有無El Ni?o影響下熱帶北大西洋春季增暖的差異及可能成因

葉洋波, 余錦華

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

1 引 言

熱帶北大西洋(Northern Tropical Atlantic，NTA)海溫異常(sea surface temperature anomaly，SSTA)對其周圍地區如美國、南美和非洲的氣候變率存在顯著影響[1]。當NTA 在春季異常增暖時，產生的正經向海溫梯度會使得大西洋熱帶輻合帶在春季的南移被抑制，從而導致巴西東北部雨季出現降水不足以及撒哈拉以南干旱的發生[2-4]。此外，NTA SSTA 還會影響全球其他地區的氣候變化。如當NTA 異常增暖時，西北太平洋地區會有反氣旋環流出現，進而增強南海夏季風，同時反氣旋的存在抑制了對流的發生，不利于臺風生成[5-6]。王惠美[7]則發現NTA SSTA 的階段性增強對我國南部夏季高溫事件的發生與持續有重要影響。同時，NTA 春季異常增暖還可在隨后的冬季誘發La Ni?a[8]。

大西洋經向模態(Atlantic Meridional Mode，AMM)是熱帶大西洋SSTA 年際變化的主導模態[9]，表現為熱帶大西洋SSTA的經向梯度，當其正位相時，NTA 出現異常增暖，并且該模態往往在春季達到最大值[10]。同時，NTA 也是主導北大西洋海溫的三極型模態的重要組成[11-12]，在該模態下NTA 海域伴有顯著的SSTA，研究表明這是與北大西洋濤動(North Atlantic Oscillation，NAO)耦合的結果[13-14]。NTA SSTA 的出現還被認為與ENSO有著密不可分的關系。近年來大量研究表明ENSO 對熱帶大西洋SSTA 變率有影響，且影響顯著區域位于NTA，往往在冬季迅速增溫[15-17]。隨著對不同類型El Ni?o 事件特征研究的興起，已有研究表明El Ni?o Modoki 所伴隨的較弱暖SSTA對熱帶北大西洋SSTA 的強迫作用弱于傳統型事件[18]。

研究認為，El Ni?o 可通過對流層增溫與大氣橋遙相關引起NTA的增暖。對流層增溫機制強調赤道中東太平洋暖海溫異常信號通過Kelvin 波與Rossby 波加熱北大西洋對流層，使大氣層結更加穩定，抑制對流發生，并通過削弱海面蒸發，使海面獲得的凈熱通量增加，導致海洋異常增暖[19-20]。而大氣橋遙相關則側重ENSO 信號通過Walker 環流和Hadley 環流異常以及太平洋北美型遙相關(Pacific-North American，PNA)傳遞給北大西洋中緯度地區[21-22]。其中，El Ni?o 導致的Walker 環流異常通過影響NTA海表的緯向氣壓梯度加強了赤道大西洋地區的信風，為Bjerknes 反饋的發生提供了初始擾動，之后通過溫躍層深度的變化影響海溫[23]。而PNA 主要是通過削弱北大西洋副熱帶高壓進而影響海表溫度[24]。在這一觀點中，Walker環流與PNA 究竟誰是主要的影響因子仍有爭議，Sutton 等[25]認為兩類機制之間可能存在著競爭關系。近年來，Javier 等[26]的研究指出，El Ni?o 可以通過Walker 環流異常導致亞馬遜地區溫度升高，進而誘發Gill 響應，最終導致NTA 異常增暖。此外，NTA 自身的海洋動力過程也對海溫的發展有一定作用[27]。

但在一些與El Ni?o 無關的年份，NTA 海域也有春季異常增暖現象。有、無El Ni?o 兩種情形的春季NTA 暖SSTA 特征有什么區別，其形成機制的差異怎樣？本文將給出合理的解釋。

2 資料和方法

2.1 資 料

(1) 英國哈德萊中心的月平均海表溫度資料HadISST，分辨率為1 °×1 °。該資料包含了觀測資料與衛星資料，并在空間上實現了全球覆蓋，被廣泛應用于氣候變化、海氣相互作用等分析中。

(2) 美國國家環境預報中心的GODAS資料集中的月平均海流流速、溫度與混合層深度資料，分辨率為0.333 °×1 °，除混合層深度為單層外，其他資料垂直方向為5～4 478 m(垂直速度為10～4 739 m)共40 層。該資料集包含三維海流流速、混合層深度等海洋資料。

