副熱帶南北太平洋經向模與ENSO 的關系*

魯云龍 馮俊喬 , 賈 凡 , 王慶業 ,

(1. 中國科學院海洋環流與波動重點實驗室 青島 266071; 2. 中國科學院海洋研究所 青島 266071; 3. 中國科學院大學 北京 100049; 4. 中國科學院海洋大科學研究中心 青島 266071; 5. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋動力過程與氣候功能實驗室 青島 266237)

厄爾尼諾-南方濤動(El Ni?o and Southern Oscillation, ENSO)是熱帶太平洋海氣作用最強的年際信號, 主要的暖冷ENSO 事件分別對應厄爾尼諾和拉尼娜。進入21 世紀之前, 關于ENSO 傳統的較成熟理論主要著眼于熱帶西太平洋對ENSO 發生發展的影響。一般而言, 厄爾尼諾事件存在兩個先決條件: 赤道西太平洋的暖水堆積(Wyrtki, 1985)和西風異常(Luther et al, 1983; McPhaden et al, 1992)。當條件滿足時, 異常的暖水可以很容易的向東傳播, 造成中東太平洋的異常變暖。這一變暖會通過大氣遙相關對全球的天氣和氣候造成顯著的影響。但是, 進入21 世紀后, ENSO 展現出了一系列不同于以往的特征, 最為顯著的就是暖海溫異常中心位于赤道中太平洋地區的中部型厄爾尼諾事件頻繁發生(Ashok et al, 2007), 這對ENSO 傳統理論提出了挑戰。

除了熱帶太平洋海氣變率對ENSO 產生重要影響外, 在過去十幾年中, 許多研究表明, 熱帶以外的太平洋海氣變率可能為ENSO 事件的激發提供一個重要的確定因素。Vimont 等(2001)最先提出季節性足跡機制, 認為北太平洋濤動作為北半球冬季大氣變率的第二模態, 其南半支通過調節東北信風的強度, 從而改變潛熱通量, 在副熱帶東北太平洋留下海表面溫度異常(sea surface temperature anomalies, SSTA)足跡, 同時與信風相互作用, 在風-蒸發-海表面溫度反饋(wind-evaporation-sea surface temperature (SST) feedback, WES, Xie et al, 1994)作用下向西南傳播, 在赤道太平洋引起類ENSO 變率。Chiang 等(2004)提出北太平洋SST 經向梯度和熱帶輻合帶(intertropical convergence zone, ITCZ)的變化存在一定聯系, 在副熱帶北太平洋存在一個與大西洋經向模類似的模態, 稱之為北太平洋經向模(North Pacific meridional mode, NPMM)。Chang 等(2007)研究表明, 大多數厄爾尼諾事件之前都有明顯的北太平洋經向模正位相(東北太平洋暖異常)活動, 北太平洋經向模是北太平洋大氣變率影響ENSO 的重要通道。還有一些研究表明, 北太平洋經向模能通過海氣過程對中部型厄爾尼諾事件產生重要影響(Yu et al, 2010; Su et al, 2014a)。Su等(2014b)指出2012 年秋季厄爾尼諾事件增暖的突然中斷與北太平洋經向模的活動有關, 副熱帶東北太平洋受北太平洋經向模影響產生SST 冷異常, 其所導致的東風異常和低層輻散抑制了赤道中太平洋的對流活動, 使得2012—2013 年厄爾尼諾夭折。在年代際尺度上, Di Lorenzo 等(2015)的數值實驗結果表明太平洋低頻變率與NPMM-ENSO 的聯合作用相關。

