厄尔尼诺/拉尼娜信号循环回路及其传播特性研究

基于1992～2001年卫星高度计资料分析了海面高度距平在厄尔尼诺/拉尼娜(El Niño/La Niña)现象中的演变过程,发现:(1)在El Niño过程中,海面高度正距平信号从西太平洋沿赤道海域向东传播至东海岸,然后分成南北两支,北支在10°N附近从东太平洋传回西太平洋的信号最强,到达西太沿岸海域再传回赤道,表明El Niño信号传播在北半球存在一明显循环回路.赤道以南循环圈不及赤道以北环路清晰.东太平洋的季节变化信号主要通过6°N,10°N和8°S附近的3个通道向西太平洋传播.La Niña信号主要从5°N和7°S向西传播;(2)在大洋海盆尺度快速传播信号背景下,存在波长700～800km的慢速传播信号,两类信号将信息在太平洋内传送.传播速度分析表明,慢速传播信号的相速与Rossby波相速相符,而快速传播信号应该是海洋对大气变异的响应.     

赤道太平洋初级生产力对El Nio事件响应的综合分析

本文依据热带海洋全球大气研究(TOGA),东太平洋海洋环流研究(EPOCS)、西赤道太平洋海洋环流研究(WEPOCS)、表层热带太平洋观测(SURTROPAC)以及太平洋区域观察)PROPPAC)等计划,对1980～1990年期间在赤道太平洋(141.5°E～85°W,10°N～10°S)所调查的生物化学资料进行了分析和比较。所得结果是:东赤道太平洋正常年份初级生产力为500～800mg/(m~2·d),El Ni(?)o期间约为150mg/(m~2·d);西赤道太平洋正常年份初级生产力为200～250rag/(m~2·d),El Ni(?)o期间约为300mg/(m~2·d)。研究结论是:El Ni(?)o期间东赤道太平洋初级生产力较正常年份显著降低,西赤道太平洋初级生产力较正常年份明显增加,生物响应均较显著。     

ENSO循环相联系的北太平洋低纬度异常西边界流

用SODA海洋同化和NCEP大气再分析资料,分析了热带太平洋次表层海温异常主要模态与北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流和亚洲-北太平洋地区大气垂直和水平流场变化之间的关系,得到以下结果:（1） 在热带太平洋海洋次表层ENSO事件具有两种模态,二者组合构成ENSO循环。第一模态为ENSO成熟期,主要出现在冬季,第二模态为ENSO过渡期,主要出现夏季。（2） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流区上层海洋环流有重要影响。在El Niño发展期或La Niña 衰退期,该区出现气旋性异常环流,北赤道流（NEC）加强,NEC分叉位置北移,棉兰老海流（MC）加大,菲律宾以东黑潮（KC）减小,北赤道逆流（NECC）最强。在El Niño（La Niña）成熟期,该区气旋性（反气旋性）异常环流达最强,NEC最强（最弱）,NEC分叉位置最北（最南）,MC最大（最小）,KC最小（最大）,NECC减弱（加强）。在El Niño衰退期或La Niña发展期与El Niño发展期相反,该区出现反气旋性异常环流,由此导致相应流系异常发生反位相变化。（3） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流的影响是通过ENSO事件期间热带太平洋热力状况异常改变上空大气环流来实现的。ENSO事件首先造成热带太平洋海洋热力状况异常,导致其上空对流活动异常,后者直接或间接通过“大气桥”能量传输引起相关地区大气环流场的变化,致使海面风应力场异常,进而强迫上层海洋环流场的相应变化。文章最后还分析了ENSO事件期间菲律宾附近异常反气旋或异常气旋性风场的产生和持续原因,讨论了北太平洋低纬度西边界流海域海气相互作用在ENSO循环中的贡献。     

