1 引言
哈德莱环流（Hadley Circulation， HC）是英国物理学家、 气象学家乔治·哈德莱在1753年提出， 即由于太阳对地球的不均匀加热使赤道到南北纬30°范围内产生了一个经向环流圈， 即为HC（Bjerknes， 1966； Hadley， 1735）。这个环流圈的形成是因为赤道上空的空气受热上升释放潜热并在副热带地区下沉， 于是在南北两个半球各形成了一个闭合的环流圈（Held and Hou， 1980）。HC就像一条传输带连接了赤道以及副热带地区， 进行着动量、 能量、 热量等物质的交换（Hou， 1998； Lindzen， 1994）。同时， 它还包括着将副热带的水汽汇聚至热带的输送过程（Diaz and Bradley， 2004）。因此， HC对全球气候有着重要的影响（Huang et al， 2019）， 例如影响全球的降水分布、 温室气体、 平流层臭氧（Son et al， 2010）以及亚热带地区的干旱等（Hu et al， 2019； Lu et al， 2007）。
近些年对HC特征的研究主要包括两个部分： HC强度与范围（Liu et al， 2012）。人们利用不同数据集对不同时期进行研究发现， 自20世纪50年代以来， HC的强度一直在增强（Hu et al， 2005； Ma and Li， 2007， 2008）， 且在过去几十年中冬季HC有显著的增长趋势（Mitas and Clement， 2006； Quan et al， 2004 ）。这一HC增强的结论在北半球春季、 夏季中也可以得到证实（Feng et al， 2013， Tanaka et al， 2004）。Frierson et al （2007） 使用模式分析发现全球平均温度以及经向温度梯度的增加使得HC的范围扩大， Fu et al （2006）发现由于中纬度对流层的变暖增强， 使得HC中流向两极的副热带急流增强从而导致HC的范围扩大。Guo and Li（2016）发现由于ENSO事件的影响， 在南半球的涡动通量散度较小， 同时海温的经向梯度主导了HC范围的变化。Lu et al （2007） 以及Johanson and Fu （2009）利用不同的模式进行数值模拟也同样发现HC的范围在向两极扩张。
正是因为HC是一个直接的热力环流圈， 海表面温度（Sea Surface Temperature， SST）的变化会对HC产生影响。国内外一些学者对SST与HC之间的关系研究中一部分关注与SST的经向结构， 经过研究发现： 热带SST的潜热和感热驱动了HC的垂直运动， SST的经向梯度与HC的低纬经向风保持一致， 并通过调节大气边界层的辐合过程和热力的结构来影响辐合上升的位置和强度进而影响HC（Feng et al， 2013， 2016， 2017； Gong et al， 2015）。另一部分则主要关注SST的异常增暖（降温）对HC的强度与范围的影响， 尤其是热带SST对HC的影响研究中发现： 热带SST的变暖可以确定赤道辐合带的位置， 而这正是HC上升支的位置（Hou and Lindzen， 1992）； 同时， HC的异常下沉也可以通过引起地面湿度的变化反过来引起副热带的SST异常（Chikamoto et al， 2010）。Oort and Yienger（1996）发现HC的强度与热带东太平洋（Eastern Pacific Ocean， EP）的SST表现为正相关。Feng et al （2011）发现位于热带大西洋和印太暖池的SST强增温趋势对夏季HC的变化起到重要的作用。ENSO （El Niño-Southern Oscillation）是低纬度海气相互作用的现象， 他会通过激发不同的机制进而带来降水的变化（庞铁舒等， 2020； 郑建萌等， 2021）； 同时它的发生所带来的赤道东太平洋 SST的变化对全球环流尤其是热带的大气环流密切相关。早前的研究发现： 在El Niño事件期间， 热带大气在所有经度上都变暖， 两个半球中位于副热带地区的急流加强， 这使得HC强度也增强（Seager et al， 2003）； 当ENSO处于中性或者冷位相时， HC的强度比ENSO处于暖位相时更强（Stachnik and Schumacher， 2011）； 当在El Niño处于成熟期时， 西太平洋（Western Pacific Ocean， WP）的异常HC与EP的异常HC存在相反的环流（Wang， 2002）； 同时， ENSO事件主要通过驱动HC主要模态反映的结构来改变HC的强度（Guo et al， 2016； Guo and Tan， 2018）， 而ENSO事件对于不同区域的SST能给HC所带来的影响也有所不同， 例如Wang（2004）在对ENSO处于暖位相的研究中发现， EP和大西洋的HC减弱而WP的HC增强； 此外， 位于赤道印度洋（Tropical Indian Ocean， TIO）和WP的SST对整体长期的SST变化也有着重要的贡献。这一地区SST的长期变暖也被认为是调节季节SST长期变化的一个重要因素（Feng and Li， 2013）。因此， 上述的研究工作表明热带SST的变化确实会对HC产生影响。
