薛德強(qiáng),徐建軍

(1.山東省氣象科學(xué)研究所,山東 濟(jì)南 250031; 2.廣東海洋大學(xué)南海海洋氣象研究院,廣東 湛江 524088; 3.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院,廣東 湛江 524088; 4.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(湛江),廣東 湛江 524000)

引言

赤道太平洋是全球海面溫度(sea surface temperature, SST)最高的區(qū)域,海洋對(duì)大氣的非絕熱加熱使大氣對(duì)流活躍[1],而厄爾尼諾改變了太平洋海溫異常分布,赤道中東太平洋的異常增溫造成對(duì)流發(fā)展,降水潛熱釋放增強(qiáng)了大氣熱源,大氣對(duì)熱源的GILL響應(yīng),不僅影響著熱帶環(huán)流系統(tǒng),對(duì)大尺度環(huán)流系統(tǒng)[2-7]以及東亞和中國(guó)氣候[8]也產(chǎn)生重要影響。

GILL[9]采用簡(jiǎn)單的淺水波方程,用東傳的開(kāi)爾文波(Kelvin wave)及西傳的羅斯貝波(Rossby wave)解釋赤道對(duì)稱熱源兩側(cè)的緯向非對(duì)稱的東、西風(fēng)異常及熱源西側(cè)赤道外南、北半球?qū)ΨQ的氣旋環(huán)流異常的大氣響應(yīng),被稱為GILL響應(yīng)。GILL響應(yīng)作為基礎(chǔ)理論被學(xué)者廣泛用于解釋實(shí)際大氣中的環(huán)流特征。如錢代麗和管兆勇[10-11]認(rèn)為厄爾尼諾發(fā)生時(shí),赤道中東部對(duì)流活躍,異常上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展,而西太平洋暖池地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)受到抑制,出現(xiàn)異常的輻散,并通過(guò)GILL型響應(yīng)在西北太平洋上的對(duì)流層低層強(qiáng)迫出異常的反氣旋式環(huán)流,使西太平洋副熱帶高壓增強(qiáng)西伸。HE and ZHOU[12]提出熱帶印度洋與熱帶西太平洋SST梯度也可通過(guò)GILL型響應(yīng)影響西太平洋副熱帶高壓。WU et al.[13]、WANG et al.[14]發(fā)現(xiàn)熱帶中太平洋大氣非絕熱加熱,通過(guò)GILL型響應(yīng)在西側(cè)產(chǎn)生氣旋性環(huán)流。TASCHETTO et al.[15]研究發(fā)現(xiàn)在厄爾尼諾Modoki事件的2月,赤道中太平洋暖中心的西側(cè),即澳大利亞西北側(cè)因?yàn)镚ILL響應(yīng)產(chǎn)生氣旋性環(huán)流,使降水增加。WU et al.[16]提出在厄爾尼諾發(fā)展年夏季降水主要集中在赤道中太平洋和西北太平洋,前者是對(duì)赤道中東太平洋對(duì)稱加熱的GILL響應(yīng),而后者是由于夏季強(qiáng)烈的東風(fēng)垂直切變產(chǎn)生非對(duì)稱的氣旋性環(huán)流,增強(qiáng)的對(duì)流降水更增加了非對(duì)稱GILL環(huán)流響應(yīng)。WANG and ZHANG[17]認(rèn)為在厄爾尼諾發(fā)展年秋季,東亞冷空氣活動(dòng)增強(qiáng)的原因是太平洋變暖引起的異常對(duì)流加熱通過(guò)GILL響應(yīng)產(chǎn)生一對(duì)赤道對(duì)稱的氣旋性環(huán)流。在上層,形成一個(gè)異常反氣旋環(huán)流支配著西北太平洋,反氣旋西北側(cè)盛行異常西南風(fēng),打亂了副熱帶急流而有利于東亞大槽加深。同時(shí)孟加拉灣和菲律賓海的對(duì)流釋放潛熱激發(fā)Rossby波分別影響印度夏季風(fēng)和西北太平洋夏季風(fēng)[18]等。

