第十七讲ENSO事件对中国天气气候的影响

第十七讲ENSO事件对中国天气气候的影响丁一汇国家气候中心高等天气学系列讲座单元六：大尺度环流的遥相关与低频运动ENSO事件一旦发生后作为一种热带地区的热源强迫会对热带和中高纬地区的天气和气候产生深刻的影响，造成不同的大气环流遥相关型。因而通过ENSO事件及遥相关问题的研究有可能了解某一地区天气和气候的原因。图8.1是1997年强厄尔尼诺事件发生时全球天气与气候的异常情况。图17.11997年强厄尔尼诺事件发生过程中全球天气与气候异常事件分布图（取自ClimatePredictionCenter,USA）17.1南方涛动南方涛动是指太平洋一些台站的气压和印度与爪哇的降水有同时增加的趋势，而此时印度地区的气压减小。也就是说，相对于平均值，当太平洋气压是高的情况下，从非洲到澳大利亚的印度洋地区气压是低的，因而在大尺度范围内，气压在太平洋和印度洋之间似乎是来回摆动的。降水的变化方向与气压相反，当太平洋一些台站气压升高时，在该处降水减小，而印尼一带气压降低，降水增加。图17.2给出月平均地面气压与雅加达地面气压相关系数等值线分布。可以明显地看到上两个地区的负相关关系。谱分析研究也表明，交叉谱的相角差几乎是±。这表明澳大利亚的达尔文港和南美的圣地亚哥在南方涛动时气压变化是相反的。此外这种现象的带宽范围相当大，有几年的时间尺度（2～7或2～10年），这说明南方涛动不是一般意义上的周期性脉动或振荡。但这种现象肯定是一种振荡，由此而造成的气压的来回升高或降低影响了全球很大范围的地区和大气活动中心，尤其是印度和东太平洋地区。南方涛动实际上是一种行星尺度的现象，最大的振幅出现在波数1中。图17.2月平均地面气压与雅加达地面气压的相关。在南太平洋高压区相关系数是负的大值，而在澳大利亚—印尼低压区是大的正值。由于SO不是一种定常振荡，故相关系数在无时间后延处没有最大值南方涛动与赤道太平洋的降水有密切的关系。在SO的不同的位相阶段，赤道降水有不同的条件。在SO的正位相阶段（南美气压升高，澳大利亚气压降低）赤道太平洋的台站降水一般偏少，是干期，而在负位相阶段情况大致相反。另一方面南方涛动与中东赤道太平洋的海表温度有密切的关系。目前已经指出，人们曾研究了SO与PuertoChicama海温的直接关系。例如对每隔一个月的SO指数（取圣地亚哥与达尔文港的地面气压差）与规一化的PuertoChicama海温进行了交叉谱分析（据1925～1935年资料），得到SO指数和秘鲁沿岸海温是反相关的，即秘鲁沿岸出现高温时，SO指数减小，这或者由南太平洋反气旋的气压降低造成，或由澳大利亚气压升高引起。对这个事实成为联系ElNiño现象与SO及其有关现象的依据。这两种现象的组合就变成ENSO一词，它反映了海气相互作用的结果。17.2厄尔尼诺现象和ENSO事件厄尔尼诺现象是一种海洋现象，一般它是指南美沿岸海洋水温的异常增暖，通常在秘鲁和智利沿岸地区同时有暴雨出现。实际上厄尔尼诺现象也可以看作是南美沿岸水温的异常季节增幅。图17.3和17.4清楚地给出了厄尔尼诺现象的时空演变。在北半球春季（2月和3月）在厄瓜多尔和秘鲁沿岸开始有中等程度的温度正距平，以后向西扩展，6个月之后影响到整个热带太平洋。1963年弱的厄尔尼诺和1982年与1986年强的厄尔尼诺演变情况不同，这三次的异常暖水首先出现在中太平洋地区，以后向东扩展再影响南美沿岸，因而非典型厄尔尼诺现象的位相非常不同于较典型厄尔尼诺事件的位相。图17.3（a）海表温度的季节变化（虚线）和典型ENSO事件（1951，1953，1957，1963，1965，1969和1972年事件）的海表温度变化（在3oS～12oS沿南美海岸100公里处航线上测到的海温平均值）。在中、东热带太平洋，海表温度，海平面高度和温跃层厚度大，垂直密度层（分开暖表层水与深厚冷海水的层次）之间相关提高；（b）ENSO事件期间对规则季节变化的海表温度偏差。