2010年拉尼娜事件发生的动力机制研究

刘国林, 袁东亮

(1. 中国科学院 研究生院, 北京100039; 2. 中国科学院 海洋研究所, 中国科学院 海洋环流与波动重点实验室, 山东 青岛 266071)

2010年拉尼娜事件发生的动力机制研究

刘国林1,2, 袁东亮2

(1. 中国科学院 研究生院, 北京100039; 2. 中国科学院 海洋研究所, 中国科学院 海洋环流与波动重点实验室, 山东 青岛 266071)

利用“LASG/IAP气候系统海洋模式”(LASG/IAP Climate system Ocean Model, 简称LICOM海洋模式)和全球简单海洋资料同化分析系统产成的 SODA(simple ocean model assimilation)资料研究了2010年拉尼娜事件发生的动力机制。结果表明, 2010年拉尼娜事件发生于2010年6月, 是继2009年厄尔尼诺事件之后发生的一次较为特殊的一次冷事件, 该事件将持续到2011年; 该事件主要是由2010年西边界反射的东传上升Kelvin波和西太平洋异常东风激发的, 而赤道太平洋纬向流异常在该事件的形成过程中也起着非常重要的作用。通过对本次拉尼娜事件动力机制和发生发展过程的研究分析, 进一步加深了对拉尼娜事件动力机制的了解, 同时对拉尼娜事件的预报及防灾减灾有重要意义。

赤道Kelvin波; 赤道Rossby波; 拉尼娜; 动力机制

拉尼娜事件系指赤道太平洋东部和中部海面温度持续异常偏冷的现象(与厄尔尼诺事件正好相反),它是热带海洋和大气共同作用的产物。当赤道太平洋爆发异常东风, 太平洋上空的 Walker环流变得异常强烈, 异常东风将被太阳加热的表层海水吹向太平洋西部, 致使暖水在西太平洋堆积, 西太平洋海平面增高, 水温上升, 气压下降, 而东部次表层海水上翻, 致使东太平洋表层水温异常偏低, 形成拉尼娜事件。

“冷漠型”的主要表现是既缺乏职业规划意识又缺乏规划动力，低效能感作用下对就业缺乏关心和关注，也就不会产生虑情绪，但是这种低效能对学生本身能动性会产能生阻碍作用，学生也容易因为不关心就业，在大四毕业择业时容易错失机会，也因其产生的低效能会对学生的后续人生规划中作出不全面不准确判断。

拉尼娜事件会给全球造成严重的旱涝灾害, 使许多国家的工农业生产遭受严重损失。据世界气象组织报道, 2010年拉尼娜事件在引起中国“南冻北旱”的同时, 也给全球造成了严重灾害: 低温寒流席卷亚洲大部, 寒冷天气导致印度至少129人死亡, 俄罗斯东北部出现–60℃的低温天气, 日本连降暴雪; 澳大利亚多处地区因持续暴雨遭遇严重的洪涝灾害; 菲律宾南部连降暴雨, 强降水引发洪水和泥石流; 印尼的爪哇地区遭受龙卷风袭击, 使得大量民房倒塌。

有学者很早就指出, 海-气相互作用对厄尔尼诺和拉尼娜事件的产生有很大作用[1], 而且异常风应力是激发 1997/1998年厄尔尼诺事件及其之后的拉尼娜事件的主要原因[2]。一般拉尼娜事件会随着厄尔尼诺事件的结束而发生, 有时会出现在厄尔尼诺事件发生之后的当年或第二年。与厄尔尼诺事件类似,拉尼娜事件的持续时间也有很大差别, 短则半年,长达两年多。1997/1998年厄尔尼诺事件是 20世纪50年代以来最强的一次事件, 并于当年秋季(1998年9月, 以 Nino3指数为判据)发生了一次强拉尼娜事件(1998/2000 年)。

