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.     

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。     

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.     

ENSO事件发展的时空特征

本文利用1951—1988年10°S—50°N太平洋SST资料与EOF分析方法对ENSO事件的发展过程与循环的时空特征进行了分析.分析结果表明EOF第一主分量时间系数的变化可以很好地表示SST距平变化与ENSO事件的发生.并且,第一主分量空间函数分布的变化揭示了一种ENSO事件增温是春季首先始于赤道东太平洋沿岸,随后向西传播到赤道中太平洋的增温过程;而第二主分量空间函数分布的变化揭示了另一种ENSO事件可增温首先始于赤道中太平洋,然后向东传播到赤道东太平洋的增温过程.分析结果还表明,ENSO事件的强度是强弱相间,其周期平均大约为4年左右. 本文还比较了80年代热带太平洋SST的变化及所发生的两次ENSO事件与其它年代所发生的ENSO事件的差别.     

全球大气／热带太平洋耦合距平模式中由ENSO增暖引起的全球大气环流异常

本文利用全球大气／热带太平洋耦合距平模式模拟了一次类似于实际的ENSO增暖过程，并对由ENSO增暖引起的海洋和全球大气环流异常的主要特征进行了分析，指出:耦合模式中的ENSO增暖在热带地区主要伴随着赤道中西太平洋Walker环流的减弱、中东太平洋气压降低以及表层辐合上升运动的增强；夏季和冬季低纬环流异常具有明显的差异性，夏季主要表现为印度夏季风环流的显著减弱和东亚季风的增强，而冬季则主要表现为赤道所有纬向环流圈均减弱；温带大气环流异常冬夏季也具有明显不同特征，夏季温带大气异常主要限于东半球，且发源于亚洲季风区，和赤道中东太平洋海温异常似无直接联系，但冬季温带大气异常则主要是发源于海温异常区的波列响应，反映了海温异常直接热力强迫的结果。另外，本文对耦合模式中的温带大气环流异常产生的可能机制也进行了讨论。     

赤道印度洋—太平洋地区海气系统的齿轮式耦合和ENSO事件

利用历史观测数据,研究了印度洋海表温度（SST）的季节变化特征,证实赤道印度洋和东太平洋SST年际变化有显著的正相关,指出这种正相关是由于沿赤道印度洋上空纬向季风环流和太平洋上空Walker环流之间显著的耦合造成的。这两个异常的纬向环流圈之间的耦合形式看起来很象是存在于赤道印度洋和太平洋上空的一对齿轮（简写为GIP）,当一个作顺时向变化时,另一个则作反时向变化。文中还证明ENSO事件与GIP的年际异常存在很好的对应关系,暖事件时GIP为反向运转;冷事件时GIP为正向运转;异常的GIP的啮合点位于印尼群岛附近。对80年代以来的ENSO事件的分析表明,每次事件前期异常的GIP的啮合点首先出现在印度洋上空,然后逐渐传入太平洋,引起GIP东侧的大气纬向风#Au#a和SST同时发生异常变化。当这种风场和SST的异常变化发展东传到达赤道中东太平洋时,导致ENSO事件最终出现。本文由此指出印度洋上空纬向环流的异常可以通过印度洋和太平洋上空大气系统的齿轮式耦合去影响赤道中东太平洋的海-气相互作用并触发ENSO事件发生。     

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟Ⅰ：局地海气相互作用

检验了一个全球海气耦合模式对北大西洋年际气候变率的模拟,讨论了导致这种年际变率型的物理机制,并分析了其对年代际变率的可能影响。北大西洋冬季SST的主导变率模态,在经向上表现为三核型,自北而南出现“- -”的带状距平型;最大距平中心位于副极地大洋、中纬度大洋的西部以及热带海域,耦合模式较为真实地再现了这一特征。与三核型SST异常相对应的大气环流型表现为北大西洋涛动,具有显著的正压结构。上述异常型主要发生在年际尺度,具有3—4年的谱峰;在次年代际尺度上,也存在谱峰。分析表明,模式中三核型SST异常的产生,主要来自大气的强迫,NAO增强,中纬度大洋上的西风减弱,海洋感热和潜热通量损失减少,中纬度大洋得到的净热通量增加,导致SST出现正距平;在包括Labrador海在内的副极地大洋,NAO增强、冰岛低压加深,气旋性环流增强,来自高纬度的冷空气吹过洋面,海气温差加大,大洋的感热通量损失增加,SST降低。热带地区东风的增强,也是导致那里SST降低的重要机制。三核型SST异常对大气的反馈作用较弱,文中没有证据表明它能够影响到北大西洋地区的年代际气候变率。     

