1982/83，1997/98和2015/16年的超强El Niño及其对热带外平流层影响的比较分析外文翻译资料

 2022-12-05 04:12

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1982/83，1997/98和2015/16年的超强El Nintilde;o及其对热带外平流层影响的比较分析

饶建 1，任荣彩 1，2

1 气象灾害教育部重点实验室（KLME）/气候与环境变化国际合作联合实验室（ILCEC）/气象灾害预测评估协同创新中心（CIC－FEMD），南京信息工程大学，南京 210044

2 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029

摘要：本课题运用多套海表温度（SST）数据资料对三次超强El Nintilde;o事件及其对热带外平流层影响进行比较分析。结果表明，与普通El Nintilde;o不同，SST暖异常最早出现在赤道西太平洋且领先超强El Nintilde;o的最大值18个月以上。在前期冬季，相对于El Nintilde;o成熟位相，可以发现北太平洋涛动（NPO）的环流异常，并且可以作为前期信号。太平洋北美型（PNA）遥相关在成熟阶段出现在热带外对流层中，尽管PNA各异常中心的强度以及纬向位置之间存在微小的差异。与赤道印度洋负降水响应相关，1997/98年冬季的PNA遥相关是三次超强El Nintilde;o中最强的。如果从环流数据中把其他因素引起的扰动线性过滤，则北半球冬季平流层表现出较大的极地温度异常和绕极西风异常。与在超强El Nintilde;o年冬季的正PNA响应相联系，即使时间有所不同，仍能在超强El Nintilde;o年的成熟期冬季发现正的极地温度异常和绕极东风环流异常。与1982/83和1997/98年事件有关的次年冬季平流层极涡也异常偏弱偏暖，而2015/16年事件的成熟阶段之后的冬季，平流层环流场还有待观察。

关键词：超强El Nintilde;o，太平洋北美型（PNA）遥相关，平流层，前期冬季

  1. 介绍

El Nintilde;o - Southern Oscillation（ENSO）是一种每两到七年循环发生一次的海－气耦合现象。它不仅能影响热带地区的气候变化，也能对南北半球的热带外区域产生重大影响。由于ENSO复杂多样，为研究ENSO的潜在机制和影响，有研究者对其进行了几种分类。例如，根据其强度，ENSO被分为中等和强事件（Wolter and Timlin，1998；Stephens 等，2007；Rao and Ren，2016b，c）；根据其位置和纬向结构，可以被分为东太平洋和中太平洋型（Ashok 等，2007；Kao and Yu，2009；Kug 等，2009；Rao and Ren，2014）；根据其季节演变，可以被分为早发和晚发事件（Xu and Chan，2001；Hori and Hanawa，2004）；此外，根据其周期和频率，还可被分为准两年和准四年事件（Reasmusson 等，1990；Ren 等，2017）。

随着ENSO的发生和发展，热带Walker环流和Hadley环流出现异常并通过所谓的“大气桥梁”过程对热带印度洋和大西洋产生重大影响。已有研究证明，在热带东太平洋冬季与热带印度洋（TIO；例如，Nicholson，1997；Klein 等，1999；Ding and Li，2012）、热带大西洋（例如，Enfield and Mayer，1997；Klein 等，1999；Alexander 等，2002）上冬季和次年春季的海表温度异常之间存在着显著的先－后相关性。尤其地，随着ENSO的发展，热带印度洋和大西洋出现异常海表风和热量输送的遥响应，导致该地区的SST异常（Alexander 等，2002）。

ENSO主要通过几种遥相关对热带外产生远程影响。例如对流层中上层的太平洋北美型（PNA）遥相关，可将赤道东太平洋上ENSO SST异常产生的潜热和热带外的大气变化联系起来（Jin and Hoskins，1995；Newman and Sardeshmuskh，1998；Annamalai等，2007）。此外，PNA遥相关也可以通过其他赤道海洋尤其是印度洋的异常非绝热加热来调整（Barsugli and Sardeshmukh，2002；Annamalai等，2007；Rao and Ren，2016a）。理想化热带非绝热加热强迫的线性模式实验（例如，Newman and Sardeshmukh，1998；Annamalai 等，2007）和理想化SST异常强迫的大气环流模式实验（Kumar and Hoerling，1998；Farrara 等，2000；Barsugli and Sardeshmukh，2002；Spencer 等，2004；Rao and Ren，2016a）均表明，印度洋上施加的暖强迫引起的对流层环流响应对由赤道东太平洋施加的暖强迫引起的对流层环流响应模式有破坏性干扰的趋势。如Barsugli和Sardeshmukh（2002）提出，在110˚E附近的热带暖强迫存在一个对PNA响应的临界线，过此线的PNA响应几乎相反。因此，在PNA遥相关的调整下，El Nintilde;o期间的赤道东太平洋SST暖异常和与El Nintilde;o相关的TIO SST暖异常形成对比。