尽管人们已经认识到了HC对气候的重要性， 并关注了全球HC的长期趋势， 但是由于陆地、 海洋和地形的分布不均， 不同地区的区域HC的变化也会有所不同（Chen et al， 2014）。而亚洲季风区是发生在世界上对流活动最强、 潜热释放最大、 含水量最大以及季风区面积最大的地区（何静等， 2021）， 位于此区域内的TIO受到ENSO事件的影响， 并且会对北半球春季区域HC也带来一定的影响（Schott et al， 2009； Wang et al， 2020）。并进而对区域气候产生重大的影响（Freitas et al， 2017； Zhang and Wang， 2013）。例如， Han et al （2010）的研究发现变暖引起的印度洋区域的HC和沃克环流的增强会对亚洲澳大利亚、 印度尼西亚洪水、 非洲干旱以及北大西洋涛动产生了深远的影响。以上发现的结论在不同的数据集中表现出一致的结果（Huang et al， 2021）。
因此， 虽然人们关注到了区域HC对气候的重要影响， 但对其不同季节的差异以及主要模态研究较少， 尤其对于秋季。而秋季为ENSO事件的发展期（Haylock and Mcbride， 2001； Zhang et al， 1999）， 且在热带印度洋具有明显的ENSO信号并带来异常的大气环流（李东辉等， 2006； Yu et al， 2021）。那么在秋季， 东亚季风区HC的特征及其与赤道太平洋和印度洋海温异常之间的联系如何？就成为本文关注的科学问题。本文将利用哈德莱中心海表面温度以及NCEP再分析数据， 分析研究1979-2020年亚洲季风区内秋季HC的变化特征以及它与热带SST之间的关系， 试图找出影响秋季区域HC主要模态的海温异常特征， 以期为加深HC的形成机制的认识提供参考。
2 资料来源与方法介绍
2.1 资料来源
采用的资料包括： （1）英国气象局哈德莱中心海冰和海面温度数据集（HadISST）提供的月平均海表面温度数据， 覆盖时段为1979 -2020年， 研究区域为亚洲季风区（40°S -40°N， 30°E -160°E）， 分辨率为1°×1°。（2）NCEP/NCAR月平均风场资料 （覆盖时段与研究区域同1）， 分辨率为2.5°×2.5°， 垂直方向1000~10 hPa共17层。（3）Niño 3指数定义为（150°W -90°W， 5°S -5°N）区域平均海温距平， 来源于https： //www.esrl.noaa.gov/psd/gcos_wgsp/Timeseries /Data/nino3.long.anom.data.
文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS（2016）2950的标准地图制作， 底图无修改。
2.2 方法介绍
HC区域质量流函数（Regional mass stream function， RMSF） 计算方法如下：
在一般情况下， 水平速度 可以分为无辐散和无旋两个部分的速度之和。
式中： 是无辐散的（旋转风）； 是无旋转的（辐散风）； 和 分别是流函数和速度势。HC主要由风场的辐合辐散形成， 只考虑无旋转项。
写成分量形式为：
RMSF计算方法如下：
式中： 为地球半径； 为纬度； 为重力加速度； 为大气压强； ［ ］代表纬向平均。
根据Feng et al （2019）的方法， 挑选厄尔尼诺（El Niño）事件与拉尼娜（La Niña）事件的方法如下： 选取上一年的7月至下一年的6月作为一年， 若至少9个月的Niño 3指数高于（低于）0.5 ℃（-0.5 ℃）则为一次El Niño（La Niña）事件。挑选出的6次El Niño事件为： 1982/1983、 1986/1987、 1991/1992、 1997/1998、 2009/2010及2015/2016年， 6次La Niña事件为： 1984/1985、 1988/1989、 1998/1999、 1999/2000、 2007/2008及2010/2011年。
