ENSO與北半球冬季大氣環流異常年代際關系的數值模擬

曹艷艷,郭品文,王武軍

(1.浙江省奉化市氣象局,浙江 奉化 315500;2.南京信息工程大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210044)

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ENSO與北半球冬季大氣環流異常年代際關系的數值模擬

曹艷艷1,郭品文2,王武軍1

(1.浙江省奉化市氣象局,浙江 奉化 315500;2.南京信息工程大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210044)

利用NCAR/CCM3大氣環流模式,模擬不同海溫背景場強迫下,北半球冬季大氣環流對ENSO事件的響應。結果表明,模式能夠模擬出不同海溫背景場下,北半球冬季大氣環流對ENSO事件的不同響應,模擬結果與診斷結果基本一致。在20世紀70年代末之后的平均海溫背景場強迫下,El Nio對阿留申低壓的加強作用比70年代末之前更明顯,而ENSO暖位相對蒙古高壓的作用則由70年代末之前的輕微減弱變為明顯加強。雖然70年代末以后ENSO事件的強度比70年代末之前有所增大,但ENSO對東亞大槽和東亞冬季風的減弱作用反而不再那么明顯;同時在高空風場中,由ENSO激發出的PNA型異常環流在70年代末以后明顯加強。

ENSO;冬季大氣環流;年代際變化;數值模擬

0 引言

國內外研究表明,ENSO對大氣環流有重要影響(Arkin,1982;祝立娟等,2014)。ENSO增暖將造成赤道中西太平洋Walker環流減弱東移、中東太平洋氣壓降低以及表層輻合上升運動的增強(楊修群等,1996),大氣中的Hadley環流將會加強(Bjerknes,1966)。

ENSO事件在不同年代有不同特點,同時大氣環流在20世紀70年代末發生了躍變,這讓不少學者關注ENSO和大氣環流之間的年代際關系。He et al.(2013)研究ENSO與中緯大氣環流之間的年代際關系后發現,1958—1976年、1977—2010年ENSO和中緯大氣環流的關系存在較大差異。Yun et al.(2010)利用ERA-40向外長波輻射數據(1958—2001年),研究向北傳播的大氣季節內振蕩(NPISO)和ENSO之間的年代際關系后發現,1970s末以前,前冬的ENSO事件影響夏季早期(5、6月)的NPISO;而1970s末以后,兩者的緊密關系出現在夏季后期(7、8月)。Wu and Wang(2002)利用站點降水和NCEP-NCAR再分析資料,分析了東亞夏季風和ENSO之間的年際關系在1970s末的改變。曾剛等(2013)利用CAM3模式對比了不同海域海表溫度異常對東亞夏季風年代際變化的影響。Yun et al.(2014)分析1958—2012年NCEP、ERA、JRA的地面氣溫資料后得出,在20世紀70年代晚期以后,EOF第一模態顯示ENSO對亞洲冬季風變率的作用減弱。徐建軍等(1997)研究了近百年東亞冬季風與ENSO循環的相互關系及其年代際異常,發現不同年代的ENSO循環與東亞冬季風的關系不同。朱乾根和徐建軍(1998)分析了ENSO的年代際變化對我國東部氣候異常的影響。陶麗等(2013)總結后發現,西太平洋熱帶氣旋的年際活動與ENSO關系密切,并且這種關系存在年代際變化。

北半球冬季大氣環流異常與ENSO循環的年代際關系已有診斷分析結果(曹艷艷等,2007),本文將用CCM3模式對氣候躍變前后的ENSO事件引起的大氣環流異常進行模擬。CCM3是NCAR CCM系列中的第4代產品(Kiehl et al.,1996,1998),Boville and Hurrell(1998)指出CCM3具有較強的模擬能力。

1 資料

1)英國氣象局Hadley中心整編1950年1月—2002年12月1°×1°格點的全球海面溫度數據集(GISST);

2)1950年1月—1979年12月NCEP/NCAR逐月2.5°×2.5° 17層風場(u、v)、12層垂直速度、位勢高度(φ)、海平面氣壓再分析資料;