(3) 歐洲中期天氣預報中心的ERA5再分析資料中的500 hPa 日位勢高度、500 hPa 月平均位勢高度與溫度、月平均海平面氣壓、10 m 風場、2 m露點溫度、降水量、海面凈太陽短波輻射、凈長波輻射、潛熱通量和感熱通量，分辨率為2.5 °×2.5 °。該套資料由ERA-interim改進而來，在2019年正式公布，有更高的時空分辨率，更好地考慮了全球降水和蒸發平衡以及對流層的過程，并且使用了很多創新的方法。

(4) 美國國家大氣海洋局的每月Ni?o3.4 海溫指數。該指數基于HadISST資料集計算得到。

對于上述資料本文選取時段為1980 年1 月—2019年10月。

2.2 方 法

(1) 選用NOAA 提供的Ni?o3.4 海溫指數，以指數至少連續6 個月大于0.5 標準差，篩選1980—2019 年間的El Ni?o 事件。篩選出11 次事件：1982/1983 年、1986/1988 年、1991/1992 年、1994/1995 年、1997/1998 年、2002/2003 年、2004/2005年、2006/2007 年、2009/2010 年、2014/2016 年、2018/2019年。

(2) 基于以下公式[28-29]對海洋混合層進行熱收支診斷：

其中，u、v、w指海洋中三維海流流速，QSW、QLW、QLH和QSH分別指海面凈向下太陽短波輻射、凈向上長波輻射、潛熱通量與感熱通量（向上為正）。ρ指海水密度，cW指海水比熱容，h指海洋混合層深度，R為殘余項。反映物理量在混合層的垂直平均。ρ的取值參考Large等[30]的方法取為1 026 kg/m3，cW取3 996 J/(kg?℃)。

(3) 在討論潛熱通量收支時，采用了邵慶秋等[31]使用的公式：

其中，U10代表10 m 風速，qs為海表溫度下的飽和比濕，q為大氣2 m 處的實際比濕，分別由海表溫度與大氣2 m 露點溫度計算得到。ρa=1.25 kg/m3為近地層空氣密度，L=2.46 × 106J/kg 為水的汽化潛熱，CE=1.28×10-3為交換系數[32]。

(4) 為探究NAO與NTA春季SSTA的聯系，本文采取了Li等[33]提出的公式：

計算NAO 指數，代表NAO 的強度與位相。其中，P代表80°W～30°E緯向平均的月海平面氣壓，P?則表示經過標準化處理。

(5) 在討論El Ni?o 信號在對流層中層傳遞時，計算了T-N波活動通量[34]，該物理量的二維表達式如下：

去線性趨勢針對格點上的月資料進行，以1981—2010 年為氣候態時段，相對其偏差為氣候擾動。

3 NTA春季SSTA變化特征

3.1 NTA春季SST特征及暖事件的分離

針對本文關注的NTA 春季海表溫度(sea surface temperature，SST)，首先以1980—2019 年的資料給出北大西洋春季SST 的標準差分布(圖1)。之后選取標準差大值區(10～60 °W，5～25 °N)作為關鍵區。以關鍵區春季區域平均SSTA為指數，來定量描述NTA春季海溫變化的強度。在對該指數進行標準化與去線性趨勢后，以大于0.5 為標準篩選NTA 春季暖海溫事件。共篩選出11 次暖事件：1980、1981、1983、1987、1988、1996、1997、1998、2005、2010、2013 年。將NTA 春季暖海溫事件以是否發生在El Ni?o 衰減年分為兩種情形：如表1所示，發生在El Ni?o衰減年的春季暖NTA，即情形1 的年份有1983、1987、1988、1998、2005、2010 年；與El Ni?o 無直接關聯的春季暖NTA，即情形2 的年份有1980、1981、1996、1997、2013年。

圖1 北大西洋春季SST標準差分布圖 方框表示關鍵區(10～60 °W，5～25 °N)。

表1 NTA春季海溫暖事件分類結果

3.2 SSTA分布特征

圖2a、2b 是兩種情形下NTA 春季合成SSTA分布，兩種情形的暖SSTA 都分布于整個NTA 海域，最顯著的都出現在NTA 東側。但絕大部分海域情形1 的暖SSTA 強于情形2。圖2c、2d 給出了兩種情形下春季與前冬SSTA的合成差場。情形1的NTA 春季SSTA 較冬季有明顯增暖，而情形2下增暖的范圍與強度都較弱。因此，可認為情形1的暖SSTA 有相當一部分是在春季內形成，而情形2下春季貢獻較少，主要是前期已出現增暖并持續到了春季。

