2015/2016年超强El Nio局地海气特征及其特殊性

利用NOAA海表温度和NCEP/NCAR大气环流等全球再分析资料,讨论了2015/2016年超强El Nio事件局地海气过程的演变特征,并与1982/1983和1997/1998年两次强El Nio事件做了对比分析。结果表明,2015/2016年El Nio在峰值强度、持续时间、累计海温距平等指标上都略强于前两次El Nio,可视为有完整气象观测纪录以来的最强事件;与前两次事件相比,2015/2016年El Nio海温异常中心位置明显偏西,热带东太平洋海温相对较冷而中太平洋更暖,由于热带对流对海温的非线性响应,赤道东太平洋降水相对较弱,中太平洋则显著偏多,这在El Nio当年12月至次年4月尤为明显;此外,在前两次El Nio的成熟期至衰减期,中太平洋大气响应都存在明显的南移特征,西风异常和对流中心都从赤道南移到了5°S以南。而2015/2016年中太平洋大气响应一直位于赤道附近,南移特征相对较弱,ENSO和年循环相互作用的组合模态相比前两次较弱,西北太平洋反气旋的强度也弱于前两次。这主要是由于2015年冬季至2016年春季,热带太平洋暖海温异常位置偏西,中太平洋海温异常明显强于前两次,叠加气候平均态海温之后,赤道南北两侧海温都高于对流阈值,对流旺盛,这大大削弱了大气响应的经向移动和ENSO组合模态的强度。     

春季/夏季型El Ni?o对中国夏季降水变化的影响

利用中国气象局160站的逐月降水资料,NCAR/NCEP再分析资料以及美国CPC提供的Ni?o3. 4区指数,对比分析了SP、SU两类El Ni?o事件发展年、衰减年中国夏季降水和东亚环流特征的差异。结果表明:1) SP型El Ni?o事件发展年全国以少雨为主要特征,衰减年降水呈"北多南少"分布; SU型发展年,降水异常呈"三明治"型分布特征,衰减年降水偏多区域增大。2) 850 h Pa风场上,SP型El Ni?o事件发展年夏季风偏强,但反气旋性风场异常位置偏东偏北,衰减年夏季风还保持强劲,且反气旋性风场异常偏西偏南;而SU型发展年东亚夏季风偏弱,衰减年夏季风偏强。3) 500 hPa高度场上,SP型事件发展年夏季,我国受东亚夏季风影响总体偏弱,来自低纬地区的暖湿水汽向我国大陆输送不足;衰减年,受偏强东亚夏季风影响,来自低纬地区的暖湿水汽向我国腹地输送。SU型发展年,受相对活跃的冷空气影响,内蒙到华北地区多雨;衰减年,受偏强夏季风影响,冷暖气流在我国黄河及以北地区交汇。4)比较两类El Ni?o事件发生时对流层低层和高层特征表明:在SP型事件发展年,我国大陆上空,除内蒙和东北外,基本为下沉异常,衰减年基本为上升异常;在SU型发展年,我国大陆上空皆为显著的下沉异常,衰减年为弱下沉异常,但在偏强夏季风的作用下,降水偏多区域增大了。     

El Nio事件次年中国东部夏季气温分布特征研究

利用Had ISST和NCEP/NCAR再分析资料,采用统计学方法分析了1949年以来El Nio事件次年夏季中国东部气温分布特征。结果表明,混合型El Nio次年夏季,中国东部气温距平表现为山东—淮河流域及华南沿海出现负距平,其余地区为正距平;东部型,则表现为中国东部地区整体的负距平气温,且北方降温幅度明显大于长江以南地区;中部型,主要表现为长江以北气温负距平远大于长江以南。结合环流形势分析发现,三类El Nio事件次年夏季的赤道地区(5°S~5°N)异常纬向垂直环流均表现为三圈型,但3类异常Walker环流不仅强度有差异,纬向范围也有所不同。500 h Pa上西太平洋副高的强度和范围,是造成三类El Nio事件次年夏季中国东部地区气温距平分布差异的主要原因之一,850 h Pa上西南暖湿气流的输送对其也存在明显影响。     