PNA遥相关是联系热带SST强迫与热带外平流层变化的关键，因此ENSO被认为是影响冬季平流层极涡年际变化的重要因素（例如，Garfinkel and Hartmann，2007；Wei 等，2007；Ren 等，2012；Xie 等，2012；Rao and Ren，2016a，b，c）。El Nintilde;o有可能通过调整从对流层到平流层的行星波1波，导致极涡异常偏弱和偏暖，反之，平流层极涡异常又对对流层中层的环流和气候异常产生影响（Ren and Cai，2006；Ren and Hu，2014；Yu 等，2014，2015；Rao 等，2015；Cai 等，2016）。平流层的异常是公认的对流层各方面环流和气候异常的重要指标（Ren and Hu，2014；Yu 等，2014，2015；Hu 等，2015；Rao 等，2015）。

虽然超强El Nintilde;o（Nintilde;o地区最大SST异常超过3 K）每一二十年才发生一次，但对全球气候的影响比普通El Nintilde;o强得多（Zhai等，2016）。例如，2015/16年超强El Nintilde;o导致的中国特大暴雨和频繁洪水造成了360多人死亡，直接经济损失高达455．1亿人民币。因此，迫切需要准确理解超强El Nintilde;o及其气候影响，以减少这些巨大的损失。其中一个重要方面是超强El Nintilde;o对热带外平流层可能存在的影响，这或将有益于我们对超强El Nintilde;o冬季气候异常的理解和预测。因此，本课题研究了北半球冬季平流层极涡对三次历史性的超强El Nintilde;o事件的响应及其与热带外对流层异常的关系。对它们的SST特征，季节演变及其对热带外地区的影响进行了比较分析。

本文的其它部分组织如下：第2节，介绍研究中使用的数据和方法。第3节，对三次超强El Nintilde;o事件的SST特征及其季节变化进行比较分析。第4节，比较其对热带外平流层的影响并进行影响过程的比较分析。第5节，总结和讨论。

  1. 数据和方法
  2. SST数据和ENSO指数

本研究中使用的SST分析数据集包括NOAA的Extended Reconstructed SST（ERSST）数据集第4版（Smith和Reynolds，2003），Hadley中心海温资料（HadISST）（Rayner等，2003），和日本气象厅的百年实地观测估算（COBE）资料（Ishii等，2005）。它们的水平分辨率分别为2˚times;2˚，1˚times;1˚和2˚times;2˚经纬格距。三次超强ENSO演变在三套SST资料的分析中非常一致。每套资料的气候态是对1981－2010年计算多年平均获得的全球SST年循环场。然后从原始场中去除年循环场，得到SST异常。

另外，为了更好地体现ENSO事件的演变，本研究采用了几个指数，命名为Nintilde;o3，Nintilde;o4和Nintilde;o3.4指数。通过对Nintilde;o3区（5˚S－5˚N，150˚－90˚W）的SST异常进行平均来计算每月Nintilde;o3指数。同样地，通过对Nintilde;o4（5˚S－5˚N，160˚E－150˚W）和Nintilde;o3.4（5˚S－5˚N，170˚－120˚W）区域上的SST异常进行平均，也计算每月Nintilde;o4和Nintilde;o3.4指数。事实上，Nintilde;o3是捕获超强El Nintilde;o的最佳指数，因为最大SST异常只位于Nintilde;o3区域，其温跃层比Nintilde;o4区域浅。

  1. 海洋分析和大气再分析

此处使用的海洋分析由美国国家环境预报中心（NCEP）的全球海洋资料同化系统（GODAS）提供，该系统提供了对海洋状态进行的初步估算，以初始化耦合气候预报系统。GOADS基于地球物理流体动力学实验室准全球配置的模块化海洋模型第3版。模型域从75˚S到65˚N，水平分辨率为1˚（经度）times;（1/3）˚（纬度）。该模型有40个层次，最高220米处的分辨率为10米。来自NCEP－DOE（DOE：能源部）大气再分析资料-2（Kanamitsu 等，2002）的动量通量，热通量和淡水通量强迫，GODAS同化了消耗性深海温度测量器，热带大气－海洋系泊和Argo剖面浮标的温度剖面（Saha等，2006）。有关GODAS的更多信息，请参阅http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.godas.html.

