魯云龍 馮俊喬 , 賈 凡 , 王慶業(yè) ,

(1. 中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院海洋研究所 青島 266071; 3. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 4. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心 青島 266071; 5. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266237)

厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(El Ni?o and Southern Oscillation, ENSO)是熱帶太平洋海氣作用最強(qiáng)的年際信號(hào), 主要的暖冷ENSO 事件分別對(duì)應(yīng)厄爾尼諾和拉尼娜。進(jìn)入21 世紀(jì)之前, 關(guān)于ENSO 傳統(tǒng)的較成熟理論主要著眼于熱帶西太平洋對(duì)ENSO 發(fā)生發(fā)展的影響。一般而言, 厄爾尼諾事件存在兩個(gè)先決條件: 赤道西太平洋的暖水堆積(Wyrtki, 1985)和西風(fēng)異常(Luther et al, 1983; McPhaden et al, 1992)。當(dāng)條件滿足時(shí), 異常的暖水可以很容易的向東傳播, 造成中東太平洋的異常變暖。這一變暖會(huì)通過大氣遙相關(guān)對(duì)全球的天氣和氣候造成顯著的影響。但是, 進(jìn)入21 世紀(jì)后, ENSO 展現(xiàn)出了一系列不同于以往的特征, 最為顯著的就是暖海溫異常中心位于赤道中太平洋地區(qū)的中部型厄爾尼諾事件頻繁發(fā)生(Ashok et al, 2007), 這對(duì)ENSO 傳統(tǒng)理論提出了挑戰(zhàn)。

除了熱帶太平洋海氣變率對(duì)ENSO 產(chǎn)生重要影響外, 在過去十幾年中, 許多研究表明, 熱帶以外的太平洋海氣變率可能為ENSO 事件的激發(fā)提供一個(gè)重要的確定因素。Vimont 等(2001)最先提出季節(jié)性足跡機(jī)制, 認(rèn)為北太平洋濤動(dòng)作為北半球冬季大氣變率的第二模態(tài), 其南半支通過調(diào)節(jié)東北信風(fēng)的強(qiáng)度, 從而改變潛熱通量, 在副熱帶東北太平洋留下海表面溫度異常(sea surface temperature anomalies, SSTA)足跡, 同時(shí)與信風(fēng)相互作用, 在風(fēng)-蒸發(fā)-海表面溫度反饋(wind-evaporation-sea surface temperature (SST) feedback, WES, Xie et al, 1994)作用下向西南傳播, 在赤道太平洋引起類ENSO 變率。Chiang 等(2004)提出北太平洋SST 經(jīng)向梯度和熱帶輻合帶(intertropical convergence zone, ITCZ)的變化存在一定聯(lián)系, 在副熱帶北太平洋存在一個(gè)與大西洋經(jīng)向模類似的模態(tài), 稱之為北太平洋經(jīng)向模(North Pacific meridional mode, NPMM)。Chang 等(2007)研究表明, 大多數(shù)厄爾尼諾事件之前都有明顯的北太平洋經(jīng)向模正位相(東北太平洋暖異常)活動(dòng), 北太平洋經(jīng)向模是北太平洋大氣變率影響ENSO 的重要通道。還有一些研究表明, 北太平洋經(jīng)向模能通過海氣過程對(duì)中部型厄爾尼諾事件產(chǎn)生重要影響(Yu et al, 2010; Su et al, 2014a)。Su等(2014b)指出2012 年秋季厄爾尼諾事件增暖的突然中斷與北太平洋經(jīng)向模的活動(dòng)有關(guān), 副熱帶東北太平洋受北太平洋經(jīng)向模影響產(chǎn)生SST 冷異常, 其所導(dǎo)致的東風(fēng)異常和低層輻散抑制了赤道中太平洋的對(duì)流活動(dòng), 使得2012—2013 年厄爾尼諾夭折。在年代際尺度上, Di Lorenzo 等(2015)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明太平洋低頻變率與NPMM-ENSO 的聯(lián)合作用相關(guān)。

