全球增暖对ENSO影响的数值模拟研究

利用日本东京大学气候系统研究所、日本环境研究所和日本地球环境研究中心联合开发的海气耦合模式MIROC3.2，研究了全球变暖对ENSO年际变率的影响。该模式较好地模拟了ENSO循环的不同阶段表层和次表层海水温度变化，海表温度最大振幅出现在120°W以东，与观测一致，表明模式可以较好反映热带地区大气、海洋的动力、热力特征。研究还比较了控制试验和CO2浓度年增长1%的瞬时试验，结果表明，在全球变暖的大环境下ENSO事件发生频率没有显著变化，但ENSO事件强度增大，年际变率变大；热带太平洋呈现整体增暖趋势，表层温度尤其是热带中太平洋地区温度升高显著。敏感性分析表明，年际ENSO变率的振幅增大的主要贡献来自于海洋。海水增温导致热带太平洋海温垂直梯度增大，在热带西太平洋海温垂直温度梯度变化最为明显；次表层海温对单位大气风应力变化的响应大于表层海温响应。当这种响应与热带太平洋赤道地区径向温度梯度变化的共同作用导致温室效应下ENSO振幅增大。     

Evaluation of the performance of CMIP5 and CMIP6 models in simulating the South Pacific Quadrupole-ENSO relationship

先前的观测研究表明,南太平洋四极子海温模态(SPQ)可以有效地作为ENSO的前兆信号.本文利用20个CMIP6模式及其对应的20个先前的CMIP5模式的工业化前气候模拟试验数据,评估和比较了CMIP6以及CMIP5模式对SPQ与ENSO的关系的模拟能力.结果表明,大多数CMIP5和CMIP6模式可以合理地模拟SPQ的基本特征.与早期的CMIP5模式相比,CMIP6模式能够更加真实地模拟SPQ与ENSO之间的关系.进一步分析表明,CMIP6模式模拟SPQ与ENSO关系的能力提高,是因为CMIP6模式能够更好地模拟出在副热带/热带太平洋上与SPQ相关的表面海气热力耦合过程,以及在赤道太平洋上与SPQ相关的次表层海温的异常相应.     

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。     

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟II：热带太平洋强迫

利用一个全球海气耦合模式(BCM),结合观测资料,讨论了热带太平洋强迫对北大西洋年际气候变率的影响。研究表明,BCM能够相对合理地模拟赤道太平洋的年际变率模态及相应的海温距平型和大气遥相关型,尽管其准3年的振荡周期过于规则。来自数值模式和观测上的证据都表明,北大西洋冬季海温的主导性变率模态,即自北而南出现的“- -”的海温距平型,受到来自热带太平洋强迫的显著影响,其正位相与赤道中东太平洋冷事件相对应。换言之,赤道太平洋暖事件的发生,在太平洋-北美沿岸激发出PNA遥相关型,进而通过在北大西洋产生类似NAO负位相的气压距平型,削弱本来与NAO正位相直接联系的三核型海温距平。北大西洋三核型海温距平对热带太平洋强迫的响应,要滞后2—3个月的时间。     

气候系统模式FGOALS_gl模拟的赤道太平洋年际变率

本文分析了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 (LASG/IAP) 发展的气候系统模式FGOALS_gl对赤道太平洋年际变率的模拟能力。结果表明, FGOALS_gl可以较好地模拟出赤道太平洋SST异常年际变率的主要特征, 但模拟的ENSO事件振幅偏大, 且变率周期过于规则。耦合模式模拟的气候平均风应力在热带地区比ERA40再分析资料的风应力强度偏弱30%左右, 由此引起的海洋平均态的变化, 是造成模拟的ENSO振幅偏强的主要原因。FGOALS_gl模拟的ENSO峰值多出现在春季或夏季, 原因可归之于模式模拟的SST季节循环偏差。耦合模式可以合理再现ENSO演变过程, 但观测中SST异常的东传特征在模式中没有得到再现, 这与模拟的ENSO发展模态表现为单一的 “SST模态” 有关。模拟的ENSO位相转换机制与 “充电—放电” 概念模型相符合, 赤道太平洋热含量的变化是维持ENSO振荡的机制。在ENSO暖位相时期, 赤道中东太平洋与印度洋—西太平洋暖池区的海平面气压距平型表现为南方涛动型 (SO型), 200 hPa位势高度分布表现为太平洋—北美遥相关型 (PNA型)。     

