热带印度洋偶极子模态的不对称性及其成因的数值研究

热带印度洋偶极子 (Indian Ocean Dipole) 是印度洋海域内海洋和大气环流年际变化的主要特征模态之一, 在热带海气耦合系统中起到非常重要的作用。同热带太平洋的ENSO现象类似, 热带印度洋偶极子也呈现出显著的不对称性。本文利用中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋环流模式, 在观测风应力距平的强迫下, 评估了模式对热带印度洋季节变化、 热带印度洋偶极子 (IOD) 模态及其不对称性的模拟能力, 并且通过数值试验分析了IOD模态不对称性特征及其对气候平均态的影响。对照观测资料, 模式较好地再现了热带印度洋SST在季风驱动下的季节变化特征。在年际时间尺度上, 模式不仅能够再现IOD指数的变化趋势, 而且可以成功模拟出IOD模态的空间分布特征, 即表层和次表层海温在西印度洋表现为正异常, 在东印度洋表现为负异常。可见, 对于热带印度洋而言, IOD模态主要是对风应力异常的响应。热带印度洋海温与Niño3.4指数的相关性分析表明, 模式能够模拟出超前热带太平洋ENSO现象2～4个月时海温的偶极子型分布, 但是不能模拟出滞后ENSO现象2个月左右的全海盆增暖模态, 可能是因为模式试验中没有考虑热通量年际异常的强迫。同时, 模式模拟的IOD模态具有同观测结果相类似的不对称性, 进一步的敏感性试验表明风应力的不对称性对偶极子指数的不对称性贡献较小, 次表层及以下海温的不对称性可能主要受到海洋内部非线性动力过程的影响。通过数值试验, 本文还发现热带印度洋海温的不对称性对气候平均态会有影响, 而这种不对称性长期积累后, 会导致上层热带印度洋温度层结趋于稳定状态。     

热带太平洋海气耦合过程对印度洋年际变化的影响

利用中等复杂程度的2.5层海洋模式和大气环流模式ECHAM4组成的海气耦合模式,模拟分析了热带太平洋和印度洋的气候变化以及年际变化特征。该模式较好地模拟了ENSO现象的空间分布及其不规则的周期变化特征,以及热带印度洋的主要变化特征。通过数值试验,初步研究了太平洋耦合过程对印度洋年际变化的影响。结果显示,当存在太平洋耦合过程时,模拟的印度洋偶极子(IOD)正(负)事件的发生频率比无太平洋耦合情形时有所减少(增加)。该变化是太平洋耦合变量通过海气耦合过程对印度洋海表面平均风场进行调整,进而引起热带印度洋温跃层深度东西梯度改变的结果。     

印度洋偶极子与热带太平洋海洋表面温度异常多时间尺度相互作用初析

本文利用交叉谱方法, 将印度洋偶极子 (简称IOD) 与ENSO的相关关系分解到不同的时间尺度上来分析, 进而通过对海气耦合过程的初步分析, 讨论了不同时间尺度上IOD与ENSO的相互作用。结果表明, IOD与ENSO在准1～2年、 准3年、 准4年等三个时间尺度上存在显著相关, 同时, IOD还存在一个独立于ENSO的模态, 主要表现在准8个月时间尺度上。从海气相互作用的角度看, 在与ENSO相关的三个特征时间尺度上, IOD年际变率主要通过引发热带印度洋纬向风异常并且东传到太平洋, 从而引起热带中东太平洋海温的年际变率。与ENSO相对独立的IOD模态则没有类似的纬向风异常东传过程。此外, 在上述四个不同时间尺度上, 产生IOD变率的印度洋海气耦合过程不尽相同, 各具特点。     

10月份热带印度洋海气耦合的统计动力诊断

本文将热带印度洋10月份的大气风场和海洋上层流场看作一个整体, 对其作了动力统计诊断, 即作了复EOF分析, 考察了其年际和年代际变化, 并揭示其与印度洋偶极子 (IOD) 和ENSO的关系。结果表明: 在同一模态中, 海洋模态表现出很强的赤道俘获现象, 而大气则无此现象; 第一模态为印度洋偶极子模态; 第二模态为ENSO前期在印度洋的延伸模态。前2个模态的风场都揭示了Walker环流异常的结构; 印度洋海温的年际变化主要取决于印度洋地区的海气耦合状态, 但太平洋的ENSO循环对其也有一定影响。     