Zhang 等(2014)利用海氣熱力學(xué)耦合模式研究了南太平洋經(jīng)向模(South Pacific meridional mode, SPMM)暖異常海溫信號(hào)在風(fēng)-蒸發(fā)-海表面溫度反饋下傳到熱帶太平洋的過程, 并提出云-SST 反饋機(jī)制在其中的作用。2014 年初, 許多專家預(yù)測(cè)年底會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度堪比1997—1998 年厄爾尼諾的ENSO 暖事件, 然而, 到了夏季暖異常增長停滯; 有研究發(fā)現(xiàn), 在該事件過程中, 與南太平洋經(jīng)向模有關(guān)的副熱帶東南太平洋冷SSTA 與赤道西太平洋的持續(xù)增暖相配合, 減弱了赤道太平洋緯向溫度梯度, 增強(qiáng)了赤道中東太平洋的東南信風(fēng), 抑制了赤道中東太平洋的海氣相互作用, 使得厄爾尼諾發(fā)展受到阻礙(Min et al, 2015)。Zheng 等(2018)發(fā)現(xiàn)南太平洋經(jīng)向模東北極子區(qū)域的異常海溫信號(hào)向赤道傳播過程中, 風(fēng)-蒸發(fā)-海表面溫度反饋不是必須的, 信風(fēng)的變化也可引起赤道太平洋次表層變化, 從而引起ENSO 事件。

在ENSO 預(yù)報(bào)方面, Larson 等(2014)肯定了北太平洋經(jīng)向模作為ENSO 預(yù)報(bào)因子的有效性, 但也發(fā)現(xiàn)其預(yù)報(bào)技巧很低, 并且Larson 等(2018)提出南太平洋經(jīng)向模的另一個(gè)角色, 不是作為ENSO 的觸發(fā)因子, 而是作為ENSO 振幅和不確定性的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)因子。有研究表明, 南北半球的經(jīng)向模態(tài)與不同類型ENSO之間具有重要聯(lián)系, 南太平洋經(jīng)向模有利于東部型厄爾尼諾, 北太平洋經(jīng)向模更有利于中部型厄爾尼諾的發(fā)生(Zhang et al, 2014; Lin et al, 2015)。Min 等(2017)也指出南太平洋經(jīng)向模主要有利于東太平洋SSTA 發(fā)展, 北太平洋經(jīng)向模主要有利于赤道中太平洋SSTA 發(fā)展, 并據(jù)此可以參考這兩個(gè)經(jīng)向模態(tài)對(duì)兩類ENSO 進(jìn)行預(yù)測(cè)。

綜上可見, 近些年來, 已有學(xué)者對(duì)北太平洋經(jīng)向模和南太平洋經(jīng)向模同ENSO 的關(guān)系進(jìn)行了探索, 但同時(shí)對(duì)比分析兩半球副熱帶太平洋經(jīng)向模和熱帶的關(guān)系的研究比較少, 且尚無一致結(jié)論。本文將系統(tǒng)分析南北太平洋兩個(gè)副熱帶經(jīng)向模和ENSO 的關(guān)系, 深入理解副熱帶和熱帶海氣相互作用的過程和機(jī)制, 并試圖建立利用副熱帶變量預(yù)測(cè)ENSO 的統(tǒng)計(jì)模型。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文所使用的月平均海表面溫度資料來自英國氣象局Hadley 中心的海冰和海表面溫度數(shù)據(jù)集(HadISST)。月平均海表面高度(sea surface height, SSH)資料來自海洋再分析系統(tǒng)ORAS4(ocean reanalysis system 4), 因?yàn)楹１砻娓叨葷q落是衡量溫躍層深度擾動(dòng)的一種很好的方法, 所以可以用它來代表溫躍層的變化(Rebert et al, 1985)。使用的大氣資料來自美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心發(fā)布的再分析數(shù)據(jù)(NCEP-NCAR Reanalysis 1, Kalnay et al, 1996), 其中包括海表面月平均風(fēng)場(chǎng)和熱通量。本文分析的變量期間為1948—2018 年。