大气环流模式和耦合模式模拟的降水-海温关系之比较

本文讨论了气候系统耦合模式FGOALS_s模拟的局地降水和海温的关系, 并通过与单独大气模式SAMIL的AMIP试验结果进行对比分析, 考察了海气耦合过程对局地降水和海温关系模拟的影响。结果表明, 耦合模式FGOALS_s和单独大气模式SAMIL在模拟局地降水和海温关系上各有优势。在赤道中东太平洋地区, 观测中局地降水和海温的关系是海洋强迫为主, FGOALS_s模拟的海洋对大气的强迫比观测偏弱, 因此, SAMIL相对于FGOALS_s更有优势。在西北太平洋东部地区, 观测中夏秋季节降水和海温的关系是大气强迫为主, 由于考虑了海气相互作用过程, FGOALS_s对降水和海温关系的模拟能力要优于单独的大气模式。此外, 由于大气模式SAMIL的云参数化方案导致的模拟偏差, 在赤道中东太平洋地区 (9～11月), 降水增加时入射的短波辐射通量也是增加的, 并且这种模拟的偏差在耦合后仍然保留了下来, 导致了与观测不符的云[CD*2]辐射反馈过程。因此, 改进大气模式的云参数化方案是未来工作重点之一。此外, 分析发现耦合模式模拟的潜热通量的变化过分依赖海气湿度差。     

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.       

印度洋对ENSO事件的响应:观测与模拟

观测事实显示,在El Ni(n～)o期间,伴随着赤道中东太平洋表层海温(SST)的升高,热带印度洋SST出现正距平.作者利用海气耦合模式模拟了印度洋对ENSO事件的上述响应,并进而讨论了其物理机制.所用模式为法国国家科研中心Pierre-Simon-Laplace 全球环境科学联合实验室(IPSL)发展的全球海气耦合模式.该模式成功地控制了气候漂移,能够合理再现印度洋的基本气候态.观测中与ENSO相关的热带印度洋SST变化,表现为全海盆一致的正距平,并且这种变化要滞后赤道中东太平洋SST变化大约一个季度,意味着它主要是对东太平洋SST强迫的一种遥响应,模式结果也支持这一机制,尽管模式中的南方涛动现象被夸大了,使得模拟的与ENSO相关联的SST正距平的位置南移,阿拉伯海和孟加拉湾被负距平(而不是正距平)所控制.研究表明,东太平洋主要通过大气桥影响潜热释放来影响印度洋SST变化.赤道东太平洋El Ni(n～)o事件的发展,导致印度洋上空风场异常自东而西传播;伴随着风场的变化,潜热发生相应变化,并最终导致SST异常的发生.非洲东海岸受索马里急流控制的海域,其SST的变化不能简单地利用热通量的变化来解释.证据显示,印度洋的增暖是ENSO事件发生的结果而不是其前期信号.     

耦合模式FGOALS_s 模拟的亚澳季风年际变率及ENSO

本文评估了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 (LASG/IAP) 新一代耦合气候模式FGOALS_s对亚澳季风和ENSO的模拟。结果表明, FGOALS_s可以模拟出亚澳季风的主要气候态特征。FGOALS_s模拟的ENSO事件振幅为观测值的70%, 同时它合理再现了ENSO周期的非规则性。FGOALS_s可以定性模拟出ENSO的主要空间特征。当赤道东太平洋SST升高时, 印度洋和西太平洋海表面气压升高, 而东太平洋海表面气压降低。FGOALS_s的主要缺陷在于模拟的ENSO峰值多出现在春季和夏季。与ENSO振幅偏小相反, FGOALS_s模拟的亚澳季风年际变率振幅大于观测。但是观测中亚澳季风年际变率与ENSO暖位相的显著负相关关系, 在模式中没有得到合理再现, 原因部分可归之于耦合模式在ENSO锁相模拟上的缺陷。由于模式模拟的ENSO峰值出现在北半球春季和夏季, Walker环流异常下沉支移动到西北太平洋, 其激发出的异常反气旋位置较之观测要偏东, 导致印度季风降水和El Niño的负相关关系不显著; 在北半球冬季, 由于模式中的赤道东太平洋SST暖异常较弱, 亚澳季风响应也偏弱。此外, 由于赤道东太平洋SST异常向西伸展, 观测中位于澳洲季风区的辐散中心向西偏移, 最终导致模式中澳洲季风降水与ENSO的负相关同样不显著。     

