西风爆发与东风爆发的较量

中国科学地球科学  |   2020-06-24 15:10

来源：中国科学地球科学

中国科学院海洋研究所谢瑞煌博士和复旦大学方向辉博士在最新出版的2020年第5期《中国科学：地球科学》英文版上发表题为“The unusual 2014–16 El Niño events: dynamics, prediction and enlightenments”的评述文章，梳理了国内外针对这两次厄尔尼诺事件的研究结果，发现2014年夏天的东风爆发事件与秋季西风爆发较少是导致该年厄尔尼诺夭折的原因，但是这次弱厄尔尼诺事件又为2015年的强厄尔尼诺创造了及其有利的初始条件；再者，由于热带太平洋实时观测系统(例如TAO/TRITON)自2014年春季开始数据反馈量大幅下滑，多数ENSO预报模式未能考虑该时段东风爆发对厄尔尼诺的抑制作用，从而高估了2014年厄尔尼诺的强度。

1. 厄尔尼诺的研究简史一个世纪多以前，厄尔尼诺(El Niño)这个词仅仅为秘鲁和厄瓜多尔沿岸的一些渔民所知，直到19世纪末才被地质学家作为科学名词记录在案，但被定义为秘鲁沿岸的周期性的局地海水增暖现象。而20世纪的前五六十年，几乎没有学者关注和研究这一现象，期间最重要的认知进步就是Walker爵士提出的表征横跨热带太平洋海平面气压跷跷板式变化的“南方涛动(Southern Oscillation)”。直到1960年代末，Berlage和Bjerknes分别基于相当有限的观测数据，发现了南方涛动与厄尔尼诺之间的联系，二者其实是同一海气耦合现象在大气和海洋中的不同表现，从此开始有了El Niño-Southern Oscillation(ENSO)这一合称。更重要的是，Bjerknes的工作解释了热带太平洋跨海盆的海温梯度与气压梯度以及Walker环流(信风)之间的联动关系(图1)。由于Bjerknes开创性的工作，其提出的这种联动关系被称为“Bjerknes正反馈”，并成为了ENSO研究的理论基石，开启了ENSO的动力机制研究和预报的时代。

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图1  Bjerknes正反馈示意图得益于1980年代TOGA(Tropical Oceans on the Global Atmosphere)计划的进行，越来越多的观测资料让学者能深入地认识ENSO，多位学者独立提出了ENSO位相转换所需的负反馈机制，并结合Bjerknes正反馈提出了一套完整的线性ENSO理论，分别是延迟振子理论、充放电振子理论、平流-反射振子理论和西太平洋振子理论。其中，夏威夷大学的金飞飞(Prof. Fei-Fei Jin)教授提出的“充放电振子”理论如今被广泛运用到ENSO的动力诊断和预报当中。该理论认为El Niño发生之前整个热带太平洋次表层已经有异常的热量堆积，这些异常热量在赤道中东太平洋上升流的携带下能加热海表引发El Niño，进而在赤道中太平洋激发西风异常来减弱信风，因此产生向赤道外的异常Sverdrup输送，将热带中东太平洋次表层海洋的异常热量向赤道外输运，而赤道西太平洋次表层异常冷水则趁虚而入，导致了El Niño衰减并转向为La Niña，从而解释了El Niño与La Niña之间自持性的周期振荡。由于该理论聚焦于整个赤道太平洋次表层热量的堆积和释放，犹如蓄电池的充电与放电，因此被形象地命名为“充放电振子理论”。近30年来的观测还指出热带中西太平洋的西风爆发事件可以激发El Niño，这与经典的ENSO“充放电振子理论”并不矛盾：西风爆发发生于El Niño发展年的春夏季，晚于热量的“充电”；同时西风爆发有利于加强热带中太平洋的异常西风，可以通过激发异常东向海流将暖池区高温暖水向东输运，同时通过激发下沉性赤道Kelvin波来加深赤道东太平洋的温跃层深度，这能促进次表层堆积的异常热量进入赤道东太平洋地区，所以西风爆发的作用是通过水平和垂直平流来加剧El Niño的振幅，而El Niño的根源仍然是次表层异常热量的堆积。对二者的关系，M. J. McPhaden教授作了个形象的比喻：次表层异常热量就好比是一个油库(a tank)，西风爆发则犹如火星(sparks)，El Niño事件就是油库着火了(the tank is on fire)。2. 不同寻常的2014~2016厄尔尼诺目前，学界已经掌握了相当多的ENSO发生发展的机制和规律，并据此构建和改进了动力预报模式和海洋大气观测系统，已经能提前大约9~12个月作出较准确的ENSO预报。但是，几乎所有的ENSO预报系统都没有如往常那样准确地预报2014~2016年间的两次El Niño事件：备受期待的2014/15年的强El Niño事件夭折了，而2015/16年的El Niño事件又出乎意料地强，这似乎挑战了我们对ENSO的认知！其实，万变不离其宗，西风爆发与“充放电”理论对这两次El Niño事件依然有效，只是长久以来未受重视的“东风爆发”在2014年夭折的El Niño事件中起了关键的作用。2014年春季，热带中西太平洋上西风频繁爆发，热带太平洋次表层异常暖水也在堆积，热带中东太平洋海温逐渐升高(图2)，这一切都与1997年春季的情况类似，ENSO预报模式也早早就给出了“强ElNiño”的预警(图3)。然而，El Niño在该年夏天反而大幅地减弱，尽管在秋季又有略微的增长，但并未达到预报系统给出“强El Niño”的量级。更令人意外的是，此次El Niño在进入2015年春季后并未衰减，反而迅速增强并发展成一次超强El Niño事件。这两次非常规的El Niño发展轨迹迅速吸引了中外学者的注意力，事后的研究发现2014年夏季赤道中太平洋一系列的东风爆发抵消了春季的西风爆发的作用，阻碍了赤道中太平洋海温的的升高。此次的东风爆发的强度和频次在以往的El Niño事件中少有先例，以致学者对其在El Niño事件发展中的作用并未有充足的认识。此外，从2014年春季开始，备受信赖的TAO/TRITON观测阵列工作失灵，其反馈的实时观测数据量大幅下降，未能完整地捕捉到东风爆发事件，预报模式在失去了如此重要的初始条件的前提下，未能给出理想的预报结果也在情理之中。wt_a72342020062211124_c3adc2.jpg