巢紀(jì)平和王彰貴[19]、邢楠等[20]在GILL理論基礎(chǔ)上,分別針對(duì)赤道對(duì)稱熱源、赤道非對(duì)稱熱源,推出了熱帶大氣對(duì)熱源響應(yīng)的理論解析通解,那么實(shí)際熱帶大氣對(duì)熱帶熱源響應(yīng)的具體特征是否與理論解析通解一致?目前這方面的分析研究還比較少。本文通過(guò)分析兩類厄爾尼諾事件期間熱帶大氣對(duì)熱源的響應(yīng)特征來(lái)驗(yàn)證與GILL響應(yīng)理論結(jié)果的符合性。

1 資料與方法

分析GILL響應(yīng),首先確定大氣熱源,在熱帶地區(qū)大氣熱源主要來(lái)自于對(duì)流造成的潛熱釋放,即可近似使用熱帶對(duì)流降水多少衡量大氣熱源強(qiáng)弱,本文所用1979—2018年月平均降水資料來(lái)源于NOAA CPC Merged Analysis of Precipitation(CMAP),格點(diǎn)分辨率為2.5°×2.5°。GILL響應(yīng)產(chǎn)生的大氣環(huán)流響應(yīng),一般表現(xiàn)在氣壓、垂直速度、風(fēng)場(chǎng)等大氣異常場(chǎng),因此使用NCEP/NCAR 1979—2018年1 000、500、200 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、垂直速度等大氣環(huán)流要素?cái)?shù)據(jù),格點(diǎn)分辨率為2.5°×2.5°。1979—2018年逐月SST數(shù)據(jù)來(lái)自NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature V4資料,空間分辨率為2°×2°。分析之前所有資料序列去掉趨勢(shì)項(xiàng)。

依據(jù)中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):QX/T 370—2017《厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法》,1979—2018年厄爾尼諾事件發(fā)生情況詳見(jiàn)表1,其中東部型厄爾尼諾事件7次,總持續(xù)月份91個(gè)月,中部型厄爾尼諾事件7次,總持續(xù)月份36個(gè)月,采用合成分析統(tǒng)計(jì)東部型、中部型厄爾尼諾事件樣本平均情況下月大氣、海洋加熱場(chǎng)及大氣風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)、垂直速度場(chǎng)異常等特征。

表1 1979年以來(lái)厄爾尼諾事件發(fā)生情況

Table 1 Information of El Nio events since 1979

表1 1979年以來(lái)厄爾尼諾事件發(fā)生情況

持續(xù)時(shí)間持續(xù)月份數(shù)峰值月份最大海面溫度/℃強(qiáng)度類型 1979年9月—1980年1月51980年1月0.6弱東部型 1982年4月—1983年6月151983年1月2.7超強(qiáng)東部型 1986年8月—1988年2月191987年8月1.9中等東部型 1991年5月—1992年6月141992年1月1.9中等東部型 1994年9月—1995年3月71994年12月1.3中等中部型 1997年4月—1998年4月131997年11月2.7超強(qiáng)東部型 2002年5月—2003年3月112002年11月1.6中等中部型 2004年7月—2005年1月72004年9月0.8弱中部型 2006年8月—2007年1月62006年11月1.1弱東部型 2009年6月—2010年4月112009年12月1.7中等中部型 2014年10月—2016年4月192015年12月2.8超強(qiáng)東部型

