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庚子冷冬: 拉尼娜

已有 916 次阅读 2021-1-16 17:17 |个人分类:气候学|系统分类:科研笔记

   ENSO是气候预测中出现频率很高的一个词,原本是El Niño(厄尔尼诺)/South Oscillation(南方涛动)的缩写词,后来又包含了La Niña (拉尼娜),但缩写词未变。厄尔尼诺与拉尼娜分属ENSO的两个相位(见图1),表示赤道中东太平洋发生的大范围海温升高或下降现象。这两个位相对应于不同的全球大气环流型并伴有不一样的地表气候异常分布。 因此,ENSO已经成为跨季节或年际气候变化预测最重要的物理因子。

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     图 左:El Niño期间赤道中东太平洋海温异常增暖型;右:202012月12日赤道中东太平洋冷海温型La Niña型海温异常分布(取自哥伦比亚大学及NOAA网站).

 在气候学中,常用一些所谓指数来描述特定区域海洋或大气环流异常特征。ENSO指数有多种,诸如Nino1+2, Nino3,Nino4及Nino3.4区海温指数等。 其中最常用的是Nino3.4区海温指数。该指数定义为5°N-5°S,170°W-20°W矩形区域上平均的观测海温与其气候平均值之差(见图2),即气候学上的海温异常值(SST Anomaly)或称之为海温距平。当连续5个月 Nino3.4区海温异常值高于0.4°C时称为一个厄尔尼诺事件(暖事件);反之,当海温异常值低于-0.4°C度时就称之为一个拉尼娜事件(冷事件),冷-暖事件的交替往复变化称之为ENSO循环。南方涛动是指伴随ENSO循环出现在赤道东太平洋塔希提岛(Tahiti:17°32′S, 149°34W)与澳大利亚北部达尔文港之间跷跷板式气压变化的现象,两地的气压差称为南方涛动指数(SOI)。因此,ENSO循环是赤道太平洋上大尺度海洋与大气相互作用而产生的振荡现象,其影响是全球性的。

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               图2 计算ENSO指数的几个特定海洋区域(取自CPC网站)

 多年气候平均的赤道太平洋海面温度呈西高东低分布,盛行东风。在赤道东部,海洋的温跃层(海水温度垂直变化最剧烈层)距离海面最近(见图3),是全球海洋和大气相互作用最敏感的区域。当赤道出现异常西风时,会给赤道两侧海面施加一个向赤道的风应力,使两侧热带海面的暖海水会向赤道中东太平洋集中,造成海温升高, 出现厄尔尼诺事件;反之,当赤道东风增强时,会给赤道两侧海面施加一个附加的向极地方向风应力,导致赤道海面下冷海水加速上翻,造成中东太平洋海温降低,形成拉尼娜事件。赤道海表温度的变化又会改变下垫面加热场,驱动全球大气环流进行调整,导致全球天气气候的变化。这是简单的海-气相互作用过程描述,实际过程更为复杂,有兴趣的读者可以阅读文后的参考读物。

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    图3 赤道太平洋海温深度-经度剖面(来自互联网)

  ENSO事件的出现间隔约为3-7年,其信号可以直接从全球气象观测记录中检测到,是全球气候年际变化的最强信号,与多个大陆的旱涝或冷暖气候变化关联。在厄尔尼诺年的冬季,中纬度盛行纬向环流,西风带较强,极地涡旋强大,东亚冬季风(西北风)偏弱,强冷空气入侵事件(寒潮)较少,常伴随暖冬;与此相反,在拉尼娜年,西风带环流波动幅度增大,冬季风偏强,容易出现大的闭合性高压或低压,极地涡旋常常分裂后掉向中纬度,冷暖空气南北交换强烈,东亚容易出现冷冬。例如,2020/2021冬季的拉尼娜事件(见图4),从202012月中旬到20211月中旬的一个月时间里我国竟然出现了四次寒潮事件,国家气象中心为此发了四次寒潮预警,多地出现了破纪录低温,实属罕见。

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图4 Nino3.4指数(取自OOPC网站)

   El Niño一词是西班牙文,常译为“圣婴现象”。因为南美洲渔民最早发现,每隔几年秘鲁沿岸来自南极方向的冷海流会消失,出现大范围的海温升高现象,且每次都在圣诞节前后达到高潮(锁相),造成大面积的冷水鱼死亡。而La Niña一词的出处却有点神秘。美国GFDL的费博士最早在发表的论文中使用了La Niña一词来描述赤道中东太平洋海温变冷事件。据他的同事透露,费博士当时结交了一位拉美的女朋友,芳名叫La Niña。气候统计发现,当La Niña在遥远的西半球赤道太平洋上翩翩起舞,不久后会在东亚引起一波又一波的寒潮天气过程。真是美丽又冻人!这会不会是Lorenz“蝴蝶效应”的又一杰作呢?


2021年1月16日


参考读物

巢纪平.厄尔尼诺和南方涛动动力学. 北京:气象出版社,1993 

巢纪平.ENSO循环机理和预测研究.  北京:气象出版社,2003

巢纪平. 热带大气和海洋动力学.  北京:气象出版社,2009



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