2015/2016厄爾尼諾事件的衰減位相及其對應(yīng)的西北太平洋環(huán)流異常

陳衛(wèi),陸日宇

中國科學(xué)院 大氣物理研究所 大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029

2015/2016厄爾尼諾事件的衰減位相及其對應(yīng)的西北太平洋環(huán)流異常

陳衛(wèi),陸日宇*

中國科學(xué)院 大氣物理研究所 大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029

2016-08-24收稿，2016-09-26接受

國家自然科學(xué)基金委重大國際(地區(qū))合作研究項(xiàng)目(41320104007);國家自然基金委聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1502233)

利用季節(jié)平均HadISST海溫、CMAP降水及NCEP風(fēng)場數(shù)據(jù),分析了2015/2016超級厄爾尼諾衰減期的特征及其對應(yīng)的西北太平洋大氣環(huán)流異常。結(jié)果表明:2015/2016厄爾尼諾事件除了成熟位相冬季強(qiáng)度大以外,還具有在隨后春季衰減快,到夏季就消亡的特征。伴隨著厄爾尼諾的迅速衰減,西北太平洋有較強(qiáng)的反氣旋環(huán)流異常維持。厄爾尼諾衰減位相與西太反氣旋異常存在相互作用。一方面,由于此次厄爾尼諾事件強(qiáng)度強(qiáng),衰減期熱帶印度洋有顯著的暖海溫異常從冬季一直維持到夏季,有利于西太反氣旋的增強(qiáng)和維持。另一方面,西太反氣旋環(huán)流異常的維持及其南側(cè)東風(fēng)異常的發(fā)展使得中東太平洋正海溫異常減弱,令厄爾尼諾事件快速衰退。此外,通過與1982/1983和1997/1998年比較發(fā)現(xiàn),這三次超強(qiáng)厄爾尼諾事件雖強(qiáng)度相當(dāng),但衰減位相及與之相聯(lián)系的西太反氣旋異常都不盡相同。1982/1983事件衰減慢,維持時(shí)間長,對應(yīng)的西太反氣旋強(qiáng)度弱。而1997/1998事件衰減快,維持時(shí)間短,對應(yīng)的西太反氣旋強(qiáng)度在春季和夏季都強(qiáng)盛維持。2015/2016事件的衰減速度明顯快于1982/1983事件,對應(yīng)的西太反氣旋也強(qiáng)于1982/1983事件,由于2015/2016事件增暖中心偏向于中東太平洋,而這里是厄爾尼諾衰減過程中負(fù)海溫異常最先出現(xiàn)的區(qū)域,因此盡管2015/2016事件中西太反氣旋異常的強(qiáng)度弱于1997/1998事件,但衰減速度及衰減位相維持時(shí)間與1997/1998相當(dāng)。本文研究結(jié)果表明厄爾尼諾衰減與西太反氣旋異常之間的關(guān)系較為復(fù)雜,需進(jìn)一步研究。

2015/2016厄爾尼諾

厄爾尼諾季節(jié)演變

厄爾尼諾衰減位相

西北太平洋反氣旋環(huán)流異常

超強(qiáng)厄爾尼諾

厄爾尼諾事件是指赤道中東太平洋海溫持續(xù)異常增暖的現(xiàn)象,每2～7 a就會發(fā)生一次。作為熱帶太平洋海氣相互作用最強(qiáng)烈的年際變率信號,厄爾尼諾發(fā)生時(shí),給全球多地造成氣候異常和極端氣候事件。由于大氣環(huán)流對海溫異常的滯后響應(yīng),盡管厄爾尼諾強(qiáng)度在次年開始衰減,但其氣候影響仍將持續(xù)。對于東亞季風(fēng)區(qū),特別是我國夏季降水的影響,主要就集中在厄爾尼諾衰減位相(Huang and Wu,1989;Zhang et al.,1996,1999;倪東鴻等,2000;黃平和黃榮輝,2010)。

在厄爾尼諾衰減位相,西北太平洋環(huán)流異常是連接厄爾尼諾與東亞氣候異常的橋梁(Wang et al.,2000;Chou et al.,2003)。厄爾尼諾衰減年,西北太平洋上形成反氣旋性環(huán)流異常(Western North Pacific Anticyclonic circulation anomaly,簡稱WNPAC;也被稱為菲律賓反氣旋),造成西北太平洋副熱帶高壓偏南偏強(qiáng),使長江中下游的梅雨鋒穩(wěn)定少動,同時(shí)反氣旋環(huán)流西側(cè)的異常偏南風(fēng)向長江中下游輸送大量水汽,使長江中下游降水偏多,而江淮及華北降水偏少(劉穎和倪允琪,1998;黃榮輝等,2003;趙亮等,2006)。

