2014—2016年超强El Niño事件的发生发展过程与机理分析

丁一汇

中国气象局 国家气候中心,北京 100081

2014—2016年超强El Niño事件的发生发展过程与机理分析

丁一汇

中国气象局 国家气候中心,北京 100081

2016-10-28收稿，2016-11-04接受

本文主要分析了2014—2016年超强El Niño事件的发生发展过程与机理。结果表明,整个El Niño生命期长达2 a左右(2014年4月—2016年5月),其演变过程可划分为4个阶段:1)早期的西风连续爆发(2013年12月—2014年4月)。连续三次西风爆发不但改变了热带中东太平洋长期盛行的偏东信风,同时也开始改变了中东太平洋长达12 a的平均冷水状态,使海表温度开始增暖,在2014年初春超过0.5 ℃,标志着一次新的El Niño事件可能在赤道中太平洋发生。2)交替的减弱与增强期(2014年6月—2015年8月)。赤道西太平洋继续发生了6次西风爆发,不但维持和增强了赤道中东太平洋的增温,而且通过了两次(2014年5—8月与2015年1—3月)海洋增暖的减缓期或障碍期,使初生的El Niño事件不但未夭折,而且明显的增强为一次强El Niño事件。Niño3.4区海温指数在2015年8月达到2 ℃。相应,赤道太平洋次表层中也观测到有6次暖Kelvin波东传,其正的热含量距平不但维持了赤道中东太平洋的连续增暖,也使El Niño的类型由中部型向东部型过渡。3)发展的鼎盛期(2015年9月—2016年2月)。西风出现2次更强的爆发,相应中东赤道太平洋对流活动异常强盛,Niño3.4区快速增温,在2015年11月达到3 ℃,增强到其超强阶段。4)快速衰减阶段(2016年3—5月)。El Niño迅速从Niño3.4区的2 ℃减少到0.5 ℃。以后很快开始向冷海温过渡。2016年7—8月,Niño3.4区海温已接近-0.5 ℃。这种快速转换是延迟振子理论的一种体现。

超强El Niño

发生发展

演变机理

西风爆发

开尔文波

2014—2016年发生的超级El Niño引起了国际和国内各方面的广泛关注。其主要原因有三个方面:1)为什么这次El Niño能发展成近60 a最强的El Niño事件?2)它对全球与中国的天气气候与经济影响如何?会不会造成严重的灾害和全球性农业减产与经济重大损失?3)长达15 a的气候变暖趋缓或停顿是否会终止?而又转为全球快速的气候变暖阶段?

根据美国国家航天局(NASA)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的最新数据,2016年上半年地球的气温创下了史无前例的极值,比20世纪的气温高近1.1 ℃。同时,极地海冰面积的平均值已跌破历史最低值(引自2016年7月19日美国全国公共广播电台网站)。

根据最近发表的一些相关研究,国内主要关注前两个问题(任宏利等,2016;邵勰和周兵,2016;袁媛等,2016;翟盘茂等,2016),并得到了十分有意义的初步成果,概括起来有下列几个方面:1)2014—2016年El Niño事件是自1951年以来1982—1983年和1997—1998年El Niño事件之后的第三次强El Niño事件,但持续时间、峰值强度、累计海温距平连续超过2 ℃的时间等指标均强于前两次El Niño事件。2)赤道中西太平洋的多次西风爆发过程驱动了次表层异常海温东传,使El Niño维持和发展。3)2014—2016年El Niño事件给全球、亚洲和中国的天气气候与环境带来了明显影响,尤其在2015—2016年冬季给华南造成了破历史记录的降水。2016年6—7月给长江中下游造成了严重的洪涝灾害。4)与全球气温一致,给2015年中国地面气温带来了创有观测记录以来的最高纪录。5)评估了国际和中国业务对这次El Niño预测的水平,指出绝大部分预测结果对其持续发展过程,峰值出现时间强度与类型的转换基本是成功的。目前国内科学家正进一步深入研究这次El Niño形成的过程和机理以及对全球、亚洲和中国的影响,尤其是对2016年夏季长江和华北极端洪涝的影响。另一方面,也正在评估国际和中国对这次El Niño预测的能力。

