ENSO与北半球冬季大气环流异常年代际关系的数值模拟

曹艳艳,郭品文,王武军

(1.浙江省奉化市气象局,浙江 奉化 315500;2.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044)



ENSO与北半球冬季大气环流异常年代际关系的数值模拟

曹艳艳1,郭品文2,王武军1

(1.浙江省奉化市气象局,浙江 奉化 315500;2.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044)

利用NCAR/CCM3大气环流模式,模拟不同海温背景场强迫下,北半球冬季大气环流对ENSO事件的响应。结果表明,模式能够模拟出不同海温背景场下,北半球冬季大气环流对ENSO事件的不同响应,模拟结果与诊断结果基本一致。在20世纪70年代末之后的平均海温背景场强迫下,El Nio对阿留申低压的加强作用比70年代末之前更明显,而ENSO暖位相对蒙古高压的作用则由70年代末之前的轻微减弱变为明显加强。虽然70年代末以后ENSO事件的强度比70年代末之前有所增大,但ENSO对东亚大槽和东亚冬季风的减弱作用反而不再那么明显;同时在高空风场中,由ENSO激发出的PNA型异常环流在70年代末以后明显加强。

ENSO;冬季大气环流;年代际变化;数值模拟

0 引言

国内外研究表明,ENSO对大气环流有重要影响(Arkin,1982;祝立娟等,2014)。ENSO增暖将造成赤道中西太平洋Walker环流减弱东移、中东太平洋气压降低以及表层辐合上升运动的增强(杨修群等,1996),大气中的Hadley环流将会加强(Bjerknes,1966)。

ENSO事件在不同年代有不同特点,同时大气环流在20世纪70年代末发生了跃变,这让不少学者关注ENSO和大气环流之间的年代际关系。He et al.(2013)研究ENSO与中纬大气环流之间的年代际关系后发现,1958—1976年、1977—2010年ENSO和中纬大气环流的关系存在较大差异。Yun et al.(2010)利用ERA-40向外长波辐射数据(1958—2001年),研究向北传播的大气季节内振荡(NPISO)和ENSO之间的年代际关系后发现,1970s末以前,前冬的ENSO事件影响夏季早期(5、6月)的NPISO;而1970s末以后,两者的紧密关系出现在夏季后期(7、8月)。Wu and Wang(2002)利用站点降水和NCEP-NCAR再分析资料,分析了东亚夏季风和ENSO之间的年际关系在1970s末的改变。曾刚等(2013)利用CAM3模式对比了不同海域海表温度异常对东亚夏季风年代际变化的影响。Yun et al.(2014)分析1958—2012年NCEP、ERA、JRA的地面气温资料后得出,在20世纪70年代晚期以后,EOF第一模态显示ENSO对亚洲冬季风变率的作用减弱。徐建军等(1997)研究了近百年东亚冬季风与ENSO循环的相互关系及其年代际异常,发现不同年代的ENSO循环与东亚冬季风的关系不同。朱乾根和徐建军(1998)分析了ENSO的年代际变化对我国东部气候异常的影响。陶丽等(2013)总结后发现,西太平洋热带气旋的年际活动与ENSO关系密切,并且这种关系存在年代际变化。

北半球冬季大气环流异常与ENSO循环的年代际关系已有诊断分析结果(曹艳艳等,2007),本文将用CCM3模式对气候跃变前后的ENSO事件引起的大气环流异常进行模拟。CCM3是NCAR CCM系列中的第4代产品(Kiehl et al.,1996,1998),Boville and Hurrell(1998)指出CCM3具有较强的模拟能力。

1 资料

1)英国气象局Hadley中心整编1950年1月—2002年12月1°×1°格点的全球海面温度数据集(GISST);

2)1950年1月—1979年12月NCEP/NCAR逐月2.5°×2.5° 17层风场(u、v)、12层垂直速度、位势高度(φ)、海平面气压再分析资料;

