2. 解放军理工大学气象学院, 南京 211101
2. Institute of Meteorology, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China
北太平洋副热带高压(以下简称副高)是影响东亚及我国天气气候的重要环流系统,是中高纬度和赤道地区大气环流相互作用的重要纽带,而厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)是热带太平洋海气系统最强的年际气候振荡信号,对全球气候年际变率有重要影响,认识副高变异与ENSO的相互作用是ENSO及其影响研究领域的重要问题.
已有许多研究分析了ENSO对副高的可能影响.早在20世纪60年代,Bjerknes就指出了赤道东太平洋海表温度偏高可以通过加强Hadley环流导致副高和中纬度西风加强[1, 2];Angell指出了赤道东太平洋海表温度偏高造成副高轴线更偏向赤道[3];Horel和Wallace则提出赤道东太平洋海表温度异常可以通过大气波列方式影响北半球行星尺度大气环流异常[4];Sun和Ying [5]认为太平洋存在一个特殊的垂直环流,将赤道东太平海温与西太平洋季风环流联系起来,共同作用影响西太平洋副高异常;陈烈庭[6, 7]指出当海温偏高时副高减弱东撤并偏北,而海温偏低时,副高加强西伸并偏南;而李崇银和胡季[8]则得出与陈烈庭相反的观点,认为El Nino发生时西太平洋副高位置偏南,而La Nina年副高则偏北;应明和孙淑清[9]指出,副高异常年最多出现的是ENSO型海温分布,强副高年对应El Nino型海温,而弱副高年对应La Nina型海温,夏季副高偏强时,前期热带中东太平洋海温持续偏高,相关程度在海温超前副高3个月左右时达到最强;彭加毅和孙照渤[10]指出了春季海温偏暖年副高偏南、偏强、偏西,而偏冷年副高则偏北、偏弱、偏东;龚道溢和王绍武[11]研究指出,副高强度变化与超前3个月海表温度的正相关最为显著;Zang和Wang [12]指出,赤道东太平洋海表温度与西太平洋副高特征量之间的时滞相关自4个月到8个月最明显,先影响副高强度、面积,而后影响副高脊线及北界.
也有一些研究分析了副高对ENSO的可能作用.Vimont等研究表明,北半球冬季大气变异触发了副热带/热带SST异常,这种SST异常可以一直持续到夏季,并强迫大气发生变化,引起纬向风应力异常,这种异常有助于热带太平洋ENSO的产生和维持[13, 14];而Anderson等[15~18]研究指出,同海平面副高相关联的前期海平面气压场异常容易导致ENSO事件的产生,虽然副热带北太平洋海平面气压异常并不总是导致ENSO事件的发展,但它确实能够激发某些ENSO事件的发生,而赤道海气系统内部的动力作用又可以放大初始的异常,并最终形成完全耦合的ENSO型[15].
尽管大多数研究表明了ENSO对副高有较大的影响,但副高异常是否可能对ENSO产生影响以及副高变异与ENSO是否可能存在相互作用的问题仍然缺乏系统的分析.本文将利用大气与海洋分析资料,通过定义表征海平面副高和500hPa副高的特征指数,系统分析北太平洋副热带高压变异与ENSO循环之间的时滞关系,重点认识前期海平面副高异常对ENSO事件的可能触发作用以及副高与ENSO的可能相互作用及其条件.考虑到以往研究往往集中于对流层中层的西太平洋副热带高压,本文研究将针对北太平洋副热带高压的完整系统,既考虑对流层中层副高,也考虑海平面副高.本文第2节将介绍资料和副高指数的定义方法,第3节是结果分析,最后是结论和讨论.
2 数据和方法大气资料取自美国国家环境预报中心/国家大气科学研究中心(NCEP/NCAR)的月平均再分析数据,水平分辨率为2.5°×2.5°,共144×73个格点;海表温度资料取自英国Hadley中心的月平均GISST资料,分辨率为1°×1°.所用资料的时间段均为1951年1月~2000年12月,共50年600个月.为了重点研究年际变率,文中所用资料均进行了滤波,保留了1~8年的年际分量.