本文研究的重点是2014—2016年El Niño的发生发展问题,主要根据目前的El Niño形成理论分析这次El Niño形成的关键条件与演变过程,并试图从大气强迫条件和海洋的响应过程说明为什么这次El Niño能够发展成为超强El Niño事件。

1 资料与方法

本文研究所依据的资料有3种来源:1)中国气象局国家气候中心发布的监测和诊断资料;2)美国NOAA发布的2014年1月—2016年5月最优插值逐月海温数据(OI-SSTV2,分辨率为1°×1°)与NCEP/NCAR逐月、逐日再分析资料(水平分辨率为2.5°×2.5°);3)日本气象厅出版的“Monthly Highlights on the Climate System”公报(http://ds.data.jma.go.jp//tcc/index.html)。

由上可见,ENSO理论的基本问题是能解释两种冷暖状态的转换。其中暖态的El Nio发生的关键条件是:1)持续东风盛行之后的西风爆发;2)西部温跃层的加深与Kelvin波产生并东传;3)秘鲁沿岸与大气环流年变化相关的离岸风(东南气流)产生的冷水上翻区的向北向西扩展受到明显抑制。本文以下将根据上述原则和关键条件分析2014—2016年超强El Nio的发生发展过程与相关机理。

2 连续的西风爆发与海洋增温

从2013年—2014年冬末到2014年春季,已观测到至少3次西风爆发过程(图2)。西风爆发不但改变了热带中东太平洋长期盛行的偏东信风,同时也开始改变了中东太平洋长达12 a的平均冷水状态。实况监测(图3a)显示,2014年赤道太平洋海温上升首先从太平洋中部(日界线附近)开始,春末赤道太平洋东部海温也开始明显增暖,海温距平中心超过1 ℃。中国气象局国家气候中心ENSO监测指标(Z指数)表明在5月达到El Nio事件开始的标准(>0.5 ℃)。暖海温在2014年春季迅速发展,由图4可以看到,由于西太平洋西风爆发后使表层海洋热含量迅速增长,西太平洋次表层暖海水东传,首先表现赤道为中太平洋明显增暖。春末赤道东太平洋(1+2海区)也开始明显增暖,海温距平超过1 ℃。这时期国内外多家数值模式预测2015年末发生El Nio事件的概率达50%～60%,并认为达到强El Nio事件的可能性较大。国家气候中心4月发布预测意见:赤道中东太平洋海温在2014年5—6月进入El Nio状态的可能性较大,并由此可能形成一次较强的El Nio事件。实际上,太平洋海温距平分布表明,在2014年3—5月在赤道太平洋中东部已形成了弱的El Nio事件,主要中心位于太平洋中部(图5)。

图1 2014—2016年El Nio事件的演变过程(单位:℃;红实线为Nio3.4区海温指数;蓝线为南方涛动指数)Fig.1 Evolution process of El Nio events in 2014—2016(units:℃;The red solid line indicates the SST index in the Nio3.4 area;The blue line indicates the Southern Oscillation index)

图2 2013—2014年太平洋赤道地区(5°N～5°S)850 hPa平均纬向风距平演变(单位:m·s-1;蓝色为东风区距平,红色区为西风距平)Fig.2 850 hPa mean zonal wind anomaly evolution of Pacific Equatorial regions(5°N—5°S) in 2013—2014(units:m·s-1;The blue area indicates the anomaly in the easterly region,and the red area indicates the anomaly in the westerly region)

