冬季东太平洋峡谷风的季节内变化及相联系的海气特征

刘雅楠 徐海明 张乐英

摘要 基于高分辨的卫星资料和再分析资料，本文采用合成分析、相关分析和带通滤波等方法研究了季节内时间尺度上东太平洋峡谷风的变化，并首先发现冬季东太平洋峡谷风存在4～16 d的季节内变化周期。进一步分析表明在该时间尺度上峡谷风异常与局地海温异常之间的关系存在由负相关到正相关的明显转变，在峡谷风强度达到最大之前及最大时，峡谷风异常与局地海温异常之间的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用，北风分量的加强使中高纬度干冷空气进入峡谷风地区，海表面的净热通量损失使得海温降低。在峡谷风强度达到最大之后其与局地海温异常的关系则转变为海洋对大气的强迫作用，冷海温异常可一直持续到峡谷风强度达到最大后的第六天。冷海温异常的维持使得湍流混合受到抑制，导致其上的海表面风速减小。此外，峡谷风的季节内变化可能与东太平洋至北美上空的大气环流异常及其演变有关。在湾区峡谷风达到最大之前，北太平洋海平面气压正异常逐渐东移南下并在其最大时到达墨西哥湾上空，使得北美高压增强，湾区两侧气压差增大，对应湾区峡谷风达到最大。

关键词峡谷风;东太平洋;季节内变化;海气关系

在太平洋除赤道西太平洋暖池以外，在东太平洋还有另一个暖水区常年存在，被称之为东太平洋暖池。东太平洋暖池支撑着全球大气的主要对流中心，并通过大气桥和海洋桥对全球气候产生影响（Mitchell and Wallace，1992;Wang and Enfield，2003）。位于东太平洋东侧近乎南北走向的中美洲山脉存在三处特殊的峡谷地形，分别对应于墨西哥南侧的特宽特佩克湾区（Gulf of Tehuantepec，简称TT），尼加拉瓜附近的帕帕加约湾区（Gulf of Papagayo，简称PP），以及巴拿马的巴拿马湾区（Gulf of Panama，简称PN）（图1）。峡谷地形连接着来自中美洲东北侧墨西哥湾相对较冷的空气和其西南侧东太平洋暖池的低层暖空气，两侧强烈的气压差导致湾区常出现大于12 m/s的低空急流，形成TT的北风低空急流以及PP、PN的东北风低空急流。

Fiedler（2002）注意到中美洲特殊的峡谷地形创造了得天独厚的气象条件，对当地的气候、渔业和航海业有重要意义。众多学者从季节、年际和年代际时间尺度分析了峡谷风的不同变化特征（Barton et al.，1993;Trasvina et al.，1995;Xie et al.，2005;Sun and Yu，2006;Romero-Centeno et al.，2007;Karnauskas et al.，2008;Trasvina and Barton，2008;Liang et al.，2009）。Xie et al.（2005）发现峡谷风存在显著的季节变化。一般而言，峡谷风在冬季最强，在夏季最弱甚至消失，而春、秋两季则为过渡时期。Mcclain et al.（2002）利用卫星资料发现三处峡谷区下风方向存在高浓度的叶绿素，并归因于风驱动的冷水上翻所致。Chelton（2004）认为尽管峡谷风事件是周期性的高频现象，但是就其对海洋次表层的强烈影响而言，峡谷风具有长期的气候意义。在年际尺度上，Sun and Yu（2006）通过海洋区域模式的模拟发现峡谷风的低频变化对海表面温度的年际变化有调制作用，同时还影响着海洋动力和生物过程。此外有研究表明峡谷风的年际变化受ENSO影响，如Romero-Centeno et al.（2003）利用观测资料对TT进行数值模拟，发现在El Nio年TT北风分量强度高于La Nia年。峡谷风还存在显著的年代际变化，如东太平洋峡谷风在20世纪90年代中期，存在由偏弱转为偏强的年代际位相转换，Karnauskas et al.（2008）把这种年代际转换归因于北大西洋三极模态的遥相关影响。

21世纪以来，一系列高分辨率的卫星资料使人们认识中小尺度的海气相互作用成为可能（Chelton et a1.，2000;Hashizume et a1.，2002;Kobashi et a1.，2008;陶丽等，2013;沈新勇等，2016）。纵观前人的研究，对东太平洋峡谷风季节内时间尺度上的变化研究少有涉及。同时考虑到峡谷风在冬季达到最强（Xie et al.，2005;Sun and Yu，2006;Romero-Centeno et al.，2007），因此，本文試图探讨冬季东太平洋峡谷风的季节内时间尺度变化特征，并在此基础上，进一步揭示季节内时间尺度上与冬季峡谷风相联系的局地海气关系。

