简易海洋同化数据中的厄尔尼诺现象

为研究在厄尔尼诺现象演变过程中海气相互作用的性态特征,该文再次应用拓展伴随模态分析于简易海洋同化数据(SODA data).结果表明:通过相互作用形成厄尔尼诺/拉尼娜现象的海洋与大气具有明显不同的性态,气候系统中并不存在一个相对独立的热带太平洋大气变异,但是的确存在一个相对独立的热带太平洋海洋变异;原因在于大气是底部界面受热而海洋是顶部界面受热,从而导致前者具有较后者强烈得多的斜压不稳定性和能够覆盖大部分热带太平洋的赤道辐合带; 再次证实了正是直接来自中纬度海域的西风爆发和海面风辐聚导致赤道太平洋上层海水的东向移动和经向辐聚造就了厄尔尼诺所特有的增温信号.     

El Ni(n)o phenomenon in simple ocean data assimilation data

To study how the air and sea interact with each other during El Nino/La Nina onsets, extended associate pattern analysis (EAPA) is adopted with the simple ocean data assimilation (SODA) data. The results show that as El Nino/La Nina' s parents their behaviors are quite different, there does not exist a relatively independent tropical atmosphere but does exist a relatively independent tropical Pacific Ocean because the air is heated from the bottom surface instead of the top surface and of much stronger baroclinic instability than the sea and has a very large inter-tropical convergence zone covering the most tropical Pacific Ocean. The idea that it is the wester burst and wind convergence, coming from middle latitudes directly that produce the seawater eastward movement and meridional convergence in the upper levels and result in the typical El Nino sea surface temperature warm signal is confirmed again.     

Impact of the central Pacific zonal wind divergence and convergence on the central Pacific El Nio event

The central Pacific(CP) zonal wind divergence and convergence indices are defined, and the forming mechanism of CP El Nio(La Nia) events is discussed preliminarily. The results show that the divergence and convergence of the zonal wind anomaly(ZWA) are the key process in the forming of CP El Nio(La Nia) events. A correlation analysis between the central Pacific zonal wind divergence and convergence indices and central Pacific El Nio indices indicates that there is a remarkable lag correlation between them. The central Pacific zonal wind divergence and convergence indices can be used to predict the CP events. Based on these results, a linear regression equation is obtained to predict the CP El Nio(La Nia) events 5 months ahead.     

E1 Nio phenomenon in simple ocean data assimilation data

1 IntroductionIt is well known that interaction between the trop-ical ocean and atmosphere produces the largest inter-annual climate signal, El Nino-Southern Oscillation(ENSO). In past decades many efforts have been madein understanding and predicting ENSO: such as the hy-pothesis of Bjerknes (1969) that ENSO arises as aself-sustained cycle in which SSTA in the Pacific O-cean causes the trade winds to strengthen or slackenand that this in turn drives the ocean circulation changesthat …     

中国科学院气候系统模式模拟的ENSO循环

On the basis of more than 200-year control run, the performance of the climate system model of Chinese Academy of Sciences(CAS-ESM-C) in simulating the El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO) cycle is evaluated, including the onset, development and decay of the ENSO. It is shown that, the model can reasonably simulate the annual cycle and interannual variability of sea surface temperature(SST) in the tropical Pacific, as well as the seasonal phase-locking of the ENSO. The model also captures two prerequisites for the El Ni?o onset, i.e., a westerly anomaly and a warm SST anomaly in the equatorial western Pacific. Owing to too strong forcing from an extratropical meridional wind, however, the westerly anomaly in this region is largely overestimated. Moreover, the simulated thermocline is much shallower with a weaker slope. As a result, the warm SST anomaly from the western Pacific propagates eastward more quickly, leading to a faster development of an El Ni?o. During the decay stage, owing to a stronger El Ni?o in the model, the secondary Gill-type response of the tropical atmosphere to the eastern Pacific warming is much stronger, thereby resulting in a persistent easterly anomaly in the western Pacific. Meanwhile, a cold anomaly in the warm pool appears as a result of a lifted thermocline via Ekman pumping. Finally, an El Ni?o decays into a La Ni?a through their interactions. In addition, the shorter period and larger amplitude of the ENSO in the model can be attributed to a shallower thermocline in the equatorial Pacific, which speeds up the zonal redistribution of a heat content in the upper ocean.     

