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2020615日西北太平洋第2號颱風鸚鵡消散以來至 731日,該洋面已經超過一個1個半月未有任何達熱帶風暴(輕度颱風)以上標準之熱帶氣旋生成,這個西北太平洋颱風好發的月份,創下了自1951年有可信觀測紀錄以來頭一次西北太平洋7月沒有熱帶氣旋生成與經過活動的歷史紀錄。

 

7月份西北太平洋地區生成熱帶風暴之比例約佔全年度的15%,屬全年平均第三高的月份,如果7月掛0,全年熱帶風暴系統生成總數大幅下滑的可能性不是沒有,而造成這樣罕見的短期氣候事件背景以及隱含物理意義究竟為何?本文在此對次無颱事件作簡單初探,並釐清造就此事件之背景氣候條件可能帶來的其他天氣影響。

文章很長以下是給趕時間的人的結論

無颱事件因果流程圖說:

全程圖說.png

 

流程太複雜?沒關係,拆成三個部分用空間概念圖解:

 

 

印太回饋圖說.png

印太遙相關圖說.png

SRP遙相關圖說.png

以下正文開始

 

一、2019下半年至2020夏季大尺度氣候背景概述:

 

重點事件A.中太平洋聖嬰自去年夏末發展至今年春季目前入夏減弱消散:

 

Multiple ENSO index

1MEI.png

 

指數顯示2019年至2020年初為一弱聖嬰事件。

圖1.

2.png

 

圖2.

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從圖1之海溫時間序列可知聖嬰事件是從去年入秋開始發展,入冬至今年春達成熟,目前有消散轉為反聖嬰之跡象,圖2之海溫距平空間分布顯示這次聖嬰事件是屬於CP(中太平洋)型Nino,對於大氣影響見下圖3之概念模式、以及圖4之聖嬰成熟後觀測垂直運動距平分布:

 

圖3.

 

3-1.png

 

圖4.

4.gif

 

其中cp(Madoki)型聖嬰如圖3右側:中列垂直運動距平呈現高海溫區上升、海溫相對低的區域(東、西太平洋)下沉,與圖4顯示今年初以來聖嬰成熟後之垂直運動距平其狀況相符。

 

圖5.

 

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圖6.

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圖7.

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上圖5-7為熱帶印度-太平洋在聖嬰發展-成熟-成熟後期三階段低層風場距平,可以看到由於聖嬰事件的醞釀,西太平洋及印度洋熱帶區風場以海洋大陸為分界,由西向東呈現東/西風距平,顯示在中太平洋海溫驅動的異常Walker下沉支在海洋大陸上空發展伴隨低層輻散,並於聖嬰成熟後一季,也就是2020春夏之交這股異常風向距平轉為東風為主,橫跨整個熱帶中印度洋到西太平洋。

 

重點事件B.史上最強正IOD事件及正IOD事件如何演變成IOBW

 

DMI指數:

8DMI.gif

IOD事件是印度洋海溫變化的一種型態,主要呈現東西熱帶印度洋的高低海溫差異,方法為選定區域內之西熱帶印度洋海溫與東南熱帶印度洋海溫之差值,故西印度洋海溫高於東南熱帶印度洋為正事件,反之為負事件,計算出來的指數稱為偶極模式指數(DMIDMI定義及計算區域如下圖9所示:

9.gif

上圖9為近兩年DMI指數,可以看到這個史上第一強的IOD正相位訊號是從2019春夏之交就開始發展,秋冬之交達到最成熟,起初的成因可以參考我去年發表的這篇文章裏面有提及此次IOD事件的初始成因,隨後的發展則可能與前述提及的CP-Nino有關:

 

這裡就得提一下IODNino事件關聯-印太齒輪理論:

 

這個理論認為由於印度洋與太平洋之沃克環流以海洋大陸為樞紐相連,如同齒輪般兩個環流常常反向運動,而海溫被視為是驅動大氣環流的主因,因此ENSO等大型海溫事件變化對於一個沃克環流的改變,一旦程度夠大,將會連動另一個沃克環流也出現異常運動,此及下圖10印太齒輪理論(吳與孟 (1998)):

 

10.png

 

雖然印太齒輪理論提出20幾年,但透過觀測資料也發現兩者並非總是這麼完美相契合反向運動,一般而言假如有顯著的ENSO事件也是能讓驅動其中一側沃克環流,並讓另一個顯著反向運行。經過了去年的CP-Nino發展,由前述分析可以看到海洋大陸出現下沉訊號,此時期印度洋風場距平隨時間的變化如下圖11所示:

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11可以看到伴隨CP-Nino發展的同時,印度洋也出現東風距平,從CP-Nino發展至成熟期皆有此訊號,直到今年冬末才稍微減弱,顯著東風自海洋大陸往熱帶中印度洋延伸。氣候上由於熱帶印度洋盛行偏西風,西熱帶印度洋由於Ekman pumping效應導致海洋躍溫層較薄,類似常年的東太平洋,因此東太平洋跟西印度洋在氣候上長期都是維持較低溫的狀況。

 

因此熱帶西印度洋一旦由於東風加強抑制環境西風,也會產生躍溫層因印度洋西岸洋流出現Downwelling的狀況而加深,造成西印度洋躍溫層變厚、暖水層厚度增加而使得海溫異常上升的狀況,同時熱帶東印度洋也因為Ekman pumping效應產生湧升流加強海溫降低的狀況,此時西印度洋與東印度洋形成西高東低溫差距平即IOD正事件,如下圖12

 

12.gif

 

這次的正事件,使得西熱帶印度洋異常增溫,東熱帶印度洋由於降溫穩定故形成冬冷西暖洋溫伴隨反向沃克環流在海洋大陸至東熱帶印度洋下沉,如圖13

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加上盛行西風從冬季到春末均被抑制,風弱不易蒸發帶走熱量,故環境上不易發生對流,因此外逸OLR大,東印度洋晴朗穩定,如下圖1415:

 

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不易發生對流的東印度洋就從冬末到夏初受日照累積熱量,持續增溫最後導致海溫上升到與西印度洋接近的水平。

 

這是印度洋溫度變異中除了東西差異的偶極態以外另一種型態:全區一致增溫模型 Indian Ocean basin-wide (IOBW) warming ”,如下圖16

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這邊總結一下去年末至今為止熱帶印度太平洋發生的背景事件歷程,下圖17:

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順帶補充一下,目前從IOD時間序列來看似乎是正事件於春末夏初再度發展,但由於IOD不同於ENSO是比較東西兩側海溫高低,還要計算東西兩側差值,所以把上圖DMI指數與春夏季之印度洋海溫一比較就可發現,現在的熱帶印度洋是全區一致增溫型,僅是因為西熱帶印度洋在增溫幅度上較東熱帶印度洋高了一點,所以反映在DMI指數上為正。實際上這是DMI指數使用上一個需要注意的地方,因為要是全區一致增溫/降溫,然而卻僅是因為東西兩側增溫降溫幅度速率有些微差別導致DMI指數出現震盪,進而導致做出偶極事件正在發生的判斷,很容易會忽略熱帶洋上真實的溫度分布面貌。因此建議DMI指數必須搭配當前海溫距平圖一起判讀方能真正理解此時印度洋真實的熱強迫型態為何。

二、大尺度海溫變異背景如何影響到東亞入夏後大氣環流狀態?

 

前述統整完背景之後,下來可以看看大尺度海溫異常訊號對於夏季熱帶印度洋及西太平洋大氣環流造成的影響,以及伴隨的事件。

 

當前西太平洋及東亞主要的季內尺度異常事件有兩個:

 

中國長江發大水

西太平洋首見七月空颱

 

從地緣關係上來看長江流域及熱帶西太平洋都在副熱帶高壓以及印度洋西南季風共同作用的東亞季風區範圍,前述的氣候背景事件是否導致了東亞季風區的環流異常呢?

 

答案是有的,這得從IOBW成熟後的春末開始談起:

 

18.

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上圖18顯示了熱帶印度洋緯向低層風場距平,可以看到在冬春時,CP-Nino偕同IOD正事件共同發展,印度洋中至東部盛行東風,此現象乃前述的沃克環流異常的結果,而到了春末入夏IOBW成熟時,印度洋低緯度幾乎被東風距平主宰,只有西側因季節轉換之南半球跨赤道流產生之局部西風分量。

 

這顯示了IOD正事件消退、IOBW成為印度洋海溫強迫主宰因子時,東風距平在此時進一步增強了,那麼,IOBW是如何影響到東風距平使之進一步強化呢?

 

根據Yang et al.(2007)研究結果發現,IOBW往往在El-Nino成熟後之一個季節,也就是春季時開始出現在印度洋區,並延續到整個夏季,成為印度洋春夏主要的海溫強迫因子,在IOBW出現的春夏,在熱帶印度洋會由於全面大致增溫,加上環境有自El-Nino事件發展以來的東側低緯西風距平、春夏之交發展的西側低緯西風距平共同作用於驅動表層洋流,使得IOBW整體增溫極大值出現在中熱帶印度洋,因此雖然全面一致增溫,但還是有些許差別,而出現在中部的暖水極大值就成為一個強迫中的強迫,變成中熱帶印度洋的一個加熱區,中部加熱勢必強化兩側原有的東西風距平,依此便可在中印度洋低層輻合,驅動出著名的熱帶大氣環流加熱模式:Gill model(Gill (1980))

 

1920.

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如上所示,赤道上加熱對低緯風場影響,就是分別在熱源東/西側分別引發輻合東/西風,於西側表現為一沿赤道對稱之氣旋式風場距平,此即熱源西側只能在西風中向西傳播的Mixed Rossby-Gravity Wave(MRG,混合羅士比-重力波),以及在熱源東側以東西風場交替呈現高低壓訊號、只能在東風環境中向東或貼住流體邊界處傳播的Kelvin Wave(赤道凱文波)。

 

這兩種波動是熱帶大氣異常加熱下最重要的強迫訊號,波動的傳遞往往可以引發下游處大氣環流的改變導致局地天氣/氣候異常,甚至影響更大尺度的背景事件比如ENSO的發展等等。在Yang 等人研究中IOBW對夏季印度洋至西太平洋大氣環流作用同樣會強迫出一組以印度洋中部為中心的 Gill response加熱反應伴隨東印度洋至西太平洋的低緯東風K波訊號,以及西印度洋MRG波訊號,表現上為沿熱源兩側顯著的熱帶東西風距平:

 

21.

