澳大利亚是一个以农牧业为支柱产业的发达国家,是世界上主要的小麦出口国之一,占全球小麦贸易的10%~15%。其农作物产量,受气候变动的影响(Yuan and Yamagata,2015)。近年来澳大利亚经历严重的干旱威胁,2017—2019年农作物年产量较自2011年以来减少12.6%。秋季降水是影响澳大利亚冬小麦产量的关键因素之一,因此,明确澳大利亚秋季降水的影响因子及物理机制对提高秋季降水的季节预测和农作物管理具有重要意义。

澳大利亚北部靠近赤道,南部至南纬40度以南,东西介于南太平洋和印度洋之间,其降水同时受热带海气耦合模态和中高纬天气系统的影响,包括来自热带的厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)(Allan,1988;Nicholls et al.,1997;Wang and Hendon,2007;陈蔚和管兆勇,2016)、印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole,IOD)(Ashok et al.,2003a;岳阳等,2011)和MJO(Wheeler and Hendon,2004;Wheeler et al.,2009),以及源于中高纬的风暴轴(Simmonds and Keay,2000;Frederiksen and Frederiksen,2007)、副热带高压脊(Pittock,1975)、大气阻塞高压(Pook and Gibson,1999)和南半球环状模(SAM)(Hendon et al.,2007;Meneghini et al.,2007)。已有的研究表明,ENSO、IOD和阻塞高压对澳大利亚秋季降水有显著影响(Risbey et al.,2009)。

南半球的阻塞高压与对流层上部西风急流的两个分支有关,塔斯曼海和西南太平洋是南半球阻塞发生的主要区域,影响澳大利亚降水的阻塞高压在秋冬季频繁发生(Coughlan,1983;Pook and Gibson,1999)。通常阻塞高压发生时,澳大利亚南部经历严重干旱,这是因为当阻塞形成时,冷锋从西部向阻塞区靠近,高压控制的环流形势不利于对流发生(Pook and Gibson,1999)。然而,当阻塞高压控制澳大利亚南部或东南部时,澳大利亚南部和内陆也可能会发生重大降雨(Hopkins and Holland,1997;Qi et al.,1999;Pook et al.,2006)。这种现象主要与大尺度阻塞高压与相对较小的气旋性切断低压的共生和分离有关:当切断低压脱离阻塞高压的控制,向东移到澳大利亚东南部时,该地会出现大范围洪涝(Pook et al.,2006)。澳大利亚湾地区的阻塞高压有利于西澳大利亚的降雨,而当阻塞高压位于140°E以东时,澳大利亚东南部的降雨增加。因此,澳大利亚各地的降雨对阻塞高压的响应取决于阻塞高压的位置。

ENSO与澳大利亚大范围降水异常密切相关(Risbey et al.,2009)。当代表ENSO的南方涛动指数(Southern Oscillation Index,SOI)为负,即厄尔尼诺发生时,澳大利亚秋季中、北部降水减少,且本结论不依赖于ENSO指数的选择(Nicholls et al.,1997;Power et al.,1999,2006)。值得注意的是,与Niño3区海温(SST)相比,Niño4区的SST与澳大利亚降水异常的相关更高(Risbey et al.,2009)。ENSO对澳大利亚降水的影响主要是通过调节沃克、哈得来环流的强度来实现。在厄尔尼诺发展年的南半球秋季,赤道太平洋盛行西风异常,赤道西太平洋地区有异常下沉气流,而北澳大利亚位于下沉气流区,不利于对流的发生。另一方面,此下沉气流激发的Mastuno-Gill型响应(Matsuno,1966;Gill,1980),在澳大利亚西部形成反气旋性异常,抑制西北方向来自热带印度洋的暖湿水汽输送,导致澳大利亚中、北部降水显著减少。Power et al.(1999)的研究表明,ENSO与澳大利亚降水之间的关系受IPO的调节:当IPO处于正位相时,ENSO与澳大利亚降水的线性相关较弱,而当IPO处于负位相时,ENSO与澳大利亚降水的线性相关增强。这可能是由于负位相IPO更有利于La Niña的发生,而相较于El Niño,La Niña与澳大利亚降水的联系更为密切(Power et al.,2006)。

