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【浅度分析】为什么东太平洋和大西洋的ITCZ常年位于北半球?

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众所周知,南大西洋和东南太平洋是热带气旋频数极低(或没有)的“荒漠”,而当地更是没有出过出身于ITCZ(热带辐合带)内的热带气旋。如果我们用经向风为0的临界线,或者OLR极小值区代表热带辐合带的位置,我们发现这和东太平洋-大西洋一带ITCZ常年位于北半球。


图1、图2:气候平均态(1981-2010年)下,大西洋(60°W-0°E,图1)、东太平洋(140°W-80°W,图2)向外长波辐射(OLR)的经向-时间剖面图。


图3、图4:同图1-2,但为海表面经向风的气候态剖面。注意0线可认为是热带辐合带位置。
作为最直接的热力直接环流上升支区域(即对应Hadley环流上升支),ITCZ如同全球经向平均环流的“主对称轴”,似乎应该是围绕赤道这一接收短波辐射最强区域,而随着太阳直射点的周年变动而南北摆动。但在东太平洋和大西洋,热带辐合带虽然也有南北摆动,但却常年维持在北半球区域。这一现象早在17世纪便被发现,但直到20世纪末才有了一个被广泛接受的解释。


IP属地:河南1楼2016-11-18 01:23回复
    为了用物理机制解释这一问题,首先,我们需要做一些较为基本的概念解释。这些基本概念在机制中非常关键。
    1.大气平均的三圈环流,由极地-赤道热力场差异和地转偏向力(科氏力)共同引起,其中在地表附近便是著名的平均“三风四带”。

    2.Ekman漂流与Ekman输运:Ekman漂流是在海洋顶部一定深度内,由于海表面风应力作用、科氏力共同作用下的一种稳定的风漂流。它的流速随深度增加快速减小,方向则随深度增加逐渐右偏(北半球)/左偏(南半球)。

    Ekman漂流导致的海水输运称为Ekman输运,满足:

    其中为风应力,方向与海表面风向一致。这个式子表明,理想状态下Ekman输运只会指向海表面风垂直方向上输运,在北半球海水输运方向垂直于海表风向且位于风向右侧,南半球反之(位于左侧)。实际上,对于整个Ekman层进行受力分析,这样的结果可以视作风应力与科氏力平衡的产物。
    3.海洋上混合层温度倾向方程:一个诊断上混合层温度随时间变化的方程。

    其中方程左端代表海洋上混合层温度仅随时间的变化(局地变化),后面三项分别是辐射加热作用、平流作用项和垂直夹卷项。其中Qnet为净热通量,第二个方程即说明其包括了感热、潜热、短波与长波辐射。
    看起来BlaBla这么复杂,对于科普方面,只需要,某个区域海洋上混合层温度变化,由热量收支状况、平流作用和垂直运动引发。其中辐射状况包括从太阳获得的短波辐射,自身向大气/外太空的长波辐射,与大气之间热传导的感热和蒸发带走的潜热有关。由于上混合层内海水垂直温度梯度很小,也可以看做控制海表温度(SST)如何变化的方程。
    4.地形~南大西洋两岸的地形,当年还给魏格纳很大的启发呢。



    IP属地:河南2楼2016-11-18 01:26
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      那这样的海表面温度态势又决定了什么?也许最直接能想到的状况,就是:既然热带东太平洋/大西洋存在跨赤道海温不对称状况,那北半球海温高的地区能加热上空的大气,出现一个异常上升气流区并伴有低层辐合,而南半球海温低的地方对应出现异常下沉气流区并伴有低层辐散,形成了一个跨赤道的环流圈。这样热带辐合带这种低空辐合-盛行上升气流区域肯定偏向北半球了。
      这个想法本质上当然合理,但另一个问题随即而来:随着这样的环流建立,北半球高海温区肯定要有活跃的对流云,阻挡了海面接收太阳短波辐射的加热,这样持续下去较高的海温肯定会下降;而南半球低海温区在下沉气流控制下晴空万里,太阳辐射也会加热较冷的海表,让其有所增暖,最终导致海温南冷北暖的局面逐渐减弱,这样的环流也肯定无法维持。而且,这只是一个机制(被称作积云-SST负反馈);此外还有其他负反馈机制会削弱这样的海温分布。如此下去,又有什么作用维持赤道洋区这样的海温状态?


      IP属地:河南4楼2016-11-18 01:34
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        在1994年,谢尚平与Philander等人提出了风-蒸发-SST反馈机制。通过模拟实验与观测结果,最终证明了这个机制是赤道东太平洋和维持这种基础的海温分布并使得热带辐合带常年位于赤道以北的重要原因。
        这个机制如何解释了这一现象呢?首先,因为低纬度盛行的信风和当地海陆分布的地形,得到了热带东太平洋-大西洋基本的南(半球)低-北(半球)高海温分布(前文也提及这是这一现象形成的基础),这样北半球较暖洋区加热当地大气形成异常上升区,海平面气压场上出现一个异常低压;同理南半球较冷洋区,对应有异常下沉区域海平面气压场上的异常高压,并形成了一个跨赤道的环流圈。这样的地面气压场分布,会有一个跨赤道南风出现;而注意到低纬度较为微弱但仍然存在的地转偏向力(科氏力),它会导致这个跨赤道的南风在南半球部分向左偏,成为东南风;而在北半球的部分向右偏成为西南风。
        但此时也不要忘记了背景的风场——在三圈环流的背景下,北半球低纬度区域盛行东北信风而南半球低纬度盛行东南信风。在北半球,背景的东北信风和这个环流圈诱生的西南风叠加,效果是导致东北信风减弱;而南半球,背景的东南信风和新诱生的东南风叠加,显然是导致了东南风更强了。
        而一个很显然的事实是,风越强的洋区,风引起的海面蒸发也会越强。这样的情形在生活中也很常见——晾晒衣服时,相同的光照强度下显然是风大有利于晾晒更快。于是,南半球洋区的蒸发比北半球的蒸发更强了。而蒸发过程,显然是从海洋中带走热量——这部分热量正是蒸发后水蒸气蕴含的潜热。于是,南半球部分失去的潜热远多于北半球部分,上层海洋也将变得更冷,而北半球则相对变得更暖——这也是温度倾向方程带来的结论。
        如上文所言,初始的海温异常通过激发出异常风场,引起蒸发量改变,并导致海温进一步变化的物理机制,便是风-蒸发-SST机制(英文缩写为WES)。在赤道东太平洋和大西洋地区,这样的机制导致初始的南(半球)冷-北(半球)暖的状态进一步发展,表现为正反馈机制。