2 兩類厄爾尼諾期間熱帶中東太平洋大氣、海洋加熱場(chǎng)分析

分別計(jì)算東部型厄爾尼諾與中部型厄爾尼諾樣本月平均的SST異常、降水量異常,詳見(jiàn)圖1,可見(jiàn)東部型厄爾尼諾出現(xiàn)暖舌型SST暖異常,大于0.5 ℃的主體范圍位于日界線以東的赤道太平洋(180°E～80°W,10°S～10°N),并延伸到東南太平洋(90°W～80°W,0°～20°S),存在2個(gè)暖中心,分別位于120°W的赤道附近及El Nio1+2區(qū)(90°W～80°W,0°～10°S),SST距平值均大于1.2 ℃。海洋的異常加熱導(dǎo)致傳統(tǒng)沃克環(huán)流(Walker cell)異常,赤道中東太平洋(155°E～80°W,15°S～10°N)大氣出現(xiàn)大范圍對(duì)流上升區(qū),降水異常增加,降水正異常中心在日界線附近,降水量大于4 mm·d-1。

中部型厄爾尼諾SST暖異常大于0.5 ℃的區(qū)域在熱帶中太平洋(170°E～120°W,15°S～15°N),中心位于165°W的赤道附近,較東部型暖中心偏西45經(jīng)距,SST距平值大于1.0 ℃。對(duì)流降水正異常范圍類似“刀”形,主體位于赤道中太平洋(150°E～150°W,10°S～10°N),降水正異常中心在170°E的赤道附近,較東部型偏西10經(jīng)距,降水量大于4 mm·d-1。另外赤道東北太平洋(150°W～100°W,0°～10°N)有東西帶狀降水正異常區(qū),類似“刀把”。LAU et al.[1]認(rèn)為熱帶對(duì)流不僅和海溫有關(guān),也和高空大尺度輻散、輻合特征有關(guān),而赤道東北太平洋區(qū)域高層常年存在輻散氣流,有利于降水增加。

由此可見(jiàn)東部型厄爾尼諾期間大氣、海洋加熱場(chǎng)均出現(xiàn)在赤道中東太平洋,大氣比海洋熱源整體偏西25經(jīng)距,熱源中心偏西60經(jīng)距。中部型厄爾尼諾大氣、海洋加熱場(chǎng)主體均出現(xiàn)在赤道中太平洋,大氣比海洋加熱場(chǎng)主體偏西20經(jīng)距,中心偏西30經(jīng)距。中部型相比東部型厄爾尼諾期間大氣熱源范圍偏小,強(qiáng)度相差不大,熱源中心位置偏西15經(jīng)距。圖1中可見(jiàn)大氣熱源呈現(xiàn)赤道非對(duì)稱。

圖1 厄爾尼諾樣本平均的SST異常(單位:℃;a/c)與降水異常(單位:mm·d-1;b/d)(a/b.東部型厄爾尼諾,c/d.中部型厄爾尼諾)Fig.1 Mean SST anomaly (units: ℃; a/c) and precipitation anomaly (units: mm·d-1; b/d) of El Nio samples (a/b. the eastern Pacific El Nio events, c/d. the central Pacific El Nio events)

3 兩類厄爾尼諾期間熱帶大氣GILL響應(yīng)分析

Gill[9]、邢楠等[20]給出了理想赤道非對(duì)稱熱源激發(fā)的熱帶大氣響應(yīng)特征,為與理想赤道非對(duì)稱熱源激發(fā)的大氣響應(yīng)相比,統(tǒng)計(jì)東部型、中部型厄爾尼諾存續(xù)期間月平均的熱源情形,由前文可見(jiàn),東部型與中部型厄爾尼諾熱源范圍緯向尺度均大于50經(jīng)度,整體上可視為大尺度非對(duì)稱熱源[19]。GILL響應(yīng)一般表現(xiàn)在大氣風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)、垂直速度場(chǎng)等出現(xiàn)異常分布,具體分析如下。

