气象学报  2017, Vol. 75 Issue (4): 564-580   PDF    
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2017.038
中国气象学会主办。
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汪子琪, 张文君, 耿新. 2017.
WANG Ziqi, ZHANG Wenjun, GENG Xin. 2017.
两类ENSO对中国北方冬季平均气温和极端低温的不同影响
Different influences of two types of ENSO on winter temperature and cold extremes in northern China
气象学报, 75(4): 564-580.
Acta Meteorologica Sinica, 75(4): 564-580.
http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2017.038

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2016-09-26 收稿
2017-03-27 改回
两类ENSO对中国北方冬季平均气温和极端低温的不同影响
汪子琪, 张文君, 耿新     
南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室, 气候与环境变化国际合作联合实验室, 气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京, 210044
摘要: 利用1961-2012年观测、再分析资料以及全球大气环流模式数值试验,探讨了中国北方冬季平均气温对于不同类型(即东部型和中部型)ENSO事件的气候响应,并分析了不同类型ENSO对极端低温事件的可能影响,重点关注了北大西洋涛动(NAO)在其中的桥梁作用。结果表明,ENSO信号能通过调制北大西洋地区的大气环流改变欧亚中高纬度地区的纬向温度平流输送和西伯利亚高压的强度,进而影响中国北方冬季气温,由于不同类型ENSO事件海温分布的差异,这种影响具有明显的非线性特征。在两类厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季,北大西洋涛动均呈现负位相,不利于北大西洋的暖湿空气向欧亚大陆输送,西伯利亚高压偏强,因而中国北方地区较气候态偏冷。中部型厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季气温负异常的显著区域分别位于东北大范围地区、内蒙古河套附近;东部型厄尔尼诺事件冬季显著的冷异常信号仅局限于黑龙江北部与大兴安岭地区;而中部型拉尼娜事件冬季虽伴随北大西洋涛动正位相,但其空间结构向西偏移,对下游中国北方地区气温的直接影响并不显著,可能受局地信号干扰较大。数值试验再现了北大西洋涛动以及中国北方冬季气温对不同类型ENSO的响应,进一步佐证了上述结论。此外,两类厄尔尼诺事件冬季中国东北地区日平均气温容易偏低,极端低温事件的发生频次增多;而两类拉尼娜事件对极端低温的影响较弱。
关键词: 东部型ENSO     中部型ENSO     冬季平均气温     极端低温     中国北方    
Different influences of two types of ENSO on winter temperature and cold extremes in northern China
WANG Ziqi, ZHANG Wenjun, GENG Xin     
Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change, Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
Abstract: The responses of surface air temperature (SAT) in northern China to the eastern Pacific (EP) and central Pacific (CP) ENSO events during boreal winter are analyzed using reanalysis and observational data as well as specific atmospheric general circulation model (AGCM) experiments. Possible influences of ENSO events on regional cold extremes are also discussed. The North Atlantic Oscillation (NAO) is identified to be a bridge connecting ENSO signal and northern Eurasian temperature anomalies. Results show that ENSO influences northern China winter surface air temperature mainly through modulating the atmospheric circulation over the North Atlantic region, and thus changing the zonal temperature advection over northern Eurasia and the intensity of Siberian High. Moreover, the ENSO effects display prominent nonlinear characteristics due to different distributions of the tropical Pacific sea surface temperature (SST) anomalies during the two types of ENSO events. Corresponding to the two types of El Niño and EP La Niña winters, negative NAO-like atmospheric anomalies are evident over the North Atlantic region, which tend to inhibit the transport of warm and moist air from the Atlantic Ocean to Eurasian continent and thus favor a colder than normal winter in northern China. In particular, significant negative temperature anomalies during CP El Niño and EP La Niña winters are located in northeast China and the Ordos Loop and its vicinity area, respectively. The significant cold signal is confined in the north of Heilongjiang Province and the Greater Khingan Range during EP La Nia winters. In contrast, a positive NAO-like atmospheric anomaly pattern occurs over the North Atlantic region during the CP La Niña winter, but its positive anomaly center shifts westward. As a result, significant temperature anomalies are mainly confined in Europe and few significant signals can be observed in northern China. These observed results can be realistically reproduced by AGCM experiments. In addition, daily temperature in northeastern China tends to be colder than normal during EP El Niño and CP El Niño winters, indicating more frequent cold extremes. However, the linkage between La Niña events and cold extremes seems to be negligible.
Key words: Eastern Pacific ENSO     Central Pacific ENSO     Winter mean air temperature     Cold extremes     Northern China    
1 引言

ENSO(El Niño-Southern Oscillation)是热带太平洋地区大尺度海-气相互作用现象,其发生往往伴随着全球范围的天气、气候异常(Bjerknes,1969Wallace,et al,1998van Loon, et al,1981Ropelewski, et al,1987Trenberth, et al,2000Alexander,et al,2002)。作为气候系统年际尺度上的最强信号,ENSO不仅能通过太平洋-北美型(Pacific-North American pattern,PNA)遥相关影响北美的天气、气候(Wallace, et al,1981Hoskins, et al,1981),也能通过太平洋-东亚型(Pacific-East Asian pattern,PEA)遥相关对东亚大气环流造成影响(Wang,et al,2000)。研究表明,厄尔尼诺事件冬季西北太平洋异常反气旋明显增强,其西侧的西南气流将水汽源源不断地向北输送,因而东亚地区冬季降水显著偏多(Zhang,et al, 1996, 2016Wang,et al,2000Yang,et al,2007Xie,et al,2009)。此外,早期的统计分析发现,由于太平洋-东亚型遥相关的维持,厄尔尼诺事件冬季中国东部地区易偏暖,拉尼娜事件冬季则易偏冷(赵振国,1989李崇银,1989Zhang,et al,1996Wang,et al,2000)。但这种关系存在着明显的地区差异,东部地区的响应比较稳定,而东北和西南地区很难观测到稳定的气温异常信号(韩文韬等,2014)。尤其在中高纬度地区,大气环流对ENSO的响应较为复杂,常表现出非线性特征(何溪澄等,2008)。因此,相对于北大西洋涛动/北极涛动(AO)等大气强迫,ENSO对中国北方气温的直接影响可能较弱(Lim, et al,2013)。由此看来,东亚(尤其是中国北方)冬季气温对ENSO的响应仍需要进一步探讨。

