热带太平洋海洋混合层水体振荡与ENSO循环

研究了热带太平洋温跃层和海面风应力年际变率主要模态及它们之间的相互作用, 探讨了ENSO循环的可能形成机制, 得到如下结果: (1)热带太平洋温跃层异常具以160°W为纵轴的东西向偶极子分布和以6~8°N为横轴的南北向跷跷板分布等两种主要模态, 两者(相位差90°)组合构成El Niño/La Niña循环, 表现为混合层水体(指温跃层界面之上海温垂直分布较均匀的上层海洋)在赤道与12°N之间的热带太平洋海盆内反时针三维振荡; (2)热带太平洋风应力异常具两种主要分布型, 第一特征向量场反映了热带太平洋信风异常导致的赤道太平洋异常纬向风应力及散度场与离赤道北太平洋异常越赤道风应力及反相散度场, 第二特征向量场反映了热带辐合带(ITCZ)异常导致的异常风应力及相应散度场; (3)信风异常对ENSO事件的形成、强度和相变都有决定性的作用, 它导致海面倾斜, 提供了混合层水体振荡初始位能, 同时造成赤道太平洋西部与东部之间和赤道太平洋与12°N北太平洋海盆之间温跃层同步反相位移, 限定了热带太平洋混合层水体振荡的振幅和路线. ITCZ异常主要对ENSO相变过程有一定影响; (4)热带西太平洋海洋热力异常导致海面风应力异常, 它伴随热带太平洋混合层水体振荡沿赤道由西向东扩展, 造成热带太平洋信风异常, 产生有利于水体振荡的异常风应力及散度场, 反过来进一步加强混合层水体振荡. 这一海气耦合过程与混合层水体振荡一起为ENSO循环提供了相变和年际记忆机制. 研究指出, ENSO循环实质上是由信风异常和海气耦合过程共同作用下产生的热带太平洋海洋混合层水体在赤道与12°N之间热带太平洋海盆内的惯性振荡. 海气耦合过程产生的作用力大于或等于水体运动阻力时, ENSO循环将加强或维持, 不足以克服水体运动阻力时, 水体振荡减小, ENSO循环将逐渐减弱, 直至中断.     

南印度洋副热带偶极模在ENSO事件中的作用

南印度洋副热带偶极模（Subtropical Dipole Pattern,SDP）是印度洋存在的另一种很明显的偶极型海温差异现象,在年际和年代际尺度上均有十分明显的表现.而目前有关印度洋海气相互作用的研究主要集中在赤道印度洋地区,针对南印度洋地区的工作还比较少,特别是有关南印度洋海温与ENSO（El NiDo-Southern Oscillation）事件关系的研究.本文初步探讨了年际尺度上南印度洋副热带偶极型海温变化差异与ENSO事件的关系,发现SDP与ENSO事件有密切的联系,SDP事件就像连接正负ENSO位相转换的一个中间环节,SDP事件前后期ENSO的位相刚好完全相反.进一步,本文通过分析SDP事件前后期海温、高低层风、低层辐合辐散、高空云量和辐射等的变化特征研究了南印度洋偶极型海温异常在ENSO事件中的作用,结果表明：SDP在ENSO事件中的作用不仅涉及海气相互作用的正负反馈过程,还与热带和副热带大气环流之间的相互作用有关,特别是与东南印度洋海温变化所引起的异常纬向风由赤道印度洋向赤道太平洋传播的过程等有十分直接的关系;同时,SDP对ENSO事件的影响在很大程度上还依赖于大尺度平均气流随季节的变换.     

热带西太平洋和南印度洋近20年来的海面高度变化及其动力联系

利用卫星遥感和现场观测资料,结合线性Rossby波诊断解,研究了近20年热带太平洋和印度洋暖池区海面高度的快速升高趋势.结果表明,两大洋热带区域同步的海面上升趋势通过印度尼西亚海的海洋波导通道联系在一起,其动力关联主要发生在温跃层深度,表现为热带太平洋的海面高度低频波动信号通过印度尼西亚海传至印度洋,并影响到南印度洋的东部海区,而南印度洋西部的海面变化主要受印度洋内区局地风场的调制.超前-滞后相关分析的结果表明,东南印度洋海面高度的年际和年代际变化信号分别源自太平洋赤道和近赤道海区,分别受到了太平洋赤道风应力异常和近赤道风应力旋度异常的调控,并且分别与ENSO的年际过程和PDO的年代际过程密切相关.     

