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[科普知识] 厄尔尼诺(拉尼娜)特征以及形成机制

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发表于 2009-1-25 22:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
厄尔尼诺对于世界气候产生了很大的影响,故此我在这边总结一下其特征和形成机制,以便大家更好地了解厄尔尼诺现象。

厄尔尼诺是赤道中东太平洋海水表层持续异常偏暖的事件。一般来说持续时间在半年以上,周期性平均是3-4年一次。
而拉尼娜现象则是和厄尔尼诺正好相反的天气现象——赤道中东太平洋海水表层持续异常偏低的事件,不过其强度和影响的程度比厄尔尼诺会小一些。
在厄尔尼诺发生的区域有一个明显的大尺度的大气活动——南方涛动,因此他们两者关系非常密切。

下面先说一下南方涛动:东南太平洋和印度洋—西太平洋这2个地区的气压存在如下关系——当其中一个地区气压上升时,另一边就会对应降低(反相关关系),如果出现东边高西边低,印度季风雨强烈,反之印度干旱,这一现象称为南方涛动。根据这点,选取2点的气压相减以后得出差值,用来衡量南方涛动强弱程度,称为南方涛动指数(下文简称SOI).

太平洋两侧大气的这种反相关关系和海洋表面温度的变化有非常密切的关联——当赤道太平洋东部海温升高,其上方大气压力减小;西部海温下降,其上方大气压力增大;因此赤道太平洋上空其他和平时相比会东边低西边高,SOI减小为负数,反之为正数(图2)。

因此以上也可以得出一个结论:海面温度变化(或者说洋流)和大气环流之间存在某种遥相关机制

由于以上两者关系十分密切,因此给出了一个合起来的新名字——ENSO。因此把海温距平指数和南方涛动指数放在一起,可以看出平常一般都接近0;但是当海温曲线上升明显,SOI就是负数,说明厄尔尼诺发生,称为ENSO暖事件;反之拉尼娜就称为ENSO冷事件。而且拉尼娜经常紧挨着厄尔尼诺随后发生,一般经常看到一次厄尔尼诺刚刚平息,拉尼娜就来了。因此ENSO可以说是一种循环,也是地球需要掌握其平衡的一种表现方法——赤道中东太平洋表层海温就是不断冷暖交替变化(图1)。

接下来说一下厄尔尼诺的形成过程。

先说表层海水。
由于赤道两侧的东南信风和东北信风是海水流动的动力(注意对比图1和图1-1),在东太海水都是往西远离陆地的方向流动,因此就需要表层以下的冷水涌上来补充。世界上最大的寒流(秘鲁寒流)——涌升流就是这样形成的。这样就导致了东太-南美沿岸低温海水区(一般在24度左右)。因此西太海平面比东太高,热量积累,一般都是高温状态(29度左右),对于南亚高压和副高等天气系统有明显的支持作用(图3)。

再说次表层海水。
据测量,次表层海水依然西高东低,因此西太暖水层相对很深,东太则比较浅,再加上海平面的差异,使得东西太平洋的位势差异容易处在不稳定状态(图4)。

当赤道两侧的东南信风和东北信风减弱(具体可能原因多种多样,下文会提到),由于重力差,西太暖水会反其道向东流动,从而改变了冷水暖水区域——东太水温和海平面升高,西太降低,因此东太涌升流减弱。
当这种形势持续6个月偏高0.5度以上时,称为一次厄尔尼诺事件
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 楼主| 发表于 2009-1-25 22:50 | 显示全部楼层
接下来说一下沃克环流和厄尔尼诺的关系。

先说一下沃克环流:
正常情况下东太冷水,所以其上空空气相对较冷,密度大,因此下沉,导致干旱少雨;同理西太为上升气流多雨,因此气流正好是从西太上升后由西往东运动,到了东太下沉,而后根据地面形势又往西循环形成一个环流——就叫沃克环流

而当厄尔尼诺发生时,由于海水温度分布发生了显著的变化,大气也会发生明显变化。中东太平洋气压随着海温上升而开始下降,西太反之,因此赤道两端气压差变小,导致赤道东风减弱东退,西太暖水区东移,沃克环流上升和下降位置也发生偏移(负反馈于沃克环流)。对流中心往往到中东太平洋,因此中东太平洋原来降水稀少的地方现在明显增多,西太反之可能出现干旱;而拉尼娜正好反之,因此对于沃克环流正反馈,简单来说就是冷区更冷,暖区更热。

