热带太平洋-南海-印度洋海面风与海面温度年际变化整体耦合的主模态

利用COADS资料和相关分析、经验正交函数分解、奇异值分解和小波分析等方法对热带太平洋-南海-印度洋的海表面温度(SST)及海面风场(SSW)进行了研究,确定了热带太平洋、南海以及印度洋作为1个整体时海面风场及海面温度场相互作用的主模态。在把热带太平洋、南海和印度洋作为整体的情况下,研究了该模态的时空分布特征。各种方法研究均表明,该模态在热带太平洋上为ENSO模态;在热带印度洋上为对应于ENSO态的印度洋“单极型”模态;在南海则表现为整个海盆尺度上的一致型。     

季风转换期印度洋经向热输运的年际变异及其机理

本文采用SODA3.4.2再分析数据和POP2海洋模式研究了季风转换期间（春季和秋季）热带印度洋经向热输运异常（Meridional Heat Transport Anomaly, MHTA）的年际变异特征。春季MHTA存在两个主要模态,即一致模态和辐合辐散模态:一致模态表现为热带印度洋上层一致的向北输运,受热带印度洋海温一致模相关的赤道反对称风场（赤道以北/南为东北风/西北风异常）调控;辐合辐散模态则呈现关于赤道对称的表层辐散次表层辐合特征,受控于赤道以南的热带西南印度洋和副热带东南印度洋海温偶极子。然而,秋季MHTA仅表现为辐合辐散模态,受到印度洋偶极子期间赤道东风和赤道外反气旋式风应力异常影响。此外,POP2敏感性试验也验证了印度洋海温模态影响下异常风场对MHTA的调控作用,即反对称的风引起一致向北的MHTA,赤道东风异常引起MHTA表层辐散、次表层辐合现象。因此,热带印度洋海气耦合模态年际变化对印度洋上层热量再分配有着重要的意义。     

热带太平洋-印度洋上层海温、热含量和混合层深度的年变化特征

根据1955~2003年次表层海温、海洋上层400m热含量和混合层深度资料,采用EOF分析方法,研究热带太平洋-印度洋上层海温、热含量和混合层深度的年变化特征及其与厄尔尼诺、印度洋偶极子、热带辐合带分布和活动的关系。结果表明:海表温度SST的分布和变化不能代表海洋上层热含量的分布和变化,热含量HST的分布与混合层MLD分布比较相似,尤其在热带印度洋和东太平洋,MLD季节变化比HST和SST提前2~3个月左右。太平洋10°N附近HST带状强扰动区和赤道地区HST反相变化是热带太平洋上层海水温度扰动最主要特征。HST的强扰动区主要由60~300m次表层海温距平的扰动引起,80m左右扰动最强,这种扰动沿着斜温层由上向下,自东向西传递,上半年增温,下半年降温,具有明显的年周期变化。这种变化对ENSO循环期间热含量异常信号传播的影响值得关注。热带太平洋HST的扰动变化和太平洋的ITCZ和SPCZ的移动和变化也有一定的关联。印度洋的西北部和东南部次表层海温距平呈年周期的反相振荡,但这种固有振荡和印度洋偶极子DMI振荡反相,这可能是导致印度洋大部分偶极子生命史都很短的原因之一。     

南海海面温度与Ni(n)o/DMI指数年际变异的相关性分析

利用NCEP的Reynolds最优插值海面温度产品(1981年12月-2004年10月),对南海海表温度场的年际变化与热带太平洋El Ni(n)o指数(Ni(n)o1 2, Ni(n)o3.4, Ni(n)o5和Ni(n)o6指数)以及印度洋的偶极子指数(DMI)进行相关性分析.研究表明南海海面温度(SST)的变异与Ni(n)o1 2指数的变异相关性较强,南海海表温度场平均滞后Ni(n)o1 2指数4.77个月时,二者相关达到最大,平均为0.60; Ni(n)o3.4指数次之,南海海洋表层温度距平(SSTA)平均滞后Ni(n)o3.4指数6.67个月时,二者相关系数最大,平均为0.49.南海海表温度场对应的伴随形态进一步表明,南海随Ni(n)o1 2, Ni(n)o3.4指数出现正异常并有增暖现象,其中南海SST异常随Ni(n)o1 2指数变化的强度更大.并且几乎整个南海区域均超过95%的置信水平,当Ni(n)o1 2达到1个标准差(即异常增暖1.04 ℃),南海平均增暖幅度为0.16 ℃,越南东南外海和南海16°N以北区域SSTA增幅最大为0.20 ℃.表征西北太平洋海表温度场的Ni(n)o5和Ni(n)o6指数对ENSO现象的响应与南海表层温度场线性相关性不显著.研究还表明,南海海表温度场的年际变化与印度洋偶极子指数(DMI)的相关性不强,相关性仅体现在南海的卡里曼丹岛西南角的局部海域.     