仅仅依赖ENSO指数的澳大利亚降水预测技巧存在很大局限性(Nicholls,1989),因为澳大利亚降水也受另一个重要热带海气耦合模态IOD的影响(Whetton,1988;Nicholls,1989;Ashok,2003b;Ummenhofer et al.,2009;Yuan and Yamagata,2015)。Streten(1981,1983)发现澳大利亚长达数年的大面积干旱与东印度洋的SST异常有关。Nicholls(1989)利用偏相关揭示IOD对澳大利亚降水的影响独立于ENSO。Yuan and Yamagata(2015)发现澳大利亚冬麦生长期,IOD对降水的影响高于ENSO,同时利用IOD和ENSO指数可显著提高冬麦产量预测的准确率。Ashok(2003b)利用大气模式再现了IOD对澳大利降水的影响并揭示了其物理机制:IOD正位相时,苏门答腊岛以西负的SST异常在热带和亚热带印度洋东部的底层引起的反气旋异常覆盖大部分澳大利亚地区,不利于降水的发生,反之亦然。

目前为止,研究热带海洋对澳大利亚秋季降水的影响多集中于热带太平洋和印度洋。热带大西洋与太平洋和印度洋类似,存在独立的海盆尺度的海气耦合模态,称为大西洋赤道模、大西洋Niño或大西洋纬向模(Atlantic Zonal Mode,AZM)(Hisard,1980;Richter et al.,2013)。AZM在南半球秋季发展,冬季成熟,不仅引起邻近南美洲东北部和非洲西部的降水异常,也可通过大气遥相关影响全球气候(Jin and Huo,2018;Wang,2019;Yuan and Yang,2020)。已有的研究表明,AZM可通过调节热带沃克环流和海盆间的相互作用,激发拉尼娜(Jasen et al.,2009;Rodríguez-Fonseca et al.,2009;Kucharski et al.,2011,2015;Ding et al.,2012;Frauen and Domenget,2012;Polo et al.,2015):AZM的正SST异常所引起的异常上升气流在赤道中太平洋下沉,其西侧对流层低层的东风异常增强局地沃克环流,激发上升流开文波向东传播,从而引发东部型拉尼娜。Yuan and Yang(2020)进一步指出,热带大西洋暖海温引起的赤道中太平洋的异常下沉气流所激发的Matsuno-Gill响应,在西北太平洋地区形成反气旋异常,使西太平洋副热带高压增强并西伸,其西北缘的西南气流异常,可提高我国西南地区夏季水汽输送,从而增强降水。

如前所述,很多研究揭示AZM对ENSO的影响,或ENSO对澳大利亚气候的影响,然而较少研究将AZM与澳大利亚气候直接相联系。初步研究发现,不管是发展期还是成熟期的AZM指数与同期澳大利亚降水年际变动的线性相关较弱。进一步分析发现,AZM-澳大利亚降水的关系受IPO位相的调节,尤其是在发展期(4—5月)。在南半球秋季AZM的发展期,当IPO位于正位相时,AZM能引起澳大利亚中部降水减少,然而当IPO处于负位相时,AZM却引起澳大利亚中南部降水增加(图2b、c)。由于这近乎相反的影响,如若不区分IPO位相,AZM-澳大利亚降水的关系便显著减弱。因此,本文旨在探究在IPO不同位相,AZM对澳大利亚降水影响不同的成因,从而有助于提高对澳大利亚降水年际变动的理解和季节预测水平。

1 资料和方法

为了研究IPO不同位相对AZM-澳大利亚降水关系的影响,本文使用1900—2014年115a的观测和再分析资料。降水资料是全球降水气候中心(Global Precipitation Climatology Centre,GPCC)提供的月平均降水量,版本为full V2018,分辨率为1.0°×1.0°(Schneider et al.,2011)。SST使用美国国家海洋和大气管理局的物理实验室(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供的第五版全球逐月平均再分析资料(Extended Reconstructed Sea Surface Temperature V5),分辨率为2.0°×2.0°(Huang et al.,2017)。大尺度环流场如850hPa、300hPa、200hPa风场、高度场、垂直速度等使用美国国家海洋和大气管理局物理实验室(National Oceanic and Atmospheric Administration-Physical Science Laboratory,NOAA-PSL)提供的20世纪月平均再分析数据集(20th Century Reanalysis V3),分辨率为1.0°×1.0°(Giese et al.,2016;Slivinski et al.,2019)。