图3 2014年1—12月(a)、2014年8月—2015年6月(b)赤道太平洋地区(5°N～5°S)海温距平时间—纬度剖面(单位:℃;红(蓝)色为暖(冷)海温距平;数字1—3表示增暖期)Fig.3 Time-latitude profile of Equatorial Pacific(5°N—5°S) SST anomaly:(a)January—December 2014;(b)August 2014—June 2015.The red(blue) part is the warm(cold) SST anomaly(units:℃).Numbers 1—3 indicate the heating period

2)交替的减弱与发展和增强期(2014年6月—2015年8月)

在这期间,赤道太平洋连续发生了约6次持续的西风爆发,不但继续和增强了赤道中东太平洋的增温,而且通过了两次(2014年5—8月与2014年10月—2015年3月)增温的减弱期或障碍期,使初生的El Nio事件不但未夭折,并明显增强为一次强El Nio事件。Nio3.4区平均海表温度距平在2015年8月达到2 ℃。由于Kelvin波的连续东传,El Nio型也由中部型向东部型过渡。图6为这个期间西风爆发(图6a、6b)与赤道太平洋热容量距平(图6c、6d)的时间—纬度剖面。可以清楚地看到多次西风连续爆发的情况与两次海洋增暖的减缓期(图3与图6c、6d),这两次减缓期形成的原因并不相同。2015年5—8月的减缓期期间(所谓春季或夏季预报障碍),几乎观测不到较强的西风爆发持续东传,8月甚至出现明显的东风距平。西太平洋次表层冷水发展,同时赤道东太平洋冷水也发展,但主要位于赤道以南地区,而赤道中太平洋仍为弱的暖水区。中东太平洋次表层热容量出现负距平(图7a、7b、7c),ENSO监测指标也呈现明显下降的特征,海温距平在7—9月增温停滞,基本维持在0.5～0.6 ℃。注意南方涛动指数(SOI)仍为明显负值,表明大气对海洋增温的响应并没有变(图7d)。

图4 赤道太平洋的ENSO监测区划分(a)及2013—2014年赤道中东太平洋不同海区平均SSTA的时间变化(b—e;单位:℃;黄色(蓝色)为正(负)距平)Fig.4 (a)shows the division of ENSO monitoring areas in the Equatorial Pacific area.(b—e)Time-variation of average SSTA in different sea areas of the Equator Middle East Pacific in 2013—2014(units:℃).The red(blue) area indicates the positive(negative) anomaly

图5 2014年3—5月平均海面温度距平(等值线间隔0.5 ℃;距平相对于1981—2006平均值;取自JMA,2014)Fig.5 Average sea surface temperature anomaly(SSTA) in March—May 2014.The contour interval is 0.5 ℃.The anomaly is relative to the average of 1981—2006(sourced from JMA,2014)

图7 2014年2月—2015年1月(a)、2014年8月—2015年6月(b)赤道中东太平洋次表层上层海洋热容量距平的时间变化(黄(绿)色圆圈的数字代表增暖期(减缓期));2014年8月热带太平洋海表温度偏差(c);以及2014年1月—2015年6月ENSO监测指标Z指数(单位:℃)和南方涛动指数(SOI)的时间变化曲线(d)Fig.7 Time-variation of the upper ocean heat capacity anomaly in the Equator Middle East Pacific subsurface(a.February 2014—January 2015;b.August 2014—June 2015).The yellow(green) circle number represents the heating period(slowing period).(c)Tropical Pacific sea surface temperature deviation for August 2014.(d)Time-variation of ENSO monitoring index(Z index,units:℃) and Southern Oscillation index(SOI) in January 2014—June 2015

