赤道太平洋海域上层海洋热含量及其变化机制的诊断分析*

基于1992—2015年国际共享的ECCO v4 (Estimating the Circulation and Climate of the Ocean Version 4)同化产品, 利用热含量控制方程定量地诊断赤道太平洋(118°E—75°W, 5°S—5°N, 0~300m)和Niño 3.4区(170°W—120°W, 5°S—5°N, 0~80m)这两块区域热含量变化机制。对于去掉季节平均后的年际变化, 在赤道太平洋地区, 时间趋势项主要由经向输送和海表热通量项共同驱动。通过5°N断面的输送决定了时间趋势项的幅值和正负符号。在Niño 3.4区, 时间趋势项主要由海表热通量项和热量输送项共同驱动, 其中垂向输送对总输送贡献最大。赤道太平洋地区经向热量输送异常领先于Niño 3.4区垂向热量输送异常, 这解释了在年际尺度上赤道太平洋热含量异常领先Niño 3.4指数变化的原因。尽管EP(Eastern Pattern)型El Niño和CP(Central Pattern)型El Niño有许多不同之处, 合成分析表明, 两类El Niño的共同点为: 在赤道太平洋地区, 两类El Niño事件的热量输送异常在发展期和衰退期由经向输送主导; 在Niño 3.4区, EP型El Niño和CP型El Niño的热量输送在发展期和衰退期由垂向输送主导。     

太平洋赤道不稳定波强度变化及其与ENSO的关系

文章利用1991—2015年卫星海表温度(sea surface temperature,SST)研究了太平洋赤道不稳定波(tropical instability waves,TIWs)强度变化特征及其与厄尔尼诺?南方涛动现象(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)的关系。首先采用带通滤波法将TIWs强度量化为赤道东太平洋SST的季节内(20~50d)波动振幅,发现强TIWs分布于尼诺3(Ni?o3)区域(150°W—90°W,5°S—5°N),平均强度达到0.2℃,赤道至3°N之间甚至超过0.35℃,在赤道南侧TIWS相对较弱,只在1998、2007、2010年3个拉尼娜(La Ni?a)年冬季达到0.2℃。文章不但证实La Ni?a年TIWs较强、厄尔尼诺(El Ni?o)年TIWs较弱的规律,而且发现TIWs强度与ENSO并非同相变化,TIWs强度变化超前ENSO 2~3个月,这是TIWs与Ni?o3区SST对ENSO相关赤道动力、热力过程反应时间差异所致,TIWs强度与赤道表层纬向流剪切强度以及冷舌锋面强度呈同期正相关,而Ni?o3指数滞后这2项指标2~3个月变化,三者都是ENSO循环的一部分。这意味着能够用卫星观测的TIWs活动(如SST)提前表征ENSO的位相和强度。     

两类El Niño事件对中国近海及毗邻海域海表温度的影响

为研究东部型和中部型两类厄尔尼诺(El Ni?o)事件与中国近海海表温度(sea surface temperature,SST)变化间的联系,基于中国科学院大气物理研究所连续80年(1940—2019年)的SST再分析数据,采用EOF分解、合成分析等方法做了初步分析,发现中国近海及毗邻海域近80年SST变化与全球变暖密切相关。并且两类El Ni?o事件对中国近海SST变化的影响存在显著差异。东部型El Ni?o事件发展过程中,中国近海及毗邻海域SST在发展年主要为负异常,衰退期为正异常;中部型ElNi?o事件发展过程中, SST变化区域差异大,发展年日本附近海域为正异常, 28°N以南为弱的负异常。两类El Ni?o事件引发西太平洋风场反气旋涡的时间、位置与强度等的不同,是造成中国近海风场与海表温度异常(sea surface temperature anomaly, SSTA)差异的主要原因。     

