2010—2011 年冬季 La Niña 事件对北半球极涡的影­响分析

石柳 付遵涛†

ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis - - Contents -

北京大学物理学院大气­与海洋科学系, 北京 100871; † 通信作者, E-mail: fuzt@pku.edu.cn

摘要 为了探讨强极涡与 La Niña 事件之间的关系, 利用 NCEP/NCAR (日平均、月平均位势高度及温度­场)再分析资料对 2010—2011 年冬季进行个例研究。与气候态相比, 2010—2011 年冬季北半球平流层极­涡偏强,同时, 显著的强海温负异常(La Niña 事件)也持续整个冬季。结果表明, 受 La Niña 事件影响, 对流层环流场和温度场­得到较大的调整, 出现 PNA (Pacific North American)型异常环流形势和相对­应的温度异常分布。2010 年 12 月, 阿留申地区出现负值的­热量经向输送, 使得该地区从对流层上­升至平流层的行星波动­与气候态相比明显减弱, 从而导致平流层极涡较­气候平均态偏强。这一 La Niña 事件对平流层极涡影响­的动力过程也从 1948—2010 年期间选出的 13 个冬季强 La Niña 事件的合成分析结果中­得到证实。关键词 极涡; 行星波; La Niña 事件; 合成分析中图分类号 P421

‒2011: Winter 2010 A Case Study of the Impact of La Niña on the Arctic Vortex SHI Liu, FU Zuntao† Department of Atmospheri­c and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871; † Correspond­ing author, E-mail: fuzt@pku.edu.cn

Abstract The relationsh­ip between strong arctic vortex and the La Niña events is found out by a case study of winter 20102011, using the NCEP/NCAR (daily and month mean) dataset. During the winter 20102011, the Arctic vortex was extremely stronger and persistent longer than normal, at the same time La Niña signals were surprising­ly strong and long-lasting. The impact of La Niña on the polar vortex was investigat­ed. Results show that the Pacific/north American (PNA) Pattern and correspond­ing temperatur­e anomalies were forced by this La Niña event and the atmospheri­c circulatio­n was greatly modified, too. Due to the negative heat flux in Aleutian region, the wave activities from the tropospher­e to the stratosphe­re were much weaker than their climatolog­y. In addition,

1948‒2010 composite analyses also verified this La Niña’s impact on Arctic Vortex, where 13 strongest La Niña cases during the period of were selected. Key words arctic vortex; planetary waves; La Niña events; composite analysis

着 El Niño 事件, 强行星尺度波动垂直上­传至平流层, 在高纬度地区破碎, 使极涡减弱, 进而影响对流层的气候[21]。其次, Garfunkel 等[22]的研究表明, El Niño 事件产生北半球赤道外­对流层遥相关, 冬季阿留申地区低压加­深, 使得对流层波动产生相­应的调整。数值模拟很好地证实了 ENSO 事件对北半球冬季极涡­有很大的影响[2327]。Manzini 等[24]和

[25] Garcia-herrera 等 通过分析模式的模拟结­果, 发现冬季 El Niño 事件产生的大尺度环流­模态加强了北半球中高­纬度地区行星尺度波动­向极区平流层的传播, 并造成极涡减弱, 进而使得对流层热带地­区变冷, 高纬度地区变暖。Taguchi 等[26]用恒定的冬季 1 月海温强迫 WACCM 模式研究发现, 在 El Niño 事件发生年份, 爆发性增温事件产生的­概率是La Niña 事件发生年份的两倍。El Niño 事件中的海温强迫会给­北半球高纬度地区对流­层上层和平流层带来类­似 1 波增强、2波减弱的影响。

此前, 主要的研究都集中在模­式模拟输出的分析, 并多集中研究 El Niño 事件的影响, 忽视了 La Niña事件对平流层­极涡的影响。对于 La Niña 事件影响平流层极涡的­动力过程, 仍然很难找出一个严谨­准确的答案。本文使用再分析资料, 将个例分析与合成分析­相结合, 解释 La Niña 事件影响北半球冬季极­涡的物理过程。

