赤道西太平洋海面增暖对早春北极平流层极涡的调控.pdf

姚彬彬,施春华,郭栋,等.2023.赤道西太平洋海面增暖对早春北极平流层极涡的调控 J.大气科学,47(4):12171230.YAOBinbin,SHIChunhua,GUODong,etal.2023.StratosphericArcticPolarVortexModulatedbytheSeaSurfaceTemperatureWarmingintheWesternEquatorialPacificinEarlySpringJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(4):12171230.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21254赤道西太平洋海面增暖对早春北极平流层极涡的调控姚彬彬施春华郭栋饶建南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/大气科学学院,南京 210044摘要平流层极涡异常对冬春季极端天气和极地臭氧亏损有重要指示意义。在 19792020 年 ERA5 再分析资料中，早春北极平流层极涡年际变率与热带太平洋海温第二模态（主要空间型为赤道西太平洋海温异常）有关。通过 CAM5 数值模拟，进一步揭示了赤道西太平洋海温异常影响平流层极涡的途径：冬春季赤道西太平洋增暖时，在暖海温区深对流降水加强，异常的潜热加热通过 Matsuno-Gill 响应在其西北侧激发了 Rossby 波（对流层上层的高压异常）。该 Rossby 波沿大圆路径在北太平洋调整了北半球最强的槽脊系统的强度和位置，从而使得经向风 1 波分量的振幅减小，经向风 3 波和温度 3 波分量的位相差增大。两者分别减弱了下平流层的 1 波和 3 波的波作用通量上传，更少的涡动热量通量向极输送促进了春季北极平流层极涡增强。关键词平流层极涡赤道西太平洋海面温度Rossby 波文章编号1006-9895(2023)04-1217-14中图分类号P434文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21254Stratospheric Arctic Polar Vortex Modulated by the Sea SurfaceTemperature Warming in the Western Equatorial Pacific in Early SpringYAOBinbin,SHIChunhua,GUODong,andRAOJianKey Laboratory of Meteorological Disaster,Ministry of Education(KLME)/School of Atmospheric Sciences,Nanjing University of InformationScience&Technology,Nanjing 210044AbstractStratosphericArcticvortex(SAV)anomaliescanprovideindicationsforsevereweatherandArcticozonelossesinwinterandspring.Inearlyspring,theSAVisconnectedtothesecondmodeoftheinterannualseasurfacetemperature(SST)intheTropicalPacificfrom1979to2020andthespatialpatternofSSTanomaliesinthewesternequatorialPacificfromtheERA5reanalysisdata.ThespecificprogressofthewesternequatorialPacificSSTanomaliesaffectingtheSAVisrevealedusingCAM5numericalsimulations.Inwinterandspring,theSSTwarminginthewesternequatorialPacificcanintensifylocaldeepconvectiveprecipitation.TheanomalouslatentheatinginducesaRossbywave(high-pressureanomaliesintheuppertroposphere)toitsnorthwestsideviatheMatsunoGillatmosphericresponse.TheRossbywavemodifiesthestrengthandpositionofthestrongesttrough-ridgesystemoftheNorthernHemisphereintheNorthPacificalongthegreatcirclepath,decreasingtheamplitudeofthemeridionalwindswave1andanincreaseinthephasedifferenceofwave3betweenthemeridionalwindandtemperature,resultinginlesswaveactivityfluxesofwaves1and3propagatingtothestratosphere.Finally,inthespring,decreasedpolewardtransmissionofeddyheatfluxenhancestheSAV.收稿日期2021-12-27；网络预出版日期2022-04-14作者简介姚彬彬，男，1995 年出生，硕士研究生，主要从事平流层对流层耦合研究。