FOAM海气耦合模式中印度洋海温年际变化在厄尔尼诺不同发展阶段的影响

热带印度洋与热带太平洋是全球海气耦合最活跃的区域之一,两者的海温场中均存在着显著的年际变化模态,而且这两个洋盆间的海温异常模态间是相互联系的.本文采用一个复杂的全球海气耦合模式,模拟了两组分别包含和不包含热带印度洋海温年际变化对热带大气强迫的耦合试验,对比研究印度洋海温年际变化在厄尔尼诺事件演变中的贡献.结果表明,热带印度洋海温年际变化的存在使得厄尔尼诺事件的成熟期强度增加,且在厄尔尼诺的发展年秋季出现明显的快速增长.但在厄尔尼诺衰亡年,热带印度洋海温年际变化却使得热带太平洋暖海温减弱甚至转变为冷海温,使得厄尔尼诺事件的演变周期减短.具体来讲,发生于厄尔尼诺发展年的印度洋偶极子正异常事件能够在热带印度洋东部到热带西太平洋之间强迫出一支异常的下沉气流及异常Walker环流,加强原有的西太平洋低层西风异常,通过海洋平流及波动调整过程增强厄尔尼诺期间太平洋的暖海温异常;而在厄尔尼诺衰亡年出现的印度洋全洋盆增暖则在南亚季风爆发的背景下,在印度大陆上空产生一支明显的异常上升气流,激发西太平洋东传的Kelvin波及低层大气的东风异常,削弱了热带太平洋洋面的西风异常,促使厄尔尼诺从暖位相向冷位相转化,并使得西北太平洋出现反气旋式大气环流和降水的减少.因此,印度洋海温偶极子模态主要影响厄尔尼诺事件的发展阶段,而印度洋海温洋盆一致变化模态显著影响厄尔尼诺事件的衰亡阶段,两者均可通过改变大气环流而遥强迫太平洋海域.     

热带太平洋-印度洋温跃层海温异常联合模及其演变

利用SODA次表层海温再分析资料和卫星遥感海面高度异常数据,分析了热带太平洋和印度洋温跃层海温之间的联系,提出了太平洋-印度洋温跃层海温异常联合模(PITM)的概念、并定义了该联合模指数.结果表明,联合模指数具有准两年和3~5年的年际变化周期以及2011-2012年的年际变化周期,并具有季节锁相和振幅不对称等特征.联合模的演变过程与温跃层海温异常(TOTA)的发展和传播过程紧密相联:在太平洋,TOTA一般从西太平洋出发沿赤道(5°S-5°N)向东传播,到达东太平洋之后折向北,再沿10°N-14°N纬度带向西传播到达太平洋西岸并向赤道西太平洋扩展,形成一条回路;南太平洋也有类似回路但信号较弱;在印度洋,则主要沿8°S-12°S纬度带向西传播,到达西岸后折向北,然后迅速沿赤道(1.25°S-1.25°N)向东扩展,也形成一条回路.对NCEP/NCAR再分析风场资料的合成分析则表明,联合模的演变过程与大气环流尤其是纬向垂直环流(Walker环流)的变化密切相关,联合模的正位相对应着赤道印度洋区域顺时针的Walker环流以及赤道太平洋区域逆时针的Walker环流;而联合模的负相位则有相反的情况.此外,联合模演变过程中,TOTA的传播发展与850 hPa异常纬向风的传播发展有很好的相关.     

