段欣妤 薛峰 鄭飛

1 中國科學院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學中心，北京 100029

2 中國科學院大學，北京 100049

3 甘肅省氣象局蘭州區(qū)域氣候中心，蘭州 730020

1 引言

ENSO（El Ni?o and Southern Oscillation）循環(huán)是指熱帶中東太平洋海溫異常及相關(guān)的大氣環(huán)流異常變化現(xiàn)象，包括 El Ni?o 和 La Ni?a 兩種相反的狀態(tài)，El Ni?o發(fā)生時赤道中東太平洋海表溫度升高，而 La Ni?a 時則相反。一般情況下，El Ni?o事件在第一年春夏季發(fā)展，在冬季達到峰值，之后開始衰減，在第二年春夏季轉(zhuǎn)變成平常態(tài)或La Ni?a 狀態(tài)。因此，La Ni?a 是 El Ni?o 自然衰減的結(jié)果（劉長征和薛峰,2010a,2010b）。另一方面，由于La Ni?a事件中熱帶太平洋海溫仍然維持“西暖東冷”的分布，因此在冬季海溫負異常達到峰值后可以長時間維持，并且在第二年冬季再次達到峰值，形成超長 La Ni?a 事件（Okumura and Deser,2010）。Hu et al.（2014）發(fā)現(xiàn)，超長 La Ni?a 事件的形成需要兩個先決條件，一是La Ni?a事件的強度必須達到中等強度以上，二是在第一次La Ni?a事件衰減時，西太平洋暖海溫沒有激發(fā)出東傳Kelvin波來抵消第二次La Ni?a事件發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計約35%～50%La Ni?a事件可以持續(xù)兩年以上，特別是從20世紀80年代開始，超長La Ni?a事件發(fā)生的頻率明顯增加（McPhaden and Zhang,2009）。因此，研究超長 La Ni?a事件對東亞夏季風的影響有重要的現(xiàn)實意義。

在La Ni?a年，由于春季暖池海溫偏高，導(dǎo)致夏季對流偏強，激發(fā)Rossby波列并向東北方向傳播，進而影響東亞夏季氣候異常（Nitta,1987）。此外，由于暖池對流偏強，熱帶西太平洋位勢高度場偏低，副高減弱東退，中國東部降水偏少（Xue and Zhao,2017）。合成分析還表明，La Ni?a 年東亞夏季風的季節(jié)內(nèi)變化較為復(fù)雜，6月異常較弱，7月達到最強，8月又開始減弱，這與El Ni?o年異常在8月達到最大是不同的（趙俊杰等,2016）。

另一方面，雖然合成結(jié)果揭示了La Ni?a事件對東亞夏季風的影響，但超長La Ni?a事件的影響與一般事件的差異還需要進一步研究，例如超長事件的影響是否比一般事件更為顯著。此外，由于超長 La Ni?a事件中海溫異常持續(xù)時間更長，由ENSO循環(huán)過程中位相轉(zhuǎn)換造成的東亞夏季風準兩年振蕩現(xiàn)象是否存在，也需要進一步證實，這對東亞夏季風的年際預(yù)測有重要意義。為此，本文對比分析了兩次超長La Ni?a事件中東亞夏季風的季節(jié)內(nèi)變化，期望為預(yù)測超長La Ni?a事件中東亞夏季風異常和中國夏季降水分布提供觀測和理論基礎(chǔ)。

2 資料與超長La Ni?a事件的選取

本文主要使用了以下再分析和觀測資料，月平均大氣環(huán)流再分析資料由NCEP和美國能源部提供，包括位勢高度場、風場以及表層太陽輻射通量，分辨率為 2.5°（緯度）×2.5°（經(jīng)度）（Kanamitsu et al.,2002），海溫資料 ERSST（V5）和衛(wèi)星觀測的對外長波輻射（Outgoing Longwave Radiation,OLR）資料取自 NOAA，分辨率分別為 2.0°（緯度）×2.0°（經(jīng)度）和2.5°（緯度）×2.5°（經(jīng)度）（ Liebmann and Smith,1996; Huang et al.,2017），全球月平均降水資料取自NOAA氣候預(yù)測中心，分辨率為 2.5°（緯度）×2.5°（經(jīng)度）（Xie and Arkin,1997）。 上 述 資 料 時 間 統(tǒng) 一 取 為 1979～2018年，共40年。

