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越赤道气流是热带大气环流的重要组成部分,它是南北两半球大气相互联系、相互作用的重要纽带;南、北半球通过越赤道气流进行质量、动量、水汽的交换(Findlater,1969a;Findlater,1969b;赵宗慈和王绍武,1979;曾庆存和李建平,2002;王会军和薛峰,2003)。东半球有5支越赤道气流,其中索马里越赤道气流(又称索马里急流SMJ)最为强盛。这支越赤道气流,宽度不到赤道纬圈的2%,但几乎有50%的越赤道输送量是由它来完成的(Rao,1964)。
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SMJ作为印度夏季风系统的重要成员之一(Krishnmurti et al.,1976),它的强度与印度地区夏季降水存在显著的正相关关系(Findlater,1977;Cadet and Desbois,1981;Dube et al.,1990;Ju and Slingo,1995;Halpern and Woiceshyn,1999,2001;Kulkarni and Satyan,2002)。彭维耿和蒋尚城(2003)进一步研究发现SMJ强度3 a左右的周期振荡是造成印度季风雨量2~3 a周期变化的主要原因之一。且强的SMJ与阿拉伯海西南风正异常有关,该西南风正异常可以为印度季风区带来更多的水汽(Findlater,1977;Chakraborty et al.,2009),因此,印度地区也将会有更多的降水。
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然而,研究发现SMJ的垂直结构在1995年左右发生了年代际变化(邱金晶和孙照渤,2013;谢磊等,2013;邱金晶等,2014)。Zhu(2012)研究发现,索马里越赤道急流在20世纪70年代后期和20世纪90年代后期都经历了显著的年代际变化。Xiao et al.(2015)研究也发现,对流层高、低层的SMJ在20世纪90年代后期经历一个显著的年代际转换。另外,陈兵等(2005)研究发现,SMJ与ENSO的关系在20世纪70年代末变弱。Kumar et al.(1999)等发现在20世纪70年代后期,ENSO与印度季风降水关系开始减弱。Yun et al.(2010)也发现在1997/1998年El 后印度季风区上空大气出现了显著的绝热冷却。综上所述,SMJ、印度夏季风与ENSO的关系均发生了年代际变化,不禁想问:SMJ与印度夏季降水是否能保持稳定正相关关系呢?如果它们的相关关系有发生变化,那又是什么原因造成的呢?这是本文所要探索的问题。
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1 资料
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1.1 资料
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1)印度热带气象研究所1958—2014年夏季全印度总降水量(以下简称全印降水指数);
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2)欧洲中期天气预报中心的1958—1982年ERA-40和1983—2014年ERA-interim月平均再分析资料,水平分辨率为2.5°×2.5°;日本气象厅JRA-551958—2014年月平均再分析资料,水平分辨率为1.25°×1.25°;美国环境预报中心与国家大气预报中心NECP/NCAR 1958—2014年月平均再分析资料,水平分辨率为2.5°×2.5°;使用的气象要素包括:850 hPa风场,100 hPa高度场,可降水量场等。
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1.2 索马里急流指数
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采用陈兵等(2005)定义的索马里急流指数:夏季40°~50°E,5°S~5°N区域平均的850 hPa经向风V850风速,来表征索马里急流的强度。
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2 SMJ与印度夏季降水关系的年代际变化
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为研究SMJ与印度夏季降水的相关关系,用欧洲中心、日本气象厅及NCEP/NCAR资料计算的SMJ指数分别与夏季可降水量场作相关(图1)。从图1a、b、c中均可以看到,SMJ与阿拉伯海、印度夏季降水均有较显著的正相关关系,通过了95%置信度的显著性检验,特别是在印度西海岸,相关系数可以达到0.5,这样的结果与前人的研究结果一致(Findlater,1977;Cadet and Desbois,1981;Ju and Slingo,1995;Halpern and Woiceshyn,2001)。
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用SMJ指数与全印降水指数作21 a滑动相关时(图2a)发现,在20世纪80年代初期之前,SMJ指数与全印降水指数相关系数可达0.45以上,可以通过95%置信度的显著性检验,这跟以往的研究结果一致;但在20世纪80年代初期之后,两者的正相关关系显著减弱,相关系数平均在0.15左右,不能通过90%置信度的显著性检验。由此可见,SMJ与印度夏季降水的相关关系在20世纪80年代初期之后减弱了。
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为进一步验证上述结果,取印度地区(70°~85°E、10°S~25°N)区域平均的夏季可降水量作为印度夏季可降水量指数,与SMJ指数作21 a滑动相关(图2b)。从图2b中可以看到,在20世纪80年代初期之前,SMJ指数与印度夏季可降水量指数的相关系数可达0.45以上,通过了95%置信度的显著性检验,但在20世纪80年代初期之后两者的正相关关系明显减弱,相关系数平均在0.15左右,不能通过90%置信度的显著性检验。因此,从可降水量资料与SMJ指数计算的21 a滑动相关结果也可以得到SMJ与印度夏季降水的相关关系在20世纪80年代初期之后减弱了,再次验证上文的结论。
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为进一步研究SMJ与印度夏季降水相关关系的年代际变化,根据前文的分析,本文将研究时段分为1958—1982年和1983—2014年,即分为SMJ与印度夏季降水相关关系显著的时段和相关关系减弱了
