李力锋 陈雄 李崇银 , 2 黎鑫 杨明浩
1 国防科技大学气象海洋学院，长沙 410073
2 中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029
MJO（Madden–Julian Oscillation）是热带大气季节内变化最显著的信号（Madden and Julian, 1971,1972），在天气和气候之间起着桥梁作用，对全球天气和气候变化及异常都有着重要作用。自MJO发现以来，许多研究表明，全球都存在着30～90 d的准周期振荡，称之为大气季节内振荡（Intraseasonal Oscillation, ISO），后来一般将热带赤道附近东传的ISO称为MJO。关于ISO的活动特征、物理机制及影响作用等都得到了广泛而深入的研究，Zhang（2013）和Li（2014）对ISO研究的最新进展作了总结。
ISO的活动以纬向东传为主，尤其是在北半球冬季（Madden and Julian, 1971, 1972）；
而夏季在印度洋和太平洋季风区存在显著的北传（Lau and Chan, 1986; Liu et al., 2016）。ISO 空间尺度以纬向1波为主，在对流层上下层具有反位相的“斜压”结构特征和明显的年际以及年代际变化特征（李崇银, 2000）。积云对流加热反馈作用是ISO发生发展的重要机制之一（Li, 1985, 1993; Lau and Peng,1987; Li et al., 2002），积云对流加热反馈改变了热带大气层结，从而减弱热带大气的Kelvin波和Rossby波的相速以接近观测到的ISO移动速度（Li et al., 2002）。ISO 活动特征存在显著的地区差异，ISO的强度在东半球强于西半球，ISO的传播速度在东半球较西半球偏慢（Madden and Julian,1994; Salby and Hendon, 1994）， 这 种 东 西 半 球ISO活动特征的差异与东西半球平均的大气环流状态的差 异 密切相关 （ Salby and Hendon, 1994）。ISO主要活跃于热带西太平洋和热带印度洋，对流层中上层在热带中东太平洋的活动也非常显著（李崇银, 2000; 董敏等, 2004; 陈雄等, 2015）。研究表明：相对于中高纬大气显著的年变化而言，热带大气季节内振荡的年际变化更显著，而年变化则相对不明显（Li and Li, 1997; 李崇银等, 2003）。随季节的变化，ISO活动中心有明显的南北移动，北半球冬季主要活动中心位于南半球，夏季位于北半球，春秋季主要在赤道地区（Salby and Hendon, 1994;董敏等, 2004），且ISO活动中心随季节显著的南北移动主要发生在西太平洋地区，而在东太平洋地区并无明显的季节性移动（董敏等, 2004），这与大气、海洋的基本热力和动力状态的季节变化有关，尤其是与暖池、赤道辐合带和与赤道辐合带相对应的边界层湿静力能的季节变化相关（Li and Wang,1994; Zhang and Dong, 2004）。
Hendon et al.（1999）指出北半球冬季 MJO 的活动存在显著的年际变化，这和冬季MJO活跃次数以及印度洋和西太平洋地区季节内对流的活动变化是密切相关的，而和SST的关系则相对较弱；
李崇银和周亚萍（1994）以及 Li and Smith（1995）的资料分析和数值模拟已经指出MJO与ENSO存在着相互作用；
Chen et al.（2015）的进一步研究表明在El Niño年冬季赤道西太平洋地区MJO活动会显著减弱，这说明MJO和ENSO的关系还存在季节和地区依赖性（Hendon et al., 2007）。董敏等（2004）、陈兴跃等（2000）指出了热带大气季节内振荡在20世纪70年代存在着年代际变化，70年代之前MJO年际变化振幅较小，强度偏弱；
70年代之后年际变化振幅较大，强度偏强。
ISO的活动对全球天气气候都有着重要的影响，和许多地区天气气候的异常都有着紧密的联系。例如，亚澳夏季风的爆发、中断及降水的多寡（ Yang and Li, 2003; Zhang et al., 2009; Zhang,2013）；
雨雪冰冻天气、极端降水事件的发生（Jones et al., 2004; Jeong et al., 2005; 吴俊杰等,2009）；
