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Journal of Tropical Oceanography >

2024 , Vol. 43 >Issue 5: 1 - 16

DOI: https://doi.org/10.11978/2023150

Marine Hydrology

Impact of Atlantic Multidecadal Oscillation on interannual relationship between ENSO and early summer marine heatwaves in the Western Pacific*

  • YUAN Yu , 1, 2 ,
  • XU Haiming , 1, 2 ,
  • MA Jing 1, 2 ,
  • ZHANG Tong 1, 2
Expand
  • 1. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters (CICFEMD) / Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education (KLME) / Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change (ILCEC), Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
  • 2. College of Atmospheric Science, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
XU Haiming. email:

Received date: 2023-10-16

  Revised date: 2023-12-14

  Online published: 2023-12-14

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42192562)

National Natural Science Foundation of China(41975106)

Fold

Abstract

Marine heatwaves are extreme high temperature events that occur on the oceans and have devastating impact of marine environment and ecosystems. Using the fifth generation of European centre for medium-range weather forecasts atmospheric reanalysis data (ERA5) and the Hadley Centre Global Sea Ice and Sea Surface Temperature (HadISST) dataset during the period of 1960-2020, and data from the North Atlantic idealized experiments performed with the CESM1 model, this study investigated the variation of the interannual relationship between the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and the following early summer marine heatwaves in the western Pacific, and the possible reasons for their decadal variation based on correlation, synthetic analysis and other statistical methods. The results are shown as follows. 1) The interdecadal relationship between the ENSO and the following early summer marine heatwaves months in the western Pacific displays a prominent decadal variation, which is modulated by the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO). A high correlation between the ENSO and the following early summer marine heatwaves in the western Pacific appears during the positive AMO phase, while no significant correlation is found during the negative AMO phase. 2) AMO mainly affects the response of atmospheric circulation in the Northwest Pacific by modulating ENSO amplitude, thereby affecting the relationship between the ENSO and the following early summer marine heatwaves in the western Pacific. During the negative (positive) AMO phases, the Northwest Pacific anomalous anticyclone/cyclone appears strong (weak), and its position shifts toward east (west) in the following early summer, due to the relatively strong (weak) ENSO events through strong (weak) wind-evaporation-SST positive feedback mechanism. Thus, the position and intensity of anomalous anticyclones/cyclones led to significant differences in the distribution of early summer marine heatwaves in the western Pacific between the positive and negative AMO phase.

Key words： early summer marine heatwaves; western Pacific; ENSO; AMO; Northwest Pacific anomalous anticyclone/cyclone

Cite this article

YUAN Yu , XU Haiming , MA Jing , ZHANG Tong . Impact of Atlantic Multidecadal Oscillation on interannual relationship between ENSO and early summer marine heatwaves in the Western Pacific*[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2024 , 43(5) : 1 -16 . DOI: 10.11978/2023150

海洋热浪是海表温度超过一定阈值, 可持续数天或数月的极端高海温事件, 其范围可达数千平方公里。工业革命以来, 受平均海温变暖的影响(Oliver, 2019), 海洋热浪的平均强度、持续时间和发生频率在全球大多数海域都有显著的线性增长趋势(King et al, 2017; Oliver et al, 2018; Frölicher et al, 2018; Laufkötter et al, 2020; 缪予晴 等, 2021; 胡石建 等, 2022)。数值模拟结果表明, 尽管不同海域海温对全球变暖的响应不同, 但在未来 30 年中, 海洋热浪的持续时间和强度将继续增加(Frölicher et al, 2018; Hayashida et al, 2020)。
近年来, 海洋热浪造成的破坏性影响引发社会各界广泛关注。海洋热浪会引发有害藻类大量繁殖, 并极大地减少海洋中的营养物质供应, 导致鸟类、鱼类和海洋哺乳动物的死亡率增加, 进而改变海洋生态结构和功能发生改变(Garrabou et al, 2009; Marbà et al, 2010; Pearce et al, 2013; Feng et al, 2013; Smale et al, 2013; Chen et al, 2014; Cavole et al, 2016; Smale et al, 2019)。此外, 在海洋热浪的影响下, 海洋物种的地理分布和物候会发生变化, 从而使渔业以及旅游业等受到重创(Mills et al, 2013; Chen et al, 2014)。强烈和持续的海洋热浪不仅破坏了海洋生态系统, 同时还造成了巨大的社会经济损失。
除了人为强迫对海洋热浪的影响, 不同时间尺度的气候系统内部变率也可以通过大气或海洋遥相关直接或间接调控海表温度, 进而影响海洋热浪的发生。在季节内时间尺度上, 大气30~60d季节内振荡和季节循环可以通过影响向下的短波辐射和潜热通量异常来调节南海海洋热浪的发生发展(Han et al, 2023)。在季节时间尺度上, 混合层深度的季节变化是产生海洋热浪的重要机制(Schaeffer et al, 2017; Holbrook et al, 2020; Scannell et al, 2020)。厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)作为全球最显著的年际信号, 可以通过影响温跃层起伏、Kelvin 波传播和上升流等过程引起太平洋和印度洋海洋热浪的发生发展(Lorenzo et al, 2016; Holbrook et al, 2020; Zhang et al, 2021; Liu et al, 2022)。此外, 北大西洋和东北太平洋海洋热浪的强度和持续时间分别受北大西洋多年代际振荡(Atlantic multidecadal oscillation, AMO)和太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)的年代际调节。在AMO和PDO正位相期间北大西洋和东北太平洋更容易出现海洋热浪现象(Ren et al, 2013; Scannell et al, 2016)。由此可见, 海洋热浪的形成原因十分复杂, 且在多尺度内部变率的影响下, 其物理机制存在较大的区域差异性。
AMO是发生在北大西洋区域具有海盆尺度的周期为60~80a海表温度异常变化现象, 对ENSO以及ENSO影响下的区域气候具有重要影响(Zhang et al, 2007; Wang et al, 2009; Luo et al, 2011; Zhao et al, 2022)。AMO对ENSO的强度具有年代际调制作用。在AMO处于正位相期间, 热带大西洋和太平洋中部增强的沃克环流和赤道东风会引起赤道太平洋温跃层斜度加强, 温跃层反馈减弱, 进而使ENSO的海温异常强度减弱(Dong et al, 2006, 2007)。ENSO引发的西北太平洋异常反气旋/气旋是影响东亚气候的主要系统(Wang et al, 2000; Xie et al, 2009)。AMO通过影响西北太平洋异常反气旋/气旋, 从而调节ENSO与东亚季风(初夏东亚夏季风和东亚冬季风)之间的关系(Geng et al, 2017; Xu et al, 2021)。此外, 还有研究表明, 厄尔尼诺相关的初夏东南亚降水也受AMO的调制(Fan et al, 2019)。
综上, AMO对ENSO及ENSO相关的区域气候存在明显的年代际调控作用, 考虑到ENSO对夏季西北太平洋-中国近海海洋热浪起到至关重要的作用(Tan et al, 2018; Yao et al, 2021, 2023; Liu et al, 2022), 那么ENSO与西北太平洋海洋热浪的年际关系是否也同样受到AMO的调控? 由于西北太平洋异常反气旋受印度洋海温的影响在8月存在明显北移(Hu et al, 2012; 唐颢苏 等, 2019), 而本文重点关注热带海域, 因此, 本文的研究季节为初夏(5—7月), 并主要探讨ENSO与初夏(5—7月)西太平洋海洋热浪之间年际关系的变化规律以及二者关系发生年代际变化的可能原因, 进一步揭示AMO调制ENSO与初夏西太平洋海洋热浪之间关系的主要物理过程。

