赤道太平洋西風(fēng)爆發(fā)事件的時(shí)空特征

莊 鎮(zhèn) , 鄭 建 , , 王法明 ,

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266237)

西風(fēng)事件是發(fā)生在熱帶的高頻西風(fēng)異常擾動(dòng)。持續(xù)的西風(fēng)異?？梢援a(chǎn)生下沉的海洋開爾文波, 從而觸發(fā)和維持厄爾尼諾事件[1]。如果西風(fēng)事件減弱甚至消失, 厄爾尼諾事件就很難形成。例如, 2014年厄爾尼諾事件沒有成長起來, 很大程度上歸因于當(dāng)年弱的西風(fēng)異常[2-3]。由于厄爾尼諾會(huì)通過大氣遙相關(guān)影響全球氣候與天氣異常, 因此研究西風(fēng)事件有著重要科學(xué)意義。

目前, 關(guān)于西風(fēng)事件并沒有公認(rèn)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn),已有的研究都是基于各自經(jīng)驗(yàn)定義西風(fēng)事件。從天氣學(xué)的角度看, 臺風(fēng)、赤道外寒潮的入侵和大氣季節(jié)內(nèi)振蕩都可以促使西風(fēng)事件發(fā)生[4-8]; 而從氣候?qū)W的角度看, 西風(fēng)事件的發(fā)生頻次和強(qiáng)度則受到El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO)信號的調(diào)制[8-21]。例如, Eisenman等[9]發(fā)現(xiàn), 厄爾尼諾事件期間, 隨著暖池東邊界向東擴(kuò)展, 西風(fēng)異常區(qū)域也隨之向東移動(dòng)。作為觸發(fā)ENSO的隨機(jī)天氣擾動(dòng), 厘清西風(fēng)事件如何受到氣候年際變化信號的調(diào)控是其中研究的關(guān)鍵。針對這一科學(xué)問題, 本文將基于海洋大氣再分析資料, 定義西風(fēng)事件指數(shù), 診斷熱帶太平洋西風(fēng)異常的時(shí)空特征, 并探討ENSO信號對西風(fēng)事件的影響。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

西風(fēng)事件屬于高頻的天氣事件, 進(jìn)行分析時(shí)需采用逐日風(fēng)場資料。為保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可靠性, 采用兩套風(fēng)場資料數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證, 分別是European Centre for Medium-Range Weather Forecas Reanalysis-Interim(以下簡稱ERA-Interim)和National Centers for Environmental Prediction Reanalysis II(以下簡稱NCEP2)。ERA-Interim數(shù)據(jù)分辨率是2.5°×2.5°, NCEP2數(shù)據(jù)分辨率是1.875°×1.875°。風(fēng)場數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍是1979年1月1日到2015年12月31日。海表面溫度數(shù)據(jù)采用National Oceanic and Atmospheric Administration(NOAA) Optimum Interpolation (OI) 逐月數(shù)據(jù), 時(shí)間范圍是1982年1月到2015年12月。大氣和海洋數(shù)據(jù)均先減去氣候平均態(tài)得到異常場后再做分析。需要注意的是, 此時(shí)的異常風(fēng)場既包含了大氣自有的高頻天氣變化, 也包含了低頻大尺度海氣耦合信號。這里, 我們借鑒其他研究的做法, 采用帶通濾波提取2~90 d的高頻信號, 在該風(fēng)場異常數(shù)據(jù)中識別西風(fēng)事件。

1.2 西風(fēng)事件的定義

西風(fēng)事件由一系列的西風(fēng)異常組成, 它需要達(dá)到一定的空間尺度, 才能促進(jìn)海洋開爾文波的產(chǎn)生。目前, 對于西風(fēng)事件的定義存在較大分歧[6-9]。我們將從個(gè)例分析入手, 導(dǎo)出本文所用的西風(fēng)事件定義。風(fēng)場數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法是在2.5°S與2.5°N之間取經(jīng)向平均。該范圍對應(yīng)的是赤道海洋開爾文波的衰減半徑, 可保證影響赤道海洋開爾文波的西風(fēng)異常都涵蓋在此研究區(qū)域內(nèi)。圖1a表示2002年緯向風(fēng)異常隨時(shí)間演變, 其中黑色框?qū)?yīng)圖1b典型西風(fēng)事件。圖1a顯示, 西風(fēng)異常往往集中出現(xiàn),但其持續(xù)時(shí)間和緯向跨度卻各有不同。對于持續(xù)天數(shù)多、作用范圍廣的一系列西風(fēng)異常, 需要給出具體標(biāo)準(zhǔn)定義西風(fēng)事件。以2002年5月西風(fēng)事件為例, 其特征可歸納為緯向?qū)挾却?、持續(xù)時(shí)間長、空間移動(dòng)不顯著、并且具有一定的平均強(qiáng)度。因此, 西風(fēng)事件的具體定義依賴于時(shí)間、空間特征尺度的具體選取。

