葉洋波, 余錦華
(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點實驗室/氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京210044)
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(qū)如美國、南美和非洲的氣候變率存在顯著影響[1]。當(dāng)NTA 在春季異常增暖時,產(chǎn)生的正經(jīng)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(dǎo)致巴西東北部雨季出現(xiàn)降水不足以及撒哈拉以南干旱的發(fā)生[2-4]。此外,NTA SSTA 還會影響全球其他地區(qū)的氣候變化。如當(dāng)NTA 異常增暖時,西北太平洋地區(qū)會有反氣旋環(huán)流出現(xiàn),進(jìn)而增強(qiáng)南海夏季風(fēng),同時反氣旋的存在抑制了對流的發(fā)生,不利于臺風(fēng)生成[5-6]。王惠美[7]則發(fā)現(xiàn)NTA SSTA 的階段性增強(qiáng)對我國南部夏季高溫事件的發(fā)生與持續(xù)有重要影響。同時,NTA 春季異常增暖還可在隨后的冬季誘發(fā)La Ni?a[8]。
大西洋經(jīng)向模態(tài)(Atlantic Meridional Mode,AMM)是熱帶大西洋SSTA 年際變化的主導(dǎo)模態(tài)[9],表現(xiàn)為熱帶大西洋SSTA的經(jīng)向梯度,當(dāng)其正位相時,NTA 出現(xiàn)異常增暖,并且該模態(tài)往往在春季達(dá)到最大值[10]。同時,NTA 也是主導(dǎo)北大西洋海溫的三極型模態(tài)的重要組成[11-12],在該模態(tài)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(jié)果[13-14]。NTA SSTA 的出現(xiàn)還被認(rèn)為與ENSO有著密不可分的關(guān)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(qū)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(qiáng)迫作用弱于傳統(tǒng)型事件[18]。
研究認(rèn)為,El Ni?o 可通過對流層增溫與大氣橋遙相關(guān)引起NTA的增暖。對流層增溫機(jī)制強(qiáng)調(diào)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(jié)更加穩(wěn)定,抑制對流發(fā)生,并通過削弱海面蒸發(fā),使海面獲得的凈熱通量增加,導(dǎo)致海洋異常增暖[19-20]。而大氣橋遙相關(guān)則側(cè)重ENSO 信號通過Walker 環(huán)流和Hadley 環(huán)流異常以及太平洋北美型遙相關(guān)(Pacific-North American,PNA)傳遞給北大西洋中緯度地區(qū)[21-22]。其中,El Ni?o 導(dǎo)致的Walker 環(huán)流異常通過影響NTA海表的緯向氣壓梯度加強(qiáng)了赤道大西洋地區(qū)的信風(fēng),為Bjerknes 反饋的發(fā)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(jìn)而影響海表溫度[24]。在這一觀點中,Walker環(huán)流與PNA 究竟誰是主要的影響因子仍有爭議,Sutton 等[25]認(rèn)為兩類機(jī)制之間可能存在著競爭關(guān)系。近年來,Javier 等[26]的研究指出,El Ni?o 可以通過Walker 環(huán)流異常導(dǎo)致亞馬遜地區(qū)溫度升高,進(jìn)而誘發(fā)Gill 響應(yīng),最終導(dǎo)致NTA 異常增暖。此外,NTA 自身的海洋動力過程也對海溫的發(fā)展有一定作用[27]。
但在一些與El Ni?o 無關(guān)的年份,NTA 海域也有春季異常增暖現(xiàn)象。有、無El Ni?o 兩種情形的春季NTA 暖SSTA 特征有什么區(qū)別,其形成機(jī)制的差異怎樣?本文將給出合理的解釋。
(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(wèi)星資料,并在空間上實現(xiàn)了全球覆蓋,被廣泛應(yīng)用于氣候變化、海氣相互作用等分析中。
(2) 美國國家環(huán)境預(yù)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(yù)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(fēng)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(jìn)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(fā)平衡以及對流層的過程,并且使用了很多創(chuàng)新的方法。
(4) 美國國家大氣海洋局的每月Ni?o3.4 海溫指數(shù)。該指數(shù)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。
(1) 選用NOAA 提供的Ni?o3.4 海溫指數(shù),以指數(shù)至少連續(xù)6 個月大于0.5 標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(fēng)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(bǔ)=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(shù)[32]。
(4) 為探究NAO與NTA春季SSTA的聯(lián)系,本文采取了Li等[33]提出的公式:
計算NAO 指數(shù),代表NAO 的強(qiáng)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(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)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(dá)式如下:
去線性趨勢針對格點上的月資料進(jìn)行,以1981—2010 年為氣候態(tài)時段,相對其偏差為氣候擾動。
