ISSN 1004-4965

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赤道辐合带月平均位置的能量约束研究

黄炜充 赵树云 马馨宇 王五科 邓琪敏

黄炜充, 赵树云, 马馨宇, 王五科, 邓琪敏. 赤道辐合带月平均位置的能量约束研究[J]. 热带气象学报, 2025, 41(3): 440-454. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.038
引用本文: 黄炜充, 赵树云, 马馨宇, 王五科, 邓琪敏. 赤道辐合带月平均位置的能量约束研究[J]. 热带气象学报, 2025, 41(3): 440-454. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.038
HUANG Weichong, ZHAO Shuyun, MA Xinyu, WANG Wuke, DENG Qimin. Energetic Constraints on the Monthly Mean Position of the Intertropical Convergence Zone[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2025, 41(3): 440-454. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.038
Citation: HUANG Weichong, ZHAO Shuyun, MA Xinyu, WANG Wuke, DENG Qimin. Energetic Constraints on the Monthly Mean Position of the Intertropical Convergence Zone[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2025, 41(3): 440-454. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.038

赤道辐合带月平均位置的能量约束研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2025.038
基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 42005128

中国气象局流域强降水重点开放实验室 2023BHR-Y28

国家自然科学基金 42075055

详细信息
    通讯作者:

    赵树云,女,河南省人,副教授,主要从事气溶胶气候效应、热带和夏季降水研究。E-mail:zhaosy@cug.edu.cn

  • 中图分类号: P458.121

Energetic Constraints on the Monthly Mean Position of the Intertropical Convergence Zone

  • 摘要: 当前,不少研究提出在能量框架下理解赤道辐合带(ITCZ)的南北位置及移动。能量通量赤道(EFE)是能量框架下用于指示ITCZ位置的指标。已有研究发现,在年平均尺度上,EFE与ITCZ能很好地匹配,但在月尺度上情况如何,尚缺乏深入讨论。利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的第五代再分析资料(ERA5)计算了1979—2021年逐月的ITCZ和EFE位置,并探讨了二者在月平均上的匹配关系。在计算ITCZ和EFE位置时,既采用了已有的计算方法,也提出了改进的方法。结果发现,在气候态月平均上,ITCZ与EFE在印度洋和海洋性大陆上匹配效果好,而在太平洋上较差,但新的EFE算法能在一定程度上改善太平洋上二者的匹配情况。在典型年份月平均(超强El Ni?o事件)中,ITCZ发生显著的南北位置异常,EFE能在一定程度上指示ITCZ的异常。通过ITCZ与EFE在不同月份和经度上的长期相关分析发现,二者在部分区域和月份具有显著的线性相关关系。结合850 hPa辐散风场、能量通量垂直积分辐散分量场,发现ITCZ与EFE在印度洋和海洋性大陆上匹配效果好的直接原因在于850 hPa环流的辐合位置(代表ITCZ)与能量通量的辐散位置(代表EFE)对应关系很好,而在太平洋上二者的位置有一定距离。结论说明,在月尺度上EFE在一定条件下可用于指示ITCZ的位置、季节变化和年际变化,即能量框架对研究ITCZ位置及其南北摆动具有一定的适用性,具体适用与否受到EFE算法、研究区域和季节的影响。

     

  • 图  1  不同经度范围内的气候年平均经向能量通量垂直积分随纬度分布

    a~f分别代表全经度、印度洋(40~100 °E)、海洋性大陆(80~140 °E)、西太平洋(150 °E~170 °W)、中太平洋(170~110 °W)、东太平洋(110~80 °W)。图中黄色三角形标示位置为Fy递增零点,蓝色矩形标示位置为$\partial$Fy/$\partial$y正极大值点,红色圆形标示位置同时为Fy递增零点和$\partial$Fy/$\partial$y正极大值点,这些位置的查找仅考虑30 °N~30 °S范围内。

    图  2  四种ITCZ算法结果与ITCZ降水带

    a~l分别为1—12月的月平均气候态。紫、红、黑、黄线分别代表ITCZ-cent、ITCZ-max、ITCZ-cen1和ITCZ-cdf算法的结果,填色表示降水量(单位:mm·d-1)。

    图  3  不同算法计算的1950—2021年月平均ITCZ位置(单位:°)的年内变化琴状图(已去除年际趋势)

    a~f分别为全经度、印度洋(40~100 °E)、中东印度洋和海洋性大陆(80~140 °E)、西太平洋(150 °E~170 °W)、中太平洋(170~110 °W)、东太平洋(110~80 °W)上的平均结果。红线表示中位数,绿线表示上下四分位数,琴宽度表示概率密度大小。

