20世纪60年代以来, 人们对厄尔尼诺与南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)形成机制及ENSO模的年际变率进行了大量研究(Diaz et al, 2000; Timmermann et al, 2018), 对ENSO事件本质的认识逐步深入, 并提出了种种ENSO循环理论(Schopf et al, 1988; Jin, 1997), 解释观测到的ENSO事件冷暖位相的持续和转换过程。观测事实和研究(李崇银, 2002; 巢纪平等, 2003)表明, ENSO循环不仅是赤道太平洋海表面出现的海洋大气现象, 而且是涉及整个热带太平洋次表层的海气耦合事件。源于热带太平洋暖池的显著海洋次表层海温异常(subsurface ocean temperature anomaly, SOTA)沿赤道海洋温跃层由西向东传, 在ENSO循环中起着重要作用。

长期以来, 人们多采用海表面温度异常(sea surface temperature anomaly, SSTA)代表海洋热力结构异常来研究ENSO事件, 但是SSTA与SOTA存在差异, 无法准确反映海洋内部热力结构变化。在热带太平洋, 北半球秋冬季气温下降、风速较大, 海洋向大气输送热量, 海洋表层水温下降, 形成上冷下暖的不稳定温度层结, 在较大风速的搅动下, SSTA与SOTA变率基本一致; 春夏季气温上升、风速较低, 大气向海洋输送热量, 海洋浅表层水温上升, 形成上暖下冷的稳定温度层结, 加之大气降水和云量的影响, SSTA与SOTA变率很不一致。迄今的研究结果表明, 基于SSTA资料的ENSO事件仅表现为主要出现在冬季的成熟期模态, 其原因就在于缺失了夏季海洋次表层的信息。ENSO事件对冬季气候的影响归因于冬季热带太平洋海洋热力结构的异常(Huang et al, 2004), 但由于缺少ENSO过渡期模态, ENSO对夏季气候的影响也只能用冬季大气环流持续性来解释(Wang et al, 2000)。

赵永平等(Zhao et al, 2007)研究了热带太平洋温跃层深度的年际变率, 发现ENSO事件有两个模态, 二者组合构成ENSO循环, 并由此提出了一个新的ENSO循环混合层水体振荡模型。他们指出, ENSO循环的实质是由信风异常和海气耦合过程共同作用产生的海洋混合层水体在赤道与12°N之间热带太平洋海盆内的惯性振荡。陈永利等(陈永利等, 2010; Chen et al, 2012, 2013)研究了热带太平洋SOTA年际—年代际变异特征、与ENSO循环的联系及对中国气候的影响。这些研究结果为ENSO机制研究提供了新的思路。

本文的目的在于进一步深入研究ENSO事件次表层海温的两个模态中, 与ENSO相联系的热带太平洋海面温度异常(ENSO-related sea surface temperature anomaly, RSSTA)和大气异常导致的海温变化影响大气环流的作用和过程, 揭示ENSO事件对大气环流影响的物理机制。首先指出基于SSTA的ENSO研究可能存在的问题, 然后简单介绍资料和处理方法; 第二部分揭示和比较SOTA和SSTA的ENSO模态; 第三部分分析ENSO两个模态对冬、夏季大气环流的影响及机制, 证实ENSO事件成熟期和过渡期两个模态的事实存在; 第四部分讨论热带海洋ENSO事件期间的海气热输送特定界面过程; 最后是结论。