本文使用的研究方法包括经验正交函数EOF、滤波、线性相关和回归分析等。关于IPO指数的定义,Zhang et al.(1997)在原始场中提取年代际信号时,利用两次滑动平均消除年际变率,之后的相关研究大都沿用滑动平均方法。本文的定义采用了Dai (2013)和Yang et al.(2019)的方法:为了滤除主周期为三年的ENSO的年际信号,在定义IPO指数时首先将全球60°S~60°N范围内的SST做3a滑动平均,该方法可以有效避免个别ENSO事件导致的虚假的IPO位相转换(Dai,2013)。对平滑后的SST场做EOF分解,EOF1反映的是全球SST增温趋势(图1a,1c),EOF2反映的是太平洋SST的年代际变率(图1b,1d)。取EOF2的时间系列做两次9a滑动平均即得到IPO指数(图1d)。也有研究对EOF2的时间序列进行13a低通滤波来得到IPO指数(Zhang et al.,1997;Power et al.,1999;Deser et al.,2004)。由于研究时段不同以及对EOF2时间序列的处理不同,不同研究显示的IPO位相的转折年份存在一定的差异。为了减小这种差异带来的影响,采用与Power et al.(1999)类似的方法,将IPO指数标准化后大于0.2个标准差的年份看作IPO正位相年,而小于-0.2个标准差的年份看作负位相年。依此方法,1900—1910,1927—1931,1935—1943和1977—1999年为IPO正位相年,总共48a;1913—1924,1946—1960,1966—1975和2002—2014年为IPO负位相年,总共50a(图1d)。值得一提的是,如果采用0.05,或者0.1个标准差作为标准选取IPO的正负位相年,研究结果与本文展示的结论基本相同。

为了揭示IPO正、负位相对南半球秋季AZM-澳大利亚降水关系的调节作用,首先需去除IPO本身对澳大利亚降水的影响。因此,除了IPO指数和IPO正、负位相年的气候基本态,本研究的其他变量在去除季节循环后,进一步利用傅立叶变换高通滤波滤除10a以上的低频信号,只保留10a以下的年际变动异常。AZM的年际变动由ATL3指数表示,该指数反映大西洋Nioñ3区(3°S~3°N,20W°~0°)的SST异常(Burls et al.,2012;Lübbecke and McPhaden,2017;Dippe et al.,2018)。为了表明AZM激发的罗斯贝波在不同IPO位相背景下传播路径的差异,本文还计算了波活动通量W(Takaya and Nakamura,2001),其水平方向分量的计算公式如下:

其中:上划线“^-”表示气候平均态,即IPO不同位相下的多年平均;上标“′”表示扰动项,即各变量去除多年气候态及10高通滤波后的年际变动部分;下标x、y分别表示对x和y求偏导,u、v分别表示纬项风和经向风;ψ表示流函数;U表示风矢量。

2 不同IPO位相下AZM对澳大利亚秋季降水年际变动的影响

AZM在南半球秋季发展,其在发展阶段会对全球气候会产生重要影响。利用4—5月AZM指数对同期降水进行回归分析可以有效揭示发展期AZM对降水的影响(图2)。结果显示:不管是所有时段还是IPO的正、负位相年,南美洲东部及非洲西部这些与大西洋相邻的,受AZM直接影响的区域,降水呈近乎一致的异常(Chang et al.,2008;Richter et al.,2012)。然而如引言最后部分所提及,对于澳大利亚,在整个研究时段,AZM与澳大利亚秋季降水的相关关系并不显著(图2a);在IPO正位相年,当AZM发生时,澳大利亚大部分地区尤其是澳大利亚中部经历大范围降水减少(图2b);而在IPO负位相年,AZM可引起澳大利亚大部分地区尤其是澳大利亚中南部降水增加(图2c)。为了进一步揭示在IPO正、负位相期间,AZM与澳大利亚降水的相关关系,分别定义了IPO正位相期间澳大利亚中部降水指数(central Australia Precipitation Index,cAPI)和IPO负位相期间的澳大利亚南部降水指数(southern Australia Precipitation Index,sAPI)。如图2b、c的黑色方框所示,cAPI为区域(113°~154°E,29°~17°S)平均的降水异常,而sAPI为区域(116°~153°E,38°~22°S)平均的降水异常。线性相关结果表明,在IPO正相期间,ATL3与cAPI的相关系数为-0.41,通过置信度为99%的显著性水平检验(图3a);在IPO的负位相期间,ATL3与sAPI的相关系数为0.28,通过置信度为95%的显著性水平检验(图3b)。以上分析表明,在IPO不同位相,AZM与澳大利亚秋季降水呈近乎相反的相关关系,因此,如若不区分IPO的正、负位相,AZM-澳大利亚秋季降水的关系便显著减弱。

