李 琼 许 娈 肖天贵

(1.浙江省气象科学研究所，浙江 杭州 310012; 2.成都信息工程大学, 四川 成都 610225)

越赤道气流的时空特征分析

李 琼1许 娈1肖天贵2

(1.浙江省气象科学研究所，浙江 杭州 310012; 2.成都信息工程大学, 四川 成都 610225)

摘要：利用1948—2010年NCEP/NCAR逐日再分析场(2.5°×2.5°)的经向风资料，初步分析了全球越赤道气流的时空分布特征。结果表明，全球越赤道气流通道分布存在明显的空间不对称性，即垂直不对称性和沿经向不对称，低层通道窄而多，高层通道宽而少；东半球低层通道数远较西半球多，且强度更强。在时间分布上，夏季越赤道气流总和无论高低层都强于冬季。这些反映了南北半球空气质量交换的时空分布的不对称性，即空气质量的交换主要集中在夏季和东半球。此外，夏季在140°E～150°E向北的越赤道气流强度逐年增强，在冬季位于120°E～130°E处向南的越赤道气流在逐年减弱，且在1958年前后向南的越赤道气流出现突然增强期。

越赤道气流；空间分布；时间特征；趋势变化

0 引 言

越赤道气流(cross-equatorial flow，简称CEF)是南、北半球相互作用的重要途径，主导着两个半球之间的质量、动量及能量输送，是影响南、北半球天气气候异常的重要因素之一，因此在全球大气环流系统中有着非常重要的作用。越赤道气流的概念首次由Simpson[1]提出，他指出印度西南季风是由南半球东南信风越过赤道而形成，并指出它与亚洲大陆的低压和南印度洋上高压的存在联系。国内，李宪之[2]在20世纪30年代指出，澳大利亚寒潮爆发后，冷空气越过赤道，有利于北半球低纬洋面上形成台风。自20世纪60年代末FINDLATER[3]发现了索马里低空急流以后，许多学者对越赤道气流进行了大量的研究。汤明敏等[4]发现，东半球越赤道气流季节变化大，亦呈现季风性质，而西半球主要为信风性。彭维耿等[5]认为，南、北半球空气质量交换的时空分布是不对称的，即空气质量的交换主要集中在夏季和东半球。刘向文等[11]认为越赤道气流的增强往往对应着通道南侧或北侧从热带到副热带地区的环流调整，且125°E越赤道气流比105°E越赤道气流的增强过程更为显著。曾刚等[12]则通过数值实验模拟索马里越赤道气流年代际变化特征及其与东亚夏季风年代际变化关系指出全球、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋海表温度变化均对索马里越赤道气流在1970年代中后期的年代际变化具有重要作用。随着资料的逐渐详尽和统一，对于越赤道气流的通道也有了一致的结论，普遍认为东半球夏季存在5条偏南越赤道气流，分别位于45°E(索马里)、85°E(苏门答腊)、105°E(中国南海)、125°E(西太平洋)及150°E(巴布亚新几内亚)处，其中，索马里越赤道气流最强，105°E越赤道气流强度次之[4]。越赤道气流最强处位于925 hPa和150 hPa，而非之前所认为的850 hPa和200 hPa[6-8]。

本文利用NCEP/NCAR的63 a的全球17层历年逐日格点日平均经向风资料，对全球越赤道气流的气候学特征进行分析，为以后相关的研究提供科学的参考依据。由于我国在北半球，向北的越赤道气流是特别重点考虑的，经过分析在925 hPa高度以上的越赤道气流风速已经很小，所以我们重点分析研究了近63 a来925 hPa上的越赤道气流的特征，包括通道、趋势变化和年际特征。

1 资料与方法

本文利用NCEP/NCAR 1948年1月1日—2010年12月31日逐日再分析风场资料，水平分辨率为2.5 °×2.5 °，垂直分辨率为17层，对全球赤道计算了每个格点沿南北各5°(5个格点)的平均经向风作为此经度的越赤道气流，并分析了它的逐日变化。当赤道的经向风V为正(负)，就表示有从南(北)半球向北(南)半球的越赤道气流，并对全球越赤道气流的气候学主要特征进行了统计分析，同时计算了趋势系数rxt，对东半球低层几条主要通道定量分析了越赤道气流长期变化的特征[9]。