中西太平洋金枪鱼围网渔场聚类及其原因分析

本文根据1995-2010年我国中西太平洋金枪鱼围网生产统计数据,按年和月不同时间空间分辨率对金枪鱼围网渔场进行聚类分析,划定不同渔场类型;同时结合海表温度（SST）及Niño3.4区指数,探讨其渔场类型形成的原因。研究表明,在月为时间尺度下气候异常事件（El Niño和La Niña事件）发生频次与渔场聚类结果类别相关联,在1-12月发生气候异常事件频数分布可划分为以下几个阶段:1-3月、4-6、7-9月、10-12月,与月时间尺度下金枪鱼围网中心渔场4种聚类结果的时间范围具有一致性。通过渔场重心聚类结果和El Niño和La Niña事件分类统计对比发现,在年时间尺度下,气候异常事件的类型与聚类结果相关联,聚类结果同一类别包含的年份发生的气候异常事件具有一致性,即在同一类别下1995年、1997年为强El Niño年;1998年、2007、年、2009年为正常年份;2010年为强La Niña年;1999年、2000年、2001年为La Niña年;1996年、2008年为La Niña年;2002年、2004年为El Niño年。研究认为,中心渔场的年际聚类变化与El Niño、La Niña事件的发生分布具有很强的相关性,因此可以利用El Niño、La Niña指标来预测渔场的年间和月份间的变化。     

厄尔尼诺和台风共同影响下的7月份黄、东海海温变化

基于历史海温数据和台风路径数据,研究了厄尔尼诺/拉尼娜（El Niño/La Niña）背景下7月份中国近海海温变化特征。结果表明:7月黄、东海海温异常与El Niño/La Niña有显著相关关系,OISST和GODAS海温数据与Niño3指数同步相关系数分别为-0.32和-0.45。El Niño年7月,黄、东海海表温度异常低于-0.5℃的概率超过60%;La Niña年7月,黄海海温异常高于0.5℃的概率约有60%;正常年7月,海温异常的空间分布与El Niño年相反,但量值偏低。El Niño年7月,中国近海及邻近区域大气异常能够给局地带来更多降水;同时,受El Niño背景场的影响,入侵黄、东海的台风强度更强、影响时间更长。大尺度的降水和台风活动的影响是导致黄、东海海温异常降低的重要原因。因此,分析和预测7月份中国近海海温异常,在充分考虑El Niño/La Niña背景场的基础上,需要结合局地的大尺度降水和台风的影响同时分析,这为特定背景下结合不同时间尺度上的因素共同分析中国近海海温变化提供了一种思路。     

SST年循环对El Niño事件局地海气过程的影响

利用Hadley中心逐月海表温度、欧洲中心ERA-40的10 m风场及CMAP降水资料探讨了年循环对热带太平洋El Niño海气相互作用过程的影响。尽管El Niño对应的海表温度异常主要出现在赤道东太平洋,经向上呈南北对称分布,然而其对应的大气响应在El Niño年衰减阶段却有着强的向南移动特征。在El Niño发展年的11月之前,强的西风和降水异常主要出现在赤道中太平洋;在12月份之后,赤道上的西风和降水异常迅速南移至5°S,随后西风一直维持在该位置直至衰亡。同时,西太平洋负降水和反气旋异常向北移动。这种SST异常与其大气响应的经向移动不一致,主要是由热带中太平洋气候态SST的季节性南移导致的。由于对流与海温之间存在非线性关系,即当总SST超过一定的阈值,对流降水才会迅速增强;因此相应的对流响应也随着总海温的南移而南移,风场响应也同时南移。此外,南半球增强的对流会通过经向环流进一步抑制北半球的降水,从而使西太平洋负降水和反气旋异常增强并北移。通过分析有/无年循环的两组数值试验结果验证了上述结论,即有年循环的试验较真实地模拟出了观测中异常西风南移和西北太平洋反气旋异常的出现;无年循环试验尽管能模拟出El Niño年赤道中太平洋的西风异常,但其却没有南北向的移动,西北太平洋的反气旋也没有出现。因此,热带中太平洋气候态暖海温的季节循环对El Niño事件大气响应有着至关重要的作用。     

