ENSO對(duì)冬季北太平洋水汽輸送及大氣河的影響

游振宇 劉世淦 王軒同 任雪娟

(南京大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210023)

引 言

由于水汽輸送過(guò)程需要綜合考慮大氣環(huán)流和對(duì)流層中低層的水汽條件,其時(shí)空特征及不同尺度上的變率廣受學(xué)者關(guān)注[1-3]。大氣環(huán)流可通過(guò)大尺度的水汽輸送帶來(lái)區(qū)域性的水汽輻合,為該區(qū)域的降水提供有利條件。在北太平洋地區(qū)的冬季,受中緯度西風(fēng)帶的影響,整層水汽自西太平洋副熱帶地區(qū)(水汽的主要源地)向北美西海岸輸送(水汽匯),其中水汽輸送的向極分量主要受到風(fēng)暴軸活動(dòng)的影響[3]。

Newell,et al[4]在分析全球水汽輸送通量時(shí)指出,在南北半球中緯度的大洋上,水汽輸送經(jīng)常集中在對(duì)流層中低層的一些狹長(zhǎng)的河流帶中,沿河流帶方向的水汽通量可達(dá)1.6×108kg·s-1,與亞馬遜河的流量相當(dāng),ZHU,et al[5]將其命名為“大氣河”(Atmospheric River,AR)。與東亞上空常與夏季風(fēng)伴隨的寬水汽輸送帶不同,大氣河常出現(xiàn)在冬季溫帶氣旋冷鋒前的暖輸送帶中,分布狹長(zhǎng),具有很強(qiáng)的瞬變性[6]。北太平洋地區(qū)的大氣河是冬季北美洲重要的水汽來(lái)源，當(dāng)大氣河受地形強(qiáng)迫抬升時(shí),往往會(huì)造成強(qiáng)烈的降水[7]。有研究表明,在過(guò)去60 a,西歐沿岸的冬季強(qiáng)降水多與大氣河登陸有關(guān)[8]。由于大氣河對(duì)北美洲乃至全球水循環(huán)有重要影響,近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注[3-10]。目前,諸多學(xué)者關(guān)注了天氣尺度和年代際尺度上水汽輸送和大氣河頻率的變化[1,3,10],但有關(guān)年際尺度上水汽輸送以及大氣河和氣候事件的聯(lián)系[2],探討不多。

ENSO是赤道太平洋地區(qū)最為顯著的年際尺度海氣相互作用模態(tài),對(duì)全球氣候有顯著影響[11-14]。大量研究指出ENSO對(duì)中國(guó)東部地區(qū)的降水有重要影響[15-16]。Kim, et al[2]指出,在ENSO冷暖位相之間,北太平洋地區(qū)和北美降水量亦存在顯著差異。就冬季北太平洋地區(qū)而言,ENSO與北半球PNA模態(tài)(太平洋—北美遙相關(guān)型)存在顯著相關(guān)[17-18]。在El Nio年赤道東太平洋海溫的熱強(qiáng)迫下,中緯度北太平洋地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)氣旋式的環(huán)流異常[19]。在El Nio年冬季,東亞副熱帶急流增強(qiáng)東擴(kuò),而La Nia年冬季急流減弱西縮[20-22]。吳正賢等[23]通過(guò)對(duì)1982/1983年冬季El Nio期間大氣環(huán)流異常的診斷分析,指出El Nio事件使北半球中緯度西風(fēng)顯著加強(qiáng),大氣濕度明顯增加,并增強(qiáng)了自副熱帶向中高緯度水汽輸送的強(qiáng)度。綜上,由于ENSO可以調(diào)制大尺度環(huán)流和降水量,所以有必要進(jìn)一步研究ENSO變率究竟如何影響泛北太平洋地區(qū)的水汽輸送,以及北太平洋大氣河的頻率。

