热带印度洋偶极子模态的不对称性及其成因的数值研究

热带印度洋偶极子 (Indian Ocean Dipole) 是印度洋海域内海洋和大气环流年际变化的主要特征模态之一, 在热带海气耦合系统中起到非常重要的作用。同热带太平洋的ENSO现象类似, 热带印度洋偶极子也呈现出显著的不对称性。本文利用中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋环流模式, 在观测风应力距平的强迫下, 评估了模式对热带印度洋季节变化、 热带印度洋偶极子 (IOD) 模态及其不对称性的模拟能力, 并且通过数值试验分析了IOD模态不对称性特征及其对气候平均态的影响。对照观测资料, 模式较好地再现了热带印度洋SST在季风驱动下的季节变化特征。在年际时间尺度上, 模式不仅能够再现IOD指数的变化趋势, 而且可以成功模拟出IOD模态的空间分布特征, 即表层和次表层海温在西印度洋表现为正异常, 在东印度洋表现为负异常。可见, 对于热带印度洋而言, IOD模态主要是对风应力异常的响应。热带印度洋海温与Niño3.4指数的相关性分析表明, 模式能够模拟出超前热带太平洋ENSO现象2～4个月时海温的偶极子型分布, 但是不能模拟出滞后ENSO现象2个月左右的全海盆增暖模态, 可能是因为模式试验中没有考虑热通量年际异常的强迫。同时, 模式模拟的IOD模态具有同观测结果相类似的不对称性, 进一步的敏感性试验表明风应力的不对称性对偶极子指数的不对称性贡献较小, 次表层及以下海温的不对称性可能主要受到海洋内部非线性动力过程的影响。通过数值试验, 本文还发现热带印度洋海温的不对称性对气候平均态会有影响, 而这种不对称性长期积累后, 会导致上层热带印度洋温度层结趋于稳定状态。     

热带太平洋海气耦合过程对印度洋年际变化的影响

利用中等复杂程度的2.5层海洋模式和大气环流模式ECHAM4组成的海气耦合模式,模拟分析了热带太平洋和印度洋的气候变化以及年际变化特征。该模式较好地模拟了ENSO现象的空间分布及其不规则的周期变化特征,以及热带印度洋的主要变化特征。通过数值试验,初步研究了太平洋耦合过程对印度洋年际变化的影响。结果显示,当存在太平洋耦合过程时,模拟的印度洋偶极子(IOD)正(负)事件的发生频率比无太平洋耦合情形时有所减少(增加)。该变化是太平洋耦合变量通过海气耦合过程对印度洋海表面平均风场进行调整,进而引起热带印度洋温跃层深度东西梯度改变的结果。     

1997-1998年热带印度洋偶极子季节性位相锁定可能成因

利用改进的中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的第三代海洋环流模式,以及1949年1月-1999年12月NCEP／NCAR月平均海表面大气距平资料,采用数值试验的方法,研究了1997--1998年热带印度洋偶极子从发展到成熟的特征,以及在相同大气异常强迫下1—12月大气气候基本态对印度洋偶极子的作用。结果表明,海洋表面的大气强迫对激发1997--1998年印度洋偶极子有重要作用;大气气候态对1997--1998年印度洋偶极子的强度有很大影响,其中9月的大气气候态最有利于印度洋偶极子达到最强;赤道印度洋上空风应力异常是1997--1998年印度洋偶极子形成的主要原因。     

热带印度洋的大尺度海气相互作用事件

分析了热带温跃层上海温距平资料后指出 ,在印度洋东西方向的海温距平分布呈现出距平符号相反的偶极子现象 ,在大气中的纬圈环流即Walker环流上也呈现出与海温距平相协调的或匹配的上升和下沉分支 (距平意义下 )分布。这一分析表明 ,印度洋也存在和太平洋类似ENSO的大尺度海气相互作用事件     

热带印度洋环流动力与季风相互作用研究进展

围绕中国科学院战略性先导科技专项"泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设"之子课题"热带印度洋环流动力与季风相互作用及其影响",从热带印度洋上层海洋环流、盐度变异对印度洋典型海气耦合过程的影响、印度洋海气相互作用及其对泛第三极水汽输送的影响方面回顾了热带印度洋环流动力与季风相互作用的研究进展.针对国内外研究发展的现状,提出热带印度洋上层经向、纬向、垂向流系间三维联动机制,海盆尺度热盐再分配对局地海-气模态变异的响应和反馈机制,热带印度洋典型海气耦合模态对泛第三极地区气候变化的影响机理等关键科学问题亟待解决.开展该子课题研究的最终目标是：全面认识和理解热带印度洋上层环流体系,加深印度洋海洋环流动力与海气相互作用及其对泛第三极经向水汽输送作用的理解,提高泛第三极地区气候预测水平,提升丝绸之路海上观测航道监测保障能力,从而为"一带一路"倡议和"21世纪海上丝绸之路"建设服务.     