热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响

本文利用1950-2015年间Hadley环流中心海冰和海温资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响,并从大气环流和净表面热通量两个角度探讨了可能的物理机制。结果表明,在ENSO事件发展年的夏、秋季节,EP型与CP型El Niño事件与北极海冰异常的联系无明显信号。而La Niña事件期间北极海冰出现显著异常,并且EP型与CP型La Niña之间存在明显差异。EP型La Niña发生时,北极地区巴伦支海、喀拉海关键区海冰异常减少,CP型La Niña事件则对应着东西伯利亚海、楚科奇海地区海冰异常增加。在EP型La Niña发展年的夏、秋季节,热带太平洋海温异常通过遥相关波列,使得巴伦支海、喀拉海海平面气压为负异常并与中纬度气压正异常共同构成类似AO正位相的结构,形成的风场异常有利于北大西洋暖水的输入,同时造成暖平流,偏高的水汽含量进一步加强了净表面热通量收入,使得巴伦支海、喀拉海海冰异常减少。而在CP型La Niña发展年的夏季,东西伯利亚海、楚科奇海关键区受其东侧气旋式环流的影响,以异常北风分量占主导,将海冰从极点附近由北向南输送到关键区,海冰异常增加,而净表面热通量的作用较小。     

El Niño对东亚气候年际异常影响的数值模拟

根据1949~1998年期间8次显著El Niño事件合成的24个月年际海温异常(SSTAs)和气候平均的海温(SST),利用CCM3分别进行了3个包含10次积分的集合试验,即控制试验(CTRL),热带太平洋海洋全球大气试验(TOGA)以及整个太平洋海洋全球大气试验(TOGA-NP),通过对比分析这3个试验之间的集合模拟结果,揭示了在El Niño不同演变阶段东亚气候年际异常响应结构以及北太平洋年际SSTAs在此过程中的调制作用.结果表明:El Niño发展阶段夏季,东亚地区大气环流异常呈显著的负PJ波列,副热带高压减弱、偏东,东亚夏季风增强,东北和江淮流域降水偏多,华北和长江流域及其以南地区降水偏少;El Niño成熟阶段冬季,东亚大槽加强,东亚北部冬季风加强,西太平洋副热带地区低层有显著的反气旋式异常风场,华南地区降水显著增多;El Niño衰亡阶段夏季东亚气候年际异常型与其发展阶段夏季几乎相反.同时,北太平洋年际SSTAs对El Niño影响东亚气候年际异常有一定的调制作用,使模拟的我国降水异常分布更符合观测.     

全球变暖背景下最近40年太平洋海温变化数值模拟

用Non-Boussinesq POP模式和1960—1999年NCEP的1 000 hPa大气温度和风场资料,模拟了最近40 a太平洋海温的变化,通过与实际观测结果比较,得出模拟结果是可信的,并且得到了一些有意义的结果:在海面,太平洋最大的增温发生在赤道中东太平洋,即Niño1-Niño4区内,最大的降温在中纬度南北太平洋中部,除了北半球太平洋西岸40°N附近为降温外,在北半球太平洋沿岸基本上为升温,但太平洋东海岸的升温幅度要远大于西海岸;在太平洋0~483 m深度垂直方向,除了赤道中太平洋区域海温的变化在海面为上升,在169 m处为下降,在483 m处又转为上升外,其他区域海温的变化在垂直方向基本上为线性变化。在全球增暖的背景下,虽然El Niño现象在20世纪90年代以后表现出增强的趋势,但是反映在赤道表面以下的次表层西太平洋暖池中的异常暖中心,在由西向东移动过程中其强度却是减弱的。     

