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。     

热带西太平洋季内震荡相关的赤道开尔文波对厄尔尼诺事件影响的初步探索

从海洋Kelvin波的角度研究了热带西太平洋季节内振荡（Madden-Julian Oscillation,MJO）对厄尔尼诺（El Nio）事件的影响。通过资料处理确定了热带西太平洋MJO相关的风应力强迫产生的海洋Kelvin波指数K,该指数代表了Kelvin波的强度。通过对比指数K与温跃层深度的变化,分析指出当El Nio事件发展过程中出现强MJO相关的海洋Kelvin波,并且该东传波动传递的是温跃层异常下沉信号时,会增大El Nio事件的振幅,对El Nio事件的发展起到重要的促进作用（1997/1998年El Nio事件）;当MJO相关的海洋Kelvin波较弱时对El Nio事件影响不大,而且当传递的是温跃层异常上升信号时反而会对El Nio事件的发生与发展起到阻碍作用。总之,热带西太平洋MJO事件对El Nio事件在特定的情况下有重要影响,但并不能决定El Nio事件的发生或终结。     

El Nio事件发生对南北半球大气环流异常的对称及非对称性影响及其机理分析

利用合成分析方法,分析了1971~2003年间7个El Nio事件发生时南、北半球大气环流异常的对称与反对称特性。分析结果表明,El Nio事件发生期间,在热带地区15°S~15°N大气环流异常以对称性为主,但也有一定的反对称分量:高度场异常和纬向风异常的对称性较强,而经向风异常的反对称较强;同时在El Nio事件演变的各阶段,高度场异常和纬向风异常的变化较明显,而经向风的变化较小,高度场和风场异常在低层(700hPa)和高层(200 hPa)呈明显的反位相分布。并且,为探讨El Nio事件对南、北半球大气环流异常的非对称性影响的机理,本研究进一步利用ERA-40逐日资料,应用Hough函数分析了El Nio事件发生期间这些赤道波动的演变特征。结果表明,El Nio事件发生期间,热带地区大气环流异常对称性较强的主要原因是对称性Rossby波异常较强,而Rossby重力混合波异常对经向风场的反对称分量有重要作用;并且,研究结果还表明,在ElNio事件发生期间,热带东太平洋的海温正异常能够激发由对称性Rossby波和Kelvin波组成的Gill型环流异常。此外,分析表明Hough函数在分析热带大气波...     

热带大气和海洋运动的频率差异在海气系统演变中的作用

对热带太平洋地区850 hPa纬向风场、海表温度场月平均距平进行了谱分析。结果表明:纬向风距平与海表温度距平的振幅在El Ni?o或La Ni?a期间同时增长。而在其他期间,波振幅随时间呈相反变化趋势。在El Ni?o或La Ni?a事件发展期间,纬向风距平的位相角与海表温度距平位相角的差值在90o左右,而在事件的衰减期间,它们的位相角的差值在0o左右。本文还利用长波近似、海洋对大气加热取局地热力平衡近似时的简单热带海气耦合模式,研究了大气变量和海洋变量位相差随时间变化对海气耦合解的影响。在海气耦合模式中,当大气模式取为非定常时,大气和海洋Kelvin波之间以及Rossby波之间存在着能量转换,使大气和海洋波振幅呈相反变化趋势。此时,耦合波振幅随位相角差的变化没有共同的增长或衰减区间。大气Kelvin波与海洋Rossby波或大气Rossby波与海洋Kelvin波相互作用时,波振幅随位相差的变化存在着相同增长和衰减区间,它们的振幅要么同时增长,要么同时减少。当大气模式取定常时,因为相互作用波之间的位相差是一常数,波振幅随时间无限制增长。本文还在大气模式取为非定常和定常两种情况下,对海气耦合模式进行了数值求解。结果表明,当大气模式取为非定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果有较好一致性。当大气模式取为定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果差别较大。     

