东亚冬季风异常激发El Ni?o现象的数值试验研究

用全球海气耦合气候模式和海洋模式进行各种敏感性试验,研究东亚冬季风异常对El Ni(n)o事件形成的作用.结果表明东亚冬季风异常对于海洋热状态起了很大的作用.强冬季风年冬季所对应的海温距平为La Ni(n)a型,但在与冬季风异常相对应的风应力作用下,通过海气相互作用,由于赤道西太平洋西风异常和海温正距平的东传,可以使海温向着El Ni(n)o型分布发展;弱冬季风年冬季所对应的海温距平为El Ni(n)o型,后期则会转成La Ni(n)a型.冬季风异常的偏北风分量及赤道西风分量对海温所产生的影响各有差异,前者更多地影响太平洋西岸及暖池区,后者则对整个赤道太平洋热状态特别是El Ni(n)o形成起了重要的作用.在El Ni(n)o发展过程中起决定作用的主要不是风应力的强度,更关键的是异常风应力的持续时间.由于风应力的持续作用,El Ni(n)o发展特征更加显著.与冬季风异常相对应的纬向风分量特别是西风异常在El Ni(n)o发展中起主导作用;在单纯的海洋模式中经向风异常只能改变局地的西太平洋海温,并不能使东太平洋海温产生响应,即没有出现赤道暖水的东传过程.试验表明,海气耦合模式较单纯的海洋模式能更好地反映海气相互作用及El Ni(n)o的形成.     

赤道太平洋西风异常与El Nio的关系

分析了 1 980年以来赤道太平洋西风异常观测资料 ,并利用POM海洋模式模拟了赤道太平洋海温对不同类型西风异常的响应。分析和数值模拟试验结果都表明 ,赤道太平洋上的西风异常可以引起赤道中东太平洋海温升高 ,但是ElNi no事件是否能发生 ,则与西风异常的位置、强度和东移有关。只有当赤道中太平洋 ( 1 60°E～ 1 60°W )出现一定强度的西风异常并较快东移 ,才有利于ElNi no发生。     

冬夏季环流隔季相关的数值试验

利用海气耦合和大气气候模式研究东亚冬季风异常对夏季环流的影响, 结果表明, 东亚冬季风异常对于后期环流及海洋状态异常都起了很大的作用.一般情况下, 强的冬季风与后期弱的东亚夏季风和较强的南海季风相对应.与强(弱)冬季风异常相关的风应力的改变可以使热带太平洋海温从冬季至夏季呈现La Nina (El Nio)型异常分布.试验得到的由冬季风异常所产生的海洋及夏季环流的变化与实况是相当接近的.在异常的冬季风偏北风分量强迫下, 西太平洋上形成的偏差气旋环流在夏季已不存在, 这时东亚夏季风反而增强.而冬季赤道西风分量所产生的影响, 则在西太平洋上形成显著的偏差气旋环流, 使东亚副热带夏季风减弱, 南海夏季风加强.对于东亚大气环流而言, 与强弱冬季风对应的热带海洋海温异常强迫下, 不仅是冬季, 后期春季和夏季环流的特征都能得到很好的模拟.但是从分区看, 西太平洋暖池区的海温异常比东太平洋更为重要.单纯的热带中东太平洋的海温异常对东亚大气环流的影响主要表现在冬季, 对后期的影响并不十分清楚.整个热带海洋的异常型分布(不论是El Nio还是La Nia)型, 对冬夏季风的影响是重要的, 而单纯的某个地区的海温异常都比它的整体影响要小.从试验结果看, 海温在大尺度冬夏季环流的隔季相关中起了十分重要的作用.     