圖2 厄爾尼諾樣本平均的渦度異常(等值線,單位:10-6 s-1)、降水異常(填色,單位:mm·d-1)、風(fēng)場(chǎng)異常(箭頭,單位:m·s-1)合成圖(a.東部型厄爾尼諾1 000 hPa,b.東部型厄爾尼諾500 hPa,c.東部型厄爾尼諾200 hPa,d.中部型厄爾尼諾1 000 hPa,e.中部型厄爾尼諾500 hPa,f.中部型厄爾尼諾200 hPa)Fig.2 Composites of mean vorticity anomaly (isoline, units: 10-6 s-1), precipitation anomaly (colored, units: mm·d-1), and wind anomaly (arrow, units: m·s-1) of El Nio samples (a/b/c. the eastern Pacific El Nio events, d/e/f. the central Pacific El Nio events; a/d. 1 000 hPa, b/e. 500 hPa, c/f. 200 hPa)

3.1 風(fēng)場(chǎng)異常

東部型厄爾尼諾:在1 000 hPa層面,大氣熱源西側(cè)即赤道中東太平洋地區(qū)為氣旋環(huán)流,赤道以北徑向風(fēng)是北風(fēng)并流向赤道,正渦度中心在5°N日界線附近,最大超過(guò)2.5×10-6s-1,而赤道以南徑向風(fēng)是南風(fēng)并流向赤道,負(fù)渦度中心在10°S的日界線附近,最大小于-3.0×10-6s-1,而東赤道太平洋也為氣旋環(huán)流,但是氣旋環(huán)流強(qiáng)度較弱(圖2a);對(duì)流層中層500 hPa,大氣熱源西側(cè)的氣旋環(huán)流收縮到赤道西太平洋且強(qiáng)度變?nèi)?而赤道東太平洋地區(qū)基本為反氣旋環(huán)流控制(圖2b);到對(duì)流層高層200 hPa赤道中東太平洋地區(qū)為較強(qiáng)的反氣旋環(huán)流控制,基本呈現(xiàn)赤道對(duì)稱狀態(tài),赤道以北負(fù)渦度中心在150°W,15°N附近,最大超過(guò)-7×10-6s-1,渦度中心呈東西走向,而赤道以南為正渦度,中心在140°W,15°S附近,最大也超過(guò)7.0×10-6s-1,渦度中心呈東南—西北走向(圖2c),與HECKLEY and GILL[21]分析結(jié)果基本一致,反映了Rossby波斜壓性。

圖3 厄爾尼諾樣本平均的降水異常(填色,單位:mm·d-1)、緯向風(fēng)異常(等值線,單位:m·s-1)合成圖(a.東部型厄爾尼諾1 000 hPa,b.東部型厄爾尼諾500 hPa,c.東部型厄爾尼諾200 hPa,d.中部型厄爾尼諾1 000 hPa,e.中部型厄爾尼諾500 hPa,f.中部型厄爾尼諾200 hPa)Fig.3 Composites of mean precipitation anomaly (colored, units: mm·d-1) and zonal wind anomaly (isoline, units: m·s-1) of El Nio samples (a/b/c. the eastern Pacific El Nio events, d/e/f. the central Pacific El Nio events; a/d. 1 000 hPa, b/e. 500 hPa, c/f. 200 hPa)

緯向風(fēng)場(chǎng)分布情況：在1 000 hPa層面,赤道中東太平洋地區(qū)基本為西風(fēng)異常,沿赤道從150°E到90°W,120經(jīng)度為西風(fēng)異常,沿赤道90°～20°W,70經(jīng)度為東風(fēng)異常,另外在東太平洋赤道兩側(cè)的熱帶,各有一個(gè)東風(fēng)帶,赤道以北為東太平洋的熱帶區(qū)域,赤道以南面積較小,西風(fēng)異常的強(qiáng)度與范圍明顯大于東風(fēng)異常,最大西風(fēng)異常出現(xiàn)在日界線附近,最大超過(guò)2.3 m·s-1(圖3a);而在對(duì)流層中層500 hPa,伴隨氣旋環(huán)流向西收縮,西風(fēng)異常范圍同樣收縮到170°W以西的赤道中西太平洋,赤道東太平洋地區(qū)變?yōu)闁|風(fēng)異常(圖3b);到對(duì)流層高層200 hPa,赤道中東太平洋地區(qū)基本為東風(fēng)異常,沿赤道從150°E到90°W,120經(jīng)度為東風(fēng)異常,沿赤道90°～20°W為西風(fēng)異常,另外在東太平洋赤道兩側(cè)的熱帶對(duì)稱分布著一個(gè)西風(fēng)帶,東風(fēng)異常的強(qiáng)度與范圍大于西風(fēng)異常,最大東風(fēng)異常出現(xiàn)在150°W的赤道附近，最大超過(guò)7 m·s-1(圖3c)。

