热带三大洋云水温度异常变化的卫星遥感分析

热带三大洋云水温度异常变化的卫星遥感分析

太平洋经济衰退和印度洋是世界各国最典型的海拔高度气候变化。然而，长期以来，在复杂的海拔高度相互作用中，任何时候、每一块空间尺度上的st变化都是一个非常重要的问题。该问题是现有的大气环流模式和海洋-大气耦合模式某些参数化方案设计的基础。在海洋-大气相互作用中,海表温度(SST)和云是分别表征海洋和大气状况的物理量。云对短波辐射的影响直接关系到SST的变化,SST的变化在热带又可能通过影响湍流热通量和水汽通量,从而影响到云。海洋在驱动大气的过程中热量的释放与云有密切的关系。因此,海洋SST变异与大气中云水(CLW)变异之间的关系成为反映局地海洋-大气相互作用的重要指标。在热带海洋有>28℃的暖水(例如,印度洋-太平洋暖池),又有<26℃的冷水(例如,赤道东太平洋冷舌),因此,局地海洋-大气相互作用的特征不同。根据前人的研究,在暖水区,特别是在26～27℃以上的暖水上空存在深对流,SST的变化对于深对流的影响较大;而在冷水面上的云,通常是低云。Philanderetal.认为,在东南太平洋副热带海域,SST降低,增加了大气逆温,使层云量增加。层云的增多,减少了到达海面的太阳辐射,使SST进一步降低,二者是负相关。并证明了这种SST和低层云之间的正反馈机制有利于ITCZ保持在赤道以北,进一步维持了太平洋气候对于赤道的不对称性。Xie首次针对几个典型冷水面海域的局地海洋-大气相互作用进行了分析,指出冷水面SST变化与表征低云的CLW变化的相关性是与空间水平尺度大小有关。对于较小尺度(几百公里)的SST正异常,有利于对流形成和海面的水汽辐合,因此在SST升高时,辐合增强,成为形成云的最主要影响因素,从而导致SST与CLW的正相关。而对于海盆尺度的SST正异常,由于SST正(负)异常使得静力稳定度减小(增加),层云减少(增加),导致SST异常与CLW异常的负相关。在对东南太平洋的SST和CLW相关性研究中发现,当地海域的SST与CLW呈负相关,SST滞后CLW1～2d。这说明不是SST引起的CLW变化,而是大气环流的调整使高空空气下沉增暖,海面又有冷平流输送,大气逆温,导致了层云的发展、增多,使得到达海表面的太阳辐射减少,从而使SST降低。以上研究表明,在不同的海域SST与云水变化的统计关系不同,SST异常与云水异常之间的统计关系可以作为热带局地海洋-大气相互作用的明显标记之一。但是,目前人们对该统计关系在热带太平洋、印度洋和大西洋的时空分布特征的认识还非常有限。主要原因是以前红外遥感资料观测的SST受云的影响很大,缺乏研究SST与CLW的关系的资料,TMI(TropicalRainMeasuringMissionsatellite’smicrowaveimager)资料的出现克服了卫星透过云层观测SST的困难,使得研究SST与CLW的关系成为可能。人们常常为了分不清在两者相互作用中是海洋变化影响了大气变化,还是大气变化影响了海洋变化而感到苦恼。本文采用TMI资料,通过简单地分析SST与CLW之间的统计关系,初步推测在不同海域的局地海洋-大气相互作用中海面温度与当地云水的关系。1周资料的使用本文中采用的数据是由TMI提供的卫星观测资料。TMI卫星辐射计采用的通道为10.7GHz,可以透过云层观测SST,在资料的全面性和准确性上具有明显的优势。本文中采用的周资料为截至每周六的7d平均值,时间均按世界时计算。本文中使用的SST为每周7d的平均海温,单位℃。CLW为每周7d的平均云水量,单位mm。上述资料空间范围:纬度范围为40°S～40°N,经度范围为0°～360°,分辨率为0.25(°)×0.25(°),共1440×320个格点。资料时间范围:1999-01-06～2004-12-29,共313个时刻,其中缺测值不参与求SST与CLW气候态与相关系数的运算。2低空环流辐合形成了窄的对流云带图1是1999-01～2004-12气候平均意义下的CLW分布图。通过这张图可以看出整个热带地区的CLW场分布有以下特征:太平洋和大西洋赤道北部的热带辐合带(ITCZ)和南太平洋辐合带(SPCZ)是3个最明显的多云海域,与之对应的是相对暖的SST,这意味着在气候平均意义下,暖SST有利于低空大气辐合和对流的形成。在3个辐合带附近,低空气流的辐合形成了窄的对流云带。除了辐合带区多云区外,在东印度洋暖池和西太平洋暖池海域上空也存在对应的多云现象,这是高海温对应的强对流形成的对流云,该云与热带大气的30～60d季节内振荡有关。