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟Ⅱ:热带太平洋强迫

利用一个全球海气耦合模式(BCM),结合观测资料,讨论了热带太平洋强迫对北大西洋年际气候变率的影响.研究表明,BCM能够相对合理地模拟赤道太平洋的年际变率模态及相应的海温距平型和大气遥相关型,尽管其准3年的振荡周期过于规则.来自数值模式和观测上的证据都表明,北大西洋冬季海温的主导性变率模态,即自北而南出现的"-+-"的海温距平型,受到来自热带太平洋强迫的显著影响,其正位相与赤道中东太平洋冷事件相对应.换言之,赤道太平洋暖事件的发生,在太平洋-北美沿岸激发出PNA遥相关型,进而通过在北大西洋产生类似NAO负位相的气压距平型,削弱本来与NAO正位相直接联系的三核型海温距平.北大西洋三核型海温距平对热带太平洋强迫的响应,要滞后2-3个月的时间.     

A Hybrid Coupled Ocean–Atmosphere Model and Its Simulation of ENSO and Atmospheric Responses

A new hybrid coupled model(HCM) is presented in this study, which consists of an intermediate tropical Pacific Ocean model and a global atmospheric general circulation model. The ocean component is the intermediate ocean model(IOM)of the intermediate coupled model(ICM) used at the Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences(IOCAS). The atmospheric component is ECHAM5, the fifth version of the Max Planck Institute for Meteorology atmospheric general circulation model. The HCM integrates its atmospheric and oceanic components by using an anomaly coupling strategy. A100-year simulation has been made with the HCM and its simulation skills are evaluated, including the interannual variability of SST over the tropical Pacific and the ENSO-related responses of the global atmosphere. The model shows irregular occurrence of ENSO events with a spectral range between two and five years. The amplitude and lifetime of ENSO events and the annual phase-locking of SST anomalies are also reproduced realistically. Despite the slightly stronger variance of SST anomalies over the central Pacific than observed in the HCM, the patterns of atmospheric anomalies related to ENSO,such as sea level pressure, temperature and precipitation, are in broad agreement with observations. Therefore, this model can not only simulate the ENSO variability, but also reproduce the global atmospheric variability associated with ENSO, thereby providing a useful modeling tool for ENSO studies. Further model applications of ENSO modulations by ocean–atmosphere processes, and of ENSO-related climate prediction, are also discussed.     

Nonlinear interdecadal changes of the El Niño-Southern Oscillation

Nonlinear interdecadal changes in the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) phenomenon are investigated using several tools: a nonlinear canonical correlation analysis (NLCCA) method based on neural networks, a hybrid coupled model, and the delayed oscillator theory. The leading NLCCA mode between the tropical Pacific wind stress (WS) and sea surface temperature (SST) reveals notable interdecadal changes of ENSO behaviour before and after the mid 1970s climate regime shift, with greater nonlinearity found during 1981–99 than during 1961–75. Spatial asymmetry (for both SST and WS anomalies) between warm El Niño and cool La Niña events was significantly enhanced in the later period. During 1981–99, the location of the equatorial easterly anomalies was unchanged from the earlier period, but in the opposite ENSO phase, the westerly anomalies were shifted eastward by up to 25°. According to the delayed oscillator theory, such an eastward shift would lengthen the duration of the warm events by up to 45%, but leave the duration of the cool events unchanged. Supporting evidence was found from a hybrid coupled model built with the Lamont dynamical ocean model coupled to a statistical atmospheric model consisting of either the leading NLCCA or CCA mode.     

ENSO Phase-Locking in an Ocean-Atmosphere Coupled Model FGCM-1.0

The mean climatology and the basic characteristics of the ENSO cycle simulated by a coupled model FGCM-1.0 are investigated in this study. Although with some common model biases as in other directly coupled models, FGCM-1.0 is capable of producing the interannual variability of the tropical Pacific, such as the ENSO phenomenon. The mechanism of the ENSO events in the coupled model can be explained by "delayed oscillator" and "recharge-discharge" hypotheses. Compared to the observations, the simulated ENSO events show larger amplitude with two distinctive types of phase-locking: one with its peak phaselocked to boreal winter and the other to boreal summer. These two types of events have a similar frequency of occurrence, but since the second type of event is seldom observed, it may be related to the biases of the coupled model. Analysis show that the heat content anomalies originate from the central south Pacific in the type of events peaking in boreal summer, which can be attributed to a different background climatology from the normal events. The mechanisms of their evolutions are also discussed.     

