有无El Niño影响下热带北大西洋春季增暖的差异及可能成因

叶洋波, 余锦华

（南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京210044）

1 引 言

热带北大西洋(Northern Tropical Atlantic，NTA)海温异常(sea surface temperature anomaly，SSTA)对其周围地区如美国、南美和非洲的气候变率存在显著影响[1]。当NTA 在春季异常增暖时，产生的正经向海温梯度会使得大西洋热带辐合带在春季的南移被抑制，从而导致巴西东北部雨季出现降水不足以及撒哈拉以南干旱的发生[2-4]。此外，NTA SSTA 还会影响全球其他地区的气候变化。如当NTA 异常增暖时，西北太平洋地区会有反气旋环流出现，进而增强南海夏季风，同时反气旋的存在抑制了对流的发生，不利于台风生成[5-6]。王惠美[7]则发现NTA SSTA 的阶段性增强对我国南部夏季高温事件的发生与持续有重要影响。同时，NTA 春季异常增暖还可在随后的冬季诱发La Niña[8]。

大西洋经向模态(Atlantic Meridional Mode，AMM)是热带大西洋SSTA 年际变化的主导模态[9]，表现为热带大西洋SSTA的经向梯度，当其正位相时，NTA 出现异常增暖，并且该模态往往在春季达到最大值[10]。同时，NTA 也是主导北大西洋海温的三极型模态的重要组成[11-12]，在该模态下NTA 海域伴有显著的SSTA，研究表明这是与北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation，NAO)耦合的结果[13-14]。NTA SSTA 的出现还被认为与ENSO有着密不可分的关系。近年来大量研究表明ENSO 对热带大西洋SSTA 变率有影响，且影响显著区域位于NTA，往往在冬季迅速增温[15-17]。随着对不同类型El Niño 事件特征研究的兴起，已有研究表明El Niño Modoki 所伴随的较弱暖SSTA对热带北大西洋SSTA 的强迫作用弱于传统型事件[18]。

研究认为，El Niño 可通过对流层增温与大气桥遥相关引起NTA的增暖。对流层增温机制强调赤道中东太平洋暖海温异常信号通过Kelvin 波与Rossby 波加热北大西洋对流层，使大气层结更加稳定，抑制对流发生，并通过削弱海面蒸发，使海面获得的净热通量增加，导致海洋异常增暖[19-20]。而大气桥遥相关则侧重ENSO 信号通过Walker 环流和Hadley 环流异常以及太平洋北美型遥相关(Pacific-North American，PNA)传递给北大西洋中纬度地区[21-22]。其中，El Niño 导致的Walker 环流异常通过影响NTA海表的纬向气压梯度加强了赤道大西洋地区的信风，为Bjerknes 反馈的发生提供了初始扰动，之后通过温跃层深度的变化影响海温[23]。而PNA 主要是通过削弱北大西洋副热带高压进而影响海表温度[24]。在这一观点中，Walker环流与PNA 究竟谁是主要的影响因子仍有争议，Sutton 等[25]认为两类机制之间可能存在着竞争关系。近年来，Javier 等[26]的研究指出，El Niño 可以通过Walker 环流异常导致亚马逊地区温度升高，进而诱发Gill 响应，最终导致NTA 异常增暖。此外，NTA 自身的海洋动力过程也对海温的发展有一定作用[27]。

但在一些与El Niño 无关的年份，NTA 海域也有春季异常增暖现象。有、无El Niño 两种情形的春季NTA 暖SSTA 特征有什么区别，其形成机制的差异怎样？本文将给出合理的解释。

2 资料和方法

2.1 资 料

(1) 英国哈德莱中心的月平均海表温度资料HadISST，分辨率为1 °×1 °。该资料包含了观测资料与卫星资料，并在空间上实现了全球覆盖，被广泛应用于气候变化、海气相互作用等分析中。

(2) 美国国家环境预报中心的GODAS资料集中的月平均海流流速、温度与混合层深度资料，分辨率为0.333 °×1 °，除混合层深度为单层外，其他资料垂直方向为5～4 478 m(垂直速度为10～4 739 m)共40 层。该资料集包含三维海流流速、混合层深度等海洋资料。