2 全球越赤道气流通道的垂直分布特征

我们作了1948—2010年平均的冬季(12—2月)、夏季(6—8月)经向风分布空间剖面图(图1)，发现冬夏季的高、低层均有几个明显的风速中心，本文定义V风速中心大于等于2 m/s的称之为通道，图1中实线为正值，虚线为负值。

图1 1948—2010年冬季和夏季赤道平均经向风垂直剖面图

冬季(12—2月)

冬季低层主要为由北向南的越赤道气流，强风速主要集中在925 hPa处，主要风速中心(≥-2 m/s)的有45 °E(索马里)、85 °E(苏门答腊)、105 °E(中国南海)、125 °E(西太平洋)，在45 °E处，低层通道中心主要位于赤道南纬(3S～2S)处，在925 hPa处风速最大可达-6 m/s，整体通道向北倾斜，高度可伸展达到700 hPa；45 °E高层通道中心主要位于200～100 hPa之间，横跨约45个经度(0～45 °E)，厚度大约在300～100 hPa之间，最大风速中心大约在150 hPa处，风速可达6 m/s。在85 °E处，低层通道中心最大风速最大可达-2 m /s，低层通道可伸展至600 hPa；在105 °E处，低层通道中心最大风速最大可达-3 m/s，低层通道可伸展至400 hPa；而125 °E，低层通道中心风速最大可达-2 m/s,高度同样亦可伸展至400 hPa。而在这三个通道高层大约200 hPa处存在一共同的通道中心，该通道横跨约50个经度(85 °E～135 °E)，厚度大约在300～100 hPa之间，最大风速中心大约在150 hPa处，风速最大可达3 m/s。

夏季(6—8月)

夏季低层盛行由南向北的越赤道气流，分别位于15 °W～15 °E，41 °E～64 °E,85 °E～90 °E，100 °E～110 °E，120 °E～135 °E，90 °W～105 °W。夏季低层 45 °E (索马里急流)处越赤道气流最强，风速最大可达10 m/s。通道中心略向西倾斜，伸展高度可达300 hPa。而在85 °E～90 °E，100 °E～110 °E，120 °E～135 °E、45 °W～60 °W处通道越赤道气流风速则基本维持在2 m/s左右，伸展高度也相较冬季时期降低，基本维持在900 hPa附近。而在夏季东半球高层大约150 hPa处存在一个通道中心，横跨大约整个东半球，厚度约在250～100 hPa之间，最大风速可达-6 m/s。另外在西半球上空300～100 hPa处，110 °W～40 °W之间也存在一个通道中心，风速最大可达-4 m/s。

由于我国在北半球，向北的越赤道气流是应该特别重点考虑的。而统计显示在925 hPa高度以上的越赤道气流风速一般很小，所以我们下面重点对近63 a来925 hPa上的越赤道气流，分析了季节变化、长期趋势和年际变化等主要特征。

3 全球越赤道气流的季节变化特征

图3是1948—2010年63 a平均的全球逐日925 hPa越赤道气流变化。1月份越赤道北风平均大于2 m/s的通道大致是东半球的45 °E～50 °E、75 °E～85 °E、100 °E～115 °E、120 °E～130 °E、140 °E～150 °E以及西半球的45 °W～60 °W。在东半球的5个通道最多维持到3月份。西半球的45 °W～60 °W的通道维持到4—5月后也全部消失了。每年的4月上旬开始，位于45°E附近开始出现南向北的通道，并且风速逐渐加强，最强发生在夏季，最大风速可达10 m/s以上，通道宽度也随着时间变化逐渐增强，在夏季最强时期可横跨20个经度。其余通道则从5月上旬开始出现，分别位于 75 °E～90 °E，100 °E～110 °E，120 °E～135 °E、150 °E，120 °W～90 °W，40 °W～5 °E。可见，东半球夏季的越赤道气流通道有5个，而且在东半球的通道，强度大。其中最大的风在45 °E附近，这就是索马里越赤道气流通道，这个强的越赤道气流通道在6—8月期间，925 hPa的风最大可达到14 m/s以上的风速。

图3 全球赤道地区925 hPa经向风逐日变化图(单位： m/s)