ENSO 循环（Hendon et al., 2007; Marshall et al., 2009）；
热带气旋的生成、移动和登陆（何洁琳等, 2013）。因此，对ISO活动变化基本特征的研究不仅有利于准确掌握ISO的本质特征及其影响作用，同时对提高ISO的数值模拟和预报能力都有着重要作用。Chen et al.（2017）指出了 ISO在印度洋和太平洋都存在活动中心，那么各个中心ISO的活动变化特征是否存在差异呢？当ISO活跃于印度洋和太平洋时，它的空间结构及分布特征是否有着明显的差异呢？本文将针对这些问题做进一步的研究。
本文所用的资料主要有：NCEP/NCAR逐日再分析资料，主要包括水平风场、垂直速度场、温度、比湿以及位势高度等，该资料水平分辨率为2.5°（纬度）×2.5°（经度） （Kalnay et al., 1996），使用时段为1948年1月1日到2017年12月31日；
美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Research，NOAA）提供的逐日向外长波辐射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）资料 （Liebmann and Smith, 1996），该资料水平分辨率为2.5°（纬度）×2.5°（经度），使用时段为1979年1月1日到2017年12月31日。
各物理量的距平值通过去除其气候平均值得到，各物理量的ISO信号通过30～90 d Lanczos带通滤波得到（Duchon, 1979）。本文研究的夏季是6～8月，冬季是12月至次年2月。为了表示ISO活动强度，对滤波后的850 hPa纬向风求3个月滑动标准差，得到的结果定义为ISO强度，值越大表示ISO越强。为了方便研究ISO的传播，将印度洋和西太平洋平均的ISO OLR分别定义为印度洋和西太平洋的逐日ISO指数，通过将印度洋和西太平洋ISO指数来回归相关变量，来分析ISO的传播特征。
3.1 ISO活动强度的空间分布
图1给出了1949～2016年夏季和冬季平均的850 hPa上ISO纬向风强度及其年际标准差。从图中可以清楚地看到：夏季ISO主要活跃于北半球阿拉伯海（A）、孟加拉湾（A）、南海（C）和菲律宾以东的西太平洋地区（D）（图1a），同时这些地区也是ISO年际变化最强的区域（图1c）。此外，夏季ISO在赤道东印度洋（B）和东太平洋地区（E）也有较强的活动和较强的年际变化。冬季ISO主要活跃于南半球东印度洋（B）、澳大利亚以北（C）和赤道中太平洋地区（E），而在新几内亚岛以北（D）和马达加斯加岛东北地区（A）也有较强的ISO活动，上述地区也是冬季ISO活动年际变化较强的区域，这与前人的研究结果是一致的（Chen et al., 2017）。
图1 1949～2016年（a、c）夏季和（b、d）冬季ISO强度（a、b）年平均和（c、d）年际标准差。图中矩形区域为文中定义ISO强度指数所使用的区域Fig.1 (a, b) Intensity and (c, d) annual standard deviation of ISO (intraseasonal oscillation) averaged in (a, c) summer and (b, d) winter from 1949 to 2016.The rectangular region in the figure is the area used to define the ISO strength index in this paper
图2给出了ISO活动强度年较差（年内月最大值减去最小值），ISO活动较强的区域也是ISO活动年变化最大的区域。较强的ISO活动强度年变化主要位于15°N的阿拉伯海到西太平洋一带和10°S附近西印度洋到中太平洋地区。这些地区ISO强度年变化强度都达到ISO平均强度的60%以上，部分地区甚至超过ISO活动的平均强度。图3进一步给出了印度洋和西太平洋地区ISO强度的纬度—时间演变图。从图中可以看到，ISO活动的位置在4月和10月存在明显的跳跃。4～10月ISO主要活跃于5°N～15°N，而在10月到次年4月ISO主要活跃于5°S～15°S。随着季节变化，ISO活动中心并不是缓慢地南北移动，而是以跳跃突变的形式在南北半球之间转换，并且西太平洋地区的ISO活动中心南北跳跃的纬距较印度洋地区偏大。另外，无论是冬季还是夏季，西太平洋地区的ISO活动强度较印度洋地区都偏强。
