两类ENSO事件非对称性特征分析北大核心CSCD

利用1961—2010年多种海、气观测资料,分析了东部型(EP)和中部型(CP)ENSO事件海温异常的非对称性及可能原因,并讨论了两类ENSO事件的非对称性对大气环流的可能影响。结果表明,海温异常非对称性包括空间分布非对称、强度非对称以及持续性非对称。从动力学角度来看,虽然不同事件发展衰减阶段主导的动力作用不尽相同,但就两类事件强度非对称性而言,海洋垂直对流项起关键性的作用。此外,研究发现,无论是通过海温强迫直接影响的赤道地区或是通过遥相关影响的赤道外地区,大气非对称响应都表现出与海温异常非对称较强的一致性,其中东部型ENSO的非对称性分布与事件暖位相分布相似,而中部型ENSO的非对称性分布与事件冷位相分布相似,且东部型ENSO非对称性差异大于中部型ENSO。     

一种综合监测两类不同分布类型ENSO事件指标的研究

针对1950—2009年的东部型（EP）和中部型（CP）ENSO事件,比较了目前国际上常用的ENSO监测指数对它们的监测能力。结果表明:单一的指数无法同时区分EP和CP型ENSO事件,其中Ni?o 3指数只能有效识别EP型ENSO事件,而Ni?o 4指数则对CP型事件具有较强的监测能力。据此提出同时以Ni?o 3和Ni?o 4指数构建指数组的形式来监测不同类型的ENSO事件,结果表明,该指标组能够较全面监测历史上发生的不同分布类型ENSO事件,且能准确判定事件的峰值强度、起止时间和成熟期等其他特征。      

1月份两类ENSO的海气环流模态分析

本文对1950～2001年1月份的大气风场和大洋流场做了联合复EOF（Empirical Orthogonal Function）分解,用以探讨1月份两类ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）的海气环流及耦合情况,所得结果主要有:该分解第1、2模态空间场分别相应于东部型、中部型ENSO,前者在赤道太平洋东部和中部都有海温动力异常,并以东部异常最强,后者仅在中部存在此异常,两模态的时间系数都与ENSO有很好相关,为此第1、2模态可分别称为东部型、中部型ENSO的风场流场（异常）模态。东部型ENSO模态具有3～6年的年际变化和13～14年的年代际变化,中部型则有明显的7年年际变化和12、17年的年代际变化,两者中约13年的周期与冬季北太平洋NPGO（North Pacific Gyre Oscillation）的周期相同。东、中部型El Ni?o期间,沃克环流上升支分别从印尼东移至赤道西、中太平洋,并有所减弱;南、北支哈得莱环流则分别位于日界线以东及该线附近,且均有所加强,从而使南、北太平洋副热带高压偏强;而在5°S的南美沿岸则分别有垂直运动上升和下沉异常。在海气耦合上,两类ENSO模态在赤道中太平洋均存在西风异常与海洋赤道Kelvin波和Rossby波的波包解耦合,而海温动力异常对大气的影响则都起到负反馈作用,从而有利于ENSO的维持和稳定。     

两类ENSO对中国北方冬季平均气温和极端低温的不同影响

利用1961-2012年观测、再分析资料以及全球大气环流模式数值试验,探讨了中国北方冬季平均气温对于不同类型（即东部型和中部型）ENSO事件的气候响应,并分析了不同类型ENSO对极端低温事件的可能影响,重点关注了北大西洋涛动（NAO）在其中的桥梁作用。结果表明,ENSO信号能通过调制北大西洋地区的大气环流改变欧亚中高纬度地区的纬向温度平流输送和西伯利亚高压的强度,进而影响中国北方冬季气温,由于不同类型ENSO事件海温分布的差异,这种影响具有明显的非线性特征。在两类厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季,北大西洋涛动均呈现负位相,不利于北大西洋的暖湿空气向欧亚大陆输送,西伯利亚高压偏强,因而中国北方地区较气候态偏冷。中部型厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季气温负异常的显著区域分别位于东北大范围地区、内蒙古河套附近;东部型厄尔尼诺事件冬季显著的冷异常信号仅局限于黑龙江北部与大兴安岭地区;而中部型拉尼娜事件冬季虽伴随北大西洋涛动正位相,但其空间结构向西偏移,对下游中国北方地区气温的直接影响并不显著,可能受局地信号干扰较大。数值试验再现了北大西洋涛动以及中国北方冬季气温对不同类型ENSO的响应,进一步佐证了上述结论。此外,两类厄尔尼诺事件冬季中国东北地区日平均气温容易偏低,极端低温事件的发生频次增多;而两类拉尼娜事件对极端低温的影响较弱。      