2015/2016超强El Nio对中国南方冬春季降水的影响分析

利用1981—2016年的中国160站降水资料、OISST海温资料和NCEP/NCAR大气环流资料,对比分析了中等强度El Nio和2015/2016超强El Nio对中国东南部、江淮流域和西南地区冬春季降水影响的异同。结果表明:在中等强度El Nio的冬季,偏暖的赤道中东太平洋海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)所激发的西北太平洋和日本附近的异常反气旋环流,其异常的西南风会加强南海—西北太平洋的水汽向中国东部输送,造成中国东南部和江淮流域的降水一致偏多。2015/2016超强El Nio的冬季,赤道中东太平洋SST的强度异常偏强,中国东部异常偏冷的表面气温和对流层低层温度加强大陆冷高压,长江流域及其以北地区受异常强的北风控制,从而造成中国东南部降水增多、江淮流域降水减少。在2015/2016超强El Nio事件衰减位相的春季,中国东南部和西南部降水的增加主要归因于异常偏暖的西北印度洋和东南印度洋SST的作用。经CAM5模式试验证明,西北印度洋异常偏暖的SST引起了北印度洋的异常西南风,激发了孟加拉湾—西北太平洋的异常反气旋,加强了印度洋和南海—西北太平洋的水汽向中国西南和东南部输送。此外,东南印度洋异常偏暖的SST还会激发局地异常上升运动,通过经向垂直环流加强南海—西北太平洋异常下沉运动,诱使中国东南部的上升运动加强,导致降水增多。     

2015/2016年超强El Nio事件背景下我国月预测技巧差异分析

利用中国站点观测降水资料、国家气候中心第2代月动力延伸预报模式(BCC_DERF2.0)的回报和预报数据、NCEP/NACR再分析资料和国家气候中心实时发布的月尺度降水预测评分数据,通过评估和诊断分析发现,在2015/2016年超强El Nio事件背景下,这两年内业务发布的月降水预报能力有明显不同,BCC_DERF2.0对月环流的预测技巧也存在差异:在2015年(El Nio发展位相),降水预报和环流预测技巧较高且稳定,而在2016年(El Nio衰减位相)的预报技巧总体偏低。进一步的研究显示,亚洲—太平洋涛动(Asia-Pacific Oscillation,APO)可能是导致2015年和2016年夏季预测技巧高低的重要影响因素。2015(2016)年夏季为APO低(高)指数年,且2016年具有高指数年的典型环流特征。而APO高指数对应的环流特征与El Nio衰减位相对西北太平洋环流的影响不同,在El Nio和APO的物理影响途径不一致时,将直接影响东亚环流可预报性的高低及动力气候模式的预报技巧,即El Nio在发展和衰减位相与APO型不同组合的影响是2015和2016年月预测技巧有差异的重要原因。     

中国东部夏季极端降水统计特征及其与El Nio的联系

选取中国东部1961—2012年夏季5—9月无缺测429站逐日降水资料,利用广义帕雷托分布(GPD)拟合,研究中国东部52 a以及El Nio发展年和衰减年极端降水的统计特征,并分析其成因。结果表明:1)中国东部降水阈值呈由东南向西北递减的态势,且基本为线性增加趋势。2)华南地区尺度参数最大,出现极端降水的概率大。黄河以南地区尺度参数变化趋势正值较多,出现极端降水的概率增加。3)El Nio发展年夏季,西太平洋上有气旋环流异常,中国东南部受气旋西侧的异常偏北气流影响,多地阈值偏小,只有福建东南部及黑龙江中西部易发生破纪录的极端降水。4)El Nio衰减年夏季,西太平洋上为异常反气旋环流,中国东南部受反气旋西侧的异常偏南气流影响,多地阈值偏大,广东中东部及皖鄂赣交界处发生洪涝灾害的可能性增大。     