1 资料与方法

所用的大气数据为：1）美国环境预报中心（NCEP）Climate Forecast System Reanalysis（CFSR）的10 m风场，其水平分辨率0.5°×0.5°。CFSR 10 m风场是由QuickSCAT风场同化得到（Sasaki et al.，2012），与QuickSCAT海表面10 m风场相比，在1999—2009 年同一时间段两者对东太平洋峡谷风的分析结果相一致。因此，本文在研究峡谷风的季节内时间尺度变化时最终采用了时段更长的1979—2014年CFSR的再分析资料。2）The Tropical Rainfall Measuring Mission（TRMM）卫星的降水和云中液态水资料，其观测范围在南北纬40°之间，资料水平分辨率为0.25°×0.25°，时段为1998—2014年。3）美国伍兹霍尔海洋研究所的Objectively Analyzed air-sea Fluxes（OAFlux）的净热通量数据，其水平分辨率为1°×1 °，资料时段为1998—2009年（Yu et al.，2004a，2004b;Yu and Weller，2007）。

所用海温数据为美国国家海洋大气局最优插值逐日的Advanced Very High Resolution Radiometer（AVHRR）海表面温度，分辨率为0.25°×0.25°，时段为1982—2014年（Reynold et al.，2007）。除OAFlux资料时段限制外（1998—2009年），为方便讨论，本文主要分析上述资料的重叠时间1998—2014年。

为了研究冬季峡谷风季节内时间尺度上的变化特征，首先对1998—2014年每年冬季（11月—次年2月）共120 d（闰年121 d）峡谷风关键区的海表面10 m风速平均值进行小波分析，得到其季节内变化的主周期。然后用带通滤波从逐日的风场异常中滤出季节内变化的主要分量，并将其在关键区内的平均值定义为峡谷风的强度指数。本文气候态是指1998—2014年的多年平均。所用的研究方法主要是相关分析、合成分析等统计方法。

2 峡谷风的时空变化特征

图2分别给出了1998—2014年冬季东太平洋海表面10 m风和海温的气候态分布及其在90 d以下季节内时间尺度异常的标准差。从10 m风场的气候态分布来看，三个湾区均存在东北风大风速区，风速大值区由峡谷位置向东南方向伸展（图2a）。其中，TT和PP湾区风速较大，PN湾区的风速相对较小。对照海温气候态分布（图2b）可知，TT和PP两支峡谷风所在海区分别对应于两个海温低值中心，海温低值中心的最小值可低

至23 ℃。PN湾区由于峡谷风速较小，并没有出现海温低值中心，但仍对应一冷舌存在。从季节内时间尺度变率来看，风场季节内变率最大值正好出现在风速较大的湾区，其中TT湾区季节内变率最大，PP湾区次之，PN湾区变率明显小于前两个湾区。不难发现，本文所选用的CFSR资料基本可以反映出东太平洋气候态上三大湾区的风场大值区及其对应的季节内尺度变率。由于本文关注的是峡谷风的季节内变化特征，因此下文主要研究季节内变率较大的TT和PP湾区，而PN湾区峡谷风季节内变率较小，本文暂不讨论。综合峡谷内风速及其季节内变率的大值区，分别将（97.0°～93.0°W，11.5°～16.0°N）和（92.0°～86.0°W，7.0°～11.5°N）定义为TT和PP湾区的关键区并进一步研究其10 m风的季节内变化特征（图2黑色方框所示）。此外，除东太平洋湾区存在海温的低值区外，湾区内同样对应海温的季节内变率大值区，这表明湾区上层的海表面风速可能与海温存在密切联系，它们之间的相关关系也将在下文讨论。