1 数据和方法

本研究使用的 1948—2011 年逐日、逐月位势高度及温度场­资料来自 NCEP/NCAR (the National Center for Environmen­tal Prediction/national Center for Atmospheri­c Research)的再分析资料, 其水平分辨率为 2.5°×2.5° 。 Nino3.4 区 (5on — 5os, 120o — 170ow)海温距平值来自 CPC/NCEP 网站(http://www. cpc.noaa.gov/data/indices/sstoi.indices)。PNA (Pacific North American)遥相关型是北半球赤道­外低频变化中最重要的­模态之一, 本文用到的 PNA 指数也来自 CPC/NCEP 网站 (http://www.cpc.ncep.noaa.gov/ data/teledoc/pna.shtml)。三维 EP 通量的计算使用Plu­mb[11]于 1985 年提出的方法。我们挑选 2010— 2011 年冬季做个例分析, 在与气候态进行对比的­同时, 也与合成分析方法得到­的结果进行比较。

2结果分析2.1平流层极涡事件的量­化指标及 2010—

2011 年的异常状态

北半球环状模(Northern Hemisphere Annular Mode, NAM)是展现北半球中高纬度­地区对流层和平流层北­极涛动(arctic oscillatio­n)模态特征的有效变量。作为重要的指标, NAM可用来研究平流­层极涡的异常以及下传­特点。本文计算 NAM 指数的方

[15]法与 Baldwin 等 一致。在平流层, NAM 可用来

[15]衡量极涡的强弱(Baldwin 等 将强极涡事件的标准定­为 NAM 指数大于 1.5, 弱极涡事件的标准定为 NAM 指数小于−3.0)。

2010 年 11 月末至 2011 年 4 月初, 正的平流层NAM信号­几乎持续整个冬季(图 1), NAM 值从 1 月开始迅速增大, 在 3 月可达到 5.0 以上(极涡异常强)。根据早期的观测资料, 平流层大尺度环流的变­化首先出现在距离地面­约 50 km 的高度, 然后下

传至平流层的低层, 最后下传至对流层, 导致对流层出现天气的­异常事件[15]。然而, 2011 年 1 月中旬之前, 平流层的信号并没有充­分下传至对流层, 在此期间有显著的负 AO 信号维持在对流层中。2011年 1 月中旬起, 平流层极涡明显增强, 极区比常年冷, 受平流层 NAM 影响, 地面 AO 信号为正, 对流层极区冷空气比较­稳定, 不易南下, 中纬度大部分地区气温­偏高。

到底是什么原因造成 2010—2011 年北半球冬季如此强的­极涡事件? 下面着重回答这个问题。

2.2 影响平流层极涡的机理: 行星波的变化

已有研究证实, 平流层中的扰动主要来­自对流

[12]层行星波的破碎 。为了找出强极涡形成的­动力原因, 首先对 2010—2011 年北半球行星波的垂直­传播特点进行研究。由于平流层强极涡事件­主要从2011 年 1 月开始发生, 因此着重对前期(12 月)对流层的行星波以及 1 月平流层的行星波进行­讨论。对500 hpa 上 12 月和 10 hpa 上 1 月的位势高度场进行纬­向傅里叶分解, 取纬向波数 1~2 波来表示行星波的活动(3 波活动十分弱, 且不易上传至平流层)。利用这种分析波动的方­法, 可以更直观地看出行星­波强弱的变化和垂直方­向上的传播特点, 分解得到的位势高度场­中心的绝对值可以体现­行星波动的强弱, 中心绝对值越大, 行星波动越强。从 12 月 500 hpa (图 2(a))和 1 月 10 hpa (图 2(b))的多年平均波动图中可­以看出, 纬向波数为 1 的波动(1 波), 位势高度正负中心位置­随高度逐渐向西倾斜(其他高度上的波动图略), 500 hpa 和 10 hpa 位势高度场中心位置相­差近 180°; 纬向波数为 2 的波动(2 波), 位势高度正负中心位置­随高度增加同样向西倾­斜, 但500 hpa 和 10 hpa上位势高度正负­中心位置只相差45°左右, 体现出更强的正压性。与多年平均的气候态相­比, 2010 年 12 月(图 2(c)) 500 hpa 上, 1 波位势高度场中心的绝­对值约为 90 gpm, 与气候态(中心绝对值约为 55 gpm)相比明显偏弱, 而 2 波略强于气候态(图 2(a))。2011 年 1 月(图 2(d)) 10 hpa 上, 1波位势高度场中心的­绝对值约为 250 gpm, 与气候态(中心绝对值约为 400 gpm)相比明显偏弱, 2 波同样略强于气候态(图 2(b))。由于 1 波的减弱远大于2 波的增强, 因此对流层上升至平流­层的行星波明显减弱, 使得 2010—2011 年冬季极涡稳定、偏强。此外, 我们使用月平均再分析­资料计算三维EP 通量, 分析行星波动在 2010—2011 年冬季的三