信风张弛对赤道东、西太平洋斜压扰动的影响研究

利用一个斜压两层海洋模式解析地研究了赤道东、西太平洋对信风张弛的响应特征.研究表明:当赤道上空偏东信风张弛或转为西风时,由于打破了海洋原来的平衡关系,结果在赤道东、西太平洋的温跃层附近产生了扰动并开始传播.西太平洋温跃层附近的扰动向东传播的速度远大于东太平洋扰动向西传播的速度,而且与东太平洋温跃层扰动向西传播的狭窄范围和小振幅相比,西太平洋温跃层扰动向东传播的范围和强度均很大.这与最近几次强厄尔尼诺增暖事件暖水从赤道西太平洋向赤道中、东太平洋的迅速传播特征是一致的.     

热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响

本文利用1950-2015年间Hadley环流中心海冰和海温资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响,并从大气环流和净表面热通量两个角度探讨了可能的物理机制。结果表明,在ENSO事件发展年的夏、秋季节,EP型与CP型El Niño事件与北极海冰异常的联系无明显信号。而La Niña事件期间北极海冰出现显著异常,并且EP型与CP型La Niña之间存在明显差异。EP型La Niña发生时,北极地区巴伦支海、喀拉海关键区海冰异常减少,CP型La Niña事件则对应着东西伯利亚海、楚科奇海地区海冰异常增加。在EP型La Niña发展年的夏、秋季节,热带太平洋海温异常通过遥相关波列,使得巴伦支海、喀拉海海平面气压为负异常并与中纬度气压正异常共同构成类似AO正位相的结构,形成的风场异常有利于北大西洋暖水的输入,同时造成暖平流,偏高的水汽含量进一步加强了净表面热通量收入,使得巴伦支海、喀拉海海冰异常减少。而在CP型La Niña发展年的夏季,东西伯利亚海、楚科奇海关键区受其东侧气旋式环流的影响,以异常北风分量占主导,将海冰从极点附近由北向南输送到关键区,海冰异常增加,而净表面热通量的作用较小。     

Variational iteration solving method for El Niño phenomenon atmospheric physics of nonlinear model

A class of E1 Niйo atmospheric physics oscillation model is considered. The E1 Niйo atmospheric physics oscillation is an abnormal phenomenon involved in the tropical Pacific ocean-atmosphere interactions. The conceptual oscillator model should consider the variations of both the eastern and western Pacific anomaly patterns. An E1 Niйo atmospheric physics model is proposed using a method for the variational iteration theory. Using the variational iteration method, the approximate expansions of the solution of corresponding problem are constructed. That is, firstly, introducing a set of functional and accounting their variationals, the Lagrange multiplicators are counted, and then the variational iteration is defined, finally, the approximate solution is obtained. From approximate expansions of the solution, the zonal sea surface temperature anomaly in the equatorial eastern Pacific and the thermocline depth anomaly of the sea-air oscillation for E1 Niйo atmospheric physics model can be analyzed. E1 Niйo is a very complicated natural phenomenon. Hence basic models need to be reduced for the sea-air oscillator and are solved. The variational iteration is a simple and valid approximate method.     

海洋初始状态对预报2002/03年中太平洋型厄尔尼诺事件的作用

2002/03年厄尔尼诺事件,是暖海温中心出现在赤道中太平洋区域的一种新型厄尔尼诺,即中太平洋型厄尔尼诺。本文基于一个厄尔尼诺预测系统,利用三组回报试验来详细区分海洋表层和次表层初始状态对预报2002/03年中太平洋型厄尔尼诺事件的作用,并由此来探寻对预报厄尔尼诺演变过程最有利的初始条件。回报试验分为三组:(1)仅同化海表温度观测(sea surface temperature;简称SST)来优化海洋表层初始状态(Assim_SST);(2)仅同化海表高度观测(sea level;简称SL)来更新海洋次表层初始状态(Assim_SL);(3)同时同化SST和SL观测来一起更新海洋表层和次表层初始状态(Assim_SST+SL)。回报试验结果表明,三种不同的初始条件都可以使模式提前一年成功地预报2002/03年厄尔尼诺事件,并且"Assim_SST+SL"回报试验的效果最好。三组回报试验结果间的对比表明:海洋表层和次表层初始状态均对成功地预报该事件有重要作用,但其作用分别集中在事件发展的不同阶段。精确的海洋表层初始状态更容易激发模式预报出一次厄尔尼诺事件,而更合理的海洋次表层初始状态则能有效地提高厄尔尼诺事件预报的强度。     