3)文中冬季取12月—次年2月的平均。

2 模式模拟能力检验与试验方案设计

2.1 模式模拟能力的检验

张福颖等(2012)利用CCM3模式再现了不同年代热带太平洋和热带印度洋SST变化对其上空大气环流影响的不同。为了进一步说明CCM3模式对本文所研究问题的模拟能力,用模式自带的1950—1979年逐月平均的海表温度(sea surface temperature,SST)作为下边界,从9月开始积分14 a,取第9～14个模式年的12—2月的平均作为冬季平均气候的代表,与1950—1979年NCEP再分析资料的气候平均值进行比较(图略)。通过比较发现,CCM3可以较好的模拟北半球冬季的大气环流状况,满足本文研究的要求。

2.2 试验方案设计

为了对比北半球冬季大气环流异常对ENSO事件年代际变化的响应,根据已有诊断分析的结果(曹艳艳等,2007),把近50 a中ENSO与北半球大气环流异常的关系分两个阶段,即1977/1978年前和1978/1979年后分别进行讨论。分别计算GISST的1950—1978年和1979—2002年的观测海表温度的气候平均,得到两个长度为12个月的SST场,作为两个控制试验的下边界强迫场,代表ENSO事件与北半球大气环流关系改变前后的背景场。

下边界条件的变化在试验的设计中是最为关键,其在不同试验中的变化,即在不同年代的变化,用以区分不同年代ENSO事件的背景海温差别。从两个年代背景海温的差值(图略)上可以清楚地发现,在20世纪70年代末以后,除了中太平洋上的部分海温呈负距平外,全球绝大部分地区海温明显升高(张勤和丁一汇,2001),换句话说,70年代末以后的ENSO事件是在暖海温背景下发生的。从图上还可以看到,在赤道中、东太平洋区域,海表温度在80年代以后有明显升高。

本文一共设计了四个试验,包括两个控制试验和两个敏感性试验。控制试验积分结果表示在不同背景场作用下的大气环流平均状况,而敏感试验结果则表示在不同海温背景下El Nio事件发生时的大气环流平均状况。具体的试验方案设计如下:

1)控制试验一(CTR1):将计算得到的1950—1978年平均的SST作为下边界,NCAR提供的9月1日大气资料作为初始场,从9月1日开始积分到第四个模式年的3月1日00时,得到的第三个模式年12月至第四个模式年2月平均值作为文中所指冬季的代表。

2)敏感试验一(EXPR1):初始条件与CTR1相同,只是在积分到第三个模式年的12月1日00时开始在Nio3.4区加了2 ℃的正海温异常,到次年3月1日00时结束,将第三个模式年的12月至第四个模式年的2月作为本文研究的冬季。

3)控制试验二(CTR2):设计方案同CTR1,只是作为下边界强迫的是1979—2002年平均的SST。

4)敏感试验二(EXPR2):基本同CTR2,在第三个模式年的12月1日00时开始在Nio3.4区加了2.5 ℃的正海温异常。

于淑秋和林学椿(1997)发现,北太平洋海温在70年代末80年代初发生一次气候跃变,跃变后赤道太平洋年平均海温比跃变前增加了0.29 ℃。引起跃变后的El Nio发生时赤道东太平洋海温增暖程度小于跃变前,而赤道中太平洋海水增温程度则大于跃变前。70年代末以前,Nio3.4区海温异常可达2 ℃;到了70年代末以后,Nio3.4区海温异常可达2.5 ℃。对El Nio事件的定义,目前国际上没有统一的标准。美国NOAA以Nio3.4区SSTA的3个月滑动平均值连续5个月≥0.5 ℃定义为一次El Nio事件,本文参考NOAA做法,用Nio3.4区的海温持续4个月偏高2.0 ℃来表示一次El Nio事件,该区域海温异常的大小即可表示El Nio事件的强弱。为了更贴合观测实际,在用Nio3.4区海温异常来表示ENSO事件强度的变化时,敏感试验中所加的海温异常也有所区别,在气候跃变后要比跃变前偏强。