下面概括一下厄尔尼诺和拉尼娜特征。
厄尔尼诺:
1.        赤道中东太平洋具有深厚的暖水层,海面温度一般比平均偏高1.5-2.5度,次表层水温大致偏高3-6度;
2.        赤道太平洋东部降水明显增加,西太的印尼、澳洲北部降水明显减少;
3.        赤道大气低层(850HPA及以下)出现西风;
4.        SOI持续明显的负数;
5.        沃克环流异常偏弱。

拉尼娜:
1.        赤道中东太平洋具有低于常温的深厚冷水层,海面温度一般偏低1-2度,次表层水温偏低2-4度;
2.        赤道东太降水更少,干旱加剧;
3.        赤道两侧偏东信风加强;
4.        SOI持续偏高的正数;
5.        沃克环流比正常偏强。

注意:厄尔尼诺事件评判标准的异同
厄尔尼诺事件是指赤道中、东太平洋海水大范围持续异常偏暖的现象,但其评判标准在国际上还存在一定差别。一般将NINO 3区海温距平指数连续6个月达到0.5℃以上定义为一次厄尔尼诺事件,我国同时还参考NINO 1+2+3+4区的海温指数,而美国则将NINO 3.4区海温距平的3个月滑动平均值达到0.5℃以上定义为一次厄尔尼诺事件(见下图)

另外厄尔尼诺形成机制的探索和其对于气候的影响,我会在下文中继续补充。
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 楼主| 发表于 2009-1-26 00:51 | 显示全部楼层
下面简要介绍一下厄尔尼诺形成机制的探究。

1.信风和厄尔尼诺(上面已经详细说过,故不重复)

2.季节内振荡(低频振荡)和厄尔尼诺:在厄尔尼诺发生前,热带大气季节内振荡的动能有异常的增强,然后随着厄尔尼诺的爆发,热带大气季风内振荡的动能明显减小,而准定常系统的动能却迅速增强。这种不同尺度大气系统动能的一减和一长,可以大致认为当热带大气季节内振荡出现异常发展以后,过剩的季节内振荡的动能被传递到准定常系统,使其强烈发展,在大海和大气相互作用下产生厄尔尼诺。

3.寒潮和厄尔尼诺:据统计,在厄尔尼诺发生之前一年的秋冬天,东亚经向明显偏强,东亚500HPA位势高度比常年偏低。对应频繁强东亚冬季风活动,可以通过行星波不断频散到西太地区,从而赤道西太地区的偏东信风都有比较明显的减弱,导致厄尔尼诺的产生。

4.印-太海气齿轮耦合(GIP)和厄尔尼诺:当太平洋-印度洋耦合为正向时,沃克环流和信风都加强,有利于拉尼娜形成;反之有利于厄尔尼诺产生,据统计1979年-1988年内的相关性达到76%。

5.ENSO循环理论(上文说过部分),由于海气相互作用,激发了罗斯贝波(下文称L波)和开尔文波(下文称K波)其定义请看http://www.21cma.net/thread-2478-1-2.html。也就是海气相关性产生暖性K波向东传播和L波是向西传播的冷性波动。

6.地球自转因素:所有的厄尔尼诺都是发生在地球自转速度减慢最大的年份附近,这个是由于惯性的作用。地球自转速度变化可以使得大气纬向环流和洋流纬向流速产生变化,即赤道附近的海水和大气能得到相对较多的向东的角动量,引起赤道向西洋流减弱,从而可以导致厄尔尼诺。

    所以概括来说,在前5点中,其实其内部是相互联系的。强寒潮理论指出,东亚冬季风的频繁活动将引起热带中西太平洋地区信风减弱和大气季节内振荡加强,可见是符合季节内振荡理论的。印—太海耦合理论本质是沃克环流的异常对于海洋作用是以信风张弛表现出来的。ENSO循环更是说明了K波和L波海气耦合中的正负反馈机制维持。
    也就是:厄尔尼诺形成机制是以K波波动理论为基础,而信风、寒潮等是其表现的大气信号。
发表于 2009-1-26 20:27 | 显示全部楼层
春风送爽,新年第一精华……希望继续补充,支持理论科普。

