2014/15年冬季,东亚气温异常在前后冬出现反转,12月份偏冷,而1、2月份偏暖。

对于多数厄尔尼诺事件而言,它们在北半球春夏季萌生,到冬季达到顶峰后,在第二年春夏季的光华中消亡。但今年的厄尔尼诺事件,在繁华竞放之时孤负这一定律,并很可能将在未来数月继续发展。或许这在观测史中都是寥寥无几,难以参考;不仅是赤道太平洋,包括其他大洋的变幻,破碎中沉浮的北极海冰,青藏高原迎春的烟雪,这些都指向了一个复杂的春夏环流,混沌迷雾中的风云变幻,会给我国的天气造成何种影响?

8月2日,国家海洋环境预报中心召开2016年拉尼娜事件新闻发布会,宣布2016年7月已经进入拉尼娜状态,但由于热带太平洋低层纬向风呈东、西风异常交替的状态,预计8月份热带中东太平洋会有短暂的回暖,秋冬季将发展成为一次拉尼娜事件,预计秋季影响我国的台风风暴潮和灾害性海浪发生次数将比常年偏多,冬季海冰灾害也将呈偏重趋势。

南京信息工程大学的博士研究生徐鑫萍、中国科学院大气物理研究所博士李菲和贺圣平与中国科学院院士、南京信息工程大学教授王会军,探究了这一现象的可能成因。他们的研究表明,在太平洋年代际振荡正位相的背景下,2014年秋季的北极海冰偏少和冬季Nino4区的海温偏高,有利于12月份东亚气温偏低、1、2月份气温偏高。

1.1 海洋传说

一、7月份已进入拉尼娜状态

他们进一步分析了影响机制。当冬季Nino4区海温偏高时,受PDO|+的调制,热带地表加热出现次季节延迟,Hadley环流和Ferrel环流在1、2月份发展,加强了热带和中纬度的联系。同时,东亚急流显著偏弱,有利于1、2月份东亚气温偏高。在PDO|+的调制下,秋季北极海冰偏少与12月份西北太平洋的冷海温异常相关。冷海温异常加大了经向温度梯度,东亚急流加强西伸。急流西伸有利于海冰异常引起的Rossby波列东传,导致12月份东亚气温偏低。

1.1.1 ENSO

拉尼娜现象是指赤道中东太平洋海面温度持续异常偏冷的现象,一般情况下,在极强厄尔尼诺现象发生后,转向拉尼娜现象的几率较大。1982/83和1997/98两次极强厄尔尼诺事件结束后,分别形成了两次中等强度以上的拉尼娜事件。监测显示,2015/16年厄尔尼诺事件持续到今年2016年4月结束。今年5月开始,赤道中东太平洋海面温度持续下降,5-6月表征海温异常的Nino3区海温指数分别为0.03℃和-0.12℃,并且海温异常偏冷的范围也逐渐扩大,最大负中心位于150°W附近。进入7月以来赤道中东太平洋异常偏冷海温的面积和强度较上月都有较大增加,4周Nino3区海温指数分别为-0.4℃、-0.6℃、-0.5℃和-0.6℃,7月份已经进入拉尼娜状态。

论文信息:Xu, X. P., F. Li, S. P. He, and H. J. Wang, 2018: Subseasonal
reversal of East Asian surface temperature variability in winter
2014/15. Adv. Atmos. Sci.
, 35.