不同层次和不同季节的副高强度和位置有很大差异,其性质和形成过程也有所不同[19~21],而这种差异在夏季表现最为清楚.为了关注北太平洋副高的总体变异,本文重点分析海平面副高和500hPa副高在各季的变异特征,并根据副高在各季的多年平均气候态分布确定不同的特征等值线来定义各季的副高指数.对于任何一个季节,特征等值线范围内每个格点的值(气压或位势高度)与特征等值线差值的和定义为副高的强度指数,而特征等值线所包围的格点数定义为副高的面积指数.对北太平洋海平面副高,分别选取1016、1012、1016hPa和1018hPa作为其在春、夏、秋、冬季的特征等值线;对北太平洋500hPa副高,分别选取586、587、586gpdm和586gpdm作为其在春、夏、秋、冬季的特征等值线.注意的是,这里所定义的北太平洋500hPa副高指数与中国气象局定义的西太平洋副高指数有所不同.西太平洋副高指数表征的是北太平洋500hPa副高的西伸部分特征,而本文所定义的副高指数则反映北太平洋500hPa副高的整体特征.比较表明,无论是海平面副高还是500hPa副高,其强度指数和面积指数变异均具有一致性,因此,本文将仅用面积指数来表征副高强度的变化.另外,通过计算海平面副高面积指数和500hPa副高面积指数年际异常在各季的同期相关系数表明,除夏季相关系数刚好达到95%信度检验外,其余3个季节两者之间相关系数均未达到95%信度检验,这表明海平面副高和500hPa副高具有相对独立的年际变异特征.
3 结果分析 3.1 副高对ENSO的影响图 1给出了3个月滑动平均的海平面副高(a)和500hPa副高(b)面积指数异常与Nino3指数之间的时滞相关.由图 1a可见,海平面副高与Nino3之间的显著相关关系主要表现为夏秋季海平面副高面积指数异常超前Nino3指数0~6个月时达负相关最强(-0.5),而当Nino3指数超前时,两者之间没有显著相关性.这表明,夏秋季海平面副高异常可影响后期ENSO事件的发生发展,而在统计意义上ENSO事件对后期海平面副高没有显著影响.由图 1b可见,500hPa副高与Nino3之间的显著相关关系主要表现为500hPa副高面积指数异常落后Nino3指数0~6个月时达正相关最强(相关系数可以达0.8,远远超过了99%的信度检验),而当500hPa副高面积指数异常超前Nino3指数0~6个月时,两者之间没有显著相关性.这表明,500hPa副高异常主要表现为对ENSO事件的响应,而在统计意义上对后期ENSO事件发生没有显著影响.
为重点分析夏季海平面副高对后期ENSO事件的影响,图 2给出了夏季海平面副高面积指数异常与同期(0)、后期秋季(1)和后期冬季(2)海表温度异常场的相关场.由图可见,对于海平面副高与海表温度异常场的同期相关,显著正相关区域主要位于北太平洋西风漂流区,而显著负相关区域主要分布在热带中东太平洋;当海表温度异常落后于夏季海平面副高异常1个季节时,西风漂流区的显著正相关无论范围还是数值均达到最大,而热带中东太平洋的显著负相关区域也已成片,表明夏季海平面副高对当年秋季西风漂流区的海表温度影响最大;当海表温度异常落后于夏季海平面副高异常2个季节时,热带中东太平洋的负相关达到最强,并且呈ENSO型分布.以上相关型的演变表明:夏季海平面副高的减弱(增强)有利于秋冬季El Nino(La Nina)事件的发生.
