太平洋年代际振荡冷、暖背景下ENSO循环的特征

利用英国气象局哈德莱中心的月平均海温距平资料、美国Scripps海洋研究所联合环境分析中心(JEDAC)的海表和次表层海温观测资料以及NCEP/NCAR再分析资料,研究了太平洋年代际振荡(PDO)不同背景下ENSO循环的特征.结果表明,PDO为ENSO循环提供了一个年代际气候背景,在PDO的暖位相时期,El Nino事件发生的频率较高,强度较强;反之,在PDO的冷位相时期,La Nina事件发生的频率较高,强度较强.而且在不同的太平洋年代际振荡背景下,ENSO循环表现出不同的特征.在PDO冷位相时期,发生El Nino(La Nina)事件时,正(负)的SOTA从西太平洋沿温跃层向东传播,正(负)的SSTA从赤道东太平洋向西扩展到中太平洋,ENSO事件先在赤道东太平洋爆发.在PDO的暖位相时期,发生El Nino(La Nina)事件时,正(负)的SOTA首先出现在赤道中太平洋,然后沿温跃层向东传播,正(负)的SSTA从赤道中太平洋向东扩展到东太平洋,ENSO事件首先在中太平洋爆发.这为ENSO预测提供了新的线索.     

全球海洋大气耦合环流模式中的ENSO特征对气候背景态改变的敏感性

文中利用一个高分辨率全球海-气耦合环流模式设计两组长期积分试验,揭示了在不同气候背景态下热带太平洋年际变化特征及模式ENSO循环控制机理的差异。通过分析海表温度、上层海洋热容量和低层风场异常的年际变化特征及其和赤道中东太平洋海表温度异常的关系,揭示了基于不同气候背景场的ENSO循环的不同演变过程。结果表明:ENSO年际变率特征(包括振幅、频率等)对气候背景态相当敏感,在不同的背景场下ENSO循环的控制模态可以明显不同。试验表明,当热带太平洋东冷西暖的背景热力梯度接近多年气候平均时,模式ENSO循环表现为所谓的“时滞振子”模态控制,而随着东西向背景热力梯度显著减小,ENSO循环则可以表现为驻波模态控制。研究结果为认识年代际背景变化影响年际ENSO循环的机理提供了一种启示。     

热带海表温度和低层风场的年际变率及与ENSO循环的相关特征研

采用NCEP/NCAR的1979～1998年逐月平均的海表温度及1000hPa风场资料,进行滤波和均方差计算,得到了热带太平洋、印度洋、大西洋海表温度(SST)和风场的年际变化特征.用旋转主分量(RPC)方法和投影法对热带三大洋海表温度距平(SSTA)进行分析,得到了各大洋SSTA演变的主要时空特征和相应的距平风场特征;并用相关分析研究热带三大洋与ENSO相关的特征,得到三大洋间的同期相关关系为印度洋SSTA与赤道东太平洋SSTA成正相关,而赤道东大西洋SSTA与赤道东太平洋SSTA成弱的负相关;赤道印度洋在落后于赤道东太平洋3个月左右时正相关达到最大,赤道大西洋在超前于赤道东太平洋6个月左右时负相关达到最大;热带印度洋和大西洋与ENSO相关的分量对各自大洋海表温度年际变化的方差贡献数值相近,最大在40%以上,平均解释方差分别为14%和12%.     

不同海域SSTA对东半球越赤道气流年代际变化影响的数值模拟研究

采用1950—2000年逐月观测的不同海域（全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋）海表温度,分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,进行了多组长时间积分试验,对比ERA-40再分析资料,讨论了这些海域海表温度异常（SSTA）对东半球越赤道气流年代际变化的影响。数值试验结果表明,全球、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋海表温度变化分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,均能模拟出索马里、120 ?E和150 ?E越赤道气流在1970年代中后期由弱变强的年代际变化特征,其中模拟的索马里越赤道气流年代际变化特征及其与东亚夏季风年代际变化关系均与观测结果较一致,而热带外海表温度驱动全球大气环流模式未能模拟出此年代际变化现象,表明全球、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋海表温度变化均对索马里越赤道气流在1970年代中后期的年代际变化具有重要作用,热带太平洋是关键海区;索马里越赤道气流的年代际变化与热带太平洋海温年代际背景变化密切相关,当热带太平洋处于暖（冷）背景年代,热带东太平洋海温异常从北到南呈“＋、－、＋”（“－、＋、－”）“三明治”式距平分布,有利于赤道东太平洋南北两侧产生一对距平反气旋（气旋）,然后可能通过“大气桥”的作用,与热带印度洋赤道南北两侧的一对距平气旋（反气旋）联系起来,从而引起索马里越赤道气流强度的增强（减弱）。      