自2018年春季中等强度的拉尼娜事件结束后,赤道中东太平洋开始了逐渐增暖的过程,至夏季除南美沿岸外表层海温距平均已转为正值。而自秋季起,赤道中东太平洋出现了进一步的增暖,至当前已接近厄尔尼诺事件阈值,而NOAA与NCC等部分机构已经宣布一次厄尔尼诺事件形成。

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图:2016年秋季近海海温预测图

论文链接

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但由于自厄尔尼诺事件结束以来,赤道太平洋始终没有建立起强而稳定的东风异常,而是呈东西风异常交替出现的振荡形势,因此预计8月份热带中东太平洋会有短暂回暖,秋冬季将发展成为一次拉尼娜事件。

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图1:2018年12月-2019年2月的海温距平

二、拉尼娜事件对我国沿海地区的影响

图:2014年12月、2015年1月、2月的表面气温异常和东亚气温指数。

当前的赤道中东太平洋暖事件很有独特之处。首先从空间上而言,本次在整个赤道中东太平洋海表都有显着增暖,但最大增暖中心偏向日界线附近的中太平洋,可以说兼有中部型和东部型厄尔尼诺事件的特征,突出表现为前者。而在事件的时间演变上更是特殊:通常而言,ENSO事件表现为显着的锁相特征,即通常为夏季发展,在北半球冬季达到事件顶峰,而在次年春夏季衰减;但是本次事件在夏末到秋季发展,冬季并未出现着的顶峰,而至今仍有继续增强的趋势,可以说是反锁相特征的一次事件。

由于拉尼娜事件的发生,整体来看今年秋季我国近海海域的海洋灾害呈偏重趋势,将给沿海人民生产生活和防灾减灾带来不利影响。主要影响包括:

在当前的大气响应方面,从过去一年的热带太平洋海温与850hPa纬向风场异常的时间序列看,在北半球夏季之后,整个赤道中东太平洋开始了明显增暖,但最大增暖区域始终稳定在日界线附近的中太平洋区;而自北半球秋季起,日界线西侧也开始稳定出现异常赤道西风,表明日界线附近的赤道中太平洋开始出现稳定低空异常辐合,这一点在进入冬季后更加明显;而从冬季的200hPa势函数看,全球热带区域准定常波已经呈现显着的2波型,包括最强烈的异常上升支则正位于日界线西侧附近,表明热带太平洋地区的Walker环流已经响应赤道中太平洋的显着增暖而稍有东移。而这样的热带地区大气响应,也通过热带对流活动的潜热加热与激发遥相关波列,影响到热带外区域的环流。在过去的冬季,东亚地区最为典型的响应便是副热带西北太平洋的反气旋异常,位于反气旋西北侧的我国南方大部地区出现了显着的低空西南风异常与偏强的水汽输送,这也是导致冬季我国南方众多地区出现异常持续阴雨的直接原因。这是由日界线西侧的赤道中西太平洋区域的异常活跃对流(显着的OLR负异常)与潜热加热偏强的强迫所致。在加热区西北侧,出现了与Gill响应高度吻合的显着气旋式环流,随后这一波列继续向西北方传播,在西北侧的东亚近海出现一个下沉波列区,并与Walker环流东移后,菲律宾群岛周边对流活动减弱造成的对流冷却激发的响应叠加,形成了这一异常反气旋环流。可以说,当前热带与热带外太平洋沿岸的大气环流,对本次厄尔尼诺事件已经有明显响应;而这个已稳定在日界线附近的Walker异常上升支,将有利于异常偏暖的表层水在日界线附近区域的堆积,并促进后续西太平洋西风爆发和激发的海洋温跃层内暖性K波并传播,这将有利于后续厄尔尼诺事件的进一步发展。

对我国近海海温的影响

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预计2016年秋季,我国渤海、黄海北部、东海东部和巴士海峡海域海温偏高,东海西部、台湾海峡、南海北部和西部海域海温较常年同期偏低。

图2:同图1,但为同期200hPa速度势函数距平。

对台风及其引发风暴潮、海浪灾害的影响

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2016年秋季处于拉尼娜事件的发展期,西太平洋海温将偏暖,有利于秋季台风的生成,台风个数将比常年偏多,一旦台风来袭与天文潮高潮叠加,风暴潮和灾害性海浪生成的几率将加大,需注意防范。此外,在全球变暖和拉尼娜事件的共同作用下,2016年我国秋季沿海海平面将较常年同期偏高,也将加重风暴潮灾害的影响。

