2015/2016年超強El Ni?o在成熟/衰減階段對澳洲夏季風環流與降水異常的影響

陳蔚,管兆勇

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

2015/2016年超強El Ni?o在成熟/衰減階段對澳洲夏季風環流與降水異常的影響

陳蔚,管兆勇*

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

2016-09-08收稿，2016-10-11接受

國家自然科學基金重點資助項目(41330425);公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201406024);江蘇省高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

2015/2016年發生了超強El Ni?o事件,Ni?o3區海溫異常在2015/2016年冬季超過了2.5 ℃,其對全球氣候異常的產生具有重大影響。此次El Ni?o事件可歸類為東部型。本文利用NCEP/NCAR再分析資料、Hadley中心海溫資料及CMAP降水資料等,通過診斷分析,揭示了2015/2016年強El Ni?o事件盛期和衰減期海溫異常對澳洲夏季風環流異常和降水變化的影響及其途徑。澳洲地區受此次El Ni?o事件影響,大部分地區降水顯著減少,某些地區降水減少達60%～80%。影響途徑主要有:1)海溫異常通過Gill型響應造成水平環流異常并進而影響澳洲夏季風減弱。2015/2016年ENSO事件成熟期及衰減期,在西太平洋赤道地區出現海溫負異常,導致此處熱帶地區產生了負異常的熱源分布,并由此激發產生了位于赤道北側和南側的異常反氣旋式環流。位于海洋性大陸南側的異常反氣旋性環流引起澳洲夏季風減弱,從而利于抑制上升運動,造成了澳大利亞降水量顯著減少;2)通過赤道中東太平洋地區上升和澳洲地區下沉的垂直環流異常導致澳洲降水顯著減少。在El Ni?o事件盛期,因海溫異常偏暖導致赤道中東太平洋地區產生顯著的異常上升運動,其補償性的下沉運動因Walker環流而出現在海洋性大陸地區,以及因澳洲大陸夏季風減弱而出現在澳大利亞中東部地區,由此構成了中東太平洋—澳洲副熱帶的垂直環流圈,此東北—西南向的垂直環流圈對澳洲降水減少的維持起到了重要作用。另外,中國南方的上升運動與海洋性大陸及澳洲地區的下沉運動之間通過局地經圈環流產生了聯系,表明東亞冬季風異常減弱對澳洲夏季風減弱可能存在間接影響。這些結果對深刻認識超強ENSO事件對亞澳季風的影響機理以及尋找澳洲降水預測線索具有重要意義。

東部型ENSO事件

澳洲夏季風環流

降水異常

海洋性大陸

2015/2016年

眾所周知,El Ni?o是太平洋東部和中部的熱帶海洋海水溫度異常持續變暖的現象,其可通過海洋和大氣的相互作用與能量交換(Bjerknes,1969)對全球不同地區的天氣和氣候產生重要影響。觀測研究表明,每次ENSO事件對氣候的影響不盡相同,造成這一現象的原因與El Ni?o事件強弱、類型、發生和持續的時間以及大氣和海洋環流背景密切相關。就El Ni?o事件的強弱而言,20世紀的1982/1983年和1997/1998年發生了兩次強ENSO事件,受到了大氣和海洋學界的廣泛關注(Wright et al.,1988;Wang,1992;;Chou et al.,2004)。

自1997/1998年極強ENSO事件后,于2015/2016年又發生了更強的ENSO事件。事實上,2014年秋季(9月),赤道中東太平洋海溫即呈明顯正異常,之后在2014年末達到峰值,但在2015年初海表溫度又恢復了正常。然而,自2015年春季起,受赤道太平洋顯著的西風風應力異常和溫躍層上暖性開爾文波的影響,迅速產生了明顯的強El Ni?o事件,至2015年8月,Ni?o3.4區海溫距平超過了2.0 ℃。這是21世紀以來首次達到這一程度,2015年11月,這一區域海溫距平達到了2.5 ℃以上,超過了1997/1998年超強El Ni?o事件的海溫異常記錄。此后,在整個北半球冬季(2015年12月至2016年2月),El Ni?o事件都維持在鼎盛狀態,直到2016年3月之后,溫躍層上的異常冷水開始在南美沿岸向海面涌升,赤道中東太平洋地區海溫開始急劇下降,并最終在5月底回到了中性狀態,El Ni?o事件也由此結束。這一打破紀錄的El Ni?o事件對全球同期氣候產生了重大影響(Zhai et al.,2016)。澳大利亞就是受到ENSO嚴重影響的地區之一。

圖1 澳洲地區南半球夏季(12月—次年2月)降水異常 a.1979—2015年37 a平均的夏季季節平均降水(陰影,單位:mm/d)以及地表風場(流線);b.1982/1983年夏季降水距平百分比(%);c.1997/1998年澳洲夏季降水距平百分比(%)Fig.1 Distribution of precipitation anomalies in Australia during Southern Hemisphere summer (December—February):(a) summer average precipitation during 1979—2015 (shaded;units:mm·d-1) and the surface wind field (streamline);(b,c) anomaly percentage (%) for (b) 1982/83 and (c) 1997/98