(3) 欧洲中期天气预报中心的ERA5再分析资料中的500 hPa 日位势高度、500 hPa 月平均位势高度与温度、月平均海平面气压、10 m 风场、2 m露点温度、降水量、海面净太阳短波辐射、净长波辐射、潜热通量和感热通量，分辨率为2.5 °×2.5 °。该套资料由ERA-interim改进而来，在2019年正式公布，有更高的时空分辨率，更好地考虑了全球降水和蒸发平衡以及对流层的过程，并且使用了很多创新的方法。

(4) 美国国家大气海洋局的每月Niño3.4 海温指数。该指数基于HadISST资料集计算得到。

对于上述资料本文选取时段为1980 年1 月—2019年10月。

2.2 方 法

(1) 选用NOAA 提供的Niño3.4 海温指数，以指数至少连续6 个月大于0.5 标准差，筛选1980—2019 年间的El Niño 事件。筛选出11 次事件：1982/1983 年、1986/1988 年、1991/1992 年、1994/1995 年、1997/1998 年、2002/2003 年、2004/2005年、2006/2007 年、2009/2010 年、2014/2016 年、2018/2019年。

(2) 基于以下公式[28-29]对海洋混合层进行热收支诊断：

其中，u、v、w指海洋中三维海流流速，QSW、QLW、QLH和QSH分别指海面净向下太阳短波辐射、净向上长波辐射、潜热通量与感热通量（向上为正）。ρ指海水密度，cW指海水比热容，h指海洋混合层深度，R为残余项。反映物理量在混合层的垂直平均。ρ的取值参考Large等[30]的方法取为1 026 kg/m3，cW取3 996 J/(kg∙℃)。

(3) 在讨论潜热通量收支时，采用了邵庆秋等[31]使用的公式：

其中，U10代表10 m 风速，qs为海表温度下的饱和比湿，q为大气2 m 处的实际比湿，分别由海表温度与大气2 m 露点温度计算得到。ρa=1.25 kg/m3为近地层空气密度，L=2.46 × 106J/kg 为水的汽化潜热，CE=1.28×10-3为交换系数[32]。

(4) 为探究NAO与NTA春季SSTA的联系，本文采取了Li等[33]提出的公式：

计算NAO 指数，代表NAO 的强度与位相。其中，P代表80°W～30°E纬向平均的月海平面气压，P̂则表示经过标准化处理。

(5) 在讨论El Niño 信号在对流层中层传递时，计算了T-N波活动通量[34]，该物理量的二维表达式如下：

去线性趋势针对格点上的月资料进行，以1981—2010 年为气候态时段，相对其偏差为气候扰动。

3 NTA春季SSTA变化特征

3.1 NTA春季SST特征及暖事件的分离

针对本文关注的NTA 春季海表温度(sea surface temperature，SST)，首先以1980—2019 年的资料给出北大西洋春季SST 的标准差分布(图1)。之后选取标准差大值区(10～60 °W，5～25 °N)作为关键区。以关键区春季区域平均SSTA为指数，来定量描述NTA春季海温变化的强度。在对该指数进行标准化与去线性趋势后，以大于0.5 为标准筛选NTA 春季暖海温事件。共筛选出11 次暖事件：1980、1981、1983、1987、1988、1996、1997、1998、2005、2010、2013 年。将NTA 春季暖海温事件以是否发生在El Niño 衰减年分为两种情形：如表1所示，发生在El Niño衰减年的春季暖NTA，即情形1 的年份有1983、1987、1988、1998、2005、2010 年；与El Niño 无直接关联的春季暖NTA，即情形2 的年份有1980、1981、1996、1997、2013年。

图1 北大西洋春季SST标准差分布图 方框表示关键区(10～60 °W，5～25 °N)。

表1 NTA春季海温暖事件分类结果

3.2 SSTA分布特征

图2a、2b 是两种情形下NTA 春季合成SSTA分布，两种情形的暖SSTA 都分布于整个NTA 海域，最显著的都出现在NTA 东侧。但绝大部分海域情形1 的暖SSTA 强于情形2。图2c、2d 给出了两种情形下春季与前冬SSTA的合成差场。情形1的NTA 春季SSTA 较冬季有明显增暖，而情形2下增暖的范围与强度都较弱。因此，可认为情形1的暖SSTA 有相当一部分是在春季内形成，而情形2下春季贡献较少，主要是前期已出现增暖并持续到了春季。

