熱帶大西洋暖海溫促使拉尼娜事件發(fā)生的可能性研究

嚴(yán) 欣任菊章琚建華

（1 云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，昆明 650031；2 云南省氣象科學(xué)研究所，昆明 650034；3 云南省氣象局，昆明 650034）

熱帶大西洋暖海溫促使拉尼娜事件發(fā)生的可能性研究

嚴(yán) 欣1任菊章2琚建華3

（1 云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，昆明 650031；2 云南省氣象科學(xué)研究所，昆明 650034；3 云南省氣象局，昆明 650034）

首先，通過對(duì)多年冬、春季節(jié)熱帶大西洋海溫、夏季大氣季節(jié)內(nèi)振蕩（MJ O）異?；顒?dòng)特征和冬季太平洋ENSO之間的分析研究，發(fā)現(xiàn)三者之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。其次，1951年以來最強(qiáng)的兩次厄爾尼諾年（1982和1997年）后都跟隨著拉尼娜年。因此對(duì)1983、1998和2016年大西洋春季海溫及MJ O信號(hào)進(jìn)行的分析和比較表明，2016年初大西洋關(guān)鍵區(qū)海溫異常偏暖，與1998年情況較為類似。2016年夏季，MJ O可能出現(xiàn)在印度洋異?；钴S的情況，并可能導(dǎo)致熱帶太平洋秋、冬季節(jié)出現(xiàn)中等強(qiáng)度的拉尼娜事件。

大西洋海溫，MJ O持續(xù)異常，拉尼娜事件，ENSO

0 引言

厄爾尼諾（El Ni?o）是熱帶太平洋中東部海溫出現(xiàn)異常偏暖的一種氣候現(xiàn)象，對(duì)全球的天氣與氣候會(huì)造成較大的影響。一般說來，強(qiáng)El Ni?o后都跟隨著拉尼娜（La Ni?a），即熱帶太平洋中東部海溫的異常偏冷。人們將El Ni?o和La Ni?a這兩者一起并稱為ENSO事件。Ham等［1］認(rèn)為，春季熱帶大西洋的海表面溫度（SST）可能是ENSO事件的觸發(fā)器。他們的研究表明，熱帶大西洋北部海溫的春季升溫可能會(huì)誘發(fā)秋、冬季節(jié)太平洋的La Ni?a事件。反之，熱帶大西洋春季的偏冷，則可能使得的秋、冬季節(jié)形成El Ni?o事件。之后雖然關(guān)于春季熱帶大西洋海溫和冬季ENSO關(guān)系的研究不斷出現(xiàn)［2-5］，但其發(fā)生機(jī)制仍不夠明確。特別是在從春季到冬季的時(shí)間跨度中，海洋信號(hào)的具體傳播過程仍不清楚。這是目前研究的熱點(diǎn)問題。而本文作者在前期的研究中，發(fā)現(xiàn)了春季熱帶大西洋海溫異常偏暖會(huì)影響夏季熱帶印度洋季節(jié)內(nèi)振蕩（MJO）的持續(xù)異常［6］，進(jìn)而激發(fā)和促進(jìn)冬季La Ni?a事件的形成［7］，三者之間具有非常顯著的相關(guān)關(guān)系。

自1951年以來，一共出現(xiàn)了三次超強(qiáng)El Ni?o事件：1982，1997和2015年，具體情況如表1所示。

表1 1982—1983年、1997—1998年、2015—2016年ONI指數(shù)（單位：℃）Table 1 The Oceanic Ni?o Index (ONI) in 1982-1983, 1997-1998 and 2015-2016 (unit: ℃)

ONI（Oceanic Ni?o Index）是國(guó)際上通行的ENSO指數(shù)，使用3個(gè)月滑動(dòng)平均的Ni?o 3.4區(qū)（5°N—5°S，120°—170°W）SST來表示ENSO事件強(qiáng)弱。1982，1997和2015年El Ni?o事件強(qiáng)度都超過了2.0℃。1982和1997年這兩次強(qiáng)El Ni?o事件的后一年，太平洋都出現(xiàn)了La Ni?a事件，但Ni?o 3.4區(qū)SST偏冷的強(qiáng)度有差異。1983年La Ni?a事件較弱，冬季ONI均未超過1℃。而1998年La Ni?a事件極強(qiáng)，NDJ（11月—次年1月）滑動(dòng)平均ONI已達(dá)-1.5℃，這兩次La Ni?a事件對(duì)全球氣候都造成了較大影響。2016年同樣作為2015年強(qiáng)El Ni?o事件的后一年，是否還會(huì)形成較強(qiáng)的La Ni?a事件呢？下面分析比較1982—2016年不同季節(jié)和不同大洋海洋溫度變化與夏季MJO活動(dòng)之間的相互關(guān)系，并特別對(duì)1983，1998和2016年情況進(jìn)行對(duì)比分析，由此判斷2016年ENSO發(fā)生發(fā)展的趨勢(shì)。

