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。     

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。     

两类中太平洋El Nio特征的对比分析

利用1979—2012年逐月Hadley中心海表温度、欧洲中期天气预报中心次表层海温、NCEP/NCAR风场再分析资料,对两类中太平洋(CP)El Nio及耦合的大气环流特征进行分析。结果表明,第一类CP El Nio(CP-ⅠEl Nio)增暖中心位于Nio4区且关于赤道对称;第二类CP El Nio(CP-ⅡEl Nio)的Nio4区与热带东北太平洋区域(NEP,130~110°W、15~25°N)同位相变化,冬季成熟后形成关于赤道非对称的带状增暖结构。进一步的研究表明,两类CP El Nio次表层结构存在差异:CP-ⅠEl Nio冬季次表层海温异常(SOTA)在中东太平洋与西太平洋呈显著偶极分布;CP-ⅡEl Nio在中、西太平洋位相相反但东太平洋异常较弱,且经向异常主要在赤道及其以北。两类CP El Nio耦合的大气环流特征不同:CP-ⅠEl Nio冬季异常Walker环流上升中心位于赤道上空,经向风向赤道辐合,低纬地区Hadley环流加强;CP-ⅡEl Nio冬季低层向北越赤道气流加强,Walker环流上升中心移到赤道以北,低纬地区Hadley环流减弱。     

冬季赤道太平洋不同类型海温异常表征指数的再构建

利用1963—2013年Hadley中心月平均海表温度资料,以及NCEP/NCAR再分析资料,根据两类厄尔尼诺事件发生时北半球冬季赤道太平洋地区海温异常的不同空间分布特征,即赤道中太平洋CP型和东太平洋EP型海温异常空间分布,从寻找与之相似的空间型角度出发,设计了一组新的海温异常指数I_(CP)和I_(EP)。与以往ENSO指数相比,新指数组I_(CP)和I_(EP)不仅表示了空间上相互独立的海温异常分布,而且在相同的研究时段内,因时间域上相互独立而能更好地表征和区分两类El Ni?o/La Ni?a事件。据此,采用该新指数组探讨了与中部型和东部型海温异常事件相关的热带太平洋的主要海气耦合特征。结果表明,与传统的东部型El Ni?o事件发生时最大暖海温中心位于赤道东太平洋地区不同,中部型El Ni?o事件,异常增暖中心位于赤道中太平洋。中部型时异常Walker环流的上升支向西偏移,异常降水集中于热带中太平洋,不似东部型时异常限定于赤道东太平洋地区。不论哪类事件,海洋性大陆均可受到影响,即CP或EP型El Ni?o发生时,海洋性大陆区域降水偏少。但比较而言,中部型ENSO对海洋性大陆区域的影响更大。     

2015/2016年超强El Nio局地海气特征及其特殊性

利用NOAA海表温度和NCEP/NCAR大气环流等全球再分析资料,讨论了2015/2016年超强El Nio事件局地海气过程的演变特征,并与1982/1983和1997/1998年两次强El Nio事件做了对比分析。结果表明,2015/2016年El Nio在峰值强度、持续时间、累计海温距平等指标上都略强于前两次El Nio,可视为有完整气象观测纪录以来的最强事件;与前两次事件相比,2015/2016年El Nio海温异常中心位置明显偏西,热带东太平洋海温相对较冷而中太平洋更暖,由于热带对流对海温的非线性响应,赤道东太平洋降水相对较弱,中太平洋则显著偏多,这在El Nio当年12月至次年4月尤为明显;此外,在前两次El Nio的成熟期至衰减期,中太平洋大气响应都存在明显的南移特征,西风异常和对流中心都从赤道南移到了5°S以南。而2015/2016年中太平洋大气响应一直位于赤道附近,南移特征相对较弱,ENSO和年循环相互作用的组合模态相比前两次较弱,西北太平洋反气旋的强度也弱于前两次。这主要是由于2015年冬季至2016年春季,热带太平洋暖海温异常位置偏西,中太平洋海温异常明显强于前两次,叠加气候平均态海温之后,赤道南北两侧海温都高于对流阈值,对流旺盛,这大大削弱了大气响应的经向移动和ENSO组合模态的强度。     

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.     