圖1 2002年緯向風(fēng)場異常(a), 5月的西風(fēng)事件個(gè)例(b)Fig. 1 Zonal wind anomaly in the year 2002 (a) and westerly wind bursts in May 2002 (b)

圖2顯示西風(fēng)事件個(gè)數(shù)與選取標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系。緯向?qū)挾葮?biāo)準(zhǔn)過小會(huì)將部分西風(fēng)事件連在一起, 難以區(qū)分; 如果寬度過大會(huì)忽略部分西風(fēng)事件, 從而導(dǎo)致西風(fēng)事件個(gè)數(shù)減少。圖2a表明選取不同的持續(xù)時(shí)間, 緯向?qū)挾葮?biāo)準(zhǔn)為30°時(shí)可以區(qū)分出大部分的西風(fēng)事件。從物理意義上講, 赤道大氣開爾文波的空間特征尺度為30°左右, 因此選擇30°作為西風(fēng)事件緯向?qū)挾鹊臉?biāo)準(zhǔn)具有一定合理性。圖2b表明, 在不同的緯向?qū)挾葮?biāo)準(zhǔn)下, 隨著持續(xù)天數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的增加,西風(fēng)事件的個(gè)數(shù)都會(huì)呈現(xiàn)一定的下降趨勢。鑒于大氣開爾文波的特征時(shí)間尺度為一周左右, 選擇5 d作為西風(fēng)事件持續(xù)天數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。另外, 為避免同一時(shí)間段而空間相隔甚遠(yuǎn)的西風(fēng)事件發(fā)生混淆, 需要確定西風(fēng)事件中心緯向位移標(biāo)準(zhǔn)(即第1 d和第2 d西風(fēng)事件中心位置的移動(dòng)距離, 圖1b中兩個(gè)圓圈的間隔)。圖2c表明, 如果西風(fēng)事件中心位移標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置得較小, 會(huì)導(dǎo)致西風(fēng)事件個(gè)數(shù)較少, 當(dāng)位移標(biāo)準(zhǔn)逐漸增大時(shí), 西風(fēng)事件個(gè)數(shù)逐漸穩(wěn)定并趨近正常情況。從數(shù)據(jù)分布來看選擇60°作為中心位移的閾值較合適。

圖2 西風(fēng)事件個(gè)數(shù)與緯向?qū)挾葮?biāo)準(zhǔn)的關(guān)系(a); 持續(xù)天數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系(b); 緯向移動(dòng)距離的關(guān)系(c); 隨振幅的概率分布(d)Fig. 2 Relationship between the number of westerly wind bursts and zonal wind criteria (a), duration criteria (b), zonal shift (c),and strength (d)

赤道海洋開爾文波東傳速度約為2 m/s, 因此可選取3 m/s作為西風(fēng)事件強(qiáng)度的最低閾值。圖2d也表明大部分西風(fēng)事件振幅都大于3 m/s。綜上所述,本文西風(fēng)事件的標(biāo)準(zhǔn)是西風(fēng)異常的緯向?qū)挾却笥?0°, 持續(xù)時(shí)間大于5 d, 中心移動(dòng)距離不超過60°,振幅大于3 m/s。

2 西風(fēng)事件的時(shí)空特征

根據(jù)上節(jié)的西風(fēng)事件判定標(biāo)準(zhǔn), 本節(jié)將對赤道太平洋西風(fēng)事件的時(shí)空特征進(jìn)行診斷, 重點(diǎn)從緯向分布特征、季節(jié)變化和年際變化3個(gè)角度開展分析。下文主要采用ERA-Interim數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行討論(NCEP2數(shù)據(jù)結(jié)果類似)。