热带印度洋海温的年际异常及其海气耦合特征

利用长期观测资料分析了印度洋海温距平的年际变化及其海气耦合特征,结果表明热带印度洋海温距平的变化存在显著的距平符号东西一致的单极型和距平符号东西相反的偶极型,其出现的概率分别为67%和33%.偶极期间在热带印度洋和西太平洋海洋性大陆上空的大气中存在着明显的Walker类型的环流,具有显著的局地海气耦合特征,而单极期间这种特征不明显.大部分偶极子的生命史都非常短暂,其持续发展的主要特征表现为西印度洋正距平的增加、东移和东印度洋负距平的不断加强.单极的发展为整个海盆的不均匀增暖.单极向偶极的转换可以分为两类,第I类表现为赤道西印度洋海表温度距平由负转变成正后逐渐向东扩展,东印度洋的负距平范围逐步缩小;第II类是东南印度洋海表温度的负距平不断加强并略向西发展,而西部保持正距平.这种转换还经历了一个年代际变化,20世纪70年代中后期以前主要是第I类转换,以后则第II类占绝大多数.     

热带太平洋与印度洋相互作用的年代际变化及其数值模拟

利用全球海表温度资料和NCEP／NCAR再分析资料,发现热带印度洋偶极子事件与热带太平洋ENSO事件存在相互作用,但其相互作用关系在1961年前后发生了明显的跃变。通过CCM3（community climate model version3）模式,研究了不同年代热带太平洋和热带印度洋SST（seasur—face temperature）变化对其上空大气环流影响的变化,结果表明：1961年后,热带印度洋发生正偶极子事件时,两大洋的垂直环流异常的耦合很强,热带太平洋上空大气环流对印度洋偶极子事件的响应,给太平洋暖事件的异常发展提供了有利条件;同样,热带太平洋暖事件通过对热带印度洋上空大气环流的影响,给印度洋偶极子的异常发展提供了有利条件。     

热带印度洋偶极子的季节性位相锁定可能原因

利用1960年1月～1999年12月Hadley气候预测和研究中心的全球海表温度资料和改进的中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的第三代海洋环流模式,以及1949年1月～1999年12月NCEP/NCAR月平均海表面大气距平资料,采用资料合成分析和数值试验相结合的方法,研究了热带印度洋偶极子从发展到成熟的特征。海表温度异常的分析结果表明,正、负热带印度洋偶极子的强度和发生强偶极子事件的次数都在北半球秋季达到最强、最多,与季节循环存在位相锁定。偶极子的数值模拟结果与此分析结果一致,表明海洋表面的大气强迫对激发印度洋偶极子有重要作用。对比试验的结果表明,赤道印度洋上空风应力异常是偶极子形成的主要原因。文中还设计了12个敏感性试验研究在相同大气异常强迫下1～12月大气气候基本态对印度洋偶极子的作用,结果发现大气气候态对偶极子的强度有很大影响,其中9月的大气气候态最有利于印度洋偶极子达到最强。这是由赤道东南印度洋地区东南风和海洋之间的正反馈过程决定的,因此大气基本态是偶极子成熟位相锁定在秋季的一个重要原因。     

不同海域SSTA对东半球越赤道气流年代际变化影响的数值模拟研究

采用1950—2000年逐月观测的不同海域（全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋）海表温度,分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,进行了多组长时间积分试验,对比ERA-40再分析资料,讨论了这些海域海表温度异常（SSTA）对东半球越赤道气流年代际变化的影响。数值试验结果表明,全球、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋海表温度变化分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,均能模拟出索马里、120 ?E和150 ?E越赤道气流在1970年代中后期由弱变强的年代际变化特征,其中模拟的索马里越赤道气流年代际变化特征及其与东亚夏季风年代际变化关系均与观测结果较一致,而热带外海表温度驱动全球大气环流模式未能模拟出此年代际变化现象,表明全球、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋海表温度变化均对索马里越赤道气流在1970年代中后期的年代际变化具有重要作用,热带太平洋是关键海区;索马里越赤道气流的年代际变化与热带太平洋海温年代际背景变化密切相关,当热带太平洋处于暖（冷）背景年代,热带东太平洋海温异常从北到南呈“＋、－、＋”（“－、＋、－”）“三明治”式距平分布,有利于赤道东太平洋南北两侧产生一对距平反气旋（气旋）,然后可能通过“大气桥”的作用,与热带印度洋赤道南北两侧的一对距平气旋（反气旋）联系起来,从而引起索马里越赤道气流强度的增强（减弱）。      

