兩類中太平洋El Ni?o特征的對比分析

張攀全,郭品文,董麗娜,尹依雯,沈沉

南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心/氣象災害教育部重點實驗室,江蘇 南京 210044

兩類中太平洋El Ni?o特征的對比分析

張攀全,郭品文*,董麗娜,尹依雯,沈沉

南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心/氣象災害教育部重點實驗室,江蘇 南京 210044

2015-11-09收稿，2016-01-29接受

國家自然科學基金資助項目(41305079)

利用1979—2012年逐月Hadley中心海表溫度、歐洲中期天氣預報中心次表層海溫、NCEP/NCAR風場再分析資料,對兩類中太平洋(CP)El Ni?o及耦合的大氣環流特征進行分析。結果表明,第一類CP El Ni?o(CP-Ⅰ El Ni?o)增暖中心位于Ni?o4區且關于赤道對稱;第二類CP El Ni?o(CP-Ⅱ El Ni?o)的Ni?o4區與熱帶東北太平洋區域(NEP,130～110°W、15～25°N)同位相變化,冬季成熟后形成關于赤道非對稱的帶狀增暖結構。進一步的研究表明,兩類CP El Ni?o次表層結構存在差異:CP-Ⅰ El Ni?o冬季次表層海溫異常(SOTA)在中東太平洋與西太平洋呈顯著偶極分布;CP-Ⅱ El Ni?o在中、西太平洋位相相反但東太平洋異常較弱,且經向異常主要在赤道及其以北。兩類CP El Ni?o耦合的大氣環流特征不同:CP-Ⅰ El Ni?o冬季異常Walker環流上升中心位于赤道上空,經向風向赤道輻合,低緯地區Hadley環流加強;CP-Ⅱ El Ni?o冬季低層向北越赤道氣流加強,Walker環流上升中心移到赤道以北,低緯地區Hadley環流減弱。

CP El Ni?o

海表溫度

次表層海溫

大氣環流

近三十年來,中太平洋增暖頻率顯著增加(Yeh et al.,2009;Lee and McPhaden,2010),引發對一類新型El Ni?o(Dateline El Ni?o,El Ni?o Modoki,Central Pacific El Ni?o或CP El Ni?o,Warm Pool El Ni?o)的探索(Larkin and Harrison,2005a,2005b;Ashok et al.,2007;Kao and Yu,2009;Kug et al.,2009;Yu et al.,2010)。Ashok et al.(2007)指出熱帶中太平洋馬蹄形增暖而東、西太平洋降溫的緯向三極海表溫度異常(SSTA)結構可定義為一類新型的中太平洋El Ni?o。此后,中太平洋增暖對中國氣候影響的研究開始廣泛開展(Feng and Li,2011;袁良和何金海,2013;王蘇瑤等,2013),并有學者指出中太平洋增暖可能會使得中國華南地區秋季干旱加劇(Zhang et al.,2014)。

然而,Wang and Wang(2013)研究表明,同樣是El Ni?o Modoki事件,對中國華南秋季降水影響截然相反,進一步指出兩種不同的降水模態對應中太平洋兩種SSTA分布型并分別命名為El Ni?o Modoki I(CP-Ⅰ El Ni?o)和El Ni?o Modoki II(CP-Ⅱ El Ni?o)。但他們的工作僅指出兩個模態海表溫度異常(SSTA)的差異,并沒有對兩類增暖海氣耦合特征進行深入分析。此外,中國降水不僅年際變化具有不穩定性特征(宗海鋒等,2010),還存在顯著年代際變化(Li and Ma,2012;Zhu et al.,2014),憑借降水的多寡對CP El Ni?o進行分類,也不能完全體現兩類CP El Ni?o的差異。因此,繼續開展兩類CP El Ni?o基本特征的研究是有必要的。

本研究的重點是利用海溫資料和大氣環流資料,通過EOF分析與個例分析進一步論證兩類熱帶中太平洋增暖的存在并討論其基本特征,一方面為研究ENSO多樣性的動力學過程提供依據,另一方面為我國短期氣候預測提供參考。

