西太平洋暖池海温的时空变化及其在ENSO循环中的作用

应用SODA_1.4.2版本资料,分析研究了热带西太平洋暖池(以下简称WPWP)海温场的变化特征,讨论了WPWP海温的时空变化特征与ENSO之间的联系途径.分析结果表明,在上层海洋,WPWP的海温场在垂向结构上具有显著的年际变化特征,在不同深度存在较大差异.表层的异常海温出现明显的增温趋势,在47年期间(1958-2004)增温幅度达0.15℃.而随着深度的增加,异常海温出现明显的降低趋势,次表层(120-170 m)的降温幅度最大,其降温可达-0.72℃.这种变化可能与20世纪70年代末WPWP区域的海温场发生突变过程存在一定关系.另外,在热带太平洋温跃层曲面上,WPWP区域海温变化与赤道东太平洋海温变化存在"跷跷板"现象.据此,定义了赤道东西太平洋温跃层曲面上异常海温变化强度指数,为ENSO循环过程的研究提供了又一参考依据.通过对WPWP不同深度的异常海温和海流分析发现,WPWP异常海温的东传过程与赤道潜流的强弱变化存在密切关系.     

西太平洋暖池变异及其对西太平洋次表层海温场的影响

应用热带太平洋上层XBT温度资料,分析研究了西太平洋暖池区(0°～16°N,125°～145°E)上层海洋的变化特征以及与西太平洋次表层海温场之间的关系.研究表明,西太平洋暖池区的垂向温度存在显著的年际变化,尤其在次表层(120～200m)的变化最为明显.西太平洋暖池区的次表层冷暖信号明显早于西太平洋次表层的海温异常.分析发现,西太平洋暖池区的海温异常是导致整个西太平洋次表层海温场变异的关键区,当西太平洋暖池区的次表层冷暖信号加强时,3～4个月后西太平洋海温场出现大范围的冷暖异常.     

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。     

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。     

El Niño对东亚气候年际异常影响的数值模拟

根据1949~1998年期间8次显著El Niño事件合成的24个月年际海温异常(SSTAs)和气候平均的海温(SST),利用CCM3分别进行了3个包含10次积分的集合试验,即控制试验(CTRL),热带太平洋海洋全球大气试验(TOGA)以及整个太平洋海洋全球大气试验(TOGA-NP),通过对比分析这3个试验之间的集合模拟结果,揭示了在El Niño不同演变阶段东亚气候年际异常响应结构以及北太平洋年际SSTAs在此过程中的调制作用.结果表明:El Niño发展阶段夏季,东亚地区大气环流异常呈显著的负PJ波列,副热带高压减弱、偏东,东亚夏季风增强,东北和江淮流域降水偏多,华北和长江流域及其以南地区降水偏少;El Niño成熟阶段冬季,东亚大槽加强,东亚北部冬季风加强,西太平洋副热带地区低层有显著的反气旋式异常风场,华南地区降水显著增多;El Niño衰亡阶段夏季东亚气候年际异常型与其发展阶段夏季几乎相反.同时,北太平洋年际SSTAs对El Niño影响东亚气候年际异常有一定的调制作用,使模拟的我国降水异常分布更符合观测.     

北赤道流区海温异常与ENSO循环

应用热带太平洋上层XBT温度资料，分析探讨了西太平洋暖池区次表层海温冷暖异常信号的变化规律，揭示了影响西太平洋暖池区次表层海温冷暖异常信号的机制。分析表明，西太平洋暖池区的次表层海温异常冷暖与太平洋北赤道流的海温冷暖异常信号西传有重要关系。北赤道流的海温异常冷(暖)信号是沿温跃层由赤道中东太平洋潜沉向西太平洋暖池区传播，对暖池区域次表层海温场产生重要影响。这一传播过程与西太平洋次表层海温异常暖(冷)信号向赤道中东太平洋传播，构成了热带海洋信号的气旋式“信号通道”。在这一“信号通道”中，北赤道流的海温异常信号西传是导致西太平洋暖池区及西太平洋次表层海温异常的重要机制，是影响El Nifio和La Nifia事件发生的关键。     

