1997/1998 El Ni(n)o事件的热力学诊断分析

本文基于以925 hPa NCEP/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1997/1998 El Nio事件集合预报平均结果,对1997/1998 El Nio事件进行热力学诊断分析.结果表明:(1)在整个El Nio事件过程中,在赤道太平洋从西到东的各个Nio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Nio 4区到Nio 1 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显著.     

一个简单海气耦合模式预报性能评估

对改进初始强迫风场后的Zebiak-Cane海气耦合模式预报性能进行了全面评估。结果表明：1）耦合模式在20世纪90年代预报能力小于80年代；提前0～5个月的耦合模式预报能力小于同期持续预报能力，之后则相反；耦合模式对Nino3区指数预报能力最强。2）在1997／1998年El Nino事件期间，耦合模式对东太平洋SSTA场预报能力大于其对中西太平洋SSTA场的预报能力，且提前0～2个月之后的耦合模式对东太平洋SSTA场预报能力远远大于持续预报。     

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.     

1997/1998年热带太平洋海温异常的诊断分析与预报检验

通过与历史上已发生的ENSO事件的比较，对1997－1998年热带太平洋海温异常的基本特征和可能成因进行了诊断分析，发现1997／1998年E1Nino事件具有显著的异常性和独特性，不同于以往单纯的东部型或西部型E1Nino。对用一个简化海气耦合动力学模式做1998／1998年E1Nino事件的预报进行检验。结果表明该模式对这次暖事件超前0－24个月的预报技巧均在0．5以上，模式对暖事件的成熟位相及以后阶段的预报比对暖事件的开始阶段预报得好。     

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。     

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。     

1997／1998年El Nino事件发生、发展可能机制的进一步研究

基于美国哥伦比亚大学Lamont—Doherty地球观象台LDEO（Lamont—DohertyEarth Observatory）海表温度资料和NCEP／NCAR再分析风场资料,分析了1997／1998年El Nino3期间西太平洋暖池海表温度和西风距平的时间演变特征,同时也分析了东太平洋暖池海表温度和北风距平的时间演变特征。结果表明,1997／1998年El Nino3事件期间,西太平洋暖池海表温度变化及异常西风和东太平洋暖池海表温度变化及异常北风都与Nino3指数变化密切相关。将东、西太平洋暖池及异常北风、西风一并结合起来考虑,进一步研究了1997／1998年El Nino3事件发生、发展的可能机制：异常西风驱动西太平洋暖池东端暖水向东伸展直接有利于赤道东太平洋海表温度增加;异常西风激发东传的暖Kelvin波对东太平洋的冷上升流有抑制作用,从而有利于赤道东太平洋海表温度增加;东传的异常西风可以通过埃克曼漂流效应将赤道两侧的海表暖水向赤道辐合从而加强了赤道附近的下沉流,也有利于赤道东太平洋赤道附近海表温度增加。几乎与此同时,北风距平通过产生北风吹流将东太平洋暖池暖水由北向南输送至赤道附近直接导致Nino3区海表温度增加。上述增温因素的叠加作用共同导致了1997／1998年El Nino事件迅速发生、异常强大。     

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。     

1980—2016年西太平洋暖池与ENSO循环过程的相关分析

利用1980—2016年海表温度(SST)、海平面气压场（SLP）、南方涛动指数（SOI）、平均海洋尼诺指数（ONI）等资料对近37 a发生的ENSO（El Nio-Southern Oscillation）事件进行统计分析,并用经验正交函数分析法以及小波分析方法研究西太平洋暖池与ENSO循环过程之间的作用机制。研究表明：近37 a来,Nino3.4区的SST在厄尔尼诺（El Nio）现象发生时存在较大的正距平,采用Nino3.4区SSTA的大幅度突变作为指标,能够更好地反映El Nio事件的发生;El Nio事件合成分析可知其形成过程中,西太平洋有一逐渐增强东移的暖中心;西太暖池东边界变化具有明显的年际变化特征,平均3～4 a经历一次循环,并出现变化周期延长的现象;海表温度的EOF能很好地预示ENSO的发生;通过小波分析可以看出暖池东边界对ENSO的发生有较好的预报意义。     

热带太平洋、印度洋海温异常对处于厄尔尼诺事件成熟期的东亚Hadley环流的影响

分析了热带太平洋El Nino事件和热带印度洋海盆一致的暖海温异常事件（记为暖海盆模态）与东亚Hadley环流的关系及海温异常对东亚Hadley环流的影响。结果表明：（1）东亚Hadley环流与El Nino循环的关系密切,El Nino事件从开始到消亡的不同位相期,东亚地区表现为随位相变化的异常经向垂直环流,在El Nino成熟期由异常顺时针经向环流圈转换为异常逆时针经向环流圈,意味着东亚Hadley环流圈的显著减弱。（2）冬季Nino3指数、赤道印度洋海盆一致型模态指数（IOBMI）与东亚Hadley环流指数间呈负相关关系,相关系数分别为-0.42、-0.39,远超过0.01信度的显著性检验,表明当El Nino事件和印度洋暖海盆模事件发生时,东亚Hadley环流减弱。模拟结果与诊断分析结果一致。（3）鉴于印度洋海盆模态和太平洋El Nino事件的密切联系,在考虑冬季东亚Hadley环流变化时,应考虑El Nino事件和印度洋海盆一致型海温异常事件的共同作用。数值试验结果表明两大洋的共同作用会产生更强的东亚异常逆时针经向垂直环流,使得东亚Hadley环流显著减弱。     