1 重要機(jī)理概述

統(tǒng)計(jì)了1982—2015年冬、春季節(jié)熱帶大西洋海溫和MJO指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)冬、春季節(jié)（FMAM）熱帶大西洋海溫異常、夏季（JJA）MJO持續(xù)異常、冬季（DJF）ENSO三者之間有著非常好的相關(guān)關(guān)系（圖1a）。MJO是一種存在于赤道附近的向東傳播的大氣季節(jié)內(nèi)振蕩。前期的研究［6］發(fā)現(xiàn)，在夏季MJO會(huì)出現(xiàn)不傳播而停滯在熱帶印度洋或太平洋的持續(xù)異常情況，并定義了描述夏季MJO持續(xù)異常的指數(shù)IIP。圖1b為夏季（JJA）MJO的持續(xù)異常指數(shù)IIP和前期冬、春季節(jié)（FMAM）熱帶大西洋海溫的相關(guān)圖。冬、春季節(jié)熱帶大西洋海溫的異常偏暖（偏冷）首先增強(qiáng)（減弱）了沃克環(huán)流（赤道太平洋緯向環(huán)流圈）的次生環(huán)流，之后使得赤道地區(qū)出現(xiàn)沃克環(huán)流加強(qiáng)（減弱），進(jìn)而導(dǎo)致了夏季MJO在印度洋（太平洋）持續(xù)異常。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，冬、春季節(jié)熱帶大西洋海溫異常指數(shù)A1（圖1b中矩形區(qū)域平均海溫）與IIP之間的相關(guān)為-0.67。前期的研究［7］還發(fā)現(xiàn)，夏季MJO的持續(xù)異常能激發(fā)并促進(jìn)ENSO事件的發(fā)生發(fā)展，夏季MJO的持續(xù)異常與冬季ONI指數(shù)的相關(guān)高達(dá)0.89。因此，以MJO這個(gè)熱帶大氣中強(qiáng)有力的系統(tǒng)作為冬春季節(jié)熱帶大西洋海溫異常與秋、冬季節(jié)太平洋ENSO的中間橋梁，很好地解釋了春季大西洋海洋信號(hào)傳遞到夏季大氣中，進(jìn)而再傳遞到冬季太平洋海洋的過程（如圖1a所示，春季熱帶大西洋海溫異常指數(shù)A1和冬季ENSO指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為-0.53）。

2 預(yù)測(cè)依據(jù)——指標(biāo)和信號(hào)

由圖1c可見，春季熱帶大西洋最強(qiáng)的高海溫年份與冬季La Ni?a事件年份對(duì)應(yīng)都是較好的（如1988，1998，2008和2010年）。在了解了春季熱帶大西洋海溫偏暖與夏季MJO在印度洋持續(xù)異常、秋冬La Ni?a事件之間較顯著的關(guān)系之后，選擇強(qiáng)El Ni?o年份的后一年（1983，1998和2016年）進(jìn)行對(duì)比。眾所周知，強(qiáng)El Ni?o事件之后，常常跟隨著La Ni?a事件的發(fā)生。1983，1998和2016年熱帶大西洋海溫關(guān)鍵區(qū)指數(shù)A1已標(biāo)明為紅色（圖1c），可見1983年春季熱帶大西洋海溫增溫并不顯著，所以該年夏季MJO持續(xù)異常和冬季La Ni?a事件亦不是特別顯著。1998年春季熱帶大西洋海溫偏高，夏季MJO持續(xù)異常顯著，冬季為典型La Ni?a事件。而2016年2—3月SST都偏高。由此可以推測(cè)2016年夏季MJO在印度洋持續(xù)活躍的可能性較大，冬季La Ni?a事件生成可能性較大。