通过合成分析方法可进一步考察夏季海平面副高变化如何对后期ENSO事件产生影响.首先将1951~2000年期间经过标准化的夏季海平面副高面积指数异常超过正、负一个标准差的年份分别定义为夏季海平面副高偏强年(1955,1956,1970,1973,1975,1985,1998,1999年,共8年)和偏弱年(1951,1957,1967,1972,1974,1976,1984,1986,1997,共9年),再根据夏季海平面副高偏强(弱)年的秋冬季是否出现La Nina(El Nino)事件进行分类.根据这些分类,通过合成分析比较夏季海平面副高强弱变化是否可以触发ENSO事件及其条件.图 3给出了夏季海平面副高偏弱年与偏强年合成的海平面气压、海表温度和表面风场异常的差值分布,其中图 3a包括所有夏季海平面副高偏弱与偏强的年份(共17年),图 3b只包括后期出现El Nino(La Nina)事件的夏季海平面副高偏弱(偏强)年份(1955,1957,1970,1972,1973,1975,1976,1986,1997,1998,共10年),图 3c只包括后期不出现El Nino(La Nina)事件的夏季海平面副高偏弱(偏强)年份(1951,1956,1985,1967,1974,1984,1999,共7年).由图 3a可见,当夏季(JJA)海平面副高减弱时,夏季北太平洋海平面气压场为明显的负异常,北太平洋呈现出一个异常的气旋式环流,这种负的气压异常延伸到低纬度西太平洋,使得近赤道的热带西太平洋出现较强的西风异常,正是这种近赤道的西风异常触发了El Nino事件的产生.通过对海表温度热量收支的诊断计算表明,上述近赤道的西风异常主要导致热带太平洋表面暖水向东扩展,使得赤道东太平洋海表温度升高,暖海表温度不断发展,主要通过海洋的平流过程触发了El Nino事件发生,然后El Nino事件通过赤道不稳定海气相互作用过程在秋冬季(DJF)发展成熟.由图 3b可见,大多数情况下(10/17,约60%),夏季海平面副高减弱是可以通过图 3a揭示的过程触发El Nino事件产生的.但由图 3c可见,在某些情况下(7/17,约40%),夏季海平面副高减弱虽然也导致北太平洋海平面气压场负异常和异常的气旋式环流,但这种异常的气旋式环流及其南侧的西风异常位置偏北,并远离赤道,难以对赤道不稳定海气相互作用系统发生作用,因而不能触发任何ENSO事件.
前文由图 1分析已经指出,500hPa副高面积指数异常主要表现为与前期Nino3指数的正相关,而在统计意义上对后期ENSO事件发生没有显著影响.为重点分析夏季500hPa副高对前期ENSO事件的响应,图 4给出了夏季500hPa副高面积指数异常与前期1~3个季节(即前期春季、前期冬季和前期秋季)海表温度异常场的相关场.由图可见,夏季500hPa副高异常与前期1~3个季节海表温度异常场均有显著相关,并表现为明显的ENSO型分布,从上一年秋季开始,赤道东太平洋就开始出现显著正相关区域,并且这种正相关分布在冬季达到最大,相关系数可以达到0.7.这一相关型的演变特征表明:秋冬季发展成熟的El Nino(La Nina)事件可以导致夏季500hPa副高显著增强(减弱).
为进一步认识ENSO对副高的可能影响,图 5给出了冬季Nino3指数异常与同期冬季、后期春季和夏季海平面气压(SLP)异常场(图 5a)和500hPa位势高度异常场(图 5b)的相关图.由图 5a可见,冬季Nino3指数异常和SLP异常场的同时相关型分布主要表现为西正东负的“跷跷板”式的分布,此为南方涛动,表明当El Nino发生时,西太平洋地区SLP场表现为正异常而东太平洋地区SLP场则表现为负异常;冬季Nino3指数异常与后期春季和夏季SLP异常的相关型主要表现为正相关区域扩大.冬季Nino3指数异常与滞后2个季节的夏季SLP异常场在副热带西太平洋地区仍维持一个比较弱的显著正相关区域,这表明秋冬成熟的El Nino(La Nina)事件有利于后期西北太平洋SLP表现为正(负)异常,有利于夏季西北太平洋海平面副高增强(减弱),但这一统计关系不是非常显著,与图 4a给出的弱相关结论一致,下文将会就这一点继续探讨.由图 5b可见,冬季Nino3指数异常无论是与同期还是与后期的500hPa位势高度异常场均有较高的相关性,副热带地区则一直有大范围的正相关区域存在,这再次表明El Nino(La Nina)事件发生后500hPa副高增强(减弱),并且ENSO对500hPa副高的影响可以从同年冬季一直持续到次年夏季,这与图 4的结论一致.