本文采用尺度分解的方法[24-25],將水汽輸送及其散度分解為時(shí)間平均、年際尺度的擾動(dòng)以及非年際尺度的擾動(dòng)3個(gè)部分,分析ENSO對(duì)水汽輸送和水汽輸送散度的影響?；诓煌奈锢磉^(guò)程中多尺度風(fēng)場(chǎng)、比濕之間的相互作用,分析各物理過(guò)程對(duì)總異常的貢獻(xiàn)。

1 資料和方法

1.1 資料和ENSO事件的選取

所用資料主要為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的ERA-Interim再分析資料,選取的大氣物理參量包括水平風(fēng)場(chǎng)(u,v)、比濕(q)、位勢(shì)高度場(chǎng)(水平分辨率為0.75°×0.75°,垂直方向?yàn)?層)和海平面氣壓場(chǎng)(水平分辨率為0.75°×0.75°)。資料選取的時(shí)間范圍是1979—2016年冬季(12—次年2月)。

ENSO事件的選取是依據(jù)美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心(CPC)提供的1979—2018年Nio3.4區(qū)(5°S～5°N,170°～120°W)平均海溫?cái)?shù)據(jù)(http:∥www.cpc.ncep.noaa.gov),通過(guò)定義海溫距平的3個(gè)月滑動(dòng)平均的峰值強(qiáng)度為Nio3.4指標(biāo)(N-34)而確定[26]。為了提取中等偏強(qiáng)的ENSO事件進(jìn)行分析,選取1979—2018年間N-34指標(biāo)正異常的前5位作為參與合成分析的El Nio事件(1982/1983、1991/1992、1997/1998、2009/2010和2015/2016年),負(fù)異常的前5位作為合成分析的La Nia事件(1988/1989、1998/1999、1999/2000、2007/2008和2010/2011年)。

1.2 分析和計(jì)算方法

1.2.1 整層水汽含量、整層水汽輸送及其散度的計(jì)算

使用以下公式計(jì)算整層水汽含量(Integrated Water Vapor, IWV)和整層水汽輸送(Integrated Vapor Transport, IVT):

(1)

(2)

(1)和(2)式中：g為重力加速度；ps為海平面氣壓；q為相對(duì)濕度；V為水平風(fēng)場(chǎng)；Pt為積分上界的氣壓(300 hPa)。當(dāng)▽·IVT<0時(shí)(整層水汽通量散度為負(fù)),該區(qū)域?yàn)樗膮R;當(dāng)▽·IVT>0(整層水汽通量散度為正),該區(qū)域?yàn)樗脑础?/p>

1.2.2 IVT及其散度的異常和分解

將IVT中的比濕和風(fēng)場(chǎng)分解為時(shí)間平均、年際尺度及非年際尺度的擾動(dòng),IVT的年際異?？梢员硎緸?

(3)

其中:IVT′、q′、V′ 分別表示整層水汽輸送、比濕和風(fēng)場(chǎng)的年際異常。公式(3)中的a項(xiàng)表示由風(fēng)場(chǎng)年際異常貢獻(xiàn)的水汽輸送異常(動(dòng)力場(chǎng)貢獻(xiàn));b項(xiàng)表示比濕場(chǎng)年際異常貢獻(xiàn)的水汽輸送異常(水汽場(chǎng)貢獻(xiàn));c項(xiàng)表示比濕、風(fēng)場(chǎng)的年際異常共同貢獻(xiàn)的部分;余項(xiàng)(residue)較小,可忽略。按上述方法,IVT散度的異?？梢苑纸鉃閇24-25]:

(4)

其中：IVT散度的異?？煞纸鉃锳, B, C三項(xiàng)及余項(xiàng)(較小,可忽略)。該式中各項(xiàng)含義與IVT異常分解的各項(xiàng)含義類(lèi)似。其中,A項(xiàng)可分解為以下各項(xiàng):

(5)

其中：A1, A2, A3分別表征3種貢獻(xiàn)散度異常的過(guò)程:(1)異常大氣環(huán)流的散度;(2)異常緯向風(fēng)場(chǎng)和背景比濕場(chǎng)的緯向非均勻性;(3)異常經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)和背景比濕場(chǎng)的經(jīng)向非均勻性。同理,B項(xiàng)亦可分解為以下各項(xiàng):