2.1 西風(fēng)事件的緯向分布

西風(fēng)事件是一系列西風(fēng)異常, 而西風(fēng)異常方差的緯向分布則代表了天氣噪聲擾動(dòng)的空間差異。圖3表明, 西風(fēng)異常方差集中在140°E附近, 與東風(fēng)異常方差分布相似, 但是西風(fēng)異常的方差要大于東風(fēng)異常。在西風(fēng)事件識別的基礎(chǔ)上, 以事件初期的中心位置(見圖1b圓點(diǎn))來表征西風(fēng)事件的緯向分布。圖4顯示西風(fēng)事件主要集中在140°E和160°W兩個(gè)區(qū)域附近。這與Seiki等[6]西風(fēng)事件分布在140°E附近和170°E~160°W之間的論斷是一致的。由于西風(fēng)異常的能量在140°E附近最大, 因此西風(fēng)事件也會(huì)在這個(gè)區(qū)域集中發(fā)生。而在160°W附近, 西風(fēng)事件的集中存在可能與ENSO信號有關(guān)(見2.3節(jié))。綜合前面的分析, 赤道太平洋西風(fēng)事件主要分布在太平洋中西部, 作用中心分別位于140°E和160°W附近。

圖3 赤道太平洋西風(fēng)異常和東風(fēng)異常的緯向分布Fig. 3 Zonal distribution of easterly and westerly anomalies in the equatorial Pacific

圖4 西風(fēng)事件的緯向分布特征Fig. 4 Zonal distributions of westerly wind bursts

2.2 西風(fēng)事件的時(shí)間特征

西風(fēng)事件在時(shí)間演化方向上除了隨機(jī)性, 也存在一定的規(guī)律性。例如, 當(dāng)熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(Madden-Julian Oscillation)為濕位相時(shí), 往往伴隨著西風(fēng)事件的產(chǎn)生[10]; 而當(dāng)ENSO為暖相位時(shí), 西風(fēng)事件的數(shù)量增多[8]。下文將從季節(jié)變化和年際變化兩方面分析西風(fēng)事件的時(shí)間特征。

2.2.1 西風(fēng)事件的季節(jié)特征

基于前文對西風(fēng)事件的識別, 利用西風(fēng)事件的累積天數(shù)代表西風(fēng)事件的頻率, 西風(fēng)事件中西風(fēng)異常的平均值來代表西風(fēng)事件的平均強(qiáng)度, 將數(shù)據(jù)統(tǒng)一映射到1月—12月的時(shí)間坐標(biāo)上, 以此來表征多年平均下西風(fēng)事件的季節(jié)變化。圖5給出西風(fēng)事件在1979年1月1日到2015年12月31日期間累積的西風(fēng)事件天數(shù)和西風(fēng)事件平均強(qiáng)度。數(shù)據(jù)顯示, 冬季和春季西風(fēng)事件爆發(fā)的頻次較高, 平均強(qiáng)度較大,主要集中在中西太平洋, 與Seiki等[6]研究結(jié)果一致。相比于冬季和春季, 夏季和秋季西風(fēng)事件的頻率較低, 而且其平均強(qiáng)度偏弱。其中, 春季和夏季的西風(fēng)事件對厄爾尼諾有觸發(fā)作用, 可以產(chǎn)生下沉開爾文波, 將海溫異常暖信號向東傳遞; 而秋季和冬季的西風(fēng)事件則對應(yīng)著ENSO信號盛期大尺度背景風(fēng)場對天氣事件的調(diào)制, 使得大氣渦動(dòng)能從低頻向高頻串級[13]。從西風(fēng)事件的緯向分布來看, 其季節(jié)性變化不明顯, 主要集中在140°E~160°W。由上可知, 西風(fēng)事件在冬季和春季較強(qiáng), 夏季和秋季較弱。

圖5 西風(fēng)事件累積時(shí)間(a)和平均強(qiáng)度的時(shí)間-經(jīng)度剖面圖(b)Fig. 5 Accummulation days (a) and the mean amplitude of westerly wind burst in time-longitude plots (b)

2.2.2 西風(fēng)事件的年際變化

與前面的季節(jié)變化一樣, 西風(fēng)事件的年際變化也從頻率和強(qiáng)度兩個(gè)方面展開探討。不同的是, 將每月西風(fēng)事件的累積天數(shù)定義為逐月西風(fēng)事件天數(shù)(N)來表征西風(fēng)事件的頻率, 每月西風(fēng)事件的平均振幅定義為西風(fēng)事件平均振幅(A)來表征西風(fēng)事件的強(qiáng)度,生成各年各月的兩條時(shí)間序列。為了更好的突出年際變化信號, 上述兩個(gè)指標(biāo)均采用6個(gè)月滑動(dòng)平均處理。其中, 西風(fēng)事件月平均振幅的計(jì)算是基于逐日資料, 若 maxU′ 代表西風(fēng)事件時(shí)每天最大西風(fēng)異常值,每一個(gè)月具體的計(jì)算公式如下,