图2 1949～2016 年平均 ISO 强度（a）年较差（黑色等值线为1.2 m s−1）及其（b）占年平均值的比例（黑色等值线为0.6）Fig.2 (a) Annual amplitudes of ISO intensity and (b) their proportion to the annual mean value from 1949 to 2016.The black contour line is 1.2 m s−1 in (a) and 0.6 in (b)
图3 1949～2016 年平均（a）印度洋（70°E～90°E）和（b）西太平洋（120°E～140°E）区域平均的ISO强度的纬度—时间演变。黑色等值线为2.1 m s−1，黑色虚线为ISO活动强度中心所在位置Fig.3 Latitude –time distribution of ISO intensity averaged over(a) the Indian Ocean (65°E –95°E) and (b) the western Pacific(105°E–145°E) from 1949 to 2016.The black contour line is 2.1 m s−1,and the dotted black line is the center of ISO activity intensity
3.2 ISO活动强度的年内变化
为了进一步对比分析ISO不同活动中心的变化特征，综合考虑ISO强度和年际变化特征，在夏季和冬季分别选取5个区域（图1中矩形框区域，具体范围见表1）进行深入对比研究。图4给出了冬、夏季5个ISO活动中心强度的逐月变化情况。对于夏季ISO的活动中心，北印度洋地区ISO强度在7月最强，3月最弱；
南海和西太平洋地区ISO活动在8月达到最强，3月最弱；
东太平洋地区ISO活动强度在9月最强，1月最弱。赤道东印度洋地区ISO活动中心强度最强在4月最强，而在2月和9月均较弱。对于冬季ISO活动中心，马达加斯加岛东北、赤道东印度洋、澳大利亚以北地区ISO活动强度在2月最强，9月最弱；
新几内亚岛以北地区ISO活动强度在11月最强，3月最弱；
而赤道中太平洋地ISO活动强度在1月最强，8月最弱。可见，尽管ISO活动中心ISO的活动强度存在较强的年较差，但是这些区域ISO强度达到最强和最弱的时间是不一样的。
图4 1949～2016 年平均（a）夏季和（b）冬季 ISO 活动中心逐月的 ISO 强度（单位：m s−1）Fig.4 Monthly ISO intensity (m s−1) of ISO activity centers in (a)summer and (b) winter from 1949 to 2016
表1 夏季和冬季的ISO活动中心的区域Table 1 Areas of ISO activity centers in summer and w inter
3.3 ISO活动强度的年际变化
前面分析了ISO活动的气候态及年变化特征，那么ISO活动又具有怎样的年际变化特征呢？在印度洋和太平洋地区是否有着显著的差异呢？图5和图6分别给出夏季和冬季5个ISO活动中心ISO强度的年际变化特征。可以看到，每个区域ISO的活动都存在明显的年际和年代际变化，并且在20世纪80年代ISO的活动存在明显的年代际转折。进一步分析1959～1979年和1986～2016年两个时段ISO活动强度的线性趋势发现：夏季，在20世纪80年代以前，所有活动中心区域ISO活动强度都存在明显的线性增强的趋势，尤其是赤道东印度洋、西太平洋和东太平洋地区；
而在20世纪80年代之后，线性增强趋势并不明显，在赤道东印度洋和东太平洋地区甚至出现了线性减弱的趋势，尤其是赤道东太平洋地区。在北印度洋和南海地区，尽管ISO变化趋势在20世纪80年代前后都是线性增强，但是在20世纪80年代期间，ISO活动强度存在明显的减弱。冬季，在马达加斯加岛东北地区ISO活动在20世纪80年代之前存在显著的线性加强，而在20世纪80年代之后线性减弱；
赤道东印度洋地区，尽管在20世纪80年代前后都是一致的线性减弱趋势，但是在20世纪80年代初有明显的突变性的增强；
