强elnio事件到lania向enso的转变

强elnio事件到lania向enso的转变

1elnino衰减与自身强度的关系:一个研究概念ens（elninousal）是指每3-7年在环境周期内发生的异常海水温度和相应的亚热带气候循环异常现象。这是海洋气联合系统中最强的年变量信号，可以影响世界周围的气候系统。例如，enso可以影响东亚的天气条件和中国的气候异常。在elnino成熟的情况下，东亚冬季的风一般很弱，中国南部的水相对较多，衰减期的水相对较多，往往会造成严重的洪水灾害。对ENSO的理解、模拟和预测是海洋学家与气候学家的一个重要研究内容.对ENSO的本质理解,有两种不同的传统观点,即ENSO是循环性或偶发性的.从第一种观点来说,ENSO是一种自维持的持续性海气耦合振荡模态,ElNiño事件衰减进入LaNiña状态.现有的各种动力模型,如延迟振子、充放电振子、西太平洋振子和平流-反射振子,分别给出了不同的负反馈机制来解释ENSO的衰亡和位相转变,都属于这一类.而另一种观点认为,ENSO是热带海气耦合系统对外在扰动响应的异常状态,因此,气候系统在ElNiño衰减后恢复平常态.信风崩溃和1～2周的赤道西风爆发都是这样的外在扰动.在实际观测中,部分ElNiño事件衰减进入LaNiña,而另一部分ElNiño事件则衰减进入平常态.因此,这两种观点都能够得到验证,但又不能解释所有的现象.Philander和Fedorov回顾了这方面的研究进展,认为稳定性分析、能量研究和数值模拟都表明,ENSO是一个由随机扰动激发的弱衰减性振子模态,即真实的ENSO是以上两种观点的折衷.这样引出如下问题:ElNiño的衰减性/振荡性表现与其自身强度是否有关?换言之,ElNiño的衰减结果与其强度是否存在某种关系?如果关系存在,是什么原因?以上问题的核心在于ElNiño的具体衰减过程.对ENSO衰减过程的阐释是现有ENSO理论之间的本质区别.延迟振子是目前影响最大的ENSO动力模型,它认为风应力激发的Rossby波西传至太平洋西边界,反射成为冷性Kelvin波东传,从而降低赤道中东太平洋的海温并实现ENSO的位相反转.Jin提出了充放电振子理论,认为赤道中东太平洋西风异常引发Sverdrup传输的辐散引起赤道热容量的减少,从而海表温度(SST)正异常转变为负异常.在1年以上时间尺度,充放电振子和延迟振子理论二者本质是一致的.与延迟振子理论强调赤道东太平洋相比,Weisberg和Wang强调西太平洋的重要性并提出了西太平洋振子模型,认为东太平洋海水增暖激发的中太平洋气旋对通过Ekman抽吸抬升西太平洋的温跃层,造成那里赤道外区域的海表温度降低和海平面气压升高,并因此产生赤道东风异常,后者激发冷性信号东传并降低赤道东太平洋的海温.Picaut等提出了平流-反射振子模型,认为海洋波动在赤道太平洋东西边界的共同反射和平流作用提供了ENSO的负反馈机制.在动力模型分析之外,关于ElNiño的衰减,也有一些数值模拟和诊断分析方面的研究结果.一系列资料分析和数值模拟工作表明,上层海水温度、热容量、海面高度等异常信号分别在赤道以及赤道北侧构成一个循环回路是ENSO循环的重要特征.Guilyardi和Delecluse将ECHAM4/OPA海气耦合模式模拟和1997～1998年观测结果对比研究了ElNiño的位相转变.他们的研究结果确认了西太平洋的热容量异常是ENSO位相转换的预兆信号,尤其在热带西北太平洋地区(westernNorthPacific,简称WNP,5°N～15°N,120°E～170°E).此外,他们提出了WNP热容量异常通过西太平洋近海岸洋流进入赤道这一信号传输过程.他们给出了ElNiño衰减的框架结构:东太平洋海水偏暖通过Gill型大气响应在WNP产生气旋性环流,产生的海水上翻持续约6个月并减小WNP的热容量,热容量负异常信号沿着当地洋流传到赤道(约2个月),负异常信号通过冷性Kelvin波东传,导致东太平洋海水变冷,引发ElNiño衰亡.Chan和Xu采用分组合成分析的方法,研究了1950～1997年期间ElNiño分别在春季、夏季衰减进入LaNiña和平常态的区别,认为ENSO的位相转换是南北半球副热带高压异常导致的中东太平洋信风增强并激发海洋Rossby波向西传,并在西太平洋边界反射来实现的.Zhang和McPhaden通过模式模拟发现北太平洋的经向风冷却在强ElNiño衰减过程中有重要作用,薛峰和何卷雄在分析ElNiño演变过程时也注意到了外热带经向风的重要作用.