使用Empirical Orthogonal Function （EOF）分解获得HC的主要模态。利用相关分析和线性回归分析HC与SST二者之间的关系， 并使用t检验评估其显著性。
文中去除ENSO信号的处理方法如下：
式中： 为原始场； 为原始场与Niño 3指数的线性回归系数； 为去除Niño 3指数信号后的新变量场。
3 亚洲季风区内HC特征
3.1 不同季节HC的气候特征
首先对亚洲季风区内HC季节气候特征进行分析（图1 ）可以看出， 区域HC存在着两个明显的环流圈， 图中等值线为区域质量流函数， 它的正负分别对应着HC的北支与南支环流圈。春季两个环流圈表现为赤道对称， 上升支位于赤道附近， 南北两个环流圈的范围与强度大致一致， 南支环流圈略大于北支。夏季的南支HC环流极强且环流中心位置偏北， 在赤道与南北纬30°附近看不见完整的北支环流圈， 上升支位于赤道以北。秋季两个环流圈完整， 南支环流圈的范围与强度大于北支， 上升支仍处于赤道附近， 最强的上升支位于赤道以北， 南北两支环流圈的下沉支分别位于25°S与30°N附近。到了冬季北支环流圈成为主导， 最强上升支位于赤道以南， 南支环流圈范围与强度较秋季减小。对比四季区域HC的变化可以看出： 从春季到夏季， HC北移， 但从秋季到冬季， HC南移。下面将重点分析亚洲季风区内具有明显的两个环流圈且非赤道对称的秋季区域HC。
图1 1979 -2020年亚洲季风区内区域HC的季节气候空间分布特征等值线为区域质量流函数（单位： kg s2）， 彩色区为垂直速度（单位： m·s-1） Fig.1 The spatial distribution of season climatological regional HC over the Asian monsoon domain from 1979 to 2020.The contour is the regional mass function （unit： kg s2）， the color area is vertical velocity （unit： m·s-1） |
3.2 秋季HC主要模态
为了更好地分析秋季区域HC的时空分布， 图2 为利用EOF分解得到的秋季区域HC的前两个模态， EOF1（EOF2）与PC1（PC2）（Principal Component）分别表示前两个主要模态的空间分布与时间序列分布。第一模态EOF1的解释方差约为60%， 第二模态EOF2的解释方差约为15%， 前两个模态的整体解释方差达到75%可以较大程度上代表亚洲季风区内秋季区域HC的时空分布。EOF1的空间分布表现为非赤道对称， 北部分支范围从10°S至40°N以北， 且北部分支大于南部分支， 南部分支中心位于20°S， 南北两个分支合成的上升支位于赤道以南10°S。对于两个模态反映出的时间变化来说， PC1呈现年际变化， 在El Niño事件发生的1982、 1986、 1991、 1997与2015年PC1为负位相， 尤其在El Niño非常强的1997/1998年与2015/2016年（Huang et al， 2016）这两个事件中， PC1表现为明显的0值以下的负位相； 在La Niña事件发生的1988、 2000、 2007与2010年PC1为正位相， 同样在La Niña非常强的1988/1989年与2010/2011年（Martín-Gómez and Barreiro， 2020）中PC1表现为强的正位相。通过计算PC1与Niño 3指数之间的相关系数得到-0.8， 可以证实亚洲季风区内北半球秋季区域HC的EOF1与ENSO事件有关。
与EOF1不同的是， EOF2所展现的空间分布在赤道为一个单环流圈， 范围从15°S一直延伸至25°N， 它的范围与秋季区域HC的上升支范围基本一致， 最强的环流中心位于赤道以南约6°S， PC2为增长趋势。从上述的研究中可以发现两个模态所反映或者代表的秋季区域HC的时空变化是不同的。总体来说： EOF1中北部分支大于南部分支， PC1表现为年际变化， 与ENSO有较高的相关； EOF2中南部分支则为主导， 反映秋季区域HC的上升支的位置范围， PC2表现为上升增长的趋势。
4 秋季HC与SST之间的关系
4.1 HC的EOF1与热带SST之间的关系
ENSO事件会引起热带SST的异常， 并且El Niño与La Niña事件所带来的SST异常对不同区域的SST会带来不同的影响。图3 为挑选出的6次El Niño事件与6次La Niña事件中热带SST距平的空间分布图。在El Niño事件期间， TIO与赤道EP表现为显著的正异常， 赤道WP则表现为显著的负异常。这一SST的异常情况在La Niña事件期间则相反。
