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今年夏天台风究竟会不会很多?2020年夏季气候展望

媒体:中国气象爱好者  作者:风云梦远
专业号:碳汇资讯 2020/6/28 8:27:06

1 季节气候因子-低频振荡信号分析

1.1 海洋传说

1.1.1 ENSO

自2018年秋季发展出一次厄尔尼诺事件起,赤道中东太平洋大部就出现了持续暖异常的过程,至夏季除南美沿岸外SSTA均已转为正值。而自2019年秋季起,赤道中东太平洋出现了进一步的增暖,至当前已接近厄尔尼诺事件阈值,而NOAA与NCC等部分机构已经宣布一次厄尔尼诺事件形成;但在最近一个月内,整个事件出现了急剧衰减,赤道中东太平洋也相应地急剧冷却,当前事件已经结束并转为中性偏冷状态。

图1 2020年3月-5月的海温距平(填色,单位:℃)

过去的厄尔尼诺事件很有独特之处。首先从空间上而言,整个赤道中东太平洋海表都有显著增暖,但最大增暖中心偏向日界线西侧附近的中太平洋,体现为一次中太平洋型(暖池型)厄尔尼诺事件,而由整个赤道中东太平洋的一致性增暖特征,可以细分为I型中太平洋厄尔尼诺事件。但这次事件在时间演变上更是特殊:通常而言,ENSO事件表现为显著的季节锁相特征,即通常为夏季发展,在冬季达到事件顶峰,而在次年春夏季衰减,随后为一次反位相事件发展,构成准两年的周期过程(也是最为主要的类型);但是本次事件在2018年秋季发展,冬季并未出现显著顶峰,而在2019年春夏发展,至2019年秋季短暂衰减后再度于2019-20冬季发展,可以说是反锁相特征的一次事件,同时与ENSO事件4-7年的低频变率型有关。

图2 准两年型厄尔尼诺事件(左列)与低频型厄尔尼诺事件(右列)在第一年冬季到第二年冬季的海温(填色)与850hPa高度场(等值线)演变。引自Yun et al.2015

在大气响应方面,过去两年的热带太平洋海温与纬向风场异常的时间-经度剖面(图2)显示出,在去年夏季之后,赤道中太平洋开始了明显增暖,并伴有日界线西侧稳定的异常赤道西风,表明日界线附近的赤道中太平洋开始出现稳定低空异常辐合,这一点在去年秋冬季更加明显,部分与热带印度洋偶极子事件的发展有关,导致暖水向东扩张与厄尔尼诺事件的发展。但在春季,持续了半年以上的西风异常宣告结束并转为东风异常,这与印度洋-西太平洋区域海温反馈引发的西北太平洋副热带反气旋的增强有关,这导致了平流作用的中断,并影响到后续次表层动力过程,导致了厄尔尼诺事件的快速衰减。而今年春季的200hPa势函数(图3)表明,全球热带区域准定常波已经呈现显著的1波型,其中异常上升支位于西非-热带印度洋-海洋性大陆区域(马来群岛)一带,下沉支则位于东太平洋到南美西海岸一带,表明热带太平洋Walker环流已经响应热带印度洋-西太平洋的显著增暖与赤道中东太平洋的初步冷却,而出现了明显西移;同时,横跨赤道太平洋的信风异常也会显著增强,通过平流作用与增强上翻流,促进赤道中东太平洋海温进一步下降,促进Walker异常下沉支在赤道中东太平洋的增强与信风进一步增强,最终驱动热带太平洋海温-Walker环流间的Bjerknes正反馈,有利于后续冷异常状态发展,以至于发展出一次拉尼娜事件。

图3 过去两年间赤道太平洋地区的海表纬向风异常(左)、海表温度距平(中)和20℃等温线深度距平(右)。

图4 同图1,但为同期200hPa速度势函数距平(单位:106m2s-1)。

图5 全球赤道地区(5°S-5°N)Walker环流异常,填色阴影代表垂直速度距平(单位:0.01Pa/s),矢量箭头为纬向风-垂直速度合成(垂直速度放大100倍)

图6 同图1,但为同期OLR距平(填色阴影)与700hPa风场距平(矢量箭头)

在热带洋区的垂直剖面上,可以看到赤道中东太平洋上层区域的总体热含量负距平的显著发展,对应着厄尔尼诺事件的快速衰减与转换为冷异常状态;而当前在热带太平洋日界线东侧的温跃层出现了相当显著的大范围冷异常,其中核心区域位于150°W以东,温度负距平达到了-2℃以上,这对应着一次显著东传的冷性Kelvin波过程。本次海洋动力过程,和春季以来日界线附近赤道海域急剧转为东风异常有密切联系,在赤道东风的平流作用与动量下传的激发下,该冷性Kelvin波得以出现发展并沿着温跃层赤道潜流区东传。考虑到赤道Kelvin波的特征相速度,本次冷性Kelvin波过程将在1-2个月后抵达东边界(南美沿岸),此时南美西海岸和赤道东太平洋地区的SSTA与温跃层深度将明显下降。当然,由于目前温跃层冷性Kelvin波强度和混合层热含量负距平有限,后续很难发展到较强的拉尼娜事件。

图7 近期赤道太平洋经度-深度剖面上的海温异常

此外,热带外地区的海洋与大气信号也可以作用于热带地区,从而对ENSO等热带海气变率造成一定影响。当前在热带外区域方面,副热带东北太平洋区域的PMM正位相模态急剧衰减,这将增强随后的夏秋季赤道中太平洋的信风并抑制对流活动,并促进表层暖水和次表层暖性K波进一步东传,与对流活动区域进一步东扩,将有利于夏秋季厄尔尼诺事件继续发展;不过值得注意的是,由于南极半岛附近海冰的偏多与SPO负位相配合下,当前秘鲁寒流有所偏强,这导致南美沿岸到东太平洋地区在当前存在一定程度偏冷,而这一海温异常也会进一步与大气作用而维持,这将一定程度上促进拉尼娜事件的发展,而空间型上也将使得东太平洋和南美沿岸的偏冷程度加剧。