ENSO与印度洋海盆海温多尺度相互作用及其对气候影响的研究进展

系统回顾了近年来有关ENSO与印度洋海盆海温多时间尺度相互作用及其气候效应研究的相关成果。主要包括年际和年代际时间尺度上,ENSO与印度洋海盆海温之间相互联系的基本事实和机制,以及与之相关的气候影响,特别是上述联系对亚洲季风系统及气候异常的影响。在年际尺度上,ENSO通过“大气桥”过程主导着印度洋海温变化,而后者的异常也可通过纬向环流的“齿轮式耦合”对ENSO产生影响。在年代际尺度上,一方面印度洋海盆海温显著的夏季增暖可能来自ENSO暖事件持续时间的年代际延长,另一方面印度洋秋季海温空间分布模态的年代际变化,则对ENSO暖事件强度的年代际增强具有贡献。二者的多时间尺度相互作用进而通过影响大气和海洋环流、辐射反馈、蒸发降水等多种海气耦合过程产生显著的气候效应。研究成果表明印度洋海温变化对亚洲乃至全球气候异常的重要作用。在回顾上述研究成果的基础上,讨论了进一步研究ENSO与印度洋海盆海温多时间尺度变率影响全球气候的前景和重要意义。     

Relationship Between Upper-Ocean Heat Content in the Tropical Indian Ocean and Summer Precipitation in China

An analysis of the Ishii ocean heat content(OHC) in the tropical Indian Ocean from the surface to 700-m depth shows that the OHC changes dramatically on the interannual timescale in the Indian Ocean.The first mode of empirical orthogonal function(EOF1) of the OHC shows that there is a strong air-sea interaction pattern in the Indian Ocean with a positive(negative) loading in the east and a negative(positive) loading in the west.This seesaw oscillation pattern influences the summer precipitation in China with a North-South reversed distribution.Composite analysis shows that during a positive(negative) OHC episode,an anomalous cyclonic(anticyclonic) circulation over the western Pacific and South China weakens(enhances) the monsoonal northward flow in the lower troposphere;meanwhile,anomalous meridional circulation connects the descending(ascending) branch over the Southeast Indian Ocean and the ascending(descending) branch in South China as well as a descending(ascending) branch over North China.Analysis of the mechanism behind these features suggests that(1) the accumulation of OHC-induced vorticity is related to the wave activity over the mid-latitudes and that(2) the meridional teleconnection induced by the Indo-Pacific air-OHC interaction appears over East Asia and the western Pacific.Both of these patterns can cause summer precipitation anomalies in China.     

印度洋海温年际异常与热带夏季季节内振荡的关系及其数值模拟研究

利用观测分析资料和SINTEX-F海气耦合长时间(70年)数值模拟结果,分析了印度洋海温年际异常与热带夏季季节内振荡(BSISO)各种传播模态之间关系及其物理过程。结果表明,印度洋海温年际异常与热带BSISO关系密切,当印度洋为正(负)偶极子情况,中东印度洋北传BSISO减弱(加强);当印度洋为正(负)海盆异常(BWA)情况,印度洋西太平洋赤道地区(40°E -180°)东传BSISO加强(减弱)。印度洋海温年际变化通过大气环流背景场和BSISO结构影响热带BSISO不同传播模态强度的年际变化。在负(正)偶极子年夏季,由于对流层大气垂直东风切变加强(减弱),对流扰动北侧的正压涡度、边界层水汽辐合加强更明显(不明显),导致形成BSISO较强(弱)的经向不对称结构,因此北传BSISO偏强(减弱)。印度洋BWA模态通过影响赤道西风背景以及海气界面热力交换,导致赤道东传BSISO强度产生变化。在正BWA年夏季,赤道地区西风较明显,当季节内振荡叠加在这种西风背景下,扰动中心的东侧(西侧)风速减弱(加强)更明显,海面蒸发及蒸发潜热减弱(加强)更明显,导致扰动中心的东侧(西侧)海温升高(降低)幅度更大,从而使边界层产生辐合(辐散)更强、水汽更多(少),因此赤道东传BSISO偏强;而在负BWA年,赤道地区西风背景减弱,以上物理过程受削弱使赤道东传BSISO偏弱。     