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图.1 1958—2014年SMJ指数与夏季可降水量场的相关系数分布(实线:正相关,虚线:负相关;阴影部分为通过95%置信度的显著性检验):(a)ECMWF资料;(b)JRA55资料;(c)NCEP/NCAR资料
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Fig.1 The correlations between SMJ and summer precipitable water during 1958—2014(Solid line:positive correlation;dotted line:negative correlation;the shaded areas denote the significance at 95%confidence level):(a)ECMWF data;(b)JRA55 data;(c)NCEP/NCAR data
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图.2 1958—2014年SMJ指数与全印降水指数(a)、印度夏季可降水量指数(b)的21 a滑动相关(曲线为欧洲中心、日本气象厅及NCEP/NCAR资料计算的滑动相关系数的平均值;短虚直线代表10%显著水平;长虚直线代表5%显著水平)
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Fig.2 21-year sliding correlations between SMJ and(a)Indian summer rainfall,(b)Indian summer precipitable water during 1958—2014(curve indicates the average of 21-year sliding correlation coefficient of ECMWF,JRA55 and NCEP/NCAR data.Short dotted line denotes the significance at 90%confidence level.Long dotted line denotes the significance at 95%confidence level)
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的时段。
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为研究SMJ与印度夏季风降水的相关模态,本文作了SMJ指数与夏季可降水量资料的场相关(图3)。从图3a、b、c中均可以看到,1983年之前,SMJ与北印度洋、阿拉伯海、印度及孟加拉湾等地区的可降水量有较显著的正相关关系,且都通过95%的显著性检验,特别是在印度西海岸地区相关系数可达0.7及以上。而从图3d、e、f均可以看到SMJ与印度夏季可降水量的正相关关系在1983年之后发生了显著的年代际减弱,相关关系不能通过95%置信度的显著性检验。进一步证明SMJ与印度夏季降水的相关关系在1983年之后发生了年代际减弱。
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图.3 SMJ指数与夏季可降水量场的相关系数分布:(a、b、c)分别为1958—1982年的ECMWF、JRA55、NCEP/NCAR资料;(d、e、f)分别为1983—2014年的ECMWF、JRA55、NCEP/NCAR资料(实线:正相关,虚线:负相关;阴影部分表示通过了95%置信度的显著性检验)
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Fig.3 The correlations between SMJ and summer precipitable water:(a、b、c) 1958—1982 ECMWF,JRA55,NCEP/NCAR data respectively;(d、e、f) 1983—2014 ECMWF,JRA55,NCEP/NCAR data respectively(Solid line:positive correlation;dotted line:negative correlation.The shaded areas denote the significance at 95%confidence level)
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3 SMJ与印度夏季风环流关系的年代际变化的原因
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为探究SMJ与印度夏季降水的相关关系发生年代际减弱的原因,分别计算了与SMJ指数相对应的夏季850 hPa风场、水汽通量散度的回归及指数与100 hPa高度场的相关分布(图4、5、6)
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图4为与SMJ指数相对应的夏季850 hPa风场回归,其中灰色阴影部分通过95%的显著性检验。从图4a、b、c中均可以看到,在1983年之前,南印度洋及索马里沿岸有越赤道气流正异常,阿拉伯海、印度西北地区存在西南风正异常,且可以通过95%显著性检验,因此,异常强SMJ对应着异常强的阿拉伯海、印度西海岸西南风,强的西南风会给印度带来更多的水汽,造成印度西海岸水汽的异常辐合(图5a、b、c),从而使印度地区夏季有更多的降水,所以在这个时期,SMJ与印度夏季降水有非常显著的正相关关系。但在1983年之后(图4d、e、f),阿拉伯海北部及印度西北地区的西南风正异常减弱了,特别是在印度西海岸的西南风正异常显著减弱了,印度西海岸水汽的异常辐合也减弱了(图5d、e、f),故在这个时期,SMJ与印度夏季降水的相关关系显著减弱了。
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图6为SMJ指数与100 hPa高度场的相关系数分布,从图6a、b、c可以看到,在1983年之前,北半球的显著正相关主要分布在南非、阿拉伯半岛北部、伊朗高原、青藏高原西部及印度北部等区域,这个时期,SMJ与南亚高压有显著的正相关关系,相关系数可达0.6及以上,即当SMJ异常强时,南亚高压也就异常强,会使这些地区低层的气压降低,从而加强西南风,加强印度夏季风,加强印度夏季降水。但从图6d、e、f均可以看到,在1983年之后,分布在伊朗高原、青藏高原西部及印度北部地区的显著正相关消失了,在这个时期,SMJ与南亚高压的相关关系显著减弱了,所以SMJ不能通过与南亚高压联系来影响印度地区,因此SMJ与印度夏季降水的关系减弱了。
