2010／2011年中部型La Niña事件形成机理及其垂直环流异常＊

陈锦年，汪 洋，王宏娜，左 涛

（1.中国科学院 海洋研究所，山东 青岛266071；2.中国科学院 海洋环流与波动重点实验室，山东 青岛266071；3.中国气象局 广州热带海洋气象研究所，广东 广州510080；4.中国科学院 研究生院，北京100049）

2010／2011年中部型La Niña事件形成机理及其垂直环流异常＊

陈锦年1，2，3，汪 洋1，2，4，王宏娜1，2，左 涛1，2，4

（1.中国科学院 海洋研究所，山东 青岛266071；2.中国科学院 海洋环流与波动重点实验室，山东 青岛266071；3.中国气象局 广州热带海洋气象研究所，广东 广州510080；4.中国科学院 研究生院，北京100049）

应用TAO（Tropical Atmosphere Ocean project）热带太平洋实测海温和风场资料，分析研究了2010／2011年La Niña事件的变化特征，讨论了此次过程中赤道太平洋次表层异常海温的变化特征及其传播过程，以及上层海温场的异常变化机理。结果表明，2010／2011年的La Niña事件与传统事件不同，是一次明显的中部型La Niña事件（简称CPP La Niña），其爆发过程主要存在两个不同机制的响应过程：一是西太平洋暖池（WPWP）区域次表层异常冷海温通过赤道潜流的作用沿温跃层东传，导致赤道东太平洋上层海洋温度场出现异常降温：二是赤道中东太平洋出现强的距平东风，通过上升流作用，导致冷海温上传影响中太平洋上层异常海温场。前者是导致La Niña事件的必要条件，后者则是形成此次中部型La Niña事件的关键过程。由分析结果还表明，日界线以东赤道太平洋纬向风变化对中西太平洋上层海温场变化有重要影响，是导致此次中部型事件爆发的重要机制。文章进一步分析了此次中部型La Niña事件过程中热带垂直环流的变化，结果表明经向和纬向大气环流都表现出明显的异常。

TAO实测资料；中部型La Niña；垂直环流

近年来的研究表明，在热带太平洋次表层存在一“异常海温信号通道［1－3］”，这一异常海温信号通道对ENSO循环过程具有重要贡献。而西太平洋暖池（WPWP）区域次表层异常海温变化和东传是“异常海温信号通道”中的重要枢纽，也是导致ENSO循环过程的关键区域［4］。因此，该区域次表层的海温异常变化将制约着ENSO循环的发生发展。所以，WPWP区域次表层海温异常对气候的影响是不可忽视的重要因素。上述分析结果，所用资料主要是来自美国Maryland大学大气海洋科学系提供的SODA资料（the Data Set of Simple Ocean Data Assimilation，USA）和Scripps海洋研究所环境数据分析中心提供的数据（JEDAC；Joint Environmental Data Analysis Center，USA）分析得到的［4－5］。由于这些数据资料均为模式输出资料，因此，这些结果无疑会或多或少受到模式误差的影响，所分析的结果也势必会存在一些与事实不符的现象。因此，为了得到真实、客观的热带太平洋异常海温的变化过程，本研究应用月平均TAO（Tropical Atmosphere Ocean project）实测资料［6］，分析研究了2010／2011年发生的La Niña事件的形成机理以及热带垂直环流的变化特征，为深入研究ENSO过程和气候预测提供可靠的理论依据。

1 资 料

1）热带太平洋资料：TAO实测海表风场（包括u分量；v分量）资料；以及SST和不同深度的海温资料。时空分布为，137°E～95°W；9°N～8°S，1991－2011年。

2）NCEP／NCAR风场资料，分辨率2.5×2.5，时间：1980－01－2011－06。

2 赤道太平洋异常海温变化特征

2.1 月平均海表温度异常变化

为研究起见，首先给出气候态赤道太平洋海面SST和风矢量场（1991－2010年；TAO data），图1是热带太平洋气候态海温和风矢量场图。

图1 热带太平洋气候平均海表风矢量（m·s－1）和温度等值线（℃）图Fig.1 The wind vector（m·s－1）and SST isoline（℃）averaged climatologically for the sea surface in the tropical Pacific