1 資料

1)1979年1月—2012年12月英國氣象局Hadley中心1°×1°海表面溫度(HadISST)資料,NOAA地球系統研究實驗室第三套2°×2°全球擴展重建海表面溫度(ERSST)資料以及歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)海洋再分析系統(第四版)5 m到315 m次表層溫度(SOT)資料。2)1979年1月—2012年12月NCEP/NCAR 2.5°×2.5°風場再分析資料。3)1979年1月—2012年12月ECMWF 1°×1°平均海平面氣壓(MSLP)資料。4)1979年1月—2012年12月美國國家氣候預報中心1°×1°CMAP降水資料。5)1979年1月—2012年12月美國國家氣候預報中心Nio4指數、TNI(Trans-Nio Index)指數,日本海洋研究開發機構EMI(El Nio Modoki Index)指數。6)1980年1月—2012年12月NCEP全球海洋資料同化系統向下的海表熱通量資料。

圖1 HadISST(a)與ERSST(b)資料SSTA EOF分解第一模態(a1,b1)、第二模態(a2,b2)、第三模態(a3,b3)(黑色矩形代表Nio4區)Fig.1 Top three EOF modes of SSTA by using (a)HadISST and (b)ERSST (the black rectangle denotes the Nio4 region) a1,b1.first mode;a2,b2.second mode;a3,b3.third mode

2 兩類CP El Nio海溫度異常特征

2.1 熱帶太平洋海表溫度異常(SSTA)空間分布特征

第二、三模態可反映Wang and Wang(2013)提出的兩類CP El Nio的基本特征。通過對HadISST第二、三模態對應的時間序列PC2和PC3與逐月Nio4指數、TNI指數、EMI指數等求相關(表1),可以發現,PC2和PC3與Nio4指數同期相關分別為0.37與0.38,表明兩個模態均和中太平洋海溫同期的關系密切,均為影響中太平洋海溫的主模。與TNI指數有很高的負相關,這表明兩個模態均顯著影響中、東太平洋溫度梯度。采用HadISST資料EOF分解的第四模態在赤道地區也存在信號(圖略),但PC4同Nio4區的相關為0,表明第四模態與中太平洋增暖關系較弱。分析PC2從滯后到超前PC3 48個月相關,最大正相關不到0.1,說明從海溫演變過程中,兩個模態并非同一過程的不同位相。此外,PC2和PC3與EMI指數相關也很強,下文將用該指數對CP El Nio事件進行初步篩選。

表1 PC2和PC3與熱帶太平洋指數的相關系數;均通過α=0.01的t檢驗

Table 1 Correlation values of PC2 and PC3 with the tropical Pacific indices;all values are statistically significant ata=0.01 confidence level from the two-tailed Student’st-test

Ni?o4TNIEMIPC20.37-0.750.78PC30.38-0.530.45

2.2 增暖盛期個例的SSTA特征

對EMI指數進行標準化,挑選連續5個月大于0.5倍標準差的年份:1979/1980年,1986/1987年,1987/1988年,1990/1991年,1991/1992年,1992/1993年,1993/1994年,1994/1995年,2002/2003年,2004/2005年,2009/2010年。由表2可見,除Larkin and Harrison(2005a)以及Kug et al.(2009)僅選取幾次振幅較大的中太平洋增暖外,選取結果和其他人幾乎都一致。

表2 不同文獻選取的1979年以后中太平洋增暖的年份

Table 2 Selected central Pacific warming years after 1979 according to different literature

文獻截止時間增暖年份Larkinetal.(2005a)20041979/1980,1986/1987,1990/1991,1994/1995,2003/2004Ashoketal.(2007)20051979/1980,1986/1987,1990/1991,1991/1992,1992/1993,1994/1995,2002/2003,2004/2005Kugetal.(2009)20051990/1991,1994/1995,2002/2003,2004/2005YuandKim(2011)20071979/1980,1987/1988,1990/1991,1991/1992,1992/1993,1994/1995,2002/2003,2004/2005WangandWang(2013)20101979/1980,1987/1988,1990/1991,1991/1992,1992/1993,1993/1994,1994/1995,2002/2003,2004/2005,2009/2010

圖2 增暖事件盛期SSTA空間分布(括號內數值表示峰值月)Fig.2 Spatial distribution of SSTA in the period of warming up events;the numbers in brackets denote the months of maximum SSTA

表3 增暖個例的分類結果

Table 3 Classification results of warming events

類型年份CP-ⅠElNi?o1991/1992,1994/1995,2002/2003,2004/2005,2009/2010CP-ⅡElNi?o1979/1980,1990/1991,1992/1993,1993/1994

