关于ENSO本质的进一步研究

基于ENSO是热带太平洋海气相互作用产物的科学观点,一系列的分析研究表明:赤道太平洋次表层海温异常(SOTA)有明显的年际变化(循环),并且与ENSO发生密切相关;ENSO的真正源区在赤道西太平洋暖池,赤道西太平洋暖池正(负)SOTA沿赤道温跃层东传到东太平洋,导致El Nino(La Nina)的爆发;在暖池正(负)SOTA沿赤道温跃层东传的同时,将有负(正)SOTA沿10°N和10°S两个纬度带向西传播,从而构成SOTA的循环;热带太平洋SOTA年际循环的驱动者主要是由异常东亚季风所引起的赤道西太平洋纬向风的异常.进而,可以提出关于ENSO本质的一种新理论,即ENSO实质上主要是由异常东亚季风引起的赤道西太平洋异常纬向风所驱动的热带太平洋次表层海温距平的年际循环.       

ENSO机理及其预测研究

资料分析研究表明ENSO(El Ni?o和La Ni?a)实际上是热带太平洋次表层海温距平的循环,而次表层海温距平的循环是赤道西太平洋异常纬向风所驱动的,赤道西太平洋的异常纬向风又主要由异常东亚冬季风所激发。因此可以将ENSO的机理视为主要是由东亚季风异常造成的赤道西太平洋异常纬向风所驱动的热带太平洋次表层海温距平的循环。同时分析还表明,热带西太平洋大气季节内振荡(ISO)的明显年际变化,作为一种外部强迫,对ENSO循环起着十分重要的作用;El Ni?o的发生同大气ISO的明显系统性东传有关。资料分析也表明,El Ni?o持续时间的长短与大气环流异常有密切关系。 用非线性最优化方法研究El Ni?o－南方涛动(ENSO)事件的可预报性问题,揭示了最容易发展成ENSO事件的初始距平模态,即条件非线性最优扰动(CNOP)型初始距平;找出能够导致显著春季可预报性障碍(SPB),且对ENSO预报结果有最大影响的一类初始误差——CNOP型初始误差,进而探讨耦合过程的非线性在SPB研究中的重要作用,提出了关于ENSO事件发生SPB的一种可能机制;用CNOP方法揭示了ENSO强度的不对称现象,探讨ENSO不对称性的年代际变化问题,提出ENSO不对称性年代际变化的一种机制;建立了关于ENSO可预报性的最大可预报时间下界、最大预报误差上界和最大允许初始误差下界的三类可预报性问题,分别从三个方面揭示ENSO事件的春季可预报性障碍现象,比较有效地量化了模式ENSO事件的可预报性。 利用中国科学院大气物理研究所地球流体力学数值模拟国家重点实验室的ENSO预测系统,研究了海洋资料同化在ENSO预测中的应用,该系统可以同时对温、盐剖面资料和卫星高度计资料进行同化。并且在模式中采用次表层上卷海温的非局地参数化方法,可有效地改进ENSO模拟水平。采用集合卡曼滤波(Ensemble Kalman Filter,EnKF)同化方法以及在集合资料同化中“平衡的”多变量模式误差扰动方法为集合预报提供更加精确和协调的初始场,ENSO预报技巧得到提高。     

全球海洋大气耦合环流模式中的ENSO特征对气候背景态改变的敏感性

文中利用一个高分辨率全球海-气耦合环流模式设计两组长期积分试验,揭示了在不同气候背景态下热带太平洋年际变化特征及模式ENSO循环控制机理的差异。通过分析海表温度、上层海洋热容量和低层风场异常的年际变化特征及其和赤道中东太平洋海表温度异常的关系,揭示了基于不同气候背景场的ENSO循环的不同演变过程。结果表明:ENSO年际变率特征(包括振幅、频率等)对气候背景态相当敏感,在不同的背景场下ENSO循环的控制模态可以明显不同。试验表明,当热带太平洋东冷西暖的背景热力梯度接近多年气候平均时,模式ENSO循环表现为所谓的“时滞振子”模态控制,而随着东西向背景热力梯度显著减小,ENSO循环则可以表现为驻波模态控制。研究结果为认识年代际背景变化影响年际ENSO循环的机理提供了一种启示。     

