南太平洋副熱帶偶極子對南太平洋輻合帶的影響

李 瓊, 鄭 建, 王法明

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南太平洋副熱帶偶極子對南太平洋輻合帶的影響

李 瓊1, 2, 3, 4, 鄭 建1, 3, 4, 王法明1, 3, 4

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京 100049; 3. 中國科學院海洋研究所海洋環流與波動重點實驗室, 山東青島266071; 4. 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋動力過程與氣候功能實驗室, 山東青島 266071)

為研究南太平洋副熱帶偶極子的局地氣候效應, 利用Hadley中心的海溫數據集HadISST以及NCEP-NCAR的大氣再分析數據, 分析了南太平洋副熱帶偶極子(South Pacific Subtropical Dipole, SPSD)對南太平洋輻合帶(South Pacific Convergence Zone, SPCZ)的影響, 并探討了相應的物理過程。研究結果顯示, 南太平洋副熱帶偶極子事件線性獨立于ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)事件, 有明顯的季節鎖相, 于12~2月達到峰值并顯著影響SPCZ降水帶的位置。其中, 正偶極子事件(簡稱“正事件”)期間偶極子東北極區域(暖海溫)水汽輻合上升, 降水增多; 而在偶極子西南極區域(冷海溫)水汽輻散下沉, 降水減少, 因此SPCZ降水帶偏北。負偶極子事件(簡稱“負事件”)則相反, 東北極降水減少的同時西南極降水增多, 從而SPCZ降水帶偏南。本研究關于SPSD與SPCZ關系的分析, 將有助于更好地理解南太平洋的年際氣候變異和海氣相互作用。

南太平洋副熱帶偶極子; 南太平洋輻合帶; 海面溫度; 降水; 大氣環流

海陸比為4︰1的南半球擁有比北半球更廣闊的海域, 其副熱帶區域海面溫度(sea surface temperature, SST)存在明顯的偶極型年際變化, 可通過大氣環流的調整影響局地以及全球氣候。例如, 南大西洋偶極子能影響南大西洋輻合帶的位置、強度[1-2]和幾內亞海岸的降水等[3], 南印度洋偶極子可通過經向大氣環流作用于中國春季降水[4-7]。最新研究表明, 在南太平洋副熱帶存在類似的海溫偶極子結構[8-11], 但其氣候效應, 特別是對局地降水的影響, 還不清楚。

南太平洋輻合帶(South Pacific Convergence Zone, SPCZ)是南太平洋夏季(南半球)的主要降水區域, 按位置可分為緯向部分和斜向部分[12]。其中, 西北支與熱帶輻合帶(Intertropical Convergence Zone, ITCZ)重合受西太平洋暖池調控呈東西方向分布, 稱之為緯向部分[13-14]。斜向部分呈西北~東南走向, 延伸至東南太平洋30°S, 120°W附近, 受到熱帶加熱和東南太平洋副高等因素的調控[12]。海氣耦合模式試驗的結果顯示, SPCZ斜向部分的傾斜程度受到其下方SST傾斜梯度的直接影響[15]。

本文研究了南太平洋副熱帶偶極子對SPCZ斜向部分的影響。在多種表示SPCZ位置的參數中[16-17]降水的表征比較明顯, 可以用來表示SPCZ位置的移動, 因此本文用降水帶的位置和強弱表示SPCZ。

1 資料和方法

1.1 數據資料

海溫資料使用英國氣象局Hadley中心的海冰和海表面溫度數據集(HadISST), 分辨率是1°×1°。長期降水數據和大氣風場、氣壓場、比濕、垂直運動速度的數據是由美國環境預報中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)和國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)聯合提供的再分析資料。同時使用美國國家海洋和大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)和環境科學協作研究所(Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, CIRES)的20世紀再分析資料(V2)做降水分析驗證。此次研究主要關注0°~50°S的東南太平洋區域, 統一選取數據集所共有時間段(1948~2012年)的月平均數據進行分析。

