冬季北太平洋多尺度水汽輸送和大氣河的變化特征及其與PDO和ENSO的聯(lián)系

秦潤天 朱益民 錢景 陳曉穎

(1 國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，南京 211101；2 解放軍31700部隊,遼寧 遼陽 111000；3 解放軍63686部隊，江蘇 江陰 214400)

引 言

太平洋年代際振蕩(Pacific Decadal Oscillation, PDO)和ENSO分別是太平洋海氣系統(tǒng)最強的年代際和年際氣候變率信號，對全球氣候異常具有重要的影響[1-2]。關(guān)于PDO年代際變率的形成機制，國內(nèi)外學(xué)者提出了諸多假設(shè)，如：熱帶海氣耦合通過PNA等大氣遙相關(guān)的“大氣橋”作用影響中緯度北太平洋海氣系統(tǒng)，是導(dǎo)致PDO振蕩信號產(chǎn)生的重要原因之一[3-5]；ENSO年際變率既在熱帶太平洋海氣相互作用正負反饋機制下產(chǎn)生和維持，又受中緯度北太平洋海氣相互作用的影響和調(diào)制[6-8]。

PDO和ENSO對東亞降水異常具有重要影響[9-10]。楊修群等[11]研究指出，當(dāng)PDO處于正位相時期，華北地區(qū)受異常西北風(fēng)控制，氣壓偏高，不利于水汽向華北地區(qū)輸送，導(dǎo)致華北地區(qū)干旱；丁婷等[12]研究表明，PDO對東北地區(qū)夏季降水及相關(guān)環(huán)流型的年代際變化有重要的調(diào)制作用，當(dāng)PDO處于負位相時期，東北地區(qū)反氣旋式環(huán)流偏強，降水異常偏少。另外，ENSO對我國降水年際變化也有調(diào)控作用。王林等[13]研究表明，當(dāng)ENSO處于正位相時期，東亞冬季風(fēng)系統(tǒng)偏弱，有利于來自孟加拉灣和南海的異常水汽輸送在我國南方地區(qū)形成輻合，使得該地區(qū)冬季降水異常偏多；袁良等[14]研究了ENSO對我國華南地區(qū)降水的影響，指出在El Nio年冬季，西太平洋副熱帶高壓偏強偏南，我國華南地區(qū)受其西側(cè)異常西南風(fēng)影響，水汽供應(yīng)充足，降水偏多。

北太平洋地區(qū)不僅是天氣尺度和低頻尺度瞬變擾動活躍的區(qū)域，而且也是低緯向中高緯和極地地區(qū)以及海洋向大陸輸送水汽的關(guān)鍵區(qū)域。Newman，et al[15]研究發(fā)現(xiàn)水汽輸送可以分解為時間平均、低頻尺度(10～100 d)和天氣尺度(<10 d) 3個時間尺度分量，其中時間平均的水汽輸送主要在海洋上緯向輸送水汽，而低頻尺度和天氣尺度的水汽輸送主要從海洋輸送到陸地，同時會產(chǎn)生向極輸送。Newell,et al[16]揭示水汽輸送在中緯度地區(qū)集中在一個帶狀區(qū)域，這些現(xiàn)象后來被稱為大氣河(Atmospheric River，AR)[17-18]。AR區(qū)域可以輸送大量水汽，因此，AR的變化影響太平洋及其周邊大陸的降水異常[19-22]。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對北太平洋地區(qū)水汽輸送和降水異常的研究取得了一些有意義的進展[23-24]，然而，關(guān)于PDO和ENSO對不同尺度水汽輸送和AR的影響并不十分清楚。因此，本文將探討冬季北太平洋各尺度水汽輸送和AR的變化特征及其與PDO和ENSO的聯(lián)系，這將有助于加深對太平洋海氣系統(tǒng)年際和年代際氣候異常變化成因及其對水汽輸送和AR影響的物理機制的認識。