图3:全球赤道地区的Walker环流异常,填色阴影代表垂直速度距平(单位:0.01Pa/s),矢量箭头为纬向风-垂直速度合成(垂直速度放大了100倍)

对我国冬季黄渤海海冰的影响

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2016/2017年度冬季拉尼娜处于盛期,引起东亚冬季风有可能较常年偏强,我国北方冬季气温偏低,从而导致我国冬季渤海、黄海海冰冰情偏重。

图4:同图1,但为同期OLR距平与700hPa风场距平

而在热带洋区的垂直剖面上,可以看到赤道中东太平洋上层区域的总体热含量正距平显着发展,这也对应着当前厄尔尼诺事件的稳步发展;而当前在热带太平洋日界线东侧的温跃层层面上出现了相当强烈的大范围暖异常,其中核心区域位于150°W附近,温度距平达到了+4℃以上,这对应着一次显着东传的暖性下沉Kelvin波过程。本次过程和1月底以来日界线附近持续的赤道西风爆发过程有密切联系,在海表异常赤道西风应力的平流与动量下传的激发下,该暖性下沉Kelvin波得以出现振幅发展并沿着温跃层赤道潜流区东传。考虑到赤道Kelvin波的特征相速度,本次暖性Kelvin波过程将在1-2个月后抵达东边界,此时南美西海岸和赤道东太平洋地区的SSTA与温跃层深度将明显增加;不过值得注意的是,由于当前热带低频振荡的影响,日界线和东侧海区的赤道西风异常已经大幅减弱,在短期内温跃层的赤道Kelvin波后续发展将受到一定限制;但由于异常准定常上升支已经稳定到日界线西侧,西太平洋远洋的偏强赤道西风仍将维持,后续仍将从日界线西侧的温跃层区域激发东传暖性K波,这也是支持厄尔尼诺事件后续发展的重要海洋动力学过程。当然,由于温跃层暖性K波和混合层暖水厚度有限,虽然前期发展过程类似,但本次很难发展到2014-2016年超强厄尔尼诺事件的水平。

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图5:过去两年间赤道太平洋地区的850hPa纬向风异常、海表温度距平和20℃等温线深度距平。

此外,热带外地区的海洋与大气信号也可以作用于热带地区,从而对ENSO等热带海气变率造成一定影响。当前在热带外区域方面,副热带东北太平洋区域出现了类似PMM正位相的模态,这将导致随后的夏秋季赤道中太平洋显着的西风异常和对流活动,并促进表层暖水和次表层暖性K波进一步东传,与对流活动区域进一步东扩,将有利于夏秋季厄尔尼诺事件继续发展;不过值得注意的是,由于南极半岛附近海冰的偏多与SPO负位相配合下,当前秘鲁寒流有所偏强,这将导致南美沿岸到东太平洋地区在当前存在一定程度偏冷,而这一海温异常也会进一步与大气作用而维持,这将一定程度上阻碍厄尔尼诺事件的发展,而空间型上也将使得东太平洋和南美沿岸增暖较弱甚至偏冷。

总体而言,本次厄尔尼诺事件将成为一次反锁相特征的事件,会在今年春夏季继续有所发展。在强度上,最有可能成为一次中等或中等偏强的厄尔尼诺事件,但在春夏季发展过程中,总体ONI指数仍然在+1附近,属中等偏弱水平;在空间型上,总体空间型表现为赤道中东太平洋全线增暖,但集中在日界线附近的中太平洋区域,而赤道东太平洋增暖较弱;而在事件的时间演变上,今年不仅成为少有的反锁相特征的厄尔尼诺事件,也将自然成为一次“发展早型”的厄尔尼诺事件(大多数ENSO事件是在北半球夏季前后达到阈值标准),这也将是历史上少有的情况——先前绝大多数中部型ENSO事件都属于发展偏晚型。可以说,本次厄尔尼诺事件将成为一次特征相当独特的事件。