將所對(duì)比的1983，1998和2016年2—5月（FMAM）大西洋關(guān)鍵區(qū)SST與圖1b的SST關(guān)鍵區(qū)定義相比：1983年（圖2a）熱帶大西洋SST信號(hào)并不顯著，而1998年（圖2b）則表現(xiàn)出了熱帶大西洋SST偏暖的特征。2016年平均的情況（圖2c）與1998年平均較接近。與圖1相比，進(jìn)一步證明了2016年前期熱帶大西洋SST的異常偏暖，可能導(dǎo)致2016年夏季MJO在熱帶印度洋持續(xù)活躍。

圖1 （a）冬、春季節(jié)（FMAM）熱帶大西洋海溫異常、夏季（J J A）MJ O持續(xù)異常、冬季（DJ F）ENSO相關(guān)示意圖（相關(guān)系數(shù)R均超過了99.9%信度檢驗(yàn)）；（b）冬春季節(jié)（FMAM）熱帶大西洋海溫與夏季MJ O持續(xù)異常指數(shù)IIP的相關(guān)，（填色區(qū)域均通過了90%顯著性檢驗(yàn)）；（c）FMAM逐月熱帶大西洋海溫關(guān)鍵區(qū)異常指數(shù)A1（藍(lán)色柱狀圖）（本文討論的1983，1998和2016年降水以紅色特別標(biāo)明）、夏季（J J A）MJ O持續(xù)異常指數(shù)IIP（綠色折線）與冬季（DJ F）ENSO指數(shù)ONI（黃色折線）逐年序列Fig. 1 (a) Diagram of correlation among the tropical Atlantic SSTA in winter- spring (FMAM), the persistent anomaly of MJ O in Summer (J J A) and the ENSO in Winter. The correlation coefficients are all over 0.01 significance; (b) Distribution diagram of correlation coefficients between the tropical Atlantic SST in winter and the persistent anomaly of MJ O index IIP. The shadowed areas passed at 0.1 significance; (c) Time series of monthly Index (FMAM): the Tropical Atlantic key region SSTA in blue histogram, of which, the 1983, 1998, 2016 we discussed are particularly marked in red; the persistent anomaly of summer MJ O index IIPin green line; and the winter (DJ F) Oceanic Ni?o Index (ONI) in yellow line

圖2 熱帶大西洋海溫距平2—5月（FMAM）平均：（a）1983年，（b）1998年，（c）2016年Fig. 2 The tropical Atlantic SSTA in FMAM: (a) 1983, (b) 1998 and (c) 2016

同時(shí)，分析對(duì)比夏季MJO及秋冬ENSO的情況。使用美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心定義的MJO指數(shù)，經(jīng)15d滑動(dòng)平均，計(jì)算出了其前一年6月—次年12月的演變圖（圖3a—3c）。指數(shù)的負(fù)值（藍(lán)色）代表MJO活躍，正值（紅色）代表MJO受到抑制。1982年（圖3a）、1997年（圖3b）、2015年（圖3c）夏季MJO都出現(xiàn)了在太平洋持續(xù)異常活躍的相似特征（如紅框所示），并且在當(dāng)年秋冬（圖3d—3f）赤道太平洋次表層（5～303m）均有暖海水向東傳遞，因此激發(fā)和促進(jìn)了El Ni?o事件在冬季的發(fā)生。與前面討論的次年冬春季節(jié)熱帶大西洋海溫異常相對(duì)應(yīng)，次年赤道太平洋次表層海溫的發(fā)展趨勢(shì)則有較大的差異：1983年夏季MJO在印度洋持續(xù)異常，但異常特征較弱（圖3a）；而冬季太平洋東部次表層冷海水衰退快，-1℃并未傳遞到120°W，因此當(dāng)年La Ni?a事件強(qiáng)度較弱（圖3d）；1998年夏季MJO在印度洋持續(xù)異常特征則較為顯著（圖3b），之后冬季太平洋東部次表層冷海水東傳更強(qiáng)，最終發(fā)生了較強(qiáng)的La Ni?a事件。

