1. 引言
越赤道气流(Cross Equatorial Flow, CEF)作为南北半球质量、动量交换的途径，是影响南、北半球天气发生及气候异常的重要因子，与亚洲夏季降水、季风以及热带气旋等重要天气联系密切 [1] [2] [3] [4] [5]。南海(South China Sea, SCS) CEF (简称SCEF)作为亚洲夏季风环流系统的重要组成部分，其变化对于亚洲地区的水汽输送和环流异常具有显著的影响 [6] [7] [8] [9] [10]。
众所周知，海温是影响短期气候预测重要的外强迫因子，是影响气候形成及变化的重要因素。研究表明大尺度海气耦合相互作用对区域降水及气温异常有显著影响 [11] [12] [13] [14]。近年来，许多学者开始关注CEF与海温的关系，发现海温异常与索马里CEF变化关系较为密切，主要表现为夏季索马里CEF强度的年际变化与ENSO循环密切相关，即索马里CEF较弱时对应着El Nino；反之则对应La Nina [15] [16] [17]。此外，有研究指出，夏季索马里CEF不仅与ENSO循环密切相关，还与海洋性大陆区、印度洋及澳洲东部区等海域的海温异常存在显著相关 [18] [19] [20] [21]。研究表明，当夏季索马里CEF偏强(偏弱)而澳大利亚CEF偏弱(偏强)时，有利于随后秋冬季节中负(正)位相的ENSO和IOD形成 [22] [23]。施宁等 [24] 发现，当前冬赤道东太平洋海温偏高、黑潮区和西风漂流区海温偏低，出现EI Nino事件特征时，次年5、6月份索马里CEF偏弱；反之亦然。刘秦玉等 [25] 的研究发现，110˚E附近南海和东印度洋海温的季节变化有利于SCEF的形成和维持。彭维耿和蒋尚城的研究 [26] 指出，SCEF冬夏季均受到TBO (2~3年周期)的影响。此外，东亚CEF的变化与赤道中东太平洋海温呈显著正相关，而与印尼地区海温及澳大利亚以东的太平洋海温呈显著负相关 [17]。
综上所述，以往的研究主要关注夏季索马里CEF的变化与同期赤道中东太平洋海温的关系，而有关夏季赤道中东太平洋海温对SCEF强度变化的影响及其可能途径的研究还相对较少，因此，本文尝试对此进行一些探讨。
2. 资料和方法
2.1. 资料
美国NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)提供的逐月再分析资料 [27]，包括经纬向风场、垂直速度场、海平面气压场(Sea Level Pressure, SLP)以及向外长波辐射OLR (Outgoing Longwave Radiation)场资料，水平分辨率为2.5˚ × 2.5˚，资料时间长度为1979年1月~2020年12月。
英国HadISST ( Hadley Center Global Sea Ice and Sea Surface Temperature)的逐月SST资料 [28]，水平分辨率为1.0˚ × 1.0˚，资料时段为 1979年1月~2020年12月。
美国伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI)提供的全球海洋的海–气通量客观分析(OAFlux)月平均海–气湍流热通量资料(感热通量和潜热通量) [29]，水平分辨率为1.0˚ × 1.0˚，向上为正，资料时段为1979年1月~2019年6月。
2.2. 方法
本文主要采用相关分析及合成分析等统计分析方法。
3. 夏季南海越赤道气流强度指数的定义
图1与图2分别为1979~2020年气候平均的夏季沿赤道经向风高度–经度剖面和925hPa水平风场。由图1可见，夏季SCEF强度的最大值在925 hPa等压面上，其核心大值区位于(2.5˚S~5˚N，102.5˚~110˚E)区域(图2)，因此，本文将此区域内各点经向风的平均值定义为夏季SCEF强度指数(ISCEF)。为表征夏季SCEF的年际异常，将SCEF强度指数的标准化数值大于1的年份定义为夏季SCEF强年(1979，1982，1987，1994，1997，2018，2019年，共7 a)，标准化数值小于−1的年份定义为夏季SCEF弱年(1996，1998，2007，2010，2013，2016年，共6 a)。
Figure 1. Averaged meridional wind speed along the equatorial vertical profile in summer during 1979~2020 (units: m·s−1)
图1. 1979~2020年气候平均的夏季经向风速沿赤道垂直剖面(单位：m·s−1)
阴影表示陆地，实线为经向风速 ≥ 2.5 m·s−1的等值线。
Figure 2. Averaged horizontal wind field at 925 hPa in summer during 1979~2020 (units: m·s−1)
图2. 1979~2020年气候平均的夏季925 hPa水平风场(单位：m·s−1)
4. 夏季南海越赤道气流变化与全球海温的联系
图3(a)为1979~2020年夏季SCEF强度指数与同期全球海表面温度异常(Sea Surface Temperature anomalies, SSTA)的相关系数分布。由图3(a)可以看出，夏季海洋性大陆区、赤道东南印度洋及澳洲东部海域的SSTA与SCEF年际变化呈显著负相关关系，而赤道中东太平洋区域SSTA与SCEF年际变化存在显著的正相关关系，中心数值达0.4以上(通过95%的信度检验)。由此可见，夏季SCEF年际变化与同期赤道中东太平洋SSTA有密切的关系，当SCEF强度增强时，赤道中东太平洋SSTA为暖异常；反之亦然。
