东亚冬季风-暖池状况-ENSO 循环的关系

1、第 45卷 第 7期 2000年 4月 论 文 678东亚冬季风 -暖池状况 -ENSO 循环的关系李崇银 穆明权(中国科学院大气物理研究所 , LASG国家重点实验室 , 北京 100029. Email: lcy摘要 基于观测资料的分析和海 -气耦合模式 (CGCM的数值模拟结果 , 提出关于 ENSO 发生机制 的一个新观点 :持续的强 (弱 东亚冬季风将导致赤道西太平洋地区持续的西 (东 风异常 ; 而异常的赤 道西 (东 风可使得已在暖池区存在相当长一段时间的正 (负 次表层海温距平 (SOTA向东传播 ; 沿 温跃层东传的正 (负 SOTA 将造成赤道东太平洋正 (负 海表温度距平

2、 (SSTA的出现和 El Niño(LaNiña事件的发生 . 当 ENSO 发生之后 , El Niño(La Niña事件的影响又将削弱 (加强 东亚冬季风的活动 . 关键词 东亚东季风 西太平洋暖池 次表层海温 ENSO 循环由于 ENSO 总会在广大地区造成严重气候异常及灾害 , 已引起全世界的极大注意 , 并在 已有的研究中将其视为热带太平洋海 -气相互作用的产物 1,2. 关于 ENSO 的产生机制 , 尽管已 先后提出了海洋张弛理论 3, 不稳定海洋波动理论 49, 但 ENSO 的发生原因仍未搞清楚 .我们的研究已经指出 , 持续的强东

3、亚冬季风对激发 El Niño起着重要作用 10,11. 进一步的 资料分析和 GCM 数值模拟还表明 , 强 (弱 东亚冬季风在赤道西太平洋地区引起的赤道西风 (东 风 异常和强 (弱 对流活动是激发产生 El Niño(La Niña的重要物理因子 . 因为异常赤道西风 (东 风 将引起暖 (冷 性海洋 Kelvin 波 , 而强 (弱 对流活动将引起强 (弱 热带大气季节内振荡 , 它们 都对激发 El Niño(La Niña事件有重要作用 12,13.通过进一步资料分析研究 , 本文提出一个有关 ENSO 机制的新观念 , 即东亚冬季

4、风 (EWM, 暖池状况 (WPS和 ENSO 相互作用 . 实际上也可以将 EWM-WPS-ENSO 看成一个更 大气候系统 , 基于这个系统及其演变 , 可以更好更深入地认识 ENSO 的机制 .本文所用分析资料主要有 NCEP 再分析资料 , JEDAC(Joint Enviromental Data AnalysisCenter 资料和 COADS 资料 . 1 异常东亚冬季风与 ENSO 相互作用ENSO 和东亚冬季风异常的关系早已在一系列研究中被指出 , 它们的相互作用也是很清 楚的 14. 为进一步表明 ENSO 与异常东亚冬季风之间的相互作用 , 我们在这里给出对 El Ni&

5、#241;o和 La Niña事件分别进行的合成分析结果 .大家知道 , 东亚冬季风的活动可以用东亚地区几种不同的气象要素变化来表示 , 例如地面气压1990年 El Niño的合成情况 , 图1(a3个月 ; 而在 El Niño事件爆发之前的冬半年 , 东亚冬季风持续偏强 . 合成分析结果表明持续的强冬季风通过在赤道西太平洋地区引起西风异常对 El Niño论 文 第 45卷 第 7期 2000年 4月 679图 1 El Niño与东亚冬季风异常 (合成分析结果 (a (30N, 100E 区域平均 500 hPa位势高度距平 (位势米

6、;(b (35N, 80E 区域平均海平面气压距平(hPa; (c (30N, 120E 区域平均地面气温距平(N, 120E 区域平均经向风距平 (m/s; (e赤道西太平洋地区(5N, 150E平均纬向风异常 (m/s; (f Niño 3 区(6N, 150W 平均SSTA(第 45卷 第 7期 2000年 4月 论 文 680事件的发生起着重要激发作用 . 同时 , 图 1还表明 , 在 El Niño爆发后的冬季 , 东亚冬季风偏 弱 , 说明 El Niño对其后的东亚冬季风有削弱作用 .La Niña一般也在春季爆发 , 在其爆发之前约2纬

7、度海洋模式是自由面热带太平洋环流模式 , 其分辨率为12EW, 30N 16. 海 -气耦合采用了线性统计修正技术 , 从而较一般的通量修正既能很好克服气候漂移 , 又能较好保留其季节和年际变化特征 17. 耦合模式的数值试验取得了同观测资料分析相类似的结果 , 持续的强 (弱 东亚冬季风将 导致赤道东太平洋的持续正 (负 海温距平 , 其正 (负 SSTA 的分布形势与 El Niño(La Niña十分 相似 . 由于篇幅关系 , 这里仅给出在强东亚冬季风强迫下模拟的 Niño 1+2区和 Niño 3区平均 SSTA 的时间变化情况 . 在模拟过程