中部型厄爾尼諾:在1 000 hPa層面,中太平洋地區(qū)出現(xiàn)氣旋性環(huán)流,赤道以北為正渦度,中心在2.5°N,160°W附近,最大超過(guò)3×10-6s-1,而赤道以南為負(fù)渦度,中心在5°S,160°E附近,最大小于-4.0×10-6s-1(圖2d);在對(duì)流層中層500 hPa,大氣熱源西側(cè)的氣旋環(huán)流收縮到赤道西太平洋,且強(qiáng)度變?nèi)?而赤道東太平洋西部為反氣旋環(huán)流控制,赤道東太平洋東部為氣旋環(huán)流控制(圖2e);到對(duì)流層高層200 hPa,赤道中東太平洋地區(qū)為較強(qiáng)的反氣旋環(huán)流控制,基本呈現(xiàn)赤道對(duì)稱狀態(tài),赤道以北負(fù)渦度中心在165°W,15°N附近,最大小于-6×10-6s-1,而赤道以南為正渦度,中心在165°W,5°S附近,最大也超過(guò)6.0×10-6s-1(圖2f)。與東部型相比,低層氣旋渦度范圍偏小、渦度偏強(qiáng),但高層反氣旋渦度較弱。

赤道緯向風(fēng)場(chǎng)分布情況：在1 000 hPa層面,赤道太平洋地區(qū)出現(xiàn)明顯的西風(fēng)異常,沿赤道從130°E到100°W,130經(jīng)度為西風(fēng)異常,沿赤道100°W～0°,100經(jīng)度跨度為東風(fēng)異常,另外在東太平洋赤道兩側(cè)熱帶,各有一個(gè)東風(fēng)帶,赤道以北為東太平洋的熱帶區(qū)域比赤道以南面積稍大;西風(fēng)異常的強(qiáng)度與范圍明顯大于東風(fēng)異常,最大西風(fēng)異常出現(xiàn)在165°E的赤道附近,最大超過(guò)2.0 m·s-1(圖3d);而在對(duì)流層中層500 hPa,伴隨氣旋環(huán)流向西收縮,西風(fēng)異常范圍同樣收縮到日界線以西的赤道西太平洋,赤道東太平洋西部變?yōu)闁|風(fēng)異常,赤道東太平洋東部為西風(fēng)異常(圖3e);到對(duì)流層高層200 hPa,赤道太平洋地區(qū)基本為東風(fēng)異常,沿赤道從125°E到95°W,140經(jīng)度為東風(fēng)異常,沿赤道95°W～0°,95經(jīng)度為西風(fēng)異常,另外在東太平洋赤道兩側(cè)的熱帶對(duì)稱分布各有一個(gè)西風(fēng)帶,東風(fēng)異常的強(qiáng)度與范圍明顯大于西風(fēng)異常,最大東風(fēng)異常出現(xiàn)在170°W,2.5°N附近,最大超過(guò)4.5 m·s-1(圖3f)。與東部型厄爾尼諾相比,低層西風(fēng)和高層?xùn)|風(fēng)異常的范圍均偏大偏西、強(qiáng)度偏弱。