热带太平洋地区风场异常和与El Ni?o有关的年际变化

利用1964～1993年NCEP/NCAR再分析风应力资料和中国科学院大气物理研究所发展的14层热带太平洋环流模式(OGCM),对热带太平洋与El Ni?o有关的年际变化进行了研究.首先,分析了西太平洋暖池次表层海温异常(SOTA)与Ni?o3区海表温度异常(SSTA)的年际变化关系,发现在El Ni?o事件之前,暖池的次表层海温都有明显正异常出现,它的东传导致了El Ni?o的发生,并且SOTA的传播随纬度变化,沿赤道东传,在赤道外西传.然后,选取了20世纪70年代和80年代两次最强的El Ni?o事件讨论了引起这种机制的可能原因--西风异常的作用.最后,对1964～1993所有的El Ni?o年的风场、次表层海温和海表温度的异常进行了综合分析.     

赤道两层海洋模式中基本流的切变不稳定性

设计了一个热带赤道β-平面的两层海洋模式,在准长波近似下,应用最大截断模分析赤道波的基本形态,指出无论是正压模或斜压模Kelvin波、Rossby波及基本流所对应的“地形Rossby波”是最基本的波系,在基本流的一定切变条件下,它们之间可以耦合出一类不稳定波。在浅混合层近似和“快波近似”下,正压模和斜压模是可以分离的,因此可以分别分析它们的色散特征,由于它们的特征量不同,在同样波长(扰动的纬向尺度)下,扰动的增长率也不同,通过分析得出在一定参数下,斜压模扰动增长率为正压模的2倍。近似分析表明,混合层中流场的增长要快于温跃层,但温跃层的温度增长要比混合层明显。     

有无El Ni?o影响下热带北大西洋春季增暖的差异及可能成因

热带北大西洋(Northern Tropical Atlantic,NTA)海温异常(sea surface temperature anomaly,SSTA)对美洲乃至全球的气候变率有着重要影响。利用再分析资料对NTA的暖SSTA进行诊断,分析有、无El Ni?o影响下春季增暖的差异以及可能的成因。结果表明,与El Ni?o有关的情形中关键区(5~25 °N,10~60 °W)平均春季SSTA为0.55 ℃,无El Ni?o情形是0.37 ℃;前者与冬季的显著正偏差出现在NTA,后者主要发生在NTA的东侧,且正偏差的数值较小。El Ni?o激发的热带外Rossby波活动通过加强北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)负位相,引起El Ni?o峰值后NTA海域显著的西风异常,暖Kelvin波加热NTA对流层大气,增强其容纳水汽的能力,减小海-气界面的垂直湿度梯度,两者共同作用使海表蒸发减弱,在NTA春季呈现显著暖SSTA。与El Ni?o无关的情形中,NTA SSTA的变化主要受热带海-气反馈过程的调制,其与热带外NAO的季节内振荡有关,NAO的季节平均负位相较弱,异常西风值较小,同时海-气垂直湿度梯度异常增大,使春季NTA的增暖较弱。      

E1 Ni(n)o事件发生对南北半球大气环流异常的对称及非对称性影响及其机理分析

利用合成分析方法, 分析了1971～2003年间7个El Ni(n)o事件发生时南、 北半球大气环流异常的对称与反对称特性.分析结果表明, El Ni(n)o事件发生期间, 在热带地区15°S～15°N大气环流异常以对称性为主, 但也有一定的反对称分量: 高度场异常和纬向风异常的对称性较强, 而经向风异常的反对称较强; 同时在El Nino事件演变的各阶段, 高度场异常和纬向风异常的变化较明显, 而经向风的变化较小, 高度场和风场异常在低层 (700 hPa) 和高层 (200 hPa) 呈明显的反位相分布.并且, 为探讨El Ni(n)o事件对南、 北半球大气环流异常的非对称性影响的机理, 本研究进一步利用ERA-40逐日资料, 应用Hough函数分析了El Nino事件发生期间这些赤道波动的演变特征.结果表明, El Ni(n)o事件发生期间, 热带地区大气环流异常对称性较强的主要原因是对称性Rossby波异常较强, 而Rossby重力混合波异常对经向风场的反对称分量有重要作用; 并且, 研究结果还表明, 在El Ni(n)o事件发生期间, 热带东太平洋的海温正异常能够激发由对称性Rossby波和Kelvin波组成的Gill型环流异常.此外, 分析表明Hough函数在分析热带大气波动的对称性及反对称性上具有明显的优越性.     