3 不同年代ENSO与北半球冬季大气环流关系的数值模拟

3.1 海平面气压场变化

图1和图2分别是CTR1和EXPR1及CTR2和EXPR2模拟的海平面气压(sea level press,SLP)场比较。经过对比分析发现,在70年代末以前的海温背景场强迫下,阿留申低压中心最低气压在CTR1中为993.793 hPa,在EXPR1中为990.145 hPa,表明ENSO暖位相使阿留申低压增强;同时可以看到,冰岛低压在El Nio影响下有所减弱,中心最低气压从控制试验中的977.953 hPa上调至敏感试验中的984.631 hPa;格陵兰高压总体变化不明显,在敏感试验和控制试验的海平面气压差值上可以发现El Nio年格陵兰高压略有减弱,而同时高压中心强度则有轻微加强。EXPR1-CTR1的海平面气压差值分布(图1c)上,阿留申群岛附近海平面气压在El Nio年明显降低,进一步说明ENSO暖事件使阿留申低压增强。在海平面气压差值图上还形成了一个在冰岛以南为正气压异常和亚速尔群岛与佛罗里达半岛之间为负气压异常的北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO),但这时的NAO较弱。

在70年代末以后的海温背景场强迫下,阿留申低压的近中心最低气压在控制试验中为999.579 hPa,在敏感试验中为995.568 hPa,同样差值图上阿留申群岛附近的明显负距平都显示阿留申低压在El Nio年有所增强。而此时冰岛低压的变化很小,中心气压变化幅度还不到0.5 hPa。在敏感试验与控制试验的差值图上,也看不到明显的NAO。

对比两个年代海温背景强迫下的海平面气压差值图可见,70年代末以后,阿留申群岛附近的海平面气压负距平无论是范围还是绝对值都明显增大,表明在气候跃变后,ENSO循环的暖位相使阿留申低压增强的作用加强。在贝加尔湖和巴尔喀什湖之间,70年代末以前是一个弱的负距平区,而70年代末之后上述地区则为较强的正距平,可见ENSO暖事件对蒙古高压的作用从70年代末以前的减弱变为之后的明显加强。上述结果与已有的诊断分析结果(曹艳艳等,2007)基本一致。

图1 20世纪70年代末以前海温背景场强迫下模拟的海平面气压场(单位:hPa)a.CTR1结果;b.EXPR1结果;c.EXPR1结果与CTR1结果的差值Fig.1 Simulated SLP field under SST forcing before the late 1970s(units:hPa)a.CTR1 results;b.EXPR1 results;c.EXPR1 results minus CTR1 results

图2 20世纪70年代末以后海温背景场强迫下模拟的海平面气压场(单位:hPa)a.CTR2结果;b.EXPR2结果;c.EXPR2结果与CTR2结果的差值Fig.2 Simulated SLP field under SST forcing after the late 1970s(units:hPa)a.CTR2 results;b.EXPR2 results;c.EXPR2 results minus CTR2 results

3.2 低空风场特征

图3是两组试验中模拟的850 hPa风场差值和经向风异常。对风场差值的比较可以发现,在图3a中东亚地区有弱的偏南风距平,表明冷空气活动较少,东亚冬季风偏弱。而图3b中东亚地区的偏南风距平被很弱的北风距平所代替,可见在70年代末以后的背景场下,ENSO暖位相对东亚冬季风的减弱作用不再那么明显,甚至还有弱的加强作用。诊断分析(曹艳艳等,2007)中已经发现,在70年代末以后,ENSO与东亚大气环流异常之间的相关关系明显减弱,解释了图3b中显示的东亚地区南风距平近乎消失的原因。陈文(2002)的研究表明,El Nio盛期的冬季东亚地区会出现异常的南风,也就是弱冬季风年。而从本文的数值模拟可以发现,El Nio对东亚冬季风的作用除了要根据El Nio事件本身所处的发展阶段,还要考虑ENSO事件的年代际变化,即事件发生的不同背景场。在70年代末以前,ENSO暖事件发生时东亚冬季风偏弱;而70年代末以后,ENSO暖事件发生时东亚冬季风则有轻微加强。

从图3a、3b还可以看出,中纬东太平洋的气旋性风速异常,与海平面气压场上的负变压区相对应,并且该气旋性异常在70年代末以后更加明显。这与诊断分析(曹艳艳等,2007)中,西半球中高纬大气环流在70年代末以后对ENSO事件的响应更为明显,是一致的。

