2015/2016年超強El Ni?o局地海氣特征及其特殊性

張文君,耿新

南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044

2015/2016年超強El Ni?o局地海氣特征及其特殊性

張文君,耿新

南京信息工程大學 氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實驗室/氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044

2016-08-25收稿，2016-10-24接受

國家自然科學基金資助項目(41675073);國家公益性行業(yè)(氣象)專項(GYHY20150613;GYHY20140622);江蘇省高校自然科學研究資助項目(13KJB170013);江蘇省青藍工程和六大人才高峰項目

利用NOAA海表溫度和NCEP/NCAR大氣環(huán)流等全球再分析資料,討論了2015/2016年超強El Ni?o事件局地海氣過程的演變特征,并與1982/1983和1997/1998年兩次強El Ni?o事件做了對比分析。結果表明,2015/2016年El Ni?o在峰值強度、持續(xù)時間、累計海溫距平等指標上都略強于前兩次El Ni?o,可視為有完整氣象觀測紀錄以來的最強事件;與前兩次事件相比,2015/2016年El Ni?o海溫異常中心位置明顯偏西,熱帶東太平洋海溫相對較冷而中太平洋更暖,由于熱帶對流對海溫的非線性響應,赤道東太平洋降水相對較弱,中太平洋則顯著偏多,這在El Ni?o當年12月至次年4月尤為明顯;此外,在前兩次El Ni?o的成熟期至衰減期,中太平洋大氣響應都存在明顯的南移特征,西風異常和對流中心都從赤道南移到了5°S以南。而2015/2016年中太平洋大氣響應一直位于赤道附近,南移特征相對較弱,ENSO和年循環(huán)相互作用的組合模態(tài)相比前兩次較弱,西北太平洋反氣旋的強度也弱于前兩次。這主要是由于2015年冬季至2016年春季,熱帶太平洋暖海溫異常位置偏西,中太平洋海溫異常明顯強于前兩次,疊加氣候平均態(tài)海溫之后,赤道南北兩側海溫都高于對流閾值,對流旺盛,這大大削弱了大氣響應的經向移動和ENSO組合模態(tài)的強度。

2015/2016年超強El Ni?o

ENSO組合模態(tài)

大氣響應南移西北太平洋反氣旋

ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)是熱帶太平洋海洋與大氣年際變率的最主要模態(tài),一般以2～7 a周期循環(huán)往復,其發(fā)生不僅直接導致熱帶太平洋地區(qū)的天氣氣候異常,還能通過遙相關的方式影響熱帶外乃至全球的氣候系統(tǒng)(Rasmusson and Carpenter,1982;Philander,1983;翟盤茂等,2003;Zhang et al.,2013,2014)。例如,當ENSO處于暖位相(即El Ni?o)時,熱帶西北太平洋出現(xiàn)的異常反氣旋環(huán)流會對東亞季風造成顯著影響(Li,1990;Zhang et al.,1996;陳文,2002)。關于西北太平洋反氣旋異常的形成機理目前仍存在一些爭議,有觀點認為是熱帶西太平洋冷海溫的大氣響應(Wang et al.,2000),也有研究工作指出滯后ENSO的印度洋延遲效應是該反氣旋異常產生的關鍵(吳國雄和孟文,1998;Yang et al.,2007;Xie et al.,2009,2016)。最新的研究發(fā)現(xiàn),ENSO變率與年循環(huán)存在著相互作用(被稱作ENSO組合模態(tài)),這一相互作用現(xiàn)象能被熱帶太平洋表面風場的第二模態(tài)所反映(Stuecker et al.,2013)。進一步的研究指出ENSO組合模態(tài)可能是西北太平洋反氣旋和中國降水異常的產生原因(Stuecker et al.,2013,2015;Zhang et al.,2016)。與El Ni?o事件相聯(lián)系的太平洋局地海氣異常及其對全球的氣候影響在超強El Ni?o年尤為劇烈,例如1983年東南亞大范圍的嚴重干旱和1998年我國長江和松花江流域出現(xiàn)的特大暴雨洪澇都與前期冬季熱帶中東太平洋的超強El Ni?o事件有關(黃海燕等,2016;袁媛等,2016)。

