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大气所学者提出西北太平洋异常反气旋形成和维持的新机制来解释厄尔尼诺如何影响东亚气候
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2017-12-12 | 【 【关闭】

  厄尔尼诺(El Niño)是发生在热带中东太平洋的大范围海温异常增暖现象,一般在北半球春季发展,在冬季达到盛期,自来年春季开始减弱。随着厄尔尼诺事件的演变,我国华南地区自冬至春,一般会经历偏暖、偏湿的气候。为什么遥远的热带太平洋海温增暖会导致半球之外东亚地区的气候异常?原因在于有一个连接厄尔尼诺海温异常和中国气候的重要桥梁,即位于西北太平洋的高压异常,在海气相互作用研究领域常称之为“西北太平洋异常反气旋”(WNPAC),或“菲律宾海异常反气旋”(1a)。观测中,WNPAC一般在El Niño发展年的秋末形成,在之后三个季度的漫长时间里,持续影响着东亚和西太平洋暖池区气候。我国学者很早就认识到WNPAC对于中国气候的重要性。例如,符淙斌院士在1988年就撰文指出,El Niño次年夏季(而非当年夏季)西北太平洋高压异常是影响我国东部气候的重要环流系统。张人禾院士在1996年通过对1986-1987年和1991-1992年两次中等强度的El Niño事件的合成分析,清晰地指出, 这种存在于El Niño成熟阶段(即冬季)的强大反气旋式环流异常,是El Niño影响东亚-西北太平洋区域气候的主要环流系统。自秋季到来年春季,持续如此长时间的异常大气环流型在整个热带气候系统中极为罕见。气候学界为何如此重视WNPAC呢?因为它将El Niño和东亚季风联系起来,是东亚气候季节可预报性的主要来源,理论上只要我们能够预报WNPAC,就可以预报至少持续三个季度的东亚和西北太平洋的气候异常。因此,对WNPAC发展和维持原因的探索,是东亚-西北太平洋季风年际变率研究的核心话题,历来为气候学界所重视。 

  WNPAC何以存在?现有理论解释有两个关键点,其一是由张人禾院士在1996年提出。他指出在El Niño盛期,热带西北太平洋降水减少造成的对流冷却所激发出的Rossby波是WNPAC得以形成的主要原因。其二来自Rossby奖章获得者、美国夏威夷大学的王斌教授。他指出由于WNPAC在冬季成熟后能够持续到来年夏季,因此必然存在某种反馈过程能够维持WNPAC。基于这一思路,他提出了解释WNPACEl Niño成熟冬季和之后春季维持的核心理论,即经典的西北太平洋局地“风-蒸发-SST”反馈机制,这一理论的关键环节是,WNPAC东南侧的东北风异常通过增强气候态东北信风令蒸发增强,海表温度变冷;冷海温异常反过来抑制局地对流,令WNPAC继续维持。海洋和大气的耦合作用是经典的“风-蒸发-SST”反馈理论的核心。长期以来,该理论在海气相互作用研究领域得到极其广泛的应用。但是,近年来科学界有研究发现,只给定赤道中东太平洋海温异常,大气环流模式也能够模拟出WNPAC。这意味着,El Niño可以通过单纯的大气遥强迫过程激发出WNPAC,而不是一定需要有海洋的反馈作用,这显然与局地“风-蒸发-SST”反馈机制的核心理论相悖。因此,既有理论在能够合理解释WNPAC的部分观测事实的同时,近年来浮现出的关于事实与理论解释不符的一些新认知,意味着关于WNPAC的成因尚存在未知之谜。 

  经过近五年的研究努力,最近,中国科学院大气物理研究所吴波副研究员和周天军研究员、夏威夷大学李天明教授在Journal of Climate连续发表两篇系列文章,对WNPAC形成和维持的原因提出了一种新的理论解释。他们从湿静力能收支诊断分析入手,结合基于耦合模式同化系统开展的理想数值试验,提出并证明了一种全新的WNPAC维持机制——“风-湿焓平流强迫机制”。该机制可以用图2的概念图来形象地表示,与El Niño相关的赤道中东太平洋SST暖异常(红线),能够通过增强局地对流(绿色阴影),在其西侧激发出沿赤道对称的Rossby波型异常气旋对。在赤道以北,异常气旋西侧的北风分量异常(黑色箭头)能够通过将赤道外干(低湿焓)空气向赤道平流,从而抑制西北太平洋的对流活动(橙色阴影)。西北太平洋负降水异常进一步在其西侧激发出WNPAC(黑色虚线)。数值试验表明,该过程对El Niño冬季和春季WNPAC的贡献超过50%,略大于经典的“风-蒸发-SST”反馈理论所强调的西北太平洋局地海气相互作用的贡献。“风-湿焓平流强迫机制”是一种纯粹的大气内部动力和热力过程,它不依赖于海气相互作用过程。该机制一方面填补了之前理论解释与数值试验结果之间的缝隙,更为重要的是,它能够解释之前理论所难以解释的观测现象,即WNPAC形成过程的季节依赖性。 