海温距平的ENSO模和类ENSO模的三维结构

用美国马里兰大学提供的海洋同化(SODA)月平均资料,深入揭示了ENSO模的海洋三维结构及其年际和年代际变率。研究结果指出,ENSO海洋模随深度呈明显规律变化。在热带太平洋,它由热带中东太平洋表层显著海温异常分布型随深度增加逐渐过渡为热带西太平洋次表层显著反号海温异常分布型;在赤道太平洋以赤道西太平洋暖池次表层海温显著异常与赤道中东太平洋表层海温反号显著异常为主要特征。El Nino期间,热带中东太平洋表层为强海温正距平中心,西太平洋暖池次表层为强海温负距平中心,在年际尺度上,160°E以西的西北太平洋副热带海域还存在一个与西太平洋海温异常变化反号、与热带东太平洋同号的区域;La Nina期间正好相反。ENSO循环主要由ENSO年际变率所决定,年际ENSO模具有东部型ENSO事件的海温异常分布特征,其循环是东部型冷暖事件之间的转换,在200m以浅,它具ENSO模相同的三维结构和3-5年的显著年际变化周期;年代际类ENSO模具有中部型ENSO事件的海温异常分布特征,年代际ENSO循环是中部型冷暖事件之间的转换,其影响主要限制在200m以浅的海洋上层,具有ENSO模相似的三维结构和9-23年的显著周期。     

西太平洋暖池热状况变化特征及其东传过程

应用JEDAC海温和SODA再分析资料,分析研究了西太平洋暖池(WPWP)的热状况变化特征,探讨了WPWP的热含量变化与不同深度海温变化,特别是与表层和次表层海温场之间的内在联系,分析研究了WPWP异常海温东传过程中与温跃层变化之间的关系,最后讨论了赤道潜流在异常海温东传过程的作用。结果表明,WPWP区域的热含量变化与次表层的海温变化具有相同变化趋势。WPWP区域的热含量变化与次表层海温达到(超过)99.9%信度检验的相关出现在次表层海温变化超前热含量变化的12个月至次表层海温变化滞后热含量变化12个月,最佳相关出现在同期,相关系数r=0.92(样本n=552)。WPWP区域的热含量变化与SST达到99.9%信度检验的相关只出现在热含量滞后SST5个月至同期。这一结果表明,WPWP区域的热含量变化主要体现了次表层海温场的变化特征。由此认为,WPWP区域热含量变化(次表层海温场)对气候变化的贡献主要体现在东向传播对ENSO的贡献上。由WPWP异常海温沿赤道东传过程和温跃层变化之间的关系可知,温跃层变化滞后于WPWP区域东传的异常海温,在WPWP区域异常海温东传过程中,赤道潜流起了重要作用。     

西太平洋暖池表层暖水的纬向运移

基于1950～2000年太平洋月平均SST资料,运用Morlet小波分析等方法研究了西太平洋暖池表层暖水的纬向运移特征.结果表明:暖池表层暖水纬向运移的年际(2～8a)和年代际(10～16a)变化都非常明显;表层暖水的纬向运移于1982年前后经历了一次气候跃变,跃变后暖水东界的平均位置比跃变前东移了10个经度;表层暖水的纬向运移对ENSO暖(ElNiño)、冷(LaNiña)事件的形成和发展具有直接的作用.     

2010/2011年中部型La Nia事件形成机理及其垂直环流异常

应用TAO(Tropical Atmosphere Ocean project)热带太平洋实测海温和风场资料,分析研究了2010/2011年La Nia事件的变化特征,讨论了此次过程中赤道太平洋次表层异常海温的变化特征及其传播过程,以及上层海温场的异常变化机理。结果表明,2010/2011年的La Nia事件与传统事件不同,是一次明显的中部型La Nia事件(简称CPP La Nia),其爆发过程主要存在两个不同机制的响应过程:一是西太平洋暖池(WPWP)区域次表层异常冷海温通过赤道潜流的作用沿温跃层东传,导致赤道东太平洋上层海洋温度场出现异常降温:二是赤道中东太平洋出现强的距平东风,通过上升流作用,导致冷海温上传影响中太平洋上层异常海温场。前者是导致La Nia事件的必要条件,后者则是形成此次中部型La Nia事件的关键过程。由分析结果还表明,日界线以东赤道太平洋纬向风变化对中西太平洋上层海温场变化有重要影响,是导致此次中部型事件爆发的重要机制。文章进一步分析了此次中部型La Nia事件过程中热带垂直环流的变化,结果表明经向和纬向大气环流都表现出明显的异常。     

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.     