太平洋年代际振荡冷、暖背景下ENSO循环的特征

利用英国气象局哈德莱中心的月平均海温距平资料、美国Scripps海洋研究所联合环境分析中心(JEDAC)的海表和次表层海温观测资料以及NCEP/NCAR再分析资料,研究了太平洋年代际振荡(PDO)不同背景下ENSO循环的特征.结果表明,PDO为ENSO循环提供了一个年代际气候背景,在PDO的暖位相时期,El Nino事件发生的频率较高,强度较强;反之,在PDO的冷位相时期,La Nina事件发生的频率较高,强度较强.而且在不同的太平洋年代际振荡背景下,ENSO循环表现出不同的特征.在PDO冷位相时期,发生El Nino(La Nina)事件时,正(负)的SOTA从西太平洋沿温跃层向东传播,正(负)的SSTA从赤道东太平洋向西扩展到中太平洋,ENSO事件先在赤道东太平洋爆发.在PDO的暖位相时期,发生El Nino(La Nina)事件时,正(负)的SOTA首先出现在赤道中太平洋,然后沿温跃层向东传播,正(负)的SSTA从赤道中太平洋向东扩展到东太平洋,ENSO事件首先在中太平洋爆发.这为ENSO预测提供了新的线索.     

1月份两类ENSO的海气环流模态分析

本文对1950～2001年1月份的大气风场和大洋流场做了联合复EOF（Empirical Orthogonal Function）分解,用以探讨1月份两类ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）的海气环流及耦合情况,所得结果主要有:该分解第1、2模态空间场分别相应于东部型、中部型ENSO,前者在赤道太平洋东部和中部都有海温动力异常,并以东部异常最强,后者仅在中部存在此异常,两模态的时间系数都与ENSO有很好相关,为此第1、2模态可分别称为东部型、中部型ENSO的风场流场（异常）模态。东部型ENSO模态具有3～6年的年际变化和13～14年的年代际变化,中部型则有明显的7年年际变化和12、17年的年代际变化,两者中约13年的周期与冬季北太平洋NPGO（North Pacific Gyre Oscillation）的周期相同。东、中部型El Ni?o期间,沃克环流上升支分别从印尼东移至赤道西、中太平洋,并有所减弱;南、北支哈得莱环流则分别位于日界线以东及该线附近,且均有所加强,从而使南、北太平洋副热带高压偏强;而在5°S的南美沿岸则分别有垂直运动上升和下沉异常。在海气耦合上,两类ENSO模态在赤道中太平洋均存在西风异常与海洋赤道Kelvin波和Rossby波的波包解耦合,而海温动力异常对大气的影响则都起到负反馈作用,从而有利于ENSO的维持和稳定。     

中国东北暖季气温变化特征及其与海温和大尺度环流的关系

利用1980~2014年CRU TS3.24月平均气温数据和NCEP/NCAR再分析资料,分析了中国东北暖季（5~9月）气温的时空变化特征及其相应的大气环流状况。结果表明:中国东北暖季气温主要表现为全区一致型和南北反位相型两个模态,二者总解释方差高达86%。全区一致型具有明显的年代际变化特征,并在1990年代中期发生了显著的年代际突变,而南北反位相型具有明显的年际和年代际变化特征。全区一致型增暖对应着中国东北地区上空500 hPa位势高度的正异常和850 hPa的反气旋环流异常。当500 hPa位势高度南北反相时,对应于中国东北暖季气温的南北反位相型。进一步分析表明中国东北暖季气温的全区一致型及其1990年代中期的年代际突变与日本海及黑潮延伸区的海温异常及太平洋年代际振荡和大西洋多年代际振荡指数紧密相关。菲律宾以东的西太平洋、北太平洋中部、我国东南沿海、靠近北美东北部的北大西洋等海域的海温异常对中国东北暖季气温全区一致型的出现具有一定的预测作用。而南北反位相变化型与黑潮延伸区的海温异常关系显著,与大尺度指数的相关普遍不明显。在1990年代中期突变前,南北反位相型受到ENSO事件的影响,之后影响不显著。     