8、中强东亚冬季风是以在西伯利亚 -蒙古地区有地面气压正 异常 (最大正距平为 +14 hPa 和地面气温负异常 (最大负距平为图 2 在强东亚冬季风强迫化下海 -气耦合模式所模拟的 Niño 1+2区 (a和 Niño 3区 (b平均的SSTA 的时间变化3条曲线分别表示不同初始场的结果论 文 第 45卷 第 7期 2000年 4月 681的时间变化清楚地表明 , 异常的强东亚冬季风 , 通过海 -气相互作用 , 可以在赤道东太平洋地 区激发产生 El Niño型的海温正距平 (因异常场只到 4月份 , 比观测到的时间要短 , 故 SSTA 极值在 5月份 , 若异

9、常场像图 1所示持续到71998年 ENSO 期间赤道太平洋 SOT 异常的演变过程 , 大家都已从美国出版的1998年 ENSO 的发生同暖池区 SOT 的异常及其东传有极密切的关系 .事实上 , 暖池次表层海温 (SOT异常对 ENSO 发生所起的重要作用不仅表现在1997SN, 140E 次表层(100µ«ÔÚEl Niño爆发之后 , 暖池区的 SOTA 又与 Niño 3区的 SSTA 反号 . 而且 ,暖池次表层的增暖图 3 Niño 3区 SSTA(实线 和暖池区 SOTA(虚线 的时间变化情况第 45卷 第

10、7期 2000年 4月 论 文 682一般要早于 El Niño的爆发约半年到两年时间 .分析历史上的每一次 El Niño事件 , 可以发现暖池区正 SOTA 的向东传播直接与 El Niño的爆发有关 . 由于温跃层从赤道西太平洋到赤道东太平洋是逐渐升高的 , 当暖池区的正 SOTA 向东传到赤道东太平洋时 , 赤道东太平洋海表水温 (SST也将出现正异常 . 换句话说 , 暖池区 的正 SOTA 和它东传到赤道东太平洋可以视为 El Niño发生的重要原因 . 图 4分别给出的是 对 El Niño和 La Niña情况分别合成

11、得到的赤道太平洋 SOTA 的时间 -经度剖面 , 因为温跃层 在赤道西太平洋与赤道东太平洋有不同深度和厚度 , 在具体计算时 SOTA 在不同地区取了不 同深度的值 . 例如在赤道西太平洋取16060 m 的值 , 在赤道东太平洋取了 60W 以东 , El Niño(La Niña即刻发生 . 为了进一步揭露暖池区 SOTA 对激发 ENSO 的重要作用 , 我们分析了用前面介绍的海 -气 耦合模式所进行的多年积分资料 , 对于模式得到的第 61年到第 100年的积分结果 , 其间有 13次暖 (El Niño事件和 12次冷 (La Niña事件发

12、生 . 模式模拟的 Niño 3 区 SSTA 和暖池区 SOTA 的时间变化情况如图 5所示 . 很显然 , 在暖事件之前暖池区都有正 SOTA 出现 , 而在暖事件 爆发之后暖池区的 SOTA又变为负值 ENSO 的发生与暖池区 SOTA 的异常有密切关系 , 在 El Niño(La Niña爆发之前 ,暖池区早已有正 图 4 赤道太平洋沿温跃层的SOTA(论 文 第 45 卷 第 7 期 2000 年 4 月 图5 海-气耦合模式模拟得到的 Niño 3 区 SSTA 和暖池区 SOTA 的时间变化情况(第 61 100 年 (负SOTA 存在

13、ENSO 的发生直接与暖池区 SOTA 的东传相联系, 当正(负SOTA 由暖池区 东传到赤道东太平洋并扩展到海洋表面, 将导致赤道东太平洋 SST 的正(负异常和 El Niño (La Niña的爆发. 在 ENSO 爆发之后, Niño 3 区的 SSTA 和暖池区的 SOTA 又成为反位相关 系. 3 赤道西太平洋西风异常的重要作用 从上面的讨论已可清楚看到, ENSO 的发生直接与暖池次表层海温异常的东传有关, 那么 通过一些分析我们发现, 赤道西太平洋地区 10 N, 120 160 E地区的纬向风 是什么因素导致暖池次表层海温异常的东传呢 的纬向风(

14、信风异常是暖池次表层海温异常向东传播的重要原因. 在图 6 中分别给出了对 El Niño 事件合成的暖池区的 SOTA, 赤道西太平洋(10 S 异常 赤道东太平洋(5 S 5 N, 170 130 W地区的 SOTA 和 Niño 3 区的 SSTA 的时间 在 El Niño 发生之前暖池次 变化. 其中图 6(d所示 SSTA 的演变表明了 El Niño 事件的发生 道东太平洋的 SOTA 为负值 表层的正 SOTA 已传到了赤道东太平洋(图 6(c, 因为在暖池次表层开始增暖的一段时期, 赤 而赤道西太平洋地区的西风异常出现得还要早一些(图