(a) 
(b)
(c)阴影区为通过了95%的信度检验区。
Figure 3. Distribution of correlation coefficients between the intensity index of SCEF and the global SSTA in summer during 1979~2020 (a), the composite differences of the global SSTA corresponding to the strong and weak years of SCEF in summer during 1979~2020 (b), units: ˚C, and distribution of correlation coefficients between the intensity index of SCEF and the global turbulent heat flux anomalies in summer during 1979~2018 (c)
图3. 1979~2020年夏季SCEF强度指数与同期全球SSTA的相关系数分布(a)、同期SCEF强、弱年对应的全球SSTA合成差值((b)，单位：℃)及1979~2018年夏季SCEF强度指数与同期全球海表湍流热通量异常的相关系数分布(c)
为了验证夏季SCEF强度变化与同期全球SSTA的关系，图3(b)给出了1979~2020年夏季SCEF强度指数与夏季SCEF强、弱年对应的全球SSTA合成差值。由图3(b)可以看出，海温显著正距平区域位于赤道中东太平洋，而赤道西太平洋、赤道东南印度洋及澳洲东部海域为负距平。合成分析的结果与图3(a)较为一致，表明当SCEF强度增强时，赤道中东太平洋SSTA升高，而赤道西太平洋、赤道东南印度洋及澳洲东部海域的SSTA降低；反之亦然。
海表面湍流热通量(潜热通量和感热通量)异常与SST的变化是紧密相连的，这种联系随季节和地区的变化而不同 [30]。因此，图3(c)给出了1979~2018年夏季SCEF强度指数(ISCEF)与同期全球海表湍流热通量异常的相关系数分布，由图3(c)可见，夏季SCEF年际变化与同期海洋性大陆区部分海域、澳洲东部区海域及赤道中东太平洋海表湍流热通量异常呈显著正相关。对比图3(a)与图3(c)，赤道中东太平洋SSTA和海表湍流热通量异常与ISCEF均存在较好的正相关，相关系数中心值均达到0.4以上(通过95%的信度检验)，说明夏季赤道中东太平洋SSTA和海表湍流热通量异常对SCEF变化有重要影响；而ISCEF与赤道西太平洋及海洋性大陆区海域SSTA(海表湍流热通量异常)呈明显的负(正)相关关系，说明夏季赤道西太平洋及海洋性大陆区SSTA主要受大气影响，不是影响SCEF的主要因子，这与以往研究结果 [31] 有所不同。
5. 夏季赤道中东太平洋海温异常的可能影响途径
为了进一步说明夏季赤道中东太平洋SSTA对SCEF变化的影响，本文利用海表温度异常SSTA在Nino3.4区(5˚S~5˚N，170˚~120˚W)的区域平均作为海温关键区指数，图4为1979~2020年夏季Nino3.4和南海越赤道气流强度指数(ISCEF)的标准化曲线。统计表明，二者的相关系数达0.51，通过0.01的显著性水平检验，说明夏季赤道中东太平洋SSTA与SCEF变化的关系较为密切，当赤道中东太平洋SSTA偏暖时，SCEF强度增强；反之亦然。
此外，由图4可以看出夏季Nino3.4存在明显的年际变化特征，其异常指数最大值出现在1997年，最小值出现在1988年。为表征夏季Nino3.4的年际异常，将Nino3.4的标准化数值大于0.75的年份定义为夏季Nino3.4暖位相年(1982，1987，1991，1997，2002，2009，2015年，共7 a)，标准化数值小于−0.75的年份定义为夏季Nino3.4冷位相年(1984，1985，1988，1989，1998，1999，2000，2010年，共8 a)。
Figure 4. Normalized time series of intensity index of Nino3.4 and cross-equatorial flow over the South China Sea (ISCEF) in summer during 1979~2020
图4. 1979~2020年标准化的夏季Nino3.4和南海越赤道气流强度指数(ISCEF)
图5给出了夏季Nino3.4暖、冷位相年对应的850 hPa风场及200 hPa风场距平合成差值。由图可见，当夏季赤道中东太平洋SSTA增暖时，在低层850 hPa风场上，西北太平洋出现异常反气旋式环流，孟加拉湾至赤道西太平洋地区为显著的西风异常，赤道东印度洋及南海北部为气旋式风场异常，使得中国华南地区出现东北风异常，此种风场配置有利于SCEF、南海夏季风的增强及东亚副热带夏季风的减弱。此外，赤道中东太平洋为异常西风气流，热带印度洋及大西洋为异常东风气流，这种风场配置有利于赤道中东太平洋产生低空辐合运动，在赤道西太平洋出现低空辐散运动，表现为Walker环流减弱。在高层200 hPa风场上，赤道中东太平洋出现气流辐散，热带印度洋及大西洋为异常西风气流，这种风场异常分布说明，