眾所周知,澳大利亞處于海洋性大陸(Maritime Continent,以下簡稱MC)南側,受亞澳季風影響。在南半球冬季,澳大利亞高壓(澳高)和馬斯克林高壓(馬高)是南半球副熱帶主要環流系統(管兆勇和林春育,1989;金大超等,2010),其強度變化可直接影響北部的越赤道氣流(施能和朱乾根,1995;叢菁等,2007),并進而影響亞洲夏季風。在南半球夏季(圖1a),澳洲上空存在一個明顯的氣旋性環流系統,中心分別位于澳洲西部與東部沿海地區。降水相對集中于氣旋中心附近。當然,澳洲的降水低值區域分布與地形有關,也與其內陸存在大范圍沙漠有關。目前有些有關澳洲夏季風的研究(Joseph et al.,1991)。Mcrobie et al.(2015)研究認為澳洲西北部的夏季風是季風系統的重要組成部分。Wu(2016)認為1900—2010年間印度夏季風降水與澳洲夏季風降水年際變化之間關系存在著年代際改變。盡管存在較大的不確定性,但針對氣候暖化對澳洲季風降水的影響進行的情景預測發現,未來氣候變暖對澳洲季風降水并無顯著影響。注意到,有研究表明,澳洲夏季風爆發與ENSO和南極環狀模的關系仍沒有非常明確。這些都說明澳洲季風活動及降水變化越來越受到關注。

澳大利亞受到季風影響,同時還受到ENSO的影響。分析表明,澳洲東部降水受到ENSO影響明顯(Nicolls et al.,1996;Kane,1997),且不同的ENSO事件對澳洲降水影響存在顯著不同。例如,1982/1983年ENSO事件對澳洲降水影響巨大(圖1b),澳洲大部分地區降水比同期顯著減少,兩個低值中心分別位于澳洲中東部與西部。但在1997/1998事件中,澳洲只有西部地區的降水受到了顯著影響(圖1c),并且澳洲東部降水出現正異常現象。毫無疑問,ENSO 影響澳洲夏季降水是通過影響夏季風環流實現的。季風活動及其降水的開始及強度與6月的ENSO信號有關(Evans et al.,2012,2014)。Choi et al.(2016)的研究表明,澳洲夏季風在1998年之后得到加強,造成的季風降水相應增多,這與ENSO和太平洋年際振蕩相關。澳洲受到ENSO顯著影響途徑主要有:當ENSO事件發生時,赤道東太平洋海溫異常升高,對流層大氣通過Gill型響應(Gill,1980),在赤道兩側激發出Rossby波型,形成了氣旋性環流異常。與此同時,菲律賓及其東側上空出現異常的反氣旋環流(Wang et al.,2000)。這種反氣旋環流異常將影響亞澳季風,從而影響澳洲氣候異常(Xue et al.,2004;Godfrey et al.,2013;Zhai et al.,2016)。另外,ENSO的發生可以加強赤道西風,造成南太平洋赤道輻合帶(SPCZ)異常并進而對澳洲氣候異常產生影響(張蓬勃等,2010a,2010b)。

綜上,季節平均的澳洲季風受到ENSO的顯著影響,但不同的ENSO事件對澳洲夏季風影響存在較大差異。那么,在2015/2016年的超強ENSO事件中,澳洲夏季風將如何變化?澳洲降水會受到怎樣的影響呢?為回答這些問題,本文將利用再分析資料通過診斷分析對這些問題進行探討。

1 資料與方法

采用1979年1月—2016年6月的資料,包括:1)Hadley中心的空間水平分辨率為1°×1°的全球海溫逐月格點資料逐月海表溫度資料(Rayner et al.,2003);2)美國國家海洋局(NOAA)研究中心提供的CPC Merged Analysis of Precipitation (CMAP)全球月平均降水資料,其分辨率為2.5°×2.5°(Schneider and Becker,2011);3)NCEP/NCAR再分析資料,其變量包括:月平均的17層風場、17層等壓面上氣溫、12層等壓面上的垂直速度,濕度場以及地面氣壓等。資料的水平分辨率為 2.5°×2.5°(Kalnay et al.,1996)。

變量的秋冬季平均值被定義成變量在10月至次年2月的平均值,春季平均值為次年4月至次年6月平均值。下文中所述物理量的距平均為某一年秋冬季或春季平均值與37 a秋冬季或春季平均值的差值。

海洋性大陸(Ramage,1968)核心區域(Key Maritime Continent Region,以下簡稱KMC)取為區域[10°S～10°N,95～145°E];南太平洋輻合帶(Southern Pacific Convergence Zone,以下簡稱SPCZ)區域粗略地取為[30°S～0°,155°E～115°W](吳增茂等,1993)。