1.2 分析方法

在使用原始數據進行分析之前, 先對變量在每個格點上的值進行預處理。第一步去除氣候態和線性趨勢, 避免年循環和全球變暖趨勢對研究結果的影響。而且本文關注的是南太平洋副熱帶固有的海溫偶極子結構, 第二步需要去除副熱帶對熱帶變化響應的部分, 即通過減去自回歸過程()盡可能去除ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)強信號的影響。

1和2分別是熱帶太平洋海溫距平EOF (Empirical Orthogonal Function)分析的前兩個主成分時間序列, 通常認為ENSO對南半球海洋的影響可持續6個月, 所以取6[8], 自回歸系數a和b由Yule- Walker方法確定[18]。海溫、降水和大氣環流數據減去()之后, 剩余部分則被認為是東南太平洋固有的年際氣候變化。除了典型個例分析, 如果沒有特別說明, 做其他分析之前都需要對數據進行以上兩步預處理。

在本文的研究中主要使用主成分(EOF)分析、相關分析和合成分析這3種方法。首先, 對東南太平洋12~2月(December January February, DJF)的海溫距平進行主成分分析, 確定其海溫變化的主要空間模態, 并得到第一主成分的時間序列(PC1)。其次利用超前滯后相關分析可得到PC1與東南太平洋降水的相關關系, 初步確定兩者的聯系, 并使用雙尾檢驗驗證假設的顯著性。最后, 用合成分析方法分別對正負偶極子事件年的降水、海溫和大氣環流場進行對應月份合成, 可得到它們對偶極子事件的響應。

2 偶極子模態的時空分布

2.1 SPSD的空間模態

文獻顯示, 南太平洋副熱帶偶極子(South Pacific Subtropical Dipole, SPSD)在南半球夏季有很強的季節鎖相[8, 10]。為了解南半球夏季SPSD的變化, 對南太平洋海盆(0°~50°S, 160°~65°W)DJF的季節平均海平面溫度異常(sea surface temperature anomaly, SSTA)做EOF分析。區域敏感性測試顯示, EOF分析的結果并不過于依賴數據邊界的選擇, 數據左邊界從160°W向西擴展到170°E, 偶極子空間模態幾乎沒有變化, 南北邊界的選擇也對偶極子影響較小。

南太平洋副熱帶SST變化第一EOF模態的方差貢獻是22%, 表現為西南區域向東北區域傾斜的強SST梯度, 這種反位相的海溫分布稱為南太平洋副熱帶偶極子(圖1)。偶極子東北區域有著顯著正異常, 其中心位于20°S, 105°W附近, 稱為東北極(North- East Pole, NEP); 西南區域海溫以33°S, 130°W為中心呈負距平分布, 相比東北極振幅稍小, 稱為西南極(South-West Pole, SWP)。

2.2 SPSD的事件年

為研究偶極子模態和SPCZ降水的關系, 將SSTA主成分分析的PC1(圖2)作為表征偶極子的指數。由于不同文獻對偶極子區域選擇和研究內容的不同, 定義偶極子的方式也略有差別[3-5, 7-8, 19], 本文根據已有文獻的閾值范圍(0.5~1個標準差)和此次研究中逐年的海溫距平變化選取0.6個標準差為閾值, 使得每個偶極子事件都有穩定的發生、發展和消亡過程。按照以上標準選擇正負偶極子事件(簡稱“正事件”“負事件”)年: 若南半球夏季DJF的PC1均大于0.6, 則12月(December, D)所在的年份為正偶極子年, 均小于–0.6則為負偶極子年, 例如PC1在1957年12月、1958年1月和2月都小于–0.6, 則認為1957年為負偶極子事件年。由此可得正事件年8次: 1956、1964、1976、1978、1979、1982、1983、1999年; 負事件年9次: 1957、1970、1972、1973、1974、1990、1997、2009、2010年(表1)。其中正偶極子事件年中的1976、1979、1982年和負偶極子事件年中的1957、1972、1997、2009年是厄爾尼諾年; 同樣, 正事件中的1964、1999年和負事件中的1970、1973、1974、2010年為拉尼娜年。可見, 厄爾尼諾和拉尼娜事件在正負偶極子事件中發生頻次幾乎是相等的, 說明ENSO事件與偶極子事件沒有固定相關關系, 從側面佐證了偶極子現象獨立于ENSO存在。表1中未標明“+”和“–”的年份表示在偶極子發生時沒有ENSO事件, 在文后中將選擇偶極子單獨發生的事件年進行詳細個例分析。

