ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis
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†
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 20102011, using the NCEP/NCAR (daily and month mean) dataset. During the winter 20102011, 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[2327]。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