到2014年秋与前冬赤道西太平洋暖水距平再次发展并东传,这促使减弱的El Nio又开始加强。赤道太平洋表层海洋热容量正距平发展,使ENSO监测指标缓慢上升,并于11月达到El Nio的第一次峰值(Z指数为0.9 ℃)。这种弱的El Nio特征一直维持到2014年底。到2015年1—3月,恢复后的El Nio又经历第二次增暖的减弱期,但这次海表温度迅速下降是发生在赤道东太平洋地区。这主要是由于东南太平洋副热带高压东南侧(0°～100°W)的东南风季节性加强的结果。这种离岸风使南美沿海冷水上翻,并向北向西扩展,由图8可以清楚地看到这种冷水向赤道扩展的现象,但值得注意的是,这时海表暖中心仍集中在日界线附近,依然表现出显著的中部型El Nio特征。因此,这次增暖减弱期主要影响赤道以南东太平洋东半部地区。由于暖的Kelvin波继续由中西赤道太平洋在次表层把暖水向东输送,抑制了季节冷水层的向北向西扩展,并没有使El Nio事件消亡。

图8 热带太平洋海表温度偏差(SSTA)分布 a.2015年1月11日—2月7日;b.2015年4月26—5月23日;c.2015年6月22—28日Fig.8 Tropical Pacific sea surface temperature anomaly(SSTA) distribution a.January 11—February 7 2015;b.April 26—May 23 2015;c.June 22—28 2015

2015年春季以后,至少又观测到3次强西风爆发(图6b)。赤道西太平洋暖水层又再次发展加强,并向东传,El Nio进入快速发展期。尤其是初夏连续两次较强的太平洋次表层暖性海洋波动东传,有力地促进了太平洋海表海温的再次发展加强(图6d)。ENSO监测指标也表明,海温呈现快速上升趋势,2015年6月Nio3.4区达到了1.5 ℃以上。图7d清楚地显示了赤道太平洋上层热容量与海表温度距平的两次减弱与三次增暖过程。

由于西风出现两次更强的持续性爆发(图9),相应中东赤道太平洋对流异常强盛(翟盘茂等,2016)由此激发的海洋Kelvin波把次表层暖水更有效的向东传播,同时中东赤道太平洋对流活动异常强盛导致El Nio条件下耦合的海气相互作用明显加强,两者共同导致了El Nio事件进一步快速增强到超强阶段。表1给出了鼎盛期连续5周(10月26日—11月29日)不同海区海表温度的变化,可以看到,从11月第二周在Nio3.4与Nio3区皆达到了3 ℃的增温,到11月第三周Nio3.4区达到3.1 ℃增温。这是2014—2016年超强El Nio达到的最高海温值,并表现为东部型的El Nio(主要增温在150°W以东)(图10)。

表1 2015年10月26日—11月29日ENSO监测指数变化(引自气候监测公报,2015)

Table 1 ENSO monitoring index changes from October 26 to November 29 2015(Cited from Climate Monitoring Bulletin,2015) ℃

4)快速衰减阶段(2016年3—5月)

在这个时期,西风爆发虽然存在,但强度明显减弱并主要限太平洋西部,中东太平洋偏东信风开始发展和盛行(图11),El Nio在Nio3.4区的海温距平迅速从2 ℃减少到0.5 ℃,以后开始向冷海温过渡(表1),到2016年8月,赤道中东太平洋已出现一条狭窄的冷水带(图12),这标志着长达2 a左右的一次超强El Nio事件的结束。