由图1可以看出，气候态下的赤道太平洋海表SST，日界线以西暖池区域基本为≥28.5℃控制，最大值≥30℃。从≥28.5℃的区域来看，夏秋季节大于冬春季节。140°W以东的SST基本为低于26℃冷舌控制，冬春季相对偏高为24～26℃之间，夏秋季相对偏低为20～25℃。从风矢量分布来看，整个赤道太平洋基本由东风控制，且赤道中东太平洋风速明显大于赤道西太平洋，最大可达8m／s以上。只有夏秋季节赤道西太平洋才会出现偏弱的西风。

为了探讨2010／2011年La Niña事件的开始、成熟到消亡全过程，给出2010－01－2011－06月平均海表温度异常（SSTA）和风矢量异常变化特征（图2）。由图可以看出，2010－01，赤道中东太平洋仍由异常暖水占据，最大异常海温≧2.0℃，出现在赤道中太平洋。3月SSTA与1月份大致相同，只是强度有所减弱。这种异常海温的分布特征，主要是源于2009／2010年El Niño事件爆发过程的持续，该过程一直持续到2010－04，此次事件是典型的中部El Niño事件［7］。作者曾对这一暖事件的演变化过程和机理进行了初步分析，提出了此次暖事件是由两种不同机制共同作用，导致了与传统El Niño事件不同的中部型暖事件，也称为El Niño Modoki［8］。从2010－05开始，赤道中东太平洋出现一弱的冷异常。6月赤道中东太平洋迅速被异常冷海温控制，7月La Niña事件爆发［9］。7月异常冷海温中心位于140°W，最大SSTA为－1.5℃。9月份，SSTA≦－1.0℃的异常海温已扩展到整个中东赤道太平洋。11月份，赤道东太平洋SSTA出现了≦－2.0℃的异常冷水。2011－01≦－2.0℃的异常冷水扩展到赤道中太平洋。时滞2个月后（3月份），位于赤道中太平洋的异常冷水强度明显减弱，4月份La Niña事件结束［9］。此次过程维持了9个月，与典型的La Niña事件有明显区别，是继2009／2010中部型El Niño事件后的一次中部型La Niña事件。

2.2 沿赤道－深度月平均海温异常演变过程

为了更进一步了解此次中部型La Niña事件演变过程，分析了沿赤道不同深度异常海温的变化过程。图3是2010－01－2011－05在0～400m，沿赤道－深度异常海温演变图。由图3可以看出，在2010年El Niño事件还未结束时，位于西太平洋暖池区域次表层的异常冷海温强度增强并缓慢向东扩展。5月异常冷海温快速东传到了赤道东太平洋，最大异常冷海温（≦－3.0℃）中心位于中太平洋（180°～135°W）的100～200m之间，9月份，最大异常冷海温已增强到≦－5.0℃，位置有所东移，中心位于140°W。随着时间的推移，异常冷海温中心逐渐东移，一直维持到2011－01。2011－03位于次表层的异常冷海温明显变弱。与此同时，位于西太平洋暖池区域出现了异常暖海温，在La Niña事件成熟－消亡过程的同时，开始增强并沿温跃层向赤道东太平洋传播，形成一个ENSO循环过程。

图4是2009－01－2011－06期间赤道太平洋纬向风异常（a）和SSTA（b）和沿温跃层深度异常海温（c）时空变化图。由图不仅可以清楚地看出，发生于2009年El Niño事件过程中，沿赤道纬向风的异常变化、沿温跃层异常海温东传过程以及SSTA的变化过程，而且也对发生于2010年La Niña事件过程有了更进一步的认识。更重要的是让我们认识到了2009－2011年发生于赤道太平洋的一次完整的中部型ENSO循环过程。从这一变化过程图可以看到，当赤道中西太平洋出现异常西（东）风时，赤道中太平洋次表层将会出现异常暖（冷）海温，与此同时，赤道西太平洋暖池区域将会出现异常冷（暖）海温堆积并向东扩展，为下一次过程提供能量。当赤道中西太平洋的异常西（东）风达强盛时，异常暖（冷）海温不仅东传至赤道东太平洋，而且最大异常暖（冷）海温中心出现在中太平洋。这是此次过程与传统ENSO过程的不同之处。

