El Niño事件成熟位相锁定在年底的物理过程研究

用一个中等复杂程度的热带海气耦合模式研究了气候基本态的季节变化在El Ni?o事件成熟位相锁定中的作用.结果表明,模式模拟出了El Ni?o事件成熟位相锁定在年底左右的基本特征.由海洋气候基本态的季节变化所引起的平流的季节变化是El Ni?o事件成熟位相锁定在年底的机制.在El Ni?o事件期间,1～5月份,赤道中东太平洋地区的海洋气候基本态所引起的暖平流较弱,较弱暖平流造成海表温度异常降低,使海气耦合不稳定度较弱,从而使El Ni?o事件衰减.6～12月份,赤道中东太平洋地区的海洋气候基本态所引起的暖平流较强,较强暖平流造成海表温度异常升高,使海气耦合不稳定度加强,从而使El Ni?o事件发展.这样,在年底左右,赤道中东太平洋地区形成海表温度异常的一个极值点,形成El Ni?o事件成熟位相.海洋垂直(经向)平均流的季节变化产生的平流的季节变化最(次)强,因此,海洋垂直(经向)平均流是El Ni?o事件成熟位相锁定在年底的主(次)要因子.     

El Ni(n)o事件成熟位相锁定在年底的物理过程研究

用一个中等复杂程度的热带海气耦合模式研究了气候基本态的季节变化在El Ni(n)o事件成熟位相锁定中的作用.结果表明,模式模拟出了El Ni(n)o事件成熟位相锁定在年底左右的基本特征.由海洋气候基本态的季节变化所引起的平流的季节变化是El Ni(n)o事件成熟位相锁定在年底的机制.在El Ni(n)o事件期间,1～5月份,赤道中东太平洋地区的海洋气候基本态所引起的暖平流较弱,较弱暖平流造成海表温度异常降低,使海气耦合不稳定度较弱,从而使El Ni(n)o事件衰减.6～12月份,赤道中东太平洋地区的海洋气候基本态所引起的暖平流较强,较强暖平流造成海表温度异常升高,使海气耦合不稳定度加强,从而使El Ni(n)o事件发展.这样,在年底左右,赤道中东太平洋地区形成海表温度异常的一个极值点,形成El Ni(n)o事件成熟位相.海洋垂直(经向)平均流的季节变化产生的平流的季节变化最(次)强,因此,海洋垂直(经向)平均流是El Ni(n)o事件成熟位相锁定在年底的主(次)要因子.     

海洋平流的季节变化对La Nia事件成熟位相锁定的作用

用一个中等复杂程度的热带海气耦合模式模拟LaNi na事件成熟位相锁定在年底左右的特征并研究其形成的机制。结果表明 ,模式能很好地模拟观测到的LaNi na事件成熟位相锁定在年底左右的特征。LaNi na事件成熟位相锁定在年底主要由海洋气候基本态引起。海洋垂直平均流是LaNi na事件成熟位相锁定在年底左右的最主要因子。由海洋气候基本态的季节变化所引起的冷平流的季节变化是LaNi na事件成熟位相锁定在年底的机制。在LaNi na事件期间 ,1～ 5月份 ,赤道中东太平洋地区的冷平流较弱 ,它不能平衡海气热量交换过程的影响 ,因而海洋表面温度增加。这一过程使海气耦合不稳定度减弱 ,从而使LaNi na事件衰减。 6～ 12月份 ,赤道中东太平洋地区的冷平流较强。海气热量交换过程的影响不能平衡较强冷平流的影响 ,因而海洋表面温度减小。这一过程使海气耦合不稳定度加强 ,从而使LaNi na事件发展。这样 ,LaNi na事件成熟位相容易出现在年底左右。     

海洋平流的季节变化对La Ni?a 事件成熟位相锁定的作用

用一个中等复杂程度的热带海气耦合模式模拟La Ni(n)a事件成熟位相锁定在年底左右的特征并研究其形成的机制.结果表明,模式能很好地模拟观测到的La Ni(n)a事件成熟位相锁定在年底左右的特征.La Ni(n)a事件成熟位相锁定在年底主要由海洋气候基本态引起.海洋垂直平均流是La Ni(n)a事件成熟位相锁定在年底左右的最主要因子.由海洋气候基本态的季节变化所引起的冷平流的季节变化是La Ni(n)a事件成熟位相锁定在年底的机制.在La Ni(n)a事件期间,1～5月份,赤道中东太平洋地区的冷平流较弱,它不能平衡海气热量交换过程的影响,因而海洋表面温度增加.这一过程使海气耦合不稳定度减弱,从而使La Ni(n)a事件衰减.6～12月份,赤道中东太平洋地区的冷平流较强.海气热量交换过程的影响不能平衡较强冷平流的影响,因而海洋表面温度减小.这一过程使海气耦合不稳定度加强,从而使La Ni(n)a事件发展.这样,La Ni(n)a事件成熟位相容易出现在年底左右.     