总体而言,在过去的春季内厄尔尼诺事件急剧衰减并宣告结束,当前已转为中性偏冷位相状态,且冷异常在今年夏秋季继续有所发展。在事件强度上,后续秋冬季最有可能成为一次中等偏弱的拉尼娜事件,但在夏季发展期内是否发展成一次拉尼娜事件仍需观察。在空间型上,表现为赤道中东太平洋的总体一致冷却,但突出在Nino3区及其以东的东太平洋区域,而赤道中太平洋偏冷较弱;而在事件的时间演变上,由于4-5月起事件的快速衰减,且3-5月平均Nino3.4区海温距平已低于+0.5℃的事件阈值,因而属于时间演变上的“衰减早型”厄尔尼诺事件,同时后续冷异常将显著发展。

而本次厄尔尼诺事件的快速衰减与后续演变,也将对东亚季风区气候带来显著影响。

在时间演变特征上,由于本次厄尔尼诺事件衰减较快,当前Walker环流已经出现明显西移,可以确定随着后续赤道中东太平洋冷异常继续发展,Walker环流将继续增强,印度洋至西太平洋区域将被稳定的异常上升支控制,对流活动也将逐渐活跃。此外,在空间型特征上,由于冷异常中心偏东,位于东太平洋到南美西海岸一带,因而Walker环流上升/下沉支也会稍有偏东,在夏季期间西北太平洋对流活动将逐渐增强,并通过对流活动的潜热异常激发的北传遥相关波列影响东亚季风区。

而对于东亚季风区,厄尔尼诺事件在衰减期,主要通过副热带西北太平洋反气旋异常活动,以及位于热带西北太平洋与东亚地区的太平洋-日本型(Pacific-Japan Pattern,PJ Pattern)遥相关,引起东亚季风区夏季气候异常。其中,位于20°N附近的西北太平洋反气旋异常,是其中最为重要的一环。在厄尔尼诺事件衰减期,维持西北太平洋反气旋异常的机制主要有以下三种:(1)在北半球冬季西北太平洋冷海温与西北太平洋反气旋异常的初始条件下,在反气旋东南侧出现东北风异常,增强背景的东北信风。这一信号通过风-蒸发-海面温度机制(WES)的作用, 使得西北太平洋冷海温和异常反气旋从冬季到春季得以维持, 从而对次年夏季东亚气候产生滞后影响,这一机制被称为热带西北太平洋冷海温异常-反气旋耦合反馈机制;(2)在厄尔尼诺峰值之后的夏季期间, 热带印度洋的显著海温正异常, 通过激发出大气赤道Kelvin波, 在热带西北太平洋诱发出Ekman辐散机制, 导致西北太平洋异常反气旋的维持与增强。这一机制被称为热带印度洋电容器效应,或热带印度洋暖海温异常-反气旋耦合反馈机制;(3)当赤道中东太平洋显著冷却后,由于赤道太平洋信风增强,向北侧形成反气旋涡度异常,这也会加强西北太平洋反气旋并导致其南移,被称作信风-反气旋涡度机制。对于不同演变特点的厄尔尼诺事件,这三种机制的贡献各有不同;而对于本次衰减较快的厄尔尼诺事件,后两者会占据重要作用,且随着后续印度洋暖海温的消退与赤道中东太平洋进一步冷却,机制(3)将成为主导。这将导致今年夏季西北太平洋反气旋与整体PJ波列的偏西,并在夏季晚期偏南——叠加在气候态上,将实际表现为副热带高压偏西偏强,但在夏季晚期明显偏北(这是PJ波列的中纬度反气旋叠加),并导致季风雨带更容易出现夏季内的阶段性显著北移,通常表现为6月相对偏南,位于华南北部和江南地区;7月北移至四川盆地、长江中下游地区至黄河以南;8月进一步北移至华北与东北南部。由于有明显的雨带移动而非长期滞留,今年我国中东部大部降水都会有所偏多,不过发生一级流域持续性特大洪水的概率较低,但需要注意阶段性中小规模洪涝与局地小流域的较大洪水影响。

图8 衰减早型(左列)与晚型(右列)在6-9月逐月海温异常(填色)与700hPa风场(矢量箭头)的演变。 图源自个人硕士学位论文(非矢量图版本)。

1.1.2北太平洋中纬度变率——PDO&NPGO

太平洋年代际涛动(PDO)为20°N以北的北太平洋区域SSTA之EOF1模态,最显著的特征表现为北太平洋暖流区与北美西海岸(阿拉斯加~下加利福尼亚半岛)间的反相SSTA模,虽然以其最显著的年代际变率得名,但也存在显著的年际变率,这与ENSO强迫激发的球面遥相关波列引起的中纬度海气相互作用有关。而在20世纪90年代起,北太平洋环流模(NPGO)这一EOF2模态逐渐显著,在近些年的解释方差甚至可以和PDO可以抗衡,这一转变可能和ENSO空间型转变下,所激发响应位相发生变化的影响(年际尺度),以及热带外海气作用有关(年代际变率)。

就目前看,当前PDO指数为弱负值,其中空间模态上表现为北太平洋暖流区一致的显著偏暖。这与前冬仍处在厄尔尼诺状态时,日界线附近异常对流活动直接相关,潜热加热异常所激发的两个对流层低层异常反气旋,分别位于副热带西北太平洋与阿留申群岛南侧,二者南侧的异常东风通过WES机制减弱风速与蒸发,使得海温正异常发展(图7),同时被反气旋直接控制的阿拉斯加湾有显著增暖。而北美西海岸区域较为复杂,其中在加州沿岸因东北风的平流作用与风速增强已经出现较弱的冷异常。

图9 1940年至今PDO指数的演变

图10 同图1,但为同时期北太平洋地区海表温度距平(填色,单位:℃),风速距平(等值线,单位:m/s)和850hPa风场距平(矢量箭头)