圖3 前一年6月—次年12月的MJ O演變情況：（a）1982年6月—1983年12月，（b）1997年6月—1998年12月，（c）2015年6月-2016年12月；及前一年8月—第三年2月赤道太平洋5～303m平均次表層海溫的演變情況：（d）1982年8月—1984年2月，（e）1997年8月—1999年2月，（f）2015年8月—2016年5月Fig. 3 The MJ O indices for J une 1982 to December 1983 (a), for J une 1997 to December 1998 (b), for J une 2015 to December 2016 (c); the equatorial Pacific subsurface ocean (5-303m) temperature anomaly (SOTA) for August 1982 to February 1984 (d), for August 1997 to February 1999 (e), for August 2015 to May 2016 (f)

3 結(jié)論

通過研究結(jié)果和前面的比較發(fā)現(xiàn)，2016年的海氣熱力狀況與1998年更為接近。由于2016年前期冬、春季節(jié)熱帶大西洋海溫偏暖，較可能使得夏季MJO在印度洋持續(xù)異?；钴S。因此，太平洋次表層冷海水向東部的傳遞會(huì)增強(qiáng)，可能導(dǎo)致2016年秋冬季節(jié)發(fā)生中等強(qiáng)度的La Ni?a事件。

［1］ Ham Y， Kug J， Park J， et al. Sea surface temperature in the north tropical Atlantic as a trigger for El Ni?o/Southern Oscillation events. Nature Geoscience， 2013， 6（2）： 112-116.

［2］ Polo I， Martin-Rey M， Rodriguez-Fonseca B， et al. Processes in the Pacifi c La Ni?a onset triggered by the Atlantic Ni?o. Climate Dynamics， 2015， 44（1-2）： 115-131.

［3］ Martín-Rey M， Rodríguez-Fonseca B， Polo I， et al. On the Atlantic-Pacifi c Ni?os connection： A multidecadal modulated mode. Climate Dynamics， 2014， 43（11）： 3163-3178.

［4］ Ham Y G， Kug J S， Park J Y. Two distinct roles of Atlantic SSTs in ENSO variability： North tropical Atlantic SST and Atlantic Ni?o. Geophysical Research Letters， 2013， 40（15）： 4012-4017.

［5］ Sasaki W， Doi T， Richards K J， et al. Impact of the equatorial Atlantic sea surface temperature on the tropical Pacifi c in a CGCM. Climate Dynamics， 2014， 43（9-10）： 2539-2552.

［6］ 嚴(yán)欣， 琚建華. 夏季MJO持續(xù)異常的主要特征分析. 大氣科學(xué)，2016， doi： 10.3878/j.issn.1006-9895.1601.15248， 待發(fā)表.

［7］ Yan X， Ju J， Gan W. The influence of persistent anomaly of MJO on ENSO. Journal of Tropical Meteorology， 2016， DOI：10.16555/j.1006-8775.

A Possibility of the Warm Sea Surface Temperature in Tropical Atlantic to Promote La Ni?a Events

Yan Xin1， Ren Juzhang2， Ju Jianhua3
（1 College of Resources Environment and Geosciences， Yunnan University， Kunming 650031 2 Yunnan Research Institute of Meteorology， Kunming 650034 3 Yunnan Provincial Metrological Bureau， Kunming 650034）

First of all， we did fi nd that there are obvious correlations among the Atlantic SST in spring， the MJO anomalies in summer and the Pacifi c ENSO in winter. Secondly， two La Ni?a events respectively followed the top 2 powerful El Ni?o events in 1982 and 1997 after 1951. Thirdly a super strong El Ni?o event appeared in 2015. In this paper， the characteristics of the spring Atlantic SST and the summer MJO signals in 1983， 1998 and 2016 are compared. Then the changes of SST in autumn and winter 2016 are forecasted. The results show that the SST in defi ned key area of Atlantic occurred an abnormal warmer status in spring 2016， and was similar to that in 1998； the MJO may likely be abnormally active in Indian Ocean in summer 2016， in a much greater extent. These mean that a moderate La Ni?a event in tropical Pacifi c will probably occur in the autumn and winter 2016.

Atlantic SST， persistent anomaly of the Madden Julian Oscillation （MJO）， La Ni?a event， El Ni?o-Southern Oscillation（ENSO）

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.05.007

2016年7月25日；

2016年9月2日

琚建華（1956—），Email： jujh@cma.gov.cn

資助信息： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41375059）；公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201306022）