1 资料与方法

1.1 资料

1.1.1 观测数据

海温数据是由英国气象局哈德来中心提供的全球海冰和海洋表面温度资料集(Hadley centre global sea ie and sea surface temperature, HadISST)(Rayner et al, 2003)的月平均海表温度观测资料, 空间分辨率为1°×1°, 可用时段为1870年至今。HadISST资料既包括船舶、浮标等现场观测资料, 又包括卫星资料。为了提高海温数据的覆盖率, HadISST资料还采用美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的综合海洋大气资料集(integrated comprehensive oceanic and atmoshperic data set, ICOADS)来填补缺失的海温值。由于ICOADS资料的空间分辨率在1960年以后提高到1°×1° (Worley et al, 2005), 因此本文的研究时段确定为1960—2020年。
再分析资料采用欧洲中期天气预报中心(European centre for medium-range weather forecasts, ECMWF)提供的第五代大气月平均再分析全球数据(ECMWF Reanalysis v5, ERA5)(Hersbach et al, 2020), 包括海平面气压场、850hPa风场以及海表辐射通量等, 空间分辨率为0.25°×0.25°。上述再分析资料的研究时段为1960—2020年, 与海温数据一致。

1.1.2 模式数据

地球系统模式(community earth system model, CESM1)(http://www.cesm.ucar.edu/)(Kay et al, 2016)是由美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)开发的耦合模式, 由大气、海洋、海冰和陆面4个模块组成, 水平分辨率为1°×1°。大气模块具有30个混合垂直层, 海洋和海冰模块垂直方向有60层。CESM1实施一系列北大西洋理想试验(Ruprich-Robert et al, 2017)能很好地模拟出AMO对ENSO强度的调制作用(Trascasa-Castro et al, 2021)。
北大西洋理想试验是在北大西洋多年月平均气候态海温的基础上施加与AMO相关的正或负海温异常, 并保持北大西洋区域内海温固定不变, 而在全球其他海域海气完全自由耦合, 从而分别获得正位相AMO和负位相AMO的试验结果。北大西洋理想试验由30个集合成员组成, 每个集合成员在恒定的外强迫下积分10a, 因此, 正、负位相AMO试验均包含300a的模拟数据。本文采用该试验中的月平均海表温度以及850hPa风场资料。

1.2 方法

1.2.1 气候指数及ENSO事件的定义

Niño3.4指数为Niño3.4区域(170°—120°W, 5°S—5°N)的平均海温异常。本文采用Trenberth (1997)对ENSO事件的定义: 当5个月滑动平均的Niño3.4指数连续6个月高于(低于) 0.4 (-0.4)℃时认定发生厄尔尼诺(拉尼娜)事件。如表1, 共挑选出15次厄尔尼诺事件和22次拉尼娜事件。
表1 1960—2020年厄尔尼诺事件和拉尼娜事件

Tab. 1 El Niño and La Niña events during 1960-2020

ENSO事件 年份
厄尔尼诺事件 1963/64, 1965/66, 1972/73, 1982/83, 1986/87, 1987/88, 1991/92, 1994/95,
1997/98, 2002/03, 2004/05, 2009/10, 2014/15, 2015/16, 2018/19
拉尼娜事件 1961/62, 1962/63, 1964/65, 1966/67, 1967/68, 1970/71, 1971/72, 1973/74, 1974/75, 1975/76, 1984/85,
1988/89, 1995/96, 1998/99, 1999/2000, 2000/01, 2007/08, 2010/11, 2011/12, 2016/17, 2017/18
AMO指数为北大西洋区域(0—60°N, 0—80°W)平均海表温度异常(Trenberth et al, 2006)。由于AMO具有60~80a的周期, 因此采用11a低通滤波来提取年平均AMO的年代际变率。本文使用的NOAA逐月Niño3.4指数(Barnston et al, 1992)和NCAR逐月AMO指数(Enfield et al, 2001), 分别来自NOAA 和NCAR的官方网站 https://climatedataguide.ucar.edu/sites/default/files/2022-03/amo_monthly.txt和 https://psl.noaa.gov/data/correlation/nina34.anom.data。