厄尔尼诺的发生与赤道西太平洋暖池次表层海温异常

通过资料分析研究了厄尔尼诺事件的爆发与西太平洋暖池次表层海温正异常的重要关系。结果表明，El Ni?o事件之前暖池次表层海温都有明显的持续升高；这种暖池次表层海温正距平的出现，尤其是它向赤道中东太平洋的传播对 El Ni?o事件的爆发有直接关系，是导致El Ni?o事件的重要原因。分析还表明，暖池次表层海温正距平的东移原因在于赤道西太平洋地区西风异常的发生和向东扩展。     

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。     

简单热带海气耦合模型中不同扰动形式间的耦合作用

在局地热平衡情况下研究了简单热带海气耦合模式中不同扰动形式间的耦合，依次讨论了由大气准定常Kelvin波与海洋R0ssby波、大气准定常Rossby波与海洋Kelvin波、大气准定常Kelvin波与海洋KelVin波、大气准定常Rossby波与海洋Rossby波组成的耦合系统的性质，并研究了存在于其中的耦合扰动的特征。     

热带太平洋盐度年际变化对海表温度异常作用比较：1997/1998、2014/2015和2015/2016年El Niño事件

海洋盐度变化为研究气候变化的机制提供了一个新的视角。本文通过对比1997/1998年、2015/2016年两次强厄尔尼诺（El Ni?o）事件和2014/2015年特殊El Ni?o事件,对盐度变化及其影响海表面温度异常（SSTA）的物理过程进行了比较分析。研究表明,El Ni?o和南方涛动（El Ni?o–Southern Oscillation, ENSO）发展的强弱与热带西太平洋大范围海表层盐度异常（SSSA）及其向东扩散的差异有明显关联。1997/1998、2015/2016年赤道东太平洋SSTA的增暖,对应两次强El Ni?o事件,在发生年4月,中西太平洋海域出现了明显的负SSSA,之后东移至日期变更线以西,SSSA引发的混合层深度（MLD）变浅、障碍层厚度（BLT）变厚,导致热带中—西太平洋表层升温增强,促使了赤道中太平洋的早期变暖;2014/2015年弱El Ni?o事件虽然在发生年4月,位于赤道中西太平洋出现了负SSSA,但没有发展东移,导致BLT的增厚过程减弱,对表层温度的调制作用减弱甚至消失。三次事件对应的盐度变化过程中,水平平流和淡水通量（FWF）引起的表层强迫是影响盐度收支的主要因子,水平平流影响盐度异常的前期变化,触发事件的发生;热带太平洋西部降水引起的FWF负异常的影响最为显著,对ENSO异常信号出现后SSSA的维持起决定性作用。相比较两次强El Ni?o事件,2014/2015年El Ni?o对应的早期FWF负异常没有发展和东移,并且之后迅速减弱,导致中西太平洋盐度负趋势减缓,MLD加深,BLT变薄,促使上表层海水冷却,抑制了赤道东太平洋的早期变暖和ENSO发展。研究结果表明,盐度变化与ENSO密切相关,热带中西太平洋海域早期表层盐度变化可能可以作为SSTA的指数。特别地,SSSA在调节SSTA时,不仅影响它的强度,而且可以作为判断ENSO是否发展及其强弱的前兆因子。     

赤道不同海域对信风张弛的响应特征——对El Ni?o研究的启示

当均匀的纬圈风应力作用于赤道海洋时,在东、西边界附近由于平衡的物理过程不同,其响应特征也不同。当盛吹一个方向的风时,例如东风,东边界的温跃层会变浅（冷水）,而西边界的温跃层变深。当东风吹了t0时间而改吹西风时,无论东边界的温跃层还是西边界的温跃层都要持续到2t0时间后,才改变其发展方向。这表明边界上的物理场带有长的“惯性”或长的“记忆”。但西边界信号向东传播的速度比东边界向西传播的速度要快,且振幅也大,从这个意义上讲,El Ni?o事件先兆从西边界附近出现后,能迅速影响到西、中太平洋,也即西边界附近更易成为 El Ni?o事件的源地,特别是强的El Ni?o事件。     

