【看天空的日子】MJO

簡單來說，Madden-Julian Oscillation

就是Roland A.Madden 及 Paul R.Julian 發現的波動

以上，結束。(大驚!)

大氣中的赤道，指的是太陽直射的位置

由於地表不斷的被太陽加熱，因此不斷產生上升運動

在大範圍的海洋上，許多熱帶雲簇油然而生；而在陸地上，則是午後熱對流消消長長

然而從雲圖上可以發現，熱帶雲簇並不是均勻分布在熱帶洋面上

如現在的東印度洋至南海及西太平洋，沿著赤道有相當多大型的對流雲發展

但同時西印度洋及中太平洋，赤道附近熱帶雲系活動則不明顯

這背後其實有相當多的時間長短不一的熱帶波動在控制，包括聖嬰現象、東風波...

MJO，就是其中一個熱帶波動

週期大約是40~60天繞地球一圈

因為週期小於一個季節(120天)，因此又稱季內震盪。

※天氣學發展史：從溫帶到熱帶。

自1918年挪威學派正式提出極鋒理論後

中緯度的天氣理論漸漸走向完備。

其所發展的各種控制方程，甚至還造就了現今數值預報14天的可預報度!

所以每當到了冬天，北方系統影響時，預報人員總是能安心的看著模式報七日

「雖不中，亦不遠矣!」

反觀熱帶大氣的理論發展，受限於海洋上觀測資料的不足

到了60年代，才終於有足夠的觀測資料讓M和J兩位科學家進行分析

他們把Canton Island(一個中太平洋的小島)共十年的觀測資料丟到超級電腦做波譜分析

才猛然發現海平面氣壓、底層的風向以及高層的風向竟然相互有一個週期41天到53天的波動

1971年，兩位科學家發表了「熱帶40-50天的波動」，之後稱MJO

波動的概念模式如上圖，在接近印度洋的區域底層出現東風和西風的輻合

這樣得輻合帶上空正好搭配了高空的輻散場

氣柱產生了強烈的上升運動，導致海平面氣壓下降，進而產生對流雲系

而舉升到對流層頂的空氣隨著輻散場到了對流雲系四周下沉

才會在熱帶洋面上出現對流活躍區(ACTIVE PHASE)及對流抑制區(SUPPRESSED PHASE)

看起來，就變成海洋上有些地方有很多雲，有些地方則什麼都沒有了!

而隨著波動緩慢向東移動，對流發展的區域和對流抑制區域也逐步向東移

兩個區域從印度洋不斷向東移，直到東太平洋時，由於海溫較低，對流雲消失

但高層輻散場仍然持續向東傳，最後繞地球一圈。

在1996年及97年，從衛星資料也證實了紅外線溫度(對流雲的發展區域)及降水分佈

確實也符合MJO波動的特徵，進而連結了MJO與熱帶的天氣。(未附圖)

可是這個波動能量來源是什麼呢?

溫帶地區的極鋒，能量來源是太陽斜射所導致的南北溫差

可是熱帶地區沒有這麼大的溫度差距(甚至幾乎是等溫狀態)

因此顯然要有其他的故事了...

※MJO的結構-由中尺度天氣系統解釋波動東傳

雖然MJO將熱帶分為對流抑制區和對流活躍區

但也不能說對流抑制區就完全沒有對流雲系

事實上抑制區仍然有相當多的淺對流發展，也偶爾會有雲頂達對流層頂的對流雲系

只是活躍區所發展的對流，因為大範圍的舉升，更容易形成「中尺度對流系統」，也就是更大型的對流雲

尤其是在活躍區正通過印度洋、西太平洋時，有組織的對流系統更加活躍。

這種大型的對流雲，除了輻合區高聳的塔狀雲外

部分於對流區上衝的水滴粒子抵達高空後會落到垂直風切處的下游

(由於底層是強西風，所以垂直風切的下游就是西側)

進而形成了水平大小較寬廣的"層狀降水區"

而在MJO吹拂西風的區域，通常在結冰高度(約6公里)之下整層都是西風

又，由於中尺度天氣系統常在對流區中層形成低壓區

導致西風受氣壓梯度力影響從對流西側快速流入塔狀雲區，使得整層的西風呈現中層較強的結構

然而層狀降水區的冰晶、水滴於落下的過程中開始蒸發、融化或昇華水的相變過程大量吸收空氣中的能量，使得空氣溫度下降，進而導致整個中層空氣下沉因此中層比較強的西風就下沉到地面，中層和底層西風疊加的結果，底層西風加強使得MJO東風和西風的輻合區被往東推到對流雲系的東側(如上圖b)      

這麼一來，新的對流胞因此長在舊對流胞東側

整個天氣系統緩慢向東移動，MJO也就因此向東移動了!