考虑到热带外大气的响应滞后于热带地区海表信号2-4个月,而在近期Walker环流已经明显西移,潜热加热中心也相应西移,对北太平洋热带外区域造成的类PNA负遥相关型与北太平洋高压偏强的态势将在这个夏季大体维持,北太平洋暖流区偏暖的格局也将维持,PDO总体仍然偏向负值。与此同时,由于近地面各物理量场气候平均态的季节性变化(如气压带/风带在春夏季的北移),考虑到WES机制,这样的海温异常模态将随着季节演变向北移动,而副热带地区因东风异常的叠加,SSTA将明显下降。这一海温信号将随着副热带东风应力作用下,以热带外西传Rossby波形式向西传播,并影响到夏季西北太平洋副热带地区SSTA;同时也会通过感热等方式影响到北太平洋中高纬度地区环流异常型,对东北亚地区也存在着显著影响。

1.1.3 太平洋经向模:PMM

PMM是扣除ENSO相关模态后的热带太平洋主导模态,时间演变上通常在春季强度最强(但未达到ENSO的季节锁相),而空间特征表现为夏威夷以东的东北太平洋海区和加拉帕戈斯群岛附近的赤道东太平洋冷舌区的经向偶极。一般认为,这是在东太平洋气候态SST经向不对称的基础上,由热带地区和中纬度变率的影响在WES机制下发展;同时也有研究认为,PMM会对随后的夏秋季ENSO事件的发展演变起到一定的调制作用,尤其与持续较长的低频型ENSO的相互作用值得关注。

图11 PMM对应的海温异常与10m风场模态(上图)和降水异常(下图)

在持续了两年强PMM正位相模态后,当前PMM已经明显回落并接近中性状态,突出表现在夏威夷东侧的副热带北太平洋海域,与中太平洋附近的暖海温距平明显下降,这也与结合副热带SSTA信号演变的规律以及气候态的转变,北半球夏季时正位相中心将明显西移,同时在西侧激发出Matsuno-Gill对流响应,导致西侧的副热带西北太平洋远洋对流活动减弱并出现显著反气旋式环流,同时西北太平洋季风槽偏西与副热带高压偏强。而同时,注意到PMM对ENSO发展过程的调制,在夏季容易引发赤道东太平洋北侧对流被抑制,这也使得后期ENSO冷事件位相状态的发展——当然这一过程较为缓慢。

1.1.4 印度洋

印度洋大部位于低纬度区域,且正位于亚洲夏季风的上游,也是亚澳季风系统活动的重要下垫面,沃克环流,季风环流交汇于此,因此通过海气相互作用,印度洋对亚澳季风区乃至全球气候都有重要的影响。下文将分析热带印度洋和副热带南印度洋对夏季气候的影响。

(1) IOBW(热带印度洋洋盆模态)

IOBW为热带印度洋SST的EOF1模态,表现为热带印度洋洋盆尺度的海温一致变化。通常认为,在ENSO事件发展期,该模态为热带印度洋海表温度对ENSO强迫的响应,是直接受ENSO强迫所致(具体机制包括直接调控Walker环流的大气桥、赤道中东太平洋对流加热激发的东传暖性Kelvin波抑制对流等),而在ENSO衰减期对春夏季印太季风区环流造成影响的“电容器机制”中,热带印度洋又是关键的电容器区域,表现在ENSO事件次年春夏季,当地海表与大气的滞后响应,这成为在次年夏季延续ENSO影响的重要机制。

图12 过去两年间IOBW指数的演变

当前热带印度洋总体呈现显著偏暖状态,其中以赤道南侧的热带南印度洋偏暖最为明显,北印度洋大部和赤道地区以接近常年为主而热带-副热带南印度洋明显偏暖。这样的海温模态一定程度上是对冬春季发展的厄尔尼诺事件的直接响应,但更重要的因子很可能来自热带印度洋内部的变率——在秋冬季极强热带印度洋偶极子正异常事件发生后,赤道东风异常与反气旋涡度导致的增暖,与下沉暖性Kelvin波激发导致的后续暖异常。但在当前,随着厄尔尼诺事件快速衰减与赤道中东太平洋的冷却,Walker环流已经出现明显西移,热带印度洋地区盛行上升支且对流活动显著增强,在云-SST反馈作用下,热带印度洋暖异常将逐渐下降。

热带印度洋的总体偏暖,将导致整层可降水量的显著增加,并通过与偏强的副热带反气旋异常配合,导致输送向我国的水汽明显偏多,进一步导致副热带锋区雨带降水偏多;随着暖海温异常在夏季内的逐渐下降,这一点在夏季后期有所减弱。此外,印度洋暖海温异常可通过区域暖海温-反气旋反馈加强西北太平洋副热带反气旋异常,这使得副热带高压将明显偏强,而随着后期暖海温的消退而稍有减弱。

(2) TIOD(热带印度洋偶极模态)

TIOD即热带印度洋SST的EOF2模态,表现为热带印度洋东西岸类似ENSO的偶极格局。作为印度洋明显的SSTA纬向振荡,TIOD对纬向季风环流和印太沃克环流支的调控作用十分明显;而它又连接了海洋性大陆区域(马来群岛),这样TIOD同时和ENSO/太平洋沃克环流圈影响相关,通常被认为是印太齿轮中的重要一部分。而与IOBW一样,TIOD也有很明显的季节性锁相特征,但锁相时间提前至8-10月,这可能是由于此阶段印度洋气候态有利于TIOD事件发生。

图13 TIOD正位相(左图)和负位相(右图)大气环流异常的模型

图14 同图9,但为TIOD指数演变

相比IOBW模态,去年夏季开始在热带东南印度洋(印尼苏门答腊西海岸)的海温异常偏低发展与沿岸异常东南离岸风的发展的正反馈,所导致的一次破纪录级别强度的TIOD正位相事件。这次事件给热带印度洋及周边地区带来了严重影响,包括东非地区与阿拉伯半岛持续异常降雨与沙漠蝗的爆发,和东岸澳大利亚持续的高温干旱和严重森林大火。同时,这次事件成为了秋冬季热带印度洋海温模态绝对的主导,甚至在热带太平洋ENSO事件等信号不明显的情况下,成为了当时全球热带海区最显著的季节变率,并由其在海洋性大陆区域形成的强烈下沉支激发了赤道太平洋的西风异常,促进了冬春季厄尔尼诺事件的发展。