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如上顯示,21a中色塊是海溫,21b中色塊是降雨距平而箭頭是風場距平,21b可以看到加熱導致印度洋東側至西太平洋更加顯著的K波東風訊號延伸。

 

故可得知,IOBW加熱產生之Gill-response產生出K波將會東傳至西太平洋熱帶使得原先因聖嬰年產生的熱帶東印度洋-西太平洋低層大氣東風距平經過冬春以後,於入夏時被維持並強化,維持整個夏天:

 

22.

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上為熱帶印度洋在今年春夏時的低層風場距平,可以看到前述因為IOBW效應加熱低層大氣,產生Gill-response之低層大氣環流以及東西風場距平,可以看到顯著的藍色箭頭東風K波訊號自中印度洋延伸至南海,並導致了下圖東熱帶印度洋東風距平入夏後進一步強化。

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這種加熱導致K波東傳,使冬季因為前一年發展之聖嬰機制產生的東風風場距平被強化維持、以及聖嬰事件之能量保存在熱帶印度洋並持續影響到來年春夏印度洋-西太平洋大氣環流的機制,Xie et al.(2009)研究中被稱為印度洋電容效應(Indian Ocean Capacitor Effect)”,亦即印度洋如同電容般,可以透過異常沃克環流引發IOD正事件以及輻射平衡機制等過程,將聖嬰年能量保存起來充電,再到隔年春夏引發Gill-response影響熱帶印度洋-西太平洋大氣環流的放電機制

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上圖23為6-8月熱帶印度洋對流層平均溫度與前一年秋冬聖嬰年Nino3.4區域海溫之相關性,可以看到有很好的滯後相關(紅色線條),顯示印度洋在聖嬰年後隔年入夏之大氣將明顯受充電效應而有加熱現象,同時綠色為6-8月風場距平,也可以看到顯著的熱帶低層風場距平。另外值得注意的是降水距平相關,可以看到此時夏季,在西太平洋低緯區有顯著的負相關訊號,亦即此時該處降雨顯著偏少,而這裡正是夏季西太平洋颱風的生成地。

 

透過東傳的K波訊號強化熱帶印度洋-西太平洋東風距平,將有助於聖嬰年以來此地的反氣旋訊號因低緯度東風加強而被強化,故副熱帶高壓受惠於此將提早發展且位置偏南延伸更西,在夏季時延伸至孟加拉灣並控制整個西北太平洋低緯區,故此時讓熱帶西太平洋為穩定下沉大氣,對流不易發展乾燥少雨,呈現被副熱帶高壓控制的狀態,來看看今年的狀況:

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上圖24為緯度-時間副熱帶高壓指數,可以看到隨時間演進,副高脊線在低緯(左)至高緯(右)西伸的狀況,黃紅紫線分別為500hPa副高等高線分布之氣候平均值,可以看到今年春夏以來,30N以南副高勢力即顯著發展大幅西伸進入中南半島以西區域。

 

25.

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圖26a-b.

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上圖分別為入夏以來的西太平洋至北印度洋700hPa風場距平及垂直運動距平,可看到在電容效應影響下大幅強化的熱帶東風距平使副高不但提早發展也確實在夏季向西延伸至孟加拉灣,同時西太平洋低緯區也被強下沉支控制的狀況,此外這個下沉訊號也有受到自cp-NinoIOD正事件及IOBW以來的反向沃克環流影響而強化,而下圖27則是Xie et al.(2009)研究中對於聖嬰事件及其如何引發電容效應及強化西太平洋副高等後續連串事件的時間序列概念模型:

 

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至此夏季7月無颱事件第一個凶手呼之欲出:

 

“IOBW產生之電容效應回饋至西太平洋強化副高使其偏西偏南,抑制對流

 

夏季西北太平洋除了夏季季風、低緯度季風槽以及副熱帶高壓作為氣候主導因子外,更加高層的大尺度環流系統的活躍分布情況也會影響到上述因子,進而影響到東亞夏季天氣型態。

 

在梅雨季肇始至出梅時,將會伴隨季風降水潛熱在中南半島至北印度洋上釋放的過程,強迫出局地的高層反氣旋,這個反氣旋會在梅雨季期間南北位移擺盪,但整體是慢慢北移到青藏高原上的過程,等到完全移到青藏高原上穩定活動,就象徵臺灣梅雨季結束,進入夏季的開始。由此可見,這個大型反氣旋是受到加熱影響的相當正壓系統,非絕熱加熱過程對其位置以及強度非常重要,也就是說,下墊面的輻射加熱、海溫、潛熱釋放等過程均會影響其活動分布型態。

 

這個大型反氣旋系統及著名的南亞高壓,南亞高壓如何影響到東亞夏季天氣型態呢?

 

相向而行,相背而去

 

南亞高壓昨為夏季亞洲對流層上部的主要環流系統,由於反氣旋輻散性質加上位於對流層上部,故對於夏季東亞大氣的影響主要是透過下沉增溫與輻散作用的調控產生影響,故南亞高壓活躍程度及分布位置平均變化會對該年東亞夏季天起產生顯著影響。過去的研究中,對於青藏高原上南亞高壓分布型態以及副熱帶高壓之影響,過過觀測得知,南亞高壓和副高之間為上下分布,故南亞高壓下沉區域東進,亦即南亞高壓呈現偏東發展時,下方副熱帶高壓脊將會顯著西進,反之南亞高壓下沉區域西退,亦即南亞高壓呈現偏西發展時,副高也將東退。因此針對副高與南高之間關係,提出了相向而行,相背而去的概念(陶與朱(1964)),如下概念圖28

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以及近年的年際統計平均佐證1964年研究(張與智(2010) ,圖29):

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亦即南高可以透過分布型態變化產生對副高脊調節的作用,也因此,過

去的研究中,將南亞高壓進行下列三型分類(羅四維等(1982) ,圖30a-c):

 

東部型(主中心在100E以東)

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西部型(主中心在100E以西)

30b.jpg

和帶狀型

30c.jpg

 

(附註:近年研究中進一步將帶狀型分為青藏高壓型與伊朗高壓型,由於與本文相關性較低,不再此詳述留待日後介紹)

 

來看看今年入夏以來南高與副高的相對位置關係(圖31-33 ):

31.png

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(同期南海至菲律賓東側中高層400hPa大氣出現顯著下沉距平,正好為南亞高壓外圍輻散下沉區域,當然這股下沉支也有自cp-NinoIOD正事件及IOBW以來一路強化的反向沃克環流訊號在裏頭,多重因素協同強化下沉增益副高)

33續.png

 

可以看到入夏以來南亞高壓呈現極端的東部型且大幅偏南發展,在中國長江中下游和印度半島形成異常高度場,比起氣候平均態大幅偏東偏南,同期副高也大幅西深入孟加拉灣,非常符合相向而行的概念,至此可知無颱事件的原因在於副高大幅偏強,而造成副高偏強的因素除了IOBW外,來自中高層大氣的強迫作用也是十分重要的,故無颱事件第二號凶手為:

 

  南亞高壓偏南偏東強化西太平洋強化副高使其偏西偏南,抑制對流

 

所以現在最重要的問題是:甚麼原因導致了南亞高壓大幅偏東偏南的極端狀態,這背後的原因如果一一梳理,將會成為繼副高強勢偏南壓制對流外的另一組無颱事件重要成因。

 

前述提及的各項背景因子中,南亞高壓與副高各有傾向於動力或熱力的成因在背後調節,對南亞高壓而言,影響其分佈及活動範圍主要是下墊面的非絕熱過程(輻射、潛熱等等),以及對流層中上層的波動活動狀況,這是由於南亞高壓本身為熱力高壓的性質所至,且並非深厚而僅是存在於中上層大氣的系統,所以西風波動的活動能量傳遞以及下方熱源的變化對南高而言就成為主宰其分布的主因。

 

對於副高而言,由於其乃深厚的動力高壓,故垂直環流的變異如哈德里胞或沃克環流等,以及其他外在下沉強迫作用如南亞高壓位置等等。

 

對上述兩個系統而言,前述列舉的只是直接影響,然而熱力與動力的關係常常是一體的,對於熱力的南亞高壓,動力項可以藉由海溫異常進而使垂直環流也異常而間接影響南亞高壓活動分布,動力的副熱帶高壓可以因熱力項的海溫加熱改變局地穩定度使其也產生活動及分布上的變化,因此對兩者而言,熱力跟動力的性質固然相反,可以直接被相對應的主宰成因控制其活動,然而對並非直接影響其成因的因子而言,也是可以透過間接的過程去影響兩者的活動分布,下面就來深入探討。

 

對南亞高壓而言最主要的影響項是高原加熱狀態、降水潛熱分布、海溫及中緯度波動過程,其他像是垂直環流異常也可影響其分佈。

 

先從高原加熱狀況以及降水潛熱效應加以檢視:

 

由於春夏之際南亞高壓一路從中南半島上發展至青藏高原上,最後入夏時高原上的非絕熱項是決定其是否能在高原上穩定發展的重要因子,比如降水潛熱以及可感熱,因此季風降水以及下墊面輻射加熱狀況就至關重要。

 

由於輻射加熱效率很大一部分取決於表面反照率的高低,反照率高短波輻射易被反射,表面不易吸收輻射能增溫,故冬春以來的積雪量就成了影響南亞高壓能否在入夏時於高原上穩定發展的重要因子,積雪量大和加熱率成反比,亦即雪量多加熱難,南亞高壓不易在高原上穩定發展,中心容易偏移;反之積雪量少加熱易,南亞高壓可以在高原上穩定發展,高度場面積偏大也不容易出現長期偏移高原發展狀況:

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上圖34是周等(2016) 研究中分析高原東春降雪少年(a),降雪多年(b)與夏季100 hPa高度場距平(單:gpm)合成分析,陰影區表示通過95%信心檢定。可以看到再多雪年南亞高壓16800線面積偏小且整體位置較偏離高原,少雪年則偏大整體位置也比較涵蓋高原,顯示積雪量對加熱影響是足以改變南亞高壓夏季的分布的,來看看今年冬春以來高原積雪距平分布:

 

35ab.

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35b.png

上圖分別為1月及5月之全球降雪距平,黑框是高原區大概位置,故可知高原區冬春以來積雪大幅偏多,大部分區域比氣候平均多出50-75%以上,可說是多到異乎尋常的積雪量。

 

圖35續.gif.png

 

 

故其實今年夏季以來南亞高壓是十分容易偏離高原發展的,上圖也可說明這點。

 

接下來也來看看海溫的作用,在前述提及了近年夏季印度洋為IOBW海溫模態,對於有大半面積都在印度洋內的南亞高壓有甚麼影響呢?

