两次不同ENSO背景下云南冬季极端冷事件的成因分析

2008年初和2016年初分别经历了一次中等强度以上的La Niña和El Niño事件,在不同的厄尔尼诺-南方涛动(El Niño/Southern Oscillation,ENSO)背景下,云南均发生了低温雨雪冰冻天气。本文利用大气环流、海表温度、云南124个观测站逐月温度等资料,通过多种统计方法探讨了不同ENSO背景下极端冷事件发生的原因。结果表明:1)2008年初和2016年初云南冬季极端冷事件在2月表现更明显。2)不同ENSO背景下,2月大气环流和云南气温变化差异较大。La Niña(El Niño)年西伯利亚高压加强(减弱),位势高度场北(西)高南(东)低,西太平洋副高偏弱(强),菲律宾异常(反)气旋西北侧异常北(南)风加强,东亚冬季风偏强(弱),云南东部气温偏低(高)。3)2008年和2016年的东北太平洋大气环流异常对赤道中东太平洋海温异常均有响应,同时2008年赤道中东太平洋冷海温作用激发的菲律宾气旋西部偏北气流对东亚冬季风的加强和向南活动有重要影响,而2016年赤道中东太平洋暖海温对菲律宾地区环流变化的影响并不显著。4)北极涛动(Arctic Oscillation,AO)和北极海冰变化对2008年2月和2016年2月西伯利亚高压的加强的影响表现出一定的差异特征,2月AO负位相变化对2008年西伯利亚高压的加强影响较大,而2月北极海冰偏少对2016年西伯利亚高压加强的影响显著。     

ENSO循环的两个不同位相期印度洋海表温度异常的特征分析

通过对ENSO循环的两个不同位相中印度洋地区海表温度变化特征的分析,指出印度洋地区的海温变化与赤道东太平洋地区的海温变化有较好的相关关系,是ENSO循环的重要组成部分。对应于赤道东太平洋暖位相期,印度洋地区的海温分布为东冷西暖;与此相反,在赤道东太平洋冷位相期,印度洋地区的海温分布为东暖西冷。进-步的分析还发现,印度洋东、西部地区海温变化纬向差异最明显的区域位于印度洋赤道以南0～25°S附近,且这种差异具有明显的年季变化特征,在整个夏季风期间差异较大,而冬季风期间较小,其中冷位相期间的纬向差异比暖位相期间的纬向差异大。代表印度洋纬向差异的IDM(偶极指数)变化与赤道东太平洋地区的海温变化有很好的正相关关系。     

太平洋年代际振荡冷、暖背景下ENSO循环的特征

利用英国气象局哈德莱中心的月平均海温距平资料、美国Scripps海洋研究所联合环境分析中心(JEDAC)的海表和次表层海温观测资料以及NCEP/NCAR再分析资料,研究了太平洋年代际振荡(PDO)不同背景下ENSO循环的特征.结果表明,PDO为ENSO循环提供了一个年代际气候背景,在PDO的暖位相时期,El Nino事件发生的频率较高,强度较强;反之,在PDO的冷位相时期,La Nina事件发生的频率较高,强度较强.而且在不同的太平洋年代际振荡背景下,ENSO循环表现出不同的特征.在PDO冷位相时期,发生El Nino(La Nina)事件时,正(负)的SOTA从西太平洋沿温跃层向东传播,正(负)的SSTA从赤道东太平洋向西扩展到中太平洋,ENSO事件先在赤道东太平洋爆发.在PDO的暖位相时期,发生El Nino(La Nina)事件时,正(负)的SOTA首先出现在赤道中太平洋,然后沿温跃层向东传播,正(负)的SSTA从赤道中太平洋向东扩展到东太平洋,ENSO事件首先在中太平洋爆发.这为ENSO预测提供了新的线索.     