2015/2016年超强厄尔尼诺事件基本特征及生成和消亡机制

全球变暖背景下, 2015/2016年超强厄尔尼诺(El Ni?o)事件倍受关注, 此次事件是中部型和东部型El Ni?o的混合。研究发现, 西风爆发和北太平洋经向模态对触发此次事件均有所贡献。通过对比2015/2016年、1997/1998年与中部型事件可知, 2015/2016年事件在暖背景中产生, 其发展形态与中部型事件较为相似, 后期海表面温度异常迅速衰退主要与赤道东太平洋海域持续的东风异常以及纬向平流较弱有关。较之1997/1998年事件, 2015/2016年事件的海洋动力调整较弱, 表现为较弱的温跃层反馈和海洋波动, 纬向平流反馈的贡献大于温跃层反馈, 大气强迫影响显著, 中部海域相关要素异常值较大。在2015/2016年事件期间, 赤道海域以及近赤道海域海洋上层热含量的变化基本呈负相关, 且变化较为同步; 衰退阶段热含量的流失主要集中在5°S—5°N海域, 向两极的热输送明显。     

北印度洋的经向热输送与热收支的季节与年际变化

探讨赤道以北印度洋的热量收支及变化机制。根据积分10年(1987～1996)的全球海洋模式(MOM 2 )资料,利用积分形式的热量平衡方程,系统地研究了北印度洋的经向热输送和热量收支的季节与年际变化。主要结论为:在季节尺度上,越赤道的经向热输送和赤道以北印度洋热含量变化有年循环特征,而海面净热通量呈现半年周期变化特点;在年际尺度上,热含量的变化主要由经向热输送的变化引起,其它项的影响较小;经向热输送集中在上5 0 0m ,尤其在15 0m以上;在总的经向热输送中,经向翻转环流的贡献起主要作用,涡动项的贡献比较小;某一纬度上经向热输送异常以及此纬度以北印度洋总的海面净热通量异常与此纬度上纬向积分的纬向风应力异常有很好的相关关系;还分析了10°N阿拉伯海和10°N孟加拉湾的经向热输送与越赤道的经向热输送的关系,以及海面净热通量各分量的变化特点。     

热带太平洋第二类El Nio事件及其对中国气候的影响

基于热带太平洋次表层海温资料,分析了热带太平洋第二类El Nio事件海温异常的分布特征及其形成机制,讨论了与经典El Nio事件、El Nio Modoki、WP(西太平洋暖池)及CT(冷舌)El Nio事件之间的关系,揭示了第二类El Nio事件对中国降水的影响,得到以下结论。(1)第二类El Nio事件表征为热带太平洋次表层海温异常第三模态,占总方差贡献的4.7%。在海洋表面层,第二类El Nio事件暖期赤道东太平洋为沿赤道西伸的冷舌,热带中西太平洋为环绕冷舌的马蹄型大范围暖区。该型具11a和30~40a年代际振荡及3~4a年际变率,峰值多出现在春季。第二类El Nio事件是热带太平洋异常海面风应力场和赤道两侧的风应力旋度共同作用的结果,在赤道东印度洋-中西太平洋与赤道东太平洋-南美洲上空出现以反号垂直运动为特征的异常Walker环流。(2)El Nio Modoki与第二类El Nio事件有密切关系,它实质上是第二类El Nio事件次表层海温与近海面大气相互作用的结果,捕捉了第二类El Nio事件的主要信息。(3)第二类El Nio事件对中国春季及夏初降水有一定影响。在事件暖期,东海地区存在一个显著的异常反气旋性环流,其南侧的中国南方地区盛行异常东北气流,水汽来源减少,导致该地区少雨,其西侧的异常偏南气流北上直达华北地区,异常多水汽向北输送,并与北方的偏北流场相遇,导致该地区降水偏多。在第二类El Nio事件冷期相反。本文结果还指出,WP与CT El Nio事件是由经典El Nio事件第一模态与El Nio Modoki事件组合而成,它们不是独立的El Nio类型。此外,还讨论了夏半年El Nio事件对大气环流影响的物理过程。     

