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。     

ENSO variability and the eastern tropical Pacific: A review

El Niño-Southern Oscillation (ENSO) encompasses variability in both the eastern and western tropical Pacific. During the warm phase of ENSO, the eastern tropical Pacific is characterized by equatorial positive sea surface temperature (SST) and negative sea level pressure (SLP) anomalies, while the western tropical Pacific is marked by off-equatorial negative SST and positive SLP anomalies. Corresponding to this distribution are equatorial westerly wind anomalies in the central Pacific and equatorial easterly wind anomalies in the far western Pacific. Occurrence of ENSO has been explained as either a self-sustained, naturally oscillatory mode of the coupled ocean–atmosphere system or a stable mode triggered by stochastic forcing. Whatever the case, ENSO involves the positive ocean–atmosphere feedback hypothesized by Bjerknes. After an El Niño reaches its mature phase, negative feedbacks are required to terminate growth of the mature El Niño anomalies in the central and eastern Pacific. Four requisite negative feedbacks have been proposed: reflected Kelvin waves at the ocean western boundary, a discharge process due to Sverdrup transport, western Pacific wind-forced Kelvin waves, and anomalous zonal advections. These negative feedbacks may work together for terminating El Niño, with their relative importance being time-dependent.ENSO variability is most pronounced along the equator and the coast of Ecuador and Peru. However, the eastern tropical Pacific also includes a warm pool north of the equator where important variability occurs. Seasonally, ocean advection seems to play an important role for SST variations of the eastern Pacific warm pool. Interannual variability in the eastern Pacific warm pool may be largely due to a direct oceanic connection with the ENSO variability at the equator. Variations in temperature, stratification, insolation, and productivity associated with ENSO have implications for phytoplankton productivity and for fish, birds, and other organisms in the region. Long-term changes in ENSO variability may be occurring and are briefly discussed. This paper is part of a comprehensive review of the oceanography of the eastern tropical Pacific.     

热带西太平洋、印度洋表层水温的变异特性及其对南极冰面积变化的响应

应用海洋表层水温资料（ＣＯＡＤＳ资料）,分析研究了对全球气候有重要影响的热带西太平洋、印度洋海洋表层水温的年变化和年际变化的特性,探讨了与ＥＮＳＯ和南极冰面积变化之间的联系。结果表明,热带西太平洋及印度洋表层水温具有明显的年变化和年际变化而且它们之间存在不同的变化趋势。这种结果是两大洋的水温振荡周期不同有较大关系。热带印度洋表层水温的年际变化与Ｅ１ Ｎｉ￣／ｎｏ和Ｌａ Ｎｉ￣／ｎａ的发生年份存在较     

全球热带海洋海表温度场异常对北极海冰的影响

本文利用1951?2021年哈德莱中心提供的海冰和海温最新资料以及美国国家海洋和大气管理局气候预报中心提供的NCEP/NCAR再分析资料,分析探讨了北极海冰70余年的长期变化特征,进而研究了其快速减少与热带海温场异常变化之间的联系,揭示了在全球热带海洋海温场变化与北极海冰之间存在密切联系的事实。结果表明,北极海冰异常变化最显著区域出现在格陵兰海、卡拉海和巴伦支海。热带不同海区对北极海冰的影响存在明显时滞时间和强度差异,热带大西洋的影响相比偏早,印度洋次之,太平洋偏晚。热带大西洋、印度洋和中东太平洋海温异常影响北极海冰的最佳时间分别是后者滞后26个月、30个月和34个月,全球热带海洋影响北极海冰的时滞时间为33个月。印度洋SST对北极海冰的影响程度最强,其次是太平洋,最弱是大西洋。全球热带海洋对北极海冰的影响过程中,热带东太平洋和印度洋起主导作用。当全球热带海洋SST出现正（负）距平时,北极海冰会出现偏少（多）的趋势,而AO、PNA、NAO对北极海冰变化起重要作用,是热带海洋与北极海冰相系数的重要“纽带”。而AO、PNA和NAO不仅受热带海洋SST的影响,同时也受太平洋年代际振荡PDO和大西洋多年代际AMO的影响,这一研究为未来北极海冰快速减少和全球气候变暖机理的深入研究提供理论支撑。     