首先對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行線性去趨勢(shì)處理, 去傾后的各變量減去其季節(jié)循環(huán)得到變量異常值。對(duì)異常序列進(jìn)行3 個(gè)月的滑動(dòng)平均。

使用的主要分析方法有最大協(xié)方差分析(maximum covariance analysis, MCA)、超前滯后相關(guān)分析、回歸分析等。對(duì)相關(guān)分析的結(jié)果檢驗(yàn)采用了Student’s t-test 方法。

2 結(jié)果分析

2.1 副熱帶南、北太平洋經(jīng)向模

為了獲得北太平洋經(jīng)向模的時(shí)空分布, 對(duì)10m 風(fēng)異常和SSTA 的協(xié)方差矩陣進(jìn)行最大協(xié)方差分析, 由于熱帶地區(qū)更強(qiáng)的信號(hào)會(huì)掩蓋副熱帶的特征, 所以在分析之前, 線性去除了冷舌指數(shù)(6°S—6°N, 180°—90°W平均SSTA, CTI, Deser et al, 1990), 從而將ENSO 信號(hào)剔除。在北太平洋(0°—35°N, 175°E—95°W)對(duì)余下數(shù)據(jù)進(jìn)行最大協(xié)方差分析, 第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為72.5%, 相應(yīng)的時(shí)間序列分別標(biāo)記為 NPC(north principal components)-Wind 和NPC-SST。為了探索NPC-Wind 和NPC-SST 的關(guān)系, 計(jì)算了兩個(gè)系數(shù)的超前滯后相關(guān)(圖2a), 結(jié)果顯示當(dāng)風(fēng)超前SST 一個(gè)月時(shí), 相關(guān)系數(shù)最大, 為0.75, 這表明風(fēng)驅(qū)動(dòng)海洋。

圖1 副熱帶北、南太平洋經(jīng)向模態(tài)(a, b)及其時(shí)間序列(c, d) Fig.1 North and south Pacific meridional modes and the time series

如圖1a 所示, 分別將10m 風(fēng)、SSTA、潛熱通量和海表面氣壓異常(sea level pressure anomalies, SLPA) 回歸到標(biāo)準(zhǔn)化的NPC-Wind 上, 得到北太平洋經(jīng)向模的空間結(jié)構(gòu)。北太平洋經(jīng)向模態(tài)的物理解釋與已經(jīng)建立的大西洋經(jīng)向模態(tài)類似。圖1a 顯示北太平洋經(jīng)向模的海溫正異常中心位于(150°—125°W, 12°—25°N), 負(fù)異常中心位于(180°—160°W, 25°—32°N), 定義該結(jié)構(gòu)為北太平洋經(jīng)向模正位相。除SSTA 呈現(xiàn)偶極子結(jié)構(gòu)外, 海表面氣壓異常也表現(xiàn)為南北偶極子結(jié)構(gòu), 其南極(中心位于160°—140°W, 25°—40°N)通過調(diào)節(jié)副熱帶高壓系統(tǒng), 使副熱帶東南太平洋出現(xiàn)異常西南風(fēng), 這就抑制了背景東北信風(fēng), 對(duì)應(yīng)負(fù)潛熱通量異常, 潛熱釋放減少, 有利于正SSTA 發(fā)展。

