PDO对ENSO非对称性的年代际调整及其机制.pdf

热带海洋学报 JOURNAL OF TROPICAL OCEANOGRAPHY 2023 年 第 42 卷 第 4 期:3646 doi:10.11978/2022189 http:/ PDO对 ENSO 非对称性的年代际调整及其机制 李承勇,孟祥凤,谢瑞煌 中国海洋大学海洋与大气学院,山东 青岛 266100 摘要:本文利用 HadISST 的月平均海温数据以及 ORAS3 再分析数据,研究了 PDO(Pacific Decadal Oscillation)不同位相对ENSO(El Nio and South Oscillation)非对称的年代际调整。对 PDO不同位相的海表温度异常(SSTA,sea surface temperature anomaly)的偏度分析发现,PDO 正位相期间东太平洋的 ENSO 非对称明显强于 PDO 负位相期间。同时,通过对次表层(50150m)海洋热量收支计算发现,东太平洋次表层非线性动力加热项(NDH,nonlinear dynamical heating)在 PDO不同位相下也有明显的变化,PDO 正位相期间东太平洋的次表层 NDH 明显强于 PDO 负位相期间,NDH 的差异主要是由其纬向分量NDHx 的差异引起的。东太平洋更强的次表层 NDHx 使 PDO 正位相期间 El Nio 事件和 La Nia 事件次表层温度异常(SubTA,subsurface temperature anomaly)的差距更大,从而引起 SSTA的非对称,导致 PDO正位相期间东太平洋的 ENSO 非对称比 PDO负位相期间强。关键词:ENSO非对称;PDO;热收支分析;非线性动力加热项;次表层 中图分类号:P731.11 文献标识码:A 文章编号:1009-5470(2023)04-0036-11 Interdecadal modulation of ENSO asymmetry by the Pacific Decadal Oscillation and its mechanism LI Chengyong,MENG Xiangfeng,XIE Ruihuang College of Oceanic and Atmospheric Sciences,Ocean University of China,Qingdao 266100,China Abstract:El Nio and South Oscillation(ENSO)asymmetry between El Nio and La Nia events in the positive and negative Pacific Decadal Oscillation(PDO)phases is examined using HadISST and ORAS3 ocean reanalysis products.It is found that ENSO asymmetry in the equatorial eastern Pacific is significantly weaker in the negative PDO phase than that in the positive PDO phase.It is found that the eastern Pacifics subsurface nonlinear dynamical heating(NDH)is likewise greatly affected by the various PDO phases,and it is much stronger during the PDO positive phase than that during the PDO negative phase through heat budget analysis of the ocean subsurface layer.The subsurface NDH is largely contributed by NDHx.A larger gap between the El Nio event and the La Nia event Subsurface Temperature Anomaly(SubTA)during the positive phase of the PDO is caused by the stronger subsurface NDHx in the East Pacific,which causes the asymmetry of the SSTA,and results in a stronger ENSO asymmetry in the East Pacific during the positive phase of the PDO than that during the negative phase of the PDO.Key words:ENSO asymmetry;PDO;heat budget;NDH;subsurface 收稿日期：2022-09-14;修订日期：2022-11-10。姚衍桃编辑 基金项目：国家自然科学基金项目(41976015、42176024)作者简介：李承勇(1998),男,山东省菏泽市人,硕士研究生,从事海气相互作用研究。email: 通信作者：孟祥凤。