1976年（未给出）强增温与1972年相似；（c）ENSO事件期间特鲁克岛（152oE～7oN）的海平面高度变化。这些变化代表了热带西太平洋的变化；（d），（c）中ENSO事件的平均海平面高度变化（实线），虚线是不包括ENSO事件的特鲁克岛的海平面高度年变化图17.41950到1973年间7次NESO事件平均的海表温度分布（℃）。（a）爆发后的3月和4月；（b）以后的8，9，10月；（c）以后的12，1，2月；（d）爆发后1年5，6，7月。图17.5是赤道东太平洋Niño3区海表温度距平（SSTA）与南方涛动指数（SOI）和对流活动振幅指数（COI）（负值代表对流活动强）的时间序列。有的厄尔尼诺事件延续时间较长，可达2年左右的时间，有的延续时间较短，约1年左右。有的厄尔尼诺爆发过程是逐渐的，有的则很迅速。厄尔尼诺事件的长度和强度有明显的差别，短的只有6个月，长的可达16个月。其增温幅度弱的为0.9℃，强的可达2.8℃（1997～98年事件）。SSTA达到最大值的月份一般在冬季，但也有在春秋季的。厄尔尼诺最早发生的地区一般在赤道东太平洋，有时可在赤道中太平洋首先发生（表17.1）。图17.5Nino3区（90oW～150oW，5oN～7oS）海表温度距平。南方涛动指数（SOI）与对流活动的指数（COI）的时间序列（国家气候中心诊断室）爆发与结束时间长度最高SSTA(℃)SSTA最高月SSTA强度综合强度爆发类型暖事件1951.06－1952.0181.011WWE1953.04－1953.1180.99VWWE1957.04－1958.07161.41SME1963.70－1964.0170.810WWE1965.05－1966.03111.312MME1968.10－1970.01161.15MMC1972.04－1973.02111.912SSE1976.07－1977.0170.910WWE1979.09－1980.0260.99VWVWE1982.05－1983.09172.512VSVSC1986.09－1988.01171.69VSVSC1991.05－1992.07151.44SSC1993.03－1993.1191.15WMC1994.09－1995.0261.212WWC1997.04－1998.05142.812VSVSE表17.1ELNino事件分类一览表注：VS—很强，对暖（冷）事件强度指数≥18.0℃（≤－16℃）；VW—很弱，对暖（冷）事件，强度指数≤-4.5℃（≥-3.5℃）；S—强，对暖（冷）事件强度指数为17.9—14.0℃（－15.9～－12.0℃）；M—中等，对暖（冷）事件强度指数为13.9～7.0℃（－11.9～－6.0℃）；W—弱，对暖（冷）事件强度指数为6.9～4.6℃（－5.9～－3.6℃）；E—动太平洋爆发型；C—中太平洋爆发型。爆发与结束时间长度最高SSTA(℃)SSTA最高月SSTA强度综合强度爆发类型冷事件1954.04－1956.0425-1.711VSVSE1956.07－1956.126-0.79VWWC1964.03－1965.0111-1.112MWE1967.08－1968.0510-0.72WVWE1970.06－1971.1219-1.412SSE1973.06－1974.0512-1.412MSE1974.09－1976.0319-1.512SVSC1984.10－1985.1013-0.912MWE1988.04－1989.0514-1.612SSE1995.09－1996.048-0.511VWVWE1998.10－2000.0318-1.31SSC表17.2LaNina事件分类一览表根据1950年以后7次ENSO事件的分析，可以把一次典型的ENSO发展过程划分为三个阶段：先兆阶段，这指春初南美沿岸出现增暖前的时段；第二阶段是异常条件发展的时期；最后阶段是异常条件衰亡、正常条件恢复的阶段。（1）先兆阶段。