WNPAC在厄爾尼諾衰減位相的維持受到厄爾尼諾強(qiáng)度,以及與之相聯(lián)系的熱帶印度洋海溫的影響。前冬厄爾尼諾強(qiáng)度越強(qiáng),越有利于隨后春夏季W(wǎng)NPAC的增強(qiáng)維持(Wang et al.,2000;Li et al.,2007;Chen et al.,2012,2014a)。熱帶印度洋可以將前冬厄爾尼諾的信號儲存起來并在隨后的春夏季維持顯著的暖海溫異常,通過激發(fā)東傳開爾文波和?？寺椛?進(jìn)而加強(qiáng)維持WNPAC(Wu et al.,2009;Xie et al.,2009)。此外,熱帶大西洋海溫在厄爾尼諾衰減期的增暖通過加強(qiáng)沃克環(huán)流在西北太平洋下沉運(yùn)動也有利于WNPAC的加強(qiáng)(Hong et al.,2013,2015;Chen et al.,2014c)。

另一方面,WNPAC對厄爾尼諾衰減位相也有重要調(diào)制作用(Wang et al.,2001)。WNPAC的維持有利于厄爾尼諾的快速衰亡(Chen et al.,2012,2015;Yun et al.,2015)。WNPAC在厄爾尼諾次年春季和夏季維持,中心向東移,其南側(cè)的東風(fēng)異常不斷向東擴(kuò)展,加強(qiáng)了氣候態(tài)東風(fēng),有利于中東太平洋暖海溫的減弱消亡及冷海溫的出現(xiàn)發(fā)展。因此WNPAC強(qiáng)度越大,厄爾尼諾衰減越快,維持事件越短。此外,西太環(huán)流異常的不對稱性還可導(dǎo)致厄爾尼諾事件衰減快于拉尼娜事件(Wu et al.,2010)。

2015/2016中東太平洋發(fā)生了一次超強(qiáng)厄爾尼諾,此次事件強(qiáng)度大,影響范圍廣(邵勰等,2016;袁媛等,2016)。在衰減位相春季造成我國華南汛期降水偏多,而到夏季已經(jīng)在我國長江流域引發(fā)多次持續(xù)強(qiáng)降水。這些都與衰減位相的海溫及環(huán)流異常的分布密切相關(guān)。2015/2016超強(qiáng)厄爾尼諾事件的衰減位相特征如何,對應(yīng)的WNPAC如何演變,是否符合厄爾尼諾事件和WNPAC相互作用方面的前期研究結(jié)果?此外,此次事件在強(qiáng)度上與1982/1983、1997/1998厄爾尼諾事件相當(dāng),三次事件有哪些異同?本文將針對這些問題開展研究。

1 資料與方法

資料包括:1)英國氣象局哈德萊中心提供的海表溫度資料(Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature dataset,簡稱HadISST)(Rayner et al.,2003),水平分辨率1°×1°,資料長度為1949年1月至2016年8月。2)美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國國家大氣研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research,簡稱NCEP/NCAR)提供的風(fēng)場資料(Kalnay et al.,1996),水平分辨率2.5°×2.5°,資料長度為1949年1月至2016年8月。美國氣候預(yù)測中心降水綜合分析資料(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation,簡稱CMAP)(Xie and Arkin,1997),水平分辨率2.5°×2.5°,資料長度為1979年1月至2016年8月。主要采用合成分析、線性相關(guān)等統(tǒng)計(jì)方法。

2 2015/2016厄爾尼諾事件衰減位相主要特征

2015/2016年厄爾尼諾事件的季節(jié)演變大致遵循上述過程,但強(qiáng)度和位相演變過程還存在獨(dú)特性。在2014年冬季,熱帶中東太平洋就已經(jīng)有了正海溫異常,但強(qiáng)度較弱,并未達(dá)到一次暖事件的強(qiáng)度(Li et al.,2015;Min et al.,2015)。從2015年春季開始,正海溫異常得到不斷地發(fā)展和加強(qiáng),并在冬季達(dá)到頂峰。此次事件成熟位相冬季Nio3.4指數(shù)強(qiáng)度為2.46 ℃,比其他事件合成的強(qiáng)度(1.55 ℃)高出約60%,超出了各事件之間一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的變化,甚至強(qiáng)于歷史上兩次超強(qiáng)厄爾尼諾事件(1982/1983和1997/1998)的強(qiáng)度(Nio3.4指數(shù)分別為2.40 ℃和2.33 ℃)。在衰減年,熱帶中東太平洋正海溫異常迅速減弱,盡管冬季強(qiáng)度很大,但春季的強(qiáng)度已經(jīng)接近合成的強(qiáng)度,因此衰減速率也遠(yuǎn)大于合成結(jié)果。到2016年夏季,熱帶中東太平洋正海溫異常已經(jīng)完全衰退,并正向著負(fù)異常轉(zhuǎn)變。這表明,2015/2016超強(qiáng)厄爾尼諾事件夏季就已經(jīng)結(jié)束。通過與觀測中前10次事件的合成結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),此次事件具有強(qiáng)度大,衰減快的特點(diǎn)。