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。     

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。     

The influence of ENSO on sea surface temperature variations in the China seas

Positive SST anomalies usually appear in remote ocean such as the China seas during an ENSO event.By analyzing the monthly data of HadISST from 1950 to 2007,it shows that the interannual component of SST anomalies peak approximately 10 months after SST anomalies peak in the eastern equatorial Pacific.As the ENSO event progresses,the positive SST anomalies spread throughout the China seas and eastward along the Kuroshio extension.Atmospheric reanalysis data demonstrate that changes in the net surface heat flux entering into the China seas are responsible for the SST variability.During El Ni o,the western north Pacific anticyclone is generated,with anomalous southwester lies prevailing along the East Asian coast.This anticyclone reduces the mean surface wind speed which decreases the surface heat flux and then increases the SST.The delays between the developing of this anticyclone and the south Indian Ocean anticyclone with approximately 3–6 months cause the 2–3 months lag of the surface heat flux between the China seas and the Indian Ocean.The northwestern Pacific anticyclone is the key process bridging the warming in the eastern equatorial Pacific and that in the China seas.     

太平洋表层海温的年代际变化

众所周知，ENSO(El Nino/ Southern Oscillation)是发生在热带太平洋的年际时间尺度上最强的气候信号，与 El Nino (La Nina)相应的正(负)海温距平(SSTA)主要分布于赤道中东太平洋地区(Rasmusson et al.，1982)。相对于热带太平洋的年际ENSO现象，人们注意到北太平洋海平面气压(SLP)存在更长周期的年代际变化(Trenberth et al.，1994)，有人认为这与北太平洋的表层温度(SST)变化有关(Latif et al.，1994)，也有人认为与热带SST的异常关系更为密切(Jacobs et al.，1994)。20世纪80年代后的ENSO事件和20世纪60，70年代有明显的差别(Wang，1995)，20世纪90年后El Nino发生频数增加，并且在1997和1998年出现了20世纪最强的一次Nino事件(McPhaden，1999)。 因此，不论是作为大气年代际变化可能的一个驱动因子，还是作为年际ENSO的背景场，从整体上了解太平洋SST的年代际时间尺度上的时、空变化特征都是十分重要的。     

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.     

东亚冬夏季风对热带印度洋秋季海温异常的响应

利用多年的Reynolds月平均海表温度资料和NCEP/NCAR全球大气再分析资料,分析了热带印度洋秋季海表温度距平(SSTA)与后期东亚冬夏季风强度变化的关系。结果表明,热带印度洋秋季SSTA的主要模态是全区一致(USB)型和偶极子(IOD)型,USB型模态主要代表热带印度洋秋季SSTA的长期变化趋势,而IOD型模态主要反映热带印度洋秋季SSTA的年际变化。热带印度洋秋季海温气候变率中既存在着明显的ENSO信号,也有独立于ENSO的变率特征,独立于ENSO的热带印度洋秋季SSTA变化的主要模态仍是USB型和IOD型。前期秋季USB模态与东亚冬季风及东亚副热带夏季风之间为负相关关系;与前期正(负)IOD模态相对应,南海夏季风强度偏弱(强),而东亚副热带夏季风强度偏强(弱)。USB型和IOD型模态对后期东亚冬、夏季风强度变化的影响是独立于ENSO的,但ENSO起到了调节二者相关显著程度的作用。     

热带太平洋与热带大西洋海表温度主模态的相互作用

根据英国Hadley气候中心的海表温度资料和美国NCEP/NCAR中心的大气资料,研究了热带太平洋与热带大西洋海表温度主模态的相互作用。热带太平洋的ENSO可以导致大西洋Nino模态或经向偶极子模态,这主要是通过热带海洋-大气相互作用,或大气的太平洋-北美遥相关过程实现的。大西洋Nino模态的暖(冷)位相会导致赤道中东太平洋的海表温度降低(升高)。这可能是通过两种途径完成的:一种可能是大西洋Nino使印度洋增暖(变冷),进而引起赤道中太平洋的东(西)风异常,通过海洋-大气相互作用正反馈机制能发展成为La Nina(El Nino),使赤道东太平洋海温降低(升高);另一种可能是大西洋Nino直接可以导致太平洋Walker环流增强(减弱),从而使赤道东太平洋海温降低(升高)。     