監(jiān)測結果表明,繼1982/1983和1997/1998年冬季之后,2015/2016年冬季熱帶中東太平洋又發(fā)生了一次超強El Ni?o事件(Levine and McPhaden,2016;邵勰和周兵,2016),受此影響,全球多地出現(xiàn)了強度不等的天氣氣候異常。就我國而言,2015年夏季華北、河套地區(qū)出現(xiàn)了嚴重干旱,秋季華南地區(qū)降水持續(xù)性偏多,12月中東部頻繁遭遇大范圍霧霾天氣過程等(劉屹岷等,2016;聶羽等,2016;翟盤茂等,2016)。鑒于超強El Ni?o事件的深遠影響,同時為了更全面系統(tǒng)地認識這次El Ni?o事件,本文將詳細分析2015/2016年El Ni?o事件局地海氣異常的演變過程,并著重討論本次超強El Ni?o事件與前兩次事件相比的特殊之處,以期為后續(xù)預測及對東亞的氣候影響提供參考。

1 資料和方法

本文采用的資料主要包括:1)美國國家大氣海洋管理局(NOAA)拓展重建的全球月平均海表溫度數(shù)據集(ERSST v4),分辨率為2°×2°(Huang et al.,2015);2)美國國家環(huán)境預測中心/國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的全球月平均10 m水平風場和海平面氣壓場(Kalnay et al.,1996);3)NOAA提供的美國氣候預測中心(CPC)CMAP全球月平均降水數(shù)據,分辨率為2.5°×2.5°(Xie and Arkin,1997)。所有資料的時間跨度皆為1979年1月至2016年5月。

本文主要采用合成分析、組合變量經驗正交函數(shù)分解(MV-EOF)(王盤興,1981)等常用的氣候診斷和統(tǒng)計方法。為避免全球變暖趨勢和其他長時間尺度變率的可能影響,計算前首先扣除了數(shù)據的線性趨勢,之后再通過扣除氣候平均場得到各氣象要素的距平數(shù)據用于研究,氣候平均場為研究時段中逐月的多年平均值。值得注意的是,受對流資料長度所限,本文用降水來粗略地表示熱帶對流。采用Nio3.4指數(shù)(即170～120°W、5°S～5°N區(qū)域平均的海溫距平序列)作為El Nio事件的監(jiān)測指標,重點討論3次超強El Nio事件的局地海氣過程。印度洋偶極子(Indian Ocean Dipole,IOD)指數(shù)定義為赤道印度洋西部(50～70°E,10°S～10°N)和東部(90～110°E,10°S～0°)平均海溫距平差(Saji et al.,1999);印度洋全區(qū)一致(Indian Ocean Basin Wide,IOBW)模態(tài)指數(shù)定義為熱帶印度洋(40～110°E,20°S～20°N)區(qū)域平均的海溫距平(Yuan et al.,2012),西北太平洋反氣旋指數(shù)定義為(120～150°E,10°S～10°N)區(qū)域平均的海平面氣壓場(Wang et al.,2000)。為了描述方便,文中的1979年冬季指1979/1980年冬季,year(0)/year(1)為El Nio事件的當年/次年。

圖1 3次超強El Nio事件Nio3.4指數(shù)(單位:℃)的時間演變Fig.1 Temporal evolutions of the Nio3.4 index(units:℃) during the three super El Nio events

2 熱帶海溫和對流特征及其差異

表1 3次超強厄爾尼諾事件各指標對比

Table 1 Comparison of the indices for the three super El Nio events

開始時間持續(xù)時間/月峰值強度/℃累計海溫距平/℃1982/19831982年6月122.0215.931997/19981997年5月122.2119.372015/2016(截止2016年5月)2015年4月142.2319.61

圖2a—2c給出了熱帶(5°S～5°N)印度洋和太平洋海溫距平的時間—經度季節(jié)演變,3次超強El Nio事件的暖異常均開始于日界線以西,然后逐漸東傳至赤道中東太平洋,而熱帶西太平洋海溫偏低。增暖的赤道中東太平洋存在異常沃克環(huán)流上升支,對流活動加強,降水偏多,而異常沃克環(huán)流在西太平洋下沉,對流活動受抑制,降水偏少。在El Nio發(fā)展期的夏秋季,熱帶印度洋海溫異常表現(xiàn)為東冷西暖的偶極分布,而在El Nio成熟期至衰減期,IOD被IOBW取代。這些特征與對El Nio事件的傳統(tǒng)認識基本吻合。為了研究2015/2016年超強El Nio相比前兩次事件的特殊性,圖2d給出了2015/2016年超強El Nio海溫和降水距平與前兩次事件的差異分布。通過對比3次El Nio事件海溫距平的時間演變特征(圖2a—2c),結合圖2d不難發(fā)現(xiàn),相比前兩次事件,2015/2016年El Nio期間熱帶印度洋海溫明顯更暖,對流活動也相對偏強,尤其是發(fā)展期的夏秋兩季。