印度洋海盆模指數(Indian Ocean Basin Mode Index,以下簡稱IOBMI)定義為熱帶印度洋區域[30°S～30°N,40～110°E]范圍內月平均SST的全海盆區域平均值,印度洋偶極子指數(Dipole Mode Index,以下簡稱DMI)定義為印度洋西部[50～70°E,10°S～10°N]和東部(90～110°E,10°S～0°)區域平均的海表溫度距平之差(Saji et al.,1999)。

文中還計算了大氣視熱源和視水汽匯(Luo and Yanai,1984),其計算公式如下:

(1)

(2)

在Q1,Q2的計算公式中包括了局地變化項,水平平流項和垂直輸送項3項。對(1),(2)進行垂直積分得:

(3)

(4)

ΔQ=-=+(QS+LES)。

(5)

其中:L為凝結潛熱;Pr為降水量;QS為地面感熱輸送;E為氣柱中云滴的蒸發量;C為氣柱中扣除已形成降水的水汽凝結所致的液態水生成量;QR為地面潛熱輸送;為輻射加熱(冷卻) 的垂直積分;PS為地面氣壓;PT取為300 hPa;為大氣視熱源;為大氣視水汽匯。

需要說明,ΔQ=-表示大氣柱內除潛熱釋放之外凈非絕熱加熱率。若 與之差非常小,表明水汽凝結對大氣加熱起主要作用;若差值正異常,表示除潛熱加熱外,輻射加熱、地面感熱和潛熱輸送加強,反之表示輻射冷卻、地面感熱和潛熱輸送減弱。ΔQ對于對流的觸發和維持起著非常重要的作用。

2 2015/2016年超強El Nio事件類型及分析時段確定

近年來的研究表明,熱帶太平洋上存在兩種不同類型且相互獨立的海溫變化模態(Larkin and Harrison,2005;Ashok et al.,2007;Kao and Yu,2009;Kug et al.,2009;Yeh et al.,2009;Ren and Jin,2011;李建平等,2011;王美等,2015),一種是傳統型的ENSO事件,即EP型ENSO,表現為熱帶太平洋上緯向“偶極型”海溫分布,即熱帶中、東太平洋海表面出現大范圍持續異常變暖(變冷),而熱帶西太平洋卻出現相反的海溫變化(Rasmusson and Carpenter,1982;Harrison,1984;Harrison and Larkin,1996,1998)。另一種是以赤道中太平洋海表溫度出現大范圍異常增暖(變冷),異常暖(冷)中心可西伸至Nio4區[160°E～150°W,5°S～5°N]的左邊緣帶,可被認為是一種新型ENSO現象,即CP型ENSO。20世紀90年代以來,這種新型ENSO現象頻繁發生,對全球氣候異常造成了不同的影響(Yeh et al.,2009,2014)。伴隨著海表溫度異常中心位置和物理演變機制的差異,兩類ENSO引起的環流異常及其氣候效應表現出不同的空間分布特征。

圖2 1979—2015年37 a各季節平均的標準化CPI和EPI指數時間序列(其中CPI為折線圖,EPI為柱狀圖)a.秋季;b.冬季;c.春季Fig.2 Normalized time series of CPI (black line) and EPI (bars) in (a)autumn,(b)winter and (c)spring 1979—2015

為正確認識和監測兩類ENSO事件,判定ENSO類型,學者們在研究過程中從多角度考慮設計了一些表征和區分CP和EP型ENSO的指數。這里采用Kao and Yu(2009)提出的聯合回歸-EOF方法,計算得到CP型與EP型ENSO指數。首先計算赤道太平洋海溫異常與Nio1+2(Nio4)指數的回歸值,然后將原始海溫異常場減去回歸值得到殘差海溫場,最后對SSTA殘差場進行EOF分解得到第一模態的標準化的時間序列PC1,作為表征中部型(東部型)ENSO事件的指數。將El Nio過程分為3個時間段,即2015年9—11月(秋季)、2015年12月—2016年2月(冬季)以及2016年3—6月(春季),分別計算各季節CP型ENSO指數(CPI)和EP型ENSO指數(EPI),得到圖2。

2015/2016年ENSO事件具有明顯的東部型特征。由圖2可知,前兩個時間段,標準化后的EPI都大于1倍標準差,而CPI卻為負值,表明EP型ENSO處于較為成熟的時期。而在第三個時間段(圖2c),EPI已減小至0值附近,意味著El Nio過程結束。由此推斷此次El Nio事件為東部型El Nio事件。

為了更好地描述2015/2016年ENSO事件的過程及其影響,計算了Nio3、Nio3.4和Nio4指數,KMC及SPCZ區域平均海溫距平和DMI、IOBMI(圖3)。從圖3a可見,2015年10月—2016年2月,Nio3、Nio3.4、Nio4指數均較大,而2016年4—6月,3個指數均較小。若將三個指數進行標準化處理,可得到2015年10月—2016年2月間3個指數均超過1倍標準差,而2016年4—6月間這3個指數均處于0到負1倍標準差之間。據此可知,El Nio過程成熟期在2015年10月至2016年2月,記為P1階段,而El Nio過程衰減至消失期則在2016年4—6月,記為P2階段。以下的分析將分別針對P1和P2這兩個時間段進行。