Zhang 等(2014)利用海氣熱力學耦合模式研究了南太平洋經向模(South Pacific meridional mode, SPMM)暖異常海溫信號在風-蒸發-海表面溫度反饋下傳到熱帶太平洋的過程, 并提出云-SST 反饋機制在其中的作用。2014 年初, 許多專家預測年底會出現強度堪比1997—1998 年厄爾尼諾的ENSO 暖事件, 然而, 到了夏季暖異常增長停滯; 有研究發現, 在該事件過程中, 與南太平洋經向模有關的副熱帶東南太平洋冷SSTA 與赤道西太平洋的持續增暖相配合, 減弱了赤道太平洋緯向溫度梯度, 增強了赤道中東太平洋的東南信風, 抑制了赤道中東太平洋的海氣相互作用, 使得厄爾尼諾發展受到阻礙(Min et al, 2015)。Zheng 等(2018)發現南太平洋經向模東北極子區域的異常海溫信號向赤道傳播過程中, 風-蒸發-海表面溫度反饋不是必須的, 信風的變化也可引起赤道太平洋次表層變化, 從而引起ENSO 事件。

在ENSO 預報方面, Larson 等(2014)肯定了北太平洋經向模作為ENSO 預報因子的有效性, 但也發現其預報技巧很低, 并且Larson 等(2018)提出南太平洋經向模的另一個角色, 不是作為ENSO 的觸發因子, 而是作為ENSO 振幅和不確定性的熱力學驅動因子。有研究表明, 南北半球的經向模態與不同類型ENSO之間具有重要聯系, 南太平洋經向模有利于東部型厄爾尼諾, 北太平洋經向模更有利于中部型厄爾尼諾的發生(Zhang et al, 2014; Lin et al, 2015)。Min 等(2017)也指出南太平洋經向模主要有利于東太平洋SSTA 發展, 北太平洋經向模主要有利于赤道中太平洋SSTA 發展, 并據此可以參考這兩個經向模態對兩類ENSO 進行預測。

綜上可見, 近些年來, 已有學者對北太平洋經向模和南太平洋經向模同ENSO 的關系進行了探索, 但同時對比分析兩半球副熱帶太平洋經向模和熱帶的關系的研究比較少, 且尚無一致結論。本文將系統分析南北太平洋兩個副熱帶經向模和ENSO 的關系, 深入理解副熱帶和熱帶海氣相互作用的過程和機制, 并試圖建立利用副熱帶變量預測ENSO 的統計模型。

1 數據與方法

本文所使用的月平均海表面溫度資料來自英國氣象局Hadley 中心的海冰和海表面溫度數據集(HadISST)。月平均海表面高度(sea surface height, SSH)資料來自海洋再分析系統ORAS4(ocean reanalysis system 4), 因為海表面高度漲落是衡量溫躍層深度擾動的一種很好的方法, 所以可以用它來代表溫躍層的變化(Rebert et al, 1985)。使用的大氣資料來自美國國家環境預報中心發布的再分析數據(NCEP-NCAR Reanalysis 1, Kalnay et al, 1996), 其中包括海表面月平均風場和熱通量。本文分析的變量期間為1948—2018 年。

首先對所有數據進行線性去趨勢處理, 去傾后的各變量減去其季節循環得到變量異常值。對異常序列進行3 個月的滑動平均。

使用的主要分析方法有最大協方差分析(maximum covariance analysis, MCA)、超前滯后相關分析、回歸分析等。對相關分析的結果檢驗采用了Student’s t-test 方法。

2 結果分析

2.1 副熱帶南、北太平洋經向模

為了獲得北太平洋經向模的時空分布, 對10m 風異常和SSTA 的協方差矩陣進行最大協方差分析, 由于熱帶地區更強的信號會掩蓋副熱帶的特征, 所以在分析之前, 線性去除了冷舌指數(6°S—6°N, 180°—90°W平均SSTA, CTI, Deser et al, 1990), 從而將ENSO 信號剔除。在北太平洋(0°—35°N, 175°E—95°W)對余下數據進行最大協方差分析, 第一模態的方差貢獻為72.5%, 相應的時間序列分別標記為 NPC(north principal components)-Wind 和NPC-SST。為了探索NPC-Wind 和NPC-SST 的關系, 計算了兩個系數的超前滯后相關(圖2a), 結果顯示當風超前SST 一個月時, 相關系數最大, 為0.75, 這表明風驅動海洋。