由于TIOD的季节锁相特征,在冬季时这次破纪录TIOD正位相已经明显衰减结束,当前甚至已转为略偏向负位相模态。但先前的信号,则已经是风应力作用下潜入海表之下,在温跃层的复杂海洋动力学过程。在前期TIOD正位相的热带印度洋海气状态下,赤道印度洋表面在先前秋冬季存在持续东风应力异常,导致赤道南侧存在明显的反气旋式应力异常与伴随而来的Ekman异常辐聚下沉,导致赤道外东印度洋温跃层出现一个异常暖区,并以暖性Rossby波形式在温跃层内西传,直至西南印度洋穹窿区。这个位于塞舌尔以南的区域,是气候态上低纬度印度洋温跃层最浅的一个区域,对应有海温变率极大值区,也是温跃层-上混合层水团交换最明显的区域。随着暖性R波的到达并上涌,热带西南印度洋已经出现了显著的增暖,并逐渐造成一个跨赤道不对称的经向海温型(南印度洋偏暖而北印度洋增暖较弱)与跨赤道北风异常。这将在初夏时导致南亚夏季风显著偏弱,但北印度洋的二次增暖将导致随后南亚夏季风显著增强。

图15 同图1,但为印度洋地区海温异常(填色)与850hPa风场异常(矢量箭头)

(3)南印度洋副热带偶极(SIOD)

SIOD是北半球冬春季存在于副热带南印度洋区域的纬向偶极子模态,而SIOD和TIOD间的相互作用也会显著影响印度洋内部变率。受秋冬季热带印度洋的极强TIOD事件的强迫,秋季热带东南印度洋出现显著离岸流并伴有显著的东南风增强,配合热带南印度洋下沉支叠加,在热带南印度洋出现了激发出了低空异常反气旋环流,南侧的西风异常显著减弱了东南信风并抑制蒸发。在WES机制作用下,副热带东南印度洋迅速增暖,发展出了一次显著的SIOD负位相事件。考虑到季节锁相特征,在夏季本次事件将会逐渐减弱,但其对大气的影响将持续下去。在夏季风时期,SIOD负位相将导致马斯克林高压偏强而澳大利亚高压相对偏弱,导致菲律宾与新几内亚跨赤道气流偏弱而索马里急流偏强,对应西北太平洋热带季风偏弱而南亚夏季风偏强;此外,季风区的异常对流活动也会进一步激发出向热带外地区的遥相关影响。

图16 同图9,但为SIOD指数演变

1.1.6 大西洋概况

(1)大西洋Nio型

类似赤道太平洋著名的ENSO状态,赤道东大西洋冷舌区也存在信风松弛和海温异常上升的状态,称为“大西洋Nio型”,通常在6-8月温跃层最浅时达到峰值锁相状态。但由于大西洋洋盆尺度小,Bjerknes反馈不如太平洋明显,难以如同ENSO一样影响全球环流,但也有研究认为它能在热带区域海气相互作用中起到一定调制作用;此外,它也能通过巴拿马地桥区域的大气桥等机制影响到太平洋过程。

随着西非地区存在有一个异常上升支发展,使得赤道大西洋异常西风逐渐发展,当地表层SST也将显著增暖,并在今夏可能发展成一次正位相事件。在此作用下,横跨大西洋的Walker环流上升支将偏向西非一侧,使得当地深对流活跃的同时将导致南美一侧的下沉,同时通过跨巴拿马地峡的大气桥作用,将使得南美沿岸和赤道东太平洋区域异常下沉支维持,对应当地低空显著偏强的信风,通过Ekman输运和平流作用将有助于南美西海岸涌升流的偏强与当地海温的偏低,这将对未来厄尔尼诺事件的发展和空间型有明显影响。

图17 同图1,但为大西洋地区海表温度距平(填色)与850hPa风场

(2) 大西洋跨赤道经向模(AMM)

相比于赤道地区纬向异常模态的大西洋Nino型,热带大西洋更显著的海温模态当属AMM,它表现为跨赤道的SSTA不对称经向异常模态,与相伴随的大气环流场异常,与热带太平洋海区PMM模态集中在赤道以北一侧也有明显不同;但和PMM相同点在于其锁相期出现在春季,这与3月前后大西洋ITCZ最靠南(最接近赤道)有关,此时微小经向扰动最容易激发出显著的异常。

图18 同图11,但为AMM对应的物理量异常

而当前正是这一模态重要的锁相期,热带大西洋海温出现了较弱的AMM负位相状态,表现为热带南大西洋的显著偏暖和赤道北侧区域的偏冷,并伴有跨赤道的北风异常,这样的风场又将通过WES机制进一步维持这一海温异常型,这一海温异常模态将维持到夏季。

图19是3-5月AMM与PMM对随后6-8月全球SST与降水异常的回归分析。可以看出,AMM和PMM不仅对所在区域有着显著超前影响,也可以通过海温异常激发的异常对流活动伴随的响应,以Rossby波形式向西传播,在PMM影响向西传播到日界线西侧后,AMM也可以通过巴拿马地峡区域的大气桥等机制,影响到东太平洋区域,且两个模态的响应间呈现较显著负相关。同时值得注意的是,春季AMM对夏季北印度洋海温与降水也存在洋盆尺度的较显著正相关,但PMM的相关则不显著,这表明热带大西洋除了以Matsuno-Gill响应激发的西传大气Rossby波外,还可能存在东传至非洲大陆和印度洋的机制,这应当与对流活动伴随的大气暖性Kelvin波相关。

图19 1981-2018年3-5月PMM指数(a、c)与AMM指数(b、d)分别对随后6-8月月降水率(a、b,单位:mm/day)与海温(c、d,单位:℃)的回归分析,打点区域为通过0.10显著性检验区域

