李琰1, 王庆元2, 李欢1, 张增健1，宋军1, 李响1
1. 国家海洋信息中心, 天津300171;
2. 天津市气象局, 天津300074
摘要: 利用NCEP/NCAR 的1951~2010 年逐月再分析资料和NOAA 气候诊断中心的1951~2010 年的海表温度扩展重建资料, 在诊断分析的基础上结合数值模拟试验探讨了前期秋季开始持续的热带海温异常事件对菲律宾低层大气环流的影响。结果表明: 1)相比于西南印度洋海温异常事件和北印度洋海温异常事件, 前期秋季印度洋上与9 月至次年6 月的菲律宾异常反气旋(PSAC)关系最为密切的是印度洋偶极子事件(IOD); 2)在前期秋季单纯El Niño 事件发生时, 11 月至次年5 月在菲律宾海地区均表现出明显的异常反气旋性环流特征。在没有El Niño 事件影响时, 单纯正位相IOD 事件下从11 月到次年4 月菲律宾海地区依然表现出异常反气旋性环流特征, 但再分析资料表明其强度要较El Niño 情形下的偏弱;co土木
3)当正位相两事件伴随发生时，两事件对El Niño 具有协同作用, 在该作用下菲律宾海地区的反气旋异常环流相对于单纯某种海温异常事件表现得更加强大, 且持续时间更长, 甚至到8 月仍表现出显著的反气旋环流特征。
关键词: 菲律宾异常反气旋环流, 厄尔尼诺, 印度洋偶极子
中图分类号: P732.27; P731.11 文献标识码:A 文章编号: 1009-5470(2014)01-0036-08
Impacts of long lasting SST anomaly events in the tropical Pacific and Indian oceans on anomalous Philippine Sea anticyclone
LI Y an1, WANG Qing-yuan2, LI Huan1, ZHANG Zengjian1, SONG Jun1, LI Xiang1
短信息服务中心1. National Marine Data & Inf ormation Service, Tianjin 300171, China;
2. Tianjin Meteorological Observatory, Tianjin 300074, China
Abstract: Based on the NCEP/NCAR reanalysis data and the sea surface temperature (SST) data from the NOAA, the influence of SST anomalies (SSTAs) associated with the ENSO and IOD (Indian Ocean Dipole) events on low-level anomalous anticyclone in the Philippine Sea (named PSAC) was investigated using diagnosis methods and simulation experiments. The results are as follows. There is a more significant relationship between the IOD events in preceding autumn and the PSAC from winter to spring than that between other Indian SSTA events and PSAC. In a pure El Niño year, there is a notable PSAC appearing over the Philippine Sea from November to the following April. Compare
d to the El Niño events, the influence of pure positive IOD events on the PSAC is much weaker based on the reanalysis data and has shorter lifecycle from November to the following April. In the co-occurring year of El Niño and IOD, the PSAC tends to enhance and remain until the following August, which indicates that these SSTA events reinforce the PSAC jointly.
Key words: The anomalous Philippine Sea anticyclone, El Niño, Indian Ocean Dipole
Wang, et al(2000, 2002) 的研究认为赤道东太平洋海温异常在消退期对东亚气候影响的关键系统是菲律宾附近的低层异常反气旋环流(anomalous anticyclonic circulation around the Philippine Sea, PSA C)。这个菲律宾异常反气旋在El Niño 事件遥强迫作用、局地海气相互作用和热带−热带外相互作用等共同影响下一般从冬季持续到次年春季。Lau, et al(2000)用数值模拟证实了这一结论。在与之毗邻的
收稿日期: 2013-03-1; 修订日期: 2013-05-03。林强编辑
基金项目: 国家自然科学基金项目(41106004、41106159、41206013); 国家海洋局海洋公益性行业科研专项经费项目(201005019); 国家海洋局青年海洋科学基金(2012223)