在不同時段,海溫異常分布呈現出極為不同的特點。在P1時段,海溫距平呈顯著的東部異常型分布(圖3b),日期變更線以東海溫正異常達到2.5 ℃以上,而西太平洋地區則為較弱的海溫負異常。而P2時段,赤道上海溫異常顯著減弱乃至為負值,與冷性Kelvin波東傳的結果一致。此時,在南太平洋上的海溫自澳洲東側至赤道中太平洋呈現正—負—正—負的結構,這將使得環流響應變的較為復雜。

圖3 2015年1月—2016年6月各Nio指數(Nio3、Nio4、Nio3.4)、KMC與SPCZ區域內SSTA平均時間序列、IOBMI及DMI時間序列(a),2015年10月—2016年2月(b)與2016年4—6月(c)的海溫距平分布(單位:℃)Fig.3 (a)Time series of Nio indices (Nio3,Nio4,Nio3.4),the SSTA in the KMC and SPCZ regions,the IOBM,and the DMI,in each month from January 2015 to June 2016,and the distribution of the sea surface anomaly (b)from October 2015 to February 2016 and (c)from April 2016 to June 2016 (units:℃)

3 2015/2016年El Nio事件對澳洲地區降水異常的同期影響

根據上述確定的時間段P1和P2,可分析2015/2016年El Nio事件對澳洲降水的影響及機制。圖4給出了澳洲夏季降水、水汽輸送通量在P1和P2時段的不同分布。

圖4 P1(a)和P2(c)時段的異常降水和異常水汽通量(陰影為降水異常,單位:mm/d;流線為水汽異常渦旋分量;箭矢為水汽異常輻散分量,單位:m/s),P1(b)和P2(d)時段澳洲地區降水距平百分比(單位:%)Fig.4 Precipitation anomaly and water vapor flux anomaly during the (a)P1 and (c)P2 periods (shading for precipitation anomaly;units:mm·d-1;streamline for water vapor anomalous vortex component;arrows for water vapor anomalous divergence component;units:m·s-1),and the distribution of the precipitation anomaly percentage (%) in Australia during (b)P1 and (d)P2

澳洲大部分地區降水減小幅度非常明顯,某些地區同期減少可達60%。由圖4a可見,在赤道東太平洋地區,水汽顯著輻合,而在MC及澳洲地區,水汽顯著輻散。與之對應,澳洲上空存在明顯的反氣旋式水汽輸送環流。受到異常水汽輸送的影響,在P1時段,中東太平洋降水顯著偏多,大值中心位于170°W處的赤道中太平洋地區,降水比同期偏多程度可達到12 mm/d,同時,在海洋性大陸地區以及澳洲區域,則均處于干旱狀況,而大巽他(Greater Sunda) 島以東、澳洲以北的西太平洋地區降水顯著偏少,位于菲律賓群島的南部海域出現負極值中心,降水比同期減小程度達到6 mm/d以上。與MC區域降水偏少相一致,澳洲大部分地區降水明顯減少(圖4b)。

與P1時段相比,P2時段的位于赤道上的水汽異常輻散中心顯著東移至日期變更線附近,但澳洲東部仍處于輻散條件控制之下(圖4C)。因此,位于赤道中東太平洋上空的降水增多帶發生分裂,主降水異常帶向東南方向偏移,異常程度減小,最大值僅約為6 mm/d,并且赤道東太平洋區域出現降水微弱偏少。而此前位于海洋性大陸以及澳洲的干旱區位置也向東南發生了偏移,強度發生減弱?？傮w來講,澳洲東部降水比同期偏少。注意到,由于澳洲地區在P2時間段為秋季,降水相對較少,較P2時段降水減少的量與正常相比達到80%,比P1時段的干旱狀況有所加重(圖4d)。另外與P1時段相比,蘇門答臘(Sumatra)島以西的北印度洋、Greater Sunda島附近海域以及澳洲南海岸,降水發生一定程度增多。

4 2015/2016年El Nio事件對澳洲地區降水異常的影響途徑

為揭示2015/2016年ENSO事件對降水異常影響的物理成因,需分析熱力強迫及環流異常。

4.1 熱源異常

與海溫異常及降水異常相聯系,非絕熱加熱呈現出非常有特點的分布。在P1時段,視熱源(圖5a)與視水汽匯(圖略)在赤道中東太平洋都存在顯著正值區。這一正的異常熱源的形成與海溫異常有關,也與降水異常導致的潛熱釋放有關,還與氣柱中所獲得的凈輻射加熱(圖5b)有關。而在海洋性大陸與澳洲地區、都為負值,尤其是在MC的10°S和10°N附近存在負異常中心,顯示了水汽輻散的影響。加熱為負,大氣柱冷卻,這種冷卻與西太平洋海溫負異常有關。注意到熱帶區域西太平洋地區的赤道兩側負異常中心與中東赤道太平洋地區的正異常中心的結構,這種異常熱源分布應與Kelvin波和Rossby波(Gill,1980)有關。在菲律賓群島與馬來群島附近存在非絕熱加熱正值區,由此導致菲律賓以東海域的暖池對流活動增強,可激發類似P-J型的遙相關波列(Nitta,1987),造成中國至日本一帶降水異常。 SPCZ區域存在的輻合運動,部分的由澳大利亞地區附近風場異常輻散補償。在冷海溫區上空激發的負渦度源,通過Gill型響應,對澳洲氣候產生影響。