图3 不同海温背景场强迫下模拟的850 hPa风矢量(a,b)和经向风(c,d)差值(单位:m/s)a,c.EXPR1结果减CTR1结果;b,d.EXPR2结果减CTR2结果Fig.3 Simulated 850 hPa (a,b)wind vector and (c,d)meridional wind differences under different SST forcings(units:m/s) a,c.EXPR1 results minus CTR1 results;b,d.EXPR2 results minus CTR2 results

图4 不同海温背景场强迫下模拟的500 hPa位势高度差值(单位:gpm)a.EXPR1结果减CTR1结果;b.EXPR2结果减CTR2结果Fig.4 Simulated 500 hPa geopotential height difference under different SST forcings(units:gpm)a.EXPR1 results minus CTR1 results;b.EXPR2 results minus CTR2 results

图5 不同海温背景场强迫下模拟的200 hPa风场差值(单位:m/s)a.EXPR1结果减与CTR1结果;b.EXPR2结果减CTR2结果Fig.5 Simulated 200 hPa wind difference field under different SST forcings(units:m/s)a.EXPR1 results minus CTR1 results;b.EXPR2 results minus CTR2 results

3.3 中层大气的响应

模式模拟的500 hPa位势高度场(图略)在不同年代的变化与诊断结果相对应。70年代末以前,ENSO暖位相使得北美大陆西部阿拉斯加半岛上空的平均脊减弱东移,位于东部西伯利亚的北冰洋沿岸的极涡加强偏南,对欧亚大陆上脊的影响在贝加尔湖南北存在差异:贝加尔湖以南的脊被减弱,而以北的脊则反而得到加强。乌拉尔山以西的欧洲上空槽亦被减弱。中高纬的距平分布反映冬季东亚上空的东亚大槽强度比常年偏弱,不利于寒潮的爆发,这说明了在El Nio年冬季东亚地区的寒潮偏弱的原因。

到了后一个年代,阿拉斯加上空的脊也有东移现象,且其东移比70年代末以前更为明显。东西伯利亚上空的极涡也有所加强,但加强不如70年代末以前那么明显,这一点在敏感试验和控制试验的差值图上反映的更清晰。ENSO暖位相对贝加尔湖附近脊的影响不再有南北差异,而是一致增强。乌拉尔山以西的槽明显加强,而东亚大槽偏弱不明显。胡桂芳等(2011)利用Nino3区海温变化特征指数Issta研究了春季东亚大气环流对Nino3区海温变化的响应及其年代际变化,发现东亚大气环流对Issta升高(即El Nio发展阶段)的响应在大气环流跃变前后有着基本一致的特征,只是在环流跃变后响应的程度有所减弱。这种响应程度的变化正好延续了冬季东亚大气环流对不同年代ENSO暖事件的响应变化。从500 hPa高度场差值分布(图4)中可以发现,在70年代末以前的海温背景场作用下,ENSO暖位相激发了较弱的PNA型异常环流,到了70年代末以后,激发的PNA型异常环流更为明显,这与诊断分析结果相一致。同时,不管是在哪个年代的海温背景场强迫下,ENSO暖位相引起低纬度大气环流的变化不明显,而对中高纬度大气环流的变化则有较强的作用,特别是在70年代末以后,这种加强作用更为显著。

3.4 高空风场特征

在模拟的全球200 hPa风场差值(图5)上,两个年代El Nio年青藏高原南侧的南支西风均比常年偏强,为一致的西风异常,这表明El Nio年南支西风扰动强并且比较活跃,这与陶诗言和张庆云(1998)的研究结果一致。Horel and Wallace(1981)在研究中发现,当赤道东太平洋海温异常增暖时,Hadley环流的上升支有更多的角动量带到中纬度,增强了中纬度的西风强度。同时高层赤道两侧形成强大的反气旋环流,于是在中纬度强西风的北侧出现强大的气旋环流,进而产生影响北美气候异常的PNA型异常环流。模拟的200 hPa风场异常(图5)确实出现了赤道以北的反气旋和中纬东太平洋的气旋性环流。并且在后一个年代际背景场下模拟的反气旋性环流比前一个年代际背景场下模拟的影响范围更大,从而使得在中纬度出现的气旋性环流也比较大,PNA型异常环流偏强,ENSO对西半球大气环流的影响偏大。

