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硬核科普:2019年春夏天气趋势及其影响因素分析

发布时间:2019-12-26 09:09来源: 未知

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?

1.1 海洋传说

1.1.1 ENSO(南方涛动)

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1 2018年12月-2019年2月的海温距平(填色,单位:℃)

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著增暖,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(暖池型)和东部型(冷舌区型)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事件表现为显著的锁相特征,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,冬季并未出现著的顶峰,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。

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(图2),全球热带区域准定常波已经呈现显著的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著增暖而稍有东移。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(WPAC)异常,位于反气旋西北侧的我国南方大部地区出现了显著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(显著的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响应高度吻合的显著气旋式环流(图4中蓝圈C),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(图4中红圈AC)。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。

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图2:同图1,但为同期200hPa速度势函数距平。

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图3:全球赤道地区(5°S-5°N)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)

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图4:同图1,但为同期OLR距平(填色阴影)与700hPa风场距平(矢量箭头)

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著发展,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,这对应着一次显著东传的暖性下沉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(WWB)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(南美沿岸),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(甚至转为偏强东风),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(左)、海表温度距平(中)和20℃等温线深度距平(右)。

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著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(暖池型)ENSO事件都属于发展偏晚型(且强度相对较弱)。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著响应,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(PDO)为20°N以北的北太平洋区域SSTA之EOF1模态,最显著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,虽然以其最显著的年代际变率得名,但也存在显著的年际变率,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(NPGO)这一EOF2模态逐渐显著,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(年际尺度),以及热带外海气作用有关(年代际变率)。

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(图7);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。