Effects of interannual salinity variability on the dynamic height in the western equatorial Pacific as diagnosed by Argo

In this paper, interannual variations of the ocean dynamic height over the tropical Pacific are diagnosed using three-dimensional temperature and salinity fields from Argo profiles, with a focus on the...     

IOCAS ICM及其ENSO实时预测试验和改进

厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)是仅次于季节变化的最强年际气候变率信号,对全球气候和天气产生重要影响。准确、及时、有效地预报ENSO事件的发生和演变具有重大的实用意义。以中国科学院海洋研究所冠名的中等复杂程度海气耦合模式(IOCAS ICM),每月定期进行ENSO实时预报试验。IOCAS ICM实时预报结果目前收录于美国哥伦比亚大学国际气候研究所(IRI),以作进一步的集成分析和应用。该模式的大气部分是一个描述对海表温度(SST)年际异常响应的风应力异常经验模式,海洋部分包括了动力海洋模块、SST距平模块(嵌套于动力海洋模块中)和次表层上卷海温(T_e)距平模块三部分。IOCAS ICM的特点之一是开发了次表层海温反算优化这一创新技术,可有效改进热带太平洋SST异常的模拟和预报。IOCAS ICM和其他海气耦合模式的最新预报结果(以2017年9月为初条件)表明,2017年年末热带太平洋会处于一个SST冷异常态,最大变冷中心集中在赤道东太平洋,但并不足以达到拉尼娜(La Ni?a)事件的水平,SST冷异常可能会在2018年春季逐渐减弱,转化为中性状态。此外,本文还对四维变分资料同化方法(4D-Var)以及条件非线性最优扰动方法(CNOP)在IOCAS ICM中的应用进行了讨论。     

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。     

南海海面高度变化及其与太平洋上涛动信号的关系

本文使用循环平稳经验正交函数(CSEOF)方法分析了南海海面高度(SCS-SSH)的时空变化模态,并对它们与太平洋海盆尺度振荡的关系进行了探讨分析。结果表明,SCS-SSH的第一个CSEOF模态是季节变化模态,其变化强度受到一个与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有关的低频信号的调制,即在厄尔尼诺期间季节变化的幅度减弱(最大可降低30%,1997/98)而在拉尼娜期间季节变化增强。SCS-SSH的第二个CSEOF模态是年际-年代际尺度的低频变化模态,其空间模态的月与月之间的差异微弱,而时间模态和太平洋年代际振荡(PDO)指数高度相关。然后,我们使用独立成分分析(ICA)方法提取了太平洋中的五个主要振荡成分,并检验了它们对SCS-SSH变化的各自影响。分析表明,纯粹的ENSO模态(类似于太平洋东部型ENSO)对SCS-SSH的低频变化的影响比较微弱,而ENSO的红化模态(类似于太平洋中部型ENSO)对SCS-SSH的低频变化具有明显影响。由于ENSO的红化模态是PDO信号的一个主要成分,这一结果解释了为什么在影响SCS-SSH的低频变化上PDO比ENSO更重要。径向鞍型振荡模态、黑潮延伸体处的增温模态、以及赤道的降温模态也由ICA方法提取出来,但它们对SCS-SSH低频变异的影响微弱。进一步的分析表明,太平洋的涛动信号可能以不同的方式来影响南海海面高度变化和海表温度变化。     

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.     