3.2 垂直速度異常

東部型厄爾尼諾:在500 hPa層面,上升運(yùn)動(dòng)異常范圍與對(duì)流性降水范圍基本一致、強(qiáng)度明顯增強(qiáng),上升運(yùn)動(dòng)異常最大值位于150°W的赤道附近,最大值小于-30×10-3Pa·s-1(圖4a),下沉運(yùn)動(dòng)異常分別出現(xiàn)在赤道西太平洋、赤道南美洲與大西洋、中東太平洋赤道兩側(cè)5°N以北、5°S以南的熱帶地區(qū); 在200 hPa,上升運(yùn)動(dòng)異常范圍與500 hPa基本一致,但上升運(yùn)動(dòng)異常小于500 hPa層面,上升運(yùn)動(dòng)異常最大值位于赤道日界線附近,最大值小于-21×10-3Pa·s-1,下沉運(yùn)動(dòng)區(qū)域與500 hPa基本一致,上升運(yùn)動(dòng)異常明顯大于下沉運(yùn)動(dòng)(圖4b)。

中部型厄爾尼諾:在500 hPa層面,上升運(yùn)動(dòng)異常范圍與對(duì)流性降水范圍基本一致,強(qiáng)度明顯增強(qiáng),上升運(yùn)動(dòng)異常最大值位于170°W的赤道附近,最大值小于-36×10-3Pa·s-1,下沉運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在赤道西太平洋、赤道南美洲與大西洋、赤道兩側(cè)5°N以北、5°S以南的中太平洋熱帶地區(qū),上升運(yùn)動(dòng)異常明顯大于下沉運(yùn)動(dòng)(圖4c); 在200 hPa,上升、下沉運(yùn)動(dòng)異常范圍與500 hPa基本一致,但上升運(yùn)動(dòng)異常更強(qiáng),最大值位于170°E的赤道附近,最大值小于-39×10-3Pa·s-1(圖4d)。與東部型厄爾尼諾相比,上升運(yùn)動(dòng)范圍偏小,但上升運(yùn)動(dòng)異常偏強(qiáng),并且東部型厄爾尼諾上升運(yùn)動(dòng)異常最大值位于中層500 hPa,而中部型厄爾尼諾上升運(yùn)動(dòng)異常最大值位于高層200 hPa。這與李智玉等[22]研究比較一致,即東部型、中部型厄爾尼諾沃克環(huán)流異常流場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)中部型厄爾尼諾200 hPa上升氣流依然較強(qiáng),而東部型厄爾尼諾200 hPa上升氣流較弱。

圖4 厄爾尼諾樣本平均的垂直上升速度ω異常(單位:10-3 Pa·s-1)和降水異常(填色,單位:mm·d-1)合成(a.東部型厄爾尼諾500 hPa,b.東部型厄爾尼諾200 hPa,c.中部型厄爾尼諾500 hPa,d.中部型厄爾尼諾200 hPa)Fig.4 Composites of mean vertical velocity anomaly ω (units: 10-3 Pa·s-1) and precipitation anomaly (colored, units: mm·d-1) of El Nio samples (a/b. the eastern Pacific El Nio events, c/d. the central Pacific El Nio events; a/c. 500 hPa, b/d. 200 hPa)

3.3 位勢(shì)高度異常

東部型厄爾尼諾:在1 000 hPa層面,170°W以東的熱帶東太平洋均為位勢(shì)高度負(fù)異常,最大負(fù)異常中心在90°W赤道附近為-7 gpm,而西太平洋為位勢(shì)高度正異常,呈現(xiàn)典型的南方濤動(dòng)模態(tài)(圖5a)，這是由于赤道東太平洋正海溫異常加熱更加明顯(圖1a);但在200 hPa處,整個(gè)赤道中東太平洋地區(qū)為位勢(shì)高度正異常,并且在150°W,15°N及140°W,15°S附近分別出現(xiàn)位勢(shì)高度正異常中心,正異常分別達(dá)39 gpm、36 gpm以上,也與反氣旋環(huán)流負(fù)渦度中心相對(duì)應(yīng)(圖5b、圖2c)。