1.2.2 海洋热浪的定义

海温阈值的定义方法影响海洋热浪事件的检测。Hobday等(2016)提出了一种随季节变化的海洋热浪阈值, 即利用以某天为中心的11d窗口内所有年份的每日海温值, 计算出对应每一天的第90百分位阈值后, 再进行31d平滑。同时, 将海洋热浪定义为某地海温至少持续5d超过海洋热浪阈值的海温增暖事件。这一定义有效避免了海温的季节变化对检测海洋热浪的影响, 并且对除潮间带以外的大部分海洋区域具有普适性。Jacox等(2020)参考上述方法并基于月平均资料重新定义海洋热浪, 将以某月为中心的3月窗口内所有年份海温异常值的第90百分位数定义为海洋热浪阈值, 若某月海温异常值超过海洋热浪阈值则认为该月发生海洋热浪。尽管月平均资料无法捕捉较为短暂的海洋热浪事件, 但时间分辨率基本不影响海洋热浪的空间分布以及变化规律(Jacox et al, 2020; Amaya et al, 2023)。
目前, 较高分辨率的逐日海温资料时间长度相对较短, 时间跨度较长的月平均资料更有利于研究海洋热浪的年代际变化特征。因此, 本文根据Jacox等(2020)对月海洋热浪的定义, 采用月平均数据来识别1960—2020年初夏西太平洋海洋热浪, 并定义某年初夏发生海洋热浪月份的个数为初夏海洋热浪月数。本文主要对初夏海洋热浪月数展开研究。
值得注意的是, 由于全球变暖以及海表温度的年代际变化会影响海洋热浪阈值的确定, 为了筛选出更为合理的高海温事件, 在计算海洋热浪之前需要对海温数据进行处理。首先, 对原始数据作去线性趋势处理; 随后, 减去数据的11a低通滤波; 最终, 采用经上述去趋势和去年代际信号处理后的海温数据进行海洋热浪的检测。大气资料在开始研究前也作了相同的处理。

1.2.3 统计方法

本文采用了经验正交函数(empirical orthogonal funciton, EOF)分析方法提取初夏西太平洋海洋热浪月数年际变化的主要模态。为了更好地研究AMO影响ENSO与初夏西太平洋海洋热浪年际关系的大气条件, 还进行了合成分析、回归分析、滑动相关分析以及t检验等。

2 AMO对ENSO与初夏西太平洋海洋热浪年际关系的调制作用

2.1 ENSO与初夏西太平洋海洋热浪的年际关系

为揭示初夏西太平洋海洋热浪的时空变化特征, 对1960—2020年西太平洋(10°S—30°N, 120°—180°E)初夏(5—7月)海洋热浪月数进行EOF展开, 主模态方差贡献率为20%。第一模态空间分布显示(图1a), 初夏西太平洋海洋热浪为东西反向的偶极型分布, 正位相表现为菲律宾至新几内亚岛北部海域海洋热浪月数多, 热带中太平洋海洋热浪月数少, 负位相则相反。第二模态方差贡献率为12%, 呈南北偶极型空间分布(图略), 且EOF前两个模态相互独立。将主模态中方差大值区(图1a黑框区域: 120°—160°E, 10°S—15°N)区域平均海洋热浪月数定义为初夏西太平洋海洋热浪指数(Western Pacific Marine Heatwaves Index, WPMHWI)。图1b分别给出了主模态对应的时间系数(Principal Component 1, PC1)、初夏WPMHWI以及前冬Niño3.4指数, 发现PC1和初夏WPMHWI显著相关, 二者相关系数达0.92, 说明初夏WPMHWI可以很好地反映初夏西太平洋海洋热浪的年际变化特征。此外, 初夏WPMHWI与前冬Niño3.4指数表现出较好的同向变化特征, 相关系数达0.25, 通过了95%的显著性检验, 这说明ENSO对西太平洋海洋热浪的发生有一定的影响。该结果与前人的研究结论一致(Yao et al, 2021; 王爱梅 等, 2021; Liu et al, 2022)。
图1 1960—2020年初夏西太平洋海洋热浪月数第一模态空间分布(a)和PC1、初夏WPMHWI与前冬Niño3.4指数的时间序列(b)

图a黑框区域表征西太平洋海洋热浪指数的计算范围。审图号: GS(2016)1561

Fig. 1 Spatial pattern of the first mode of the early summer marine heatwaves months in the western Pacific during 1960-2020 (a) and time series of PC1 (grey bar), early summer WPMHWI (red line) and Niño3.4 index in the preceding winter (black line) (b).

The black box in (a) indicates the calculation range of the marine heatwaves index in the western Pacific

为了进一步揭示ENSO与初夏西太平洋海洋热浪年际关系的年代际变化特征, 图2给出了初夏WPMHWI与前冬Niño3.4指数的21a滑动相关系数。可以看到, 二者之间的相关关系可以分为2个阶段: 20世纪70年代中期至20世纪90年代末为低相关时期, 在这个时期ENSO与初夏西太平洋海洋热浪无显著正相关关系, 在某些时段甚至表现为弱的负相关关系; 20世纪90年代末至今为高相关时期, 初夏WPMHWI与前冬Niño3.4指数存在显著正相关关系, 滑动相关系数最高可达0.8以上。这种相关关系的转变, 表明ENSO与初夏西太平洋海洋热浪的相关关系并不稳定, 且二者关系存在明显的年代际变化特征。因此, 本文定义1998—22018年(共21a)和1974—21997年(共24a)分别为ENSO与初夏西太平洋海洋热浪高相关时期和低相关时期, 以进一步揭示不同年代际背景之下 ENSO对初夏西太平洋海洋热浪影响的差异。
图2 前冬Niño3.4指数与初夏WPMHWI的21a滑动相关系数和AMO指数的时间序列

图中黑色实线为前冬Niño3.4指数与初夏WPMHWI的21a滑动相关系数, 灰色直方条为AMO指数, 蓝色实线为95%信度水平的显著性检验线, 蓝色虚线为90%信度水平的显著性检验线

Fig. 2 Time series of 21-year sliding correlation coefficient (solid black line) between Niño3.4 index in the preceding winter and early summer WPMHWI, together with AMO index (grey bar).