1997/1998年ElNio事件发生、发展可能机制的进一步研究

基于美国哥伦比亚大学Lamont-Doherty地球观象台LDEO(Lamont-Doherty Earth Observatory)海表温度资料和NCEP/NCAR再分析风场资料,分析了1997/1998年ElNio期间西太平洋暖池海表温度和西风距平的时间演变特征,同时也分析了东太平洋暖池海表温度和北风距平的时间演变特征。结果表明,1997/1998年ElNio事件期间,西太平洋暖池海表温度变化及异常西风和东太平洋暖池海表温度变化及异常北风都与Ni o3指数变化密切相关。将东、西太平洋暖池及异常北风、西风一并结合起来考虑,进一步研究了1997/1998年ElNio事件发生、发展的可能机制:异常西风驱动西太平洋暖池东端暖水向东伸展直接有利于赤道东太平洋海表温度增加;异常西风激发东传的暖Kelvin波对东太平洋的冷上升流有抑制作用,从而有利于赤道东太平洋海表温度增加;东传的异常西风可以通过埃克曼漂流效应将赤道两侧的海表暖水向赤道辐合从而加强了赤道附近的下沉流,也有利于赤道东太平洋赤道附近海表温度增加。几乎与此同时,北风距平通过产生北风吹流将东太平洋暖池暖水由北向南输送至赤道附近直接导致Nio3区海表温度增...     

两类中太平洋El Nio特征的对比分析

利用1979—2012年逐月Hadley中心海表温度、欧洲中期天气预报中心次表层海温、NCEP/NCAR风场再分析资料,对两类中太平洋(CP)El Nio及耦合的大气环流特征进行分析。结果表明,第一类CP El Nio(CP-ⅠEl Nio)增暖中心位于Nio4区且关于赤道对称;第二类CP El Nio(CP-ⅡEl Nio)的Nio4区与热带东北太平洋区域(NEP,130~110°W、15~25°N)同位相变化,冬季成熟后形成关于赤道非对称的带状增暖结构。进一步的研究表明,两类CP El Nio次表层结构存在差异:CP-ⅠEl Nio冬季次表层海温异常(SOTA)在中东太平洋与西太平洋呈显著偶极分布;CP-ⅡEl Nio在中、西太平洋位相相反但东太平洋异常较弱,且经向异常主要在赤道及其以北。两类CP El Nio耦合的大气环流特征不同:CP-ⅠEl Nio冬季异常Walker环流上升中心位于赤道上空,经向风向赤道辐合,低纬地区Hadley环流加强;CP-ⅡEl Nio冬季低层向北越赤道气流加强,Walker环流上升中心移到赤道以北,低纬地区Hadley环流减弱。     

ENSO多样性研究进展

El Ni?o是热带中东太平洋异常偏暖的现象,发展过程具有显著的季节锁相特征。近年来,新形态事件更频繁发生引起了科学界广泛关注。学者们根据空间分布形态或爆发时间将ENSO事件分为两类,虽然选取标准不同,分类结果却有诸多相似点:中太平洋(Dateline、Modoki、CP、WP及SU型)El Ni?o事件发展至成熟时,正SSTA中心位于赤道太平洋中部;东太平洋(传统、EP、CT及SP型)El Ni?o发展至成熟时,正SSTA中心位于赤道东太平洋,低层西风异常更强,向东传输的距离也更远。研究结果显示,东太平洋El Ni?o比中太平洋El Ni?o持续时间更长,强度也更强;两类事件对全球气候的影响模态有很大的差异。近几十年,中太平洋El Ni?o出现频率有所增加,但其原因尚未清楚。关于两类事件生成发展和位相转换的动力原因,目前科学界普遍认为东太平洋El Ni?o是一个海盆尺度的海气耦合过程,其生消过程与温跃层的变化有紧密联系,但对中太平洋El Ni?o的动力机制尚未有统一的认识。      

