12月和2月热带太平洋海温与东亚水汽输送关系的年代际变化机制.pdf
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1、张胜龙,孙博,陈平.2023.12 月和 2 月热带太平洋海温与东亚水汽输送关系的年代际变化机制 J.大气科学,47(4):975994.ZHANGShenglong,SUNBo,CHENPing.2023.InterdecadalOscillationsandUnderlyingMechanismsLinkingTropicalPacificSeaSurfaceTemperaturetoEast Asian Water Vapor Transport in December and February J.Chinese Journal of Atmospheric Sciences(in C
2、hinese),47(4):975994.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2202.2112912 月和 2 月热带太平洋海温与东亚水汽输送关系的年代际变化机制张胜龙1,2孙博2,3陈平41清华大学地球系统科学系教育部地球系统模拟重点实验室,北京 1000842南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,南京 2100443南方海洋科学与工程广东省实验室,珠海 5190804中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,乌鲁木齐 830002摘要利用 19502019 年 NCEP/NCAR 大气再分析资料、NOAA 海表面温度资料以及 ERA5
3、 垂直积分水汽通量资料,分析了 12 月和 2 月热带中东太平洋海温与东亚水汽输送关系的年代际变化。结果表明,12 月东亚上空经向水汽输送与热带中东太平洋海温的相关性在 1980 年代中期之前较弱,1980 年代中期之后二者呈显著正相关;2 月二者关系在 19501970 年和 19902010 年呈显著正相关。12 月二者关系年代际变化的主要原因是热带太平洋海温通过太平洋东亚(PEA)遥相关型和环北半球遥相关型对东亚水汽输送的影响在 1980 年代中期之后增强;当热带中东太平洋海温偏暖(冷)时,影响 PEA 遥相关型和环北半球遥相关型,导致东亚自南向北的水汽输送异常增强(减弱)。与 12 月
4、不同的是,2 月二者关系在 19501970 和 19902010 年主要受 PEA 遥相关型影响。而在 19711989 期间,2 月二者关系受环北半球遥相关型影响;当热带太平洋海温偏冷(暖)时,影响环北半球遥相关型,导致东亚经向水汽输送异常增强(减弱),该机制可以部分抵消 PEA 机制对东亚水汽输送的影响,导致二者关系在此期间不显著。此外 1990 年之后,热带印度洋海温对 12 月和 2 月东亚经向水汽输送的影响增强,在 12 月热带印度洋海温主要通过“开尔文波埃克曼辐散”效应影响东亚经向水汽输送,而在 2 月主要通过印度洋上的沃克环流影响东亚经向水汽输送。关键词水汽输送热带太平洋海温太
5、平洋东亚遥相关环北半球遥相关文章编号1006-9895(2023)04-0975-20中图分类号P461文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21129Interdecadal Oscillations and Underlying Mechanisms Linking TropicalPacific Sea Surface Temperature to East Asian Water VaporTransport in December and FebruaryZHANGShenglong1,2,SUNBo2,3,andCHENPing41Mini
6、stry of Education Key Laboratory for Earth System Modeling,Department of Earth System Science,TsinghuaUniversity,Beijing 1000842Key Laboratory of Meteorological Disaster,Ministry of Education(KLME)/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of收稿日期2021-07-21;网络预出版日期2022-03-11作者简介张胜龙,男
7、,1999 年出生,博士研究生,主要从事气候变化和大气水分循环等研究。E-mail:通讯作者孙博,E-mail:资助项目科技部重点研发计划项目 2022YFF0801704,国家自然科学基金项目 42005015,江苏省自然科学基金项目 BK20200814Funded byNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(Grant2022YFF0801704),NationalNaturalScienceFoundationofChina(Grant42005015),NaturalScienceFoundationofJiangsuProvi
8、nce(GrantBK20200814)第47卷第4期大气科学Vol.47No.42023年7月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJul.2023Meteorological Disasters(CIC-FEMD),Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 2100443Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory,Zhuhai 5190804Institute of Desert Meteoro