1 資料和方法

本文所使用的大氣資料取自NCEP/NCAR再分析資料，包括逐日和逐月的位勢高度場(z)、水平風(fēng)場(u、v)、溫度場(T)和絕對濕度場(q)，水平分辨率為2.5°×2.5°；海表面溫度數(shù)據(jù)取自美國國家大氣海洋管理局NOAA提供的月平均資料，水平分辨率為1°×1°。所用資料的時間范圍均為1950年1月至2015年12月。本文將冬季定義為12—次年2月，共65個冬季。

本文使用的PDO指數(shù)定義為20°N以北太平洋海表面溫度異常EOF分析的第一模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化值[1](http:∥research.jisao.washington.edu/pdo/)。

Nino3指數(shù)定義為(5°S～5°N，150°～90°W)區(qū)域海溫異常的平均值(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/correlation/nina3.data)，該指數(shù)能夠較好地反映ENSO的年際特征[25]。

本文使用500 hPa上的位勢高度場2.5～6 d的濾波方差表示天氣尺度瞬變擾動(即風(fēng)暴軸)的強度和位置[26]。天氣尺度瞬變活動與中緯度大氣斜壓性密切相關(guān)，而斜壓性指數(shù)σBI可以用Eddy波最大增長率來表示[27-28]，其計算公式為

(1)

其中:f是科氏參數(shù)；V是水平風(fēng)速；N是Brunt-Vaisala頻率。本文還計算了冬季200 hPa上E-P通量的水平分量，即

(2)

Hoskins,et al[29]指出，E-P通量的輻散(輻合)將會加強(減弱)西風(fēng)氣流，可以用來描述瞬變擾動對大尺度氣流的動力強迫作用。

整層水汽輸送的計算公式為

(3)

其中：V為水平風(fēng)速；q為比濕；g為重力加速度；Ps為地面氣壓；Pt設(shè)為300 hPa。

根據(jù)Newman,et al[15]的研究，水汽輸送公式可以進一步分解為：

(4)

(5)

(6)

(7)

采用ZHU,et al[18]提供的判別大氣河日(AR day)或非大氣河日(non-AR day)的標(biāo)準(zhǔn)：

Q≥Qmean+0.3(Qmax-Qmean)。

(8)

其中：Qmean表示水汽輸送的緯向平均值，Qmax則表示緯向的最大值。計算每一個格點的水汽輸送值Q，若Q滿足式(8)，則標(biāo)記該格點為大氣河格點，相應(yīng)的日期定義為大氣河日，否則為非大氣河日。每年冬季的大氣河頻率定義為冬季大氣河日的天數(shù)與整個冬季天數(shù)之比。

本文主要采用回歸分析和合成分析等方法來研究冬季北太平洋不同尺度水汽輸送和大氣河的變化特征及其與PDO和ENSO的聯(lián)系。

2 與PDO和ENSO相聯(lián)系的大氣環(huán)流和海溫異常

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化的PDO(a)和Nio3(b)指數(shù)時間序列以及PDO(c)和Nio3(d)指數(shù)回歸的太平洋SSTA場(單位：K)的空間分布(打點區(qū)表示超過α=0.05置信度檢驗的區(qū)域)Fig.1 The normalized time series of (a) PDO and (b) Nio3 and regressions of SSTA (unit: K) onto (c) PDO and (d) Nio3 index(Dotted area denote a significant area at the 95% confidence level)

從圖1b可以看出，ENSO具有明顯的2～7 a周期的年際變化特征。1982/1983年與1997/1998年Nio3指數(shù)異常偏高，為強El Nio年。從Nio3指數(shù)回歸的SSTA場(圖1d)可知，在ENSO正位相期，赤道中東太平洋SSTA異常偏暖，而北太平洋中部SSTA異常偏冷。對比圖1a、b可以發(fā)現(xiàn)，PDO和ENSO的SSTA空間分布雖有一定相似之處，但PDO主要以年代際變率為主，其SSTA主信號在中緯度北太平洋地區(qū)，次信號在熱帶中東太平洋地區(qū)，而ENSO更多地反映年際變率，其SSTA主信號集中在熱帶中東太平洋地區(qū)，中緯度北太平洋SSTA也受其影響。