1997/1998年ElNio事件发生、发展可能机制的进一步研究

基于美国哥伦比亚大学Lamont-Doherty地球观象台LDEO(Lamont-Doherty Earth Observatory)海表温度资料和NCEP/NCAR再分析风场资料,分析了1997/1998年ElNio期间西太平洋暖池海表温度和西风距平的时间演变特征,同时也分析了东太平洋暖池海表温度和北风距平的时间演变特征。结果表明,1997/1998年ElNio事件期间,西太平洋暖池海表温度变化及异常西风和东太平洋暖池海表温度变化及异常北风都与Ni o3指数变化密切相关。将东、西太平洋暖池及异常北风、西风一并结合起来考虑,进一步研究了1997/1998年ElNio事件发生、发展的可能机制:异常西风驱动西太平洋暖池东端暖水向东伸展直接有利于赤道东太平洋海表温度增加;异常西风激发东传的暖Kelvin波对东太平洋的冷上升流有抑制作用,从而有利于赤道东太平洋海表温度增加;东传的异常西风可以通过埃克曼漂流效应将赤道两侧的海表暖水向赤道辐合从而加强了赤道附近的下沉流,也有利于赤道东太平洋赤道附近海表温度增加。几乎与此同时,北风距平通过产生北风吹流将东太平洋暖池暖水由北向南输送至赤道附近直接导致Nio3区海表温度增...     

西太平洋暖池次表层海温异常 与ENSO循环的相互作用

利用1964～1993年的太平洋次表层海温资料,进一步分析研究了西太平洋暖池次表层海温异常与ENSO循环的关系。合成及相关分析的结果进一步表明,西太平洋暖池次表层海温的暖（冷）异常及其东传对ENSO的发生起着十分重要、且更直接的作用。然而,赤道西太平洋异常纬向风是造成次表层海温异常东传的重要原因,而纬向风的异常又是由于东亚冬季风异常活动所引起的,这间接地说明了异常东亚冬季风对西太平洋暖池次表层海温距平东传的重要作用。通过研究还发现,ENSO发生后,北半球副热带地区将有次表层暖（冷）海温距平沿着10～20oN纬带西传,这是导致西太平洋暖池次表层海温发生异常的重要原因之一。也就是说,西太平洋暖池次表层海温异常与ENSO循环之间是相互影响、相互作用的。     

ENSO循环机理的一些新看法与气候异常

近几年来我国学者在对ENSO循环机理方面提出了一些新看法。研究表明 ,ENSO实质上是主要由东亚季风异常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异常的年际循环。ENSO的真正源在西太平洋暖池 ,暖池正 (负 )SOTA沿赤道温跃层 (斜温层 )东传到东太平洋 ,便导致ElNi no/LaNi na的爆发 ;在暖池正 (负 )SOTA沿赤道温跃层东传的同时 ,有负 (正 )SOTA沿 10°N和 10°S纬度带向西传播 ,从而构成SOTA的循环 ;而热带太平洋SOTA循环的驱动者是赤道西太平洋的异常纬向风。ENSO事件的发生 ,往往引起全球大气环流和世界许多地区的气候异常 ,导致一些国家和地区多雨洪涝 ,另外一些国家和地区高温少雨和严重干旱。     

El Ni?o事件发生和消亡中热带太平洋纬向风应力的动力作用 I. 资料诊断和理论分析

通过资料分析,研究了发生在热带西太平洋海表面西风或东风应力异常与El Ni?o事件的关系。分析结果表明,对应着El Ni?o事件从发生到消亡的过程,热带西太平洋纬向风应力存在着从西风应力异常到东风应力异常的变化,并且在这个过程中,西风应力异常向东传,东风应力异常紧接其后也向东传。本文还根据观测资料的分析结果建立了理想风应力,并利用简单热带海洋模式,对热带西太平洋纬向风应力异常及其东传在ENSO循环中的作用进行了动力学分析,指出了它们在El Ni?o事件发生和消亡中起着重要的作用。西风应力异常通过激发出海洋中东传的暖Kelvin波及其在大洋东边界反射产生的暖Rossby波、以及西风应力异常本身东传到赤道东太平洋,引起正的海洋混合层扰动厚度异常,导致了El Ni?o事件的发生;而异常东风应力则通过激发出东传的冷Kelvin波及其在大洋东边界反射产生的冷Rossby波、以及东风应力异常本身东传到赤道东太平洋,引起负的海洋混合层扰动厚度异常,导致了El Ni?o事件的消亡。对于热带西太平洋上风应力异常的形式是东部为异常西风应力而其西部为异常东风应力,并且它们同时向东传时,则大洋东部混合层厚度对异常风应力的响应随异常东风和西风应力的强度不同而不同,它们强度的相对大小对El Ni?o的持续时间具有重要的作用。     