影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区及机制初探

利用1958—2011年NCEP/ NCAR再分析资料和ERSST资料,采用Lanczos时间滤波器、相关分析、回归分析、合成分析和交叉检验等方法,研究了影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区海温异常的来源与可能机制。结果表明,前冬(12—2月)热带西南印度洋和热带西北太平洋是影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区。冬季热带西南印度洋(热带西北太平洋)的异常增暖是由前一年夏季El Ni?o早爆发(强印度季风异常驱动的行星尺度东-西向环流)触发、热带印度洋(西北太平洋)局地海气正反馈过程引起并维持到春季。冬季热带西北太平洋反气旋性环流(气旋性环流)及印度洋(热带西北太平洋)的暖海区局地海气相互作用使得印度洋(热带西北太平洋)海温异常维持到春末。春季,逐渐加强北移到10 °N附近的低层大气对北印度洋(热带西北太平洋)暖海温异常响应的东风急流(异常西风)及南海-热带西北太平洋维持的反气旋性环流(气旋性环流)异常,使得南海夏季风晚(早)爆发。      

热带太平洋-印度洋相互关系的年代际改变

用Nino3指数、印度洋单极指数、偶极子指数表示热带太平洋．印度洋SST的年际异常,发现1978年以后ENSO在热带印度洋的信号减弱了,可以解释如下：1978年之前,印度洋和太平洋纬向垂直环流的异常在海洋性大陆附近作齿轮式耦合;1978年以后,由于热带太平洋的上升支的东移,导致两洋的纬向垂直环流异常的耦合减弱。     

热带太平洋与印度洋相互作用的年代际变化及其数值模拟

利用全球海表温度资料和NCEP／NCAR再分析资料,发现热带印度洋偶极子事件与热带太平洋ENSO事件存在相互作用,但其相互作用关系在1961年前后发生了明显的跃变。通过CCM3（community climate model version3）模式,研究了不同年代热带太平洋和热带印度洋SST（seasur—face temperature）变化对其上空大气环流影响的变化,结果表明：1961年后,热带印度洋发生正偶极子事件时,两大洋的垂直环流异常的耦合很强,热带太平洋上空大气环流对印度洋偶极子事件的响应,给太平洋暖事件的异常发展提供了有利条件;同样,热带太平洋暖事件通过对热带印度洋上空大气环流的影响,给印度洋偶极子的异常发展提供了有利条件。     

冬/夏季热带太平洋与印度洋海表温度年际异常关系的年代际变化

利用NCEP/NCAR再分析资料、全球海温海冰GISST 2.3b资料, 用EOF技术分析了热带太平洋海表温度的年际异常 (SSTA) 变化特征表明:可用Ni?o3指数表示热带太平洋SSTA, 并用该指数来讨论热带太平洋、热带印度洋SSTA间的关系。分季节分析表明:冬季Ni?o3指数与热带印度洋SSTA间的关系表现为热带印度洋整体相关系数为正的单极形态, 且1976年以后两者的关系减弱, 其原因是冬季为ENSO事件的盛期, 另外, 冬季西太平洋暖水区东移导致太平洋Walker环流上升支强盛处的东移, 造成两洋的垂直纬向环流耦合减弱。夏季两者关系表现为偶极形态 (热带西印度洋与Ni?o3指数同相变化, 热带东印度洋则相反), 但1976年以后两者的关系有所加强, 是因为夏季为偶极子盛期, 也是ENSO事件的发展期, 同时夏季西太平洋暖水区东移并未引起太平洋Walker环流上升支强盛处的明显东移, 且印度洋季风环流、太平洋Walker环流的上升支强盛处的强度增大了, 造成两洋的垂直纬向环流耦合更强烈。即1976年以后, 冬季热带两洋SSTA间的关系减弱了, 而夏季两者关系则变得更密切。     

