2019, Vol. 39
西北太平洋上空的大气环流是东亚夏季风的重要组成部分，其年际变化的主要模态表现为异常的西北太平洋反气旋(western North Pacific anticyclone，WNPAC)或气旋式环流(western North Pacific cyclone，WNPC)[1-2]，通过与西北太平洋副热带高压联系，进而影响我国江淮流域的旱涝[3-7]。前人研究[8-9]指出，ENSO(El Niño-Southern Oscillation)是影响西北太平洋低空环流年际变化的最主要因素。WANG et al.[8]指出厄尔尼诺(El Niño)盛期的冬春季，在东北信风背景下，局地的西北太平洋冷SST异常与WNPAC通过风—蒸发—海面温度(wind-evaporation-sea surface temperature，WES)正反馈机制使得WNPAC得以在冬春季长期维持甚至持续至初夏，进而影响东亚夏季风。然而，考虑到夏季El Niño已经衰退，YANG et al.[10]和XIE et al.[11]指出El Niño盛期之后的印度洋暖海温可从春季持续至夏季，有利于WNPAC的维持，称之为印度洋的“电容器”效应，使ENSO事件对东亚地区的影响从冬春季延长至夏季。随后也有学者指出太平洋冷海温异常也对夏季尤其晚夏的WNPAC具有维持作用[12-14]。
西北太平洋低空环流受到来自不同海区(包括西北太平洋局地和非局地海温)的影响，且随季节的不同而存在差异。因此，各海区海温对西北太平洋低空环流的影响在不同季节的相对重要性成为学者关注的问题。WU et al.[15]认为WNPAC在初夏由西北太平洋局地负海温异常维持，而晚夏由印度洋海温异常维持。然而，CHEN et al.[14]则指出印度洋增暖对初夏WNPAC的重要性较强，而晚夏则由伴随拉尼娜(La Niña)发展的中东太平洋的冷海温维持WNPAC。ZHOU et al.[16]利用模式模拟也发现夏季西北太平洋局地海温不是影响印度洋-西北太平洋地区降水的主要因素。可见，前人关于WNPAC与不同海区海温关系在不同季节的差异，尚未形成共识。WNPAC在春季和夏季的形态有无不同，西北太平洋局地海温与上空环流的相互作用是否存在季节性差异，以及各海区海温在不同季节如何影响WNPAC仍有待于进一步证实。前人研究多使用月资料，而本文将采用高时间分辨率的日资料，更有利于细致探讨春夏季西北太平洋地区的海气相互作用。同时，将采用数值模式进一步论证不同海区海温异常在春夏季对西北太平洋低空环流的影响。
1 资料与方法本文采用NCEP(National Centers for Environmental Prediction，美国国家环境预报中心)提供的NCEP/NCAR Reanalysis 1资料，包括逐月的海平面气压场(sea-level pressure，SLP)、风场(u，v)、高度场、潜热通量、感热通量、净短波辐射、净长波辐射，逐日的SLP，垂直层数为17层，空间分辨率为2.5°×2.5°，月资料起止时间是1948—2018年，日资料起止时间是1981—2018年，长时间平均资料(long term mean)是1981—2010年。海面温度(SST)月资料来源于NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration，美国国家海洋和大气管理局)Extended Reconstructed Sea Surface Temperature(ERSST)dataset version 4，起止时间是1948—2018年，空间分辨率为2°×2°。海温日资料来源于NOAA OI SST V2 High Resolution Dataset，起止时间是1981—2018年，空间分辨率为0.25°×0.25°。所有资料均已扣除长时间平均，得到年际异常数据，使用的分析方法包括合成分析与超前滞后相关分析等。
除资料分析之外，本研究还将使用来自德国马克斯·普朗克研究所(Max Planck Institute，MPI)的大气环流模式ECHAM5研究大气对海温异常在不同季节的响应。基于BARSUGLI and SARDESHMUKH[17]和BARSUGLI et al.[18]提出的试验方法，通过SST异常区域(patch)试验，可以得到大气变量对热带SST的敏感度分布。具体方法为：每个异常区的SST异常分布呈由中心到四周在经纬度方向上以余弦平方函数递减的形态，中心最高海温异常为2 ℃，区域内的平均海温异常为0.667 ℃。关于SST异常区域的尺寸设计，由于尺寸小可以获得较为详细的SST敏感空间结构，尺寸大可以产生较强的大气异常从而获得较高的信噪比，因此尺寸的大小是综合考虑以上两个因素选择的，本试验中太平洋和印度洋SST异常区采用相同的尺寸，都是45°×22°(经度×纬度)。对于每一个异常区，在气候态的SST基础上叠加正负两种海温异常驱动大气，运行25个月，以获得大气对海温稳定的响应。为了消除大气内部变率对结果的干扰，对正负海温异常型分别运行16组试验，每组施加不同的大气初始条件。16个成员的集合平均将更为准确地反应模式中大气对海温的异常响应。