在副熱帶南太平洋(12°—38°S, 180°—70°W), 對(duì)10m 風(fēng)異常和SSTA 進(jìn)行相同的最大協(xié)方差分析, 第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為44.4%, 相應(yīng)的時(shí)間序列標(biāo)記為SPC-Wind 和SPC-SST。超前滯后相關(guān)分析顯示(圖2d), 與北太平洋經(jīng)向模相同, 當(dāng)風(fēng)超前SST 一個(gè)月時(shí)相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大0.54。同樣的, 圖1b 顯示了10 m異常風(fēng)場(chǎng)、SSTA、潛熱通量異常和海表面氣壓異常相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化的SPC-Wind 的回歸場(chǎng)。海溫正異常中心位于(100°—70°W, 20°—35°S), 負(fù)異常中心位于(140°—120°W, 32°—45°S), 定義為南太平洋經(jīng)向模的正位相結(jié)構(gòu)。在中高緯度存在一個(gè)海表面氣壓異常的偶極子結(jié)構(gòu), 類似于北太平洋經(jīng)向模的情形, 副熱帶高壓系統(tǒng)的變化調(diào)節(jié)背景信風(fēng), 從而改變潛熱通量, 影響海表面溫度。

為了研究兩個(gè)經(jīng)向模的時(shí)間特征, 分別計(jì)算了SST 和風(fēng)指數(shù)的季節(jié)性變率。由圖2b、c 可知北太平洋經(jīng)向模在北半球冬季(12 月至來年3 月, DJFM)大氣變率最強(qiáng), SST 在冬春季(1—5 月, JFMAM)變率最強(qiáng)。而南太平洋經(jīng)向模有所不同, 圖2e、f 顯示, 南太平洋經(jīng)向模在南半球冬季(5—8 月, MJJA)大氣變率最強(qiáng), 而SST 最大變率發(fā)生在南半球秋夏(11 月至來年3 月, NDJFM)。南太平洋經(jīng)向模風(fēng)和SST 季節(jié)性的較大差異很可能是受副熱帶東南太平洋混合層深度(mixed layer depth, MLD)的季節(jié)性的影響。副熱帶東南太平洋混合層在南半球冬季較深夏季較淺(Ding et al, 2014), 淺的混合層可能會(huì)放大SST 對(duì)風(fēng)的響應(yīng), 相反, 更深的混合層會(huì)抑制SST 對(duì)風(fēng)的響應(yīng)。

圖2 海表面溫度和風(fēng)指數(shù)的超前滯后相關(guān)以及風(fēng)和海表面溫度指數(shù)的季節(jié)性 Fig.2 The lead-lag correlations between PC-SST and PC-Wind, and the seasonality of the PC-SST and PC-Wind

2.2 副熱帶南北太平洋經(jīng)向模與ENSO 的關(guān)系

為了探索北太平洋經(jīng)向模、南太平洋經(jīng)向模與ENSO 的可能關(guān)系, 計(jì)算了NPC-Wind、SPC-Wind 與Ni?o3.4 指數(shù)的滯后相關(guān), 由于ENSO 的非線性可能會(huì)對(duì)SSTA 產(chǎn)生影響, 所以以下的分析都是基于風(fēng)指數(shù)(Chiang et al, 2004), 并且風(fēng)指數(shù)包含內(nèi)部大氣變率的信息, 且與 ENSO 密切相關(guān)的海洋開爾文波(Kelvin)的產(chǎn)生有關(guān)(Thomas et al, 2016)。