此外,菲律宾海上空出现了气旋性异常环流,作为赤道中、东太平洋上空和亚洲东北部上空的反气旋性异常环流的桥梁,形成一个从赤道中、东太平洋出发,向极、向西传播的波列,即Wang et al.(2000)提出的ENSO影响东亚气候的太平洋—东亚型遥相关。而在70年代末以后的背景场作用下的大气环流异常场中,这种波列已不明显,这也可以解释70年代末以后,东半球尤其是亚洲东北部大气环流异常受ENSO影响明显减小的现象。

4 结论与讨论

利用整编的全球海面温度资料强迫一个全球气候模式CCM3,模拟结果表明CCM3能基本模拟出ENSO暖位相引起的大气环流变化;同时对不同年代ENSO与北半球冬季大气环流异常的关系,即在不同海温背景场下,ENSO与北半球冬季大气环流异常的关系变化,模式也基本重现了再分析资料诊断的结果,得出的主要结论如下:

1)在海平面气压模拟上,20世纪70年代末之后的平均海温背景下,El Nino对阿留申低压的加强作用较70年代末之前要明显得多;而对蒙古高压的作用从70年代末之前的轻微减弱变为明显加强。

2)低层风场和中层高度场模拟结果都表明,70年代末以后,ENSO对东亚大槽和东亚冬季风的减弱作用不再显著,甚至会有不太明显的增强。

3)模拟的中层高度场和高空风场都显示,70年代末以后,由ENSO激发出的西半球太平洋—北美地区PNA型异常环流则有明显加强。

虽然数值模式在一定程度上重现了诊断分析的结果,但不同年代ENSO事件对北半球冬季大气环流异常的影响机制仍不清楚,需要通过设计更完善的数值试验来做进一步的研究。另外,近年的研究发现不同类型的El Nio事件将会对大气环流产生不同的影响(Yuan and Yang,2012;祁莉等,2014),都是今后需要进一步研究的内容。

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(责任编辑：孙宁)

Numerical simulation of interdecadal relationship between ENSO and Northern winter atmospheric circulation anomalies

CAO Yan-yan1,GUO Pin-wen2,WANG Wu-jun1

(1.Fenghua Meteorological Bureau,Fenghua 315500,China;2.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China)

Different responses of Northern winter atmospheric circulation to ENSO events are simulated under different surface sea temperature(SST) forcings using NCAR/CCM3 model.Comparison between simulated results and diagnostic results indicates that the model can simulate the response of Northern winter atmospheric circulation to ENSO events under different SST forcings.The simulated results are agree with the diagnostic results.Under SST forcing after the late 1970s,the strengthening action of El Nio events on Aleutian low is more obvious.Mongolian high is slightly weakened by El Nio events before the late 1970s,but it is markedly strengthened after the late 1970s.After the late 1970s,the strength of ENSO events becomes larger,but the abated effect of ENSO on East Asian trough and East Asian winter monsoon is not clear,and PNA pattern is obviously strengthened by El Nio events.

ENSO;winter atmospheric circulation;interdecadal variation;numerical simulation

2014-03-12；改回日期：2014-11-12

浙江省气象局科技计划项目(2011YB11)

曹艳艳,工程师,研究方向为短期气候预测,13857487126@139.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140312001.

1674-7097(2015)02-0205-08

P732

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20140312001

曹艳艳,郭品文,王武军.2015.ENSO与北半球冬季大气环流异常年代际关系的数值模拟[J].大气科学学报,38(2):205-212.

Cao Yan-yan,Guo Pin-wen,Wang Wu-jun.2015.Numerical simulation of interdecadal relationship between ENSO and Northern winter atmospheric circulation anomalies[J].Trans Atmos Sci,38(2):205-212.(in Chinese).