2.3 合成的海表溫度基本特征

圖3 冬季SSTA合成(單位:℃,加粗線為0.3 ℃等值線;淺色與深色陰影分別表示通過α=0.1與α=0.05的t檢驗) a.CP-Ⅰ El Nio;b.CP-Ⅱ El NioFig.3 Composites of winter SSTA (unit:℃,bold lines mean contour of 0.3 ℃;significant level above α=0.1 and α=0.05 from the two-tailed Student’s t-test are shaded by light and dark respectively)a.CP-Ⅰ El Nio;b.CP-Ⅱ El Nio

圖4 緯向(a,b)和經向(c,d)SOTA合成(單位:℃;陰影區表示通過α=0.1的t檢驗) a,c.CP-Ⅰ El Nio;b,d.CP-Ⅱ El NioFig.4 Composites of (a,b)zonal and (c,d)meridional SOTA(unit:℃;significant level above α=0.1 from the two-tailed Student’s t-test are shaded) a,c.CP-Ⅰ El Nio;b,d.CP-Ⅱ El Nio

3 兩類CP El Nio次表層海溫特征

4 大氣環流特征

4.1 Walker環流特征

Walker環流上升支和熱帶太平洋西部強對流天氣與臺風活動密切相關,對東、西太平洋氣候有重要的調節作用,而赤道地區海溫的變化顯著影響Walker環流結構的變化(李麗平等,2009;祁莉等,2014)。從冬季平均降水異常分析(圖5a,b),兩類增暖均在暖池區域降水減少而在日界線附近降水偏多,東太平洋與南美地區降水也減少,表明Walker環流上升支東移,而東、西太平洋出現異常下沉氣流,形成異常雙圈Walker環流結構(Ashok et al.,2007)。

圖5 冬季降水異常(a,b;單位:mm)和200 hPa異常風場速度勢(c,d;單位:m·s-1)合成(陰影區表示通過α=0.1的t檢驗) a,c.CP-Ⅰ El Nio;b,d.CP-Ⅱ El NioFig.5 Composites of (a,b)winter precipitation anomalies(unit:mm) and (c,d)200 hPa potential velocity anomalies (unit:m·s-1) (significant level above α=0.1 from the two-tailed Student’s t-test are shaded) a,c.CP-Ⅰ El Nio;b,d.CP-Ⅱ El Nio

4.2 低層環流場特征

低層環流場不僅能反映南方濤動的位相,而且還能揭示赤道風異常與海溫的空間配置。圖6a和6b為兩類增暖成熟時期平均海平面氣壓異常(MSLPA)和925 hPa異常風場。兩類增暖低層環流均表現為南方濤動負位相,熱帶中東太平洋氣壓下降海洋性大陸和印度洋氣壓升高;菲律賓以東洋面出現異常的反氣旋性環流,赤道西太平洋存在異常西風,但CP-Ⅱ El Nio異常較小。

圖6 冬季MSLPA(a,b;單位:hPa)和925 hPa異常風場(c,d;單位:m·s-1)(陰影區表示通過α=0.1的t檢驗) a,c.CP-Ⅰ El Nio;b,d.CP-Ⅱ El NioFig.6 Composites of (a,b)winter MSLPA(unit:hPa) and (c,d)925 hPa wind anomalies(unit:m·s-1)(significant level above α=0.1 from the two-tailed Student’s t-test are shaded) a,c.CP-Ⅰ El Nio;b,d.CP-Ⅱ El Nio

4.3 Hadley環流特征

圖7 冬季經向流函數異常合成(單位:1010kg·s-1;陰影區表示通過α=0.1的t檢驗) a.CP-Ⅰ El Nio;b.CP-Ⅱ El NioFig.7 Composites of winter stream function anomalies(unit:1010kg·s-1;significant levels above α=0.1 from the two-tailed Student’s t-test are shaded) a.CP-Ⅰ El Nio;b.CP-Ⅱ El Nio