简单热带海气耦合模式中的耦合波及其不稳定性（II）

为了分析热带海气耦合系统中不稳定扰动究竟由哪种自由波占主导地位，根据本文第I部分提出的热带海气耦合模式，讨论了取耦合系统中不同的径向模时耦合波的性质，即分别讨论了大气长Rossby波和海洋长Rossby波、大气Kelvin波和海洋长Rossby波、大气长Rossby波和海洋Kelvin波的耦合波以及考虑了大气和海洋中所有这些波动时耦合波的性质。结果指出，这些耦合波对海气耦合模式中参数的取值很敏感，不同的参数可以产生性质不同的耦合波。本文的结果也说明了海气耦合系统的性质与热带大气的性质和结构有很大关系。     

ENSO多样性研究进展

El Ni?o是热带中东太平洋异常偏暖的现象,发展过程具有显著的季节锁相特征。近年来,新形态事件更频繁发生引起了科学界广泛关注。学者们根据空间分布形态或爆发时间将ENSO事件分为两类,虽然选取标准不同,分类结果却有诸多相似点:中太平洋(Dateline、Modoki、CP、WP及SU型)El Ni?o事件发展至成熟时,正SSTA中心位于赤道太平洋中部;东太平洋(传统、EP、CT及SP型)El Ni?o发展至成熟时,正SSTA中心位于赤道东太平洋,低层西风异常更强,向东传输的距离也更远。研究结果显示,东太平洋El Ni?o比中太平洋El Ni?o持续时间更长,强度也更强;两类事件对全球气候的影响模态有很大的差异。近几十年,中太平洋El Ni?o出现频率有所增加,但其原因尚未清楚。关于两类事件生成发展和位相转换的动力原因,目前科学界普遍认为东太平洋El Ni?o是一个海盆尺度的海气耦合过程,其生消过程与温跃层的变化有紧密联系,但对中太平洋El Ni?o的动力机制尚未有统一的认识。      

热带太平洋El Ni?o Modoki对中国近海及邻近海域海温的可能影响

1970年代末以后,热带太平洋海区出现了一种类似El Ni?o但又与其有本质区别的现象:El Ni?o Modoki,与其相关的各种海洋大气异常变化给全球气候带来了独特的影响。利用HadISST海温和NCEP/NCAR风场等再分析资料以及相关、回归和合成等统计方法,分析了El Ni?o Modoki与当年各季的中国近海及邻近海域海表温度（SST）的关系。结果表明:（1） 夏季El Ni?o Modoki与同年秋季中国近海及邻近海域的SST有显著的负相关关系,显著相关区域主要分布于黑潮以东的大片海域。（2） 夏季El Ni?o Modoki发生期间,菲律宾北部至中国近海及邻近海域的上空盛行异常偏北风,且热带西太平洋表层暖水东流,这不利于热带西太平洋暖水向中纬度地区的输送。分析结果还表明,海洋环境对风场有滞后的响应以及黑潮向北输送有减弱的现象,而这可能正是夏季El Ni?o Modoki影响秋季中国近海及邻近海域海温偏冷的重要原因。      