3)文中冬季取12月—次年2月的平均。

2 模式模擬能力檢驗與試驗方案設計

2.1 模式模擬能力的檢驗

張福穎等(2012)利用CCM3模式再現了不同年代熱帶太平洋和熱帶印度洋SST變化對其上空大氣環流影響的不同。為了進一步說明CCM3模式對本文所研究問題的模擬能力,用模式自帶的1950—1979年逐月平均的海表溫度(sea surface temperature,SST)作為下邊界,從9月開始積分14 a,取第9～14個模式年的12—2月的平均作為冬季平均氣候的代表,與1950—1979年NCEP再分析資料的氣候平均值進行比較(圖略)。通過比較發現,CCM3可以較好的模擬北半球冬季的大氣環流狀況,滿足本文研究的要求。

2.2 試驗方案設計

為了對比北半球冬季大氣環流異常對ENSO事件年代際變化的響應,根據已有診斷分析的結果(曹艷艷等,2007),把近50 a中ENSO與北半球大氣環流異常的關系分兩個階段,即1977/1978年前和1978/1979年后分別進行討論。分別計算GISST的1950—1978年和1979—2002年的觀測海表溫度的氣候平均,得到兩個長度為12個月的SST場,作為兩個控制試驗的下邊界強迫場,代表ENSO事件與北半球大氣環流關系改變前后的背景場。

下邊界條件的變化在試驗的設計中是最為關鍵,其在不同試驗中的變化,即在不同年代的變化,用以區分不同年代ENSO事件的背景海溫差別。從兩個年代背景海溫的差值(圖略)上可以清楚地發現,在20世紀70年代末以后,除了中太平洋上的部分海溫呈負距平外,全球絕大部分地區海溫明顯升高(張勤和丁一匯,2001),換句話說,70年代末以后的ENSO事件是在暖海溫背景下發生的。從圖上還可以看到,在赤道中、東太平洋區域,海表溫度在80年代以后有明顯升高。

本文一共設計了四個試驗,包括兩個控制試驗和兩個敏感性試驗。控制試驗積分結果表示在不同背景場作用下的大氣環流平均狀況,而敏感試驗結果則表示在不同海溫背景下El Nio事件發生時的大氣環流平均狀況。具體的試驗方案設計如下:

1)控制試驗一(CTR1):將計算得到的1950—1978年平均的SST作為下邊界,NCAR提供的9月1日大氣資料作為初始場,從9月1日開始積分到第四個模式年的3月1日00時,得到的第三個模式年12月至第四個模式年2月平均值作為文中所指冬季的代表。

2)敏感試驗一(EXPR1):初始條件與CTR1相同,只是在積分到第三個模式年的12月1日00時開始在Nio3.4區加了2 ℃的正海溫異常,到次年3月1日00時結束,將第三個模式年的12月至第四個模式年的2月作為本文研究的冬季。

3)控制試驗二(CTR2):設計方案同CTR1,只是作為下邊界強迫的是1979—2002年平均的SST。

4)敏感試驗二(EXPR2):基本同CTR2,在第三個模式年的12月1日00時開始在Nio3.4區加了2.5 ℃的正海溫異常。

于淑秋和林學椿(1997)發現,北太平洋海溫在70年代末80年代初發生一次氣候躍變,躍變后赤道太平洋年平均海溫比躍變前增加了0.29 ℃。引起躍變后的El Nio發生時赤道東太平洋海溫增暖程度小于躍變前,而赤道中太平洋海水增溫程度則大于躍變前。70年代末以前,Nio3.4區海溫異常可達2 ℃;到了70年代末以后,Nio3.4區海溫異常可達2.5 ℃。對El Nio事件的定義,目前國際上沒有統一的標準。美國NOAA以Nio3.4區SSTA的3個月滑動平均值連續5個月≥0.5 ℃定義為一次El Nio事件,本文參考NOAA做法,用Nio3.4區的海溫持續4個月偏高2.0 ℃來表示一次El Nio事件,該區域海溫異常的大小即可表示El Nio事件的強弱。為了更貼合觀測實際,在用Nio3.4區海溫異常來表示ENSO事件強度的變化時,敏感試驗中所加的海溫異常也有所區別,在氣候躍變后要比躍變前偏強。