        按WES机制理论,东太平洋和大西洋地区热带辐合带能长期维持在赤道以北的主要成因如下:首先,大陆海岸走向与三圈环流下的盛行信风造就了当地北半球海温较高、南半球海温较低的初始状态,并因为这样的海温不对称分布形成了一个初始的异常环流圈,低空存在跨赤道的南风;随之,在WES机制作用下,这样的海温异常进一步发展,并与其它负反馈机制达到平衡,使得这一地区南(半球)冷-北(半球)暖的海温状态得以维持,从而通过热力作用支持下让热带辐合带常年维持在较暖的北半球。


        IP属地:河南本楼含有高级字体5楼2016-11-18 01:37
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          当然,WES机制并不是唯一能解释这样现象的理论。这里也简要介绍一下其他机制。
          前文所及,初始的南冷北暖的海温分布下,有异常的跨赤道南风。而这样的南风在赤道以南则是一个辐散状态,而在赤道以北则是辐合状态。由Ekman抽吸可知,这将导致赤道以南出现附加的海水上涌,对应有SST下降;而赤道以北海水有异常辐聚下沉,SST上升,导致南冷北暖的局面进一步强化维持。这便是越赤道流-上升支-SST正反馈机制。
          而另外一个机制是层云-SST正反馈机制。对于南半球部分较冷洋面,它使得当地近海表的大气温度较低,这样大气层结较为稳定(寒流区或寒暖流交汇区多海雾也是此原因),容易形成低空的层云并阻碍海表吸收太阳辐射,从而进一步导致其变冷,强化了这样的海温分布。

          图13 洋面总云量分布,其中东南太平洋和东南大西洋为具有明显冷却作用的层云
          ---------概括式总结---------
          当地海陆分布特点(海岸走向)和低空盛行风,造就了赤道东太平洋-大西洋海温南(半球)冷北(半球)暖的基础;而在这个基础上,WES、跨赤道风-上升流-SST、层云-SST这三大正反馈机制,让这样的海温分布进一步强化维持,并最终导致北半球部分海表更暖,盛行上升气流,热带辐合带也长期维持在北半球。


          IP属地:河南本楼含有高级字体6楼2016-11-18 01:41
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            正文完
            参考文献:
            [1] 刘秦玉,谢尚平,郑小童著.热带海洋-大气相互作用[M].2013,北京:大气科学出版社.
            [2] Ekman, V. W.On the influence of the Earth's rotation on ocean currents[J]. 1905,Arch. Math.Astron. Phys., 2, 1-52.
            [3]XieS.P.,S.G.H.Philander. A coupled Ocean-atmosphere model of relevance to the ITCZin the eastern Pacific[J].Tellus,1994,46A:340-350.
            [4]S.G.H.Philander,D.Gu,D.Halpern,G.Lambert,N.C.Lau,TLi,and R.C.Pacanowski. Why the ITCZ is mostly north of the equator[J].Journalof Climate,9(12):2958-2972.
            [5]Kalnay et al.,The NCEP/NCAR 40-yearreanalysis project, Bull. Amer. Meteor. Soc., 1996,77:437-470
            [6]N.A. Rayner, D. E. Parker, E. B. Horton, C. K. Folland, L. V. Alexander, and D.P. Rowell,E. C. Kent,A.Kaplan. A Global analyses of sea surface temperature, sea ice, and night marineair temperature since the late nineteenth century[J]. Geophys.Res,2003,108(14):D4407


            IP属地:河南7楼2016-11-18 01:41
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              最后有一个很小的思考题:
              平均气候态下,Niño3区(150°W-90°W,5°S-5°N)的SST在什么时候达到最高?
              A.3月B.6月 C.9月 D.12月 E.A&C;F.B&D
              看上去和内容无关啊?、
              但实际上完全可以由文中提到的机制解释


              IP属地:河南8楼2016-11-18 01:43
              收起回复
                可怕 百度吞了我一个公式
                在热平衡方程下面解释Qnet一项的方程为:


                IP属地:河南9楼2016-11-18 01:50
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                  半夜更新收益颇丰,感觉难度恰到好处,十分感谢


                  IP属地:天津来自Android客户端10楼2016-11-18 04:00
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                    支持


                    IP属地:四川来自手机贴吧12楼2016-11-18 07:03
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                      IP属地:湖南来自Android客户端13楼2016-11-18 07:07
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                        拜学霸


                        IP属地:广东来自Android客户端14楼2016-11-18 07:51
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                          拜学霸


                          IP属地:江西来自Android客户端15楼2016-11-18 08:03
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                            膜拜學霸


                            IP属地:中国台湾来自Android客户端17楼2016-11-18 08:21
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                              膜拜(bobo跪拜图)


                              IP属地:阿根廷来自Android客户端18楼2016-11-18 09:42
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