圖2 情形1下(a，c)、情形2下(b，d)NTA春季合成SSTA及SSTAMAM (1)- SSTADJF (0-1) 分布(填色，單位：℃)點區表明通過0.05顯著性檢驗，藍色方框表示關鍵區(10～60 °W, 5～25 °N)。

4 兩種情形NTA SSTA 變化物理過程的對比

混合層是大氣與海洋之間水汽、熱量和動量交換的發生地，研究其內部過程對理解海溫變化的機制有重要意義。Li 等[28]提出了對混合層進行診斷的方程，他們認為混合層海溫的變化可由溫度平流與海表熱通量解釋。同時，他們還考慮了混合層時空變化的影響。為明確動力與熱力過程在NTA 春季增暖中的貢獻，本文將診斷方程(公式(1))應用于NTA 的關鍵區。由于使用不同資料集等問題，熱力項的距平對于混合層深度較敏感，而關注海域的混合層年際變率遠小于季節變化，故本文在實際應用時通過按格點取每月的氣候態值代替原始值保留了混合層深度的季節特征而忽略了年際變率，將熱力項轉化為線性項考慮。

圖3 顯示了兩種情形下關鍵區混合層的診斷結果，圖中給出的值反映了整層海溫異常的變率，當該值為正時，表明海溫有增暖趨勢，反之亦然。對情形1的診斷結果與實際演變非常接近，對情形2的診斷結果與實際演變的趨勢相似，但在拐點處殘余項較大(圖3a、3d)。情形2 診斷效果不佳可能與海-氣相互作用存在季節內振蕩特征有關，使基于月資料的中心差方案的殘余項較大。兩種情形下NTA最初的增暖都與海表潛熱通量異常密不可分，且其在NTA增暖過程中一直是主導因素，而其他三種熱通量作用都較弱(圖3b、3e)。海洋自身動力過程較熱力過程的影響更弱(圖3c、3f)。

混合層內過程的影響具有滯后性，針對春季，應該關注提前一個月即2—4 月(1)(月份(1))表示NTA 春季異常增暖的月份)內發生的過程。在圖3，這一時段通過填色標注出。兩種情形下混合層內的過程在這一時段中有明顯差異：情形1 下，變率達到峰值，并開始緩慢下降，表明海溫增暖速率放緩；而情形2下，變率在2月(1)發生驟降，之后緩慢回升，表明暖海溫冷卻速率放緩。

圖3a、3d顯示兩種情形在前年冬季開始增暖，情形1 下增暖持續到了春季，而情形2 下則出現了季節內振蕩。圖4 給出了兩種情形在變率達到峰值時各項的具體貢獻。情形1中，混合層增暖的峰值速率接近0.18 ℃/月，而情形2則為0.15 ℃/月左右。在兩種情形中，四種熱通量都利于增暖，且以潛熱通量異常的作用為主，而動力項的作用則相反。該圖還反映了診斷方程的效果：情形1中，動力項與熱力項之和與實際情況下的增暖比較接近，但情形2中兩者之和只能部分解釋增暖的成因。

前文得到了兩種情形都是以潛熱通量異常為主導形成的結論，這與Saravanan 等[2]研究結果一致。Chiang等[20]曾研究過El Ni?o對NTA SSTA的影響，他們認為ENSO 信號通過削弱海表的東北信風進而導致了潛熱通量異常。那么情形2 下潛熱通量異常為何出現？同時，濕度條件對潛熱通量異常的出現有何影響？為了解決這兩個問題，本文采用了邵慶秋等[31]使用的方法(公式(2))，分析潛熱通量異常的成因。

圖3 情形1下、情形2下合成混合層海溫異常變率(實線，單位：10-2 ℃/月)與動力項和熱力項之和(虛線)導致的變率(a，d)；短波輻射(虛線)、長波輻射(點線)、潛熱通量(粗實線)及感熱通量項(細實線)導致的變率(b，e)；緯向(實線)，經向(虛線)與垂直平流(點線)導致的變率(c，f) 月份(1)表示NTA春季異常增暖年的月份，月份(0)則表示前一年的月份。