(6)

其中：B1, B2, B3的解釋與(5)式類(lèi)似。根據(jù)分析,A項(xiàng)主要由A1, A3貢獻(xiàn),B項(xiàng)主要由B2貢獻(xiàn)。第2部分將會(huì)具體闡述。

1.2.3 大氣河事件及其頻率異常的計(jì)算

大氣河事件采取的判據(jù)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表示給定水平空間格點(diǎn)的水汽通量；Qmean是某給定緯度上水汽輸送通量Q的大小的緯向平均值；Qmax是該緯度上水汽輸送通量Q的最大值。對(duì)于任意給定格點(diǎn),當(dāng)Qr滿(mǎn)足公式(8)時(shí),稱(chēng)該格點(diǎn)為AR格點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)格點(diǎn)成為AR格點(diǎn)時(shí),對(duì)應(yīng)的那一天對(duì)于這個(gè)格點(diǎn)來(lái)說(shuō)是AR日,否則,為非AR日。本文利用判據(jù)公式(7)、(8)和1.1節(jié)中的資料計(jì)算得到1979—2016年的逐日AR事件庫(kù)。

本文采用合成分析計(jì)算ENSO年北太平洋水汽輸送及其散度的異常,以及大氣河頻率的異常。按照1.2.2節(jié)的方法,對(duì)ENSO年水汽輸送及其散度的異常進(jìn)行分解,分析造成異常的具體物理過(guò)程。

2 ENSO對(duì)北太平洋冬季水汽輸送的影響

2.1 北太平洋冬季整層水汽含量及水汽輸送的氣候態(tài)特征

在分析ENSO對(duì)北太平洋地區(qū)水汽輸送特征的影響之前,首先給出北太平洋冬季與水汽輸送相關(guān)物理場(chǎng)的氣候態(tài)分布特征。圖1為北太平洋冬季IWV及其經(jīng)向梯度的分布特征。氣候態(tài)IWV呈現(xiàn)自低緯向高緯遞減的分布特征,其經(jīng)向梯度在黑潮及其續(xù)流區(qū)(KOE)及北美西海岸(自加利福尼亞至阿拉斯加灣地區(qū))較大。氣候態(tài)冬季的整層水汽是從西太平洋地區(qū)向北美西海岸輸送(圖2)。水汽輸送在西太平洋KOE地區(qū)有較強(qiáng)的輻散(水汽源);在中國(guó)東南部有微弱的輻合,在北美沿岸落基山脈西部有強(qiáng)輻合(水汽匯),促進(jìn)冬季北美西海岸的降水。

圖1 北太平洋1979—2016年冬季IWV(等值線;間隔為4 kg·m-2)及其經(jīng)向梯度(填色;單位:10-5kg·m-3)氣候態(tài)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

圖2 北太平洋1979—2016年冬季IVT(矢量;單位：kg·m-1·s-1;圖中只畫(huà)出值超過(guò)20的部分)及其散度(填色;單位:10-5 kg·m-2·s-1)氣候態(tài)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年冬季北太平洋地區(qū)水汽輸送及其散度的異常

圖3 El Nio年(a)和La Nia年(b)冬季IWV異常(等值線;間隔為0.8 kg·m-2;圖中只顯示置信度超過(guò)α=0.1的區(qū)域)及其緯向梯度(填色;單位:10-5 kg·m-3;圖中只顯示絕對(duì)值大于0.08的區(qū)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

圖4 El Nio年(a)和La Nia年(b)冬季IVT(矢量;單位:kg·m-1·s-1;圖中只顯示置信度超過(guò)α=0.1的值)及其散度的異常(填色;單位:10-5 kg·m-2·s-1;圖中陰影為置信度超過(guò)α=0.1的區(qū)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異常及其散度的分解