文中根據(jù) Ni?o3.4 指數(shù)來鑒別 La Ni?a 事件（ Trenberth,1997）， 該 指 數(shù) 定 義 為 Ni?o3.4 區(qū)（5°N～5°S,120°W～170°W）平均海溫異常，當該指數(shù)低于?0.5°C且持續(xù)6個月以上，則認為發(fā)生了一次La Ni?a事件。據(jù)此可以發(fā)現(xiàn)1979～2018年期間共發(fā)生了 11 次 La Ni?a 事件（圖1a），分別是1983～1984年、1984～1985年、1988～1989年、1995～1996年、1998～1999年、1999～2000年、2000～2001年、2007～2008年、2010～2011年、2011～2012年、2017～2018年。圖1b為這11 次 La Ni?a 事件合成的 Ni?o3.4 指數(shù)的演變情況，Ni?o3.4指數(shù)在第一年春季開始轉(zhuǎn)變?yōu)樨摦惓?，之后持續(xù)降低，在12月達到峰值，約為?1.3°C，在第二年春季開始明顯衰減，在夏季其絕對值已經(jīng)低于 0.5°C，La Ni?a 事件結(jié)束。與 El Ni?o 事件類似，La Ni?a事件也存在明顯的季節(jié)鎖相。

根據(jù)上述合成 La Ni?a事件的演變，如果Ni?o3.4指數(shù)從冬季到夏季持續(xù)為負值且持續(xù)2年以上，這次事件則定義為超長La Ni?a事件，在1979～2018年期間只有 1984～1985年和 1999～2000 年符合該標準。圖2 為這兩次超長 La Ni?a事件Ni?o3.4指數(shù)的演變情況，兩次事件分別源自1983年和 1998年這兩次強 El Ni?o事件的衰減，前者在1983年11月和1984年12月負異常達到峰值，約為?1.3°C和?1.4°C，與合成結(jié)果接近，而后者分別在1999年1月和2000年1月達到峰值，約為?1.7°C和?1.8°C，明顯超過合成結(jié)果。因此，兩次事件的強度存在明顯差異，前者為中等強度，后者為強La Ni?a事件。另外，由于以前合成結(jié)果中主 要 反 映 的 是 強 La Ni?a信 號 ， 首 先 分 析1999～2000年這次強事件過程中東亞夏季風的季節(jié)內(nèi)變化，然后再比較中等強度事件過程中東亞夏季風季節(jié)內(nèi)變化與強事件的差異。

3 1999～2000 年超長 La Ni?a 事件中東亞夏季風的季節(jié)內(nèi)變化

圖3為1999年和2000年春季海溫異常分布，受La Ni?a事件的影響，熱帶中東太平洋海溫偏低，而熱帶西太平洋海溫偏高，兩年海溫異常分布大體相同。但1999年熱帶西太平洋海溫異常較2000年略微偏強，海溫正異常向西延伸至孟加拉灣。由于春季暖池海溫偏高，將導(dǎo)致夏季暖池對流偏強并進而影響到東亞夏季風的季節(jié)內(nèi)變化（Xue and Zhao,2017）。

圖1 （a）1979～2018 年 Ni?o3.4 指數(shù)（虛線表示正、負 0.5°C，陰影代表 Ni?o3.4 指數(shù)小于?0.5°C）和（b）合成的 11 次 La Ni?a 事件Ni?o3.4指數(shù)（橫坐標中的0和1分別表示La Ni?a事件發(fā)展年和衰減年）Fig.1 (a) Ni?o3.4 index during 1979–2018 (dashed line represents positive or negative 0.5°C,while the shadings represent Ni?o3.4 index below-0.5°C) and (b) composite Ni?o3.4 index for the 11 La Ni?a events (0 and 1 in the abscissa represent the developing and decaying year,respectively)

