地面以下虚假经向风场对非洲地区局地Hadley环流的影响

成剑波，左冬冬，颜鹏程

(1.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃 兰州 730020；2.甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃 兰州 730020；3.盐城工学院环境科学与工程学院，江苏 盐城 224051；4.盐城工学院数理学院，江苏 盐城 224051)

引 言

由于地球受到的太阳辐射不均匀，因此会形成一个在热带地区上升、副热带地区下沉的Hadley环流(Hadley circulation，HC)[1-2]。HC是季风系统的基本成员之一，它与风带、西风急流、大尺度涡旋和槽脊密切相关。HC在低纬度和中高纬度之间的能量、质量、角动量、水汽以及其他变量的传输和交换中也起着重要作用。由于副热带干旱区域与HC下沉支紧密相连，HC下沉支的经向移动会导致降水和温度的分布发生改变，进一步对自然生态系统、农业生产和水资源分布有重要影响。因此，HC对全球天气和气候系统的平均状态以及演变特征至关重要[3-4]。

近几十年来，HC强度有所加强[5-15]，如副热带地区向上传播的长波辐射有所增加，表明热带垂直环流，特别是HC在过去几十年呈增强趋势[5,10]；低纬度地区水汽增加和副热带地区水汽减少意味着低纬度HC上升支和副热带HC下沉支增强[7]；除了全球纬向平均HC，非洲、印度洋、西太平洋、东太平洋、美洲以及大西洋地区局地HC也均表现为增强[9]。季节平均结果显示，北半球冬季HC有明显增强趋势[6,11-12]，而夏季HC强度变化很小[12-13]。关于HC宽度的变化，有研究采用不同的定义方法[16]，包括经向质量流函数(mass stream function，MSF)、对流层顶高度、平流层臭氧、长波辐射、副热带急流、海平面气压和降水，均发现HC宽度向两极明显扩张，意味着副热带干旱区域向两极扩展。

部分再分析资料和模式模拟的经向风存在于1000 hPa至大气顶部，由于世界各地都存在陆地和海洋，部分地区的地面气压低于1000 hPa，因此，这些地区对应的对流层底部经向风实际不存在，是虚假的外插数据，这些在实际中不存在的经向风就是地面以下虚假经向风场(fake below-ground meridional wind，FBGMW)[17]。在近期研究中，CHENG等[17]指出当利用MSF来研究HC时，FBGMW对北半球夏季HC有重要影响，会使北半球夏季HC强度和宽度的线性趋势发生改变。需要指出的是，CHENG等[17]仅研究了FBGMW对全球纬向平均HC的影响，但不同区域FBGMW存在很大差异，导致FBGMW对不同区域HC有不同影响，因此FBGMW对局地HC的影响还需进一步研究。本文旨在分析FBGMW对非洲大陆地区HC(HC in Africa，AFHC)气候态、年际变率和线性趋势的影响，以期能够更准确地描述AFHC的变化特征以及非洲大陆地区干旱半干旱区域向两极扩展的程度。

1 资料与方法

1.1 资 料

为消除资料对研究的影响，选取CFSR及其扩展版CFSR2(简称“CFSR”)[18-19]、ERA-Interim[20]、ERA5[21]、JRA-55[22]、MERRA2[23]、NCEP/DOE[24]和NCEP/NCAR[25]等7套再分析资料的月平均水平风场和地面气压，其中ERA-Interim资料起止时间为1980年1月至2018年12月，其他6套资料起止时间均为1980年1月至2019年12月。为保持一致，所有数据均被插值到2.5°×2.5°的水平网格上，垂直方向选取与NCEP/NCAR资料相同的17层(1000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10 hPa)。