圖5 P1(a,b)與P2(c,d)時段的異常視熱源(a,c)和異常非絕熱加熱項ΔQ(b,d)(單位:W/m2)Fig.5 Distribution of the atmospheric heat source anomaly during (a,b)P1 and (c,d)P2(units:W·m-2):(a,c) apparent heat source anomaly ;(b,d) atmospheric diabatic heating anomaly ΔQ

對于P2時段,太平洋海域的異常數值變小,并且范圍由赤道中太平洋向東南延伸,海洋性大陸北部地區這兩個物理量為負,不利于對流的發生,但MC區域西南部以及澳洲南部有較為明顯的正值,與降水正異?，F象相配合。另外對于非絕熱加熱ΔQ,明顯的大值區消失,變為狹長的加熱正值帶。與P1時段相比,海洋性大陸及澳洲地區ΔQ的分布也與前一個階段發生了明顯的變化。

圖6 P1(a,b)與P2(c,d)時段850 hPa(a,c)和200 hPa(b,d)的環流異常及海溫異常分布(其中陰影為海溫距平,單位:℃;箭頭表示異常輻散風分量;流線表示異常無輻散風分量,單位:m/s)Fig.6 Distribution of circulation anomalies at (a,c)850 hPa and (b,d)200 hPa,and the SST anomaly during (c)P1 and (d) P2(shading for SST anomaly;units:℃;arrows for the divergence wind component anomaly and streamline for the non-divergence wind component anomaly;units:m·s-1)

4.2 水平環流異常

海溫異?？蓪Υ髿猱a生異常熱力強迫并通過Gill響應機制,在熱帶形成斜壓系統,導致明顯的異常環流。在P1時段(圖6a),東太平洋赤道區域海溫上升,產生熱力強迫,通過Gill響應,在中太平洋赤道兩側激發出氣旋式環流。而在西太平洋赤道區域海溫偏冷,導致澳洲地區及海洋性大陸北部區域上空出現反氣旋環流異常。澳洲上空的異常反氣旋環流使澳洲夏季低壓減弱,導致降水減少。而在對流層上層的200 hPa上,總體而言,異常環流方向與850 hPa上的相反,使整個對流層中異常環流呈現出明顯的斜壓特征。澳洲上空由于低層輻散,對流層上層出現補償性的輻合,出現氣旋式環流異常,不利于降水增加。

圖7 P1(a,b,c)與P2(d,e,f)時段不同剖面上的垂直環流(陰影為異常垂直速度;單位:10-2hPa/s) a,d.[5°S～5°N]上平均的異常緯向環流;b,e.沿經過(110°E,27°S)到(0°～160°W)兩點連線的垂直剖面上的環流異常;c,f.[140～160°E]上平均的經圈環流異常Fig.7 Distribution of different profiles of vertical circulations during (a—c) P1 and (d—f) P2 (shading for vertical velocity anomaly;units:10-2 hPa·s-1):(a,d) zonal circulation anomalies averaged over 5°S—5°N;(b,e) vertical section of circulation anomalies along the line from (27°S,110°E) to (0°—160°W);(c,f) meridional circulation anomalies averaged over 140°—160°E

P2時段(圖6b),在850 hPa上,赤道東太平洋受異常東風影響,海溫偏高區域向西移動,暖海溫區出現在日期變更線附近的赤道海域以及南太平洋的熱帶地區,受冷性Kelvin波東傳影響,在赤道東太平洋上出現負的海溫異常。受此影響,在P2階段,位于中太平洋赤道南側和北側的氣旋性環流減弱。在西太平洋,控制中國南海海域以及澳洲的異常反氣旋環流仍然維持,但位置向東有所移動(圖6c)。這種分布不利于澳洲降水的發生。同樣地,在P2時段,200 hPa上異常環流的分布與850 hPa上的對應,總體表現出斜壓的垂直結構。

4.3 垂直環流異常

異常垂直環流可揭示降水異常的形成以及不同環流系統之間的某些聯系。這里給出了P1和P2時段不同剖面上的垂直環流異常(圖7)。

在P1時段,赤道上空存在顯著的異常環流圈,赤道中東太平洋區域可見強烈的上升氣流(圖7a),而此異常緯圈環流的顯著下沉支位于120°E及140°E處的海洋性大陸區域,導致海洋性大陸的赤道地區降水顯著減少。通過齒輪式耦合(吳國雄和孟文,2000),產生了另一個異常環流圈,其上升支位于80～90°E處,因而此地區降水有一定程度的增多。相比之下,在P2時段,異常緯圈環流已變得不如P1時段那么完整(圖7d)。位于赤道中東太平洋上空的顯著異常上升氣流減弱明顯,在海洋性大陸赤道區域的西部亦出現了上升氣流,東部為下沉氣流。由此,海洋性大陸地區降水偏少仍然得以維持。