需要指出的是,尽管目前科学界对于北大西洋涛动和北极涛动的本质是否相同仍存在争议(Thompson, et al,1998Wallace, et al,2002Wallace,2000Ambaum,et al,2001Christiansen,2002),但北大西洋涛动和北极涛动的空间结构在北大西洋显示出高度的一致性,尤其是在冬季(Watanabe,2004)。因此,本研究不再具体区分北极涛动和北大西洋涛动。虽然有学者指出北大西洋涛动/北极涛动对欧亚北部的冬季气温具有显著的影响(例如,Lim, et al,2013),即当北大西洋涛动/北极涛动正(负)位相时,中国北方气温易偏高(低)(武炳义等,1999龚道溢等,2003何春等,2003李春等,2005),但需要指出的是北大西洋涛动/北极涛动自身的年际变率与ENSO存在着紧密的联系。Brönnimann(2007)在综述中指出,由冬季北大西洋地区的大气环流可以捕捉到ENSO信号,大部分厄尔尼诺事件冬季伴随着北大西洋涛动的负位相,而拉尼娜事件冬季则多对应北大西洋涛动的正位相,不过ENSO与北大西洋涛动的关系存在不确定性,并非简单的线性理论可以解释。这种关系的不稳定性可能与近年来ENSO纬向结构的变异有关,最近20年来,一种新型的ENSO事件频繁发生(Kao, et al,2009Kug,et al,2009Yeh,et al,2009Ashok, et al,2009Shinoda,et al,2011袁媛等,2012王磊等,2014Zhang,et al,2015a),不同于传统型ENSO事件(称为东部型ENSO),这类ENSO事件的海温异常不再位于赤道东太平洋,而是向西移到了中太平洋区域(称为中部型ENSO)。不同类型ENSO事件造成的气候影响存在显著差异(Weng,et al,2007Zhang,et al, 2011, 2012, 2013a, 2015a, 2015bFeng,et al, 2010, 2011)。随着两类ENSO事件的发现,对ENSO与北大西洋涛动的关系有了进一步的认识。Graf等(2012)指出,中部型厄尔尼诺能通过“副热带桥”将太平洋信号传至北大西洋地区,激发北大西洋涛动负位相,但这种关系在东部型厄尔尼诺时并不显著。Zhang等(2015a)发现北大西洋地区大气环流对两类拉尼娜事件的响应近乎相反,东部型拉尼娜时,北大西洋急流减弱,北大西洋涛动呈现负位相;而中部型拉尼娜时,北大西洋急流加强,北大西洋涛动呈现正位相。由此看来,北大西洋涛动似乎可作为连接ENSO与欧亚天气气候异常的桥梁。

作为东亚冬季气候异常的两个关键预测因子,ENSO和北大西洋涛动的重要性不言而喻。但在探讨中国冬季气温年际变率的原因时,以往的研究大都只将ENSO或北大西洋涛动/北极涛动作为单独的影响因子(例如,Chen S F,et al,2013),一些针对ENSO与北大西洋涛动/北极涛动综合影响的研究也仅是考虑ENSO与北大西洋涛动/北极涛动不同位相配置时的差异(例如,Chen W,et al,2013),而忽视了不同类型ENSO与北大西洋涛动的内在联系;此外,北大西洋涛动是大气信号,在短期气候尺度上其本身不具备可持续性。由于ENSO信号的持续性较强,其异常海表温度的空间分布往往在夏秋季就比较清晰了(Zhang,et al,2015a);因此,北大西洋涛动对不同类型ENSO事件响应,可能为中国北方冬季气温的季节预测提供新的角度。本研究旨在考虑冬季北大西洋涛动位相对两类ENSO事件的异常响应的基础之上,讨论两类ENSO事件对中国北方冬季平均气温以及极端低温频次的影响,并尝试探讨这种影响的可能途径。

2 资料与方法 2.1 观测资料与统计方法

资料包括:(1) 英国哈得来中心提供的月平均海表温度(HadISST)资料(Rayner,et al,2003),(2) 美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)月平均再分析资料(Kalnay,et al,1996)以及全球历史气候网站点数据与气候异常监测系统相结合(GHCN_CAMS)的地表(2 m)气温格点资料(Fan, et al,2008),(3) 中国气象局国家气象信息中心整编的中国地表(2 m)气温月/日值格点数据集。所有资料均取1961年1月—2012年12月。需要指出的是,文中将12月—次年2月作为ENSO的成熟期,由于北大西洋涛动对ENSO信号的响应在1—3月最强(图略),因此,文中探讨两类ENSO事件对北大西洋大气环流及欧亚气候异常的影响时将冬季定义为1—3月,若定义为12月—次年2月或12月—次年3月,其定性结论一致。