一般来说，受众参与广播电视节目的发展过程可以概括为三个阶段：受众点播节目——受众电话参与节目——受众现场参与节目。热线电话介入直播节目现场的本质是“受众同步反馈并参与节目制作，”可介入热线电话的节目类型有采访报道类、公共事务谈话类、情感倾诉类、综艺游戏类和服务类[1]。随着科学技术的发展，依靠新媒介的介入，这五种节目类型相互杂交，衍生出了新的复合型节目。2010年1月15日，江苏卫视推出的《非诚勿扰》就是一档服务于广大适龄男女的、适应当代生活节奏的大型婚恋交友电视节目。《非诚勿扰》具有自己独特的信息传播机制，这是它取得高收视率，兼具经济效益和社会效益的关键原因。

2010年拉尼娜事件是一次比较特殊的事件, 因为它是1951年来所有拉尼娜事件当中继厄尔尼诺事件发生后发展速度最快的一次事件。2009/2010年厄尔尼诺事件于2010年5月结束, 而在2010年6月便发生了该次拉尼娜事件。那么, 2010年拉尼娜事件的诱发机制是什么？海洋波动(赤道Kelvin波和Rossby波)和表层流在其形成过程中有何作用？这些科学问题迄今尚未研究。因此, 本文拟利用资料分析与数值实验相结合的研究方法来具体分析2010年拉尼娜事件发生的动力机制, 以期为深入了解拉尼娜事件的形成原因及其可预报性研究提供可靠的科学依据。

1 模式简介及资料与方法

2.3 与Nino3 指数对比

从前面的分析可知, 赤道中太平洋的东风异常在2010年拉尼娜事件的发生和发展过程中起着很重要的驱动作用。众所周知, 风异常不仅能引起海洋波动(如赤道Kelvin波和Rossby波), 而且还将驱动海水运动, 形成海流。那么, 海洋波动和海流在拉尼娜事件形成过程中的作用如何？为此, 下面重点分析海洋波动和表层流对拉尼娜事件的影响, 进而探讨拉尼娜事件发生的动力机制。

2.1 海面高度验证

2 模式结果验证

本文采用赤道波分解方法分析全流海洋模式的模拟结果[7-8]。

图1 1993~2010年赤道太平洋海表高度异常分布(单位: m)Fig. 1 Interannual sea surface height anomaly of the equatorial pacific (unit:m)

以前的观点认为, 厄尔尼诺和拉尼娜的发生都是从东太平洋南美洲秘鲁沿岸开始的, 对拉尼娜事件的判断标准也各不相同, 有Nino1+2指数、Nino3指数、Nino3.4指数以及 TNI指数[10-11]。但是近年来的观测事实表明, 拉尼娜事件和厄尔尼诺事件都是先从赤道中太平洋开始的, 然后扩展到东海岸[12]。因此本文利用Nino3指数来检验模拟结果的可靠性[13]。

2.2 海表温度验证

采用中国气象局的自动站与CMORPH小时降水融合产品作为观测数据,对模式结果进行检验,其分辨率为0.1°×0.1°。

由于海表温度异常(SSTA)的传播是厄尔尼诺与拉尼娜事件的主要特征之一, 因此本文还对模拟的SSTA与实测结果进行了对比。图2为1991~2010年模拟和观测的赤道区域(2°N~2°S)平均 SSTA分布。可以看到, 模拟的SSTA与观测值比较一致, 并对厄尔尼诺事件和拉尼娜事件的形成与发展过程都有很好的体现。除了模拟的1997/1998年厄尔尼诺事件期间正SSTA中心的位置要比观测结果略偏西外, 其他厄尔尼诺事件(1991/1992, 1994/1995, 2002/2003和2009/2010年)和拉尼娜事件(1995/1996, 1998/2000,2007/2008和2010年)期间的模拟结果和实测值都比较吻合。

值得指出的是, 由于 2010年拉尼娜事件是在2009/2010年厄尔尼诺事件结束后不久发生的, 因此进一步对比分析2009~2010年模拟的SSTA和实测结果是十分必要的。由图3可以看出, 模拟结果和观测非常相近, 特别是模拟的拉尼娜事件发生时间和观测相一致, 只是模拟的SSTA比观测值略大。从模拟结果可以清楚地看到, 发生于2010年6月的拉尼娜事件, 在 2010年 12月仍然很强(赤道中东太平洋的 SST仍为很大的负异常), 并没有减弱的趋势。

