IOCAS ICM及其ENSO实时预测试验和改进

厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)是仅次于季节变化的最强年际气候变率信号,对全球气候和天气产生重要影响。准确、及时、有效地预报ENSO事件的发生和演变具有重大的实用意义。以中国科学院海洋研究所冠名的中等复杂程度海气耦合模式(IOCAS ICM),每月定期进行ENSO实时预报试验。IOCAS ICM实时预报结果目前收录于美国哥伦比亚大学国际气候研究所(IRI),以作进一步的集成分析和应用。该模式的大气部分是一个描述对海表温度(SST)年际异常响应的风应力异常经验模式,海洋部分包括了动力海洋模块、SST距平模块(嵌套于动力海洋模块中)和次表层上卷海温(T_e)距平模块三部分。IOCAS ICM的特点之一是开发了次表层海温反算优化这一创新技术,可有效改进热带太平洋SST异常的模拟和预报。IOCAS ICM和其他海气耦合模式的最新预报结果(以2017年9月为初条件)表明,2017年年末热带太平洋会处于一个SST冷异常态,最大变冷中心集中在赤道东太平洋,但并不足以达到拉尼娜(La Ni?a)事件的水平,SST冷异常可能会在2018年春季逐渐减弱,转化为中性状态。此外,本文还对四维变分资料同化方法(4D-Var)以及条件非线性最优扰动方法(CNOP)在IOCAS ICM中的应用进行了讨论。     

赤道太平洋次表层海温异常年际和年代际变率特征与ENSO循环

用美国马里兰大学提供的海洋同化(SODA)月平均资料,分析了赤道太平洋次表层海温异常年际和年代际变率的演化特征,讨论了它们对ENSO循环的影响.结果指出,赤道太平洋次表层海温异常年际和年代际变率具相似的ENSO模分布和演变过程,二者均以赤道西太平洋暖池次表层海温显著的异常中心与赤道东太平洋表层海温异常中心显著反号为主要分布特征,其演变过程通过赤道西太平洋暖池次表层海温异常中心沿海洋气候温跃层向东向上传播来完成.赤道西太平洋暖池次表层海温异常年际变率决定了ENSO循环,年代际变率对ENSO循环也有重要影响,其影响主要在中太平洋, 造成ENSO模的年代际变化.当年代际变率处于正常状态时,ENSO循环基本上是东部型冷暖事件之间的转换;当年际和年代际变率位相相同时,ENSO事件强度将会加强和持续,并出现中部型ENSO事件;当二者位相相反时, ENSO事件强度将会减弱.     

海温距平的ENSO模和类ENSO模的三维结构

用美国马里兰大学提供的海洋同化(SODA)月平均资料,深入揭示了ENSO模的海洋三维结构及其年际和年代际变率。研究结果指出,ENSO海洋模随深度呈明显规律变化。在热带太平洋,它由热带中东太平洋表层显著海温异常分布型随深度增加逐渐过渡为热带西太平洋次表层显著反号海温异常分布型;在赤道太平洋以赤道西太平洋暖池次表层海温显著异常与赤道中东太平洋表层海温反号显著异常为主要特征。El Nino期间,热带中东太平洋表层为强海温正距平中心,西太平洋暖池次表层为强海温负距平中心,在年际尺度上,160°E以西的西北太平洋副热带海域还存在一个与西太平洋海温异常变化反号、与热带东太平洋同号的区域;La Nina期间正好相反。ENSO循环主要由ENSO年际变率所决定,年际ENSO模具有东部型ENSO事件的海温异常分布特征,其循环是东部型冷暖事件之间的转换,在200m以浅,它具ENSO模相同的三维结构和3-5年的显著年际变化周期;年代际类ENSO模具有中部型ENSO事件的海温异常分布特征,年代际ENSO循环是中部型冷暖事件之间的转换,其影响主要限制在200m以浅的海洋上层,具有ENSO模相似的三维结构和9-23年的显著周期。     

PDO的三维空间结构和时间演变特征

利用再分析次表层海温资料和CCSM3模式的1870-1999年130 a模拟试验的结果,分析了北太平洋年代际变化(PDO)的三维空间结构和时间演变特征.结果表明,CCSM3模式较好的模拟了北太平洋年代际变化的主要特征,对再分析资料和模式结果的分析都表明从北太平洋表层至次表层的中层,年代际变化是非常显著的,PDO不仅仅局...     