1.2 计算MSF的两种方法

为研究FBGMW对AFHC的影响，采用SCHWENDIKE等[26]提出的热带地区垂直翻转环流分解方法(简称“M1”)和HU等[27-29]提出的全球大气环流三型分解方法(简称“M2”)计算MSF。图1为1980—2019年冬季JRA-55资料基于M1和M2方法的500 hPa经向环流和纬向环流的垂直速度。可以看出，两种方法均可将垂直速度拆分为两部分，分别对应经向环流和纬向环流，也就是ω=ωH+ωW，因此采用这两种方法可以更准确地描述经向环流和纬向环流。M1和M2方法对应的描述AFHC的MSF计算公式[17,27]如下：

(1)

图1 1980—2019年冬季JRA-55资料基于M1(a、c)和M2(b、d)方法的500 hPa经向环流(a、b)和纬向环流(c、d)的垂直速度(单位：Pa·s-1)(紫色框表示AFHC所在区域，下同)Fig.1 The vertical velocity of the meridional circulation (a, b) and the zonal circulation (c, d) on 500 hPa caculated by using M1 (a, c) and M2 (b, d) methods based on the JRA-55 data sets in winter during 1980-2019 (Unit: Pa·s-1)(The purple box represents the region of AFHC, the same as below)

1.3 AFHC的选取

图2为1980—2019年四季JRA-55资料的地面气压全球分布气候态。图3为1980—2019年四季JRA-55资料基于M1和M2方法的1000 hPa FBGMW全球分布气候态。可以看出，全球大部分陆地地区和南极地区地面气压均小于1000 hPa，对应的1000 hPa FBGMW也主要存在于陆地和南极地区。从图3可以看出，FBGMW主要存在于非洲大陆地区、北半球欧亚大陆地区和北美洲大陆地区、南半球澳大利亚地区和南美洲大陆地区，但仅在非洲大陆地区南北半球FBGMW均明显存在。因此，为同时研究FBGMW对同一区域南北半球HC的影响，选取非洲大陆地区的HC作为研究对象，并定义10°E—40°E纬向平均HC为AFHC。

图2 1980—2019年冬季(a)、春季(b)、夏季(c)和秋季(d)基于JRA-55资料的地面气压全球分布气候态(单位：hPa)Fig.2 Global distribution of mean state of surface pressure in winter (a), spring (b), summer (c) and autumn (d) based on the JRA-55 data sets during 1980-2019 (Unit: hPa)

图3 1980—2019年JRA-55资料基于M1(a、b、c、d)和M2(e、f、g、h)方法的冬季(a、e)、春季(b、f)、夏季(c、g)和秋季(d、h)1000 hPa FBGMW全球分布气候态(单位：m·s-1)Fig.3 Global distribution of mean state of the FBGMW on 1000 hPa caculated by using M1 (a, b, c, d)and M2 (e, f, g, h) methods based on the JRA-55 data sets in winter (a, e), spring (b, f), summer (c, g) and autumn (d, h) during 1980-2019 (Unit: m·s-1)

1.4 AFHC强度、上升支位置和下沉支位置的定义

由于AFHC是一个垂直的大尺度环流，因此将北半球AFHC强度(AFHC intensity，AFHCI)定义为0°—40°N范围内850～300 hPa各层等压面上MSF极大值的垂直平均值。南半球AFHCI的定义和北半球类似，但为0°—40°S范围内MSF极小值的垂直平均值。和AFHCI的定义类似，采用某一层等压面MSF为0的纬度定义AFHC公共上升支位置不准确，所以采用15°S—15°N范围内850～300 hPa垂直平均MSF为0的位置定义AFHC公共上升支。北半球AFHC下沉支位置和南半球AFHC下沉支位置的定义和AFHC公共上升支定义类似，但分别为15°N—45°N范围和15°S—45°S范围内850～300 hPa垂直平均MSF为0的位置。