热带太平洋ENSO事件和印度洋的DIPOLE事件

在热带太平洋和印度洋的次表层构造了一个气候上的海温距平极值曲面(接近由20℃定义的温跃层曲面),分析了1960~2000年海温距平在这一曲面上演变的统计行为,指出,在这个曲面上分析海温距平的演变要比分析海表温度距平的演变规律更清楚,例如热带太平洋的ENSO事件,海温距平信号在赤道和南北10°左右的纬带附近呈逆时针方向传播,在传播过程中其强度产生变化甚至变号;在热带印度洋的Dipole若在最大海温距平曲面上来分析,则西、东印度洋的海温距平在统计上呈负相关(真正物理意义下的Dipole),而不像用海表温度距平分析那样只在西、东温度距平梯度上呈现年际的正、负号变化。进一步的分析表明,ENSO和Dipole的发展,在统计上呈现出时滞的相互关系,一般赤道东太平洋的海温距平变化在前(一个季度左右),联系这两者变化之间的纽带是赤道太平洋和印度洋的一对反相转动的Walker环流的耦合演变。     

热带海表温度和低层风场的年际变率及与ENSO循环的相关特征研究

采用 NCEP/NCAR的 1 979～ 1 998年逐月平均的海表温度及 1 0 0 0 h Pa风场资料 ,进行滤波和均方差计算 ,得到了热带太平洋、印度洋、大西洋海表温度 (SST)和风场的年际变化特征。用旋转主分量 (RPC)方法和投影法对热带三大洋海表温度距平 (SSTA)进行分析 ,得到了各大洋 SSTA演变的主要时空特征和相应的距平风场特征 ;并用相关分析研究热带三大洋与ENSO相关的特征 ,得到三大洋间的同期相关关系为 :印度洋 SSTA与赤道东太平洋 SSTA成正相关 ,而赤道东大西洋 SSTA与赤道东太平洋 SSTA成弱的负相关 ;赤道印度洋在落后于赤道东太平洋 3个月左右时正相关达到最大 ,赤道大西洋在超前于赤道东太平洋 6个月左右时负相关达到最大 ;热带印度洋和大西洋与 ENSO相关的分量对各自大洋海表温度年际变化的方差贡献数值相近 ,最大在 40 %以上 ,平均解释方差分别为 1 4%和 1 2 %。     

ENSO循环的两个不同位相期印度海洋表温度异常的特征分析

通过对ENSO循环的两个不同位相中印度洋地区海表温度变化特征的分析，指出印度洋地区的海温变化与赤道东太平洋地区的海温变化有较好 的相关关系，是ENSO循环的重要组成部分，对应于赤道东太平洋暖位相期，印度洋地区的海温分布为东冷西暖，与此相反，在赤道东太平洋冷位相，印度洋地区的温分布为东暖西冷，进一步的分析还发现，印度洋东，西部地区海温变化纬向差异最明显的区域位于印度洋赤道以南0－25℃附近，且这种差异具有明显的年季变化特征，在整个夏季风期间差异较大，而冬季风期间较小，其中冷位相期间的纬向差异比暖位相期间的纬向差异大，代表印度洋纬向差异的IDM（偶极指数）变化与赤道东太平洋地区的海温变化有很好的正相关关系。     

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。     

20世纪70年代前后北太平洋海温场气候特征的比较

采用1950——1998年588个月的海表温度SST(Sea Surface Temperature)资料，应用EOF、小波分析等方法，分析了北太平洋海温时空分布特征，指出20世纪70年代中后期北太平洋海温有明显变化：赤道中东太平洋由冷转暖，中高纬西风漂流区由暖转冷，且西风漂流区变化更为显著。厄尔尼诺和拉尼娜事件在此前后也呈现出不同的特征：1976年前拉尼娜(1976年后厄尔尼诺)事件持续时间长，强度大，事件发展初期厄尔尼诺海区就表现为较强的负(正)距平。海温变化存在2—6a的ENSO循环周期，并迭加着8—9a的年际振荡和22a左右的年代际尺度的变化。另外，还有以1981年前后为转折点的长期变化信号。     

近百年东亚冬季风与ENSO循环的相互关系及其年代际异常

运用相关及滑动相关的计算技术，讨论了近百年东亚冬季风与ENSO循环的相互关系及其年代际异常。研究指出，东亚冬季风与赤道东太平洋海温的年际关系具有年代际的变化特征；季风与ENSO循环的关系受到季风的QBO以及季风-海洋的年代际背景场配置关系的共同作用；当季风与海洋的背景场处于同样状态时，强冬季风有利于第二年冬季赤道东太平洋的升温，产生El Ni?o事件；当两者的背景场处于反位相状态时，强冬季风对应于第二年冬季的La Ni?a位相。     