圖2 PDO(a、c)和Nio3(b、d)指數(shù)回歸的500 hPa位勢高度場(a、b，單位：gpm)和200 hPa緯向風(fēng)場(c、d，單位：m·s-1)的空間分布(等值線為冬季平均態(tài)，打點區(qū)表示通過α=0.05置信度檢驗的區(qū)域)Fig.2 Regressions of (a, b； unit: gpm) 500 hPa geopotential height and (c, d； unit: m·s-1) 200 hPa zonal wind onto (a, c) PDO and (b, d) Nio3 index (The contours indicate the climatological winter fields. Dotted area denote a significant area at the 95% confidence level)

圖3 PDO(a、c)和Nio3(b、d)指數(shù)回歸的E-P通量的水平分量場(a、b，箭矢，單位：m-2·s-1)及其散度(a、b，填色，單位：mm·d-2)和1 000～300 hPa平均比濕場(c、d，單位：g·g-1)的空間分布(等值線為冬季平均態(tài)，a、b白線區(qū)和c、d打點區(qū)表示通過α=0.05置信度檢驗的區(qū)域)Fig.3 Regressions of (a, b； arrow； unit: m-2·s-1) the E-P flux horizontal component field and (a, b； shaded； unit: mm·d-2) its divergence，(c, d； unit: g·g-1) 1 000-300 hPa average specific humidity field onto (a, c) PDO and (b, d) Nio3 index(The contour indicate the climatological winter field. (a, b) White line and (c, d) dotted area denote a significant area at the 95% confidence level)

從PDO回歸的平均比濕場(圖3c)可以看出，中緯度北太平洋40°N附近存在大范圍的水汽顯著負異常區(qū)，其向西延伸到日本海，向東南延伸到夏威夷島附近，表明PDO正位相時期，該地區(qū)水汽明顯偏少，與此相反，北美西岸地區(qū)水汽異常偏多，熱帶中東太平洋地區(qū)也存在水汽正異常中心。Nio3指數(shù)回歸的平均比濕場上(圖3d)，中緯度北太平洋中部至南海地區(qū)存在東北—西南向的水汽顯著負異常帶，而在赤道中東太平洋地區(qū)存在廣泛的水汽正異常區(qū)，表明當(dāng)ENSO處在正位相時期，赤道中東太平洋SSTA暖異常地區(qū)會伴隨降水異常增多的現(xiàn)象。此外，阿拉斯加灣及我國華南沿海一帶也存在顯著的水汽正異常中心。

圖4 PDO(a、c)和Nio3(b、d)指數(shù)回歸的500 hPa風(fēng)暴軸場(a、b，單位：dagpm2)和斜壓性指數(shù)場(c、d，單位：d-1)的空間分布(等值線為冬季平均態(tài)，打點區(qū)表示通過α=0.05置信度檢驗的區(qū)域)Fig.4 Regressions of (a, b； unit: dagpm2) 500 hPa storm track and (c, d； unit: d-1) baroclinicity index field onto (a, c) PDO and (b, d) Nio3 index (The contours indicate the climatological winter fields. Dotted area denote a significant area at the 95% confidence level)

3 冬季氣候平均的天氣尺度和低頻尺度水汽輸送特征

圖5 冬季氣候平均的整層水汽輸送(箭矢，單位：kg·m-1·s-1)及其散度場(填色，單位：mm·d-1)的空間分布：(a)時間平均低頻尺度天氣尺度Fig.5 The climatological winter fields at whole layer integrated watervapor transportation (arrow, unit: kg·m-1·s-1) and its divergence field(shaded, unit: mm·d-1): (a) time average mean

圖6 PDO(a、c、e)和Nio3(b、d、f)指數(shù)回歸的時間平均低頻尺度天氣尺度及其相應(yīng)散度場的空間分布(箭矢表示水汽輸送，單位：kg·m-1·s-1；填色區(qū)表示散度場，單位：mm·d-1；白線區(qū)表示通過α=0.05置信度檢驗的區(qū)域)Fig.6 Regressions of (a, b) time average mean and their corresponding divergence field onto (a, c, e) PDO and (b, d, f) Nio3 index (The arrow indicates water vapor transportation, unit: kg·m-1·s-1;the shaded area indicates the divergence field, unit: mm·d-1； the white line area indicates a significant area at the 95% confidence level)