表1 正負偶極子事件發生年份

+: 厄爾尼諾事件; –: 拉尼娜事件

2.3 SPSD的季節合成分析

因為季節鎖相是偶極子模態的一個重要特性, 對偶極子做分析時按照季節進行合成(圖3)。合成分析的結果與EOF第一空間模態相似, 也存在反位相的海溫空間結構。正事件年中, 在南半球春季(9~11月)南太平洋逐漸出現偶極子形態的海溫異常, 東北極從南美洲中高緯度地區向西北延伸至20°S, 120°W,未出現明顯的海溫異常極大值區, 而西南極從太平洋中西部向東南一直延伸至35°S, 100°W, 海溫異常極大值區已見雛形(圖3a)。春季之后偶極子持續增強, 在夏季(12~2月)達到峰值(圖3b), 形成明顯的正負偶極子中心, 中心區域海溫距平大于0.6℃并延續到南半球秋季(3~5月), 之后海溫變化的強度減弱, 偶極子型海溫結構逐漸瓦解(圖3c)。負偶極子事件的季節演變與正偶極子事件相似, 不同之處在于負偶極子西南極在春季的形成速度更慢(圖3d), 在秋季的瓦解速度卻快于正偶極子事件(圖3f), 但是在峰值期間負偶極子西南極的強度并不弱于同期正偶極子事件(圖3e)。

若做未去除ENSO的海溫距平分析(圖略), 單個年份的數據分析與去除ENSO的結果相比變化較大。而正負偶極子事件年季節合成結果顯示, 只有春季(September October November, SON)的海溫偶極子型變化比圖3略弱, 夏季(DJF)和秋季(March April May, MAM)的海溫偶極子強度和空間分布與去除ENSO的合成結果具有高度一致性。其原因與厄爾尼諾和拉尼娜事件在正負偶極子事件中的相似頻率有關, 合成分析中厄爾尼諾事件和拉尼娜事件所引起的正負海溫變化相互抵消, 從而突顯了副熱帶偶極子型海溫分布, 這也說明副熱帶偶極子可能是一個獨立于ENSO之外的氣候模態。

3 SPSD對SPCZ降水的影響

3.1 SPSD與SPCZ的關系

SPCZ作為南太平洋最活躍的海氣相互作用帶, 其斜向部分恰好橫穿整個南太平洋副熱帶偶極子區域, 由此猜想偶極子冷暖極位相的轉變是否可影響SPCZ的位置？為驗證這一假設, 把海溫距平12~ 2月的EOF第一模態時間序列PC1與東南太平洋區域降水距平做空間相關, 降水滯后海溫1個月時兩者的相關性最好(圖4), 說明海溫主要影響1個月后的SPCZ降水。圖4中所顯示的填色部分均通過了95%的顯著性檢驗, PC1與東南太平洋大部分地區的降水距平呈現正相關, 且主要集中于偶極子的東北極區域, 西南極區域有較弱的負相關, 表明在正事件年(PC1>0.6)與降水呈正相關的東北極(暖海溫)降水增加,而與降水呈負相關的西南極(冷海溫)降水減少, 顯然較強的偏暖海溫占主導, 從而正偶極子事件年的整體降水趨勢增加。負偶極子事件年則相反, 東北極較強的偏冷海溫導致大部分區域降水減少。