1 资料和处理方法

本文采用简单海洋同化(CARTON-GIESE SODA2.0.2-4, 美国马里兰大学, 源于http://iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.CARTON-GIESE/.SODA/.v2p0p2-4)次表层海温资料(0.5°×0.5°经度纬度网格)和NCEP再分析大气资料(2.5°×2.5°经度纬度全球网格, 源于http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data. ncep.reanalysis.html), 资料起讫时间为1958年1月—2007年12月。基于次表层海温距平的最大值一般都出现在温跃层附近的观测事实(巢纪平等, 2003), 首先用太平洋次表层450m以浅的海温距平方差最大值的深度曲面代表温跃层曲面, 并用温跃层曲面上的海温距平计算得到SOTA(详见陈永利等, 2010)。SOTA为负值时, 表示温跃层上抬, 次表层海温下降; SOTA为正值时, 温跃层下降, 次表层海温上升。对其进行1a低通滤波以去除年变化, 获得SOTA年际变率。滤波过程中去除了长期趋势。对NCEP大气资料也进行1a低通滤波和去倾处理。在资料分析中, 首先对热带太平洋SOTA进行经验正交函数(empirical orthogonal function, EOF)分析, 得到ENSO事件次表层海温的两个模态, 然后与大气环流场、SSTA等物理量作联合EOF分析。在联合EOF分析中, 通过控制相关物理量的量级, 始终保持SOTA主导场地位, 以确保计算得到的各相关物理量与ENSO呈同步变化。由此获得与ENSO事件两个模态相联系的RSSTA和北太平洋及周边地区上空异常大气环流场, 后者捕捉ENSO事件的主要信息。通过分析热带太平洋SOTA与各相关物理量异常之间的关系及物理意义, 剖析热带海洋热力结构异常对大气环流的影响及机制; 通过分析热带太平洋各层海温异常的垂直演变, 揭示ENSO期间热带太平洋次表层海洋对大气热通量传输的特定边界过程。

2 热带太平洋ENSO事件次表层海温的两个模态

图 1a和b为对热带太平洋SOTA进行EOF分析得到的首两个模态空间场, 时间系数见图 1d。SOTA前两个模态分别占总方差贡献的31.0%和15.4%。第一模态主要特征为以160°W为纵轴的东西向SOTA偶极子分布, 第二模态主要特征是以6°—8°N为横轴的南北向准对称SOTA跷跷板分布。第一模态表征了ENSO成熟期SOTA分布, 时间系数为正时为El Niño事件, 时间系数为负时为La Niña事件。第二模态代表了ENSO过渡期SOTA分布, 时间系数为正时为El Niño事件衰退期或La Niña事件发展期, 时间系数为负时反之。热带太平洋SOTA前两个特征向量场时间系数均方差年变化表明, ENSO成熟期主要出现在冬半年, 9月—次年1月最多, ENSO过渡期主要出现在夏半年, 6—8月最多。谱分析结果(图 1e)表明, 第一和第二模态均具56和44个月两个显著ENSO周期, 第二模态与第一模态有9个月的滞后相关, 相关系数达0.72, 二者组合构成ENSO循环。此外, 两个模态还具有年代际长周期振荡。

图 1c为ENSO事件SSTA第一模态, 主要出现在冬半年, 占SSTA总方差贡献53.0%。SSTA第二模态(图略)占总方差贡献11.1%, 其时间变率与典型的ENSO事件(以Nino3指数为表征)无显著相关, 其时间系数均方差表明, SSTA两个模态极大值均出现在冬半年。显然, 用SSTA作指标, 只能得到ENSO事件冬季成熟期一个模态, 丢失了ENSO事件夏季过渡期信息。