南海海平面对两类El Ni?o的不同响应

利用ECMWF ORAS4重构数据，分析了南海海平面异常(SLA)对东部型(EP)El Ni?o和中部型(CP)El Ni?o的不同响应特征。南海SLA在两类El Ni?o期间表现出不同的时空演变规律。对于东部型El Ni?o，南海空间平均的SLA在发展年的秋、冬季显著下降，最低可达?2 cm，并在次年开始上升，至次年冬季可达2 cm。空间分布上，在发展年秋、冬季，除越南东南部海域存在一个正异常中心外，在南海绝大部分海域，SLA均表现为显著的负异常；从次年春季开始，SLA负异常减弱，而越南东南部的正异常开始发展，直至冬季南海大部分海域以正异常为主。对于中部型El Ni?o，南海SLA在整个El Ni?o发展和衰退期间均表现为显著负异常，异常值始终维持在?2 cm左右，并且在空间上表现为全海盆一致的负异常模态。相比于传统的经验正交分解(EOF)，季节EOF(S-EOF)能够更好地刻画南海SLA在两类El Ni?o期间的时空演变特征，S-EOF的第一模态表现为中部型El Ni?o模态，而第二模态更多地表现为南海SLA在东部型El Ni?o期间的演变特征。南海海平面在两类El Ni?o期间的不同变化主要是由于海峡通道处的热量平流输运异常所产生的热比容效应导致的，但是比容海平面的贡献主要集中在南海内区和南海东部等深水海域，对于南海西部等近岸海域，海平面的变化机制还有待进一步深入研究。     

CMIP5/6气候模式对El Ni?o多样性模拟能力的评估

利用第五次和第六次国际间耦合模式比较计划(coupled model intercomparison project, CMIP)中全球气候模式的历史时期和未来增暖情景模拟结果,结合观测资料,文章对比评估了23个CMIP6模式和32个CMIP5模式对El Ni?o多样性的模拟能力,并预估了东部(eastern Pacific, EP)型和中部(central Pacific, CP)型El Ni?o对未来全球变暖的响应特征。结果表明,绝大多数CMIP5/6气候模式能够合理地模拟El Ni?o的多样性特征,且CMIP6多模式的模拟性能较CMIP5有明显提升。CMIP6模式不仅减弱了EP型El Ni?o空间模态模拟的离散性,而且还显著提高了CP型El Ni?o空间模态的模拟能力; CMIP5/6多模式基本能够模拟出两类El Ni?o的季节锁相性特征,但CP型El Ni?o衰亡时间较观测明显滞后3个月;同时CMIP5/6多模式模拟的EP型El Ni?o强度与观测值较为接近,但CP型El Ni?o的振幅却强于观测。在未来全球变暖背景下, CP型ElNi?o事件的发生频率相对于EP型事件将趋于降...     

西中太平洋经向大气环流的年际变化

讨论了西中太平洋经向大气环流的年际变化特征,其中西太平洋区(WP)和中太平洋区(CP)EOF分解的第一模态分别是WP的负异常Hadley环流和CP的正异常Hadley环流,其时间系数与Nio3.4指数极为一致;第二模态的最显著空间特征是两区都在5°N~15°N有异常上升,但其时间系数与Nio3.4指数同期相关很低。西中太平洋有2类海表面温度异常(SSTa),通过其上的深对流潜热加热驱动异常Hadley环流:El Nio型驱动了WP区和CP区赤道区符号相反的第一模态异常环流型;热带辐合带(ITCZ)型驱动了WP区和CP区5°N~15°N区符号一致的第二模态异常环流。     

西太平洋热带海面热收支与El Nio

利用经验正交函数方法,分析了1961—1974年期间,西太平洋热带海面总热量交换的分布情况及其年际变化。分析结果表明,西太平洋热带地区海-气热量交换,存在着一种与El Ni(?)o/SO(南方涛动)关系十分密切的分布形式。在El Ni(?)o期间,赤道太平洋日界线附近海洋向大气释放热量明显增多,而其西部则正相反。文章认为这种大尺度海面热收支的年际变化,是该地区风场、温度场及大洋热含量异常变化的综合影响结果,这些变化会对一些气候因子的波动产生一定的影响。     