综上所述,我们重点研究ElNiño衰减结果与自身强度的关系.我们关注以下具体问题:(1)二者之间是否存在某种关系;如果存在,(2)什么原因导致了这种关系的存在;(3)不同强度和不同衰减结果ElNiño过程中的具体衰减机制和已有的理论之间有何区别.本项研究分为两大部分,本文为第一部分,我们从统计分析上探讨ElNiño衰减结果与自身强度的关系,并对强ElNiño的衰减过程进行分析.第2节介绍所使用的数据和分析方法,第3节阐述ElNiño衰减结果和自身强度的关系,第4节探讨海洋环流变量在强ElNiño衰减过程的表现,第5节介绍大气环流变量在强ElNiño衰减过程中的表现,第6节讨论强ElNiño衰减过程中海气耦合的表现和作用,以阐述决定强ElNiño衰减结果的物理机制,最后一节是结论.2资料来源和研究方法本文研究主要采用了ElNiño指数序列和大气、海洋环流方面的数据.我们用Ninõ3.4区(5°S～5°N,120°W～170°W)月平均海表温度异常指数序列表征ElNiño的强度,时间跨度为1950～2006年,由美国国家气候中心提供.大气环流资料包括海平面气压场(SLP)和850hPa风场,来自于NCEP-NCAR月平均再分析资料集,分辨率为2.5°×2.5°,时间跨度为1948～2006年.海洋资料有两个来源,月平均海表温度(SST)资料为美国国家海洋大气局(NOAA)发展的ERSST第二个版本,分辨率为2°×2°,资料长度为1854～2006年.此外,上层海洋温度(垂直方向分层为0,20,40,60,80,120,160,200,240,300,400m共11层)和0～400m热容量数据来自于ScrippsInstitutionofOceanography,即JEDAC资料(/),时间长度为1955～2003年,水平分辨率为5°×2°.我们的研究对象为1951～2004年期间的ElNiño事件.环流异常是基于1971～2000年气候平均值计算的.此外,为了滤除高频信号,我们对各项数据进行了3个月平滑处理.ElNiño事件的强度定义为该事件3月平滑后Niño3.4指数的峰值.主要的研究方法是合成分析,并通过个例检查来检验合成结果.在正文和附图中,赤道太平洋指太平洋沿赤道5°S～5°N的部分.此外,我们把ElNiño的发生年、衰减年和衰减第二年分别标记为0年、+1年、+2年.3elnino事件的衰减结果我们借鉴了美国气候预测中心的方法定义ElNiño事件.具体而言,对Niño3.4指数作3月滑动平均,当持续5月以上超过0.5℃,就称为一次ElNiño.由于环流异常特征在弱的ElNiño事件中很不显著,我们排除了峰值小于0.7℃的事件,只保留具有一定强度的暖事件.此外,1986～1988年暖事件持续了2年,并且位相不锁定,其峰值出现在夏季,为避免干扰合成结果,因此把该事件也排除在外.这样,我们得到12个ElNiño事件,分别为1951～1952,1957～1958,1963～1964,1965～1966,1969～1970,1972～1973,1977～1978,1982～1983,1991～1992,1994～1995,1997～1998和2002～2003事件.对这12个事件按照强度进行排列,我们发现相似强度的ElNiño具有相似的衰减结果.具体而言,根据强度相近并且衰减结果相同的原则对这12个事件分组,则ElNiño从弱到强,衰减为平常态(1951～1952,1977～1978),衰减为LaNiña(1963～1964,1969～1970,1994～1995),衰减为平常态(1957～1958,1965～1966,1991～1992,2002～2003),衰减为LaNiña(1972～1973,1982～1983,1997～1998).