ENSO循环的两个不同位相期印度海洋表温度异常的特征分析

通过对ENSO循环的两个不同位相中印度洋地区海表温度变化特征的分析，指出印度洋地区的海温变化与赤道东太平洋地区的海温变化有较好 的相关关系，是ENSO循环的重要组成部分，对应于赤道东太平洋暖位相期，印度洋地区的海温分布为东冷西暖，与此相反，在赤道东太平洋冷位相，印度洋地区的温分布为东暖西冷，进一步的分析还发现，印度洋东，西部地区海温变化纬向差异最明显的区域位于印度洋赤道以南0－25℃附近，且这种差异具有明显的年季变化特征，在整个夏季风期间差异较大，而冬季风期间较小，其中冷位相期间的纬向差异比暖位相期间的纬向差异大，代表印度洋纬向差异的IDM（偶极指数）变化与赤道东太平洋地区的海温变化有很好的正相关关系。     

2009/2010年冬季中国气温异常及其对海表温度的遥响应

基于1958/1959～2009/2010年冬季全球海表温度(HadISST)和中国160站地面月平均温度等资料,利用广义平衡反馈分析方法(GEFA),分析了中国地区2009/2010年冬季气温异常型态与SST异常的关系。结果表明,热带中东太平洋El Niño型和热带大西洋“三极型”对2009/2010年冬季中国地区西南暖东北冷的异常型态(简称LN型)影响显著。 为了验证统计结果的可靠性,利用MPI(Max Planck Institute for Meteorology)全球大气环流模式ECHAM5进行气温异常型态对关键海盆SST变化响应的敏感性试验,结果表明西南地区气温异常对热带太平洋El Niño模态强迫的增暖响应在0.5℃左右;对热带大西洋“三极型”强迫的增暖响应在0.6℃左右,增暖中心的云贵高原一带最大增温幅度达到1℃。对El Niño模态、热带大西洋“三极型”的强迫,东北绝大部分地区表现出冷的响应,气温异常下降分别在0.6℃和0.45℃左右,中国东部地区气温异常型态是热带大西洋“三极型”海温异常和热带太平洋El Niño模共同强迫的结果。这两种海温异常型态使中高纬度地区西风加强,阻挡了来至高纬度地区的冷空气向南方输送,导致西南地区较常年偏暖,而东北偏冷。同时,西太平洋地区出现的海平面气压反气旋式环流异常可能削弱了东亚冬季风。     

河北夏季降水异常的变化及其与环流和海温异常的可能联系

利用河北省及周边73个台站1961-2010年夏季降水资料、NCEP／NCAR再分析资料、NOAA太平洋海温资料,应用SVD等多种统计方法探讨了河北夏季降水异常变化及其与环流和同期及前期太平洋海表温度异常（SSTA）的可能联系.研究结果表明：河北省夏季降水异常存在全省一致和东北-西南相反两种模态;夏季欧亚地区500 hPa高度场表现为从西到东的负、正、负、正的遥相关型时,河北降水偏多,最明显的区域主要位于河北省的东部;夏季东北部多雨、其他地区（保定、邢台和衡水）干旱与北太平洋SSTA的PDO正位相、赤道中东太平洋SSTA的El Niño位相具有较好的耦合关系;最大协方差分析（MCA）的诊断显示,前期冬季北太平洋SSTA类似PDO正位相且赤道中东太平洋SSTA出现El Niño型态,对河北省夏季多雨（尤其是东北部地区）的预测具有较好的指示意义.夏季850 hPa上在我国东部地区表现出明显的偏北（南）风距平,不（有）利于南方暖湿水汽向北的输送,是造成河北夏季降水异常少（多）的主要因素.     