夏季105～125°E垂直经圈环流变化特征及其与海温的联系

采用NCEP/NCAR再分析资料,利用质量流函数方案和EOF（empirical orthogonal function,经验正交函数）分解,研究了1979—2006年夏季105～125°E范围垂直经圈环流的变化特征及其与邻近海域海温变化的联系。结果表明：1）在105～125°E区域,夏季北半球Hadley环流明显偏强,和南半球Hadley环流对称出现,形成明显的＂Hadley环流对＂。2）小波分析显示,Hadley环流变化有准2～4a和4～6a周期。近28a来,南半球Hadley环流有南退趋势,北半球Hadley环流逐渐增强,尤其是20世纪90年代中期之前,这种变化较显著。3）105～125°E区域夏季＂Hadley环流对＂的异常和邻近海域海表温度关系密切。无论是IOD（Indian Ocean Dipole）事件还是ENSO均对东亚经圈剖面内＂Hadley环流对＂产生影响,Hadley环流的主要模态EOF1与同期和滞后的SSTA的相关在太平洋上表现出El Nino发展期、盛期的海温分布形态。南半球Hadley环流偏北（南）,北半球Hadley环流减弱（增强）,则到来的冬季的El Nino（La Nina）发展,这对ENSO事件具有一定的预报意义。IOD事件对南半球Hadley环流的影响是显著的,当负IOD事件时,南半球Hadley环流减弱,但正IOD事件时并未显著相反。     

ENSO事件与北半球中高纬低频振荡

采用诊断方法研究了E1 Nino和La Nina事件与北半球中高纬大气低频振荡。用1950—2003年北半球中高纬逐日500hPa高度场资料进行功率谱分析得出：（1）ENSO事件对中高纬大气低频振荡有调频作用，即夏季低频振荡较弱，冬季低频振荡较强。（2）E1 Nino（La Nina）事件有使低频振荡周期缩短（延长）的趋势。（3）ENSO事件对中高纬大气低频振荡的调频作用比中低纬明显。     

一个可描写ENSO循环基本特点的简单热带海气耦合模式

在所构造的海气耦合模式中,采用Zebiak海洋模式框架,并重建了一个海洋数值模式,大气模式采用了Gill模式.在大气模式中保留了时间发展项,潜热加热采用了Kleeman方案.对模式的积分结果表明,海温异常具有3～7年的准周期振荡.在模式El Nino事件的初始阶段,西风异常,海温正距平(SSTA)首先在赤道西太平洋发生,然后向东传播、加强.在模式ENSO循环的位相转换过程中,SSTA的空间分布共有4种不同类型.模式模拟的El Nino事件的初始阶段有两种发展类型,它们是:在初始阶段中西太平洋和东太平洋沿岸各有海表温度的正异常发生.在以后的发展中,一种情况是这两块正SSTA都发展连成一片,形成El Nino事件;另一种情况是中西太平洋地区的正SSTA衰减,中东太平洋地区的正SSTA加强,向西传播,形成El Nino事件.模式模拟的La Nina事件的初始阶段也有两科发展类型,它们的发展过程和El Nino事件初始阶段的发展过程相似.     

用OPA9全球海洋环流模式模拟不同类型El Nino事件

根据El Nino事件中正的海表面温度异常(sea surface temperature anomaly,简称SSTA)首先出现的区域及其传播特征,将El Nino事件分成3种类型,即东部型、西部型和驻波型.为了研究不同类型El Nino事件物理机制的差异,首先利用高分辨率全球海洋环流模式OPA9,对这3种不同类型的El Nino事件进行模拟.在逐月海表面风应力和热通量的驱动下,模式模拟出了1950-2005年问全球海温演变.模拟结果表明,模式可以很好地模拟出海洋的气候态,并且对El Nino事件期间的正SSTA首先出现的区域以及对正SSTA的传播特征都做出了很好的模拟,成功地模拟了不同El Nino事件的发展类型.     

