确MJO事件中SST的控制机制是揭示其中海-气相互作用的重要突破口。

SST通过多种尺度过程与MJO相联系，其中日变化是一种重要的影响途径[9]。SST的日变化是一种非常显著的高频信号[10]，在晴朗无风的热带海域，其日变化幅度可达2～3℃[11—13]。在MJO影响下，SST的日变化存在明显的季节内差异。Sui等[14]通过分析西太平洋浮标观测资料发现，SST日变化幅度在MJO对流抑制阶段显著强于其对流活跃阶段。卫星观测资料也显示出与上述结果类似的位相特征[15]。作为MJO的活跃区域，印度洋的SST日变化也受到MJO的调制。Mujumdar等[16]利用浮标观测资料指出，孟加拉湾北部的SST日变化幅度在MJO不同阶段存在明显差异，MJO对流活动越强(弱)时，SST的日变化幅度越小(大)。赤道东印度洋的浮标观测资料也反映出与之一致的结果，并且一维海洋混合层模式可以很好地再现这种位相特征[17]。

大气通过海表热量通量、动量通量和淡水通量对SST的变化产生影响，这也是MJO调制SST的必然途径。已有的观测资料显示出SST日变化存在显著的季节内差异，但是，其中的控制机制尚不明确。那么，MJO是如何调制SST日变化特征的呢？即以上各要素的相对贡献各有多大呢？本文在杨洋等[17]研究的基础上，利用逐时的再分析海表通量强迫一维海洋混合层模式，在验证其适用性基础上，通过敏感性实验定量地诊断MJO各位相SST日变化特征的差异成因，为其后揭示SST日变化对MJO的反馈作用奠定基础。

2 数据与方法

2.1 数据

本文采用的逐时SST资料来自Research Moored Array for African-Asian-Australian Monsoon Analysis and Prediction (RAMA)[18]浮标阵列位于1.5°S，90°E的浮标，时间跨度为2002年1月1日至2010年10月15日。该浮标位于赤道东印度洋，处于MJO的活跃区域，并且它也是印度洋现有浮标阵列中持续观测时间最长的浮标。为了表征大气深对流过程，我们采用了National Oceanic and Atmospheric Administration(NOAA)提供地逐日的大气对外长波辐射(Outgoing Longwave Radiation，OLR)资料。在强迫一维混合层模式时，本文采用了National Aeronautics and Space Administration (NASA)提供的Modern Era-Retrospective Analysis for Research and Applications (MERRA)[19]逐时海表通量数据，水平分辨率为(2/3)°×(1/2)°。

2.2 方法

通过选取MJO事件并按位相合成的方法诊断MJO对SST的调制过程。以5°S～5°N，85°～95°E区域平均的20～90 d带通滤波的OLR为标志，当北半球冬半年某次过程的OLR正负异常值均超过1倍标准差时则选定此MJO事件，据此共选取了19个MJO事件(表1)。为体现季节内差异，每次MJO事件选取5个代表性时刻：对流最活跃时(OLR极小值)定义为0°；相邻的前、后两个对流最弱时刻(OLR极大值)分别为-180°和+180°；相应的对流的增强和减弱时刻，即OLR异常值接近于0时分别为-90°和+90°。为了减小分析误差，在每个代表性时刻的前后再各取2 d，以此5 d的平均状态代表相应的位相(见图1)。需要说明的是，当两次MJO事件连续发生时，前一MJO事件的180°位相与后一MJO事件的-180°位相重合，故表1中的某些MJO事件起始时间有所交叉。

表1 MJO事件列表

图1 MJO位相的定义示意图 Fig.1 The phase definition of MJO progress depending on the 20 to 90 days filtered OLR