利用Argo和Aquarius卫星观测研究热带南印度洋海表盐度的季节变化

采用Argo以及Aquarius卫星观测的海表盐度月平均资料研究了热带南印度洋海表盐度的季节变化特征。结果表明,在60°—80°E,5°—15°S海域海表盐度具有显著季节变化特征;夏半年盐度升高,冬半年盐度降低;但是其异常中心与降水异常中心不对应,降水不能解释盐度的季节变化。盐度收支分析显示,在夏半年,海表盐度增加的主要原因是经向平流将赤道地区的高盐输送至该地区;其中4—5月期间,海洋垂向卷夹作用加强,对海表高盐异常也起到重要作用。在冬半年,大气降水增加,海洋表层环流使得降水引起的局部低盐水体在该区域辐合;同时,向西的纬向平流将东南印度洋的低盐水体继续输送到该地区,二者对冬半年海表盐度降低都有重要贡献。     

冬季赤道中东太平洋海温异常对北半球两大洋风暴轴协同变化的可能影响

利用NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)和NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的再分析资料和CPC(National Climate Prediction Center)提供的Nino3.4指数,研究了与赤道中东太平洋海温异常相对应的ENSO(El Nio-Southern Oscillation)不同位相对同期北半球海气耦合关系及两大洋风暴轴协同关系的影响,具体结论如下:1)赤道中东太平洋海温异常与冬季北半球两大洋风暴轴协同变化关系密切,具体表现为海温正异常时对应北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴同时增强,且大西洋风暴轴整体和太平洋风暴轴东部位置南压,海温负异常时则相反。2)海温正异常(El Nio)年时,对流层中层极涡向北太平洋地区伸展,西北太平洋副热带高压增强西移,东亚大槽减弱,高度场异常对应WP(Western Pacific pattern)、EA(Eastern Atlantic pattern)型遥相关的负位相和PNA(Pacific-North American pattern)型遥相关正位相,对流层低层加拿大高压增强,阿留申低压强度增强并向东南方向移动,东亚急流增强东伸,北美急流强度增强,欧亚大陆50°N附近西风增强,经向环流减弱,北半球的斜压异常分布有利于北太平洋东部风暴轴南侧以及中西部风暴轴的有效位能向扰动动能转换,使得风暴轴增强东部南压,北大西洋风暴轴南部斜压增强,使得风暴轴整体偏南,中、西部强度增强。海温负异常(La Nia)年时,海温和环流异常在两大洋基本与El Nio年相反,对应两大洋风暴轴强度同时减弱,同时北大西洋风暴轴整体和北太平洋风暴轴东部北抬。3)海温正异常(El Nio)年时,北美大陆为北暖南冷的异常分布,60°N以南的东亚地区除我国西南外基本为温度异常升高。海温负异常(La Nia)年时,由于高度场和风场异常在欧亚大陆和北美大陆上的异常分布与El Nio年时并不是完全相反,使得温度场异常主要表现在北美南部和东亚北部异常升高。     

南海海温在两类El Ni?o衰退期的季节响应差异

研究结果发现南海海温对热带太平洋东部型和中部型厄尔尼诺(El Ni?o)的季节性响应有明显的时空差异。就时间演变而言和前人研究的结论基本一致:在两类El Ni?o事件发展年的冬季和衰退年的夏季,南海海温都会出现暖海温异常现象。就空间特征而言:东部型El Ni?o事件发生后,南海的第一次增暖中心出现在115°E以西海域,此后暖海温异常中心会向南海的东部偏移;第二次增暖发生时,其最大增暖中心位于110°E以东的海域;而在中部型El Ni?o事件时,南海的两次增暖中心都处在115°E以西海域。南海的风场异常分布不同导致了南海在两类El Ni?o事件衰退年夏季的暖异常出现空间差异。进一步机理分析表明,南海在东部型El Ni?o事件衰退年夏季的增暖主要是受印度洋海盆模态(India ocean basin mode,IOBM)的影响;而南海在中部型El Ni?o事件衰退年夏季的增暖主要是由于热带中太平洋暖海温的影响。     