图2 1990~2010年赤道太平洋海表温度异常分布(单位:℃)Fig. 2 Interannual sea surface temperature anomaly of equatorial pacific from 1990 to 2010 (unit:℃)

本文所用的模式是由中国科学院大气物理研究所LASG实验室开发的准全球的“LASG/IAP气候系统海洋模式”(LASG/IAP Climate system Ocean Model,简称LICOM海洋模式), 所用的版本是LICOM 1.0[3],模式覆盖的海域为 90°N~79°S, 0°~360°的全球海域,水平分辨率为 0.5°×0.5°(经度×纬度), 垂直有30层。它采取的参数化方法(如中尺度涡参数化方案GM90[4]和热带上层海洋垂直混合的 P-P方案[5])较好地改善了模式的模拟效果。模式使用风应力、净短波辐射、非短波通量作为初始场, 而温盐初始场来自Levitus94气候温盐资料集[6], 垂向共30层。通过900 a积分, 使表层海温和盐度恢复到WOA98月平均SST和SSS。

为了检验模式模拟结果的可靠性, 本文将模式结果与TOPEX卫星高度计资料进行了对比分析。图1给出了 1993~2010年赤道区域(2S°~2°N)平均的观测和模拟的海面高度异常分布。由图1可知, 模式能够很好地再现赤道太平洋海面高度异常的分布特征和演化规律, 特别对厄尔尼诺事件(1994/1995,1997/1998和2009/2010年)和拉尼娜事件(1995/1996,1998/2000和2010年)的形成与发展过程都有很好的模拟。但应指出的是, 模式模拟的海面高度异常值比观测的略小些, 即模式对厄尔尼诺与拉尼娜事件的模拟强度要弱于观测, 这是由海洋动力过程造成的偏差引起的[9]。在赤道上, 虽然正压过程的计算误差较大, 但本文所要计算的斜压过程的误差则比正压误差偏小, 而且海面高度的误差也较小, 这对我们用波分解方法进行动力机制分析影响不大, 亦即这种误差可以忽略不计。

由图4可以看到, 模拟的Nino3指数与实测结果非常一致, 而且两者的数值也比较接近, 特别是除了模拟的拉尼娜事件强度比实测略弱些外, 对1992/1993、1997/1998及最近的2009/2010厄尔尼诺事件都模拟得很好。拉尼娜事件与厄尔尼诺事件的振幅存在着非对称性, 这主要是由海洋的非线性温度平流造成的[14]。因此可以认为, 本文的模拟结果是可信的。

2.金融衍生产品的风险分析。金融衍生产品本身就是一个风险规避的产品，可是这样的一个产品却在短短十年之间发生了巴林银行、中航油等数起金融事件，造成数十亿的亏损，令人瞠目结舌。这样的事实告诉我们，有必要对金融衍生产品市场的内在风险进行梳理、分析［1］18。

图3 2009~2010年赤道太平洋海表温度异常分布(单位:℃)Fig. 3 Interannual sea surface temperature anomaly (unit:℃)

图4 1990~2010年Nino3 指数Fig. 4 Nino3 index of 1990~2010

3 拉尼娜事件的发生过程

以前的观点认为, 厄尔尼诺事件和拉尼娜事件都起源于赤道东太平洋, 而近几年的观测资料则表明, 厄尔尼诺和拉尼娜事件是由中太平洋温跃层开始的[9]。为了进一步了解 2010年拉尼娜事件的成因, 图6给出了赤道太平洋海温异常分布。可以看到, 2010年5月在赤道中太平洋的60~140 m水层有一负海温异常(TA＜–2.0℃)存在, 之后它向东向上迅速传播, 并于6月影响到海面, 使得赤道中东太平洋海面基本为负海温异常所控制。这与近年来冷、暖事件都是从中太平洋温跃层开始的观测事实相一致。