图3给出了1998—2014年多年平均的冬季TT峡谷风强度指数逐日时间序列演变以及相应的小波分析频谱。由图可见，多年平均的TT湾区的风速可达7 m/s（图3a），峡谷风强度指数在冬季（11月—次年2月）主要呈现出4～16 d季节内时间尺度上的周期变化（图3b），并均通过了95%显著性的红噪声检验。作为典型例子，分别对1998和2013年冬季TT峡谷风强度指数进行分析（图3c—f），北部TT湾区的风速有时可高达15 m/s以上，远高于低空急流的标准。1998年冬季的TT峡谷风强度指数不仅出现了4～16 d的季节内时间尺度上的变化周期，而且还存在一个20～30 d的变化周期（图3d）。2013年冬季的TT峡谷风强度指数除4～16 d的季节内周期变化外，在12月中旬之前还出现了一个16～30 d的周期（图3f）。以上分析表明，尽管不同年份TT湾区峡谷风的季节内变率周期存在一定的差异，但多年平均和典型年中峡谷风存在4～16 d季节内时间尺度上的周期变化。同样对PP峡谷风强度指数的小波功率谱分析发现，PP湾区的风场也主要表现为4～16 d的季节内周期变化特征（图略）。

3 与冬季峡谷风季节内变化相聯系的气象要素场及海气变化特征

上一节分析表明，冬季东太平洋峡谷风存在明显的4～16 d季节内变化周期。本节将讨论该季节内时间尺度上与冬季峡谷风相联系的海气特征。图4给出了海表面风场、海温、净热通量和海温倾向变化在峡谷风正、负位相之间差值场，其中峡谷风正位相选取标准化后TT和PP强度指数均大于1.0标准差的91个样本，峡谷风负位相选取两者均小于负1.0标准差的96个样本。下文提及的风速、海温等变量均指其相应的异常场。从图4a可见，峡谷风异常增强时，中美洲以西的东太平洋上海表面风场表现为一异常反气旋性环流，其南侧为东北风异常。同时在海温场上，在东太平洋的TT和PP湾区均表现为冷异常（图4b）。湾区海温冷异常与海表面风速正异常相对应，表明峡谷风的加强可能通过蒸发冷却作用使得海表面失去的净通量增加（图4c），从而引起海温降低，即峡谷风达到最大时局地海气关系表现为大气对海洋的强迫作用。Wu and Kinter（2010）提出一种判断局地海气相互作用是大气强迫海洋还是海洋强迫大气的方法，即若向下的净通量异常与海温倾向异常为显著正相关，则实质上反映的是大气对海洋的强迫;反之，则相反。基于此方法，结合图4c净热通量异常和海温倾向异常合成分析的结果可以看出，向下的净通量负异常和海温倾向负异常相对应，即向下的净热通量异常和海温倾向异常正相关，该方法也进一步验证了峡谷风达到最大时大气对海洋的强迫作用。

上文分析表明峡谷风达到最大时的局地海气关系表现为大气对海洋的强迫作用，为进一步研究在其达到最大前后期的海气变化特征，图5给出了峡谷风强度达到最大前4 d至峡谷风强度达到最大后6 d的海（陆）表面10 m风场和海温场。从图5a和图5a1可见，在-4 d时，中美洲两侧的东太平洋和北美南部及墨西哥湾主要受两个气旋异常环流控制，其中一个气旋性异常环流中心位于墨西哥北部沿岸，另一个位于中美洲沿岸。此时，峡谷风地区盛行西南风异常，对应于峡谷风的减弱，其所对应的海区为海温正异常。在-2 d时，北美大陆中部已经转变为较为一致的异常偏北气流，该偏北异常气流越过了TT峡谷并进入了东太平洋，在TT湾区产生了较强的东北异常气流，此时墨西哥湾区的偏北气流还没有到达PP峡谷。相应地，在TT和PP湾区仍维持较强的暖海温异常（图5b和图5b1）。在0 d时，墨西哥湾和北美大陆南部受到一个较为完整的异常反气旋环流控制，该反气旋环流南侧盛行的较强东北风异常气流分别越过了TT和PP峡谷，使得峡谷风达到最强。相应地，湾区的海温由前期的暖异常转变为冷异常（图5c和图5c1）。在后2 d至后4 d时，随着原先控制北美南部和墨西哥湾的异常反气旋减弱东移（图5d—e），峡谷风强度也随之减弱，但有意思的是随着峡谷风减弱，TT和PP湾区的冷海温异常并没有减弱消失，反而继续发展加强并向西扩展（图5d1—e1）。这种冷的海温异常可一直维持到峡谷风达到最大后的第6天（图5f1）。综上，湾区峡谷风达到最大之前，峡谷风偏弱，对应湾区海温正异常，表明在峡谷风达到最大之前湾区海气关系为大气影响海洋，与峡谷风达到最大时一致。然而，后期峡谷风偏弱，湾区海温负异常，这表明在峡谷风达到最大之后海气关系转变为海洋影响大气。即在湾区峡谷风达到最大前后，湾区局地海气关系存在由大气影响海洋到海洋影响大气的转变过程。