    图  4  不同算法计算的1950—2021年月平均ITCZ位置相对于其气候态月平均的异常(单位:°)的琴状图

    a~f分别为全经度、印度洋(40~100 °E)、中东印度洋和海洋性大陆(80~140 °E)、西太平洋(150 °E~170 °W)、中太平洋(170~110 °W)、东太平洋(110~80 °W)上的平均结果。红线表示中位数,绿线表示上下四分位数,琴宽度表示概率密度大小。

    图  5  纬圈平均上气候月平均EFE与ITCZ位置的逐月变化(单位:°)

    红、黄线分别表示通过ITCZ-cen1和ITCZ-cdf算法得到的ITCZ位置逐月变化,黑点表示EFE位置,填色表示范围内的平均降水(单位:mm·d-1)。(a)~(d)分别显示通过EFE1~EFE4四种算法得出的EFE位置。

    图  6  中东印度洋和海洋性大陆上(80~140 °E)气候月平均EFE与ITCZ位置的逐月变化(单位:°)

    红、黄线分别表示通过ITCZ-cen1和ITCZ-cdf算法得到的ITCZ位置逐月变化,黑点表示EFE位置,填色表示范围内的平均降水(单位:mm·d-1)。a~d分别显示通过EFE1~EFE4四种算法得出的EFE位置。

    图  7  西太平洋上(150~190 °E)气候月平均EFE与ITCZ位置的逐月变化(单位:°)

    红、黄线分别表示通过ITCZ-cen1和ITCZ-cdf算法得到的ITCZ位置逐月变化,黑点表示EFE位置,填色表示范围内的平均降水(单位:mm·d-1)。a~d分别显示通过EFE1~EFE4四种算法得出的EFE位置。

    图  8  1982/1983年超强El Niño事件期间中东印度洋和海洋性大陆上(80~140 °E)ITCZ和EFE位置的逐月变化情况(已去掉1979—2021年气候月平均)

    蓝、红线分别表示通过ITCZ-cen1和ITCZ-cdf算法得到的ITCZ位置异常逐月变化,黑点表示EFE位置异常,填色表示范围内的平均降水异常(单位:mm·d-1)。a~d分别显示通过EFE1~EFE4四种算法得出的EFE位置异常。R为通过两种ITCZ算法得出的ITCZ位置异常分别与EFE位置异常的逐月变化的相关系数,带星号表示通过α=0.05的显著性检验,文本颜色与代表ITCZ的实线颜色对应,计算相关系数时剔除了离群的EFE点(纬度异常超过20 °,位于图中绿色虚线以外)。

    图  9  1997/1998年超强El Niño事件期间中东印度洋和海洋性大陆上(80~140 °E)ITCZ和EFE位置的逐月变化情况(已去掉1979—2021年气候月平均)

    蓝、红线分别表示通过ITCZ-cen1和ITCZ-cdf算法得到的ITCZ位置异常逐月变化,黑点表示EFE位置异常,填色表示范围内的平均降水异常(单位:mm·d-1。a~d分别显示通过EFE1~EFE4四种算法得出的EFE位置异常。R为通过两种ITCZ算法得出的ITCZ位置异常分别与EFE位置异常的逐月变化的相关系数,带星号表示通过α=0.05的显著性检验,文本颜色与代表ITCZ的实线颜色对应,计算相关系数时剔除了离群的EFE点(纬度异常超过20 °,位于图中绿色虚线以外)。

    图  10  ITCZ-cen1(a、b)、ITCZ-cdf(c、d)与EFE1(a、c)、EFE4(b、d)在不同经度、月份上的1979—2021年年际上的相关系数

    仅显示通过α=0.05的显著性检验的部分。计算相关系数所使用的EFE与ITCZ的时间序列均去除了长期线性趋势。

    图  11  1979—2021年气候态月平均850 hPa辐散风场和垂直积分的能量通量辐散分量场与ITCZ和EFE1分别在1月(a、b)和7月(c、d)的匹配情况

    蓝色箭头表示850 hPa风场,橙色箭头表示垂直积分的能量通量场,黑色线表示EFE1,红、黄线分别表示ITCZ-cen1、ITCZ-cdf,绿色和红色方框分别标出了ITCZ与EFE匹配关系最好和最差的大致范围。

    表  1  EFE位置算法

    算法 使用数据 判定方法
    EFE1 能量通量垂直积分的辐散分量Fχ Fy递增零点
    EFE2 能量通量垂直积分的辐散分量Fχ $\partial$Fy/$\partial$y正极大值点
    EFE3 能量通量垂直积分F $\partial$Fy/$\partial$y正极大值点
    EFE4 能量通量垂直积分F Fy递增零点
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-21
  • 修回日期:  2025-03-28
  • 网络出版日期:  2025-07-06
  • 刊出日期:  2025-06-20

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