RQL's Blog 菜鸟成长记

Pacific-East Asian teleconnection

2018-11-19
renql

Wang, B., et al. (2000). “Pacific-East Asian teleconnection: how does ENSO affect East Asian climate?” Journal of Climate 13(9): 1517-1536.

文章链接

这篇文章早在一年前就已经拜读过,但现在看到其他相关文献引用该文献时,才发现自己已不记得它讲了些什么内容,于是决定借着读书报告的机会再看一遍该文。
重读该文时获得如下感悟:

  1. 在搜索参考文献时,发现若在ResearchGate中搜索文献,它会提供与该文献有关的最近的研究内容,感觉这个挺有趣的,毕竟我一直都在看老的文章
  2. 发现垂直运动也能改变空气温度,绝热下沉增温
  3. 斜压(随高度变化,一般由对流潜热加热引起),正压(随高度变化不大,一般由动力不稳定造成)
  4. 略微了解了太平洋北美遥相关(PNA),它在高层更明显,但PEA则局限于底层
  5. 强调了西太异常冷海温对WNPAC形成的重要性
  6. 探索了冷空气入侵菲律宾海对WNPAC形成的可能原因,这属于赤道-赤道外大气环流相互作用

Abstract

观测表明ENSO成熟期间,太平洋中部和东亚间存在遥相关(太平洋暖,东亚冬季风弱),该遥相关局限在对流层底层

该文认为太平洋东部海温通过西北太平洋底层的异常反气旋影响东亚冬季风。ENSO成熟期冬季与东亚沿海冬季风减弱同时出现,此时中国东南部和韩国比以往冬季更暖更湿

该异常西北太平洋反气旋在ENSO成熟年秋季迅速发展,持续到次年春夏季,为东亚极锋(从中国华南到日本东部)提供更湿(EINino)的环境

利用大气环流模式,作者证明了异常的菲律宾反气旋是由于Rossby波对抑制对流加热的响应,这是由原地海洋表面冷却和中央太平洋变暖引起的沉降引起的。

该反气旋的发展与局地海表冷却的加强几乎同时出现

该遥相关的发展和维持主要因为反气旋和海表冷却在东北信风环境下的正热力反馈

太平洋中部增暖通过为反气旋和海温间、中低纬度间的相互作用提供了一个合适的环境,因此在西太平洋的冷却和风场异常中起着重要的作用。

1. Introduction

与Nino3.4相关的降水都向极向东伸展。该相关图与前人所画的,在副热带及局地区域有差别,这可能因为记录长度的不同或者是大气对边界层的响应具有区域性和不稳定性。

根据东亚冬、春、夏季的降水都与Nino3.4显著相关,进而猜测其对东亚降水的年循环有影响

  • 1969年Bjerknes将赤道中部太平洋变暖与北太平洋环流异常的遥相关归结为Hadley环流及与之相关的动量能量传输的变化

  • ENSO对下游北美的气候影响,简称PNA遥相关,认为是由Rossby波列及中尺度西风正压不稳定造成。而这两者都是由上层大气环流辐散(因为赤道太平洋中部降水增多)有关

那么赤道中东部太平洋海温增暖如何影响上游——东亚的气候呢?1996年zhang等人认为ENSO对东亚夏季风的影响是通过改变西太对流活动,进而改变东亚和西太的季风环流。但是冬季和夏季的季风环流是不一样的,因此东亚的异常现象是如何在显著不同的平均状态下产生的呢?

上述结论间的不一致表明东亚夏季风的年际变化可能由复杂的海陆气相互作用以及热带-热带外相互作用共同导致。 ENSO只是各种因素中的一个

The purpose of the present study is to address the question of how the ENSO anomalies can affect the East Asian monsoon during and after their mature phases from boreal winter to the early summer of the following year.

