1997／1998E1 Nino事件的热力学诊断分析

本文基于以925hPaNCEP／NCAR再分析风应力距平为初始强迫场的Zebiak-Cane海气耦合模式对1997／1998E1Nino事件集合预报平均结果,对1997／1998E1Nino事件进行热力学诊断分析。结果表明：（1）在整个E1Nino事件过程中,在赤道太平洋从西到东的各个Nino区中,平流作用主要起促进作用,而热力阻尼项则基本为衰减或抑止作用。（2）从Nino4区到Nino1＋2区,纬向平流对SSTA上升的促进强度变化不大,而经向平流和垂直上升流对SSTA增加的促进作用在逐渐增强。同时,热力阻尼项对SSTA变化的抑制作用也呈依次增强。（3）平流项中,经向平流的贡献相对湿著。     

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。     

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.     

El Ni(n)o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(n)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(n)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(n)o事件成熟位相锁定在年底的机制.在El Ni(n)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(n)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(n)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(n)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(n)o事件成熟位相锁定在年底的主(次)要因子.     

热带西太平洋风应力异常在ENSO循环中作用的数值试验

利用一个中等复杂程度的海气耦合模式来研究热带西太平洋地区风应力异常对ENSO循环的影响,并以1997/1998年的El Nino事件为例,分析了模式结果中热带西太平洋地区风应力异常对El Nino事件形成影响的动力学及热力学作用.结果表明,热带西太平洋地区的风应力异常对ENSO循环有很重要的作用.在耦合模式中,当热带西太平洋地区的风应力异常由观测给定时,耦合模式基本上可以模拟出自1971年以来的EI Nino事件,观测与模拟的Nino 3区海面温度异常(SSTA)的相关系数可达0.63.赤道西太平洋地区的风应力异常可加强该地区大气的辐合,从而加强了大气的加热场,进而加强了海气相互作用的不稳定.赤道西太平洋地区西风异常激发出来的Kelvin波及水平平流对EI Nino事件初始阶段的发展起重要作用;海气相互作用及东边界的反射对EI Nino事件的发展及维持起重要作用.     

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 Nino事件发生和消亡中热带太平洋纬向风应力的动力作用 II.模式结果分析

为了分析ElNio事件发生和消亡中热带太平洋纬向风应力的动力作用，建立一个类似于Zebiak的简单热带海洋数值模式，在观测到的风应力异常的强迫下，模拟赤道太平洋地区1971年1月至1998年8月海表温度异常的变化。结果表明，模式对观测的Nio3区海表温度异常(SSTA)有很好的模拟能力。模拟和观测Nio3区SSTA之间的相关系数可达0.90。模式对ElNio事件期间赤道太平洋海表温度异常随时间变化也有较好的模拟能力。为了分析ElNio期间SSTA的空间分布及其随时间变化的动力学机制，还对19861989年ENSO循环期间赤道太平洋地区观测的SSTA的传播特征及其形成机制进行了分析。模式较好地模拟出了观测到的赤道太平洋地区SSTA的传播特征，即从1986年底至1987年4月，SSTA具有向东传播的特征，从1987年6月至1988年2月具有向西传播的特征。动力学分析的结果表明，赤道中西太平洋地区的纬向风应力异常对ElNio事件的发生和消亡具有重要作用。赤道中西太平洋地区的西风异常可强迫出东传的Kelvin波，这个东传的Kelvin波对正SSTA的东传起主要作用，当这个东传的Kelvin波到达东边界，由于东边界的反射作用，在东边界产生西传的Rossby波，这个西传的Rossby波对赤道中东太平洋地区正SSTA的西传起主要作用。东传Kelvin波和反射的Rossby波对ElNio期间赤道东太平洋正SSTA二次峰值的形成具有重要作用。     