为了更好地分析SST对区域HC所产生的影响。首先对区域HC第一模态与SST之间的相关性进行分析（图4 ）。与La Niña现象所表现出的形态类似， 秋季区域HC的PC1与赤道EP和TIO区域都表现为负相关关系， 而与赤道WP为正相关的关系［图4 （a）］。有研究表明， TIO的SST变化与ENSO之间的关系是密不可分的， 在TIO秋季SST的变化中存在着明显的ENSO信号（李东辉等， 2006）。下面将分别去除TIO与ENSO的影响后分析PC1与SST之间的相关关系［图4 （b）， （c）］， 使用10°S -10°N， 50°E -110°E区域内的平均海温来表征TIO， 并使用Niño 3指数表示ENSO的变化。
图4 1979 -2020年亚洲季风区内秋季区域HC的PC1与海温的相关系数空间分布打点区域为通过95%的显著性检验， 红色方框为热带印度洋和热带东太平洋 Fig.4 Spatial distribution of the correlation coefficients between PC1 of the regional HC and SST from 1979 to 2020.The dotted areas with 95% significance test.The red boxes are for the tropical Indian Ocean and tropical Eastern Pacific Ocean |
当去除TIO对海温的影响后， PC1与热带EP表现为显著负相关， 在热带WP表现为显著的正相关。当去除Niño 3指数后， PC1与热带WP的正相关仍存在， 但与TIO之间的相关也表现为了正相关。纵向对比图4 中的三幅图可以发现， 在去除TIO的影响后， 赤道EP的显著负相关存在， 但原本位于TIO的负相关从-0.65减小并消失。在当去除ENSO的影响后， 热带WP的显著负相关消失， 但位于TIO的负相关转变为正相关， 相关系数也从 -0.65以下转变为0.45以上。上述的发现可以说明， 秋季区域HC的PC1与TIO的SST变化可能与ENSO事件对其的影响有关。
由以上的研究可以发现亚洲季风区内秋季区域HC的EOF1与ENSO事件有关， 而ENSO会影响秋季TIO的海温异常并反过来影响区域HC的异常。为了更好地分析在La Niña事件中TIO的SST对区域HC的影响， 对秋季区域HC的PC1与TIO、 EP之间相关系数的纬向平均分布进行研究（图5 ）发现， 在PC1与TIO之间的相关系数表现为非赤道对称， 相关系数最大值出现在南半球10°左右， 为0.26， 最小值出现在北半球10°左右。但PC1与EP之间的相关系数表现为赤道对称， 相关系数的最小值正好位于赤道。根据Feng and Li（2013）的研究发现赤道非对称的海温异常通常伴随着赤道非对称的经向环流。这也进一步证实了以上的发现， 即影响亚洲季风区内秋季区域HC的异常主要是由于ENSO调整下TIO的海温异常。
在上文对亚洲季风区内秋季区域HC的EOF分解的第一模态中发现南北两个半球的环流圈合成的上升支位于赤道以南， 下面将对影响其上升支位置的原因进行分析。考虑在La Niña事件中， TIO南北半球区域平均SST的变化。关注秋季9， 10， 11月这3个月TIO的SST异常变化（图6 ）发现， 南半球与北半球在秋季都表现为SST处于0 ℃以下的负异常， 且通过对比两个半球SST之间的负异常幅度可以发现， 当在La Niña事件期间北半球TIO的SST负异常大于南半球， 也就是说相对于北半球来说， 南半球处于更加温暖的状态， 相当于一个暖源。因此， 会引起南半球SST异常的经向梯度， 从而引起区域HC上升支位置的改变。在La Niña事件中， TIO SST的异常会使得赤道以南出现上升支， 从而改变了原来上升支的位置。这也证实了一些研究者发现热带SST的经向结构会对HC的空间分布产生影响的结论（Feng and Li， 2013； Li and Feng， 2017）。
4.2 HC的EOF2与热带SST之间的关系