圖3a 中可以看到, 當(dāng)Ni?o3.4 超前NPC-Wind 時(shí), 二者基本沒有相關(guān)關(guān)系, 說明ENSO 對(duì)北太平洋經(jīng)向模事件發(fā)生的貢獻(xiàn)不大; 但是, 當(dāng) Ni?o3.4 滯后NPC-Wind 8—11 個(gè)月時(shí), 二者達(dá)到99%的置信度檢驗(yàn), 滯后10 個(gè)月時(shí), 相關(guān)系數(shù)最大, 為0.45。這說明, 北太平洋經(jīng)向模能夠激發(fā)熱帶太平洋ENSO 事件, 北太平洋經(jīng)向模正位相事件成熟10 個(gè)月后, EI Ni?o 事件可能會(huì)達(dá)到成熟位相。從圖 3b 可以看到, 當(dāng)Ni?o3.4 超前SPC-Wind 時(shí), 二者為負(fù)相關(guān), 但未達(dá)到95%的置信度檢驗(yàn); 當(dāng)Ni?o3.4 滯后SPC-Wind 時(shí), 二者為顯著正相關(guān), 滯后6 個(gè)月左右達(dá)到最大, 為0.34, 超過95%置信度檢驗(yàn)。這意味著, 如果在南太平洋發(fā)生南太平洋經(jīng)向模正位相事件, 6 個(gè)月后, 熱帶太平洋可能會(huì)發(fā)生 EI Ni?o 事件。NPC-Wind、SPC-Wind 和ENSO 的關(guān)系表明, 副熱帶南、北太平洋經(jīng)向模對(duì)ENSO 的激發(fā)有著重要的影響, 兩個(gè)經(jīng)向模態(tài)可能是誘發(fā)ENSO 的原因之一。下面我們將利用回歸分析討論副熱帶和熱帶聯(lián)系的可能機(jī)理。

2.3 北太平洋經(jīng)向模與ENSO 聯(lián)系的可能機(jī)制

圖4、5 展示了SSTA、海表面風(fēng)場(chǎng)、海氣界面熱通量(潛熱通量和短波輻射通量, 由于感熱和長波輻射通量相對(duì)貢獻(xiàn)較小, 從而沒有展示)、海表面高度異常(sea surface height anomalies, SSHA) 相對(duì)于NPC-Wind 2—4 月(FMA)平均指數(shù)的滯后回歸場(chǎng)。

圖3 北(a)、南(b)太平洋經(jīng)向模態(tài)時(shí)間序列與Ni?o3.4 指數(shù)的滯后相關(guān) Fig.3 The lead-lag correlation between NPC-Wind (a), SPC-Wind (b), and Ni?o3.4

圖4 3 個(gè)月平均的SSTA、10 m 異常風(fēng)場(chǎng)相對(duì)于NPC-Wind 2—4 月(FMA)指數(shù)的回歸 Fig.4 The lag regressions of 3-month averaged SSTA and surface wind anomalies at 10 m on February-March-April (FMA)-averaged NPC-Wind

由圖4a 可以看出, 在1—3 月(JFM)期間, 副熱帶北太平洋存在大尺度的氣旋式環(huán)流, 北太平洋經(jīng)向模暖極子區(qū)所在的副熱帶北太平洋的東南海區(qū)首先出現(xiàn)西南風(fēng)異常, 削弱背景場(chǎng)的東北信風(fēng), 使得潛熱釋放 減少, 而冷極子區(qū)信風(fēng)加強(qiáng)潛熱釋放增加(圖5a1), 可以看出, 這時(shí)大氣變率最強(qiáng), 對(duì)應(yīng)的潛熱通量的變化最大, 這一過程一直持續(xù)到北半球春季, 北太平洋經(jīng)向模的海溫異常達(dá)到最大。另外, 在北太平洋經(jīng)向模冷極子區(qū)的西北黑潮延伸體區(qū), 海表面高度出現(xiàn)顯著負(fù)異常, 表明次表層冷水可通過海水上升運(yùn)動(dòng)夾卷至混合層, 促進(jìn)SSTA 冷異常發(fā)展(圖5a3)。