两类中太平洋El Nio特征的对比分析

利用1979—2012年逐月Hadley中心海表温度、欧洲中期天气预报中心次表层海温、NCEP/NCAR风场再分析资料,对两类中太平洋(CP)El Nio及耦合的大气环流特征进行分析。结果表明,第一类CP El Nio(CP-ⅠEl Nio)增暖中心位于Nio4区且关于赤道对称;第二类CP El Nio(CP-ⅡEl Nio)的Nio4区与热带东北太平洋区域(NEP,130~110°W、15~25°N)同位相变化,冬季成熟后形成关于赤道非对称的带状增暖结构。进一步的研究表明,两类CP El Nio次表层结构存在差异:CP-ⅠEl Nio冬季次表层海温异常(SOTA)在中东太平洋与西太平洋呈显著偶极分布;CP-ⅡEl Nio在中、西太平洋位相相反但东太平洋异常较弱,且经向异常主要在赤道及其以北。两类CP El Nio耦合的大气环流特征不同:CP-ⅠEl Nio冬季异常Walker环流上升中心位于赤道上空,经向风向赤道辐合,低纬地区Hadley环流加强;CP-ⅡEl Nio冬季低层向北越赤道气流加强,Walker环流上升中心移到赤道以北,低纬地区Hadley环流减弱。     

El Ni?o对东亚夏季风和夏季降水季节内变化的影响

基于1979~2012年候平均再分析资料,合成分析了El Ni?o对东亚夏季风和夏季降水季节内变化的影响。结果表明,在El Ni?o衰减年夏季,西太平洋副热带高压(副高)明显偏强,位置偏向西南。副高的这种异常特征随夏季的季节进程有明显变化,初夏异常较弱,盛夏期间异常达到最强。此外,根据东亚夏季风降水呈现阶段式北进的特征,将夏季分为华南前汛期、江淮梅雨期、华北和东北雨期以及华南后汛期来分析东亚夏季风和降水的季节内变化。在上述各个时期,大气对流层低层表现为一致的环流异常型,副高及其以南区域为异常反气旋,其北部为异常气旋。这种异常环流型加强了副高南部偏东风及其北部偏北风,增强了热带水汽输送和高纬度地区冷空气的入侵,二者结合造成主汛期地区降水增加。需要强调的是,上述环流异常型随东亚夏季风逐步向北推移,导致东亚各地区的主汛期降水增加,非主汛期降水减少,降水分布更为集中。     

2015年11月浙江省降水异常成因分析

利用NCEP/NCAR大气环流资料、NOAA ERSST.V3b海温资料以及浙江省66个台站1971年以来的降水资料,分析了浙江省11月降水偏多对应的高低层大气环流异常特征以及与热带海温异常的联系,并在此基础上对2015年11月浙江省降水异常偏多的事实进行梳理和个例诊断。结果显示,2015年11月浙江省处于降水偏多的气候背景,同时北半球北极涛动正位相异常偏强、中高纬地区经向环流偏弱,西北太平洋副热带高压强度异常偏强、位置偏西是造成降水异常偏多的主要原因;统计分析表明巴尔喀什湖地区500 hPa高度场和西太平洋副热带高压强度与浙江省11月份降水具有显著相关;厄尔尼诺是导致浙江省11月降水偏多的重要外强迫因子之一,2015年11月Niño3.4指数达历史峰值,是造成浙江省同期降水异常偏多的主要原因。     