圖1 副熱帶北、南太平洋經向模態(a, b)及其時間序列(c, d) Fig.1 North and south Pacific meridional modes and the time series

如圖1a 所示, 分別將10m 風、SSTA、潛熱通量和海表面氣壓異常(sea level pressure anomalies, SLPA) 回歸到標準化的NPC-Wind 上, 得到北太平洋經向模的空間結構。北太平洋經向模態的物理解釋與已經建立的大西洋經向模態類似。圖1a 顯示北太平洋經向模的海溫正異常中心位于(150°—125°W, 12°—25°N), 負異常中心位于(180°—160°W, 25°—32°N), 定義該結構為北太平洋經向模正位相。除SSTA 呈現偶極子結構外, 海表面氣壓異常也表現為南北偶極子結構, 其南極(中心位于160°—140°W, 25°—40°N)通過調節副熱帶高壓系統, 使副熱帶東南太平洋出現異常西南風, 這就抑制了背景東北信風, 對應負潛熱通量異常, 潛熱釋放減少, 有利于正SSTA 發展。

在副熱帶南太平洋(12°—38°S, 180°—70°W), 對10m 風異常和SSTA 進行相同的最大協方差分析, 第一模態的方差貢獻為44.4%, 相應的時間序列標記為SPC-Wind 和SPC-SST。超前滯后相關分析顯示(圖2d), 與北太平洋經向模相同, 當風超前SST 一個月時相關系數達到最大0.54。同樣的, 圖1b 顯示了10 m異常風場、SSTA、潛熱通量異常和海表面氣壓異常相對于標準化的SPC-Wind 的回歸場。海溫正異常中心位于(100°—70°W, 20°—35°S), 負異常中心位于(140°—120°W, 32°—45°S), 定義為南太平洋經向模的正位相結構。在中高緯度存在一個海表面氣壓異常的偶極子結構, 類似于北太平洋經向模的情形, 副熱帶高壓系統的變化調節背景信風, 從而改變潛熱通量, 影響海表面溫度。

為了研究兩個經向模的時間特征, 分別計算了SST 和風指數的季節性變率。由圖2b、c 可知北太平洋經向模在北半球冬季(12 月至來年3 月, DJFM)大氣變率最強, SST 在冬春季(1—5 月, JFMAM)變率最強。而南太平洋經向模有所不同, 圖2e、f 顯示, 南太平洋經向模在南半球冬季(5—8 月, MJJA)大氣變率最強, 而SST 最大變率發生在南半球秋夏(11 月至來年3 月, NDJFM)。南太平洋經向模風和SST 季節性的較大差異很可能是受副熱帶東南太平洋混合層深度(mixed layer depth, MLD)的季節性的影響。副熱帶東南太平洋混合層在南半球冬季較深夏季較淺(Ding et al, 2014), 淺的混合層可能會放大SST 對風的響應, 相反, 更深的混合層會抑制SST 對風的響應。

圖2 海表面溫度和風指數的超前滯后相關以及風和海表面溫度指數的季節性 Fig.2 The lead-lag correlations between PC-SST and PC-Wind, and the seasonality of the PC-SST and PC-Wind

2.2 副熱帶南北太平洋經向模與ENSO 的關系

為了探索北太平洋經向模、南太平洋經向模與ENSO 的可能關系, 計算了NPC-Wind、SPC-Wind 與Ni?o3.4 指數的滯后相關, 由于ENSO 的非線性可能會對SSTA 產生影響, 所以以下的分析都是基于風指數(Chiang et al, 2004), 并且風指數包含內部大氣變率的信息, 且與 ENSO 密切相關的海洋開爾文波(Kelvin)的產生有關(Thomas et al, 2016)。