15、6(b, 可 图 6(a表明在 El Niño 事件发生之前(约 1 年 视其为导致暖池 SOTA 正异常东传的重要机制 多暖池次表层已开始出现明显正 SOTA. 对于 La Niña, 合成分析表明也有相类似的演变过程(图 7, 只是与 Niño 3 区的负 SSTA 相对应的是早期出现的 SOTA 和赤道西太平洋地区的东风异常. 也就是说, 赤道西太平洋地 区的东风异常导致暖池区已存在的负 SOTA 东传 当负 SOTA 东传到赤道东太平洋并向上扩 683 第 45 卷 第 7 期 2000 年 4 月 论 文 图6 对 El Niño 事件合成分析

16、得到的暖池区 SOTA 赤道东太 5 N, 170 130 WSOTA(c及 Niño 3 图7 同图 6, 但为 La Niña 的合成分析结果 (a与赤道西太平洋地区纬向风异常(b 平洋(5 S 区 SSTA(d的时间变化和相互关系 展到海表, 便引起负 SSTA, La Niña 也即爆发. 基于图 6 和 7 所示结果及其对比分析, 可以认为赤道西太平洋地区的纬向风(西风和东风 异常对暖池区 SOTA 的向东传播和 ENSO 的发生起着重要作用. 其中, Kelvin 波可能是最主 要的机制, 因为不少研究已经表明赤道西太平洋地区的西(东风异常将激发产生异

17、常的海洋 暖(冷性 Kelvin 波 18,19 . 前面图 1 已清楚表明, 赤道西太平洋地区的持续西(东风异常与强(弱东亚冬季风活动有 密切的关系, 因此, 联系到图 6 和 7 所给出的结果, 我们也可以说, 由东亚冬季风异常所引起 的赤道西太平洋地区的纬向风异常, 并驱动暖池 SOTA 的向东传播, 是激发 ENSO 的重要机制. 4 结论 通过资料分析和海-气耦合模式(CGCM的数值模拟, 本文提出了有关 ENSO 发生的一个 新观点. 具体可描述如下 持续的强(弱东亚冬季风将导致赤道西太平洋地区持续的西(东风异常 而异常的赤道 684 论 文 第 45 卷 第 7 期 2000 年

18、 4 月 西(东风可使得已在暖池区存在相当长一段时间的正(负SOTA 向东传播 沿温跃层东传的正 (负SOTA 将造成赤道东太平洋正(负SSTA 的出现和 El Niño(La Niña的发生. 当 ENSO 发生 之后, El Niño(La Niña的影响将削弱(加强东亚冬季风, 就如以前的研究结果一样. 显然, 异常东亚冬季风 暖池次表层海温异常和 ENSO 循环有着密切的关系, 它们间的 一个循环演变过程是十分清楚的. 我们也要指出, 这里有两个问题还在进一步深入研究, 其一是导致暖池区 SOT 异常的机 制; 其二是赤道西太平洋纬向风异常促使暖

19、池区 SOTA 向东传播的具体物理过程. 致谢 本工作为国家重点基础研究发展规划(我国重大气候灾害的形成机理和预测理论的研究及国家 自然科学基金(批准号: 49823002资助项目. 参 1 2 3 考 文 献 172 1202 Bierknes J. Atmospheric teleconnections from the equatorial Pacific. Mon Wea Rev, 1969, 97: 163 Rasmusson E M, Wallace J M. Meteorological aspects of El Niño/Southern Oscillation.

20、Science, 1983, 222: 1195 Wyrtki K. El Niño 572 583 the dynamic response of equatorial Pacific ocean to atmospheric forcing. J Phy Oceanogr, 1975, 5: 4 5 6 Philander S G, Yamagata T, Pacanowski R C. Unstable air-sea interactions in the tropics. J Atmos Sci, 1984, 41: 604 Cane M A, Zebiak S E. A

21、theory for El Niño and Southern Oscillation. Science, 1985, 228: 1085 1087 613 Hirst A C. Unstable and damped equatorial modes in simple coupled ocean-atmosphere model. J Atmos Sci, 1986, 43: 606 630 7 8 Suarez M J, Schopf P. A delayed action oscillator for ENSO. J Atmos Sci, 1988, 45: 3283 328

22、7 Battisti D S. The dynamics and thermodynamics of a warm event in a coupled ocean-atmosphere model. J Atmos Sci, 1988, 45: 2889 2919 9 Neelin J D. The slow sea surface temperature mode and the fast-wave limit: analytic theory for tropical interannual oscillations and experiments in a hybrid coupled

23、 model. J Atmos Sci, 1991, 48: 584 606 674 46 10 11 12 李崇银. 频繁强东亚大槽活动与 El Niño 的发生. 中国科学, B 辑, 1988, (6: 667 Li C Y. Interaction between anomalous winter monsoon in East Asia and El Niño events. Adv in Atmos Sci, 1990, 7: 36 Li C Y, Mu M . ENSO cycle and anomalies of winter monsoon in East Asia. In: Chang C P, Chan J C L, Wang J T, eds. 73 490 East Asia and Western Pacific Meteorology and Climate. Singapore: Word Scientific, 1998. 60