为诊断SST的控制机制，本文利用了PWP一维整体海洋混合层模式[20]，该模式已被广泛地用于热带地区SST的日变化和季节内变化的模拟研究[12，21]。热通量、动量通量和淡水通量是PWP模式的海表强迫项。其中，热通量分为海表短波辐射(SW)、净长波辐射(LW)、潜热通量(LH)和感热通量(SH)，动量通量为风应力(WS)，淡水通量为蒸发与降水之差(EP)。该模式在动力不稳定模型的基础上，引入了风致混合参数化方案。上层海洋的垂直混合主要有3种方式：(1)通过与附近网格的混合使整个混合层满足静力稳定；(2)通过设置整体Richardson数(Rb)来控制混合层底的卷入与卷出；(3)通过设置梯度Richardson数(Rg)来消除混合层底与下层水体之间巨大的速度梯度。驱动PWP混合层模式时，采用了最新的MERRA逐时海表通量数据，模拟时间为2002-2010年，运行的时间分辨率为1 h，垂向分辨率为0.5 m，模式中的参数主要借鉴前人的研究[20]，临界Rb和Rg分别取0.65和0.25。

大气通过海表热通量，动量通量和淡水通量来影响SST，为了体现各强迫通量的季节内差异对SST日变化的影响，我们通过下述处理构造了各强迫通量的新序列：

(1)对原始序列I进行逐时平均，得到平均态的日变化时间序列A；

(2)通过对原始序列I进行90 d低通滤波，剔除其季节内变率，得到低频的背景时间序列B；

(3)将序列A与B叠加得到新的时间序列F，则序列F即可认为是仅剔除了季节内变率但仍保留有高频日变化和低频背景变化的新序列。

为了诊断某一特定强迫项的季节内变化对SST日变化的影响，设计了14组敏感性测验，其方案见表2。

表2 实验名称及所用强迫类型

续表2

注：I代表原始序列，F代表剔除了季节内变率的序列。

3 结果

尽管有研究强调了海洋水平温度平流对特定MJO事件的重要性[22]，但Zhang和Aderson[23]的研究表明在水平温度梯度很小的热带区域，水平平流对SST的作用可以忽略，PWP模式可以很好的再现SST的季节内变化特征。鉴于本研究涉及的浮标位于东印度洋暖池区，水平温度梯度较小，一维海洋混合层模式在原则上具有可行性。杨洋等[17]以浮标观测的海表通量来强迫PWP混合层模式，已对PWP模式在该区域的适用性进行了初步验证。本文采用了MERRA再分析的海表强迫通量驱动一维PWP模式，其SST模拟结果也说明了该模式在本研究中的合理性(见图2)。

从周期性特征来看(见图2a、c)，SST日变化的模拟结果和观测结果具有很好的一致性。SST在6时至8时达到全天最小值，而在14时至16时达到全天最大值。而且，一维模式也成功再现了SST日变化在MJO各个位相的差异，这种差异主要体现在SST日变化幅度上，即SST日最大值与最小值的差(见图2b、d)。SST日变化幅度与MJO对流呈直接反位相关系，即在对流活动最强时(0°)，SST的日变化幅度最小，在对流活动最弱时(±180°)，SST的日变化幅度最大。在对流的增强(-90°)和减弱阶段(+90°)，SST的日变化幅度存在明显的不对称性，前者强于后者。

在未考虑水平平流效应的情况下，一维PWP模式对SST日变化的周期性具有非常好的模拟能力，但对SST日变化幅度的模拟存在一定误差。在MJO的5个位相，其模拟误差分别为9%、11%、35%、27%和1%，这部分误差可能源于水平平流效应，也可能源于再分析海表资料或者系统误差。尽管如此，一维模式较好地抓住了SST日变化幅度的季节内差异特征，其诊断结果具有一定的代表性。为揭示MJO事件中SST日变化幅度的差异原因，我们利用PWP模式设计一系列敏感性实验进行诊断，各组实验的介绍见表2。

3.1 MJO对流活跃位相与抑制位相的对比分析

Price等[20]较为系统的描述了SST的日变化过程，并指出海表面短波辐射在白天与夜晚的不对称分布是造成SST日变化的主要原因。本文的数值实验也证明，只有保留短波辐射的日变化，SST的日变化特征才会存在；在保留短波辐射日变化的前提下，本文各组实验模拟的SST日变化过程接近一致，即SST最大值出现在14时到16时左右，最小值出现在6时到8时左右。在MJO事件中，SST日变化的差异主要体现在变化幅度上，也即最大值与最小值之差。在对流活动最弱时，SST日变化幅度达到最大值；在对流活动最强时，SST日变化幅度达到最小值，二者相差0.6°C左右(见图2)。那么，其中的控制过程是什么呢？表2中的前7组敏感性实验即用于分析该问题，实验结果如图3所示。