 

印度洋全區增溫或偶極態的強迫作用對於南亞高壓的影響,其實也類似副高一般,都是受到海溫驅動的垂直環流變化或是加熱強迫產生之赤道波動回饋作用影響;在Huang et al.(2011)研究中利用模式模擬IOBW發生時印度洋上方大氣對於加熱響應狀況,以及合成分析印度洋整體中性/增暖/偏冷等年份的印度洋大氣垂直均溫廓線距平以及南亞高壓高度場面積距平,結果如下圖3637

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36顯示了印度洋全區海溫偏冷/暖年份之對流層平均加熱狀態,冷暖年份呈現出海溫差異加熱對整層對流層大氣造成的顯著影響。文章中提及海溫增溫對於熱帶印度洋對流層加熱的影響會反應在南亞高壓的位置分布上,如圖37的冷//氣候平均等三種不同年代的南亞高壓高度場分布差異,暖年南高比起冷年南高位置更偏南面積也更大,研究中認為這是由於印度洋對流層整層加熱使得熱帶對流層高度場產生增厚、對流層頂更加抬升,有利脊位向該處擴展的因素所致,此乃可感熱直接作用在對流層厚度的結果。另外,文中也提及IOBW產生的熱帶西太平洋至東印度洋東風Kelvin Wave訊號除了會讓副高進一步西伸外,西伸副高也將熱帶印度洋提供的暖濕水氣分別往高原南側的印度半島北麓(高原南側)以及高原東側的中國中部輸送,其中位於高原南側的水氣堆積會再度產生顯著降雨潛熱釋放,又產生顯著加熱導致高原南側至印度半島高層大氣也產生顯著輻散,同樣有利南亞高壓中心南移:

 

38.

38.gif

 

39.

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上兩圖顯示入夏以來在印度半島及中國華中有顯著的對流運動伴隨潛熱釋放發生,孟加拉灣至菲律賓東側則是副高控制的晴朗下沉區。對應同期風場距平可以發現此時南亞高壓也在印度半島上及中國華中的加熱區上方有兩個顯著中心,印度半島上的中心呼應了前述研究中南亞高壓對於IOBW產生之Gill-response加熱KelvinWave訊號產生的次級降水潛熱釋放過程,配合IOBW的海溫可感熱強迫對流層增暖作用,整體導致今夏以來南亞高壓偏南。

 

除了前述提及的IOBW加熱會在緯向使得副高西伸,強化前述事件造成的異常沃克環流外,經向上熱帶低緯的加熱作用也會影響到較高緯度熱帶外的局地垂直環流行為,Guan et al.(2003)研究中分析1994年強IOD正事件中加熱作用對於局地垂直環流的影響如何改變南亞高壓行為:

40.png

上圖40為北印度洋至東亞副熱帶區的垂直運動剖面,可以看到在印度洋有上升區,至青藏高原及西非有下沉區,構成緯向的垂直環流異常距平。來看看這次的個案(下圖41為緯向距平、42為經向距平):

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42.gif

可以看到在IOBW加熱最大的中印度洋區至高原一帶,不論是經向或是緯向垂直運動距平,都顯示出垂直環流結構有自熱帶印度洋上升、在高原附近大氣下沉的狀態(由於700hPa以下為土壤,故下沉運動可參考層面在700上方),雖非IOD正事件所致,但大致上仍符合低緯加熱自高緯度下沉的海溫垂直環流驅動概念,故又可知南亞高壓偏南發展的成因之一乃:IOBW產生可感熱增溫效應對於熱帶印度洋對流層增厚影響+Gill response產生降水潛熱在高原西南側所致。

 

而由加熱驅動垂直環流空間分布概念來看,最大加熱區似乎是分布高原西南側的印度半島至阿拉伯海一帶,故依此概念,南亞高壓應該要偏西偏南發展,事實上由於IOBW加熱造成南亞高壓偏離高原加熱的概念,除了對流層暖化造成增厚效應使南亞高壓偏南發展外,又由於觀測及模擬結果呈現出IOBW次級降水過程造成的潛熱釋放效應主要集中在阿拉伯海至印度半島,故IOBW效應之下南亞高壓應該要相較於高原區偏南偏西發展,如下圖43所示:

 

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可以看到響應IOBW加熱之下在伊朗一帶有顯著高度場正距平,其次是在印度半島至阿拉伯海,不管是哪個,其實都是整體主要偏向高原西南至西側發展的,今年的狀況則是如圖44所示:

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雖有IOBW作用,但南亞高壓只有偏南,西側勢力幾乎完全消失,反而在中國華中一帶出現比印度半島上更顯著的中心同時中亞至青藏高原北側高層大氣完全被氣旋式距平環流控制,整體來說與IOBW事件的觀測及模擬大相逕庭,顯示在IOBW事件影響之下僅偏南效應與研究符合,消失的偏西效應似乎被氣旋是環流控制,而且高原以東的中國華中更有著最強的反氣旋距平,顯示除了IOBW作用使高壓偏南外,仍有其他因子主導入夏以來南亞高壓分布使之產生和研究截然不同的成果。

 

由於目前印度太平洋一帶最顯著的氣候背景訊號異常,仍以顯著的IOBW事件為主,接下來仍從IOBW的角度出發探討南亞高壓偏東成因,後面再來談談為何南亞高壓無法如研究般出現大幅偏西且中亞一帶氣旋式距平風場的成因。

海溫偏高連帶提供的潛熱量也多,對於鄰近區域降雨是有顯著正貢獻的:

 

45-47

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從上圖的對流活動(OLR)距平、6月降雨量距平及6月降雨百分比可知,東亞入夏以來主要的雨帶集中在印度半島、中國長江流域及中國東北,其中長江流域的降雨百分比更領先氣候平均值的90%以上。

 

事實上在IOBW年南亞高壓確實也容易南偏,在前述研究回顧及今夏觀測中再次得到印證,在上述兩事件發生同時,中國長江流域至日韓一帶的降雨也是顯著偏多的,如下圖48-50所示:

48.

48.png

 

49.

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圖50

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魏等(2012)透過標準化南亞高壓偏移指數並統計和海溫降雨之相關性(定義向北、多雨、高溫為正值,反之負值)後,發現南亞高壓的位移行為和海溫降雨的關係可以簡述成:

 

南亞高壓偏南年=華中長江多雨=華北華南少雨=印度洋暖=北太平洋低海溫

 

南亞高壓偏北年=華中長江少雨=華北華南多雨=印度洋冷=北太平洋高海溫

 

同時南亞高壓南移趨勢與印度洋一致增暖趨勢呈現隨時間變化良好的負相關,亦即隨時間推移,印度洋海溫增暖趨勢幅度越大、南亞高壓南移程度加劇。

 

上述研究也和今年夏季以來觀測到的現象一致。

 

事實上如何說明南亞高壓位移與中國夏季降雨型態的分布之間的因果關係,這很可能是互為因果、雞生蛋蛋生雞的問題:

51.png

如上圖51水氣通量圖中所示,正值表水氣通量輻散為乾區,負值為水氣通量輻合為濕區,今年夏季以來的水氣集中於中國長江流域、日韓以及印度半島,對應前述降雨區也十分一致。

 

因此綜合上述觀測及研究可以發現南亞高壓偏南年,降雨整體偏向高原南方及高原東方,也因此對應南亞高壓有偏南偏東趨勢,各有一個中心,但高原西側理應也有一個中心,此次個案中無西側中心,留待後述。

 

所以其實南亞高壓偏南時的環流特徵其實是以偏西、偏南及偏東三個位置出現高壓中心分量最為明顯,在本次事件中以偏南及偏東分量為主,也對應到降雨,所以南亞高壓偏南偏東年代是如何影響到降雨的呢?在前述研究中提到

南亞高壓偏南年代其實都是印度洋全區變暖的年份,一如前面所提到的高海溫可以提供更多水氣給鄰近區域降雨,在的研究中針對印度洋高海溫年代與中國降雨分布的關係做出統計:

52.png

上圖52為劉等(2012)針對中國夏季降水型態與印度洋海溫的相關性統計,黑色為正相關,灰色為負相關,即證實了在印度洋海溫一致偏暖年的夏季,中國長江中下游及東北一帶多雨,黃河流域及華南地區少雨,與本年個案一致。

 

而南亞高壓的緯向位移與中國夏季降水的關係也有文獻作出統計,在下圖53胡等(2010)針對南亞高壓中心位置分布與中國東部夏季降水型態進行相關性統計:

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定義偏東為正值,黑色為正相關,灰色為負相關,即證實了在南亞高壓偏東年的夏季,中國長江中下游及東北一帶多雨,黃河流域及華南地區少雨,與本年個案一致。

 

至此一個清楚的輪廓大致出現了,透過近期入夏以來長江連續暴雨的狀況,可以將南亞高壓-副熱帶高壓-印度洋全區增暖事件三者進行因果關係相互連結,最終指向西北太平洋7月無颱的成果:

 

由於印度洋受前冬聖嬰現象影響,先後發生正IOD以及電容效應充電過程產生春夏時的IOBWIOBW透過電容效應的放電過程,加熱產生Gill-response伴隨東側Kelvin Wave進一步東傳強化聖嬰年以來熱帶印度-西太平洋低層東風距平,使受惠聖嬰年反向沃克環流以及IOD事件造成之異常下沉支而增強的副高,持續入夏季進一步增強且偏西發展,副高脊外圍伸進印度洋,配合IOBW高海溫帶來更多水氣,在印度半島跟中國長江一帶為水氣匯:

 

在印度的部分形成二次潛熱加熱,配合印度洋海溫上升可感熱加熱增厚對流層大氣之效應,以及高原上異常多的積雪抑制高原加熱作用加上局地垂直次環流發展在高原上大氣下沉,使南亞高壓偏南發展,偏南發展的南亞高壓外圍下沉區也偏南,依據副高與南亞高壓的向背理論,使得副高除了偏西以外,又被南亞高壓下沉作用增強,進而鎖相在偏南位置。

 

而在中國長江流域由於此時適逢梅雨季加上又有較正常年偏多的水氣供應,使得長江於梅雨季時長期暴雨,大量潛熱釋放,回饋給高層的南亞高壓,使南亞高壓勢力在高原以東的中國大幅強化,並提供高空輻散給1.低層下方長江雨區,有利該處上升運動更多對流發展,釋放更多潛熱回饋給南亞高壓。及2.南方副高受惠南亞高壓下沉增強,其在中南半島至孟加拉灣勢力得以維持,又反過來持續供應IOBW暖濕水氣北上至中國長江流域……因此形成一個正回饋機制,如下圖54

 

 

54.png

現在有三個問題要持續探討:

 

1.東亞一帶除了中國長江以外,在此次事件中日韓也成為梅雨季重災區,入夏以後其實氣候上冷空氣已經減弱,但長江流域至日韓今年仍舊有十分頻繁的鋒生及旋生過程,釋放出維繫熱帶海氣象環流回饋循環必須的潛熱,然而就降雨型態上此類具有斜壓性天氣過程似乎不能單純以前述熱帶海氣相環流回饋機制加以解釋,這個事件如何引發?梅雨季是冷暖空氣的相峙過程,冷空氣活躍過程是不利於海洋性氣團如副高的北進,所以此事件中冷空氣的活躍程度如何?是局部還是全球性?對於降雨作用乃至於入夏的無颱事件有怎樣的影響?