全球增暖对ENSO影响的数值模拟研究

利用日本东京大学气候系统研究所、日本环境研究所和日本地球环境研究中心联合开发的海气耦合模式MIROC3.2，研究了全球变暖对ENSO年际变率的影响。该模式较好地模拟了ENSO循环的不同阶段表层和次表层海水温度变化，海表温度最大振幅出现在120°W以东，与观测一致，表明模式可以较好反映热带地区大气、海洋的动力、热力特征。研究还比较了控制试验和CO2浓度年增长1%的瞬时试验，结果表明，在全球变暖的大环境下ENSO事件发生频率没有显著变化，但ENSO事件强度增大，年际变率变大；热带太平洋呈现整体增暖趋势，表层温度尤其是热带中太平洋地区温度升高显著。敏感性分析表明，年际ENSO变率的振幅增大的主要贡献来自于海洋。海水增温导致热带太平洋海温垂直梯度增大，在热带西太平洋海温垂直温度梯度变化最为明显；次表层海温对单位大气风应力变化的响应大于表层海温响应。当这种响应与热带太平洋赤道地区径向温度梯度变化的共同作用导致温室效应下ENSO振幅增大。     

Modes of climate variability as simulated by a coupled general circulation model. Part I: ENSO-like climate variability and its low-frequency modulation

The El Niño-Southern Oscillation (ENSO) is investigated in a multicentury integration conducted with the coupled general circulation model (CGCM) ECHAM3/LSG. The quasiperiodic interannual oscillations of the simulated equatorial Pacific climate system are due to subsurface temperature anomaly propagation and a positive atmosphere-ocean feedback. The gravest internal wave modes contribute to the generation of these anomalies. The simulated ENSO has a characteristic period of 5–8 years. Due to the coarse resolution of the ocean model the ENSO amplitude is underestimated by a factor of three as compared to observations. The model ENSO is associated with the typical atmospheric teleconnection patterns. Using wavelet statistics two characteristic interdecadal modulations of the ENSO variance are identified. The origins of a 22 and 35?y ENSO modulation as well as the characteristic ENSO response to greenhouse warming simulated by our model are discussed.     

高低层纬向风切变的年际变率及气候学意义

用1959～1998共40年全球格点风场资料计算了200 hPa与850 hPa的纬向风速差, 即对流层纬向风切变(简称TZWS),并在此基础上得到其距平值。为了全面考察对流层中环流异常的年际变率特征, 根据TZWS的标准差分布, 文中选出了7个TZWS标准差数值大于5 m/s的代表性区域。这7个区域分别位于赤道中太平洋、赤道东太平洋、北太平洋亚热带地区、南太平洋亚热带地区、赤道大西洋、亚洲西南部以及东北部。前5个分别位于赤道、亚热带太平洋和大西洋的区域TZWS指数, 其年际变率与ENSO循环有密切联系, 反映了热带海洋温度异常对低纬度地区对流层环流的影响; 后2个区域的TZWS指数反映的是亚洲西南部和东北部的气候统变率, 在年际时间尺度上与ENSO循环有着明显的区别。通过对全球陆地降水和温度场的分析, 比较了热带、副热带的TZWS指数以及北极涛动指数的异同, 发现后2个区域TZWS指数能很好且能独立反映出北半球中高纬度地区陆地降水及陆地温度的异常模态。     