图2 情形1下(a，c)、情形2下(b，d)NTA春季合成SSTA及SSTAMAM (1)- SSTADJF (0-1) 分布(填色，单位：℃)点区表明通过0.05显著性检验，蓝色方框表示关键区(10～60 °W, 5～25 °N)。

4 两种情形NTA SSTA 变化物理过程的对比

混合层是大气与海洋之间水汽、热量和动量交换的发生地，研究其内部过程对理解海温变化的机制有重要意义。Li 等[28]提出了对混合层进行诊断的方程，他们认为混合层海温的变化可由温度平流与海表热通量解释。同时，他们还考虑了混合层时空变化的影响。为明确动力与热力过程在NTA 春季增暖中的贡献，本文将诊断方程(公式(1))应用于NTA 的关键区。由于使用不同资料集等问题，热力项的距平对于混合层深度较敏感，而关注海域的混合层年际变率远小于季节变化，故本文在实际应用时通过按格点取每月的气候态值代替原始值保留了混合层深度的季节特征而忽略了年际变率，将热力项转化为线性项考虑。

图3 显示了两种情形下关键区混合层的诊断结果，图中给出的值反映了整层海温异常的变率，当该值为正时，表明海温有增暖趋势，反之亦然。对情形1的诊断结果与实际演变非常接近，对情形2的诊断结果与实际演变的趋势相似，但在拐点处残余项较大(图3a、3d)。情形2 诊断效果不佳可能与海-气相互作用存在季节内振荡特征有关，使基于月资料的中心差方案的残余项较大。两种情形下NTA最初的增暖都与海表潜热通量异常密不可分，且其在NTA增暖过程中一直是主导因素，而其他三种热通量作用都较弱(图3b、3e)。海洋自身动力过程较热力过程的影响更弱(图3c、3f)。

混合层内过程的影响具有滞后性，针对春季，应该关注提前一个月即2—4 月(1)(月份(1))表示NTA 春季异常增暖的月份)内发生的过程。在图3，这一时段通过填色标注出。两种情形下混合层内的过程在这一时段中有明显差异：情形1 下，变率达到峰值，并开始缓慢下降，表明海温增暖速率放缓；而情形2下，变率在2月(1)发生骤降，之后缓慢回升，表明暖海温冷却速率放缓。

图3a、3d显示两种情形在前年冬季开始增暖，情形1 下增暖持续到了春季，而情形2 下则出现了季节内振荡。图4 给出了两种情形在变率达到峰值时各项的具体贡献。情形1中，混合层增暖的峰值速率接近0.18 ℃/月，而情形2则为0.15 ℃/月左右。在两种情形中，四种热通量都利于增暖，且以潜热通量异常的作用为主，而动力项的作用则相反。该图还反映了诊断方程的效果：情形1中，动力项与热力项之和与实际情况下的增暖比较接近，但情形2中两者之和只能部分解释增暖的成因。

前文得到了两种情形都是以潜热通量异常为主导形成的结论，这与Saravanan 等[2]研究结果一致。Chiang等[20]曾研究过El Niño对NTA SSTA的影响，他们认为ENSO 信号通过削弱海表的东北信风进而导致了潜热通量异常。那么情形2 下潜热通量异常为何出现？同时，湿度条件对潜热通量异常的出现有何影响？为了解决这两个问题，本文采用了邵庆秋等[31]使用的方法(公式(2))，分析潜热通量异常的成因。

图3 情形1下、情形2下合成混合层海温异常变率(实线，单位：10-2 ℃/月)与动力项和热力项之和(虚线)导致的变率(a，d)；短波辐射(虚线)、长波辐射(点线)、潜热通量(粗实线)及感热通量项(细实线)导致的变率(b，e)；纬向(实线)，经向(虚线)与垂直平流(点线)导致的变率(c，f) 月份(1)表示NTA春季异常增暖年的月份，月份(0)则表示前一年的月份。