而在其后续带来的影响上,由于当前本次事件已经发展成型且太平洋低纬度环流已经有显着响应,可以预见随着事件在春夏季的发展,响应也将进一步增强,主要机制为日界线附近较强对流活动的潜热加热激发的波列与大气桥响应。当然要考虑到ENSO激发响应的非线性特征,注意本次事件的时间演变与空间型特征,这将导致大气响应较通常的厄尔尼诺事件偏早,且因潜热加热区域偏西偏北而导致波列也对应地偏西偏北;此外,ENSO扰动信号与气候态周年演变间的相互作用也是一个不可忽视的过程。总体而言,这将导致今年夏季菲律宾群岛周边的热带对流活动受到抑制,同时副高略有偏南,脊线总体呈现西南-东北向,其中在春季至夏季前期副热带西北太平洋反气旋异常将维持,副高偏南偏西的概率更高;但随着气候态上夏季风期的到来,在进入夏季后,ENSO强迫将更倾向一个西北向传播的Rossby波波列,由于届时加热源较通常的厄尔尼诺事件偏西偏北,激发的波列也将出现这样的移动,此时副高将不会明显偏南,但会相对偏东。

1.1.2 北太平洋中纬度变率——PDO&NPGO

太平洋年代际涛动为20°N以北的北太平洋区域SSTA之EOF1模态,最显着的特征表现为北太平洋暖流区与北美西海岸(阿拉斯加~下加利福尼亚半岛)间的反相SSTA模,虽然以其最显着的年代际变率得名,但也存在显着的年际变率,这与ENSO强迫激发的球面遥相关波列引起的中纬度海气相互作用有关。而在20世纪90年代起,北太平洋环流模这一EOF2模态逐渐显着,在近些年的解释方差甚至可以和PDO可以抗衡,这一转变可能和ENSO空间型转变下,所激发响应位相发生变化的影响,以及热带外海气作用有关。

就目前看,当前PDO指数为弱负值,其中空间模态上表现为北太平洋暖流区一致偏暖,但偏暖区域较常年主轴区偏南。这与冬季日界线西侧附近异常对流活动直接相关,潜热加热异常所激发的两个对流层低层异常反气旋,分别位于副热带西北太平洋与阿留申群岛南侧,二者南侧的异常东风通过WES机制减弱风速与蒸发,使得海温正异常发展;而北美西海岸区域较为复杂,在加州至夏威夷北侧因东北风的平流作用与风速增强已经出现明显SSTA负异常发展,但阿拉斯加湾与夏威夷东侧仍然有明显暖异常;不过当前PDO总体偏向负值的模态,与大多数厄尔尼诺事件发展期也有着明显不同。

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图6:1963年至今PDO指数的演变

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图7:同图1,但为同时期北太平洋地区海表温度距平,风速距平(等值线,单位:m/s)和1000hPa风场距平

考虑到热带外大气的响应滞后于热带地区海表信号2-4个月,而ENSO的潜热加热影响仍然集中在日界线西侧附近,对北太平洋热带外区域造成的遥相关型将在这个春季大体维持且有所增强,因此当前北太平洋的海温异常与大气异常型仍将在春季维持。而随着后期赤道东太平洋的明显增暖,潜热加热区域也将进一步扩张东移,激发的遥相关型也可能在夏季向东南方移动。而与此同时,由于近地面各物理量场气候平均态的季节性变化(如气压带/风带在春夏季的北移),考虑到WES机制,这样的海温异常模态将随着季节演变向北移动,而副热带地区因东风异常的叠加,SSTA将明显下降。这一海温信号将随着副热带东风应力作用下,以热带外西传Rossby波形式向西传播,并影响到夏季西北太平洋副热带地区SSTA;同时也会通过感热等方式影响到北太平洋中高纬度地区环流异常型,对东北亚地区也存在着显着影响。

