春季Hadley 环流强度与我国东部地区夏季降水的联系

肖艳林，秦育婧，张润琼

(1.贵州省六盘水市气象局，贵州 六盘水 553001;2.南京信息工程大学大气科学学院，江苏 南京 210044)

1 引言

众所周知，Hadley 环流存在于热带地区的直接热力环流圈。叶笃正［1］等、Lorenz［2］等定义Hadley环流(Hadley cell)为:热带地区子午面(经圈平面)上达到行星尺度的直接热力环流圈。Hadley 环流由3 个部分组成:两个闭合环流圈和两闭合环流圈之间的公共上升支［1，3］。

到目前为止，前人对Hadley 环流进行了很多研究。周波涛［3］等指出，北半球冬季(冬季)Halley 环流增强趋势显著，而北半球夏季(简称夏季)不明显，并指出，在Hadley 环流的强度和位置都存在着明显的季节变化。Chen et al［4］指出，20 世纪90年代以来，Halley 环流的年平均有明显的增强趋势。冯然［5］等人发现北半球夏季Halley 环流存在显著的年代际转型。Zhou［6］等人指出，春季Hadley 环流变化可以引起印度洋和南海SST 异常，并且发现该异常从春季一直持续到夏季，反过来引起东亚夏季环流异常，从而影响到我国长江流域夏季降水。另外，周波涛等［7］还针对春季Hadley 环流异常偏强情形下，对东亚夏季大气环流和长江流域夏季降水进行了数值模拟，其结果表明当春季Hadley 环流异常偏强时，东亚夏季风减弱，夏季西太平洋副热带高压和南亚高压加强，从而影响我国夏季长江流域降水。总之，Hadley 环流与我国气候异常联系密切。

因此，本文分析研究Hadley 环流季节和强度变化特征、我国东部地区夏季降水的分布特征以及春季Hadley 环流与我国东部地区夏季降水之间的关系。

2 资料和方法

2.1 资料

①1983—2012年ERA－INTERIM的月平均资料，包括1 000 hPa、975 hPa、950 hPa、925 hPa、900 hPa、875 hPa、850 hPa、825 hPa 等37 个气压层风场(v分量)，水平分辨率均为1.5° ×1.5°;②由国家气候中心提供的我国160 个台站(1983—2012，6—8月)月平均降水资料。

2.2 方法

2.2.1 质量流函数法 从文献［2］中可以知道，Hadley 环流的质量流函数由下式之一定义:

式中，I是纬圈平均算符，a 为地球半径。

使用王盘兴［8］给出的叠加方案计算ψ 值，即所求质量流函数。

2.2.2 相关系数法 选取4月份北半球环流圈最大质量流函数作为Hadley 环流指数，与中国7月份(代表夏季)的降水场作相关关系场，从而得出春季Hadley 环流和我国东部地区(选取华南地区、长江流域地区、华北地区)夏季降水间的相关关系。

采用文献［9］中的方法，首先把资料进行标准化处理，即

rxy即为相关系数，其值在1 到－1 之间，当rxy为正时，则x 与y 正相关;当rxy为负时，则x 与y 为负相关。|rxy|越大，x 与y 之间的相关关系越密切。

采用文献［9］中的t 检验方法来判定两气候变量x 与y的线性相关是否显著的检验，由给定样本量n和相关系数rxy，统计量:

若统计量遵从自由度ν=n－2的t分布。给定显著性水平α，查t分布表，若t ＞tα，则拒绝原假设，认为相关系数是显著的。

3 Hadley 环流的特征

3.1 Hadley 环流的季节变化特征

图1分别为1月、4月、7月、10月Hadley 环流的气候态，代表四季的环流变化状况。可以看出Hadley 环流在一直控制在30°S—30°N 范围内。由北半球来看，Hadley 环流强度在春季时较强，到夏季大幅度的减弱，到秋季有所增强，至冬季时增至最强(以下的冬夏都是针对北半球来说的)，如此循环。而在南半球，7月强度增至最强，到1月达到最弱。即是，Hadley 环流在冬半年环流强度最强，在夏半年环流强度最弱。

图1 Hadley 环流气候态(1983—2012年平均)等值线表示质量流函数

由图中可以看出，Hadley 环流强度越强，则相应的环流的范围越大。Hadley 环流在季节变化的同时，其强度和范围也相应的在改变。此外，发现在平均状态下低纬地区上升气流整体偏北，其公共上升支的南北移动应该与太阳直射点的移动从而导致接收到的辐射的变化有关。Hadley 环流圈的顶部在100 hPa 以内。在低层区，环流圈的Hadley强度中心通常在700～600 hPa 之间。其公共上升支在赤道附近南北移动。整个圈环流圈从冬季到夏季都在向北移动，最北到达20°N 附近。冬季时环流上升支在10°S 附近，春季时移至赤道附近，夏季时移至最北(20°N)，秋季又向南移动，冬季到达最南端，以此往复，并且在低层形成越赤道气流。在高层，南北半球的Hadley 环流都分别向高纬输送，在南北纬30°附近下沉，其中一支沿赤道流回，形成热带地区的2 个闭合环流圈。即为Hadley 环流圈，另一支则向高纬流去。

3.2 北半球Hadley 环流强度的变化特征

图2(a)中可以看出，1月北半球Hadley 环流30a的强度指数幅度变化较大，年际变化明显，而其年代际变化不明显。故知，冬季北半球Hadley 环流强度具有明显的年际变化，年代际变化不明显。

