2020—2022年与2010—2012年两个“二次变冷”La Nia事件的特征与机制对比❋

白 燕,王欣宇,郭浩康,石 剑❋❋

(1.中国海洋大学海洋与大气学院,山东 青岛 266100; 2.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室,山东 青岛 266100)

ENSO事件的冷、暖位相在强度、空间形态以及演变过程等方面呈现出明显的不对称性[18-20]。ENSO在演变过程的不对称性表现为:通常El Nio事件在夏秋季发展并在冬季达到峰值,随后会迅速衰减,在次年冬季转变为冷位相或中性状态;而La Nia事件的生命史通常会经历更长的时间,其峰值过后的衰减十分缓慢,整个事件可以持续两个甚至三个冬季,在此期间冷海表温度异常(Sea surface temperature anomaly,SSTA)会经历多次增强的过程[21-27]。需要指出的是,相较于对ENSO振幅不对称性的研究,学者们对冷、暖位相演变过程的非对称性关注仍较少,而La Nia事件的“二次变冷”现象是上述非对称性的一个重要体现。由于赤道东太平洋冷舌和上升流在北半球秋季最强,此时纬向平流反馈和温跃层反馈也达到最强,海气相互作用最为剧烈[28]。在夏季出现的较小的冷异常可以通过海气相互作用累积并加强,在冬季形成“二次变冷”现象[29-30]。在全球气候变暖的背景下,近年来发生的“二次变冷”La Nia事件发展演变过程中有何异同特征,需要进一步揭示。

自2010年以来,赤道中、东太平洋共经历了四次La Nia事件,分别在2010—2012年、2016年、2017—2018年和2020—2022年(https://origin.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ONI_v5.php),其中,2010—2012年的La Nia事件,由于其强度较大、发展过程连续、持续时间较长,受到了广泛的关注[31-33]。在La Nia发展增强的过程中,温跃层正反馈是最为重要的物理过程之一[34],它也是“二次变冷”发生的关键过程[35]。夹卷进入混合层的偏冷海水是指示与温跃层反馈相关的物理过程的关键因子,它也再次成为引起2010—2012年La Nia事件“二次变冷”的重要因素[33]。有学者通过对等密面上海洋过程的分析,进一步指出上述偏冷的次表层海水主要来自赤道外的南太平洋,南赤道流和赤道潜流的位置和强度对冷水的输运是十分重要的[32],这也揭示了赤道外过程对该“二次变冷”事件的触发作用。不仅如此,风场强迫对2010—2012年La Nia事件的“二次变冷”也同等重要[33]。数值试验表明,当赤道西、中太平洋的东风异常降低到一定程度时,赤道中、东太平洋不会出现“二次变冷”,反而会变为暖异常[33]。尽管大多数前人工作将重点放在导致该事件“二次变冷”的物理过程上,这也是模式预报的难点和弱点[32-33],但由于引起某个La Nia事件增长或衰减的物理过程经常同时存在,仍然需要对2010—2012年La Nia事件的不同生命阶段进行分析和定量诊断。不仅如此,当前国际上多家主流ENSO预测机构对2020—2022年La Nia事件的预测结果也随着海气状态的变化不断进行修正。最新分析表明,该事件可能发展为罕见的持续三个冬季的变冷事件[36],其特殊性可见一斑,亟需对其进行全面细致的分析。

近十几年来,全球气候恢复快速增暖,不断刷新观测以来的最热记录,极端事件活动更加频繁且剧烈[37-38]。在全球气候变化的背景下,近年来需要进一步揭示“二次变冷”La Nia事件发展演变过程中的异同特征。本文主要以2010—2012年和2020—2022年两次典型的“二次变冷”La Nia事件为研究对象,来揭示其特征。

1 数据和方法

1.1 资料介绍

1.2 研究方法

(1)