两类El Niño不同衰减型的演变特征及其与我国夏季降水的联系

利用中国气象局743站日降水、NCEP-/NCAR大气环流、英国气象局Hadley中心全球月平均海表温度（SST）等资料,探讨了两类El Niño不同衰减型的演变特征及其对衰减阶段夏季（6-8月）我国降水异常分布的可能影响。根据海表温度异常（SSTA）沿赤道（5°S~5°N）的演变特征,EP-El Niño存在两种衰减型:自东向西（E-W）衰减（大于0.5℃的海温正距平首先在南美沿岸消失,并向西扩展）和自西向东（W-E）衰减（大于0.5℃的海温正距平首先在赤道中太平洋消失,并向东扩展）;CP-El Niño存在3种衰减方式:对称（S）衰减（赤道中太平洋暖海温的发展和衰减关于某一峰值对称）、延迟（P）衰减（衰减阶段紧接着呈现EP-El Niño分布）、突然（A）衰减（衰减阶段紧接着发生EP-La Niña事件）。对于EP-El Niño,在华北、华南、长江和黄河（简称两河）之间及两河的上游地区,E-W与W-E衰减阶段夏季降水呈现完全相反的异常分布特征。E-W衰减阶段夏季两河之间及上游地区偏旱的可能性显著增大,华北地区降水异常偏多,长江以南略偏多;而W-E衰减阶段夏季,两河之间及上游地区降水偏多,降水异常大值中心主要位于沿江地区,华南大部和华北地区降水明显偏少。对于CP-El Niño的3种衰减方式:夏季降水异常大值带在S衰减方式下主要位于黄河和淮河之间;在P方式衰减时,出现在长江流域;而在A型衰减时,主要位于黄河下游地区。S和A衰减方式下,东北大部尤其东北北部降水偏少,而处于P衰减时,东北大部降水明显偏多;在西南地区,S衰减时夏季降水总体偏多,A衰减时情况相反;在西北北部地区,A衰减时偏旱,而S和P衰减时降水总体偏多。不同的衰减方式均对应不同的降水异常空间分布,区分衰减型使得两类El Niño次年我国夏季降水异常显著区的分布范围和信号强度均较未区分衰减型时有较好的改善,为我国汛期降水短期气候预测工作提供了重要依据。     

137°E 断面北赤道流的结构特征和年际变化

基于日本气象厅在1967～2009 年间获得的温盐深仪(CTD)资料以及美国提供的卫星高度计资料,分析了137°E 断面北赤道流(NEC)的结构特征和年际变化, 并探讨了其年际变化的控制机制。结果表明,在137°E 断面, NEC 的平均位置位于8°～18°N, 其流核出现在10°～12°N 附近; 无论冬季还是夏季, NEC的流速距平场都具有南、北向的反位相年际振荡特征, 而这种南、北向的反位相振荡可能是由热带西北太平洋的气旋性和反气旋性异常环流所控制; NEC 内部的流速对EI Ni?o-Southern Oscillation (ENSO)的响应也存在着明显的季节特征, 其中, 在El Ni?o(La Ni?a)期间的夏季, NEC 中上部的流速增大(减小); 在El Ni?o(La Ni?a)期间的冬季, NEC 中下部的流速减小(增大), 而NEC 南、北两侧的流速则增大(减小)。     

西风爆发、次表层暖水东移与厄尔尼诺现象

利用最近20 a的大气海洋资料,分析了厄尔尼诺事件与赤道太平洋西风异常以及赤道太平洋次表层海温之间的关系.结果表明,赤道西太平洋(5°S～5°N,120°～160°E)和赤道中东太平洋(5°S～5°N,160°E～160°W)西风异常都存在着与厄尔尼诺周期一致的年际变化,但前者还包含有显著的2～3个月季节内振荡.赤道西太平洋次表层冷暖水东移也呈现年和年际时间尺度的振荡周期.在厄尔尼诺发生前,赤道西太平洋次表层海水出现持续性增暖,赤道西太平洋西风异常频率加快,强度增强.随后赤道中太平洋(160°E～160°W)出现持续性(3个月以上)强西风异常(即西风爆发),并进一步向东扩展,同时次表层暖水沿着赤道波导东移到赤道东太平洋混合层,导致赤道东太平洋海表大面积异常增暖,形成一次厄尔尼诺现象.最后,模式模拟了1980～1984年赤道太平洋海温的变化,进一步证实了赤道纬向西风异常对暖水东移起着重要的作用.     