在澳大利亚以北地区，20世纪80年代之前是显著的线性增强，而20世纪80年代之后，线性增强趋势减缓；
在新几内亚岛以北地区，ISO活动强度存在线性减弱趋势，但不显著；
在赤道中太平洋地区，20世纪80年代以前是较强的显著的线性增强，而在20世纪80年代之后存在线性减弱的趋势。表2给出了20世纪80年代前后夏季和冬季ISO活动中心强度的变化趋势。
表2 夏季和冬季不同区域ISO活动中心强度的线性趋势Table 2 Linear trend of ISO activity center intensity in s ummer and winter at different periodsm s−1 （10 a）−1
图5 1949～2016 年夏季（a）A 区域（黑色）和 B 区域（紫色）、（b）C区域（蓝色）和D区域（绿色）、（c）E区域（红色）平均的ISO强度的年际变化及其线性趋势（图中直线）Fig.5 Interannual variation in ISO intensity averaged over (a) area A(black) and area B (purple), (b) area C (blue) and area D (green), and (c)area E (red) and its linear trend (straight line in the figure) in summer from 1949 to 2016
图6 同图5，但为冬季Fig.6 Same as Fig.5 but in winter
4.1 夏季ISO的经向传播
冬季ISO传播主要表现为沿赤道从印度洋向中东太平洋地区的东传；
夏季ISO东传减弱，在印度洋和西太平洋季风区存在显著的北传。图7给出了夏季印度洋和西太平洋ISO指数回归的ISOOLR。可以看到，印度洋0°～15°S地区存在明显的向南传播，赤道以北存在明显的北传（图7a、7c）；
而在西太平洋地区只有向北的传播（图7b、7d）。从强度上看，赤道地区ISO的强度在印度洋较强；
而在赤道以外15°N附近，西太平洋地区的ISO偏强（图7c、7d）。从传播速度上看，印度洋地区ISO的北传速度较西太平洋地区稍偏快（图7a、7b），这可能和赤道以外西太平洋地区较强的ISO对流活动有关，因为较强的积云对流加热将减弱ISO的传播速度。
图7 夏季（a、c）印度洋和（b、d）西太平洋 ISO 指数超前滞后回归的 ISO OLR 纬度—时间剖面：（a、c）70°E～90°E 平均 ISO OLR；
（b、d）120°E～140°E 平均 ISO OLR。ISO 指数平均的区域分别是：（a）（5°S～10°N，70°E～90°E），（b）（5°S～10°N，120°E～140°E），（c）（10°N～20°N，70°E～90°E），（d）（10°N～20°N，120°E～140°E）。黑色实线表示经向传播速度为 1°/d。打点表示通过0.1显著性检验Fig.7 ISO OLR (W m−2) averaged over the (a, c) 70°E–90°E and (b, d) 120°E–140°E lag regressed onto (a, c) the Indian Ocean and (b, d) western Pacific ISO index in summer, respectively.The average regions of ISO index (a to d) are as follows: (5°S –10°N, 70°E –90°E), (5°S –10°N,120°E–140°E), (10°N–20°N, 70°E–90°E), (10°N–20°N, 120°E–140°E).The solid black line indicates a meridional velocity of 1°/d.The stipplings indicate the results pass the 0.1 significance test
图8给出了夏季印度洋和西太平洋ISO指数回归的各物理变量的垂直分布特征。可以看到，对于经向风而言，在印度洋地区对流层低层存在明显的辐散，上层是较强的北风异常；
西太平洋地区对流层底层是南风异常，而上层是较强的北风异常。从850 hPa水平风场（图9）上也可以看到：在西太平洋地区有较强的气旋式涡旋异常；