式中:T为海洋混合层海水温度;u,v,w依次为混合层的纬向、经向、垂向的海流速度;ρ表示海水密度;H为海洋混合层深度,由GODAS提供;CP表示海水比热容;sw代表短波辐射;lw指代长波辐射;sh表示海表感热通量;lh指海表潜热通量。方程等号左侧表示混合层平均海温异常随时间变化倾向项;等号右侧前9项表示纬向、经向平流项和垂直输送项,第10项表示海表热通量项;R指代方程余项[38-43]。温度、海流和海表面热通量均对(180°—90°W,5°S—5°N)的混合层范围内进行计算后取区域平均值。本文中上述诊断方程的单位为 ℃/月。各变量上方的横线(-)表示气候态变量,而′则表示为变量的异常值。气候态变量取气候态混合层内的数值进行平均,而异常变量取实际混合层内的数值进行平均。需要说明的是,利用固定50 m、气候态、实际混合层深度与本文的算法结果差异不大(图略),但是本文对(180°—90°W,5°S—5°N)内混合层内温度异常演变的刻画最准确,因此下文依据上述算法进行展示。

2 两个“二次变冷”La Nia事件的演变特征

(蓝色阴影部分为SSTA<-0.5 ℃的冷时期;2010—2012年与2020—2022年La Nia事件用深蓝色阴影标记;黑色虚线和蓝色虚线分别表示零线和-0.5 ℃线。When SSTA <-0.5 ℃,the episode is shaded in light blue. The La Nia events during 2010—2012 and 2020—2022 are shaded in dark blue. The black and blush dashed lines represent the zero and -0.5 ℃ lines,respectively.)图1 1981年12月—2022年5月Nio3.4区域月平均海表温度异常值Fig.1 Sea surface anomalies over the Nio 3.4 region from December,1981 to May,2022

图2 2010—2012年La Nia事件演变过程中热带太平洋海表温度异常(单位:℃)和表面风场异常(单位: m/s)Fig.2 SSTA (unit: ℃) and surface wind anomalies (unit: m/s) during the 2010—2012 La Nia event

图3 2020—2022年La Nia事件演变过程中热带太平洋海表温度异常(单位:℃)和表面风场异常(单位:m/s)Fig.3 SSTA (unit: ℃) and surface wind anomalies (unit: m/s) during the 2020—2022 La Nia event

(2010年1月-2012年12月(a)、2020年1月-2022年5月(b)沿赤道海表温度异常(单位:℃)演变的哈默图;(c,d)与(b)时间段相同,但为Nio 3区域(c)、Nio 4区域(d)的海表温度异常(单位:℃)演变。Hovmöller diagram of SSTA (unit: ℃) along the equator from January 2010 to December 2012 (a) and from January 2020 to May 2022 (b); (c,d) same period as (b) but for SSTA (unit: ℃) over Nio 3 area (c) and Nino 4 area (d),respectively.)图4 2010—2012年与2020—2022年La Nia事件沿赤道海表温度异常演变过程Fig.4 Evolution of SSTA for 2010—2012 and 2020—2022 La Nia events

为了描绘两个事件在位置上的区别,图4(c)和(d)展示了Nio 3区域(150°W—90°W,5°N—5°S)(见图4(c))和Nio4区域(160°E—150°W,5°N—5°S)(见图4(d))SSTA演变规律。由于2020—2022年La Nia事件位置偏东,从Nio 4指数来看,其整个过程的冷SSTA均弱于2010—2012年事件,且第一次峰值(-1.7 ℃)前的发展速率明显慢于2010—2012年事件(-1.2 ℃)。如果从Nio 3指数的演变来看,尽管2020—2022年La Nia事件的第一个峰值(-1.3 ℃)仍然弱于2010—2012年事件(-1.7 ℃),但是其第二个峰值(-1.4 ℃)则明显强于后者(-1.1 ℃),并且其达到峰值的时间也偏晚,经历了更长的负SSTA增强的过程。

在垂直方向,2010年(发展年)夏秋季节,强的冷性Kelvin波沿温跃层东传,次表层冷异常逐渐抬升并露头(见图5(a)—(c));2011年春季衰减阶段,尽管西太平洋的暖性Kelvin波表现出一定的东传特征,大大削弱了次表层冷异常的强度,但是冷异常仍然存在于赤道中、东太平洋(见图5(d)—(f));2011年夏秋季再次增长阶段,次表层冷异常再次增强并东传抬升(见图5(g)—(j))。此时,次表层等密面上冷海温异常呈“马蹄状”分布,赤道外南太平洋的冷水被平流至赤道地区[32],这与赤道潜流和南赤道流的季节变化有关[45]。从次表层海温异常来看,两年冬季的冷异常是基本相当的(见图5(d)—(j)),但是表层的负SSTA在第一年冬季明显更强(见图2),表明垂直过程可能并非引起两年差异的主要原因。