因此,我们把这12个ElNiño事件分为强、中等、较弱和弱4组(图1).从峰值强度上看,2℃以上和1～1.3℃之间的事件都衰减为LaNiña,而1.6～1.9℃和0.9℃以下的事件都衰减进入平常态.这样,ElNiño的衰减结果与自身强度之间存在显著的非线性特征.从图1可以看出,我们选取的这12个ElNiño事件都具有位相锁定的特征,即事件在当年年底至次年年初强度最大,并在次年春、夏季衰亡.基于这种位相锁定特征,我们能够对它们作合成分析,考察海洋和大气变量在强、中等和较弱3组ElNiño事件演变特征的异同.由于弱ElNiño如1951～1952和1977～1978事件强度过小,环流异常噪音相对很大,而且研究所用数据时间跨度有限,我们不分析该组ENSO事件.4强elnino过程中的海洋特征ENSO是典型的热带海气耦合现象.在热带,大气变化为快过程,而海洋的调整时间要长得多,这种海洋对大气变化的记忆性和延迟反应是ENSO现象的核心所在.此外,关于ENSO有一个主流观点:ENSO是热带太平洋质量和热量的再分布.基于这种特征,我们首先分析强ElNiño过程中的海洋变化特征.4.1西太平洋东移的sst信号表现图2给出了强ElNiño演变过程中次表层的异常变化,它表明,暖事件和随之而来的冷事件都是次表层海温正异常自西太平洋向中东太平洋传播导致的.显著的海温异常在0年1月位于西太平洋温跃层附近,之后快速东移,在5月到达中太平洋,此后原地发展,在7月之后缓慢衰减,并于次年3月基本消失.随后的LaNiña以相似的方式出现,次表层海温负异常开始出现于0年9月份,并在ElNiño盛期显著增强,控制了赤道西太平洋.该负异常自出现后就开始缓慢东移至+1年年底,并最终控制中东太平洋,从而导致冷事件的发生.比较可知,负异常信号相对正异常信号偏强,传播持续时间也偏长.此外,需要注意的是,暖事件盛期伴随着西太平洋次表层负异常的出现,而在其后LaNiña事件盛期并没有出现西太平洋的次表层正异常,这与LaNiña事件往往持续好几年的情形相一致(图1).但从海表温度来看(图略),强ElNiño过程中正负异常自西太平洋东移的现象并不显著,其主要特征为SST负异常在中太平洋原地发展.这是因为,赤道西太平洋为暖水区,海表温度常年大于31℃,温跃层深厚,东太平洋海表偏冷,温跃层很浅,这种分布使得异常信号沿着温跃层以Kelvin波的形式东传时逐渐上移,并在中太平洋达到海面.在ElNiño衰减的+1年,中太平洋SST异常急剧减弱,正异常在3月已不明显,而负异常则在5月出现,并持续发展至年底,标志着LaNiña的发生.Li注意到了这种SST异常原地发展的情况,据此提出了准静止SST模态的概念,认为ENSO循环是这种模态在Walker环流和Hadley环流作用下的振荡过程.4.2elnino中热容量负异常的阶段性特征ENSO以上层海洋和大气质量和热量在整个热带太平洋再分配为主要特征,上层海洋热容量变化是ENSO现象的本质体现.Jin的充放电振子模型,就是把ENSO描述为热带太平洋热容量的充放电式的变化.现有的理论一般认为西太平洋的热容量变化是ENSO位相转换的先兆,如Wyrtki的诊断研究,以及延迟振子、充放电振子和西太平洋振子模型.而且,人们越来越注意到WNP热容量信号对ENSO位相变化的指示作用.在强ElNiño中,热容量负异常有三个明显的阶段性特征(图3):第一阶段为0年5～9月,负异常首先在WNP出现并持续增强和向赤道扩展;第二阶段为0年11月至+1年1月,即ElNiño盛期,负异常沿南赤道辐合带向赤道以南扩展,东边界达到日界线以东;在第三阶段,即+1年3～11月,随着ElNiño盛期的结束,负异常在WNP区域迅速衰弱并消失,其主体沿赤道偏南缓慢东移,至年底到达中东太平洋.这种负异常信号的传播特征与Guilyardi和Delecluse的研究结果基本吻合.出于简化和与前文保持一致,这种复杂的西太平洋负异常信号传播,我们依旧称之为信号东传.Guilyardi和Delecluse认为WNP的热容量负信号通过西太平洋边界洋流作用向赤道传播.