近20年来热带印度洋与热带太平洋海气系统相互作用特征的诊断研究

利用1979年1月～1998年12月的月平均海表温度(SST)、向外长波辐射(OLR)和l000hPa纬向风速等NCEP/NCAR再分析资料，对近20年来热带印度洋与太平洋海温异常(SSTA)及相关的环流特征量进行综合分析和研究，发现热带印度洋的内部耦合动力特征模态—偶极子模的强度，存在着年代间的差异，80年代偏弱，90年代偏强。热带印度洋与热带太平洋海气耦合系统之间存在着相互作用，80年代热带印度洋的SSTA主要是对太平洋ENSO的响应，90年代太平洋ENSO的异常发展在一定程度上是受印度洋偶极子模态异常活跃影响的结果。从观测资料诊断分析的角度，找出了90年代后ZC耦合模式对ENSO事件预报失败的可能原因。     

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。     

Indian Ocean Dipole-related Predictability Barriers Induced by Initial Errors in the Tropical Indian Ocean in a CGCM

利用GFDL CM2p1模式, 本文探讨了初始海温误差对印度洋偶极子(IOD)事件可预报性的影响. 当热带印度洋存在初始海温误差时, IOD预报发生了冬季预报障碍(WPB)现象和夏季预报障碍(SPB)现象. WPB发生与否与正IOD事件发展位相冬季的厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有关. 即当冬季存在ENSO时, IOD预测不发生WPB现象, 反之亦然. 相比之下, SPB发生与否和ENSO没有必然联系. 此外, 进一步探讨了最容易导致SPB现象的初始海温误差的主要模态, 指出该模态在热带印度洋上表现为东-西偶极子型, 这和前人研究中最容易导致WPB现象的初始海温误差模态相似. 当在热带印度洋上叠加这些初始海温误差后, 热带太平洋上出现了海表温度异常和风场异常, 进而通过大气桥和印尼贯穿流的作用影响热带印度洋, 使之在夏季出现了东-西偶极子型的海表温度异常, 该异常在Bjerknes作用下快速发展, 加强, 最终导致SPB现象的发生.     

热带太平洋与印度洋相互作用的年代际变化

利用全球海表海温资料（GISST）和NCEP／NCAR再分析资料,研究了热带太平洋与印度洋之间的相互作用及其在不同年代二者作用关系的变化。结果表明：热带印度洋偶板子指数超前热带太平洋Nin03指数2月时相关最大,印度洋单板子指数滞后Nin03指数3～4月时相关最大。印度洋偶板子在一定程度上影响E1 Nino事件的发生,而E1 Nino事件的发生、发展会影响印度洋单板子事件的发生。热带印度洋偶板子事件与热带太平洋ENSO事件的相互作用在1961年发生了明显跃变,其原因可能是1961年之前热带印度洋偶板子对热带太平洋上空的纬向风影响很小,而1961年以后其影响明显加强。热带印度洋单板子事件与热带太平洋ENSO事件的相关一直显著,没有明显跃变。     

South Indian Ocean Rossby Waves

ABSTRACT

South Indian Ocean Rossby waves (SIO-RW) are identified in the Global Ocean Data Assimilation System (GODAS) 1.5–7?yr filtered sea surface height (SSH) time series. There is a persistent three-year oscillation in the 5°–15°S latitude band from 55° to 85°E. Field correlations show little coupling at 90°E, but as the SIO-RW undulates westward at approximately 0.19?m?s^?1 across the mid-basin, a northwest–southeast axis of warm sea surface temperatures (SSTs) and deep convection forms. Many teleconnections in earlier work are confirmed: interannual pulses of zonal wind in the eastern basin trigger the SIO-RW via anticyclonic wind stress curl. New insights derive from an understanding of links with the upper troposphere. As the SIO-RWs move westward with the onset of an El Niño in the Pacific, increased convection over the north Indian Ocean corresponds to reduced evaporation and SST warming. Mid-tropospheric heating T′?>?2°C over the northwest Indian Ocean accelerates the southern sub-tropical jet to greater than 10?m?s^?1 over the southeast Indian Ocean, reinforcing the anticyclonic vorticity. The downstream acceleration of the jet generates upper-level divergence and moist convection over the western basin, anchoring an atmospheric Rossby wave in a northwest–southeast alignment underpinned by differential propagation of the SIO-RW. As the ocean Rossby wave reaches Africa, the coupling fades and transitions. What distinguishes Indian Ocean from Pacific Ocean Rossby waves are their southern latitude and higher frequency. The tropical mid-tropospheric heating that accelerates the southern sub-tropical jet shifts westward in tandem with the SIO-RW.     

