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。     

印度洋偶极子与热带太平洋海洋表面温度异常多时间尺度相互作用初析

本文利用交叉谱方法, 将印度洋偶极子 (简称IOD) 与ENSO的相关关系分解到不同的时间尺度上来分析, 进而通过对海气耦合过程的初步分析, 讨论了不同时间尺度上IOD与ENSO的相互作用。结果表明, IOD与ENSO在准1～2年、 准3年、 准4年等三个时间尺度上存在显著相关, 同时, IOD还存在一个独立于ENSO的模态, 主要表现在准8个月时间尺度上。从海气相互作用的角度看, 在与ENSO相关的三个特征时间尺度上, IOD年际变率主要通过引发热带印度洋纬向风异常并且东传到太平洋, 从而引起热带中东太平洋海温的年际变率。与ENSO相对独立的IOD模态则没有类似的纬向风异常东传过程。此外, 在上述四个不同时间尺度上, 产生IOD变率的印度洋海气耦合过程不尽相同, 各具特点。     

与不同El Nino相伴的IOD事件的季节演变特征对比

基于1951—2012年逐月海洋和大气多种要素的再分析资料,分析了与两类El Nino相伴的IOD(Indian Ocean Dipole,印度洋偶极子)事件盛期的海洋和大气异常特征,并进一步对比了与不同类型El Nino相伴的IOD事件的季节演变及对应的海气耦合过程。结果表明:两类IOD事件盛期时,暖海温强度和位置有显著差异。发生在东部型El Nino期间的IOD事件(简称EP-IOD)盛期,正(负)SSTA中心出现在热带西北(赤道东南)印度洋,强度相当,对应的热带印度洋—海洋大陆异常Walker环流强度较强、范围较大;与中部型CP El Nino相伴的IOD事件(简称CP-IOD)的正SSTA相对较弱,且偏于南印度洋,异常Walker环流较弱、较窄。在季节演变中,两类IOD事件期间的局地海气过程差异显著,伴随着西印度洋西南季风减弱和东印度洋异常东风加强,EP-IOD事件的发展以西正东负的偶极型异常海温的出现及加强为主要特征;而CP-IOD事件的发生发展则与西北印度洋异常冷海温的生消及南印度洋暖水的堆积相伴,表现为"-+-"三极型SSTA的出现并转为西正东负偶极型的过程,夏季时出现在东印度洋的异常东风以及赤道中印度洋低层负涡度异常水平环流对其发展具有重要作用。     

两类El Ni?o对应的印度洋偶极子事件的比较研究

利用多种大气和海洋再分析资料,采用合成分析及2.5层简化海洋模型数值模拟等方法,研究了1951—2012年期间,与东部和中部型El Ni?o事件相伴随的热带印度洋海温偶极子(Indian Ocean Dipole,IOD)出现时,热带印度洋海温异常增暖及其上空海气耦合特征的物理机制。结果表明:夏秋季节,伴随东部型El Ni?o而发生的IOD事件(EP-IOD)和伴随中部型El Ni?o而发生的IOD事件(CP-IOD)中,热带印度洋海温正异常的强度与空间分布具有很大差异。对于EP-IOD事件,夏季,海温正异常中心最先出现在热带西北印度洋;随后秋季,海温正异常向东南发展并扩大至热带中南印度洋,强度较强。对于CP-IOD事件,夏季和秋季,海温正异常中心都位于热带中南印度洋,呈东西向带状分布,但海温正异常强度较EP-IOD事件中弱。进一步分析表明,在EP-IOD事件中,夏季,热带西北印度洋海区西南季风偏弱,通过影响夹卷混合过程导致热带西北印度洋海温上升;秋季,热带西北印度洋上空的异常偏东风导致垂向夹卷混合的正异常,对热带西北印度洋增暖的维持起到重要作用;热带中南印度洋的增暖主要受赤道东南印度洋西传的暖性Rossby波影响。而在CP-IOD事件中,夏秋两季,热带中南印度洋海区出现显著的西北风异常,其上空风速的负异常是增温的主要原因;同时赤道东南印度洋西传的暖性Rossby波对热带中南印度洋的增暖也起到重要作用。      