2 FBGMW对AFHC气候态的影响

图4为1980—2019年不同季节7套再分析资料平均基于M1和M2方法的不考虑FBGMW和考虑FBGMW情况下AFHC气候态的差异。可以看出，FBGMW对南北半球各季节的AFHC气候态都有一定影响，且M1和M2方法对应的FBGMW引起的误差不同。2种方法均表明不考虑FBGMW会导致北半球AFHC偏强。对于南半球AFHC，2种方法存在差异，特别是夏季；对于M1方法，不考虑FBGMW会导致南半球冬季、春季和秋季AFHC偏弱，夏季AFHC偏强；对于M2方法，不考虑FBGMW会导致南半球四季AFHC均偏弱。

图4 1980—2019年冬季(a、e)、春季(b、f)、夏季(c、g)和秋季(d、h)7套再分析资料平均基于M1(a、b、c、d)和M2(e、f、g、h)方法的不考虑FBGMW和考虑FBGMW情况下AFHC气候态的差异(单位：0.5×109 kg·s-1)(黑色等值线表示考虑FBGMW情况下AFHC的气候态)Fig.4 The difference between the mean state of AFHC considering and no-considering FBGMW caculated by using M1 (a, b, c, d) and M2 (e, f, g, h) methods based on the mean data of seven reanalysis data sets in winter (a, e), spring (b, f), summer (c, g) and autumn (d, h) during 1980-2019 (Unit: 0.5×109 kg·s-1)(The black contours represent the mean state of the AFHC considering FBGMW)

从图4(g)可以发现，M2对应的北半球夏季AFHC下沉支主要在500 hPa以下，并且部分年份下沉支位置很难确定，因此，之后研究不包含M2方法对应的北半球夏季AFHC下沉支。图5为1980—2019年不同季节7套再分析资料基于M1和M2方法的AFHCI气候态。可以看出，不考虑FBGMW会导致2种方法对应的北半球AFHC均偏强，并且冬季AFHC偏强最明显。7套资料平均而言，对于M1方法，不考虑FBGMW会导致北半球冬季、春季、夏季、秋季AFHCI分别从18.2×109、12.5×109、10.8×109、8.4×109kg·s-1增强到20.4×109、13.4×109、11.5×109、9.7×109kg·s-1；对于M2方法，会导致北半球冬、春、夏、秋季AFHCI分别从21.6×109、13.1×109、19.2×109、12.9×109kg·s-1增强到23.2×109、13.8×109、19.6×109、13.8×109kg·s-1。基于M1和M2方法的南半球AFHCI存在差异，其中利用M1方法不考虑FBGMW会导致四季AFHCI均偏弱，但M2方法对应的AFHCI偏弱比M1方法更明显。7套资料平均而言，对于M1方法，不考虑FBGMW会导致南半球冬、春、夏、秋季AFHCI分别从-4.8×109、-11.6×109、-22.6×109、-10.8×109kg·s-1减弱到-4.5×109、-11.4×109、-22.5×109、-10.5×109kg·s-1；对于M2方法，会导致南半球冬、春、夏、秋季AFHCI分别从-6.7×109、-15×109、-23.2×109、-12×109kg·s-1减弱到-6.5×109、-13.3×109、-22.8×109、-10.7×109kg·s-1。

图5 1980—2019年不同季节7套再分析资料基于M1(a、c)和M2(b、d)方法的北半球(a、b)和南半球(c、d)考虑FBGMW(彩色直方图)和不考虑FBGMW(斜线填充的彩色直方图)情况下AFHCI气候态Fig.5 Mean state of the AFHCI considering (color histogram) and no-considering (color histogram filled with oblique lines) FBGMW in the Northern Hemisphere (a, b) and Southern Hemisphere (c, d) caculated by using M1 (a, c) and M2 (b, d) methods based on seven reanalysis data sets in different seasons during 1980-2019