圖1 厄爾尼諾事件時(shí)Nio3.4指數(shù)的季節(jié)演變(單位:℃;紅色實(shí)線為2015/2016事件;黑色虛線為觀測中前20次厄爾尼諾事件的合成結(jié)果。陰影表示所有事件一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的變化。Nio3.4定義190～240°E、5°S～5°N區(qū)域內(nèi)平均的海表面溫度異常。厄爾尼諾事件定義為冬季平均Nio3.4指數(shù)大于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差,由此得到1957/1958;1965/1966;1972/1973;1982/1983;1986/1987;1991/1992;1994/1995;1997/1998;2002/2003;2009/2010;2015/2016共11個(gè)厄爾尼諾事件)Fig.1 Seasonal evolution of Nio3.4 index(units:°C) for the 2015/2016 El Nio(solid red line) and the composite of 10 other El Nio observations(dashed black line) [shading represents one standard deviation among the El Nio cases;the Nio3.4 index is defined as the SST anomalies averaged over the region(5°S—5°N,190—240°E);an El Nio event is defined as the Nio3.4 index in boreal winter(December-Feburary) being greater than one standard deviation;11 El Nio events(1957/1958;1965/1966;1972/1973;1982/1983;1986/1987;1991/1992;1994/1995;1997/1998;2002/2003;2009/2010;2015/2016) are obtained under this criterion]

這些特點(diǎn)從海溫空間分布的季節(jié)演變(圖2)也能得出。2015/2016年冬季,熱帶中東太平洋正海溫異常強(qiáng)盛,而西北太平洋則為負(fù)海溫異常,因此在赤道太平洋存在明顯的東西海溫梯度。另外,伴隨著厄爾尼諾的發(fā)生,熱帶印度洋(Xie et al.,2009)和熱帶大西洋(Enfield and Mayer,1997;Saravanan and Chang,2000)的海溫都顯著偏暖。在2016年春季,中東太平洋正海溫異常的強(qiáng)度迅速衰減,范圍向西擴(kuò)展,暖中心西移至中太平洋。而熱帶印度洋暖海溫異常繼續(xù)維持,強(qiáng)度甚至有所加強(qiáng)。到2016年夏季,赤道中東太平洋出現(xiàn)負(fù)海溫異常,熱帶西太平洋上暖海溫異常的范圍擴(kuò)大,強(qiáng)度增強(qiáng),這表明該厄爾尼諾事件已經(jīng)消亡。另外,印度洋上仍然維持正海溫異常,但強(qiáng)度較春季有所減弱。

2015/2016年冬季到2016年夏季熱帶地區(qū)的降水異常和對流層低層風(fēng)場異常也與海溫的分布(圖3)密切聯(lián)系。冬季,伴隨著超強(qiáng)厄爾尼諾的發(fā)生,赤道中東太平洋西風(fēng)異常維持,在其西側(cè)西北太平洋上出現(xiàn)反氣旋異常,其南側(cè)的東風(fēng)異常由赤道西太平洋延伸至赤道東印度洋。對應(yīng)于強(qiáng)烈的暖海溫異常,中太平洋對流異常發(fā)展,降水增強(qiáng)。而西北太平洋上海洋性大陸及我國南海地區(qū)出現(xiàn)負(fù)降水異常。由于WNPAC維持令西太副熱帶高壓增強(qiáng),有利于水汽的向北輸送,造成我國華南多雨。另外,伴隨著熱帶印度洋的暖海溫異常,該地區(qū)降水也增強(qiáng),特別是東南印度洋上出現(xiàn)正降水異常。

春季(圖3b),赤道東太平洋上異常西風(fēng)減弱,范圍向東縮小,對中東太平洋暖海溫異常維持的作用也減弱。而隨著正海溫異常的減弱衰退(圖2b),中太平洋上正降水異常也減弱,范圍縮小。其西側(cè)的WNPAC則繼續(xù)維持,并向東擴(kuò)展。該反氣旋南側(cè)的東風(fēng)異常向東延伸到赤道中太平洋,一方面通過緯向平流反饋對海溫傾向的作用使得熱帶中太平洋暖海溫異常迅速減弱(Kug et al.,2009),另一方面增強(qiáng)氣候態(tài)風(fēng)場,有利于次表層冷水上翻,減弱了熱帶東太平洋海溫異常,從而導(dǎo)致厄爾尼諾的迅速衰退(Chen et al.,2012,2015;Yun et al.,2015)。由此可見,WNPAC的維持及其南側(cè)東風(fēng)異常的發(fā)展使得中東太平洋正海溫異常減弱,是令厄爾尼諾事件快速衰退的重要原因。

夏季(圖3c),在副熱帶西北太平洋上出現(xiàn)氣旋性環(huán)流異常,其南側(cè)的WNPAC強(qiáng)度減弱,但赤道西太平洋上仍然維持東風(fēng)異常,與赤道東太平洋上西風(fēng)異常一起,在赤道中太平洋上形成輻散環(huán)流,有利于赤道中東太平洋上冷海溫異常的出現(xiàn)(圖2c)。伴隨著冷海溫的發(fā)展,赤道太平洋上負(fù)降水異常發(fā)展(圖3c)。

圖2 2015/2016厄爾尼諾事件成熟位相冬季(D(0)JF(1);a)及隨后春季(MAM(1);b)和夏季(JJA(1);c)的海表面溫度異常的空間分布(單位:℃)Fig.2 Distribution of the SST anomaly(units:°C) for the 2015/2016 El Nio in (a)the mature winter[(D(0)JF(1)],and the subsequent (b)spring[(MAM(1))] and (c) summer [(JJA(1))]