4 PDO和ENSO不同位相下的不同時間尺度水汽輸送特征

為了進一步揭示PDO和ENSO不同位相下各時間尺度水汽輸送變化特征，圖6分別給出了PDO和Nio3指數(shù)對北太平洋地區(qū)不同尺度水汽輸送異常的回歸場。當(dāng)PDO處于正位相時期，時間平均的回歸場(圖6a)在中緯度北太平洋中東部(25°～60°N)之間的地區(qū)呈現(xiàn)出異常的氣旋式水汽輸送，使得位于東北太平洋的阿拉斯加灣地區(qū)水汽異常充沛，而日界線附近太平洋北部則出現(xiàn)大范圍的水汽輻散，在北太平洋日界線以西(20°～35°N)附近存在的輻合區(qū)，這與PDO正位相時冬季北太平洋阿留申低壓異常增強，同時副熱帶高壓增強，引起中緯度西風(fēng)急流的增強有關(guān)。在(10°～20°N)附近的副熱帶太平洋地區(qū)存在廣闊的的輻散區(qū)，而在熱帶地區(qū)太平洋則存在的輻合區(qū)，這是由于PDO正位相時太平洋副熱帶高壓增強而赤道低壓帶也增強所致。上述場與用PDO指數(shù)回歸的1 000～300 hPa平均比濕場(圖3c)有較好的對應(yīng)。由以上分析可知，在PDO正位相時期，將大量水汽從太平洋北部和中部地區(qū)向北輸送到東北太平洋的阿拉斯加灣地區(qū)及北美西岸，同時還將北太平洋副熱帶地區(qū)充足的水汽向南輸送到熱帶地區(qū)，因此，PDO正位相時的水汽輸送是使得東北太平洋和熱帶太平洋地區(qū)降水異常增多的主要原因。

5 大氣河的變化特征及其與PDO和ENSO的聯(lián)系

5.1 PDO和Nio3指數(shù)對大氣河頻率異常的回歸分析

由于太平洋水汽輸送往往集中在某一個帶狀區(qū)域，因而被稱為大氣河(AR)。為了進一步弄清AR的變化特征及其與PDO和ENSO的聯(lián)系，圖7給出了PDO和Nio3指數(shù)回歸的AR頻率異?？臻g分布，其中紫色實線區(qū)表示冬季氣候平均的大氣河頻率大于35%的區(qū)域，填色區(qū)域表示AR頻率異常增多(減小)的區(qū)域。從紫色實線區(qū)可以看出，北太平洋冬季平均的AR主要存在于兩個區(qū)域：一個是從日本東南部地區(qū)向東北方向一直延伸到東北太平洋的帶狀區(qū)域，另一個是從西太平洋暖池延伸至熱帶中東太平洋地區(qū)的帶狀區(qū)域。以下將這兩個區(qū)域的AR分別稱為北太平洋AR和熱帶太平洋AR。

圖7 PDO(a)和Nio3(b)指數(shù)回歸的大氣河頻率異常的空間分布(紫色實線區(qū)表示冬季氣候平均的大氣河頻率大于35%的區(qū)域，打點區(qū)表示通過α=0.05置信度檢驗的區(qū)域)Fig.7 Regressions of AR frequency anomalies onto (a) PDO and (b) Nio3 index(The purple solid line indicates the area where the average AR frequencyof climatological mean in winter is larger than 35%; dotted area denote a significant area at the 95% confidence level)

由PDO指數(shù)回歸的AR頻率異常場(圖7a)可知，在PDO正位相時期，在北太平洋AR中部(170°～160°W)地區(qū)附近AR頻率增強，同時，北太平洋AR東部的阿拉斯加灣及北美西岸沿海地區(qū)AR頻率也顯著增強，北太平洋AR整體向東南方向移動，并向北延伸。熱帶太平洋AR中部(5°～15°N,150°E～170°W)地區(qū)附近AR頻率顯著增強，熱帶太平洋AR東部地區(qū)的AR頻率明顯減小，而在其西南側(cè)地區(qū)AR頻率明顯增加，有利于熱帶太平洋AR東部整體向西南方向發(fā)生偏移，并向中緯度南太平洋地區(qū)延伸。