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综上所述,SMJ通过与印度夏季风高低层环流联系,可以影响印度夏季风的强度,从而影响印度夏季降水。但SMJ与印度夏季风高低层环流的关系在1983年后发生了年代际变化,这就是为什么在1983年之前,SMJ与印度夏季降水有着很显著正相关关系,而在1983年之后却变为基本没有相关关系。
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图.4 与SMJ指数相对应的夏季850 hPa风场回归:(a、b、c)分别为1958—1982年ECMWF、JRA55、NCEP/NCAR资料;(d、e、f)分别为1983—2014年ECMWF、JRA55、NCEP/NCAR资料(灰色阴影部分为通过95%置信度的显著性检验;深黑色阴影为青藏高原;单位:m/s)
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Fig.4 850 hPa wind regression in summer corresponding to SMJ:(a,b,c) 1958—1982 ECMWF,JRA55,NCEP/NCAR data respectively;(d,e,f) 1983—2014 ECMWF,JRA55,NCEP/NCAR data respectively(The gray areas denote the significance at 95%confidence level.Qinghai-Tibet plateau is shaded black.Unit:m/s)
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图.5 与SMJ指数相对应的夏季850 hPa水汽通量散度回归:(a、b、c)分别为1958—1982年ECMWF、JRA55、NCEP/NCAR资料;(d、e、f)分别为1983—2014年ECMWF、JRA55、NCEP/NCAR资料(实线:正相关,虚线:负相关;深黑色阴影为青藏高原;单位:g/(s·cm2·hPa)·e-5)
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Fig.5 850 hPa water vapor flux divergence regression in summer corresponding to SMJ:(a,b,c) 1958—1982 ECMWF,JRA55,NCEP/NCAR data respectively;(d,e,f) 1983—2014 ECMWF,JRA55,NCEP/NCAR data respectively(Solid line:positive correlation;dotted line:negative correlation.Qinghai-Tibet plateau is shaded black)
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图.6 SMJ指数与夏季100 hPa高度场的相关系数分布:(a、b、c)分别为1958—1982年ECMWF、JRA55、NCEP/NCAR资料;(d、e、f)分别为1983—2014年ECMWF、JRA55、NCEP/NCAR资料(实线:正相关,虚线:负相关;阴影部分为正相关通过95%置信度的显著性检验)
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Fig.6 The correlations between SMJ and 100 hPa height in summer:(a,b,c) 1958—1982 ECMWF,JRA55,NCEP/NCAR data respectively;(d,e,f) 1983—2014 ECMWF,JRA55,NCEP/NCAR data respectively(Solid line:positive correlation;dotted line:negative correlation.The shaded areas denote the significance at 95%confidence level)
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4 印度夏季降水与SMJ、ENSO及EAP相关关系的年代际变化
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由前文的结论可知印度夏季降水与SMJ的相关关系在1983年之后减弱了,而早在1999年,Kumar et al.(1999)就发现在20世纪70年代后期,ENSO与印度季风降水相关关系开始减弱。为研究印度夏季降水在1983年后与其他系统的关系是怎样的?本文作了与全印降水指数相对应的夏季850 hPa风场回归(图7),其中灰色阴影部分通过95%的显著性检验。
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从图7a、c、e中均可以看到,在1983年之前,南印度洋、索马里半岛沿岸、阿拉伯海地区及印度地区存在较强的越赤道气流正异常,可通过95%的显著性检验;另外,也可以看到在赤道太平洋地区存在显著的东风异常,且也通过了95%的显著性检验,说明在1983年之前印度夏季降水与SMJ有显著的正相关关系(与前文结果一致),而与ENSO有显著的负相关关系(与Kumar的研究结果一致)。而从图7b、d、f中均可以看到,在1983年之后,南印度洋、索马里半岛沿岸、阿拉伯海地区及印度地区的越赤道气流正异常显著减弱了,而且赤道太平洋的东风异常也主要集中在赤道太平洋两部,而图中显示太平洋中纬度地区有气旋、反气旋、气旋等闭合环流异常,并呈现为东亚/太平洋遥相关型(EAP)的波列,说明在1983年之后,印度夏季降水与SMJ、ENSO相关关系确实显著减弱了,另外本文初步认为其与EAP的相关关系有所加强,至于它们关系加强的表现及原因有待进一步研究。
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5 结果与讨论
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本文主要研究了SMJ与印度夏季降水相关关系的年代际变化,结果表明:在1983年之前SMJ与印度夏季降水有很显著的正相关关系,这跟以往的研究结果一致,但在1983年后这两者的正相关关系显著减弱。
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研究进一步发现,在1983年之前,南印度洋及索马里沿岸有越赤道气流正异常,阿拉伯海、印度西北地区存在西南风正异常,异常强的SMJ对应着异常强的阿拉伯海西南季风,从而增加印度夏季的水汽输送,进而加强印度夏季降水,且SMJ与南亚高压联系密切,南亚高压能引起高低空辐合辐散,从而
