2010年拉尼娜事件發(fā)生的動力機制研究

劉國林, 袁東亮

(1. 中國科學院 研究生院, 北京100039; 2. 中國科學院 海洋研究所, 中國科學院 海洋環(huán)流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071)

2010年拉尼娜事件發(fā)生的動力機制研究

劉國林1,2, 袁東亮2

(1. 中國科學院 研究生院, 北京100039; 2. 中國科學院 海洋研究所, 中國科學院 海洋環(huán)流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071)

利用“LASG/IAP氣候系統(tǒng)海洋模式”(LASG/IAP Climate system Ocean Model, 簡稱LICOM海洋模式)和全球簡單海洋資料同化分析系統(tǒng)產(chǎn)成的 SODA(simple ocean model assimilation)資料研究了2010年拉尼娜事件發(fā)生的動力機制。結(jié)果表明, 2010年拉尼娜事件發(fā)生于2010年6月, 是繼2009年厄爾尼諾事件之后發(fā)生的一次較為特殊的一次冷事件, 該事件將持續(xù)到2011年; 該事件主要是由2010年西邊界反射的東傳上升Kelvin波和西太平洋異常東風激發(fā)的, 而赤道太平洋緯向流異常在該事件的形成過程中也起著非常重要的作用。通過對本次拉尼娜事件動力機制和發(fā)生發(fā)展過程的研究分析, 進一步加深了對拉尼娜事件動力機制的了解, 同時對拉尼娜事件的預(yù)報及防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。

赤道Kelvin波; 赤道Rossby波; 拉尼娜; 動力機制

拉尼娜事件系指赤道太平洋東部和中部海面溫度持續(xù)異常偏冷的現(xiàn)象(與厄爾尼諾事件正好相反),它是熱帶海洋和大氣共同作用的產(chǎn)物。當赤道太平洋爆發(fā)異常東風, 太平洋上空的 Walker環(huán)流變得異常強烈, 異常東風將被太陽加熱的表層海水吹向太平洋西部, 致使暖水在西太平洋堆積, 西太平洋海平面增高, 水溫上升, 氣壓下降, 而東部次表層海水上翻, 致使東太平洋表層水溫異常偏低, 形成拉尼娜事件。

“冷漠型”的主要表現(xiàn)是既缺乏職業(yè)規(guī)劃意識又缺乏規(guī)劃動力，低效能感作用下對就業(yè)缺乏關(guān)心和關(guān)注，也就不會產(chǎn)生慮情緒，但是這種低效能對學生本身能動性會產(chǎn)能生阻礙作用，學生也容易因為不關(guān)心就業(yè)，在大四畢業(yè)擇業(yè)時容易錯失機會，也因其產(chǎn)生的低效能會對學生的后續(xù)人生規(guī)劃中作出不全面不準確判斷。

拉尼娜事件會給全球造成嚴重的旱澇災(zāi)害, 使許多國家的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遭受嚴重損失。據(jù)世界氣象組織報道, 2010年拉尼娜事件在引起中國“南凍北旱”的同時, 也給全球造成了嚴重災(zāi)害: 低溫寒流席卷亞洲大部, 寒冷天氣導(dǎo)致印度至少129人死亡, 俄羅斯東北部出現(xiàn)–60℃的低溫天氣, 日本連降暴雪; 澳大利亞多處地區(qū)因持續(xù)暴雨遭遇嚴重的洪澇災(zāi)害; 菲律賓南部連降暴雨, 強降水引發(fā)洪水和泥石流; 印尼的爪哇地區(qū)遭受龍卷風襲擊, 使得大量民房倒塌。

有學者很早就指出, 海-氣相互作用對厄爾尼諾和拉尼娜事件的產(chǎn)生有很大作用[1], 而且異常風應(yīng)力是激發(fā) 1997/1998年厄爾尼諾事件及其之后的拉尼娜事件的主要原因[2]。一般拉尼娜事件會隨著厄爾尼諾事件的結(jié)束而發(fā)生, 有時會出現(xiàn)在厄爾尼諾事件發(fā)生之后的當年或第二年。與厄爾尼諾事件類似,拉尼娜事件的持續(xù)時間也有很大差別, 短則半年,長達兩年多。1997/1998年厄爾尼諾事件是 20世紀50年代以來最強的一次事件, 并于當年秋季(1998年9月, 以 Nino3指數(shù)為判據(jù))發(fā)生了一次強拉尼娜事件(1998/2000 年)。

