ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响

游振宇 刘世淦 王轩同 任雪娟

(南京大学 大气科学学院，南京 210023)

引 言

由于水汽输送过程需要综合考虑大气环流和对流层中低层的水汽条件,其时空特征及不同尺度上的变率广受学者关注[1-3]。大气环流可通过大尺度的水汽输送带来区域性的水汽辐合,为该区域的降水提供有利条件。在北太平洋地区的冬季,受中纬度西风带的影响,整层水汽自西太平洋副热带地区(水汽的主要源地)向北美西海岸输送(水汽汇),其中水汽输送的向极分量主要受到风暴轴活动的影响[3]。

Newell,et al[4]在分析全球水汽输送通量时指出,在南北半球中纬度的大洋上,水汽输送经常集中在对流层中低层的一些狭长的河流带中,沿河流带方向的水汽通量可达1.6×108kg·s-1,与亚马逊河的流量相当,ZHU,et al[5]将其命名为“大气河”(Atmospheric River,AR)。与东亚上空常与夏季风伴随的宽水汽输送带不同,大气河常出现在冬季温带气旋冷锋前的暖输送带中,分布狭长,具有很强的瞬变性[6]。北太平洋地区的大气河是冬季北美洲重要的水汽来源，当大气河受地形强迫抬升时,往往会造成强烈的降水[7]。有研究表明,在过去60 a,西欧沿岸的冬季强降水多与大气河登陆有关[8]。由于大气河对北美洲乃至全球水循环有重要影响,近年来受到越来越多的关注[3-10]。目前,诸多学者关注了天气尺度和年代际尺度上水汽输送和大气河频率的变化[1,3,10],但有关年际尺度上水汽输送以及大气河和气候事件的联系[2],探讨不多。

ENSO是赤道太平洋地区最为显著的年际尺度海气相互作用模态,对全球气候有显著影响[11-14]。大量研究指出ENSO对中国东部地区的降水有重要影响[15-16]。Kim, et al[2]指出,在ENSO冷暖位相之间,北太平洋地区和北美降水量亦存在显著差异。就冬季北太平洋地区而言,ENSO与北半球PNA模态(太平洋—北美遥相关型)存在显著相关[17-18]。在El Nio年赤道东太平洋海温的热强迫下,中纬度北太平洋地区500 hPa位势高度场会出现气旋式的环流异常[19]。在El Nio年冬季,东亚副热带急流增强东扩,而La Nia年冬季急流减弱西缩[20-22]。吴正贤等[23]通过对1982/1983年冬季El Nio期间大气环流异常的诊断分析,指出El Nio事件使北半球中纬度西风显著加强,大气湿度明显增加,并增强了自副热带向中高纬度水汽输送的强度。综上,由于ENSO可以调制大尺度环流和降水量,所以有必要进一步研究ENSO变率究竟如何影响泛北太平洋地区的水汽输送,以及北太平洋大气河的频率。

本文采用尺度分解的方法[24-25],将水汽输送及其散度分解为时间平均、年际尺度的扰动以及非年际尺度的扰动3个部分,分析ENSO对水汽输送和水汽输送散度的影响。基于不同的物理过程中多尺度风场、比湿之间的相互作用,分析各物理过程对总异常的贡献。

1 资料和方法

1.1 资料和ENSO事件的选取

所用资料主要为欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA-Interim再分析资料,选取的大气物理参量包括水平风场(u,v)、比湿(q)、位势高度场(水平分辨率为0.75°×0.75°,垂直方向为8层)和海平面气压场(水平分辨率为0.75°×0.75°)。资料选取的时间范围是1979—2016年冬季(12—次年2月)。

ENSO事件的选取是依据美国气候预测中心(CPC)提供的1979—2018年Nio3.4区(5°S～5°N,170°～120°W)平均海温数据(http:∥www.cpc.ncep.noaa.gov),通过定义海温距平的3个月滑动平均的峰值强度为Nio3.4指标(N-34)而确定[26]。为了提取中等偏强的ENSO事件进行分析,选取1979—2018年间N-34指标正异常的前5位作为参与合成分析的El Nio事件(1982/1983、1991/1992、1997/1998、2009/2010和2015/2016年),负异常的前5位作为合成分析的La Nia事件(1988/1989、1998/1999、1999/2000、2007/2008和2010/2011年)。