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。     

2015/2016年超强El Nio在成熟/衰减阶段对澳洲夏季风环流与降水异常的影响

2015/2016年发生了超强El Nio事件,Nio3区海温异常在2015/2016年冬季超过了2.5℃,其对全球气候异常的产生具有重大影响。此次El Nio事件可归类为东部型。本文利用NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料及CMAP降水资料等,通过诊断分析,揭示了2015/2016年强El Nio事件盛期和衰减期海温异常对澳洲夏季风环流异常和降水变化的影响及其途径。澳洲地区受此次El Nio事件影响,大部分地区降水显著减少,某些地区降水减少达60%~80%。影响途径主要有:1)海温异常通过Gill型响应造成水平环流异常并进而影响澳洲夏季风减弱。2015/2016年ENSO事件成熟期及衰减期,在西太平洋赤道地区出现海温负异常,导致此处热带地区产生了负异常的热源分布,并由此激发产生了位于赤道北侧和南侧的异常反气旋式环流。位于海洋性大陆南侧的异常反气旋性环流引起澳洲夏季风减弱,从而利于抑制上升运动,造成了澳大利亚降水量显著减少;2)通过赤道中东太平洋地区上升和澳洲地区下沉的垂直环流异常导致澳洲降水显著减少。在El Nio事件盛期,因海温异常偏暖导致赤道中东太平洋地区产生显著的异常上升运动,其补偿性的下沉运动因Walker环流而出现在海洋性大陆地区,以及因澳洲大陆夏季风减弱而出现在澳大利亚中东部地区,由此构成了中东太平洋—澳洲副热带的垂直环流圈,此东北—西南向的垂直环流圈对澳洲降水减少的维持起到了重要作用。另外,中国南方的上升运动与海洋性大陆及澳洲地区的下沉运动之间通过局地经圈环流产生了联系,表明东亚冬季风异常减弱对澳洲夏季风减弱可能存在间接影响。这些结果对深刻认识超强ENSO事件对亚澳季风的影响机理以及寻找澳洲降水预测线索具有重要意义。     

2015/2016厄尔尼诺事件的衰减位相及其对应的西北太平洋环流异常

利用季节平均Had ISST海温、CMAP降水及NCEP风场数据,分析了2015/2016超级厄尔尼诺衰减期的特征及其对应的西北太平洋大气环流异常。结果表明:2015/2016厄尔尼诺事件除了成熟位相冬季强度大以外,还具有在随后春季衰减快,到夏季就消亡的特征。伴随着厄尔尼诺的迅速衰减,西北太平洋有较强的反气旋环流异常维持。厄尔尼诺衰减位相与西太反气旋异常存在相互作用。一方面,由于此次厄尔尼诺事件强度强,衰减期热带印度洋有显著的暖海温异常从冬季一直维持到夏季,有利于西太反气旋的增强和维持。另一方面,西太反气旋环流异常的维持及其南侧东风异常的发展使得中东太平洋正海温异常减弱,令厄尔尼诺事件快速衰退。此外,通过与1982/1983和1997/1998年比较发现,这三次超强厄尔尼诺事件虽强度相当,但衰减位相及与之相联系的西太反气旋异常都不尽相同。1982/1983事件衰减慢,维持时间长,对应的西太反气旋强度弱。而1997/1998事件衰减快,维持时间短,对应的西太反气旋强度在春季和夏季都强盛维持。2015/2016事件的衰减速度明显快于1982/1983事件,对应的西太反气旋也强于1982/1983事件,由于2015/2016事件增暖中心偏向于中东太平洋,而这里是厄尔尼诺衰减过程中负海温异常最先出现的区域,因此尽管2015/2016事件中西太反气旋异常的强度弱于1997/1998事件,但衰减速度及衰减位相维持时间与1997/1998相当。本文研究结果表明厄尔尼诺衰减与西太反气旋异常之间的关系较为复杂,需进一步研究。     