The solid blue line indicates the 95% significance level, and the dashed blue line indicates the 90% significance level

图3分别给出了高相关时期和低相关时期初夏西太平洋海洋热浪和850hPa风场回归到前冬Niño3.4指数上的异常场。在高相关时期(图3a), ENSO与初夏新几内亚岛周边海域海洋热浪紧密相关, 而在低相关时期(图3b), ENSO对次年初夏该地区海洋热浪的影响并不显著。这一结果与滑动相关分析结果一致, 进一步证明了ENSO对次年初夏西太平洋海洋热浪的影响存在显著的年代际变化。另外, 通过对比可以看出, ENSO与初夏南海及台湾东部海域海洋热浪之间始终保持稳定且显著的正相关关系, 二者的关系不存在年代际变化。因此, 本文所提西太平洋海洋热浪主要指发生在新几内亚岛周边海域的海洋热浪(图3黑框区域)。
图3 回归到1998—2018年(a)和1974—1997年(b)前冬Niño3.4指数的初夏西太平洋海洋热浪月数和850hPa风异常场

黑框表征西太平洋海洋热浪指数的计算范围; 打点区表示通过90%显著性检验区域, 深黑色箭头为通过90%显著性检验风场。审图号: GS(2016)1561

Fig. 3 Regressed marine heatwaves (unit: months) and 850 hPa anomaly winds (unit: m·s-1) in early summer upon the preceding winter Niño3.4 index during 1998-2018 (a) and 1974-1997 (b).

The black box indicates the calculation range of the marine heatwaves index in the western Pacific. Stippling and bold arrow indicates the anomalous field passes the 90% confidence test

除了海洋热浪, 大气环流异常在这两个时期也存在显著差异。前人研究表明, 异常反气旋引起的短波辐射和潜热通量异常有利于海洋热浪的产生(Tan et al, 2018; Liu et al, 2022; Yao et al, 2021, 2023)。在高相关时期(图3a), 厄尔尼诺(拉尼娜)次年初夏西北太平洋异常反气旋(气旋)中心位于吕宋岛东部沿岸, 海洋热浪异常偏多(偏少)的海域恰好与异常反气旋(气旋)环流及其南部的东风(西风)相对应。而在低相关时期(图3b), 反气旋/气旋环流异常在0°—40°N呈带状分布, 其与海洋热浪之间没有明确的对应关系。

2.2 AMO对ENSO与初夏西太平洋海洋热浪的年际关系的调制作用

前人指出, ENSO与其相关的气候异常关系不稳定, 一方面可归因于ENSO自身的年代际变化以及类型(Zhang et al, 2019); 另一方面, 还受到其他气候系统自然变率的影响(Geng et al, 2017; Fan et al, 2019; Xu et al, 2021)。为了探究ENSO与初夏西太平洋海洋热浪之间相关关系变化的原因, 将初夏WPMHWI与前冬Niño3.4指数的21a滑动相关系数曲线和11a低通滤波的AMO指数作比较(图2), 可以清楚看到, ENSO与初夏西太平洋海洋热浪年际关系在1998年发生转折, 与此同时, AMO也发生了由负位相到正位相的转变。在AMO正位相期间, ENSO与初夏西太平洋海洋热浪具有显著的正相关关系, 而在AMO负位相期间, 二者的相关关系并不显著。进一步研究发现, 初夏WPMHWI与前冬Niño3.4指数的21a滑动相关系数曲线和AMO指数之间的相关系数高达0.9, 并通过99%信度水平的显著性检验。这一结果清楚表明, AMO对西太平洋海洋热浪与ENSO的年际关系有显著的调制作用。为了进一步揭示AMO如何影响ENSO与初夏西太平洋海洋热浪之间年际关系, 我们对1960—2020年不同AMO位相的ENSO事件进行了分类, 包括以下4类: AMO正位相期间, 厄尔尼诺事件或拉尼娜事件; AMO负位相期间, 厄尔尼诺事件或拉尼娜事件。在此分类下, 确定了9例AMO正位相期间厄尔尼诺事件, 11例AMO正位相期间拉尼娜事件, 6例AMO负位相期间厄尔尼诺事件以及10例AMO负位相期间拉尼娜事件(表2)。
表2 不同AMO位相下厄尔尼诺事件和拉尼娜事件

Tab. 2 El Niño and La Niña events in different AMO phases

厄尔尼诺事件年份 拉尼娜事件年份
AMO+ 1963/64, 1965/66, 1997/98, 2002/03, 2004/05,
2009/10, 2014/15, 2015/16, 2018/19		 1961/62, 1962/63, 1964/65, 1998/99, 1999/2000, 2000/01,
2007/08, 2010/11, 2011/12, 2016/17, 2017/18
AMO- 1972/73, 1982/83, 1986/87, 1987/88, 1991/92, 1994/95 1966/67, 1967/68, 1970/71, 1971/72, 1973/74, 1974/75,
1975/76, 1984/85, 1988/89, 1995/96
为了研究AMO影响ENSO事件次年初夏西太平洋海洋热浪的空间分布, 将AMO正、负位相期间ENSO事件次年初夏海洋热浪月数异常进行合成。在AMO正位相期间, ENSO与初夏西太平洋海洋热浪之间有着较好的对应关系。厄尔尼诺次年初夏西太平洋海洋热浪在新几内亚岛西部及北部海域异常偏多(图4a), 拉尼娜事件则与之相反, 海洋热浪明显偏少(图4b)。与AMO正位相不同, 在AMO负位相期间, 厄尔尼诺次年初夏西太平洋异常偏多的海洋热浪呈零星分布(图4c), 不仅如此, 拉尼娜次年初夏新几内亚岛北部大片海域也发生了异常偏多的海洋热浪。由此可见, 厄尔尼诺和拉尼娜次年初夏西太平洋海洋热浪均普遍偏多, 这使得在AMO负位相期间, ENSO与初夏西太平洋海洋热浪之间存在弱的负相关关系(图3b)。
图4 AMO+/厄尔尼诺事件(a)、AMO+/拉尼娜事件(b)、AMO-/厄尔尼诺事件(c)以及AMO-/拉尼娜事件(d)次年初夏西太平洋海洋热浪月数异常合成场

图中打点区表示通过90%显著性检验区域

Fig. 4 Composites of marine heatwaves (unit: months) for AMO+/El Niño (a), AMO+/La Niña (b), AMO-/El Niño (c) and AMO-/La Niña (d) in the following early summer.