北半球冬季南太平洋海表温度异常的主要模态及其与ENSO的关系

利用新版本的NOAA扩展重构的海温资料,研究了1950/1951年-2008/2009年北半球冬季(12月-翌年2月平均)南太平洋海温异常的主要模态,并探讨了海温主要模态在年际和年代际时间尺度上与ENSO的关系。研究结果表明:北半球冬季南太平洋海温变化主要存在两个模态,第1模态基本反映了南太平洋海温异常南－北的反相变化特征,第2模态基本反映了南太平洋海温异常东－西的反相变化特征。两个模态的年代际周期均比其年际周期显著,其中第1模态的主要年代际周期为11~16 a,第2模态的主要年代际周期为18~24 a。主要模态与ENSO关系的分析表明,第1模态与同期ENSO事件的关系最显著,主要显示其对ENSO的响应,而第2模态对滞后其1 a的ENSO事件存在一定的影响。为进一步研究它们的年际和年代际关系特征,分别对它们进行滤波后的分析表明,在年际时间尺度上,南太平洋海温两个主模态同ENSO事件的关系与滤波前的基本一致;在年代际时间尺度上,第1模态的年代际变化可能对ENSO的年代际变化存在一定的响应,而第2模态可能不仅对前期的ENSO事件存在一定的响应,还可能对后期的ENSO事件存在一定程度的影响作用。     

太平洋海温场两种不同时间尺度气候模态的分析

利用经验正交函数分解、多元线性回归分析、小波分析和离散功率谱等方法,对太平洋年代际振荡(PDO)和ENSO的关系进行研究,发现太平洋海温场中主要存在着PDO和ENSO两种气候模态.用线性回归分析方法对这两种模态进行分离,结果表明,去除ENSO信息后,太平洋海温变化的关键区出现于北太平洋中纬度地区,PDO的信号很明显;而去除PDO信息后,海温变化的关键区位于赤道中、东太平洋地区,ENSO的信号较明显,此时ENSO循环不具有年代际振荡的特征,表明PDO对ENSO的调制作用是ENSO事件具有年代际变化特征的重要原因.     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整 I. 年际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟试验,研究了全球热带海洋(主要是热带太平洋)海温和环流场的年际变化特征及模式ENSO冷暖事件演变的控制机理.结果表明,模式成功地再现了和观测一致的海温和环流的年际变化以及ENSO演变特征.其中热带印度洋年际SST变率的主要模态表现为与ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷现象,次级模态为热带印度洋偶极子模态;热带大西洋的SST年际变率表现为类ENSO的年际振荡现象.在热带太平洋,SST年际变化主要表现为ENSO型,环流的年际变率表现为与ENSO相对应的热带海洋质量循环圈的年际异常.对应于暖(冷)事件,前期赤道海洋垂直环流圈显示出减弱(增强)的特征.其中南赤道流异常的位相较Nino3区海温总体要超前5个月左右的时间;赤道上翻流异常的位相在表层要超前4个月,并随时间由上至下扩展;赤道潜流的异常则显示出东传特征,其中最早的较为显著的异常发生ENSO成熟前3个月180°附近.在模式ENSO冷暖事件的演变过程中,次表层海温异常沿赤道的东传起了关键作用,模式的ENSO模态主要表现为"时滞振子"模态.     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整Ⅰ.年际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS 1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟试验,研究了全球热带海洋(主要是热带太平洋)海温和环流场的年际变化特征及模式ENSO冷暖事件演变的控制机理.结果表明,模式成功地再现了和观测一致的海温和环流的年际变化以及ENSO演变特征.其中热带印度洋年际SST变率的主要模态表现为与ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷现象,次级模态为热带印度洋偶极子模态;热带大西洋的SST年际变率表现为类ENSO的年际振荡现象.在热带太平洋,SST年际变化主要表现为ENSO型,环流的年际变率表现为与ENSO相对应的热带海洋质量循环圈的年际异常.对应于暖(冷)事件,前期赤道海洋垂直环流圈显示出减弱(增强)的特征.其中南赤道流异常的位相较Nino3区海温总体要超前5个月左右的时间;赤道上翻流异常的位相在表层要超前4个月,并随时间由上至下扩展;赤道潜流的异常则显示出东传特征,其中最早的较为显著的异常发生ENSO成熟前3个月180°附近.在模式ENSO冷暖事件的演变过程中,次表层海温异常沿赤道的东传起了关键作用,模式的ENSO模态主要表现为"时滞振子"模态.     