ENSO是气候常识之一。仅仅着眼于天气过程是难以有所长进的,钻中尺度等牛角尖的话会更糟——因此强烈建议从气候开始学起。
 楼主| 发表于 2009-1-27 23:04 | 显示全部楼层
接着总结一下厄尔尼诺对于全球气候和我国气候的影响情况

先说一下厄尔尼诺对于全球气候的影响:

1.在南美洲的太平洋沿岸的降水会明显增多,很多地区会出现暴雨(比如厄瓜多尔、秘鲁、智利等国家);

2.巴西东北部以及中美洲(比如加勒比海附近)会发生比较严重的干旱;

3.印尼群岛区域(包括菲律宾、中南半岛等地区)和澳大利亚东部的容易出现干旱少雨的天气;

4.非洲南部容易出现干旱;

5.东非的多雨(注意:东非一般是在厄尔尼诺发生的第2年初出现多雨的情况,发生的第一年往往会出现不同程度的干旱);

6.加拿大西南部和美国西北部地区的暖冬:其原因是在厄尔尼诺期间,太平洋高压增强,其北部的西风使得阿留申低压进一步加深,加拿大和美国西部高压脊发展,盛行偏暖的西南气流;

7.美国南部的潮湿多雨和美国北部的降水偏少;

8.西太平洋和大西洋上的热带气旋数量偏少:原因是当厄尔尼诺发生时,西太海水表面温度降低,大气稳定度增大,故不利于TC形成(拉尼娜现象则反之)。

然后再看一下厄尔尼诺对于我国气候的影响:

1.厄尔尼诺出现当年的冬季往往我国冬天气温偏高比较明显,很多地区容易出现暖冬(拉尼娜则相反)。其形成机制是厄尔尼诺发生的冬季,东亚极锋锋区位置偏北,所以冷空气势力偏北,而南方暖气团加强,因此出现暖冬;

2.厄尔尼诺出现的第二年,我国夏季主要降水出现在黄河以南地区(比如1998年江南的梅雨比较强大),因为西太副高对于厄尔尼诺的影响一般来说要延迟几个月左右的时间,因此往往是厄尔尼诺发生的第二年更加明显一些,而且那时中亚北部经常有阻塞形成,南支不容易北抬,因此冷暖空气容易在长江中下游一带交汇,故长江中下游地区容易出现洪涝,而黄河以北干旱;

3.厄尔尼诺出现的年份,西太TC个数较常年偏少,因此登陆我国的数量一般也是偏少;

4.厄尔尼诺当年我国夏天东北地区容易出现低温:原因是鄂海容易出现阻塞高压,东北受到冷空气影响会比较频繁。

[ 本帖最后由 tom.hp 于 2009-1-27 23:10 编辑 ]
 楼主| 发表于 2009-1-29 19:47 | 显示全部楼层
下面举一个典型的厄尔尼诺事件的例子

1997-98年厄尔尼诺事件

       1997-98年厄尔尼诺强度非常大,而且有来势凶猛,海温异常性特别强,结束突然等特点。1997年初赤道东太水温还是异常偏冷,而当年4月份开始厄尔尼诺就开始爆发了,海温距平指数从1月开始连续12个月持续上升中(这点是1951年以来的ENSO没有出现过的)。到了1997年12月,赤道中东太平洋海域平均表层水温距平已经达到2.8度的最高值。综上,其影响程度却超过了1982-83年那次厄尔尼诺事件,成为20世纪海温距平指数峰值最高、强度最大的一次厄尔尼诺事件。

下面简要概述一下这次厄尔尼诺事件的发展过程

    1997年春季,赤道西太大气低层已经由正常情况下的东风控制转为西风控制,并使中东太平洋东风异常减弱,赤道太平洋东部暖水迅速出现并发展。1997年3月以后,热带太平洋西侧气压开始偏高,东侧逐渐减弱,南方涛动指数(SOI)迅速从2月的1.6下降到-1.1,到了1998年4月达到本次事件的最低值-3.4(仅次于1982-83年)
    这次爆发以后,马上就进入了盛期。受到海洋和大气共同影响,热带太平洋区域的对流活动也很异常。西太对流明显减弱,中东太对流活动明显加强,从而印尼、澳洲等国家发生比较大范围的干旱。
    1998年5月,SOI急剧下降,迅速转为正值,赤道中东太平洋表层海水出现了冷水,随着厄尔尼诺迅速减弱,赤道中东太平洋异常对流也迅速消失。