印度洋-太平洋海表温度年际变化的联合模态

利用1870～2004年的HadiSST的月平均海表面温度(SST)资料,对去除了全球增暖趋势的印度洋-太平洋海表温度异常(SSTA)作季节经验正交函数(Season-reliant Empirical Orthogonal Function, S-EOF)分解,得到了印度洋-太平洋海表温度年际变化的2个联合模态,并且分析了与之相对应的大气环流特征.结果表明:低频的厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)是控制印度洋-太平洋的主导模态,能使赤道印度洋维持一异常反气旋性环流,削弱印度洋夏季风的作用并且将东印度洋暖池的暖水输送到西印度洋,印度洋SSTA在一年四季中都出现全海盆同号变化,因此,第一主模态是ENSO的低频模与印度洋海盆一致模的联合模态;第二模态表现为太平洋上准2 a的ENSO位相转换模与印度洋偶极子模的联合模态,ENSO的位相转换发生于春季,与季风的异常转换有关,印度洋上出现异常的气旋性环流,叠加在印度洋夏季风上,增大东西印度洋的温差,在秋季出现西低东高的偶极子型海温分布,印度洋夏季风和这个模态的产生发展有很大的联系.     

一个简单的印-太海气耦合模式

本文基于一层半海洋模式和SVD(Singular Value Decomposition)大气模式构建了一个简单的海气耦合模式, 引入热通量的作用, 分析ENSO影响热带印度洋地区的动力学和热力学耦合过程。其中, 使用统计大气模式, 由给定的SST(Sea Surface Temperature)异常得到风应力异常, 进而驱动海洋环流反馈给SST, 完成海气的动力耦合; 使用块体经验公式由SST异常和风场异常计算热通量异常, 直接作用于SST, 实现海气的热力学耦合。动力耦合实验揭示, 太平洋第一EOF(Empirical Orthogonal Functions) 模态与观测基本吻合。并且模拟Ni?o 3指数存在两年左右的谱峰周期。这说明, 海气动力学耦合是ENSO生成的主要因素。热力耦合的加入是为了考察ENSO影响热带印度洋的热力学效应。同时考虑动力和热力耦合的实验结果表明, 热带太平洋暖异常中心更加接近观测值, 热带印度洋出现海盆尺度海温正异常。这意味着热带太平洋的ENSO信号通过海气界面的热量交换实现对热带印度洋地区的遥强迫, 导致印度洋海盆尺度增暖。     

热带海洋-大气耦合的主模态

依据1948年1月～2005年12月NCEP的海表温度(SST)和大气再分析的月平均资料,利用MCA方法,首次确定了代表全球热带海洋-大气相互作用的最主要信号的热带海洋-大气耦合主模态,该主模态随时间的变化与热带太平洋埃尔尼诺-南方涛动(ENSO)模态非常一致,揭示了该主模态包含以下海洋-大气相互作用物理过程:秋季印度尼西亚海洋-大陆区上空850 hPa出现异常的纬向风辐散和经向风辐合导致赤道东、中太平洋海温正异常,热带印度洋海温则出现东冷-西暖的—"偶极子"型异常;冬季热带太平洋出现典型的ENSO盛期对应的海洋-大气耦合型,在南海和热带远西太平洋出现低空反气旋环流异常,热带印度洋出现海盆一致增暖,而热带大西洋海温异常不明显;冬季热带太平洋和热带印度洋的SST异常可以导致春季赤道中太平洋西风异常,南海冬季风减弱,热带西北太平洋出现更明显的低空反气旋环流异常和赤道东风异常,热带西北大西洋出现西南风异常;该模态对夏季大气环流的影响主要表现为热带印度洋海盆一致模态对东亚季风的影响。     