热带大气和海洋运动的频率差异在海气系统演变中的作用

对热带太平洋地区850 hPa纬向风场、海表温度场月平均距平进行了谱分析。结果表明:纬向风距平与海表温度距平的振幅在El Ni?o或La Ni?a期间同时增长。而在其他期间,波振幅随时间呈相反变化趋势。在El Ni?o或La Ni?a事件发展期间,纬向风距平的位相角与海表温度距平位相角的差值在90o左右,而在事件的衰减期间,它们的位相角的差值在0o左右。本文还利用长波近似、海洋对大气加热取局地热力平衡近似时的简单热带海气耦合模式,研究了大气变量和海洋变量位相差随时间变化对海气耦合解的影响。在海气耦合模式中,当大气模式取为非定常时,大气和海洋Kelvin波之间以及Rossby波之间存在着能量转换,使大气和海洋波振幅呈相反变化趋势。此时,耦合波振幅随位相角差的变化没有共同的增长或衰减区间。大气Kelvin波与海洋Rossby波或大气Rossby波与海洋Kelvin波相互作用时,波振幅随位相差的变化存在着相同增长和衰减区间,它们的振幅要么同时增长,要么同时减少。当大气模式取定常时,因为相互作用波之间的位相差是一常数,波振幅随时间无限制增长。本文还在大气模式取为非定常和定常两种情况下,对海气耦合模式进行了数值求解。结果表明,当大气模式取为非定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果有较好一致性。当大气模式取为定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果差别较大。     

ENSO循环的两个不同位相期印度海洋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，印度洋地区的温分布为东暖西冷，进一步的分析还发现，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℃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。     

1997／1998E1 Nino事件的热力学诊断分析

本文基于以925hPaNCEP／NCAR再分析风应力距平为初始强迫场的Zebiak-Cane海气耦合模式对1997／1998E1Nino事件集合预报平均结果,对1997／1998E1Nino事件进行热力学诊断分析。结果表明：（1）在整个E1Nino事件过程中,在赤道太平洋从西到东的各个Nino区中,平流作用主要起促进作用,而热力阻尼项则基本为衰减或抑止作用。（2）从Nino4区到Nino1＋2区,纬向平流对SSTA上升的促进强度变化不大,而经向平流和垂直上升流对SSTA增加的促进作用在逐渐增强。同时,热力阻尼项对SSTA变化的抑制作用也呈依次增强。（3）平流项中,经向平流的贡献相对湿著。     

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。     

1997/1998 El Ni(n)o事件的热力学诊断分析

本文基于以925 hPa NCEP/NCAR再分析风应力距平为初始强迫场的Zebiak-Cane海气耦合模式对1997/1998 El Nio事件集合预报平均结果,对1997/1998 El Nio事件进行热力学诊断分析.结果表明:(1)在整个El Nio事件过程中,在赤道太平洋从西到东的各个Nio区中,平流作用主要起促进作用,而热力阻尼项则基本为衰减或抑止作用.(2)从Nio 4区到Nio 1 2区,纬向平流对SSTA上升的促进强度变化不大,而经向平流和垂直上升流对SSTA增加的促进作用在逐渐增强.同时,热力阻尼项对SSTA变化的抑制作用也呈依次增强.(3)平流项中,经向平流的贡献相对显著.     

一种新的El Ni(n)o海气耦合指数

利用1980～2010年月平均Hadley中心海表温度、美国全球海洋资料同化系统(GODAS)海洋温度和NCEP/NCAR大气环流再分析资料,通过对2个海洋要素(海表温度SST、上层热含量HC)和5个大气要素(海平面气压SLP、850 hPa风场、200hPa速度势和对外长波辐射OLR)的多变量经验正交函数展开(multivariate EOF,简称MV-EOF)探讨了热带太平洋的主要海气耦合特征.结果表明,MV-EOF分析的前两个耦合模态分别很好地对应了传统型El Ni(n)o和ElNiloModoki的海气耦合特征:传统型El Ni(n)o期间,伴随着赤道中东太平洋SST的异常增温,HC、SLP、200 hPa速度势等要素总体呈东西反相的“跷跷板”变化,低层850hPa赤道中太平洋出现较强西风距平,西北太平洋上空为反气旋性异常环流;ElNi(n)o Modoki期间,SST持续增温和HC正异常中心均显著西移至中太平洋,低层SLP和高空200 hPa速度势均呈现纬向三极型异常分布,低层异常强西风向西移至暖池东部,西北太平洋上空呈现气旋性异常环流.两类El Ni(n)o的海气耦合特征存在显著差异,较优的El Ni(n)o指数应不仅可以客观描述和区分El Ni(n)o现象本身,更要紧密联系两类事件所产生的大气响应.以往定量表征El Ni(n)o年际变化的指标大多立足于SST或SLP,本文选取HC作为研究指标,定义了一组新的El Ni(n)o指数HCEI和HCEMI.较以往基于SST的El Ni(n)o指数,HCEI和HCEMI不仅能更清楚地表征和区分两类El Ni(n)o(如1993年的传统型El Ni(n)o和2006年的El Ni(n)o Modoki),而且能更好地反映和区分两类El Ni(n)o与大气间的海气耦合特征,为ElNi(n)o的监测和短期气候预测工作提供了一个新工具.     