ENSO机理及其预测研究

资料分析研究表明ENSO(El Ni?o和La Ni?a)实际上是热带太平洋次表层海温距平的循环,而次表层海温距平的循环是赤道西太平洋异常纬向风所驱动的,赤道西太平洋的异常纬向风又主要由异常东亚冬季风所激发。因此可以将ENSO的机理视为主要是由东亚季风异常造成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循环。同时分析还表明,热带西太平洋大气季节内振荡(ISO)的明显年际变化,作为一种外部强迫,对ENSO循环起着十分重要的作用;El Ni?o的发生同大气ISO的明显系统性东传有关。资料分析也表明,El Ni?o持续时间的长短与大气环流异常有密切关系。 用非线性最优化方法研究El Ni?o－南方涛动(ENSO)事件的可预报性问题,揭示了最容易发展成ENSO事件的初始距平模态,即条件非线性最优扰动(CNOP)型初始距平;找出能够导致显著春季可预报性障碍(SPB),且对ENSO预报结果有最大影响的一类初始误差——CNOP型初始误差,进而探讨耦合过程的非线性在SPB研究中的重要作用,提出了关于ENSO事件发生SPB的一种可能机制;用CNOP方法揭示了ENSO强度的不对称现象,探讨ENSO不对称性的年代际变化问题,提出ENSO不对称性年代际变化的一种机制;建立了关于ENSO可预报性的最大可预报时间下界、最大预报误差上界和最大允许初始误差下界的三类可预报性问题,分别从三个方面揭示ENSO事件的春季可预报性障碍现象,比较有效地量化了模式ENSO事件的可预报性。 利用中国科学院大气物理研究所地球流体力学数值模拟国家重点实验室的ENSO预测系统,研究了海洋资料同化在ENSO预测中的应用,该系统可以同时对温、盐剖面资料和卫星高度计资料进行同化。并且在模式中采用次表层上卷海温的非局地参数化方法,可有效地改进ENSO模拟水平。采用集合卡曼滤波(Ensemble Kalman Filter,EnKF)同化方法以及在集合资料同化中“平衡的”多变量模式误差扰动方法为集合预报提供更加精确和协调的初始场,ENSO预报技巧得到提高。     

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。     

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.       

A mechanism for decadal changes of ENSO behavior: roles of background wind changes

This study explains why a number of El Nino properties (period, amplitude, structure, and propagation) have changed in a coherent manner since the late 1970s and why these changes had almost concurred with the Pacific decadal climate shift. Evidence is presented to show that from the pre-shift (1961-1975) to the post-shift (1981-1995) epoch, significant changes in the tropical Pacific are found in the surface winds and temperature, whereas changes in the thermocline are uncertain. Numerical experiments with the Cane and Zebiak model demonstrate that the decadal changes in the surface winds qualitatively reproduce the observed coherent changes in El Nino properties. The fundamental factor that altered the model's El Nino is the decadal changes of the background equatorial winds and associated upwelling. The annual cycle is also necessary for the mean state to modulate El Nino. From the pre- to post-shift epoch, the changes in the background winds and upwelling modify the structure of the coupled mode (eastward displacement of the equatorial westerly anomalies) by reallocating anomalous atmospheric heating and SST gradient along the equator. This structural change amplifies the ENSO cycle and prolongs the oscillation period by enhancing the coupled instability and delaying transitions from a warm to a cold state or vice versa. The changes in the mean currents and upwelling reduce the effect of the zonal temperature advection while enhance that of the vertical advection; thus, the prevailing westward propagation is replaced by eastward propagation or standing oscillation. Our results suggest a critical role of the atmospheric bridge that rapidly conveys the influences of extratropical decadal variations to the tropics, and the possibility that the Pacific climate shift might have affected El Nino properties in the late 1970s by changing the background tropical winds and the associated equatorial upwelling.     