A novel deep neural network model approach to predict Indian Ocean dipole and Equatorial Indian Ocean oscillation indices

Indian Ocean Dipole (IOD) and Equatorial Indian Ocean oscillation (EQUINOO) are important climatic system oscillation events in the Indian Ocean region that affects the Indian summer monsoon rainfall (ISMR). The prime focus of this study is to deliberate the influence of these events on ISMR and an attempt has been made to predict these events for future time scales using a Long short term memory (LSTM) deep learning model. LSTM is a special kind of recurrent neural network (RNN) which specializes in learning long-term dependencies and extracting important features. The features learnt by the model is then ranked using correlational analysis (linear and nonlinear). This approach helps in selecting decisive and imperative set of relevant predictors, which can be employed to predict IOD and EQUINOO. Nonlinear correlational identified predictors are found to forecast with greater precision as to their linear counterparts. The model-calibrated correlation coefficient for IOD and for EQUNIOO was 0.90 and 0.88 respectively at a lead of 5 months. Our proposed model was observed to work at par with the other existing models in terms of various statistical evaluation measures.     

春季赤道印度洋纬向-垂直环流的变化特征及其与Walker环流的关系

利用1951~2010年20CR（20th Century Reanalysis Version 2）再分析资料和NOAA海表温度资料研究了赤道印度洋纬向-垂直环流的季节性差异、变化特征及其与Walker环流的关系。本文首先分析了四个季节赤道印度洋上空纬向-垂直环流的结构特征,发现春季和秋季存在严格东西方向上的赤道印度洋纬向-垂直环流。随后,针对春季赤道印度洋纬向-垂直环流变化特征作进一步的分析,研究结果表明,春季纬向-垂直环流的强度及其变率在1951~2010年间持续增强,而该垂直环流的中心位置则表现出明显的年代际变化特征:1981年之前垂直环流的中心位置表现为向西移动,而在1981年后则转为向东移。春季赤道印度洋纬向-垂直环流与Walker环流之间的相关关系同样存在年代际转折,1981年之前两者之间并不存在显著的相关,而在1981年之后,两者之间的关系显著增强。不同年代际时段内赤道印度洋纬向-垂直环流与海温的关系也发生了明显的改变,1981~2010年赤道印度洋纬向-垂直环流主要受到前期和同期太平洋上的ENSO型海温信号的影响,而在此之前该垂直环流主要受到前期和同期赤道东印度洋海温的影响。     

印度洋海温异常与南亚高压东西振荡的关系

利用1952~2001年的印度洋海表温度资料、NCEP/NCAR的高度场资料,采用小波分析、交叉谱分析等方法,讨论了印度洋海温偶极子指数与南亚高压东西振荡的关系。结果表明:印度洋偶极子指数与南亚高压存在明显的负相关,且春季印度洋偶极子指数对同年夏季南亚高压的东西振荡有一定指示作用。印度洋偶极子指数与南亚高压东伸指数均存在8 a左右显著时间尺度。两者在1.5~8 a的周期上存在密切联系,在3 a左右的周期上,印度洋偶极子指数变化超前于南亚高压东伸指数,说明印度洋海温异常是影响南亚高压东西振荡的重要因素之一。     

Circulation Patterns Linked to the Positive Sub-Tropical Indian Ocean Dipole

The positive phase of the subtropical Indian Ocean dipole(SIOD) is one of the climatic modes in the subtropical southern Indian Ocean that influences the austral summer inter-annual rainfall variability in parts of southern Africa. This paper examines austral summer rain-bearing circulation types(CTs) in Africa south of the equator that are related to the positive SIOD and the dynamics through which specific rainfall regions in southern Africa can be influenced by this relationship. Four austral...     

热带印度洋海温海盆一致模的变化规律及其对东亚夏季气候影响的回顾

近十几年,热带印度洋对全球气候的作用越来越受到关注.本文从热带印度洋气候态特征、海温海盆一致模的变化规律以及对东亚夏季气候的影响方面回顾了这些研究工作,并且对这些研究以及存在的不足做了系统的总结.