西太平洋暖池海温的时空变化及其在ENSO循环中的作用

应用SODA_1.4.2版本资料,分析研究了热带西太平洋暖池(以下简称WPWP)海温场的变化特征,讨论了WPWP海温的时空变化特征与ENSO之间的联系途径.分析结果表明,在上层海洋,WPWP的海温场在垂向结构上具有显著的年际变化特征,在不同深度存在较大差异.表层的异常海温出现明显的增温趋势,在47年期间(1958-2004)增温幅度达0.15℃.而随着深度的增加,异常海温出现明显的降低趋势,次表层(120-170 m)的降温幅度最大,其降温可达-0.72℃.这种变化可能与20世纪70年代末WPWP区域的海温场发生突变过程存在一定关系.另外,在热带太平洋温跃层曲面上,WPWP区域海温变化与赤道东太平洋海温变化存在"跷跷板"现象.据此,定义了赤道东西太平洋温跃层曲面上异常海温变化强度指数,为ENSO循环过程的研究提供了又一参考依据.通过对WPWP不同深度的异常海温和海流分析发现,WPWP异常海温的东传过程与赤道潜流的强弱变化存在密切关系.     

GFDL模式对太平洋海表面温度的年际和年代际变率的模拟评估

为评估美国地球物理流体动力学实验室(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory,GFDL)模式CM3、ESM2M和ESM2G对太平洋海表面温度的年际和年代际变率的模拟能力,本文利用GFDL历史试验模拟结果和美国海洋大气局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供的扩展重建的海表温度(Extended Reconstructed Sea Surface Temperature,ERSST)资料,比较模式模拟和观测的厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)和太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)的时空分布、周期及可预报性等。结果表明:三个模式均可以较好地模拟太平洋主要年际信号ENSO和年代际信号PDO,ESM2G对ENSO的模拟最好,CM3对PDO的模拟与观测更为接近。研究结果为进一步利用模式探讨ENSO和PDO的物理机制提供可能的参考。     

Assimilation of historical SST data for long-term ENSO retrospective forecasts

In this study, the assimilation of historic SST (sea surface temperature) data was performed for long-term ENSO hindcasts. The emphasis was placed on the design of background error covariance (BEC) that dominates the transfer of SST information to the subsurface. Four different data-assimilation schemes, based on Optimal Interpolation (OI) algorithm, were proposed, and compared in terms of ENSO simulation and prediction skills for the period from 1876 to 2000.It was found that the data-assimilation scheme that has a three-dimensional BEC constructed from model simulations forced by observed wind stress can effectively correct the second-layer temperature in the SST assimilation and lead to the best ENSO prediction skill. Further analysis for the long-term hindcasts shows that the prediction skills have a striking decadal/interdecadal variability similar to that found in other models. These results provide a fundamental basis for the further study of ENSO predictability.     