5 CP La Nia過程

通過以上分析,可將赤道中太平洋增暖劃分為兩類,但繼續對中太平洋上的La Nia事件區分時,傳統La Nia(EP La Nia)對中太平洋影響較大。Kug et al.(2009)在區分赤道地區的異常冷事件時指出由于受傳統La Nia事件西移影響不能明確的將暖池和冷舌對應的冷事件分離,且中太平洋SSTA暖位相發生的頻率更高,這一結果其后的工作中也一步得到論證(Kug and Ham,2011)。采用同樣的方法對中太平洋降溫進行劃分,多次事件都受到典型La Nia SSTA分布的影響,不易區分,不做為本文討論重點。

6 結論與討論

圖8 8—12月平均海表向下熱通量異常(單位:W·m-2;正值表示海表向下的異常能量輸送;陰影代表通過α=0.1的t檢驗) a.CP-Ⅰ El Nio;b.CP-Ⅱ El NioFig.8 Composites of sea surface downward heat flux anomalies in August to December(unit:W·m-2;positive values denote downward heat flux;significant level above α=0.1 from the two-tailed Student’s t-test are shaded) a.CP-Ⅰ El Nio;b.CP-Ⅱ El Nio

References)

Ashok K,Behera S K,Rao S A,et al.,2007.El Nio Modoki and its possible teleconnection[J].Journal of Geophysical Research:Oceans (1978—2012),112(C11):C11007.

Cane M A,1983.Oceanographic events during El Nio[J].Science,222(4629):1189-1195.

陳永利,趙永平,王凡,等,2014.熱帶太平洋第二類El Nio事件及其對中國氣候的影響[J].海洋學報,36(5):30-45. Chen Y L,Zhao Y P,Wang F,et al.,2014.The second-type El Nio events in the tropical Pacific and its impact on the climate of China[J].Acta Oceanologica Sinica,36(5):30-45.(in Chinese).

Chung P H,Li T,2013.Interdecadal relationship between the Mean State and El Nio Types[J].J Climate,26(2):361-379.

Feng J,Li J,2011.Influence of El Nio Modoki on spring rainfall over south China[J].Journal of Geophysical Research:Atmospheres (1984—2012),116(D13).

Feng J,Wu Z,Zou X,2014.Sea surface temperature anomalies off Baja California:A possible precursor of ENSO[J].Journal of the Atmospheric Sciences,71(5):1529-1537.

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

何敏,宋文玲,陳興芳,1999.厄爾尼諾和反厄爾尼諾事件與西北太平洋臺風活動[J].熱帶氣象學報,15(1):18-26. He M,Song W L,Chen X F,1999.Typhoon activity in the Northweast Pacific in relation to El Nio/La Nia events[J].Journal of Tropical Meteorology,15(1):18-26.(in Chinese).

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,Ham Y G,2011.Are there two types of La Nia?[J].Geophysical Research Letters,38(16).

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(6):1499-1515.

Larkin N K,Harrison D E,2005a.On the definition of El Nio and associated seasonal average US weather anomalies[J].Geophysical Research Letters,32(13):435-442.

Larkin N K,Harrison D E,2005b.Global seasonal temperature and precipitation anomalies during El Nio autumn and winter[J].Geophysical Research Letters,32(16):3613-3619.

Larson S M,Kirtman B P,2014.The Pacific meridional mode as an ENSO precursor and predictor in the North American Multimodel Ensemble[J].J Climate,27(18):7018-7032.

Lee T,McPhaden M J,2010.Increasing intensity of El Nio in the central-equatorial Pacific[J].Geophysical Research Letters,37(14).

Li C,Ma H,2012.Relationship between ENSO and winter rainfall over Southeast China and its decadal variability[J].Advances in Atmospheric Sciences,29(6):1129-1141.

李麗平,王盤興,徐學義,等,2009.熱帶風場季內振蕩強度與海表溫度異常關系研究[J].大氣科學學報,32(3):424-435. Li L P,Wang P X,Xu X Y,et al.,2009.Relationships between Tropical wind Intraseasonal Oscillation Intensity and Sea Surface Temperature[J].Transactions of Atmospheric Sciences,32(3):424-435.(in Chinese).

Lin C Y,Yu J Y,Hsu H H,2015.CMIP5 model simulations of the Pacific meridional mode and its connection to the two types of ENSO[J].International Journal of Climatology,35(9):2352-2358.

Ma J,Yu J Y,2014.Linking centennial surface warming patterns in the equatorial Pacific to the relative strengths of the Walker and Hadley circulations[J].Journal of the Atmospheric Sciences,71(9):3454-3464.