图5 2009~2010年赤道太平洋海面高度(m)异常和纬向风应力(N/m2)异常Fig. 5 Model sea surface height anomaly and model zonal windstress anomaly of equatorial pacific from 2009 to 2010

图5给出了 2009~2010年模式的海面高度异常(SSHA)和纬向风应力异常分布。可以看到, 在 2010年 4月, 赤道中东太平洋均出现了海面高度负异常,而在同年5月赤道西太平洋(120°~160°E)的海面高度为正异常, 这意味着赤道中东太平洋的暖水开始流向西太平洋。6月, 中东太平洋的海面高度负距平明显增大(SSHA＜–0.05 m), 并于 10月达至最大, 为–0.15 m, 位于160°W附近。这说明, 拉尼娜事件自2010年 6月爆发以来, 其强度迅速增强, 并将一直持续下去。这主要与持续的东风异常有关。如图 5中的右图所示, 自 2010年4月以来, 赤道中太平洋一直维持东风异常, 特别在 7月以来东风异常显著加强, 这有助于赤道中东太平洋的暖水减少, 次表层冷水上翻, 使得拉尼娜事件增强。

在伯克利国家实验室，利曼斯带我走过记录粒子加速器历史的洞穴走廊时，向我展示了大约有半块黄油大小的块状装置，该装置中嵌入的一个管状体内存有等离子体，BELLA的激光脉冲通过其中的等离子体，能够将等离子体中的电子加速到高能量，接近世界上一些最高能的电子加速器所产生的能量。

4 拉尼娜事件发生的动力机制

本文所用的强迫场资料包括短波、长波、海面以上2 m处气温、10 m处风速、海表压力和海表比湿。这些参数均取自于NCEP 1990~2010年间的日平均资料。 1993~2007年间的海面高度资料为TOPEX卫星高度计资料, 而 1991~2010年间的月平均海表温度资料来自于 Hadley中心。此外, 本文还使用了2010年1~12月SODA(simple ocean model assimilation)资料的表层流数据。

试验中所用的波分解方法是在赤道区域(5°N~5°S)平均的密度剖面基础上计算出特征函数和斜压模态的波速。为了得到每个斜压模态的系数,把深达2 700 m(25层)的三维动力高度和纬向流分解成特征函数, 再把这些系数分解成赤道 Kelvin波和Rossby波[7-8]。图 7为第一斜压模态的 Kelvin波和Rossby波, 这些系数与模式模拟的海面高度异常有一定的关系。

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模式分解的赤道Kelvin波和Rossby波系数显示,2009年上半年和下半年各有一支东传的下降的Kelvin波(图7), 前者来自西边界反射, 并受西太平洋东风异常的加强(图5), 后者显然是由西太平洋西风异常强迫的, 从2009年10月西传并于2010年初传到东太平洋, 这部分Kelvin波显然对2009年底的弱厄尔尼诺事件有重要贡献。

图6 2010年5~12月赤道太平洋海水温度异常剖面图(单位:℃)Fig. 6 Equatorial Pacific sea temperature anomaly profile from May to December of 2010 (unit:℃)

2009年底中太平洋西传的上升 Rossby波于2010年初达到西边界, 然后反射形成 2010年的上升Kelvin波, 而东传的上升Kelvin波也受西太平洋异常东风的加强(图 5), 显然该反射 Kelvin波与东风异常共同作用, 进一步生成 2010年底的拉尼娜事件。

以上分析显示, 西边界反射和赤道太平洋纬向风异常对于 2009年至 2010年间的热带太平洋的厄尔尼诺和拉尼娜事件起了重要作用。

图7 2008~2010年赤道Kelvin波和赤道Rossby波分解系数Fig. 7 Decomposed coefficients of equatorial Kelvin wave and Rossby waves of the first baroclinic mode from 2008 to 2010正值表示下沉; 负值表示上升。Kelvin波一单位对应于0.33 m的海表高度, 第一斜压模态Rossby波一单位对应于0.14 m的海表高度The contour units correspond to 0.33 m for Kelvin wave sea level and 0.14 m for the first meridioal-mode Rossby wave sea level on the equator