影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区及机制初探

利用1958—2011年NCEP/ NCAR再分析资料和ERSST资料,采用Lanczos时间滤波器、相关分析、回归分析、合成分析和交叉检验等方法,研究了影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区海温异常的来源与可能机制。结果表明,前冬(12—2月)热带西南印度洋和热带西北太平洋是影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区。冬季热带西南印度洋(热带西北太平洋)的异常增暖是由前一年夏季El Ni?o早爆发(强印度季风异常驱动的行星尺度东-西向环流)触发、热带印度洋(西北太平洋)局地海气正反馈过程引起并维持到春季。冬季热带西北太平洋反气旋性环流(气旋性环流)及印度洋(热带西北太平洋)的暖海区局地海气相互作用使得印度洋(热带西北太平洋)海温异常维持到春末。春季,逐渐加强北移到10 °N附近的低层大气对北印度洋(热带西北太平洋)暖海温异常响应的东风急流(异常西风)及南海-热带西北太平洋维持的反气旋性环流(气旋性环流)异常,使得南海夏季风晚(早)爆发。      

IMPACTS OF THE TROPICAL PACIFIC COUPLED PROCESS ON THE INTERANNUAL VARIABILITY IN THE INDIAN OCEAN

The basic features of climatology and interannual variations of tropical Pacific and Indian Oceans were analyzed using a coupled general circulation model (CGCM), which was constituted with an intermediate 2.5-layer ocean model and atmosphere model ECHAM4. The CGCM well captures the spatial and temporal structure of the Pacific El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) and the variability features in the tropical Indian Ocean. The influence of Pacific air-sea coupled process on the Indian Ocean variability was investigated carefully by conducting numerical experiments. Results show that the occurrence frequency of positive/negative Indian Ocean Dipole (IOD) event will decrease/increase with the presence/absence of the coupled process in the Pacific Ocean. Further analysis demonstrated that the air-sea coupled process in the Pacific Ocean affects the IOD variability mainly by influencing the zonal gradient of thermocline via modulating the background sea surface wind.     

热带对流季内振荡强度异常特征及其与海表温度的关系

利用外逸长波辐射 (outgoing longwave radiation, OLR) 资料分析了热带对流季内振荡 (ISO) 强度的季节变化及年际异常特征, 重点研究其与海表温度的关系。结果表明:最强的OLR季内振荡主要位于高海表温度 (SST) 区, 即热带印度洋和热带西太平洋区域, 终年存在, 冬、春季最强, 振荡中心偏于夏半球。OLR季内振荡强度年际异常显著区域是热带中东太平洋区域、西北太平洋区域和西南太平洋区域, 它与SST年际异常存在局地正相关关系, 伴随环流的辐合辐散, 并与ENSO事件关系密切。另外, El Ni?o事件发生之前, 热带印度洋和热带西太平区域OLR季内振荡增强, 其中心随事件的发展逐渐东移, 事件发生后这两个区域ISO减弱, 这与OLR季内振荡强度年际异常显著的区域具有内在连贯性。海表温度是决定OLR季内振荡强度季节变化、年际异常的一个关键因子。     

热带对流和环流季内振荡强度与海表温度关系对比研究

利用外逸长波辐射(OLR）、风场和海表温度(SST)资料, 研究了热带大气季节内振荡(ISO)强度的季节变化特征, 发现热带印度洋和热带西太平洋区域是OLR和风场季内振荡最主要的共同活跃区。对比分析了OLR和风场季内振荡强度与海表温度异常之间的年际异常关系, 发现OLR季内振荡强度异常与海表温度异常之间存在显著局地正相关关系, 即在热带中东太平洋区域、热带西北太平洋区域和热带西南太平洋区域, 当海表温度正(负)异常时, OLR季内振荡增强(减弱),特别在冬春季节这一关系更清楚。除个别区域外, 风场季内振荡强度异常与海表温度异常不存在类似OLR的局地关系。OLR和风场季内振荡强度异常与海表温度异常之间局地和非局地关系的差异, 体现了两种要素特性的本质差异。但两种要素季内振荡强度在El Niño事件发展过程中的变化基本一致, 即在气候场中季内振荡活跃的区域, 事件发生之前季内振荡会增强, 并逐渐向东传播, 事件发生之后这些区域振荡减弱。     