2 西北太平洋局地海气相互作用ENSO衰退年的WNPAC经常从春季持续至夏季，为了考察WNPAC的形态在春夏季是否存在差异，选取10次ENSO事件衰退年的春季和夏季异常形势进行合成，分析的物理量包括SST场、SLP场以及850 hPa风场异常。10次ENSO事件为5次强El Niño事件(1983、1992、1998、2010、2016年)与5次强La Niña事件(1985、1989、2000、2008、2011年)，由于异常形势的季节性差异比ENSO冷暖位相之间的差异更为显著(图略)，于是我们此处对ENSO的冷暖位相进行合并分析，图 1展示对应于暖位相时的情形，即El Niño第二年的WNPAC。
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图 1 El Niño事件发生次年春季(a，3—5月)和夏季(b，6—8月)西北太平洋地区SST(填色，单位：℃)、SLP(等值线，紫/绿色线代表正/负值，单位：Pa；等值线间隔为20 Pa且零线省略)、850 hPa风场(箭头，单位：m·s-1)异常场合成(图 1a中A表示春季西北太平洋反气旋中心区域，图 1b中B表示夏季西北太平洋反气旋中心区域) Fig.1 Composite of SST (shading, units: ℃), SLP (isoline, purple/green line for positive/negative values, units: Pa; the isoline interval is 20 Pa and zero lines are omitted), and wind anomaly (arrow, units: m·s-1) at 850 hPa over western North Pacific during El Niño decaying spring (a, from March to May) and summer (b, from June to August) (the black box A in Fig. 1a and B in Fig. 1b indicate the center of WNPAC in spring and summer, respectively) |
图 1a显示，El Niño衰退年春季，西北太平洋呈现为冷海温上空伴随大范围的反气旋异常环流，西至南海，东至日界线，如图 1a中A框(5°N~22°N，120°E~170°W)所示。然而，夏季反气旋异常范围则显著缩小，中心位置比春季略偏西偏北(图 1b)，位于台湾岛和吕宋岛之间的巴士海峡上空，如图 1b中B框(15°~25°N，110°~150°E)所示。同时，反气旋异常的下垫面不再对应冷海温异常，而是暖海温异常，这表明春季和夏季虽然西北太平洋地区都存在异常反气旋，然而，它的位置形态及其与海温的关系都发生了显著变化。这一位置变化与前人研究[1-2, 13]以及春夏季EOF第一模态反映的WNPAC的位置一致(图 2)，因此后文分析环流异常时不再挑选典型事件，而是使用所有年份。
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图 2 春季(a，3—5月)和夏季(b，6—8月)SLP的EOF第一模态(等值线，紫/绿色线代表正/负值，单位：Pa；等值线间隔为20 Pa且零线省略)及回归的850 hPa风场(箭头，单位：m·s-1)(图 2a中A表示春季西北太平洋反气旋中心区域，图 2b中B表示夏季西北太平洋反气旋中心区域) Fig.2 The first EOF of SLP (isoline, purple/green line for positive/negative values, units: Pa; the isoline interval is 20 Pa and zero lines are omitted) and regressed winds (arrow, units: m·s-1) at 850 hPa in spring (a, from March to May) and summer (b, from June to August) (the black box A in Fig. 2a and B in Fig. 2b indicate the center of western North Pacific anticyclone in spring and summer, respectively) |