3 ENSO事件两个模态对亚洲—北太平洋—北美上空异常环流的影响及机制

将700hPa异常高度场、水平风场与SOTA作联合EOF分析, 前两个模态分别揭示了El Niño成熟期(图 2a)和衰退期(图 2b)相对应的亚洲—北太平洋—北美地区上空700hPa异常高度场(蓝色)及水平风场(矢量), 它们与ENSO两个模态同步变化, 捕捉了ENSO事件的主要信息。ENSO成熟期主要出现在冬季, 过渡期主要出现在夏季, 因此图中分别绘出1月和7月700hPa平均高度场(桔红色)作为对比。由图可见, 在El Niño成熟期, 冬季在北太平洋东北部出现显著负变高和强气旋性异常环流, 阿留申低压显著加强, 在亚洲大陆出现显著正变高和反气旋性异常环流, 贝加尔湖高压脊显著加强, 蒙古高原为反气旋性异常环流; 北美西北部高压脊位置上出现正变高和异常反气旋环流。此时, 东亚大槽加深, 亚洲大陆贝加尔湖及北美高压脊加强, 中高纬大气环流经向度加大。同时, 在热带西太平洋—东印度洋海域为显著正变高和反气旋性异常环流。在El Niño衰退期, 夏季北太平洋副热带高压中心附近有显著正变高和反气旋性异常环流, 大值区向西南伸展; 北美地区中南部为气旋性异常环流控制。同时, 在中高纬地区仍保持显著经向性环流特征, 乌拉尔山高压脊加强, 蒙古高原—新疆地区为正变高和反气旋性异常环流, 北太平洋中部槽加深, 北美地区高压脊加强。Chen等(2012, 2013)基于ENSO事件的两个模态, 研究了对中国气候的影响, 得到了与观测基本一致的结果。

图 3为El Niño成熟期(左)和衰退期(右)相联系的热带太平洋RSSTA和异常Walker环流和Hadley环流, 它们的时间系数同图 1d。这里同样采取了联合EOF分析方法, RSSTA为ENSO事件相联系的海面温度; 垂直环流场中, 正值表征上升气流, 负值表征下沉气流。El Niño成熟期, RSSTA(图 3a1)第一模态的空间分布与SSTA第一模态(图 1c)非常相似, 均以热带中东太平洋显著正海温异常舌状沿赤道西伸为特征, 二者时间系数相关达0.97。此时, 赤道中东太平洋上空有强烈的异常上升运动, 赤道西太平洋—东印度洋和南美亚马逊河流域上空有显著异常下沉运动, 表现为两个负异常Walker环流(图 3b1); 北太平洋中部(140°E—140°W)存在异常正的Hadley环流(图 3d1), 10°S—10°N范围内上空异常上升, 10°—40°N(平均25°N)上空异常下沉; 北太平洋西部(100°—140°E)存在弱的异常反Hadley环流(图 3c1), 20°S—20°N上空异常下沉, 30°N上空有很弱的异常上升。

El Niño衰退期, RSSTA(图 3a2)空间分布表现为热带太平洋中部大范围显著的负异常海温, 大值区出现在赤道中太平洋, 其东西两侧为正异常海温; 赤道中太平洋上空为异常下沉气流, 其两侧的赤道西太平洋—东印度洋和赤道东太平洋—南美亚马逊河流域上空为异常上升气流, 表现为两个正异常Walker环流(图 3b2); 北太平洋中部的热带和副热带地区为异常下沉运动, 40°N以北的中高纬度地区为较弱的异常上升气流(图 3d2), 北太平洋西部(100°—140°E)35°N以南的热带—副热带地区为异常上升运动, 40°—50°N的中高纬度地区为很弱下沉气流(图 3c2)。

Alexander等(2002)研究指出, 在ENSO事件期间, 受热带太平洋海洋异常热力作用, 赤道上空Walker环流异常, 直接影响热带地区大气环流变化, 同时导致北太平洋Hadley环流异常, 并激发北向Rossby波, 如PNA波列, 将热带海洋异常能量通过“大气桥”传送到中高纬度, 造成中高纬海域上空大气环流异常。对照图 2和图 3, 可以清楚了解ENSO事件两个模态对大气环流影响的物理过程。在El Niño成熟期, 热带中东太平洋为正RSSTA, 热带西太平洋—东印度洋为负RSSTA, 海洋异常加热导致热带中东太平洋上空出现异常上升气流, 热带西太平洋—东印度洋异常下沉气流, 赤道太平洋Walker环流减弱, 北太平洋中部经向正Hadley环流加强。此时, 赤道海洋异常能量通过正异常Hadley环流和Rossby波传送到中高纬度, 加大该地区环流经向度, 致使东亚大槽加深, 贝加尔湖和北美高压脊加强。同时, 在热带西太平洋—东印度洋为负RSSTA和异常下沉气流, 导致该区冬季副热带高压加强。在El Niño衰退期, 热带中太平洋为负RSSTA, 有异常下沉气流, 热带西太平洋—东印度洋为正RSSTA, 有异常上升气流, 导致赤道太平洋正异常Walker环流。此时, 北太平洋中部热带—副热带地区异常下沉气流, 北太平洋副热带高压中心附近显著正变高, 并有反气旋性异常环流伴随; 北太平洋西部热带—副热带地区有正RSSTA, 异常上升气流导致西太平洋副热带高压减弱、位置偏南。二者共同作用, 夏季热带—副热带地区反气旋性异常环流由北太平洋中部向西南伸展。同时, 在北太平洋东部—南美热带—副热带地区为正RSSTA和异常上升气流, 有利于北美地区中南部气旋性异常环流发展。由于中高纬地区冬季El Niño成熟期显著经向性环流的持续, 夏季乌拉尔山和北美高压脊偏强。La Niña成熟期和衰退期的情况相反。