Effects of air�Csea coupling on the boreal summer intraseasonal oscillations over the tropical Indian Ocean

The effects of air?Csea coupling over the tropical Indian Ocean (TIO) on the eastward- and northward-propagating boreal summer intraseasonal oscillation (BSISO) are investigated by comparing a fully coupled (CTL) and a partially decoupled Indian Ocean (pdIO) experiment using SINTEX-F coupled GCM. Air?Csea coupling over the TIO significantly enhances the intensity of both the eastward and northward propagations of the BSISO. The maximum spectrum differences of the northward- (eastward-) propagating BSISO between the CTL and pdIO reach 30% (25%) of their respective climatological values. The enhanced eastward (northward) propagation is related to the zonal (meridional) asymmetry of sea surface temperature anomaly (SSTA). A positive SSTA appears to the east (north) of the BSISO convection, which may positively feed back to the BSISO convection. In addition, air?Csea coupling may enhance the northward propagation through the changes of the mean vertical wind shear and low-level specific humidity. The interannual variations of the TIO regulate the air?Csea interaction effect. Air?Csea coupling enhances (reduces) the eastward-propagating spectrum during the negative Indian Ocean dipole (IOD) mode, positive Indian Ocean basin (IOB) mode and normal years (during positive IOD and negative IOB years). Such phase dependence is attributed to the role of the background mean westerly in affecting the wind-evaporation-SST feedback. A climatological weak westerly in the equatorial Indian Ocean can be readily reversed by anomalous zonal SST gradients during the positive IOD and negative IOB events. Although the SSTA is always positive to the northeast of the BSISO convection for all interannual modes, air?Csea coupling reduces the zonal asymmetry of the low-level specific humidity and thus the eastward propagation spectrum during the positive IOD and negative IOB modes, while strengthening them during the other modes. Air?Csea coupling enhances the northward propagation under all interannual modes due to the persistent westerly monsoon flow over the northern Indian Ocean.     

Progress of large-scale air-sea interaction studies in China

This paper summarizes the progress of large-scale air-sea interaction studies that has been achieved in China in the four-year period from July 1998 to July 2002, including seven aspects in the area of the air-sea interaction, namely air-sea interaction related to the tropical Pacific Ocean, monsoon-related air-sea interaction, air-sea interaction in the north Pacific Ocean, air-sea interaction in the Indian Ocean, air-sea interactions in the global oceans, field experiments, and oceanic cruise surveys. However more attention has been paid to the first and the second aspects because a large number of papers in the reference literature for preparing and organizing this paper are concentrated in the tropical Pacific Ocean, such as the ENSO process with its climatic effects and dynamics, and the monsoon-related air-sea interaction. The literature also involves various phenomena with their different time and spatial scales such as intraseasonal,annual, interannual, and interdecadal variabilities in the atmosphere/ocean interaction system, reflecting the contemporary themes in the four-year period at the beginning of an era from the post-TOGA to CLIVAR studies. Apparently, it is a difficult task to summarize the great progress in this area, as it is extracted from a large quantity of literature, although the authors tried very hard.     

Decadal and interannual variability of the Indian Ocean Dipole

This study investigates the decadal and interannual variability of the Indian Ocean Dipole （IOD）. It is found that the long-term IOD index displays a decadal phase variation. Prior to 1920 negative phase dominates but after 1960 positive phase prevails. Under the warming background of the tropical ocean, a larger warming trend in the western Indian Ocean is responsible for the decadal phase variation of the IOD mode. Due to reduced latent heat loss from the local ocean, the western Indian Ocean warming may be caused by the weakened Indian Ocean westerly summer monsoon. The interannual air-sea coupled IOD mode varies on the background of its decadal variability. During the earlier period （1948-1969）, IOD events are characterized by opposing SST anomaly （SSTA） in the western and eastern Indian Ocean, with a single vertical circulation above the equatorial Indian Ocean. But in the later period （1980-2003）, with positive IOD dominating, most IOD events have a zonal gradient perturbation on a uniform positive SSTA. However, there are three exceptionally strong positive IOD events （1982, 1994, and 1997）, with opposite SSTA in the western and eastern Indian Ocean, accompanied by an El Nifio event. Consequently, two anomalous reversed Walker cells are located separately over the Indian Ocean and western-eastern Pacific; the one over the Indian Ocean is much stronger than that during other positive IOD events.