西太平洋暖池次表層海溫對厄爾尼諾事件的反應

1暖池海表水溫異常與elninno事件的關系自20世紀80年代以來，el氮uu引起了各國政府和科學家的注意。因為它的發(fā)生往往給世界上的許多地區(qū)帶來嚴重的自然災害，例如印度、印度尼西亞和澳大利亞的干旱，以及南美地區(qū)的洪水。厄爾尼諾同樣也給我國天氣氣候造成異常,因為它明顯影響西太平洋臺風活動,影響我國東北夏季溫度、東部夏季降水以及冬季寒潮活動。雖然各國科學家對ElNi?nn?o進行了不少研究,對其發(fā)生也提出了種種理論,但是目前對其發(fā)生的機理并未完全搞清楚。因此,1996～2010年間實施的國際CLIVAR(氣候變化及可預報性研究)計劃已將ElNi?nn?o列為重要的研究內容之一。1997年夏在赤道東太平洋又爆發(fā)了有記錄以來最強的一次ElNi?nn?o事件,其最大海表水溫(SST)異常達到6℃以上。它的影響遠不止因引起印度尼西亞和澳大利亞持續(xù)干旱而造成長時間森林大火。許多新聞媒介都報道了這次ElNi?nn?o所引起的災情,它給全世界人民造成了嚴重影響,有人說“1997年人們是談厄爾尼諾色變”,雖有些夸張,也不失其客觀性。在已有的研究中,我們曾指出,雖然ElNi?nn?o事件發(fā)生在赤道東太平洋,但它的前期征兆在赤道西太平洋地區(qū);并指出東亞冬季風的強異常所造成的赤道西太平洋地區(qū)持續(xù)西風異常及強對流活動對ElNi?nn?o的發(fā)生有重要作用。近來,我們又用耦合模式的數(shù)值模擬證明了上述結果。但是,關于赤道西太平洋暖池熱狀況對ENSO的影響的了解還很不夠,雖然有幾個研究提到暖池海表水溫異常(SSTA)對ElNi?nn?o的影響,而暖池SSTA信號比較弱,難于得到確切的結論;暖池次表層海溫變化很大,它與ENSO的關系尚無很好研究。本文將通過資料分析,揭示赤道西太平洋暖池(一般稱140oE～180o,10oS～10oN海區(qū)為暖池,因該處平均海溫為全球最高)次表層海溫異常與ElNi?no發(fā)生的關系,探討ElNi?no的發(fā)生機理。219完善的太平洋海溫異常表現(xiàn)1997年ElNi?no事件開始于5月,因為熱帶太平洋海表水溫異常的分析表明,1997年5月開始赤道東太平洋SSTA已為大片正距平控制,在秘魯附近海域SSTA已超過2℃(圖1c)。而在1997年2月,赤道東太平洋地區(qū)還為SSTA負距平控制,最大SSTA超過-1℃(圖1a)。1997年3月,赤道東太平洋負SSTA明顯減弱,但仍有零星負距平區(qū);但在厄瓜多爾和秘魯附近海域已出現(xiàn)系統(tǒng)性SSTA正距平區(qū)(圖1b)。1997年4月,厄瓜多爾附近海域的SSTA正距平區(qū)有所發(fā)展并向西擴展;同時赤道中太平洋出現(xiàn)了另一SSTA正距平區(qū)(圖略)。1997年5月,赤道中太平洋和厄瓜多爾附近海域的SSTA正距平都迅速加強,并分別向東和向西擴展而造成大片SSTA正距平區(qū),一次厄爾尼諾事件爆發(fā)。對于1997年厄爾尼諾事件的發(fā)生,是否有什么前兆可尋?資料分析發(fā)現(xiàn)最為明顯的是赤道西太平洋暖池次表層海溫的異常及其活動。赤道太平洋海溫(觀測資料的同化分析結果)異常的深度-經(jīng)度剖面表明,1996年8月到1996年11月,赤道西太平洋暖池次表層(100～200m)一直偏暖(正距平超過2℃),而赤道東太平洋次表層(50～100m)卻一直偏冷(負距平亦超過-2℃),其異常的形勢比較穩(wěn)定(圖略)。但是到1996年12月赤道太平洋暖池次表層的海溫異常明顯增強,正異常超過3.5℃;而且海溫異常的范圍明顯擴大且緩慢東傳(圖略)。到1997年1月,暖池次表層海溫異常已達5℃以上,而且2℃距平區(qū)已東擴到160oW以東(圖2a),隨著暖池次表層海溫正異常區(qū)的進一步東擴,赤道東太平洋次表層的海溫負距平逐漸為正距平所代替;1997年3月,不僅赤道西太平洋暖池次表層仍維持一個強海溫正距平中心,而且在赤道東太平洋也出現(xiàn)了次表層海溫正距平中心(圖2b)。其后,暖池次表層的海溫正距平區(qū)逐漸移到赤道東太平洋,5月份,赤道太平洋次表層海溫正距平(超過6℃)中心已位于東太平洋,赤道西太平洋暖池次表層已開始出現(xiàn)海溫負距平;同時赤道東太平洋次表層海溫正距平逐漸擴展到海洋表面,導致海表水溫出現(xiàn)明顯正距平(圖2c),ElNi?no事件爆發(fā)。