El Nino衰减年西北太平洋热带气旋活动特征的差异性北大核心

El Nino衰减年西北太平洋热带气旋(Tropical cyclone,TC)活动表现出多样性,给TC活动的气候预测带来挑战。采用美国联合台风预警中心的热带气旋最佳路径数据和欧洲中期预报中心提供的ERA-5再分析资料,对1970—2018年的El Nino衰减年7—10月的西北太平洋TC生成频数进行合成分析,发现其与气候态没有显著的差异,但在单个年份,存在着较大的正、负异常。为此,将El Nino衰减年分为TC生成频数偏少(负异常)和偏多(正异常)两种情形,对比两种情形的TC活动和大尺度环境要素特征。结果表明,TC生成频数偏少的情形,TC生成频数的异常减少主要发生在西北太平洋东部海域,即(15°~25°N,140°~150°E)和(5°~25°N,150°~170°E),与垂直风切变增大、对流层中层相对湿度和低层绝对涡度减少有关;TC生成频数偏多的情形,TC生成频数的异常增加主要发生在南海和菲律宾群岛附近,即(15°~25°N,110°~120°E)和(5°~25°N,120°~130°E),对流层中层相对湿度增加的贡献最大,其次是上升运动增强和绝对涡度增大;对比两种情形发现,TC生成频数偏多的情形,广东和福建沿岸的东南风异常引导气流有利于菲律宾群岛附近生成的TC登陆中国大陆。     

超强厄尔尼诺事件对中国东部春夏季极端降水频率的影响

利用中国国家气象信息中心提供的中国地面逐日降水0.5°×0.5°格点数据集,研究了超强厄尔尼诺事件衰减年春、夏季中国东部极端降水发生概率的变化,并通过诊断超强厄尔尼诺自身及其衍生模态各自的水汽输送和垂直运动特征,探讨了超强厄尔尼诺事件对中国东部极端降水的影响机制。结果表明,超强厄尔尼诺事件衰减年春季,整个中国东部尤其是江淮以北地区,极端降水事件发生概率显著增大。同年夏季,长江流域极端降水发生概率比常规年份高出近1倍,而在华南和华北地区则相对减小。诊断分析显示,春季超强厄尔尼诺自身及其与热带太平洋地区年循环相互作用衍生出的组合模态（C-mode）均对降水的环流背景影响显著,热带太平洋西北部低空存在强盛的反气旋性异常环流,导致大量水汽在中国东部汇聚并上升,有利于该地区极端降水事件的发生。夏季,厄尔尼诺事件已经消亡,但与C-mode影响相关联的西北太平洋异常反气旋环流仍然存在,长江流域维持极端降水事件发生的有利条件。此外,研究也显示,超强厄尔尼诺事件衰减年春、夏季中国东部对流层中上层持续有异常经向风活动,频繁的南北冷暖气流交汇可能导致强对流事件发生次数增多,这也为该区域极端降水的频发提供了支持。      

两类厄尔尼诺事件对中国东部冬季气溶胶的影响

利用MERRA-2再分析气溶胶光学厚度及气象观测资料,在剔除人为排放长期变化产生的气溶胶光学厚度扰动的基础上,从气候学角度探讨了两类厄尔尼诺事件对中国东部冬季气溶胶的影响。结果表明,东部型厄尔尼诺事件使绝大部分区域气溶胶光学厚度呈正异常分布,尤其对华北至东北的气溶胶污染加剧作用显著;而中部型厄尔尼诺事件使气溶胶光学厚度异常由南至北呈显著的“+-”双极型分布。进一步成因分析发现,虽然两类厄尔尼诺事件都具有削弱冬季风从而减弱北方气溶胶向南传输的作用,但中部型对水平流场的削弱作用不显著,尤其是东北地区没有通过90%的显著性检验。同时二者对北方大气垂直扰动和气溶胶的湿清除作用相反,其中东部型表现为大气垂直扰动和对流有效位能减弱,降水减少,湿清除减弱;而中部型则表现为垂直扰动和对流有效位能增强,降水增多,湿清除增强。对于南方,强东部型事件引发的强降水可能是产生该区域气溶胶污染影响不稳定的主因,而中部型则主要通过气流削弱作用加剧长江中下游地区气溶胶的局地污染。      