图2(b)，4月北半球Hadley 环流强度较1月份的有所减弱。年际变化的幅度大，1983—1985年的强度降幅达近50 个强度指数值，1987年强度指数回升到140，1987—1995年期间Hadley 环流的年际变化较小，1997—2000年间年际变化最大。4月北半球Hadley 环流强度的年际变化十分明显，年代际变化基本表现为先减弱后增强的趋势，但不是很明显。

图2(c)，7月北半球的Hadley 环流强度极弱，强度值几乎都在35～60 之间。由北半球Hadley 环流强度时间序列图可知，1983—1996年北半球Hadley 环流强度的年际变化较大，1996—2001年年际变化加大，1997—1998年的年际变化在这30 a 中是最显著的，之后Hadley 环流年际变化幅度较小。

图2(d)，10月北半球Hadley 环流强度指数值在81～105 之间，从1983—1992年期间，Hadley 环流强度变化不大。从1992—1996年，Hadley 环流强度变化幅度极大，1992—1994年Hadley的强度指数年际变化稍小。1996—2006 这11 a 之间，Hadley 环流强度值一直在88 附近变化，变化幅度比1983—1992年的要大。2006—2008年Hadley 环流的强度变化是此30 a 中强度幅度变化最大的，之后到2012年Hadley 环流强度在强度值为99 上下小幅度变动。以上说明，10月Hadley 环流年际变化较大，年代际变化也较明显。

故知，在此30a 中Hadley 环流强度各季节年际变化较明显，而年代际变化在秋季较明显。

图2 北半球Hadley 环流最大质量流函数的时间序列图(1983—2012年)

4 我国东部华南、长江流域、华北地区夏季降水分布特征

由图3(a)可知，6月，我国东部地区的降水量从南至北逐渐减少，雨带在华南地区，华南地区降水量极大，最多降水量达300 mm，在华南地区有一个多雨中心，位于武夷山地区。长江流域的降水量约为150～200 mm，越靠近华南地区降水量越大，且东部降水偏多，西部降水偏少。

由图3(b)可知，7月，我国东部降水雨带北推，华南地区降水减弱，降水量约为200～250 mm，无多雨中心;长江流域降水增强，降水量约为200 mm;华北地区降水量增至100～150 mm。7月，雨带北推，华南降水开始减弱，长江流域与华北地区降水量都增强。

由图3(c)可知，8月，雨带继续北推，到达华北地区。华南地区降水减少，部分偏北地区出现伏旱现象;长江流域出现伏旱现象，降水量减少到100～150 mm;华北地区降水量小于7月份，降水量约为100 mm。

由图3(d)可知，夏季我国东部降水量从南至北逐渐减少。华南地区降水量约为600 mm，长江流域地区降水量为500～600 mm，华北东北地区降水量都约为300 mm。故知，我国夏季降水从南至北逐渐减少，并且随着时间的变化，雨带也随着变化，从6—8月，雨带由华南地区北推到长江流域，而后又被推至华北东北地区。

图3 6—8月及整个夏季我国降水分布图(1983—2012年)

5 春季Hadley 环流和我国东部地区夏季降水的联系

由图4 可以看出，春季北半球Hadley 环流强度与我国华南地区、长江流域和华北地区夏季降水的关系呈现出“负正负”的相关关系，其中，华南地区、长江流域偏西地区和华北地区都有相当一部分通过信度为0.05的t 检验(t = 1.7286)＞(tα =1.7011)。由分析知:北半球Hadley 环流强度偏强，则我国华南地区夏季降水偏少，长江流域夏季降水偏多，华北地区夏季降水偏少。

下面，选取北半球Hadley 环流最大质量流函数作为Hadley 环流强度指数。进一步分析Hadley 环流与我国东部地区夏季降水之间的联系。

由图5(a)知，Hadley 环流强度指数大年(1983、1987、1991、2001年)，7月份华南地区30 a 降水平均为150～200 mm;长江流域降水约为200～250 mm;华北地区降水为100 mm。而由本文第四节的内容知，7月份华南地区30 a 降水平均约为200～250 mm;长江流域降水平均约为200 mm;华北地区降水平均为100～150 mm。即是，春季Hadley 环流强度指数大年，我国华南地区夏季降水偏少，长江流域降水偏多，华北地区降水偏少。

图4 4月Hadley 环流指数与我国7月降水的相关分布图

由图5(b)知，Hadley 环流强度指数小年(1985、1996、1997、1999、2004年)，春季Hadley 环流强度指数小年，我国华南地区夏季降水偏多，长江流域降水偏少，华北地区降水偏多。

故而得知，春季Hadley 环流强时，我国夏季华南地区降水偏少，长江流域降水偏多，华北地区降水偏少，即是呈“－+－”的相关关系。

图5 强弱Hadley 环流年降水的合成图

6 结论

本文利用ERA－INTERIM 再分析资料及中国气象局提供的我国160 个台站夏季降水资料，利用相关性分析和合成分析的方法，得出以下结论:

①Hadley 环流强度存在明显的季节变化，其中北半球Hadley 环流在冬季最强，夏季最弱。南半球相反。并且Hadley 环流强度越强，则相应的环流的范围越大。Hadley 环流在季节变化的同时，其强度和范围也相应的改变。Hadley 公共上升支在赤道附近南北移动。整个圈环流圈从冬季到夏季都在向北移动。

②Hadley 环流强度各季节年际变化较明显，年代际变化在秋季较明显。

③春季Hadley 环流强度与我国华南地区、长江流域地区和华北地区夏季降水呈“负正负”的相关关系。

④利用合成分析春季北半球Hadley 环流强的年份，我国夏季华南地区降水偏少，长江流域降水偏多，华北地区降水偏少。与相关分析得出的结果一致。

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