印度洋经圈环流的结构及其与风应力的耦合关系

利用惯性理论计算了印度洋经圈环流的结构,并分析风应力与经圈环流的耦合关系．结果表明,惯性理论能够较好地表征经圈环流的特点——副热带环流圈与跨赤道环流圈,北印度洋经圈环流会随着季风的季节性反向而翻转．风应力异常和经向流函函数异常可以分解为夏季风模态、冬季风模态及异常模态．当异常呈现冬夏季风期间环流的结构特征时,经圈环流与风应力的同时相关最大;在异常模态时,二者的关系较为复杂．通过20°S和赤道断面的输送均表现为多时间尺度变化的特征,主要的周期集中在年际和年代际尺度上．     

5月热带印度洋大气大洋耦合环流的统计动力分析

对大气大洋耦合环流作直接的统计动力分析, 即将大气环流风场和大洋上层环流场看作一个整体, 作经验正交函数(矢量)展开, 从而可以得到在统计意义上的海气耦合模态和分析耦合的特征. 应用该方法对5月份热带印度洋区域(含南海)的大气大洋耦合环流进行联合统计动力分析, 得到以下结论: 第1模态是南海夏季风模态, 该模态时间系数序列有明显的两个态, 分别代表季风爆发前、后的大气、大洋环流并与南海夏季风爆发的迟早有密切关系; 在南海夏季风爆发偏早(晚)的年份, 印度洋表层到次表层的海温距平大多呈正(负)IOD形态, 印度洋赤道辐合带的上升运动和在该带南北两侧的动力性补偿下沉运动均偏强(弱); 总的说来该模态中大洋次表层到表层的流与地面风方向一致, 这表明该流是风生流. 第2模态反映ENSO在印度洋的延伸, 其时间系数序列也有两个态, 分别与Niño 3, 4区的海温异常相关较好.     

夏季西北太平洋大气环流异常及其与热带印度洋-太平洋海温变化的关系

本文分析了夏季西北太平洋大气环流异常特征及其与海温变化的关系,发现夏季西北太平洋异常反气旋/气旋(WNPAC/WNPC)是西北太平洋地区对流层中低层存在的重要大气环流异常现象,与东亚-西北太平洋低纬度至高纬度的经向PJ波列及欧亚中高纬度东西纬向波列的变化有关,通过与中高纬度环流变化的联系,对东亚及欧亚中高纬度气候有重要影响.夏季WNPAC/WNPC与热带海温变化的关系存在明显的不对称性,显著的WNPAC一般出现在El Niño衰减年夏季,与前期El Niño成熟年冬季的赤道东太平洋暖海温异常和El Niño衰减年春夏季印度洋海盆尺度的暖海温异常有明显的正相关关系,进一步表明了WNPAC在El Niño事件影响夏季气候中的重要桥梁作用;而夏季显著的WNPC与前期和同期热带海温变化的关系存在明显的不确定性,主要与夏季热带印度洋和赤道中东太平洋之间东暖西冷的热力差异异常引起的孟加拉湾-赤道西太平洋西风异常有关.进一步分析WNPAC/WNPC与海温变化关系不对称的可能原因,发现El Niño和La Niña衰减年夏季热带印度洋和太平洋海温变化所引起的印-太之间海温(热力)差异的一致性特征可能是导致WNPAC/WNPC与海温变化关系不对称的主要原因.     

南海夏季风爆发与南大洋海温变化之间的联系

利用1979-2009年NCEP第二套大气再分析资料和ERSST海温资料,分析南海夏季风爆发时间的年际和年代际变化特征,考察南海夏季风爆发早晚与南大洋海温之间的联系.主要结果为:(1)南海夏季风爆发时间年际和年代际变化明显,1979-1993年与1994-2009年前后两个阶段爆发时间存在阶段性突变;(2)南海夏季风爆发时间与前期冬季(12-1月)印度洋-南大洋(0-80°E,75°S-50°S)海温、春季(2-3月)太平洋-南大洋(170°E -80°W,75°S-50°S)海温都存在正相关关系,当前期冬、春季南大洋海温偏低(高)时,南海夏季风爆发偏早(晚).南大洋海温信号,无论是年际还是年代际变化,都对南海夏季风爆发具有一定的预测指示作用;(3)南大洋海温异常通过海气相互作用和大气遥相关影响南海夏季风爆发的迟早.当南大洋海温异常偏低(偏高)时,冬季南极涛动偏强(偏弱),同时通过遥相关作用使热带印度洋-西太平洋地区位势高度偏低(偏高)、纬向风加强(减弱),热带大气这种环流异常一直维持到春季4、5月份,位势高度和纬向风异常范围逐步向北扩展并伴随索马里越赤道气流的加强(减弱),从而为南海夏季风爆发偏早(偏晚)提供有利的环流条件.初步分析认为,热带大气环流对南大洋海气相互作用的遥响应与半球际大气质量重新分布引起的南北涛动有关.     