热带印度洋海温的年际变化与ENSO

文中讨论了热带印度洋海表温度距平空间分布的年际变化与赤道中东太平洋海温的关系。EOF分析的结果表明 ,印度洋海温的变化主要存在全区符号一致的单极型和西部与东南部符号相反的偶极型 ,它们具有显著的年际变化。小波凝聚谱揭示了单极、偶极的变化与Nino3区海表温度距平存在密切关系 ,印度洋海温距平从偶极到单极的变化对应着ElNi no事件从发展到衰减的过程。平均而言 ,印度洋偶极超前Nino3区海温距平约 4个月 ,单极滞后约 6个月。整个热带印度洋 -太平洋地区海气耦合特征的演变表明 ,与ElNino从发展到衰减相联系的热带西太平洋海气耦合相互作用在印度洋海温距平从偶极到单极的演变过程中起着非常重要的作用。     

亚澳季风异常与ENSO准四年变化的联系分析

分析了赤道地区纬向风的年际变化特征，以及亚澳季风与ENSO在各个位相的联系。结果表明：赤道纬向风变化与中东太平洋海温变化在准四年周期上是强烈耦合的；在El Eino期间东亚冬季风弱，夏季风强，而南亚夏季风弱，反之，在La Nina期间东亚冬季风强，夏季风弱，而南亚夏季风强；东亚地区的异常北风有利于西太平洋西风异常爆发，使得东太平洋海温升高，但只有随后在中东太平洋出现持续性西风异常，El Nino才能发展，其中来自太平洋中部的异常北风（并不是来自东亚大陆地区）和南太平洋中部的异常南风的辐合对中东太平洋出现持续性西风异常起重要的作用，尤其是澳大利亚东北部的季风异常的影响更为显。     

热带太平洋西风异常对ENSO事件发生的作用

本文从观测资料对80年代两次ENSO事件产生过程中，热带太平洋西风异常及其对赤道中、东太平洋表层海温增暖的作用进行了分析和比较。分析结果表明:在这两次ENSO事件的产生过程中，赤道西太平洋上空均有较大的西风异常，并且它由赤道西太平洋向赤道中、东太平洋传播，随着西风异常从西向东传播，赤道中、东太平洋的表层相继增温。分析还表明，1982／1983年ENSO事件发生过程中，热带太平洋西风异常的强度要比1986／1987年热带太平洋西风异常强得多，这使得1982／1983 ENSO事件的强度比1986／1987_ENSO事件强得多。为了说明热带西太平洋西风异常对赤道中、东太平洋ENSO事件发生的作用，本文还利用IAP太平洋环流模式对西风异常在ENSO事件产生过程中的作用进行了数值模拟。模拟的结果说明了热带太平洋的西风异常对赤道太平洋暖水的向东传播和赤道中、东太平洋的增温起了很重要作用，这与观测事实分析一致。     

与ENSO相联系的热带太平洋典型风应力异常场结构

利用多年逐月海温距平和风应力距平观测资料,运用线性回归和EOF分析方法,分析了与ENSO相联系的热带太平洋典型风应力异常场结构。结果显示,与ENSO线性相关的风应力异常场在时间尺度上表现为低频变化,在水平结构上主要表现为四个典型分布。其中,分布型1主要表现为日界线以东赤道地区东风异常和赤道风应力场辐散;分布型2主要表现为日界线以东赤道地区西风异常和经向异常风应力向赤道气流;分布型3主要表现为日界线以东赤道偏南地区西风异常和风应力场辐合,日界线以西为东风异常;分布型4主要表现为160°W以东的弱东风异常和160°W以西的西风异常。与ENSO线性无关的风应力场主要表现为高频过程,在水平空间结构上其典型场主要位于赤道外地区。还用与ENSO有关的那部分回归风应力异常场强迫海洋距平模式,成功地再现了ENSO的主要信号。这表现观测揭示的典型风应力异常型对于El Nino的产生是根本性的。      