3 海洋Kelvin波的形成与向东传播

引起海洋增暖发生的一个关键因子是信风东风分量的减弱。在El Nio发生前,加强的东风使西部海平面上升,维持了海洋上层由纬向温度梯度产生的向东的压力。这时西部海洋的响应主要是温跃层加深,其上的暖水层积累。这种混合层暖水在西风区以东的所有地区都增厚,斜温层厚度也增加。同时赤道东太平洋(尤其是秘鲁沿岸)海水上翻,表层海温降低。这种形势即为所谓充电振荡理论的充电阶段。但是,一旦当东风减弱或西风爆发时,西高东低的海水压力不平衡将不能维持,结果西部海平面下降,温跃层上抬,而东部沿海发生相反变化。作为海洋的明显响应,将使原在充电期不断储存的暖水层的热含量释放出来(放电阶段),由此产生向东移动的Kelvin波使暖水向东移动(同时产生向西的Rossby波),从西太平洋扰动区传播到东太平洋,大约需要60 d时间。Kelvin波的能量来自西太平洋在东风盛行时期积累的暖水。只有当东风减弱或西风爆发才能启动Kelvin波将暖水东传。当Kelvin波到达南美沿岸,发生下翻(downwelling),暖水在沿岸地区积累,南赤道流的强度减弱,这使秘鲁海流的冷平流减弱。在Kelvin波与信风减弱的共同作用下,赤道上翻减弱,因而赤道表层迅速增暖,表现为1+2区海温增温,这就是经典的东部型El Nio事件的发生。中部型增暖只是在全球气候变暖后(1980—1990年)被逐步认识的(Ashok et al.,2007;Kao and Yu,2009)。应该指出,ENSO期间海表温度的变化关键是信风的减弱,但信风减弱的原因很多,西风爆发只是其中表现之一,并且常常是随机的。另一方面,信风的减弱其本身又是大气对异常高海温响应的一部分。因而,与海气相互作用有关的这两种原因增加了预报ENSO爆发的复杂性,使ENSO预报十分困难。

我们这里给出三次关键时期Kelvin波传播(图13和14),据此可更清楚地看出Kelvin波在赤道东太平洋东传受来自秘鲁沿岸冷水区阻挡的情况。尤其是发生在2015年1—2月的冷水区面积与厚度远比第一次(2014年8月)要广,要深。但无论如何,来自西太平洋的暖Kelvin波不断在西风爆发驱动下东传。这是使这次El Nio不致夭折的主要原因。2015年4月与5月,可以看到强烈的次表层暖海水向东传播的过程(图15)。东太平洋与南美沿岸的冷海水已完全消失,这种由2次强西风爆发启动Kelvin波对暖海水缓慢的东传使El Nio发展达到了盛期,成为近60 a来最强的一次El Nio事件。这次超强El Nio之后,迅速转换为冷位相。过去的观测表明,绝大部分La Nia是紧接El Nio事件之后发生,这符合延迟振子理论。

4 结语

2)早期的连续西风爆发不但改变了赤道太平洋长期持续的偏东信风,而且也改变了赤道中东太平洋长达12 a之久的冷水状态,使海洋进入El Nio事件的初生阶段。

图9 850 hPa赤道地区(5°N～5°S)纬向风距平时间—经度剖面(红色(蓝色)代表西风(东风)异常;单位:m/s;取自NOAA,2016)Fig.9 Time-longitude profile of 850 hPa Equator(5°N—5°S) zonal wind anomaly.The red(blue) part indicates the westerly(easterly) anomaly(units:m·s-1)(Cited from NOAA,2016)

图10 2015年11月第4周(11月23—29日)热带太平洋海表温度距平分布(取自中国气象局国家气候中心气候监测快报,2016)Fig.10 Tropical Pacific sea surface temperature anomaly distribution in the fourth week of November 2015(November 23—29)(Cited from the Climate Monitoring Bulletin of National Climate Center,China Meteorological Administration,2016)

图11 2016年3—8月850 hPa纬向风距平时间—经度剖面(单位m/s;红色(蓝色)代表西风(东风);取自JMA,2016)Fig.11 Time-longitude profile of 850 hPa zonal wind anomaly in March—August 2016(units:m·s-1).The red(blue) part indicates the westerly(easterly)(Cited from JMA,2016)

图12 2016年6—8月月平均海表温度距平分布(等值线间隔:0.5 ℃;距平值是相对于1981—2016年的平均值;引自国家气候中心(NCC),2016)Fig.12 Three-month average sea surface temperature anomaly distribution in June—August 2016.Contour interval:0.5 ℃.The anomaly value is the mean relative to 1981—2016(Cited from NCC,2016)