圖3a 中可以看到, 當Ni?o3.4 超前NPC-Wind 時, 二者基本沒有相關關系, 說明ENSO 對北太平洋經向模事件發生的貢獻不大; 但是, 當 Ni?o3.4 滯后NPC-Wind 8—11 個月時, 二者達到99%的置信度檢驗, 滯后10 個月時, 相關系數最大, 為0.45。這說明, 北太平洋經向模能夠激發熱帶太平洋ENSO 事件, 北太平洋經向模正位相事件成熟10 個月后, EI Ni?o 事件可能會達到成熟位相。從圖 3b 可以看到, 當Ni?o3.4 超前SPC-Wind 時, 二者為負相關, 但未達到95%的置信度檢驗; 當Ni?o3.4 滯后SPC-Wind 時, 二者為顯著正相關, 滯后6 個月左右達到最大, 為0.34, 超過95%置信度檢驗。這意味著, 如果在南太平洋發生南太平洋經向模正位相事件, 6 個月后, 熱帶太平洋可能會發生 EI Ni?o 事件。NPC-Wind、SPC-Wind 和ENSO 的關系表明, 副熱帶南、北太平洋經向模對ENSO 的激發有著重要的影響, 兩個經向模態可能是誘發ENSO 的原因之一。下面我們將利用回歸分析討論副熱帶和熱帶聯系的可能機理。

2.3 北太平洋經向模與ENSO 聯系的可能機制

圖4、5 展示了SSTA、海表面風場、海氣界面熱通量(潛熱通量和短波輻射通量, 由于感熱和長波輻射通量相對貢獻較小, 從而沒有展示)、海表面高度異常(sea surface height anomalies, SSHA) 相對于NPC-Wind 2—4 月(FMA)平均指數的滯后回歸場。

圖3 北(a)、南(b)太平洋經向模態時間序列與Ni?o3.4 指數的滯后相關 Fig.3 The lead-lag correlation between NPC-Wind (a), SPC-Wind (b), and Ni?o3.4

圖4 3 個月平均的SSTA、10 m 異常風場相對于NPC-Wind 2—4 月(FMA)指數的回歸 Fig.4 The lag regressions of 3-month averaged SSTA and surface wind anomalies at 10 m on February-March-April (FMA)-averaged NPC-Wind

由圖4a 可以看出, 在1—3 月(JFM)期間, 副熱帶北太平洋存在大尺度的氣旋式環流, 北太平洋經向模暖極子區所在的副熱帶北太平洋的東南海區首先出現西南風異常, 削弱背景場的東北信風, 使得潛熱釋放 減少, 而冷極子區信風加強潛熱釋放增加(圖5a1), 可以看出, 這時大氣變率最強, 對應的潛熱通量的變化最大, 這一過程一直持續到北半球春季, 北太平洋經向模的海溫異常達到最大。另外, 在北太平洋經向模冷極子區的西北黑潮延伸體區, 海表面高度出現顯著負異常, 表明次表層冷水可通過海水上升運動夾卷至混合層, 促進SSTA 冷異常發展(圖5a3)。

北太平洋經向模成熟后, SSTA 暖異常伴隨著異常西南風向西南擴展, 這一過程稱為風-蒸發-海表面溫度反饋。在 5—7 月(MJJ)以及 7—9 月(JAS)期間, 赤道中北太平洋西風異常加強; 赤道西太平洋的新幾內亞沿岸區域負海表面溫度異常加強, 對比各個通量項, 可以發現這主要是由潛熱通量變化引起的。隨著時間發展, 赤道中太平洋暖 SSTA 不斷增強, 并向東發展, 在赤道太平洋出現Matsuno-Gill 型大氣響應(Matsuno, 1966; Gill, 1980), 西太平洋赤道兩側出現氣旋式環流異常, 呈現大氣羅斯貝波(Rossby)調整,赤道西太平洋盛行異常西風, 并激發東傳的海洋暖開爾文波(圖5c3, d3), 有利于赤道中東太平洋地區溫躍層深度增加和SSTA 增暖。同時, 赤道中太平洋地區短波輻射加強, 有利于SSTA 增長(圖5c2, d2)。