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图.7 与全印降水指数相对应的夏季850 hPa风场回归:(a、c、e)分别为1958—1982年ECMWF、JRA55、NCEP/NCAR资料;(b、d、f)分别为1983—2014年ECMWF、JRA55、NCEP/NCAR资料(灰色阴影部分为正相关通过95%的显著性检验;深黑色阴影为青藏高原;单位:m/s)
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Fig.7 850 hPa wind regression in summer corresponding to Indian summer rainfall:(a,c,e)1958—1982 ECMWF,JRA55,NCEP/NCAR data respectively;(b,d,f)1983—2014 ECMWF,JRA55,NCEP/NCAR data respectively(The gray areas denote the significance at 95%confidence level.Qinghai-Tibet plateau is shaded black.Unit:m/s)
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影响印度夏季风的强度,影响印度夏季降水。但在1983年后,阿拉伯海北部及印度西北地区的西南风正异常减弱了,特别是在印度西海岸的西南风正异常显著减弱了,异常强的SMJ不再对应着印度地区异常的水汽辐合,而且SMJ与南亚高压的关系也显著减弱了,从而导致在1983年后SMJ与印度夏季降水的正相关关系显著减弱了。
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另外,研究还发现,在印度夏季降水与ENSO、SMJ相关关系减弱的同时,初步显示它与EAP的相关关系却有所加强,至于它们关系加强的表现及原因有待进一步研究。
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摘要
利用1958—2014年印度热带气象研究所的全印度降水量、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)、日本气象厅(JRA-55)及美国环境预报中心与国家大气预报中心(NCEP/NCAR)的再分析资料,研究了索马里急流(SoMali Jet,SMJ)与印度夏季降水的相关关系。结果表明:1983年之前,SMJ与印度夏季降水有显著的正相关关系,这跟以往的认识一致,但在1983年之后两者的正相关关系显著减弱。研究进一步发现,在1983年之前,南印度洋及索马里沿岸有越赤道气流正异常,阿拉伯海、印度西北地区存在西南风正异常,异常强的SMJ对应着异常强的阿拉伯海西南季风,从而增加印度夏季的水汽输送,进而加强季风降水,且SMJ与南亚高压联系密切;但在1983年后,阿拉伯海北部及印度西北地区的西南风正异常减弱了,特别是在印度西海岸的西南风正异常显著减弱了,而且其与南亚高压的关系也显著减弱了,从而导致SMJ与印度夏季降水的正相关关系显著减弱。另外,在印度夏季降水与ENSO、SMJ相关关系减弱的同时,初步显示它与东亚/太平洋遥相关型(EAP)的相关关系却有所加强。
Abstract
The whole India summer rainfall data set from the Indian Institute of Tropical Meteorology,monthly Reanalysis data set from European Center for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF),Japan Meteorological Agency/Japan(JRA-55) and National Center for Environment Prediction/National Center for Atmospheric Research(NCEP/NCAR) during 1958—2014 are used to study the relations between Somali jet and Indian summer rainfall.It is found that before 1983,SMJ had significant positive correlation with the Indian summer rainfall,which accorded with our past understanding.But after 1983,the positive correlation has significantly weakened.Further study indicated that before 1983,there was a positive anomaly of the Somali equatorial airflow in the South India ocean and the Somali coast and there was a positive anomalous southwest wind in the Arabia sea and the northwest of India,which increased the summer water vapor transport to India and further strengthened Indian summer precipitation.SMJ was closely related to the South Asia high.However,after 1983,the south-west wind positive anomaly in the north of the Arabia sea and the northwest of India has weakened,particularly in the west coast of India.The correlation between SMJ and the South Asia high has also weakened,which results in the weakening correlation between SMJ and Indian summer rainfall.In addition,while the relations between Indian summer rainfall and ENSO,SMJ are weakening,it is preliminarily shown that the correlation between Indian summer rainfall and East Asia/Pacific Teleconnection (EAP) is significantly strengthening.