有趣的是,由從澳洲西南部至赤道中太平洋的斜向垂直環流可以看出澳洲地區受到了SSTA的顯著影響。在P1時段(圖7b),存在兩個清晰完整的環流圈,在赤道中東太平洋海域,有強烈的異常上升氣流。此環流的顯著下沉支位于澳洲中東部,但在澳洲的西南側及附近海洋上則為上升區。這種分布造成了澳洲中東部地區降水明顯減少(圖4b)。這種斜向方向上的異常環流揭示出了2015/2016年超強El Nio事件對澳洲的直接影響。在P2時段,這種環流圈仍然存在,只是沒有P1時段那么完整(圖7e)。

在[140～160°E]上平均的異常經向垂直環流顯示,在P1時段,從澳洲北部至海洋性大陸大部分區域,存在異常下沉支,而在海洋性大陸以北的我國江南區域存在上升支。這體現出中國長江流域降水的異常增多與海洋性大陸地區下沉運動有關(圖7c)。澳洲熱帶存在顯著下沉氣流,與MC區域下沉運動有關,不利于澳洲降水生成。在P2時段,澳洲低緯地區仍然維持下沉運動,強度有所減弱,導致降水偏少的異常狀況得以繼續。而MC區域北部下沉氣流區擴大,與位于中國江南地區上升氣流構成完整環流圈,影響降水異常的分布。

5 討論與總結

通過上述分析,得到如下結論:

2015/2016年海溫異常導致了熱帶地區產生了異常的熱源分布并由此激發產生水平環流異常,從而影響到澳大利亞降水。P1時段,在赤道中東太平洋地區,存在著顯著的視熱源正異常和潛熱釋放之外的大氣非絕熱加熱率正異常。這種強迫驅動了大氣環流變化,產生了異常的上升至運動。同時,通過Gill型響應,引起了850 hPa上赤道的南北兩側熱帶地區產生了異常的氣旋性環流。與此加熱正異常形成對比,在西太平洋赤道地區及海洋性大陸,存在相對較弱的非絕熱加熱負異常,由此分別激發出反氣旋性異常環流,其一位于南海及其附近地區上空,造成海洋性大陸和南海及華南地區降水減少,另一異常反氣旋環流位于澳大利亞及其附近上空,引起夏季風減弱,從而利于抑制上升運動,造成澳大利亞降水量顯著減少。到P2時段,盡管赤道中東太平洋上空的顯著加熱有了顯著減弱甚至出現符號反轉,但在西太平洋和海洋性大陸地區,較弱的非絕熱冷卻仍然維持。這種維持可能與海洋中冷性的Rossby波緩慢西傳有關。

注意到,上述對2015/2016超強ENSO事件對澳洲夏季風降水影響的分析只是相對于平均狀況而言的,其與一般性的東部型ENSO的比較,以及與其它如1982/1983年與1997/1998年ENSO事件的比較體現出哪些不同,以及這些不同的成因和影響澳洲降水的不同機理如何,仍然需要未來進一步研究。

致謝:南京信息工程大學地球科學部南京大氣資料服務中心提供了資料服務;NCEP/NCAR再分析資料取自NOAA(http://www.esrl.noaa.gov);NOAA氣候預測中心提供CMAP降水資料(http://www.cpc.ncep.noaa.gov);Hadley中心提供全球海溫及海冰資料(http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/index.html)。文中繪圖使用了GrADS軟件。

References)

Ashok K,Behera S K,Rao S A,et al.,2007.El Nio Modoki and its possible teleconnection [J].J Geophys Res,112(C11):C11007.

Bjerknes J,1969.Atmospheric teleconnections from the equatorial pacific [J].Mon Wea Rev,97(3):163-172.

Choi K Y,Vecchi G A,Wittenberg A T,2016.Nonlinear zonal wind response to ENSO in the CMIP5 models:Roles of the zonal and meridional shift of the ITCZ/SPCZ and the simulated climatological precipitation [J].J Climate,28(21):8556-8573.

Chou S H,Chou M D,Chan P K,et al.,2004.Tropical warm pool surface heat budgets and temperature:Contrasts between 1997/98 El Nio and 1998/99 La Nina[J].J Climate,17(9):1845-1858.

叢菁,管兆勇,王黎娟,2007.夏季亞澳季風區兩支越赤道氣流年(代)際變化及其與夏季風活動的聯系[J].大氣科學學報,30(6):779-785. Cong J,Guan Z Y,Wang L J,2007.Interannual(interdecadal) variabilities of two cross-equatorial flows in association with the Asia summer monsoon variations[J].Trans Atmos Sci,30(6):779-785.(in Chinese).