在 9—11 月(SON)和 11—1 月(NDJ)期間, 赤道西太平洋西風異常不斷向東推進, 在赤道東太平洋, 在SST-溫躍層反饋機制作用下, 次表層過程影響 SSTA變化; 同時從海表面高度異常圖中可以看到赤道海洋開爾文波持續東傳, 最終導致厄爾尼諾發展并達到成熟。在這一期間從短波輻射變化導致的熱通量回歸場可以看到, 向下短波輻射增強, 促進暖SSTA 發展。

圖5 3 個月平均的潛熱通量、短波輻射和海表面高度異常相對于NPC-Wind 2-4 月(FMA)指數的回歸Fig.5 The lag regressions of 3-month averaged latent heat flux, short wave radiation heat flux, and sea surface height anomalies on February-March-April (FMA)-averaged NPC-Wind

2.4 南太平洋經向模與ENSO 聯系的可能機制

類似于北太平洋經向模, 圖 6、7 展示了各個變量場相對于SPC-Wind 2—4 月(FMA)平均指數的滯后回歸場。

圖 6 可以看出, 在 1—3 月(JFM)期間, 副熱帶東南太平洋有大尺度的氣旋式環流異常, 正SSTA 上空存在異常西北風, 削弱了背景場的東南信風, 潛熱釋放減少。相較于暖極子, 冷極子范圍較小, 因此暖極子可能在聯系南太平洋經向模與 ENSO 中起更重要的作用; 澳大利亞東南海域背景西風的加強使得潛熱釋放增加, 產生了冷的 SSTA。這一過程一直持續到春季, 同時東南太平洋氣旋式環流異常加強, 暖異常信號在風-蒸發-海表面溫度反饋下向西北延伸。這一熱力學耦合過程也發生在澳大利亞東岸, 負 SSTA向西北延伸。赤道西風異常不斷增強。

5—7 月(MJJ)和 7—9 月(JAS)期間, 從海表高度異常場的回歸圖中可以看到(圖7c3, d3), 沿著赤道的異常西風分量激發向東傳播的開爾文波, 促進赤道中東太平洋暖SSTA 發展。同時, 東南太平洋暖異常信號沿著南美洲西海岸繼續向西北擴展, 加強了中東赤道太平洋SSTA 發展。在9—11 月(SON)和11—1月(NDJ)期間, 由于開爾文波的到來, 變暖進一步加強, 厄爾尼諾模態不斷發展。從短波輻射通量的回歸場可以發現, 赤道中太平洋地區短波輻射加強, 有利于厄爾尼諾模態的成熟(圖 7e2, f2)。

2.5 回歸模型

圖 3 超前滯后相關分析結果表明, 在副熱帶太平洋出現北太平洋經向模正位相事件或者南太平洋經向模正位相事件后, 熱帶太平洋可能會發生厄爾尼諾事件。該結果為我們提前預測ENSO 事件提供了一個新的途徑。據此, 我們利用月平均北太平洋經向模和南太平洋經向模的風場指數(二者關系不大, 相關系數約為0.2), 基于二元線性回歸構建了如下預測模型:

其中, Y(t)為預測的 t 時刻 Ni?o3.4, X1(t-t1)為 t-t1時刻NPC-Wind, X2(t-t2)為 t-t2時刻 SPC-Wind。為了獲得提前時間較長且較準確的預測效果, 我們取不同的t1和t2進行組合, 通過比較發現, 當t1=10, t2=6, 即, 當NPC-Wind 和 SPC-Wind 分別提前 10 和 6 個月時, 效果最好。利用最小二乘法計算了研究時段內的多元回歸系數, 獲得擬合公式為:

圖6 3 個月平均的SSTA、10 m 異常風場相對于SPC-Wind 2—4 月(FMA)指數的回歸Fig.6 The lag regressions of 3-month averaged SSTA and surface wind anomalies at 10 m on February-March-April (FMA)-averaged SPC-Wind