 

2.根據前述研究,其實南亞高壓在IOBW年受印度洋可感熱及潛熱引發之Gill-response結果會導致在高原西方的阿拉伯海至伊朗另有一個反氣旋中心,且可能比南及東側要強,然而這次事件中消失的無影無蹤,只剩下中國華中上空跟印度半島上兩個中心,高原西北側至中亞一帶高層大氣過去一個多月被異常的氣旋式距平覆蓋,範圍比整個高原還有兩個南亞高壓中心都要大得多,氣旋式距平其實會顯著限制反氣旋在該處的擴張,並伴有高空下沉運動抑制高原區南亞高壓所需之上升運動,總體導致南亞高壓進一步被鎖相在中國華中,強化前述的南高副高回饋機制進而抑制西太平洋熱帶氣旋,因此除了印度洋-東亞-西太平洋因IOBW引起的海氣交互回饋作用外,是否有其他外部的大尺度因素介入導致這個氣旋式距平的發展,也是這次無颱事件中一個有必要究明的問題。

 

3.回顧過去幾年IODIOBW的發展狀況與副高活動以及颱風生成數的關係,發現在IOBW較顯著的201520162019年,其中20152019副高強度大致正常,僅2016年顯著偏強,三個年份颱風生成數也大致正常,甚至2015年更是全年每月一颱。而在IOD夏季正事件中近年主要的有2015201620172019201520162019已說明過,2017年副高是近年少見較正常偏弱的,當年的颱風生成數量同樣正常。而同時伴隨顯著IOD正事件及IOBW發展的201520162019夏季,南亞高壓發展僅有偏南分量並未顯著偏東IOBW過去兩年指數如下:

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因此前述的分析中在2020年本次事件中看到了一個明顯的印度-東亞-西太平洋海氣相環流耦合回饋過程,似乎不能純粹以IOBWIOD正事件加以解釋此種循環,似乎有額外因素造就了南亞高壓顯著偏東進而使副高穩定偏南偏西發展,並和副高一起長期分別鎖相在中國華東至孟加拉灣,導致低緯度西太平洋大氣長期趨於穩定,不易發展擾動。

 

從前述的海氣環流循環交互過程中其實我們已經釐清了這次事件中從印度洋到東亞及西太平洋因印度洋增暖產生連串後續回饋效應如何導致了7月無颱的成果。然而其實對於此番造成無颱事件的大尺度環流配置以及天氣過程仍有些不足的的地方,比如理論IOBW事件中的南亞高壓跟實際上本次個案有極大差異,此次個案造就了極端的無颱事件。此外,造就長江至日韓的鋒生旋生頻仍的原因為何?由於頻仍的鋒生旋生對於海氣環流回饋過程需要之潛熱釋放有極大的影響,而海氣環流回饋過程最終導致了7月無颱,而這個循環過程無法解釋其自身所需之天氣過程:鋒生旋生頻繁的現況;對於需要潛熱來維繫的海氣環流過程而言,從自身以外角度釐清鋒生旋生頻仍這件事,是7月無颱結果探索過程的一塊重要拼圖。

 

對於大尺度過程而言,局地的加熱效應會產生大範圍輻合輻散,這些訊號透過科氏效應形成大尺度的高低壓,有如Gill-responseKelvin wave以及MRG wave,這類的波列在赤道附近或海岸邊界傳遞。此外,大尺度加熱異常諸如海溫或降雨等等,其加熱訊號產生的風場、氣壓異常也可透過地球渦度效應以及高空噴流的作用傳遞到遠處,對遠處大氣產生影響,同時不同於Gill model,可以在經向上傳遞,因此有時一些成因不明的持續性天氣過程,就是這類事件所引發,這種由局地大氣激發影響到遠地下游天氣過程被稱為"遙相關",在Wallace et al.(1985)的文獻中首度被系統性的歸納探討,研究中歸納出了五種遙相關,而至今發現的遙相關數量早已不只五種。由於本次事件的背景有大尺度的海溫異常,故下面就跳脫前述的海氣循環過程,用遙相關的角度來釐清前述兩個問題的成因以及其在無颱事件中扮演的腳色。

 

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關於接下來介紹的遙相關影響基礎知識補充請參考上面連結,本文接下來不再贅述其機制。如果想確實釐清請下載上述連結(google雲端閱讀會有格式錯誤)細閱讀理解其機制,要是此機制不能理解接下來討論分析恐怕很難進行。

 

一樣,我們從印度洋開始看起。

 

前述回饋效應種在此次事件中的異常加熱驅動來源當屬當前印度洋IOBW事件,高層大氣會因為可感熱增溫產生增厚效應,此外低層的Gill response產生出的波動效應,是否也會反映在高層大氣呢?

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從上圖56可知沿赤道對稱的Gill model也可以反映在高層大氣,分別在東側的K波反氣旋訊號和西側的MRG波氣旋訊號之上層對應氣旋及反氣旋訊號。這次的事件呢?

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如上圖57入夏以來熱帶印度洋至西太平洋高低層風場距平所示,顯示為標準的赤道異常加熱之Gill response pattern,完整環流以圓形表示,較弱而不完整之環流以箭頭表示,A表反氣旋距平,B表氣旋距平。圖中發現環流較完整的區域集中在北半球側以及高層氣旋式距平,其中留意低層西南側的氣旋距平,是MRG波疊加跨赤道季風氣流的共同訊號在裏頭。

 

所以從上圖看來,加熱訊號產生最完整高低層環流異常距平出現在東北印度洋至西熱帶太平洋一帶,也就是前述提及的中低層K波東傳強化之副高距平,以及高層大氣下沉的南亞高壓疊加異常沃克環流下沉支訊號所反映的高空輻合氣旋式距平。

 

根據文件補充提到的異常加熱產生的高低層風場距平,尺度達數千公里者一般來說可受到行星渦度效應明顯且波數小波長很長,也就是行星尺度的Rossby波,一般僅以波數一,也就是高低壓/氣旋反氣旋各一對的形式往行星渦度源極大值,也就是高緯極區的經向方向上傳播,那這次熱源東北側的完整環流場,是不是也有類似的傳遞過程,先從高層開始看起:

 

 

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入夏以來西太平洋至東亞高層大氣風場距平如上圖58所示,Gill response反映在高層風場的加熱環流在低緯度至中緯度為氣旋-反氣旋對,大致上是一個波數一的行星波。而根據大圓路徑理論可知,熱帶加熱產生的水平大尺度風場距平形成超長波能量,會自動往行星渦度最大處傳遞,所以理應波動能量應該依照黑色箭頭方向往高緯度傳遞,觀測看來也是如此。故依照大圓路徑理論自低緯到高緯為氣旋、反氣旋、氣旋….依次交替往高緯度傳遞的波列能量,會在其所在處強化維持該處原有的和波列訊號同向的風場,或激發出新的一個風場來表現出能量在該處傳遞的過程,或者抵銷該處跟波列能量訊號反向的風場訊號。以此次事件為例,傳遞往中緯度過程中,在中國華東上空已有南亞高壓耦合下方副高帶來水氣產生之潛熱過程發展,故該處有南亞高壓反氣旋訊號,又受惠於此自熱帶往中高緯傳遞之波列能量,故實際上體現出來就是該區反氣旋被強化,吸收低緯北傳波列能勢力更加穩固。而波列能量持續傳遞在東北亞高層有氣旋距平發生,暗示該區入夏以來高層冷空氣活躍易形成槽區且易南下。

 

故至此可知IOBW產生加熱之Gill response在高層大氣北傳的波列能量訊號,會強化在前述海氣相回饋過程中高層既有的因副高水氣降雨潛熱維持的南亞高壓反氣旋風場,結果就是導致南亞高壓勢力更傾向偏離高原東側在中國華東上空穩定發展,故又是為一個由IOBW加熱訊號產生的南亞高壓偏東發展機制,有利之前提到的海氣相回饋過程,使副高偏南偏西發展勢力也更加鞏固,又有利壓制低緯擾動生成。

 

在西太平洋的部分,過去的研究中認為熱帶西太平洋中低對流層低緯度的反氣旋或氣旋長期發展,也是長波行星波,同樣可依循大圓路徑相北傳至日韓、東北亞,最終達到阿拉斯加,而形成這種遙相關之波列能量源同樣來自低緯度海溫的異常加熱/冷卻,改變對流及風場行為而成。最早研究西太平洋此類加熱異常產生北傳波列的研究當推Nitta(1987),研究中將這種遙相關機制稱為日本-太平洋遙相關(Japan-Pacific teleconnection, JP遙相關),概念如下圖59

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西北太平洋高(低)海溫年,夏季熱帶對流層會產生異常上升(下沉),伴隨低緯度氣旋(反氣旋)距平發展成長波能量訊號,在夏季向北傳遞影響到日韓及東北亞、北美地區,在高(低)海溫年代在熱帶西太平洋至日本將伴隨南低北高(南高北低)高度場距平,被定義為JP遙相關的正(負)相位型,正(負)相位型伴隨低緯度對流、擾動發展旺盛(抑制),副高偏北偏弱(偏南偏強);中緯度降雨偏少(多)氣溫較高(低),如下圖60(1990)

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除了西太平洋局地海溫改變對流行為與風場分布產生遙相關訊號。而在前述分析中知道IOBW亦可透過Gill response激發東側中低層大氣的東風Kelvin Wave距平,傳遞到熱帶西太平洋加強此時期低緯副高使之持續在低緯西伸。由於副高長期在低緯度發展,故可知低緯度對流及擾動發展都將受限,抑制颱風發展。而前述西太平洋局地海溫異常會強迫出這種風場距平伴隨波列能量源北傳,來自印度洋的海溫異常強迫出的風場結構也改變熱帶大尺度風場,對於西太平洋低緯度至中高緯度的中低對流層大氣是否也有類似的遙相關影響呢?