上節(jié)雖揭示了ENSO對(duì)水汽輸送及其散度的影響,但產(chǎn)生異常的具體物理過(guò)程尚不清晰。因此,根據(jù)1.2.2節(jié)的分解方法將IVT異常及其散度異常進(jìn)行分解。首先,根據(jù)公式(3)、(4)將IVT異常分解為a、b、c三項(xiàng),IVT散度異常分解為A、B、C三項(xiàng)(圖5)。

圖5 ENSO年冬季IVT異常(矢量;單位：kg·m-1·s-1;圖中只顯示置信度α=0.1的值)及其散度(填色;單位：10-5 kg·m-2·s-1;陰影為置信度超過(guò)α=0.1的值)分解：(a)El Nio年A和a項(xiàng)；(b)La Nia年A和a項(xiàng)；(c)El Nio年B和b項(xiàng);(d)La Nia年B和b項(xiàng);(e)El Nio年C和c項(xiàng)；(f)La Nia年C和c項(xiàng)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

對(duì)比分析圖4、5可見(jiàn),在北太平洋大部分地區(qū)(特別是東北太平洋地區(qū)),El Nio年和La Nia年的IVT異常都主要由公式(3)中的a項(xiàng)貢獻(xiàn)(動(dòng)力場(chǎng)異常)。在西太平洋副熱帶地區(qū)(尤其是KOE區(qū)),El Nio年的緯向水汽輸送異常主要由b項(xiàng)貢獻(xiàn)(水汽場(chǎng)異常),這是由該區(qū)域El Nio年IWV的顯著正異常(圖2)和較強(qiáng)的冬季平均西風(fēng)急流所致;該區(qū)域的經(jīng)向水汽輸送則主要由a項(xiàng)貢獻(xiàn),這與El Nio年西北太平洋上空異常反氣旋環(huán)流有關(guān)[27],該過(guò)程可為我國(guó)東南部地區(qū)帶來(lái)豐沛的水汽。另外,El Nio年和La Nia年的IVT散度的異常均主要由A項(xiàng)貢獻(xiàn)(動(dòng)力場(chǎng)異常),且在各個(gè)區(qū)域A項(xiàng)的大小超過(guò)了IVT散度的總異常;B項(xiàng)對(duì)IVT散度異常的貢獻(xiàn)小于A項(xiàng),其異常區(qū)域主要位于A項(xiàng)的正負(fù)異常大值區(qū)之間,且符號(hào)與A項(xiàng)大致相反。c項(xiàng)(C項(xiàng))與a項(xiàng)(A項(xiàng))、b項(xiàng)(B項(xiàng))相比,對(duì)IVT異常(及IVT散度異常)的貢獻(xiàn)很小。

其次,按照公式(5)、(6)進(jìn)一步將IVT異常散度的A項(xiàng)和B項(xiàng)進(jìn)行分解,對(duì)A1, A3, B2三項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算(圖6)。通過(guò)與圖5中A項(xiàng)和B項(xiàng)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),A1, A3均對(duì)A項(xiàng)有重要貢獻(xiàn)。對(duì)于A1項(xiàng),風(fēng)場(chǎng)異常u′,v′的輻合(輻散)可以聚集(疏散)冬季氣候態(tài)中的水汽,導(dǎo)致IVT異常的輻合(輻散),因此A1項(xiàng)的貢獻(xiàn)在氣候態(tài)水汽含量較大的區(qū)域(低緯度地區(qū))尤其明顯;對(duì)于A3項(xiàng),由于在北太平洋地區(qū)(特別是KOE區(qū)),冬季氣候態(tài)下的水汽經(jīng)向梯度為負(fù)(圖1),因此經(jīng)向風(fēng)的正異常(負(fù)異常)會(huì)導(dǎo)致水汽通量異常的輻合(輻散)。B項(xiàng)則主要來(lái)自B2項(xiàng)的貢獻(xiàn)。由于在北半球冬季,北太平洋地區(qū)上空被強(qiáng)盛的西風(fēng)帶控制,B2和B項(xiàng)的異常分布特征均與圖3中IWV異常的緯向梯度的分布特征十分一致。