北太平洋經(jīng)向模成熟后, SSTA 暖異常伴隨著異常西南風(fēng)向西南擴(kuò)展, 這一過程稱為風(fēng)-蒸發(fā)-海表面溫度反饋。在 5—7 月(MJJ)以及 7—9 月(JAS)期間, 赤道中北太平洋西風(fēng)異常加強(qiáng); 赤道西太平洋的新幾內(nèi)亞沿岸區(qū)域負(fù)海表面溫度異常加強(qiáng), 對(duì)比各個(gè)通量項(xiàng), 可以發(fā)現(xiàn)這主要是由潛熱通量變化引起的。隨著時(shí)間發(fā)展, 赤道中太平洋暖 SSTA 不斷增強(qiáng), 并向東發(fā)展, 在赤道太平洋出現(xiàn)Matsuno-Gill 型大氣響應(yīng)(Matsuno, 1966; Gill, 1980), 西太平洋赤道兩側(cè)出現(xiàn)氣旋式環(huán)流異常, 呈現(xiàn)大氣羅斯貝波(Rossby)調(diào)整,赤道西太平洋盛行異常西風(fēng), 并激發(fā)東傳的海洋暖開爾文波(圖5c3, d3), 有利于赤道中東太平洋地區(qū)溫躍層深度增加和SSTA 增暖。同時(shí), 赤道中太平洋地區(qū)短波輻射加強(qiáng), 有利于SSTA 增長(圖5c2, d2)。

在 9—11 月(SON)和 11—1 月(NDJ)期間, 赤道西太平洋西風(fēng)異常不斷向東推進(jìn), 在赤道東太平洋, 在SST-溫躍層反饋機(jī)制作用下, 次表層過程影響 SSTA變化; 同時(shí)從海表面高度異常圖中可以看到赤道海洋開爾文波持續(xù)東傳, 最終導(dǎo)致厄爾尼諾發(fā)展并達(dá)到成熟。在這一期間從短波輻射變化導(dǎo)致的熱通量回歸場(chǎng)可以看到, 向下短波輻射增強(qiáng), 促進(jìn)暖SSTA 發(fā)展。

圖5 3 個(gè)月平均的潛熱通量、短波輻射和海表面高度異常相對(duì)于NPC-Wind 2-4 月(FMA)指數(shù)的回歸Fig.5 The lag regressions of 3-month averaged latent heat flux, short wave radiation heat flux, and sea surface height anomalies on February-March-April (FMA)-averaged NPC-Wind

2.4 南太平洋經(jīng)向模與ENSO 聯(lián)系的可能機(jī)制

類似于北太平洋經(jīng)向模, 圖 6、7 展示了各個(gè)變量場(chǎng)相對(duì)于SPC-Wind 2—4 月(FMA)平均指數(shù)的滯后回歸場(chǎng)。

圖 6 可以看出, 在 1—3 月(JFM)期間, 副熱帶東南太平洋有大尺度的氣旋式環(huán)流異常, 正SSTA 上空存在異常西北風(fēng), 削弱了背景場(chǎng)的東南信風(fēng), 潛熱釋放減少。相較于暖極子, 冷極子范圍較小, 因此暖極子可能在聯(lián)系南太平洋經(jīng)向模與 ENSO 中起更重要的作用; 澳大利亞東南海域背景西風(fēng)的加強(qiáng)使得潛熱釋放增加, 產(chǎn)生了冷的 SSTA。這一過程一直持續(xù)到春季, 同時(shí)東南太平洋氣旋式環(huán)流異常加強(qiáng), 暖異常信號(hào)在風(fēng)-蒸發(fā)-海表面溫度反饋下向西北延伸。這一熱力學(xué)耦合過程也發(fā)生在澳大利亞東岸, 負(fù) SSTA向西北延伸。赤道西風(fēng)異常不斷增強(qiáng)。

5—7 月(MJJ)和 7—9 月(JAS)期間, 從海表高度異常場(chǎng)的回歸圖中可以看到(圖7c3, d3), 沿著赤道的異常西風(fēng)分量激發(fā)向東傳播的開爾文波, 促進(jìn)赤道中東太平洋暖SSTA 發(fā)展。同時(shí), 東南太平洋暖異常信號(hào)沿著南美洲西海岸繼續(xù)向西北擴(kuò)展, 加強(qiáng)了中東赤道太平洋SSTA 發(fā)展。在9—11 月(SON)和11—1月(NDJ)期間, 由于開爾文波的到來, 變暖進(jìn)一步加強(qiáng), 厄爾尼諾模態(tài)不斷發(fā)展。從短波輻射通量的回歸場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn), 赤道中太平洋地區(qū)短波輻射加強(qiáng), 有利于厄爾尼諾模態(tài)的成熟(圖 7e2, f2)。