3 不同IPO位相下AZM影响澳大利亚秋季降水年际变动的物理机制

为了揭示AZM在IPO不同位相下对澳大利亚秋季降水影响的物理机制,用标准化的ATL3指数回归了SST、850hPa位势高度和风场异常(图4)。在IPO正位相年AZM的发展期,澳大利亚中部对流层低层为反气旋异常所控制,这不仅不利于该地区对流的发生发展,同时反气旋北部的偏东风异常也抑制了自热带印度洋向澳大利亚的暖湿水汽输送(图4a)。因此,澳大利亚中部地区降水显著减少(图2b)。与之相反,在IPO负位相年AZM的发展期,澳大利亚大部分地区的对流层低层存在气旋性低压异常。这不仅有利于低层辐合,同时该气旋东北部的西北风异常可引导更多热带印度洋的暖湿水汽到澳大利亚中南部(图4b),增强澳大利亚中南部降水(图2c)。因此,在IPO不同位相年,AZM-澳大利亚秋季降水遥相关的不同,主要由澳大利亚及其附近不同的环流异常所引起。

在IPO不同位相年,AZM引起的澳大利亚及其附近区域的环流异常与AZM本身的强度及其遥相关有关。在IPO正位相年秋季,ATL3的标准差为0.119,而在IPO负位相年秋季,ATL3的标准差为0.148,也就是说AZM发展期的平均振幅在IPO的负位相年是正位相年的1.24倍。这可能是因为在IPO的正位相,热带大西洋全域,尤其是热带东大西洋,SST呈负异常(图1b),而在IPO的负位相,SST呈正异常。因此,相对于IPO正位相的基本态,IPO负位相的基本态有助于热带大西洋的海气耦合相互作用,即有利于Bjerknes反馈(Bjerknes,1969),因此AZM的振幅也相对较大。就像强El Niño与弱El Nñio的遥相关存在显著差异一样(Zhang et al.,2019),AZM的强度不同,也可引起遥相关的不同。在IPO正位相年,AZM的正SST异常引起热带大西洋地区的异常上升运动,其对应的下沉运动主要位于热带东太平洋,并通过调节热带太平洋的沃克环流,在海洋性大陆引起异常上升运动(图5a)。海洋性大陆的异常上升运动,调节了局地哈得来环流,在澳大利亚中部引起异常下沉(图6a)。这解释了澳大利亚中部出现的反气旋异常(图4a)和降水减少(图2b)。

在IPO的负位相年,相较于IPO的正位相年,AZM的振幅更大,在热带大西洋引起的上升运动更强,对应的下沉支则位于更偏西的热带中太平洋,而海洋性大陆上未见显著的对流异常(图5b)。因此在IPO的负位相年,AZM并未通过调节位于海洋性大陆的局地哈得来环流从而引起澳大利亚的降水异常(图6b)。另一方面,IPO负位相年AZM激发的南半球中高纬地区的Rossby波列,在澳大利亚及其西部地区引起正压气旋性异常(图7b)。此正压气旋性异常不仅引发澳大利亚地区异常上升运动(图6b),而且其低层西北位相的西北风异常,可引导大量暖湿空气从热带印度洋至澳大利亚(图4b),有助于降水形成(图2b)。值得一提的是,在IPO正位年,AZM激发的中高纬Rossby波列,传播至澳大利亚南部时并未向南进一步传播引起澳大利亚气旋性异常(图7a)。这不仅是因为IPO正、负位相年的基本态存在一定的差异,尤其是南半球中高纬地区对流层高层的纬向风大小不同(图略),外加AZM本身的强度不同,其激发的南半球中高纬地区的Rossby波列因而存在差异(图7)。另一个可能的原因如前文所述,在IPO正位相年,海洋性大陆局地哈得来环流的异常下沉支位于澳大利亚(图6a),因此不利于中高纬的Rossby波传播至澳大利亚并引发正压气旋性异常。