图2 2010／2011年La Nina事件期间赤道太平洋异常风场（m·s－1）和海温（℃，阴影和等值线）变化Fig.2 variations of the wind（m·s－1）and SST（℃）anomalies in the equatorial Pacific during the CPP La Niña event in 2010／2011

图3 2010／2011年La Nina事件期间异常海温（℃）沿赤道－深度剖面演变过程Fig.3 Evolution process of SST anomalous（℃）along the equator－depth profiles during the CPP La Niña event in 2010／2011

图4 纬向风异常（a）（m·s－1）、SSTA（b）（℃）和温跃层异常海温（c）（℃）沿赤道－时间剖面图（空白处为缺测）Fig.4 Variations of the zonal wind（a）（m·s－1），the SSTA （b）（℃），and the abnormal（℃）SST of the thermocline（c）along equator－temporal sections（Blank for no observation data）

3 赤道太平洋垂直环流变化

3.1 纬向垂直环流变化

本节重点分析2010／2011年中部型La Niña过程中赤道太平洋大气垂直环流的异常分布特征。为了能够更清楚地了解此次过程对其上空大气环流产生的影响，首先给出太平洋气候态下5°S～5°N平均纬向垂直环流场（图5a～d），从图1中可以看到，从1月，4月，7月到10月份，赤道上基本维持日界线以西为上升气流，而以东为下沉气流，在赤道上构成了一个经典的Walker环流。其顶部可高达100hPa。从强度上来看，冬春季偏弱，夏秋季偏强。对应发生于2010－07－2011－04的中部型La Niña事件比较来看（图5e～h），存在明显的差异。从2010－07来看，中东太平洋出现下沉气流，特别是中太平洋的下沉气流最为显著，位于130°E以西存在一上升气流，在120°W以东也存在一弱的上升气流，在赤道上构成了两个距平垂向环流圈，西部的垂直环流圈强于东部。2010－10的垂直环流结构依然如此，没有明显变化。只是位于中太平洋高空的下沉气流有所加强。2011－01，位于中太平洋的垂直环流进一步加强，赤道东太平洋的上升气流也有所增强。2011－04（La Niña事件结束），赤道中太平洋的下沉气流明显减弱，赤道西部和东部的上升流明显加强。总的来说，在此次中部型La Niña事件期间，沿赤道存在两个距平垂向环流圈，中太平洋为下沉区域，西太平洋和东太平洋均为上升区域。

图5 纬向环流变化图（m·s－1）（a～d）气候态；（e～h）2010／2011年La Nina期间异常环流。Fig.5 Variations of latitudinal circulation（m·s－1）（a～d）climatology；（e～h）anomaly during the La Nina event 2010／2011.

图6 经向环流变化图（m·s－1）（a～d）气候态；（e～h）2010／2011年La Nina期间异常环流。Fig.6 meridional circulation variations（m·s－1）（a～d）climatology；（e～h）anomaly during La Nina，2010／2011.