全球变暖背景下最近40年太平洋海温变化数值模拟

用Non-Boussinesq POP模式和1960—1999年NCEP的1 000 hPa大气温度和风场资料,模拟了最近40 a太平洋海温的变化,通过与实际观测结果比较,得出模拟结果是可信的,并且得到了一些有意义的结果:在海面,太平洋最大的增温发生在赤道中东太平洋,即Niño1-Niño4区内,最大的降温在中纬度南北太平洋中部,除了北半球太平洋西岸40°N附近为降温外,在北半球太平洋沿岸基本上为升温,但太平洋东海岸的升温幅度要远大于西海岸;在太平洋0~483 m深度垂直方向,除了赤道中太平洋区域海温的变化在海面为上升,在169 m处为下降,在483 m处又转为上升外,其他区域海温的变化在垂直方向基本上为线性变化。在全球增暖的背景下,虽然El Niño现象在20世纪90年代以后表现出增强的趋势,但是反映在赤道表面以下的次表层西太平洋暖池中的异常暖中心,在由西向东移动过程中其强度却是减弱的。     

中西太平洋金枪鱼围网渔场聚类及其原因分析

本文根据1995-2010年我国中西太平洋金枪鱼围网生产统计数据,按年和月不同时间空间分辨率对金枪鱼围网渔场进行聚类分析,划定不同渔场类型;同时结合海表温度（SST）及Niño3.4区指数,探讨其渔场类型形成的原因。研究表明,在月为时间尺度下气候异常事件（El Niño和La Niña事件）发生频次与渔场聚类结果类别相关联,在1-12月发生气候异常事件频数分布可划分为以下几个阶段:1-3月、4-6、7-9月、10-12月,与月时间尺度下金枪鱼围网中心渔场4种聚类结果的时间范围具有一致性。通过渔场重心聚类结果和El Niño和La Niña事件分类统计对比发现,在年时间尺度下,气候异常事件的类型与聚类结果相关联,聚类结果同一类别包含的年份发生的气候异常事件具有一致性,即在同一类别下1995年、1997年为强El Niño年;1998年、2007、年、2009年为正常年份;2010年为强La Niña年;1999年、2000年、2001年为La Niña年;1996年、2008年为La Niña年;2002年、2004年为El Niño年。研究认为,中心渔场的年际聚类变化与El Niño、La Niña事件的发生分布具有很强的相关性,因此可以利用El Niño、La Niña指标来预测渔场的年间和月份间的变化。     

异常气候条件下秘鲁外海茎柔鱼栖息地的时空变动

茎柔鱼主要分布于东太平洋，是我国鱿钓渔船的主要捕捞对象，气候变化对其栖息地有较大影响。本研究依据1950?2015年海表温度(SST)、海表高度距平(SSHA)以及尼诺指数(Ni?o3.4指数)，计算秘鲁外海茎柔鱼栖息地适宜性指数(HSI)，分析在厄尔尼诺(El Ni?o)、正常气候和拉尼娜(La Ni?a)条件下适宜栖息地的时空变动。分析表明，海表温度距平(SSTA)和SSHA与Ni?o3.4指数的变化趋势基本相同，Ni?o3.4指数与SSTA和SSHA均呈显著正相关，但与HSI值呈显著负相关。依据气候事件的定义，将研究年份划分为El Ni?o年，正常年和La Ni?a年。研究发现，在El Ni?o年，茎柔鱼渔场水温变暖，海面高度上升，适宜的SST和SSHA范围缩小，导致适宜的栖息地面积范围缩减；而在正常气候和La Ni?a年份，茎柔鱼渔场水温变冷，海面高度下降，适宜的SST和SSHA范围增大，因此适宜的栖息地面积范围增加。此外，Ni?o3.4指数和茎柔鱼渔场HSI纬度重心呈显著正相关，在El Ni?o事件下适宜的栖息地纬度重心向南偏移。研究认为，不同ENSO事件下茎柔鱼渔场环境变化显著，进而影响茎柔鱼适宜的栖息地范围及其空间分布。     