图4 两种情形下海温变率峰值时各项贡献(单位：℃/月)灰色代表情形1在2月的情况，黑色代表情形2在1月的情况。

图5 给出了两种情形前期与潜热通量异常有关的物理量分布。图5a、5c显示了1—3 月(1)合成风速与垂直湿度梯度条件。情形1 下，NTA 东部垂直湿度梯度减小，且有显著的西风异常。西风异常会削弱气候态的东北信风，使得风速减弱。而情形2 下西风异常较弱，在NTA 中部有大范围垂直湿度梯度异常正值区，两者存在竞争关系。图5b、5d 显示了2—4 月(1)合成潜热通量异常分布。在情形1 中，NTA 存在潜热通量负异常，且大部分通过显著性检验。而情形2 下却没有明显的异常分布，这是由于该事件此时正处于潜热通量异常由正转负的过程中(图3e)，季节平均无法体现这一过程。简言之，情形1下潜热通量负异常主要是西风异常作用的结果，同时NTA 东部还受到垂直湿度梯度减小的影响；而情形2下则是西风异常导致的，但垂直湿度梯度异常增大，抑制了潜热通量负异常的发展。

图5 情形1下、情形2下1—3月(1)合成10 m风场异常(箭头，单位：m/s)及海表饱和比湿与大气2 m处实际比湿差值的异常分布(等值线，单位：g/kg) (a，c)；2—4月(1)合成潜热通量异常(等值线，单位：W/m2) (b，d)通过0.05显著性检验区域填色，风矢量通过0.05显著性检验者标红，b、d中潜热通量异常向上为正，向下为负。

5 两种情形NTA 春季SSTA 变化差异的可能成因

5.1 与NAO的联系

经过前文的分析，发现两种情形的形成都与西风异常有关，那么两类暖事件下西风异常出现的原因是否一致？Bates[35]的研究表明，激发NTA SSTA 的西风异常扰动可能是由ENSO、NAO 和其他环流导致的。其中NAO 指的是亚速尔高压(北大西洋副热带高压)和冰岛低压之间气压的反向变化关系。当它呈现负位相时，北大西洋副热带高压减弱，其南部会出现西风异常[17]。

图6 给出了两种情形下NAO 指数及关键区SSTA 的演变。两种情形前期NAO 指数都存在季节内振荡，但情形1中指数在2月(1)，即El Niño峰值后，达到最低值。表2 结果显示当SSTA 落后NAO 指数1 个月时，两者呈负相关且相关系数为-0.486，通过了0.05 显著性检验（临界值为0.404）。表明El Niño 通过NAO 使春季NTA 增暖显著。情形2，图6 中的黑色虚线显示，NAO 从11月(0)到12 月(0)减小最明显，这样的NAO 变化使12 月(0)北大西洋的副高减弱，减小东北信风，减小潜热通量(图3e)，使SSTA从12月(0)到1月(1)的增暖最显著，在1 月(1)—3 月(1)增暖维持。可见，NAO 变化的差异可能是两种情形下不同SSTA 变化的主要因素。

图6 两种情形下合成标准化NAO指数与关键区SSTA(单位：℃)演变曲线 实线表示情形1，虚线表示情形2，黑色为NAO指数，灰色为SSTA。

图7显示了两种情形在1—3月(1)时合成海平面气压及风场异常分布。两种情形下都呈现NAO 负位相，但情形1 负位相发展更强，与Zhang等[36]观点一致，国内类似相关方面的研究也有不少成果[37-38]。相应地，亚速尔地区出现了气旋性环流异常，其南部的西风异常削弱了东北信风，为暖海温的发生发展提供了动力条件。而情形2 下仅在NTA 东北部有较弱的西风异常，使得暖海温的发展较弱。