构建描述两种ENSO类型的新指数

利用英国气象局哈得来中心的1950—2011年月平均海表温度资料,采用联合回归-经验正交函数分解方法得到东部太平洋型ENSO(东部型ENSO)和中部太平洋型ENSO0中部型ENSO)的热带太平洋海温分布特点,进而定义了计算相对简单的东部型ENSO指数(I_(EP))和中部型ENSO指数(I_(CP))来分别描述两类ENSO。研究结果表明:首先,构建的I_(EP)和I_(CP)的相关性很小,接近正交,而且I_(EP)和I_(CP)能够反映两类ENSO不一致的偏度和周期,因此,这对指数能够清楚地区分两类ENSO。其次,I_(EP)和I_(CP)这两个指数可以描述厄尔尼诺和拉尼娜事件成熟期主要海表温度异常区的位置。再次,应用I_(EP)和I_(CP)从随机事件概率统计的角度给出两类厄尔尼诺和拉尼娜事件较为严格的定义,以便实时有效地监测两类ENSO。最后,利用新指数对两类ENSO的特征进行研究发现,强厄尔尼诺事件一般属于东部型,而强拉尼娜事件则为中部型,并且中部型拉尼娜事件发生的前期是东部型厄尔尼诺,此外,ENSO的发生演变机制在1976/1977年前后发生了改变。     

ENSO事件中纬向异常流反向与东西侧边界反射的联系

建立一个中等复杂程度的海-气耦合模式研究东、西边界反射,纬向平流项-u′(δ)(T+T′)/(δ)x在ENSO循环位相转换中的作用及东、西边界反射与纬向异常流(u′) 符号改变的关系.结果得到:u′超前Nio3区SSTA位相转变的原因是东、西边界反射造成的.Sverdrup 平衡时所产生的地转流(ur)与东、西边界反射所产生的地转流(ur)的方向在大部分时间里是相反的,同时ur与风应力强迫之间大约有9个月的滞后时间(Kelvin波从180°E出发经东边界反射产生的Rossby波到达180°E时间).在模式ENSO事件消亡过程中的某一时刻以后,边界反射产生的调整过程变为主要过程,u′主要由ur来决定,这样就造成了u′的反向先于Nio区SSTA的反向.它实际上是海洋的调整过程与风应力强迫之间滞后关系的一种反映.敏感性数值试验表明,取消东边界反射,耦合模式能够模拟ENSO循环,但其周期比控制试验的周期短一年(3年).取消-u′(δ)(T+T′)/(δ)x,耦合模式能够模拟ENSO循环,但其周期比控制试验的周期长2年(6年).     

全球海洋大气耦合环流模式中的ENSO特征对气候背景态改变的敏感性

文中利用一个高分辨率全球海-气耦合环流模式设计两组长期积分试验,揭示了在不同气候背景态下热带太平洋年际变化特征及模式ENSO循环控制机理的差异。通过分析海表温度、上层海洋热容量和低层风场异常的年际变化特征及其和赤道中东太平洋海表温度异常的关系,揭示了基于不同气候背景场的ENSO循环的不同演变过程。结果表明:ENSO年际变率特征(包括振幅、频率等)对气候背景态相当敏感,在不同的背景场下ENSO循环的控制模态可以明显不同。试验表明,当热带太平洋东冷西暖的背景热力梯度接近多年气候平均时,模式ENSO循环表现为所谓的“时滞振子”模态控制,而随着东西向背景热力梯度显著减小,ENSO循环则可以表现为驻波模态控制。研究结果为认识年代际背景变化影响年际ENSO循环的机理提供了一种启示。     

ENSO循环的两个不同位相期印度洋海表温度异常的特征分析

通过对ENSO循环的两个不同位相中印度洋地区海表温度变化特征的分析,指出印度洋地区的海温变化与赤道东太平洋地区的海温变化有较好的相关关系,是ENSO循环的重要组成部分。对应于赤道东太平洋暖位相期,印度洋地区的海温分布为东冷西暖;与此相反,在赤道东太平洋冷位相期,印度洋地区的海温分布为东暖西冷。进-步的分析还发现,印度洋东、西部地区海温变化纬向差异最明显的区域位于印度洋赤道以南0～25°S附近,且这种差异具有明显的年季变化特征,在整个夏季风期间差异较大,而冬季风期间较小,其中冷位相期间的纬向差异比暖位相期间的纬向差异大。代表印度洋纬向差异的IDM(偶极指数)变化与赤道东太平洋地区的海温变化有很好的正相关关系。     

ENSO动力学与预测

发生在热带太平洋地区的ENSO现象是海气相互作用的集中表现,是年际气候变化中的最强信号.由于它的发生会在全球许多地区引起严重的气候异常,极大地影响着这些地区的工农业生产和人民生活,因此,对ENSO的机理及其预测的研究一直是大气海洋界的一个热点研究课题.中国科学院大气物理研究所在ENSO的机理及其预测等方面进行了大量的研究,取得了许多研究成果.作者将对中国科学院大气物理研究所在这方面的一些研究成果进行回顾和介绍.     

