海洋的季节变化及风应力异常对海洋影响的数值试验

对一个6层5°×4°网格的全球海洋模式作了一些改进,建立了10层5°×4°网格的全球海洋模式,进行了季节变化数值模拟,积分250a,取得稳定的结果.除了高纬度海洋外,模拟的季节变化与实际观测十分接近.在此基础上,作了热带太平洋海温场对热带季风异常响应的3组敏感性实验,第1组为赤道西太平洋异常西风向东传播的试验;第2组为整个赤道太平洋风应力振荡异常试验;第3组为赤道西太平洋异常西风、东风交替向东传播的敏感性试验.模拟结果表明:(1)第1组风应力敏感性实验结果揭示出,西太平洋西风异常的向东传播的风应力异常可以产生类似厄尔尼诺的赤道东太平洋变暖;(2)第2组试验结果表明,热带太平洋风应力的局地振荡首先在中太平洋东西部激发出海温扰动,然后海温扰动分别向东太平洋和西太平洋传播,从而引起东、西太平洋海温的异常;(3)第3组试验验证风应力QBO可以产生海洋中类似的QBO振荡.     

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)。     

太平洋海表温度异常数值模拟试验

本文用中国科学院大气物理研究所二层全球大气环流模式和四层太平洋环流模式所组成的海气耦合模式(CGCM)以及它们各自独立数值积分时所形成的模式气候场,以观测到的大气环流资料和海表温度为初条件,采用逐月海气耦合方案;同时对海气相互作用各项进行修正,以消除模式气候场的系统性偏差,模拟1988—1989年太平洋海表温度异常(SSTA)。试验结果表明,虽然CGCM中大气部分和海洋部分各自独立的数值模拟都存在着系统性误差,但对海气相互作用项进行修正,则可有效地改进模拟结果;采用这一修正方案,模式模拟出观测到的1988年9月、10月太平洋SSTA的基本特征。例如150°E以东整个赤道太平洋的负海温距平,赤道西太平洋地区和北太平洋副热带地区以及几乎整个南太平洋地区的正海温距平。进一步数值积分表明,模式不仅对太平洋SSTA及其季节演变,而且对年际变化(例如1989年5月以后赤道太平洋La Nino事件的终止过程等)也有一定的模拟能力。另外,文中还分析讨论了试验过程中所存在的问题及进一步所要开展的工作。     

热带太平洋平均环流数值模拟

用中国科学院大气物理研究所发展的高分辨率自由表面热带太平洋环流模式(区域为南北纬30°,经纬圈方向水平分辨率分别为1°和2°,垂直方向分为不等距14层),在观测到的海表面风应力和热量及淡水通量驱动下,对热带太平洋平均环流进行了数值模拟.结果表明,模式成功地模拟了海面起伏中赤道槽、赤道脊、北赤道逆流槽及中小尺度涡旋(如棉兰老涡)系统等分布;与这些槽脊分布相对应的北赤道流,南赤道流和北赤道逆流等热带流系;对气候有重大影响的海表温度分布;次表层温跃层结构和赤道潜流等.文中特别讨论了海面起伏与模式其他变量场间的关系及其应用.     

EI Ni0发生年份的灰色预测

EI Nio事件是以海表温度(SST)异常增温为特征的。因此,识别EI Nino事件的主要指标应是赤道东太平洋的SST。本文分析了1965～1986年赤道东太平洋的SST,取每年11月到次年1月SST的平均值,运用灰色预测理论,对下一次EI Nino现象的发生进行预测。     

西风爆发、次表层暖水东移与厄尔尼诺现象

利用最近20 a的大气海洋资料,分析了厄尔尼诺事件与赤道太平洋西风异常以及赤道太平洋次表层海温之间的关系.结果表明,赤道西太平洋(5°S～5°N,120°～160°E)和赤道中东太平洋(5°S～5°N,160°E～160°W)西风异常都存在着与厄尔尼诺周期一致的年际变化,但前者还包含有显著的2～3个月季节内振荡.赤道西太平洋次表层冷暖水东移也呈现年和年际时间尺度的振荡周期.在厄尔尼诺发生前,赤道西太平洋次表层海水出现持续性增暖,赤道西太平洋西风异常频率加快,强度增强.随后赤道中太平洋(160°E～160°W)出现持续性(3个月以上)强西风异常(即西风爆发),并进一步向东扩展,同时次表层暖水沿着赤道波导东移到赤道东太平洋混合层,导致赤道东太平洋海表大面积异常增暖,形成一次厄尔尼诺现象.最后,模式模拟了1980～1984年赤道太平洋海温的变化,进一步证实了赤道纬向西风异常对暖水东移起着重要的作用.     