从TT和PP湾区海表面10 m风速异常与海温异常的相关关系在峡谷风达到峰值前后的演变（图6）上可以更清楚地看到上述海气关系的转变过程。在峡谷风强度达到最大之前，TT和PP湾区的风速与海温之间存在显著的负相关，即海气之间主要表现为大气对海洋的强迫作用，并且这种强迫作用可以通过海表面的感热通量、潜热通量来解释（Natmias and Cayan，1981;赵永平，1986;Wallace et a1.，1990;Alexander et a1.，2002;李丽平和罗婷，2014;马小娇等，2015;黄勇等，2017），即中高纬度的干冷空气通过峡谷进入东太平洋TT和PP湾区，增强了海表面热量交换，使得海表面失去的净通量增多，热量净损失则导致海温降低。在峡谷风强度达到最大后，海温与峡谷风之间的关系则转变为明显的正相关关系，表明海气之间主要表现为海洋对大气起强迫作用，尤其是冷海温异常的强迫作用可以持续到峡谷风强度达到最大后的第六天。冷海温区的存在可导致冷海水区上空大气稳定度增加（图略），大气垂直混合受到抑制，从而使得海表面风速减少（Chelton，2004;Xie，2004;王坚红等，2016）。这种风速与海温之间的正相关关系同样被用来解释其他海区中尺度海气相互作用中海洋对大气的强迫作用，如索马里西部的阿拉伯海（Vecchi et a1.，2004），中国东海（Xie et a1.，2002）以及黑潮延伸区（Nonaka and Xie，2003）。

此外，峡谷风强度的季节内变化与水汽的关系也存在由负相关到正相关的转变，不同的是这种转变发生在峡谷风达到最大的后3 d。在峡谷风强度达到最大前3 d（-3 d），TT峡谷风异常与水汽含量异常负相关系数为-0.27，-2 d时PP峡谷風异常与水汽含量异常负相关系数达到-0.34，随后负相关减弱，在峡谷风强度达到最大后3 d时相关系数几乎为0后转为正相关，后5 d时正相关达到0.27。因此，峡谷风与海温关系的转变可能对东太平洋湾区的水汽也存在一定的影响。

为进一步研究湾区风速异常对后期水汽的影响，图7给出了峡谷风强度达到最大当天以及随后的第2天、第4天降水和云中液态水（cloud liquid water，简称CLW）随时间的变化情况。由图可见，峡谷风强度达到最大当天以及第2天，TT和PP湾区降水和云中液态水含量均有所减少，降水量和云中液态水的减少与峡谷风导致的离岸风的增强（图7a，a1和b，b1）及相应低层辐散的增强有关。有意思的是，在距离中美洲西海岸近1 500 km的太平洋上形成了一条与中美洲海岸线近乎平行的降水雨带，这条西北-东南走向的雨带同样也反映在云中液态水场上。从图中还可以清楚看到，这条异常降水雨带正好位于与峡谷风相联系的偏东异常气流的前沿位置，表明这条异常雨带的形成可能与峡谷风爆发后在其向西推进过程中与环境气流的辐合有关。第4天时，此时虽然峡谷风已经减弱消失，但是中美洲西部沿海仍然维持较强的降水量和云水负异常，而这种降水量和云水的减少很可能与持续存在的较强冷海水异常有关（图7c，c1）。这与图6在峡谷风达到最大后3天前，峡谷风风速异常与水汽含量异常负相关，而在峡谷风达到最大后第4天后两者变为正相关一致。由此可见，峡谷风的季节内变化同样可以引起东太平洋上降水和云水的变化。

综上，TT和PP湾区峡谷风在达到最大时主要表现为大气对海洋的强迫作用。在峡谷风达到最大前后湾区的海气关系会发生改变，在达到最大之前表现为大气影响海洋，而之后则表现为海洋影响大气。此外，峡谷风与海温关系的转变可能对东太平洋湾区的降水和水汽也存在一定的影响。在峡谷风达到最大和后两天，峡谷风和降水及水汽为负相关关系，在峡谷风达到最大后4 d两者变为正相关关系。