Stippling indicates the anomalous field passes the 90% confidence test

为探究ENSO事件次年初夏西太平洋海洋热浪发生的海气条件, 对初夏西太平洋大气环流和海表热通量异常场进行合成分析。首先给出了AMO正位相期间ENSO事件次年初夏西太平洋地区的大气和海表热通量状况(图5)。可以看到, 在AMO正位相期间, 厄尔尼诺次年初夏西北太平洋反气旋位于吕宋岛东部沿岸, 在反气旋的控制下, 西太平洋存在异常向下的净热通量(图5c), 表明大气条件对海洋热浪的产生有促进作用。进一步分析短波辐射(图5e)和潜热通量(图5g)发现, 异常反气旋中心的下沉气流有利于减少云量, 西太平洋向下的短波辐射显著增加。异常反气旋南侧对应的东风异常减弱了南海以及菲律宾等地的西南季风, 海洋向大气的潜热释放显著减少。这些通量异常区恰好对应着海洋热浪异常偏多的区域(图4a), 表明大气通过短波辐射加热海洋并抑制潜热释放, 从而引发海洋热浪的生成。拉尼娜次年初夏的大气环流和海表热通量基本与厄尔尼诺次年初夏分布相反(图5b、5d、5f、5h), 大气条件不利于海温的升高, 海洋热浪异常偏少。
图5 AMO正位相期间, 厄尔尼诺(a、c、e、g)和拉尼娜(b、d、f、h)次年初夏西太平洋海平面气压和850hPa风场(a、b)、海表净热通量(c、d)、短波辐射通量(e、f)以及潜热通量(g、h)异常合成场

图a中加粗箭头为通过90%显著性检验风场; 图b中通量向下为正, 打点区表示通过90%显著性检验区域。审图号: GS(2016)1561

Fig. 5 Composites of anomalous sea-level pressure (unit: hPa) and 850 hPa winds (unit: m·s-1) (a, b), sea surface net heat flux (c, d), shortwave radiation (e, f), and latent heat flux (unit: W·m-2) (g, h) for El Niño (a, c, e, g) and La Niña (b, d, f, h) events in the following early summer during positive AMO phase.

The flux downward is positive, stippling and bold arrow indicates the anomalous field passes the 90% confidence test

图6则分别给出了AMO负位相期间, ENSO事件次年初夏西太平洋大气环流和海表热通量异常合成场。在AMO负位相期间, 厄尔尼诺次年初夏西北太平洋异常反气旋较AMO正位相期间位置偏东、强度偏强, 并且控制整个西北太平洋地区(图6a)。异常向下的短波辐射和潜热通量分别在5°—225°N和10°S—25°N呈带状分布(图6e、6g), 西太平洋大部分海域海表净热通量异常向下(图6c), 有利于海温的升高。值得注意的是, 短波辐射和潜热通量异常分布对海温有相反的作用效果。在5°N以北, 显著向下的短波辐射有利于海温升高, 而反气旋南部的异常偏东气流则起到了加速背景东北信风的作用, 增加了海洋对大气潜热输送, 有利于海温降低。在5°N以南, 情况与之相反。
图6 AMO负位相期间, 厄尔尼诺(a、c、e、g)和拉尼娜(b、d、f、h)次年初夏西太平洋海平面气压和850hPa风场(a、b)、海表净热通量(c、d)、短波辐射通量(e、f)以及潜热通量(g、h)异常合成场

图a中加粗箭头为通过90%显著性检验风场; 图b中通量向下为正, 打点区表示通过90%显著性检验区域。审图号: GS(2016)1561

Fig. 6 Composites of anomalous sea-level pressure (unit: hPa) and 850 hPa winds (unit: m·s-1) (a, b), sea surface net heat flux (c, d), shortwave radiation (e, f), and latent heat flux (unit: W·m-2) (g, h) for El Niño (a, c, e, g) and La Niña (b, d, f, h) events in the following early summer during negative AMO phase.

The flux downward is positive, stippling and bold arrow indicates the anomalous field passes the 90% confidence test

在AMO负位相期间, 偏东的西北太平洋异常气旋是影响拉尼娜次年初夏西太平洋海洋热浪的重要系统。西北太平洋异常气旋南部的异常偏西气流减弱了西太平洋背景风速, 使得菲律宾群岛东部海域有异常向下的潜热通量, 有利于海洋热浪的产生。另外, 在新几内亚岛西部及北部沿岸, 异常偏多的海洋热浪对应向上的潜热通量和海表净热通量异常, 这可能是由于大气或海洋过程先使海温升高, 随后, 温度较高海水再通过潜热通量加热大气, 从而使得该地区在海洋热浪发生期间有异常向上的海表净热通量。在AMO正、负位相期间, 初夏西太平洋海洋热浪偏多的海域对应有异常向下海表净热通量(图6c), 海气相互作用虽仍以大气强迫海洋为主, 但海洋过程对初夏西太平洋海洋热浪的作用也不容忽视。
综上所述, ENSO事件次年初夏西北太平洋异常反气旋/气旋是影响初夏西太平洋海洋热浪的关键因子。初夏西北太平洋异常反气旋/气旋的位置和强度在AMO正、负位相期间存在差异。相比于AMO正位相, 在AMO负位相期间, 厄尔尼诺(拉尼娜)次年初夏西北太平洋异常反气旋(气旋)强度偏强, 其中心位置偏东。异常反气旋/气旋的强度和位置决定了海表热通量的分布, 从而影响初夏西太平洋海洋热浪的生成, 进而影响ENSO与初夏西太平洋海洋热浪的关系。