图6为1980—2019年不同季节7套再分析资料基于M1和M2方法的AFHC北半球下沉支位置、公共上升支位置和南半球下沉支位置气候态。可以看出，M1和M2方法对应的不考虑FBGMW导致AFHC北半球下沉支位置、公共上升支位置和南半球下沉支位置的误差存在一定的差异。其中，误差为正值(负值)代表不考虑FBGMW会导致AFHC北半球下沉支位置、公共上升支位置和南半球下沉支位置偏北(偏南)。不考虑FBGMW会导致2种方法对应的各季节AFHC北半球下沉支位置更偏北，但M2方法对应不同资料的结果之间的差异比M1方法小。7套资料平均而言，对于M1方法，不考虑FBGMW会导致冬、春、夏、秋季AFHC北半球下沉支位置分别从26.1°N、27.8°N、31.7°N、27.2°N偏北到26.5°N、28.1°N、31.8°N、27.5°N；对于M2方法，会导致冬、春、秋季AFHC北半球下沉支位置分别从29.5°N、32.3°N、35.3°N偏北到29.7°N、32.8°N、36.0°N。不考虑FBGMW会导致2种方法对应的冬季AFHC公共上升支位置更偏南，而其他季节AFHC公共上升支位置更偏北。7套资料平均而言，对于M1方法，不考虑FBGMW会导致冬季AFHC公共上升支位置从13.8°S偏南到14.5°S，会导致春、夏、秋季AFHC公共上升支位置分别从4.1°N、16.0°N、4.9°N偏北到5.3°N、16.6°N、5.9°N；对于M2方法，会导致冬季AFHC公共上升支位置从12.9°S偏南到14.3°S，而会导致春、夏、秋季AFHC公共上升支位置分别从3.3°N、10.3°N、2.9°N偏北到4.1°N、11.7°N、3.0°N。不考虑FBGMW会导致M1方法对应的冬季和秋季AFHC南半球下沉支位置更偏南，而对春季和夏季AFHC南半球下沉支位置影响较小；会导致M2方法对应的夏季和秋季AFHC南半球下沉支位置更偏北，而对冬季和春季AFHC南半球下沉支位置影响较小。7套资料平均而言，对于M1方法，不考虑FBGMW会导致冬季和秋季的AFHC南半球下沉支位置分别从29.2°S、25.5°S偏南到30.0°S、26.6°S；对于M2方法，会导致夏季和秋季的AFHC南半球下沉支位置分别从30.1°S、41.3°S偏北到30.0°S、40.7°S。综上所述，不同资料的结果还存在一定的差异，但大部分资料结果和7套再分析资料平均结果一致。

图6 1980—2019年不同季节7套再分析资料基于M1(a、c、e)和M2(b、d、f)方法的考虑FBGMW(彩色直方图)和不考虑FBGMW(斜线填充的彩色直方图)情况下AFHC北半球下沉支位置(a、b)、公共上升支位置(c、d)和南半球下沉支位置(e、f)气候态Fig.6 Mean state of the location of the sinking branch in the Northern Hemisphere (a, b), common rising branch (c, d), and sinking branch in the Southern Hemisphere (e, f) of the AFHC considering (color histogram) and no-considering (color histogram filled with oblique lines) FBGMW caculated by using M1 (a, c, e) and M2 (b, d, f) methods based on seven reanalysis data sets in different seasons during 1980-2019

3 FBGMW对AFHC年际变率的影响

不考虑FBGMW和考虑FBGMW的AFHC强度、AFHC公共上升支位置和南北半球下沉支位置的相关系数均超过0.8，都通过α=0.05的显著性检验，且绝大部分相关系数均达到0.95以上(图略)。除了公共上升支位置，不考虑FBGMW和考虑FBGMW情况下南北半球AFHC强度、AFHC下沉支位置的标准差之比非常接近1(图略)，说明除了公共上升支位置，不考虑FBGMW对南北半球AFHC强度、AFHC下沉支位置年际变率的影响很小。图7为1980—2019年不同季节7套再分析资料基于M1和M2方法的不考虑FBGMW和考虑FBGMW情况下AFHC公共上升支位置的标准差之比。可以看出，不考虑FBGMW会使M1方法对应的冬季和夏季以及M2方法对应的冬季AFHC公共上升支位置年际变率减小，使M1和M2方法对应的秋季AFHC公共上升支位置年际变率增加。不考虑FBGMW导致M1方法对应的春季和M2方法对应的春季和夏季AFHC公共上升支年际变率的变化依赖于资料的选取。