1.1.3 太平洋经向模:PMM

PMM是扣除ENSO相关模态后的热带太平洋主导模态,时间演变上通常在春季强度最强(但未达到ENSO的季节锁相),而空间特征表现为夏威夷以东的东北太平洋海区和加拉帕戈斯群岛附近的赤道东太平洋冷舌区的经向偶极。一般认为,这是在东太平洋气候态SST经向不对称的基础上,由热带地区和中纬度变率的影响在WES机制下发展;同时也有研究认为这在随后的夏秋季会对ENSO事件的发展演变起到一定的调制作用。

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图8:PMM对应的海温异常与10m风场模态和降水异常

当前也正是出现了较典型的PMM正位相模态,尤其以夏威夷东侧与中太平洋附近的正距平最为明显。结合副热带SSTA信号演变的规律以及气候态的转变,北半球夏季时正位相中心将明显西移,同时在西侧激发出Matsuno-Gill对流响应,导致西侧的副热带西北太平洋远洋出现显着气旋式环流,使得暖池区气旋式环流异常进一步东扩,并对应副热带高压的偏弱和偏北,以及西北太平洋远洋地区的对流活跃。而同时,注意到PMM对ENSO发展过程的调制,在远期容易引发赤道东太平洋北侧的对流发展,这也使得后期ENSO暖事件位相状态的发展——当然这一过程较为缓慢。

1.1.4 西北太平洋海区概况

受前期对流活跃造成的云-SST反馈,以及异常赤道西风的发展,热带西北太平洋暖池区在过去的冬季海温略有偏低,这也导致随后对流活动的偏弱与激发的Walker环流异常下沉支与低空异常反气旋。而随着反气旋的稳定发展,其东南侧的异常东北风通过WES机制使得当地风速与蒸发偏强,造成进一步的冷却。

1.1.5 印度洋

印度洋大部位于低纬度区域,且正位于亚洲夏季风的上游,也是亚澳季风系统活动的重要下垫面,沃克环流,季风环流交汇于此,因此通过海气相互作用,印度洋对亚澳季风区乃至全球气候都有重要的影响。下文将介绍热带印度洋和副热带南印度洋对夏季气候的影响。

IOBW(热带印度洋洋盆模态)

IOBW为热带印度洋SST的EOF1模态,表现为整个热带印度洋区域海温一致的变化。通常认为,在ENSO事件发展期,该模态为热带印度洋海表温度对ENSO强迫的响应,是直接受ENSO强迫所致(具体机制包括直接调控Walker环流的大气桥、赤道中东太平洋对流加热激发的东传暖性Kelvin波抑制对流等),而在ENSO衰减期对春夏季印太季风区环流造成影响的“电容器机制”中,热带印度洋又是关键的“电容器”区域,当地海表与大气对ENSO的滞后响应,成为在次年夏季延续ENSO影响的重要机制。

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图9:过去两年间IOBW指数的演变

当前热带印度洋总体呈现略偏暖状态,其中北印度洋大部和赤道地区以接近常年为主而热带-副热带南印度洋明显偏暖。这样的海温模态与当前热带准定常波呈现显着的2波型有明显联系,其中上升支分别位于日界线附近与非洲大陆-西印度洋一带,前者对应正在发展的中部型厄尔尼诺事件激发的响应,而后者则与热带印度洋和大西洋区域的变率明显相关。中部型厄尔尼诺事件影响到太平洋Walker环流异常,通过大气桥机制在热带南印度洋激发出显着的下沉支,并与热带印度洋区域的准定常波下沉支叠加,使得热带南印度洋激发出低空异常反气旋并抑制了对流活动,导致SSTA正异常显着发展。不过值得注意的是,当前在日界线附近的速度势负异常较非洲一侧偏弱,表明当前中部型厄尔尼诺造成的响应仍然有限,热带印度洋与非洲大陆间的Walker环流异常与当地海区的相互作用是冬季热带南印度洋增暖与IOBW正异常发展的主力。不过随着未来厄尔尼诺事件发展,日界线附近的异常上升支也将明显增强,考虑到这个相对于多数厄尔尼诺事件偏西的异常上升支位置,这将导致印度洋一侧的下沉支也相对偏西而偏向印度洋中部。在此影响下,热带印度洋总体将出现一定程度增暖,以中部地区最为明显;但由于当前由ENSO引发的Walker异常环流圈强度有限,还不足以导致较强的下沉运动与增暖;此外热带东南印度洋偏强的信风将逐渐使得当地蒸发和苏门答腊沿岸涌升流增强,使得热带东南印度洋将在未来快速冷却。