为了分别考察西北太平洋地区海洋与大气相互作用在不同季节的差异，图 3展示了SST与SLP的超前滞后相关关系在春夏季的逐月演变情况。该结果表明，从春季到夏季，西北太平洋地区的海气相互作用历经显著的变化。春季(尤其3—4月)存在大面积负相关区域, 位置对应于El Niño次年西北太平洋反气旋的位置(图 1a中A区)，且海洋超前大气时(图 3a)的相关强于大气超前海洋时的相关(图 3m)，表明冷/暖海温对异常反气旋/气旋的促进作用。然而在夏季，该地区SST与SLP的相关由负转正，当SLP超前SST时的正相关(图 3p、q、r)为最大，表明夏季该地区的海气相互作用以大气影响海洋为主。夏季最大正相关区域(图 3p、q、r)比春季负相关区偏西偏北，恰好对应于夏季WNPAC所在的位置(图 1b)，表明夏季该地区海温易被反气旋环流异常所加热，或被气旋环流所冷却，因而对于夏季的西北太平洋低空环流来说，西北太平洋局地海温异常不再是其主要形成或维持机制。
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图 3 西北太平洋地区春夏季(3-8月)各月SST与SLP的超前滞后相关(a-f. SST超前SLP 1个月时的相关系数，g-l.同期的相关系数，m-r. SLP超前SST 1个月时的相关系数，例如图 3a代表 2月海洋与3月大气的相关；黑色虚线内表示通过0.05显著性水平检验) Fig.3 Lead-lag correlation coefficients between SST and SLP over western Pacific Ocean from March to August (a-f. SST lead SLP by one month, g-l. simultaneous correlation, m-r. SLP lead SST by one month; the black dashed line denotes 0.05 significance level) |
为更细致地探究春夏季西北太平洋局地海气相互作用，使用高时间分辨率的日资料，对春、夏季反气旋中心的两个典型海域(A、B区)区域平均的SST和SLP指数进行超前滞后相关分析，如图 4所示。蓝实线与红实线分别代表春季A区、夏季B区的情形，即西北太平洋低空环流异常所在区域。图 4显示春季A区无论大气超前还是滞后于海洋，二者都存在显著的负相关, 反映了ENSO发生时大气与海温异常的长时间持续性，同时也体现了海气互相影响使得WNPAC维持的WES机制[1]；当海洋超前大气12~14 d时，负相关达最大，表明春季海洋对大气的影响可能略为重要。夏季时，B区(图 4红实线)在当大气超前海洋3~4 d时相关系数达到最大(接近0.4)，相关系数远远大于海温超前大气14 d时的负相关(-0.06)，两个相关系数都能通过显著性检验，这表明WNPAC与海洋存在互相影响，然而西北太平洋低空环流异常对海洋的作用则占据绝对主导地位。
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图 4 西北太平洋春(3-5月)、夏(6-8月)季A、B区海气超前滞后相关(灰色粗虚线表示显著性水平0.05的临界相关系数) Fig.4 Lead-lag correlation coefficient between SLP and SST in region A and B over western North Pacific in spring (from March to May) and summer (from June to August) (gray thick line for the 0.05 significance level) |
前文研究已表明夏季WNPAC并非由西北太平洋局地海温所强迫产生，因而可推测它的来源可能是非局地海温异常。为考察WNPAC与非局地海温的关系随季节的演变，图 5给出春季A区、夏季B区的850 hPa风旋度与热带海温的同期相关系数分布图。为了表征与反气旋式环流异常所对应海温分布，计算相关之前，对风旋度乘以了负号。春季A区主要与西北太平洋局地海温联系密切，反映了局地WES机制的作用；而与夏季B区WNPAC存在关联的非局地海温异常主要是北印度洋的暖海温以及中太平洋冷海温异常(图 5b)。
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图 5 反气旋中心风旋度指标与SST相关(a.春季，3-5月；b.夏季，6-8月；图 5a中A表示春季西北太平洋反气旋中心区域，图 5b中B表示夏季西北太平洋反气旋中心区域；黑色虚线表示相关通过显著性水平0.05的区域) Fig.5 Correlation between wind curl index and SST (a. spring, from March to May; b. summer, from June to August; the black box A in Fig. 5a and B in Fig. 5b indicate the center of WNPAC in spring and summer, respectively; black dashed line denotes 0.05 significance level) |