北太平洋冬季年代际尺度海气相互作用

为了更深了解北太平洋年代际尺度海气相互作用,本文通过对湍流热通量和SST的相关关系进行了研究。当热通量和SSTA正相关时,代表海洋影响大气,而当二者相关系数为负时,表示大气强迫海洋。将整个北太平洋SSTA求平均和把北太平洋分成3个区域求SSTA平均,分别对热通量和SST的关系进行研究。结果表明,北太平洋冬季年代际尺度上的海气相互作用主要表现为海洋强迫大气,而在日本附近海域以及北太平洋中东部,海洋对大气的强迫作用最明显,因此这两个区域是北太平洋冬季年代际尺度上海气相互作用的关键区。     

太平洋海气CO2通量对气候事件的响应

应用一个嵌套了海洋生物地球化学循环的太平洋环流碳循环模式,分析了1960～2000年太平洋不同海区海气碳通量随时间的变化。模拟结果显示,赤道太平洋为大气CO₂的排放区,南、北太平洋(南、北纬15°至模式计算区域南、北边界)为吸收区。3个海区海气碳通量随时间均存在显著的波动,其中赤道太平洋海气碳通量年际波动最显著。3个海区海气碳通量年际波动对气候事件的响应并不一致,在El Niño年赤道太平洋冷舌的强度和总溶解无机碳(DIC)的浓度以及输出生产力均会受到上升流减弱的影响而降低,La Niña年这些海气碳通量控制要素的分布情况则正好相反,但在南北太平洋副热带以及高纬度海区,El Niño和La Niña对这些要素带来的影响却并不一定相反,对输出生产力的影响甚至是一致的。以海表温度(SST)为例考察海气碳通量与物理场之间的关系表明,在赤道太平洋上升流对DIC的影响是控制海气碳通量变化的主要因素,而在其他海区,尤其是副热带海区,由于垂直运动的年际变化较小,且生物生产力水平较低,SST的波动对海气碳通量年际变化的影响更加重要。     

热带太平洋SSWA特征及其在ENSO循环中的演变

应用1970年1月至1989年12月热带太平洋SSTA（海面温度距乎）和SSWA（海面风距平）资料,分析发现：热带太平洋SSWA的主要空间特征和海气耦合主要空间型均表现为ElNino（LaNina）盛期的SSWA分布。热带太平洋SS－WA的主要传播特征与ENSO循环过程中SSWA的演变是一致的,表现为赤道中东太平洋海面阻平东、西风的转换和赤道东太平洋SSWA辐散、辐合的转换。赤道中东太平洋距平东风（西风）向赤道距平西风（东风）的转换伴随着中西太平洋副热带SSWA偶极子气旋（反气旋）的生消,偶极子气旋（及气旋）表现为明显的北半球强于南半球。     

冬季北太平洋海表热通量异常和海气相互作用——基于一个全球海气耦合模式长期积分的诊断分析

利用一个全球海气耦合模式长期积分所给出的资料,分析了冬季北太平洋海表湍流热通量（潜热和感热）异常及其对海表温度（SST）异常的影响,并比较了海表热通量诸分量和海洋内部的动力学过程对SST变化的相对重要性。结果表明,冬季热带外海洋上的湍流热通量是影响SST的主要因子,但在北太平洋中部海水的平流作用也不可忽视。冬季热带外海洋向大气释放的潜热和感热通量与SST倾向（而不是SST本身）之间存在着显著的相关,这同Cayan和Reynolds等利用COADS资料和NCEP资料同化模式分析的结果是一致的。模式诊断的结果支持这样一种看法：和热带海洋不同,冬季热带外海洋上的海气相互作用主要地表现为大气对海洋的强迫作用,而不是相反。模式给出的SST倾向的第一个EOF分量及其与海平面气压场的相关特征同Wallace等从观测资料分析所得到的结果是一致的;进一步的分析表明：在冬季北太平洋的大部分区域（特别是西太平洋）,大尺度大气环流异常在很大程度上决定着SST的异常,而这种决定作用正是通过它对湍流热通量的强烈影响来实现的。     