与厄尔尼诺和拉尼娜相联系的中国南方冬季降水的年代际异常特征

利用NCEP/NCAR再分析大气环流资料、哈得来中心海温资料、中国700多站降水资料以及全球格点降水资料,详细分析了中国南方冬季降水异常的特征,并揭示了其所对应的欧亚大气环流和东亚冬季风异常与ENSO事件的联系,以及ENSO暖/冷位相对其影响的非对称性。研究进一步证明了厄尔尼诺是导致中国南方冬季降水偏多的重要外强迫因子,并指出拉尼娜对中国南方冬季降水的影响表现出明显的年代际变化特征。1980年之前的拉尼娜年冬季,东亚冬季风显著偏强,东亚大槽偏深,西北太平洋副热带高压偏弱偏东,中国南方受一致偏北风影响,气温偏低,降水偏少,多表现为冷干的气候特征。但1980年之后的拉尼娜年冬季,东亚大槽偏弱,印缅槽偏强,同时在菲律宾以西激发出异常气旋性环流,使得异常偏东风控制中国南方,有利于热带水汽输送增强,因此降水偏多。同时,1980年之后的拉尼娜事件还使得东亚副热带西风急流偏强偏北,中国南方处于急流入口区的右侧,通过二级环流使得中国南方上空的上升运动偏强,有利于降水偏多。因此,1980年之后的拉尼娜年冬季,中国南方易表现出冷湿的气候特征,有时也容易发生低温雨雪冰冻灾害。进一步分析表明,1980年以后拉尼娜成熟期海温异常空间分布型的变化,以及北半球大气环流的年代际变化可能是导致拉尼娜对东亚大气环流的影响在1980年之后发生变化的重要原因。     

热带太平洋盐度年际变化对海表温度异常作用比较：1997/1998、2014/2015和2015/2016年El Niño事件

海洋盐度变化为研究气候变化的机制提供了一个新的视角。本文通过对比1997/1998年、2015/2016年两次强厄尔尼诺（El Ni?o）事件和2014/2015年特殊El Ni?o事件,对盐度变化及其影响海表面温度异常（SSTA）的物理过程进行了比较分析。研究表明,El Ni?o和南方涛动（El Ni?o–Southern Oscillation, ENSO）发展的强弱与热带西太平洋大范围海表层盐度异常（SSSA）及其向东扩散的差异有明显关联。1997/1998、2015/2016年赤道东太平洋SSTA的增暖,对应两次强El Ni?o事件,在发生年4月,中西太平洋海域出现了明显的负SSSA,之后东移至日期变更线以西,SSSA引发的混合层深度（MLD）变浅、障碍层厚度（BLT）变厚,导致热带中—西太平洋表层升温增强,促使了赤道中太平洋的早期变暖;2014/2015年弱El Ni?o事件虽然在发生年4月,位于赤道中西太平洋出现了负SSSA,但没有发展东移,导致BLT的增厚过程减弱,对表层温度的调制作用减弱甚至消失。三次事件对应的盐度变化过程中,水平平流和淡水通量（FWF）引起的表层强迫是影响盐度收支的主要因子,水平平流影响盐度异常的前期变化,触发事件的发生;热带太平洋西部降水引起的FWF负异常的影响最为显著,对ENSO异常信号出现后SSSA的维持起决定性作用。相比较两次强El Ni?o事件,2014/2015年El Ni?o对应的早期FWF负异常没有发展和东移,并且之后迅速减弱,导致中西太平洋盐度负趋势减缓,MLD加深,BLT变薄,促使上表层海水冷却,抑制了赤道东太平洋的早期变暖和ENSO发展。研究结果表明,盐度变化与ENSO密切相关,热带中西太平洋海域早期表层盐度变化可能可以作为SSTA的指数。特别地,SSSA在调节SSTA时,不仅影响它的强度,而且可以作为判断ENSO是否发展及其强弱的前兆因子。