email: Received date:2022-09-14;Revised date:2022-11-10.Editor:YAO Yantao Foundation item:National Natural Science Foundation of China(41976015,42176024)Corresponding author:MENG Xiangfeng.email: ENSO(El Nio and South Oscillation,厄尔尼诺与南方涛动)是热带太平洋海洋-大气耦合系统的一种自然“振荡模式”,它是地球上气候系统中最具活力的年际变化,ENSO 暖位相(El Nio 事件)和冷位相(La Nia事件)大约每 27 年发生一次,ENSO 事件的发生对人类和自然系统具有十分深远的影响(McPhaden et al,李承勇等:PDO 对 ENSO 非对称性的年代际调整及其机制 37 1 2006;Timmermann et al,2018)。但 El Nio事件和 La Nia 事件不完全是彼此的镜像:1)El Nio 事件衰减后通常会伴随着 La Nia 事件的发展,但相反的情况要少得多(Chen et al,2016;An et al,2017);2)El Nio事件的海温异常强于 La Nia 事件(Burgers et al,1999;于毅 等,2011),但其持续时间往往比 La Nia 事件更短(DiNezio et al,2014;An et al,2018);3)El Nio 事件和 La Nia 事件海温异常的空间结构也有较大差异,La Nia 事件相关的冷异常通常比 El Nio 事件相关的暖异常沿赤道向西延伸更远(Dommenget et al,2013)。El Nio 事件和 La Nia 事件在时空特征上的差别被称为 ENSO 非对称,是 21 世纪以来 ENSO 研究的热点问题之一。海洋混合层内的线性动力加热(linear dynamical heating,LDH)和非线性动力加热(nonlinear dynamical heating,NDH)是促使 ENSO 海温异常发展的重要的两种温度平流,已经有许多研究证明 NDH 可增强ENSO 的振幅非对称。例如,Jin 等(2003)和 An 等(2004)最早指出 NDH 可增强 El Nio 事件的振幅,但会削弱 La Nia 事件的振幅,其中主要通过 NDH 的垂直分量(非线性垂直温度平流)来实现。但 Su 等(2010)通过对多个海洋再分析资料的分析,发现非线性平流项的水平分量是造成热带太平洋东部 ENSO 振幅非对称的主要因子,而非线性平流项的垂直分量则起到了相反的作用,并指出其与 Jin等(2003)关于垂直分量的作用的差别可能来源于不同的海洋数据。董宇佳等(2014)发现 NDH 在 ENSO 事件的发展和成熟阶段都能促使冷暖位相的振幅非对称,并在 ENSO 事件的发展阶段发挥了更为重要的作用。最近,Hayashi 等(2017)提出海洋次表层 NDH 也对 ENSO 振幅非对称有贡献:在强 El Nio 事件达到峰值后,随着赤道太平洋温跃层的变平以及赤道潜流的停止,次表层 NDH急剧增加,使次表层 LDH 引起的冷却减少了 30%,从而减弱了随后的 La Nia 事件,造成了 ENSO 的振幅非对称。基于此,Hayashi 等(2020)进一步通过诊断再分析数据和气候模式模拟结果发现,气候模式模拟的ENSO 非对称在很大程度上与赤道太平洋的次表层NDH 成正比。研究发现,ENSO 振幅非对称存在明显的年代际变化(An,2009)。Wu 等(2003)指出 ENSO 在 19811999 年比 19611975 年的非对称更强。McPhaden等(2009)也发现了 1975 年前后 ENSO 非对称的年代际变化,并认为这种变化是由热带太平洋气候背景态的年代际变化导致的。Duan 等(2006)稍早前指出热带太平洋气候背景态的年代际变化可以通过调整 NDH来导致 ENSO 非对称产生年代际变化。最近,Pan 等(2020)指出这种 ENSO 非对称的年代际变化主要是由于 NDH 的纬向分量在不同年代的作用不同而造成的,在气候背景态发生年代际变化之后,纬向温度平流与经向温度平流共同增强 ENSO 非对称;而在之前,纬向温度平流则起到相反的作用。同时,Gong 等(2020)发现 ENSO 振幅的年代际变化和大西洋多年代际振荡(Atlantic multi-decadal oscillation,AMO)有关。太平洋年代际振荡(Pacific decadal oscillation,PDO)是北太平洋中纬度最显著的年代际信号,可以影响全球和区域气候(Mantua et al,1997)。ENSO 和PDO 在空间分布上相似,已有许多研究表明二者具有十分密切的联系。Wang等(2008)发现,PDO 能改变热带太平洋气候背景态,从而导致 ENSO 的时空特征呈现出年代际变化,而 ENSO在 27年尺度上调整 PDO强度。Kravtsov(2012)也指出 ENSO 变率的年代际变化与 PDO 等年代际气候变化有关。Feng 等(2014)认为 PDO 可以影响 ENSO 的演变,El Nio 事件在 PDO正(负)位相缓慢(快速)衰减。最近,Lin 等(2018)发现,PDO 的位相可以调制 ENSO 的出现频率和振幅,如PDO 正位相期间 El Nio 强于 La Nia,也强于 PDO负位相时发生的 El Nio,且出现频率远高于 La Nia,但 PDO负位相期间 La Nia 强度则更强,且其出现频率比 El Nio 更高。综上所述,PDO 可以改变热带太平洋的气候背景态,对 ENSO 的振幅、演变、发生频率等产生调整。但 PDO能否影响 ENSO振幅非对称以及如何影响,这仍然是尚未完全解答的问题。再者,如 Hayashi 等(2017)所述,次表层 NDH 被发现是产生 ENSO振幅非对称的原因之一,而对于其是否也受到 PDO的影响并导致 ENSO 振幅非对称呈年代际变化仍不清楚。因此,本文将通过比较 PDO 正负位相期间的次表层NDH 对表层海温异常的贡献来剖析 PDO 对 ENSO 振幅非对称性的调整及其机制。1 数据和方法 1.1 数据 次表层海温数据和洋流的月平均数据来源于ECMWF(the European Cen