5.2 PDO和ENSO不同位相的組合對大氣河的影響

PDO和ENSO分別是太平洋地區(qū)年代際和年際變化最強的信號，為弄清PDO和ENSO的不同位相組合對AR的不同的影響，本文將不同位相的PDO和ENSO進行組合(表1)，分析二者位相變化對AR的不同影響。具體做法是：選取標(biāo)準(zhǔn)化的PDO和Nio3指數(shù)均大于+0.3的年份代表PDO和ENSO同時處于正位相時，將這些年份的AR頻率進行合成分析(圖8a)；選取標(biāo)準(zhǔn)化的PDO和Nio3指數(shù)均小于-0.3的年份代表PDO和ENSO同時處于負位相時，將這些年份的AR頻率進行合成分析(圖8b)；類似地也給出PDO處于正位相而ENSO處于負位相時AR頻率的合成(圖8c)，以及PDO處于負位相而ENSO處于正位相時AR頻率的合成(圖8d)。

表1 PDO和ENSO不同位相組合對應(yīng)的年份Table 1 Years corresponding to different phase combinations of PDO and ENSO

當(dāng)PDO和ENSO同時處于正位相時(圖8a)，北太平洋AR中部(170°E～160°W)地區(qū)附近AR頻率增強幅度較PDO指數(shù)回歸的AR頻率異常(圖7a)有所減弱，這是由于ENSO正位相時期該區(qū)域AR頻率有減弱趨勢，與PDO正位相對該區(qū)域AR頻率增多的影響相抵消。而在PDO和ENSO正位相協(xié)同影響的疊加作用下(圖7a、b)，北太平洋AR東部的阿拉斯加灣及北美西岸沿海地區(qū)AR頻率顯著增強，并且整體向南移動；熱帶太平洋AR中部日界線附近地區(qū)的AR頻率顯著增強，而在其西部西太平洋暖池和東部150°W赤道太平洋地區(qū)AR頻率明顯減弱，熱帶太平洋AR中東部分整體向東南方向延伸至中緯度南太平洋地區(qū)。此外，在熱帶太平洋AR西北側(cè)的我國華南地區(qū)AR頻率增強，有利于該區(qū)域降水偏多。

當(dāng)PDO與ENSO同時處于負位相時(圖8b)，北太平洋AR東部的阿拉斯加灣及北美西岸沿海地區(qū)AR頻率顯著減弱。熱帶太平洋AR中部地區(qū)的AR頻率明顯減弱，而在其東部的赤道東太平洋地區(qū)AR頻率顯著增強。在熱帶太平洋AR西北側(cè)的我國華南地區(qū)AR頻率減小，使得該區(qū)域降水偏少。上述情形與PDO與ENSO同時處于正位相時大致相反。

當(dāng)PDO處于正位相而ENSO處于負位相時(圖8c)，北太平洋AR地區(qū)整體有向南移動的趨勢，其中部25°N及東北部40°N附近的AR頻率顯著增強。由于受ENSO負位相影響的抵消作用，北美西岸地區(qū)AR頻率有所減弱，但總體上與PDO正位相時的AR頻率分布一致(圖7a)。熱帶太平洋AR西部的西太平洋暖池和熱帶太平洋AR中東部的(180°～150°W)赤道地區(qū)AR頻率顯著增強，反映出ENSO對熱帶太平洋AR的影響是占優(yōu)勢的。

當(dāng)PDO處于負位相而ENSO處于正位相時(圖8d)，北太平洋AR整體上明顯減弱，與PDO負位相時的AR頻率分布基本一致，反映了PDO對北太平洋AR的影響是占優(yōu)勢的。熱帶太平洋AR中西部地區(qū)的AR頻率顯著減弱，而其東部(150°～120°W)的赤道太平洋地區(qū)經(jīng)我國華南到南海地區(qū)的AR頻率明顯增強，說明ENSO正位相對這些區(qū)域AR頻率增強的影響要大于PDO負位相的減弱影響，因此ENSO對熱帶太平洋AR的影響起主導(dǎo)作用。