求和計(jì)算的時(shí)間范圍是從月初到月底。

圖6a顯示在較強(qiáng)的厄爾尼諾年(1982/1983、1986/1987、1997/1998、2015/2016年)前后, 逐月西風(fēng)事件天數(shù)都有先逐漸增加后減少的趨勢; 而在非厄爾尼諾年, 逐月西風(fēng)事件天數(shù)普遍偏少。這說明西風(fēng)事件的發(fā)生頻次與ENSO有一定的關(guān)聯(lián)。圖7功率譜存在通過95%置信度檢驗(yàn)的譜峰, 說明西風(fēng)事件發(fā)生頻次有準(zhǔn)2 a周期的變化。從西風(fēng)事件的強(qiáng)度來看(圖6b), 在厄爾尼諾年, 平均振幅較大, 最高可以達(dá)到3 m/s; 而在非厄爾尼諾年, 逐月西風(fēng)事件平均振幅則維持在較弱的水平。圖7b功率譜分析結(jié)果也顯示西風(fēng)事件的強(qiáng)度存在類似ENSO的寬譜峰年際變化。總體來說, 西風(fēng)事件的頻次和強(qiáng)度都存在一定的年際變化, 而強(qiáng)度與ENSO信號的周期更吻合。

圖6 逐月西風(fēng)事件時(shí)間(a)和逐月西風(fēng)事件平均振幅(b)Fig. 6 Interannual variability in monthly westerly wind burst in day numbers (a) and mean amplitude (b)

圖7 西風(fēng)事件時(shí)間功率譜(a)和西風(fēng)事件平均振幅功率譜(b)Fig. 7 Power spectrum of westerly wind bursts according to day numbers (a) and mean amplitude (b)

由前述分析可知, 西風(fēng)事件的概率、持續(xù)時(shí)間和緯向?qū)挾鹊忍卣鲄?shù)都隱含了一部分年際變化的信息[9-10]。因此, 厘清海表面溫度異常對西風(fēng)事件的調(diào)制關(guān)系, 對于厄爾尼諾事件的模擬和預(yù)報(bào)都具有重要意義[15-16]。下文將討論西風(fēng)事件的時(shí)空特征如何具體受ENSO信號的影響。

2.3 西風(fēng)事件時(shí)空特征受ENSO信號的影響

以逐月緯向風(fēng)異常的方差來表示西風(fēng)事件的高頻大氣變化, 研究西風(fēng)事件時(shí)空特征受ENSO信號的影響時(shí), ERA-Interim和NCEP2的風(fēng)場數(shù)據(jù)給出相似的結(jié)果, 因此本節(jié)僅以ERA-Interim風(fēng)場資料為例進(jìn)行討論。

以緯向風(fēng)異常逐月方差為左場、逐月海表面溫度異常為右場進(jìn)行奇異值分解, 第一模態(tài)累積解釋協(xié)方差56.6%, 說明海面風(fēng)場和溫度異常場存在顯著的空間相關(guān)。圖8b顯示影響高頻緯向風(fēng)場的海表面溫度異常信號源于ENSO, 而圖8a則表明與ENSO信號相關(guān)的緯向風(fēng)高頻變化主要集中在中太平洋地區(qū)。這種西風(fēng)事件與ENSO信號的相干關(guān)系在不同的研究里都得到了證實(shí)[14], 說明它是熱帶海氣耦合系統(tǒng)的一個(gè)固有特征。圖8c時(shí)間系數(shù)表明, 隨著海表面溫度異常的升高, 緯向風(fēng)異常的高頻變化在逐漸增強(qiáng)。關(guān)于ENSO信號影響大氣高頻變化的物理機(jī)制, Seiki等[7]認(rèn)為ENSO信號影響西風(fēng)事件主要通過改變背景風(fēng)場的水平和豎直剪切從而實(shí)現(xiàn)渦動(dòng)能從低頻向高頻的傳遞。對前文中西風(fēng)事件的位置進(jìn)行區(qū)分, 可以看出厄爾尼諾期間的西風(fēng)事件主要分布在太平洋中部; 而非厄爾尼諾期間, 西風(fēng)事件在西太平洋地區(qū)更集中。綜上所述, 西風(fēng)事件受到ENSO信號的影響, 更多集中在中太平洋地區(qū)。

圖8 奇異值分解第一模態(tài)的緯向風(fēng)(a), 海面溫度(b), 時(shí)間系數(shù)(c)Fig. 8 First singular value decomposition mode in tropical Pacific zonal winds (a), monthly SST (b), and time series (c)