為更好地說明海溫和對流的關系,以熱帶中太平洋(160°E～160°W,5°S～5°N)為例,繪制了逐年冬春季平均的海溫與降水異常的散點圖(圖4),從他們之間的線性相關系數(shù)(0.87,通過了0.01信度的顯著性檢驗)來看,海溫與降水異常存在顯著正相關,說明下界面海溫越高,赤道中太平洋對流越強。然而圖4中的2次擬合線表明兩者更是呈一個非線性的拋物線關系,降水對海溫的增長速率大概可分為兩部分,當海溫小于28.8 ℃左右時,降水異?；径际秦撝?對流被抑制。同時其斜率較小,對流隨海溫增加而增加的幅度較小;而海溫一旦超過這個閾值后,降水異?；径际钦惓?。同時對流隨海溫增加的幅度大大增大,基本呈非線性快速增長。也就是說總海溫與對流之間存在非線性關系,對流不僅取決于海溫異常,也決定于總海溫。這也與前人的研究結果一致(Gadgil et al.,1984;Hoerling et al.,1997;李海燕等,2016a)。由于北半球冬春季熱帶中太平洋氣候態(tài)海溫接近28.7 ℃,在2015/2016年El Nio海溫異常明顯偏西的情況下,中太平洋也存在明顯的正異常海溫,海溫升高并超過了對流閾值,對流大大增強,因而降水異常增加,比1982/1983和1997/1998年同期偏多了1倍左右。

3 ENSO和年循環(huán)相互作用的組合模態(tài)及其差異

圖2 1982/1983(a)、1997/1998(b)、2015/2016(c)超強El Nio期間熱帶(5°S～5°N)海溫(陰影,單位:℃)和降水(等值線,單位:mm/d)異常的時間—經度分布及(d)2015/2016年超強El Nio期間熱帶海溫和降水異常與1982/1983和1997/1998年兩次事件平均異常的差異(等值線間隔為3 mm/d,零線未畫出)Fig.2 Time-longitude evolution of SST(shading;units:℃) and precipitation(contours;units:mm·d-1) anomalies in the tropical ocean during the (a)1982/1983,(b)1997/1998 and (c)2015/2016 super El Nio events,and (d)the difference in SST(shading;units:℃) and precipitation(contours;mm·d-1) anomalies between the 2015/2016 super El Nio and the average of the 1982/1983 and 1997/1998 anomalies(contour interval is 3 mm·d-1 with the zero isoline omitted)

圖3 3次超強El Nio事件期間標準化IOD(a)和IOBW指數(shù)(b)的時間演變Fig.3 Temporal evolution of the normalized (a)IOD(Indian Ocean Dipole) and (b)IOBW(Indian Ocean Basin-wide) indices during the three super El Nio events

圖4 赤道中太平洋(160°E～160°W,5°S～5°N,)冬春季(DJFMA平均)海表溫度(單位:℃)與降水異常(單位:mm/d)的散點圖(綠點代表1982/1983年,紅點代表1997/1998年,黑點代表2015/2016年)Fig.4 Scatter plot of SST(℃) and precipitation anomalies(mm·d-1) over the equatorial central Pacific(5°S—5°N,160°E—160°W) during boreal winter and spring(December—April mean),in which the green,red and black dots represent the values of 1982/1983,1997/1998 and 2015/2016,respectively

圖5 1982/1983(a)、1997/1998(b)和2015/2016(c)超強El Nio事件期間中太平洋(160°E～160°W)的降水距平(陰影,單位:mm/d)和10 m風場距平(箭矢,單位:m/s)隨緯度—時間的逐月演變Fig.5 Latitude-time evolution of precipitation(shading;units:mm·d-1) and 10 m wind(vectors;units:m·s-1) anomalies in the central Pacific (160°E—160°W) during the (a)1982/1983,(b)1997/1998 and (c)2015/2016 super El Nio events