El Niño 事件对不同区域风场异常影响的差异

利用NMC850hPa月平均风场资料,对赤道太平洋-印度洋区域、热带两大洋过渡区域、东亚-西太平洋区域环流异常受El Niño茄事件影响程度作了估计。结果显示,3个区域环流异常受El Niño事件影响差异明显,从而揭示出某些区域环流异常成因的多元性。     

西太平洋暖池次表层海温异常 与ENSO循环的相互作用

利用1964～1993年的太平洋次表层海温资料,进一步分析研究了西太平洋暖池次表层海温异常与ENSO循环的关系。合成及相关分析的结果进一步表明,西太平洋暖池次表层海温的暖（冷）异常及其东传对ENSO的发生起着十分重要、且更直接的作用。然而,赤道西太平洋异常纬向风是造成次表层海温异常东传的重要原因,而纬向风的异常又是由于东亚冬季风异常活动所引起的,这间接地说明了异常东亚冬季风对西太平洋暖池次表层海温距平东传的重要作用。通过研究还发现,ENSO发生后,北半球副热带地区将有次表层暖（冷）海温距平沿着10～20oN纬带西传,这是导致西太平洋暖池次表层海温发生异常的重要原因之一。也就是说,西太平洋暖池次表层海温异常与ENSO循环之间是相互影响、相互作用的。     

热带太平洋年代际平均气候态变化与ENSO循环

文中用观测的热带太平洋海表温度资料、风应力资料和OLR资料，通过多时间尺度分析，将与ENSO有关的变化分为3个主要的分量，一是2～7a的ENSO循环尺度，二是8～20a的年代际尺度，三是20a以上的平均气候态变化。讨论了热带太平洋这种平均气候态变化的主要特征以及与ENSO循环的关系，并用耦合模式的数值试验来研究平均气候态的变化对ENSO循环的影响。结果表明热带太平洋的平均气候态在20世纪70年代后期发生了一次由冷态向暖态的变化，主要增暖区是沿赤道以及热带东太平洋的，海表温度变化最大中心可以达到0.6℃。伴随着海表温度的变化，赤道西太平洋的西风距平加强，赤道东太平洋的东风距平也加强，在赤道中太平洋形成了一个加强的辐合中心。年代际平均气候冷暖态的变化对ENSO最直接的线性影响是使ElNio位相增加，而形成ENSO冷位相和暖位相的不对称。另一方面较暖的平均气候态可能引起海洋和大气之间的耦合加强，导致ENSO循环振荡有所加强。     

东太平洋暖池及经向风异常在ENSO事件发生、发展过程中的作用

利用1982～1999期间LDEO海表温度资料和NCEP/NCAR再分析风场资料,分析东太平洋暖池及经向风异常与ENSO事件的可能关系。结果表明,东太平洋暖池气候平均海表温度存在明显的季节变化特征,且与El Niño事件春季发生、夏季发展、秋季达到成熟及冬季衰亡的成长过程非常相似。经向风异常及其散度与ENSO事件密切相关。综合考虑,提出了东太平洋暖池及经向风异常（北风距平及经向风距平散度辐合）对ENSO事件发生、发展作用的概念模型:北风距平爆发通过产生北风吹洋流的作用,将东太平洋暖池暖水由北向南输送至赤道附近,从而有利于Ni?o3区海表温度上升;几乎与此同时,东太平洋暖池赤道上经向风距平散度辐合不仅能导致暖水在赤道附近堆积,而且辐合的风场对赤道附近的冷上升流有抑制作用,从而有利于Niño3区海表温度的增加,上述增温因素的叠加作用有（不）利于El Niño（La Niña）事件的发生、发展。进一步分析表明,东太平洋暖池及经向风异常仅对El Niño（La Niña）事件发生、发展起促进（抑制）作用而不起决定作用。将东太平洋暖池、经向风异常与西太平洋暖池、西风距平结合起来一并考虑,完善了El Niño事件发生、发展机制。最后,初步分析1980、1990年代El Niño事件特性差异的可能原因。     