1.2 分析和计算方法

1.2.1 整层水汽含量、整层水汽输送及其散度的计算

使用以下公式计算整层水汽含量(Integrated Water Vapor, IWV)和整层水汽输送(Integrated Vapor Transport, IVT):

(1)

(2)

(1)和(2)式中：g为重力加速度；ps为海平面气压；q为相对湿度；V为水平风场；Pt为积分上界的气压(300 hPa)。当▽·IVT<0时(整层水汽通量散度为负),该区域为水汽的汇;当▽·IVT>0(整层水汽通量散度为正),该区域为水汽的源。

1.2.2 IVT及其散度的异常和分解

将IVT中的比湿和风场分解为时间平均、年际尺度及非年际尺度的扰动,IVT的年际异常可以表示为:

(3)

其中:IVT′、q′、V′ 分别表示整层水汽输送、比湿和风场的年际异常。公式(3)中的a项表示由风场年际异常贡献的水汽输送异常(动力场贡献);b项表示比湿场年际异常贡献的水汽输送异常(水汽场贡献);c项表示比湿、风场的年际异常共同贡献的部分;余项(residue)较小,可忽略。按上述方法,IVT散度的异常可以分解为[24-25]:

(4)

其中：IVT散度的异常可分解为A, B, C三项及余项(较小,可忽略)。该式中各项含义与IVT异常分解的各项含义类似。其中,A项可分解为以下各项:

(5)

其中：A1, A2, A3分别表征3种贡献散度异常的过程:(1)异常大气环流的散度;(2)异常纬向风场和背景比湿场的纬向非均匀性;(3)异常经向风场和背景比湿场的经向非均匀性。同理,B项亦可分解为以下各项:

(6)

其中：B1, B2, B3的解释与(5)式类似。根据分析,A项主要由A1, A3贡献,B项主要由B2贡献。第2部分将会具体阐述。

1.2.3 大气河事件及其频率异常的计算

大气河事件采取的判据是ZHU, et al[5]提出的：

Qr≥Qmean+0.3(Qmax-Qmean)

, (7)

其中：

,(8)

其中：Q表示IVT的矢量模；Qr表示给定水平空间格点的水汽通量；Qmean是某给定纬度上水汽输送通量Q的大小的纬向平均值；Qmax是该纬度上水汽输送通量Q的最大值。对于任意给定格点,当Qr满足公式(8)时,称该格点为AR格点。当一个格点成为AR格点时,对应的那一天对于这个格点来说是AR日,否则,为非AR日。本文利用判据公式(7)、(8)和1.1节中的资料计算得到1979—2016年的逐日AR事件库。

本文采用合成分析计算ENSO年北太平洋水汽输送及其散度的异常,以及大气河频率的异常。按照1.2.2节的方法,对ENSO年水汽输送及其散度的异常进行分解,分析造成异常的具体物理过程。

2 ENSO对北太平洋冬季水汽输送的影响

2.1 北太平洋冬季整层水汽含量及水汽输送的气候态特征

在分析ENSO对北太平洋地区水汽输送特征的影响之前,首先给出北太平洋冬季与水汽输送相关物理场的气候态分布特征。图1为北太平洋冬季IWV及其经向梯度的分布特征。气候态IWV呈现自低纬向高纬递减的分布特征,其经向梯度在黑潮及其续流区(KOE)及北美西海岸(自加利福尼亚至阿拉斯加湾地区)较大。气候态冬季的整层水汽是从西太平洋地区向北美西海岸输送(图2)。水汽输送在西太平洋KOE地区有较强的辐散(水汽源);在中国东南部有微弱的辐合,在北美沿岸落基山脉西部有强辐合(水汽汇),促进冬季北美西海岸的降水。

图1 北太平洋1979—2016年冬季IWV(等值线;间隔为4 kg·m-2)及其经向梯度(填色;单位:10-5kg·m-3)气候态Fig.1 Climatology of IWV (contour; the interval is 4 kg·m-2) and its meridional gradient (colored; unit: 10-5kg·m-3) over the North Pacific during boreal winters from 1979 to 2016