Evans S,Marchand R,Ackerman T,et al.,2012.Identification and analysis of atmospheric states and associated cloud properties for Darwin,Australia[J].J Geophys Res,117(D6):2240-2260.

Evans S,Marchand R,Ackerman T,2014.Variability of the Australian monsoon and precipitation trends at Darwin[J].J Climate,27(22):8487-8500.

Gill A E,1980.Some simple solutions for heat-induced tropical circulation [J].Quart J Roy Meteor Soc,106(449):447-462.

Godfrey J S,Cresswell G R,Golding T J,et al.,2013.The separation of the East Australian current [J].Journal of Physical Oceanography,32(10):430-440.

管兆勇,林春育,1989.梅雨異常年份的東半球中低緯環流特征 [J].氣象科學,23(1):80-85. Guan Z Y,Lin C Y,1989.Some characteristics of circulation over middle and low latitudes of eastern hemisphere during anomalous droughts and floods in 1981 and 1983[J].Journal of the Meteorological Sciences,23(1):80-85.(in Chinese).

Hanley D E,Bourassa M A,O’Brien J J,et al.,2003.A quantitative evaluation of ENSO indices [J].J Climate,16(8):1249-1258.

Harrison D E,1984.The appearance of sustained equatorial surface westerlies during the 1982 pacific warm event [J].Science,224(4653):1099-1102.

Harrison D E,Larkin N K,1996.The COADS Sea Level Pressure Signal:A Near-Global El Nio Composite and Time Series View,1946—1993[J].Journal of Climate,9(12):3025-3055.

Harrison D E,Larkin N K,1998.El Nio-Southern Oscillation sea surface temperature and wind anomalies,1946—1993[J].Reviews of Geophysics,36(3):353-399.

金大超,管兆勇,蔡佳熙,等,2010.近50 年華東地區夏季異常降水空間分型及與其相聯系的遙相關[J].大氣科學,34(5):947-961. Jin D C,Guan Z Y,Cai J X,et al.,2010.Anomalous summer rainfall patterns in east China and the related teleconnections over recent 50 Years[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences,34(5):947-961.(in Chinese).

Joseph P V,Liebmann B,Hendon H H,1991.Interannual variability of the Australian summer monsoon onset:Possible influence of Indian summer monsoon and El Nio[J].J Climate,4(5):529-538.

Kalnay E,Kanamitsu M,Kistler R,et al.,1996.The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project[J].Bulletin of the American Meteorological Society,46(1):39-49.

Kane R P,1997.On the relationship of ENSO with rainfall over different parts of Australia[J].Aust Met Mag,125(8):1792-1800.

Kao H Y,Yu J Y,2009.Contrasting Eastern-Pacific and Central-Pacific types of ENSO [J].J Climate,22(3):615-632.

Kug J S,Jin F F,An S I,2009.Two types of El Nio events:cold tongue El Nio and warm pool El Nio[J].J Climate,22(22):1499-1515.

Larkin N K,Harrison D E,2005.On the definition of El Nio and associated seasonal average U.S.weather anomalies [J].Geophys Res Lett,32(13):435-442.

李建平,李艷杰,馮娟,2011.與西澳州西南部冬季降水相聯系的大氣環流特征分析 [J].大氣科學,35(5):801-817. Li J P,Li Y J,Feng J,2011.The characteristics of atmospheric circulation associated with austral winter rainfall in southwest western Australia[J].Chin J Atmos Sci,35(5):801-817.(in Chinese).

Luo H,Yanai M,1984.The large-scale circulation and heat sources over the Tibetan Plateau and surrounding areas during the early Summer of 1979.Part II:Heat and Moisture Budgets[J].Mon Wea Rev,112(5):966-989.

Mcrobie F H,Stemler T,Wyrwoll K H,2015.Transient coupling relationships of the Holocene Australian monsoon [J].Quaternary Science Reviews,121:120-131.

Nicholls N,Lavery B,Frederiksen C,et al.,1996.Recent apparent changes in relationships between the El Nio-Southern Oscillation and Australian rainfall and temperature [J].Geophys Res Lett,23(23):3357-3360.

Nitta T,1987.Convective activities in the tropical western Pacific and their impact on the northern hemisphere summer circulation[J].Journal of the Meteorological Society of Japan,65(3):373-390.

Ramage C S,1968.Role of a tropical “Maritime Continent” in the atmospheric circulation[J].Mon Wea Rev,96(6):196-199.

Rasmusson E M,Carpenter T H,1982.Variations in tropical sea surface temperature and surface wind fields associated with the Southern Oscillation/El Nio [J].Mon Wea Rev,110(5):354-384.

Rayner N A,Parker D E,Horton E B,et al.,2003.Global analyses of sea surface temperature,sea ice,and night marine air temperature since the late nineteenth century [J].Journal of Geophysical Research:Atmospheres,108(D14):1063-1082.