冬季赤道太平洋不同类型海温异常表征指数的再构建

利用1963—2013年Hadley中心月平均海表温度资料,以及NCEP/NCAR再分析资料,根据两类厄尔尼诺事件发生时北半球冬季赤道太平洋地区海温异常的不同空间分布特征,即赤道中太平洋CP型和东太平洋EP型海温异常空间分布,从寻找与之相似的空间型角度出发,设计了一组新的海温异常指数I_(CP)和I_(EP)。与以往ENSO指数相比,新指数组I_(CP)和I_(EP)不仅表示了空间上相互独立的海温异常分布,而且在相同的研究时段内,因时间域上相互独立而能更好地表征和区分两类El Ni?o/La Ni?a事件。据此,采用该新指数组探讨了与中部型和东部型海温异常事件相关的热带太平洋的主要海气耦合特征。结果表明,与传统的东部型El Ni?o事件发生时最大暖海温中心位于赤道东太平洋地区不同,中部型El Ni?o事件,异常增暖中心位于赤道中太平洋。中部型时异常Walker环流的上升支向西偏移,异常降水集中于热带中太平洋,不似东部型时异常限定于赤道东太平洋地区。不论哪类事件,海洋性大陆均可受到影响,即CP或EP型El Ni?o发生时,海洋性大陆区域降水偏少。但比较而言,中部型ENSO对海洋性大陆区域的影响更大。     

拉尼娜回来了

经过近几十年的研究,人们已经在很大程度上认识了热带太平洋海气相互作用在改变全球天气和气候型方面的重要作用。例如,在El Nio事件期间,热带中东太平洋地区海表温度比正常情况偏高,相反,在La Nia事件期间,该区域海表温度比正常情况偏低。海表温度的变化与全球主要的气候波动紧密联系,这种气候波动一旦被触发有可能延续12个月或更长时间。     

热带印度洋海温的年际变化与ENSO

文中讨论了热带印度洋海表温度距平空间分布的年际变化与赤道中东太平洋海温的关系。EOF分析的结果表明 ,印度洋海温的变化主要存在全区符号一致的单极型和西部与东南部符号相反的偶极型 ,它们具有显著的年际变化。小波凝聚谱揭示了单极、偶极的变化与Nino3区海表温度距平存在密切关系 ,印度洋海温距平从偶极到单极的变化对应着ElNi no事件从发展到衰减的过程。平均而言 ,印度洋偶极超前Nino3区海温距平约 4个月 ,单极滞后约 6个月。整个热带印度洋 -太平洋地区海气耦合特征的演变表明 ,与ElNino从发展到衰减相联系的热带西太平洋海气耦合相互作用在印度洋海温距平从偶极到单极的演变过程中起着非常重要的作用。     

1993年El Nino夭折事件及其与典型El Nino事件的对比分析

除正常的El Nio事件外,赤道中东太平洋存在一些类似但又显著不同的海水增暖事件。以1993年为例,海水增暖事件发生在3月,5月最强,但随后迅速衰减,在此称之为El Nio的夭折。通过与典型El Nio事件的对比分析,研究了1993年暖水事件的演变特征及其夭折原因。研究发现,1993年暖水事件是一种发生在热带中东太平洋的局地海气作用现象。由于1991～1992年发生了一次较强的El Nio事件,造成1992～1993年热带西太平洋暖池持续偏冷,使得1993年缺乏发生正常El Nio事件所需要的热力条件。在此背景下,虽然在春季出现赤道西风异常自西太平洋向东太平洋扩展,满足了El Nio事件发生的动力条件,但由于暖池偏冷,不能引发海盆尺度的Bjerknes型正反馈,使得赤道中东太平洋的海水增暖只是一种短期现象,并迅速衰减,造成ElNio事件的夭折。     