图3 MJO对流抑制位相与活跃位相SST日变化幅度的差异及各强迫项的贡献Fig.3 The difference of diurnal range of SST between suppressed and active phase of MJO calculated from model results

在CTL run中，各强迫项均采用原始序列，PWP模式再现了SST日变化幅度在对流抑制位相与活跃位相的差异，与浮标观测资料相一致。SW run至EP run实验分别体现了单一强迫项的季节内变化对上述差异的贡献大小，而且这6组实验的总和(浅灰色柱)与CTL run相当，这说明本文设计的实验方案是基本可行的。诊断表明，对于SST日变化幅度在MJO对流抑制位相与活跃位相存在的显著差异，短波辐射(SW)的贡献起主要作用，占40%；其次是风应力(WS)，占38%；第三位是潜热通量(LH)，占14%；而感热通量(SH)、长波辐射(LW)和淡水通量(EP)的作用相对微弱。以下将对3个主要因素展开讨论，其他因素不再详述。

短波辐射日变化的季节内差异是调制SST日变化幅度的主要因素。由图4可以看出，在MJO对流抑制位相短波辐射在正午时可达到800 W/m2，而在对流活跃位相却只有500 W/m2左右，二者的差异在正午时刻可以超过300 W/m2。因此，在正午的SST快速升温阶段，对流抑制位相的短波加热效应显著强于对流活跃位相，由此导致了两位相的SST日变化幅度的差异。

尽管各热通量均存在一定的日变化，但相对于短波辐射来说，其他通量的日变化幅度非常微弱。潜热通量的日变化幅度在MJO各个位相均不足20 W/m2，且日变化的周期特征不明显，但其日平均值存在显著的季节内差异。潜热释放在对流抑制位相只有90 W/m2左右，而在对流活跃位相却超过150 W/m2，它通过与混合层的日变化相互作用来调制SST的日变化幅度。在白天的SST升温阶段，混合层很浅，较多的净热收入使对流抑制位相的SST升温幅度显著强于对流活跃位相；而在夜间的SST降温阶段，由于混合层剧烈加深[17]，对流抑制位相的SST降温幅度只是稍强于对流活跃位相。这种混合层深度的昼夜不对称，使MJO对流抑制位相的SST日变化幅度会稍强于其对流活跃位相，但该调制过程的贡献较小，仅占14%左右。

图4 MJO对流抑制位相(±180°)和对流活跃位相(0°)各海表面热通量的对比Fig.4 The comparison of sea surface heat fluxes between suppressed (±180°) and active (0°) phase of MJO

在PWP模式中，风应力是作为动量通量给定的，它的变化不会影响潜热和感热通量的变化，仅体现了风应力通过动力过程对SST的日变化的影响。图5给出了风应力在MJO对流活跃与抑制位相的合成图，及相应的WS实验中混合层内转换层(Transition layer)深度在上述两位相的对比。根据Price等[20]的理论，转换层位于混合层内，更利于表征由风应力引起的混合层底的夹卷效应以及切变流不稳定性，所以我们在此用转换层来表征风应力对海洋上层垂直混合的作用。从图中可以看出，在对流抑制位相，风应力非常小，几乎接近于0。这种近乎无风的状态致使海洋的垂直混合非常弱，相应的海面吸收的热量只能限制在很浅的表层(见图5b)，在白天加热最强的中午，海表转换层深度只有5 m左右，从而使SST迅速的升高。相反，在对流活跃位相，风应力最大可超过0.08 N/m2。强烈的风力会对海洋产生剧烈的搅动，海表的垂直混合强烈，导致转换层加深，即使在白天加热最强的中午，最浅的转换层深度也要超过20 m。在相同的热力强迫下，热量会被更快的混合到较深的海洋中去，所以在对流活跃位相，SST的升温并不明显，日变化幅度较小。