由此可见, ENSO事件确实存在两个模态, 它们对大气环流有重要影响, 影响的物理过程清晰。ENSO通过与之相联系的RSSTA改变热带太平洋海面热力结构, 进而强迫Walker环流和Hadley环流异常, 导致热带太平洋和亚洲—北太平洋—北美地区上空大气环流变化及相关地区气候异常。

4 ENSO事件期间热带太平洋次表层海洋对大气热输送特定边界过程

这里, 我们分析了基于次表层海温异常的ENSO事件两个模态分别对应的大气环流异常, 表明SOTA有可能是通过RSSTA直接传输异常热通量进入大气, 进而影响大气环流。但传统观点认为, 海气之间热通量输送是通过SSTA来完成的, 次表层海洋并不直接接触大气, 它无法直接影响大气环流。如果确实是RSSTA的作用, 那么RSSTA与SOTA有何关系？RSSTA与SSTA之间的区别及相互作用又如何？

ENSO是发生在热带海洋次表层的重大海洋事件, 海面温度随温跃层深度变化不断更新, 温跃层上抬时, 冷水上翻, 次表层海温和海面温度下降; 温跃层下降时, 暖水下沉, 次表层海温和海面温度增高。此时与ENSO事件相联系的RSSTA代表了这种未受同期大气过程影响的海面温度变化, 它随ENSO事件演变而不断变化, 持续向大气输送热通量。对照图 3中热带海洋RSSTA位置与同期的异常Walker环流和Hadley环流, 正RSSTA区上空对应上升气流, 负RSSTA区对应下沉气流。显然, 正是这种RSSTA分布导致了热带海域上空Walker环流和Hadley环流的变化。

长期以来, 人们总是认为SSTA是海洋对大气热输送的基本热力学参数, 但实际上SSTA除受RSSTA的直接影响外, 还受大气环流异常导致的异常风速、气温、云量和降水及上层海洋温度垂直结构等共同影响, 后者是RSSTA导致热带太平洋大尺度海气相互作用的结果。这些影响中, 随季节变化的温度层结决定了上表层海洋的垂直混合; 局地海气负反馈过程决定了大气环流异常与SST的相互作用——SST升高, 其上空对流加强, 云量和降水增加, 反过来导致SST下降。因此SSTA和RSSTA是很不一致的。RSSTA可看作是仅受海洋热动力过程影响的SSTA, 而SSTA包含了RSSTA和大气异常导致的海温变化(sea temperature anomaly caused by atmospheric anomaly, 本文简称STA)等两种信息。为了解SSTA和RSSTA与SOTA的关系, 我们计算了上层海洋各层海温异常主要分布型, 同时给出SSTA、RSSTA和SOTA相应分量作为对比(图 4)。由图可见, 30m以下各层海温异常(ocean temperature anomaly, OTA)及SOTA相联系的RSSTA的空间分布与SOTA前三个分量特征向量场由下至上呈逐步演变相似, 时间变率基本一致(各层OTA前三个模态与SOTA/RSSTA相应模态的相关系数分别为0.97—0.98、0.72—0.94和0.67—0.86)。这表明30m以下各层海温异常受SOTA三个模态的重要影响。30m以浅各层OTA第一模态、SSTA第一模态的时空分布与30m以下各层类似, 与SOTA第一模态相关为0.96; 30m以浅OTA第二模态与SSTA第二模态表现为ENSO Modoki (Ashok et al, 2007), 它与SOTA第二模态无显著相关, 但与SOTA第三模态有相似的空间分布和基本同步的时间变率(相关系数达0.74); 30m以浅OTA第三模态与SSTA第三模态具SOTA第二模态某些相似空间分布特征, 但时间变率完全不同, 因此没有对应关系。各模态时间系数的均方差表明, SSTA和30m以浅OTA三个模态及SOTA第一模态极值多出现在秋冬季; SOTA(包括RSSTA)和30m以下OTA第二模态极值多出现在夏季; SOTA第三模态及80m以下OTA极值多出现在春季, 30—60m OTA极值多出现在秋季, 60—80m OTA极值的年变化很小。上述事实表明, 热带太平洋RSSTA和上层海洋OTA主要受SOTA三个模态控制, 它们是重大海洋事件演变过程中海洋内部热动力结构调整的结果; 大气环流异常对海温的作用仅发生在30m以浅的海洋浅表层, 其中春、夏季节RSSTA第二模态的影响被明显削弱。