答案是肯定的,在Qu and Huang(2012b)研究中透過分析IOBW事件中東亞至西太平洋地區熱帶至中緯度高度場以及噴流狀況,證實的IOBW一樣可以透過Gill response過程東傳K波訊號,同樣能在西太平洋海溫無顯著異常的年份在低緯度產生反氣旋距平並抑制對流,形成行星波列能量傳到中高緯度,且呈現出PJ遙相關的負相位型,透過高度及風場距平呈現如下圖6162

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上圖61顯示出在印度洋一致增暖的年代(b)200hPa的緯向風(a)在東亞主要強風軸集中在長江至日韓一帶,對應此時期西太平洋中對流層高度場(c)呈現出自低緯度到高緯度為”+ - +的高度距平型態,對應為JP負相位型。

 

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上圖62顯示印度洋一致增暖(左列)冷卻(右列)的東北亞夏季副熱帶噴流分布,可以看到暖年的噴流軸位至顯著較冷年噴流軸位置偏南。在研究中認為,印度洋暖年的Gill response作用產生K波東傳強化副高使之在低緯發展西伸的過程造就了JP遙相關型負相位,產生東亞大氣夏季南高北低的大氣高度場距平,進而導致中緯度地區高層大氣經向高度梯度增大,強化該處副熱帶噴流並使之離開夏季平均氣候位置35N而南壓至30N附近。

 

副熱帶噴流南壓意味著二件事:

 

1.背景場南高北低的狀況更甚以往平年,南高北低的距平被JP遙相關強化南移,整體來說南北高度梯度或氣壓梯度就更增加了,對於底層大氣而言一但有南風風場夾帶水氣出現,就因此能深入熱帶外更高的緯度,有利熱帶外中緯度地區降水,尤其是梅雨季節。

 

2.噴流南移意味著中緯度區域高度場下降程度加大範圍也變廣,高度場負距平也就是槽區,發展得比往年更深更南,有利於更高緯度冷空氣南下強化南方大氣的斜壓過程,使得鋒生旋生頻仍,若發生在梅雨季區域將使得該區更容易降水。

 

上述事件反應在中國此時期梅雨季的降雨情形,也有研究做出總結。在況與張(2006)的研究中總結了東亞夏季副熱帶噴流的南北位移情形與此時中國夏季降雨的關係,如下圖63

63.png

 

整體而言,在噴流異常偏北(南)的年分,中國夏季降雨分布上,由南往北呈現”+ - +””- + -”)分布,對應此時南亞高壓勢力分布較偏北偏西(偏南偏東),副熱帶高壓勢力分布偏東偏北(偏西偏南)。這部分在降水和高度場分布和本文前述分析十分一致。此外,在噴流南北位移與降水關係上的解釋則認為,噴流南移年代在長江中下游高層大氣常常因噴流南壓強化該處的高層西風距平以及水平風切造成高層輻散加強(這其實是雞生蛋蛋生雞的過程),進而有利長江中下游流域之上升運動及降水過程。

 

現在就來看看此次事件中,IOBW是否也引發了西太平洋中低對流層大氣由南往北呈現JP負事件的遙相關訊號、噴流南移以及北風活躍等過程,以及降水狀況:

 

64.

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65.

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66.

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67.

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68.

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69.

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圖70.

70.gif

上圖64-70圖組顯示在此次IOBW事件中,東亞-西太平洋大氣環流異常狀況,包含波通量、高度場、風場、上升運動以及水氣通量。

 

JP遙相關主要反映在中低對流層,850hPa波通量顯示6-7月逐漸在西北太平洋至日韓形成JP遙相關的負相位型,7月高度場顯示出由南至北”+ - +”的波列結構伴隨向北波通量傳遞,反映在500hPa高度場及700hPa風場距平上,也呈現出"高-低-高"、"反氣旋-氣旋-反氣旋"的JP負遙相關型態。(圖64-66

 

故日韓一帶至中國東北可預見高度場在夏季目前將呈現偏低的狀況,亦即該處將有顯著深槽伴隨冷空氣活動,從圖67的經向風距平可以看出,今年入夏以來東北亞對流層有顯著的北風距平,故提供較強斜壓性,提供長江流域至日韓一帶鋒生旋生頻繁的背景大氣條件。

 

故可以預見的槽線也將偏深,如圖68所示,偏深槽南移將強化副熱帶的高度/氣壓梯度。故噴流條也將較氣候值有所南移,而噴流南移亦將高空反旋式風切南移,加強南移地區高空輻散及正下方大氣上升運動、中高緯度中低層大氣北風活躍等等狀況。在圖69100hPa緯向風距平可以看出在高層大氣的副熱帶緯向風場極值從氣候值的40N南移到30N附近,約莫是長江中下游至日韓一帶,伴隨其南側的高層反旋式風切南移到長江流域以及日本南部,該處以灰黑色塊表示,對應圖69下方的500hPa垂直運動也有顯著的上升運動距平,高空反旋式風切與中層大氣上升運動疊合的非常好,正好位於長江流域至日本南部,也對應了前述的中國入夏強降雨區-長江流域,在圖70入夏以來顯著的水氣匯出現在長江流域至日韓一帶。

 

同時留意到在前述的高層波列傳遞過程

 

故至此可知IOBW產生加熱之Gill response在低層大氣東傳的K波訊號,會強化副高在夏季低緯度持續偏南西伸並形成顯著反氣旋距平,激發出負相位JP遙相關波列能量至東北亞,讓日韓一帶高度場顯著偏低,冷空氣活躍南壓有利於此時長江流域鋒生旋生,而南壓低壓槽也讓高度梯度值最大處南壓,對應的就是副熱帶噴流以及其南側的高層反旋式風切南壓,位置正好達長江流域,於是在高層反氣旋距平南移以及斜壓能量提供的情況下,配合IOBW年的印度洋暖濕水氣及低緯西伸印度洋副高輸送這些水氣北上,長江流域因而發大雨,產生巨量的降雨潛熱反饋給高層大氣的南亞高壓,促進其繼續鎖相在高原東方發展,穩定在高原東方發展的南亞高壓就持續穩定提供了熱帶地區的高層下沉運動,又強化副高在低緯度西伸發展的趨勢,副高又1.攜帶印度洋暖濕水氣北上至長江流域梅雨季降雨又再度釋放潛熱,水氣降雨潛熱又持續維持南亞高壓反氣旋風場持續偏東…..2.強化IOBW引發的負相位PJ波列繼續把波列能量北傳維持前述機制…..。結果又是為一個由IOBW加熱訊號產生的南亞高壓偏東發展機制,有利之前提到的海氣相回饋過程,使副高偏南偏西發展勢力也更加鞏固,又有利壓制低緯擾動生成。

 

印太遙相關圖說.png

從前述的分析中,不論是透過海洋強迫大氣引發的一連串正回饋機制;或是海溫引發的不同氣壓層間的波列訊號,最終都導致南高副高被長期在入夏以來鎖向發展,引發西北太平洋大氣長期穩定狀態。

 

那麼,前述的分析看來對於此次事件,解釋的足夠充分了嗎?

 

觀察一下入夏以來各個層場的風場距平,有無與理論研究不一致或是其他特殊的訊號存在:

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上圖71顯示,印度太平洋至東亞地區此時最強的海溫異常因子IOBW主控下,低層風場呈現顯著的Gill response型態伴隨赤道東側K波發展,強化西太平洋底層副高並西伸進入孟加拉灣。

 

中層大氣如前述圖66,從西太平洋低緯到東北亞有負相位JP遙相關波列能量北傳激發或強化了該上述區域風場及高度場,呈現反氣旋 氣旋 反氣旋

“+ - +”的形式。

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上圖72是入夏以來歐亞大陸低至高緯度的100hPa風場距平,在東亞大陸一側一個多月以來有顯著的經向波列分布,是前述的IOBW加熱的高層大氣直接結果。此外,在歐洲、北非至中亞的中緯度地區,過去一個多月以來被反氣旋及氣旋距平所控制,對比一下IOBW年高層大氣高度場的實驗結果:

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可以看到在伊朗至西亞一帶,IOBW年份響應印度洋全區高海溫的結果應該在該處有個南亞高壓中心,該中心即南亞高壓的第二模態伊朗高壓,此伊朗高壓在IOBW年為何加強在前述已經有說明故不再贅述。然而對比今年夏季以來的 100hPa高度場,卻發現中亞至青藏高原西部長期被氣旋距平控制,這股氣旋式風場距平長期控制該處高層大氣,以至於南亞高壓又因此無法在高原上有效發展,故該氣旋式距平可說是強化了前述分析中不管是海氣相回饋循環或是波通量作用等因素所共同導致的南亞高壓偏東發展過程,故今年南亞高壓偏東的狀況不能完全用IOBW年的印度-太平洋海氣相環流偶合回饋或印度太平洋區局地遙相關加以完全解釋,必須考慮額外來自其他區域的能量影響

 

先來看到今年入夏以來的歐亞大陸的波通量距平來初步釐清這個氣旋式風場的能量來源,如下圖73

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過去一個月,自六月底以來,從加熱作用產生的OLR距平來看,該氣旋式距平下方僅有零星的加熱產生對流,該區本地處乾燥內陸,無顯著對流實屬正常,因此局地加熱效應似乎無法解釋該氣旋式距平何以長期存在於中亞高層大氣。

 

從波通量方向來看,自上游西非-地中海東部有一反氣旋距平伴隨顯著的通量東傳,至此,可以初步做出結論了:此氣旋式距平風場成因乃是由於更上游歐洲、北非甚至是更遙遠的北大西洋之區域可能有異常加熱(海溫、可感熱或潛熱等)產生之能量源,依循副熱帶噴流(請參考前述補充文件)波導效應傳遞到下游亞洲副熱帶大氣而成。

 

在探討這支波列能量源以前,先來認識一下這支波列。

 

Wallace(1981)年統計北半球500hPa上主要的5種遙相關形勢後的30年來,陸陸續續有更多不同的遙相關形式被發現命名。其中在歐亞大陸中緯度地區的波列能量訊號,在Lu et al. (2002)的文獻中首度被提出探討,研究中發現在夏季歐亞大陸中緯度副熱帶噴流區域偶而會有一股自歐洲一帶出發沿噴流區傳遞至東亞一帶中緯度地區的波列結構訊號,如下圖74

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74B.png

上圖74A為北半球7月副熱帶噴流氣候值,74B是同時期副熱帶緯向分布的經向速度距平(深色為南風距平,虛線是北風距平)。

 

其後,在T.Enomoto(榎本 武揚)et al.(2003)的研究中針對小笠原高壓(Ogasawara High,夏季日本南部一帶近海的局地反氣旋系統,常常被併入在副高系統中一起探討,也稱波寧高壓(Bonin High))的成因及其深厚正壓結構進行探討時,認為小笠原高壓的活動及正壓結構成因,似乎與這股來自萬里以外的波列訊號有關,而由於此支波列位置近似古代中國與歐洲之間的貿易路線"絲綢之路",故文獻中首度將此支波列命名為"絲綢之路遙相關形式(the Silk Road pattern,SRP,下同)