2.3 AMO调制的物理过程

AMO对全球气候以及ENSO等具有重要影响(Zhang et al, 2007; Wang et al, 2009; Luo et al, 2011; Geng et al, 2017; Fan et al, 2019; Xu et al, 2021; Zhao et al, 2022)。以上研究表明, 在AMO正位相期间, ENSO与初夏西太平洋海洋热浪具有显著的正相关性, 而在AMO负位相期间, 二者的相关关系并不显著。由于初夏西太平洋海洋热浪主要受西北太平洋异常反气旋/气旋的影响, 因此, 研究AMO如何调节ENSO与初夏西太平洋海洋热浪年际关系的年代际变化, 首先要分析AMO如何影响ENSO事件以及西北太平洋大气环流对ENSO事件的响应。
ENSO引发的西北太平洋异常反气旋/气旋是ENSO影响东亚气候的重要纽带(Wang et al, 2000; Xie et al, 2009), 前人对其生成和维持机制进行了大量的研究。Zhang等(1996, 1999)指出, 当厄尔尼诺事件发生时, 西北太平洋海温冷异常对局地对流活动有抑制作用, 由此产生的大气 Rossby波响应是西北太平洋异常反气旋产生的主要原因。随后, Wang等(2000)提出的风-蒸发-海温正反馈过程是西北太平洋异常反气旋得以长期维持的主要机制。然而, 西北太平洋冷海温异常作为西北太平洋异常反气旋生成的重要原因, 在厄尔尼诺次年夏季基本消失, 因此, 风-蒸发-海温正反馈过程对西北太平洋异常反气旋的维持作用较弱。Xie等(2009)进一步指出, 印度洋海温对夏季西北太平洋异常反气旋起到重要作用。厄尔尼诺次年夏季热带印度洋暖异常海温将会激发出向东传播的Kelvin波, 从而在热带西太平洋两侧引起Ekman辐散, 抑制了西北太平洋对流活动, 有利于夏季西北太平洋异常反气旋的维持。除此之外, 近年来, ENSO组合模态(Combination Mode, C-mode)也被认为是西北太平洋异常反气旋形成和维持的重要机制之一(Zhang et al, 2016)。上述机制从相反的位相考虑则是拉尼娜事件次年西北太平洋异常气旋的形成原因。
为了探究ENSO事件西北太平洋大气环流的季节演变, 对AMO正、负位相期间ENSO事件冬季、次年春季以及次年初夏的海表温度异常场和850hPa异常风场进行合成(图7、图8)。在AMO正位相期间, 赤道中东太平洋的海温异常较弱, 厄尔尼诺次年初夏西北太平洋基本不存在冷海温异常, 西北太平洋异常反气旋中心始终位于菲律宾东部沿岸附近(图7a、7c、7e)。在AMO负位相期间, 厄尔尼诺事件的强度更强, 西北太平洋冷海温异常一直维持到厄尔尼诺次年初夏, 西北太平洋异常反气旋也逐渐向东发展(图7b、7d、7f)。前人研究已指出, 西北太平洋异常反气旋是西北太平洋大气对局地冷海温的响应(Matsuno, 1966; Gill, 1980), 其长期维持与风-蒸发-海温正反馈过程有关(Wang et al, 2000)。由此可见, 西北太平洋冷海温异常对西北太平洋异常反气旋起到至关重要的作用。在AMO负位相期间, 对应于相对较强的厄尔尼诺事件, 西北太平洋产生了强度更强、范围更大的冷海温异常。强冷海温异常通过诱导更强的海气正反馈过程致使厄尔尼诺次年初夏西北太平洋异常反气旋较AMO正位相时期强度更强、中心位置更加偏东。拉尼娜事件也有类似的特征, 但大气环流的异常响应相反, 为西北太平洋异常气旋(图8)。
图7 AMO正位相(a、c、e)和AMO负位相(b、d、f)期间, 厄尔尼诺事件海温和850hPa风异常合成场的季节演变

a、b: 冬季; c、d: 次年春季; e、f: 次年初夏。打点区表示通过90%显著性检验区域, 加粗箭头为通过90%显著性检验风场。审图号: GS(2016)1561

Fig. 7 Seasonal evolution of composited anomalous sea surface temperature (unit: ℃) and 850 hPa winds (unit: m·s-1) for El Niño events in winter (a, b), the following spring (c, d), and the following early summer (e, f) during positive (a, c, e) and negative (b, d, f) AMO phases.

Stippling and bold arrow indicates the anomalous field passes the 90% confidence test

图8 AMO正位相(a、c、e)和AMO负位相(b、d、f)期间, 拉尼娜事件海温和850hPa风异常合成场的季节演变

a、b: 冬季; c、d: 次年春季; e、f: 次年初夏。打点区表示通过90%显著性检验区域, 加粗箭头为通过90%显著性检验风场。审图号: GS(2016)1561

Fig. 8 Seasonal evolution of composited anomalous sea surface temperature (unit: ℃) and 850 hPa winds (unit: m·s-1) for La Niña events in winter (a, b), the following spring (c, d), and the following early summer (e, f) during positive (a, c, e) and negative (b, d, f) AMO phases.