3 不同年代ENSO與北半球冬季大氣環流關系的數值模擬

3.1 海平面氣壓場變化

圖1和圖2分別是CTR1和EXPR1及CTR2和EXPR2模擬的海平面氣壓(sea level press,SLP)場比較。經過對比分析發現,在70年代末以前的海溫背景場強迫下,阿留申低壓中心最低氣壓在CTR1中為993.793 hPa,在EXPR1中為990.145 hPa,表明ENSO暖位相使阿留申低壓增強;同時可以看到,冰島低壓在El Nio影響下有所減弱,中心最低氣壓從控制試驗中的977.953 hPa上調至敏感試驗中的984.631 hPa;格陵蘭高壓總體變化不明顯,在敏感試驗和控制試驗的海平面氣壓差值上可以發現El Nio年格陵蘭高壓略有減弱,而同時高壓中心強度則有輕微加強。EXPR1-CTR1的海平面氣壓差值分布(圖1c)上,阿留申群島附近海平面氣壓在El Nio年明顯降低,進一步說明ENSO暖事件使阿留申低壓增強。在海平面氣壓差值圖上還形成了一個在冰島以南為正氣壓異常和亞速爾群島與佛羅里達半島之間為負氣壓異常的北大西洋濤動(North Atlantic Oscillation,NAO),但這時的NAO較弱。

在70年代末以后的海溫背景場強迫下,阿留申低壓的近中心最低氣壓在控制試驗中為999.579 hPa,在敏感試驗中為995.568 hPa,同樣差值圖上阿留申群島附近的明顯負距平都顯示阿留申低壓在El Nio年有所增強。而此時冰島低壓的變化很小,中心氣壓變化幅度還不到0.5 hPa。在敏感試驗與控制試驗的差值圖上,也看不到明顯的NAO。

對比兩個年代海溫背景強迫下的海平面氣壓差值圖可見,70年代末以后,阿留申群島附近的海平面氣壓負距平無論是范圍還是絕對值都明顯增大,表明在氣候躍變后,ENSO循環的暖位相使阿留申低壓增強的作用加強。在貝加爾湖和巴爾喀什湖之間,70年代末以前是一個弱的負距平區,而70年代末之后上述地區則為較強的正距平,可見ENSO暖事件對蒙古高壓的作用從70年代末以前的減弱變為之后的明顯加強。上述結果與已有的診斷分析結果(曹艷艷等,2007)基本一致。

圖1 20世紀70年代末以前海溫背景場強迫下模擬的海平面氣壓場(單位:hPa)a.CTR1結果;b.EXPR1結果;c.EXPR1結果與CTR1結果的差值Fig.1 Simulated SLP field under SST forcing before the late 1970s(units:hPa)a.CTR1 results;b.EXPR1 results;c.EXPR1 results minus CTR1 results

圖2 20世紀70年代末以后海溫背景場強迫下模擬的海平面氣壓場(單位:hPa)a.CTR2結果;b.EXPR2結果;c.EXPR2結果與CTR2結果的差值Fig.2 Simulated SLP field under SST forcing after the late 1970s(units:hPa)a.CTR2 results;b.EXPR2 results;c.EXPR2 results minus CTR2 results

3.2 低空風場特征

圖3是兩組試驗中模擬的850 hPa風場差值和經向風異常。對風場差值的比較可以發現,在圖3a中東亞地區有弱的偏南風距平,表明冷空氣活動較少,東亞冬季風偏弱。而圖3b中東亞地區的偏南風距平被很弱的北風距平所代替,可見在70年代末以后的背景場下,ENSO暖位相對東亞冬季風的減弱作用不再那么明顯,甚至還有弱的加強作用。診斷分析(曹艷艷等,2007)中已經發現,在70年代末以后,ENSO與東亞大氣環流異常之間的相關關系明顯減弱,解釋了圖3b中顯示的東亞地區南風距平近乎消失的原因。陳文(2002)的研究表明,El Nio盛期的冬季東亞地區會出現異常的南風,也就是弱冬季風年。而從本文的數值模擬可以發現,El Nio對東亞冬季風的作用除了要根據El Nio事件本身所處的發展階段,還要考慮ENSO事件的年代際變化,即事件發生的不同背景場。在70年代末以前,ENSO暖事件發生時東亞冬季風偏弱;而70年代末以后,ENSO暖事件發生時東亞冬季風則有輕微加強。