但是,图3表明,WNP热容量负信号向赤道的传播,在WNP中间区域最显著,而不是在西太平洋西边界附近.因此,热容量信号从WNP向赤道传播应当是通过其他途径实现的,我们将在第6节作进一步讨论.585elnino过程中的海洋和海平面环流场分析ENSO是热带海气相互作用的结果,大气通过风应力影响海洋,而海洋通过SST变化以感热形式反过来影响大气.在这一节里,我们分析强ElNiño过程中对流层低层风场(850hPa)和海平面气压场的变化.5.18elnino事件贯穿整个推行过程对流层低层的风场变化是热带海气相互作用的核心要素之一.信风变化是ElNiño发生发展的主要条件和表现之一.从赤道太平洋850hPa的纬向风异常来看,强大的赤道西风异常自西太平洋向中东太平洋的移动和扩展贯穿了强ElNiño从发生至盛期整个过程;赤道东风异常在0年10月,即ElNiño接近成熟期,开始出现在海洋大陆和远西太平洋,此后以与前期西风异常类似的方式一边增强,一边东传,在+1年年底控制赤道太平洋的绝大部分地区(图4).从风场的水平分布来看(图略),该异常环流是位于南海—菲律宾海附近异常反气旋(由于该反气旋控制了WNP大部分区域,尤其是其中西部,以下称之为WNP反气旋)的一部分.5.2南方涛动—海平面气压场南方涛动,即东南太平洋与澳大利亚一印度洋之间的SLP跷跷板变化,是ENSO事件中的大气核心特征.南方涛动在强ElNiño中表现出了明显的负位相特征,即东南太平洋低压异常与澳大利亚高压异常共同存在.此外,在强ElNiño事件中(图5),这种异常分布具有明显的东移特征.高压异常在0年5月,位于澳大利亚附近,此后持续东移,东移跨越暖位相发展和衰亡阶段,甚至包括之后LaNiña的发生和发展过程.由于南方涛动是准定常的,这种热带太平洋SLP模态不是纯粹的南方涛动,其实质是南方涛动与White和Cayan定义的全球ENSO波(globalENSOwave)的混合.南北两个半球的副热带信号与南方涛动/全球ENSO波信号有着密切但又不同的关系.虽然南北半球副热带信号都是南方涛动信号的一部分,但南方涛动的正、负异常主体部分偏向于南半球.南半球副高正异常信号在+1年3月前后经历一次跳跃式发展,从日界线以西传播至东南太平洋.北半球的高压异常中心,只是在0年9月,即接近暖位相的盛期,才出现在WNP,这使得南方涛动的正位相显示出基本沿赤道对称的马蹄形特征,这与下垫面的SST异常分布一致(图略).WNP高压异常中心,与流场的WNP反气旋对应,在强ElNiño盛期显著增强,此后强度明显减弱,但仍长时间维持,至ElNiño次年7月后才缓慢消失.与南半球高压异常相比,WNP表现出了缓慢而有限的东移,其活动范围局限在中西太平洋.6elnino衰减的物理动力机制及选择性我们在4～5节分析了强ElNiño发展和衰减过程中相关海洋和大气变量的环流变化,本节在此基础上探讨控制强ElNiño衰减的物理动力机制,以及动力机制对ENSO强度的选择性.6.1elnino向lanina转换的主要特点综合4～5节的分析,从海洋变量来看,负异常信号东传决定了强ElNiño向LaNiña转变的海洋物理过程,其主体特征是热容量异常信号从WNP向赤道扩展并东传,它在温跃层最明显,主导了强ElNiño向LaNiña的转换.从大气变量来看,SLP异常和850hPa风场异常是一致的.在强ElNiño盛期以及衰减阶段,WNP高压异常对应当地的反气旋性气流异常,赤道西太平洋东风异常为其中一部分,赤道东风异常向中东太平洋的扩展与WNP高压异常的缓慢东移同步,成为强ElNiño向LaNiña转变的主要大气变化现象.以上说明,上层海洋热容量和温度以及大气低层纬向风变量的负信号沿赤道东传是决定强ElNiño衰减结果的主导物理过程.6.2东太平洋海水增暖事件现有的动力理论认为西太平洋的热容量变化在ENSO位相转变中起先兆作用,观测和模拟结果强调其WNP部分的信号.关于该地区热容量变化的物理机制有两种:自由Rossby波效应和强迫Rossby波效应.