北太平洋副热带对流如何影响全球大气环流？赤道波的作用
How does convection in the North Pacific subtropics affect global atmospheric circulation? The role of equatorial waves
每年夏季，北太平洋副热带（SWNP）都会成为大气深层对流的活跃区域，其上空的对流活动不仅影响当地天气，还会通过复杂的大气波动影响全球气候系统。近日，一项由中国科学院大气物理研究所引导的一项研究，揭示了北太平洋副热带对流与赤道波的关键联系，北太平洋副热带上空对流通过激发不同类型的赤道波动，影响着从亚洲季风到南半球冬季天气的广大区域。
大气环流与赤道波
大气环流及吉尔理论
与海洋中有波浪一样，大气中存在各种各样不同周期、不同尺度的波动运动，这些波动虽然肉眼不可见，却能从风速、气压的变化中检测出来。早在1686年，埃德蒙·哈雷（Edmond Halley）首次提出热带环流理论，认为热带地区的加热会使空气变得”更轻”而上升，哈雷认为高空中会有反向气流，解释了信风的向赤道分量，但没有解释信风的东风分量。到了1735年，乔治·哈德利（George Hadley）用角动量守恒的概念补充解释了这一现象。
到了20世纪，气象学家Bjerknes（1969）注意到太平洋上存在明显的沃克环流，在赤道平面上的东西向环流，西太平洋暖池区空气上升，东太平洋冷海域空气下沉。这种环流的变化与南方涛动现象密切相关，而后者是厄尔尼诺现象的重要组成部分。
Bjerknes（1969年）注意到热带环流并非完全对称，特别是太平洋上的沃克环流（Walker Circulation），在赤道平面内，空气在西太平洋温暖区域上升，在东太平洋寒冷海域下沉，沃克环流的变化似乎是南方涛动（Southern Oscillation）的重要特征。
观测表明，热带地区的主要加热源集中在三个大陆区域，分别为非洲、南美洲和印度尼西亚地区，每个区域的加热范围相对有限，这导致了一个重要问题，如果在赤道附近特定经度上对有限区域加热，会产生什么样的环流响应呢？吉尔的研究正是为了回答这个问题。
在热带气象学中，吉尔响应是一个经典理论，描述了大气对热带热源的响应，根据吉尔（1980）的理论，赤道附近的热源会激发开尔文波向东传播和罗斯贝波向西传播，形成特定的环流型。这个理论解释了赤道附近热源激发的大气环流响应。
赤道波
而赤道波动是大气中的一种特殊波动，由于地球自转和赤道附近的科里奥利力变化而产生，赤道波的能量在赤道附近最强，并向两极指数衰减。赤道波也包含多种波动，主要分为以下几类，如只在赤道附近传播，向东移动，无经向风分量开尔文波（Kelvin Wave），还有向西传播，与地球自转密切相关罗斯贝波（Rossby Wave），还有具有罗斯贝波和重力波的双重特性混合罗斯贝重力波（MRG），以及与浮力和科里奥利力相关的惯性重力波（IG）。
赤道波的动力学可以用浅水方程组描述，(u, v) 为东西和南北风分量，(p) 为气压扰动，(Q) 表示加热（如对流释放的潜热），(c) 为波的相速度（取决于大气层结）。
$\frac{\partial u}{\partial t} - \beta y v = -\frac{\partial p}{\partial x}$
$\frac{\partial v}{\partial t} + \beta y u = -\frac{\partial p}{\partial y}$
$\frac{\partial p}{\partial t} + c^2 \left( \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} \right) = -Q$
然而，吉尔理论基于”长波近似”，即忽略了一些高频波动，如MRG波和IG波，赤道波也包含了MRG波和IG波，这些波在对流活动中起到什么作用呢？
这项研究通过1979-2021年数据进行分析，研究人员使用OLR数据作为对流活动的指标，定义了一个北太平洋副热带对流指数（SWNPI），当对流增强时，因为云顶温度降低，OLR值降低，因此研究中将OLR异常乘以-1作为指数，使得正值代表对流增强。
研究通过波空间回归方法，将对流指数与不同波动成分直接关联，避免了传统空间分析中波动信号相互干扰的问题，能更清晰地识别各种波动的作用。
$R^{n_k}(m,\tau) = \frac{1}{N-1} \sum \left[ \left( \chi^{n_k}(m,t,\tau) - \chi^{n_k}(m) \right) \left( \mathrm{SWNPI}(t) - \mathrm{SWNPI} \right) \right] \bigg/ \mathrm{Var}(\mathrm{SWNPI})$
研究发现：北太平洋副热带对流过程
研究追踪整个北太平洋副热带对流过程，研究发现，在第1阶段对流增强期，罗斯贝波首先响应，在对流区上空形成高压反气旋（顺时针环流），这与吉尔理论一致。同时，惯性重力波（IG）同步激发，产生强烈的跨赤道北风，这是由浮力振荡主导的快波，跨赤道北风风速达2m/s以上，这个惯性重力波是此前吉尔理论没有的。开尔文波响应则表现增强赤道东风带，风速约1m/s，仅为罗斯贝波的1/3，虽然较弱，但为后续波动相互作用奠定基础。
在北太平洋副热带对流最强的时候，赤道环流由罗斯贝波主导，北半球和南半球各有一个反气旋性环流，中间为赤道东风；混合罗斯贝重力波和惯性重力波高层跨赤道北风气流，混合罗斯贝重力波的贡献比惯性重力波更大。
在北太平洋副热带对流衰减过程中，此时由混合罗斯贝重力波（MRG）主导，这种波兼具旋转和重力波特征，维持着跨赤道气流，此时罗斯贝波信号向西移动，影响南印度洋，惯性重力波与罗斯贝波协同，在南半球形成反气旋。
研究结论：吉尔理论的补充
这项研究通过波动分解揭示热带对流的影响不仅通过传统的吉尔机制传播，更通过混合罗斯贝重力波和惯性重力波波动的快速传递实现跨半球能量再分配，这一发现对改进季风-极地遥相关预报具有重要价值。
❓思考题：吉尔经典理论的主要局限是？
A.低估了罗斯贝波的强度
B.忽略了MRG和IG波的作用
C.高估了热源对称性的影响
D.未考虑垂直风切变
参考答案：（点击查看）
B.
解析： 研究明确指出，Gill理论的长波近似过滤掉了MRG和IG波，这一近似虽然简化了数学处理，但导致无法解释观测中45%的跨赤道气流。
参考文献：Chen, P., Holube, K. M., Lunkeit, F., Žagar, N., Zhao, Y. B., & Lu, R. (2025). Equatorial wave circulation associated with subseasonal convective variability over the subtropical western North Pacific in boreal summer. EGUsphere, 2025, 1-24.https://doi.org/10.5194/egusphere-2025-2485, 2025