2.5 回歸模型

圖 3 超前滯后相關(guān)分析結(jié)果表明, 在副熱帶太平洋出現(xiàn)北太平洋經(jīng)向模正位相事件或者南太平洋經(jīng)向模正位相事件后, 熱帶太平洋可能會(huì)發(fā)生厄爾尼諾事件。該結(jié)果為我們提前預(yù)測(cè)ENSO 事件提供了一個(gè)新的途徑。據(jù)此, 我們利用月平均北太平洋經(jīng)向模和南太平洋經(jīng)向模的風(fēng)場(chǎng)指數(shù)(二者關(guān)系不大, 相關(guān)系數(shù)約為0.2), 基于二元線性回歸構(gòu)建了如下預(yù)測(cè)模型:

其中, Y(t)為預(yù)測(cè)的 t 時(shí)刻 Ni?o3.4, X1(t-t1)為 t-t1時(shí)刻N(yùn)PC-Wind, X2(t-t2)為 t-t2時(shí)刻 SPC-Wind。為了獲得提前時(shí)間較長且較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)效果, 我們?nèi)〔煌膖1和t2進(jìn)行組合, 通過比較發(fā)現(xiàn), 當(dāng)t1=10, t2=6, 即, 當(dāng)NPC-Wind 和 SPC-Wind 分別提前 10 和 6 個(gè)月時(shí), 效果最好。利用最小二乘法計(jì)算了研究時(shí)段內(nèi)的多元回歸系數(shù), 獲得擬合公式為:

圖6 3 個(gè)月平均的SSTA、10 m 異常風(fēng)場(chǎng)相對(duì)于SPC-Wind 2—4 月(FMA)指數(shù)的回歸Fig.6 The lag regressions of 3-month averaged SSTA and surface wind anomalies at 10 m on February-March-April (FMA)-averaged SPC-Wind

圖7 3 個(gè)月平均的潛熱通量、短波輻射和海表面高度異常相對(duì)于SPC-Wind 2-4 月(FMA)指數(shù)的回歸Fig.7 The lag regressions of 3-month averaged latent heat flux, short wave radiation heat flux, and sea surface height anomalies on February-March-April (FMA)-averaged SPC-Wind

1950—2018 年, 根據(jù)該模型擬合的 Ni?o3.4 和觀測(cè)的 Ni?o3.4 之間的相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.57(圖 8), 遠(yuǎn)超過99%的置信度檢驗(yàn), 并強(qiáng)于單獨(dú)使用NPC-Wind 或者SPC-Wind 預(yù)測(cè)的情形。有學(xué)者也曾提出聯(lián)合南北太平洋海氣變率預(yù)測(cè)ENSO 有望提升ENSO 預(yù)報(bào)技巧。比如, You 等(2018)利用CMIP5 模式和再分析資料基于 2—4 月平均的表征南太平洋經(jīng)向模和北太平洋經(jīng)向模的風(fēng)場(chǎng)指數(shù)以及赤道暖水體積指數(shù)共同構(gòu)建了預(yù)測(cè)整個(gè)太平洋海盆同年11—1 月平均SSTA 的統(tǒng)計(jì)模型; Ding 等(2014)基于由SSTA 表征的南太平洋四極子結(jié)構(gòu)和北太平洋偶極子結(jié)構(gòu)在1—3 月期間的平均指數(shù), 構(gòu)建了預(yù)測(cè)同年 11—1 月平均的Ni?o3.4 的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。本文建立的二元回歸模型基于受ENSO 非線性影響較小的風(fēng)場(chǎng)指數(shù), 且采用北太平洋經(jīng)向模超前10 個(gè)月和南太平洋經(jīng)向模超前6 個(gè)月的指數(shù)預(yù)測(cè)月平均Ni?o3.4, 考慮了南北兩個(gè)模態(tài)與ENSO 關(guān)系的區(qū)別; 對(duì)月平均Ni?o3.4 的預(yù)測(cè), 不僅能體現(xiàn)ENSO 成熟期的狀態(tài), 而且還能了解其時(shí)空演變過程。