盛行于热带太平洋的偏东信风在北澳大利亚－印尼低压区辐合，上升并造成显著的云量和降水。在高空空气向东回流并在干冷的东南太平洋高压区下沉，这个纬向环流就是瓦克环流（图17.6上图）。厄尔尼诺发生的前兆之一是瓦克环流的高空支东移，即移到新几内亚与日界线之间的地区，这在地面气压，风场和降水资料中都有明显表现：在厄尔尼诺爆发前的10月和11月，澳大利亚达尔文港的地面气压上升，日界线以西的信风减弱，日界线附近的表层水略有增暖，印度尼西亚的降水开始减少，但日界线附近降水增加。图17.6南方涛动两个阶段的概括图。上图是厄尔尼诺前或正常条件的情况；下图是厄尔尼诺发生的情况。实线代表海平面等压线；实箭头代表地面风；粗虚线代表ITCZ和SPCZ（南半球辐合区）位置；双箭头还给出了Walker环流的上升支（取自美国科学委员会，1988）（2）异常条件的发展。ENSO事件第二阶段最明显的特征是初期出现在秘鲁和厄瓜多尔的异常条件向西扩展（图17.4）。因为以50～100厘米/秒的速度向西传播，故根据秘鲁沿岸的资料可以提前几个月在圣诞岛（Christmas岛，2。N，15。W）预报有极高的降水量和海表温度，到10月整个热带太平洋都出现这种异常的条件，当异常条件向西传播时，日界线以西的先兆的振幅或强度继续增加，但其发展落后于东面异常条件的发展（图17.4）。在11月和1月之间（爆发后）ENSO事件达到成熟阶段，这时在热带太平洋大部分地区出现异常暖的表层海水和特别弱的信风，ITCZ的位置比正常偏南，哈得莱环流加强。在日界线以西，西风在瓦克环流的上升支辐合，这时它已移向中太平洋地区（参见图17.6）。（3）回复到正常条件。在南美沿岸，异常条件的振幅在ENSO爆发后几个月，开始减少（图17.3（a）和（b））。但是在Galapagos岛（0。，90。W）以西，几乎1年以后才开始回复到正常条件。异常ENSO条件衰减的方式与其增长的方式相似，即正常条件（特别低的海表温度和强信风）首先出现在热带东南太平洋，以后向西传播，直到ENSO爆发后18个月，在整个热带太平洋建立。由上面的讨论可见，厄尔尼诺发生发展的过程一般有三个特点：第一，在厄尔尼诺发生前期，西、中热带太平洋的东风减弱或转变为西风，同时在中太平洋有弱的增温；第二，在秘鲁沿岸首先出现明显增温，随后在东太平洋东风减弱；第三，秘鲁沿岸的增温向西传播，可到达中太平洋。但是在有些年份ENSO事件的发展并不与上述过程和基本特征相一致。一般的厄尔尼诺事件增温区是从南美沿岸向西传播的。但对1982～83和1986～87年增温区是从中太平洋向东（南美沿岸）传播的。从沿赤道地区（5。N～5。S）海温28℃线，高层东风和低层西风距平中心，射出长波辐射负距平中心位置的时间经度剖面图（图略）可看到，这两年的28℃等SST线的东界位置随季节变化有规律地向东移动，这与图17.7中自西向东三个海域的增温峰值的变化是一致的。有趣的是，低层的西风距平及高层的东风距平中心位置也是比较有规律的东移。例如1982～83年厄·尼诺期间，高低层东西风距平中心位置从1982年7月到1983年2月从160～170。E东移到150。W附近，以后基本上稳定下来，移速大约1个月为10个经度；在1986～87年，高低层东西风距平中心位置自1986年7月到1987年1月从140。E附近东移到180。附近，然后也基本上稳定下来，移速大约1个月为7个经度左右。这种高低层东西风距平中心位置的东移，实质上反映了这段时期瓦克环流的向东明显移动过程，这与前面讨论的先兆阶段的特征是一致的。由于瓦克环流上升支由印尼一带移到了赤道中太平洋地区，从而使赤道中太平洋的对流活动加强和降水增加。这种情况可由图17.8更清楚地看出。注意负的OLR中心从西太平洋一直向东传播，最后到达中太平洋。OLR的负中心在东传中不断加强。图17.7赤道东太平洋海温距平变化曲线（从1981～1987年）。虚线为过去6次厄尔尼诺平均图17.8沿赤道地区OLR（射出长波辐射）的距平时间—经度图。（a）1986～19