Stippling and bold arrow indicates the anomalous field passes the 90% confidence test

前人研究表明, AMO对ENSO的强度具有年代际调制作用。AMO可以在热带大西洋和太平洋中部之间诱导异常的沃克环流, 并通过温跃层反馈来调控ENSO的振幅(Dong et al, 2006, 2007)。我们的研究也发现, 在AMO负位相期间, ENSO事件的强度要明显强于AMO正位相期间(图7、图8)。考虑到对Rossby波响应的异常反气旋主要发生在海温冷异常的西北部, 为了更好地揭示AMO如何通过风-蒸发-海温正反馈过程来影响西北太平洋大气环流异常, 图9给出了沿10°—20°N的平均涡度和沿5°—15°N平均850hPa风和海温时间-经度剖面。由图9a可见, 在AMO负位相期间, 强厄尔尼诺事件伴随的强西北太平洋冷海温异常在其西北部激发出强的异常反气旋环流, 位于异常反气旋东部的大范围异常东北风则刚好与气候态东北风相叠加, 致使风速增强, 蒸发引起的潜热通量明显增加, 从而使西北太平洋海温异常变冷。异常冷海温反过来则使异常反气旋环流得到进一步加强, 从而导致西北太平洋异常反气旋逐渐向东发展, 并一直维持到次年初夏。在AMO正位相期间, 西北太平洋异常冷海温在次年初夏已基本消失, 这表明弱厄尔尼诺事件伴随的弱西北太平洋冷海温诱发的海气反馈过程也明显较弱, 从而导致了厄尔尼诺次年初夏的西北太平洋异常反气旋较弱, 中心位置基本不变(图9c)。与之相似, AMO负位相期间, 拉尼娜事件强海气反馈过程使得次年初夏西北太平洋异常气旋相比于AMO正位相强度偏强, 位置偏东(图9b、9c)。
图9 AMO负位相(a、b)和AMO正位相(c、d)期间, 厄尔尼诺事件(a、c)和拉尼娜事件(b、d)冬季到次年夏季10°—20°N平均涡度、5°—15°N平均海温和平均850hPa风的经向-时间异常合成图

等值线为以0.1℃为间隔的海温值, 实线为正值, 虚线为负值; 黑色箭头代表850hPa风场

Fig. 9 Composite longitude-time sections of anomalous vorticity (shading; unit: ×10-6s-1) averaged over 10°-20°N, sea surface temperature (contour at an interval of 0.1 ℃) and 850 hPa winds (vector; unit: m·s-1) averaged over 5°-15°N for El Niño (a, c) and La Niña (b, d) events from winter to the following early summer during negative (a, b) and positive (c, d) AMO phases.

The solid line is positive, and the dashed line is negative

为了更直观地表征ENSO相关的海温异常与初夏西北太平洋异常反气旋/气旋以及初夏西太平洋海洋热浪三者之间的关系, 图10分别给出了AMO正、负位相期间ENSO事件冬季Niño3.4指数、次年初夏西北太平洋反气旋指数(Northwest Pacific anticyclone index, WNPACI)和WPMHWI合成图。在这里, 我们参照前人的做法(Wang et al, 2013), 将WNPACI定义为西北太平洋区域(15°—25°N, 115°—150°E) 850hPa位势高度场距平的区域平均, 并将西北太平洋地区850hPa位势高度场距平的最大(最小)所在的经度定义为西北太平洋反气旋(气旋)的中心。可以看到, 在AMO负位相期间, 前冬Niño3.4指数和其对应的次年初夏WNPACI明显强于AMO正位相期间, 西北太平洋异常反气旋/气旋中心也比AMO正位相期间明显偏东。这也进一步表明, 相比于AMO正位相, 在AMO负位相期间, 相对较强的ENSO事件明显造成了次年初夏强度偏强、位置偏东的西北太平洋异常反气旋/气旋。拉尼娜次年偏东偏强的西北太平洋异常气旋通过潜热通量加热海洋, 有利于海洋热浪的产生, 使得AMO负位相期间的初夏WPMHWI明显高于AMO正位相。厄尔尼诺次年初夏西北太平洋异常反气旋在AMO正、负位相的差异虽影响海洋热浪的分布(图4a、4d), 但均有利于西太平洋海洋热浪异常偏多, 因此, 不同AMO位相期间, 厄尔尼诺次年初夏WPMHWI并无明显差异。上述指数合成结果再次表明, AMO通过调节ENSO事件的强度来影响初夏西北太平洋异常反气旋/气旋, 并进而影响初夏西太平洋海洋热浪的生成和分布。
图10 AMO+/厄尔尼诺事件(蓝)、AMO-/厄尔尼诺事件(红)、AMO+/拉尼娜事件(绿)和AMO−/拉尼娜事件(黑)标准化前冬Niño3.4指数、初夏WNPACI以及WPMHWI的合成图

散点代表西北太平洋异常反气旋/气旋中心的经度; 虚线为各指数之间的分隔线

Fig. 10 Composites of the preceding winter Niño3.4 index, early summer WNPACI and WPMHWI for AMO+/El Niño (blue), AMO+/La Niña (green), AMO-/El Niño (red) and AMO-/La Niña (black).

The scatter represents the longitude of the center of the Northwest Pacific anomalous anticyclone/cyclone

接下来, 我们利用CESM1实施的一系列北大西洋理想试验来进一步验证AMO对ENSO事件次年初夏西北太平洋异常反气旋/气旋的影响。采用与观测相同的判定方法, 分别对正、负位相AMO试验中的ENSO事件进行分类, 在正位相AMO试验中有79例厄尔尼诺事件和84例拉尼娜事件, 而在负位相AMO试验中有88例厄尔尼诺事件和91例拉尼娜事件。
图11分别给出了厄尔尼诺和拉尼娜事件合成的海温场和850hPa风场在负位相AMO试验与正位相AMO试验之间的差值场随季节的演变。可以看到, 相比于AMO正位相, AMO负位相期间厄尔尼诺(拉尼娜)事件对应的赤道中东太平洋出现更明显的正(负)的海温异常, 这清楚表明模式很好地再现了AMO负位相期间更强的ENSO事件。与此同时, 由于在AMO负位相期间出现了强度较强的厄尔尼诺(拉尼娜)事件, 相应地西北太平洋出现了相对较强的冷(暖)海温异常。海温冷(暖)异常激发出更强的西北太平洋异常反气旋(气旋)环流, 并进一步诱导强海气正反馈过程, 使得AMO负位相期间的西北太平洋异常反气旋(气旋)偏东偏强。该结果与观测结果一致。这也进一步证实了AMO可通过调控ENSO的强度, 并通过风-蒸发-海温正反馈过程影响西北太平洋异常反气旋/气旋的位置和强度。
图11 厄尔尼诺(a、c、e)和拉尼娜事件(b、d、f)合成的海温和850hPa风场在负位相AMO试验与正位相AMO试验之间的差值随季节的演变