(a)
(b)阴影区为通过了95%的信度检验区。
Figure 5. Composite differences of the wind field anomalies at 850 hPa (a) and 200 hPa (b) corresponding to the strong and weak years of Nino3.4 in summer (units: m·s−1)
图5. 夏季Nino3.4暖、冷位相年对应的850 hPa风场(a)及200 hPa风场(b)距平合成差值(单位：m·s−1)
赤道中东太平洋SSTA增暖时，对流层高层在赤道西太平洋120˚E附近存在风场的异常辐合，同时在赤道东太平洋110˚W附近有风场的辐散运动；反之亦然。对比来看(图5(a)、图5(b))，夏季赤道中东太平洋SSTA上升(下降)时，同期Walker环流明显减弱(增强)。
图6为夏季Nino3.4暖、冷位相年对应的SLP场距平合成差值，可以看出，当夏季赤道中东太平洋SSTA偏暖时，赤道中东太平洋SLP异常降低，亚洲大陆热低压增强，位于热带西太平洋的赤道辐合带显著增强，赤道中东印度洋至澳大利亚北部地区SLP显著上升，对应印度洋高压及澳大利亚高压增强，南北半球间气压梯度力增加，有利于赤道附近地区西南气流的形成，故SCEF易增强；反之亦然。
阴影区为通过了95%的信度检验区。
Figure 6. Composite differences of the sea level pressure field anomalies corresponding to the strong and weak years of Nino3.4 in summer (units: hPa)
图6. 夏季Nino3.4暖、冷位相年对应的SLP场距平合成差值(单位：hPa)
图7分别为夏季Nino3.4暖、冷位相年对应的沿赤道太平洋垂直环流距平合成差值(图7(a))、OLR场距平合成差值图(图7(b))以及夏季Nino3.4正、负异常年对应的东亚地区经圈环流距平的纬度–高度剖面合成差值(图7(c))。当夏季赤道中东太平洋SSTA偏暖时引起海表湍流热通量增加，其上空大气受热产生
(a) 
(b)
(c)阴影区为通过了95%的信度检验区。
Figure 7. Composite differences of the vertical circulation along the equatorial Pacific (a), OLR field ((b), unit: W·m−2) and the composite differences of latitude-height vertical profile of meridional circulation over East Asia ((c), meridional wind speed unit: m·s−1, vertical velocity unit: 0.01 Pa·s−1) anomalies corresponding to the strong and weak years of Nino3.4 in summer (units: m·s−1)
图7. 夏季Nino3.4暖、冷位相年对应的沿赤道太平洋垂直环流距平合成差值((a)纬向风速单位：m·s−1，垂直速度单位：0.01 Pa·s−1)、OLR场距平合成差值((b)，单位：W·m-2)及东亚地区经圈环流距平的纬度–高度剖面合成差值((c) 经向风速单位：m·s−1，垂直速度单位：0.01 Pa·s−1)
上升运动(图7(a))，OLR表现为异常负值区，对流活动明显偏强(图7(b))，而在赤道西太平洋地区出现下沉运动(图7(a))，OLR表现为异常正值区，对流活动明显偏弱(图7(b))，对流层低层在赤道太平洋上为西风异常，Walker环流明显减弱(图7(a))；与此同时，东亚地区局地Hadley环流表现为异常偏弱(图7(c))，使得低空SCEF异常增强在20˚N附近与来自北半球的冷空气交汇上升；反之亦然。
6. 结论
本文利用NCEP/NCAR逐月的风场、海平面气压场以及HadISST逐月海表面温度等再分析资料，研究了夏季赤道中东太平洋SSTA对SCEF强度变化的可能影响，得到以下主要结论：
1) 夏季SCEF强度变化与同期赤道中东太平洋SSTA呈显著的正相关关系，二者的相关系数达0.52，通过0.01的显著性水平检验。
2) 夏季赤道中东太平洋SSTA对SCEF年际变化产生重要影响；而夏季赤道西太平洋及海洋性大陆区SSTA主要受大气影响，不是影响SCEF的主要因子。
3) 当夏季赤道中东太平洋SSTA增暖时，Walker环流异常减弱，赤道西太平洋出现异常下沉运动，位于赤道西太平洋的海洋性大陆和澳大利亚北部SLP异常上升；与此同时，东亚Hadley环流异常减弱，使得西北太平洋SLP异常降低，有利于产生南北向的气压梯度，从而引导SCEF增强。
本文研究结果表明，夏季SCEF的强度变化与同期赤道中东太平洋SSTA关系密切，由此说明赤道中东太平洋SSTA在SCEF的形成和维持中的地位，有利于进一步理解和认识亚洲夏季风环流与海温的相互作用。本文的研究仅是对夏季赤道中东太平洋海温异常对SCEF可能影响的初步分析，有待利用数值模拟作进一步研究。
基金项目
干旱气象科学研究基金(IAM202108)资助。