图2 北太平洋1979—2016年冬季IVT(矢量;单位：kg·m-1·s-1;图中只画出值超过20的部分)及其散度(填色;单位:10-5 kg·m-2·s-1)气候态Fig.2 Climatology of IVT (vector; unit: kg·m-1·s-1; only values exceeding 20 are shown) and its divergence(colored; unit: 10-5kg·m-2·s-1)over North Pacific during boreal winters from 1979 to 2016

2.2 ENSO年冬季北太平洋地区水汽输送及其散度的异常

图3 El Nio年(a)和La Nia年(b)冬季IWV异常(等值线;间隔为0.8 kg·m-2;图中只显示置信度超过α=0.1的区域)及其纬向梯度(填色;单位:10-5 kg·m-3;图中只显示绝对值大于0.08的区域)Fig.3 IWV anomaly (contour; the interval is 0.8 kg·m-2; only values above the 90% significance level are shown) and its zonal gradient (colored; unit:10-5 kg·m-3; only areas with absolute values larger than 0.08 are shown) during (a) El Nio and (b) La Nia boreal winters

图4 El Nio年(a)和La Nia年(b)冬季IVT(矢量;单位:kg·m-1·s-1;图中只显示置信度超过α=0.1的值)及其散度的异常(填色;单位:10-5 kg·m-2·s-1;图中阴影为置信度超过α=0.1的区域)Fig.4 IVT anomaly (vector unit; unit: kg·m-1·s-1; only valuesabove the 90% significance level are shown) and its divergenceanomalies (colored; unit: 10-5kg·m-2·s-1; areas exceedingthe 90% significance level are shaded) during (a) El Nio and(b) La Nia boreal winters

2.3 IVT异常及其散度的分解

上节虽揭示了ENSO对水汽输送及其散度的影响,但产生异常的具体物理过程尚不清晰。因此,根据1.2.2节的分解方法将IVT异常及其散度异常进行分解。首先,根据公式(3)、(4)将IVT异常分解为a、b、c三项,IVT散度异常分解为A、B、C三项(图5)。

图5 ENSO年冬季IVT异常(矢量;单位：kg·m-1·s-1;图中只显示置信度α=0.1的值)及其散度(填色;单位：10-5 kg·m-2·s-1;阴影为置信度超过α=0.1的值)分解：(a)El Nio年A和a项；(b)La Nia年A和a项；(c)El Nio年B和b项;(d)La Nia年B和b项;(e)El Nio年C和c项；(f)La Nia年C和c项Fig.5 Decomposition of IVT anomaly (vector; unit: kg·m-1·s-1; only values above the 90% significance level are shown) and its divergence (colored; unit: 10-5kg·m-2·s-1; areas exceeding the 90% significance level are shaded) in ENSO winters： (a) Term A and a during El Nio; (b) Term A and a during La Nia; (c) Term B and b during El Nio; (d) Term B and b during La Nia; (e) Term C and c during El Nio; (f) Term C and c during La Nia

对比分析图4、5可见,在北太平洋大部分地区(特别是东北太平洋地区),El Nio年和La Nia年的IVT异常都主要由公式(3)中的a项贡献(动力场异常)。在西太平洋副热带地区(尤其是KOE区),El Nio年的纬向水汽输送异常主要由b项贡献(水汽场异常),这是由该区域El Nio年IWV的显著正异常(图2)和较强的冬季平均西风急流所致;该区域的经向水汽输送则主要由a项贡献,这与El Nio年西北太平洋上空异常反气旋环流有关[27],该过程可为我国东南部地区带来丰沛的水汽。另外,El Nio年和La Nia年的IVT散度的异常均主要由A项贡献(动力场异常),且在各个区域A项的大小超过了IVT散度的总异常;B项对IVT散度异常的贡献小于A项,其异常区域主要位于A项的正负异常大值区之间,且符号与A项大致相反。c项(C项)与a项(A项)、b项(B项)相比,对IVT异常(及IVT散度异常)的贡献很小。