文中主要采用合成法分析北大西洋大气环流对不同类型ENSO的响应及其对中国北方冬季气温的影响。为了凸出年际变率,所有月平均气象要素和指数均进行了6—120个月的巴特沃思(Butterworth)带通滤波。极端低温事件的定义采用广泛使用的百分位法,首先,对研究季节内同日最低气温按升序排列(若遇闰年,不考虑2月29日的数值)。其次,定义序列的第10个百分位上的值作为极端低温的阈值。最后,计算日最低气温低于阈值的日数定义为发生极端低温的日数,同时考虑到全球变暖的可能影响,去除了极端低温日数的长期趋势。文中以t检验方法对统计结果进行显著性检验。

需要特别指出的是,在本研究时段内,北半球热带地区发生了两次最强的大型火山爆发事件,即1981年的厄尔奇冲火山爆发和1991年的皮纳图博火山爆发(Robock,2000Shindell,et al,2004Fischer,et al,2007)。火山爆发所产生的气溶胶和尘幔输送至平流层后,辐射强迫作用会使北半球经向温差增大,易产生北大西洋涛动正位相的异常响应(Shindell, et al,2004Graf, et al, 2001; Stenchikov,et al,2006Driscoll, et al,2012),这将干扰探讨ENSO对北大西洋涛动的影响(Brönnimann,2007),因此需将受火山影响的事件去除。火山爆发的气候影响通常持续1—2 a(Robock, et al,1992Driscoll,et al,2012),但1991年的皮纳图博火山爆发是20世纪最强的一次火山爆发事件,喷发了约17×106 t SO2(1982年的厄尔奇冲火山爆发的2倍),平流层的光学厚度在1994—1995年才逐渐恢复正常值(Xiao, et al,2011),因此,1982—1984及1991—1995年发生的ENSO事件均不再探讨。

采用美国海洋大气局(NOAA)气候预测中心(CPC)对ENSO事件的定义选择ENSO事件,同时参考Nino3.4指数(图 1)。根据前期的工作(Zhang,et al, 2011, 2015a),通过两类ENSO事件对应的海温空间分布对其分类,以150°W为界,若最大海温异常中心位于150°W以东(西)的东太平洋,则定义为东(中)部型ENSO事件。由于1987/1988、2006/2007年的2次厄尔尼诺事件以及1970/1971、1999/2000、2007/2008年的3次拉尼娜事件兼有东部型和中部型的特征,难以对其划分类型,为避免干扰合成结果,将这5次混合型事件去除。最终得到6次东部型厄尔尼诺事件:1963/1964、1965/1966、1969/1970、1972/1973、1976/1977和1997/1998年;7次中部型厄尔尼诺事件:1968/1969、1977/1978、1979/1980、1986/1987、2002/2003、2004/2005和2009/2010年;6次东部型拉尼娜事件:1964/1965、1967/1968、1971/1972、1984/1985、1995/1996和2005/2006年;以及8次中部型拉尼娜事件:1973/1974、1974/1975、1975/1976、1988/1989、1998/1999、2000/2001、2010/2011和2011/2012年。

(红点、橙点、蓝点、绿点、灰点分别代表东部型厄尔尼诺、中部型厄尔尼诺、东部型拉尼娜、中部型拉尼娜和混合型ENSO事件) 图 1 Nino3.4指数的冬季标准化时间序列 (red, orange, blue, green and gray dots represent the EP El Niño, CP El Niño, EP La Niña, CP La Niña and mix ENSO events, respectively) Figure 1 Time evolution of the normalized DJF-Niño3.4 index
2.2 模式、试验设计

AM2.1模式为全球大气模式(Global Atmospheric Model Development Team,2004),由美国国家地球物理流体动力实验室(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, GFDL)对外发布。AM2.1模式水平分辨率为2°(纬度)×2.5°(经度),垂直方向上采用σ-p混合坐标系,近地面为σ坐标,向上至250 hPa逐渐转为p坐标,分为24层,其中近地面9层,平流层有5层。此模式已在许多海-气相互作用的研究中使用,能较好地模拟出与ENSO相关的大气异常结构(Stuecker,et al,2013李海燕等,2016)。为研究两类ENSO对中国北方冬季气温的影响,文中设计了1组控制试验和4组敏感性试验(表 1),通过对照控制试验与敏感性试验来解释不同类型ENSO事件对应海温异常强迫的气候效应。各组试验均连续积分15 a,为消减模式初始场和内部变率的可能影响,取后10 a冬季各气象要素的冬季平均值作为试验结果。

表 1 全球模拟试验 Table 1 Global numerical experiments
试验名称 试验设计
EPW 热带太平洋(30°S—30°N,150°E—90°W)加入东部型厄尔尼诺期间暖海温异常强迫
CPW 热带太平洋(30°S—30°N,150°E—90°W)加入中部型厄尔尼诺期间暖海温异常强迫
EPC 热带太平洋(30°S—30°N,150°E—90°W)加入东部型拉尼娜期间冷海温异常强迫
CPC 热带太平洋(30°S—30°N,150°E—90°W)加入中部型拉尼娜期间冷海温异常强迫
CTRL 气候态(季节性变化)海温
3 两类ENSO事件的海温异常分布及其在北大西洋地区的大气响应