热带太平洋年代际平均气候态变化与ENSO循环

文中用观测的热带太平洋海表温度资料、风应力资料和OLR资料，通过多时间尺度分析，将与ENSO有关的变化分为3个主要的分量，一是2～7a的ENSO循环尺度，二是8～20a的年代际尺度，三是20a以上的平均气候态变化。讨论了热带太平洋这种平均气候态变化的主要特征以及与ENSO循环的关系，并用耦合模式的数值试验来研究平均气候态的变化对ENSO循环的影响。结果表明热带太平洋的平均气候态在20世纪70年代后期发生了一次由冷态向暖态的变化，主要增暖区是沿赤道以及热带东太平洋的，海表温度变化最大中心可以达到0.6℃。伴随着海表温度的变化，赤道西太平洋的西风距平加强，赤道东太平洋的东风距平也加强，在赤道中太平洋形成了一个加强的辐合中心。年代际平均气候冷暖态的变化对ENSO最直接的线性影响是使ElNio位相增加，而形成ENSO冷位相和暖位相的不对称。另一方面较暖的平均气候态可能引起海洋和大气之间的耦合加强，导致ENSO循环振荡有所加强。     

1991～1994年El Niño的异常特征的诊断研究

1991～1994年热带中东太平洋海温持续4a多出现正距平。Niño3指数一直为正值。在此正距平背景下,产生了两次振荡和3次ElNiño暖期。在此期间赤道东太平洋海温在±5°纬度范围内发生了两次负距平的变化,形成了一个狭窄的温度梯度很大的“冷核”,而赤道外的中纬度海洋则持续维持两个正海温距平。这一时期海表温度资料EOF分析的结果进一步表明,第一特征向量的空间分布实际上反映了上述冷核特征。1991～1994年的ENSO事件主要是低频分量发生了较大异常,赤道低层纬向风和高层西风在前期减弱(1991-01-1992-05),后期加强(1992-06-1994-011).无论是海温还是风场的低频分量都表现出一次ENSO循环的特征。因此作者认为,虽然Niño3指数等在这4a多期间均为正值,但是大气和海洋耦合系统的低频变化部分只发生了一次完整的ENSO循环过程。1991年至1992年上半年对应于ElNiño暖位相,1992年下半年至1994年底对应于LaNina冷位相。但是这个冷位相没有能够得到充分发展,只出现两次极狭窄的冷核。冷位相的明显“夭折”,而代之以出现两次较弱的增暖,可能与季节内尺度的大气强迫与低频变化部分的相互作用有关。     

El Ni(n)o事件大气-洋流异常与暖海温传播机理研究

利用1971～2000年逐月SODA (Simple Ocean Data Assimilation) 同化资料 (Carton等, 2004)、 1980～2000年逐月NCEP/NCAR再分析资料 (Kalnay等, 1996) 探讨中部型 (暖海水首先出现在120°W以西) 和东部型 (暖海水首先出现在120°W以东) El Ni(n)o事件赤道纬向风应力及洋流的异常变化与暖海水信号的传播特征.研究指出: (1) 中部型和东部型El Ni(n)o事件发生时, 太平洋上赤道海表最大西风应力距平在西太平洋地区都有显著的东传现象, 但中部型El Ni(n)o事件西风应力距平强度强, 造成西太平洋赤道表层的东向流可达东太平洋地区, 这类El Ni(n)o事件强度偏强.(2) 中部型El Ni(n)o事件, 赤道表层洋流辐合区及其下沉运动由西太平洋向东太平洋传播, 辐合下沉运动抑制了深层冷海水上翻, 西太平洋暖水能够传到东太平洋与西太平洋赤道表层洋流辐合区及其下沉运动的东移有关.(3) 东部型El Ni(n)o事件西太平洋赤道表层洋流辐合区及其下沉运动没能直接传到东太平洋地区, 东太平洋暖水形成与局地 (120°W以东) 辐合下沉运动抑制深层冷海水上翻有关; 东部型El Ni(n)o事件暖池次表层的暖水, 不是沿着西太平洋赤道次表层向东传播到东太平洋地区, 而是由南太平洋西边界流将暖池海水带到40°S左右的西风漂流区, 再由西风漂流平流到东太平洋.