圖4 2015/2016厄爾尼諾事件成熟位相冬季(D(0)JF(1);a)及隨后春季(MAM(1);b)和夏季(JJA(1);c)的850 hPa流函數(shù)異常的空間分布(單位:106 m2·s-1)Fig.4 Distribution of 850 hPa stream-function anomalies(units:106 m2·s-1) for the 2015/2016 El Nio in (a)the mature winter[(D(0)JF(1))],and the subsequent (b)spring [(MAM(1))] and (c)summer [(JJA(1))]

圖4給出850 hPa流函數(shù)異常的分布,能夠更清楚的看出WNPAC的強(qiáng)度和演變。在2015/2016年冬季,熱帶中太平洋顯著的正降水異常產(chǎn)生非絕熱加熱(圖3a),根據(jù)Gill型羅斯貝波響應(yīng),在其西側(cè)的西太平洋上激發(fā)出一對反氣旋性環(huán)流異常,其東側(cè)則為開爾文波響應(yīng),在中東太平洋上出現(xiàn)氣旋性環(huán)流異常(圖4a)。到2016年春季,由于中東太平洋正降水異常的減弱,其東側(cè)氣旋環(huán)流也減弱。但WNPAC仍然維持,這是由于印度洋海溫異常增暖(圖2),通過暖性開爾文波引起赤道西太平洋?？寺椛?進(jìn)一步加強(qiáng)了WNPAC(Xie et al.,2009)。此外,熱帶大西洋暖海溫異常(圖2)觸發(fā)局地輻合上升氣流通過緯向翻轉(zhuǎn)環(huán)流在赤道中西太平洋下沉,也有利于加強(qiáng)WNPAC(Hong et al.,2015;Chen et al.,2014c)。隨著厄爾尼諾事件的快速衰減,熱帶中東太平洋正海溫異常在2016年春季顯著減弱,但熱帶印度洋及大西洋的暖海溫異常令WNPAC繼續(xù)維持加強(qiáng)。夏季,從季節(jié)平均的環(huán)流場上看,WNPAC已經(jīng)減弱消退。而從月平均時(shí)間尺度(圖略)上看,WNPAC在2016年6月強(qiáng)盛維持,7月強(qiáng)度略有減弱,但仍然保持反氣旋性環(huán)流異常,直到8月才消退。因此,在2016年初夏在西北太平洋上還是保持著反氣旋環(huán)流異常。另外,在赤道中東太平洋低層有反氣旋性環(huán)流異常發(fā)展,這是由于此時(shí)負(fù)海溫異常的發(fā)展,令該地區(qū)出現(xiàn)下沉氣流。

綜上所述,2015/2016厄爾尼諾事件具有強(qiáng)度大,衰減快的特點(diǎn)。并在其衰減位相,同與之相聯(lián)系的WNPAC產(chǎn)生相互作用。一方面,伴隨著此次超強(qiáng)厄爾尼諾事件在冬季達(dá)到最強(qiáng),赤道中太平洋對流增強(qiáng),通過非絕熱加熱在其西側(cè)激發(fā)出WNPAC。隨后熱帶中東太平海溫雖然迅速減弱,但熱帶印度洋和熱帶大西洋都有顯著的暖海溫異常從冬季一直維持到春季,有利于WNPAC的增強(qiáng)和維持。另一方面,WNPAC的穩(wěn)定維持,其南側(cè)東風(fēng)異常的不斷發(fā)展并向東擴(kuò)展到赤道中太平洋,使得中東太平洋正海溫異常減弱,令厄爾尼諾事件快速衰退。

3 與1982/1983、1997/1998超強(qiáng)厄爾尼諾的比較

1982/1983和1997/1998年也發(fā)生了兩次強(qiáng)度極強(qiáng)的厄爾尼諾,其成熟位相冬季的Nio3.4都超過了2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。它們的衰減位相如何?與2015/2016事件有什么異同?這是本節(jié)將要回答的問題。

圖5 1982/1983(a、b、c)和1997/1998(d、e、f)厄爾尼諾事件成熟位相冬季(a、d),隨后春季(b、e)及夏季(c、f)的海表面溫度異常的空間分布(單位:℃)Fig.5 Distribution of the SST anomaly(units:°C) for (a—c) the 1982/1983 El Nio and (d—f) the 1997/1998 El Nio in (a,d)the mature winter[(D(0)JF(1))],and the (b,e)subsequent spring[(MAM(1))] and (c,f) summer [(JJA(1))]