ENSO十年际尺度变率的机制初探

利用太平洋次表层海温、热含量和洋表风应力等资料探讨了ENSO十年际尺度变率的可能机制。结果表明，热带西南太平洋不仅是年代际信号的显著区，同时也有可能是影响ENSO循环十年际变化的关键区。热带西南太平洋的海温暖异常经热带中太平洋东传到热带东太平洋，导致热带东太平洋产生暖的海温异常，这种海温异常进而激发了澳大利亚东部沿岸的大气，产生反气旋性风应力异常。在这种风场的作用下，其下方海水向四周辐散，使热带西南太平洋的温跃层变浅，产生负的温度异常，此后发生反位相的循环。整个循环过程所需的时间约为13a。     

南海海面高度变化及其与太平洋上涛动信号的关系

本文使用循环平稳经验正交函数(CSEOF)方法分析了南海海面高度(SCS-SSH)的时空变化模态,并对它们与太平洋海盆尺度振荡的关系进行了探讨分析。结果表明,SCS-SSH的第一个CSEOF模态是季节变化模态,其变化强度受到一个与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有关的低频信号的调制,即在厄尔尼诺期间季节变化的幅度减弱(最大可降低30%,1997/98)而在拉尼娜期间季节变化增强。SCS-SSH的第二个CSEOF模态是年际-年代际尺度的低频变化模态,其空间模态的月与月之间的差异微弱,而时间模态和太平洋年代际振荡(PDO)指数高度相关。然后,我们使用独立成分分析(ICA)方法提取了太平洋中的五个主要振荡成分,并检验了它们对SCS-SSH变化的各自影响。分析表明,纯粹的ENSO模态(类似于太平洋东部型ENSO)对SCS-SSH的低频变化的影响比较微弱,而ENSO的红化模态(类似于太平洋中部型ENSO)对SCS-SSH的低频变化具有明显影响。由于ENSO的红化模态是PDO信号的一个主要成分,这一结果解释了为什么在影响SCS-SSH的低频变化上PDO比ENSO更重要。径向鞍型振荡模态、黑潮延伸体处的增温模态、以及赤道的降温模态也由ICA方法提取出来,但它们对SCS-SSH低频变异的影响微弱。进一步的分析表明,太平洋的涛动信号可能以不同的方式来影响南海海面高度变化和海表温度变化。     

Revisiting ENSO impacts on the Indian Ocean SST based on a combined linear regression method

The El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) has great impacts on the Indian Ocean sea surface temperature (SST). In fact, two major modes of the Indian Ocean SST namely the Indian Ocean Basin (IOB) and the Indian Ocean Dipole (IOD) modes, exerting strong influences on the Indian Ocean rim countries, are both influenced by the ENSO. Based on a combined linear regression method, this study quantifies the ENSO impacts on the IOB and the IOD during ENSO concurrent, developing, and decaying stages. After removing the ENSO impacts, the spring peak of the IOB disappears along with significant decrease in number of events, while the number of events is only slightly reduced and the autumn peak remains for the IOD. By isolating the ENSO impacts during each stage, this study reveals that the leading impacts of ENSO contribute to the IOD development, while the delayed impacts facilitate the IOD phase switch and prompt the IOB development. Besides, the decadal variations of ENSO impacts are various during each stage and over different regions. These imply that merely removing the concurrent ENSO impacts would not be sufficient to investigate intrinsic climate variability of the Indian Ocean, and the present method may be useful to study climate variabilities independent of ENSO.     

副热带东北太平洋海表温度异常的传递及与ENSO的联系

厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)现象是地球气候系统中最主要的年际变化信号之一,对其形成机制和预报的研究具有重要的理论和现实意义。本文基于ERSST v4海表面温度资料与NCEP/NCAR Reanalysis大气再分析资料,通过回归分析与合成分析等方法,研究了副热带东北太平洋海区海表面温度(sea surface temperature, SST)异常信号的传递机制及其与ENSO现象的联系。诊断结果表明,副热带东北太平洋SST异常与ENSO指数有很好的正相关关系。副热带东北太平洋SST异常的暖信号超前于ENSO指数约半年时间,通过风-蒸发-海温的反馈机制,沿东北-西南方向向赤道中太平洋缓慢传递。更进一步的数值实验显示,副热带东北太平洋的正SST异常信号的确可以影响大气环流场,使其西南方向的海面风速减弱,蒸发潜热通量减少,从而使信号向西南方向传递。     