20 世纪热带海洋海表面温度年际变化的特征

利用Hadley中心海冰和海表面温度资料集Had ISST和美国国家海洋大气管理局的扩展重建海温(ERSST)海表面温度(sea surface temperature,SST)观测数据,结合政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)中CMIP3(Coupled Model Intercomparison Project 3)的24个耦合模式的模拟结果,通过经验正交函数(EOF)分解等方法,对20世纪热带海洋在的SST年际变化进行了分析。结果表明,20世纪热带海洋年际变化的主要规律是ENSO信号,且有持续增强的趋势;热带海盆间存在显著的SST梯度,其长期变化与热带东太平洋显著相关。本文结论有利于理解在全球变暖背景下,海盆间的相互作用对赤道海域气候改变的影响。     

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。     

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.     

南海及邻近海域异常海温影响局域大气环流的初步试验

南海及邻近海域表层海温（SST）异常的气候意义可以通过IAP－AGCM的数值模拟得到反映。数值试验表明，东亚大气环流对这种SST异常的响应具有时变性（或称季节性），在空间上维持一定的经向结构和纬向结构。确切地说，南海冷水年份，即南海和孟加拉湾负距平、西太平洋正距平的年份，2，3月份南海有东北风异常；夏季菲律宾附近维持一个反气旋式的差值环流，它的低频活动造成了这个地区九水场的低频振荡；与环流较一致的是夏季西太平洋副热带高压活动有所减弱、东移，造成了水汽经向输送的异常分布。     

Upper ocean heat content and atmospheric anomaly fields in the off-equatorial North Pacific related to ENSO

We have investigated interannual-scale variations of oceanic and atmospheric anomaly fields, such as upper ocean heat content (OHC), sea surface temperature (SST), latent heat flux (LHF) through the sea surface, sea level pressure (SLP) and wind stress curl (WSC) in the tropical Pacific and their relationships to El Niño/Southern Oscillation (ENSO) events. The results reported here show that the OHC and SST anomalies are almost in phase and lead LHF anomalies in the western tropical Pacific (WTP) region, which are preferable to the generation of subsequent atmospheric anomalies in the WTP. We also describe linear relationships between the amplitudes of these variables in the WTP. In addition, the results show that the both WSC and LHF anomalies are in phase with the temporal trend of OHC anomalies in the WTP, and suggest a combined effect of the local WSC and LHF anomaly in the WTP and ENSO-related, off-equatorial, westward propagating OHC anomaly to generate a large OHC anomaly in the WTP. In contrast to the WTP, OHC and SST anomalies are not in phase to the east of the WTP. The results also indicate that OHC anomalies in the WTP have a potential effect on the generation of an equatorial OHC anomaly via both a reflection of waves at the western boundary and atmospheric variations, which force the enhancement of western equatorial OHC anomaly. Therefore, the WTP is a key region where ENSO events are significantly modulated, and OHC anomalies in the WTP play an important role in the subsequent ENSO event.     