图7 1980—2019年不同季节7套再分析资料基于M1(a)和M2(b)方法的不考虑FBGMW和考虑FBGMW情况下AFHC公共上升支位置的标准差之比Fig.7 Standard deviation ratio between the location of the common rising branch of AFHC considering and no-considering FBGMW caculated by using M1 (a) and M2 (b) methods based on seven reanalysis data sets in different seasons during 1980-2019

4 FBGMW对AFHC线性趋势的影响

图8为1980—2019年不同季节7套再分析资料平均的基于M1和M2方法的不考虑FBGMW和考虑FBGMW情况下北半球和南半球AFHCI的线性趋势。可以看出，尽管不考虑FBGMW会导致AFHCI线性趋势的数值发生变化，但关于AFHCI线性趋势的主要结论并没有发生改变。考虑和不考虑FBGMW，各个季节北半球AFHCI均表现为减弱趋势。对于M1方法，不考虑FBGMW会导致北半球冬、春、夏、秋季AFHCI的线性趋势从-0.21×109、-0.21×109、-0.4×109、-0.45×109kg·s-1·(10 a)-1变为-0.3×109、-0.19×109、-0.43×109、-0.53×109kg·s-1·(10 a)-1[图8(a)]；对于M2方法，不考虑FBGMW会导致北半球冬、春、夏、秋季AFHCI的线性趋势从-0.3×109、-0.04×109、-0.65×109、-0.79×109kg·s-1·(10 a)-1变为-0.4×109、-0.03×109、-0.64×109、-0.84×109kg·s-1·(10 a)-1[图8(b)]。考虑FBGMW前后，春季和夏季南半球AFHCI表现为增强趋势，秋季表现为减弱趋势，冬季没有明显变化趋势。对于M1方法，不考虑FBGMW会导致南半球冬、春、夏、秋季AFHCI的线性趋势从0.01×109、0.3×109、0.16×109、-0.28×109kg·s-1·(10 a)-1变为0.02×109、0.27×109、0.14×109、-0.24×109kg·s-1·(10 a)-1[图8(c)]；对于M2方法，不考虑FBGMW导致南半球冬、春、夏、秋季AFHCI的线性趋势从-0.01×109、0.12×109、0.15×109、-0.31×109kg·s-1·(10 a)-1变为0.04×109、0.25×109、0.14×109、-0.22×109kg·s-1·(10 a)-1[图8(d)]。

图8 1980—2019年不同季节7套再分析资料平均的基于M1(a、c)和M2(b、d)方法的考虑FBGMW和不考虑FBGMW情况下的北半球(a、b)和南半球(c、d)AFHCI的线性趋势(斜线填充的彩色直方图通过α=0.05的显著性检验，下同)Fig.8 Linear trends of the AFHCI in the Northern Hemisphere (a, b) and the Southern Hemisphere (c, d) considering and no-considering FBGMW caculated by using M1 (a, c) and M2 (b, d) methods based on the mean data set of seven reanalysis data sets in different seasons during 1980-2019(The color histogram filled with oblique lines passed the significance test at 0.05, the same as below)