GOALS模式对热带太平洋ENSO年际变化特征的模拟评估

文中重点分析了中国科学院大气物理研究所LASG最新发展的全球大气环流谱模式(R42L9)与一全球海洋环流模式(T63L30)耦合形成的全球海洋-大气-陆面气候系统模式(GOALS/LASG)新版本已积分30 a的模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了赤道太平洋海表温度(SST)的年际变化及其纬向传播、赤道东太平洋SST异常与其他洋面SST变化之间的遥相关关系、赤道太平洋浅表层海温的年际变化特征等研究内容.结果表明,COALS模式模拟出了赤道太平洋SST异常出现不规则的年际变化特点;赤道东太平洋SST异常的向西传播过程;赤道太平洋混合层海温变化由西向东、由深层向浅层的传播过程;同时也模拟出了赤道东太平洋SST变化与赤道西太平洋以及与西南太平洋海温之间的反相关关系,与南印度洋和副热带大西洋SST之间的正遥相关关系等实际观测现象.但COALS模式也存在明显的不足,如对赤道东、中太平洋SST异常的年际变化幅度明显偏小,没能模拟出赤道东太平洋的SST变化比赤道中太平洋强的特点;赤道太平洋SST从东向西的传播速度明显比实际观测慢得多,但混合层海温极值变化由西向东的传播速度明显比实际情况快得多;没能模拟出赤道东太平洋SST变化同西北太平洋SST的负相关和北印度洋海温变化的正相关现象,因此也影响了对南亚、东南亚降水年际变化的模拟能力.     

The natural oscillation of two types of ENSO events based on analyses of CMIP5 model control runs

The eastern-and central-Pacific El Ni（n）o-Southem Oscillation （EP-and CP-ENSO） have been found to be dominant in the tropical Pacific Ocean,and are characterized by interannual and decadal oscillation,respectively.In the present study,we defined the EP-and CP-ENSO modes by singular value decomposition （SVD） between SST and sea level pressure （SLP） anomalous fields.We evaluated the natural features of these two types of ENSO modes as simulated by the pre-industrial control runs of 20 models involved in phase five of the Coupled Model Intercomparison Project （CMIP5）.The results suggested that all the models show good skill in simulating the SST and SLP anomaly dipolar structures for the EP-ENSO mode,but only 12 exhibit good performance in simulating the tripolar CP-ENSO modes.Wavelet analysis suggested that the ensemble principal components in these 12 models exhibit an interannual and multi-decadal oscillation related to the EP-and CP-ENSO,respectively.Since there are no changes in external forcing in the pre-industrial control runs,such a result implies that the decadal oscillation of CP-ENSO is possibly a result of natural climate variability rather than external forcing.     

不同ENSO位相热带中东太平洋与低纬度大气的信息传输不对称性研究

基于传递熵和再分析数据,讨论了不同ENSO位相下热带中东太平洋与其上空大气的信息传输,研究结果表明:厄尔尼诺、拉尼娜及中性状态下均是以海洋输出信息、大气输入信息为主导的特征,且海洋和大气输入和输出信息的空间分布型较类似。相对中性状态而言,厄尔尼诺和拉尼娜状态下,海洋和大气输入和输出的信息均较强;拉尼娜状态相比厄尔尼诺状态,海洋与大气输入和输出的信息要稍强。通过重排滑动随机抽样方法分析了热带中东太平洋与其上空大气信息传输强度与海温异常的关系,重点分析了热带中东太平洋与其上空大气信息传输的不对称性。揭示了海洋对大气的信息传输随海温距平的变化可以分为类拉尼娜、类中性状态及类厄尔尼诺3个阶段:类拉尼娜阶段,随着低海温的减弱信息传输逐渐减弱;类中性状态,低海温向高海温的过渡过程,信息传输并不存在显著的变化趋势;类厄尔尼诺,随着高海温的增强信息传输逐渐增强。热带中东太平洋与其上空大气信息传输的不对称性更表现为类拉尼娜和类厄尔尼诺阶段信息传输与海温异常之间建立线性关系的阈值和线性趋势程度的不对称。此外,大气对海洋的信息传输随海温的变化与海洋对大气的信息传输随海温的变化类似,即海洋对大气信息传输较强时,大气对海洋的信息传输同样较强,反之亦然,并且大气对海洋的信息传输随海温的变化同样存在不对称性。     

The linkage between two ENSO types/modes and the interdecadal changes of ENSO around the year 2000

厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)在2000年前后发生了明显的年代际变化。与1980-99年相比,2000年以后ENSO的振幅减弱,主周期缩短,中太平洋(CP)型ENSO的发生频率升高,且没有典型的东太平洋(EP)型ENSO出现。本文将两种类型ENSO与两个ENSO模态联系起来,发现ENSO在2000年前后的年代变化实质上是两个ENSO模态的相对活跃性发生了改变:与EP型ENSO相联系的准四年模态在2000年之后活跃性明显降低,与CP型ENSO相联系的准两年模态依然活跃,并成为热带太平洋地区的主模态。分析表明,热带太平洋地区气候平均态的改变可能是这次ENSO年代际变化的主要原因。     

国外海气耦合模式及其季、年际预报的研究现状

通过对国外各类海气耦合模式及其预报试验的综合分析,从海气耦合模式的分类、模式气候漂移和ENSO年际变化的处理、模式分辨率、耦合方式和模式参数的变化对模式年际变化的影响、ENSO年际预报与预报起始时间和资料的关系、ENSO和季风的海陆气耦合系统等方面评述了影响季和年际数值预报水平的有关问题及发展现状,并对开展我国相应试验研究工作提出了看法。     

印度洋冬季风异常海气环流耦合模态分析

本文对印度洋冬季风异常海气环流耦合主要模态做了分析和讨论,得到以下结果:第一模态海面和低空大气环流的异常主要发生在东印度洋海域上空,而上层大洋环流的异常则主要反映了印度洋冬季风环流的异常,并主要体现在西向赤道暖流和东向赤道逆流上。第二模态的大气环流相应异常主要发生在孟加拉湾、阿拉伯海和赤道印度洋上空,而上层大洋环流异常除与第一模态类似外,还包括索马里暖流的明显异常。第一、二模态分别是印度洋冬季风的偏东、偏西模态,也是其主、次模态;均有约4年的年际变化,还分别有约18、22年的年代际变化;该主、次模态分别在1976年及1976、1986年有突变发生;这样印度洋冬季风有约4年的年际变化,并在1976年出现明显突变。该主、次模态的年代际变化周期也是冬季北太平洋海气联合复EOF分解第二、第一模态的年代际变化周期,这反映两大洋之间有密切联系,这是因冬季蒙古西伯利亚高压是南亚、东亚冬季风的共同源头,对两大洋的大气环流异常都有明显影响。南亚冬季风偏强时印度洋的Hadley环流和赤道辐合带上的对流均偏强,反之亦然;且该冬季风的主、次模态都如此;这也反映了南亚冬季风大气环流异常与冬季热带大气环流异常之间的耦合关系。当该主、次模态发生正、负异常变化时,近表层热带印度洋海温异常分别呈现横贯大洋的南北向跷跷板变化以及大洋东、西向的跷跷板变化;但前者是主要的。印度洋冬季风对印度洋偶极子起着抑制作用,这是该偶极子在冬季最弱的原因。在热带印度洋,大气低空垂直运动下沉、上升区域都分别大致位于该大洋近表层的下沉、上升运动区域之上,这构成了海气相互作用的负反馈机制,并有助于南亚冬季风、Hadley环流、赤道辐合带以及印度洋中冬季风环流的维持和稳定。     

Interdecadal change of interannual variability and predictability of two types of ENSO

A significant interdecadal climate shift of interannual variability and predictability of two types of the El Niño-Southern Oscillation (ENSO), namely the canonical or eastern Pacific (EP)-type and Modoki or central Pacific (CP) type, are investigated. Using the retrospective forecasts of six-state-of-the-art coupled models and their multi-model ensemble (MME) for December–January–February during the period of 1972–2005 along with corresponding observed and reanalyzed data, we examine the climate regime shift that occurred in the winter of 1988/1989 and how the shift affected interannual variability and predictability of two types of ENSO for the two periods of 1972–1988 (hereafter PRE) and 1989–2005 (hereafter POST). The result first shows substantial interdecadal changes of observed sea surface temperature (SST) in mean state and variability over the western and central Pacific attributable to the significant warming trend in the POST period. In the POST period, the SST variability increased (decreased) significantly over the western (eastern) Pacific. The MME realistically reproduces the observed interdecadal changes with 1- and 4-month forecast lead time. It is found that the CP-type ENSO was more prominent and predictable during the POST than the PRE period while there was no apparent difference in the variability and predictability of the EP-type ENSO between two periods. Note that the second empirical orthogonal function mode of the Pacific SST during the POST period represents the CP-type ENSO but that during the PRE period captures the ENSO transition phase. The MME better predicts the former than the latter. We also investigate distinctive regional impacts associated with the two types of ENSO during the two periods.