這裡也順便分享一個概念!

很多人會覺得很怪，為什麼在吹赤道東風的環境下，MJO產生的對流雲還可以往東移

其實北半球的對流雲本身是隨著東北信風向西南方向移動的

只是因為新的對流胞是在舊對流胞的東側被激發，所以看起來整個系統就會向東移動(概念如下圖)

※MJO的結構-來自海洋的能量

上圖顯示了同一個時間，一個MJO波動東西向的剖面(為緯度五度間的平均)

上上圖為垂直運動；上下圖為空氣的水氣含量

明顯發現水氣含量的結構有隨高度向西傾斜的狀況(如綠線)

搭配MJO由西向東移動的特性

可以發現水氣含量由底層先增加，隨後高層再增加的特徵

而且高層水氣量增加的時間正好是上升運動開始發生的時間

也就是對流雲形成的時候

因此底層大氣的增濕，是發生在對流活躍區抵達之前

也就是對流抑制區內

此區由於雲量不多，日照強烈

導致海洋的溫度較高，大量的水氣蒸發

又因為綜觀場呈微弱下沉運動，導致水氣聚集在底層，不斷增濕

直到對流區東側的輻合場抵達，大量的水氣上衝至高空，產生對流雲

這個過程又導致了另一個能量自我維持機制-CISK的發生

對流雲中水氣凝結釋放的潛熱加熱大氣，底層又產生更強的輻合，因此又有更多水氣上升

更多的潛熱因此釋放，產生了一個自我增強的機制

而根據觀測，當輻合區通過陸地時

這樣子自我增強的機制將因為底層水氣蒸發量不夠而減弱

顯示海洋所提供的水氣相當關鍵，甚至有許多學派認為像這個來自"邊界層的水氣"就是MJO主要的能量來源

這件事情也是CISK過程無法解釋的，因為按照CISK，只要有水氣輻合就應該可以產生潛熱釋放並啟動自我增強機制

不過實際上水氣量似乎有個門檻，像陸地因為邊界層提供的水氣量不高，所以即使產生輻合也無法自我加強 

因此現在有相當多科學家希望能找到新理論取代CISK，或修改CISK。 

※小結：仰望MJO

如果有一天，你很幸運的來到熱帶島嶼(看要是馬爾地夫還是我們的太平島XD)

待個60天感受一下MJO，以下應該是你會感受到的事情

首先是對流抑制區通過，基本上是藍天白雲和煦微風的天氣

海上可能偶爾會有些淺積雲，或小型的對流系統，偶爾下點雨

用腳碰一碰海水，發現海水溫度一天比一天高，大氣含水量越來越多，天氣越來越悶熱

終於和煦的東風越來越大，對流活躍區接近

西側開始有對流雲冒出來，並逐漸籠罩小島

天氣開始轉趨惡劣，下起大雨並伴隨雷聲，雨水很冰

而且可能晚上雨勢比較大

風向從東風漸漸轉為西風，輻合帶通過

氣溫受雲層籠罩而下降，海溫也下降，空氣中含水量漸漸減少

雨勢持續幾天，輻合帶開始遠離  ，西風也逐漸減弱並再度轉為東風

海上對流雲逐漸移至東側，天氣轉好，太陽露臉

對流抑制區靠近，新的循環開始。

※身在台灣，關注MJO的原因

上整理了幾個MJO對熱帶及副熱帶地區天氣的"直接影響"

其中，「季風型態調整」以及「熱帶氣旋的生成」更是直接影響到臺灣附近地區

西南風是中國及臺灣梅雨的重要天氣要素之一

來自印度洋、或是印尼的西南風會在底層帶來高溫高濕的空氣

不僅增加水氣來源，更增加了對流系統形成的有利條件

另外，若西南風夠強，甚至會形成底層噴流，產生中尺度對流系統，產生更大更久的雨勢

而隨著MJO從印度洋進入東南亞，熱帶洋面開始吹起西風

這個時候若有綜觀天氣系統導引(例如副熱帶高壓脊伸向菲律賓)