热带太平洋海平面低频变化

本文选取ECMWF ORAS4再分析数据对1959-2015年热带太平洋海平面的低频变化进行了分析。热带太平洋海平面年际变化第一模态反映了ENSO爆发阶段的海平面变化,热带东、西太平洋变化反相,其时间序列与Niño3.4指数高度相关。海平面第二模态则体现了El Niño爆发前后热带太平洋暖水的输运过程。El Niño爆发前热带西太平洋暖水聚集的位置,以及爆发后暖水向赤道外输运的位置在两类El Niño事件中均有所不同。此外,ENSO的周期在近半个世纪发生了显著的年代际变化,这一变化与热带太平洋的年代际变化有关。热带太平洋的年代际变化对海平面趋势变化也有着显著的影响。卫星高度计观测到的近20年海平面的快速上升（下降）正是由20世纪90年代后热带太平洋频繁的位相转换引起的。     

赤道太平洋上层海洋垂向温度梯度距平与E1 Nin^～o的关系

用赤道太平洋长达21a的温度资料以及经验正交函数(EOF)分析方法,讨论了在5°S-5°N平均纬向垂直剖面上赤道太平洋垂向温度梯度距平的时空变化,得到了一些有意义的结果.赤道太平洋垂向温度梯度距平EOF分析第1模态的正/负位相反映了Ei(n)o/La Nia发生前赤道太平洋温跃层的分布,第2模态的正/负位相反映了Ei(n)o/La Nia鼎盛以及开始衰减时赤道太平洋温跃层的分布.根据我们对赤道太平洋温跃层核心位置的定义,在Ei(n)o向La Nia转换的过程中,赤道东太平洋温跃层上升了30-40m,而赤道中太平洋温跃层先是上升了40-50m,然后又下降了40-50m,赤道西太平洋温跃层下降了90m;随着赤道西太平洋暖水的堆积以及东移,温跃层首先在赤道西太平洋加深,Ei(n)o发生前赤道中东太平洋温跃层开始加深,Ei(n)o达到鼎盛时赤道西太平洋温跃层抬升,而赤道中东太平洋温跃层加深;赤道太平洋垂向温度梯度距平EOF分析第1特征向量的时间系数与Nio3区的SST距平有非常好的相关,并且超前于Nio3区的SST距平,超前3个月的相关系数高达0.7017,超前6个月的相关系数高达0.6467,因此可以用该量来预测Nio3区的SST距平.     

El Niño前后热带西太平洋潜热交换空间变化特征

本文根据中美西太平洋联合考察资料,计算了西太平洋热带海域(20°N～8°S,112°～170°E)内的潜热通量和显热通量。结果表明,该区域海气交换潜热通量的空间分布与El Niño的发生有密切联系。根据计算结果建立了潜热e_w-e-V诺谟图,显热t_w-t-V诺谟图。利用该图可随时对海气热交换特征进行诊断分析。     

El Ni■o期间太平洋赤道潜流逆转事件

联系1982～1983年El Nino事件期间的太平洋赤道潜流逆转事件,研究了1976～1977年和1986～1987年两个El Nino年中137°E和165°E断面上出现的相同现象。认为赤道潜流运动逆转并非1982～1983年El Nino期间的偶发事件。西太平洋赤道海域是监测赤道潜流变异及其与El Nino事件关系的关键地区。     

南海海面高度异常与厄尔尼诺和大气环流的关系

利用经验正交函数分解和相关分析等方法分析研究了南海和赤道太平洋的海面高度异常、海面温度异常和风异常之间的相关关系.得出南海海面高度异常EOF第一模态为ENSO模态,方差贡献达到44.7％.在厄尔尼诺(El Ni(n)o)期间,整个南海海面下降,SSHA呈现不同的分布状态,本文讨论了爆发与下半年的El Ni(n)o期间南海SSHA呈现的典型分布状态.El Ni(n)o的先兆阶段南海中部为SSHA低值区,鼎盛阶段南部SSHA增大形成南高北低的分布状态,恢复阶段SSHA分布与El Ni(n)o过后是否发生La Ni(n)a密切相关.南海海面高度异常与大气环流存在明显的相关关系.El Ni(n)o期间,Hadley环流的加强使得南海东部和赤道西太平洋水交换加强,水温的降低和海水的流失使南海海面下降,Walker环流结构和强度的变化则进一步促进了南海SSH的下降.El Ni(n)o期间,南海海面高度会较常年偏低.     