圖6 熱帶太平洋(120～270°E,10°S～10°N) 10 m風場MV-EOF第一模態(tài)標準化時間系數(shù)PC1(a)、第二模態(tài)標準化時間系數(shù)PC2(b)與原距平場回歸系數(shù)的空間分布以及3次超強El Nio事件期間PC1(c)和PC2(d)的時間演變(a和b中的深淺陰影分別表示10 m緯向風的回歸系數(shù)通過了0.1以上的信度檢驗)Fig.6 Regression pattern of the 10 m monthly wind anomalies upon normalized time coefficients for the (a)first and (b)second MV-EOF modes(i.e.,PC1 and PC2) of 10 m wind over the tropical Pacific(10°S—10°N,120—270°E),and the temporal evolution of (c)PC1 and (d)PC2 during the three super El Nio events[shading in (a,b) represents the 10 m zonal wind anomalies above the 90% confidence level]

圖7 3次超強El Nio事件期間菲律賓反氣旋指數(shù)(單位:hPa)的時間演變Fig.7 Temporal evolution of the anomalous Philippine Sea anticyclone index(hPa) during the three super El Nio events

在中太平洋大氣響應表現(xiàn)出不同特征的情況下,ENSO組合模態(tài)又會表現(xiàn)出何種差異呢?為回答這一問題,對赤道太平洋地區(qū)(120°E～90°W,10°S～10°N)的10 m風場進行MV-EOF分析。如圖6所示,第一模態(tài)反映了典型的El Nio風場響應結構,即赤道中太平洋顯著西風異常和東印度洋顯著東風異常,是一個相對赤道成經向對稱分布的空間型。EOF1的時間系數(shù)(PC1)與Nio3.4指數(shù)表現(xiàn)出高度一致性,其相關系數(shù)高達0.83。因此將EOF1稱為ENSO風場模態(tài)。與EOF1不同,第二模態(tài)異常風場在赤道兩側幾乎成反對稱的結構(圖6b),表現(xiàn)為西北太平洋異常反氣旋和東南太平洋異常氣旋的風切變結構。該模態(tài)本質上是ENSO變率與背景海溫年循環(huán)相互作用的結果,因此稱之為ENSO組合模態(tài),其時間系數(shù)(PC2)存在著兩個顯著的主周期(8月和15月附近,圖略),這些結果也與前人的研究相一致(Stuecker et al.,2013;李海燕等,2016b;Ren et al.,2016;Zhang et al.,2016)。圖6c、6d則給出了3次超強El Nio期間PC1和PC2的時間演變曲線,從中可以看出,3次事件ENSO風場模態(tài)都在當年冬季成熟,隨后衰減,峰值強度都在3個標準差附近,基本呈現(xiàn)出一致的演變特征。而ENSO組合模態(tài)卻存在一些差異,雖然初冬時節(jié)PC2都出現(xiàn)了由負到正的位相轉換,但轉正位相之后的峰值差異明顯,2015年冬季至次年春季的組合模態(tài)強度明顯弱于1982和1997年同期。這也是與2015/2016年熱帶中太平洋西風南移的強度偏弱相對應的。由于西北太平洋反氣旋是ENSO組合模態(tài)的一個重要特征,故特別關注了3次超強El Nio年西北太平洋反氣旋的強度差異(圖7),與ENSO組合模態(tài)和中太平洋西風南移特征對應,2015年冬季至2016年春季,西北太平洋反氣旋的強度也弱于前兩次El Nio。