图 5a表明前期El Nino(La Nina)事件有利于后期夏季西北太平洋海平面副高增强(减弱),但统计显著性比较弱,下面采用合成分析方法对此作进一步分析.在本文使用的数据时间段(1951~2000年)内共有11次El Nino事件(53/54,57/58,63/ 64,65/66,69/70,72/73,76/77,82/83,86/87,91/ 92,97/98)和10次La Nina事件(55/56,64/65,67/ 68,70/71,73/74,75/76,84/85,88/89,95/96,98/ 99),共21次ENSO事件.按照El Nino/La Nina事件发展的不同位相即从发展年夏季(JJA(0))到衰亡年夏季(JJA(1))对Nino3指数、海平面副高指数和500hPa指数异常进行合成,并将El Nino事件的合成与La Nina事件的合成作差值.同时,将El Nino(La Nina)事件发生之后夏季海平面副高的异常分为增强(减弱)和减弱(增强)两种类型,经过统计发现,前者为10次事件(包括63/64,69/70,72/ 73,76/77,82/83,86/87,97/98在内的7次El Nino事件和64/65,73/74,75/76在内的3次La Nina事件),后者为11次事件(包括53/54,57/58,65/66,91/92在内的4次El Nino事件和55/56,67/68,70/71,84/85,88/89,95/96,98/99在内的7次La Nina事件),分别占ENSO事件总数的50%左右. 图 6给出了根据ENSO发展不同位相合成的El Nino事件与La Nina事件差值的Nino3指数、海平面副高指数和500hPa副高指数异常演变.由图 6可见,对于所有的21次ENSO事件合成而言,El Nino(La Nina)事件之后500hPa副高均增强(减弱),但海平面副高变化不显著(见图 6a),这主要是由于其中10次El Nino(La Nina)事件导致了后期海平面副高增强(减弱)(见图 6b)、而其中11次El Nino(La Nina)事件导致了后期海平面副高减弱(增强)(见图 6c).这两种情况的显著差异是ENSO事件的持续性完全不同.对于前者,冬季成熟的ENSO事件在夏季已经完全衰亡(见图 6b中的Nino3指数),而对于后者,冬季成熟的ENSO事件在夏季仍然持续(见图 6c中的Nino3指数).因此,尽管El Nino(La Nina)事件总是导致后期500hPa副高增强(减弱),但其对海平面副高异常产生怎样的影响具有选择性,即依赖于ENSO事件的持续性.
通过诊断非绝热加热分布可以认识ENSO导致副高异常的主要原因.图 7给出了合成的El Nino事件与La Nina事件差值的120°E~120°W范围平均的垂直速度(ω)和160°E~120°W范围平均的非绝热加热异常随纬度-高度的分布及其在ENSO事件从成熟到衰亡过程中的演变.由图 7a可见,在El Nino成熟位相(DJF(0)),异常的赤道大气上升和副热带大气下沉运动非常显著,赤道-副热带地区表现为显著增强的Hadley环流,海平面副高由于增强的Hadley环流下沉作用而得到增强,到了El Nino衰亡的春季(MAM(1)),增强的Hadley环流依然比较明显,到了夏季(JJA(1)),赤道地区异常的大气上升运动已不太显著,但异常的副热带大气下沉运动依然维持.由图 7b可见,从El Nino成熟的冬季(DJF(0))到El Nino衰亡的春季(MAM(1)),赤道中太平洋地区异常非绝热加热为正,对流热源增强显著,而副热带地区则维持一个持续的非绝热加热负异常.此时,位于对流层中层的同期和后期500hPa副高能够通过对赤道地区正异常热源的动力响应而增强[22].
综合前面两小节的分析结果表明,北太平洋副热带高压年际变异和ENSO循环之间存在选择性相互作用,图 8给出了这种选择性相互作用的示意图.一方面,在大多数情况下(约占60%),前期(夏季)海平面副高的减弱(增强)可以触发其后秋冬季El Nino(La Nina)事件的发生发展,因为在这种情况下,海平面副高的异常位于热带西太平洋,其南侧出现近赤道的表面西风异常,近赤道表面西风异常强迫热带海洋,主要通过海洋平流过程使赤道中东太平洋出现海表温度异常,再通过赤道不稳定海气相互作用使海表温度异常放大,ENSO事件得以发展.然而,前期(夏季)海平面副高异常在某些情况下(约40%)不能触发ENSO事件的发生,主要是因为这些情况下的海平面副高异常位置偏北并远离赤道.
另一方面,秋冬季发展成熟的El Nino(La Nina)事件总是可以导致500hPa副高从同期到次年夏季的持续增强(减弱),这主要是ENSO引起的Hadley环流异常以及副热带大气对ENSO造成的热带对流热源异常的响应的结果.但与500hPa副高对ENSO响应不同的是,ENSO事件对后期海平面副高的影响比较复杂,约有50%的El Nino(La Nina)事件导致次年夏季海平面副高增强(减弱),其造成的热带西太平洋近赤道西风减弱(增强)有利于为El Nino(La Nina)事件的结束提供负反馈机制,这类ENSO事件在次年夏季迅速消亡.显然,这类ENSO事件导致的次年夏季海平面副高增强将有利于触发下一个La Nina事件.在这种情况下,副高变异和ENSO循环之间的相互作用有利于产生准两年振荡.然而,另外约有50%的El Nino(La Nina)事件导致次年夏季海平面副高减弱(增强),其造成的热带西太平洋近赤道西风增强(减弱)有利于为El Nino(La Nina)事件的维持提供正反馈机制,这类ENSO事件则一直持续到次年夏季之后.