a、b: 冬季; c、d: 次年春季; e、f: 次年初夏。审图号: GS(2016)1561

Fig. 11 Simulated differences of composites of sea surface temperature (unit: ℃) and 850 hPa winds (unit: m·s-1) for El Niño (a, c, e) and La Niña events (b, d, f) in winter (a, b), the following spring (c, d), and early summer (e, f) between negative and positive AMO phase experiment changes with the seasons

3 总结与讨论

本文对1960—2020年初夏西太平洋海洋热浪进行分析, 主要探讨了ENSO与初夏西太平洋海洋热浪的年际关系, 揭示了AMO对ENSO与初夏西太平洋海洋热浪年际关系的年代际调制作用, 并讨论了其潜在原因。主要结论概括如下:
1) ENSO与初夏西太平洋海洋热浪之间的年际关系具有明显的年代际变化特征。进一步分析表明, AMO对上述年际关系的年代际变化起到了重要的调控作用。在AMO正位相间, ENSO与初夏西太平洋海洋热浪具有显著的正相关性, 而在AMO负位相期间, 二者关系不再显著。
2) ENSO事件次年初夏西北太平洋异常反气旋/气旋是影响初夏西太平洋海洋热浪的关键因子。厄尔尼诺次年初夏海洋热浪的生成主要受西北太平洋异常反气旋的影响, 大气通过短波辐射加热海洋并抑制潜热释放, 从而引发海洋热浪的生成。异常反气旋的位置和强度在AMO正、负位相期间存在明显的差异, 使得表面热通量异常分布不同, 最终导致海洋热浪分布不同。在AMO正位相期间, 拉尼娜年次年初夏西北太平洋异常气旋位于吕宋岛东部沿岸, 大气条件不利于海洋热浪的产生, 海洋热浪异常偏少; 而在AMO负位相期间, 拉尼娜年次年初夏整个西太平洋地区均受异常气旋的影响, 大气通过抑制潜热释放, 导致海洋热浪异常偏多。因此, AMO主要通过影响ENSO事件次年初夏西北太平洋异常反气旋/气旋的位置和强度, 来影响初夏西太平洋海洋热浪的生成与分布。
3) AMO主要通过调控ENSO事件的强度, 并通过风-蒸发-海温正反馈过程来影响初夏西北太平洋异常反气旋/气旋。图12给出了AMO通过调节ENSO强度影响西北太平洋异常反气旋/气旋示意图。相较于AMO正位相, AMO负位相期间出现了强度较强的厄尔尼诺(拉尼娜)事件, 相应地在西北太平洋出现了强度更强、范围更大的冷(暖)海温异常。冷(暖)海温异常在其西北侧激发出更强的西北太平洋异常反气旋(气旋), 并诱发强风-蒸发-海温正反馈过程, 使得西北太平洋海温冷(暖)异常一直维持到次年初夏, 致使ENSO事件次年初夏西北太平洋异常反气旋(气旋)的位置和强度较AMO正位相期间明显偏东、偏强。CESM1的北大西洋理想试验也进一步证实了上述结果。
图12 AMO通过调节ENSO强度影响西北太平洋大气环流异常响应的示意图

a. AMO−/厄尔尼诺事件; b. AMO−/拉尼娜事件; c. AMO+/厄尔尼诺事件; d. AMO+/拉尼娜事件。图中“AC”和“C”分别代表反气旋和气旋; 红色和蓝色阴影分别代表海温暖异常和冷异常, 颜色越深代表强度越强; 空心箭头为850hPa异常风, 箭头越粗代表异常风越强; 红色菱形代表初夏海洋热浪多少, 个数越多代表海洋热浪越多。审图号: GS(2016)1561

Fig. 12 Schematic diagram of air-sea interactions for AMO−/El Niño (a), AMO−/La Niña (b), AMO+/El Niño (c) and AMO+/La Niña (d).

The marker “AC” and “C” represents anticyclone and cyclone, respectively. Red shade and blue shade represent warm and cold anomalies, respectively, and the darker shading suggests that the sea temperature anomalies are relatively stronger. The black hollow arrows represent the 850 hPa wind anomalies, the thicker arrows suggests that the wind anomalies are relatively stronger, and the diamond represents the number of marine heatwaves in early summer, with more numbers indicating more marine heatwaves

本文主要探讨了AMO调制ENSO与初夏西太平洋海洋热浪的年际关系, 提出AMO对ENSO的调制作用会进一步通过西北太平洋异常反气旋/气旋影响初夏西太平洋海洋热浪。事实上, 大西洋海温异常引起的大气环流异常(Lu et al, 2005)以及东印度洋和太平洋海温异常(Lu et al, 2006; Xu et al, 2021)均可以直接影响西北太平洋异常反气旋/气旋, 因此, 在今后的研究中将重点关注AMO对西北太平洋异常反气旋/气旋的影响是否可以直接调制初夏西太平洋海洋热浪。同时本文虽主要讨论了生成海洋热浪的大气条件, 但海洋过程也影响海洋热浪的产生。ENSO可以通过海洋波动过程以及海洋热输送来影响海洋热浪发生的可能性(Oliver et al, 2017; Behrens et al, 2019; Holbrook et al, 2019; Zhang et al, 2021), 针对AMO正、负位相期间ENSO事件对西北太平洋海洋状态的影响有待进一步研究。

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