其次,按照公式(5)、(6)进一步将IVT异常散度的A项和B项进行分解,对A1, A3, B2三项进行计算(图6)。通过与图5中A项和B项的对比可以发现,A1, A3均对A项有重要贡献。对于A1项,风场异常u′,v′的辐合(辐散)可以聚集(疏散)冬季气候态中的水汽,导致IVT异常的辐合(辐散),因此A1项的贡献在气候态水汽含量较大的区域(低纬度地区)尤其明显;对于A3项,由于在北太平洋地区(特别是KOE区),冬季气候态下的水汽经向梯度为负(图1),因此经向风的正异常(负异常)会导致水汽通量异常的辐合(辐散)。B项则主要来自B2项的贡献。由于在北半球冬季,北太平洋地区上空被强盛的西风带控制,B2和B项的异常分布特征均与图3中IWV异常的纬向梯度的分布特征十分一致。

图6 ENSO年冬季IVT散度异常(填色;单位：10-5 kg·m-2·s-1)A, B项的分解：(a)El Nio年A1项;(b)La Nia年A1项;(c)El Nio年A3项;(d)La Nia年A3项;(e)El Nio年B2项;(f)La Nia年B2项(图中只画出绝对值超过0.8的部分)Fig.6 Decomposition of A, B term (colored; unit: 10-5kg·m-2·s-1) during ENSO boreal winters: (a) Term A1 during El Nio;(b) Term A1 during La Nia; (c) Term A3 during El Nio; (d) Term A3 during La Nia; (e) Term B2 during El Nio;(f) Term B2 during La Nia(Only areas with absolute values exceeding 0.8 are shown)

3 ENSO对冬季北太平洋大气河的影响

图7给出了冬季气候平均的AR频率分布。图7用30%频率代表北太平洋冬季气候平均AR带的基本形状和位置。由此可见,AR主要位于北太平洋(25°～40°N)范围的纬向带状区域内,自西太平洋向东伸展,到中太平洋海盆约170°W处时发生向极的弯曲,一直延伸至北美西海岸的阿拉斯加湾一带。

图7 北太平洋冬季AR频率(填色;单位：%)分布(其中30%频率用黑色实线勾勒)Fig.7 AR frequency (colored; unit: %) over the NorthPacific during boreal winters (Frequency of 30%is highlighted in black solid lines)

图8 El Nio年(a)和La Nia年(b)冬季AR频率异常(填色;%)分布(气候态AR发生频率30%处用黑色实线勾勒，图中阴影为置信度超过α=0.1的区域)Fig.8 AR frequency anomaly (colored; %) during El Nio (a) andLa Nia (b) boreal winters (Frequency of 30% in climatologicalwinters is highlighted by black solid lines. Areas exceeding the 90% significance level are shaded)

4 结论

ENSO是赤道太平洋地区最显著的年际异常信号,对北太平洋地区的水汽输送特征有重要影响。本文利用ERA-Interim再分析资料,分析了北太平洋地区冬季的水汽含量、水汽输送及其散度的分布特征,并用合成分析的方法,根据选择的ENSO事件探讨了ENSO的两种不同位相——El Nio和La Nia对水汽输送各物理量的影响。基于尺度分解的方法,分析各物理过程对水汽输送异常及其散度异常的贡献。此外还分析了ENSO对北太平洋水汽输送的重要形式——大气河的影响。主要结论如下:

(1)北太平洋冬季水汽输送的平均特征为自西太平洋副热带地区向北美中高纬地区输送。在El Nio年,由于东北太平洋地区的气旋式环流异常,该地区的水汽输送亦呈气旋式异常。西太平洋副热带地区和北美西海岸为水汽输送异常辐合区,而中太平洋海盆上空为水汽输送异常辐散区。在La Nia年,东北太平洋地区呈反气旋式的水汽输送异常,中太平洋海盆上空整层水汽的向极输送分量有所增强,水汽输送的辐合辐散异常特征与El Nio年大致相反。

(2)通过对水汽输送异常及其散度的进一步分解,可以得出结论:1. 在北太平洋大部分地区,ENSO年份的水汽输送异常及其散度都主要来自风场异常(u′,v′)的贡献。在黑潮及其续流区,El Nio年的纬向水汽输送异常主要由比湿异常(q′)贡献。2. 在由风场异常(u′,v′)决定的水汽输送散度的异常中,有两项贡献较大。一项由风场异常(u′,v′)的散度造成;另一项由经向风异常(v′)和气候态比湿的经向梯度造成。3. 在比湿异常(q′)决定的水汽输送散度的异常中,气候态纬向风和异常比湿的经向梯度的贡献占主导地位。