而印度洋地区气旋式环流强度较西太平洋偏弱，主要是纬向风场的辐合。同时从OLR的异常场上可以看到，OLR负异常中心位于菲律宾以东的西太平洋时，在赤道东印度洋地区有较强的OLR正异常中心（图9b），这就使得这两个活动中心的ISO年际变化密切相关。对于位势高度，在西太平洋地区存在较强的位势高度异常，对流层低层是负异常，上层是正异常，并且位势高度负异常中心较ISO对流中心偏北；
而印度洋地区位势高度异常较弱，且整层都是位势高度负异常。对于温度异常，在西太平洋地区对流层中层存在较强的温度正异常，而印度洋地区温度异常非常弱。在ISO对流中心存在较强的上升运动，尤其是西太平洋地区。水汽异常有向南倾斜的特征，且强度在西太平洋明显偏强；
在ISO对流北侧，对流层底层有较强的水汽正异常，尤其是西太平洋地区，这将有利于ISO的向北传播。此外，印度洋地区在15°S附近也有水汽的正异常和异常的上升运动，这是和印度洋地区向南传播的ISO密切相关的。
图9 夏季（a）印度洋（5°N～15°N，70°E～90°E）和（b）西太平洋（5°N～15°N, 120°E～140°E）ISO 指数回归的 850 hPa 水平风场（矢量，单位：m s−1）和OLR（阴影，单位：W m−2）。黑色箭头和打点表示通过0.1显著性检验的风场和OLRFig.9 Horizontal wind (vector, units: m s−1) at 850 hPa and OLR (shadow, units: W m−2) regressed onto the ISO index of (a) the Indian Ocean(5°N–15°N, 70°E–90°E) and (b) western Pacific (5°N–15°N, 120°E–140°E) in summer.The black arrows and stipplings indicate the wind field and OLR that pass the 0.1 significance test, respectively
4.2 冬季ISO的纬向传播
图10是冬季印度洋和西太平洋ISO指数回归的ISO OLR。可以看到，ISO有明显的东传。ISO先在印度洋生成，接着减弱东传至海洋性大陆地区，然后加强东传至西太平洋，最后减弱东传至中太平洋消亡。ISO的生命周期约为40～50 d。
图10 冬季（a）印度洋（10°S～10°N，70°～90°E）和（b）西太平洋（10°S～10°N，120°E～140°E）ISO 指数超前滞后回归的 10°S～10°N平均的ISO OLR。打点表示通过0.1显著性检验Fig.10 ISO OLR averaged over the 10°S–10°N lag regressed onto the ISO index of (a) the Indian Ocean (10°S–10°N, 70°E–90°E) and (b) western Pacific (10°S–10°N, 120°E–140°E) in winter.The stipplings indicate that the results pass the 0.1 significance test
图11给出了冬季印度洋和西太平洋ISO指数回归的各物理量场的空间垂直分布。可以看到，在对流层低层印度洋地区ISO东风异常较西风异常偏强，而西太平洋地区ISO西风异常较东风异常偏强。850 hPa上水平风场异常（图12）表明，当ISO活跃于西太平洋时在西风异常南北两侧各存在一气旋式涡旋，且南侧的强度偏强；
而当ISO活跃于印度洋时，西风北侧的气旋式涡旋并不明显。此外，当ISO活跃于印度洋时中国大陆南部是南风异常，而当ISO活跃于西太平洋时是较强的北风异常，这反映了ISO和东亚冬季风在季节内时间尺度上的关系，同时这也会影响中国冬季的降水。当ISO活跃于印度洋和西太平洋时，位势高度负异常都表现出明显西倾的特征；
而温度异常的西倾特征并不明显，在对流层中层都有温度正异常，强度在ISO活跃于西太平洋时偏强；
当ISO活跃于印度洋时对流层底层也有较强的温度正异常。ISO对流中心附近都是较强的上升运动和水汽正异常，但是强度在西太平洋地区偏强。