下面分析亚洲季风区内秋季区域HC的第二模态PC2与热带SST之间的关系。分析二者之间的相关关系［图7 （a）］可以发现， 在TIO、 大西洋区域有显著的正相关， 而在热带EP的正相关系数较小。当去除SST的线性趋势后在热带EP的较弱的正相关仍存在［图7 （b）］， 但是在TIO与大西洋的显著的正相关消失， 通过计算TIO区域的平均系数发现相关系数由0.43降低到0.14。这一结果可以表明对于PC2的增长趋势可能是由于热带SST的变暖所导致， 它与亚洲季风区内SST的变暖趋势有关。下面主要对亚洲季风区内秋季TIO的SST增暖趋势进行研究， 来证明秋季区域HC的PC2的主要影响来自于TIO的SST增暖趋势。从秋季TIO的南半球（10°S -0°）与北半球（0° -10°N）区域的区域平均SST时间序列（图8 ）可以发现， 不论是南半球还是北半球， 位于亚洲季风统治区内的TIO秋季SST从1979 -2020年都表现为上升增温的趋势， 且北半球的增温速率快于南半球。北半球的SST较南半球SST温度要高， 这则会产生异常的经向梯度， 从而使得秋季HC的上升支位置向北半球移动， 出现异常的上升支位置。
图7 1979 -2020年亚洲季风区内秋季区域HC的PC2与海温的相关系数空间分布图（a）及去除PC2的线性趋势（b）打点区域为通过95%的显著性检验， 红色方框为热带印度洋和热带东太平洋 Fig.7 Spatial distribution of the correlation coefficients between PC2 of the regional HC and SST in the autumn Asian monsoon from 1979 to 2020 （a）， and removing the linear trend of PC2 （b）.The dotted areas with 95% significance test.The red boxes are for the tropical Indian Ocean and tropical Eastern Pacific Ocean |
5 结论和讨论
利用1979 -2020年42年哈德莱中心的海温以及NCEP再分析数据， 对亚洲季风区内北半球秋季区域HC的变化特征进行研究， 进一步对区域HC与热带SST之间的关系进行了分析。得到的主要结果如下：
（1） 对1979 -2020年不同季节的区域HC的空间分布发现， 在春季与秋季两个季节中， 区域HC具有明显的两个环流圈， 强度表现为南支环流圈在夏季最强， 北支环流圈在冬季最强； 位置表现为从春季到夏季， 区域HC整体向北半球移动； 从秋季到冬季， 区域HC整体向南半球移动。
（2） 对北半球秋季区域HC的时空分布特征的研究发现， 在亚洲季风区内北半球秋季区域HC的空间分布表现为在南北纬30°范围内存在明显的两个环流圈， 且南支环流圈的范围与强度都大于北支环流圈， 上升支位于赤道附近且最强中心位于赤道以北。对它进行EOF分解得到的两个模态反映了区域HC的不同特征。EOF1占比约60%， 空间分布由北部分支主导， 北部分支的范围大于南部分支， 上升支位于赤道以南； PC1表现为年际变化并与ENSO事件有关。EOF2占比约15%， 是由南部分支主导， 南部分支的范围与区域HC的上升支范围一致， PC2为增长趋势。即EOF1表征了北半球秋季区域HC的空间分布， 且与ENSO事件有关， EOF2则表征了北半球秋季区域HC上升支的位置。
（3） 亚洲季风区内秋季区域HC的EOF1与ENSO事件相关， 尤其是在La Niña事件中。通过计算秋季区域HC与SST的相关系数发现， 在TIO与热带EP区域二者表现为显著的负相关， 但当去除线性趋势以及ENSO的影响后， 原本位于TIO区域的负相关消失， 说明ENSO对TIO区域的SST调整将会导致秋季区域HC的异常。在La Niña事件中TIO的北半球SST的降温速率快于南半球， 这将使得TIO在南半球出现异常的经向梯度从而导致异常的区域HC上升支位于赤道以南。
（4） 亚洲季风区内秋季区域HC的PC2与SST在TIO以及热带EP表现为较弱的正相关， 但当去除SST的线性趋势， 位于TIO的正相关减小。EOF2所反映的区域HC的上升支位置则主要是由于南北半球TIO的SST不均匀增温所导致， 在北半球的TIO SST的增温速率快于南半球从而使得上升支范围位置偏北移动。
本文讨论了亚洲季风区内北半球秋季区域HC的特征变化及其与SST之间的关系， 证实了ENSO将会造成秋季区域HC的异常， 尤其是La Niña事件的影响更大。这些研究结果需要数值模拟的进一步验证。此外， 不同类型的ENSO事件会影响不同的SST分布， 进而带来不同的大气环流（Larkin and Harrison， 2005； Weng et al， 2007）。那么下一步还需结合数值模拟等方法， 对不同类型的ENSO事件期间下区域HC的异常变化， 以及它所带来的天气气候效应进行研究和验证。