El Ni?o事件发生和消亡中热带太平洋纬向风应力的动力作用 I. 资料诊断和理论分析

通过资料分析,研究了发生在热带西太平洋海表面西风或东风应力异常与El Ni?o事件的关系。分析结果表明,对应着El Ni?o事件从发生到消亡的过程,热带西太平洋纬向风应力存在着从西风应力异常到东风应力异常的变化,并且在这个过程中,西风应力异常向东传,东风应力异常紧接其后也向东传。本文还根据观测资料的分析结果建立了理想风应力,并利用简单热带海洋模式,对热带西太平洋纬向风应力异常及其东传在ENSO循环中的作用进行了动力学分析,指出了它们在El Ni?o事件发生和消亡中起着重要的作用。西风应力异常通过激发出海洋中东传的暖Kelvin波及其在大洋东边界反射产生的暖Rossby波、以及西风应力异常本身东传到赤道东太平洋,引起正的海洋混合层扰动厚度异常,导致了El Ni?o事件的发生;而异常东风应力则通过激发出东传的冷Kelvin波及其在大洋东边界反射产生的冷Rossby波、以及东风应力异常本身东传到赤道东太平洋,引起负的海洋混合层扰动厚度异常,导致了El Ni?o事件的消亡。对于热带西太平洋上风应力异常的形式是东部为异常西风应力而其西部为异常东风应力,并且它们同时向东传时,则大洋东部混合层厚度对异常风应力的响应随异常东风和西风应力的强度不同而不同,它们强度的相对大小对El Ni?o的持续时间具有重要的作用。     

前冬印度洋海盆一致模对ENSO衰减期华南春季降水的影响

利用逐月台站观测降水、HadISST1.1海温和ERA5大气再分析资料,研究了前冬印度洋海盆一致模（Indian Ocean Basin,IOB）对华南春季降水（SCSR）与ENSO关系的影响,并分析了IOB通过调控ENSO环流异常进而影响SCSR的可能机制。结果表明:当前冬El Ni?o（La Ni?a）与IOB暖（冷）位相同时发生时,SCSR显著增多（减少）;而当El Ni?o或La Ni?a单独发生而IOB处于中性时,SCSR并无明显多寡倾向。其原因在于,当El Ni?o与IOB暖相位并存时,前冬热带印度洋和赤道中东太平洋均为正海温异常（Sea-Surface Temperature Anomaly,SSTA）,且印度洋SSTA强度可一直维持至春季。在对流层低层,春季赤道中东太平洋的正SSTA激发出异常西北太平洋反气旋（Western North Pacific Anticyclone,WNPAC）。而热带印度洋的正SSTA在副热带印度洋激发出赤道南北反对称环流,赤道以北的东风异常有利于异常WNPAC西伸;赤道以南的西风异常与来自赤道西太平洋的东风异常在东印度洋辐合上升,气流至西北太平洋下沉,形成经向垂直环流,有利于春季WNPAC维持。在对流层高层,印度洋的正SSTA在热带印度洋上空激发出位势高度正异常,随之形成的气压经向梯度加强了东亚高空副热带西风急流,进而在华南上空形成异常辐散环流。WNPAC的西伸和加强可为华南提供充足的水汽,同时高空辐散在华南引发水汽上升运动,共同导致SCSR正异常。而若El Ni?o发生时IOB处于中性状态,El Ni?o相关的SSTA衰减较快,春季WNPAC不显著,SCSR无明显多寡趋势。      

热带太平洋低层环流主模态与东亚大气环流的可能联系

利用1958—2001年NCEP/NCAR再分析资料,探讨了热带太平洋(100°E~60°W,10°S~10°N)10 m风场的时空变化特征及其与东亚大气环流的可能联系。结果表明:1)热带太平洋风场异常存在两种主模态,第一模态对应中西太平洋一致的西(东)风异常,关于赤道呈准对称分布,与ENSO(El Nio-Southern Oscillation)暖(冷)位相时风场的分布对应;第二模态则关于赤道呈反对称分布,西北太平洋存在显著的反气旋(气旋)式环流,中太平洋异常西风不再位于赤道上,而是南移到了10°S左右,对应ENSO暖(冷)位相向相反位相转换时的风场分布特征。2)两模态时间系数的主振荡周期不同,与ENSO循环的位相关系也不同。研究发现,当两模态呈正(负)位相分布时,贝加尔湖南侧(South to Lake Baikal,SLB)容易发生持续的高压(低压)异常环流。3)两模态与SLB异常环流的联系途径不同。第一模态正位相对应热带中东太平洋大范围暖海温引起的二极型Walker环流异常,SLB异常高压不仅能通过东亚沿岸北风和南海低槽的作用促进第一模态的前期发展,还对其后期维持起重要作用。负位相时,情况相反。该环流系统既与热带中东太平洋大范围垂直运动有关,还与邻近的中国东南沿海低层异常辐合有关;第二模态则对应热带西太平洋及东印度洋为主、大西洋为辅的暖海温引起的热带四极型Walker环流异常。此时热带西太平洋到东印度洋局地偏强的经圈Hadley环流可能是SLB异常环流维持的主要原因。     