Interannual and interdecadal variabilities in the Pacific in an MRI coupled GCM

Interannual and interdecadal variabilities in the Pacific are investigated with a coupled atmosphere-ocean GCM developed at MRI, Japan. The model is run for 70 years with flux adjustments. The model shows interannual variability in the tropical Pacific which has several typical characteristics shared with the observed ENSO. A basin-scale feature of the principal SST variation for the ENSO time scale shows negative correlation in the central North Pacific with the tropical SST, similar to that of the observed one. Associated variation of the model atmosphere indicates an intensification of the Aleutian Low and a PNA-like teleconnection pattern as a response to the tropical warm SST anomaly. The ENSO time scale variability in the midlatitude ocean consists of the westward propagation of the subsurface temperature signal and the temperature variation within the shallow mixed layer forced by the anomalous atmospheric heat fluxes. For the interdecadal time scale, variation of the SST is simulated realistically with a geographical pattern similar to that for the ENSO time scale, but it has a larger relative amplitude in the northern Pacific. For the atmosphere, spatial structure of the variation in the interdecadal time scale is also similar to that in the ENSO time scale, but has smaller amplitude in the northern Pacific. Long oceanic spin-up time (>∼10 y) in the mid-high latitude, however, makes oceanic response in the interdecadal time scale larger than that in the ENSO time scale. The lagged-regression analysis for the ocean temperature variation relative to the wind stress variation indicates that interdecadal variation of the ocean subsurface at the mid-high latitudes is considered as enhanced ocean gyre spin-up process in response to the atmospheric circulation change at the mid-high latitudes, remotely forced by the interdecadal variation of the tropical SST. Received: 6 November 1995 / Accepted: 19 April 1996     

Interannual and interdecadal variability of ocean temperature along the equatorial Pacific in conjunction with ENSO

In this paper, the leading modes of ocean temperature anomalies (OTA) along the equatorial Pacific Ocean are analyzed and their connection with El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and interdecadal variation is investigated. The first two leading modes of OTA are connected with the different phases of the canonical ENSO and display asymmetric features of ENSO evolution. The third leading mode depicts a tripole pattern with opposite variation of OTA above the thermocline in the central Pacific to that along the thermocline in the eastern and western Pacific. This mode is found to be associated with so-called ENSO-Modoki. Insignificant correlations of this mode with the first two leading modes suggest that ENSO-Modoki may be a mode that is independent to the canonical ENSO and also has longer time scales compared with the canonical ENSO. The fourth mode reflects a warming (cooling) tendency above (below) the thermocline since 2000. Both the first and second modes have a large contribution to the interdecadal change in thermocline during 1979–2012. Also, the analysis also documents that both ENSO and OTA shifted into higher frequency since 2000 compared with that during 1979–1999. Interestingly, the ENSO-Modoki related OTA mode does not have any trend or significant interdecadal shift during 1979–2012. In addition, it is shown that first four EOF modes seem robust before and after 1999/2000, suggesting that the interdecadal shift of the climate system in the tropical Pacific is mainly a frequency shift and the changes in spatial pattern are relatively small, although the mean states over two periods experienced some significant changes.     

热带和热带外太平洋海气相互作用特征的比较

比较分析了热带和热带外太平洋海气系统年际和年代际变化特征。在海气系统异常的方差构成中，北太平洋区域以年代际异常为主，热带太平洋区域年际和年代际异常相当；表（浅）层海洋与大气的年代际变化特征对同一季节、区域是一致的，且20世纪70年代后期到80年代初均发生由低模态向高模态的转变；北太平洋区域的7月与此不同，这与该季节近表层海温层结稳定有关；年际尺度的海、气异常与ENSO有关，且以热带太平洋区域1月最典型，7月次之，北太平洋区域1月再次之，7月无明显关系。     

近百年东亚冬季风与ENSO循环的相互关系及其年代际异常

运用相关及滑动相关的计算技术，讨论了近百年东亚冬季风与ENSO循环的相互关系及其年代际异常。研究指出，东亚冬季风与赤道东太平洋海温的年际关系具有年代际的变化特征；季风与ENSO循环的关系受到季风的QBO以及季风-海洋的年代际背景场配置关系的共同作用；当季风与海洋的背景场处于同样状态时，强冬季风有利于第二年冬季赤道东太平洋的升温，产生El Ni?o事件；当两者的背景场处于反位相状态时，强冬季风对应于第二年冬季的La Ni?a位相。     

On the mechanisms in a tropical ocean–global atmosphere coupled general circulation model. Part II: interannual variability and its relation to the seasonal cycle