或MJO雲區、輻合帶北抬

西南風即可能抵達台灣附近地區，屆時就有機會達到梅雨的條件，使台灣進入梅雨季。

1990年Wang和Rui兩位科學家曾經分析了1975-1985年間(沒有1978年)共10年77個MJO的路徑

大致上分成三種：(下圖)

a為向東型(32起)

b為東北、東南型(東北13起、東南10起、同時分裂成東北及東南2起)

c為同時向東又同時向北型(20起)

其中b型的東北走向就常開啟印度及南海的西南季風

另外MJO所夾帶的西風和赤道東風帶所產生的輻合區

也是好發熱帶氣旋的位置

主要是因為東風和西風兩者輻合併不是直接對吹

而是會在交界帶上形成許多氣旋式的環流(如下圖紅圈處)

這樣的環流容易讓熱帶雲簇漸漸聚集在一起，進而更有效率的應用凝結熱加熱大氣

慢慢建立出熱帶氣旋的暖心結構

圖上南半球的環流已經形成熱帶氣旋

未來北半球的環流預計也將有氣旋發展

侵襲台灣的颱風，多形成在MJO輻合區進入太平洋的時候

颱風在輻合區形成後，順著副熱帶高壓南緣的東風向西北移動至臺灣附近

進而增加侵襲台灣的機會。

其實除了以上兩個直接的影響外

MJO其實也可以透過影響聖嬰現象，間接的影響臺灣的天氣

較強的MJO通常發生在聖嬰年即將展開的時候

不過再講下去就講遠了XD

※MJO現在的發展情形(文章撰於2013年5月)

比較一下5/5白天(上上圖)以及5/10白天(上下圖)的雲圖

前幾天原本在印度南方的大型熱帶雲團，已經隨著時間移到孟加拉灣至蘇門答臘外海

其中，南半球的熱帶雲系已經發展為颱風

至於北半球的熱帶雲簇，未來也將持續發展

若將雲圖搭配底層(850hPa，約海拔2000m)流場和高層(200hPa，約海拔14000m)風場

底層確實可以看到印度洋來的西風，及太平洋來的東風於南海一帶交會，並產生一些氣旋式漩渦

至高層，印度洋上空則是吹東風；太平洋上空則是吹西風，於印尼上空供應良好的輻散場

因此在孟加拉灣至南海，持續有雲系生成，只是因為此區陸地較多，大型的熱帶雲簇目前尚未形成。

根據GFS的預報

目前MJO主要輻合帶的位置來到印度洋的東側(紅線最後一個點 5/9)

未來將持續東移進入東南亞(綠線)，並預計在5/19後進入太平洋。

這一次的MJO訊號相當明顯(線距離中心點越遠，代表波動越強)

下個禮拜(5/11~5/19)可能有明顯的西南風抵達臺灣附近

要注意伴隨鋒面可能帶來的較大雨勢和雷及強陣風

五月底MJO進入太平洋，則要開始注意西北太平洋熱帶擾動發展的可能性。

※附註：參考文獻及資料來源

民航局：圖一、圖九、圖十、圖十一

韓國氣象廳：圖八、圖十一

GFS：圖十二

Madden, R. A., and P. R. Julian, 1994: Observations of the 40-50 day tropical oscillation -A review. Mon.Wea. Rev., 122, 814-837.:圖二

Houze, R. A., Jr., S. S. Chen, and D. E. Kingsmill (2000), Convection over the Pacific warm pool in relation to the atmospheric Kelvin-Rossby wave, J. Atmos. Sci., 57, 3058–3089.:圖三

Nakazawa. T., 1988: Tropical super clusters within intraseasonal variations over the western Pacific. J.Meteor. Soc. Japan, 66, 823-839.：圖四

Kenneth R. Sperber. (2003) Propagation and the Vertical Structure of the Madden–Julian Oscillation. Monthly Weather Review 131:12, 3018-3037:圖五

Introduction to Tropical Meteorology, Version 1.3:圖六

Wang,B., and H.Rui,1990:Synoptic Climatology of transient tropical intraseasonal convection anomalies.Meteor.Atmos.Phys.,44,43-61.:圖七

Zhang, C. (2005), The Madden-Julian oscillation, Rev. Geophys.,43, RG2003, doi:10.1029/2004RG000158.

Yuan, J., and R. A. Houze, Jr., 2013:Deep convective systems observed by A-Train in the tropical indo-pacific region affected by the MJO. J. Atmos Sci., 70, 465–486.