前者认为东太平洋海水增暖激发Gill型大气响应,大气响应进一步激发西传的海洋Rossby波,其积累效应导致冷水在太平洋西边界大量积聚,从而WNP温跃层变浅;后者认为WNP对东太平洋海水增暖响应,其局地气旋性风场引起Ekman抽吸,使得当地温跃层变浅.Guilyardi和Delecluse认为,对1997～1998事件的衰减而言,强迫Rossby波起决定性的作用;而对不同ENSO事件,强迫和自由Rossby波的相对重要性可能是不同的.我们在第4节给出了强ElNiño中热容量的变化,这支持了强迫Rossby波的观点.从环流配置来看,WNP区域在强ElNiño的盛期表现了清晰的海气耦合结构,当地热容量减少表明温跃层变浅,海温偏低,WNP东部为气旋性结构下的向赤道流;西部为反气旋结构,东风异常分布在南侧赤道区域,西侧为偏南风.Wallace等文中的图8描述了冷舌指数回归的SLP异常场,其北半球部分也与这种分布一致.东部气旋和西部反气旋异常的产生原因是显著不同的.WNP东部的气旋性结构是大气对赤道中东太平洋海水增暖的Gill型大气响应,这种环流结构加强了局地的信风强度和蒸发,并同时通过Ekman抽吸抬升WNP的温跃层,这样,当地SST降低,对流受抑制,进而激发Gill型大气响应产生了WNP西部的反气旋.刘琳和于卫东对次表层海温和大气旋度的分析也支持了这一点.Wang等把西部反气旋异常命名为菲律宾海反气旋,并给出了该高压异常的产生机理(其文中图16).6.3和东扩持续激发下的下海温异常表现在以上分析基础上,我们可以认为,强ElNiño衰减的主要过程如下(图6):赤道中东太平洋海水增暖通过Gill型响应激发中太平洋异常气旋对;后者通过Ekman效应减小WNP的热容量,抬升温跃层,还可以通过增强赤道外信风增强局地的蒸发,从而使得当地海表温度降低,对流受抑制,进而通过Gill响应引起WNP异常反气旋,后者通过局地海气相互作用长时间维持和缓慢东移,造成其南侧赤道东风异常缓慢东扩,赤道东风异常的维持和东扩持续激发Kelvin波,携带自WNP传入赤道的热容量负异常东传,最终导致赤道中太平洋出现LaNiña.上述过程基本与Weisberg和Wang的西太平洋振子理论和Guilyardi和Delecluse的动力框架相似,都强调西太平洋,尤其WNP在ENSO位相转变的作用.但是,它们之间也有显著不同.Guilyardi和Delecluse认为西太平洋边界流对热容量的向赤道输送非常重要,但图3显示负热容量信号自WNP向赤道的传输不是发生在海洋大陆边缘,其强度最大值出现在西太平洋中部,这是强迫Rossby波效应/Ekman效应在负热容量信号向赤道传输中的具体表现.此外,对西太平洋振子理论来说,它没有关注WNP反气旋及其南侧东风异常沿赤道东移的现象.对1997～1998事件的观测分析表明,在决定ElNiño衰减的冷性Kelvin波东传中,东风异常的作用比西太平洋边界反射更显著,我们给出的强ElNiño衰减框架也支持了这一结论.值得注意的是,温跃层反馈机制主导的延迟振子模不是这种异常信号东传的主导原因.这是因为,这种模态描述的是海表温度异常的持续东移,如我们研究所示,在观测中,次表层海温异常东传是强ElNiño海洋信号的主体,同期海温信号则表现为中太平洋异常的增强和扩展,而纬向移动特征则不明显.因此,虽然WNP反气旋主导的赤道东风异常能够为其提供深厚的纬向风背景,但该东传模态对强ElNiño的衰减作用并不明显.6.4elnino通过反气旋难以保持其菌道的生长赤道东风异常自西太平洋向中太平洋的持续性扩展是强ElNiño衰减进入LaNiña的关键因素,它意味着Walker环流的增强,并能够持续激发海洋Kelvin波东传,进而导致中东太平洋海温降低.Wang等认为WNP反气旋受其东侧冷性气旋风异常控制,并在正反馈作用下缓慢东移,这样能够引导其南侧的赤道东风异常向东扩展.WNP反气旋是赤道中东太平洋海水增暖间接激发的大气响应,因此,它虽然由局地正反馈机制维持,其存在和东移对强度很大的ElNiño却有很强的依赖性(Wang等),这能够解释为何它在强ElNiño中表现明显,而在强度偏弱的暖事件中则不够明显.因此,WNP反气旋对强ElNiño的依赖性是异