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上圖75摘自Xie et al.2016),為SRP波列結構兩種不同模態概念模式。色塊表夏季200hPa高度距平,黑線為夏季副熱帶噴流平均態。上圖75摘自Xie et al.2016),為SRP波列結構兩種不同模態概念模式。色塊表夏季200hPa高度距平,黑線為夏季副熱帶噴流平均態。

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上圖76,同圖74。上半部為北半球8月副熱帶噴流氣候值,下半部是同時期副熱帶緯向分布的經向速度距平(實線為南風距平,虛線是北風距平)。

 

關於SRP對夏季亞洲對流層的影響近年來也漸漸被探討,在對於南亞高壓以及小笠原高壓的影響上,在胡(2017)研究中發現,南亞高壓東西部型的震盪過程與SRP向青藏高原/伊朗高原一帶輸送波列能量有關:

 

在南亞高壓西部型也就是伊朗高壓為主的模態中,SRP傾向對伊朗高原輸送反氣旋也就是負的Rossby波訊號,此狀態下南亞高壓易成西部型,高原以東高層大氣易成氣旋式距平,至日本以南海面高層大氣有反氣旋訊號,小笠原高壓此時偏強,易成為西太平洋夏季副高中心,故此時副高位置易偏北,也因為南亞高壓偏西部,相背而去,故副高此時也不易西進。

 

相反的,在南亞高壓東部型即以青藏高壓為主的模態中,SRP傾向對伊朗高原輸送氣旋也就是正的Rossby波訊號,此狀態下南亞高壓易成東部型,高原以東高層大氣成反氣旋式距平,至日本以南海面高層大氣有氣旋訊號,小笠原高壓此時偏弱也較偏東,同時日本一帶上空氣旋式風場也妨礙副高在東北亞的發展,故此時副高位置易偏南,也因為南亞高壓偏東部,相向而行,故副高此時也容易西進。

 

(對照今年超級偏東南亞高壓的個案,南亞高壓、小笠原高壓及副高的分布可以說與胡(2017)的研究十分一致)

77.

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上為入夏以來歐亞大陸副熱帶噴流分布

 

78.

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上為本次事件之200hPa波通量距平及對應之大尺度環流特徵。

 

那麼其實本次事件導致西北太平洋無颱的成因又可在多記上一筆:SRP波列訊號傳遞促使南亞高壓大幅偏東發展,前述不管是遙相關或是海氣環流偶合循環過程都又被強化,導致西北太平洋此時期大氣穩定不易生擾動。

 

從結果論來看,故事到這裡就結束了,我們找到了除了IOBW以外,導致南亞高壓長期大幅偏東、幾成"中國高壓"的遠地能量訊號源,從一個月的波通量圖上看也沒有其他遺漏掉的大尺度能量過程觸發異常環流導致此時的無颱事件,但,真的有這麼簡單嗎?

 

不要忘了,SRP是會對南亞高壓分布產生西部型態的,並非只有東部型一種型式,顯然SRP訊號是有分成對伊朗高原傳遞正/Rossby波能訊號的差別。這次事件顯然背後有某種形式的能量源產生了這次事件中的SRP訊號促使南亞高壓發展成東部型,否則要是出現使南亞高壓成為西部型的狀態,此次無颱事件中前述的海氣相耦合回饋機制或局地遙相關機制能否如此順利運作來抑制西太平洋熱帶對流使之委靡不振、長江是否能發如此大水?恐怕都要打上個大大的問號。

 

接下來的分析中就要來尋找導致SRP的傳遞不同相位波列訊號的成因,方能為此次無颱事件拚上最後一塊拼圖。

 

SRP遙相關結構發表以後,學者對其有興趣的範疇除了對於歐亞大陸大尺度天氣過程的影響外,對其成因的能量來源也是遙相關研究中近年來十分熱門的領域。

 

在探討歐亞大陸副熱帶噴流傳遞波列能量的研究中,Yasui and Watanabe2010)利用乾大氣環流模式模擬加熱造成異常的研究中發現,從SRP上游一帶有幾處區域是敏感區,該區的異常加熱可以提供SRP訊號所需要的Rossby波列能量源,如下圖79:

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上圖79ac顯示加熱/冷卻率、與加熱區相關的合成200hPa經向風距平以及最下方的經向風距平訊號與各相關加熱區的相關程度。先看點連成之曲線,該曲線表示加熱區與SRP結構之相關程度。最強相關性出現在K也就是副熱帶北非至東地中海的加熱區,次要區域為熱帶北非的異常冷卻、熱帶北印度洋與西印度洋異常加熱及北美、熱帶西大西洋的異常加熱等六個相關係數超過0.5的區域。

 

上述加熱區域主要集中在熱帶至副熱帶區,在遠離熱帶的SRP上游區域也有其他的機制可以產生SRP結構;Watanabe2004)研究北大西洋震盪(NAO,北大西洋副熱帶高壓與寒帶地區的冰島低壓的氣壓高低差異震盪,正相位兩者差異大,海溫也由南往北遞減率大,負相位兩者差異小,海溫由南往北遞減律小甚至反向)產生局地大氣環流異常對下游歐亞大陸的影響,研究中發現在NAO顯著的年份會自斯堪地那維亞一帶形成一個異常Rossby波源中心向東南頻散,波能量會進入地中海東部大氣順著副熱帶噴流往下游亞洲傳遞形成SRP結構,如下圖80

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80上半部是模擬300hPaNAO正相位時期由大氣環流異常激發出的波列結構,以經向風距平表示,實線南風虛線北風,上排四圖是有伴隨地中海東部輻合訊號,下排四圖是沒有地中海東部輻合訊號,可以看出NAO激發出波列結構沒有經過地中海東部區似乎就很難持續傳遞到下游。因此在下方圖81呈現出了在NAO正相位時北大西樣至歐洲大氣高低層的耦合相,可以看到此時必須要有在地中海東側高層輻合,NAO正相位結構方能藉SRP訊號傳遞到下游亞洲。

 

而由於SRP結構會影響到下游大氣狀況比如溫度降水等過程,因此過去研究中也針對不同相位NAO如何影響到SRP結構進而對遠地大氣之氣候條件產生影響進行探討。在楊與張(2008)研究中針對NAO激發之沿副熱帶噴流傳遞波列如何影響到新疆夏季降水進行探討,研究中發現,NAO/負相位會導致不同特徵的SRP波列型態影響新疆夏季降水,如下圖82所示:

 

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上圖82ab修改自其研究中的圖9,透過描繪經向風距平伴隨之向量風場型式,得知NAO不同相位之下對應的遙相關形式:NAO+傾向引發往東北亞高緯度傳遞之SPR結構,且往下游傳遞時強度遞減,NAO-則有將波列結構往東亞副熱帶低緯區傳的傾向,且大致保持源地強度傳遞,也分別近似於前述Xie et al.2016)提及的兩種模態。

 

而為了進一步探討NAO如何產生出SRP波列結構,在Wu et al.2009)文獻中針對產生夏季NAO訊號之大氣與海洋背景訊號之異常結構以及歐亞大陸上對流層高度場距平與此時之NAO相關性訊號做出分析,結果呈現出夏季NAO訊號是一項產生出SRP結構的重要背景因素,而夏季NAO發展過程,與事件發生前春夏之交的北大西洋海溫結構異常有關。過去研究認為在冬春北大西洋海溫與大氣異常的相互影響過程,常常是由海溫異常強迫到大氣,大氣風場、氣壓場變化又反過來維繫此時的海洋熱力結構,這是冬季至春季NAO的生成及海洋反應過程。(Deser and Timlin (1997)Pan2005)),其中在Deser and Timlin (1997)研究中提出了北大西洋伴隨NAO結構的海溫異常經向模式,即所謂的北大西洋三極模態(North Atlantic tripoleNAT模態)或稱北大西洋經向模態(Atlantic Meridional ModeAMM,其第一模態乃是以副熱帶大西洋為正海溫距平中心,分別向高緯及低緯遞減的負海溫距平,即"- + -"的海溫結構,如下圖83

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第二模態則反之,是從赤道向即區有著"+ - +"的海溫異常結構,這兩種模態分別對應NAO正與負相位大氣訊號。

 

回過來看到Wu et al.2009)研究中對與北大西洋海氣異常訊號如何引發SRP波列影響到東亞,研究中首先對於春夏季北大西洋海氣背景訊號與東亞夏季季風關聯性及NAO關聯性進行分析,根據Wang and Fan1999)對於東亞夏季風指標定義,東亞夏季風偏強,代表副熱帶高壓異常偏南且西伸,長江日本一帶梅雨降雨旺盛,此時之經向降水模式呈現著名的”+ - + 三極結構,反之偏弱則為”- + - 三極結構Hsu and Lin2007)),分析顯示在春夏之交的NAO訊號(研究中採用北大西洋海面氣壓)與東亞夏季季風存在良好的負相關性,即氣壓距平值南低北高(NAO-),東亞夏季風偏強,反之氣壓距平南高北低(NAO+),東亞夏季風偏弱。如下圖8485

84.

84.png

東亞夏季風偏強年經向降水距平結構

85.

85.png

 

此外,春夏季北大西洋海氣背景訊號之因果關聯性作探討,研究發現在夏季NAO事件發生前一季,海洋訊號即呈現出超前領先的負相關性三極表現,這很可能是冬春NAO海氣反饋事件發生的海洋結果,而入夏伴隨NAO事件發生後,海面溫度的變化似乎與大氣關聯性減弱,這顯示了夏季海溫假如出現異常三極結構,很可能源自於前一季NAO事件的海洋回饋記憶,而一旦夏季海洋維持或出現三極結構,對於大氣中引發NAO的異常訊號將產生維持的作用,春夏北大西洋海氣訊號超前-滯後相關分析如下圖86

 

86.