從圖3a、3b還可以看出,中緯東太平洋的氣旋性風速異常,與海平面氣壓場上的負變壓區相對應,并且該氣旋性異常在70年代末以后更加明顯。這與診斷分析(曹艷艷等,2007)中,西半球中高緯大氣環流在70年代末以后對ENSO事件的響應更為明顯,是一致的。

圖3 不同海溫背景場強迫下模擬的850 hPa風矢量(a,b)和經向風(c,d)差值(單位:m/s)a,c.EXPR1結果減CTR1結果;b,d.EXPR2結果減CTR2結果Fig.3 Simulated 850 hPa (a,b)wind vector and (c,d)meridional wind differences under different SST forcings(units:m/s) a,c.EXPR1 results minus CTR1 results;b,d.EXPR2 results minus CTR2 results

圖4 不同海溫背景場強迫下模擬的500 hPa位勢高度差值(單位:gpm)a.EXPR1結果減CTR1結果;b.EXPR2結果減CTR2結果Fig.4 Simulated 500 hPa geopotential height difference under different SST forcings(units:gpm)a.EXPR1 results minus CTR1 results;b.EXPR2 results minus CTR2 results

圖5 不同海溫背景場強迫下模擬的200 hPa風場差值(單位:m/s)a.EXPR1結果減與CTR1結果;b.EXPR2結果減CTR2結果Fig.5 Simulated 200 hPa wind difference field under different SST forcings(units:m/s)a.EXPR1 results minus CTR1 results;b.EXPR2 results minus CTR2 results

3.3 中層大氣的響應

模式模擬的500 hPa位勢高度場(圖略)在不同年代的變化與診斷結果相對應。70年代末以前,ENSO暖位相使得北美大陸西部阿拉斯加半島上空的平均脊減弱東移,位于東部西伯利亞的北冰洋沿岸的極渦加強偏南,對歐亞大陸上脊的影響在貝加爾湖南北存在差異:貝加爾湖以南的脊被減弱,而以北的脊則反而得到加強。烏拉爾山以西的歐洲上空槽亦被減弱。中高緯的距平分布反映冬季東亞上空的東亞大槽強度比常年偏弱,不利于寒潮的爆發,這說明了在El Nio年冬季東亞地區的寒潮偏弱的原因。

到了后一個年代,阿拉斯加上空的脊也有東移現象,且其東移比70年代末以前更為明顯。東西伯利亞上空的極渦也有所加強,但加強不如70年代末以前那么明顯,這一點在敏感試驗和控制試驗的差值圖上反映的更清晰。ENSO暖位相對貝加爾湖附近脊的影響不再有南北差異,而是一致增強。烏拉爾山以西的槽明顯加強,而東亞大槽偏弱不明顯。胡桂芳等(2011)利用Nino3區海溫變化特征指數Issta研究了春季東亞大氣環流對Nino3區海溫變化的響應及其年代際變化,發現東亞大氣環流對Issta升高(即El Nio發展階段)的響應在大氣環流躍變前后有著基本一致的特征,只是在環流躍變后響應的程度有所減弱。這種響應程度的變化正好延續了冬季東亞大氣環流對不同年代ENSO暖事件的響應變化。從500 hPa高度場差值分布(圖4)中可以發現,在70年代末以前的海溫背景場作用下,ENSO暖位相激發了較弱的PNA型異常環流,到了70年代末以后,激發的PNA型異常環流更為明顯,這與診斷分析結果相一致。同時,不管是在哪個年代的海溫背景場強迫下,ENSO暖位相引起低緯度大氣環流的變化不明顯,而對中高緯度大氣環流的變化則有較強的作用,特別是在70年代末以后,這種加強作用更為顯著。

3.4 高空風場特征

在模擬的全球200 hPa風場差值(圖5)上,兩個年代El Nio年青藏高原南側的南支西風均比常年偏強,為一致的西風異常,這表明El Nio年南支西風擾動強并且比較活躍,這與陶詩言和張慶云(1998)的研究結果一致。Horel and Wallace(1981)在研究中發現,當赤道東太平洋海溫異常增暖時,Hadley環流的上升支有更多的角動量帶到中緯度,增強了中緯度的西風強度。同時高層赤道兩側形成強大的反氣旋環流,于是在中緯度強西風的北側出現強大的氣旋環流,進而產生影響北美氣候異常的PNA型異常環流。模擬的200 hPa風場異常(圖5)確實出現了赤道以北的反氣旋和中緯東太平洋的氣旋性環流。并且在后一個年代際背景場下模擬的反氣旋性環流比前一個年代際背景場下模擬的影響范圍更大,從而使得在中緯度出現的氣旋性環流也比較大,PNA型異常環流偏強,ENSO對西半球大氣環流的影響偏大。