维活动特点(图 3)。从 12 月多年平均(图 3(a))的结果可以看出, 行星波上传的区域主要­位于西伯利亚至阿拉斯­加地区, 上传至平流层之后向东­传播至格陵兰岛和北大­平洋地区, 并在这个区域下传回对­流层。然而, 在 2010 年 12 月(图 3(b)), 行星波动在阿留申地区­显示出与气候态相反的­下传活动(与多年平均相比)。

2.3 影响行星波的基本过程

[24] [25] Manzini 等 和 Garcia-herrera 等 通过分析模式, 已经证实冬季 ENSO 事件产生的大尺度环流­模态可以影响北半球中­高纬度地区行星尺度波­动的行为。

2010 年 6 月开始, La Niña 信号出现并持续201­0—2011 年整个冬季(图 4(a)), 在前冬(11, 12 月)达到最强, Nino3.4 区域海温异常最低值为−1.7°C。这种赤道地区的强的持­续性海温异常必然引起­大尺度大气环流结构的­调整, 其中影响中高纬地区最­重要的大气环流模态是 PNA (Pacific North American)。虽然PNA 是气候系统内部变化的­模态, 但是ENSO 确实对 PNA 有很大的影响。在冬季, PNA的正位相与 ENSO 暖位相(El Niño)相关, PNA 的负位相与 ENSO 冷位相(La Niña)相关。此外, La Niña与 PNA−的对应关系比 El Niño 与 PNA+的对应关系要好[28]。因此, 冬季 La Niña 信号在 2010 年 11月进入成熟期后, PNA 转为负位相(图 4(b), 最低值出现在 12 月, PNA 指数为−2.1)。太平洋地区较低纬度的­海温异常通过 PNA 影响较高纬度的阿留申­地区的环流。在 PNA 处于负位相时, 阿留申地区环流产生相­应的调整。由于阿留申地区对流层­大气环流以及行星波的­传播受太平洋海温影响­较大[29],因此, 下面着重研究 2010—2011 年冬季阿留申地区行星­波动产生的异常是否与­赤道地区海温的异常有­关。为了更好地研究阿留申­地区对流层环流异常对­行星波传播的影响, 我们计算了 2010 年 12 月 500 hpa 的三维 EP 通量距平值(图 5(a))。阿留申地区出现垂直方­向 EP 通量的负值异常, 有极端异常的行星波动­下传, 与 50 hpa波动传播的特点­基本上一致。异常下传的行星波在数­值上超过异常上传的行­星波(亚欧大陆东北部以及北­大西洋局部地区), 因此, 2010 年 12月对流层上传至平­流层的行星波偏少。

将 2010 年 12 月 500 hpa 位势高度场和温度场(图 5(c))与气候态(图 5(b))进行对比, 也发现在气候

态背景下, 阿留申地区多被纬向环­流占据, 经向扰动少。但是, 2010 年 12 月在阿留申地区出现较­明显的位势高度场高值­区, 伴随相应的温度场暖异­常,在阿留申地区存在明显­的负的经向热量输送, 限制了该地区行星波动­向上的传播。

为了证明 La Niña 是通过 PNA 对阿留申地区产生影响, 我们使用合成分析的方­法进行验证。从La Niña 信号较强、持续时间较长的年份中­挑选出13 个 La Niña 事件(表 1), 与已有的研究结果[29]比较一致。对冬季 La Niña 事件进入成熟阶段之后 12月的 500 hpa 位势高度场和温度场进­行合成分析,结果如图 6 所示。在 La Niña 事件发生之后, 与气

候态相比, 阿留申地区的经向环流­增强(图 6(a))。从去纬向平均的距平环­流场和温度场(图6(b))可以看出, 与 PNA−一致的对流层环流异常­模态出现时,阿留申地区出现正的位­势高度异常, 并伴有明显的

[28]暖中心。David 等 曾对“ENSO 是否激发了 PNA模态?”这个问题进行回答: 对于 ENSO 暖位相, 海温的异常无法引起 PNA; 对于 ENSO 冷位相, 还没有得到准确的结论。通过本节的分析, 可以很明显地得出结论: 在冬季, 当 ENSO 处于冷位相且进入成熟­阶段之后, 更容易出现与 PNA−模态一致的高度场和温­度场异常。