圖4 兩種情形下海溫變率峰值時各項貢獻(單位：℃/月)灰色代表情形1在2月的情況，黑色代表情形2在1月的情況。

圖5 給出了兩種情形前期與潛熱通量異常有關的物理量分布。圖5a、5c顯示了1—3 月(1)合成風速與垂直濕度梯度條件。情形1 下，NTA 東部垂直濕度梯度減小，且有顯著的西風異常。西風異常會削弱氣候態的東北信風，使得風速減弱。而情形2 下西風異常較弱，在NTA 中部有大范圍垂直濕度梯度異常正值區，兩者存在競爭關系。圖5b、5d 顯示了2—4 月(1)合成潛熱通量異常分布。在情形1 中，NTA 存在潛熱通量負異常，且大部分通過顯著性檢驗。而情形2 下卻沒有明顯的異常分布，這是由于該事件此時正處于潛熱通量異常由正轉負的過程中(圖3e)，季節平均無法體現這一過程。簡言之，情形1下潛熱通量負異常主要是西風異常作用的結果，同時NTA 東部還受到垂直濕度梯度減小的影響；而情形2下則是西風異常導致的，但垂直濕度梯度異常增大，抑制了潛熱通量負異常的發展。

圖5 情形1下、情形2下1—3月(1)合成10 m風場異常(箭頭，單位：m/s)及海表飽和比濕與大氣2 m處實際比濕差值的異常分布(等值線，單位：g/kg) (a，c)；2—4月(1)合成潛熱通量異常(等值線，單位：W/m2) (b，d)通過0.05顯著性檢驗區域填色，風矢量通過0.05顯著性檢驗者標紅，b、d中潛熱通量異常向上為正，向下為負。

5 兩種情形NTA 春季SSTA 變化差異的可能成因

5.1 與NAO的聯系

經過前文的分析，發現兩種情形的形成都與西風異常有關，那么兩類暖事件下西風異常出現的原因是否一致？Bates[35]的研究表明，激發NTA SSTA 的西風異常擾動可能是由ENSO、NAO 和其他環流導致的。其中NAO 指的是亞速爾高壓(北大西洋副熱帶高壓)和冰島低壓之間氣壓的反向變化關系。當它呈現負位相時，北大西洋副熱帶高壓減弱，其南部會出現西風異常[17]。

圖6 給出了兩種情形下NAO 指數及關鍵區SSTA 的演變。兩種情形前期NAO 指數都存在季節內振蕩，但情形1中指數在2月(1)，即El Ni?o峰值后，達到最低值。表2 結果顯示當SSTA 落后NAO 指數1 個月時，兩者呈負相關且相關系數為-0.486，通過了0.05 顯著性檢驗（臨界值為0.404）。表明El Ni?o 通過NAO 使春季NTA 增暖顯著。情形2，圖6 中的黑色虛線顯示，NAO 從11月(0)到12 月(0)減小最明顯，這樣的NAO 變化使12 月(0)北大西洋的副高減弱，減小東北信風，減小潛熱通量(圖3e)，使SSTA從12月(0)到1月(1)的增暖最顯著，在1 月(1)—3 月(1)增暖維持。可見，NAO 變化的差異可能是兩種情形下不同SSTA 變化的主要因素。

圖6 兩種情形下合成標準化NAO指數與關鍵區SSTA(單位：℃)演變曲線 實線表示情形1，虛線表示情形2，黑色為NAO指數，灰色為SSTA。

圖7顯示了兩種情形在1—3月(1)時合成海平面氣壓及風場異常分布。兩種情形下都呈現NAO 負位相，但情形1 負位相發展更強，與Zhang等[36]觀點一致，國內類似相關方面的研究也有不少成果[37-38]。相應地，亞速爾地區出現了氣旋性環流異常，其南部的西風異常削弱了東北信風，為暖海溫的發生發展提供了動力條件。而情形2 下僅在NTA 東北部有較弱的西風異常，使得暖海溫的發展較弱。