圖5是觀測中這兩次厄爾尼諾事件衰減位相海溫異常的季節(jié)演變。在熱帶中東太平洋,這兩次事件成熟位相冬季都有很強(qiáng)的正海溫異常(圖5a、圖5d),強(qiáng)度與2015/2016年冬季相當(dāng)(圖2a)。但兩次事件暖中心偏向于赤道東太平洋(圖5a、圖5d),而2015/2016事件中最大異常中心偏向于中太平洋(圖2a)。隨后熱帶中東太平洋正海溫異常減弱,但衰退的速度明顯存在差異。1982/1983事件衰減位相維持事件較長,到了夏季仍然有顯著的暖海溫維持(圖5c),表明此時(shí)該事件還在繼續(xù)。而1997/1998事件衰減較快,到1998年夏季就已經(jīng)結(jié)束,赤道中太平洋出現(xiàn)負(fù)海溫異常。因此,從衰減位相維持時(shí)間來看,2015/2016事件與1997/1998事件類似,都屬于維持時(shí)間短迅速衰退型。而1982/1983事件則是維持時(shí)間長衰減慢的類型,這與Chen et al.(2012,2014b)對觀測中厄爾尼諾衰減位相的分類相同。

伴隨著這兩次暖事件,熱帶印度洋海溫都有正海溫異常從冬季一直維持到夏季,但強(qiáng)度明顯不同。1998年熱帶印度洋海溫異常的強(qiáng)度都強(qiáng)于1983年,這有利于WNPAC在1998年春夏季的穩(wěn)定維持。此外,熱帶大西洋在1983年表現(xiàn)為弱的負(fù)海溫異常(圖5a—5c),而1998年則為顯著的正海溫異常(圖5d—5f),與2016年類似(圖2)。

圖6給出降水異常和對流層低層風(fēng)場在1982/1983和1997/1998兩次厄爾尼諾衰減位相的季節(jié)演變。冬季,赤道中東太平洋西風(fēng)異常,減弱了氣候態(tài)東風(fēng),抑制了次表層的冷水上翻,因而有利于暖海溫的加強(qiáng)維持。伴隨著對流加強(qiáng),顯著的正降水異常出現(xiàn),并通過非絕熱加熱,在其左側(cè)西北太平洋地區(qū)激發(fā)出反氣旋性環(huán)流異常,其南側(cè)的東風(fēng)異常從海洋性大陸延伸到赤道東印度洋。值得注意的是,這兩次事件正降水異常中心主要位于熱帶中東太平洋(圖6a、6d),而2015/2016事件時(shí)則位于熱帶中太平洋(圖3a),這也對應(yīng)于這兩次事件較2015/2016事件正海溫異常中心更偏東。

隨著厄爾尼諾事件的衰減,兩次事件對應(yīng)的降水和環(huán)流異常也出現(xiàn)不同。春季,赤道中東太平洋上的西風(fēng)異常在1983年更強(qiáng),有利于暖海溫的繼續(xù)維持,而WNPAC及其南側(cè)的東風(fēng)異常則是1998年更強(qiáng),使得暖海溫衰減。夏季,1983年事件時(shí)WNPAC減弱北抬,而熱帶中東太平洋繼續(xù)維持較強(qiáng)的西風(fēng)異常以及正降水異常。而1998年事件中,WNPAC穩(wěn)定維持,其南側(cè)的東風(fēng)異常向東延伸到赤道中太平洋,加速了暖海溫的消亡以及向冷海溫的轉(zhuǎn)變(圖5f)。

圖6 1982/1983(a、b、c)和1997/1998(d、e、f)厄爾尼諾事件成熟位相冬季(a、d),隨后春季(b、e)及夏季(c、f)的降水異常(陰影;單位:mm·d-1)及850 hPa風(fēng)場異常(箭矢)的空間分布Fig.6 Distribution of precipitation anomalies(shading;units:mm·d-1) and 850 hPa wind anomlies(vectors) for (a—c)the 1982/1983 El Nio and (d—f)the 1997/1998 El Nio in (a,d)the mature winter[(D(0)JF(1))],and the (b,e)subsequent spring[(MAM(1))] and (c,f) summer [(JJA(1))]

圖7 1982/1983(a、b、c)和1997/1998(d、e、f)厄爾尼諾事件成熟位相冬季(a、d),隨后春季(b、e)及夏季(c、f)的850 hPa流函數(shù)異常的空間分布(單位:106m2·s-1)Fig.7 Distribution of 850 hPa stream-function anomalies(units:106 m2·s-1) for (a—c)the 1982/1983 El Nio and (d—f)the 1997/1998 El Nio in (a,d)the mature winter[(D(0)JF(1))],and the (b,e)subsequent spring[(MAM(1))] and (c,f)summer [(JJA(1))]