北太平洋海温Victoria模态与ENSO年际关系的非对称特征

利用美国NOAA海表温度资料,重点分析了北太平洋海温异常EOF第二模态Victoria模态(VM)与ENSO年际关系的非对称特征.研究发现,VM和ENSO在年代际尺度上相关性较弱,而在年际尺度上有很好的相关关系,两者同期为负相关,VM超前1 a为正相关.然而,正负VM事件与ENSO冷暖位相在年际尺度上的联系存在着一定的...     

Simulation of the response of the North Pacific Ocean to the anomalous atmospheric circulation associated with El Niño

During El Niño events when positive sea surface temperature (SST) anomalies form in the equatorial Pacific, SST anomalies also tend to develop in the North Pacific. This study attempts to model and explain the large-scale features of the observed SST anomaly field in the North Pacific during the fall and winter of the El Niño year. The experiment design consists of a mixed layer ocean model of the North Pacific which is forced by atmospheric surface fields from two sets of Community Climate Model (CCM) integrations: the El Niño set with prescribed positive SST anomalies in the tropical Pacific; and the control set which is obtained from an extended CCM integration with prescribed climatological SSTs. The response of the midlatitude ocean to atmospheric surface fields associated with El Niño is obtained by compositing each set of model integrations (El Niño and Control) and then taking the difference between the composites. The ocean model is able to reproduce the general features of the observed midlatitude SST anomaly pattern: warm water in the northeast Pacific and an elliptically shaped cold pool in the central Pacific. In these regions, a large fraction of the temperature anomalies are significant at the 95% level as indicated by a two tailed t-test. The ocean temperature anomalies simulated by the model are primarily caused by changes in the sensible and latent heat flux and to a lesser extent the longwave radiation flux. Entrainment of cold water from below the mixed layer also influences ocean temperatures. However, the entrainment anomaly pattern has a complex spatial structure which does not always coincide with the simulated mixed layer temperature anomalies.This paper was presented at the International Conference on Modelling of Global Climate Change and Variability, held in Hamburg 11–15 September 1989 under the auspices of the Meteorological Institute of the University of Hamburg and the Max Planck Institute for Meteorology. Guest Editor for these papers is Dr. L. Dümenil     

热带太平洋海表能量收支平衡特征及其与两类ENSO事件的联系

利用月平均的HadISST海表温度、NCEP再分析资料、OAFlux海表面热通量及相关物理量资料、NCAR/NOAA云量场资料,分析了热带太平洋海表热通量的年际特征,并且进一步分析了传统El Ni?o和El Ni?o Modoki事件中湍流热通量的异常演变特征以及影响因子。在热带太平洋上,净热通量的年际变化最大振幅出现在赤道太平洋上,且主要取决于潜热通量和短波辐射通量的变化。本文还利用两类ENSO事件旺盛期海温指数对不同时期海面热通量场的偏回归分析,考察了热带太平洋海表面热通量与两类ENSO事件中海温的联系。两类海温指数对各时期热带太平洋净热通量的回归均表现为赤道太平洋上存在显著的负异常,在Ni?o3指数偏回归下的负异常范围和强度都较El Ni?o Modoki指数回归的要大,且更偏于赤道东太平洋,而旺盛期海温对同期赤道东太平洋上湍流热通量的影响最大。     