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進一步分析北大西洋夏季海氣異常訊號如何影響到東亞季風異常,研究中進一步將歐亞夏季高度場距平與大氣洋熱源相關性作分析,如下圖87所示與大西洋熱源最相關之高度場距平與噴流位置:

 

87.png

研究中進一步將強三極NAT與弱三極NAT訊號相減後與最相關對應之歐亞大陸夏季200hPa150hPa異常高度場分析如下圖88

 

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可以看出在顯著NAO+年分夏季歐亞大陸中高緯度高度場呈現顯著的波列結構,且強度往高層遞增,訊號集中在中緯度以北,顯示夏季NAO訊號確實能透過激發SRP遙相關影響到夏季東亞中緯度大氣,上圖78中模擬出來的NAO+訊號也確實和前述研究中的NAO+訊號類似,都有往東北亞傳遞特性。研究中未示NAT第二模態也就是對應NAO-時期的異常波列,但透過本研究分析顯示NAO訊號激發波列結構下傳東亞對於此時南亞高壓的東西震盪結構確實能產生顯著的控制作用。

 

至此大致上理解了NAO訊號如何引發SRP波列訊號影響到東亞夏季大氣,同時依NAO相位不同而各自有各自訊號對應的波列結構。而前述研究也看出伴隨不同NAO相位訊號有相應的海溫三極結構,這已經符合前述Yasui and Watanabe2010)研究中發現在北大西洋以及北美一帶異常加熱產生SRP結構之其中加熱源地描述,因為NAT反應出來的異常加熱除了在大西洋大氣外也會反應在北美一帶引發該地垂直環流異常進而造成加熱異常,而北美加熱異常也可能是與ENSO相關的發展結果,但無論如何即使源自於北美,也必須透過改變北大西洋局地環流結構甚至海溫進而反應在歐亞大陸產生SRP結構,故北美加熱效應對SRP在此影響在此不述。

 

Yasui and Watanabe2010)研究中提到的各種SRP能量源分布區域,除了西半球北大西洋、北美一帶,前述提及的相關性分析中可以發現,在印度洋西北側至地中海東部也是一個可能的熱源,其中位於地中海東岸的西亞一帶加熱異常是所有加熱原中與SRP相關程度最高的區域,相關係數幾乎達到1的超強相關性,但令人好奇的是,地中海東岸並非顯著的海溫震盪加熱訊號區,其乃乾燥陸地,究竟是如何影響歐亞大陸副熱帶大氣產生出SRP結構的呢。

 

Chen and Huang2013)研究中利用Rossby Wave頻散過程的機制出發,解釋合以夏季乾燥的地中海東岸能成為主導SRP波列訊號的主要能量源,研究中發現在夏季西北印度洋異常偏暖年份,會因為此訊號產生IOD+或是伴隨IOBW事件,並產生入夏以後顯著東風。在探討西北印度洋偏暖如何影響到SRP結構發展。先來理解熱帶印度洋夏季低層東風距平作用,在Zhou et al.2013)研究中對於熱帶印度洋MJO的上下游效應描述中提及顯著的東風距平可以是前一個MJO活動經過海洋大陸進入西太平洋後的MRG波往熱帶西印度洋傳地造成東風距平,此距平會傾向往熱帶西印度洋邊界層大氣吹送堆積暖濕水氣,成為下一個MJO事件醞釀過程中的下游效應所需的熱力因子,水氣堆積過程如下圖89所示:

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可以看到在MJO訊號新生成前2-3週,西熱帶印度洋低層大氣水氣量、上升運動及OLR都因此東風距平產生增加。所以可知熱帶印度洋不論是MJO活動或是其他因素,只要能激發出東風距平,都有機會堆積暖濕水氣讓西熱帶印度洋邊界層變得暖濕不穩定。回到前述所提及的Chen and Huang2013)研究,在西北熱帶印度洋偏暖的夏季,邊界層東風容易激發出該處顯著對流,對流在高層輻散,形成巨大的負渦度源,往西熱帶太平洋、北非西亞及南印度洋輻散的高層風,就形成一股源自西北熱帶印度洋的負渦度平流,其中往西北輻散的負渦度平流就導致了地中海東側高層大氣高度場異常增加,反應地轉平衡下負渦度增加的趨勢,結論就導致了北非至地中海東部高層大氣顯著負渦度源,再順著副熱帶噴流形成往東亞大氣傳遞的SPR結構Rossby波源伴隨輻散風傳遞波能量概念圖如下90圖所示(改自Chan and Huang2013)):

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色塊為相關性,在西北印度洋及東地中海200hPa高度場異常狀況(線條)分別為正高度異常(下方對流加熱輻散)及負高度場異常,故可知源自於西北印度洋高海溫加熱產生的高度場異常為負Rossby波源,會被頻散到地中海東部高層大氣成為該區SRP波列結構的波源,黑色線段為高層速度位,在西北印度洋高層為輻散形勢。

 

Chen and Huang2013)研究中改變了噴流波導效應中,波列能量源的傳統概念,過去認為加熱能量要形成波列傳遞必須要有在噴流附近大氣的底層加熱,多數的情況是:有加熱,但附近無噴流,或是有噴流但附近無加熱。透過本研究的Rossby波能量頻散概念,理解了加熱和噴流不一定必須重合也能激發波列形成遙相關影響遠地大氣。

 

因此現在了解NAO與北印度洋海溫是影響SRP結構的主因,現在來看看今年夏季歐亞大氣的狀況,由於前述的分析已經介紹過今年為IOBW年,印度洋確定是大熱源,因此來看看西半球的影響。

 

下圖91-95為今年春至夏季北大西洋NAO、海溫及高度場狀況:

 

91.

91.png

 

92.

92.png

93.

93.png

 

上圖91-93分別為NAO指數與NAT指數的變化,可以看到NAO指數在過去三個月的變化,主要的轉折是在6月中下旬以後全面轉負相位,6月中以前的狀況是偏向中性至正相位為主,時間月早期往冬春正相位幅度越大次數越多。而 NAT自去年以來長期大幅正相位,然而在4月時已經轉成適合NAO負相位發展的狀態了,但整個NAO直到6月中下旬才轉成負相位,這裡有兩個問題:1. 前述研究中提及春季北大西洋海溫會有超前NAO的反應,但其實研究中這個概念是建立在NAO在冬季已有強迫海洋的狀況,然而這次事件可以看到冬季至入春NAT都是適合NAO+發展的模態,直到春季以後才轉成負相位,然而此時NAO還是維持顯著正相位,由此看來NAO負事件自冬季以來強迫NAT海溫訊號變成適合NAO-的狀況似乎不能成立。進一步來看,NAO+達到極大值是發生在今年2月,然而1月份NAT已經顯著減弱即將轉成第二模態,此次事件中NAO訊號與NAT訊號不論是同期還是滯後均不一致,兩者甚至可說是自今年以來反向發展的。2. 4-6月有一大段時間 NAO長期在中性偏正相位發展,整體為震幅很小的震盪狀態,直到6月中下旬突然顯著轉負並維持整個7月,雖說符合了NAT超前反應的概念模式,但卻無法理解此時期導致NAO快速由中性偏正快速轉成顯著負相位的維持狀況,海溫若是超前且影響大氣轉變應該是緩慢的,顯示自冬春以來NAONAT的反向發展,到6月中下旬全面轉負相位,這個過程其實有待釐清。了解導致這狀況的成因方能知道NAO如何發展出顯著負相位,並進一步探討後續對下游效應的影響。

 

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上圖9495為入夏以來北大西洋高度場以及海溫距平,整體顯示出NAO-的結構:自熱帶到極圈海溫距平為+ - +,對應500hPa經向高度距平亦為+ - +的狀態。

 

那麼這次發生在6月中下旬的NAO-事件,有無對下游歐亞高層大氣產生遙相關波列結構呢?

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透過上列圖96可以看到,最上列圖為NAO-事件發生後一週,中緯度大西洋至極圈-+環流距平伴隨兩支波通量,一支傳遞到斯堪地那維亞一帶、另一支往南歐地中海一帶傳遞,這部分概念模式類似於Ambrizzi et al.1995)的環球噴流波導概念模式在北大西洋至北歐的表現(紅圈),也類似於前述楊與張(2008)文獻中另一部分對於NAO不同相位訊號之大尺度波通量的傳遞型態討論中,關於NAO-的部分十分一致(紅箭頭),如下圖9798

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97修改自Ambrizzi et al.1995

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98修改自楊與張(2008

 

因此和前述Watanabe2004)研究類似,NAO訊號需傳遞經過地中海東側方能接觸到副熱帶噴流,並進一步透過副熱帶噴流往下游波導,產生SRP波列遙相關結構影響到遠處大氣,如上圖87中半部至下方七月大氣波列平均態。可以看到此時有一股波列訊號自歐洲-地中海-中亞-東亞一帶傳遞,方向大致上為西北西-東南東,透過與此時期副熱帶噴流條訊號相互疊加更可以清楚呈現這股波列訊號如何藉由副熱帶噴流影響東亞大氣,如下圖99

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而進一步和楊與張(2008)的NAO-事件(圖82b)伴隨SRP結構模式來看,本次事件也非常符合NAO-訊號產生的波列結構,自上游地中海一帶出發,呈現反氣旋-氣旋-反氣旋的風場結構特性,如下圖100

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100續.png

而其實從更長時間的6月中下旬至7月中這段時間的大氣波列結構,更可以看到自NAO-發生之後,此時期自歐洲地中海向東亞都有一條的波列結構風場風場距平,至此,我們發現了此次事件中的SRP訊號是由NAO-事件引發,自6月中下旬到7月中影響到東亞,且如前述研究所述對中亞也就是伊朗高原至青藏高原西北一帶大氣輸送氣旋Rossby波訊號,進而導致南亞高壓本應在IOBW年響應印度洋高海溫出現的伊朗高壓中心被抑制住,且中心大幅被壓制往東,出現顯著南亞高壓東部型,如下圖101

 

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故致使南亞高壓大幅偏東出現異常東部型、進而強化前述因IOBW導致的海氣環流耦合回饋事件、使長江大水、7月無颱的兇手又出現一個:NAO-事件導致SRP遙相關訊號影響到夏季東亞副熱帶大氣所致。

 

前述分析中提到了一件事,就是這次的NAO-事件發展特性有些不同於以往研究結果之處:1.海溫訊號雖然領先 NAO-大氣訊號,符合研究,但似乎不是由冬季的NAO-事件之大氣訊號強迫海洋發展而來,冬季NAO直到冬末都是+事件,兩者反向發展。2. 海溫雖有超前訊號,但演變成成NAO-事件似乎在6月中下旬快速完成達到顯著成熟態,與此前兩個月長期保持在中性偏正相位緩慢變化趨勢有很大不同,似乎在六月中下旬北大西洋大氣接收了來自海溫以外的大尺度能量,導致大氣訊號短期內出現顯著的NAO-事件

 

由於熱帶到中高緯度的大西洋區海溫有超前NAO-事件的NAT訊號,但NAO直到6月中下旬才迅速轉負並維持,大西洋局地的海氣過程前面已經分析過,看來似乎跟大西洋局地海氣過程無關,必須透過大尺度波通量過程向上游尋找激發此次NAO-事件的外部能量來源,將波通量圖以一週為單位往前一個月,也就是涵蓋NAO由正轉負這段時間,即5月底至6月底,來找出導致NAO迅速變化的外部能量源,如下圖102-106

102.