 The thirty year simulation of the coupled global atmosphere-tropical Pacific Ocean general circulation model of the Laboratoire de Métérologie Dynamique and the Laboratoire d’Océanographie Dynamique et de Climatologie presented in Part I is further investigated in order to understand the mechanisms of interannual variability. The model does simulate interannual events with ENSO characteristics; the dominant periodicity is quasi-biennial, though strong events are separated by four year intervals. The mechanism that is responsible for seasonal oscillations, identified in Part I, is also active in interannual variability with the difference that now the Western Pacific is dynamically involved. A warm interannual phase is associated with an equatorward shift of the ITCZ in the Western and Central Pacific. The coupling between the ITCZ and the ocean circulation is then responsible for the cooling of the equatorial subsurface by the draining mechanism. Cold subsurface temperature anomalies then propagate eastward along the mean equatorial thermocline. Upon reaching the Eastern Pacific where the mean thermocline is shallow, cold subsurface anomalies affect surface temperatures and reverse the phase of the oscillation. The preferred season for efficient eastward propagation of thermocline depth temperature anomalies is boreal autumn, when draining of equatorial waters towards higher latitudes is weaker than in spring by a factor of six. In that way, the annual cycle acts as a dam that synchronizes lower frequency oscillations. Received: 7 April 1997 / Accepted: 15 July 1998     

热带太平洋-印度洋海温异常综合模的数值模拟

通过数值模拟及结果的合成分析,对热带太平洋-印度洋异常海温综合模态的三维热力结构、动力结构及其发生发展的可能机制进行了研究.数值模拟结果的分析表明,太平洋、印度洋海温异常的综合模态在表层、次表层的表现都很明显,即在赤道西印度洋、中东太平洋的海温偏高(低)时,赤道西太平洋、东印度洋的海温偏低(高),该模态还存在着显著的年变化特征、年际变化特征以及年代际变化特征.数值模拟的合成分析结果表明,异常的海表风应力引起表层洋流异常,表层洋流异常及由其引起的海表高度异常可导致次表层海水环流的异常,海洋环流异常导致的平流热输送异常是海温形成异常综合模态的主要原因之一,垂直输送是形成次表层海温综合模态的主要原因.平流热输送过程对海表温度变异的贡献是:在事件发生到盛期阶段促进了次表层海温异常综合模态的形成,在盛期到消亡阶段次表层的平流过程阻碍其进一步发展;短波辐射是海洋的主要热力来源,海表面异常的净短波辐射通量、潜热通量是表层海温形成异常模态的主要热力学原因,异常的海表面净短波辐射通量、潜热通量、感热通量在到达盛期阶段后抑制其进一步发展.     

INTERRELATION BETWEEN EAST-ASIAN WINTER MONSOON AND INDIAN/PACIFIC SST WITH THE INTERDECADAL VARIATION*

Investigated statistically is the interrelation between East Asian winter monsoon (EAWM) and SST over sensitive areas of the Indian and Pacific Oceans.with focus on the relation of EAWM to strong ENSO signal area.i.e.,the equatorial eastern Pacific (EEP) SST.Evidence suggests that the EAWM variation is intimately associated not only with the EEP SST but with the equatorial western Pacific "warm pool" and equatorial Indian/northwestern Pacific Kuroshio SST as well:the EAWM and ENSO interact strongly with each other on the interannual time scales,exhibiting pronounced interdecadal variation mainly under the joint effect of the monsoon QBO and the monsoon/SST background field features on an interdecadal basis-when both fields are in the same phase(anti-phase).strong EAWM contributes to EEP SST rise(drop)in the following winter,corresponding to a warm(cold)ENSO cycle;the EAWM QBO causes ENSO cycle to be strong phase-locked with seasonal variation,making the EEP SST rise lasting from April-May to May-June of the next year,which plays an important role in maintaining a warm ENSO phase.     

INTERDECADAL AND INTERANNUAL VARIABILITIES OF AIR AND SEA AND THEIR RELATIONS OVER THE PACIFIC*

Regional differences and relations of the atmospheric and oceanic interdecadal and interannual variability in the Pacific are addressed in terms of period analysis and singular value decomposition(SVD) method.Results show that the interdecadal anomalies are more significant in the North Pacific(NP) than in the tropical Pacific(TP),and the interannual anomalies in the TP than in the NP in the variance of air-sea anomalies:the interdecadally variational character of a surface(shallow) layer sea and air is unanimous in the same season and region,and the transition of a high mode to a low one both occurred at the end of 1970s and the beginning of 1980s,with an exception for July in the NP,which is related to the stability of the stratification of sub-surface layer sea temperature:the interannual scale air-sea anomalies are associated with ENSO,which is most typical for January,then July in the TP,followed by January in the NP,and there is no visible relationships for July in the NP.     