2. Data and method

  1. the monthly Climate Prediction Center (CPC) merged analysis of precipitation (CMAP). The data used are 3-month running mean anomalies (normalized) during 1979–96.
  2. NCEP–NCAR global atmospheric monthly reanalysis dataset covering a 41-yr period from January 1958 to December 1998 (2.5°)
  3. monthly mean SST, sea level pressure, and surface winds, which are derived from theComprehensive Ocean–Atmosphere Data Set (COADS), 这个能提供1958年以前的数据

86/87年EINino的成熟期包含了夏季,与常规认识的EINino的年循环不同,故将单独讨论,然而我看到文章的最后也没有看到这个讨论

选了6个暖事件和5个冷事件做合成分析

3. The structure of the PEA teleconnection

分析了Pacific-East Asian teleconnection的温度异常、海平面气压异常、垂直速度异常、辐散风异常、速度势异常的水平和垂直结构。

EINino期间,西北太平洋异常反气旋包含两个中心,一个在菲律宾海,一个在40N,170E

其中位于菲律宾海的反气旋是中东部太平洋海温影响东亚冬季风的重要桥梁
赤道太平洋中东部海温升高后,在海温异常的西北和西南激发出一对气旋,北太平洋的气旋
在赤道北部由异常海温激发出的气旋使得菲律宾海上空有东北风,进而构成菲律宾海的反气旋

对流层底层,赤道中东部太平洋异常海温西北处的气旋——菲律宾反气旋——东亚气旋,三者构成向西北传的波列,该文将这个称为太平洋-东亚遥相关PEA
该波列的传播也伴随着海温的变化,即赤道中东部太平洋增暖,西太变冷,亚洲东部海域增暖,
这表明此处可能存在海气相互作用,具体原因见第六小节

这里只看了ENSO peak时期的情况,无法判断波列的传播方向以及海温变化是因还是果?后面将用模式来证明。

由于菲律宾反气旋随着高度衰减,到300hPa高度便消失了,故认为它是斜压性质的,可能由异常的对流潜热加热引起。
而中纬度的反气旋因其在高空依然存在,因此它应该是由西风急流动力不稳定造成的正压反气旋,
此外它在图4中未通过显著性检验,表明其强度和位置在不同事件中不同

在文章的最后,作者猜测WNPAC在中纬度的中心可能与PNA遥相关有关。因为太平洋东北部的异常气旋(造成PNA遥相关)表明阿留申低压向东南移动,而西北太平洋中纬度异常反气旋表明东亚冷高的东移

在对流层的中高层500-300 hPa,太平洋北美遥相关型占主导作用
东南亚中高层处有一个显著气旋,使得东亚上空盛行南风,东亚冬季风进一步减弱

西北太平洋异常反气旋的东部异常偏冷,西部异常偏暖
850hPa异常温度场与SSTA的分布类似,表明了从下方传来的局地表面热通量的影响,也表明边界层的湍流混合作用强盛
由于下沉增温,因此西太及东亚中层500hPa大气温度与底层温度异常反号

西太平洋空气温度的垂直结构是,下层异常偏冷,上层异常偏暖
而东太平洋空气的温度结构则与之不同,此处空气异常偏暖的幅度随高度减弱,并在500hPa产生两个关于赤道对称的异常暖中心
作者认为西太平洋这种空气温度的垂直分布,可能是绝热下沉运动与由海表异常温度激发的上升运动相互抵消的结果

由于EINino期间海洋性大陆和东亚间上层的异常径向辐散风很弱,表明局地径向环流可能对海洋性大陆赤道热异常东亚西风急流变化的耦合作用不大
换句话说,就是由ENSO引起的东移的赤道热源并不会通过改变局地的径向环流来影响中纬度东亚季风

4. Establishment and persistence of the PEA teleconnection

在ENSO发展年的11月,西太的异常风场突然由气旋变为反气旋。随后该反气旋加强,在冬季和次年春季向赤道向东扩展。同时,反气旋东部海水变冷,并且也随着反气旋向东扩展

此处西北太平洋异常反气旋的发展用菲律宾海(10-20N,120-150E)的区域平均海平面气压表示

关注SLPA最大值和SSTA最小值的径向分布,发现两者几乎同时发生,且SLPA的最大值位于SSTA最小值西边20个经度,两者都有向东扩展的趋势。由此表明西太存在海气相互作用