南半球热带外气候变量与两种ENSO的联系

This study uses the Climate Forecast System Reanalysis(CFSR) to investigate the responses of the Southern Hemisphere(SH) extratropical climate to two types of El Ni?o–Southern Oscillation(ENSO)—the eastern Pacific(EP) type and the central Pacific(CP) type in different seasons. The responses are denoted by the anomalies of climate variables associated with one-standard-deviation increase in the Ni?o3 or Ni?o4 index. The results show that in austral spring the differences in the ENSO-related anomaly(ERA) patterns of atmospheric circulation between the EP ENSO period(1979–1998) and CP ENSO period(1999–2010) are mainly associated with the change in the ENSO-PSA2 relationship. Such differences affect the ERA fields of surface air temperature and mixed layer temperature, and finally result in significant differences in sea-ice concentration anomalies in the Atlantic sector. In austral summer, significant correlation exists between the variations of SAM and both of the variations of Ni?o3 and Ni?o4 in 1979–1998, while the correlation between SAM and Ni?o4 disappears in 1999–2010. For all seasons, the strength of the climate ERAs depend on if there are close relationship between ENSO and the major climate variation modes of the SH extratropics. For the climate variables, the ERA patterns of surface air temperature are generally controlled by surface wind anomalies and mirrored by the mixed layer temperature anomalies. The mixed layer depth anomalies are primarily modulated by surface heat flux anomalies and occasionally by anomalous wind. There are strikingly strong anomalies of surface heat flux in the autumn of 1979–1998 related to the Ni?o3 variation, the period when there is only significant correlation between ENSO and PSA2. There are no evidence that the SH extratropical climate variability induced by Ni?o3 variations are stronger in the EP-ENSO period, and that variability induced by Ni?o4 variations are stronger in the CP-ENSO period.     

ENSO相联系的热带太平洋上层海洋异常环流

本文使用SODA(simple ocean data assimilation)海洋同化资料,系统分析了厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)循环中冷暖位相期间热带太平洋上层海洋环流的演变规律,探讨了形成海洋环流异常的新机制。结果表明,在厄尔尼诺成熟期,热带中东太平洋赤道潜流最弱,赤道两侧出现反气旋性环流异常;西太平洋赤道外热带海域出现气旋性环流异常,该区南、北赤道流、棉兰老流、黑潮、新几内亚沿岸潜流及南赤道逆流增强;北赤道逆流区出现异常气旋性环流串,北赤道逆流接近正常。在厄尔尼诺衰退期和拉尼娜发展期,热带中西太平洋赤道潜流达到极强,赤道两侧出现气旋性环流异常;西太平洋赤道外热带海域异常环流减弱,该处主要流场的强度减弱或处于正常状态;北赤道逆流区反转为异常西向流。结果表明, ENSO循环期间的上层海洋环流异常受到热带太平洋温跃层深度异常产生的压强梯度力异常调控,在赤道外热带海洋温跃层深度异常和科里奥利力共同作用产生大尺度海洋环流异常,而在赤道海域,海洋温跃层深度异常和Gill效应造成赤道潜流异常以及关于赤道对称的气旋或反气旋性环流异常。     

热带印度洋SST海盆模态的“充电/放电”作用——对夏季南亚高压的影响

根据观测资料和海气耦合模式初值试验结果,通过比较分析热带太平洋SST主模态(ENSO模)和热带印度洋SST主模态(海盆模)对夏季南亚高压的影响,揭示了印度洋海盆模的"充电/放电"作用:赤道中东太平洋海温异常首先对印度洋进行"充电",形成热带印度洋SST对太平洋EN-SO的响应模态——海盆模。该模态在ENSO发生翌年春季达到峰值位相,而且有很好的持续性,可以从春季持续到夏季,该暖(冷)模态可以引起大气的"Matsuno-Gillpattern"响应,并通过亚洲夏季平均西南季风的异常水汽输送等使得夏季南亚高压偏强(弱),即为"放电"过程。而赤道中东太平洋海温异常对夏季南亚高压的直接影响并不显著,并指出了夏季南亚高压和超前3~12个月Nio3指数之间高的显著正相关关系只是一个表象,并不是太平洋海温异常对南亚高压的直接影响结果,而是通过印度洋海盆模态的"充电/放电"作用引起的。     

2009/2010年El Ni(n)o事件变化特征及其机理

应用TAO (Tropical Atmosphere Ocean project)热带太平洋实测海温和风场资料,分析研究了发生在2009/2010年的El Ni(n)o事件的变化特征,讨论了此次El Ni(n)o事件发生过程中,赤道东、西太平洋次表层异常海温的变化特征及其传播过程,特别是对赤道太平洋次表层异常海温变化的...