圖6 ENSO年冬季IVT散度異常(填色;單位：10-5 kg·m-2·s-1)A, B項(xiàng)的分解：(a)El Nio年A1項(xiàng);(b)La Nia年A1項(xiàng);(c)El Nio年A3項(xiàng);(d)La Nia年A3項(xiàng);(e)El Nio年B2項(xiàng);(f)La Nia年B2項(xiàng)(圖中只畫(huà)出絕對(duì)值超過(guò)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對(duì)冬季北太平洋大氣河的影響

圖7給出了冬季氣候平均的AR頻率分布。圖7用30%頻率代表北太平洋冬季氣候平均AR帶的基本形狀和位置。由此可見(jiàn),AR主要位于北太平洋(25°～40°N)范圍的緯向帶狀區(qū)域內(nèi),自西太平洋向東伸展,到中太平洋海盆約170°W處時(shí)發(fā)生向極的彎曲,一直延伸至北美西海岸的阿拉斯加灣一帶。

圖7 北太平洋冬季AR頻率(填色;單位：%)分布(其中30%頻率用黑色實(shí)線勾勒)Fig.7 AR frequency (colored; unit: %) over the NorthPacific during boreal winters (Frequency of 30%is highlighted in black solid lines)

圖8 El Nio年(a)和La Nia年(b)冬季AR頻率異常(填色;%)分布(氣候態(tài)AR發(fā)生頻率30%處用黑色實(shí)線勾勒，圖中陰影為置信度超過(guò)α=0.1的區(qū)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 結(jié)論

ENSO是赤道太平洋地區(qū)最顯著的年際異常信號(hào),對(duì)北太平洋地區(qū)的水汽輸送特征有重要影響。本文利用ERA-Interim再分析資料,分析了北太平洋地區(qū)冬季的水汽含量、水汽輸送及其散度的分布特征,并用合成分析的方法,根據(jù)選擇的ENSO事件探討了ENSO的兩種不同位相——El Nio和La Nia對(duì)水汽輸送各物理量的影響?；诔叨确纸獾姆椒?分析各物理過(guò)程對(duì)水汽輸送異常及其散度異常的貢獻(xiàn)。此外還分析了ENSO對(duì)北太平洋水汽輸送的重要形式——大氣河的影響。主要結(jié)論如下:

(1)北太平洋冬季水汽輸送的平均特征為自西太平洋副熱帶地區(qū)向北美中高緯地區(qū)輸送。在El Nio年,由于東北太平洋地區(qū)的氣旋式環(huán)流異常,該地區(qū)的水汽輸送亦呈氣旋式異常。西太平洋副熱帶地區(qū)和北美西海岸為水汽輸送異常輻合區(qū),而中太平洋海盆上空為水汽輸送異常輻散區(qū)。在La Nia年,東北太平洋地區(qū)呈反氣旋式的水汽輸送異常,中太平洋海盆上空整層水汽的向極輸送分量有所增強(qiáng),水汽輸送的輻合輻散異常特征與El Nio年大致相反。

(2)通過(guò)對(duì)水汽輸送異常及其散度的進(jìn)一步分解,可以得出結(jié)論:1. 在北太平洋大部分地區(qū),ENSO年份的水汽輸送異常及其散度都主要來(lái)自風(fēng)場(chǎng)異常(u′,v′)的貢獻(xiàn)。在黑潮及其續(xù)流區(qū),El Nio年的緯向水汽輸送異常主要由比濕異常(q′)貢獻(xiàn)。2. 在由風(fēng)場(chǎng)異常(u′,v′)決定的水汽輸送散度的異常中,有兩項(xiàng)貢獻(xiàn)較大。一項(xiàng)由風(fēng)場(chǎng)異常(u′,v′)的散度造成;另一項(xiàng)由經(jīng)向風(fēng)異常(v′)和氣候態(tài)比濕的經(jīng)向梯度造成。3. 在比濕異常(q′)決定的水汽輸送散度的異常中,氣候態(tài)緯向風(fēng)和異常比濕的經(jīng)向梯度的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位。