图 2给出了两类ENSO事件海表温度异常的空间分布,可以看出东部型与中部型ENSO事件海表温度异常最大中心的纬向位置存在明显差异。东部型厄尔尼诺事件海表温度异常主要出现在赤道东太平洋,正异常中心位于120°W附近,强度超过1.6℃。中部型厄尔尼诺事件的海表温度异常中心较东部型明显偏西,主要位于中太平洋地区的160°W附近,其异常中心强度(1.2℃)也较东部型偏弱。东部型与中部型拉尼娜事件海表温度异常中心也存在与两类厄尔尼诺事件类似的东西位置差异,但两类拉尼娜事件海表温度异常负中心更为接近,分别位于155°W和130°W附近;在强度方面,与厄尔尼诺事件的海表温度正异常东部型明显强于中部型不同,中部型拉尼娜事件海表温度负异常中心的强度(-1.2℃)强于东部型(-0.8℃),这可能与温跃层东浅西深的纬向结构有关,赤道东太平洋温跃层较浅,拉尼娜事件发生时,东太平洋温跃层抬升,但抬升至混合层后便不能继续,从而限制了东部型拉尼娜的发展(Li,et al,2015)。此外也注意到,拉尼娜事件海表温度异常的经向尺度均宽于同类型的厄尔尼诺事件,这主要是由于拉尼娜事件时加强的信风有利于冷水上翻和海洋经向质量输送的增强,从而赤道上海表温度异常得以输送至离赤道更远的区域(Zhang,et al, 2009, 2013b)。

(单位:℃,间隔为0.4℃;未显示显著性水平低于90%的区域) 图 2 东部型(阴影)和中部型(等值线)厄尔尼诺(a)与拉尼娜(b)事件冬季(DJF)热带太平洋海表温度异常的空间分布 (Contour in ℃, and the interval is 0.4℃. The SST anomalies are shown only when they are significant at the 90% confidence level) Figure 2 Composite SST anomalies in winter in the tropical Pacific for the EP (shadings) and CP El Niño (contours) evemts (a), and the EP (shadings) and CP La Niña (contours) events (b)

ENSO事件发生之后,异常信号最先产生在热带地区,随后会以大气遥相关的形式传播至热带外区域,从而影响全球的天气、气候。图 3给出了两类ENSO暖、冷事件冬季500 hPa位势高度异常场的空间分布,受太平洋-北美型大气遥相关的影响,厄尔尼诺事件冬季北太平洋阿留申低压加强(图 3ab),拉尼娜事件冬季阿留申低压减弱(图 3cd)。然而,两类ENSO事件对应的太平洋-北美型遥相关的空间结构却存在差异,中部型ENSO事件冬季太平洋-北美型的空间结构与传统认知相符,中部型厄尔尼诺(拉尼娜)事件对应典型的太平洋-北美型正(负)位相,即北太平洋阿留申群岛和美国东南部附近存在同向变化的大气活动中心,以及位于中东太平洋和北美西岸与之反向变化的两个活动中心。而东部型ENSO事件冬季阿留申低压异常的位置较为偏北偏西,相应地太平洋-北美型遥相关在下游北美地区的形态也发生了改变。东部型厄尔尼诺事件时,加拿大上空的位势高度正异常并不明显,正异常中心偏向北大西洋地区,而美国南部位势高度负异常较偏西;东部型拉尼娜事件冬季,虽表现出类似太平洋-北美型的负位相分布,但加拿大西部的负异常和美国南部的正异常信号较弱并且也不显著。造成此差异的物理原因尚不清楚,一种可能的解释是两类ENSO事件对应的赤道太平洋对流加热位置的差异可能导致了太平洋-北美型路径的差异。通过调节太平洋-北美型模态,ENSO信号进而影响北大西洋的大气环流。在北大西洋地区,两类厄尔尼诺事件均表现为格陵兰岛南部地区气压偏高,亚速尔群岛附近气压偏低,即类似北大西洋涛动负位相。虽然东部型厄尔尼诺事件在北大西洋地区引起的大气异常响应较弱,但并不影响两类厄尔尼诺事件对应北大西洋涛动负位相的显著性。这与Graf等(2012)的结论有所不同,其认为中部型厄尔尼诺事件可通过“激活”副热带急流波导激发北大西洋涛动的负位相,而东部型厄尔尼诺事件对北大西洋涛动的影响并不显著,这可能与所选样本的差异有关。与两类厄尔尼诺事件均对应北大西洋涛动负位相不同,两类拉尼娜事件引起的北大西洋气压异常的空间结构却截然不同。东部型拉尼娜事件冬季,冰岛附近存在气压正异常,西欧沿岸则为气压负异常,呈现类似北大西洋涛动负位相结构;与东部型拉尼娜事件相反,中部型拉尼娜事件在格陵兰至冰岛一带对应气压负异常,30°—50°N的中纬度地区则为气压正异常,虽然中心位置有一定偏移,但仍表现为类似北大西洋涛动正位相结构(图 3cd),这与以往研究结果基本一致(Zhang,et al,2015a)。

(等值线,单位:m,间隔10,阴影表示通过90%的显著性检验) 图 3 东部型(a)、中部型(b)厄尔尼诺与东部型(c)、中部型(d)拉尼娜事件冬季500 hPa位势高度异常的空间分布 (Contour in m, and the interval is 10. The shadings indicate that the values are significant at the 90% confidence level) Figure 3 Composite 500 hPa geopotential height anomalies in late winter for the EP (a) and CP (b) El Niño events, and the EP (c) and CP (d) La Niña events