副热带北太平洋SST在ENSO冷暖位相转变中的作用

2015/2016年发生的极端El Ni?o事件,与1997/1998年El Ni?o事件具有可比拟的强度,但是2016年事件转变为弱La Ni?a,而1998年事件则为强La Ni?a。本文通过对比这两次极端El Ni?o事件,揭示其转变为不同强度La Ni?a事件的物理机制。混合层热收支分析的结果表明,在El Ni?o衰减年的4~11月,2016年平流反馈和温跃层反馈相对较弱,混合层温度衰减速率慢,其产生的主要原因是赤道中西太平洋的东风异常较弱。进一步分析表明,赤道中西太平洋的东风异常与副热带东北太平洋的海表温度异常（SSTA）有关,该地区的SST在1998年表现为冷异常,2016年为暖异常。副热带东北太平洋冷的SSTA有利于信风加强,从而加强中西太平洋的东风异常;而暖的SSTA使得赤道以北出现西南风异常,从而削弱中西太平洋的东风异常。此外,合成分析也表明,副热带东北太平洋SSTA与转变的La Ni?a的强度具有关联,El Ni?o转变为强La Ni?a的情况在位相转变期伴随着副热带北太平洋冷的SSTA,而El Ni?o转变为弱La Ni?a的情况没有明显的冷SSTA。     

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?o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。     

一种新的El Niño海气耦合指数

利用1980～2010 年月平均Hadley中心海表温度、美国全球海洋资料同化系统(GODAS)海洋温度和NCEP/NCAR 大气环流再分析资料,通过对2 个海洋要素(海表温度SST、上层热含量HC)和5 个大气要素(海平面气压SLP、850 hPa 风场、200 hPa 速度势和对外长波辐射OLR)的多变量经验正交函数展开(multivariate EOF,简称MV-EOF)探讨了热带太平洋的主要海气耦合特征。结果表明,MV-EOF 分析的前两个耦合模态分别很好地对应了传统型El Ni?o 和El Ni?o Modoki 的海气耦合特征:传统型El Ni?o 期间,伴随着赤道中东太平洋SST 的异常增温,HC、SLP、200 hPa 速度势等要素总体呈东西反相的“跷跷板”变化,低层850 hPa 赤道中太平洋出现较强西风距平,西北太平洋上空为反气旋性异常环流;El Ni?o Modoki 期间,SST 持续增温和HC 正异常中心均显著西移至中太平洋,低层SLP 和高空200 hPa 速度势均呈现纬向三极型异常分布,低层异常强西风向西移至暖池东部,西北太平洋上空呈现气旋性异常环流。两类El Ni?o 的海气耦合特征存在显著差异,较优的El Ni?o 指数应不仅可以客观描述和区分El Ni?o 现象本身,更要紧密联系两类事件所产生的大气响应。以往定量表征El Ni?o 年际变化的指标大多立足于SST 或SLP,本文选取HC 作为研究指标,定义了一组新的El Ni?o 指数HCEI 和HCEMI。较以往基于SST 的El Ni?o 指数,HCEI 和HCEMI 不仅能更清楚地表征和区分两类El Ni?o(如1993 年的传统型El Ni?o 和2006 年的El Ni?o Modoki),而且能更好地反映和区分两类El Ni?o 与大气间的海气耦合特征,为El Ni?o的监测和短期气候预测工作提供了一个新工具。     

El Niño事件成熟位相锁定在年底的物理过程研究

用一个中等复杂程度的热带海气耦合模式研究了气候基本态的季节变化在El Ni?o事件成熟位相锁定中的作用.结果表明,模式模拟出了El Ni?o事件成熟位相锁定在年底左右的基本特征.由海洋气候基本态的季节变化所引起的平流的季节变化是El Ni?o事件成熟位相锁定在年底的机制.在El Ni?o事件期间,1～5月份,赤道中东太平洋地区的海洋气候基本态所引起的暖平流较弱,较弱暖平流造成海表温度异常降低,使海气耦合不稳定度较弱,从而使El Ni?o事件衰减.6～12月份,赤道中东太平洋地区的海洋气候基本态所引起的暖平流较强,较强暖平流造成海表温度异常升高,使海气耦合不稳定度加强,从而使El Ni?o事件发展.这样,在年底左右,赤道中东太平洋地区形成海表温度异常的一个极值点,形成El Ni?o事件成熟位相.海洋垂直(经向)平均流的季节变化产生的平流的季节变化最(次)强,因此,海洋垂直(经向)平均流是El Ni?o事件成熟位相锁定在年底的主(次)要因子.