图2  2014~2016年El Niño与1997/98年El Niño的比较

左列为海面风应力异常，中列为海面温度异常，右列为温跃层深度(20 °C等温线深度)异常；图中绿色(紫色)圆圈代表西风(东风)爆发，中列黑色曲线为28°C等温线

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图3  IRI/CPC统计的ENSO预报模式对2014~2016年El Niño事件的预报结果

灰色实线为各个模式的预报结果，蓝色(紫色)实线为动力(统计)预报模式的结果的合成，黑色实线为实际的观测结果再次令人意外并且沮丧的是，2014年的El Niño事件在2015年春季并未如预料般衰减，而是迅速增强并在2015年冬季发展成为了一次超强El Niño事件。究其原因，由于2014年的弱El Niño事件的存在，整个赤道中东太平洋处于异常增暖的状态，次表层暖水也堆积于此，并未向赤道外释放，加上2015年春季西风爆发很活跃，这导致了El Niño事件的爆发并迅速增强。尽管2015年夏季也出现了东风爆发事件，但其强度较弱，未能阻碍El Niño事件的发展。由此可见，这次超强El Niño事件的源头在2014年，有研究表明2014年夏季的强东风爆发增强了信风，逆转了伴随着El Niño的海洋次表层异常热量向赤道外的输运，反而起到了 “二次充电”的效果，使海洋次表层异常热量在接下来的秋冬季得以维持，这为下一年的El Niño事件提供了有利的初始条件。2015/16年的超强El Niño与1997/98年还是有所区别：（1）海温和海面高度异常的中心更靠近赤道中太平洋，而不是如1997/98年那样位于赤道东太平洋(图4)；（2）赤道中太平洋海温增幅达到历史极值，比1997/98年最强El Niño事件的增幅还高。

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图4  2015/16El Niño与1997/98El Niño的海面高度异常发展轨迹的对比

图摘自美国宇航局(NASA)网站：https://svs.gsfc.nasa.gov/30629由此可见，在2014~2016两次El Niño事件的爆发阶段中，海洋次表层热量条件都是极其有利的，导致其发展轨迹和最终强度的差别的原因是西风爆发与东风爆发的较量：2014年夏季的东风爆发使El Niño暂时退缩，却也有助于热带太平洋重新积蓄热量，为下一次El Niño的发展提供条件。正如毛泽东主席在撤离延安时所说：“缩回拳头，是为了打出去更有力”。

来源：https://mp.weixin.qq.com/s/wRLb-tw1mORyocy1PpZ5UQ 中国科学地球科学

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA4OTg5ODc0OA==&mid=2651231044&idx=1&sn=6d6f9ae55c7c9b9b6c7365666eff5ecb&chksm=8be1d8d7bc9651c10ef1b1577a0fe12ce8dd034fda6076131eabf198494e9372a96dde8a4818#rd

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