中国南方冬雨与El Nio事件相关关系的年代际差异及其成因

利用1961—2016年中国160站逐月降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用统计学方法分析了中国南方冬雨与El Nio事件相关关系的年代际差异及其成因。结果表明:1) 1961—2016年南方冬雨年际变化显著,且降水量呈现阶段性变化,1961—1988年为少雨期,1989—2016年为多雨期。2) El Nio事件与南方冬雨之间的相关关系存在年代际差异。1961—1988年El Nio事件冬季,500 hPa上中国东部地区位势高度距平的经向差异很小,不利于冷空气向南推进,850 hPa上中国南方南风距平偏小,来自孟加拉湾和南海的水汽较难向中国南方地区输送,且中国南方地区受下沉运动异常影响,对流发展受抑制,故南方冬雨偏少; 1989—2016年El Nio事件冬季,500 h Pa上中国东部地区位势高度距平的经向梯度较大,有利于冷空气向南推进,850 hPa上南海北部到中国东部出现异常的西南风,有利于孟加拉湾和南海的暖湿气流向中国南方地区输送,且中国南方地区受上升运动异常控制,有利于对流发展,故南方冬雨偏多。     

ENSO循环的非对称性及其机制初步探讨

利用SODA(Simple Ocean Data Assimilation)资料,以Nino3.4区SSTA(sea surface temperature anomaly)指数为标准,选取典型El Nio和La Nia事件进行合成分析,观察ENSO的非对称性。通过分析ENSO事件发生过程中温跃层深度异常和斜压能量转化率的变化,研究其对ENSO循环非对称性的影响。由于与ENSO相关的海洋异常信号在南、北太平洋的传播主要是以Rossby波的形式,Rossby波可以通过不稳定机制获得能量成长和传播,斜压能量转化率越强,携带ENSO相关海洋异常信号的Rossby波就可能获得更多的能量成长,这种信号传播至赤道区域可以更快地导致ENSO事件的爆发。研究表明,在El Nio事件达到顶峰时,北太平洋ENSO相关的Rossby波传播区斜压不稳定能量很强(可使Rossby波增幅)、温跃层加深(可使Rossby波加速),有利于El Nio相关的暖信号传出,这很好地解释了El Nio事件总是比La Nia事件振幅大以及El Nio事件向La Nia事件转化比La Nia事件向El Nio事件转化快很多的现象。因...     

热带大洋春季海气耦合模态及其与ENSO的关系

在北半球的春季,热带三大洋的海洋–大气系统年际变化会对同期太平洋厄尔尼诺–南方涛动(ElNi?o-Southern oscillation,ENSO)产生响应,同时也能通过区域海洋–大气耦合过程影响ENSO的发展。基于国际公开使用的海表温度资料和降水资料,通过联合正交经验分解方法分析,可以发现全球大洋春季存在两种显著的海气耦合模态。第一模态表现为:在热带中东太平洋,海表温度增暖、降水增多;在热带大西洋和热带印度洋,降水呈现经向偶极型分布以及跨赤道的海表温度梯度异常;即伴随ENSO在春季消亡期的空间型态,大西洋出现经向模态,印度洋出现反对称模态。第二模态表现为:太平洋经向海表温度和降水模态,即太平洋经向模态。回归分析结果表明, ENSO盛期的大气环流调整引起了热带大西洋和印度洋降水辐合带异常,并通过海面风场异常激发海盆内部的海洋–大气反馈,引起春季经向模态。进一步研究发现,冬、春季大西洋和印度洋热带辐合带分别位于赤道以北和以南,导致两个海盆经向模态的降水异常相对赤道呈反对称分布。在春季,太平洋经向模态的暖中心延伸到赤道上,引起西风异常,为后续El Ni?o的发展提供了有利条件。文章揭示了...     

热带西太平洋海水热结构对1986—1987年ENSO事件的响应

本文利用热带西太平洋中、美海气第1至第4航次联合考察资料,分析讨论了1986—1987年El Ni(?)o/Southern Oscillation(ENSO)事件期间该区热结构的变化。分析表明,事件期间热带西太平洋暖水域海水热含量显著降低,它与140°W和Nino_1+Nino_2区的SST距平变化恰成反位相关系。此外,温跃层在此期间内上升了50—100m,上混合层明显变浅。这种温跃层的异常上升是与事件期间此区西风异常的出现和赤道两侧正的风应力旋度增大有着密切关系。     