以当前情况与上述分析结合,可以得出:在当前AMM负位相模态影响下,向西激发的响应将通过巴拿马地峡和Walker环流大气桥影响东太平洋地区,在夏季延续PMM正位相影响;而同时这一模态将促进热带北大西洋在随后春夏季的冷却,在东传的大气K波作用下使得热带北印度洋也将有一定冷却,抑制当地的显著增暖过程。这将在夏季风期使得南亚夏季风的一定程度上的减弱,同时西太平洋副高强度也将因此出现一定减弱。

(3) NAO(北大西洋涛动)/NAT(北大西洋三极子)

NAO是北半球大气中高纬度变率中的重要模态,而在季节尺度上,这样的大气振荡型在同一区域强迫出海表温度的响应,对应为北大西洋地区北向南的三极子SSTA的异常,即NAT。

图20 NAT海温模态

自冬季后期至今,NAT/NAO总体正处在显著正位相状态,副热带北大西洋区域逐渐发展的反气旋式风应力异常,使得副热带北大西洋区域出现了显著偏强的信风,导致蒸发增强并有所降温;而赤道大西洋西非地区异常上升支区域活跃对流激发的波列,也对此有一定贡献。

在NAO/NAT正位相事件影响下,考虑到北大西洋显著NAO+模态成为一个显著的频散源,这将导致下游欧亚地区初夏出现北欧阻塞-巴尔喀什湖槽-贝加尔湖脊与远东-鄂霍茨克槽位,而在盛夏随着背景西风减弱,这一波列波长将有所缩短,更倾向于乌拉尔山东侧脊-贝加尔湖槽与东北-远东地区脊。而在热带北大西洋方面,当前这里的冷却首先将通过巴拿马地峡区域大气桥,激发出赤道东太平洋沿岸的东北风异常,并引发较显著离岸Ekman输运和沿岸补充上升流,使得这一地区SSTA负异常显著发展并随平流作用向西延伸,将导致赤道东太平洋和南美沿岸的一定冷却,也将影响到热带太平洋海温演变和空间型;此外,热带北大西洋的海温异常也将激发向西传的遥相关波列,出现并通过大气桥作用导致夏季西北太平洋副高出现一定程度的偏强。

1.2 冰雪圈

冰雪圈在极地和高海拔地区的气候系统内部作用中扮演了重要角色,也在全球的热量收支平衡中起到了巨大作用。其中,海冰与陆地积雪是季节变率较大的成员,它们的变化对季节尺度的全球或区域气候影响较明显。下文将主要分析当前极地海冰与北半球陆地积雪的影响。

1.2.1北极海冰

在过去的秋冬季,由于北极涛动(AO)持续维持正位相,导致北极极地涡旋长期维持在极区,造成当地气温相对偏低与北极海冰增长相对较大。据NSIDC数据,今冬北极海冰覆盖面积于2020年3月5日创下,此时北极海冰总面积约为1504.7万km,这一面积为2013年之后历年极大值里的最高值,但由于长期增暖的趋势背景影响,仍然位列卫星观测记录以来周年极大值的第十三位低值。

图21 北极海冰覆盖面积的逐年时间演变,图源:NSIDC

在空间分布上,鄂霍茨克海西部、新地岛西侧、白令海海冰面积和密集度处在显著偏低状态;而鄂霍茨克海东部、斯瓦尔巴群岛和附近弗拉姆海峡(斯瓦尔巴群岛-格陵兰岛之间)和加拿大北极群岛的海冰密集度则接近常年甚至略偏大。这和今年冬季环流型下,北极地区AO强正值与单极型极涡与对应的直接热力场作用,以及此环流型下偏强的穿极漂流有关,而太平洋扇区则与白令海峡异常气旋环流等动力作用都用关联。这也将影响到春夏季极地和极地外气候。

图22 2020年5北极海冰密集度异常。图源:NSIDC

在季节变率上,由3-5月海冰与后期夏季500hPa高度场的SVD分析结果(图23)看,SVD第二模态则出现空间型振荡,反映出巴伦支海东部、鄂霍茨克海与白令海海冰密集度一致性变化的结果,而这一模态的负位相则是和当前异常最为接近。考虑到这一模态激发的影响,亚欧大陆将对应北欧阻塞-西西伯利亚槽-贝加尔湖脊和偏强的东亚大槽,和前文海温异常造成的影响接近。

图23 1981-2018年3-5月,北极海冰密集度(右列)与后期6-8月500hPa高度场的SVD分析,取前三模态

1.2.2北半球陆面积雪

在最近的春季,北美众多地区,尤其加拿大与美国中北部积雪呈现明显偏多特征;而在亚欧大陆一侧陆面积雪分布显著不均,具体空间分布上呈现欧洲大陆与蒙古高原偏少,乌拉尔山以西、我国东北北部与鄂霍茨克海沿岸接近常年,而青藏高原大部,尤其东部地区则出现了显著偏多的特征。

对于青藏高原地区,在过去的冬季至今当地降雪与积雪都显著偏多,以东部地区尤甚。其中,冬季起AO/NAO维持持续强正值,由北大西洋中高纬度波源激发、沿副热带急流传播的遥相关波列形成的高原异常槽为主因,而过去秋冬季极强TIOD事件向热带外地区的遥相关强迫也有着一定影响。

图24 2020年5月全球陆地积雪距平百分率分布

考虑到春季的欧亚大陆积雪的空间分布,积雪的陆面强迫应当会激发对流层中层高度场上,初夏巴伦支海西侧正异常-中亚异常槽-贝加尔湖东侧正异常-远东偏强的异常槽这一波列,和先前提到的海温强迫的结果基本同相,而二者接近同相的叠加会让信号更加清晰明确。而偏多的高原积雪让当地对流层中高层暖中心建立偏晚且强度偏弱,容易形成偏弱的南亚高压(对应气旋式环流异常)。但值得注意的是,在气候态上,高原东部的积雪延续的时间尺度较短,在初夏起将很难延续先前信号,但西部较高海拔区域的积雪信号能有效延续至夏季。以这一观点看,由冬季延续到春季的高原积雪显著偏多的异常,将在夏季逐渐减弱;而由偏强的南亚季风水汽潜热释放驱动的过程将占主导机制,因而夏季南亚高压可能将呈现前期偏弱而后期偏强的状态,而热力场也将激发Rossby波列并向东北方向传播,并引发出类似负APO模态的环流异常,这也将影响今年夏季环流形势。