TIOD(热带印度洋偶极模态)

TIOD即热带印度洋SST的EOF2模态,表现为热带印度洋东西岸类似ENSO的偶极格局。作为印度洋明显的SSTA纬向振荡,TIOD对纬向季风环流和印太沃克环流支的调控作用十分明显;而它又连接了海洋性大陆区域,这样TIOD同时和ENSO/太平洋沃克环流圈影响相关,通常被认为是印太齿轮中的重要一部分。而与IOBW一样,TIOD也有很明显的季节性锁相特征,但锁相时间提前至8-10月,这可能是由于此阶段印度洋气候态有利于TIOD事件发生。

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图10:TIOD正位相和负位相大气环流异常的模型

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图11:同图9,但为TIOD指数演变

自去年夏季起,随着赤道东印度洋持续的东南风应力异常,苏门答腊海岸的离岸流明显增强,对应有东南印度洋的显着冷却与夏末-秋季一次显着的TIOD正位相事件形成,不过由于季节性锁相特征,当前海表模态已经十分微弱,而先前的信号,则已经是风应力作用下潜入海表之下,在温跃层的复杂海洋动力学过程。在前期TIOD正位相的热带印度洋海气状态下,赤道印度洋表面在先前秋冬季存在持续东风应力异常,导致赤道南侧存在明显的反气旋式应力异常与伴随而来的Ekman异常辐聚下沉,导致赤道外东印度洋温跃层出现一个异常暖区,并以暖性Rossby波形式在温跃层内西传,直至西南印度洋穹窿区。这个位于塞舌尔以南的区域,是气候态上低纬度印度洋温跃层最浅的一个区域,对应有海温变率极大值区,也是温跃层-上混合层水团交换最明显的区域。随着暖性R波的到达并上涌,热带西南印度洋已经出现了显着的增暖,并逐渐造成一个跨赤道不对称的经向海温型(南印度洋偏暖而北印度洋增暖较弱)与跨赤道北风异常。这将在之后进入夏季风期时,导致南亚夏季风显着偏弱。

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图12:同图1,但为印度洋地区海温异常与850hPa风场异常

南印度洋副热带偶极

SIOD是北半球冬春季存在于副热带南印度洋区域的纬向偶极子模态,而SIOD和TIOD间的相互作用也是影响印度洋内部变率的一个重点。受热带印度洋的TIOD事件的强迫,秋季热带东南印度洋出现显着离岸流并伴有显着的东南风增强,配合热带南印度洋下沉支叠加,在热带南印度洋出现了激发出了低空异常反气旋环流,在这样的风应力异常作用下,SIOD发展出了一次显着的正位相事件。考虑到季节锁相特征,在春夏季本次事件将会逐渐减弱,但其对大气的影响将持续下去。在夏季风时期,SIOD正位相将导致马斯克林高压偏弱而澳大利亚高压相对偏强,此时菲律宾和东侧新几内亚跨赤道气流容易偏强而索马里急流相对偏弱,容易导致西北太平洋季风活跃而南亚夏季风偏弱,并通过季风区的异常对流活动,激发出向热带外地区的遥相关影响。

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图13:同图9,但为SIOD指数演变

1.1.6 大西洋概况

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