為了進一步說明海溫偶極子和降水變化的關系, 對正負偶極子事件年的降水距平分別做1~3月(JFM) 的合成分析(圖5)。偶極子正事件期間偶極子北部有正降水異常, 南部有負降水異常, SPCZ北移(圖5a); 負偶極子事件則相反, 正降水異常位于偶極子南部, 負降水異常位于北部, SPCZ南移(圖5b)。用20世紀再分析資料(V2)同樣對1948~2012年降水做合成分析, 兩個數據集對于正負偶極子事件期間SPCZ降水帶移動的結論具有高度一致性, 說明南太平洋副熱帶偶極子影響SPCZ降水的現象并不局限于NCEP- NCAR數據分析中。

3.2 SPSD影響SPCZ降水的可能機制

早先的研究表明降水的變化與同期的大氣環流密切相關[19-21], 海溫偶極子模態是否可以通過大氣環流影響SPCZ區域降水變化？通過分析東南太平洋海溫(DJF)以及與降水(JFM)有關的大氣環流場(JFM)驗證以上假設。正偶極子事件后1個月有低壓異常中心(18°S, 112°W)位于整個偶極子區域部分, 且有高壓異常位于西南冷極西南部(圖6a), 東北區域降水增加, 西南區域降水減少, SPCZ向北移動(圖6b)。圖6b中的矢量表示的是925 hPa水汽輸送量距平1~3月(JFM)的合成, 水汽輸送的變化與降水異常密切相關[22],是按照公式(2)定義的。

其中,是925 hPa的比濕,是925 hpa的水平風矢量。根據公式(2)得到后再計算距平值, 就可以得到水汽輸送變化。圖6c中表示的是南半球1~3月(JFM)500 hPa垂直運動距平的合成, 與圖6b相對應, 大氣向上運動區(<0)降水顯著增多, 西南下沉區域(>0)降水普遍減少。結合圖6b和圖6c, 可以發現, 高緯度的下沉氣流攜帶冷水汽從105°~140°W間向北輸送, 在35°S, 130°W附近輻散下沉, 造成西南區域降水減少, 之后的輻散氣流分成兩部分, 一部分向右偏轉與來自赤道太平洋和南美洲低緯度地區攜帶有大量水汽的暖空氣在偶極子暖極區輻合上升, 形成大量降水, 從而降水帶北移, SPCZ位置偏北。

負偶極子事件的機制與正偶極子事件相似(圖略), 偶極子主要受到高壓控制, 東北極受到冷海溫影響, 水汽輻散下沉, 降水明顯減少; 西南暖極則水汽輻合上升, 降水偏多, 因此在負偶極子事件年, 東北部降水少, 西南部降水多, 從而降水帶南移, SPCZ位置偏南。

3.3 典型個例1990年分析

選取1990年作為個例分析, 因為在這一年只有負偶極子事件, 而沒有熱帶太平洋厄爾尼諾和拉尼娜事件的影響, 所以通過此分析過程, 不僅分析在沒有ENSO影響的真實年份中海溫偶極子對SPCZ降水的影響情況, 而且從側面驗證前文去除ENSO的方法是否合理。原始海溫、降水和大氣環流數據先去除氣候態和趨勢, 然后再進行季節平均, 不做去ENSO處理。如圖7所示, 與負偶極子事件合成分析結果類似, 海溫偶極子西南極的暖海溫異常使得此區域主要受到低壓異常控制, 從140°~100°W而來的高緯度水汽與來自低緯度的水汽在西南暖區域匯合, 水汽上升形成降水; 東北冷極區域受高壓控制, 水汽整體呈輻散分布, 從而降水減少, 因此1990年降水異常偏向西南區域, 從而SPCZ南移。典型年份1990年的結果與負偶極子事件合成分析結果的一致性, 進一步說明副熱帶海溫偶極子影響SPCZ降水。

4 結論

本文主要使用HadISST海溫數據和NCEP-NCAR再分析數據初步分析了ENSO事件與偶極子事件的關系, 重點研究了正負偶極子事件年中南太平洋副熱帶偶極子對SPCZ位置的影響。主要結論如下:

1) 偶極子事件年與ENSO沒有明顯的對應關系, 而且海溫偶極子去除ENSO和包括ENSO的季節合成結果相似, 側面證明了偶極子事件反映的是南太平洋副熱帶海溫的固有模態, 獨立于ENSO而存在。