Saji N H,Goswami B N,Vinayachandran P N,et al.,1999.A dipole mode in the tropical Indian Ocean [J].Nature,401(6751):360-363.

Schneider U,Becker A,2011.GPCC full data reanalysis version 6.0 at 1.0°:Monthly land-surface precipitation from rain-gauges built on GTS-based and historic data[R].doi:10.5676/DWD_GPCC/FD_M_V6_050.

施能,朱乾根,1995.南半球澳大利亞、馬斯克林高壓氣候特征及其對我國東部夏季降水的影響[J].氣象科學,15(2):20-27. Shi N,Zhu Q G,1995.The climatic features of the Australian high and the mascarene high in southern hemisphere and their influence on summer precipitation in eastern China[J].Journal of the Meteorological Sciences,15(2):20-27.(in Chinese).

Trenberth K E,Stepaniak D P,2000.Letter:Indices of El Nio evolution.[J].Journal of Climate,14(8):1697-1701.

Wang B,1992.The vertical structure and development of the ENSO anomaly mode during 1979-1989[J].Journal of the Atmospheric Sciences,49(8):698-712.

Wang B,Wu R,Fu X,2000.Pacific—East Asian teleconnection:How does ENSO affect East Asian climate? [J].J Climate,13(9):1517-1536.

王美,管兆勇,皮冬勤,2016.冬季赤道太平洋不同類型海溫異常表征指數的再構建[J].大氣科學學報.39(4):455-467. Wang M,Guan Z Y,Pi D Q,2016.Reconstruction of equatorial Pacific SST anomaly indices for two types of ENSO during boreal winter[J].Trans Atmos Sci,39(4):455-467.(in Chinese)

Wright P B,Wallace J M,Mitchell T P,et al.,1988.Correlation structure of the El Nio/Southern Oscillation phenomenon[J].J Climate,1(6):609-626.

吳國雄,孟文,2000.赤道印度洋—太平洋地區海氣系統的齒輪式耦合和ENSO事件 I.資料分析[J].大氣科學,24(1):470-480. Wu G X,M W,2000.Gearing between the Indo-monsoon circulation and the Pacific-walker circulation and the ENSO.Part I:Data analyses[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences,24(1):470-480.(in Chinese).

Wu R,2016.Possible roles of regional SST anomalies in long-term changes in the relationship between the Indian and Australian summer monsoon rainfall [J].Theoretical & Applied Climatology,124(3):663-677.

吳增茂,陳登俊,溫之平,1993.南太平洋輻合帶(SPCZ)的特征分析[J].中國海洋大學學報:自然科學版,(S2):108-114. Wu Z M,Chen D J,Wen Z P,1993.Feature analysis of the south Pacific convergence zone(SPCZ)[J].Periodical of Ocean University of China,(S2):108-114.(in Chinese).

Xue F,Wang H,He J,2004.Interannual variability of Mascarene high and Australian high and their influences on East Asian summer monsoon[J].Journal of the Meteorological Society of Japan,82(4):1173-1186.

Yeh S W,Kug J S,Dewitte B,et al.,2009.El Nio in a changing climate[J].Nature,462(7273):511-514.

Yeh S W,Kug J S,An S I,2014.Recent progress on two types of El Nio:Observations,dynamics,and future changes[J].Asia-Pacific Journal of the Atmospheric Sciences,50(1):69-81.

Zhai P M,Yu R,Guo Y J,et al.,2016.The strong El Nio of 2015/16 and its dominant impacts on global and China’s climate[J].Journal of Meteorological Research,30(3):283-297.

張蓬勃,管兆勇,蔡佳熙,2010a.SVD分析揭示的澳大利亞高壓年際變化對中國夏季氣溫的可能影響[J].大氣科學學報,33(1):58-66. Zhang P B,Guan Z Y,Cai J X,2010a.Impacts of interannual variations of Australian High on the summer temperature in China by SVD analysis[J].Trans Atmos Sci,33(1):58-66.(in Chinese).

張蓬勃,管兆勇,孫密娜,等,2010b.SVD分析揭示的澳大利亞高壓年際變化對中國夏季降水的可能影響[J].氣象學報,68(6):908-917. Zhang P B,Guan Z Y,Sun M N,et al.,2010b.Possible impacts of the interannual variability of the Australian high on summertime rainfall in China as revealed by the SVD analysis[J].Acta Meteorologica Sinica,68(6):908-917.(in Chinese).

CHEN Wei,GUAN Zhaoyong

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

Eastern Pacific-type ENSO;Australian summer monsoon circulation;precipitation anomaly;Maritime Continent;super El Nio 2015/2016

(責任編輯：劉菲)

陳蔚,管兆勇,2016.2015/2016年超強El Nio在成熟/衰減階段對澳洲夏季風環流與降水異常的影響[J].大氣科學學報,39(6):801-812. Chen W,Guan Z Y,2016.Impacts of the super El Nio event in 2015/16 on Australian summer monsoon circulation and precipitation anomalies[J].Trans Atmos Sci,39(6):801-812.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160908001.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160908001

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