热带大气对EI Nion和La Nina的动力响应

利用1951－1992年的热带太平洋每月海表温度资料，采用3－5年带通滤波，得到SSTA在这种时间尺度的低频振荡（LF），SSTA的LF振荡的经验正交分析第1主分量的时突变化突出地表现了E1 Nino和La Nina循环的特征。对热带大气环流850hPa月风场异常进行3－5年带通滤波，再对纬向风作经验正交分析，得到第1主分量明显地表现了热带大气环流在纬向上不均匀分布的循环特征。为了探讨上述两个循环的物理关系，建立了一个简单的热带大气模式，其中包括蒸发，感热和风场之间的反馈以及凝结潜热和流场的反馈作用。当E1 Nino和La Nina所形成的SSTA为定常已知的分布时，模拟了热带大气纬向风和降水对海表温度异常的响应。     

强降水过程中热力切变平流参数的诊断分析

在以往研究的基础上, 本文把对流涡度矢量的垂直分量、水平散度和广义位温的垂直梯度有机地结合起来, 引入热力切变平流参数的概念。本文针对两次强降水过程, 利用NCEP/NCAR全球最终分析资料对热力切变平流参数进行诊断分析, 结果表明, 热力切变平流参数能够比较准确地综合表征雨区上空水平风场切变和湿等熵面漏斗状向下伸展等动力学和热力学典型的垂直结构特征, 因而该参数与降水系统的发展演变密切相关, 与观测的6小时累积地面降水区存在一定的对应关系; 在空间水平分布和时间演变趋势上, 热力切变平流参数的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区; 该参数在降水区内表现为强信号, 而在非降水区表现为弱信号。影响热力切变平流参数发展演变的因素分析表明, 该参数倾向方程中通量散度项的异常值区覆盖着观测的6小时累积地面降水区, 表明雨区内通量散度项导致的热力切变平流参数变化比较明显, 其中纬向风速与经向风速相互作用的贡献是不容忽略的。     

初始强迫风场对Zebiak-Cane海气耦合模式预报能力的影响研究

结合观测的海表温度距平（SSTA）对925hPa NCEP／NCAR再分析风应力距平（以下简称NCEP风应力距平）资料与FSU风应力距平资料进行了比较分析。对比分析了分别以NCEP、FSU风应力距平作为初始强迫风场时的Zebiak-Cane海气耦合模式（简称ZC耦合模式）的预报能力。结果表明：1980、1990年代NCEP风应力距平较FSU风应力距平与观测SSTA匹配更为合理。NCEP风应力距平不仅较FSU风应力距平对ZC海洋模式初始化效果好,尤其在1990年代更为显著,而且在1980、1990年代以NCEP风应力距平替代FSU风应力距平作为ZC耦合模式的初始强迫风场,都提高了该耦合模式预报能力,尤其是可提前6-8个月成功地预报出1997／1998年EI Nifio事件。进一步分析表明,在1997／1998年EI Nifio事件前兆、爆发阶段,NCEP风应力距平驱动海洋模式产生的SSTA比FSU风应力距平驱动海洋模式产生的SSTA更接近观测SSTA的水平冷、暖分布特征,这为ZC耦合模式提供了更为合理的预报初始强迫场,从而有利于提高其预报能力。     

太平洋-印度洋海表温度加热对中高纬低频振荡的调频作用

用数值试验的方法，分别以无热源型、El Nino初期、El Nino成熟期对应的赤道中东太平洋与赤道印度洋海表温度作为外强迫源，应用强迫耗散准地转正压涡度方程的全球谱模式，考虑了摩擦耗散及3波准共振的共同作用，采用非定常、定常加热两种形式积分90d，研究了对中高纬大气低频振荡的调频作用。结果表明：（1）3个行星波之间存在很强的波-波相互作用，且波动振荡呈现准双周和季节内振荡；（2）在El Nino初期和El Nino成熟期，无论是赤道中东太平洋海温还是赤道印度洋海温在逐渐增暖的过程中，大气低频振荡周期都有缩短的趋势。1997年2月-1997年4月，赤道印度洋调节作用强；而在1998年5月，赤道中东太平洋调节作用强；（3）赤道印度洋西区对大气低频振荡的调节作用要强于赤道印度洋东区；Nino3区对大气低频振荡的调节作用要强于Ninol＋2区；（4）太平洋-印度洋海温异常模态在1997年10月为高指数（简称PIMI一型），在1996年9月为低指数（简称PIMI二型），前者对应的东太平洋-西印度洋区对大气的调频作用要大于后者对应的西太平洋一东印度洋区。     

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。     

风应力对SST气候场和年际变率作用的诊断及数值研究

相关方法分析Nino3区SSTA和风应力的关系，发现前期风应力距平场与Nino3区SSTA有很好的相关关系，这种相关性超前8个月时就有所显现。影响Nino3区SSTA的主要风应力区域的位置随风应力超前的时间缩短均向中太平洋扩展。数值试验方法研究不同区域的风应力对热带太平洋SST作用的结果表明，强相关区域的风应力对形成和维持热带太平洋SST的气候场的作用不明显，而对SST的年际变率有重要贡献；相反，强相关区域以外的风应力对形成和维持热带太平洋SST的气候场起重要作用，但是对SST的年际变率所起的作用很不理想。