表2 关键区SSTA(单位：℃)与标准化NAO指数的滞后与超前相关系数

5.2 情形1下El Niño的遥响应

图8 显示了两种情形在1—3 月(1)期间500 hPa 合成位势高度与温度异常分布。情形1 下，位势高度异常呈现PNA 正位相与类似NAO 负位相型。情形2 同样呈现类似NAO 负位相型，与前一类事件相比强度较弱且位置偏东。两种情形下温度异常在赤道太平洋的分布有显著差异。情形1中，El Niño 激发的Kelvin 波东传至热带大西洋地区，且暖中心北移到了NTA 上空。正是由于Kelvin 波的加热作用，NTA 上空环境变得更加稳定，抑制了对流的发生，同时大气增暖，使得大气容纳水汽的能力增强，减小了海-气间的垂直湿度梯度，使海面的蒸发减弱。进一步证实了前文中关于垂直湿度梯度利于NTA获得潜热通量异常能量的分析，并且与Yulaeva 等[19]和Chiang 等[20]的观点一致。而情形2仅在加拿大东北部存在暖中心。

图9显示了两种情形在1—3月(1)下合成降水异常与500 hPaT-N波活动通量异常分布。两种情形下的降水异常有明显差异。情形1下，赤道中东太平洋有强降水正异常，这是该地区强烈暖SSTA 作用的结果。降水释放的大量能量加热大气，激发了Rossby 波能量向东向北传播到热带外北大西洋地区，使北大西洋副热带高压减弱，中高纬的位势高度增加，加强并维持了NAO负位相(图8a、9a)。除此之外，Rossby 波能量还可以通过PNA波列输送至亚速尔地区[39]。情形2下，几乎没有异常的波能量来自大西洋上游地区，主要是大西洋自身的能量异常输送。

图8 情形1(a)与情形2(b)下1—3月(1)合成500 hPa位势高度异常(填色，单位：gpm)与温度异常(等值线，单位：℃)点区表示通过0.05显著性检验。

图9 情形1(a)与情形2(b)下1—3月(1)合成降水异常(填色，单位：mm/day)与500 hPa T-N波活动通量异常(箭头，单位：m2/s2) 矢量仅给出通过0.05显著性检验者。

6 结论与讨论

为解释有、无El Niño两种情形下NTA春季增暖物理机制的区别以及El Niño强迫NTA的途径，本文分析了两种情形下SSTA 分布特征的差异，诊断热力与动力的相对贡献，研究了潜热通量异常出现的原因和El Niño信号可能的传播机制。

(1) 两种情形的暖SSTA 都分布于整个NTA海域，但情形1 增暖强于情形2，关键区平均SSTA为0.55 ℃，而后者是0.37 ℃。情形1 的NTA 春季SSTA 较冬季有明显增暖，而情形2 下增暖的范围与强度都较弱。

(2) 两种NTA 增暖情形主要由热力项中的潜热通量异常导致，其他三种热通量贡献较少。而动力项则不利于海温增暖，但其影响较弱。

(3) El Niño 影响的情形，在西风异常与东部海-气界面的垂直湿度梯度减弱共同作用下，潜热通量负异常导致海面失去的热量减少，使SSTA 增暖显著。无El Niño情形，西风异常弱于情形1，减小的海面蒸发弱于前者，海-气垂直湿度梯度增大，使海面蒸发增强。该情形下，NTA 春季增暖，主要是受到NAO 负位相作用的冬季增暖的延续。海面蒸发变化与SSTA 间的负反馈关系，使SSTA存在季节内振荡特征。

(4) El Niño 激发的Rossby 波能量通过T-N波活动通量异常与PNA加强NAO负位相，抑制了其自身的季节内振荡，进而导致NTA 地区东北信风显著减弱。同时，暖Kelvin波东传，加热了NTA上空大气，使得大气容纳水汽的能力增强，减小了海-气界面的垂直湿度梯度。

(5) 在情形2中，增暖可能由NAO自身内部变率导致。但此时NAO 存在季节内振荡，不利于暖SSTA 的持续。因此该类事件下NTA 春季增暖的强度与范围都不比前者。

本文主要使用了月资料进行诊断和分析，有关两种情形下，NAO 的变化及其对北大西洋热带地区海-气耦合的调制过程，需要利用更高的时间分辨率资料做进一步深入的研究。