NCEP/CFSR再分析耦合资料中MJO对ENSO的影响研究

基于1979—2008年NCEP/CFSR再分析耦合数据集,研究了冬季MJO对ENSO事件的影响。结果表明,在年际时间尺度以及长期的年代际时间尺度上,热带印度洋MJO活动的强弱性都可以影响热带中东太平洋ENSO事件的发生和发展。在年际时间尺度上,ENSO发生前期征兆的赤道中东太平洋的西风爆发事件(Westerly Wind Burst,WWB),作为MJO影响ENSO的主要途径,存在着显著的次季节时间尺度的变化。相对于气候平均的赤道太平洋西部暖池区上升而东部下沉的Walker环流,MJO正位相东传后的西风异常,减弱了低层东风和赤道东太平洋海水上翻。这一上升海流的减弱导致了中东赤道太平洋的海温升高,从而有利于ENSO暖海温事件的发生。而在年代际时间尺度上,MJO范围和强度在1998年前后出现了明显的转变,1998年之前MJO的东移范围更东,强度更强,从而导致了西太平洋西风爆发区的次季节西风异常事件更加显著,在Bjeknes正反馈机制下对应了年代际时间尺度下的强尼诺事件出现,1998年之后则与之相反。冬季MJO对ENSO影响的这一年代际特征主要体现在晚冬季节,而在早冬伴随着印度洋的增暖,MJO强度一直在逐年增加。     

气候系统模式FGOALS_gl模拟的赤道太平洋年际变率

本文分析了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 (LASG/IAP) 发展的气候系统模式FGOALS_gl对赤道太平洋年际变率的模拟能力。结果表明, FGOALS_gl可以较好地模拟出赤道太平洋SST异常年际变率的主要特征, 但模拟的ENSO事件振幅偏大, 且变率周期过于规则。耦合模式模拟的气候平均风应力在热带地区比ERA40再分析资料的风应力强度偏弱30%左右, 由此引起的海洋平均态的变化, 是造成模拟的ENSO振幅偏强的主要原因。FGOALS_gl模拟的ENSO峰值多出现在春季或夏季, 原因可归之于模式模拟的SST季节循环偏差。耦合模式可以合理再现ENSO演变过程, 但观测中SST异常的东传特征在模式中没有得到再现, 这与模拟的ENSO发展模态表现为单一的 “SST模态” 有关。模拟的ENSO位相转换机制与 “充电—放电” 概念模型相符合, 赤道太平洋热含量的变化是维持ENSO振荡的机制。在ENSO暖位相时期, 赤道中东太平洋与印度洋—西太平洋暖池区的海平面气压距平型表现为南方涛动型 (SO型), 200 hPa位势高度分布表现为太平洋—北美遥相关型 (PNA型)。     

ENSO及其组合模态对中国东部各季节降水的影响

近期的研究发现,热带太平洋低层大气存在两种主要模态,即经向对称ENSO模态和ENSO与海表温度(SST)年循环相互作用产生的经向反对称组合模态。主要探讨了这两种不同ENSO模态对中国东部各季节降水的影响。结果表明,厄尔尼诺年秋季,中国西南、长江及华南大部分区域呈现显著正降水异常;冬季,正降水异常范围扩大,覆盖华南、华东及华北东南部地区。这两个季节的异常降水都主要受ENSO模态的影响。与ENSO模态相关的正异常海温局地强迫导致120°E以西出现反气旋性环流,其西北侧增强的西南暖湿气流使得中国东部地区降水增多。次年春季,从中国华南延伸到东北出现正的异常降水,主要是ENSO组合模态的贡献。因为次年春季热带太平洋地区ENSO模态信号只局限于赤道地区,并没有对中国东部降水有显著的影响,而ENSO与海温年循环相互作用的组合模态使得与ENSO相关的赤道大气异常可以扩展到赤道以外地区。ENSO组合模态对中国降水异常有重要影响,在今后的研究和短期预测中需引起重视。