ENSO事件与云南冬季气温异常

分析了1961年以来11次El Ni?o和8次La Ni?a事件对云南冬季气温变化的影响, 发现: El Ni?o (La Ni?a) 年云南冬季气温偏高 (低), 有暖 (冷) 冬特征, 其中以东部、中部和南部最为显著.冬季赤道东太平洋SSTA与同期云南气温距平有显著的正相关, 上一年SSTA与次年云南1月气温也有好的正相关. SSTA异常正 (负) 值是云南暖 (冷) 冬的一个强信号.在ENSO影响下, 东亚冬季风偏弱 (强) 是形成云南暖 (冷) 冬的主要原因.     

印度洋偶极子与两类El Niño的关联及其可能机理

通过合成三种具有代表性的两类ENSO指数,将El Ni?o事件划分为东部(EP)和中部(CP)型。利用EOF、相关分析、合成分析等方法探究了印度洋偶极子(IOD)与两类El Ni?o事件的关联及其产生的可能机理。研究表明,源于热带太平洋-印度洋尺度海气相互作用的IOD事件由两种型态构成,其分别与EP和CP型El Ni?o事件相联系。与EP型El Ni?o相联系的IOD事件(第一类IOD)在赤道印度洋50~150 m的温跃层附近信号最强,并关于赤道呈南强北弱的准对称海温异常分布;与CP型El Ni?o相联系的IOD事件(第二类IOD)则在热带南印度洋海表层信号最强。在产生机理方面,EP型El Ni?o发展时,异常Walker环流在赤道印度洋海表面产生较强的东风应力,使赤道印度洋东部冷水上翻,西部暖水堆积;同时,赤道外南强北弱的异常反气旋环流造成旋度中心区域暖水堆积,形成第一类IOD事件。CP型El Ni?o发展时,异常Walker环流较弱,中心西移,赤道印度洋东风应力距平较弱,偶极子信号在赤道印度洋不显著;苏门答腊岛南部出现异常反气旋,其东侧偏南风和西侧偏北风分别将高纬冷水和低纬暖水向15~25°S的热带南印度洋输送;同时热带南印度洋东、西部风场分别有较强的辐散、辐合,使东部海温降低、西部升高,形成第二类IOD事件。     

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。     

东部和中部型El Nino发展年对中国夏季降水的影响*

近年来随着对赤道东太平洋海温异常特征的深入认识,赤道太平洋海温变化的不同类型对气候的影响逐渐引起人们的关注。本文分析了东部和中部型El Ni?o发展年海温分布特征及其对中国夏季降水影响的差异和机理。结果表明：(1)东部型El Ni?o年的海温正距平中心发展快且强度比中部型El Ni?o年强。(2)两类El Ni?o发展年,中国夏季降水分布差异最大的是东北和华北地区,呈相反的分布,华南地区只是变化幅度不同,江淮流域降水一致偏少。(3)Walker环流分布的差异是两类El Ni?o年夏季降水分布差异的重要原因,其位于西太平洋地区下沉支的强弱以及有无上升支的分布,对西太副高和我国水汽的输送有明显影响。(4)500hPa位势高度场的遥相关波列以及高低层大气的垂直运动也是造成两类El Ni?o年中国夏季降水分布差异的重要原因。     

Decadal Changes in Interannual Dependence of the Bay of Bengal Summer Monsoon Onset on ENSO Modulated by the Pacific Decadal Oscillation

Interannual variations of the Bay of Bengal summer monsoon (BOBSM) onset in association with El Ni?o?Southern Oscillation (ENSO) are reexamined using NCEP1, JRA-55 and ERA20C atmospheric and Hadley sea surface temperature (SST) reanalysis datasets over the period 1900?2017. Decadal changes exist in the dependence of the BOBSM onset on ENSO, varying with the Pacific Decadal Oscillation (PDO). A higher correlation between the BOBSM onset and ENSO arises during the warm PDO epochs, with distinct late (early) onsets following El Ni?o (La Ni?a) events. In contrast, less significant correlations occur during the cold PDO epochs. The mechanism for the PDO modulating the ENSO?BOBSM onset relationship is through the variations in SST anomaly (SSTA) patterns. During the warm PDO epochs, the superimpositions of the PDO-related and ENSO-related SSTAs lead to the SSTA distribution of an El Ni?o (La Ni?a) event exhibiting significant positive (negative) SSTAs over the tropical central?eastern Pacific and Indian Ocean along with negative (positive) SSTAs, especially over the tropical western Pacific (TWP), forming a strong zonal interoceanic SSTA gradient between the TWP and tropical Indian Ocean. Significant anomalous lower tropospheric easterlies (westerlies) together with upper-tropospheric westerlies (easterlies) are thus induced over the BOB, favoring an abnormally late (early) BOBSM onset. During the cold PDO epochs, however, the superimpositions of PDO-related SSTAs with El Ni?o-related (La Ni?a-related) SSTAs lead to insignificant SSTAs over the TWP and a weak zonal SSTA gradient, without distinct circulation anomalies over the BOB favoring early or late BOBSM onsets.     