9、logy,China Meteorological Administration,rmqi 830002AbstractUsingNCEP/NCARreanalysisdata,ERA5verticalintegratedwatervaporfluxdata,andNOAAmonthlymeanSST(seasurfacetemperature)data,theinterdecadalvariationsintherelationshipbetweencentralandeasterntropicalPacificSSTsandEastAsianWVT(watervaportransport)
10、inDecemberandFebruaryfrom1950to2019wereinvestigated.ThefindingrevealsthatthecorrelationbetweenEastAsianmeridionalWVTandcentralandeasterntropicalPacificSSTsinDecemberwasweakbeforethemid-1980s,becomingsignificantlypositiveafterward.InFebruary,thecorrelation was significantly positive during 19501970 a
11、nd 19902010.Interdecadal variations in the relationshipbetweenEastAsianmeridionalWVTandcentralandeasterntropicalPacificSSTsinDecemberstemfromtheincreasedinfluenceofPacificEastAsian(PEA)teleconnectionandNorthernHemispherecircumglobalteleconnectionsonEastAsianmeridionalWVT,drivenbytropicalSSTsafterthe
12、mid-1980s.ThePEAteleconnectionandNorthernHemispherecircumglobal teleconnection would induce anomalous southerly WVT over East Asia,corresponding to warm SSTanomalies in the central and eastern tropical Pacific.Unlike December,the relationship between the two factors inFebruarywasprimarilymodulatedby
13、thePEAteleconnectionduring19501970and19902010.However,from1971to1989,EastAsianWVTwasinfluencedbythecircumglobalteleconnectionintheNorthernHemisphere,correspondingtocoldSSTanomaliesinthecentralandeasterntropicalPacific.Thisresultedinaninsignificantrelationshipbetweenthetwofactorsduring19711989,asthea
14、bovemechanismcounteractedtheeffectofthePEAteleconnection.Furthermore,theimpactoftropicalIndianOceanSSTsonEastAsianWVTinDecemberandFebruaryincreasedafter1990.InDecember,East Asian WVT was modulated by the Kelvin wave-induced Ekman divergence mechanism,while inFebruary,itwasinfluencedbytheWalkercircul
15、ationovertheIndianOcean,correspondingtowarmSSTanomaliesinthetropicalIndianOcean.KeywordsWatervaportransport(WVT),TropicalPacificseasurfacetemperature(SST),PacificEastAsian(PEA)teleconnection,CircumglobalteleconnectionintheNorthernHemisphere 1 引言水汽是全球水资源的重要组成部分,对全球的气候有着重要影响(Schneideretal.,2010)。水汽输送在
16、海洋与内陆之间,低纬地区与高纬地区之间的水分循环过程中起到重要作用,影响全球干湿旱涝的空间分布(Bengtsson,2010;Schneideretal.,2010)。水汽输送也是东亚季风系统重要成员之一,影响着东亚降水和大气环流(Geetal.,2016;Yangetal.,2019;孙博等,2020)。冬季中国东部经向水汽输送异常会影响中国东部冬季降水,同时对社会经济发展和人民生命安全造成巨大威胁(Wangetal.,2011;SunandWang,2013;Sunetal.,2019a;黄玉霞等,2019)。东亚地区的水汽输送影响因素众多,包括西伯利亚高压(Letal.,2019)、水汽
17、源(Newelletal.,1992;Huang et al.,2018;Yang et al.,2018,2019)、厄尔尼诺南方涛动(ENSO)(Wangetal.,2000;Wengetal.,2009;Heetal.,2017b)、北极涛动(AO)(Chenetal.,2013;HeandWang,2013a;Heetal.,2017a)、太平洋年代际振荡(PDO)(Dingetal.,2014;Kimetal.,2014;Shi,2021)等,其时空特征及不同尺度上的变率广受学者关注(Newmanetal.,2012;Liuetal.,2016;AoandSun,2016;Jiaan