由上述分析可知, 热带太平洋各层海温变化均受次表层海温制约, 与ENSO事件演变过程密切相关。但为什么春夏季节海洋浅表层海温变化与次表层变化不一致？大气环流异常导致的STA如何影响SSTA？秋冬降温季节, 海洋浅表层为上冷下暖的不稳定温度层结, 风速较大, STA对SSTA的影响通过上层海洋强烈垂直混合而迅速衰减, SSTA更多受SOTA影响, SSTA与RSSTA基本一致, 具有类似的ENSO成熟期模态。春夏升温季节, 海洋浅表层为上暖下冷的稳定温度层结; 在ENSO事件过渡期, RSST显著增温(降温)海区上空上升气流加强(减弱), 云量增加(减小), 降水增多(减少), 海气之间呈显著负反馈过程, STA为负值(正值)。在海洋浅表层稳定温度层结和局地海气负反馈共同作用下, STA与RSSTA量级相当、符号相反, 导致SSTA丢失了ENSO信息, SSTA无ENSO过渡期模态。

次表层海温异常实际上也反映了上层海洋热状态, SOTA为负(正)时, 温跃层上抬(下降), 水温下降(上升), 上层海洋热含量减少(增大)。海洋对大气的影响实际上表现为上层海洋热含量多寡对大气的热力作用, 这里RSSTA可以理解为上层海洋异常热含量导致的海面温度异常。黄荣辉等(2002)指出, 与ENSO循环有关的热带西太平洋热力状态及其上空对流活动, 对西太平洋副热带高压变化有重要影响; 陈永利等(2003)指出, 西太平洋暖池区热含量的年际变率对南海夏季风爆发有重要关系。本文的分析结果表明, 正是ENSO事件引起的上层海洋热含量变化通过RSSTA对大气的热通量输送, 造成了大气环流和相关地区的气候异常。