A New Approach for Classifying Two Types of El Nino Events

In recent decades, the typical El Nio events with the warmest SSTs in the tropical eastern Pacific have become less common, and a different of El Nio with the warmest SSTs in the central Pacific, which is flanked on the east and west by cooler SSTs, has become more fre-quent. The more recent type of El Nio was referred to as central Pacific El Nio, warm pool El Nio, or dateline El Nio, or the El Nio Modoki. Central Pacific El Nio links to a different tropical-to-extratropical teleconnection and exerts different impacts on climate, and several classification approaches have been proposed. In this study, a new classification approach is proposed, which is based on the linear combination (sum or difference) of the two leading Empirical Orthogonal Functions (EOFs) of tropical Pacific Ocean sea surface temperature anomaly (SSTA), and the typical El Ni o index (TENI) and the central El Nio index (CENI) are able to be derived by projecting the observed SSTA onto these combinations. This classification not only reflects the characteristics of non-orthogonality between the two types of events but also yields one period peaking at approximate two to seven years. In particular, this classification can distin-guish the different impacts of the two types of events on rainfall in the following summer in East China. The typical El Nio events tend to induce intensified rainfall in the Yangtze River valley, whereas the central Pacific El Nio tends to induce intensified rainfall in the Huaihe River valley. Thus, the present approach may be appropriate for studying the impact of different types of El Nio on the East Asian climate.     

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。     

前冬印度洋海盆一致模对ENSO衰减期华南春季降水的影响

利用逐月台站观测降水、HadISST1.1海温和ERA5大气再分析资料,研究了前冬印度洋海盆一致模（Indian Ocean Basin,IOB）对华南春季降水（SCSR）与ENSO关系的影响,并分析了IOB通过调控ENSO环流异常进而影响SCSR的可能机制。结果表明:当前冬El Ni?o（La Ni?a）与IOB暖（冷）位相同时发生时,SCSR显著增多（减少）;而当El Ni?o或La Ni?a单独发生而IOB处于中性时,SCSR并无明显多寡倾向。其原因在于,当El Ni?o与IOB暖相位并存时,前冬热带印度洋和赤道中东太平洋均为正海温异常（Sea-Surface Temperature Anomaly,SSTA）,且印度洋SSTA强度可一直维持至春季。在对流层低层,春季赤道中东太平洋的正SSTA激发出异常西北太平洋反气旋（Western North Pacific Anticyclone,WNPAC）。而热带印度洋的正SSTA在副热带印度洋激发出赤道南北反对称环流,赤道以北的东风异常有利于异常WNPAC西伸;赤道以南的西风异常与来自赤道西太平洋的东风异常在东印度洋辐合上升,气流至西北太平洋下沉,形成经向垂直环流,有利于春季WNPAC维持。在对流层高层,印度洋的正SSTA在热带印度洋上空激发出位势高度正异常,随之形成的气压经向梯度加强了东亚高空副热带西风急流,进而在华南上空形成异常辐散环流。WNPAC的西伸和加强可为华南提供充足的水汽,同时高空辐散在华南引发水汽上升运动,共同导致SCSR正异常。而若El Ni?o发生时IOB处于中性状态,El Ni?o相关的SSTA衰减较快,春季WNPAC不显著,SCSR无明显多寡趋势。      

Distinctive MJO Activity during the Boreal Winter of the 2015/16 Super El Nino in Comparison with Other Super El Nino Events