由于GODAS资料是受NCEP－DOE再分析资料制约的，因此在本文的个例分析中也使用此再分析资料来提取超强ENSO期间的大气环流异常，大大减少了海洋和大气条件之间不匹配的可能性。另外本研究还使用NCEP－NCAR（NCAR：国家大气研究中心）的再分析－1（Kalnay等，1996），发现结果基本不受再分析资料选取的影响。在NCEP－DOE再分析资料中，三维大气变量如气温、风和位势高度，及表面变量如平均海平面气压和降水量等的从北向南水平分辨率为2.5˚times;2.5˚。该模型采用西格马坐标，垂直方向为从1000hPa到10hPa共17层。有关NCEP－DOE再分析的更多信息，请参阅http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis2.html．

  1. 比较分析三次超强El Nintilde;o的SST特征及其季节演变
  2. SST特征

图1显示了利用不同分析资料的三次超强El Nintilde;o成熟阶段的冬季SST异常特征。与超强El Nintilde;o冬季的峰值一致，最大海温异常主要出现在Nintilde;o3地区和冷舌地区，尤其是前两次超强El Nintilde;o（图1a，d和g；图1b，e和h）。然而，2015/16年的超强El Nintilde;o与1982/83年和1997/98年的有所不同，其异常SST中心仅位于Nino3地区，且几乎没有向东延伸到冷舌地区（图1c，f和i）。另外，在ENSO成熟阶段，可以清楚地看到TIO全流域的SST异常，而赤道大西洋的SST异常相对较弱。虽然ERSST的分辨率比其他两个资料粗糙，但从三套SST资料来看，总体情况仍非常一致。

图1. 三次超强El Nintilde;o[1982/83（左），1997/98（中）和2015/16（右）]冬季（12－2月）期间的SST异常（单位：K），（a－c）COBE，（d－f）ERSST和（g－i）HadISST。

  1. 季节演变

图2显示了三次事件从年份（-1）夏季到年份（2）夏季的赤道SST异常的季节演变。括号中的数字-1，0，1和2分别表示相对于超强El Nintilde;o成熟阶段年份的先前，并发，衰退阶段和次年，其峰值在12月（0）－1月（1）－2月（1），发展阶段和衰退阶段之间的演变非常不均衡。另外，尽管在1982/83年和1997/98年赤道东太平洋主要是冷异常（图2a，d和g；图2b，e和h），但在成熟阶段前18个月左右即7月（-1）就已经形成SST暖异常。赤道西太平洋的SST暖异常一直维持到到ENSO的发展春季[4月（0）]，然后在冬季逐渐向东扩展并发展为成熟的超强El Nintilde;o。与在12月（0）就成熟的1982/1983年（图2a，d和g）的案例相比，1997/1998年的超强El Nintilde;o更早一个月达到峰值，即11月（0）（图2b，e和h）。然而，超强El Nintilde;o会接着迅速衰减；从年份（1）的初夏开始，SST异常由正变负，并继续向负位相发展。COBE，ERSST和HadISST资料显示的1982/83年和1997/98年历史性超强El Nintilde;o的特征非常一致。2015/16年超强El Nintilde;o也在初夏停止发展（图2c，f和i），如果它继续以类似的方式演变，可能将在后续冬季发展成一个成熟的La Nintilde;a，如1982/83年和1997/98年。2015/16年超强El Nintilde;o与1982/83年、1997/98年之间也存在一些差异，因为SST暖异常从年份（-1）的夏季开始在整个赤道太平洋发展，并且暖中心冬季峰值位置偏西，与（图1c，f和i）基本一致。

图2. 如图1所示，但相对于三次超强El Nintilde;o的成熟阶段，为从前期夏季[7月（-1）]到次年夏季[7月（2）] 的赤道SST异常（单位：K）的季节演变。每个面板上的白色加号表示最大SST异常的时间和经度。水平线表示相对于超强El Nintilde;o（年份1的1月）的成熟阶段的同期冬季。

为进一步证实2015/16年超强El Nintilde;o与两个20世纪案例之间的差异，我们在图3中展示了在ENSO的前期冬季，发展期夏季，成熟冬季以及衰退期夏季的GODAS赤道海洋位温异常资料。前两个具有明显向东传播（图3中最左边和中间的列）的特征，而2015/16年超强El Nintilde;o显示出很少的纬向传播（图3中最右边的一列）。具体地，在前两者在前期冬季形成的位温异常在发展期夏季向东缓慢传播至Nintilde;o

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