祁莉,何珊珊,張文君,等,2014.與不同El Nio相伴的IOD事件的季節演變特征對比[J].大氣科學學報,37(6):673-683. Qi L,He S S,Zhang W J,et al.,2014.Contrasting seasonal evolution features of Indian Ocean Dipole accompanied with two-type El Nio[J].Transactions of Atmospheric Sciences,37(6):673-683.(in Chinese).

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].Monthly Weather Review,110(5):354-384.

Ren H L,Jin F F,2013.Recharge oscillator mechanisms in two types of ENSO[J].Journal of Climate,26(17):6506-6523.

Wang C,Wang X,2013.Classifying El Nio Modoki I and II by different impacts on rainfall in Southern China and typhoon tracks[J].Journal of Climate,26(4):1322-1338.

王蘇瑤,李忠賢,王大鈞,等,2013.秋季熱帶中太平洋 SST 異常型與冬季中國降水和氣溫的關系[J].氣象科學,32(6):653-658. Wang S Y,Li Z X,Wang D J,et al.,2013.Relation of autumn central equatorial Pacific SSTA pattern and winter precipitation and temperature in China[J].Journal of the Meteorological Sciences,32(6):653-658.(in Chinese).

肖子牛,梁紅麗,李崇銀,2009.夏季西北太平洋和南中國海臺風生成與前期冬春主要環境條件的關系[J].氣象學報,67(1):90-99. Xiao Z N,Liang H L,Li C Y,2009.The relationship between the summer typhoon genesis over the western North Pacific and South China Sea and the main climatic conditions in the preceding winter to spring[J].Acta meteorologica Sinica,67(1):90-99.(in Chinese).

邢楠,李建平,李耀錕,2014.熱帶大氣對單一型赤道非對稱熱源的響應[J].大氣科學,38(6):1147-1158. Xing N,Li J P,Li Y k.2014.Response of the Tropical Atmosphere to Isolated Equatorially Asymmetric Heating[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences,38(6):1147-1158.(in Chinese).

Xu K,Zhu C W,He J H,2012.Linkage between the dominant modes in Pacific subsurface ocean temperature and the two type ENSO events[J].Chinese Science Bulletin,57(26):3491-3496.

Yeh S W,Kug J S,Dewitte B,et al.,2009.El Nio in a changing climate[J].Nature,461(7263):511-514.

Yu J Y,Kim S T,2011.Relationships between extratropical sea level pressure variations and the central Pacific and eastern Pacific types of ENSO[J].Journal of Climate,24(3):708-720.

Yu J Y,Kao H Y,Lee T,2010.Subtropics-related interannual sea surface temperature variability in the central equatorial Pacific[J].Journal of Climate,23(11):2869-2884.

袁良,何金海,2013.兩類ENSO對我國華南地區冬季降水的不同影響[J].干旱氣象,31(1):24-31. Yuan L,He J H,2013.Different impacts of two types of ENSO on winter rainfall over South China[J].Journal of Arid Meteorology,31(1):24-31.(in Chinese).

Zhang W J,Jin F F,Turner A,2014.Increasing autumn drought over southern China associated with ENSO regime shift[J]. Geophysical Research Letters,41(11):4020-4026.

Zhu Z,Li T,He J,2014.Out-of-phase relationship between boreal spring and summer decadal rainfall changes in Southern China[J].Journal of Climate,27(3):1083-1099.

宗海鋒,陳烈庭,張慶云,2010.ENSO與中國夏季降水年際變化關系的不穩定性特征[J].大氣科學,34(1):184-192. Zong H F,Chen L T,Zhang Q Y,2010.The instability of the interannual relationship between ENSO and the summer rainfall in China[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences,34(1):184-192.(in Chinese).

Comparative analysis of characteristics of two types of central Pacific El Nio

ZHANG Panquan,GUO Pinwen,DONG Lina,YING Yiwen,SHEN Chen

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

(責任編輯：劉菲)

張攀全,郭品文,董麗娜,等,2016.兩類中太平洋El Nio特征的對比分析[J].大氣科學學報,39(6):855-864. Zhang P Q,Guo P W,Dong L N,et al.,2016.Comparative analysis of characteristics of two types of central Pacific El Nio[J].Trans Atmos Sci,39(6):855-864.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130427001.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20151109002

*聯系人，E-mail:guo@nuist.edu.cn