4 东半球低层越赤道气流的年际变化特征

4.1 东半球低层越赤道气流长期趋势

Pearson相关系数是描述两个随机变量线性相关的统计量，我们可以用其来研究气象要素在气候变化中升降的定量程度，并可对其进行统计检验。根据文献[10]，本文计算了东半球低层越赤道气流的气候趋势系数rxt，即时间序列与自然数列之间的相关系数。并重点就东半球低层存在的主要通道进行了计算分析。结果共有3条越赤道气流通道通过了t检验，其中夏季位于45 °E～50 °E处的通道超过了5%的显著性检验，而冬季位于45 °E～50 °E处的通道超过了1%的显著性检验。另外两条通道分别是在冬季位于120 °E～130 °E的通道和在夏季位于140 °E～150 °E的通道则均超过了0.1%的显著性检验。

表1给出了925 hPa东半球越赤道气流主要通道在冬季和夏季的趋势系数和回归系数，可以看出在夏季，140 °E～150 °E处的越赤道气流有非常强的正趋势，趋势系数为0.50，平均每10 a增强0.27 m/s,但是该地区的越赤道气流本身并不强，平均2.05 m/s。而45 °E～50 °E是最强的索马里越赤道气流，趋势系数为0.28，平均每10 a越赤道气流增强0.1 m/s。而在冬季，120 °E～130 °E处的越赤道气流北风有明显减弱趋势，趋势系数为0.46，平均每10 a减小0.26 m/s。同样在冬季，45 °E～50 °E处的索马里越赤道气流北风有明显减弱趋势，趋势系数为0.39，平均每10 a减小0.2 m/s。

表1 925 hPa东半球低层越赤道气流

4.2 东半球低层越赤道气流变化的年际变化

除了长期趋势变化以外，东半球部分越赤道气流还有明显的年际变化。图4a是140 °E～150 °E夏季越赤道气流的逐年变化图。可以看出在夏季，位于140 °E～150 °E处的通道向北的越赤道气流强度增强(向南的越赤道气流减弱)。图4b则是是120 °E～130 °E冬季越赤道气流的逐年变化图，可以看出在冬季，位于120 °E～130 °E处的通道向南的越赤道气流在减弱(向北的越赤道气流增强)，且在1958年前后向南的越赤道气流出现突然增强。

(a)140 °E～150 °E,6—8月；(b) 120 °E～130 °E,12月—1月纵坐标是风速，直线是回归线 (单位：m/s)图4 1948—2010年的越赤道气流的变化图

5 结 语

1)全球越赤道气流通道分布存在明显的空间不对称性，即垂直不对称性和沿经向不对称，低层通道窄而多，高层通道宽而少；东半球低层通道数远较西半球多，且强度更强。

2)在时间分布上，无论在冬季还是夏季，东半球的越赤道气流比西半球强。925 hPa越赤道气流随季节有变化。冬季越赤道气流向南的主要有6个通道，大致是东半球的45 °E～50 °E,75 °E～85 °E,100 °E～115 °E,120 °E～130 °E,140 °E～150 °E以及西半球的45 °W～60 °W。夏季越赤道向北的主要有7个通道，是东半球的45 °E～50 °E，75 °E～90°E，100 °E～110 °E，120 °E～135 °E、150 °E，西半球的120 °W～90°W以及40°W～5°E。夏季越赤道气流总和无论高低层都强于冬季。这些反映了南北半球空气质量交换的时空分布的不对称性，即空气质量的交换主要集中在夏季和东半球。

3)在夏季，140°E～150 °E处的越赤道气流有非常强的正趋势，趋势系数为0.50，平均每10 a增强0.27 m/s,但是该地区的越赤道气流本身并不强，平均2.05 m/s。而45°E～50 °E是最强的索马里越赤道气流，趋势系数为0.28，平均每10 a越赤道气流增强0.1 m/s。而在冬季，120 °E～130 °E处的越赤道气流北风有明显减弱趋势，趋势系数为0.46，平均每10 a减小0.26 m/s。同样在冬季，45 °E～50 °E处的索马里越赤道气流北风有明显减弱趋势，趋势系数为0.39，平均每10 a减小0.2 m/s。

4)此外，夏季在140 °E～150 °E向北的越赤道气流强度逐年增强(向南的越赤道气流逐年减弱)。而在冬季位于120 °E～130 °E处向南的越赤道气流在逐年减弱(向北的越赤道气流逐年增强)，且在1958年前后向南的越赤道气流出现突然增强期。

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2016-06-08