作者简介: 李琰(1982~)，女, 安徽省宿州市人, 博士, 主要从事气候变化研究。E-mail: ly_nmd i s@163
李琰等: 前期热带太平洋、印度洋持续性海温异常事件对菲律宾低层大气环流的影响37
热带印度洋上, Watanabe, et al(2003) 年发现印度洋暖海盆海温异常(sea surface temperature anomaly, SSTA)导致印度洋上纬向垂直环流的减弱, 抑制海洋大陆地区降水, 也可以产生PSA C。Annamalai, et al(2005)发现冬半年西南印度洋(7.5°～17.5°S, 50°～70°E) 的暖海温异常也可以造成西太平洋-海洋大陆的异常降水。黄刚等(2008)研究也指出当夏季北印度洋海表温度为正异常时，会产生西北太平洋反气旋异常。印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole, IOD) 事件作为发生在热带印度洋上另一个显著的海温异常事件, 也使得印度洋及邻近地区天气气候出现异常(Guan, et al, 2003; Wang, et al, 2003; Gadgil, et al, 2004)。1951~2000 年中IOD 和ENSO 事件常相伴出现的, IOD 和ENSO 事件在秋季强度较大且相关最为密切(李琰等, 2007)。研究认为当正位相IOD 事件和El Niño 事件相伴发生时，可以形成印度洋-太平洋海温联合模态( 刘秦玉等, 2009; 黄菲等, 2010)。这一联合模态对中国天气气候的影响不同于单纯的IOD 或单纯的El Niño 事件(杨辉等, 2006), 因此有必要将ENSO 和IOD 事件结合分析, 考查两者对大气环流的共同作用(李琰等, 2007)。
而前人研究主要就赤道西太平洋(Wang, et al, 2002; 陈永利等, 2011)、赤道中东太平洋(赵尔旭等, 2011)、西北太平洋(谢炯光等, 1999)或赤道印度洋的某一区域海温异常事件( 黄刚等, 2008) 对夏季PSA C 的影响做了一些研究。但工作多集中在冬春季或同期夏季，对前期秋季热带海温异常事件的影响研究不多, 对IOD 事件的作用研究相对较少，且很少综合考虑两大洋海温异常事件的协同作用。因
此, 本文将在前期工作基础(李琰, 2010) 上深入地揭示单纯正位相IOD 事件、单纯El Niño 事件和两事件伴随发生时对PSAC 影响, 重点讨论两事件伴随发生时与单纯某一海温异常事件作用的不同。Wang, et al(2000, 2002)的观测表明菲律宾低层大气环流一般维持到初夏，本文研究重点放在9 月至次年6 月PSA C 的形成和发展上。Model v3.0)设计数值试验证实和进一步探讨各海温异常事件对菲律宾附近低层大气环流的影响:0
1.1 资料
本文表层海温场(SST)资料来自美国NOAA 气候诊断中心提供的1951 年 1 月至2010 年12 月的
SST 扩展重建资料, 水平网格距为2.0°×2.0°; 本文风场资料取自美国环境预报中心/国家大气研究中心(The National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research, NCEP/NCA R)的全球再分析1951 年1 月至2010 年
12 月的月平均风场资料, 水平网格距为2.5°×2.5°;
并将上述资料计算成月平均距平场。文中的秋季是指9 月、10 月和11 月。
1.2 数值试验方案设计
IOD 事件常伴随ENSO 事件发生, 难以从观测资料的诊断分析中将两事件对大气环流的影响区分开来。为更清晰地认识各海温异常事件对PSA C 的作用和机制, 特进行了以下三组敏感性试验:
1) 为考察单纯正位相IOD 型海温异常的作用,
海温强迫场中仅在热带印度洋中分别加入正位相
IOD 型SSTA 和负位相IOD 型SSTA。
2)为考察单纯El Niño 事件的影响, 海温强迫场
中仅在热带太平洋中分别加入El Niño 型SSTA 和La Niña 型SSTA。
3)为考察两事件共同作用的影响, 海温强迫场
中在热带印度洋和热带太平洋均加入相应的正位相
SSTA 和负位相海SSTA。
以敏感性试验3 为例, 海温强迫场中加入的正位
微软中国研究院相SSTA 是正位相IOD 和El Niño 事件伴随发生且强度较大的年份: 1963、1972、1982、1987、1997 年合成得到的8 月到次年4 月的再分析资料SSTA, 其中9 月和10 月海温异常中心最大异常值均为2.1℃, 其他月份的海温异常分布图略。负位相海温异常值是负位相IOD 和La Niña 事件伴随发生且强度较大的年份: 1964、1971 、1975、1984、1988 年合成得到的8 月至次年4 月的SSTA, 其中9 月和10 月海温异常中心最大异常值为−1℃和−1.6 ℃, 其他月份的海温异常分布图略。试验1 和2 加入的SSTA 与上述方法类似, 只是按照事件的不同选择年份不同。其中选取单纯正位相IO D 事件年(1961、1977 和1994 年)和负位相年(1958, 1989, 1992, 1996 年合成得到的8 月到次年4 月的SSTA)。选取单纯El Niño 年: 1968, 1969, 1986, 2002, 2004 和单纯La Niña 年: 1973, 1975, 1988, 1999 年合成得到的8 月到次年4 月的SSTA。煤矿施工组织设计
1 资料和试验方案