图25 1979-2015年6-8月的东亚地区降水(左列)与欧亚地区积雪密集度(右列)的SVD联合分析,取第三模态。

1.2.3 南极海冰/南极涛动

在上世纪末开始,南极海冰出现了年际显著增多的趋势;但自2015年下半年起,这一趋势突然出现急速反转并很快转入密集度偏低的状态,并在随后数年至今持续偏低,甚至在部分时段创下同期最低——这一时间尺度以2015-16强厄尔尼诺事件显然不足以解释,很可能仍有其他待发现的因子作用。而在当前,南极海冰面积终于从前期低谷明显恢复,当前总体面积处于接近常年同期状态,其中南大西洋扇区与阿蒙森海外围较为偏多。

图26 同图22,但为南极海冰密集度距平

综合平流层下传的信号和南极海冰的超前相关,以及北半球春季时AO通过跨赤道遥相关对AAO的负相关,可以大致推断今年春夏季AAO将变化较大,但总体以正位相为主;但如果出现了SSW等极端天气尺度扰动事件,则可能迎来一次向负位相的显著转折。

有研究指出春季AAO与春末-夏初(5-7月)东亚的季风雨带密切相关,和东亚夏季风强度呈现显著负相关,这和AAO的正值对应着南极极涡多维持在南极地区,南半球经向活动的减弱与极锋的偏弱有关(负值反之)。而如果只考虑AAO一项,今年AAO的这种趋势,将导致季风雨带的相对偏南。

1.3 平流层

1.3.1 极地平流层形势

在过去的冬季中,北极地区平流层也长期维持AO正位相态势,平流层极涡与极夜急流也显著偏强。平流层于1月初出现了一次Minor SSW 事件,事件较弱的同时下传有限,信号未能抵达10hPa以下层面,未造成对流层环流的明显影响;长期偏低的气温也导致极地平流层云(珠母云)的发展,并导致了北极出现少有的臭氧损耗。而在3月底,平流层中高层出现了一次显著Final SSW事件,但影响下传仍然缓慢而有限,当前这一低频信号仍然集中在平流层中下层(30hPa)高度。考虑到偏晚的平流层换季,平流层极涡也将有所偏强,这将作为一个低频信号支持春季极涡和北侧冷源有所偏强。

图27 2020年以来北极地区平流层-对流层垂直剖面平均温度异常

对于南极而言当前已临近南极极夜,冬季环流态势已经建立完毕,考虑南极平流层上层的位势偏低,信号下传的结果将对应南极极涡自对流层到平流层顶的全层面偏强,这将有利于北半球夏季时AAO正值态势,但若综合考虑影响因子,结论将是前文所提及的振幅较大的情形下总体偏向负位相。

1.3.2 赤道平流层准两年振荡(QBO)

QBO是发生在赤道地区平流层的准两年振荡,以纬向风的东西风交替的准26个月周期为特征。这一周期相当稳定,除了2016年出现了异常维持的西风位相外都十分有规律地交替。在去年夏季,随着赤道平流层高层西风异常动量下传,QBO东风位相随即宣告结束,并在秋季开始转为西风位相,至今已接近西风位相顶峰;由周期特征可以确定今年春夏都会在QBO西风位相的影响下。

图28 1970年以来赤道地区平流层纬向风距平的时间演变

QBO和ENSO通过全球平均大气角动量(AAM)和低频信号的垂直下传存在一定的正相关,如果单从当前的QBO相位特征看,这一点有利于拉尼娜事件的发展,但影响十分有限。此外根据QBO超前回归,夏季亚洲副热带西风急流有明显的偏北趋势,在日本一带存在有显著反气旋式环流,这将在一定程度上利于副热带高压的北抬。当然值得注意的是,QBO这一信号对热带外对流层区域的影响仍然较弱,不可作为一个重要因子分析。

图29 1981-2018年12-2月QBO指数对随后3-5月(左)与6-8月(右)500hPa高度场的回归分析。打点区域为通过0.10显著性检验区域。

1.4 其他重要因子简述

1.4.1 地球自转参数

自转也是整个地球系统中相当重要的特征,它的变化也将对各系统成员产生显著影响,其中地球自转速度又是反映地球自转的最重要特征量。每日长度(LOD,Length Of Day)是最常用的描述地球自转速度的指标,它的变化反映了固体地球-和表层流体圈层(大气圈,水圈)相互作用中的角动量交换,也存在着和这些圈层运动有关、周期不等的众多变率。

当前而言,经过滤波去除周年变率与更长期年代际变率后,LOD已经较前几年显著下降,表明当前固体地球自转角速度明显加快(甚至会在今年夏季成为数十年内最快);考虑到整个系统角动量守恒,这有利于众多低纬度地区信风偏强和海表西向流的增强,会在一定程度上促进春夏季赤道中东太平洋的冷却与拉尼娜事件的发展。

图30 LOD指数在近两年以来的演变

1.4.2 太阳活动简述

当前太阳活动已进入24周期-25周期交接的活动最低谷期,其中今年截至目前无黑子日已经超过60%,可以反映出当前通常而言,太阳活动的准11a周期影响对地面滞后约2年为主,但即使如此,当前也可以用接近谷值期的状态作为一个潜在外强迫。以陆地表面气温与SST和太阳活动作为变量,太阳活动与ENSO/PDO出现了类似正相关的状况,因此单考虑太阳活动的准11a周期这一点,今年夏季将有类似PDO负位相状态的大气海表强迫信号出现。当然,在季节尺度上,这一类天文因子的影响程度,较气候系统内部的变率小很多。