針對本文關(guān)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(biāo)準(zhǔn)差分布(圖1)。之后選取標(biāo)準(zhǔn)差大值區(qū)(10~60 °W,5~25 °N)作為關(guān)鍵區(qū)。以關(guān)鍵區(qū)春季區(qū)域平均SSTA為指數(shù),來定量描述NTA春季海溫變化的強(qiáng)度。在對該指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化與去線性趨勢后,以大于0.5 為標(biāo)準(zhǔn)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(fā)生在El Ni?o 衰減年分為兩種情形:如表1所示,發(fā)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(guān)聯(lián)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(biāo)準(zhǔn)差分布圖 方框表示關(guān)鍵區(qū)(10~60 °W,5~25 °N)。
表1 NTA春季海溫暖事件分類結(jié)果
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(xiàn)在NTA 東側(cè)。但絕大部分海域情形1 的暖SSTA 強(qiáng)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(qiáng)度都較弱。因此,可認(rèn)為情形1的暖SSTA 有相當(dāng)一部分是在春季內(nèi)形成,而情形2下春季貢獻(xiàn)較少,主要是前期已出現(xiàn)增暖并持續(xù)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(qū)表明通過0.05顯著性檢驗,藍(lán)色方框表示關(guān)鍵區(qū)(10~60 °W, 5~25 °N)。
混合層是大氣與海洋之間水汽、熱量和動量交換的發(fā)生地,研究其內(nèi)部過程對理解海溫變化的機(jī)制有重要意義。Li 等[28]提出了對混合層進(jìn)行診斷的方程,他們認(rèn)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(xiàn),本文將診斷方程(公式(1))應(yīng)用于NTA 的關(guān)鍵區(qū)。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(guān)注海域的混合層年際變率遠(yuǎn)小于季節(jié)變化,故本文在實際應(yīng)用時通過按格點取每月的氣候態(tài)值代替原始值保留了混合層深度的季節(jié)特征而忽略了年際變率,將熱力項轉(zhuǎn)化為線性項考慮。
圖3 顯示了兩種情形下關(guān)鍵區(qū)混合層的診斷結(jié)果,圖中給出的值反映了整層海溫異常的變率,當(dāng)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(jié)果與實際演變非常接近,對情形2的診斷結(jié)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(jié)內(nèi)振蕩特征有關(guān),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(dǎo)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(nèi)過程的影響具有滯后性,針對春季,應(yīng)該關(guān)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(nèi)發(fā)生的過程。在圖3,這一時段通過填色標(biāo)注出。兩種情形下混合層內(nèi)的過程在這一時段中有明顯差異:情形1 下,變率達(dá)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(fā)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(xù)到了春季,而情形2 下則出現(xiàn)了季節(jié)內(nèi)振蕩。圖4 給出了兩種情形在變率達(dá)到峰值時各項的具體貢獻(xiàn)。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(dǎo)形成的結(jié)論,這與Saravanan 等[2]研究結(jié)果一致。Chiang等[20]曾研究過El Ni?o對NTA SSTA的影響,他們認(rèn)為ENSO 信號通過削弱海表的東北信風(fēng)進(jìn)而導(dǎo)致了潛熱通量異常。那么情形2 下潛熱通量異常為何出現(xiàn)?同時,濕度條件對潛熱通量異常的出現(xiàn)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(dǎo)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(xì)實線)導(dǎo)致的變率(b,e);緯向(實線),經(jīng)向(虛線)與垂直平流(點線)導(dǎo)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(xiàn)(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(guān)的物理量分布。圖5a、5c顯示了1—3 月(1)合成風(fēng)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(fēng)異常。西風(fēng)異常會削弱氣候態(tài)的東北信風(fēng),使得風(fēng)速減弱。而情形2 下西風(fēng)異常較弱,在NTA 中部有大范圍垂直濕度梯度異常正值區(qū),兩者存在競爭關(guān)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(fù)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(zhuǎn)負(fù)的過程中(圖3e),季節(jié)平均無法體現(xiàn)這一過程。簡言之,情形1下潛熱通量負(fù)異常主要是西風(fēng)異常作用的結(jié)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(fēng)異常導(dǎo)致的,但垂直濕度梯度異常增大,抑制了潛熱通量負(fù)異常的發(fā)展。
圖5 情形1下、情形2下1—3月(1)合成10 m風(fēng)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(qū)域填色,風(fēng)矢量通過0.05顯著性檢驗者標(biāo)紅,b、d中潛熱通量異常向上為正,向下為負(fù)。