赤道MJO活动对南海夏季风爆发的影响

利用1979—2013年NCEP/DOE再分析资料的大气多要素日平均资料、美国NOAA日平均向外长波辐射资料和ERSST月平均海温资料,分析赤道大气季节内振荡(简称MJO)活动对南海夏季风爆发的影响及其与热带海温信号等的协同作用.结果表明,赤道MJO活动与南海夏季风爆发密切联系,MJO的湿位相(即对流活跃位相)处于西太平洋位相时,有利于南海夏季风爆发,而MJO湿位相处于印度洋位相时,则不利于南海夏季风爆发.赤道MJO活动影响南海夏季风爆发的物理过程主要是大气对热源响应的结果,当MJO湿位相处于西太平洋位相时,一方面热带西太平洋对流加强使潜热释放增加,导致处于热源西北侧的南海—西北太平洋地区对流层低层由于Rossby响应产生气旋性环流异常,气旋性环流异常则有利于西太平洋副热带高压的东退,另一方面菲律宾附近热源促进对流层高层南亚高压在中南半岛和南海北部的建立,使南海地区高层为偏东风,从而有利于南海夏季风建立;当湿位相MJO处于印度洋位相时,热带西太平洋对流减弱转为大气冷源,情况基本相反,不利于南海夏季风建立.MJO活动、孟加拉湾气旋性环流与年际尺度海温变化协同作用,共同对南海夏季风爆发迟早产生影响,近35年南海夏季风爆发时间与海温信号不一致的年份,基本上是由于季节转换期间的MJO活动特征及孟加拉湾气旋性环流是否形成而造成,因此三者综合考虑对于提高季风爆发时间预测水平具有重要意义.     

热带西太平洋纬向风异常对 ENSO 循环的动力作用

根据观测资料,分析了1982/1983,1986/1987,1991/1992和1997/1998年ElNino事件发展和衰减以及LaNino事件发生过程中赤道西太平洋对流层下层环流和纬向风异常及其作用.结果表明,在ElNino事件发展阶段前,在热带西太平洋上空对流层下层产生气旋性环流异常,从而使印度尼西亚和赤道西太平洋上空产生西风异常;而当ElNino事件发展到成熟阶段,在热带西太平洋上空对流层下层产生反气旋性环流异常,从而使印度尼西亚和赤道西太平洋上空产生东风异常.还利用一个简单的热带海洋动力学模式,计算了20世纪最强的1997/1998ENSO循环过程中赤道海洋波动对实际海表风应力距平的响应.结果表明,热带西太平洋海表附近的纬向风异常,通过激发Kelvin波与Rossby波对ElNino事件的发展与衰减和LaNino事件的发生起到重要的动力作用.     

外热带大气扰动对ENSO的影响

合成分析了20世纪80年代以来5次主要的ENSO事件，发现外热带大气扰动通过经向风异常不仅对ENSO的发生起到重要的触发作用，而且影响到ENSO的发展和衰减. 因此，尽管ENSO对外热带大气扰动有影响，但同时外热带大气扰动又与ENSO有相互作用. 在ENSO发生前，南印度洋中纬度为反气旋异常，并通过Rossby波的频散作用加强了澳大利亚附近的反气旋异常；同时，澳大利亚东部沿海的南风异常与菲律宾附近的北风异常在赤道辐合，促进了赤道西太平洋西风异常的爆发和其后ENSO的发生. 在ENSO发生之后，东南太平洋上的气旋异常及相关的南风异常进一步增强了赤道中东太平洋的西风异常和ENSO的发展. 当ENSO达到成熟时，澳大利亚东部的反气旋异常东移，使东南太平洋的气旋异常减弱，南方涛动型环流异常亦随之减弱；同时，阿留申气旋异常加强，尤其是副热带北太平洋的风场异常可加强赤道中东太平洋海水的涌升，使该地区海表温度降低，加速ENSO的消亡.     