表2 關鍵區SSTA(單位：℃)與標準化NAO指數的滯后與超前相關系數

5.2 情形1下El Ni?o的遙響應

圖8 顯示了兩種情形在1—3 月(1)期間500 hPa 合成位勢高度與溫度異常分布。情形1 下，位勢高度異常呈現PNA 正位相與類似NAO 負位相型。情形2 同樣呈現類似NAO 負位相型，與前一類事件相比強度較弱且位置偏東。兩種情形下溫度異常在赤道太平洋的分布有顯著差異。情形1中，El Ni?o 激發的Kelvin 波東傳至熱帶大西洋地區，且暖中心北移到了NTA 上空。正是由于Kelvin 波的加熱作用，NTA 上空環境變得更加穩定，抑制了對流的發生，同時大氣增暖，使得大氣容納水汽的能力增強，減小了海-氣間的垂直濕度梯度，使海面的蒸發減弱。進一步證實了前文中關于垂直濕度梯度利于NTA獲得潛熱通量異常能量的分析，并且與Yulaeva 等[19]和Chiang 等[20]的觀點一致。而情形2僅在加拿大東北部存在暖中心。

圖9顯示了兩種情形在1—3月(1)下合成降水異常與500 hPaT-N波活動通量異常分布。兩種情形下的降水異常有明顯差異。情形1下，赤道中東太平洋有強降水正異常，這是該地區強烈暖SSTA 作用的結果。降水釋放的大量能量加熱大氣，激發了Rossby 波能量向東向北傳播到熱帶外北大西洋地區，使北大西洋副熱帶高壓減弱，中高緯的位勢高度增加，加強并維持了NAO負位相(圖8a、9a)。除此之外，Rossby 波能量還可以通過PNA波列輸送至亞速爾地區[39]。情形2下，幾乎沒有異常的波能量來自大西洋上游地區，主要是大西洋自身的能量異常輸送。

圖8 情形1(a)與情形2(b)下1—3月(1)合成500 hPa位勢高度異常(填色，單位：gpm)與溫度異常(等值線，單位：℃)點區表示通過0.05顯著性檢驗。

圖9 情形1(a)與情形2(b)下1—3月(1)合成降水異常(填色，單位：mm/day)與500 hPa T-N波活動通量異常(箭頭，單位：m2/s2) 矢量僅給出通過0.05顯著性檢驗者。

6 結論與討論

為解釋有、無El Ni?o兩種情形下NTA春季增暖物理機制的區別以及El Ni?o強迫NTA的途徑，本文分析了兩種情形下SSTA 分布特征的差異，診斷熱力與動力的相對貢獻，研究了潛熱通量異常出現的原因和El Ni?o信號可能的傳播機制。

(1) 兩種情形的暖SSTA 都分布于整個NTA海域，但情形1 增暖強于情形2，關鍵區平均SSTA為0.55 ℃，而后者是0.37 ℃。情形1 的NTA 春季SSTA 較冬季有明顯增暖，而情形2 下增暖的范圍與強度都較弱。

(2) 兩種NTA 增暖情形主要由熱力項中的潛熱通量異常導致，其他三種熱通量貢獻較少。而動力項則不利于海溫增暖，但其影響較弱。

(3) El Ni?o 影響的情形，在西風異常與東部海-氣界面的垂直濕度梯度減弱共同作用下，潛熱通量負異常導致海面失去的熱量減少，使SSTA 增暖顯著。無El Ni?o情形，西風異常弱于情形1，減小的海面蒸發弱于前者，海-氣垂直濕度梯度增大，使海面蒸發增強。該情形下，NTA 春季增暖，主要是受到NAO 負位相作用的冬季增暖的延續。海面蒸發變化與SSTA 間的負反饋關系，使SSTA存在季節內振蕩特征。

(4) El Ni?o 激發的Rossby 波能量通過T-N波活動通量異常與PNA加強NAO負位相，抑制了其自身的季節內振蕩，進而導致NTA 地區東北信風顯著減弱。同時，暖Kelvin波東傳，加熱了NTA上空大氣，使得大氣容納水汽的能力增強，減小了海-氣界面的垂直濕度梯度。

(5) 在情形2中，增暖可能由NAO自身內部變率導致。但此時NAO 存在季節內振蕩，不利于暖SSTA 的持續。因此該類事件下NTA 春季增暖的強度與范圍都不比前者。

本文主要使用了月資料進行診斷和分析，有關兩種情形下，NAO 的變化及其對北大西洋熱帶地區海-氣耦合的調制過程，需要利用更高的時間分辨率資料做進一步深入的研究。