本文通过诊断分析和数值试验来研究上述问题，利用合成和相关等统计方法研究海温异常事件与菲律宾附近低层大气环流间关系；同时利用美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCA R) 研制的公共气候系统模式中的大气部分NCAR CAM3.0 (Community Atmoshpere
热带海洋学报
刀豆蛋白
38 Vol. 33, No. 1 / Jan., 2014
本文的试验以数据海洋模式(data ocean model, DOM)运行, 月平均海温和海冰作为强迫场驱动模式大气运行, 试验过程中只有海洋对大气的强迫作用, 而没考虑复杂的海气相互作用。试验均选取模式第16～20 年这5 个模式年不同初始场进行积分，积分时段从8 月到次年6 月。我们所讨论的试验结果是这5 个不同大气初始场积分结果的平均值。并且将每组试验的正负位相海温异常事件强迫结果的差作为正位相海温异常事件强迫下的850hPa 流场响应情况。IOD 事件与后期冬季到春末夏初的PSAC 关系最为密切。下面我们针对IOD 事件和与之关联的ENSO 事件对PSA C 的作用进行探讨。
3 不同海洋异常事件对PSAC 的影响
下面进一步分析前期秋季单纯ENSO、单纯IOD 事件和两事件伴随发生时, 对菲律宾附近低层大气环流的影响。分别对单纯ENSO 年份、单纯IOD 年份、两事件伴随发生的年份进行合成分析。于卫东(2004) 指出, 热带大气的运动与中高纬度大气运动不同, 大气散度分量扮演了重要角, 采用散度分量和旋度分量来分析大气运动能得到更加明确、简洁的结果。因此, 本文主要分析不同事件下的流函数距平分布。
在单纯El Niño 事件下(图2), 9 月菲律宾海地区为一个异常气旋性环流控制; 10 月菲律宾海地区表现为异常气旋性环流向异常反气旋环流转换的特征; 11 月至次年5 月菲律宾海地区一直维持异常反气旋环流; 次年6 月这一异常反气旋环流消亡, 大气环流恢复到常态。单纯IOD 事件下(图3), 9 月菲律宾海地
区为弱的异常气旋性环流; 10 月表现为异常气旋环流向异常反气旋环流转换的现象; 11 月在菲律宾海地区出现异常强反气旋环流; 12 月到次年3 月这个异常反气旋环流依然维持; 次年4 月以后异常反气旋环流消亡, 大气环流恢复到常态。在两事件伴随发生的年份( 图4), 有同样类似的演变特征, 不同的是11 月至次年6 月在菲律宾海地区一直维持着异常反气旋环流, 且在次年7 月、8 月仍有弱的异常反气旋环流, 次年秋季后才恢复常态(图略)。Wang, et al(2002)在分析El Niño 事件对PSA C 影响时也同样发现PSA C 是从10 月建立并持续到次年6 月。
以上分析可见ENS O 和IOD 事件下PSA C 于当年10 月开始建立, 时间较为一致, 但持续时间各有不同。Wang, et al(2002)年的研究认为8 月和9 月的菲律宾海异常气旋环流由El Niño 事件发生时的赤道西太平洋至赤道中东太平洋的异常西风所产生的正切变涡度引起(黄刚等, 2008) 。这个异常气旋可以增强西北太平洋季风槽、赤道西太平洋风速以及降水, 从而使这一地区海温冷却降低, 而这个冷的海温异常正是10 月菲律宾海地区出现异常反气旋环流的前兆。就菲律宾海异常反气旋环流的强度和持续时间而言, 以上三种情形存在明显的差异。单纯IOD 或ENSO 事件发生时, 反气旋环流强度相对较弱，且仅维持到春季；而当两事件伴随发生时,
2 相关关系分析
表征IOD 事件的指数(IODI)定义为(10ºS～10ºN, 50°E～70ºE)海区与(10ºS～10ºN, 90°E～110ºE)海区
区域平均的SSTA 之差(Saji, et al, 1999)。表征热带西南印度洋海温异常事件的指数(SWTIO) 定义为(7.5~17.5ºS, 50~70ºE)SSTA 的区域平均值(Annamalai, et al，2005)。表征热带北印度洋海温异常事件的指数(NTIO) 定义为(60 ～90ºE, 0 ～15ºN)SSTA 的区域平均值(黄刚等，2008)。本文将菲律宾附近低层异常反气旋指数(PSA CI) 定义为(10~20ºN, 120~150ºE) 区域平均的异常流函数值(其中正值代表异常反气旋性环流, 负值代表异常气旋性环流)。
由前期秋季IODI、SWTIO、NTIO 与9 月至次年6 月逐月PSA CI 的相关关系可见(图1), 相关最为显著的是IODI, 11 月到次年4 月相关系数远远超过95%的信度检验。热带西北印度洋指数的相关次之, 在次年1 月至3 月的相关关系超过95%的信度检验, 热带西南印度洋指数的相关最弱, 仅在次年的3 月能超过95%信度检验。因此, 前期秋季印度洋上的
图1 秋季IODI、SWTIO、NTIO 与9 月至次年6 月的PSACI 的相关关系
虚线为95%信度水平线
Fig. 1 Correlat ion coefficients between the IODI, SWTIO, or NTIO in preceding autumn and PSACI from September to the following June
李琰等: 前期热带太平洋、印度洋持续性海温异常事件对菲律宾低层大气环流的影响 39 图 2 单纯强 ENSO 事件(El Niño 减 La Niña)年份从 9 月到次年 6 月 850hPa 异常流函数距平的合成分布图
Fig. 2 Composite 850-hPa streamfunction (S850) anomalies for pure, strong El Niño events (El Niño minus La Niña) from September to the following June.