为了更清晰反映两类ENSO事件对应的北大西洋涛动位相差异,合成了两类ENSO事件对应的北大西洋涛动指数并用AM2.1模式试验结果加以佐证(图 4)。北大西洋涛动指数的定义为35°N和65°N两个代表纬度上80°W—30°E区域内纬向平均的标准化海平面气压差(Li, et al,2003)。需要指出的是,研究中也参考其他方法定义的北大西洋涛动指数(Hurrell,1995Jones,et al,1997)进行了验证,得到的结论基本一致。中部型厄尔尼诺和中部型拉尼娜事件分别对应北大西洋涛动的负位相和正位相,而东部型ENSO冷暖事件均对应北大西洋涛动的负位相,各类ENSO事件合成的北大西洋涛动指数的正、负0.5个标准差均未过0线,即各类ENSO事件对北大西洋涛动的影响是相对稳定的。AM2.1模式模拟结果同样验证了这一结论,EPW、CPW和EPC试验集合平均的北大西洋涛动指数均为负值,而CPC试验结果对应北大西洋涛动的正位相,且与观测结果相比,北大西洋涛动负位相的强度更强。观测和模拟的结果进一步表明,中部型ENSO事件对北大西洋局地大气环流的影响具有准线性特征,而东部型ENSO事件与北大西洋涛动的关系却是非线性的,这种不同类型ENSO与北大西洋涛动关系的不确定性主要是由于热带太平洋海温异常位置的差异造成。因此,在中部型ENSO事件频发时段,ENSO与北大西洋涛动容易展现出较好的线性关系;而在东部型ENSO事件频发的时段,线性相关往往很难捕捉到ENSO与北大西洋涛动的联系。

图 4 各类ENSO事件合成的北大西洋涛动指数(误差线的上、下限分别对应各类型事件的正、负0.5个标准差)及AM2.1模式试验结果 Figure 4 Composite NAO indexes in late winter of four ENSO categories (The error bars represent 0.5 standard deviation of the error estimates for the NAO index) in observation and AM2.1 model simulations
4 对欧亚冬季气温的影响

北大西洋涛动对下游地区天气、气候的影响总是与北大西洋中高纬度纬向风的异常变化有关(Hurrell,et al,2003)。因此,在研究欧亚气温的响应之前,有必要考察ENSO事件对北大西洋西风急流的影响。图 5给出了两类ENSO事件冬季北大西洋及西欧地区纬向风异常的纬度-高度剖面。不难看出该地区大气环流异常对ENSO的响应呈现出准正压性结构。此外,由于两类厄尔尼诺事件均与北大西洋涛动的负位相相联系,因此,北大西洋中高纬度地区均表现为东风异常(图 5b),又由于北大西洋涛动对中部型厄尔尼诺事件的响应更强(图 4),所以中部型厄尔尼诺事件对应的东风异常也表现出比东部型更强且范围更大的特征。东部型厄尔尼诺事件冬季东风异常的显著区域主要局限于对流层中低层55°—60°N;而中部型厄尔尼诺事件造成的东风异常在40°—60°N的范围均很显著。由于北大西洋涛动对两类拉尼娜事件的响应相反(图 4),北大西洋纬向风异常场上也大致呈现反相的分布特征。东部型拉尼娜事件对应北大西洋显著的东风异常,显著区域大致位于50°—60°N,这与两类厄尔尼诺事件的影响类似;而中部型拉尼娜事件在同一纬度范围内表现为西风异常,但并不显著,可能与该事件对应的北大西洋涛动正位相的空间结构发生了偏移有关(图 3d)。由上述分析可知,北大西洋涛动对ENSO信号的异常响应也在北大西洋中纬度纬向风异常场中有所体现。

(等值线,单位:m/s,阴影表示通过90%的显著性检验) 图 5 东部型(a)、中部型(b)厄尔尼诺与东部型(c)、中部型(d)拉尼娜事件冬季(JFM)北大西洋及西欧地区(80°W—30°E)纬向风异常的纬向-高度剖面 (Contour, unit: m/s. The shadings indicate the values are significant at the 90% confidence levels) Figure 5 Composite height-latitudinal cross sections of zonal wind anomalies in late winter over the North Atlantic-West Europe region (along 80°W-30°E) for the EP (a) and CP (b) El Niño events, and the EP (c) and CP (d) La Niña events

以往的研究指出,发生异常变化的北大西洋中纬度纬向风能通过纬向温度平流的作用将异常信号进一步传播至欧亚大陆35°N以北地区(Thompson, et al,2000Wu, et al,2002)。图 6给出了两类ENSO事件冬季欧亚北部的地表纬向温度平流和850 hPa水汽通量的空间分布。由于北大西洋涛动对两类厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件均为负位相响应,北大西洋西风减弱,欧亚大陆北部地区以纬向温度平流的负距平为主(图 6abc);同时,存在由陆地指向海洋的水汽通量异常,西欧地区获得的暖湿空气减少,易偏旱。而在中部型拉尼娜事件冬季,纬向温度平流正异常分布零散,对温度和降水的影响不显著,这可能与此时北大西洋涛动正位相的空间结构发生了偏移使得北大西洋中纬度西风异常不显著有关(图 3d5d)。

(网格区表示地表纬向温度平流距平通过90%的显著性检验,未显示水汽通量小于0.3 g/(hPa·m·s)的区域) 图 6 东部型(a)、中部型(b)厄尔尼诺与东部型(c)、中部型(d)拉尼娜事件冬季地表纬向温度平流(阴影,单位:℃/d)及850 hPa水汽通量距平(矢量,单位:g/(hPa·m·s)) (Cross-hatched region indicates that the zonal surface air temperature advection anomalies are significant at the 90% confidence level. Note only values above 0.3 g/(hPa·m·s) are shown for water vapor flux anomaly) Figure 6 Composite zonal surface air temperature advection anomalies (shadings in ℃/d) and water vapor flux anomalies (vectors in g/(hPa·m·s)) in late winter for the EP (a) and CP (b) El Niño events, and the EP (c) and CP (d) La Niña events