图5 MJO对流抑制位相(±180°)和对流活跃位相(0°)的海面风应力对比(a)和风应力所致的转换层深度的对比(b)Fig.5 The comparison of sea surface wind stress (a) and the transition layer depths (b) between suppressed (±180°) and active (0°) phase of MJO

3.2 MJO对流增强位相与减弱位相的对比分析

在MJO事件中，对流的增强与减弱阶段，即在±90°位相，SST的日变化幅度存在明显的不对称性(见图2)。从观测来看，在对流增强阶段(-90°)，SST的日变化幅度可达到0.54℃；但是在对流减弱阶段(90°)，SST日变化幅度只有0.36℃。鉴于PWP模式可以再现这种位相差别，因此我们设计了7组敏感性实验，以探明这种不对称性的原因。

如表2中第8组至第14组实验，其中CTL0实验表示所有海表强迫通量的季节内变率均已被剔除，而SW0至EP0实验表示只有相应的强迫项剔除了季节内变率。如CTL0实验结果所示(见图6b)，将所有海表通量的季节内变率剔除以后，SST的日变化幅度在MJO各个位相基本无差别，其季节内变化特征消失。逐项测试表明，唯有剔除风应力的季节内变化时(也即WS0实验)，SST日变化幅度在±90°位相才接近相等(见图6d)，其他实验结果均保留了这种不对称性。这说明海表面风应力在±90°位相的差异是造成该位相SST日变化不对称的主要原因。除风应力外，其他海面强迫项在±90°位相基本呈现对称分布(图略)，对上述两个位相的SST日变化差异基本无贡献。

前人的研究已经指出，纬向风的季节内变化是MJO事件中动量通量扰动的主要原因[24]，经向风的扰动可忽略不计[25]。从图7给出的海表面风应力在MJO对流增强与减弱位相(±90°)的日变化曲线可以看出，风应力的纬向分量在两个位相存在较大的差异，而经向分量的离散性并不大，所以纬向风应力的季节内差异是造成±90°位相SST日变化幅度产生不对称性的主要原因。通过前文的分析我们知道(2.1)，风应力的强弱与SST日变化幅度成负相关性。在-90°位相，纬向风应力维持在0.015 N/m2左右，这种弱的风应力无法使海洋上层产生强的垂直混合，海洋混合层相对较浅，从而SST日变化较强。而在+90°位相，纬向风应力可以达到0.03 N/m2左右，强烈的风应力会加强海洋的垂直混合，海洋混合层变深，海表吸收的热量更快的与深层的冷水混合，从而减弱SST的日变化强度。因此，在这种不对称风应力的调制下，SST日变化幅度在±90°位相产生了差异。

其他海面通量在±90°位相基本呈对称分布的情况下，为何纬向风应力在这两个位相具有显著的不对称性？这是MJO空间结构与背景环流共同作用的结果。MJO事件中，深对流位于海面风场的辐合中心之上。受对流辐合的影响，对流西侧会出现西风异常，而东侧则是东风异常，并且西风异常显著强于东风异常。在冬半年，赤道东印度洋受背景西风控制，同时MJO及相应的扰动环流沿赤道自西向东移动。在-90°位相，对流位于浮标位置以西，此时浮标点受MJO对流东侧的异常东风控制，它与背景西风相叠加会使纬向风应力减弱；而在+90°位相，对流位于浮标位置以东，此时浮标点受MJO对流西侧的异常西风控制，它与背景西风相叠加导致纬向风应力显著加强。由此，MJO事件中纬向风应力的大小在±90°位相具有了不对称性。

4 结论

在MJO调制下，热带印度洋SST的日变化幅度呈现显著的季节内差异。在MJO对流活动最强(弱)时，SST的日变化幅度最小(大)；并且MJO对流增强阶段的SST日变化幅度显著强于其对流减弱阶段。为揭示MJO事件中上述SST日变化特征的差异成因，我们利用MERRA逐时海表面通量资料强迫PWP一维整体混合层模式定量的进行了诊断分析。

图6 8组敏感性实验中MJO各位相SST日变化幅度的对比Fig.6 The comparison of diurnal range of SST in different phase of MJO from 8 sensitive runs listed in Tab.2