圖2 1984～1985 年（實線）和 1999～2000 年（虛線）Ni?o3.4指數(shù)（橫坐標中的0和1分別表示超長La Ni?a事件的第一年和第二年）Fig.2 Ni?o3.4 index during 1984–1985 (solid line) and 1999–2000(dashed line) (0 and 1 in the abscissa represent the first and second year for the multiyear La Ni?a event,respectively)

圖4為1999年和2000年6～8月的對外長波輻射異常分布。由于春季暖池偏暖，6月暖池對流偏強（OLR負異常），7月負異常達到最強，而8月負異常較弱，這與La Ni?a年合成結(jié)果類似，說明 La Ni?a信號主導(dǎo)了暖池對流的季節(jié)內(nèi)變化（Xue and Zhao,2017）。另一方面，區(qū)域尺度上存在顯著差異，例如1999年7月深對流更為偏北。

為了揭示上述OLR異常變化的機理，我們計算了暖池地區(qū)多個變量的異常變化，包括地表凈輻射通量、凈長波輻射通量、凈短波輻射通量、凈潛熱通量和凈感熱通量（圖略），結(jié)果表明地表太陽輻射通量和相關(guān)局地海溫變化主導(dǎo)了OLR的季節(jié)內(nèi)變化。圖5和圖6分別為 1999年和 2000年6～8月太陽輻射通量異常及相關(guān)的海溫月際差異。由于6月暖池對流開始發(fā)展（圖4a和4d），對應(yīng)于太陽輻射通量的負異常（圖5a和5d）。但6月和5月的海溫差異與OLR和太陽輻射通量異常分布并不對應(yīng)，南海和菲律賓南部海域海溫降低，以北海域升高。這有兩個原因，一是由于5～6月期間太陽北移，造成暖池局地海溫季節(jié)性升高，而6月對流雖然開始發(fā)展，但異常并不強，所以菲律賓以東海溫仍然升高（圖6a 和6d）。Wang et al.（2018）研究了海氣相互作用對西太平洋30～60 d振蕩的影響，發(fā)現(xiàn)最大海溫負異常通常位于對流增強區(qū)域的南部，這與上述結(jié)果是一致的。需要指出的是，20°N以北海域海溫的急劇升高是太陽季節(jié)性北移造成的，與暖池對流變化無關(guān)。

圖3 （a）1999 年和（b）2000 年春季平均海表溫度距平分布（單位：°C）Fig.3 Sea surface temperature (SST) anomaly in spring (°C) (a) in 1999 and (b) in 2000

圖4 1999 年（左列）和 2000 年（右列）（a、d）6 月、（b、e）7 月、（c、f）8 月平均向外長波輻射異常（單位：W/m2）Fig.4 Outgoing longwave radiation (OLR) anomaly (W/m2) during (a,d) Jun,(b,e) Jul,and (c,f) Aug in 1999 (left panel) and 2000 (right panel)

圖5 同圖4，但為向下太陽短波輻射異常（單位：W/m2）Fig.5 Same as Fig.4,but for downward solar shortwave radiation anomaly

圖6 1999 年（左列）和 2000 年（右列）月平均海表溫度差異（°C）：（a、d）6 月減 5 月；（b、e）7 月減 6 月；（c、f）8 月減 7 月Fig.6 Monthly averaged SST departure (°C) in 1999 (left panel) and 2000 (right panel): (a,d) Jun minus May; (b,e) Jul minus Jun; (c,f) Aug minus Jul

7月的情況與6月有很大不同，暖池對流強烈發(fā)展并明顯北移，OLR異常強度超過6月一倍以上，最小值低于－30 W/m2（圖4b和4e），太陽輻射通量也隨之明顯減弱（圖5b和5e），其中1999年更為顯著，中心位于臺灣附近。由于太陽輻射的明顯減弱，6～7月南海和菲律賓附近海域的海溫開始降低，但降溫中心與OLR異常和太陽輻射異常并不一致，而是明顯偏南，這是因為海溫變化還受到太陽季節(jié)性北移的影響（圖6b和6e）。