圖7 3 個月平均的潛熱通量、短波輻射和海表面高度異常相對于SPC-Wind 2-4 月(FMA)指數的回歸Fig.7 The lag regressions of 3-month averaged latent heat flux, short wave radiation heat flux, and sea surface height anomalies on February-March-April (FMA)-averaged SPC-Wind

1950—2018 年, 根據該模型擬合的 Ni?o3.4 和觀測的 Ni?o3.4 之間的相關系數達 0.57(圖 8), 遠超過99%的置信度檢驗, 并強于單獨使用NPC-Wind 或者SPC-Wind 預測的情形。有學者也曾提出聯合南北太平洋海氣變率預測ENSO 有望提升ENSO 預報技巧。比如, You 等(2018)利用CMIP5 模式和再分析資料基于 2—4 月平均的表征南太平洋經向模和北太平洋經向模的風場指數以及赤道暖水體積指數共同構建了預測整個太平洋海盆同年11—1 月平均SSTA 的統計模型; Ding 等(2014)基于由SSTA 表征的南太平洋四極子結構和北太平洋偶極子結構在1—3 月期間的平均指數, 構建了預測同年 11—1 月平均的Ni?o3.4 的經驗模型。本文建立的二元回歸模型基于受ENSO 非線性影響較小的風場指數, 且采用北太平洋經向模超前10 個月和南太平洋經向模超前6 個月的指數預測月平均Ni?o3.4, 考慮了南北兩個模態與ENSO 關系的區別; 對月平均Ni?o3.4 的預測, 不僅能體現ENSO 成熟期的狀態, 而且還能了解其時空演變過程。

圖8 觀測的Ni?o3.4 指數與模型預測指數Fig.8 Observed and model predicted Ni?o3.4 index

3 總結與討論

本文利用觀測和再分析資料, 分析了副熱帶南、北太平洋經向模的基本特征及其與ENSO 的關系。兩個經向模態都與副熱帶高壓系統的變化有著重要的聯系; 副高引起的信風強度的變化, 可以通過調節海氣界面潛熱通量, 從而影響海表面溫度。相關分析結果表明, 兩個經向模態與ENSO 均具有密切聯系。當Ni?o3.4 滯后北太平洋經向模 8—11 個月時, 二者相關系數超過 99%置信度檢驗, 滯后 10 個月時, 相關最大; Ni?o3.4 滯后南太平洋經向模5—10 個月時, 二者顯著正相關, 滯后6 個月時, 相關最大。在副熱帶太平洋發生北太平洋經向模正位相事件(北太平洋東南暖, 西北冷)大約 1 年后或者南太平洋經向模正位相事件(南太平洋東北暖, 西南冷)大約半年后, 熱帶太平洋可能會發生厄爾尼諾事件。據此, 根據表征南太平洋經向模和北太平洋經向模的風場指數, 建立了預測ENSO 的回歸模型, 效果良好。

利用回歸分析探討了副熱帶南北太平洋經向模與ENSO 聯系的可能機制。結果發現, 海氣熱力學過程在聯系二者中起主要作用, 同時海洋動力學過程也具有一定貢獻。副熱帶北太平洋暖異常信號在風-蒸發-海表面溫度反饋下向西南傳播到赤道中太平洋, 在Matsuno-Gill 型響應下, 海氣耦合過程使得厄爾尼諾事件快速發展并走向成熟; 南太平洋經向模事件發生后, 東南太平洋暖異常信號沿著南美西海岸向赤道傳播, 另外, 澳大利亞東岸冷異常向西北延伸, 赤道太平洋異常西風不斷增強, 有助于ENSO 的發展。

當前流行的 CMIP5 模式對熱帶太平洋背景條件比較敏感, 對熱帶外信號的捕捉存在很大不確定性(You et al, 2018)。此外, 在全球變暖的背景下, 目前的氣候預測模式亦有很多不確定性(Wang et al,2019)。因此, 為了提高對ENSO 的預測, 不僅要重視熱帶海洋動力和熱力過程, 更要重視熱帶外過程, 特別是最近才開始受到廣泛關注的南太平洋。