一般來說，受眾參與廣播電視節(jié)目的發(fā)展過程可以概括為三個階段：受眾點播節(jié)目——受眾電話參與節(jié)目——受眾現(xiàn)場參與節(jié)目。熱線電話介入直播節(jié)目現(xiàn)場的本質(zhì)是“受眾同步反饋并參與節(jié)目制作，”可介入熱線電話的節(jié)目類型有采訪報道類、公共事務(wù)談話類、情感傾訴類、綜藝游戲類和服務(wù)類[1]。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，依靠新媒介的介入，這五種節(jié)目類型相互雜交，衍生出了新的復(fù)合型節(jié)目。2010年1月15日，江蘇衛(wèi)視推出的《非誠勿擾》就是一檔服務(wù)于廣大適齡男女的、適應(yīng)當代生活節(jié)奏的大型婚戀交友電視節(jié)目?！斗钦\勿擾》具有自己獨特的信息傳播機制，這是它取得高收視率，兼具經(jīng)濟效益和社會效益的關(guān)鍵原因。

2010年拉尼娜事件是一次比較特殊的事件, 因為它是1951年來所有拉尼娜事件當中繼厄爾尼諾事件發(fā)生后發(fā)展速度最快的一次事件。2009/2010年厄爾尼諾事件于2010年5月結(jié)束, 而在2010年6月便發(fā)生了該次拉尼娜事件。那么, 2010年拉尼娜事件的誘發(fā)機制是什么？海洋波動(赤道Kelvin波和Rossby波)和表層流在其形成過程中有何作用？這些科學問題迄今尚未研究。因此, 本文擬利用資料分析與數(shù)值實驗相結(jié)合的研究方法來具體分析2010年拉尼娜事件發(fā)生的動力機制, 以期為深入了解拉尼娜事件的形成原因及其可預(yù)報性研究提供可靠的科學依據(jù)。

1 模式簡介及資料與方法

2.3 與Nino3 指數(shù)對比

從前面的分析可知, 赤道中太平洋的東風異常在2010年拉尼娜事件的發(fā)生和發(fā)展過程中起著很重要的驅(qū)動作用。眾所周知, 風異常不僅能引起海洋波動(如赤道Kelvin波和Rossby波), 而且還將驅(qū)動海水運動, 形成海流。那么, 海洋波動和海流在拉尼娜事件形成過程中的作用如何？為此, 下面重點分析海洋波動和表層流對拉尼娜事件的影響, 進而探討拉尼娜事件發(fā)生的動力機制。

2.1 海面高度驗證

2 模式結(jié)果驗證

本文采用赤道波分解方法分析全流海洋模式的模擬結(jié)果[7-8]。

圖1 1993~2010年赤道太平洋海表高度異常分布(單位: m)Fig. 1 Interannual sea surface height anomaly of the equatorial pacific (unit:m)

以前的觀點認為, 厄爾尼諾和拉尼娜的發(fā)生都是從東太平洋南美洲秘魯沿岸開始的, 對拉尼娜事件的判斷標準也各不相同, 有Nino1+2指數(shù)、Nino3指數(shù)、Nino3.4指數(shù)以及 TNI指數(shù)[10-11]。但是近年來的觀測事實表明, 拉尼娜事件和厄爾尼諾事件都是先從赤道中太平洋開始的, 然后擴展到東海岸[12]。因此本文利用Nino3指數(shù)來檢驗?zāi)M結(jié)果的可靠性[13]。

2.2 海表溫度驗證

采用中國氣象局的自動站與CMORPH小時降水融合產(chǎn)品作為觀測數(shù)據(jù),對模式結(jié)果進行檢驗,其分辨率為0.1°×0.1°。

由于海表溫度異常(SSTA)的傳播是厄爾尼諾與拉尼娜事件的主要特征之一, 因此本文還對模擬的SSTA與實測結(jié)果進行了對比。圖2為1991~2010年模擬和觀測的赤道區(qū)域(2°N~2°S)平均 SSTA分布?？梢钥吹? 模擬的SSTA與觀測值比較一致, 并對厄爾尼諾事件和拉尼娜事件的形成與發(fā)展過程都有很好的體現(xiàn)。除了模擬的1997/1998年厄爾尼諾事件期間正SSTA中心的位置要比觀測結(jié)果略偏西外, 其他厄爾尼諾事件(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)期間的模擬結(jié)果和實測值都比較吻合。