利用热带测雨卫星的测雨雷达资料对1997/1998年El Ni?o后期热带太平洋降水结构的研究

利用热带测雨卫星的测雨雷达(TRMM PR)的探测结果,对1997/1998年 El Ni(n)o后期热带太平洋的降水结构进行了研究,并对比了非El Ni(n)o的1999年和2000年的同期降水情况,取得如下结果:(1)1997/1998 El Ni(n)o后期与非El Ni(n)o期间相比,1997/1998 El Ni(n)o后期,热带东、中太平洋层云降水和对流云降水的比例明显增大、平均降水率也增大,并且层云强降水的比例增多,而层云弱降水比例减少.(2)在非El Ni(n)o期间,热带东、中太平洋对流云降水系统较为浅薄,冻结层高度比西太平洋低约0.5 km;而在1997/1998 El Ni(n)o后期,这种差异明显减小,热带东、中太平洋对流云降水和层云降水都变得深厚;对流云降水和层云降水的降水率随高度的变化也发生了变化.(3)对大气环流的分析表明,对应于降水结构的变化,热带太平洋地区的高空辐合辐散分布也发生了改变,导致Walker环流在1997/1998 El Ni(n)o后期减弱.     

影响春季热带太平洋地区海温变化的动力热力作用分析

厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）春季预报障碍是ENSO预测的一个难点问题,弄清影响春季热带太平洋地区海表温度（SST）变化的动力和热力作用对于理解ENSO关键区SST的异常变化及ENSO春季预报障碍成因非常重要。本文利用BCC-CSM2-MR数值模式,模拟产生一套1986～2017年间相互协调的逐月海表风应力、感热、潜热、长波和短波净辐射能量、海洋流场等观测代用数据。利用这些数据对影响海温变化的动力和热力作用及其相对重要性进行了诊断分析,结果表明:（1）与其他季节相比,春季Ni?o3.4区海洋表层温度（后文中用T_S表示）呈现出独特的先增暖后趋冷的不对称季节性转换特征,这一变化主要是由于影响T_S的大气风应力、海流以及能量净通量在春季均表现出明显的季节性转换过程。进一步的分析表明,热力作用对局地海温的季节性变化影响最为重要,水平平流输送以反向作用为主,其中经向平流输送起到了反向作用,不利于该区域T_S的季节性转变,纬向平流输送仅在春季转为弱的正贡献,浅层垂直平流输送对春季T_S变化的影响很小。（2）动力热力作用与T_S异常的变化倾向相关关系也表明,春季Ni?o3.4区热力作用与T_S异常变化呈现显著的正相关,纬向海流异常的输送项也表现为正相关,而经向海流输送项展现出由负相关向正相关转化的特征。（3）对Ni?o3.4区T_S变化的方差贡献分析结果表明,春季热力作用对T_S的异常变化的贡献达50%以上,相关系数超0.7,其次是纬向、经向平流项贡献,各占10%～20%左右,但两者作用相反,其他项贡献较小。     

近16 a来冬季欧亚大陆中纬度地区低温事件频发及其成因

利用ECMWF的ERA-Interim再分析资料和NOAA/NCDC站点资料,通过逐日气温的季节内方差,构造了冬季冷强度指数,并研究了近16 a来欧亚大陆中纬度地区低温事件频发的原因。结果表明:近16 a来,欧亚大陆中纬度地区极端低温天气发生频率呈显著上升趋势,对应在欧洲西北部、西伯利亚以及东亚地区冬季冷强度增强趋势明显,但冬季季节内温度方差增强趋势不明显,表明新构造的冷强度指数能更好地刻画低温事件的总体变化特征。近年来欧亚大陆中纬度地区寒潮事件频发且持续时间加长,相应地,西伯利亚高压增强并向西北扩展,伴随着欧亚大陆中高纬度地区北风增强,西风减弱,对应冬季平均气温也出现显著下降趋势,导致冬季冷强度不断增强。进一步分析温度平流各项发现,近年来冬季欧亚大陆中纬度地区以冷平流为主,纬向与经向温度平流分量同等重要,除经向风及经向温度梯度变化项的作用外,纬向风与纬向温度梯度变化项也起着重要的作用。温度平流各项对各个地区的贡献不同,经向风与经向温度梯度的变化主要促使西伯利亚地区降温,纬向风变化项主要引起欧洲地区降温,纬向温度梯度变化项主要使东亚地区降温。