图 3 单纯强 IOD 事件(正位相减去负位相)年份下的 S850 距平分布
Fig. 3 Composite 850-hPa streamfunction (S850) anomalies for pure, strong positive IOD events (positive IOD minus negative IOD)
热 带 海 洋 学 报 40 Vol. 33, No. 1 / Jan., 2014 图 4 El Niño 与 IOD 事件伴随发生的年份(正位相年减负位相年)下的 S850 距平分布
Fig. 4 Composite 850-hPa streamfunction (S850) anomalies for pure, strong El Niño years with positive IOD (positive phase events minus negative events)
在正位相 IOD 和 El Niño 事件的协同作用下会使得菲
律宾异常反气旋环流加强和维持 , 进而使得 PSA C
一致, 但强度要偏强。而当两事件伴随发生时, 菲律 宾海地区从 10 月到次年 6 月都模拟出强大的异常反 气旋环流, 其强度要远大于单纯一个海洋事件发生 时的异常反气旋强度(图 7), 且可以持续到 6 月, 甚
至 7 或 8 月(图略 )。模拟结果从 PSA C 的强度和持
续时间上看都和再分析资料的结果十分一致 。因此,
再分析资料和数值模拟结果都准确地反映出 两事件
伴随发生时，在菲律宾海地区从 10 月到次年 6 月出
现的强 PSA C ，且强度远大于单纯某一个海洋事件发
生时的异常反气旋强度现象。事实上利用 Nino3 指数
科学家发现前列腺素可使肺再生(定义为 5ºS~5ºN, 150°~90ºW 范围内 SSTA 的区域平
均)、IODI 指数和 表征两大洋海温异常的综合指 数
IODN3 指数(李琰 等, 2007), 分别计算的秋季 IODI 、
Nino3 指数、IODN3 指数与 9 月至次年 6 月逐月的
PSA CI 的相 关关 系 也 表 明 , 前期秋 季三种指 数 与
PSA CI 的信度检验显著相关(超过 95%)均集中在 11
月至次年 4 月, 且以 IODN3 的相关关系最为显著(图
略)。
综上所述, 在没有热带太平洋 ENSO 事件的情
形下, 前期秋季单纯 IOD 事件能在冬、春季形成菲律
宾异常反气旋环流。由于 IOD 事件往往伴随 ENSO 对东亚季风区降水的影响不仅在冬季和春季 , 影响到初夏, 甚至仲晚夏。 还会
4 数值模拟分析 由于 ENSO 和 IOD 事件联系密切相互作用, 菲 律宾海异常反气旋环流除热带海温外 还受到热带 - 热带外相互作用和台风等的影响(Wang, et al, 2002), 因此基于再分析资料结果势必受到其他因子的影响 而使分析结果很可能存在偏差。为更清晰地了解各 事件 发生时 PSA C 的响 应情况 , 下面 利用 CAM3.0 大气环流模式进行模拟分析。 图 5、6 和 7 分别给出 CAM3.0 模拟得到的单纯 ENSO 、单纯 IOD 和两事件伴随发生时的 850hPa 异 常 流 函 数分布情况。结果 表 明 , 前期 秋季 IOD 和 ENSO 事件 都对冬春 季 PSA C 有重 要影 响 。 单 纯 ENSO 事件下, 模拟出 12 月到次年
5 月的 PSA C, 但 模拟其出现的时间较观测晚一个月且强度偏弱 ( 图 5)。在单纯 IOD 事件下, 也模拟出从 11 月到次年 2 月的 PSA C(图 6), 模拟结果与再分析资料结果基本
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