4 冬季峡谷风季节内变化与大气环流的联系

大尺度环流背景可以提供中小尺度系统形成的基本条件，同时其相应的变化也可制约中小尺度系统的变化。因此，大尺度环流变化可能对中小尺度系统变化有重要的指示意义。例如，研究发现北大西洋三极模态和北极涛动对东太平洋峡谷风的年代际变化均有显著影响（Karnauskas et al.，2008;Karnauskas，2014）。为研究峡谷风季节内变化与大尺度环流的可能联系，图8给出了峡谷风正、负位相之间东太平洋至北美海平面气压和500 hPa位势高度场的差值场。由图可见，峡谷风的强弱变化与东太平洋至北美中高纬环流的异常显著相关。峡谷风异常增强时，在海平面气压场上主要表现为在北美大陆和墨西哥湾上空为一个大范围的海平面气压正异常所控制，该正异常正好位于气候态上北美高压所在位置，使得北美高压增强，对应峡谷风两侧的气压场增强，有利于峡谷风增强。在东太平洋上则表现为被一个负海平面气压异常区控制，海平面气压异常减弱。相应地，在对流层中层的500 hPa高度场上，东太平洋经北美上空至北美东部沿岸表现为一个“-+-”型的位势高度异常分布，表明峡谷风异常增强时，北美大陆上空500 hPa位势高度场异常升高，而在其东西两侧的太平洋和北美东部沿岸位势高度场异常减弱。由此可见，峡谷风的强度变化可能与北美大陆上空的大气环流异常变化有关。

为进一步揭示峡谷风季节内变化与中纬度大气环流演变的关系，图9分别给出了峡谷风强度达到最大的前6 d至最大当天海平面气压和500 hPa位势高度异常合成场。由海平面气压时间演变可见，在峡谷风达到最大的前6 d（-6 d），北太平洋白令海峡附近出现了一个海平面气压正异常中心但未通过显著性检验。随着时间的推移，该海平面气压异常中心向东移动;-4 d时，移至北美大陆的西海岸;-2 d时，越过洛基山山脉明显发展加强并向南移动，同时在东太平洋上空出现了一个海平面气压负异常中心;0 d时，海平面正异常进一步南移至墨西哥湾上空，对应北美高压增强，湾区两侧气压差增强，峡谷风强度也相应达到了峰值。类似地，上述海平面气压随时间的演变特征同样反映在500 hPa位势高度场上，有所不同的是500 hPa位势高度场的异常更加表现为一个正负位势高度场相间的波列，自西向东移动。随着正位势高度场越过洛基山山脉后明显发展加强并南移，峡谷风也随之达到峰值。因此，峡谷风强度的季节内变化可能与来自北太平洋异常海平面气压东移南压至北美大陆并引起北美高压强度发生变化有关。

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Sub-seasonal variation of gap winds over the eastern Pacific and its associated air-sea interaction

LIU Yanan1，2，XU Haiming1，ZHANG Leying3

1Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters（CIC-FEMD）/Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education（KLME）/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change（ILCEC），Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

2Meteorological Science Institute of Jiangxi Province，Nanchang 330046，China;

3College of Biology and the Environment，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China

Based on high-resolution satellite observations and NCEP-CFSR reanalysis results，this study investigates the sub-seasonal variation of the winter gap wind over the eastern Pacific and its associated air-sea interaction.It is observed that gap wind displays a significant sub-seasonal cycle during the period of 4—16 days.In the sub-seasonal cycle，the relationship between the gap wind anomaly and its underlying sea surface temperature（SST） anomaly undergoes a significant transition when the gap wind reaches its peak phase.Before the peak phase，their relationship is negative，indicating an atmospheric-to-oceanic forcing.During this period，the increasing northerly winds blow toward the Gulfs with a dry and cold air flow，enhancing the surface net heat fluxes loss，in turn leading to the SST decreased.After the peak phase ends，the relationship between gap wind anomaly and its underlying SST anomaly turns positive，corresponding to an oceanic-to-atmospheric forcing，and particularly worth noting is that the negative SST anomalies can last for 6 days.The associated cold SST anomaly in turn suppresses the turbulent mixing，causing the sea surface wind speed to decrease.In addition，the atmospheric circulation anomalies over the eastern Pacific toward North America may exert an influence on the sub-seasonal variation of the gap wind.Positive sea level pressure anomalies over the North Pacific move southeastward as the gap wind increases，and reach Mexico Bay when the gap wind reaching its peak.The sea level pressure anomalies over Mexico Bay enhance the North American High，so as to enlarge the pressure differences between the east and west side of the Gulfs，thereby contributing to the gap wind peak.

gap wind;eastern Pacific;sub-seasonal variation;air-sea relationship

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20171024001

（責任编辑：刘菲）