再继续看一下大气和海洋在这次厄尔尼诺中的相互作用

    1997-98厄尔尼诺发生前信风非常强大,西太表层暖水集中,海平面高度很高。反之东太表层水温很低,海平面高度也很低(具体原因见第1楼)。因此太平洋的热量分布就非常不稳定,只要一有外界因素干扰,就容易引发海水表层热量再分布。
    受到1996年底之后不断加强和东移的西风异常影响,热带西太海平面在1997年初就出现了明显的势能释放过程,海温正距平区域向东移动。1997年2月和5月有两次暖水先后到达东太,使得南美沿岸海区温度明显上升,3月份南美沿岸海水温度正距平1度以上,到了5月份就东太大范围偏高1-3度,就此进入盛期,12月达到最强。随后西太上空东风逐渐加强,受其影响东太暖水明显减弱并东缩,冷水在东移过程中在中东太海域上浮,使得该区域出现了冷中心。至此,此次厄尔尼诺现象宣告结束(1998年5月)。

[ 本帖最后由 tom.hp 于 2009-1-29 19:54 编辑 ]
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 楼主| 发表于 2009-2-1 20:30 | 显示全部楼层
东亚冬季风和ENSO循环关系

我国处于东亚,冬半年受冬季风影响剧烈,因此东亚冬季风和ENSO循环关系对于我国尤为重要,是研究厄尔尼诺(拉尼娜)对我国天气影响主要的内容。
接下来比较详细地来说一下这两者的关系。

持续的强(弱)东亚冬季风将导致赤道西太平洋地区持续的西(东)风异常;而异常的赤道西(东)风可使得已在暖池区存在相当长一段时间的正(负)次表层海温距平(SOTA)向东传播;沿温跃层东传的正(负)SOTA 将造成赤道东太平洋正(负)海表温度距平(SSTA)的出现和厄尔尼诺(拉尼娜)事件的发生。当ENSO发生之后,厄尔尼诺(拉尼娜)事件的影响又将削弱(加强)东亚冬季风的活动。

持续的强东亚冬季风对激发厄尔尼诺起着重要作用,强(弱)东亚冬季风在赤道西太平洋地区引起的赤道西风(东风)异常和强(弱)对流活动是激发产生厄尔尼诺(拉尼娜)的重要物理因子。因为异常赤道西风(东风)将引起暖(冷)性海洋K波,而强(弱)对流活动将引起强(弱)热带大气季节内振荡,它们都对激发厄尔尼诺(拉尼娜)事件有重要作用。

东亚冬季风的活动可以用地面气压地面空气温度地面风和500hPa位势高度来描述。对于持续强烈的东亚冬季风,一般都在西伯利亚-蒙古地区有强的地面冷高压,500hPa东亚大槽比较深(经向环流明显),在中国东部和西北太平洋地区有强偏北风和偏低的地面温度。
图1给出的是对于8个(1955、1990年)厄尔尼诺的合成情况,图1(a)和(d)表示东亚冬季风的活动情况,图1(e)和(f)分别表示赤道西太平洋地区纬向风的异常和Niño 3 区(见2楼的图1)海表水温的异常(SSTA)。非常清楚,合成的厄尔尼诺事件在春季开始爆发,赤道西太平洋地区的西风异常要早于厄尔尼诺事件爆发约2-3个月;而在厄尔尼诺事件爆发之前的冬半年,东亚冬季风持续偏强。合成分析结果表明持续的强冬季风通过在赤道西太平洋地区引起西风异常对厄尔尼诺事件的发生起着重要激发作用。同时,图1还表明,在厄尔尼诺爆发后的冬季,东亚冬季风偏弱,说明厄尔尼诺对其后的东亚冬季风有削弱作用。

拉尼娜一般也在春季爆发,在其爆发之前约2-3个月赤道西太平洋地区有东风异常出现并持续,而在赤道东风异常之前的冬半年,东亚冬季风明显偏弱。这表明持续的弱东亚冬季风通过引起赤道西太平洋地区的东风异常(异常东风可引起异常冷性海洋K波)对拉尼娜的发生起着重要作用。然而在拉尼娜的冬季,东亚冬季风偏强,说明拉尼娜有增强东亚冬季风的作用。

注:部分内容引用了《东亚冬季风-暖池状况-ENSO 循环的关系》,有删改。
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