為了進一步回答2015/2016年ENSO組合模態(tài)或中太平洋大氣響應南移與前兩次超強El Nio存在差異的原因,給出了北半球冬春季(DJFMA)平均的氣候態(tài)海溫和2015/2016年El Nio異常海溫的空間分布(圖8a)。從多年平均的氣候態(tài)角度來看,受太陽直射點的影響,此時高于對流閾值的暖海溫幾乎都位于赤道南側,對流很活躍,而赤道北側海溫低于對流閾值28.8 ℃,對流受到抑制。而1982/1983和1997/1998年兩次El Nio發(fā)生時,異常海溫主要位于赤道東太平洋,對赤道中太平洋的影響很小,故中太平洋仍然是南高北低的海溫分布,且只有赤道南側的海溫高于對流閾值。而在此之前,太陽直射點位于赤道上,氣候態(tài)海溫及大氣響應一般關于赤道準對稱分布(圖略；李海燕等,2016a;Zhang et al.,2015),因此冬春季熱帶中太平洋會出現(xiàn)大氣響應得向南移動。與此不同的是,2015/2016年El Nio異常海溫位置偏西,受其影響,冬春季中太平洋海溫明顯增加,使得赤道南北兩側海溫都高于對流閾值,對流都能得到加強,因此大氣響應的南移現(xiàn)象較弱(圖8b—8d)。

4 結論

繼1982/1983和1997/1998年超強El Nio事件之后,2015/2016年赤道中東太平洋又發(fā)生了一次超強El Nio事件,基于最新的海表溫度和大氣資料,簡要分析了該次事件的局地海氣過程,并將其與前兩次超強El Nio事件做了對比研究,主要得到以下結論:

直位于赤道附近,南移特征相對較弱,ENSO組合模態(tài)和西北太平洋反氣旋的強度也弱于前兩次。ENSO組合模態(tài)的偏弱與El Nio異常海溫的緯向位置密切相關。2015年冬季至2016年春季,El Nio海溫異常的中心位置明顯偏西,熱帶中太平洋的暖海溫異常顯著強于前兩次,疊加氣候平均態(tài)的海溫之后,赤道南北兩側的海溫都高于對流閾值,對流旺盛,這大大削弱了ENSO大氣響應的經向移動和組合模態(tài)的強度。

本研究僅從局地海氣過程角度探討了2015/2016年超強El Nio與1982/1983和1997/1998年El Nio的不同特征,重點關注了El Nio冬春季中太平洋大氣響應南移現(xiàn)象。考慮到ENSO局地海氣過程的異常特征對El Nio事件的預測和自身發(fā)展演變具有重要影響(任宏利等,2016),同時由于ENSO組合模態(tài)是El Nio影響東亞氣候的關鍵因子(Zhang et al.,2016),其強度的差異勢必造成不同的氣候響應,后續(xù)研究將深入探討這些問題。

圖8 北半球冬春季(DJFMA)氣候態(tài)海溫(陰影,單位:℃)、2015/2016年超強El Nio異常海溫(黑色等值線,單位:℃)及1982/1983和1997/1998年兩次超強El Nio平均異常海溫(綠色等值線,單位:℃)的空間分布(a)和同期1982/1983(b),1997/1998(c)和2015/2016(d)超強El Nio的平均原始海溫(陰影,單位:℃)、降水異常(等值線,單位:mm/d)及10 m風場異常(箭矢,單位:mm/d)的空間分布Fig.8 (a)Climatological SST(shading;units:℃),SST anomalies in 2015/2016(black contours;units:℃) and SST anomalies in 1982/1983 and 1997/1998(green contours;units:℃) during boreal winter and spring(December—April mean);SST(shading;units:℃),precipitation(contours;units:℃) and 10 m wind(vectors;units:m·s-1) anomalies during boreal winter and spring(December—April mean) in the (b)1982/1983,(c)1997/1998 and (d)2015/2016 super El Nio events

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Characteristics and particularity of local air-sea processes for the 2015/2016 super El Nio event

ZHANG Wenjun,GENG Xin

KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange(ILCEC)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

Based on the latest monthly global reanalyzed NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration) sea surface temperature(SST) and NCEP(National Centers for Environmental Prediction)/NCAR(National Center for Atmospheric Research) atmospheric circulation data,we analyzed the characteristics of the local air-sea processes for the 2015/2016 super El Nio event,and the differences with previous(1982/1983 and 1997/1998) super El Nio events are also discussed.

Further analyses reveal that these particular phenomena in the 2015/2016 super El Nio were the consequence of the westward shift of the SST anomaly in the tropical central Pacific from winter 2015 to spring 2016.The relatively cold climatological SST north of the equator increased and exceeded the convection threshold,which favored the convection activities both south and north of the equator and led to the weakened meridional movement of the atmospheric responses.

(責任編輯：孫寧)

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10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160825001.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160825001

*聯(lián)系人，E-mail:zhangwj@nuist.edu.cn