圖7能夠更清楚的看出WNPAC在兩次厄爾尼諾衰減位相的不同演變和強(qiáng)度變化。1982/1983事件中,WNPAC從冬季到夏季存在顯著減弱的趨勢,特別是夏季,西北太平洋上環(huán)流異常已經(jīng)很弱。而1997/1998事件時(shí),WNPAC從冬季到夏季一直強(qiáng)盛維持,中心位置及范圍略有東移。WNPAC強(qiáng)度的不同與這兩次超強(qiáng)厄爾尼諾衰減位相的維持時(shí)間顯著不同有關(guān)(Chen et al.,2012,2015):1997/1998事件衰減位相維持時(shí)間短,熱帶中東太平洋已經(jīng)衰減為負(fù)海溫異常(圖5f),有利于在其西側(cè)激發(fā)出反氣旋性環(huán)流異常,同時(shí)印度洋上正海溫異常也有利于WNPAC的增強(qiáng)維持。而1982/1983厄爾尼諾維持時(shí)間長,熱帶中東太平洋仍然維持暖海溫異常(圖5c),在其西側(cè)產(chǎn)生氣旋性環(huán)流異常,與印度洋上暖海溫異常的作用相互抵消,對應(yīng)于西北太平洋環(huán)流減弱。因此,厄爾尼諾衰減位相維持時(shí)間長短所對應(yīng)的熱帶中東太平洋和印度洋的不同海溫配置是導(dǎo)致WNPAC強(qiáng)度不同的原因(Chen et al.,2012,2015)。

圖8 2015/2016(紅色實(shí)線)、1997/1998(藍(lán)色虛線)、1982/1983(黑色點(diǎn)虛線)厄爾尼諾事件時(shí)，Nio3.4指數(shù)(a;單位:℃)及WNPAC指數(shù)(b;單位:106 m2·s-1)的季節(jié)演變(WNPAC指數(shù)定義為110～160°E、10～25°N區(qū)域內(nèi)平均的850 hPa流函數(shù)異常)Fig.8 Seasonal evolution of (a)Nio3.4 index(units:°C) and (b)WNPAC index(units:106 m2·s-1) for the 2015/2016(solid red line),1997/1998(dashed blue line) and 1982/1983(dashed black line) El Nio event[the WNPAC index is defined as the 850 hPa stream-function anomalies averaged over the region(10—25°N,110—160°E)]

為了比較這三次超強(qiáng)厄爾尼諾事件及其對應(yīng)的WNPAC的循環(huán)演變,給出Nio 3.4指數(shù)及西太反氣旋指數(shù)的季節(jié)演變(圖8)。這三次事件發(fā)展位相及成熟位相的強(qiáng)度都很接近,主要的區(qū)別在于衰減位相(圖8a)。1982/1983事件衰減慢,維持時(shí)間長,到次年秋季才轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)位相。而1997/1998事件衰減快,維持時(shí)間短,到夏季就向負(fù)位相發(fā)展,并在隨后冬季形成一次拉尼娜事件。2015/2016事件冬季強(qiáng)度略強(qiáng)于前兩次事件,但春季強(qiáng)度迅速衰退減弱,并在夏季消亡并開始出現(xiàn)負(fù)海溫異常,因此也是衰減快,維持時(shí)間短類型。

厄爾尼諾的不同衰減位相與WNPAC在春季的強(qiáng)度密切相關(guān)。圖8b中,WNPAC在1997/1998年中明顯強(qiáng)于1982/1983年,且分別對應(yīng)著1997/1998事件在夏季消亡及1982/1983事件的繼續(xù)維持。2015/2016事件中的WNPAC,一方面強(qiáng)于1982/1983事件,有利于2016年厄爾尼諾的迅速衰亡。另一方面,雖然較1997/1998事件弱,但由于此次事件暖中心偏向于熱帶中太平洋,這里是厄爾尼諾衰減過程中負(fù)海溫異常最先出現(xiàn)的區(qū)域,該地區(qū)的正海溫異常也最先被WNPAC南側(cè)的東風(fēng)異常所減弱,因此衰減速度及衰減位相維持時(shí)間與1997/1998相當(dāng)。值得注意的是,雖然WNPAC在2016年夏季消亡并轉(zhuǎn)變?yōu)闅庑援惓?但這主要是由于8月在副熱帶西北太平洋出現(xiàn)了較強(qiáng)氣旋性環(huán)流的緣故,而在6、7月,WNPAC仍然強(qiáng)盛維持。

WNPAC的維持與厄爾尼諾強(qiáng)度有關(guān)。圖9分別是冬季熱帶中東太平洋(圖9a)及熱帶印度洋(圖9b)與隨后春季W(wǎng)NPAC的散點(diǎn)圖。熱帶中東太平洋海溫異常與WNPAC存在正相關(guān),表明厄爾尼諾強(qiáng)度越強(qiáng),越有利于隨后在西太地區(qū)出現(xiàn)反氣旋性環(huán)流異常,因此這三次厄爾尼諾衰減期春季和夏季的都存在WNPAC。另一方面,雖然三次事件強(qiáng)度相當(dāng),但1982/1983事件中WNPAC明顯偏弱,說明還存在其他區(qū)域海溫的調(diào)制作用。