5. Roles of tropical SSTA in forcing WNPAC

尽管西太海温变冷的幅度小于东太海温升高的幅度,但它对对流的影响不可忽视。因为西太的气候态海温比东太高很多,因此大气对西太海温的变化更加敏感

随后,这一节用了两个模式来看东太海温异常和西太海温异常对WNPAC的作用。其中一个模式是一个简单的热带大气模式,无法模拟中纬度的斜压波列。另一个是COLA(Center for Ocean–Land–Atmosphere Studies)发展的大气环流模式,两个模式模拟出来的结果类似

用所有的SSTA强迫出来的大气环流异常中的WNPAC强度弱于观测结果,但这已能说明赤道海温异常是WNPAC的成因之一
模拟与观测间的差别暗示了赤道外瞬变斜压波列的作用
印度洋及南海海域微弱的海温异常对局地表面风场有明显的影响,但对WNPAC的影响较弱

在COLA的大气环流模式中,WNPAC的特征比前一个模式结果要明显得多,且此时西北太平洋反气旋的中纬度分布消失,但东北太平洋的异常气旋依然存在,表明赤道外的ENSO响应对大气内部动力(如瞬变斜压波)的影响非常敏感
当只有东太海温暖异常时,无法激发出WNPAC。
当只有西太海温异常时,西太的降水及环流异常与control一致,但幅度只有Control的一半,表明大气对局地和遥强迫都有响应。

西太海温的局地冷却可以通过减少海气之间的潜热和感热交换降低边界层大气的温度和湿度,同时也会减弱边界层的湍流混合。进而抑制了对流不稳定,造成局地表面气压升高

6. Discussion: The causes of PEA teleconnection

西太的异常冷海温是如何出现的?此处关注西太海气相互作用中东太平洋异常海温的影响

理论上,从遥远海区传播过来的海洋波动可以通过改变局地温跃层而改变SST。
东太平洋由于温跃层较浅且盛行上升流,因此其SST就受上述过程调控。而西太平洋的温跃层深厚且不存在上升流,因此上述过程对西太SST的影响较弱
那么影响西太SST的原因可能是混合层的热力过程(如由夹带效应引起的混合层深度的变化)或者是海表面与大气的热通量交换过程
研究表明,造成西太SST低频变化的原因是表面的潜热通量以及向下的短波辐射通量,这些与表面风速及云量有关。因此,作者推断西太SST的变化由局地大气状况的变化引起

从海洋的角度来看,西太异常变冷的SST是由于局地大气环流异常
从大气的角度来看,西北太平洋反气旋是西太海温变冷的rossby波响应
这两者之间的循环往复表明形成和维持太平洋东亚遥相关的因子是海气相互作用

由于西北太平洋异常反气旋可以维持2到3个季节,有时甚至可以维持到太平洋中部暖事件衰弱以后,这表明西北太平洋异常反气旋不是由太平洋中部暖SSTA维持的

中东太平洋异常海温对WNPAC建立的三个可能作用:

  • 中东部太平洋异常增暖在暖中心的西部激发向赤道流,这加强了东北信风,进而加强西北太平洋的蒸发冷却作用,该冷却作用会在其西北部激发反气旋。
  • 中东部太平洋异常增暖为西太的海气相互作用提供了有利的大环境,从而导致WNPAC在ENSO发展年的突然建立维持。当中东太平洋异常海温的幅度较弱时,不会产生WNPAC。这表明中东太平洋的异常海温是WNPAC产生的重要前提条件
  • WNPAC的建立是迅速的(只用了一个月的时间),表明海气相互作用的产生也是迅速的。因此这可能由大气过程引发,例如强天气过程或者季节内振荡,例如强冷涌事件可以在一周的时间内冷却0.5℃海表面。但正常的冷涌入侵低纬度事件发生在中国南海。若要使其入侵菲律宾和西北太平洋,需要西风急流东移。中东太平洋异常增暖加强了副热带气旋,导致阿留申低压及与之相关的西风急流的东移和加强,从而有利于冷涌入侵菲律宾海。这也可以用来解释WNPAC产生的季节依赖性以及南北半球的不对称性,因此WNPAC倾向于在冬季建立。

菲律宾海风场异常不仅提供了赤道异常海温与上游中纬度气候异常间的联系,也可以解释ENSO位相的转换

西太平洋可能存在的海气相互作用海未通过耦合的大气海洋模式验证


Similar Posts