E-mail:通讯作者施春华，E-mail:资助项目国家重点研发计划项目 2022YFF0801703，国家自然科学基金项目 41875048Funded byNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(Grant2022YFF0801703),NationalNaturalScienceFoundationofChina(Grant41875048)第47卷第4期大气科学Vol.47No.42023年7月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJul.2023KeywordsStratosphere,Arcticvortex,WesternequatorialPacific,Seasurfacetemperature,Rossbywave 1 引言北极平流层极涡在影响冬春季对流层天气和气候的中扮演重要的角色（陈文和魏科,2009;WangandChen,2010;邓淑梅等,2015）。在冬春季，由于对流层异常信号的上传，平流层极涡会快速做出调整并产生下传信号，继而对地面天气产生影响（Reichleretal,2005;易明建等,2013;魏麟骁等,2014）。在这一过程中平流层极涡处于调整变化的状态。近年来备受关注的北极春季臭氧低值事件（1997、2011 和 2020 年）也与平流层强极涡背景密切相关（Manneyetal.,2011;HuandXia,2013;Zhangetal.,2018;Hu,2020;Manneyetal.,2020），平流层极涡的持续性增强是其重要的动力背景。索春男等（2017）通过分析 1997 年和 2011 年北极地区平流层臭氧异常偏低事件，发现上传到平流层的行星波活动减弱，导致这两年平流层极涡异常加强，极地平流层温度异常偏低，生成了更多极地平流层云，从而导致了更强的臭氧化学损耗。同样的，行星波活动的减弱所造成的北极平流层持续的强极涡也是导致 2020 年创纪录的臭氧损耗事件的主要动力原因（Lawrenceetal.,2020;RaoandGarfinkel,2020）。因此，春季平流层极涡持续性增强的归因分析就显得很重要。海温变化被认为是导致平流层极涡异常的重要原因之一（Hurwitz,2012;Huetal.,2018）。热带太平洋作为全球海面温度最高的区域，其增暖后会造成对大气的非绝热加热，使得大气对流活跃（Lau,1997），继而导致热带及热带外的环流异常（Xieetal.,2012;陶威和陈权亮,2018）。ENSO（ElNioSouthernOscillation）作为热带太平洋海温异常的一个最重要的年际模态，其影响平流层极涡的过程和机制已有不少讨论（如：任荣彩和向纯怡,2010;任 荣 彩,2012）。Garca-Herrera et al.（2006）发现在厄尔尼诺（ElNio）年，热带海温异常会在其之后的冬春季，诱发正太平洋北美遥 相 关（PacificNorth American teleconnection,PNA）波列，导致阿留申低压加深（BarnstonandLivezey,1987），加强的阿留申低压与气候态大气波动相互作用，使得进入到平流层的行星波作用通量增多（GarfinkelandHartmann,2008;InesonandScaife,2009;SmithandKushner,2012），特别是纬向 1 波（LiandLau,2012;BarriopedroandCalvo,2014）；异常向上传播的行星波进入到平流层后破碎，减弱了平流层极涡。且厄尔尼诺强度越强，平流层极涡也会相应地变得更弱（Zhouetal.,2018）。而在拉尼娜（LaNia）年，平流层极涡会变的更强更冷（FreeandSeidel,2009;Izaetal.,2016）。除此之外，中部型 ElNio 对平对流层的影响与传统的东部型 ElNio 的影响是不同的，一些研究发现中部型厄尔尼诺类似 LaNia，增强平流层极涡（HegyiandDeng,2011;Xieetal.,2012）。也有研究关注北太平洋海温与平流层极涡的关系。PDO（PacificDecadalOscillation）是北太平洋海温异常的第一模态，它对平流层极涡有重要影响。在PDO 的正位相，平流层极涡会显著减弱（Wooetal.,2015;Krenetal.,2016）。但是，也有研究（HuandGuan,2018）指出，在年代际尺度上，PDO 正位相时，平流层极涡反而会增强，主要由 1 波的减弱导致上传到平流层的行星波作用通量减少所引起的。鉴于平流层极涡异常对冬春季极端天气和极地臭氧异常有重要指示意义，进一步弄清平流层极涡异常的动力机制是有科学价值的。目前有关海温异常对北极平流层极涡的研究，主要关注了海温变化后平流层行星尺度 1 波和 2 波的响应。但区域性海温异常，究竟如何通过区域性环流异常影响到平流层行星尺度 1 波和 2 波，这些中间过程目前较少被提及。此外，以往研究多关注行星波作用通量本身的整体变化，对于影响行星波作用通量的多个因子的详细讨论尚不多见。因此，我们试图从这些方面，揭示热带太平洋海温异常影响北极春季平流层极涡强度的物理过程和机制。2 数据和方法 2.1 数据欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的19792020 年的 ERA5 逐日再分析资料（Hersbachetal.,2020）。变量有海表温度、气温、位势、经大气科学47卷1218ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47向风和纬向风等。资料水平分辨率为 11，垂直等压面从 1000hPa 到 1hPa 共 37 层。2.2 波活动通量二维子午圈平面上的准地转 Eliassen-Palm 通量（Edmonetal.,1980）被广泛用来诊断行星波活动和传播，其散度项是在动量方程的驱动因子之一。球面 p 坐标下二维 E-P 通量的分量及其散度可以表示为F=acosvu，（1）Fp=facospv，（2）(F,Fp)=1acos(Fcos)+pFp，（3）假设经向风和温度的 k 波分量的纬向分布为Vk=Vkcos(kk)，（