圖9b中熱帶印度洋海溫異常與WNPAC也存在顯著的正相關(guān),表明熱帶印度洋海溫也是維持WNPAC的主要因子。1982/1983事件中熱帶印度洋正海溫異常較弱(IO指數(shù)為0.37 ℃),強(qiáng)度僅約為1997/1998事件的二分之一(IO指數(shù)為0.70 ℃),約為2015/2016事件的三分之一(IO指數(shù)為0.95 ℃)。因此WNPAC在隨后春季和夏季的強(qiáng)度偏弱。而1998和2016年熱帶印度洋顯著的暖海溫異常,有利于WNPAC的穩(wěn)定維持。這三次事件雖然都是超強(qiáng)厄爾尼諾,但由于熱帶印度洋海溫異常強(qiáng)度的不同,對應(yīng)的WNPAC強(qiáng)度也不同,也造成衰減位相的不同速度和維持時(shí)間。此外,我們也注意到,盡管2016年印度洋海溫異常強(qiáng)于1998年,但WNPAC卻弱于1998年,這說明除了目前我們認(rèn)識到的強(qiáng)厄爾尼諾強(qiáng)度及印度洋暖海溫之外,還存在其他因子顯著地影響WNPAC強(qiáng)度。例如,西北太平洋局地海溫異常對WNPAC有反饋?zhàn)饔?Wang et al.,2000,2013;Lau and Nath,2003)。熱帶大西洋海溫也對WNPAC存在調(diào)制作用(Hong et al.,2013,2015;Chen et al.,2014c)。此外,WNPAC還受到大氣內(nèi)部動力過程的影響(Lu et al.,2006,2008)

圖9 a.前冬Nio3.4指數(shù)與隨后春季W(wǎng)NPAC指數(shù)的散點(diǎn)圖;b.前冬印度洋海溫異常(Indian Ocean,簡稱IO)指數(shù)與隨后春季W(wǎng)NPAC指數(shù)的散點(diǎn)圖。其中2015/2016,1997/1998及1982/1983厄爾尼諾事件分別用紅色、藍(lán)色及黑色實(shí)心點(diǎn)標(biāo)記。IO指數(shù)定義為40～110°E、10°S～20°N區(qū)域內(nèi)平均的海表面溫度異常Fig.9 Scatter diagram of (a)the WNPAC index during the subsequent spring[(MAM(1))] with the Nio3.4 index and (b)the Indian Ocean index(IO) during the mature winter[(D(0)JF(1))][the IO index is defined as the SST anomalies averaged over the region(10°S—20°N,40—110°E)]

4 結(jié)論與討論

本文采用HadISST海溫、CMAP降水及NCEP風(fēng)場資料,詳細(xì)分析了最近發(fā)生的2015/2016厄爾尼諾事件衰減位相的演變特征及其對應(yīng)的環(huán)流異常。與以往發(fā)生的厄爾尼諾事件合成結(jié)果相比,2015/2016事件具有強(qiáng)度大,衰減快的特點(diǎn)。在成熟位相冬季,該事件對應(yīng)的熱帶中東太平洋海溫強(qiáng)度達(dá)到2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上,超過觀測中厄爾尼諾事件合成結(jié)果的60%。盡管冬季強(qiáng)度極強(qiáng),但到隨后春季就迅速衰退減弱,到2016年6月該厄爾尼諾事件結(jié)束,并向負(fù)位相轉(zhuǎn)變。

厄爾尼諾發(fā)生時(shí),熱帶中東太平洋對流加強(qiáng),出現(xiàn)正降水異常。通過非絕熱加熱,在其西側(cè)西北太平洋激發(fā)出反氣旋性環(huán)流異常。該WNPAC從冬季一直維持到春季,并與厄爾尼諾衰減位相存在相互作用。一方面,此次厄爾尼諾事件強(qiáng)度很大,冬季熱帶中東太平洋有很強(qiáng)的正海溫異常,同時(shí)伴隨著熱帶印度洋和熱帶大西洋有顯著的暖海溫異常從冬季一直維持到春季,有利于WNPAC的增強(qiáng)和維持。另一方面WNPAC穩(wěn)定維持,范圍隨季節(jié)向東擴(kuò)展,其南側(cè)東風(fēng)異常不斷向赤道東太平洋擴(kuò)展,使得中東太平洋正海溫異常減弱,令厄爾尼諾事件快速衰退。

除2015/2016事件外,還發(fā)生過1982/1983和1997/1998這兩次強(qiáng)度超過2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的超強(qiáng)厄爾尼諾。通過對比,發(fā)現(xiàn)這三次事件雖然強(qiáng)度相當(dāng),但衰減位相及對應(yīng)的WNPAC存在不同特征。1982/1983事件衰減慢,維持時(shí)間長,對應(yīng)的WNPAC強(qiáng)度弱。而1997/1998事件衰減快,維持時(shí)間短,對應(yīng)的WNPAC在春季和夏季都強(qiáng)盛維持。2015/2016事件的衰減速度明顯快于1982/1983事件,對應(yīng)的WNPAC也強(qiáng)于1982/1983事件,但比1997/1998事件的WNPAC強(qiáng)度弱。