隨著7月海溫明顯降低，8月暖池對流較7月明顯減弱，OLR轉(zhuǎn)變?yōu)槿醯呢摦惓Ｉ踔潦钦惓?，主要對流區(qū)位于菲律賓以南和中國南部（圖4c和4f），這說局地海氣相互作用在7～8月暖池對流異常起到一定作用。由于8月暖池對流受到抑制，該區(qū)域太陽輻射轉(zhuǎn)變?yōu)檎惓＃貏e是1999年8月菲律賓以東海域（圖5c和5f）。受此影響，8月海溫開始升高（圖6c和6f），但由于1999年7月對流發(fā)展過于強盛（圖4b）以及8月局地對流的影響（圖4c），1999年8月菲律賓附近海溫仍然較低（圖6c）。類似于7月的情況，太陽輻射通量異常與海溫變化并不一致。

對應(yīng)于暖池對流的異常變化，西太平洋副高呈現(xiàn)偏東偏弱的態(tài)勢（圖7），但有明顯的季節(jié)內(nèi)變化。6月略微偏東，7月與氣候平均的差異達到最大，約偏東25經(jīng)度，脊線偏北，8月與6月類似，但1999年由于局地對流的影響，副高發(fā)生分裂。由于暖池對流偏強，降水區(qū)域東移到菲律賓和臺灣以東洋面，同時由于副高偏東偏弱，不利于水汽輸送到中國東部，夏季降水總體上偏少（圖8），但區(qū)域尺度上有很大差異，1999年江南降水偏多，2000年淮河流域偏多，這與局地對流發(fā)展有關(guān)。

4 1984～1985 年超長 La Ni?a 事件中東亞夏季風的季節(jié)內(nèi)變化

與 1999～2000 年 La Ni?a 事件相比，1984～1985年事件的強度明顯偏弱，Ni?o3.4指數(shù)絕對值偏低約 0.4°C（圖2），屬于中等強度的 La Ni?a 事件。受La Ni?a事件的影響，兩年春季中東太平洋海溫偏低，1984年菲律賓附近海域海溫偏高并向東北方向延伸，而1985年海溫偏高區(qū)域僅限于菲律賓附近（圖9）。

圖7 （a）6 月、（b）7 月、（c）8 月西太平洋副熱帶高壓分布（以5880 gpm等值線表示，單位：gpm）。實線、長虛線和短虛線分別代表氣候平均、1999年和2000年Fig.7 The western Pacific subtropical high (units: gpm) represented by 5880 gpm contour in (a) Jun,(b) Jul,(c) Aug.The solid,longdashed,and short-dashed contours represent the climatological mean subtropical high and the subtropical high in 1999 and 2000

圖10為兩年6～8月OLR異常分布，6月暖池對流明顯偏強，1984年OLR負異常從南海向東北方向延伸，而1985年深對流區(qū)呈東西走向，與春季海溫正異常區(qū)域相合，表明春季暖海溫能觸發(fā)6月暖池對流的發(fā)展（圖10a和10d）。與上一節(jié)中強事件中6月對流異常相比（圖4），這兩年6月對流強度明顯偏強。

6月暖池對流的明顯增強減弱了太陽輻射，暖池地區(qū)太陽輻射通量為負異常，其中1985年異常強度較1984年明顯偏強（圖11a和11d）。在南海南部和近赤道地區(qū)，5～6月間海溫明顯降低（圖12a和 12d）。與強 La Ni?a事件中海溫變化類似，主要海溫降低區(qū)域位于深對流區(qū)的南部，而20°N以北海域海溫升高是太陽季節(jié)性北移造成的。

由于6月暖池海溫降低，7月對流明顯減弱（圖10b和10e），1984年減弱尤其明顯，OLR異常中心超過20 W/m2，1984年正異常從華南沿西北東南走向延伸到菲律賓以東，1985年則明顯偏北，范圍也較小。對應(yīng)于7月對流的減弱，太陽輻射也明顯減弱（圖11b和 11e），異常分布與OLR基本一致。6～7月間海溫有明顯變化（圖12b和12e），140°E以東明顯升高，但由于6月對流發(fā)展過強，南海到140°E仍維持較弱的降溫趨勢，海溫變化與太陽輻射異常并不一致。