3.2 经向垂直环流变化

图6是105°～160°E平均的经向垂直环流图，由图6a～d可以看出，气候态经向垂直环流在南北半球基本维持为两个垂直环流圈，赤道为上升支，南北半球副热带为下沉支。不同季节，上升支和下沉支有所变化，总的来说，冬春季，是以赤道南北纬（10°N～10°S）之间为上升区域，北半球30°～50°N为下沉支，但强度冬季大于春季。夏秋季赤道上升区域偏向北半球，秋季以20°N为分界线，以南为上升支，以北为下沉支。夏季可达50°N。由图6e～h对比分析可以看出，在2010／2011年中部型La Niña事件期间，在夏秋季，北半球基本由两个垂直环流圈控制，10°～20°N基本为下沉支，赤道和30°N以北基本为上升支，强度夏季大于秋季。在冬季，赤道为下沉支，在南北半球的10°～20°S为上升支和北半球10°～20°N，在北半球，由上升支与30°～40°N之间又构成了一个环流圈。春季的环流形式有别于冬季，赤道地区为上升支，北半球30°N为下沉支。总上所述，在此次中部型La Niña事件期间，经向环流明显偏弱，原本赤道以北区域为上升支而被下沉气流控制，这说明，经向环流不但偏弱，而且出现多圈环流，这种环流形式对东亚以及我国的气候和天气过程将会产生不同影响，2010／2011年冬季南方冻雨，2011年春季北方干旱，就是与此次La Niña期间导致的经向环流异常偏弱有重要关系。

4 赤道太平洋异常海温变化的机制探讨

为了探讨2010／2011年中部型 La Niña事件过程的机理，我们对赤道太平洋147°E，165°E，180°，170°W，155°W，140°W共6个实测风场资料（图7a～f），对沿赤道不同深度的异常海温进行相关分析。图7是沿赤道6个实测风场u分量对不同深度的海温的时滞相关场（海温滞后3个月），由图7可以看出，赤道中西太平洋（147°E，165°E，180°）的风场u分量对日界线以西次表层的75～200m的次表层海温场产生显著影响，其相关系数达0.12以上（样本n≧115）。其中147°E的风场u分量对西太平洋暖池区次表层海温的影响最为显著，最大相关系数高达0.16以上，信度已超过99.0%。另外，值得说明的是，沿赤道中西太平洋3个站点的风场u分量对赤道75～200m深的海温从同期至时滞6个月均具有显著的相关关系。这一相关关系说明，当赤道西太平洋出现异常强的西（东）风时，日界线以西次表层将会出现和维持异常暖水（冷水）。作者在探讨2009／2010年中部型El Niño事件过程中，曾对这一过程进行过讨论，并给出了初步解释［7］。认为在赤道中西太平洋出现强的异常西风时，由于风场在该区域产生辐合作用，导致表层暖水与深层冷水混合并下沉，迫使次表层海温出现异常增暖。当赤道中西太平洋出现强的异常东风时，在表层产生辐散作用，致使深层冷水上翻，导致该层出现异常降温。

赤道中东太平洋（170°W，155°W和140°W）风场u分量对赤道不同深度海温的影响与中西太平洋完全不同。170°W和155°W对西太平洋暖池区域的次表层海温场没有明显的影响，只对上层海温场存在一定的影响，且呈负的相关关系。140°W的风场u分量对中东太平洋上层海温具有明显的影响，负的相关系数达0.1以上。同时对西太平洋上层海温场也具有显著的影响，负相关系数高达0.2以上，相关信度已超过99.0%（样本n＝152）。140°W的风场u分量对东太平洋的相关关系无疑是风场对局地的直接影响，当赤道东太平洋出现距平西（东）风（即赤道东风减弱或增强）时，由于潜沉（上升）流的作用，将导致赤道东太平洋上层出现增温（降温）现象。而与西太平洋的相关关系则是赤道东太平洋风场的时滞相关作用，即通过赤道上层洋流的作用，将异常暖水（冷水）输送到中西太平洋，最终导致中西太平洋上层海温出现异常增暖（降温）。

由上述分析结果，可以认为，在此次La Niña事件过程中，2010－06之前堆积于赤道西太平洋暖池区域的异常冷海温以及东传，是来自以赤道和北纬10°N构成的热带太平洋次表层异常海温信号通道［1］中的冷暖海温信号传播过程中的正常传播，而2010－07之后，除了异常冷海温仍然沿温跃层东传外，上层异常冷海温的快速降低，很大程度上决定于赤道中东太平洋海面距平东风的加强给予的贡献（图2，图3）。因此，此次中部型La Niña事件爆发是由两种不同响应机制导致的。一是在“信号通道”中，赤道潜流引导的异常冷海温东传，导致沿赤道温跃层和赤道东太平洋上层海温降低；二是赤道中东太平洋距平东风的增强，导致冷海温上翻，引起中太平洋上层海温迅速降低（即称作风场强迫作用）。