为了进一步比较两海区在春夏季不同月份对西北太平洋地区环流的影响，图 6和图 7分别给出了ECHAM5模式模拟的大气对北印度洋和中太平洋海温异常(SSTA)响应的结果。图 6显示，当北印度洋地区为持续暖海温异常时，在西北太平洋上空衍生的反气旋异常从5月开始显现，在7月达到最强，而在晚夏8月则基本消失。因此，印度洋暖海温对西北太平洋低空环流异常的影响，存在显著的季节性差异，主要体现在晚春到盛夏(5—7月)。这一结论与WU et al.[15]关于“印度洋主要在晚夏影响WNPAC”的结论不一致，该差异的原因一方面可能来自ECHAM4与ECHAM5两模式的差异，另一方面可能是两者印度洋异常海温的设置存在差异。WU et al.[15]采用ENSO事件合成的海温异常型，随月份而异，而本文考察的是固定的理想的海温异常型，因而不同月份之间大气异常的差异可以纯粹理解为海洋对大气影响的季节依赖性。
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图 6 ECHAM5模式下北印度洋海温暖异常(填色，单位：℃)对SLP(黄/绿色等值线代表正/负异常，单位：Pa；等值线间隔为25 Pa且零线省略)和850 hPa风场(箭头，单位：m·s-1)的影响(a. 3月，b. 4月，c. 5月，d. 6月，e. 7月，f. 8月) Fig.6 Responses of SLP (yellow/green isoline for positive/negative values, units: Pa; the isoline interval is 25 Pa and zero lines are omitted) and wind (arrow, units: m·s-1) at 850 hPa to the positive SSTA (colored, units: ℃) over the North Indian Ocean simulated by ECHAM5 model (a. March, b. April, c. May, d. June, e. July, f. August) |
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图 7 ECHAM5模式下中太平洋海温冷异常(填色，单位：℃)对SLP(黄/绿色等值线代表正/负异常，单位：Pa；等值线间隔为25 Pa且零线省略)和850 hPa风场(箭头，单位：m·s-1)的影响(a. 3月，b. 4月，c. 5月，d. 6月，e. 7月，f. 8月) Fig.7 The same as Fig. 6, but for the atmospheric responses to the negative SSTA over the central Pacific |
关于中太平洋海温异常对WNPAC的影响，图 7给出中太平洋冷海温异常在不同季节所产生的大气响应。可以看出，春季(图 7a、b、c)中太平洋冷海温可在西北太平洋强迫产生低压气旋式异常，该气旋式异常与观测中ENSO发生时的异常环流位置相似(图 1)，只是由于在大气环流模式中缺少与西北太平洋局地海温的相互耦合作用而使得此处强度较弱。然而从夏季7月开始(图 7e、f)，西北太平洋地区的异常响应则转变为高压反气旋式异常，尤其在晚夏8月为最强。前人[9]指出晚夏中太平洋冷海温对WNPAC的作用时主要考虑伴随La Niña的发展，晚夏的冷海温异常较强；而本研究则证实，即便采用同等强度的SSTA，大气对中太冷海温异常的响应存在季节依赖性，尤其有助于WNPAC在晚夏的维持。需要说明的是，印度洋SSTA的振幅并不大，本研究仅做定性分析；如果要定量地比较印度洋与太平洋海温对大气影响的幅度，则需要乘以各自海区的SST标准差。
4 结论与讨论本文研究了西北太平洋地区低空环流与局地和非局地海温异常相互作用的季节性差异，得到如下结论：
1) 西北太平洋低空环流的尺度和位置在春季和夏季存在明显差异。从春季到夏季，环流范围缩小且中心位置向西北偏移。
2) 西北太平洋低空环流与西北太平洋局地海温的相互作用的季节差异表现在春季西北太平洋冷海温与上空反气旋异常之间存在相互作用，而夏季则以大气影响海洋为主，异常的反气旋/气旋可以加热/冷却其下垫面的海温，大气超前海洋为3~4 d。
3) 夏季WNPAC的维持主要来自非局地海温异常(北印度洋暖海温与中太平洋冷海温异常)的强迫。这两个海区对西北太平洋低空环流的影响也存在季节性差异，北印度洋对WNPAC的影响主要体现在晚春到盛夏(5—7月)，而中太平洋则主要在晚夏(8月)发挥作用。
本研究的特色，一方面使用高时间分辨率资料细致研究了不同季节的西北太平洋地区海气相互作用，另一方面比较了同一海温异常分布型在不同季节对大气影响的强弱差异。本研究只采用了一个数值模式，未来可能还需借助多个模式进一步研究，以增强结论的可信性。
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