由此, 我们可以得到ENSO事件次表层两个模态对大气环流的影响过程及SSTA与RSSTA之间的关系。首先, ENSO事件演变过程通过海洋内部热动力结构调整造成上层热含量变化和RSSTA, 后者直接对大气进行热通量输送; 然后, RSSTA对大气异常热输送引起大尺度海气相互作用, 导致大气环流异常; 最后, 大气环流异常伴随的云量、降水及风场变化通过海气负反馈过程反过来影响海洋表面温度变化, 产生与RSSTA反号的STA, 抑制了RSSTA。此时, SSTA是RSSTA和STA共同作用的结果, 它更多地受高频大气过程的影响, 即海洋动力过程所致的表层海温变化被部分或甚至完全掩盖。上述过程随ENSO循环持续进行, 完成ENSO事件对大气环流的影响及对海洋的反馈。至此, 人们还是要问, 在RSSTA对大气热通量输送时, 同期的SSTA和大气热力状况会不会掩盖和影响RSSTA？这里需明确两个问题:一、RSSTA随ENSO事件演变不断更新, 与大气直接进行热通量输送的海面温度是瞬变的, RSSTA是该瞬变海温异常的月平均值; 二、海洋热通量输送属海气小尺度相互作用过程, 这一过程在几分钟内即可完成, 它伴随ENSO事件全过程, 受RSSTA支配, 具ENSO变率。此时, 同期的SSTA受高频大气过程及太阳辐射制约, 但其导致的SSTA与ENSO事件周期无关。可以认为, 在RSSTA对大气热通量输送时, 同期的SSTA并不会掩盖和影响ENSO事件导致的RSSTA及其对大气直接热通量输送。

人们常用的SSTA包括了RSSTA和STA两部分, 这里STA为海气相互作用的结果。由于春夏季RSSTA受海气负反馈作用抑制, 春夏季SSTA缺失RSSTA信息, 但秋冬季SSTA与RSSTA时空分布基本一致, 因此SSTA年际变率实际上主要由秋冬季RSSTA决定。这也就是为什么用SSTA资料研究ENSO事件仅能获得主要出现在秋冬季ENSO成熟期模态、而不能获取主要出现在夏季的ENSO过渡期模态的原因。显然, RSSTA才是真正向大气热通量输送的海洋热力学界面, 用SSTA研究ENSO事件存在局限。以SOTA为主导场与SSTA为副场所作联合EOF分析的实质就是将受ENSO事件制约的RSSTA信息从SSTA中解析出来, 还原ENSO演变过程中次表层海温异常导致的海洋表面温度的变化。

基于SSTA预测ENSO存在“春季预报障碍”问题, 不管模式从何时开始预测, 大约在四、五月间总是出现预测技巧快速下降的现象。关于春季预报障碍的特征和产生的原因, 前人(Flügel et al, 1998)已经做了大量工作。尽管人们(Latif et al, 1998; Timmermann et al, 2018)采用不同的方法研究, 对其机制也提出了各种假设, 但产生预报障碍的原因仍无统一认识, 而且在ENSO的预测中, 该现象也未得到有效的改善。据本文分析结果可以清楚看到, 由于春夏季SSTA失去ENSO事件信息, 基于SSTA进行ENSO预测, 其结果必然出现严重预报障碍。ENSO是源于海洋次表层的重大海洋事件, 用次表层海温异常资料研究和预测ENSO事件, 将会促进ENSO理论的进一步完善, 有助于提升ENSO事件预测能力。

5 结论

(1) 基于SOTA研究发现ENSO事件由两个模态主导, 二者构成ENSO循环。主要出现在冬季的第一模态对冬季及夏季亚洲—北太平洋—北美地区上空中高纬大气环流有重要影响, 主要出现在夏季的第二模态对夏季热带和副热带大气系统有重要作用。

(2) ENSO事件通过RSSTA向大气输送热量, 引起Walker环流和Hadley环流变化, 导致热带地区和北太平洋及周边地区上空大气环流异常, 进而影响这些地区冬季和夏季的气候。

(3) SSTA包含RSSTA和STA两部分, RSSTA是ENSO事件过程中海洋内部热动力结构调整导致的海面温度变化, 在海洋对大气的热输送过程中, 它随ENSO的演变不断更新; STA是RSSTA驱动大气导致的大气环流异常对海面温度的影响, 在海洋浅表层STA对RSSTA有重要影响。秋冬季节, SSTA保留了ENSO信息; 春夏季节, 海洋浅表层稳定温度层结和局地海气之间的负反馈过程, 使SSTA丢失了ENSO信息, 这也可能是产生ENSO事件春季预报障碍的原因。人们常用的SSTA变率实际上主要由秋冬季RSSTA主导, 用SSTA资料研究ENSO事件存在局限。