厄爾尼諾爆發(fā)后,赤道太平洋的海溫(包括次表層和表面)就維持著東為正距平、西為負距平控制的形勢(圖2d)。從上述分析我們可以初步認為,1997年ElNi?no事件的發(fā)生與太平洋暖池次表層海溫異常有密切關系。暖池次表層海溫正異常的出現(xiàn)及其向赤道東太平洋的擴展對這次ElNi?no事件的發(fā)生有十分重要的作用。3暖池次表層增暖與elnino事件的發(fā)生的關系上一節(jié)的分析確實表明西太平洋暖池次表海溫正距平的出現(xiàn)及其向東擴展對1997年ElNi?no的發(fā)生有重要作用。是否ElNi?no的發(fā)生都有上述關系?為揭示這個問題,下面討論過去一些ElNi?no事件的情況。圖3分別給出了1950～1993年期間月平均西太平洋暖池區(qū)(10°S～10°N,140°E～180°)次表層(150～200m)海溫異常和Ni?no3區(qū)(5°S～5°N,150～90°W)SSTA的時間變化。可以看到在幾乎所有ElNi?no事件(例如1957、1963、1965、1968～1969、1972、1976、1982～1983、1986～1987和1991年ElNi?no)發(fā)生之前,西太平洋暖池次表層的海溫都有持續(xù)的明顯正異常;而在ElNi?no事件爆發(fā)后,則變?yōu)镹i?no3區(qū)SST為正距平和暖池次表層海溫為負距平的形勢。也就是說,近半個世紀以來的歷次ElNi?no事件的爆發(fā)都同西太平洋暖池海溫的持續(xù)正異常有關,而且暖池次表層的增暖要比ElNi?no早半年到2年時間。在分析1997年ElNi?no事件時我們已經(jīng)指出,赤道西太平洋暖池次表層增暖同ElNi?no的發(fā)生有密切關系;而且暖池次表層海溫正距平區(qū)(亦可視為暖水團)的東移有極為重要的作用。暖池次表層海溫正距平區(qū)在東移過程中隨著斜溫層的逐漸抬高而使得赤道東太平洋SST也出現(xiàn)正距平,最終導致ElNi?no的發(fā)生。有時西太平洋暖池次表層海溫正距平持續(xù)時間不長就明顯向東移動,那么ElNi?no事件的爆發(fā)與暖池次表層增暖間的時間差就比較短;有時西太平洋暖池此表層海溫正距平持續(xù)很長時間才向東移動,那么ElNi?no事件的爆發(fā)與暖池次表層增暖間的時間差就比較長。這也說明了為什么暖池次表層增暖要比ElNi?no早,但卻有半年到兩年的不同時間跨度。分析赤道太平洋次表層海溫距平的時間-經(jīng)度剖面,我們可以清楚看到ElNi?no事件爆發(fā)與暖池次表層海溫正距平以及東傳的密切關系。由于赤道太平洋的斜溫層在西太平洋要比東太平洋深厚得多,赤道太平洋次層海溫最大異常出現(xiàn)的層次也不同;一般,次表層最大海溫異常在赤道西太平洋發(fā)生在100～200m,在赤道中東太平洋發(fā)生在80～150m,而在赤道東太平洋發(fā)生在40～80m。因此在分析赤道太平洋次表層海溫距平的時間-經(jīng)度剖面時,需要取不同層次的值(例如我們在140°E～180°范圍取120～160m的平均值,在180°～140°W范圍取80～120m的平均值,在140～120°W范圍取60～80m的平均值,在120～80°W范圍取40～60m的平均值)。各次ElNi?no的分析表明都有相類似的特征,因篇幅關系,這里只給出3個例子。圖4～6分別給出了對應于1957年ElNi?no、1972年ElNi?no和1986～1987年ElNi?no的赤道太平洋次表層海溫距平的時間-經(jīng)度剖面。對于1957年ElNi?no件(圖4),雖然暖池次表層海溫在1955年就有弱的正距平,但明顯增暖開始于1956年4～5月份,1956年秋季出現(xiàn)最大正距平(2.5℃左右),1956年冬到1957年春季暖池次表層海溫正距平明顯東移到赤道中東太平洋,ElNi?no事件也就在1957年的4月份爆發(fā)。這次事件從暖池次表層明顯增暖到ElNi?no事件爆發(fā)約為1年時間。