热带太平洋地区风场异常和与El Nio有关的年际变化

利用1964~1993年NCEP/NCAR再分析风应力资料和中国科学院大气物理研究所发展的14层热带太平洋环流模式(OGCM),对热带太平洋与El Ni~no有关的年际变化进行了研究。首先,分析了西太平洋暖池次表层海温异常(SOTA)与Ni~no 3区海表温度异常(SSTA)的年际变化关系,发现在El Ni~no事件之前,暖池的次表层海温都有明显正异常出现,它的东传导致了El Ni~no的发生,并且SOTA的传播随纬度变化,沿赤道东传,在赤道外西传。然后,选取了20世纪70年代和80年代两次最强的El Ni~no事件讨论了引起这种机制的可能原因———西风异常的作用。最后,对1964~1993所有的El Ni~no年的风场、次表层海温和海表温度的异常进行了综合分析。     

Modulation of decadal ENSO-like variation by effective solar radiation

Prediction of the Pacific sea surface temperature (SST) anomaly in the coming decades is a challenge as the SST anomaly changes over time due to natural and anthropogenic climate forcing. The climate changes in the mid-1970s and late-1990s were related to the decadal Pacific SST variability. The changes in the mid-1970s were associated with the positive phase of decadal El Niño-Southern Oscillation (ENSO)-like SST variation, and the changes in the late-1990s were related to its negative phase. However, it is not clear whether this decadal SST variability is related to any external forcing. Here, we show that the effective solar radiation (ESR), which includes the net solar radiation and the effects of volcanic eruption, has modulated this decadal ENSO-like oscillation. The eastern Pacific warming (cooling) associated with this decadal ENSO-like oscillation over the past 139 years is significantly related to weak (strong) ESR. The weak ESR with strong volcanic eruption is found to strengthen the El Niño, resulting in an El Niño-like SST anomaly on the decadal time scale. The strong eruptions of the El Chicho’n (1982) and Pinatubo (1991) volcanoes reduced the ESR during the 1980s and 1990s, respectively. The radiation reduction weakened the Walker circulation due to the “ocean thermostat” mechanism that generates eastern Pacific warming associated with a decadal El Niño-like SST anomaly. This mechanism has been confirmed by the millennium run of ECHO-G model, in which the positive eastward gradient of SST over the equatorial Pacific was simulated under the weak ESR forcing on the decadal time scale. We now experience a reversal of the trend in the ESR. The strong solar radiation and lack of strong volcanic eruptions over the past 15 years have resulted in strong ESR, which should enhance the Walker circulation, leading to a La Niña-like SST anomaly.     

热通量和风应力影响北太平洋SST年际和年代际变率的数值模拟

利用一个大洋环流模式LICOM, 通过1958～2001年风应力 (ERA40) 和热通量驱动下的两组模拟试验, 检验了二者在北太平洋年际和年代际变率形成中的作用。结果表明, 尽管在年际尺度上热带太平洋变率主要受风应力影响, 但合理考虑热通量异常的强迫作用能够显著改进模式对El Niño的模拟效果, 包括对El Niño周期非规则性的成功模拟; 北太平洋SST的年际和年代际异常主要受热通量异常的影响, 合理考虑热通量强迫的年代际变化能够改善模式对北太平洋年代际变率的模拟效果。在北太平洋海盆的不同区域, 导致SST变率异常的因子不同: 在加利福尼亚沿岸, 冬季平均海温的变率异常主要由热通量的异常决定; 在北太平洋中部, 温度趋势异常主要受热通量和水平平流的作用影响; 在黑潮及其延伸体区域, 对温度趋势异常起主导作用的是热通量和海洋非线性作用, 与此同时, 水平平流和扩散的作用亦不容忽视。     

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.     

Modulation of El Nino-Southern Oscillation by Freshwater Flux and Salinity Variability in the Tropical Pacific

The El Nin o-Southern Oscillation (ENSO) is modulated by many factors; most previous studies have emphasized the roles of wind stress and heat flux in the tropical Pacific. Freshwater flux (FWF) is another environmental forcing to the ocean; its effect and the related ocean salinity variability in the ENSO region have been of increased interest recently. Currently, accurate quantifications of the FWF roles in the climate remain challenging; the related observations and coupled ocean-atmosphere modeling involve large elements of uncertainty. In this study, we utilized satellite-based data to represent FWF-induced feedback in the tropical Pacific climate system; we then incorporated these data into a hybrid coupled ocean-atmosphere model (HCM) to quantify its effects on ENSO. A new mechanism was revealed by which interannual FWF forcing modulates ENSO in a significant way. As a direct forcing, FWF exerts a significant influence on the ocean through sea surface salinity (SSS) and buoyancy flux (Q B ) in the western-central tropical Pacific. The SSS perturbations directly induced by ENSO-related interannual FWF variability affect the stability and mixing in the upper ocean. At the same time, the ENSO-induced FWF has a compensating effect on heat flux, acting to reduce interannual Q B variability during ENSO cycles. These FWF-induced processes in the ocean tend to modulate the vertical mixing and entrainment in the upper ocean, enhancing cooling during La Nin a and enhancing warming during El Nin o, respectively. The interannual FWF forcing-induced positive feedback acts to enhance ENSO amplitude and lengthen its time scales in the tropical Pacific coupled climate system.