Low Frequency Characteristics of Tropical Pacific Wind Stress Anomalies in Observations and Simulations from a Simple and a Comprehensive Models

Low frequency characteristics of tropical Pacific wind stress anomalies in observation and simulations; from the CZ simple atmospheric model and COLA R15 AGCM are analyzed. The results show that ENSO event may be a multi-scale process, that is, ENSO time scale has the period longer than three yean; biennial oscillation and annual variability Dynamical characteristics are involved in the evolution process of wind stress anomaly with ENSO time scale: 1) the development and eastward movement of a cyclonic anomaly circulation in subtropical northwestern Pacific and weakening of Southern Oscillation result in the eastward propagation of westerly anomaly along the equator, there?fore, interactions between flows in subtropics and in tropics play an important role in the evolution of wind stress anomaly with ENSO time scale; 2) easterly and westerly anomalies with ENSO time scale are one kind of propagating wave, which differs from Barnett’s (1991). It is interesting that the evolution of observed and simulated wind stress anomalies with biennial time scale bears a strong resemble to that with ENSO time scale although their period it dif?ferent. Observed annual variability it weak during 1979-1981 and intensified after 1981, especially it reaches to max?imum during 1982-1984, and the spatial structure of the first mode is the ENSO-like pattern.     

Recent Researches on the Short-Term Climate Prediction at IAP－A Brief Review

回顾了近年来在中国科学院大气物理研究所开展的有关短期气候预测研究的进展。第一个短期气候数值预测是曾庆存等利用一个耦合了热带太平洋海洋环流模式的全球大气环流模式作出的。1997年，一个基于海气耦合模式的ENSO预测系统，包括一个海洋初始化方案被建立起来，同时也开展了基于海温异常的东亚气候可预测性研究。利用气候变动的准两年信号，王会军等提出了一个可以显著改进模式预测准确率的模式结果修正方案。为了考虑土壤湿度的初始异常对夏季气候的影响，一个利用大气资料如温度、降水等经验地反演土壤湿度的方法也被建立起来。还通过一系列的数值试验研究了 1998年夏季大水发生当中海温异常和大气环流初始异常的作用。     

我国近年来短期气候预测研究的若干进展

回顾了近年来我国短期气候预测研究的若干进展,主要是在中国科学院大气物理研究所完成的以气候模式为基础的短期气候预测方面工作.第一个基于气候数值模式开展短期气候预测试验的是曾庆存等人,他们所采用的是IAP AGCM耦合一个热带太平洋环流模式(OGCM);1997年,基于耦合气候模式基础上的ENSO预测系统建立起来;同时开展了东亚区气候可预测性研究;利用气候变动的准两年信号提出了对模式预测结果进行有效修正的方案;为了考虑初始土壤湿度异常对夏季气候的影响,建立了气象变量和土壤湿度的经验关系;还系统地研究了1998年海面温度异常和大气春季异常对夏季气候(特别是发生于中国的大水)预测的影响.     

A Hybrid Coupled Model for the Pacific Ocean–Atmosphere System.Part I: Description and Basic Performance

A hybrid coupled model(HCM) is constructed for El Nino–Southern Oscillation(ENSO)-related modeling studies over almost the entire Pacific basin. An ocean general circulation model is coupled to a statistical atmospheric model for interannual wind stress anomalies to represent their dominant coupling with sea surface temperatures. In addition, various relevant forcing and feedback processes exist in the region and can affect ENSO in a significant way; their effects are simply represented using historical data and are incorporated into the HCM, including stochastic forcing of atmospheric winds, and feedbacks associated with freshwater flux, ocean biology-induced heating(OBH), and tropical instability waves(TIWs). In addition to its computational efficiency, the advantages of making use of such an HCM enable these related forcing and feedback processes to be represented individually or collectively, allowing their modulating effects on ENSO to be examined in a clean and clear way. In this paper, examples are given to illustrate the ability of the HCM to depict the mean ocean state, the circulation pathways connecting the subtropics and tropics in the western Pacific, and interannual variability associated with ENSO. As satellite data are taken to parameterize processes that are not explicitly represented in the HCM, this work also demonstrates an innovative method of using remotely sensed data for climate modeling. Further model applications related with ENSO modulations by extratropical influences and by various forcings and feedbacks will be presented in Part II of this study.     