值得指出的是, 由于 2010年拉尼娜事件是在2009/2010年厄爾尼諾事件結(jié)束后不久發(fā)生的, 因此進一步對比分析2009~2010年模擬的SSTA和實測結(jié)果是十分必要的。由圖3可以看出, 模擬結(jié)果和觀測非常相近, 特別是模擬的拉尼娜事件發(fā)生時間和觀測相一致, 只是模擬的SSTA比觀測值略大。從模擬結(jié)果可以清楚地看到, 發(fā)生于2010年6月的拉尼娜事件, 在 2010年 12月仍然很強(赤道中東太平洋的 SST仍為很大的負異常), 并沒有減弱的趨勢。

圖2 1990~2010年赤道太平洋海表溫度異常分布(單位:℃)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國科學院大氣物理研究所LASG實驗室開發(fā)的準全球的“LASG/IAP氣候系統(tǒng)海洋模式”(LASG/IAP Climate system Ocean Model,簡稱LICOM海洋模式), 所用的版本是LICOM 1.0[3],模式覆蓋的海域為 90°N~79°S, 0°~360°的全球海域,水平分辨率為 0.5°×0.5°(經(jīng)度×緯度), 垂直有30層。它采取的參數(shù)化方法(如中尺度渦參數(shù)化方案GM90[4]和熱帶上層海洋垂直混合的 P-P方案[5])較好地改善了模式的模擬效果。模式使用風應(yīng)力、凈短波輻射、非短波通量作為初始場, 而溫鹽初始場來自Levitus94氣候溫鹽資料集[6], 垂向共30層。通過900 a積分, 使表層海溫和鹽度恢復(fù)到WOA98月平均SST和SSS。

為了檢驗?zāi)Ｊ侥M結(jié)果的可靠性, 本文將模式結(jié)果與TOPEX衛(wèi)星高度計資料進行了對比分析。圖1給出了 1993~2010年赤道區(qū)域(2S°~2°N)平均的觀測和模擬的海面高度異常分布。由圖1可知, 模式能夠很好地再現(xiàn)赤道太平洋海面高度異常的分布特征和演化規(guī)律, 特別對厄爾尼諾事件(1994/1995,1997/1998和2009/2010年)和拉尼娜事件(1995/1996,1998/2000和2010年)的形成與發(fā)展過程都有很好的模擬。但應(yīng)指出的是, 模式模擬的海面高度異常值比觀測的略小些, 即模式對厄爾尼諾與拉尼娜事件的模擬強度要弱于觀測, 這是由海洋動力過程造成的偏差引起的[9]。在赤道上, 雖然正壓過程的計算誤差較大, 但本文所要計算的斜壓過程的誤差則比正壓誤差偏小, 而且海面高度的誤差也較小, 這對我們用波分解方法進行動力機制分析影響不大, 亦即這種誤差可以忽略不計。

由圖4可以看到, 模擬的Nino3指數(shù)與實測結(jié)果非常一致, 而且兩者的數(shù)值也比較接近, 特別是除了模擬的拉尼娜事件強度比實測略弱些外, 對1992/1993、1997/1998及最近的2009/2010厄爾尼諾事件都模擬得很好。拉尼娜事件與厄爾尼諾事件的振幅存在著非對稱性, 這主要是由海洋的非線性溫度平流造成的[14]。因此可以認為, 本文的模擬結(jié)果是可信的。

2.金融衍生產(chǎn)品的風險分析。金融衍生產(chǎn)品本身就是一個風險規(guī)避的產(chǎn)品，可是這樣的一個產(chǎn)品卻在短短十年之間發(fā)生了巴林銀行、中航油等數(shù)起金融事件，造成數(shù)十億的虧損，令人瞠目結(jié)舌。這樣的事實告訴我們，有必要對金融衍生產(chǎn)品市場的內(nèi)在風險進行梳理、分析［1］18。

圖3 2009~2010年赤道太平洋海表溫度異常分布(單位:℃)Fig. 3 Interannual sea surface temperature anomaly (unit:℃)