為進(jìn)一步研究西風(fēng)事件的年際變化與ENSO信號的關(guān)系, 圖9給出Ni?o3.4指數(shù)與逐月西風(fēng)事件累積天數(shù)和平均振幅的散點(diǎn)圖。其中Ni?o3.4指數(shù)表征ENSO信號, 而西風(fēng)事件年際變化則根據(jù)前文逐月西風(fēng)事件天數(shù)和西風(fēng)事件平均振幅來判別。圖9表明, 隨著Ni?o3.4指數(shù)的增加, 逐月西風(fēng)事件天數(shù)也逐漸增加, 西風(fēng)事件頻率與Ni?o3.4指數(shù)的線性相關(guān)系數(shù)是0.31。圖9a中Ni?o3.4指數(shù)集中分布在非對稱的冷暖區(qū)間–2~3 ℃。在–1~1 ℃范圍內(nèi),逐月西風(fēng)事件天數(shù)與Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)性較弱,離散程度更高。而圖9b表明逐月西風(fēng)事件的平均振幅與Ni?o3.4指數(shù)的線性相關(guān)性更好, 相關(guān)系數(shù)達(dá)0.56。平均振幅與海表面溫度的線性相關(guān)系數(shù)大,說明西風(fēng)事件的強(qiáng)度更容易受到ENSO信號的調(diào)制作用。

圖9 Ni?o3.4指數(shù)與西風(fēng)事件時(shí)間(a), 西風(fēng)事件平均振幅關(guān)系的散點(diǎn)圖(b)(振幅單位: m/s; Ni?o3.4指數(shù)單位: ℃)Fig. 9 Scatter plots of Ni?o3.4 index and westerly wind burst in day numbers (a) and mean amplitude (b)

初步猜想ENSO信號影響西風(fēng)事件需要達(dá)到一定的閾值: 當(dāng)Ni?o3.4指數(shù)超過這個(gè)閾值, 大尺度海氣耦合作用明顯, 大氣的低頻能量可以持續(xù)向高頻能量轉(zhuǎn)移, 促使西風(fēng)事件的爆發(fā); 而當(dāng)?shù)陀谶@個(gè)閾值, 低頻能量向高頻的轉(zhuǎn)移不能持續(xù), 使得西風(fēng)事件隨機(jī)發(fā)生, 但是其強(qiáng)度還是會(huì)受到能量傳遞的控制。具體來說, 當(dāng)Ni?o3.4指數(shù)大于1 ℃時(shí), 西風(fēng)事件更易受到ENSO信號的影響, 而當(dāng)Ni?o3.4指數(shù)處于–1~1 ℃時(shí), 西風(fēng)事件的頻率受ENSO信號的影響較小, 呈現(xiàn)很強(qiáng)的隨機(jī)性, 但是西風(fēng)事件強(qiáng)度受到一定的ENSO信號調(diào)控。

3 結(jié)論

本文利用ERA-Interim和NCEP2的逐日風(fēng)場資料以及OI逐月海表面溫度資料診斷了西風(fēng)事件爆發(fā)的時(shí)空特征, 并探討了ENSO信號對其發(fā)生頻次和強(qiáng)度的影響, 得出以下初步結(jié)論:

1) 赤道太平洋西風(fēng)事件集中在140°E和160°W附近。冬季和春季西風(fēng)事件頻率和平均強(qiáng)度較大, 夏季和秋季較小, 緯向?qū)挾鹊募竟?jié)變化不顯著。

2) 西風(fēng)事件存在明顯的年際變化, 譬如厄爾尼諾期間, 中東太平洋海表面溫度顯著異常升高, 西風(fēng)事件也相應(yīng)的集中在此區(qū)域, 尤以中太平洋為主。當(dāng)Ni?o3.4指數(shù)大于1 ℃時(shí), 西風(fēng)事件的頻率和強(qiáng)度與ENSO信號的相干關(guān)系密切; 當(dāng)Ni?o3.4指數(shù)小于1 ℃時(shí), 西風(fēng)事件頻率的隨機(jī)性增強(qiáng), 但其強(qiáng)度仍能受ENSO信號調(diào)制。

需要說明的是, 本文西風(fēng)事件時(shí)空特征受ENSO信號影響是統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 其中利用帶通濾波分離大尺度海氣耦合信號和高頻天氣噪聲的做法具有一定的局限性。在此基礎(chǔ)上, 如果借助模式實(shí)驗(yàn), 能更準(zhǔn)確地區(qū)分ENSO信號對西風(fēng)事件的影響, 揭示其物理機(jī)制。