海洋再分析资料中IOD-ENSO遥相关的海洋通道机制分析

本文利用滞后相关分析,研究了海洋再分析资料（SODA、ORAS4和GODAS）中的IOD-ENSO滞后遥相关关系,并与观测资料进行对比。结果显示,3套再分析资料中热带东南印度洋秋季海表温度/海表高度异常和赤道太平洋冷舌次年秋季海表温度/海表高度异常之间显著相关,与观测结果一致。在次表层,观测和再分析资料均显示,热带东南印度洋秋季海表温度异常与赤道太平洋次表层海温异常之间的显著相关关系在冬季至次年秋季沿赤道太平洋垂向剖面向东移动,并于次年夏季和秋季在冷舌区上升至海表。热带东南印度洋和赤道太平洋冷舌滞后1年的相关关系是由海洋通道机制引起的,即IOD事件引起印尼贯穿流流量异常,导致赤道太平洋温跃层异常,激发赤道Kelvin波向东传播,从而影响赤道中-东太平洋冷舌海表温度异常。观测及SODA与ORAS4资料中,热带东南印度洋和赤道太平洋冷舌滞后1年的相关关系在去除ENSO信号后仍然显著,表明海洋通道机制是独立于ENSO事件的;而在GODAS资料中,这些显著相关关系在去除ENSO信号后消失。印尼贯穿流流量异常和Niño3.4及DMI（Dipole Mode Index）指数之间超前-滞后12个月的相关关系显示,在SODA和ORAS4资料中,印尼贯穿流流量同时受到ENSO和IOD的影响,与观测结果一致;而在GODAS中,印尼贯穿流流量异常仅与Niño3.4指数显著相关,极少受到IOD事件的影响,这部分解释了GODAS资料中去除ENSO信号后,IOD-ENSO滞后遥相关关系消失的原因。     

How does the Indian Ocean subtropical dipole trigger the tropical Indian Ocean dipole via the Mascarene high？

The variation in the Indian Ocean is investigated using Hadley center sea surface temperature(SST)data during the period 1958–2010.All the first empirical orthogonal function(EOF)modes of the SST anomalies(SSTA)in different domains represent the basin-wide warming and are closely related to the Pacific El Ni o–Southern Oscillation(ENSO)phenomenon.Further examination suggests that the impact of ENSO on the tropical Indian Ocean is stronger than that on the southern Indian Ocean.The second EOF modes in different domains show different features.It shows a clear east-west SSTA dipole pattern in the tropical Indian Ocean(Indian Ocean dipole,IOD),and a southwest-northeast SSTA dipole in the southern Indian Ocean(Indian Ocean subtropical dipole,IOSD).It is further revealed that the IOSD is also the main structure of the second EOF mode on the whole basin-scale,in which the IOD pattern does not appear.A correlation analysis indicates that an IOSD event observed during the austral summer is highly correlated to the IOD event peaking about 9 months later.One of the possible physical mechanisms underlying this highly significant statistical relationship is proposed.The IOSD and the IOD can occur in sequence with the help of the Mascarene high.The SSTA in the southwestern Indian Ocean persists for several seasons after the mature phase of the IOSD event,likely due to the positive wind–evaporation–SST feedback mechanism.The Mascarene high will be weakened or intensified by this SSTA,which can affect the atmosphere in the tropical region by teleconnection.The pressure gradient between the Mascarene high and the monsoon trough in the tropical Indian Ocean increases(decreases).Hence,an anticyclone(cyclone)circulation appears over the Arabian Sea-India continent.The easterly or westerly anomalies appear in the equatorial Indian Ocean,inducing the onset stage of the IOD.This study shows that the SSTA associated with the IOSD can lead to the onset of IOD with the aid of atmosphere circulation and also explains why some IOD events in the tropical tend to be followed by IOSD in the southern Indian Ocean.     

Interdecadal Variations of ENSO Signals and Annual Cycles Revealed by Wavelet Analysis

Interdecadal variations of El Niño/Southern Oscillation (ENSO) signals and annual cycles appearing in the sea surface temperature (SST) and zonal wind in the equatorial Pacific during 1950–1997 are studied by wavelet, empirical orthogonal function (EOF) and singular value decomposition (SVD) analyses. The typical timescale of ENSO is estimated to be about 40 months before the late 1970s and 48–52 months after that; the timescale increased by about 10 months. The spatial pattern of the ENSO signal appearing in SST also changed in the 1970s; before that, the area of strong signal spread over the extratropical regions, while it is confined near the equator after that. The center of the strongest signal shifted from the central and eastern equatorial Pacific to the South American coast at that time. These SST fluctuations near the equator are associated with fluctuations of zonal wiond, whose spatial pattern also shifted considerably eastward at that time. In the eastern equatorial Pacific, amplitudes of annual cycles of SST are weak in El Niño years and strong in La Niña years. This relation is not clear, however, in the 1980s and 1990s.