(黑线为所在月份20 ℃等温线。The black line is the 20 ℃ isotherm in the corresponding month.)图5 2010—2012年La Nia事件中次表层海水温度异常Fig.5 Subsurface temperature anomalies during 2010—2012 La Nia event

图6 2020—2022年La Nia事件中次表层海水温度异常Fig.6 Subsurface temperature anomalies during 2020—2022 La Nia event

为了进一步分析两个事件过程中冷性和暖性Kelvin波的活动特征,图7分别展示了沿赤道0～300 m平均海水温度异常(见图7(a),(b))变化和SLA变化(见图7(c),(d))。Kelvin波的东传可由0～300 m平均海水温度异常随时间的演变清晰的描绘出来(见图7(a),(b)),但是SLA的变化对其东移特征描述的不够清楚(见图7(c),(d))。2010—2012年事件中Kelvin波明显偏强(见图7(a)),且东传到达中、东太平洋的时间早于2020—2022年事件(见图7(b)),这也引起该事件更早的达到峰值。

图7 2010—2012年(a、c)和2020—2022年(c、d)La Nia事件沿赤道区域0～300 m海水平均温度异常与海表面高度异常的哈默图Fig.7 Hovmöller diagrams of ocean temperature anomalies averaged over 0～300 m and SLA along the equator for La Nia events during 2010—2012 (a,c) and 2020—2022 (b,d)

在2010—2012年事件的两个冬季峰值之间,暖性Kelvin波东传也是可以明显看出的,但是其到达中、东太平洋时,强度已经很弱,无法改变ENSO的位相(见图7(a))。2020—2022年事件也表现出该特征(见图7(b))。因此,当赤道东风异常达到一定程度时,冷SSTA得以继续发展,出现“二次变冷”(见图2和图3)。

图8 2010—2012年(a)和2020—2022年(b)La Nia事件的沿赤道纬向风异常(单位:dyn·cm-2)Fig.8 Hovmöller diagrams of equatorial zonal wind stress anomalies (unit: dyn·cm-2) for La Nia events during 2010—2012 (a) and 2020—2022 (b),respectively

3 两次La Nia事件的混合层热收支诊断分析

(柱状图为动力项与热力项之和,折线图为温度倾向项,R表示两者相关系数。Blue bars show time series of the sum of dynamic and thermal terms,and the broken line shows the change of the temperature tendency term. R represents the correlation coefficient between them.)图9 2010年5月—2012年5月(a)与2020年7月—2022年4月(b)混合层温度倾向项和动力项与热力项之和的演变过程Fig.9 Time series of mixed-layer temperature anomaly tendency and sum of dynamic and thermal terms from May 2010 to May 2012 (a) and from July 2020 to April 2022 (b)

3.1 La Nia事件的第一个发展阶段

(计算区域为(180°—90°W,5°S—5°N),T,w,u,v为气候态值,T′,w′,u′,v′为异常值。Calculation area is over (180°—90°W,5°S—5°N). T,w,u,v are climatological values,and T′,w ′,u ′,v ′ are anomalies.)图10 2010—2012年(a—d)与2020—2022年(e—h)La Nia事件不同阶段海洋混合层热收支诊断Fig.10 Mixed layer heat budget for different phases of La Nia events during 2010—2012 (a—d) and 2020—2022 (e—h)

3.2 La Nia事件的第一个衰减阶段

3.3 La Nia事件再次增长阶段

3.4 La Nia事件再次衰减阶段

4 结语

本文以2010—2012年和2020—2022年两个“二次变冷”La Nia事件为例,探究了La Nia在全球恢复变暖后的特征与可能变化。两个La Nia事件均发生在ENSO位相发生转变之后,从发展年7—8月出现负SSTA,到冬季达到第一次峰值;此后,在海表热通量和海水平流的衰减作用下,在次年夏季恢复至中性状态;在次年夏秋季,受强烈的海气相互作用影响,负SSTA再次增强,“二次变冷”La Nia事件出现。2020—2022年La Nia事件较2010—2012年事件的SSTA位置偏东,靠近南美沿岸,这很大程度上是由于2020—2022年东风异常集中在赤道太平洋东部。