中部型厄爾尼諾:在1 000 hPa層面,160°E以東的熱帶中東太平洋從20°S～20°N均為位勢(shì)高度負(fù)異常,最大負(fù)異常中心在160°W赤道附近,最大為-6 gpm,這與赤道中太平洋正海溫異常加熱中心相對(duì)應(yīng)(圖1c),而西太平洋為位勢(shì)高度正異常(圖5c);在200 hPa層面,整個(gè)赤道中東太平洋地區(qū)均為較強(qiáng)位勢(shì)高度正異常,并且在165°W,15°N及165°W,15°S附近分別出現(xiàn)位勢(shì)高度正異常中心,正異常分別達(dá)23 gpm、21 gpm以上,與反氣旋環(huán)流負(fù)渦度中心基本對(duì)應(yīng)(圖5d、圖2f)。與東部型厄爾尼諾相比,低層、高層位勢(shì)高度異常均偏弱,這與赤道中太平洋正海溫異常偏弱有關(guān)。

圖5 厄爾尼諾樣本平均的位勢(shì)高度異常(等值線,單位:gpm)和降水異常(填色,單位:mm·d-1)合成(a.東部型厄爾尼諾1 000 hPa,b.東部型厄爾尼諾200 hPa,c.中部型厄爾尼諾1 000 hPa,d.中部型厄爾尼諾200 hPa)Fig.5 Composites of mean geopotential height anomaly (isoline, units: gpm) and precipitation anomaly (colored, units: mm·d-1) of El Nio samples (a/b. the eastern Pacific El Nio events, c/d. the central Pacific El Nio events; a/c. 1 000 hPa, b/d. 200 hPa)

4 結(jié)論與討論

4.1 熱源的非對(duì)稱性

統(tǒng)計(jì)1979—2018年厄爾尼諾事件期間月平均熱帶太平洋SST異常、對(duì)流降水異常、大氣環(huán)流異常特征,發(fā)現(xiàn)東部型、中部型厄爾尼諾期間平均大氣熱源分別出現(xiàn)在赤道中東太平洋和赤道中太平洋,中部型比東部型厄爾尼諾大氣熱源中心偏西15經(jīng)距,大氣熱源整體呈赤道非對(duì)稱。統(tǒng)計(jì)了東部型、中部型厄爾尼諾平均狀態(tài)南北半球大氣熱源西側(cè)主體部分熱源強(qiáng)度,東部型厄爾尼諾時(shí),赤道以南(160°E～160°W,0°～15°S)格點(diǎn)對(duì)流降水強(qiáng)度之和為278 mm·d-1,赤道以北(160°E～160°W,0°～15°N)格點(diǎn)對(duì)流降水強(qiáng)度之和為211 mm·d-1,而中部型厄爾尼諾時(shí),赤道以南格點(diǎn)對(duì)流降水強(qiáng)度之和為141 mm·d-1,赤道以北格點(diǎn)對(duì)流降水強(qiáng)度之和為131 mm·d-1。可見(jiàn)赤道以南熱源強(qiáng)度大于赤道以北。

4.2 與理想非對(duì)稱熱源GILL響應(yīng)的相同特征

在低層熱源的西側(cè)出現(xiàn)氣旋性環(huán)流異常,赤道以北徑向風(fēng)異常為北風(fēng),赤道以南徑向風(fēng)異常為南風(fēng),赤道緯向風(fēng)出現(xiàn)西風(fēng)異常,而熱源東側(cè)出現(xiàn)相反的緯向與經(jīng)向風(fēng)異常,且西風(fēng)異常強(qiáng)度大于東風(fēng)異常;在高層出現(xiàn)和低層相反的大氣環(huán)流異常。垂直上升速度異常與大氣熱源相對(duì)應(yīng),垂直下沉速度異常位于大氣熱源外東、西兩側(cè)及南北兩側(cè)。低層熱源中心所在的熱帶區(qū)域位勢(shì)高度為負(fù)異常,熱源外東西兩側(cè)位勢(shì)高度為正異常,而到高層整個(gè)熱帶區(qū)域基本上為位勢(shì)高度正異常[9,20,23]。