图7 赤道不同经度纬向风与垂直海温的相关场Fig.7 Correlation field between the zonal wind and the vertical seawater temperature at different longitudes along the equator

5 结 论

本研究应用TAO实测资料分析了2010／2011年La Niña事件发生、发展和消亡过程中，赤道太平洋SSTA、不同深度海温场以及风场和垂直环流场的变化特征，探讨了此次过程的特殊性以及可能的机制，进一步揭示了赤道太平洋风场对此次La Niña事件的贡献。

1）由实测资料分析结果表明，2010／2011年在赤道太平洋爆发的冷事件是一次中部型La Niña事件。在此次中部型La Niña事件中，赤道中东太平洋次表层和上层异常降温存在两个不同机制的响应过程，一个是源自正常的热带太平洋沿信号通道的异常海温沿温跃层向赤道东太平洋的传播过程，体现了赤道海洋Kelvin波的效应。二是纬向风场的强迫作用，即（风场）强迫反馈机制。前者是导致La Niña事件的必要条件，后者则是此次中部型La Niña事件爆发的关键过程。

2）2010／2011年中部型La Niña过程期间，与气候态环流相比，太平洋经向和纬向环流具有明显的异常变化，最为明显的异常在于经向环流表现为在赤道为下沉气流，甚至形成多个环流圈，而且强度明显偏弱。纬向环流的明显异常是中太平洋为下沉气流，而东西太平洋为上升气流，在赤道太平洋构成了两个环流圈。这种异常经向和纬向环流结构，对于北半球来说，位于西太平洋的纬向环流的上升支较常年偏弱，而位于赤道的经向环流上升支也较常年偏弱，这直将接导致西太平洋经向环流的异常偏弱，最终会引起我国和东亚气候的异常。

3）日界线以西纬向风变化对赤道西太平洋次表层异常海温场变化具有重要贡献，是导致暖池区域次表层异常海温变化的重要机制。日界线以东纬向风不仅对局地上层海温场有一定的影响，也对西太平洋上层海温场产生重要影响，这一过程是导致中部型El Niño和La Niña事件的关键。

（References）：

［1］CHEN J N，HE Y J，XU L Y，et al.Oceanic temperature anomalous signal pathway in the subsurface of equatorial Pacific［C］∥Papers of the fifth cross－strait marine science seminars.Jilong：National Taiwan Ocean University，2002.陈锦年，何宜军，许兰英，等.赤道太平洋次表层海温异常的信号通道［C］∥第5届海峡两岸海洋科学研究讨会论文集.基隆：台湾海洋大学，2002.

［2］CHEN J N，SONG G T，CHU J T，et al.Anomalous sea temperature of westward transferring North Equatorial Current and ENSO［J］.Journal of Tropical Oceanography，2003，22（4），10－17.陈锦年，宋贵霆，褚健婷，等.北赤道流区海温异常与ENSO循环［J］.热带海洋学报，2003，22（4）：10－17.

［3］CHEN J N，SONG G T，CHU J T，et al.Oceanic temperature anomalous signal pathway in the equatorial Pacific［J］.Advances in water science，2003，14（2）：152－157.陈锦年，宋贵霆，褚健婷，等.赤道太平洋次表层海水温度异常的信号通道［J］.水科学进展，2003，14（2）：152－157.

［4］LI C Y，MU M Q.El Nino Occurrence and Sub－Surface Ocean Temperature Anomalies in the Pacific Warm Pool［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences，1999，23（5）：513－521.李崇银，穆明权.厄尔尼诺的发生与赤道西太平洋暖池次表层海温异常［J］.大气科学，1999，23（5）：513－521.