一个热带太平洋距平模式对风应力异常的响应

本文利用１９７０至１９８９年共２０年的逐月平均的太平着区的表面风应力和海表温度距平的分析资料，检验了以前设计的热带太平洋和热带大气距平模式的模拟性能，通过使用两组风应力异常场即观测场和热带大气模式对观测海温响应所得的模拟场，重点分析了热带太平洋距平模式对风应力异常的响应特征，结果表明，本文海洋距平模式完全有能力再现ＥＮＳＯ循环折际变化性及其水平结构，且赤道中太平洋区域的低频风应力异常对于ＥＮＳＯ事     

中国东北南部地区冬季气温异常的海气背景分析

利用1951—2005年中国沈阳、通化、营口、丹东气温和北半球500 hPa高度及北太平洋海温资料,分析了中国东北南部地区冬季气温的异常变化及其海气背景。结果表明:中国东北南部地区冬季气温具有明显的年代际变化特征;冬季异常冷暖年份,其同期与前期500 hPa高度和海温距平场分布具有明显不同;前期春季(3—5月)贝加尔湖高压和西太平洋副热带高压的强弱变化,西风漂流区海温、赤道东太平洋关键区海温及2个海区海温距平差,对中国东北南部地区冬季气温的异常变化均具有较好的预测指示意义。前期夏季(7—9月)赤道东太平洋关键区海温对中国东北南部地区冬季气温异常变化具有指示性。     

冬季热带西太平洋MJO活动强弱年的环境场特征

利用1948—2011年NCEP等再分析资料,采用合成分析等方法对比分析了冬季(冬半年)热带西太平洋MJO(Madden-Julian Oscillation)活动强、弱年的环境场特征。结果表明,冬季热带西太平洋MJO的活动具有显著的年际和年代际变化。MJO活动强年,对流层低层在菲律宾以东洋面上空有异常气旋式环流,赤道东太平洋上空为较强的东风距平,赤道印度洋到赤道西太平洋上空是异常西风,西太平洋地区有较强辐合,从而导致热带西太平洋地区积云对流活动显著加强;而MJO活动弱年的环流特征相反。热带MJO以东传为主,有少量西传波动。在MJO活动强年,无论东传还是西传其时空谱值都显著大于MJO活动弱年,其中心频率较MJO活动弱年偏高。MJO活动的异常和海温及东亚冬季风紧密相连,在MJO活动强年,海平面气压和500 hPa位势高度异常场表现为中高纬度的正异常和低纬地区的负异常,东亚冬季风活动偏强,中国大陆中部气温普遍偏低,同时,黄河以南长江以北地区降水偏多,而长江以南地区降水偏少;台湾附近海域受强东亚冬季风影响,海表温度偏低,东太平洋上海温距平呈现La Ni?a型的异常分布,而在MJO活动弱年上述特征基本相反。      

赤道太平洋西风异常与El Nio的关系

分析了1980年以来赤道太平洋西风异常观测资料,并利用 POM海洋模式模拟了赤道太平洋海温对不同类型西风异常的响应.分析和数值模拟试验结果都表明,赤道太平洋上的西风异常可以引起赤道中东太平洋海温升高,但是El Nio事件是否能发生,则与西风异常的位置、强度和东移有关.只有当赤道中太平洋(160°E～160°W)出现一定强度的西风异常并较快东移,才有利于El Nio发生.     