圖4 1990~2010年Nino3 指數(shù)Fig. 4 Nino3 index of 1990~2010

3 拉尼娜事件的發(fā)生過程

以前的觀點認為, 厄爾尼諾事件和拉尼娜事件都起源于赤道東太平洋, 而近幾年的觀測資料則表明, 厄爾尼諾和拉尼娜事件是由中太平洋溫躍層開始的[9]。為了進一步了解 2010年拉尼娜事件的成因, 圖6給出了赤道太平洋海溫異常分布?？梢钥吹? 2010年5月在赤道中太平洋的60~140 m水層有一負海溫異常(TA＜–2.0℃)存在, 之后它向東向上迅速傳播, 并于6月影響到海面, 使得赤道中東太平洋海面基本為負海溫異常所控制。這與近年來冷、暖事件都是從中太平洋溫躍層開始的觀測事實相一致。

圖5 2009~2010年赤道太平洋海面高度(m)異常和緯向風應(yīng)力(N/m2)異常Fig. 5 Model sea surface height anomaly and model zonal windstress anomaly of equatorial pacific from 2009 to 2010

圖5給出了 2009~2010年模式的海面高度異常(SSHA)和緯向風應(yīng)力異常分布?？梢钥吹? 在 2010年 4月, 赤道中東太平洋均出現(xiàn)了海面高度負異常,而在同年5月赤道西太平洋(120°~160°E)的海面高度為正異常, 這意味著赤道中東太平洋的暖水開始流向西太平洋。6月, 中東太平洋的海面高度負距平明顯增大(SSHA＜–0.05 m), 并于 10月達至最大, 為–0.15 m, 位于160°W附近。這說明, 拉尼娜事件自2010年 6月爆發(fā)以來, 其強度迅速增強, 并將一直持續(xù)下去。這主要與持續(xù)的東風異常有關(guān)。如圖 5中的右圖所示, 自 2010年4月以來, 赤道中太平洋一直維持東風異常, 特別在 7月以來東風異常顯著加強, 這有助于赤道中東太平洋的暖水減少, 次表層冷水上翻, 使得拉尼娜事件增強。

在伯克利國家實驗室，利曼斯帶我走過記錄粒子加速器歷史的洞穴走廊時，向我展示了大約有半塊黃油大小的塊狀裝置，該裝置中嵌入的一個管狀體內(nèi)存有等離子體，BELLA的激光脈沖通過其中的等離子體，能夠?qū)⒌入x子體中的電子加速到高能量，接近世界上一些最高能的電子加速器所產(chǎn)生的能量。

4 拉尼娜事件發(fā)生的動力機制

本文所用的強迫場資料包括短波、長波、海面以上2 m處氣溫、10 m處風速、海表壓力和海表比濕。這些參數(shù)均取自于NCEP 1990~2010年間的日平均資料。 1993~2007年間的海面高度資料為TOPEX衛(wèi)星高度計資料, 而 1991~2010年間的月平均海表溫度資料來自于 Hadley中心。此外, 本文還使用了2010年1~12月SODA(simple ocean model assimilation)資料的表層流數(shù)據(jù)。

試驗中所用的波分解方法是在赤道區(qū)域(5°N~5°S)平均的密度剖面基礎(chǔ)上計算出特征函數(shù)和斜壓模態(tài)的波速。為了得到每個斜壓模態(tài)的系數(shù),把深達2 700 m(25層)的三維動力高度和緯向流分解成特征函數(shù), 再把這些系數(shù)分解成赤道 Kelvin波和Rossby波[7-8]。圖 7為第一斜壓模態(tài)的 Kelvin波和Rossby波, 這些系數(shù)與模式模擬的海面高度異常有一定的關(guān)系。

良好的板書設(shè)計能力，能夠讓教師的課更加受學生歡迎。誰都會喜歡美觀、設(shè)計感強的東西。如果教師的板書在內(nèi)容上高度概括，在語言上簡潔明了，在書寫上清晰整潔，在形式上具有審美價值，那么學生便會更加喜歡上課，同時教師在無形中也會給學生起到潛移默化的示范作用。

模式分解的赤道Kelvin波和Rossby波系數(shù)顯示,2009年上半年和下半年各有一支東傳的下降的Kelvin波(圖7), 前者來自西邊界反射, 并受西太平洋東風異常的加強(圖5), 后者顯然是由西太平洋西風異常強迫的, 從2009年10月西傳并于2010年初傳到東太平洋, 這部分Kelvin波顯然對2009年底的弱厄爾尼諾事件有重要貢獻。