南海冬季海浪的时空变率特征

The spatial and temporal variation characteristics of the waves in the South China Sea(SCS) in the boreal winter during the period of 1979/1980–2011/2012 have been investigated based on the European Centre for Medium-range Weather Forecasts interim(ERA-Interim) reanalysis dataset. The results show that the leading mode of significant wave height anomalies(SWHA) in the SCS exhibits significant interannual variation and a decadal shift around the mid-1990 s, and features a basin-wide pattern in the entire SCS with a center located in the west of the Luzon Strait. The decadal change from a weak regime to a strong regime is mainly associated with the enhancement of winter monsoon modulated by the Pacific decadal oscillation(PDO). The interannual variation of the SWHA has a significant negative correlation with the El Ni?o Southern Oscillation(ENSO) in the same season and the preceding autumn. For a better understanding of the physical mechanism between the SCS ocean waves and ENSO, further investigation is made by analyzing atmospheric circulation. The impact of the ENSO on the SWHA over the SCS is bridged by the East Asian winter monsoon and Pacific-East Asian teleconnection in the lower troposphere. During the El Ni?o(La Ni?a), the anomalous Philippine Sea anticyclone(cyclone) dominates over the Western North Pacific, helps to weaken(enhance) East Asian winter monsoon and then emerges the negative(positive) SWHA in the SCS.     

ENSO循环过程中次表层海洋信号的传播和变化

利用SODA等资料分析了热带太平洋次表层海洋要素的变化特征,结果表明,ENSO循环过程中次表层异常海温信号在赤道外向西传播的路径与温跃层深度的分布有一定关系,10oN附近是气候平均温跃层深度的极小值区域,温跃层在该区域形成了一个从东到西的阻隔带,阻挡了来自赤道地区的ENSO信号继续向北传播,从而转向西传播;而南半球温跃层深度的气候分布不具备这一特征,不利于ENSO信号在南半球的向西传播。进一步的研究还表明,ENSO信号在整个循环过程中,异常海温的主周期是变化的,特别是在沿10oN附近向西传播的过程中,ENSO信号的主周期变化较大。推断西太平洋暖池区域的ENSO信号除了在循环过程中自东太平洋10oN传来的以外,还受其他因素的影响,例如局地的大气变化引起的海温异常,以及来自中高纬度的异常海温信号等因素。     

Decadal modes of sea surface salinity and the water cycle in the tropical Pacific Ocean: The anomalous late 1990s

Limitations in sea surface salinity (SSS) observations and timescale separation methods have led to an incomplete picture of the mechanisms of SSS decadal variability in the tropical Pacific Ocean, where the El Niño Southern Oscillation (ENSO) dominates. Little is known regarding the roles of the North Pacific Gyre Oscillation (NPGO) and the Pacific Decadal Oscillation (PDO) in the large-scale SSS variability over the tropical basin. A self-organizing map (SOM) clustering analysis is performed on the intrinsic mode function (IMF) maps, which are decomposed from SSS and other hydrological fields by ensemble empirical mode decomposition (EEMD), to extract their asymmetric features on decadal timescales over the tropical Pacific. For SSS, an anomalous pattern appeared during 1997 to 2004, a period referred to as the anomalous late 1990s, when strong freshening prevailed in large areas over the southwestern basin and moderate salinization occurred in the western equatorial Pacific. During this period, the precipitation and surface currents were simultaneously subjected to anomalous fluctuations: the precipitation dipole and zonal current divergence along the equator coincided with the SSS increase in the far western equatorial Pacific, while the weak zonal current convergence in the southwestern basin and large-scale southward meridional currents tended to induce SSS decreases there. The dominant decadal modes of SSS and sea surface temperature (SST) in the tropical Pacific both resemble the NPGO but occur predominantly during the negative and positive NPGO phases, respectively. The similarities between the NPGO and Central Pacific ENSO (CP-ENSO) in their power spectra and associated spatial patterns in the tropics imply their dynamical links; the correspondence between the NPGO-like patterns during negative (positive) phases and the CP La Niña (CP El Niño) patterns for SSS is also discussed.