4 结论与讨论利用NCEP/NCAR大气再分析资料、Hadley中心海表温度资料,针对北太平洋副热带高压的完整系统(简称副高),通过定义定量化表征500hPa高度场和海平面气压场上的副高指数,分析了海平面副高和500hPa副高的年际变异特征及其相互关系,揭示了在年际时间尺度上超前于ENSO事件的海平面副高异常特征及其对ENSO事件建立的触发作用以及ENSO事件对500hPa副高和海平面副高的滞后影响.得到如下主要结论:
(1)前期(夏季)海平面副高的减弱(增强)在大多数情况下可以触发其后秋冬季El Nino(La Nina)事件的发生发展,其触发ENSO事件的主要原因是:海平面副高异常位于热带西太平洋,其南侧的近赤道西风异常强迫热带海洋,主要通过海洋平流过程使得赤道中东太平洋出现海表温度异常,再通过赤道不稳定海气相互作用使ENSO事件发展.前期(夏季)海平面副高异常在某些情况下不能触发ENSO事件的发生,主要原因是其异常位置偏北并远离赤道.而在统计意义上前期(夏季)500hPa副高异常对后期ENSO事件的发生没有显著影响.
(2)ENSO事件对副高具有同期和滞后影响.秋冬季发展成熟的El Nino(La Nina)事件总是可以导致500hPa副高从同期到次年夏季的持续增强(减弱),这主要是ENSO引起的Hadley环流异常以及副热带大气对ENSO造成的热带对流热源异常的响应结果.与500hPa副高不同的是,ENSO事件对后期海平面副高的影响比较复杂.约有一半的El Nino(La Nina)事件导致次年夏季海平面副高增强(减弱),有利于为El Nino(La Nina)事件结束提供负反馈机制.但另外约一半的El Nino(La Nina)事件导致次年夏季海平面副高减弱(增强),有利于为El Nino(La Nina)事件维持提供正反馈机制.而这种差异的出现取决于ENSO事件的持续性,前者的ENSO事件在次年夏季就已经消亡,而后者的ENSO事件则一直持续到次年夏季之后.
(3)北太平洋副热带高压年际变异和ENSO循环之间存在相互作用.一方面,如果前期海平面副高减弱的部分接近赤道西太平洋,则会导致热带西太平洋表面西风异常,主要通过海洋平流过程触发El Nino事件在夏季发生发展,在秋冬季成熟;而另一方面,对于那些持续性比较短的El Nino事件,其在秋冬季发展成熟后,增强了赤道中太平洋的对流热源,通过对异常热源的动力响应,同期和后期夏季500hPa副高增强,又通过增强Hadley环流作用使得副热带地区下沉运动增强,从而后期夏季海平面副高增强.显然,增强的海平面副高又有利于触发下一个La Nina事件.因此,副高变异和ENSO循环之间的相互作用有利于产生准两年振荡.需要指出的是,这一结果支持了Meehl关于对流层中准两年振荡(TBO)现象可主要归因于海气相互作用的论述[23, 24].许多研究表明TBO与东亚夏季风[25, 26]或者印度季风[23, 27]关系密切.因此,副高变异与ENSO循环之间所表现的这种准两年振荡特征是否与TBO以及亚洲季风之间存在着某种联系值得进一步深入研究.
(4)北太平洋副热带高压年际变异和ENSO循环之间的相互作用具有明显的选择性.这种选择性主要体现在两个方面:一是前期海平面副高减弱(增强)在什么条件下可以触发El Nino(La Nina)事件,我们的分析表明这个条件是海平面副高异常的位置必须接近赤道尤其是赤道西太平洋;二是El Nino(La Nina)事件在什么条件下可以导致后期海平面副高增强(减弱),我们的分析表明这个条件是ENSO事件的持续时间较短.必须指出的是,本文提出的这个选择性的条件还很初步,需要进一步的深入分析,尤其是要进一步认识海平面副高异常与500hPa副高异常之间的内在关系.
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