热带印度洋-太平洋三极模态的理论探讨

热带太平洋的厄尔尼诺-南方涛动(El Ni o-Southern Oscillation,ENSO)现象是过去几十年里海洋与气候研究的重点.随着近年来印度洋偶极子模态(Indian Ocean Dipole,IOD)的提出,热带印度洋中的短期气候变化也逐步被重视.然而,人们对这些现象的研究更多的是局限在单个的海盆之内,而不是将其作为一个整体来思考.观测表明,在年际间尺度上,热带印度洋和热带太平洋的海表温度异常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)和海表高度异常(Sea Surface Height Anomaly,SSHA)等物理量的有着很明显的反向变化趋势.对这种反向变化可以给出一个简单的解释:由于双圈沃克环流在暖池区幅聚上升,海表风场在热带印度洋为西风,在热带太平洋为东风;它们通过驱动海水的上翻使得热带西印度洋与东太平洋SSTA变冷,SSHA变低,同时也通过暖水的堆积使得暖池区SSTA升高,SSHA增加.这样就在整个热带印度洋-太平洋地区形成了一个SSTA和SSHA的三极子结构.随着热带印度洋-太平洋上空沃克环流圈的增强或减弱,两个海洋之间的反向梯度关系也会随之做相应的调整,并通过梯度与沃克环流之间的正反馈作用得以维持.这一振荡模态被称为印-太三极子(Indo-Pacific Tripole,IPT).本文将通过资料分析和一个简单的概念模型来讨论IPT模态的发展和变化机制,并着重考虑ENSO与IOD对IPT模态的影响.该模型包含了最基本的海洋与大气的物理变量和他们之间的相互作用,可以为更深层次地理解和研究热带地区短期气候变化提供重要参考.     

热带西太平洋对风应力的斜压响应

发展了一个线性热带西太平洋两层模式,分别为混合层和温跃层,其密度、温度各不相同.利用这一模式分析了热带西太平洋对纬圈风应力的响应,求出西边界的解,以及解析地求得热带西太平洋温跃层厚度、洋流及海温分布.结果表明,热带西太平洋物理量的变异在El Nino/La Nina事件中起着重要作用,在温跃层中海温变化的振幅明显大于混合层,这从理论上支持了近年来的观测事实.     

地气角动量交换与ENSO循环

用1976～1989年的地球自转速度、赤道东太平洋海温和气压及大气角动量资料,研究了地气之间角动量交换与ENSO循环的关系结果表明:固体地球自转速度、赤道东太平洋海温、不同纬带及全球大气角动量之间存在着协同的变化关系;低纬局地海气相互作用通过Hadley环流可形成类似ENSO事件的循环;固体地球和全球海气相互作用通过山脉力矩和地转变速摩擦力矩形成了固体地球-海洋-大气系统中各个方面出现的非周期行为和非同步振荡;实际出现的ENSO循环是固海气相互作用反映在太平洋洋盆上的一种现象.     

多时空尺度海气相互作用与ZEBIAK-CANE模式的改进

实际气候系统中包含了行星尺度、洋盆尺度和局地海气相互作用的过程.一层大气的Zebiak-Cane(ZC)模式仅仅描写了局地海气相互作用.于是,行星尺度的Hadely环流异常和洋盆尺度的Walker环流异常需要引进到ZC模式中.通过在ZC模式中引进Hadley异常的改进,结果表明改进的模式不仅能对1970～1990年,而且也能对1991～1995年的赤道东太平洋海温异常作出提前9～10个月的预报.     