［5］CHAO J P，YUAN S Y，CHAO Q C，et al.The Origin of Warm Water Mass in Warm Pool Subsurface of the Western Tropical Pacificthe Analysis of the 1997～1998El Nio［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences，2003，27（2）：145－151.巢纪平，袁绍宇，巢清尘，等.热带西太平洋暖池次表层暖水的起源—对1997／1998年ENSO事件的分析［J］.大气科学，2003，27（2）：145－151.

［6］McPHADEN M J，BUSALACCHI A J，ANDERSON D L T.A TOGA Retrospective［J］.Oceanography，2010，23（3）：86－103.

［7］CHEN J N，WANG H N，WANG D X，et al.Variational characteristics analyses of the El Niño event in 2009／2010［J］.ACTA OCEANOL SIN，2011，33（6）：29－38.陈锦年，王宏娜，王东晓，等.2009／2010年El Niño事件变化特征及其机理［J］.海洋学报，2011，33（6）：29－38.

［8］ASHOK K，BEHERA S，RAO S，et al.El Niño Modoki and its possible teleconnection［J］.J.Geophys.Res.，2007，112，C11007，doi：10.1029／2006JC003798.

［9］National Climate Center.ENSO Report（No.41）［EB／OL］.2010.中国气象局国家气候中心.ENSO监测简报（第41期）［EB／OL］.2010.http：∥cmdp.ncc.cma.gov.cn／Monitoring／enso.php

The Formation Mechanism of the Central Pacific Pattern La Niña Event in 2010／2011and Its Anomalous Vertical Circulation

CHEN Jin－nian1，2，3，WANG Yang1，2，4，WANG Hong－na1，2，ZUO Tao1，2，4
（1.Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China；2.Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China；3.Institute of Tropical and Oceanic Meteorology China Meteorological Administration，Guangzhou 510080，China；4.Graduate University of the Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The variability of La Niña event in 2010／2011was analyzed using the temperature and wind data from Tropical Atmosphere Ocean（TAO）project dataset，and the variation and propagation of the anomalous subsurface ocean temperature in equatorial Pacific and the mechanism of anomalous variations of the upper ocean temperature field were discussed.The results indicate that the La Ni a event in 2010／2011，which differs canonical La Ni a events，is an obvious central pacific pattern La Ni a event（CPP La Ni a）.Its outburst includes mainly two different response processes：one is that the subsurface ocean temperature anomalies in the western Pacific warm pool（WPWP）propagate eastward along the thermocline through the action of equatorial undercurrent and eventually make the upper eastern equatorial Pacific Ocean cooled；and another is that strong easterly wind anomaly in the central and eastern equatorial Pacific causes the temperature of cold water to propagate from the subsurface to the surface through upwelling and eventually makes the surface water in the central pacific cooled.The former is a necessary condition leading to the La Ni a event，while the latter is the key process forming this CPP La Ni a event.The results also indicate that the variations of the zonal wind in the tropical pacific east of the dateline influence significantly on the anomalous ocean temperature field in the upper central western Pacific ocean，which is one of the most important mechanisms causing the outburst of the CPP La Ni a event in the 2010／2011.The variations of the vertical circulation occurring in the tropical zone during the CPP La Ni a event are also analyzed，indicating that both the longitudinal and the latitudinal atmospheric circulations show significant anomalies.

TAO observation data；CPP La Niña；vertical circulation

August 2，2011

P731

A

1671－6647（2012）03－0305－12

2011－08－02

国家重点基础研究发展计划项目——热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应 （2012CB417402）；国家自然科学基金——西太平洋暖池区域海温场变异及其对两类El Nino事件的影响（41076010）；热带海洋环境国家重点实验室（中科院南海所）开放课题——西太平洋暖池年代际变化及其对ENSO的影响（LED0903）

陈锦年（1954－），男，山东临沂人，研究员，博士，主要从事大尺度海气相互作用和极地科学方面研究.E－mail：jnchen＠qdio.ac.cn

（杜素兰 编辑）