近40a江苏省冬季气温异常的演变及其涨气背景场特征

通过1961－1998年江苏省11个站点冬季平均气温的EOF分析，探讨江苏省冬温异常的演变特征，并分析其同期及前期500hPa高度距均，海温距平场的特征，指出冬季异常冷年，同期与前期500mPa高度距平场主要表现为亚洲－太平洋地区阻塞形势发展，经向环流加强，同期至前期6个月赤道东太平洋海温为持续负距平。而暖冬同期与前期500hPa高度距平场的特征特征是，西太平洋海温为持续负距平。而暖冬同期与前期500hPa高度距平场的特征是，西太平洋副高势力较强，亚欧大陆中高纬 纬向环流占优势，同期赤道东太平洋海温具有厄尔尼诺的特征，但前期赤道东太平洋海温距平具有由负向正转变特征。     

TYPICAL ANOMALOUS WIND STRESS PATTERNS IN TROPICAL PACIFIC ASSOCIATED WITH EL NINO/SOUTHERN OSCILLATION

Based on years of month-to-month observations of sea surface temperature anomaly (SSTA) and wind stress anomaly, typical wind stress patterns in the tropical Pacific associated with ENSO are Studied with the techniques of linear regression and EOF analysis. The anomalous field, which is linearly correlated with ENSO, is found to be varying at low frequencies on the temporal scale and to be in four typical patterns of distribution horizontally.Pattern 1 is of the easterly anomaly and wind stress divergence in the equatorial region east of the date line. Pattern 2 is of the westerly anomaly and wind sttess convergence in the equatorial region east of the date line. Pattern 3 is of the westerly anomaly and wind stress convergence south of the Equator but east of the data line, with the easterly anomaly west of it. Pattern 4 is of the weak easerly anomaly east 160°W and the westerly anomaly west of 160°W. Wind stress fields linearly independent of ENSO are of a high-frequency process with a typical pattern off the Equator that has a large horizontal amplitude. Using an ocean anomaly-forcing model with the regressed wind stress anomaly field that is associated with ENSO, principal signals of ENSO are reproduced. It indicates the fundamental nature of the typical wind field anomaly patterns revealed for the genesis of El Nino.     

The westerly anomalies over the tropical pacific and their dynamical effect on the enso cycles during 1980–1994

In this paper, the zonal wind anomalies in the lower troposphere over the tropical Pacific during 1980–1994 are analyzed by using the observed data. The results show that during the formation of the 1982/83, 1986/87 and 1991 / 92 ENSO events, there were the larger westerly anomalies in the lower troposphere over the equatorial Pacific. Moreover, it is explained by using the correlation analyses that the westerly anomalies over the equatorial Pacific could cause the warm episodes of the equatorial central and eastern Pacific. A simple air-sea coupled model is used to discuss theoretically the dynamical effect of the observed westerly anomalies of wind stress near the sea surface of the equatorial Pacific on the ENSO cycle occurred in the period of 1981–1983. It is shown by using the theoretical calculations of the equatorial oceanic Kelvin wave and Rossby waves responding to the forcing of the observed anomalies of zonal wind stress near the sea surface of the equatorial Pacific that the westerly anomalies of wind stress near the sea surface of the equatorial Pacific make significant dynamical effect on the ENSO cycles occurred in the period of 1982–1983.     

