為何ITCZ主要發生在北半球?

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Jul 25, 2019 · 5 min read
圖一、ITCZ季節性變化

間熱帶輻合區(Intertropical convergence zone),又稱ITCZ,為一個活躍於赤道的低氣壓帶。ITCZ的成因與太陽直射有密切的關聯,因而使其如圖一具有季節性的位移。

然而有趣的是,縱使太陽直射範圍相對於赤道來說是對稱的,但實際上可見ITCZ相對於赤道卻是非對稱的,例如在東太平洋區域,ITCZ全年的主要範圍幾乎位於北半球,原因是為何?

根據這個現象,大氣及海洋科學家開始試圖提出一些理論來解釋。

由於ITCZ與海表溫度(Sea Surface Temperature, SST)之分佈有密切關聯,其易生成於SST高的區域,因此SST的不對稱性將會影響到ITCZ的分佈。

第一個理論為風-蒸發-海表溫度回饋(Wind-Evaporation-SST(WES) Feedback)。這個理論指出,假設初始條件下SST已經不對稱,即SST北半球相對於南半球高,則由於溫度梯度引起之壓力梯度,造成跨赤道風形成;又由於柯氏力效應,南半球風向偏左而北半球朝右,其示意圖為圖二:

圖二、WES 回饋機制示意圖

進而加強南半球之貿易風,同時減弱北半球之貿易風。高的風速海面蒸發效應增強,蒸發越強海表溫度相對越低;同理,風速減弱造成海面蒸發效應減弱,因此海表溫度提高。由此可見,WES回饋是一個正回饋,其會使得原本的SST不對稱增強,因此造成ITCZ主要集中於北半球。

除了WES 回饋,第二個可能回饋機制為雲-輻射-海表溫度回饋(Cloud-Radiation-SST feedback)。

該機制主要描述在低SST環境下,層雲(Stratus)相對容易生成(圖三)。低雲的形成減弱太陽輻射對海表溫度的影響,因而進一步減弱SST。因此該負回饋進而造成南北SST不對稱增強。

圖三、海表溫度與層雲之關係(From Klein and Hartman 1993)。

第三種解釋理論為跨赤道風與海表溫度回饋(Cross-Equatorial Wind and SST Feedback)。如同前面所述,南北SST不對稱條件下會形成跨赤道風。而在東太平洋,南半球跨赤道風與沿岸趨於平行,其對海水所造成的艾克曼傳輸(Ekman Transport)使得水團被帶離沿岸,造成湧升流(Upwelling)之形成,湧升流進而將底層的冷水帶上來,進一步冷卻海表溫度;而在北半球,跨赤道風之艾克曼傳輸將水團朝沿岸集中則形成沉降流(Downwelling) 。於是這樣的正回饋便會促使SST不對稱增強。(這裡補充一下,就算沒有沿岸效應,在近赤道區仍可生成該機制)。

以上三種理論雖解釋了回饋機制,卻沒有解釋到最初的SST不對稱究竟是怎麼產生的。目前有一些理論試圖解釋,其中一個常見的可能原因為地形沿岸傾斜所導致(如圖四)。

圖四、赤道東風藉由沿岸傾斜效應造成湧升流與沉降流

事實上圖四所說明之現象與前面第三種介紹的回饋機制類似,差別主要在於跨赤道風與赤道貿易風之不同。

縱使圖四之機制可能不足以完整描述實際情形,然而如同前面所介紹的三種回饋機制,一旦初始的SST不對稱形成,則透過不同的正反饋過程,便足以造成SST不對稱性增強,進一步影響ITCZ分佈。

最後值得一提的是,同樣的效應,為何在其他地區不見得起作用?一個可能原因在於,受到Bjerkness Feedback作用,也就是在太平洋SST東西不對稱之效應,其促使東太平洋的斜溫層(Thermocline)相對於西太平洋淺很多。由於海氣交互作用在淺斜溫層下主要相對厚斜溫層來得活躍,因此造成前者所述的海氣回饋機制效應更強。另外在一些地區,如印度洋,還會受到季風效應影響。

因此,透由幾種可能的理論機制,可帶領我們試圖理解ITCZ之所以主要在東太平洋北半球的原因。

資料參考:

[1] What Keeps the ITCZ North of the Equator? An Interim Review
[2] Why the ITCZ Is Mostly North of the Equator
[3] Fundamentals of Tropical Climate Dynamics by Tim Li & Pang-chi Hsu

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