在海洋上升流较强的冷SST海域,气候平均的云水量也是最小的(见图1)。与同纬度其他海域相比,在东南太平洋80°W～90°W,10°S～20°S的区域的一块多云区,该云是位于东南太平洋上的层积云。与之相对应的是在北太平洋以120°W,20°N为中心的地方也有小块的云系。这两块多云区内均是在稳定大气中形成的层云,因为该云区位于SST<26°C的相对冷的海面上(见图1)。除热带外,在太平洋黑潮和大西洋湾流区的上空也存在较多的云,该海域在北半球冬季海温大于气温,海洋向大气加热对形成和加强温带气旋有利。比较SST与CLW的气候平均态图可以看出,一般说来,在热带海域,在SST较高,低空环流辐合强的地方,CLW值也比较大;海洋上升流附近的冷SST海域CLW值也比较小,也存在海温<26℃,但有层云相对较多的现象。3同步相关分析SST与CLW分别作为表征海洋变化和大气变化的重要物理量之一,他们之间在统计学上的相关关系在一定程度上反映局地的海洋-大气相互作用,成为推测在局地海洋-大气相互作用中是以海洋变化导致大气变化为主,还是大气变化导致海洋变化为主的重要依据。当扣除了季节变化信号后,得到了每个点上周平均的SST异常和CLW异常2个时间序列。如果在SST异常超前CLW异常或同期二者存在较密切的正相关关系,则可以初步断定该海域SST对局地的CLW有重要的控制作用:SST正(负)异常可以使对流加强(减弱)从而形成CLW正(负)异常;如果在SST异常滞后CLW异常或同期二者存在较密切的负相关关系,这表明该海域CLW对局地的SST有重要的控制作用:CLW的正(负)异常可以通过减少(增加)海面的短波辐射而使SST负(正)异常。有的海域两种情况都存在,但也有的海域因为海洋-大气相互作用过程较复杂,很难从周平均资料的异常时间序列的简单相关分析中得到该信息。依据以上讨论,用相关分析的方法可以初步推测在什么时间尺度上热带海洋的哪个海域SST的变化会导致局地大气的变化,哪个海域主要是大气变化引起SST变化。本文对全球热带海域各点扣除了季节变化和长期变化趋势的周平均SST异常和CLW异常资料,进行了相关分析。全球热带海域各点2个时间序列的同步相关系数的空间分布如图2所示。比较图1与图2,可以看出,在气候平均意义下SST高,云水多的海域(印-太暖池和太平洋ITCZ)两者同步相关系数并不一定非常大,在暖池最暖的海域相关系数较小。这是由于当海温大于某一临界值后,温度升高并不会引起对流发生。两者同步正相关的最大值(>0.4)位于赤道太平洋日界线附近的暖池与冷舌的交界处;另外,赤道东太平洋和赤道大西洋同步相关系数也较大(0.2～0.4),在赤道西印度洋也还存在一个相关系数>0.1的正相关海域。除上述正相关海域外,热带三大洋CLW与SST也会呈出同期负相关,最明显的是位于赤道外的西北太平洋暖水海域,东北太平洋冷水海域,东南太平洋层云覆盖区和赤道外南大西洋冷水海域。除了以上海域外,云水与SST同步相关系数都较小(<0.1)。该图表明,热带三大洋在赤道附近的大部分海域(赤道东印度洋除外),云水与SST为同期正相关,而在赤道外的部分海域两者的关系为负相关(赤道外的西北太平洋暖水海域4号区除外)。为了进一步分析二者之间关系,揭示各个海区局地海洋-大气相互作用的本质不同,特对上述几个同期正(负)相关系数较大的海域以及在东印度洋暖池区和西南印度洋温跃层上凸区专门进行讨论。这些特定区域的范围(见图2)和编号如表1所示。在表1中,编号1,2,9的3个海域,无论SST异常超前还是滞后CLW异常,二者之间的关系几乎全是正相关(见图3a),这3个海域的相关系数最大值都超过0.3。这表明,在这些海域SST与CLW之间存在强的正反馈过程,SST升高(降低)可以导致CLW的增加(减少),而CLW的增加(减少)也可以导致SST升高(降低)。该结果进一步证实了在这3个海域存在海洋-大气相互作用的正反馈机制(Bjerkness正反馈机制)。在1区,相关最大值出现在同期,这是由于赤道东太平洋温跃层最浅,局地海洋-大气相互作用的正反馈效应在同一周内就可以实现。在2和9区,当SST异常超前CLW异常1周时两者的相关系数最大,这表明这2个海域以SST变化影响云水变化为主。在这3个海域中SST异常与CLW异常关系最密切的是2号海域,将图1、图2进行比较可以看出,正因为该海域处于赤道西太平洋暖池的边缘(暖池与冷舌交界处),位于SST年际变化明显的Nino4区之中,再次证明了该海域海洋-大气相互作用中Bjerkness正反馈机制占主。