2) 南太平洋副熱帶偶極子顯著影響之后1個月的SPCZ降水, 根據超前滯后相關, 12~2月的偶極子指數與1~3月的降水距平相關性最好, 在東北極區域有較明顯正相關, 西南區域有較弱的負相關, 而且海溫距平和之后1個月降水距平的季節合成在空間上具有高度的一致性。

3) 南太平洋副熱帶偶極子主要通過同期大氣環流影響SPCZ區域降水, 正偶極子事件發生時, 東北極的暖水面上暖濕空氣上升, 降水增加; 西南極的冷水區域有著下沉氣流, 降水減少, 從而降水帶北移, SPCZ位置偏北。負偶極子事件中, 偶極子對降水的影響機制與正偶極子事件相似, 降水帶南移, SPCZ位于南方。文獻研究表明, 厄爾尼諾期間SPCZ向東北方向移動, 拉尼娜期間SPCZ向西南方向移動[16, 23],因此, 雖然偶極子事件獨立于ENSO事件, 但是它對SPCZ區域降水影響的結果仍與ENSO對于SPCZ影響的結論相似。

4) 對個例1990年的分析, 與負偶極子事件年的合成分析具有一致性, 很好地驗證了偶極子影響SPCZ降水這一假設, 也從側面驗證了前文去除ENSO方法的合理性。

另外, 本文的研究結果主要基于資料的診斷分析, 無法完整揭示副熱帶偶極子的海氣耦合過程, 這需要在下一步數值模式試驗中進行驗證。

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Influence of the South Pacific Subtropical Dipole on the South Pacific Convergence Zone

LI Qiong1, 2, 3, 4, ZHENG Jian1, 3, 4, WANG Fa-ming1, 3, 4

(1. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Ocean Circulation and Wave, Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 4. Laboratory for Ocean and Climate Dynamics, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China)

This study analyzes the influence of the South Pacific Subtropical Dipole (SPSD) on the South Pacific Convergence Zone (SPCZ) and explores its dynamic processes by using SST data HadISST from the Hadley center and atmospheric reanalysis NCEP-NCAR data. Analysis shows that the SPSD is linearly independent of ENSO and shows strong phase locking peaks in summer (December January February). The location of the SPCZ precipitation is significantly affected by an SPSD event. The northeast pole (warmer SST) has a positive precipitation anomaly because of lower pressure and moisture convergence in this area during positive dipole event (referred to as positive event) years. However, the southwest pole (cooler SST) with its higher pressure is dominated by a divergence of moisture resulting in less precipitation. Therefore, the SPCZ precipitation zone moves to the north and the location of precipitation is opposite during a negative dipole event (referred to as negative event), which has less precipitation in northeast pole area and more precipitation in southwest pole area. Therefore, the SPCZ precipitation zone moves to the south. The results of this study provide more knowledge on the relationship between SPSD and SPCZ and help to better understand annual climate change and air–sea interaction in South Pacific.

the South Pacific Subtropical Dipole; the South Pacific Convergence Zone; sea surface temperature; precipitation; circulation

(本文編輯: 李曉燕)

Dec. 1, 2015

[Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No.XDA11010102; National Natural Science Foundation of China, No.41176017, No.41421005, No.41606018; NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers, Grant No.U1406401]

P47

A

1000-3096(2016)10-0143-08

10.11759/hykx20151201002

2015-12-01;

2016-01-21

中國科學院戰略性先導科技專項(XDA11010102); 國家自然科學基金項目(41176017, 41421005, 41606018); 國家自然科學基金委員會-山東省人民政府聯合資助海洋科學研究中心項目(U1406401)

李瓊(1990-), 女, 山東濰坊人, 碩士, 研究方向為海洋氣象學, 電話: 13210022531, E-mail: liqiong113@mails.ucas.ac.cn; 王法明, 通信作者, 研究員, 主要從事氣候動力學、海氣耦合等方面的教學與研究, 電話: 0532-82898933, E-mail: faming_wang@qdio.ac.cn