與7月相比，8月對流異常發(fā)生了相反變化，暖池對流開始再度發(fā)展（圖10c和10f），其異常分布在一定程度上與6月相似（圖10a和10d）。同時，由于對流增強導(dǎo)致太陽輻射減弱（圖11c和11f），7～8月間海溫呈降低趨勢（圖12c和12f）。

圖8 （a）1999年和（b）2000年東亞地區(qū)夏季平均降水異常分布（單位：mm/d）Fig.8 Mean rainfall anomaly (mm/d) in the East Asian summer in (a) 1999 and (b) 2000

圖9 （a）1984 年和（b）1985 年春季海表溫度距平分布（單位：°C）Fig.9 SST anomaly (°C) in spring (a) 1984 and (b) 1985

圖10 同圖4，但為 1984 年和 1985 年Fig.10 Same as Fig.4,but for 1984 and 1985

圖12 同圖6，但為 1984 年和 1985 年Fig.12 Same as Fig.6,but for 1984 and 1985

圖13 （a）6 月、（b）7 月、（c）8 月西太平洋副熱帶高壓分布（以5868 gpm等值線表示，單位：gpm）。實線、長虛線和短虛線分別代表氣候平均、1984年和1985年Fig.13 The western Pacific subtropical high (units: gpm) represented by 5868 gpm contour in (a) Jun,(b) Jul,and (c) Aug.The solid,longdashed,and short-dashed contours represent the climatological mean subtropical high and the subtropical high in 1984 and 1985

因此，1984年和1985年暖池對流的季節(jié)內(nèi)變化與上一節(jié)中強La Ni?a事件完全不同，6月和8月對流偏強而7月偏弱，對流變化呈現(xiàn)顯著的季節(jié)內(nèi)振蕩。在此過程中，暖池地區(qū)局地海氣相互作用主導(dǎo)了對流的季節(jié)內(nèi)變化，形成6月和8月對流異常的正相關(guān)，這是一種海溫和對流以及太陽輻射之間的負反饋過程，海溫異常超前對流異常約一個月（Xue and Fan,2019; 薛峰等,2020）。但與經(jīng)典的Madden-Julian振蕩不同，這種振蕩并不存在明顯的向東傳播，而是以局地振蕩為主（Wang et al.,2018）。

對應(yīng)于暖池對流的異常變化，副高也呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)內(nèi)變化（圖13）。由于對流偏強，這兩年副高強度明顯偏弱，因此以5868 gpm等值線來替代通常所用的5880 gpm來表示副高的范圍。6月副高偏東偏弱，兩年差異不大，但7月兩年副高有很大差異，1984年由于臺灣以東洋面對流偏強，副高很弱并呈分裂狀態(tài)，而1985年則接近氣候平均。8月副高變化與6月類似，但偏北更為顯著。

由于副高偏東偏弱，不利于夏季水汽輸送到中國東部和高緯度地區(qū)，東亞地區(qū)夏季降水明顯偏少（圖14），由于暖池對流偏強，降水主要位于南海到菲律賓以東洋面。需要特別注意的是，在1984～1985 年超長 La Ni?a事件過程中，中國東部出現(xiàn)了連續(xù)兩年夏季大范圍降水偏少的情況，其影響較一般La Ni?a事件更為嚴重。