与赤道东太平洋和赤道大西洋对应的赤道西印度洋(7区和8区)只在SST异常超前CLW异常一周时,相关系数最大超过0.3。7号海域正是印度洋温跃层最浅的“Dome”海域,该海域温跃层的变化会影响SST的变化,而8号海域位于赤道西印度洋,也是热带印度洋偶极子事件的关键区。尽管在西印度洋SST变化引起云水变化具体的大气物理过程目前还不是很清楚,但7区和8区SST异常超前CLW异常一周时二者正相关最大的统计关系,再次证实了偶极子事件形成机制中,海洋动力过程的重要作用。热带三大洋不仅有明显的海洋-大气相互作用正反馈作用的海域(1,2,9区),以及海洋SST变化引起大气(CLW)变化为主的海域(7,8区),还存在CLW的变化会导致SST变化的负相关区,尽管同期负相关系数的绝对值都不超过0.3。在选取的5个典型负相关区(3,4,5,6,10)区中3,4区海域同期负相关绝对值最大,其余3个区都是在SSTA滞后CLWA一周后,负相关关系最密切(见图3b)。这说明在这5个海区CLW对局地的SST有重要的控制作用:CLW的正(负)异常可以通过减少(增加)海面的短波辐射而使SST负(正)异常。3号海域是副热带东太平洋海域,该海域也是最近发现的太平洋季节变化尺度上北太平洋影响热带的一个重要的海洋-大气相互作用海域,也是热带太平洋“经向模”的主要形成区之一。该区的海洋大气相互作用则以CLW变化为主,当云水增多(减少)时,会引起海温变冷(增暖),文献对中纬度的海面气压、海面风与热带的SST跨季节的统计关系进行了讨论,并在分析SST时考虑了短波辐射的变化。但没有讨论本文中3区的局地云水与SST之间的关系。4号海区位于热带西北太平洋,是热带太平洋海-气相互作用的关键海区之一,该区的低空反气旋大气环流异常在ElNino向LaNina转换中起重要作用。在该海域SST异常与CLW异常之间负相关同期最大,意味着CLW负异常(云水较少)低空反气旋大气环流异常信号较强,到海面的短波辐射加强,局地SST增暖,反之亦然。该海区CLW的变化可能引起SST的变化,在前人研究该海域局地海洋-大气相互作用时没有讨论局地云水与SST的关系。5号海域是位于副热带东南太平洋的层云区,Xu指出:该区层云的次季节(Subseasonal)变化与智利西海岸以南海面上的反气旋环流的异常发展有密切的联系,是大气环流的变化(低层风的变化)导致云水的变化,从而引起SST的变化,而不是下垫面SST的变化引起云水的变化。5区的SST异常与CLW异常之间的超前、滞后3周内都为明显的负相关关系(见图3b),进一步证实了文献的结论:在以层云为主的赤道外东南太平洋,云水的异常导致SST的异常:当云水较多时(层云量较大),SST会出现冷异常,反之亦然。在局地海洋-大气相互作用中,该海区也是大气变化为主导。与5号海区相对应,位于赤道外南大西洋的10号海区是大西洋的冷水海区(见图1),在超前、滞后3周内SST异常与CLW异常之间都为明显的负相关关系(图3b中虚线)。海面风异常与SSTA之间的关系也是负相关:风速越大(小),SST越冷(暖)(文献Fig.1b)。本文的结果,也进一步证实了文献的结论:10号海区是大气变化影响SST的变化:CLW增多(减少)时,SST变冷(增暖)。在同步相关系数为负的海区中,位于赤道东印度洋暖池中的6区与前述几个海区不同,除了SST异常滞后CLW异常一周时负相关达到绝对值最大(-0.17)以外,在SST异常超前CLW异常1～3周时二者之间存在正相关关系(相关系数也达到0.15)。该现象说明在此海区既存在大气的云水增加(减少)引起SST的降低(升高)的负反馈作用,又存在SST降低(升高)引起云水减少(增加)的正反馈作用,这与该海域位于降水量较大,上升流较强的东印度洋暖池区有一定的关系。该结果表明,东印度洋暖池区与西太平洋暖池区,在海洋-大气相互作用中有某些差异。总之,一般说来热带三大洋赤道海域SST的变化为主导,该变化引起的大气对流变化,表现为云水的变化,两者的相关系数为正,但赤道东印度洋例外;赤道外海域,无论是冷水海域还是西北太平洋暖水海域,都是大气变化为主导,该变化导致的云水变化会影响SST,两者的相关系数为负,但西南印度洋温跃层最浅的海域除外。4云水和sst异常的关系通过对热带三大洋云水和SST异常变化之间的统计相关分析可得到以下结论:(1)在热带海域,在SST较高,低空环流辐合强的地方,CLW值也比较大;海洋上升流附近的冷SST海域CLW值也比较小;但是也存在海温<26℃,但有层云相对较多的现象。(2)热带三大洋不同海域海洋-大气相互作用的主要机制是不同的。对云水和SST异常之