为进一步分析两类ENSO事件与北大西洋涛动及欧亚大陆气温异常的关系,给出了两类ENSO事件冬季合成的欧亚大陆中高纬度(40°—80°N)平均的地表气温异常,以及EPW、CPW、EPC、CPC 4组敏感性试验相对于控制试验的地表气温异常(图 7)。与纬向温度平流负异常相对应,欧亚北部在两类厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季偏冷。其中,中部型厄尔尼诺事件造成的地表气温负距平最强,为-1.28℃,这主要与该事件引起的北大西洋涛动和中纬度东风异常响应较强有关。相比之下,东部型厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件引起的降温幅度略小,均约为-0.75℃;而在中部型拉尼娜事件冬季,虽然北大西洋涛动表现为正位相响应,但北大西洋涛动的结构存在偏移,北大西洋中纬度西风没有出现明显增强现象,纬向温度平流的影响较弱(图 6d),因此,欧亚北部地表气温正距平仅为0.24℃,且0.5倍标准差的下限超过0值,表明中部型拉尼娜事件冬季欧亚北部的气温异常较不稳定。模式试验结果基本反映了观测所得到的结论,即两类厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季,欧亚北部较气候态偏冷;而中部型拉尼娜事件冬季,欧亚北部偏暖信号明显,这与观测略有差异,说明观测中欧亚北部气温正异常较不显著可能是受到噪音干扰。此外, 值得注意的是,模式中两类厄尔尼诺事件对应的北大西洋涛动响应比观测弱,但信号是稳定的。

图 7 各类ENSO事件冬季(JFM)合成的欧亚大陆北部(40°—80°N,10°W—150°E)的地表气温异常(单位:℃)(误差线的上、下限分别对应各类型事件的正、负0.5个标准差)及AM2.1模式试验结果 Figure 7 Composite area-averaged surface air temperature anomalies (unit: ℃) in late winter in northern Eurasia (40°-80°N, 10°W-150°E) for the EP El Niño (EPW), CP El Niño (CPW), EP La Niña (EPC) and CP La Niña (CPC) (the error bars represent 0.5 standard deviation of error estimates) in observations and AM2.1 model simulations
5 对中国北方地区冬季平均气温及极端低温事件频次的影响

以往的研究表明,北大西洋涛动/北极涛动位相对中国北方的气温存在显著影响,尤其是在冬季,频繁的冷空气活动往往与北大西洋涛动/北极涛动负位相的维持息息相关(Wang, et al,2010何春等,2003龚道溢等,2004李春等,2005所玲玲等,2008)。冬季北大西洋涛动/北极涛动与西伯利亚高压存在显著的反向变化关系,伴随北大西洋涛动/北极涛动正(负)位相的上升(下沉)运动对西伯利亚高压的减弱(加强)起着重要的作用(Gong,et al,2001Wu, et al,2002武炳义等,1999),而后者可对中国北方气温产生直接影响。上述分析已经表明,ENSO可通过调制北大西洋涛动位相影响欧亚大陆冬季气温,那么是否也会对中国北方的冬季平均气温及极端低温产生影响呢?为回答这一问题,首先给出两类ENSO事件冬季欧亚大陆海平面气压和850 hPa矢量风场的异常分布(图 8)。可以看到,中部型厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季,欧亚大陆上空气压场分布的纬向特征明显,40°N以北均呈现气压场正异常,中国北方尤其是东北地区在加强的西伯利亚高压控制下,以偏北风异常为主,气温易偏冷;东部型厄尔尼诺事件冬季,气压场的异常分布与中部型厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件类似,但气压场正异常的显著区域主要位于高纬度地区;而在中部型拉尼娜事件冬季,北大西洋涛动的空间位置较为偏西,对中国北方的直接影响较弱。同时注意到,对应不同类型ENSO,北大西洋大气异常的空间形态有所不同,例如中部型厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件对中高纬度和副热带大气影响均比较显著,而东部型厄尔尼诺和中部型拉尼娜事件冬季中高纬度存在显著的大气异常,而副热带大气响应则不太稳定。

(阴影表示海平面气压距平通过90%的显著性检验) 图 8 东部型(a)、中部型(b)厄尔尼诺与东部型(c)、中部型(d)拉尼娜事件冬季海平面气压(等值线,单位:hPa,间隔1 hPa)及850 hPa风场(矢量,单位:m/s)距平的空间分布 (Shadings indicate that the sea-level pressure anomalies are significant at the 90% confidence level) Figure 8 Composite sea-level pressure anomalies (contours in hPa, and the interval is 1 hPa) and 850 hPa wind anomalies (vectors in m/s) in late winter for the EP (a) and CP (b) El Niño events, and the EP (c) and CP (d) La Niña events