The Westerly Anomalies over the Tropical Pacific and Their Dynamical Effect on the ENSO Cycles during 1980～1994

ＴｈｅＷｅｓｔｅｒｌｙＡｎｏｍａｌｉｅｓｏｖｅｒｔｈｅＴｒｏｐｉｃａｌＰａｃｉｆｉｃａｎｄＴｈｅｉｒＤｙｎａｍｉｃａｌＥｆｅｃｔｏｎｔｈｅＥＮＳＯＣｙｃｌｅｓｄｕｒｉｎｇ１９８０－１９９４①ＨｕａｎｇＲｏｎｇｈｕｉ（黄荣辉）,ＺａｎｇＸｉａｏｙｕｎ（...     

QBO Features of Tropical Pacific wind Stress Field with the Relation to El Nino

Analysis has been implemented of 1970-1992 tropical Pacific wind stress anomaly and sea surface temperature anomaly (SSTA) datasets, indicating that quasi-biennial oscillation (QBO) of the tropical Pacific WS and SSTA is featured both by a standing and a progressive form, the former emerging in the most intense centers of action and the latter travelling east- or west-ward out of the SSTA sources. Results show that the SSTA is in the warm (cold) phase as zonal component of euqatorial wind stress anomaly gets weakened (reinforced) and the QBO of wind stress anomaly is well related to the El Nino cycle.     

夏季西北太平洋热带气旋生成频次与热带海温关系的年代际变化

探讨了夏季(6—8月)西北太平洋(Western North Pacific,WNP)热带气旋生成频次(Tropical Cyclone Genesis Frequency,TCGF)与热带海温关系的年代际变化,发现影响WNP TCGF的热带海温型在1991/1992年发生了年代际变化。在1990年代初之前,TCGF正异常对应的热带海温异常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)呈现东部型La Ni?a衰减位相,前冬至春季WNP局地暖SSTA在其西北侧激发气旋异常,夏季时由热带印度洋冷SSTA继续维持。在1990年代初之后,TCGF正异常对应的热带SSTA呈现东部型La Ni?a向中部型El Ni?o快速转换的位相,夏季中太平洋暖SSTA在其西北侧激发气旋异常,同时热带东印度洋至海洋性大陆以及热带大西洋的冷SSTA通过垂直环流圈加强中太平洋的辐合上升运动,进一步维持其西北侧气旋异常。由于激发气旋异常的暖SSTA在第二个年代相较第一个年代明显偏南偏东,气旋异常和TCGF正异常在第二个年代也整体偏南且向东扩展至更远的区域。WNP TCGF与热带海温关系的年代际变化与1990年代初之后厄尔尼诺-南方涛动演变速率加快有关。      

春季热带南大西洋海表温度异常与夏季亚澳季风区降水异常的联系

利用1979—2019年Hadley中心的海表温度资料、GPCP的降水资料以及NCEP-DOE的再分析资料等,分析了北半球春季热带南大西洋海表温度异常与北半球夏季亚澳季风区降水异常的联系。研究表明,北半球春季热带南大西洋海表温度异常与随后夏季热带西太平洋到南海（澳大利亚东侧海域到热带东印度洋）地区的降水异常为显著负相关（正相关）关系。北半球春季热带南大西洋的海表温度正异常可以引起热带大西洋和热带太平洋间的异常垂直环流,其中异常上升支（下沉支）位于热带大西洋（热带中太平洋）。热带中太平洋的异常下沉气流和低层辐散气流引起热带中西太平洋低层的异常东风,后者有利于热带中东太平洋海表温度出现负异常。通过Bjerknes正反馈机制,热带中东太平洋海表温度异常从北半球春季到夏季得到发展。热带中东太平洋海表温度负异常激发的Rossby波使得北半球夏季热带西太平洋低层出现一对异常反气旋。此时,850 hPa上热带西太平洋到海洋性大陆地区为显著的异常东风,有利于热带西太平洋到南海（澳大利亚东侧海域到热带东印度洋）地区出现异常的水汽辐散（辐合）,导致该地区降水减少（增加）。