综上所述,在IPO正、负位相年,由于气候背景态和AZM强度本身的不同,AZM和澳大利亚秋季降水的遥相关存在显著的差异:在IPO正位相年,AZM通过调节热带沃克环流和海洋性大陆的局地哈得来环流,引起澳大利亚中部异常下沉运动,同时对流层低层的反气旋风场异常抑制热带印度洋的水汽输送,导致澳大利亚中部地区降水减少;而在IPO负位相年,AZM激发的南半球中高纬地区Rossby波在澳大利亚引起正压气旋性异常,这不仅引起局地异常上升运动,其伴随的对流层低层气旋风场异常有助于增强热带印度洋的水汽输送,从而提高澳大利亚中南部降水。

4 结论与讨论

本文采用1900—2014年共115a的观测和再分析资料,使用EOF、滤波、线性相关分析等方法,研究IPO正、负位相年,AZM对澳大利亚秋季降水年际变动的不同影响,并揭示其物理机制。结果表明,当IPO位于正位相时,AZM可引起澳大利亚中部秋季降水减少,而当IPO位于负位相时,AZM可引起澳大利亚中南部秋季降水增加。这近乎相反的AZM-澳大利亚秋季降水遥相关,是源于IPO正、负位相年,气候背景场和AZM振幅的不同。IPO正位相年,热带大西洋背景态SST较IPO负位相年低,不利于局地海气耦合相互作用,因此AZM的振幅较IPO负位相年小将近四分之一。其引起的热带大西洋异常上升运动的下沉支主要位于热带东太平洋,并且通过调节热带太平洋的沃克环流,在海洋性大陆有异常上升运动。该异常上升运动,调节了局地哈得来环流,在澳大利亚中部引起异常下沉,结合对流层低层的反气旋异常风场不利于热带印度洋的暖湿水汽输送,澳大利亚中部出现大面积降水减少。而在IPO负位相年,AZM的强度更强,其引起的热带大西洋异常上升运动的下沉支主要位于热带中太平洋,海洋性大陆并未出现显著的异常上升运动,因此未通过调节局地哈得来环流影响澳大利亚。另一方面,在IPO负位相年,AZM引起的南半球中高纬地区Rossby波在澳大利亚及其西部地区引发正压性气旋异常。该气旋异常引起澳大利亚地区的异常上升运动,同时对流层低层的气旋性环流异常引导更多热带印度洋暖湿气流进入中南部澳大利亚,导致此地区降水增加。因此,IPO可通过改变气候基本态,调节AZM模态及其遥相关。

本文讨论了IPO正、负位相年,热带大西洋基本态SST不同,可能通过影响局地Bjerknes反馈的强度,导致AZM振幅的不同。然而具体哪个大气及海洋过程导致AZM的振幅在IPO正位相年较负位相年低近四分之一,将在后续的工作中通过进一步分析ATL3区域海洋混合层热收支分状况来确定。同时,虽然本文展示了IPO正、负位相年,AZM引起的南半球中高纬地区Rossby波的传播有明显的差异,但IPO正、负位相引起的气候基本态的改变如何影响Rossby波的传播路径也需要在后续的工作中进一步明确。

本文主要展示IPO对AZM-澳大利亚秋季降水遥相关的调节作用。由于AZM引起的热带大西洋的上升运动在热带太平洋的下沉支的位置不同,其对ENSO的影响也不同。如图4所示,当IPO位于正位相时,AZM引起的下沉支主要位于热带东太平洋,对流层低层的偏东风异常可能引发东部型拉尼娜;而当IPO位于负位相时,AZM引起的下沉支主要位于热带中太平洋,由此产生的对流层低层的辐散风可能激发中部型拉尼娜。Risbey et al.(2009)的研究指出中部型拉尼娜更易引起澳大利亚降水增加。显然,不同IPO位相能影响热带大西洋与太平洋之间的相互作用,值得进一步研究。

致谢:NOAA提供了ERSSTv5(https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.ersst.v5.html)、20CRv3 (https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.20thC_ReanV3.html)和GPCC降水(https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.gpcc.html)资料的在线下载服务。

参考文献