图11 冬季印度洋（左侧）（10°S～ 10°N，70°E～90°E）和西太平洋（右侧）（10°S～10°N，120°E～140°E）ISO 指数回归的10°S～10°N 平均的各物理量的垂直剖面：（a、b）纬向风（单位：m s−1）；
（c、d）位势高度（单位：gpm）；
（e、f）温度（单位：K）；
（g、h）垂直速度（单位：10−2 Pa s−1）；
（i、j）比湿（单位：10−1 g kg−1）；
（k、l）OLR（单位：W m−2）。打点表示通过 0.1 显著性检验Fig.11 Vertical profile of each physical variable averaged over 10°S–10°N regressed onto the Indian Ocean (left column) (10°S–10°N, 70°–90°E)and western Pacific (right column) (10°S–10°N, 120°–140°E) ISO index in winter, respectively: (a, b) zonal wind (m s−1); (c, d) geopotential height(gpm); (e, f) temperature (K); (g, h) vertical velocity (10−2 Pa s−1); (i, j) specific humidity (10−1 g kg−1); (k, l) OLR (W m−2).The stipplings indicate that the results pass the 0.1 significance test
图12 冬季（a）印度洋（10°S～10°N，70°E～90°E）和（b）西太平洋（10°S～10°N，120°E～140°E）ISO 指数回归的 850 hPa风场（矢量，单位：m s−1）和OLR（阴影，单位：W m−2）。黑色箭头和打点表示通过0.1显著性检验的风场和OLRFig.12 Horizontal wind (vector, units: m s−1) at 850 hPa and OLR (shadow, units: W m−2) regressed onto the ISO index of (a) the Indian Ocean(10°S–10°N, 70°E–90°E) and (b)western Pacific (10°S–10°N, 120°E–140°E) in winter.The black arrows and stipplings indicate the wind field and OLR that pass the 0.1 significance test, respectively
基于再分析资料，本文对冬夏季印度洋和太平洋地区ISO的活动变化特征进行了深入细致的对比研究，主要得到以下结论：
印度洋和西太平洋地区ISO活动中心在4月和10月存在明显的季节性跳跃，4月从15°S附近向北跳跃到15°N附近，10月从15°N附近向南跳跃到15°S附近，并且ISO在西太平洋地区活动中心位置南北跳跃的距离较印度洋偏大。ISO较强的活动中心既是ISO活动年际变化最强的区域，也是ISO强度年较差最大的地区，并且各个活动中心强度达到最强和最弱的时间存在明显的差异。
ISO活动存在显著的年际和年代际变化，并且在20世纪80年代存在一个明显的转折。夏季，所有ISO活动中心的ISO活动强度在20世纪80年代之前都有明显的线性增强的趋势，而在80年代之后增强趋势减弱，甚至出现线性减弱趋势。冬季，马达加斯加岛东北地区和中太平洋ISO在20世纪80年代之前存在显著的线性增强趋势，而在80年代之后是线性减弱；
东印度洋和新几内亚岛北部地区ISO的线性趋势尽管在20世纪80年代前后没有改变，但是ISO的强度在20世纪80年代存在一个明显的跳跃；
而澳大利亚北部地区ISO在20世纪80年代前后都是线性增强的。
夏季印度洋和西太平洋地区ISO都存在较强的北传，并且ISO在西太平洋地区北传的速度较印度洋偏慢；
同时，在印度洋赤道以南地区ISO存在明显的向南传播。赤道地区印度洋ISO强度较强，而赤道以外地区西太平洋ISO强度较强。冬夏季，当ISO活跃于印度洋和西太平洋时，ISO的空间分布和垂直结构特征都有着明显的差异。例如，夏季西太平洋ISO活跃时，位势高度和温度都有较强的异常，而印度洋没有此特征。