热带大洋春季海气耦合模态及其与ENSO的关系

在北半球的春季,热带三大洋的海洋–大气系统年际变化会对同期太平洋厄尔尼诺–南方涛动(ElNi?o-Southern oscillation,ENSO)产生响应,同时也能通过区域海洋–大气耦合过程影响ENSO的发展。基于国际公开使用的海表温度资料和降水资料,通过联合正交经验分解方法分析,可以发现全球大洋春季存在两种显著的海气耦合模态。第一模态表现为:在热带中东太平洋,海表温度增暖、降水增多;在热带大西洋和热带印度洋,降水呈现经向偶极型分布以及跨赤道的海表温度梯度异常;即伴随ENSO在春季消亡期的空间型态,大西洋出现经向模态,印度洋出现反对称模态。第二模态表现为:太平洋经向海表温度和降水模态,即太平洋经向模态。回归分析结果表明, ENSO盛期的大气环流调整引起了热带大西洋和印度洋降水辐合带异常,并通过海面风场异常激发海盆内部的海洋–大气反馈,引起春季经向模态。进一步研究发现,冬、春季大西洋和印度洋热带辐合带分别位于赤道以北和以南,导致两个海盆经向模态的降水异常相对赤道呈反对称分布。在春季,太平洋经向模态的暖中心延伸到赤道上,引起西风异常,为后续El Ni?o的发展提供了有利条件。文章揭示了...     

热带印度洋SST海盆模态的“充电/放电”作用——对夏季南亚高压的影响

根据观测资料和海气耦合模式初值试验结果,通过比较分析热带太平洋SST主模态(ENSO模)和热带印度洋SST主模态(海盆模)对夏季南亚高压的影响,揭示了印度洋海盆模的"充电/放电"作用:赤道中东太平洋海温异常首先对印度洋进行"充电",形成热带印度洋SST对太平洋EN-SO的响应模态——海盆模。该模态在ENSO发生翌年春季达到峰值位相,而且有很好的持续性,可以从春季持续到夏季,该暖(冷)模态可以引起大气的"Matsuno-Gillpattern"响应,并通过亚洲夏季平均西南季风的异常水汽输送等使得夏季南亚高压偏强(弱),即为"放电"过程。而赤道中东太平洋海温异常对夏季南亚高压的直接影响并不显著,并指出了夏季南亚高压和超前3~12个月Nio3指数之间高的显著正相关关系只是一个表象,并不是太平洋海温异常对南亚高压的直接影响结果,而是通过印度洋海盆模态的"充电/放电"作用引起的。     

风应力桥梁作用下热带太平洋和热带印度洋相互作用的数值试验

利用中等复杂程度全球热带大气和热带海洋模式的数值试验,模拟分析了热带太平洋和热带印度洋通过风应力桥梁的相互作用过程.利用NCEP再分析的1958～1998年SST强迫大气模式得到的风应力与NCEP再分析的同期热通量共同驱动海洋模式,作为控制试验;和控制试验平行,但强迫大气模式的SST在某一海盆取为多年气候平均值的试验作为敏感性试验.比较控制试验与敏感性试验模拟的SST变率,揭示了热带某海盆SST异常通过风应力桥梁作用对其他海盆SST的影响及其过程.数值试验结果表明:热带某海盆SST暖(冷)异常一般总是引起该海盆上空西部西(东)风异常和东部东(西)风异常;热带太平洋SST暖(冷)异常导致年际尺度上印度洋上空东(西)风异常和年代际尺度上热带印度洋风场辐散(合),该风应力导致热带印度洋年际SST暖(冷)异常以及年代际SST冷(暖)异常,但这种异常均较弱;热带印度洋SST暖(冷)异常导致热带太平洋上空东(西)风异常,该风应力异常在年际和年代际尺度上均导致热带太平洋SST冷(暖)异常,但年代际尺度上异常更明显.考虑到热带印度洋SSTA受热带太平洋SSTA影响大,并且热带太平洋SST暖(冷)异常主要通过表面热通量导致热带印度洋SST变暖(冷)的观测事实,文中揭示的热带印度洋SST暖(冷)异常通过风应力桥梁作用导致热带太平洋SST冷(暖)异常的结果表明,热带印度洋SSTA对于热带太平洋SSTA主要起着一种负反馈作用,并且这种负反馈作用在年代际尺度上更为明显.