5 小結(jié)和討論

本文選取了1984～1985年和1999～2000年兩次超長La Ni?a事件，兩次事件的強度有明顯區(qū)別，其中前者為中等強度，而后者的強度則明顯偏強，屬于強La Ni?a事件。對強事件而言，由于春季暖池海溫偏高，6～8月間暖池對流總體上偏強，但最大異常在7月，副高的變化與暖池對流變化一致，這與 La Ni?a 事件合成結(jié)果一致，說明 La Ni?a 信號主導(dǎo)了東亞夏季風的季節(jié)內(nèi)變化。與此不同的是，在1984～1985年事件中，6月和8月暖池對流偏強，7月偏弱，這種雙峰型異常與暖池地區(qū)局地海氣相互作用有關(guān)。當前一個月海溫偏高時，造成后一個月暖池對流偏強，但偏強的對流又減弱了太陽輻射并使局地海溫降低，反過來抑制了暖池對流發(fā)展，這是一種局地海溫與對流之間的負反饋過程，其中海溫超前對流變化約一個月。對中等強度La Ni?a事件而言，局地海氣相互作用主導(dǎo)了暖池對流和東亞夏季風的季節(jié)內(nèi)變化，這與La Ni?a事件合成結(jié)果有較大差異。因此，雖然兩種強度La Ni?a事件中副高均偏東偏弱，但季節(jié)內(nèi)變化有很大差異，其成因也完全不同。比較兩次事件還可以看到，東亞夏季風季節(jié)內(nèi)的異常變化主要與La Ni?a事件強度特別是6月暖池對流強度有關(guān)，但與 La Ni?a事件持續(xù)時間關(guān)系不大。

需要強調(diào)指出的是，雖然局地海氣相互作用受La Ni?a信號影響，但二者是兩種不同性質(zhì)的信號，前者主要調(diào)制夏季暖池對流的季節(jié)內(nèi)變化，時間尺度約為1個月，而La Ni?a的時間尺度很長，并通過影響暖池海溫來影響夏季對流的異常變化。此外，局地海氣相互作用的影響并不依賴于ENSO的位相，即使在El Ni?o衰減年，局地海氣相互作用對暖池對流季節(jié)內(nèi)變化仍有重要影響（段欣妤等,2020）。例如，2016 年是一個強 El Ni?o衰減年，由于El Ni?o的強迫影響，該年春季熱帶印度洋偏暖，6～7月對流偏強，抑制了同期暖池對流的發(fā)展。另一方面，對流偏弱反過來造成太陽輻射增強，局地海溫升高，當8月印度洋對流減弱之后，局地海氣相互作用造成8月對流逆轉(zhuǎn)為增強（薛峰等,2020）。

兩次超長La Ni?a事件中東亞夏季風均呈現(xiàn)出顯著異常，表現(xiàn)為暖池對流偏強，副高偏東偏弱，不利于水汽輸送到中國大陸，中國東部降水總體上偏少。特別是，1984～1985年期間中國東部夏季出現(xiàn)了連續(xù)兩年大范圍少雨，需要引起高度重視。另一方面，由于副高偏東，導(dǎo)致副高與中國東部夏季降水的關(guān)系不如El Ni?o衰減年密切，多雨區(qū)僅局限于個別地區(qū)，這與以前個例分析的結(jié)果類似（薛峰,2008）。因此，雖然 La Ni?a 信號對副高異常有較好的預(yù)報意義，但對中國東部夏季降水異常的預(yù)報價值是有限的。

與 El Ni?o 衰減年相比，La Ni?a 對東亞夏季風的影響總體上偏弱，但La Ni?a事件的準確預(yù)測包括持續(xù)時間和強度仍然有助于東亞夏季風的預(yù)測。另外，6月暖池對流的異常強度對7～8月暖池對流異常變化有預(yù)測意義，如1984年和1999年6月暖池對流均偏強，但前者的異常強度要遠大于后者，從而造成1984年7月對流偏弱，而1999年7月對流則繼續(xù)發(fā)展。如文中所述，6月對流發(fā)展與春季暖池局地海溫偏高有關(guān)，但1984年海溫異常強度與1999年并無明顯差異，這說明6月對流強度還與其他因子如南半球環(huán)流變化引起的越赤道氣流動力強迫有關(guān)（蘇同華和薛峰,2010），具體影響過程需要進一步研究，這對提高東亞夏季風預(yù)測水平有重要意義。考慮到La Ni?a年東亞夏季風存在顯著的季節(jié)內(nèi)變化，除傳統(tǒng)的季節(jié)預(yù)測外，加強東亞夏季風的季節(jié)內(nèi)預(yù)測也有助于提高預(yù)測水平。