10月份热带印度洋海气耦合的统计动力诊断

本文将热带印度洋10月份的大气风场和海洋上层流场看作一个整体, 对其作了动力统计诊断, 即作了复EOF分析, 考察了其年际和年代际变化, 并揭示其与印度洋偶极子 (IOD) 和ENSO的关系。结果表明: 在同一模态中, 海洋模态表现出很强的赤道俘获现象, 而大气则无此现象; 第一模态为印度洋偶极子模态; 第二模态为ENSO前期在印度洋的延伸模态。前2个模态的风场都揭示了Walker环流异常的结构; 印度洋海温的年际变化主要取决于印度洋地区的海气耦合状态, 但太平洋的ENSO循环对其也有一定影响。     

前期热带海温分布型对6月西北太平洋异常反气旋环流的影响

研究了前期热带海温分布型对6月西北太平洋异常环流的影响。结果表明,奇异值分解(SVD)的前期夏季、秋季至冬季热带海洋第一模态呈现出印度洋全海盆一致型海温异常和东太平洋西伸显著的ENSO事件,该模态与6月西北太平洋反气旋(气旋)环流场没有明显的关联。在第二模态中,前期热带太平洋海表温度呈现为ENSO正位相向负位相转换特征,印度洋海表温度变化呈现出赤道东南印度洋（90～110 °E,10 °S～0 °）显著的准IOD事件的变化特征。而这一联合模态与6月西北太平洋异常反气旋(气旋)环流场有显著关联。关联的可能原因是前期海温为El Ni?o和正IOD时,横跨热带印度洋-太平洋的沃克环流的减弱导致在西太平洋-海洋大陆的负降水异常,在Matsuno-Gill效应下西北太平洋形成反气旋异常环流。同时由于两大洋的共同作用和局地海气相互作用使得该环流加强并维持到6月。      

热带太平洋海气耦合过程对印度洋年际变化的影响

利用中等复杂程度的2.5层海洋模式和大气环流模式ECHAM4组成的海气耦合模式,模拟分析了热带太平洋和印度洋的气候变化以及年际变化特征。该模式较好地模拟了ENSO现象的空间分布及其不规则的周期变化特征,以及热带印度洋的主要变化特征。通过数值试验,初步研究了太平洋耦合过程对印度洋年际变化的影响。结果显示,当存在太平洋耦合过程时,模拟的印度洋偶极子(IOD)正(负)事件的发生频率比无太平洋耦合情形时有所减少(增加)。该变化是太平洋耦合变量通过海气耦合过程对印度洋海表面平均风场进行调整,进而引起热带印度洋温跃层深度东西梯度改变的结果。     

印度洋海气相互作用对热带夏季大气环流气候态的影响

利用分辨率较高的SINTEX-F(Scale INTeraction EXperiment-FRCGC) 海气耦合模式, 进行多组长时间积分模拟和理想试验, 分析研究热带印度洋海气耦合对夏季大气环流气候态的影响。主要结果有: (1) 热带印度洋海气相互作用使热带东印度洋产生明显的东风变化, 使热带中西太平洋赤道北部产生气旋性切变变化。 (2) 印度洋海气相互作用对大气环流气候态的影响绝大部分由于大气对海气相互作用的响应存在年际变化正负距平不对称性造成, 这种年际变化不对称性包括正偶极子与负偶极子的不对称、 海盆宽度正异常与海盆宽度负异常的不对称。 (3) 年际和季节内两种时间尺度海气相互作用对印度洋关键区大气环流平均态都有影响, 约各占60%、 40%; 季节内尺度海气相互作用对太平洋近赤道区大气环流平均态有重要影响; 年际尺度海气相互作用对太平洋赤道外地区大气环流平均态有重要影响。热带印度洋年际尺度、 季节内尺度海气相互作用对大气环流气候态的影响, 都存在年际变化以及年际变化正负距平不对称性。这两种尺度海气相互作用主要通过年际变化正负距平不对称性而对大气环流平均态产生影响。     

热带太平洋与印度洋相互作用的年代际变化及其数值模拟

利用全球海表温度资料和NCEP／NCAR再分析资料,发现热带印度洋偶极子事件与热带太平洋ENSO事件存在相互作用,但其相互作用关系在1961年前后发生了明显的跃变。通过CCM3（community climate model version3）模式,研究了不同年代热带太平洋和热带印度洋SST（seasur—face temperature）变化对其上空大气环流影响的变化,结果表明：1961年后,热带印度洋发生正偶极子事件时,两大洋的垂直环流异常的耦合很强,热带太平洋上空大气环流对印度洋偶极子事件的响应,给太平洋暖事件的异常发展提供了有利条件;同样,热带太平洋暖事件通过对热带印度洋上空大气环流的影响,给印度洋偶极子的异常发展提供了有利条件。     