Many previous studies have demonstrated that the boreal winters of super El Nino events are usually accompanied by severely suppressed Madden-Julian oscillation(MJO) activity over the western Pacific due to strong descending motion associated with a weakened Walker Circulation. However, the boreal winter of the 2015/16 super El Nino event is concurrent with enhanced MJO activity over the western Pacific despite its sea surface temperature anomaly(SSTA)magnitude over the Nino 3.4 region being comparable to the SSTA magnitudes of the two former super El Nino events(i.e.,1982/83 and 1997/98). This study suggests that the MJO enhanced over western Pacific during the 2015/16 super El Nino event is mainly related to its distinctive SSTA structure and associated background thermodynamic conditions. In comparison with the previous super El Nino events, the warming SSTA center of the 2015/16 super El Nino is located further westward, and a strong cold SSTA is not detected in the western Pacific. Accordingly, the low-level moisture and air temperature(as well as the moist static energy, MSE) tend to increase in the central-western Pacific. In contrast, the low-level moisture and MSE show negative anomalies over the western Pacific during the previous super El Nino events.As the MJO-related horizontal wind anomalies contribute to the further westward warm SST-induced positive moisture and MSE anomalies over the western tropical Pacific in the boreal winter of 2015/16, stronger moisture convergence and MSE advection are generated over the western Pacific and lead to the enhancement of MJO convection.     

ENSO位相转换期北太平洋热带外大气对热带东太平洋海温的影响

利用NCEP/NCAR提供的大气月平均再分析资料、NOAA提供的ERSST.V4资料及ECMWF提供的ORAS4海洋再分析数据集,借助合成分析、相关分析和SVD分解等方法,对ENSO位相转换期北太平洋热带外大气对热带东太平洋海温的影响进行分析。结果表明:（1）6月关键区（155~130 °W,10~30 °N）存在海平面气压正异常与同期以及后期热带东太平洋出现海温负异常有关,E-L型事件（El Ni?o次年发生La Ni?a）在关键区出现海平面气压正异常的概率远大于E-N型事件（El Ni?o次年不发生La Ni?a）;（2）通过分析北太平洋3—6月海平面气压场和后期12月海温场SVD分解的结果,同样发现关键区海平面气压异常和后期12月热带东太平洋海温异常的负相关关系;（3）6月正位相OKJ波列的传播可能是导致同期关键区海平面气压正异常的原因之一;（4）6月关键区出现海平面气压正异常时,可能通过引起1~3个月后同区域出现更多向南海表层海流流速异常,有助于将中纬较冷的海水向赤道输送,引起12月热带东太平洋海温负异常,对于La Ni?a的形成起到一定促进作用。      

夏季西北太平洋热带气旋生成频次与热带海温关系的年代际变化

探讨了夏季(6—8月)西北太平洋(Western North Pacific,WNP)热带气旋生成频次(Tropical Cyclone Genesis Frequency,TCGF)与热带海温关系的年代际变化,发现影响WNP TCGF的热带海温型在1991/1992年发生了年代际变化。在1990年代初之前,TCGF正异常对应的热带海温异常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)呈现东部型La Ni?a衰减位相,前冬至春季WNP局地暖SSTA在其西北侧激发气旋异常,夏季时由热带印度洋冷SSTA继续维持。在1990年代初之后,TCGF正异常对应的热带SSTA呈现东部型La Ni?a向中部型El Ni?o快速转换的位相,夏季中太平洋暖SSTA在其西北侧激发气旋异常,同时热带东印度洋至海洋性大陆以及热带大西洋的冷SSTA通过垂直环流圈加强中太平洋的辐合上升运动,进一步维持其西北侧气旋异常。由于激发气旋异常的暖SSTA在第二个年代相较第一个年代明显偏南偏东,气旋异常和TCGF正异常在第二个年代也整体偏南且向东扩展至更远的区域。WNP TCGF与热带海温关系的年代际变化与1990年代初之后厄尔尼诺-南方涛动演变速率加快有关。      

DIAGNOSTIC ANALYSIS AND VERIFICATION OF PREDICTION OF THE TROPICAL PACIFIC SEA SURFACE TEMPERATURE ANOMALIES DURING 1997 ~ 1998

By comparing with ENSO events that ever happened in the history, the basic features and probable causes of the anomalous sea surface temperature of the tropical Pacific Ocean during 1997 and 1998 have been analyzed diagnostically. It is found that the 1997/1998 El Nino had significant abnormalities and peculiarities. It differs from the previous El Ni?o events falling into the simple “eastern pattern” or “western pattern”. The predictions of 1997/1998 El Ni?o event have also been tested with an intermediate ocean-atmosphere coupled dynamic model. The results show that the skills of the 0～24 lead month forecasts for the warm event are all above 0.5. The predictions of the mature phase and the later stages of the warm event are better than those of the beginning phase.