  El Niño通常在夏季已经充分建立,之后整个太平洋SST异常的空间型变化很小,特别是西北太平洋冷海温异常在夏季已经形成并一直存在,那么为什么只有到了秋末WNPAC才能建立呢?新提出的“风-湿焓平流强迫机制”,能够完美解释WNPAC形成时间的季节依赖性。具体说来有三个关键物理过程:首先,西北太平洋关键区气候态低层大气比湿的经向梯度由正转负,为负的异常湿焓平流创造了基础条件。其次,气候态相对涡度的经向梯度由正转负,从而减小了有效Beta效应,令赤道中东太平洋加热异常激发的Rossby波气旋性异常向东收缩,为WNPAC的发展留出了空间。上述两个过程均与热带辐合带(ITCZ)的季节演变有关。最后,西北太平洋局地冷海温异常也有贡献。数值试验表明,如果没有西北太平洋局地冷海温异常,那么WNPAC的形成时间将由秋末推迟到冬季。 

  “尽管能量收支和动力诊断过程颇显复杂乏味,但结论还是很形象和生动的”,这一系列工作的第一完成人吴波副研究员说,“这项工作的价值在于,它使得ENSO和东亚季风的联系能够被一系列简单但明确的物理过程环环相扣地联系起来”。他还透露了工作中的一个花絮,为了争取成果能够在本领域顶级期刊发表,该项研究最早的数值模拟试验,都采用了一个“国际大腕级”的模式-德国马普气象研究所的ECHAM模式,但是由于ECHAM在季风对ENSO强迫响应方面存在性能上的不足,数值试验结果并不足以完美佐证基于观测诊断所提出的理论机制,这在文章的评审过程,招致审稿专家的批评。针对专家批评意见,研究组基于前期的工作积累,重新审视了当前国际上通行气候模式的性能,经过讨论和反复斟酌,最后果断决定采用中国科学院大气物理研究所自主研发的气候系统模式,耗时近一年的时间来重新设计和进行所有的数值试验,最终试验结果完美佐证了理论假设,系列论文得以顺利发表。“在气候模式的研发上,尽管我们的整体水平较之西方发达国家尚有差距,但是我们完全不必因此妄自菲薄,在特定的研究方向或者研究环节,我们要坚信自己有能力围绕着自己的特定需求发展出有特色的数值模式系统。这一点,是我们进行本项研究工作在科学收获之外的感悟”,这项工作的合作者之一周天军研究员最后说。 

  1 观测资料揭示的El Niño冬季的925hPa流函数异常(a图等值线),降水异常(a图阴影)和表层海温SST异常(b图阴影)。流函数的正值表示反气旋式大气环流,它是链接El Niño海温和东亚气候的关键大气环流系统。  

  

  

 

  2 -湿焓平流强迫机制的示意图。图中红线表示El Niño相关的赤道中东太平洋海温暖异常,它通过增强局地对流(绿色阴影),在其西侧激发出沿赤道对称的Rossby波型异常气旋对(黑色实线)。在赤道以北,异常气旋西侧的北风分量异常(黑色箭头)能够通过将赤道外干空气(低湿焓)向赤道平流,从而抑制西北太平洋的对流活动(橙色阴影)。与西北太平洋负降水异常对应加热异常随后在其西侧激发出WNPAC(黑色虚线),WNPAC得以建立和维持。该过程对El Niño冬季和春季WNPAC的贡献超过50%,略大于经典的-蒸发-SST”反馈理论所强调的西北太平洋局地海气相互作用的贡献。 

   

  Wu, B., T. Zhou, T. Li, 2017a: Atmospheric dynamic and thermodynamic processes driving the western North Pacific anomalous anticyclone during El Niño. Part I: Maintenance mechanisms, Journal of Climate, 30, 9621-9635. 

  Wu, B., T. Zhou, T. Li, 2017b: Atmospheric dynamic and thermodynamic processes driving the western North Pacific anomalous anticyclone during El Niño. Part II: Formation processes, Journal of Climate, 30, 9637-9650. 

    

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