102.png

103.

103.png

104.

104.png

105.

105.png

106.

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102-106顯示NAO發生前一個月的全球波通量距平,讓我們把焦點放在北半球,尤其是大西洋至太平洋一帶,在事件前一個月的圖102,大西洋一帶的波列分布情況尚未呈現出NAO-訊號特徵,也無顯著波列活動,而在上游的東太平洋區,有一股波列自熱帶東太平洋向東北方傳遞。此股波列歷經約兩週時間跨越北美洲,在6月中旬進入西大西洋中緯度地區,此時熱帶東太平洋已不再像北美一帶傳遞波列,主要波列結構活躍於副熱帶東太平洋-北美-西大西洋中緯度地區,即圖103104,而到了6月中下旬,這股波列訊號已經完全進入北大西洋中高緯度地區,北美跟東太平洋一帶的波通量活動已和前述事件無關,如圖105,此時開始在北大西洋中高緯度地區形成"氣旋-反氣旋"波列距平結構的雛型,時間上約對應NAO指數由正轉負的階段,到了6月下旬,也就是圖106,自副熱帶中緯度到高緯度極圈冰島挪威一帶對應氣旋-反氣旋距平結構出現,象徵成熟NAO-事件的北大西洋大氣狀態已成型。

 

所以答案似乎揭曉了,造成在六月中下旬快速產生的NAO-事件、並導致後來一路影響到東亞大氣並維持整個七月的SRP波列結構的元凶,似乎就是這股5月下旬源自東熱帶太平洋的異常加熱事件所產生出的波列源。

 

在一開始的分析上我們有提到,去年冬季至今年春末熱帶太平洋的海溫異常狀況是屬於CP-Nino型,也就是太平洋兩側較冷中間最暖的型態,因此東太平洋此時的異常加熱應該不是海溫造成。同時若是海溫造成加熱訊號,激發出的波列結構應會長時間維持,就如同前述分析中提到的JP遙相關波列般持續。而非本事件僅維持約2週,自東太平洋傳到北大西洋後就結束了。

 

故答案不在大西洋,也不在熱帶太平洋海溫,唯一剩下的就是在熱帶大氣冬春季活躍的大尺度季內加熱震盪訊號:MJO

 

來看看今年春季以來MJO的各相位活躍程度及傳遞情形,如下圖107的過去90RMM指數:

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NAO-事件前的五月底,也就是波通量開始自熱帶中東太平洋往東北方傳遞時期,恰好對應了一個強度頗具規模的MJO事件東傳至換日線一帶並進入東太平洋,看來此次MJO東移加熱事件與此時期波列訊號十分吻合。

 

MJO的加熱如何產生波列訊號影響到中高緯度遠地大氣形成遙相關事件呢?

 

其實MJO訊號本身就是一個巨大的、在赤道上伴隨強烈東西風距平輻合產生大尺度對流加熱訊號的移動性熱源,這股往東傳遞的移動性熱源基本上伴隨的底層東西風距平,就如同前述IOBW事件一般,在對流東側的東風訊號伴有Kelvin波東傳、西側西風訊號伴有MRG波西傳,而在前述IOBW事件中伴有上述兩種波訊號的熱帶大氣高層,同樣會激發出高層氣旋/反氣旋風場距平,在配合前述提及的大圓路徑規律,往中高緯度傳遞,假如傳遞路徑上經過噴流,那麼經過噴流波導效應的能量約束過程,就會將這股源自熱帶低緯度的加熱波列訊號限制在噴流區域傳遞到遠地中下游大氣,形成遙相關事件。

 

因此近年來的研究中,對於MJO在印度-中太平洋這段加熱訊號最明顯的8相位區間產生的遙相關波列結構,對中高緯度地區天氣的影響,也是近年的熱門研究重點,比如在本篇Adames et al.2014)研究中對MJO加熱訊號(紅星)在八個相位上激發出的不同波列型態,如圖108所示:

 

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回過頭來關心這次事件我們所在乎的西半球大氣,在北美至北大西洋一帶大氣受MJO之遙相關影響的研究回顧如下圖109110

 

109MJO如何影響到冬季北大西洋阻塞以及NAO訊號之研究,摘自Henderson et al.2016),呈現出MJO在不同相位時北美至北大西洋大氣200hPa高度場以及速度位的5日滑動平均:

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下圖110則是Cassou2008)針對不同相位MJO訊號與NAO相位的滯後性相關,主要發現在MJO抵達3-4相位後的5天至兩週左右,北大西洋就容易出現NAO+事件,相反的在MJO抵達6-8相位後的一至三週左右,北大西洋容易出現NAO-事件

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接下來透過與噴流條分布區域的疊加來看看此次MJO事件是否對北美及北大西洋產生如過去研究中所述的概念模式相似的結果:

111.

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上圖111顯示,此次MJO東傳加熱訊號事件在5月底至6月抵達東太平洋,產生的高層東側氣旋式距平形成波源,被熱帶噴流往北美大氣傳遞,概念上符合噴流波導性應模式。

112.

 

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上圖112則是顯示出在本次事件剛抵達相位8後的一週波通量平均,對比前述Henderson et al.2016)的MJO抵達相位8後北美高層大氣高度場以及速度位的5日滑動平均,都顯示出北美中高緯度高度場正距平、強輻散+北美熱帶地區高度場負距平+波通量自東太平洋往東北傳入北美後,一部份向南頻散一部份向北的特性。觀測與概念模式大致類似。

 

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上圖113顯示出MJO東傳至相位8後兩至三週的北大西洋波通量狀態,此時波列傳遞至北大西洋中高緯度地區呈現一對-+的氣旋-反氣旋對,且自負熱帶至中緯度均以氣旋式距平為主,正好對應此時期的NAO轉成負相位,而此時距離MJO東傳至東太平洋約三週,和前述研究中概念一致

 

上述分析中,透過大尺度波通量距平回溯過程,找到了海溫變異以外導致NAO快速轉負的原因,也為日後的SRP結構形成並影響東亞夏季大氣導致無颱事件找到了遠因。

 

然而進一步分析這股波列訊號,如前面分析所述,其實到了7月中,波列通量源自於NAO-區域的的成分已經減少,雖然此時NAO訊號仍顯著偏負,然而在波通量上面已經缺乏了對SRP結構的主導性,如下圖114所示7月中下旬的SRP型態及波通量分布:

 

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(由於TCC網站上只能顯示一個月所以只能拉6月底到7月底)

 

上面顯示的是30天的距平,在前述分析中我們知道在7月中以前,其實SRP波列是由NAO-事件所引發,自北歐向東南傳至東地中海而後進入副熱帶噴流條形成NAO-事件對應之波列模態影響東亞大氣,而放到包含月底的尺度會發現考慮7月中上旬後面20天左右的月平均通量距平,其實整體看來,在整個6月底到7SRP事件中,來自北歐的波通量其實很少,意味著NAO-訊號很可能只是在6月下旬扮演起頭的腳色,只是作為引信引發SRP訊號影響東亞夏季大氣,然而維持整個SRP訊號撐過整個7月的另有其他因素

 

還記得前述提及的印度洋增暖引發東風距平導致西北印度洋出現顯著對流加熱而後引發MJO事件的概念嗎?今年顯著的IOBW伴隨東風發展入夏後表現為何?

 

115.

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伴隨顯著東風發展的今年夏季印度洋水氣通量距平,顯示出東風主要將水氣輸送到中西部印度洋,如上圖115所示。而如此持續的水氣大規模輸送,事實上已經讓印度洋西部出現顯著的對流反應並伴隨在盛夏印度洋發展出此時期少見的規模可觀MJO訊號,如下圖116117

 

116.

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116.

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目前(2020/8/6)這個MJO訊號東移至西太平洋-海洋大陸一帶,強度也是這季節罕見的強,但MJO後續影響暫時不是本文的重點。但是透過上述分析已知,7月份潮濕的區域不只長江,還有西印度洋。

 

如此大規模的加熱反應在高層,其實就是巨大且持續的輻散速度場,反應出巨大持續的低層強迫加熱,所以在NAO事件之波通量影響式微之後的7月大部分時間,SRP的結構之所以維持的能量源,也就是前述文獻回顧中Chen and Huang2013)所提及的Rossby Wave能量頻散波源概念,概念模式與觀測分析比較如下圖118

 

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可以看到,整個7月西印度洋的顯著加熱效應產生了巨大持久的高層輻散場,而此時在北非至地中海一帶大氣成為顯著的Rossby波能量匯,大量Rossby波能量被頻散匯聚至該處,故提供了整個7SRP結構得以維持的能量來源:

作結如下119:

119.png

最後作結:由於NAO(by MJO在五月底東傳至東太平洋)訊號產生了SRP波列自6月下旬出現,而後的能量供應源自於西印度洋因IOBW東風距平強迫出的對流潛熱增溫訊號反應在高層大氣成為大尺度波列能量源,故SRP持續整個7月,動態上因這股波列特性是反應NAO-事件,傾向對伊朗高原輸送氣旋式Rossby波能量,強迫南亞高壓偏東發展,波列下游的反氣旋式Rossby波能量又疊加在南亞高壓相位上,故反氣旋能量提供給南亞高壓使之大幅穩定偏東發展,時間上又因為這股西印度洋加熱訊號太大太久,故SRP遙相關結構才能一直以NAO-事件的形式持續使南亞高壓偏東發展。

 

總的結果就是導致前述的海氣相環流回饋機制透過外來的SRP遙相關事件而被強化且持續,長期抑制西北太平洋熱帶對流,強化東亞夏季季風強度及長江流域降水,最終導致了長江破紀錄洪水以及史上頭一遭西北太平洋七月無颱事件兩個極端紀錄的發生,如圖120

 

120.png

 

最後,用一張流程圖(圖121)總括全文27000多字的分析結果,整體事件概念,主要由CP-Nino引發,隨後歷經破紀錄IOD+事件以及春夏IOBW,當中又加入在春季時的MJO事件以及NAT-、NAO-等遠地背景,綜合所有極端事件一起發生,方能導致西北太平洋出現史上頭一遭自6月中至整個7月超過一個半月完全沒有熱帶氣旋生成或活動的歷史性極端事件:

全程圖說.png

~一個極端事件的發生,是多個極端事件一起作用的結果~

~感謝耐心閱讀完的讀者,全文完~

 

參考文獻以及資料來源:

 

. 資料來源:

 

B.  參考文獻:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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