厄尔尼诺/拉尼娜信号循环回路及其传播特性研究

基于1992～2001年卫星高度计资料分析了海面高度距平在厄尔尼诺/拉尼娜(El Niño/La Niña)现象中的演变过程,发现:(1)在El Niño过程中,海面高度正距平信号从西太平洋沿赤道海域向东传播至东海岸,然后分成南北两支,北支在10°N附近从东太平洋传回西太平洋的信号最强,到达西太沿岸海域再传回赤道,表明El Niño信号传播在北半球存在一明显循环回路.赤道以南循环圈不及赤道以北环路清晰.东太平洋的季节变化信号主要通过6°N,10°N和8°S附近的3个通道向西太平洋传播.La Niña信号主要从5°N和7°S向西传播;(2)在大洋海盆尺度快速传播信号背景下,存在波长700～800km的慢速传播信号,两类信号将信息在太平洋内传送.传播速度分析表明,慢速传播信号的相速与Rossby波相速相符,而快速传播信号应该是海洋对大气变异的响应.     

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。     

两类La Nia季节演变过程的海气耦合特征对比

利用1951—2010年逐月的HadISST海表温度资料、SODA次表层海温资料和NCEP/NCAR再分析资料等,对比分析了东太平洋(EP型)La Nia和中太平洋(CP型)La Nia的海气耦合特征在季节演变过程中的差异。EP La Nia海表温度异常中心在发展年夏季出现于南美沿岸,随后向西移动,盛期最大海表温度异常中心位于赤道东太平洋,而CP La Nia海温异常中心少动,基本维持在160°W附近,其强度更强,持续时间更长。受海温分布形态影响,热带大气对两类La Nia的响应非常不同,成熟期间CP型在中太平洋偏旱的强度和范围比EP型大,且略偏西。发展年夏、秋季,北半球位势高度响应较弱;冬季,负PNA位相易伴随两类La Nia出现,但异常活动中心的位置和强度不同,在北大西洋其大气响应几乎相反,这些差异会引起显著不同的区域气候异常。     

印度洋不同海温模态对两类厄尔尼诺事件与我国南方秋季降水关系的影响

利用1951—2015年NOAA气候预测中心的SST扩展重建资料（ERSST V3b）、国家气候中心提供的我国160站月降水量资料、美国国家环境预报中心/大气研究中心（NCEP/NCAR）提供的各气压层的水平风速、垂直速度和比湿资料,研究了印度洋不同海温模态对两类厄尔尼诺事件与我国南方秋季降水关系的影响。结果表明,虽然东部型（中部型）厄尔尼诺年秋季我国长江以南地区降水偏多（少）,但当东部型厄尔尼诺与印度洋正偶极子同时发生年秋季,我国长江以南地区降水偏多的程度显著提高;当中部型厄尔尼诺与印度洋正偶极子同时发生年秋季,我国西南地区降水转为偏多,其他南方地区降水仍然偏少;当中部型厄尔尼诺与印度洋一致增暖型海温同时发生年秋季,我国整个长江以南地区降水偏少,且偏少的幅度要显著高于不考虑印度洋海温异常的情况。此外还对印度洋不同海温模态对两类厄尔尼诺事件与我国南方秋季降水关系的影响的环流成因进行了分析。     

Diagnosis of the ENSO modulation of tropical cyclogenesis over the southern South China Sea using a genesis potential index

The modulation of tropical cyclogenesis over the southern South China Sea (SSCS) by the El Nin o- Southern Oscillation (ENSO) is examined in October-December (OND), when tropical cyclone (TC) activities are most active in this region. The results reveal that there were more TCs formed over the SSCS during La Nin a years and less TCs during El Nin o years. How different environmental factors (including low-level vorticity, mid-level relative humidity, vertical wind shear, and potential intensity) contribute to this influence is investigated, using a genesis potential (GP) index developed by Emanuel and Nolan. Composite anomalies of the GP index are produced for El Nin o and La Nin a years separately, which could account for the changes of TC frequency over the SSCS in different ENSO phases. The degree of contribution by each factor is determined quantitatively by producing composites of modified indices in which only one of the contributing factors varies, with the others set to climatology. The results show that the mid-level relative humidity makes the largest contribution to the ENSO modulation of tropical cyclogenesis over the SSCS. Although warmer sea surface temperatures (SSTs) and larger amount of evaporation from the ocean surface were observed over the SSCS during El Nin o years, anomalous descending motions due to the anomalous Walker circulations inhibited the upward transports of water vapor and led to less moisture contents in the middle troposphere, which suppressed TC formations.     