末次冰期以来印尼穿越流对东亚季风变迁和ENSO活动的响应

印尼穿越流连接西太平洋和印度洋,调节这两个大洋之间的热量和水汽的交换,继而在全球气候变化中扮演着重要的角色．印尼穿越流的通量、水体性质和垂向分层受东亚季风和厄尔尼诺．南方涛动（El Nino-Southern Oscillation,ENSO）等气候现象强烈影响．本文研究了钻取于帝汶海区印尼穿越流出口处S018462孔的沉积物,分析浮游有孔虫表层水种和温跃层水种壳体的氧同位素和Mg／Ca比值,恢复了末次冰期以来印尼穿越流表层水和温跃层水的温度和盐度以及垂向温度梯度的变化,并与钻取于西太平洋暖池中心的3cBX孔记录进行了对比．结果显示,末次冰期时帝汶海与西太平洋暖池的表层海水性质几乎一致,自大约16ka以来帝汶海相对暖池的表层海水淡化显著,但二者之间的温度差异变化不大．冰消期时,帝汶海和暖池温跃层海水温度均呈现升高趋势,在大约11．5ka达到峰值;之后,暖池中心的温跃层海水温度总体维持不变,而帝汶海的温跃层海水温度逐渐降低;6ka以来,帝汶海和暖池温跃层海水性质总体趋于一致．上述结果表明,早全新世（11．5—6ka）,类拉尼娜状态以及东亚夏季风降水的增加,使得区域内表层海水盐度降低,抑制了印尼穿越流表层流,导致温跃层流加强．6ka以来,除了东亚冬季风影响下最终造成帝汶海温跃层变浅外,ENSO的频繁活动也可能是重要的影响因素．     

风应力桥梁作用下热带太平洋和热带大西洋相互作用的数值试验

利用中等复杂程度热带大气和海洋模式研究了热带太平洋和大西洋SST通过风应力桥梁的相互作用.利用1958～1998年NCEP分析的海表面温度场（SST）强迫大气模式得到的表面风应力与NCEP分析的同期热通量共同驱动海洋模式，作为控制试验；和控制试验平行，但强迫大气模式的SST在某一海盆取为多年气候平均值的试验作为敏感性试验；比较控制试验与敏感性试验模拟，则可反映风应力桥梁作用下热带某海盆SST异常对其他海盆的影响.结果表明，热带某一海盆SST暖（冷）异常总是引起局地海盆表面西部西（东）风异常和东部东（西）风异常；热带太平洋SST暖（冷）异常导致的该海盆东部表面东（西）风异常可以扩展到热带大西洋，从而导致热带大西洋SST冷（暖）异常；热带大西洋SST暖（冷）异常导致的该海盆西部表面西（东）风异常可以扩展到热带太平洋，从而导致热带太平洋SST暖（冷）异常.     

ENSO循环之中的海气相互响应——对次表层海温和大气旋度的资料分析

利用美国国家环境预测中心（NCEP）和联合环境数据分析中心（JEDAC）资料，分别定义了表征海洋和大气变异的风场涡度指数和温度场指数，对热带太平洋海域的极值曲面上的温度距平、850 hPa风应力旋度进行了分析.结果显示，大气对海洋热力强迫的响应主要是Gill型，而大气又可以通过风应力旋度造成的Ekman抽吸作用来影响海洋，这种海气相互作用影响着ENSO循环的发展.通过简单的统计分析，解释了二者在ENSO循环之中所起的作用，并从资料中验证了El Nio事件具有3～4年的循环周期.这在一定程度上支持了ENSO的时滞振荡子和自然振荡子理论.     

北大西洋涛动和南半球环状模不同位相配置对我国南方夏季降水的协同影响

利用我国气象台站观测资料和再分析格点数据,诊断研究了前期春季(4-5月份)北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)和南半球环状模(Southern Annular Mode,SAM)在不同位相配置下对我国南方夏季降水异常变化的协同影响作用.分析结果表明,在剔除ENSO最强信号影响后,我国南方夏季降水异常分布显著地依赖于前期春季两个较为独立的年际变率主模态(NAO和SAM)位相的不同配置,即降水异常型主要表现为两个因子单独作用的叠加效果,当前春SAM正位相偏强而NAO负位相偏强时,二者的影响呈现协同正效应,我国南方夏季(6-7月份)降水表现为全区正异常,特别在长江中下游及其以南附近地区最为显著;反之,当前春SAM呈偏强的负位相而NAO偏强的正位相配置时,二者的影响呈现协同负效应,对应我国夏季长江中下游地区降水表现为显著负异常.对其可能的影响机理研究表明,在SAM与NAO位相相反情况下,二者均会通过海气相互作用过程影响到热带大西洋北部海温的异常变化,进而形成协同作用,增强北大西洋海温三极子模态异常信号,从而通过欧亚大陆的遥相关波列对东亚夏季风和我国南方降水产生显著影响.相比之下,当SAM与NAO同位相时,可能表现为抵消效应,不利于北大西洋海温三极子发展,从而削弱对我国南方夏季降水的影响,此方面还有待进一步研究.