图7 MJO对流增强位相(-90°)与对流减弱位相(+90°)的海面风应力对比Fig.7 The comparison of sea surface wind stress between developing (-90°) and decaying (-90°) phase of MJO

总体上，PWP模式可以成功再现SST日变化特征的季节内差异。而相应的敏感性实验表明，SST日变化幅度在MJO对流最弱与对流最强时的显著差异主要是由短波辐射造成的，大约占40%；其次是风应力，占38%；第三位是潜热通量，占14%；而感热通量、净长波辐射和淡水通量的作用相对微弱。SST日变化幅度在MJO对流增强与对流减弱阶段的不对称性，主要是与纬向风应力的不对称有关。纬向风应力在MJO对流减弱阶段显著强于其对流增强阶段，由此导致的垂直混合差异是SST日变化幅度存在不对称的诱因。而纬向风应力在上述两个位相的差异是MJO空间扰动结构与背景环流相互作用的结果。

在本文设计的多组敏感性实验中，驱动PWP模式时，各海表强迫项是独立给定的，而在现实中，多个物理量之间可能存在联系。如风应力的变化既能通过动力效应(垂直混合)，又能通过热力效应(潜热和感热通量)对SST施加影响。因此本文的数值实验属于理想实验，人为隔离了风应力的动力效果和热力效果，然后给与了单独评估；事实上，目前的数值实验未能针对风应力的影响实现综合评估，更加全面的实验设计方案有待提出。

本文仅以位于1.5°S，90°E的浮标观测数据为参考，通过引入PWP数值模式分析了SST日变化特征的季节内差异，结论的代表性存在局限，不排除本文的分析结果在其他区域会有一定的误差。鉴于本文已经验证了MERRA逐时海表面通量与PWP混合层模式的结合在研究SST日变化特征时的可行性，进一步的研究工作可以推广到更多的观测浮标和更广的海域，以获取更具代表性的诊断结果。

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Modulation of Madden-Julian Oscillation on the diurnal cycle of SST in the tropical Indian Ocean——Results from one dimensional mixed layer model

Yang Yang1，2，Tim Li3，Li Kuiping2，Yu Weidong2，Liu Yanliang2

(1.CollegeofPhysicalandEnvironmentalOceanography，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 2.CenterforOceanandClimateResearch，FirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China; 3.IPRCandDepartmentofMeteorology，UniversityofHawaii，Honolulu，HI，USA)

Modulated by the Madden-Julian Oscillation (MJO)，the diurnal range of sea surface temperature (SST) peaks on the convection suppressed phase and drops to its lowest on the convection active phase. What’s more，this kind of diurnal range on the developing phase of MJO is much larger than that on the decaying phase. Using a one-dimensional ocean mixed layer model，forced by the newly developed hourly reanalysis of sea surface fluxes，the cause of the difference of diurnal range of SST during the evolution of MJO is diagnosed quantitatively. It is demonstrated that the intro-seasonal variation of sea surface shortwave radiation is the main reason for the striking difference of diurnal range of SST between suppressed phase and active phase of MJO (40%). The intra-seasonal variation of wind stress (38%) and latent heat flux (14%) are also important. Due to the scale interaction between MJO perturbation and background circulation，the asymmetry of zonal wind stress determines the asymmetry of diurnal range of SST between developing and decaying phase of MJO．

diurnal range of sea surface temperature (SST); Madden-Julian Oscillation; one dimensional ocean mixed layer model

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.004

2014-09-10；

2014-11-05。

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(2014G03，GY02-2011G22)；国家自然科学基金项目(41005032，41406034)；国家国际科技合作专项资助-孟加拉湾区域海洋观测与对亚洲季风影响合作研究(2010DFB20210)。

杨洋(1986—) ，男，山东省淄博市人，博士研究生，主要从事海-气相互作用方面研究。E-mail：namedyy231@163.com

*通信作者：李奎平(1982—)，男，山东省潍坊市人，助理研究员，主要从事物理海洋学方面研究。E-mail：likp@fio.org.cn

P731.11

A

0253-4193(2015)05-0034-10

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