經(jīng)過前文的分析,發(fā)現(xiàn)兩種情形的形成都與西風(fēng)異常有關(guān),那么兩類暖事件下西風(fēng)異常出現(xiàn)的原因是否一致?Bates[35]的研究表明,激發(fā)NTA SSTA 的西風(fēng)異常擾動可能是由ENSO、NAO 和其他環(huán)流導(dǎo)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(guān)系。當(dāng)它呈現(xiàn)負(fù)位相時,北大西洋副熱帶高壓減弱,其南部會出現(xiàn)西風(fēng)異常[17]。
圖6 給出了兩種情形下NAO 指數(shù)及關(guān)鍵區(qū)SSTA 的演變。兩種情形前期NAO 指數(shù)都存在季節(jié)內(nèi)振蕩,但情形1中指數(shù)在2月(1),即El Ni?o峰值后,達(dá)到最低值。表2 結(jié)果顯示當(dāng)SSTA 落后NAO 指數(shù)1 個月時,兩者呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)系數(shù)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(fēng),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(biāo)準(zhǔn)化NAO指數(shù)與關(guān)鍵區(qū)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(shù),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(fēng)場異常分布。兩種情形下都呈現(xiàn)NAO 負(fù)位相,但情形1 負(fù)位相發(fā)展更強(qiáng),與Zhang等[36]觀點一致,國內(nèi)類似相關(guān)方面的研究也有不少成果[37-38]。相應(yīng)地,亞速爾地區(qū)出現(xiàn)了氣旋性環(huán)流異常,其南部的西風(fēng)異常削弱了東北信風(fēng),為暖海溫的發(fā)生發(fā)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(fēng)異常,使得暖海溫的發(fā)展較弱。
表2 關(guān)鍵區(qū)SSTA(單位:℃)與標(biāo)準(zhǔn)化NAO指數(shù)的滯后與超前相關(guān)系數(shù)
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(xiàn)PNA 正位相與類似NAO 負(fù)位相型。情形2 同樣呈現(xiàn)類似NAO 負(fù)位相型,與前一類事件相比強(qiáng)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(fā)的Kelvin 波東傳至熱帶大西洋地區(qū),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(huán)境變得更加穩(wěn)定,抑制了對流的發(fā)生,同時大氣增暖,使得大氣容納水汽的能力增強(qiáng),減小了海-氣間的垂直濕度梯度,使海面的蒸發(fā)減弱。進(jìn)一步證實了前文中關(guān)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(qiáng)降水正異常,這是該地區(qū)強(qiáng)烈暖SSTA 作用的結(jié)果。降水釋放的大量能量加熱大氣,激發(fā)了Rossby 波能量向東向北傳播到熱帶外北大西洋地區(qū),使北大西洋副熱帶高壓減弱,中高緯的位勢高度增加,加強(qiáng)并維持了NAO負(fù)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(qū)[39]。情形2下,幾乎沒有異常的波能量來自大西洋上游地區(qū),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(qū)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。
為解釋有、無El Ni?o兩種情形下NTA春季增暖物理機(jī)制的區(qū)別以及El Ni?o強(qiáng)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(xiàn),研究了潛熱通量異常出現(xiàn)的原因和El Ni?o信號可能的傳播機(jī)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(qiáng)于情形2,關(guān)鍵區(qū)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(qiáng)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(dǎo)致,其他三種熱通量貢獻(xiàn)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(fēng)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(fù)異常導(dǎo)致海面失去的熱量減少,使SSTA 增暖顯著。無El Ni?o情形,西風(fēng)異常弱于情形1,減小的海面蒸發(fā)弱于前者,海-氣垂直濕度梯度增大,使海面蒸發(fā)增強(qiáng)。該情形下,NTA 春季增暖,主要是受到NAO 負(fù)位相作用的冬季增暖的延續(xù)。海面蒸發(fā)變化與SSTA 間的負(fù)反饋關(guān)系,使SSTA存在季節(jié)內(nèi)振蕩特征。
(4) El Ni?o 激發(fā)的Rossby 波能量通過T-N波活動通量異常與PNA加強(qiáng)NAO負(fù)位相,抑制了其自身的季節(jié)內(nèi)振蕩,進(jìn)而導(dǎo)致NTA 地區(qū)東北信風(fēng)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(qiáng),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(nèi)部變率導(dǎo)致。但此時NAO 存在季節(jié)內(nèi)振蕩,不利于暖SSTA 的持續(xù)。因此該類事件下NTA 春季增暖的強(qiáng)度與范圍都不比前者。
本文主要使用了月資料進(jìn)行診斷和分析,有關(guān)兩種情形下,NAO 的變化及其對北大西洋熱帶地區(qū)海-氣耦合的調(diào)制過程,需要利用更高的時間分辨率資料做進(jìn)一步深入的研究。