一方面,厄爾尼諾的強(qiáng)度及與之相聯(lián)系的熱帶印度洋海溫異常的強(qiáng)度都對WNPAC的維持有正貢獻(xiàn)。這三次事件雖同屬超強(qiáng)厄爾尼諾,冬季強(qiáng)度也相當(dāng),因此都對應(yīng)著隨后春季的WNPAC。但1982/1983事件中熱帶印度洋海溫異常顯著弱于其他兩次事件,因此對應(yīng)的WNPAC也偏弱,不利于厄爾尼諾的衰減,使得該事件在夏季仍然維持。另一方面,2015/2016事件與1997/1998事件同屬衰減快,維持時(shí)間短,甚至印度洋海溫異常在2015/2016事件中還更強(qiáng),但對應(yīng)的西太反氣旋強(qiáng)度在春季明顯弱于1997/1998事件。這說明除了目前我們認(rèn)識到的“強(qiáng)厄爾尼諾、印度洋暖海溫”之外,必將存在其他因素顯著影響WNPAC強(qiáng)度。本文沒有解決這一問題,有待于將來開展研究。

此外,2015/2016事件增暖中心偏向于中東太平洋,這里是厄爾尼諾衰減過程中負(fù)海溫異常最先出現(xiàn)的區(qū)域,因此該地區(qū)的正海溫異常也最先被WNPAC南側(cè)的東風(fēng)異常所減弱。前人的研究指出,中太平洋海溫異常的衰減主要來自于風(fēng)場異常對平均海溫的平流作用,也就是緯向平流反饋?zhàn)饔?而東太平洋海溫異常的衰減主要通過溫躍層反饋?zhàn)饔?Kug et al.,2009)。因此,雖然2015/2016事件對應(yīng)的WNPAC的強(qiáng)度弱于1998年,但WNPAC南側(cè)的東風(fēng)異常通過緯向平流反饋?zhàn)饔檬沟弥刑窖蠛禺惓Ｑ杆贉p弱,其衰減速度及衰減位相維持時(shí)間與1997/1998相當(dāng)。

通過分析2015/2016超強(qiáng)厄爾尼諾在衰減位相演變過程中的特征,表明了厄爾尼諾衰退過程中,除了強(qiáng)度外,還應(yīng)關(guān)注衰減位相與西北太平洋環(huán)流異常的相互作用,以及熱帶印度洋和熱帶大西洋這些非局地因子對厄爾尼諾衰減過程的調(diào)制作用。

致謝:Hadley、NOAA提供了HadISST海溫資料、NCEP/NCAR再分析資料、CMAP降水資料的在線下載服務(wù)。

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Decaying phase of the 2015/2016 El Nio event and its associated western North Pacific atmospheric circulation anomaly

CHEN Wei,LU Riyu

StateKeyLaboratoryofNumericalModelingforAtmosphericSciencesandGeophysicalFluidDynamics,InstituteofAtmosphericPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

Based on the seasonal mean sea surface temperature(SST) in HadISST,precipitation in CMAP and wind field in the NCEP/NCAR reanalysis dataset,the decaying phase of the 2015/2016 super El Nio event and its associated western North Pacific atmospheric circulation anomaly are investigated in this study.The 2015/2016 El Nio event not only exhibits strong intensity in the mature winter,but also declines rapidly in the subsequent spring and terminates in the summer.During the 2015/2016 winter,the SST anomaly over the central and eastern tropical Pacific is greater than two standard deviations,and is 60% more than the intensity in the composite observations of other El Nio events.This case is recognized as a super El Nio event,but it rapidly declines in the subsequent spring and transforms into a La Nia event in the summer.Additionally,an anticyclonic circulation anomaly persists over the western North Pacific(WNPAC),accompanied by the rapid decline of El Nio.On the one hand,the strong El Nio intensity and its accompanying warming over the Indian Ocean contribute to the steady persistence of the WNPAC associated with the 2015/2016 super El Nio event.On the other hand,the anomalous easterlies over the central and western equatorial Pacific,induced by the strong WNPAC,favor the rapid decline of the El Nio decaying phase.

Furthermore,a thorough comparison of the 2015/2016 El Nio event to the cases of 1982/1983 and 1997/1998 suggests that their decaying phases are quite different,despite all being super El Nios with similar wintertime intensity.The 1982/1983 El Nio declines slowly and persists into the following autumn,whereas the 1997/1998 case declines rapidly and has already terminated in the following summer.The length of the El Nio decaying phase is associated with the strength of the springtime WNPAC.The 1982/1983(1997/1998) El Nio is related to a weak(strong) WNPAC in the decaying phase.On the one hand,the decaying rate of the 2015/2016 El Nio is faster than the 1982/1983 case,due to the stronger WNPAC in the 2015/2016 El Nio than that in the 1982/1983 event.On the other hand,the warmest center in the 2015/2016 case is close to the central equatorial Pacific,where the negative SST anomaly first emerges.Thus,although the WNPAC is stronger in 1997/1998 case,the decaying length is similar to the 2015/2016 event.The results imply a complicated interaction between the WNPAC and the El Nio decaying phase,which needs to be further studied.

(責(zé)任編輯：張福穎)

陳衛(wèi),陸日宇,2016.2015/2016厄爾尼諾事件的衰減位相及其對應(yīng)的西北太平洋環(huán)流異常[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(6):766-777. Chen W,Lu R Y,2016.Decaying phase of the 2015/2016 El Nio event and its associated western North Pacific atmospheric circulation anomaly[J].Trans Atmos Sci,39(6):766-777.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160824001.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160824001

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