Influence of sea surface temperatures on air temperatures in the tropics

Interannual variations of tropical tropospheric temperatures are closely related to sea surface temperature (SST) changes in the tropical eastern Pacific (TEP). This study investigated the physical mechanisms for such an air-sea interrelationship. SSTs and latent heat flux were analyzed to find the unique properties of their variations during El Niño. A Gill-type model was used to investigate how a local heat source communicates with the entire tropics. Radiative fluxes in the tropics were evaluated to search for the factors limiting air temperature increases when warm SSTs remain in the TEP. We found that interannual variabilities of SST and latent heat flux are dominated by the variations in the TEP region. The SST variations there have three unique properties that allow the ocean to influence the atmosphere effectively: large magnitude, long persistence, and spatial coherence. The Gill-type model shows that a local heat source can warm the entire tropical troposphere when the heat source is near the equator. Released latent heat in the heat source region and forced adiabatic subsidence elsewhere in the tropics warm the atmosphere. As a result, a local heat source warms the entire tropical strip. The forced subsidence depresses clouds, allowing more infrared radiation to leave the atmosphere and preventing further atmospheric warming when warm SSTs remain in the TEP. This finding is verified by reanalysis data from the National Centers for Environmental Prediction.     

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。     

两类ENSO对中国北方冬季平均气温和极端低温的不同影响

利用1961-2012年观测、再分析资料以及全球大气环流模式数值试验,探讨了中国北方冬季平均气温对于不同类型（即东部型和中部型）ENSO事件的气候响应,并分析了不同类型ENSO对极端低温事件的可能影响,重点关注了北大西洋涛动（NAO）在其中的桥梁作用。结果表明,ENSO信号能通过调制北大西洋地区的大气环流改变欧亚中高纬度地区的纬向温度平流输送和西伯利亚高压的强度,进而影响中国北方冬季气温,由于不同类型ENSO事件海温分布的差异,这种影响具有明显的非线性特征。在两类厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季,北大西洋涛动均呈现负位相,不利于北大西洋的暖湿空气向欧亚大陆输送,西伯利亚高压偏强,因而中国北方地区较气候态偏冷。中部型厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季气温负异常的显著区域分别位于东北大范围地区、内蒙古河套附近;东部型厄尔尼诺事件冬季显著的冷异常信号仅局限于黑龙江北部与大兴安岭地区;而中部型拉尼娜事件冬季虽伴随北大西洋涛动正位相,但其空间结构向西偏移,对下游中国北方地区气温的直接影响并不显著,可能受局地信号干扰较大。数值试验再现了北大西洋涛动以及中国北方冬季气温对不同类型ENSO的响应,进一步佐证了上述结论。此外,两类厄尔尼诺事件冬季中国东北地区日平均气温容易偏低,极端低温事件的发生频次增多;而两类拉尼娜事件对极端低温的影响较弱。      

Interdecadal Variability of the ENSO–North Pacific Atmospheric Circulation in Winter

The interdecadal change in the relationship between the El Niño–Southern Oscillation (ENSO) and atmospheric circulation over the North Pacific is investigated using both observational data and an atmospheric general circulation model. There are two prominent modes of winter mid-latitude atmospheric variability in the North Pacific: the West Pacific (WP) teleconnection and the Aleutian Low (AL). The relationship between ENSO and the WP-AL patterns changed notably around the late 1970s. From 1957 to 1975, during the mature phase of ENSO, significant sea surface temperature anomalies (SSTAs) occurred, mainly in the equatorial eastern Pacific Ocean; the associated atmospheric circulation anomaly pattern resembles the negative phase of a WP teleconnection pattern. In contrast, for the 1978–2011 period, significant negative SSTAs were observed in the western and extratropical Pacific in both hemispheres, with some significant positive SSTAs appearing over the eastern Pacific. This is in agreement with the defined regions of a mega-ENSO, the associated atmospheric circulation anomaly pattern resembles the AL mode. Further analysis suggests that a negative–positive anomaly pattern in the 500?hPa geopotential height throughout the entire North Pacific, possibly enhanced by the SSTAs in the extratropical North Pacific associated with the mature phase of ENSO, is responsible for modulating the relationship between ENSO and the North Pacific atmospheric circulation.