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。      

Indian Ocean Dipole-related Predictability Barriers Induced by Initial Errors in the Tropical Indian Ocean in a CGCM

利用GFDL CM2p1模式, 本文探讨了初始海温误差对印度洋偶极子(IOD)事件可预报性的影响. 当热带印度洋存在初始海温误差时, IOD预报发生了冬季预报障碍(WPB)现象和夏季预报障碍(SPB)现象. WPB发生与否与正IOD事件发展位相冬季的厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有关. 即当冬季存在ENSO时, IOD预测不发生WPB现象, 反之亦然. 相比之下, SPB发生与否和ENSO没有必然联系. 此外, 进一步探讨了最容易导致SPB现象的初始海温误差的主要模态, 指出该模态在热带印度洋上表现为东-西偶极子型, 这和前人研究中最容易导致WPB现象的初始海温误差模态相似. 当在热带印度洋上叠加这些初始海温误差后, 热带太平洋上出现了海表温度异常和风场异常, 进而通过大气桥和印尼贯穿流的作用影响热带印度洋, 使之在夏季出现了东-西偶极子型的海表温度异常, 该异常在Bjerknes作用下快速发展, 加强, 最终导致SPB现象的发生.     

热带太平洋与印度洋相互作用的年代际变化

利用全球海表海温资料（GISST）和NCEP／NCAR再分析资料,研究了热带太平洋与印度洋之间的相互作用及其在不同年代二者作用关系的变化。结果表明：热带印度洋偶板子指数超前热带太平洋Nin03指数2月时相关最大,印度洋单板子指数滞后Nin03指数3～4月时相关最大。印度洋偶板子在一定程度上影响E1 Nino事件的发生,而E1 Nino事件的发生、发展会影响印度洋单板子事件的发生。热带印度洋偶板子事件与热带太平洋ENSO事件的相互作用在1961年发生了明显跃变,其原因可能是1961年之前热带印度洋偶板子对热带太平洋上空的纬向风影响很小,而1961年以后其影响明显加强。热带印度洋单板子事件与热带太平洋ENSO事件的相关一直显著,没有明显跃变。     

South Indian Ocean Rossby Waves

ABSTRACT

South Indian Ocean Rossby waves (SIO-RW) are identified in the Global Ocean Data Assimilation System (GODAS) 1.5–7?yr filtered sea surface height (SSH) time series. There is a persistent three-year oscillation in the 5°–15°S latitude band from 55° to 85°E. Field correlations show little coupling at 90°E, but as the SIO-RW undulates westward at approximately 0.19?m?s^?1 across the mid-basin, a northwest–southeast axis of warm sea surface temperatures (SSTs) and deep convection forms. Many teleconnections in earlier work are confirmed: interannual pulses of zonal wind in the eastern basin trigger the SIO-RW via anticyclonic wind stress curl. New insights derive from an understanding of links with the upper troposphere. As the SIO-RWs move westward with the onset of an El Niño in the Pacific, increased convection over the north Indian Ocean corresponds to reduced evaporation and SST warming. Mid-tropospheric heating T′?>?2°C over the northwest Indian Ocean accelerates the southern sub-tropical jet to greater than 10?m?s^?1 over the southeast Indian Ocean, reinforcing the anticyclonic vorticity. The downstream acceleration of the jet generates upper-level divergence and moist convection over the western basin, anchoring an atmospheric Rossby wave in a northwest–southeast alignment underpinned by differential propagation of the SIO-RW. As the ocean Rossby wave reaches Africa, the coupling fades and transitions. What distinguishes Indian Ocean from Pacific Ocean Rossby waves are their southern latitude and higher frequency. The tropical mid-tropospheric heating that accelerates the southern sub-tropical jet shifts westward in tandem with the SIO-RW.     

A novel deep neural network model approach to predict Indian Ocean dipole and Equatorial Indian Ocean oscillation indices

Indian Ocean Dipole (IOD) and Equatorial Indian Ocean oscillation (EQUINOO) are important climatic system oscillation events in the Indian Ocean region that affects the Indian summer monsoon rainfall (ISMR). The prime focus of this study is to deliberate the influence of these events on ISMR and an attempt has been made to predict these events for future time scales using a Long short term memory (LSTM) deep learning model. LSTM is a special kind of recurrent neural network (RNN) which specializes in learning long-term dependencies and extracting important features. The features learnt by the model is then ranked using correlational analysis (linear and nonlinear). This approach helps in selecting decisive and imperative set of relevant predictors, which can be employed to predict IOD and EQUINOO. Nonlinear correlational identified predictors are found to forecast with greater precision as to their linear counterparts. The model-calibrated correlation coefficient for IOD and for EQUNIOO was 0.90 and 0.88 respectively at a lead of 5 months. Our proposed model was observed to work at par with the other existing models in terms of various statistical evaluation measures.     