超强厄尔尼诺事件次年台风生成偏晚原因分析

The 2015/2016 El Ni?o event reached the threshold of super El Ni?o event, and was comparable to the super events in 1982/1983 and 1997/1998. Interestingly, the tropical cyclones(TCs) were found to have very late onsets in the decaying years of the super El Ni?o events. This study discusses the causes of late TC onsets related with atmospheric circulation, disturbance sources and trigger mechanisms. The analysis shows that the western North Pacific subtropical high(WNPSH) from January–June during the decaying years of the super El Ni?o events were stronger than the climatic mean, which resulted in a relatively stable atmospheric state by inhibiting deep convection. As a disturbance source, the April–June intertropical convergence zone(ITCZ) during the decaying years of the super El Ni?o events were significantly weaker than its climatic mean. The cross-equatorial flow and monsoon trough, as important TC generation triggers, were weaker from April–June during the decaying years of the super El Ni?o events, which further reduced the probability of TC generation. As for the late TC onsets, the role of atmospheric circulation anomalies(i.e., subtropical-high, the ITCZ, cross-equatorial flow, and monsoon trough) were more important. The cross-equatorial flow may take as predictor of TC onsets in the decaying years of the super El Ni?o events.     

热带太平洋海平面低频变化

本文选取ECMWF ORAS4再分析数据对1959-2015年热带太平洋海平面的低频变化进行了分析。热带太平洋海平面年际变化第一模态反映了ENSO爆发阶段的海平面变化,热带东、西太平洋变化反相,其时间序列与Niño3.4指数高度相关。海平面第二模态则体现了El Niño爆发前后热带太平洋暖水的输运过程。El Niño爆发前热带西太平洋暖水聚集的位置,以及爆发后暖水向赤道外输运的位置在两类El Niño事件中均有所不同。此外,ENSO的周期在近半个世纪发生了显著的年代际变化,这一变化与热带太平洋的年代际变化有关。热带太平洋的年代际变化对海平面趋势变化也有着显著的影响。卫星高度计观测到的近20年海平面的快速上升（下降）正是由20世纪90年代后热带太平洋频繁的位相转换引起的。     

两类强度厄尔尼诺和拉尼娜事件对中国近海鲐鱼栖息地的影响

鲐鱼是中上层鱼类，具有较高经济价值，其种群受到气候和海洋环境的显著影响。本文根据2006-2015年7-9月中国远洋渔业数据中心提供的中国近海鲐鱼捕捞和海表温度以及海面高度两个关键环境因子的数据，构建了基于捕捞努力量的鲐鱼综合栖息地指数模型，分析研究了在不同强度厄尔尼诺和拉尼娜条件下鲐鱼栖息地适宜性的变动规律。通过计算和交叉验证，结果发现，基于算术平均法的栖息地模型能够较好地预测鲐鱼渔场栖息地适宜性指数。空间相关性结果表明，鲐鱼渔场主要作业海域范围内海表温度异常与栖息地指数值呈显著正相关关系，而海表面高度异常与栖息地指数值呈显著负相关关系。不同强度厄尔尼诺和拉尼娜事件对鲐鱼种群影响不同，具体表现为:相对于中强度厄尔尼诺事件（或中强度拉尼娜事件），超强厄尔尼诺事件（或强拉尼娜事件）驱动鲐鱼主要作业海域内温度下降（或上升），海面高度上升（或降低），鲐鱼渔场适宜栖息地面积显著减小（或增大），导致鲐鱼单位捕捞努力量渔获量骤减（或显著增加）。研究表明，中国近海鲐鱼栖息地适宜性与厄尔尼诺和拉尼娜事件显著相关，且随着异常气候事件强度的不同而发生变化。