ENSO循环的数值模拟(Ⅱ)──变化性及时间尺度选择机制

利用热带太平洋海气耦合异常模式的３０ａ模拟结果，对模式ＥＮＳＯ的变化性及多重时间尺度过程进行了细致分析，建立了一ＥＮＳＯ循环多重时间尺度过程相互作用的非线性相似（Ａｎａｌｏｇ）模型，并提出了ＥＮＳＯ循环主周期形成的一种可能机制。指出：和观测事实类似，模式ＥＮＳＯ过程确实涉及到三种时间尺度，即３—４ａ主周期振荡（ＬＦ）、准两年振荡（ＱＢ）和年循环（ＡＣ）；其中，ＱＢ过程是线性海气耦合系统的本征模态，年循环（ＡＣ）对其形成没有本质的影响；３—４ａ主周期振荡（ＬＦ）是一非线性系统的自激振荡现象，其形成是线性系统的本征模即ＱＢ过程通过非线性机制尤其是通过大气辐合反馈加热的“单向性”过程在ＱＢ的暖态产生的减频增幅所致；平均年循环（ＡＣ）虽然不能对ＥＮＳＯ循环形成有本质影响，但它可明显影响ＥＮＳＯ循环的具体振幅和位相，使得ＥＮＳＯ循环具有明显的不规则性并对季节循环具有明显的“锁相”特征；ＥＮＳＯ变化性确是ＬＦ、ＱＢ以及ＡＣ多重时间尺度相互作用形成的。本文提出的ＥＮＳＯ循环时间尺度选择机制不仅解释了主周期振荡的形成过程，而且也较好地解释了ＥＮＳＯ变化的谱，因此，这一机制更接近于观测事实。     

热带印度洋偶极子模态的不对称性及其成因的数值研究

热带印度洋偶极子 (Indian Ocean Dipole) 是印度洋海域内海洋和大气环流年际变化的主要特征模态之一, 在热带海气耦合系统中起到非常重要的作用。同热带太平洋的ENSO现象类似, 热带印度洋偶极子也呈现出显著的不对称性。本文利用中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋环流模式, 在观测风应力距平的强迫下, 评估了模式对热带印度洋季节变化、 热带印度洋偶极子 (IOD) 模态及其不对称性的模拟能力, 并且通过数值试验分析了IOD模态不对称性特征及其对气候平均态的影响。对照观测资料, 模式较好地再现了热带印度洋SST在季风驱动下的季节变化特征。在年际时间尺度上, 模式不仅能够再现IOD指数的变化趋势, 而且可以成功模拟出IOD模态的空间分布特征, 即表层和次表层海温在西印度洋表现为正异常, 在东印度洋表现为负异常。可见, 对于热带印度洋而言, IOD模态主要是对风应力异常的响应。热带印度洋海温与Niño3.4指数的相关性分析表明, 模式能够模拟出超前热带太平洋ENSO现象2～4个月时海温的偶极子型分布, 但是不能模拟出滞后ENSO现象2个月左右的全海盆增暖模态, 可能是因为模式试验中没有考虑热通量年际异常的强迫。同时, 模式模拟的IOD模态具有同观测结果相类似的不对称性, 进一步的敏感性试验表明风应力的不对称性对偶极子指数的不对称性贡献较小, 次表层及以下海温的不对称性可能主要受到海洋内部非线性动力过程的影响。通过数值试验, 本文还发现热带印度洋海温的不对称性对气候平均态会有影响, 而这种不对称性长期积累后, 会导致上层热带印度洋温度层结趋于稳定状态。     

混合海气耦合模式中与ENSO相关的大气年际变化性

利用混合海气耦合模式45年模拟积分的结果,对模式大气的年际变化性进行了分析。结果表明,在这样的海气耦合系统中,大气分量表现出显著的年际变化,冬、夏季异常环流型的分布与观测资料的分析结果基本相符。因此,该模式不仅能较好地再现热带太平洋的ENSO变化性,而且能较好地再现ENSO引起的全球大气环流的年际变化性。