例如東部型、中部型厄爾尼諾期間在1 000 hPa層面,熱源西側(cè)出現(xiàn)赤道外南、北半球?qū)ΨQ的氣旋環(huán)流異常,赤道以南氣旋渦度大于赤道以北,其中東部型厄爾尼諾期間,南、北半球的渦度中心均在日界線附近,而中部型厄爾尼諾時(shí),赤道以北正渦度中心在2.5°N,160°W附近,而赤道以南的負(fù)渦度中心在5°S,160°E附近。之所以出現(xiàn)赤道以南氣旋渦度大于赤道以北,與赤道以南熱源強(qiáng)度大于赤道以北相對(duì)應(yīng)。隨著高度升高,氣旋環(huán)流逐漸減弱,到200 hPa,東部型、中部型厄爾尼諾期間,赤道中東太平洋均呈現(xiàn)赤道對(duì)稱的反氣旋環(huán)流控制,但與東部型比較,中部型厄爾尼諾期間低層氣旋渦度范圍偏小、渦度偏強(qiáng),高層反氣旋渦度較弱。東部型、中部型厄爾尼諾期間在低層,熱源的西側(cè)均出現(xiàn)西風(fēng)異常,東側(cè)為東風(fēng)異常,西風(fēng)異常的強(qiáng)度大于東風(fēng)異常,且東部型西風(fēng)異常的強(qiáng)度大于中部型,這與WANG et al.[24]研究結(jié)果一致。

東部型厄爾尼諾在中層上升運(yùn)動(dòng)異常位于赤道中東太平洋,下沉運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在熱源外東西兩側(cè)及中東太平洋赤道兩側(cè)5°N以北、5°S以南的熱帶地區(qū),到高層上升運(yùn)動(dòng)異常強(qiáng)度有所減弱;而中部型厄爾尼諾在中層上升運(yùn)動(dòng)異常位于赤道中太平洋,下沉運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在熱源外東西兩側(cè)及赤道中太平洋5°N以北、5°S以南的熱帶地區(qū),到高層上升運(yùn)動(dòng)異常值達(dá)到最大。呈現(xiàn)出緯向雙Walker環(huán)流,即熱源處氣流上升,到高層分別流向西太平洋及南美洲、大西洋下沉,徑向出現(xiàn)雙哈得來(lái)(Hadley)環(huán)流即熱源處氣流上升,到高層分別流向南北半球熱帶下沉。相應(yīng)地,在低層中東太平洋位勢(shì)高度為負(fù)異常,而西太平洋、南美洲及大西洋為位勢(shì)高度正異常;到200 hPa層面,整個(gè)赤道中東太平洋地區(qū)均為位勢(shì)高度正異常,并且在赤道兩側(cè)15°N、15°S分別出現(xiàn)位勢(shì)高度正異常中心,中心位置與反氣旋環(huán)流渦度中心對(duì)應(yīng),同時(shí)也與Hadley環(huán)流下沉運(yùn)動(dòng)異常中心相對(duì)應(yīng)。

4.3 與理想非對(duì)稱熱源GILL響應(yīng)的不同特征

由于Kelvin波速度是Rossby波的3倍,因此理想熱源東側(cè)的Kelvin波活動(dòng)區(qū)大于西側(cè)的Rossby波活動(dòng)區(qū)[9,20,23]。而實(shí)際上東部型、中部型厄爾尼諾期間在低層西風(fēng)異常的范圍大于東風(fēng)異常,在高層,東風(fēng)異常的范圍大于西風(fēng)異常,這可能是由于南美洲安第斯山脈平均海拔高度在3 900 m左右,對(duì)Kelvin波有阻擋作用所致,原因還有待進(jìn)一步深入研究。