1997／1998年El Nino事件发生、发展可能机制的进一步研究

基于美国哥伦比亚大学Lamont—Doherty地球观象台LDEO（Lamont—DohertyEarth Observatory）海表温度资料和NCEP／NCAR再分析风场资料,分析了1997／1998年El Nino3期间西太平洋暖池海表温度和西风距平的时间演变特征,同时也分析了东太平洋暖池海表温度和北风距平的时间演变特征。结果表明,1997／1998年El Nino3事件期间,西太平洋暖池海表温度变化及异常西风和东太平洋暖池海表温度变化及异常北风都与Nino3指数变化密切相关。将东、西太平洋暖池及异常北风、西风一并结合起来考虑,进一步研究了1997／1998年El Nino3事件发生、发展的可能机制：异常西风驱动西太平洋暖池东端暖水向东伸展直接有利于赤道东太平洋海表温度增加;异常西风激发东传的暖Kelvin波对东太平洋的冷上升流有抑制作用,从而有利于赤道东太平洋海表温度增加;东传的异常西风可以通过埃克曼漂流效应将赤道两侧的海表暖水向赤道辐合从而加强了赤道附近的下沉流,也有利于赤道东太平洋赤道附近海表温度增加。几乎与此同时,北风距平通过产生北风吹流将东太平洋暖池暖水由北向南输送至赤道附近直接导致Nino3区海表温度增加。上述增温因素的叠加作用共同导致了1997／1998年El Nino事件迅速发生、异常强大。     

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.       

赤道太平洋西风异常与El Ni(n～)o的关系

分析了1980年以来赤道太平洋西风异常观测资料,并利用 POM海洋模式模拟了赤道太平洋海温对不同类型西风异常的响应.分析和数值模拟试验结果都表明,赤道太平洋上的西风异常可以引起赤道中东太平洋海温升高,但是El Ni(n～)o事件是否能发生,则与西风异常的位置、强度和东移有关.只有当赤道中太平洋(160°E～160°W)出现一定强度的西风异常并较快东移,才有利于El Ni(n～)o发生.     

El Nio事件大气-洋流异常与暖海温传播机理研究

利用1971~2000年逐月SODA(Simple Ocean Data Assimilation)同化资料(Carton等,2004)、1980~2000年逐月NCEP/NCAR再分析资料(Kalnay等,1996)探讨中部型(暖海水首先出现在120°W以西)和东部型(暖海水首先出现在120°W以东)El Nino事件赤道纬向风应力及洋流的异常变化与暖海水信号的传播特征。研究指出:(1)中部型和东部型El Nio事件发生时,太平洋上赤道海表最大西风应力距平在西太平洋地区都有显著的东传现象,但中部型El Nio事件西风应力距平强度强,造成西太平洋赤道表层的东向流可达东太平洋地区,这类El Nio事件强度偏强。(2)中部型El Nio事件,赤道表层洋流辐合区及其下沉运动由西太平洋向东太平洋传播,辐合下沉运动抑制了深层冷海水上翻,西太平洋暖水能够传到东太平洋与西太平洋赤道表层洋流辐合区及其下沉运动的东移有关。(3)东部型El Nio事件西太平洋赤道表层洋流辐合区及其下沉运动没能直接传到东太平洋地区,东太平洋暖水形成与局地(120°W以东)辐合下沉运动抑制深层冷海水上翻有关;东部型El Nio事件暖池次表层的暖水,不是沿着西太平洋赤道次表层向东传播到东太平洋地区,而是由南太平洋西边界流将暖池海水带到40°S左右的西风漂流区,再由西风漂流平流到东太平洋。     

热带太平洋地区海气系统的耦合振荡

本文讨论了东太平洋赤道海温和太平洋月平均云量距平的关系,结果表明:(1)东太平洋赤道海温距平和中太平洋赤道云量距平有很好的正相关,而与东、西太平洋赤道云量距平有很好负相关。所以太平洋赤道上空应该存在二个距平的东西向环流。(2)云和海温存在周期为34—38个月的耦合振荡,我们提出了云-辐射-海温机制来作解释。(3)在东太平洋海温暖水月的前12个月到后6个月期间,东太平洋赤道云量是负距平的(即偏少),这表明此期间可能是大气在影响海洋,亦即Walker环流影响海温变化,而不是海温影响了Walker 环流。海温和Walker环流是相互作用的,这种相互作用组成了大气和海洋之间的一种耦合振荡。(4)东太平洋海温、中太平洋云和北半球中、西太平洋信风亦有很好的相关。