热带太平洋水位和海流对不同风场响应的模拟研究

本文用二维绝热模式研究了El Nio发生前后热带太平洋表层流系和水位对两种不同风场的响应。多年平均夏季(7月)风场是用1950～1979年期间COADS资料统计得到的,El Nio期间(7月)风场也是根据同一资料,把1950～1979年期间6个强El Nio年合成得到的。模拟的表层流系(包括北赤道流、北赤道逆流、南赤道流)的位置与实际基本一致。水位也与Wyrtki(1974)等人计算结果吻合得较好。El Nio期间,在风场发生变化的情况下,计算结果是:北赤道流和北赤道逆流加强,南赤道流减弱;西太平洋出现以北赤道逆流槽为中心的大面积水位负距平,东太平洋水位普遍升高,没有明显的中心。本文对这些变化的原因进行了初步的分析和讨论。     

热带太平洋第二类El Nio事件及其对中国气候的影响

基于热带太平洋次表层海温资料,分析了热带太平洋第二类El Nio事件海温异常的分布特征及其形成机制,讨论了与经典El Nio事件、El Nio Modoki、WP(西太平洋暖池)及CT(冷舌)El Nio事件之间的关系,揭示了第二类El Nio事件对中国降水的影响,得到以下结论。(1)第二类El Nio事件表征为热带太平洋次表层海温异常第三模态,占总方差贡献的4.7%。在海洋表面层,第二类El Nio事件暖期赤道东太平洋为沿赤道西伸的冷舌,热带中西太平洋为环绕冷舌的马蹄型大范围暖区。该型具11a和30~40a年代际振荡及3~4a年际变率,峰值多出现在春季。第二类El Nio事件是热带太平洋异常海面风应力场和赤道两侧的风应力旋度共同作用的结果,在赤道东印度洋-中西太平洋与赤道东太平洋-南美洲上空出现以反号垂直运动为特征的异常Walker环流。(2)El Nio Modoki与第二类El Nio事件有密切关系,它实质上是第二类El Nio事件次表层海温与近海面大气相互作用的结果,捕捉了第二类El Nio事件的主要信息。(3)第二类El Nio事件对中国春季及夏初降水有一定影响。在事件暖期,东海地区存在一个显著的异常反气旋性环流,其南侧的中国南方地区盛行异常东北气流,水汽来源减少,导致该地区少雨,其西侧的异常偏南气流北上直达华北地区,异常多水汽向北输送,并与北方的偏北流场相遇,导致该地区降水偏多。在第二类El Nio事件冷期相反。本文结果还指出,WP与CT El Nio事件是由经典El Nio事件第一模态与El Nio Modoki事件组合而成,它们不是独立的El Nio类型。此外,还讨论了夏半年El Nio事件对大气环流影响的物理过程。     

太平洋北赤道逆流年际变化的特征及其影响因子分析

采用SODA数据资料,分析了1950—2008年太平洋北赤道逆流(NECC)的年际变化特征及其与ENSO循环的联系。研究结果表明:(1)El Nio(La Nia)盛期是NECC流量由年际异常增大(减小)到异常减小(增大)的转折点;(2)NECC流轴的纬度在El Nio(La Nia)盛期达到年际异常最南(北)端;(3)NECC流轴在深度上呈西深东浅倾斜,El Nio(La Nia)盛期倾斜最弱(强)。通过构造典型ENSO循环的海表面风应力场,驱动一层半线性约化重力数值模式,结果验证了在NECC的年际变化中海表面风应力场是关键因素,而大洋波动(Kelvin波和Rossby波)和洋流本身是海洋内部的主要动力调整机制。