Qi等[15]的研究结果表明, 波致流(由赤道Kelvin波和 Rossby波引起的纬向流异常)是赤道太平洋表层暖水纬向运动的主要驱动因素。那么, 纬向流异常在 2010年拉尼娜事件形成中的作用如何？为此, 本文给出了 2010年 2~12月间的热带太平洋表层流异常场(图 8)。可以看到, 2月除了在赤道西太平洋存在较强的异常东向流外, 在赤道东太平洋已出现异常西向流。而这种情况在 3月份已发生了明显的改变, 即异常西向流区向西扩展至 160°E附近。自 4月之后, 赤道太平洋完全由异常西向流所控制。大范围的异常西向流将使得赤道中东太平洋的表层暖水西迁, 致使赤道中东太平洋的温跃层冷水上翻, 表层水温下降, 形成拉尼娜事件。由此可见, 赤道太平洋表层纬向流异常在 2010年拉尼娜事件的形成过程中起着非常重要的作用。但是, 这些纬向流异常的形成机制尚不清楚, 拟另文研究。

6 作者投稿时须从邮局汇20元稿件处理费，请勿在稿件中夹寄。稿件确认刊载后，将按标准向作者收取版面费(版面费请从邮局寄给本刊编辑部)。我刊收到版面费后，将出具正式收据，以挂号信形式寄给作者。稿件刊登后酌致稿酬，并赠当期杂志1册。稿件及汇款请勿寄给个人。

5 结论

本文利用LICOM海洋模式成功地模拟了2010年拉尼娜事件, 并利用模式结果和 SODA资料研究了拉尼娜事件发生的动力机制, 得到研究结果主要如下。

(1)2010年拉尼娜事件发生于2010年6月, 是继2009年厄尔尼诺事件之后发生的一次较为特殊的一次冷事件, 该事件将持续到2011年。(2)2010年的拉尼娜事件的产生由 2010年西边界反射的东传上升Kelvin波和西太平洋异常东风激发的, 这部分Kelvin波是由2009年底中太平洋西传的上升Rossby波在西边界反射形成的。(3)赤道太平洋表层纬向流异常在2010年拉尼娜事件的形成过程中起着非常重要的作用。但是, 这些纬向流异常的形成机制尚不清楚, 拟另文研究。

图8 2010年5~12月太平洋异常表层流Fig. 8 The anomaly surface current of pacific from May to December in 2010向东为正East is positive

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Dynamic research and analysis of the 2010 La Niña

LIU Guo-lin1,2, YUAN Dong-liang2
(1. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China; 2. Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

May,4,2011

equatorial Kelvin wave; equatorial Rossby wave; La Niña;Dynamic mechanism

Ocean Model LICOM(LASG/IAP Climate system Ocean Model) and SODA (simple ocean data assimilation) data are used to analyse the dynamic of La Niña events in 2010. The results show that, La Niña events in 2010 following the 2009 El Niño events as a more special cold event, occurred in June 2010, and it’ll continue into 2011. The event is mainly excited by the western boundary reflection Kelvin wave and the eastward wind anomalies increase in the western Pacific wind anomalies, and zonal flow anomalies in the equatorial Pacific during the formation of the event also plays a very important role.

P731

A

1000-3096(2012)05-0001-09

2011-05-04;

2011-06-01

山东省杰出青年基金; 自然科学基金面上项目(40676020);中国科学院“百人计划”项目

刘国林(1987-), 男, 山东潍坊人, 硕士研究生, 研究方向为海洋环流与数值模拟, E-mail: guolin231@163.com; 袁东亮(1966-),男, 通信作者, 教授, 博士, 主要从事陆架环流动力学的研究以及赤道太平洋和印度洋环流动力学和海－气耦和研究, E-mail: dyuan@qdio.ac.cn

(本文编辑：刘珊珊)