18、dGe,2017;Zhangetal.,2021)。前人研究表明,ENSO 对冬季东亚水汽输送有重要影响(Dingetal.,2014;Chenetal.,2015;Zhangetal.,2021),ENSO 信号可以解释冬季 20%30%中国南方降水事件的发生(Wuetal.,2003),并通过改变厄尔尼诺强度、位相等影响东亚冬季降水(Lietal.,2018;Liuetal.,2020),这与热带海气相互作用密切相关(Wangetal.,2000;HeandWang,2013b;Sunetal.,2019a,2019b)。根据太平洋东亚(PEA)遥相关理论(Wangetal.,2000;W
19、angandZhang,2002;ZhangandSumi,2002;Wuetal.,2003),热带中东太平洋的异常增温(降温)会通过激发罗斯贝波在西北太平洋引起反气旋(气旋)异常,并在冬季导致东亚的南风(北风)异常,使东亚自南向北的水汽输送增强(减弱),从而影响东亚降水。因此当 ENSO 处于暖(冷)位相时,来自内陆的大气科学47卷976ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47西北风减弱(增强),东亚冬季风系统减弱(增强)(Zhouetal.,2010;王林和冯娟,2011;LiandMa,2012;Jiaetal.,2015)。此外,印度洋海温也
20、对东亚水汽输送有着重要影响(Qiuetal.,2014;Takayaetal.,2020;Lietal.,2022)。当热带印度洋海温偏暖时,引起 MatsunoGill 响应(Matsuno,1966;Gill,1980),激发东传的开尔文波,在埃克曼抽吸机制下导致西北太平洋上的反气旋异常增强,即“开尔文波埃克曼辐散”效应(Xieetal.,2009;孙博等,2020;Lietal.,2022)。近几十年来自中部型厄尔尼诺概念(KaoandYu,2009;Zhangetal.,2015)提出之后,研究发现厄尔尼诺类型发生了年代际变化(Huetal.,2018;GuoandTan,2018),
21、近几十年来中部型厄尔尼诺发生频率逐渐增加(RenandJin,2011;Xiangetal.,2013)。由于中部型和东部型厄尔尼诺的沃克环流和西北太平洋反气旋异常存在显著差异(Fengetal.,2010),因此造成的气候影响存在显著差异(Fengetal.,2010;汪子琪等,2017)。研究表明除了厄尔尼诺类型发生了年代际变化,冬季 ENSO与东亚降水年际变化的相关关系也发生了年代际变化(Zhouetal.,2007;LiandMa,2012;袁媛等,2014;JiaandGe,2017;Zhangetal.,2021),二者相关性在 1970 年代中期之后减弱(WangandHe,20
22、12;Chenetal.,2014)。1980 年之前,拉尼娜年东亚冬季降水异常偏少;而 1980 年后,拉尼娜年东亚冬季降水异常增多(袁媛等,2014)。此外,在 1980 年代中期之后来自西北太平洋的水汽贡献显著增强(Yangetal.,2018),进而使由 ENSO 引起的西北太平洋上的反气旋对中国南部降水的影响增强,东亚冬季风的影响减弱,导致中国冬季平均降水的第一主模态发生了年代际变化(Geetal.,2016;Yangetal.,2018)。因此,我们提出了疑问,厄尔尼诺类型的变化是否也会对冬季 ENSO 与东亚水汽输送的关系造成影响呢?Sunetal.(2019b)研究发现不同时期
23、 1 月份东亚水汽输送与 ENSO 的关系不同。1980 年代中期之前,热带太平洋海温偏暖(冷)会导致 1 月东亚自南向北的水汽输送增强(减弱);而 1980 年代中期之后,热带太平洋海温偏冷(暖)会导致 1月东亚自南向北的水汽输送增强(减弱)。1980年代中期之后 1 月份二者关系的年代际转变是由于热带太平洋海温影响东亚水汽输送年际变化的路径并不唯一,热带太平洋海温分别通过 PEA 遥相关波列、北太平洋纬圈环流、环北半球遥相关波列影响 1 月东亚经向水汽输送;其中后二者对东亚水汽输送的影响可以部分抵消 PEA 机制对东亚水汽输送的影响,导致在 1980 年代中期之后,热带中东太平洋海温偏冷的
24、年份,1 月份东亚经向水汽输送增强(Sunetal.,2019b;孙博等,2020)。我们此前的研究表明不同时期 1 月份东亚水汽输送与 ENSO 的关系不同,而 2 月份和 12 月份的情况尚未清晰。基于以上研究成果,本文将进一步针对冬季 12 月和 2 月东亚水汽输送异常的变化特征及其与 ENSO 暖/冷位相的关系进行详细研究,主要研究内容为(1)12 月和 2 月热带太平洋海温与东亚水汽输送的关系;(2)12 月和 2 月热带太平洋海温与东亚水汽输送关系年代际变异的机理。2 资料和方法本文所使用的大气资料取自美国国家环境预测中心 NCEP/NCAR 的再分析资料,包括逐月的位势高度场、垂
25、直速度、水平风场,水平分辨率为2.52.5。海表面温度数据取自美国国家大气海洋管理局 NOAA 提供的第 5 版扩展重建海温的月平均资料(ERSST.v5),水平分辨率为 22(Huangetal.,2017)。垂直积分水汽通量数据来自欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的 ERA5 月平均资料,水平分辨率为 0.250.25。本文使用的再分析资料的时间范围均为 1950 年 12 月至2019 年 2 月。每月的 Nio-3,Nio-3.4 和 Nio-4 指数来自美国气候预测中心(CPC),Nio-3,Nio-3.4 和Nio-4 指数分别定义为热带东太平洋(5S5N,150W90W),热带
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