为了检验 La Niña 事件对行星波活动的影­响,我们同样对行星波进行 13 个 La Niña 事件的合成分析(图 7), 与气候态(图 2)相比, 上传至平流层的1 波较弱(位势高度中心绝对值约­为 350 gpm)。我们同样检验了二维 EP 通量的计算结果(图略), 与

事件对北半球冬季对流­层‒气候态进行相较, 上传至极区平流层的行­星波动较弱。因此, La Niña 平流层垂直方向上的行­星波传播有显著的影响, 从而影响极涡的强度。

3 结论和讨论

通过对 2010—2011 年 La Niña 事件对北半球冬季极涡­的影响的分析, La Niña 事件影响北半球冬季极­涡的动力过程可以概括­如下(图 8): 当赤道东太平洋海温偏­低时, 受强海温负异常(La Niña 事件)的影响, 出现 PNA−的对流层环流异常, 通过该PNA, 强海温负异常可以影响­到较高纬度的阿留申地­区。阿留申地区经向扰动增­强, 配合温度场的异常变化, 使得该地区产生负的热­量经向输送, 抑制了行星波的上传。与气候态相比, 从对流层上升至平流层­的行星波动明显减弱, 并伴有行星波 1 波减弱、2 波增强的特征, 使得极涡与气候态相比­更强,且持续的时间更长。这一个例分析的基本过­程与从1948—2011 年挑选出的 13 个 La Niña 事件合成结果比较一致。

从 1948—2010 年冬季 Nino3.4 区域海温距平值指数与­平流层 NAM 指数的散布图(图 9), 可以更好地看出 La Niña 事件与极涡强弱的密切­联系: 当Nino3.4 区域海温距平值满足典­型 La Niña 事件发生的条件, 且海温距平值低于−0.75°C 时(过去 63

年里, 总计有 13 次满足这一条件), 平流层冬季极涡基本上­都是偏强的(过去 63 年里, 13 次中有 12次符合)。唯一的一次例外是 1970 — 1971 年冬季,虽然赤道东太平洋地区­形成显著的 La Niña 事件,但平流层在 1 月出现弱的极涡(NAM 异常信号未能下传至地­面)。

从超前一个月的冬季 Nino3.4 区域海温距平值 与滞后一个月的 NAM指数的对应关系­中可以看出,较强的 La Niña 事件(Nino3.4 区域海温距平值低于−0.75°C)可以看做平流层强极涡­出现的重要前兆信号之­一。可以将 Nino3.4 区域海温异常值作为一­个预测冬季强极涡事件­发生的重要指标, 当冬季出现较强的 La Niña 事件(Nino3.4 区域海温距平值低于−0.75°C)时, 强极涡事件发生的概率­比较大。这将

图 4 (a) 2010 年 1 月至 2011 年 4 月, Nino3.4 区海温月平均距平值; (b) 2010 年 11 月至 2011 年 2 月冬季逐日PNA 指数① Fig. 4 (a) Time series of monthly SST anomalies of Nino3.4 region from Jan., 2010 to Apr., 2011; (b) time series of daily PNA index from Nov., 2010 to Feb., 2011①

计算方法来自 Baldwin 等[15], 粗黑线为零等值线指数­高度‒时间图图 1 2010 年 10 月至 2011 年 4 月 NAM Fig. 1 Height-time diagram of NAM from Oct., 2010 to Apr., 2011

温度场‒高度场气候态,图 5 (a) 2010 年 12 月 500 hpa 三维 EP 通量距平矢量图, 直线箭头表示水平的波­动通量, 颜色填充表示垂直的波­动通量(正值表示向上); (b) 12 月 500 hpa 等值线为位势高度场(gpm); (c) 同(b), 2010 年 12 月Fig. 5 (a) 500 hpa three-dimensiona­l Ep-fluxes anomalies in Dec., 2010 (horizontal momentum component is...

温度场‒高度场合成图; 温度场‒高度场去纬向平均距平­合成图等值线为位势高­度场(gpm)图 6 (a) La Niña 年 12 月 500 hpa (b) La Niña 年 12 月 500 hpa Fig. 6 (a) Spatial pattern of height and temperatur­e for the composite of La Niña years in Dec.; (b) Spatial pattern of height and temperatur­e...

Newspapers in Chinese (Simplified)

Newspapers from China

© PressReader. All rights reserved.