图31 第24-25周期交接期的太阳黑子数时间序列与预测

2 2020年夏季气候展望

2.1初夏气候展望(6月)

极地环流:虽然海冰密集度有所偏低,但考虑到短期内影响更大的动力学因子——北极平流层偏晚的换季和当前较平静的高纬度波通量,这一大气动力信号指向初夏AO偏向正位相态势,总体经向活动程度偏弱;但结合下垫面海冰的空间型,考虑到巴伦支海和白令海密集度偏低而加拿大北极群岛侧偏高,极涡呈现偶极型态势为主,主极涡更容易偏向北美沿岸一侧,北欧与阿留申群岛区域容易出现异常反气旋和阻塞活动。

中高纬度环流:在长波分布方面,考虑到前文所述海温和陆面积雪等下垫面强迫信号分析,总体对应欧亚地区北欧沿岸异常脊(或阻塞高压)-西西伯利亚/中亚地区异常槽-贝加尔湖附近异常脊-远东异常槽和勘察加-阿留申异常脊位,我国东北地区在这个异常槽槽后偏北气流控制下,东北冷涡与冷空气活动可能较为频繁;同时这样的配置有利于冷平流南下汇入准静止锋区,有利于季风雨带降水偏多。

低纬度地区:厄尔尼诺事件已快速衰减,赤道中东太平洋冷海温异常在迅速发展,不过在初夏尚弱,冷异常集中在东太平洋与南美沿岸。热带印度洋总体明显偏暖,但空间模态不对称性较明显。可以得出,太平洋Walker异常上升支将偏向热带印度洋-海洋性大陆区域,同时由印度洋暖海温-反气旋反馈激发的西北太平洋反气旋异常也相对较强且偏西,这有利于水汽输送向季风雨带区域,且较为内陆的西南地区也将出现显著的降水偏多。

而在初夏降水方面,由于副热带高压偏南偏西且各路水汽输送偏强,雨带将在6月将在淮河以南明显摆动,总体导致华南北部、江南大部、西南地区东部与江汉、江淮地区降水偏多,其中以西南地区东部、江南北部与江淮部分地区偏多最为显著。东北地区因活跃的东北冷涡带来的雷雨,降水也有所偏多;而华北平原与西北地区降水将相对略偏少。

而在初夏季气温方面,考虑到长波形势上巴尔喀什湖槽-贝加尔湖附近的异常暖脊-远东地区异常槽的配置,北疆因巴尔喀什湖槽位影响略偏冷,东北地区将因异常槽槽后的偏北气流控制而偏冷,青藏高原将因前期显著偏多的积雪和激发的异常槽位略偏冷,而华北与西北其他地区显著偏热,华北地区高温热浪过程也将较明显;而对于南方而言,由于大部分地区降水偏多,气温则接近常年同期或略偏暖,降水偏多最显著的区域气温则略有偏低。对于东北地区而言,冷涡活动与冷暖起伏较为频繁。

2.2 盛夏(7-8月)气候展望

在极地和中高纬度区域,热力场因素的北极海冰持续偏少让夏季维持北极涛动负值的概率较高,而极涡容易偏向北美/北亚高纬度沿岸区;在中高纬度环流方面,结合夏季AO偏向负值与QBO东风相位下,东亚地区高空副热带急流更容易偏北,但经向活动有所偏强;而考虑到春季陆面积雪的信号延续和中高纬度海温的演变,长波分布上将对应有更倾向于乌拉尔山东侧脊-贝加尔湖槽与东北-远东地区脊。

而在低纬度区域,赤道中东太平洋冷异常事件将出现进一步发展,可能接近拉尼娜事件阈值;但空间型分布上,将出现东太平洋与南美西海岸偏冷更显著而中太平洋稍弱的局面,此时赤道太平洋信风将显著增强并向西延伸,西北太平洋季风槽相对偏南。同时,热带印度洋暖异常因云-SST负反馈而有所减弱。这导致

西北太平洋反气旋与PJ波列转为偏南,此时副热带高压叠加PJ波列北部的中纬度反气旋异常而转为偏北,这导致副热带锋区雨带显著北抬,由7月的黄淮地区进一步至华北与东北南部,长江中下游地区则被偏强的副高控制,容易出现晴热高温天气。

因而在盛夏降水方面,中东部地区夏季总体会呈现厄尔尼诺事件衰减早型的典型模态,即夏季风雨带显著阶段性北移,在7月以江淮部分地区、黄淮地区与四川盆地降水偏多,而在7月下旬到8月中旬,雨带进一步北移至华北与东北南部,此时长江中下游地区转为降水偏少,而华南地区被季风槽控制,降水有所偏多。弱的东亚夏季风和总体偏南的副高作用下,呈现华南地区降水略有偏少-长江流域降水偏多-华北与黄淮地区偏少-东北地区接近常年或略偏多的情形。全国气温距平将显著地对应于降水分布,即降水偏多区域相对接近常年或偏低,而降水偏少区域则显著偏高。

2.3 汛期态势展望

当前首先是6月-7月初的副高的一次北跳和长江流域梅雨期到来——通常而言,长江流域平均入梅期在6月第4候(不同区域有所差异),目前以各地官宣入梅时间看已属偏早。至于梅雨强度,考虑到西太平洋副热带高压显著偏西偏强,东亚热带季风偏弱而副热带季风将明显偏强;南亚夏季风因印度洋显著增暖与Walker环流上升支控制,以及SIOD负位相特征而显著偏强,输送向梅雨锋的水汽通量偏强;北侧西风带长波配置呈现远东-鄂霍茨克海槽位概率较大,槽后偏强冷平流将汇入梅雨锋。综合上述条件看,梅雨带内降水将明显偏多,包括整个江南地区、西南地区东部、江汉、江淮地区,其中西南地区东部-江南北部地区降水偏多最显著;但由于经向活动较显著,雨带南北摆动将较明显。此时,华南与华北南部将在雨带两侧异常下沉控制,降水有所偏少。