圖8 觀測(cè)的Ni?o3.4 指數(shù)與模型預(yù)測(cè)指數(shù)Fig.8 Observed and model predicted Ni?o3.4 index

3 總結(jié)與討論

本文利用觀測(cè)和再分析資料, 分析了副熱帶南、北太平洋經(jīng)向模的基本特征及其與ENSO 的關(guān)系。兩個(gè)經(jīng)向模態(tài)都與副熱帶高壓系統(tǒng)的變化有著重要的聯(lián)系; 副高引起的信風(fēng)強(qiáng)度的變化, 可以通過調(diào)節(jié)海氣界面潛熱通量, 從而影響海表面溫度。相關(guān)分析結(jié)果表明, 兩個(gè)經(jīng)向模態(tài)與ENSO 均具有密切聯(lián)系。當(dāng)Ni?o3.4 滯后北太平洋經(jīng)向模 8—11 個(gè)月時(shí), 二者相關(guān)系數(shù)超過 99%置信度檢驗(yàn), 滯后 10 個(gè)月時(shí), 相關(guān)最大; Ni?o3.4 滯后南太平洋經(jīng)向模5—10 個(gè)月時(shí), 二者顯著正相關(guān), 滯后6 個(gè)月時(shí), 相關(guān)最大。在副熱帶太平洋發(fā)生北太平洋經(jīng)向模正位相事件(北太平洋東南暖, 西北冷)大約 1 年后或者南太平洋經(jīng)向模正位相事件(南太平洋東北暖, 西南冷)大約半年后, 熱帶太平洋可能會(huì)發(fā)生厄爾尼諾事件。據(jù)此, 根據(jù)表征南太平洋經(jīng)向模和北太平洋經(jīng)向模的風(fēng)場(chǎng)指數(shù), 建立了預(yù)測(cè)ENSO 的回歸模型, 效果良好。

利用回歸分析探討了副熱帶南北太平洋經(jīng)向模與ENSO 聯(lián)系的可能機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 海氣熱力學(xué)過程在聯(lián)系二者中起主要作用, 同時(shí)海洋動(dòng)力學(xué)過程也具有一定貢獻(xiàn)。副熱帶北太平洋暖異常信號(hào)在風(fēng)-蒸發(fā)-海表面溫度反饋下向西南傳播到赤道中太平洋, 在Matsuno-Gill 型響應(yīng)下, 海氣耦合過程使得厄爾尼諾事件快速發(fā)展并走向成熟; 南太平洋經(jīng)向模事件發(fā)生后, 東南太平洋暖異常信號(hào)沿著南美西海岸向赤道傳播, 另外, 澳大利亞東岸冷異常向西北延伸, 赤道太平洋異常西風(fēng)不斷增強(qiáng), 有助于ENSO 的發(fā)展。

當(dāng)前流行的 CMIP5 模式對(duì)熱帶太平洋背景條件比較敏感, 對(duì)熱帶外信號(hào)的捕捉存在很大不確定性(You et al, 2018)。此外, 在全球變暖的背景下, 目前的氣候預(yù)測(cè)模式亦有很多不確定性(Wang et al,2019)。因此, 為了提高對(duì)ENSO 的預(yù)測(cè), 不僅要重視熱帶海洋動(dòng)力和熱力過程, 更要重視熱帶外過程, 特別是最近才開始受到廣泛關(guān)注的南太平洋。