春季赤道印度洋纬向-垂直环流的变化特征及其与Walker环流的关系

利用1951~2010年20CR（20th Century Reanalysis Version 2）再分析资料和NOAA海表温度资料研究了赤道印度洋纬向-垂直环流的季节性差异、变化特征及其与Walker环流的关系。本文首先分析了四个季节赤道印度洋上空纬向-垂直环流的结构特征,发现春季和秋季存在严格东西方向上的赤道印度洋纬向-垂直环流。随后,针对春季赤道印度洋纬向-垂直环流变化特征作进一步的分析,研究结果表明,春季纬向-垂直环流的强度及其变率在1951~2010年间持续增强,而该垂直环流的中心位置则表现出明显的年代际变化特征:1981年之前垂直环流的中心位置表现为向西移动,而在1981年后则转为向东移。春季赤道印度洋纬向-垂直环流与Walker环流之间的相关关系同样存在年代际转折,1981年之前两者之间并不存在显著的相关,而在1981年之后,两者之间的关系显著增强。不同年代际时段内赤道印度洋纬向-垂直环流与海温的关系也发生了明显的改变,1981~2010年赤道印度洋纬向-垂直环流主要受到前期和同期太平洋上的ENSO型海温信号的影响,而在此之前该垂直环流主要受到前期和同期赤道东印度洋海温的影响。     

印度洋海温异常与南亚高压东西振荡的关系

利用1952~2001年的印度洋海表温度资料、NCEP/NCAR的高度场资料,采用小波分析、交叉谱分析等方法,讨论了印度洋海温偶极子指数与南亚高压东西振荡的关系。结果表明:印度洋偶极子指数与南亚高压存在明显的负相关,且春季印度洋偶极子指数对同年夏季南亚高压的东西振荡有一定指示作用。印度洋偶极子指数与南亚高压东伸指数均存在8 a左右显著时间尺度。两者在1.5~8 a的周期上存在密切联系,在3 a左右的周期上,印度洋偶极子指数变化超前于南亚高压东伸指数,说明印度洋海温异常是影响南亚高压东西振荡的重要因素之一。     

Circulation Patterns Linked to the Positive Sub-Tropical Indian Ocean Dipole

The positive phase of the subtropical Indian Ocean dipole(SIOD) is one of the climatic modes in the subtropical southern Indian Ocean that influences the austral summer inter-annual rainfall variability in parts of southern Africa. This paper examines austral summer rain-bearing circulation types(CTs) in Africa south of the equator that are related to the positive SIOD and the dynamics through which specific rainfall regions in southern Africa can be influenced by this relationship. Four austral...     

The Leading Mode of Indian Ocean SST and Its Impacts on Asian Summer Monsoon

The Indian Ocean （IO） sea surface temperature （SST） was analyzed by using empirical orthogonal function （EOF）, and the leading mode of Indian Ocean （LMIO） SST was extracted. The major spatial and temporal characters of LMIO were discussed, and the relationships between LMIO with Indian summer monsoon （ISM） and with China summer rainfalls （CSR） were investigated, then the impacts of LMIO on Asian summer monsoon （ASM） circulation were explored. Some notable results are obtained： The significant evolutional characters of LMIO are the consistent warming trend of almost the whole IO basin, the distinctive quasi-3- and quasi-ll-yr oscillations and remarkably interdecadal warming in 1976/1977 and 1997/1998, respectively. The LMIO impaired the lower level circulation of ISM and was closely related with the climate trend of CSR. It was associated with the weakening of South Asian high, the easterly winds south of the Tibetan Plateau, and the cross-equatorial flows over 10°-20°N, 40°-110°E at the upper level; with the strengthening of Somali cross-equatorial jet but the weakening of the circulation of ISM in the sector of India, the strengthening of south wind over the middle and lower reaches of Yangtze River and South China but the weakening of southwesterly winds over North China at lower level and with the increasing of surface pressure over the Asian Continent. Changes in the moisture flux transports integrated vertically over the whole troposphere associated with LMIO are similar to those in the lower level circulation. To sum up, the significant SST increasing trend of IO basin was one of the important causes for weakening of the ASM circulation and the southwards shifting of China summer rainband.