图 9进一步给出了两类ENSO事件冬季中国地表气温的异常分布。受大气环流异常的直接影响(图 8),东部型厄尔尼诺事件冬季,地表气温在中国东北与西北地区均表现为冷异常,但主要的显著区域位于黑龙江北部与大兴安岭地区;中部型厄尔尼诺事件冬季的情况与东部型类似,但东北冷异常强度更强且影响范围更广,北方异常冷信号可向南延伸至黄淮地区,中国西南地区及青藏高原北部出现显著的暖异常信号;而东部型拉尼娜事件冬季,中国中部及内蒙古地区地表气温表现为显著的冷异常,主要降温区域位于河套附近,同时,西南和长江中下游地区也存在显著的冷异常,这可能是受拉尼娜事件冬季菲律宾异常气旋的直接影响;中部型拉尼娜事件冬季中国东北地表气温偏高,但信号不显著,这也与之前的结论一致(图 67)。进一步将中国东北地区(40°—54°N,105°—136°E)的地表气温异常进行区域平均得到地表气温异常指数,然后绘制Nino3.4指数与地表气温异常指数的散点分布,同时考察了AM2.1模式各组试验集合平均的冬季地表气温场并计算地表气温异常指数(图 10)。需要指出的是,由于模式敏感性试验中加入的是两类ENSO事件对应的热带太平洋海温异常的观测合成结果。因此,各组试验对应Nino3.4指数仍以观测合成值代替。从中可以看出,两类厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件基本上均对应中国东北冬季异常偏冷,其中东部型厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季中国东北地区地表气温异常的合成值均约为-0.5℃,中部型厄尔尼诺事件冬季的冷异常强于东部型厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件。EPW和CPW试验集合平均的中国东北冬季气温异常的数值结果基本与观测一致,EPC试验较观测而言,气温负异常略强。中部型拉尼娜事件对应的中国东北冬季地表气温冷暖异常的个例之比为3:4,合成结果为0.13℃,说明观测中该事件个例间的差异较大,中国东北冬季地表气温的正异常并不明显,这可能与中部型拉尼娜事件冬季欧亚上空纬向温度平流的响应较为局地有关。而CPC试验对应的地表气温异常指数为0.84℃,较观测值明显偏高。模式试验结果说明,两类厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件均易造成中国北方地区冬季偏冷,而中部型拉尼娜事件冬季中国北方地区易偏暖。

(网格表示通过90%的显著性检验) 图 9 东部型(a)、中部型(b)厄尔尼诺与东部型(c)、中部型(d)拉尼娜事件冬季中国地表气温异常(单位:℃)的空间分布 (Cross-hatched region indicates that the values are significant at the 90% confidence level) Figure 9 Composite surface air temperature anomalies in late winters (unit: ℃) in China for the EP (a) and CP (b) El Niño events, and the EP (c) and CP (d) La Niña events
(五角星代表各事件指数的合成值,三角形代表EPW、CPW、EPC、CPC试验集合平均的模拟结果) 图 10 东部型(红点)、中部型(橙点)厄尔尼诺与东部型(蓝点)、中部型(绿点)拉尼娜事件冬季Nino3.4指数和中国东北地区(40°— 54°N,105°—136°E)地表气温异常的散点分布 (Red, orange, blue and green stars (triangles) represent the averaged values for the EP El Niño, CP El Niño, EP La Niña and CP La Niña events (EPW, CPW, EPC, CPC experiments), respectively) Figure 10 Scatter plot of the normalized DJF Nino3.4 index and the area-averaged JFM surface air temperature anomalies in northeastern China (40°-54°N, 105°-136°E) for the EP (red dots) and CP (orange dots) El Niño events, and the EP (blue dots) and CP (green dots) La Niña events

以上的分析主要关注了两类ENSO事件通过调制北大西洋涛动位相对中国北方冬季气温年际异常的影响。相对于季节平均值而言,气候极值与生产和生活的关系更为密切。两类ENSO事件能否通过调制北大西洋涛动位相影响中国北方冬季极端低温的发生频次呢?为研究这一问题,图 11给出了两类ENSO事件冬季合成的中国极端低温发生日数的空间分布。两类厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件对应北大西洋涛动的负位相,欧亚中高纬度纬向环流减弱,经向环流加强,聚集在极地的冷空气更易南下,因而与气候态相比,中国北方冬季发生极端低温的日数偏多。东部型厄尔尼诺事件冬季极端低温日数偏多的区域主要为黑龙江北部局部地区;中部型厄尔尼诺事件冬季新疆北部、东北大范围地区多发生极端低温事件;东部型拉尼娜事件极端低温日数偏多的地区主要局限于河套以北,但仅有零星的显著区。与冬季平均气温的响应类似(图 9d),中部型拉尼娜事件对中国冬季极端低温日数的影响并不存在显著信号。对图 11所框区域进行区域平均,进一步考察两类ENSO事件冬季中国东北地区的极端低温日数(表 2),东部型厄尔尼诺和中部型厄尔尼诺事件冬季极端低温的日数均超过10 d,东部型拉尼娜事件冬季发生极端低温的日数为7.1 d,而中部型拉尼娜事件冬季则为6.6 d。多年冬季发生极端低温事件的平均日数为6.9 d,因而与气候平均情况相比,在两类厄尔尼诺事件冬季,中国东北地区发生极端低温事件的日数明显增加,东部型拉尼娜事件冬季极端低温的日数略有增加,而在中部型拉尼娜事件冬季则略有减少。

表 2 东部型、中部型厄尔尼诺与东部型、中部型拉尼娜事件和所有年份冬季中国东北地区(40°—54°N,105°—136°E)极端低温发生日数(单位:d)区域平均的合成值 Table 2 Composite number of the area-averaged extreme cold days in late winter in northeastern China (40°-54°N, 105°-136°E) for the EP and CP El Niño events, and the EP and CP La Niña events, and all years
事件类型 极端低温天数(d)
东部型厄尔尼诺 10.5
中部型厄尔尼诺 10.4
东部型拉尼娜 7.1
中部型拉尼娜 6.6
所有年份 6.9