南海海面高度异常与厄尔尼诺和大气环流的关系

利用经验正交函数分解和相关分析等方法分析研究了南海和赤道太平洋的海面高度异常、海面温度异常和风异常之间的相关关系.得出南海海面高度异常EOF第一模态为ENSO模态,方差贡献达到44.7％.在厄尔尼诺(El Ni(n)o)期间,整个南海海面下降,SSHA呈现不同的分布状态,本文讨论了爆发与下半年的El Ni(n)o期间南海SSHA呈现的典型分布状态.El Ni(n)o的先兆阶段南海中部为SSHA低值区,鼎盛阶段南部SSHA增大形成南高北低的分布状态,恢复阶段SSHA分布与El Ni(n)o过后是否发生La Ni(n)a密切相关.南海海面高度异常与大气环流存在明显的相关关系.El Ni(n)o期间,Hadley环流的加强使得南海东部和赤道西太平洋水交换加强,水温的降低和海水的流失使南海海面下降,Walker环流结构和强度的变化则进一步促进了南海SSH的下降.El Ni(n)o期间,南海海面高度会较常年偏低.     

ENSO循环相联系的北太平洋低纬度异常西边界流

用SODA海洋同化和NCEP大气再分析资料,分析了热带太平洋次表层海温异常主要模态与北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流和亚洲-北太平洋地区大气垂直和水平流场变化之间的关系,得到以下结果:（1） 在热带太平洋海洋次表层ENSO事件具有两种模态,二者组合构成ENSO循环。第一模态为ENSO成熟期,主要出现在冬季,第二模态为ENSO过渡期,主要出现夏季。（2） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流区上层海洋环流有重要影响。在El Niño发展期或La Niña 衰退期,该区出现气旋性异常环流,北赤道流（NEC）加强,NEC分叉位置北移,棉兰老海流（MC）加大,菲律宾以东黑潮（KC）减小,北赤道逆流（NECC）最强。在El Niño（La Niña）成熟期,该区气旋性（反气旋性）异常环流达最强,NEC最强（最弱）,NEC分叉位置最北（最南）,MC最大（最小）,KC最小（最大）,NECC减弱（加强）。在El Niño衰退期或La Niña发展期与El Niño发展期相反,该区出现反气旋性异常环流,由此导致相应流系异常发生反位相变化。（3） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流的影响是通过ENSO事件期间热带太平洋热力状况异常改变上空大气环流来实现的。ENSO事件首先造成热带太平洋海洋热力状况异常,导致其上空对流活动异常,后者直接或间接通过“大气桥”能量传输引起相关地区大气环流场的变化,致使海面风应力场异常,进而强迫上层海洋环流场的相应变化。文章最后还分析了ENSO事件期间菲律宾附近异常反气旋或异常气旋性风场的产生和持续原因,讨论了北太平洋低纬度西边界流海域海气相互作用在ENSO循环中的贡献。     

SST年循环对El Niño事件局地海气过程的影响

利用Hadley中心逐月海表温度、欧洲中心ERA-40的10 m风场及CMAP降水资料探讨了年循环对热带太平洋El Niño海气相互作用过程的影响。尽管El Niño对应的海表温度异常主要出现在赤道东太平洋,经向上呈南北对称分布,然而其对应的大气响应在El Niño年衰减阶段却有着强的向南移动特征。在El Niño发展年的11月之前,强的西风和降水异常主要出现在赤道中太平洋;在12月份之后,赤道上的西风和降水异常迅速南移至5°S,随后西风一直维持在该位置直至衰亡。同时,西太平洋负降水和反气旋异常向北移动。这种SST异常与其大气响应的经向移动不一致,主要是由热带中太平洋气候态SST的季节性南移导致的。由于对流与海温之间存在非线性关系,即当总SST超过一定的阈值,对流降水才会迅速增强;因此相应的对流响应也随着总海温的南移而南移,风场响应也同时南移。此外,南半球增强的对流会通过经向环流进一步抑制北半球的降水,从而使西太平洋负降水和反气旋异常增强并北移。通过分析有/无年循环的两组数值试验结果验证了上述结论,即有年循环的试验较真实地模拟出了观测中异常西风南移和西北太平洋反气旋异常的出现;无年循环试验尽管能模拟出El Niño年赤道中太平洋的西风异常,但其却没有南北向的移动,西北太平洋的反气旋也没有出现。因此,热带中太平洋气候态暖海温的季节循环对El Niño事件大气响应有着至关重要的作用。