對于1972年ElNi?no事件(圖5),西太平洋暖池次表層明顯增暖開始于1970年5月,最大海溫異常在1971年8～10月份(約3℃以上),但直到1972年春季,暖池次表層海溫正距平才明顯東移擴展到赤道中東太平洋,ElNi?no事件也就在1972年5月爆發(fā)。這次ElNi?no事件之前,暖池次表層的增暖持續(xù)了比較長的時間,從暖池次表層明顯增暖到ElNi?no發(fā)生約為2年時間。對于1986～1987年ElNi?no事件(圖6),西太平洋暖池明顯增暖開始于1984年11月,但直到1986年初夏暖池次表層的海溫正距平才明顯東移,7月才到達赤道東太平洋,ElNi?no事件也就在6～7月份爆發(fā)。這次事件從暖池次表層明顯增暖到ElNi?no爆發(fā)約為1年半時間。十分明顯,無論暖池次表層海溫異常持續(xù)多久,一旦次表層海溫正距平向東傳播到赤道中東太平洋,ElNi?no事件便隨即發(fā)生。分析海-氣耦合模式長時間的數(shù)值積分結果(第61年到100年),也得到了同上面資料分析十分一致的結果。數(shù)值模擬結果我們將另文討論。4暖池次表層海溫異常東移與道西太平洋前面的分析已清楚地表明,ElNi?no與西太平洋暖池次表層的增暖有密切關系,而且ElNi?no的爆發(fā)直接與暖池次表層海溫正距平區(qū)東傳到赤道中東太平洋有關。暖池次表層暖水的持續(xù)東傳顯然有其動力學機制,我們也就會自然想到異常海洋Kelvin波的作用,但異常海洋Kelvin波的產(chǎn)生直接與赤道西太平洋的大氣西風異常有關。這可能正是為什么一些研究已經(jīng)指出,ElNi?no事件的發(fā)生往往伴隨著赤道中西太平洋地區(qū)的西風異常(西風爆發(fā))。因此,這里我們將分析赤道太平洋西風異常與暖池次表層海溫異常東移的關系。為了比較,圖7和圖8分別給出了對應1957年ElNi?no和1972年ElNi?no的赤道太平洋(10°S～10°N)緯向風異常的時間-經(jīng)度剖面(1986～1987年ElNi?no也有類似情況,未再給圖)。對于1957年ElNi?no事件,赤道西太平洋地區(qū)在1956年冬開始出現(xiàn)西風異常,1957年1月已達0.4m/s,其后西風異常逐漸加強并向東傳播;1957年6月之后,赤道中東太平洋地區(qū)已有1m/s以上的西風異常。同圖4相比較可以看到,赤道西太平洋地區(qū)西風異常的出現(xiàn)及東傳正好與暖池次表層海溫正距平的東移相一致,甚至西風異常略早于暖池次表層增暖區(qū)的東移。對于1972年ElNi?no事件也有類似情況,1971年冬開始在赤道西太平洋出現(xiàn)西風異常,1972年1月已達0.5m/s以上,其后異常西風逐漸加強并向東擴展,1972年6月以后赤道中東太平洋已有1m/s以上的西風異常。比較圖8和圖5也可以發(fā)現(xiàn)赤道西太平洋地區(qū)西風異常的出現(xiàn)和東擴同樣與暖池次表層海溫正距平的東移直接有關,而且前者也略早于后者。從以上的比較分析,我們可以初步認為,赤道西太平洋西風異常與暖池次表層海溫正距平的東移有直接的關系,赤道西風異常的出現(xiàn)和向東擴展可能是引起暖池次表層海溫正距平東傳的重要原因。當然,其物理機制可能主要是異常海洋Kelvin波的影響,也包括平流的作用,這些都有待深入研究。5暖池次表層海溫正距平東傳的性質(1)基于觀測資料的分析,本文揭示了西太平洋暖池次表層海溫正異常與ElNi?no爆發(fā)之間的重要關系;在ElNi?no事件發(fā)生的半年到兩年之前,西太平洋暖池次表層海溫就有明顯的持續(xù)正距平出現(xiàn)。這種超前性可能成為預測ElNi?no發(fā)生的重要信號。(2)ElNi?no事件的發(fā)生與西太平洋暖池次表層海溫正異常的東傳更有直接的關系。每當次表層海溫正距平由暖池區(qū)東傳到赤道中東太平洋,增暖區(qū)會逐漸向海洋表層擴展,最終引起赤道東太平洋SST的正異常,ElNi?no事件也就爆發(fā)。(3)暖池次表層海溫正距平的東傳與赤道西太平洋西風異常的出現(xiàn)和向東擴展直接有關,而且西風異常的出現(xiàn)和向東擴展略先于暖池次表層海溫正距平的東移。因此赤道西太平洋西風異常的出現(xiàn)和東擴,可能是導致暖池次表層海溫正距平東移的重要原因。已有研究表明,赤道西太平洋西風異常的出現(xiàn)同中緯度強迫,尤其是同東亞冬季風的強異常有關。這樣,這里又從另一個角度