对比两类ENSO事件冬季平均的气温异常场(图 9)与极端低温的日数分布(图 11)可以发现,两类厄尔尼诺事件冬季极端低温发生日数的空间分布与季节平均的气温异常场相似,而东部型拉尼娜事件冬季极端低温日数偏多的显著区域很小,主要局限于河套以北,与气温的年际异常相比范围明显缩小。为了进一步验证,图 12给出各类ENSO事件中国东北冬季日气温距平的频次分布,可以看到东部型、中部型厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季中国东北气温日距平的分布偏向负距平一侧,而中部型拉尼娜事件冬季的分布则接近气候态,这与图 9得到的结论相一致。进一步分析发现,两类厄尔尼诺事件冬季日气温距平小于负1个标准差的频次明显增加;而东部型拉尼娜事件冬季日气温距平小于负1个标准差的频次仅略多于气候态,日气温距平的频次分布形状比其他ENSO事件更为窄高,离散程度较低。同时也检查了两类ENSO事件冬季中国东北地区的日气温方差(图略),与冬季平均值相比,两类厄尔尼诺事件冬季的日气温方差较大,而东部型拉尼娜事件冬季的日气温方差较小。表明两类厄尔尼诺事件对中国北方极端低温频次影响较强,而在东部型拉尼娜事件冬季,虽然季节平均气温偏低,但由于日气温的变化不活跃,因此极端低温频次的变化较小。

(网格表示通过90%的显著性检验,其中红色和绿色分别表示各类ENSO事件冬季极端低温的日数显著偏多、偏少于所有年份冬季的平均值) 图 11 东部型(a)、中部型(b)厄尔尼诺与东部型(c)、中部型(d)拉尼娜事件冬季中国极端低温日数(单位:d)的空间分布 (Cross-hatched region indicates that the values are significant at the 90% confidence level. Red (green) areas indicate where the number of extreme cold days is more (less) than the average number) Figure 11 Composite number of the extreme cold days (Shadings in d) in late winter in China for the EP (a) and CP (b) El Niño events, and the EP (c) and CP (d) La Niña events
(日气温距平已处理为对每个冬季的标准化值) 图 12 东部型(红线)、中部型(橙线)厄尔尼诺与东部型(蓝线)、中部型(绿线)拉尼娜事件和所有年份(黑线)冬季中国东北地区(40°— 54°N,105°—136°E)地表气温日距平的频次分布 Figure 12 Frequency of the normalized daily surface air temperature anomalies in late winter in northeastern China (40°-54°N, 105°-136°E) for the EP (red line) and CP (orange line) El Niño events, and the EP (blue line) and CP (green line) La Niña events, and all years(black line)
6 结论

利用哈得来中心逐月海表温度资料、NCEP/NCAR再分析资料、GHCN_CAMS全球月平均地表气温资料以及中国地表气温格点数据资料,分析了两类ENSO事件冬季北大西洋大气环流的异常响应,以及对中国北方平均气温的影响,同时结合AM2.1大气模式试验进行验证,并进一步讨论了中国北方冬季极端低温的可能响应。主要得到如下结论:

(1) 北大西洋涛动对ENSO事件的响应与EN-SO事件海表温度异常的纬向位置有关,东部型ENSO事件冬季阿留申低压的异常信号较中部型ENSO事件偏北偏西,使得太平洋-北美型遥相关在下游北美上空的空间结构也存在差异,这可能是造成北大西洋涛动位相对东部型ENSO响应呈现非线性的原因之一。两类厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季,北大西洋和西欧地区出现负北大西洋涛动型响应;中部型拉尼娜事件冬季则与之相反,北大西洋地区表现为北大西洋涛动的正位相。

(2) 北大西洋涛动的正、负位相与北大西洋急流的强、弱联系密切,可通过改变纬向温度平流影响欧亚北部的地表气温。中部型厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季,北大西洋涛动呈现负位相,北大西洋急流随之减弱,从而导致暖湿空气的输送减弱,纬向温度平流的负异常使欧亚北部气温较气候态偏冷,同时,欧亚大陆上空海平面气压距平场呈现北正南负的结构,自北大西洋的纬向温度平流负异常可以直接影响下游东亚地区,且由于西伯利亚高压偏强,中国北方气温偏低。其中,中部型厄尔尼诺事件气温显著偏低的区域主要位于东北大范围地区,东部型拉尼娜事件时则主要位于内蒙古河套附近;东部型厄尔尼诺事件冬季,北大西洋涛动为负位相,但由于纬向温度平流负异常和欧亚北部气压场正异常的位置均较为偏北,中国东北地区显著的冷异常信号仅出现在黑龙江北部与大兴安岭地区;而在中部型拉尼娜事件冬季,虽然北大西洋涛动出现正异常响应,但其空间结构位置偏移,因而纬向温度平流的作用并不显著,中国北方冬季气温偏高的信号不明显。AM2.1模式模拟结果基本与观测相符,且中国东北地区在东部型厄尔尼诺事件冬季偏冷和中部型拉尼娜事件冬季偏暖的特征更加明显。

(3) 两类厄尔尼诺事件冬季中国东北地区的日气温距平表现为偏态分布,极端低温的频次较气候态偏多;东部型拉尼娜事件冬季日气温方差较小,虽然季节平均值为负异常,但极端低温的日数仅略多于冬季平均值;而中部型拉尼娜事件冬季日气温距平近似正态分布,接近平均状态。

值得注意的是,尽管观测分析和数值模拟的结果均表明热带太平洋海温异常能激发北大西洋地区的大气异常响应,并进一步影响下游欧亚北部与中国北方冬季气温,但其中的内在机理尚有待解决,需进一步探究和完善。

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