此外,菲律賓海上空出現了氣旋性異常環流,作為赤道中、東太平洋上空和亞洲東北部上空的反氣旋性異常環流的橋梁,形成一個從赤道中、東太平洋出發,向極、向西傳播的波列,即Wang et al.(2000)提出的ENSO影響東亞氣候的太平洋—東亞型遙相關。而在70年代末以后的背景場作用下的大氣環流異常場中,這種波列已不明顯,這也可以解釋70年代末以后,東半球尤其是亞洲東北部大氣環流異常受ENSO影響明顯減小的現象。

4 結論與討論

利用整編的全球海面溫度資料強迫一個全球氣候模式CCM3,模擬結果表明CCM3能基本模擬出ENSO暖位相引起的大氣環流變化;同時對不同年代ENSO與北半球冬季大氣環流異常的關系,即在不同海溫背景場下,ENSO與北半球冬季大氣環流異常的關系變化,模式也基本重現了再分析資料診斷的結果,得出的主要結論如下:

1)在海平面氣壓模擬上,20世紀70年代末之后的平均海溫背景下,El Nino對阿留申低壓的加強作用較70年代末之前要明顯得多;而對蒙古高壓的作用從70年代末之前的輕微減弱變為明顯加強。

2)低層風場和中層高度場模擬結果都表明,70年代末以后,ENSO對東亞大槽和東亞冬季風的減弱作用不再顯著,甚至會有不太明顯的增強。

3)模擬的中層高度場和高空風場都顯示,70年代末以后,由ENSO激發出的西半球太平洋—北美地區PNA型異常環流則有明顯加強。

雖然數值模式在一定程度上重現了診斷分析的結果,但不同年代ENSO事件對北半球冬季大氣環流異常的影響機制仍不清楚,需要通過設計更完善的數值試驗來做進一步的研究。另外,近年的研究發現不同類型的El Nio事件將會對大氣環流產生不同的影響(Yuan and Yang,2012;祁莉等,2014),都是今后需要進一步研究的內容。

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(責任編輯：孫寧)

Numerical simulation of interdecadal relationship between ENSO and Northern winter atmospheric circulation anomalies

CAO Yan-yan1,GUO Pin-wen2,WANG Wu-jun1

(1.Fenghua Meteorological Bureau,Fenghua 315500,China;2.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China)

Different responses of Northern winter atmospheric circulation to ENSO events are simulated under different surface sea temperature(SST) forcings using NCAR/CCM3 model.Comparison between simulated results and diagnostic results indicates that the model can simulate the response of Northern winter atmospheric circulation to ENSO events under different SST forcings.The simulated results are agree with the diagnostic results.Under SST forcing after the late 1970s,the strengthening action of El Nio events on Aleutian low is more obvious.Mongolian high is slightly weakened by El Nio events before the late 1970s,but it is markedly strengthened after the late 1970s.After the late 1970s,the strength of ENSO events becomes larger,but the abated effect of ENSO on East Asian trough and East Asian winter monsoon is not clear,and PNA pattern is obviously strengthened by El Nio events.

ENSO;winter atmospheric circulation;interdecadal variation;numerical simulation

2014-03-12；改回日期：2014-11-12

浙江省氣象局科技計劃項目(2011YB11)

曹艷艷,工程師,研究方向為短期氣候預測,13857487126@139.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140312001.

1674-7097(2015)02-0205-08

P732

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140312001

曹艷艷,郭品文,王武軍.2015.ENSO與北半球冬季大氣環流異常年代際關系的數值模擬[J].大氣科學學報,38(2):205-212.

Cao Yan-yan,Guo Pin-wen,Wang Wu-jun.2015.Numerical simulation of interdecadal relationship between ENSO and Northern winter atmospheric circulation anomalies[J].Trans Atmos Sci,38(2):205-212.(in Chinese).