图13 2014年8—9月赤道太平洋次表层海温距平的东传过程(单位:℃) a.2014年9月28—10月2日;b.2014年8月9—13日;c.2014年8月24—30日;d.2014年9月8—12日;e.2014年9月25日Fig.13 Eastward propagation process of the Equatorial Pacific subsurface SST anomaly in August—September 2014((a)is the average of a five-day period,and (b—e) are the average profiles of three five-day periods;units:℃)

图14 2015年1—2月月赤道太平洋次表层海温距平的东传过程(单位:℃) a.2015年2月12日;b.2014年12月22—26日;c.2014年1月6—10日;d.2015年1月21—25日;e.2015年2月5—9日Fig.14 The same as in Fig.13,but for the situation of January—February 2015

图15 2015年3—5月赤道太平洋次表层海温距平的东传过程(单位:℃) a.2015年5月18—20日;b.2015年3月27—31日;c.2015年4月11—15日;d.2015年4月26—30日;e.2015年5月11—15日Fig.15 The same as in Fig.13,but for the situation of March—May 2015

致谢:作者引用了NOAA和JMA发布的有关海洋和大气资料,在研究中,柳艳菊、袁媛、王遵娅提供了不少帮助,并协助制作了部分图表，在此一并致谢。

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Analysis of the process and mechanisms of genesis and development for 2014—2016 mega El Nio event

DING Yihui

NationalClimateCenter,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081,China

The present paper has mainly analysed the process and mechanisms of genesis and development of the 2014—2016 mega El Nio event.It is shown that the entire lifecycle of the event is about 2 years(from April 2014 to May 2016),with four stages identified for its evolutive process:(1)Early and continuous westerly wind bursts(December 2013 to April 2014).The continuous three westerly wind burstsnot only changed the state of the easterly trade wind prevailing tropical central and easterly in the Pacific for long period of time,but also changed the cold water state in this region for the most recent 12 years,thus leading to SST rise and warming.Until early spring 2014,the SSTA exceeded 0.5 ℃,marking the possible occurrence of a new El Nio event.(2)Alternative weakening period(June 2014 to August 2015).Six westerly wind bursts continued to occur,thus maintaining and enhancing the warming of the equatorial central and eastern Pacific,while at the same time overcoming two periods of SST warming decrease or barrier,so that the initial development of El Nio was not aborted,and even changed into the stage of strong El Nio.Correspondingly,in the sub layer of the equatorial central and eastern Pacific,six warm Kelvin waves were observed to propagate eastward.The heat contents of these oceanic waves not only maintained the continuous warming in the equatorial central and eastern Pacific,but also caused El Nio to change from CP to EP type.(3)Peak period of development (September 2015 to February 2016).Two stronger westerly wind bursts were observed,which corresponded to very vigorous convective activity on the equatorial central and eastern Pacific.Rapid warming occurred in the Nio3.4 region,with 3 ℃observed in November 2015,classified as the mega-El Nio event.(4)Accelerating weakening stage(March to May 2016).The intensity of the El Nio rapidly weakened from 2 to 0.5 ℃ in the Nio3.4 region,then accelerated the transition to the cold water phase.In July to August 2016,the SSTA in the Nio3.4 region already approached -0.5 ℃.This rapid phase shift is a manifestation of the theory of delayed oscillation.

From the above results,it is concluded that the development and shift of warm and cold phases is observationally consistent with the mechanism derived from the paradigm of the current theory of recharge oscillation and/or delayed oscillation theory.This clearly demonstrates that the results of the El Nio theory effectively underpin the development of related operational prediction.

(责任编辑：张福颖)

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10.13878/j.cnki.dqkxxb.20161028003.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20161028003

通过本文分析,可以得到,这次El Niño发生发展与冷暖位相转换的观测事实与目前的理论结果(如充电振荡与延迟振子理论)是一致的。正因为如此,基于这些理论的El Niño预报也是相当成功的。这清楚地表明El Niño理论研究的成果对于相关业务预报发展具有明显的科学支撑力。

*联系人，E-mail:dingyh@cma.gov.cn