圖6 2010年5~12月赤道太平洋海水溫度異常剖面圖(單位:℃)Fig. 6 Equatorial Pacific sea temperature anomaly profile from May to December of 2010 (unit:℃)

2009年底中太平洋西傳的上升 Rossby波于2010年初達到西邊界, 然后反射形成 2010年的上升Kelvin波, 而東傳的上升Kelvin波也受西太平洋異常東風的加強(圖 5), 顯然該反射 Kelvin波與東風異常共同作用, 進一步生成 2010年底的拉尼娜事件。

以上分析顯示, 西邊界反射和赤道太平洋緯向風異常對于 2009年至 2010年間的熱帶太平洋的厄爾尼諾和拉尼娜事件起了重要作用。

圖7 2008~2010年赤道Kelvin波和赤道Rossby波分解系數(shù)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; 負值表示上升。Kelvin波一單位對應(yīng)于0.33 m的海表高度, 第一斜壓模態(tài)Rossby波一單位對應(yīng)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]的研究結(jié)果表明, 波致流(由赤道Kelvin波和 Rossby波引起的緯向流異常)是赤道太平洋表層暖水緯向運動的主要驅(qū)動因素。那么, 緯向流異常在 2010年拉尼娜事件形成中的作用如何？為此, 本文給出了 2010年 2~12月間的熱帶太平洋表層流異常場(圖 8)。可以看到, 2月除了在赤道西太平洋存在較強的異常東向流外, 在赤道東太平洋已出現(xiàn)異常西向流。而這種情況在 3月份已發(fā)生了明顯的改變, 即異常西向流區(qū)向西擴展至 160°E附近。自 4月之后, 赤道太平洋完全由異常西向流所控制。大范圍的異常西向流將使得赤道中東太平洋的表層暖水西遷, 致使赤道中東太平洋的溫躍層冷水上翻, 表層水溫下降, 形成拉尼娜事件。由此可見, 赤道太平洋表層緯向流異常在 2010年拉尼娜事件的形成過程中起著非常重要的作用。但是, 這些緯向流異常的形成機制尚不清楚, 擬另文研究。

6 作者投稿時須從郵局匯20元稿件處理費，請勿在稿件中夾寄。稿件確認刊載后，將按標準向作者收取版面費(版面費請從郵局寄給本刊編輯部)。我刊收到版面費后，將出具正式收據(jù)，以掛號信形式寄給作者。稿件刊登后酌致稿酬，并贈當期雜志1冊。稿件及匯款請勿寄給個人。

5 結(jié)論

本文利用LICOM海洋模式成功地模擬了2010年拉尼娜事件, 并利用模式結(jié)果和 SODA資料研究了拉尼娜事件發(fā)生的動力機制, 得到研究結(jié)果主要如下。

(1)2010年拉尼娜事件發(fā)生于2010年6月, 是繼2009年厄爾尼諾事件之后發(fā)生的一次較為特殊的一次冷事件, 該事件將持續(xù)到2011年。(2)2010年的拉尼娜事件的產(chǎn)生由 2010年西邊界反射的東傳上升Kelvin波和西太平洋異常東風激發(fā)的, 這部分Kelvin波是由2009年底中太平洋西傳的上升Rossby波在西邊界反射形成的。(3)赤道太平洋表層緯向流異常在2010年拉尼娜事件的形成過程中起著非常重要的作用。但是, 這些緯向流異常的形成機制尚不清楚, 擬另文研究。

圖8 2010年5~12月太平洋異常表層流Fig. 8 The anomaly surface current of pacific from May to December in 2010向東為正East is positive

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Dynamic research and analysis of the 2010 La Ni?a

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 Ni?a;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 Ni?a events in 2010. The results show that, La Ni?a events in 2010 following the 2009 El Ni?o 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

山東省杰出青年基金; 自然科學基金面上項目(40676020);中國科學院“百人計劃”項目

劉國林(1987-), 男, 山東濰坊人, 碩士研究生, 研究方向為海洋環(huán)流與數(shù)值模擬, E-mail: guolin231@163.com; 袁東亮(1966-),男, 通信作者, 教授, 博士, 主要從事陸架環(huán)流動力學的研究以及赤道太平洋和印度洋環(huán)流動力學和海－氣耦和研究, E-mail: dyuan@qdio.ac.cn

(本文編輯：劉珊珊)