綜上，PDO和ENSO不同位相的相互組合對AR的影響發(fā)現(xiàn)：當(dāng)PDO和ENSO同時處于正(負)位相時，北太平洋AR東部的阿拉斯加灣及北美西岸沿海地區(qū)AR頻率顯著增強(減弱)，而熱帶太平洋AR西部西太平洋暖池地區(qū)和熱帶太平洋AR東部150°W赤道太平洋地區(qū)的AR頻率明顯減弱(增強)，這是由于PDO和ENSO在相同位相下對這些地區(qū)AR頻率影響的是信號一致的。當(dāng)PDO和ENSO分別處于不同位相時對AR的影響具有一定的非對稱性，即當(dāng)PDO處于正(負)位相而ENSO處于負(正)位相時，由于PDO和ENSO對這些地區(qū)AR頻率影響的信號相反，因此取決于PDO和ENSO影響的相對貢獻大小。其中，PDO對北太平洋AR的影響起主導(dǎo)作用，因而盡管受到ENSO負(正)位相影響的抵消作用，但北太平洋AR中東部基本與PDO正(負)位相時增強(減弱)的特征基本一致；而ENSO對熱帶太平洋AR的影響則起著主導(dǎo)作用，故即使受PDO正(負)位相影響的抵消作用，但熱帶太平洋AR西部和東部基本與ENSO負(正)位相時增強(減弱)的特征基本一致。

PDO和ENSO不同位相下對AR影響的非對稱性，也體現(xiàn)在PDO不同位相下ENSO事件發(fā)生的頻數(shù)之中，從表1可以看出，PDO正(負)位相下發(fā)生ENSO正(負)位相即El Nio(La Nia)事件的頻數(shù)為13(17)次，而在PDO正(負)位相下發(fā)生ENSO負(正)La Nia(El Nio)事件的頻數(shù)卻僅為8(3)次。因此，在PDO正(負)位相下，有利于發(fā)生ENSO正(負)位相，而不利于發(fā)生ENSO負(正)位相，表現(xiàn)出明顯的非對稱性，體現(xiàn)了PDO年代際氣候變率對ENSO年際氣候變率的調(diào)制作用。PDO和ENSO不同位相下對AR影響不對稱性的物理機制仍需進一步深入研究。

6 結(jié)論

(1)與PDO和ENSO相聯(lián)系的太平洋SSTA空間分布有一定相似性，且大氣環(huán)流異常場也表現(xiàn)為類似的PNA型遙相關(guān)，但PDO以年代際變率為主，其主信號在中緯度北太平洋，而ENSO更多地反映年際變率，其主信號在熱帶中東太平洋。

(4)太平洋冬季平均AR主要存在于兩個區(qū)域：一個是位于東北太平洋至日本東南部地區(qū)的北太平洋AR，另一個是從西太平洋暖池延伸至熱帶中東太平洋地區(qū)的熱帶太平洋AR。在PDO正位相時期，北太平洋AR中部和阿拉斯加及北美西岸地區(qū)的AR頻率顯著增強，熱帶太平洋AR中西部明顯增強，而東部減弱并向西南方向移動延伸。在ENSO正位相時，北太平洋AR中西有所減弱，但在其東部的北美西岸地區(qū)AR頻率明顯增強，熱帶太平洋AR中部日界線附近區(qū)域顯著增強，而在其東南部則明顯減弱。

(5)PDO和ENSO不同位相的組合對AR有不同的影響。當(dāng)PDO和ENSO同時處于正(負)位相時，北太平洋AR東部的阿拉斯加灣及北美西岸沿海地區(qū)AR頻率顯著增強(減弱)，而熱帶太平洋AR西部的西太平洋暖池和熱帶太平洋AR東部的150°W赤道太平洋地區(qū)AR頻率明顯減弱(增強)。當(dāng)PDO和ENSO分別處于不同位相時對AR的影響表現(xiàn)出一定的非對稱性，其中PDO對北太平洋AR的影響起主導(dǎo)作用，而ENSO對熱帶太平洋AR的影響則起著主導(dǎo)作用。