接下来一步(7月中旬-8月中旬),将是北方雨季,江南伏旱和华南后汛期。由前文对盛夏环流形势的判断,由于雨带将明显向北跳跃,且由于此时副高逐渐转为偏北状态,输送向华北的副热带季风水汽支也将增强,同时偏强的南亚夏季风也将通过当地通过遥相关的影响,造成北方大部分区的降水偏多,以黄淮到东北南部地区最为明显。此时长江流域也进入伏旱期,对应有出梅(或伏旱开始)接近常年,由于副高此时转为偏北偏强,长江中下游沿岸的降水将转为偏少,气温也将明显偏高,出现大范围持续性高温天气概率较高。同时,华南地区也进入了热带系统带来的后汛期,由于南海和菲律宾季风槽的偏西,华南地区会受到异常季风槽控制,后汛期降水总体偏多的概率较大,其中台风活动较为频繁,可能出现在时空上不均匀型的降水集中。

总体而言,今年夏季风雨带的阶段性明显,总体呈现大部分地区降水都有所偏多。阶段性分析看,6月初华南前汛期尾声-江南/江淮梅雨季前段,长江以南的江南与华南地区降水偏多,以华南地区最为明显;而长江以北到华北平原大部将不同程度偏少,以华北南部地区降水偏少最为明显;而华北北部和东北因频繁的冷涡活动,而多有雷雨,降水总体接近常年或略偏多。而在6月中旬-7月上旬梅雨季节,长江流域梅雨区降雨明显偏多,以西南地区东部-江南北部-江淮地区更为明显,此时华南沿海和华北地区降水都将偏少,东北则可能有冷涡带来的雷雨;而7月中旬之后的盛夏北方雨季时,雨带明显北跳,华北和东北南部地区降水将偏多,但东北北部地区因PJ波列反气旋控制而降水偏少,与此同时,淮河以南直到长江中下游地区,因偏北偏强的副高控制降水转为偏少。而在华南地区,则会因季风槽的偏西而导致后汛期降水略偏多。

因此,今年雨带特征是强度偏强,夏季内显著阶段性北跳,不会在一个区域异常长期滞留;因而全国出现洪涝灾害的概率较高,且灾情相对常年偏严重,但在降水强度大的同时,持续时间有限,不会出现长时间大范围持续强降雨,总体仍然以一级流域的中小规模洪涝、二级流域局部的较大洪涝为主,发生大规模全流域洪水的概率较低。在时段划分上,容易发生中小规模洪涝的区域,包括6月上旬的江南南部与华南北部的南岭山区,6月全月包括洞庭湖、鄱阳湖流域和钱塘江等浙江各江河流域的江南地区,6月中旬到7月上旬的长江、淮河下游地区,6月下旬到7月中旬的长江上游与中下游江汉、江淮地区,与北侧的黄淮地区,7月下旬-8月中旬的华北与东北南部的海河、辽河流域等地。此外,由于中小尺度对流系统引发的局地山洪等灾害,也需要注意。与此同时,华北南部在今年6月将可能出现一定程度旱情,而长江中下游地区在7月下半月起转为偏强副高控制后,也容易出现涝-旱急转,部分地区也可能出现旱情,需要注意。

2.4 附录I:西北太平洋台风展望

2.4.1 早夏-仲夏(6-7月)

在此阶段,先前的厄尔尼诺事件仍在快速衰减,赤道中东太平洋迅速转为中性偏冷状态,也不排除达到拉尼娜阈值的情形;同时热带太平洋信风菲律宾周边与南海出现异常反气旋式环流且对流活动偏弱,但140°E以东的西太平洋远洋区域接近异常上升支区域,且伴有PMM正位相态势的发展,导致当地仍会有较明显对流活动。

综合先前分析,可以得出结论:

(1)今年6-7月台风活动数量将偏少,生成个数为3-4个。

(2)生成区域偏西,最有可能在130°E-140°E一带;

(3)考虑到副热带高压的演变态势,登陆初台出现时间将正常或略偏晚。

(4)本阶段副高以偏强偏西的态势为主,总体路径以西行、西北行为主,多影响华南沿海与台湾岛。但如果出现生成在梅雨锋前的台风,则必然沿副高北缘向东北方向移动。

2.4.2 盛夏-初秋(8-9月)

赤道中东太平洋海区冷异常在此阶段将进一步发展,可能将达到拉尼娜事件阈值;同时空间型方面,虽然整个赤道中东太平洋将明显增暖,但仍然最为集中在日界线东侧附近的中太平洋地区,且南美沿岸可能有所偏冷。北印度洋此时有所偏暖但不显著,菲律宾周边的下沉支也将相对偏弱。总体而言,受厄尔尼诺事件影响,这一阶段南海-菲律宾季风槽将有所偏弱,但由于事件的空间型和PMM的影响,西太平洋远洋季风槽将相对活跃。

综合先前分析,可以得出结论:

(1)今年8-9月台风活动数量将接近常年或略偏少,预计生成10-11个台风;

(2)考虑到西太暖池在此阶段已逐渐转为海温略偏高条件,且高空南亚高压偏南偏东,辐散条件良好,台风总体强度将有所偏强;

(3)台风生成地相对偏西,总体在145°E以西者居多。在此基础上,纬向分布上前期相对更加偏西而后期略有东移;在经向分布上,前期接近常年同期而后期较气候态偏北。

(4)QBO东风位相下,南亚高压将有所偏北。对于影响华南地区台风而言受高空东风急流影响减弱,如果配合北侧经向活动和副热带急流轴,出现近岸爆发的概率偏大。

(5)路径方面,在副高总体偏西偏强的局面下,台风以西行、西北行为主,近海转向路径为辅,影响我国沿海的台风偏多。其中,随着副高逐渐偏北,该期间出现登陆或影响华东沿海的台风频数将偏多。

注:(1)本文仅为个人分析,仅供学习交流与参考,不具备法律效力。如需要咨询更详细的气候趋势,请联系国家气候中心或各地气象局。

(2)本文未说明条件下,季节均指北半球季节。

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