图9为1980—2019年不同季节7套再分析资料平均的基于M1和M2方法的不考虑FBGMW和考虑FBGMW情况下的AFHC北半球下沉支位置、公共上升支位置和南半球下沉支位置的线性趋势。可以发现，对于M1方法，考虑FBGMW前后，春季AFHC北半球下沉支位置均表现为向南收缩的趋势，夏季和秋季均表现为向北扩张趋势，而冬季没有明显变化趋势[图9(a)]。对于M2方法，考虑FBGMW前后，春季和秋季AFHC北半球下沉支位置均表现为向南收缩趋势，而冬季均没有明显变化趋势[图9(b)]。对于M1方法，不考虑FBGMW会导致春、夏、秋季AFHC北半球下沉支位置的线性趋势分别从-0.16°、0.04°、0.14°(10 a)-1变为-0.12°、0.06°、0.16°(10 a)-1；对于M2方法，会导致春季和秋季AFHC北半球下沉支位置的线性趋势从-0.33°、-0.63°(10 a)-1变为-0.25°、-0.78°(10 a)-1。考虑FBGMW前后，冬季和春季AFHC公共上升支均表现为向南移动趋势，而夏季和秋季均表现为向北移动趋势。对于M1方法，不考虑FBGMW会导致冬、春、夏、秋季AFHC公共上升支的线性趋势分别从-0.13°、-0.28°、0.60°、0.04°(10 a)-1变为-0.12°、-0.24°、0.38°、0.07°(10 a)-1[图9(c)]；对于M2方法，会导致冬、春、夏、秋季AFHC公共上升支的线性趋势分别从-0.21°、-0.35°、0.38°、0.05°(10 a)-1变为-0.27°、-0.36°、0.42°、0.05°(10 a)-1[图9(d)]。对于M1方法，考虑FBGMW前后，AFHC南半球下沉支位置均表现为向南扩张的趋势[图9(e)]。对于M2方法，考虑FBGMW前后，夏季AFHC南半球下沉支位置均表现为向北收缩趋势，而其他季节均表现为向南扩张趋势[图9(f)]。对于M1方法，不考虑FBGMW会导致冬、春、夏、秋季AFHC南半球下沉支位置的线性趋势分别从-0.58°、-0.08°、-0.10°、-0.72°(10 a)-1变为-0.62°、-0.06°、-0.10°、-0.71°(10 a)-1；对于M2方法，不考虑FBGMW会导致冬、春、夏、秋季AFHC南半球下沉支位置的线性趋势分别从-0.19°、-0.27°、0.14°、-0.89°(10 a)-1变为-0.25°、-0.18°、0.15°、-1.26°(10 a)-1。

图9 1980—2019年不同季节7套再分析资料平均的基于M1(a、c、e)和M2(b、d、f)方法的考虑FBGMW和不考虑FBGMW情况下的AFHC北半球下沉支位置(a、b)、公共上升支位置(c、d)和南半球下沉支位置(e、f)的线性趋势Fig.9 Linear trends of the location of the sinking branch in the Northern Hemisphere (a, b), common rising branch (c, d), and sinking branch in the Southern Hemisphere (e, f) of the AFHC considering and no-considering FBGMW caculated by using M1 (a, c, e) and M2 (b, d, f) methods based on the mean data set of seven reanalysis data sets in different seasons during 1980-2019

5 结 论

(1)对于气候态而言，FBGMW对AFHC强度、AFHC公共上升支和南北半球下沉支的影响取决于季节和质量流函数计算方法的选取。

(2)除了公共上升支，FBGMW对南北半球AFHC强度、南北半球AFHC下沉支位置年际变率的影响很小。不考虑FBGMW会使M1方法对应的冬季和夏季以及M2方法对应的冬季AFHC公共上升支年际变率减小，M1和M2方法对应的秋季AFHC公共上升支年际变率增加。不考虑FBGMW导致M1方法对应的春季和M2方法对应的春季和夏季AFHC公共上升支年际变率的变化依赖于资料的选取。

(3)尽管不考虑FBGMW会导致AFHC强度以及AFHC公共上升支和南北半球下沉支位置线性趋势的数值发生变化，但关于AFHC线性趋势的主要结论未改变。