热带太平洋对风应力拖曳系数响应的敏感性试验

为了检验一个准全球的海洋环流模式中热带太平洋对风应力变化的响应,使用NCEP月平均再分析资料计算的强迫场强迫该模式进行控制试验,在(10.5°S～9.5°N,159.75°E～110.25°W)的区域增大或减小风应力拖曳系数进行敏感性试验,并把试验结果与同时段的SODA资料进行分析比较.该模式基本能模拟出海洋环流的基本气候态,但是对一些细节描述还不够准确.试验结果表明,风应力减小时可以改善模式对热带东太平洋冷舌的模拟,而对次表层温度和流场的刻画能力较弱.增大风应力则对次表层温度和流场的模拟有所改善.通过对模式中热量收支的分析可知,平流过程、扩散过程对热带太平洋海表温度的变化起到了重要的作用;海表面热交换可以促使海温距平向相反的方向发展.垂直输送对赤道中东太平洋表层的降温起重要作用,抑制了次表层的增暖,水平平流过程则促进了赤道太平洋次表层的增暖.     

一个斜压海洋环流数值模式及其数值试验

为研究大尺度海洋环流和一些大尺度海洋物理过程,我们建立了一个无海底地形的三层斜压海洋环流数值模式。模式方程采用了静力近似和Boussinesq近似,在上边界采用了钢盖近似。同时,还做了两个数值试验:第一个模拟试验,海洋从静止状态开始,以4个季节的气候平均风应力和海表大气季节平均温度为强迫条件,积分区城选择45℃以北的太平洋,数值积分了5个模式年,这时海洋的上层环流和温度的年变化趋于平稳。计算结果再现了太平洋气候平均状态的海温分布和主要海流的大尺度特征以及它们的年变化特征。如西部强化流、赤道潜流等。第二个数值试验,在第一个数值模拟的基础上给定赤道西太平洋一个风应力异常区,数值积分了几个月。从计算结果中可看到类似E1 Ni■o的现象,并且初步地分析了赤道波动在E1 Ni■o形成过程中的作用。     

1983年埃尔尼诺期间海气热交换分析

本文利用1983年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的客观分析资料与美国气候分析中心(CAC)月平均海温网格点资料,计算了45°E—75°W,35°N—35°S范围内太平洋和印度洋海气交界面上的感热、潜热通量,着重分析埃尔尼诺El Nino事件发展最盛的1983年1月和结束的12月所呈现的不同特征,并与1981年1月的情况作了对比.结果指出:在El Nino年,在日界线以西的中太平洋赤道附近低纬地区海气之间的热交换比正常年份强烈,但在170°W以东的中、东太平洋赤道附近及南侧SST的强增暖区为热通量的低值区,而印度洋上感热、潜热通量的强度分布类似于正常年份.这种热通量的强交换区的空间分布与海表温度的高温区和强增暖区及强对流区和OLR的负距平区的对应关系较为复杂,但与1000hPa的风场有着十分良好的对应关系.这种强交换随着El Nino过程的衰退和结束而减弱.     

赤道太平洋海温的东西振荡及其模拟

本文对137°E剖面不同深度的海温资料进行了比较细致的整理和分析,发现热带西太平洋海温敏感区(约在6°N,125～150m处)的海温(WSST)与赤道东太平洋海温之间存在着明显的反位相变化关系.在对赤道太平洋海、气运动的基本特征进行分析的基础上,设计了一个简单的二维海气耦合模式.用此模式模拟出在赤道太平洋中存在一类似于大气中Walker环流的赤道太平洋环流,其强弱变化造成了赤道太平洋海温的东西振荡.     

赤道太平洋温度纬向对流距平分析及其与El Ni(n)o/La Ni(n)a的关系

本文用最近 20 年赤道太平洋温度、流场资料,诊断了绝热不可压缩热平衡方程中纬向对流项,并且利用 EOF 分析方法,讨论了纬向对流距平变化及其与 El Nino/La Nina 的关系。分析发现:赤道太平洋温度纬向对流距平 EOF 分析第一模态反映了在经向的振荡,第二模态反映了在纬向的振动,它们都与 El Nino/LaNina 有密切的联系。这两个模态占了总量的 70%左右。纬向温度对流距平在 3°S~3°N、3°S 以南和 3°N 以北分为正负相间的三个不同的区域,当 3°S 以南和 3°N 以北的区域温度纬向对流正/负距平沿着斜温层向西太平洋移动时,赤道区域的温度纬向对流负/正距平则穿越斜温层向东太平洋移动,形成以赤道为对称的南北两个回路。对应赤道,在 3°S 以南和 3°N 以北区域的纬向温度对流距平并不是对称的,它们在位相、中心强度和中心强度位置上都是不同的,其中 3°N 以北与赤道区域形成一个比较明显的回路,而赤道以南的回路就不是那么明显。在赤道西太平洋暖池,温度的纬向对流有很大的贡献。在 El Nino 发生前一年,赤道西太平洋暖池,主要暖的对流发生在赤道和其以南地区。     

1987及1988年夏季西北太平洋主流系和水位与大气环流关系的数值研究

用一个包括风应力项的二维绝热非线性数值模式计算分析了1987及1988年夏季北太平洋主流系和水位与大气环流的关系。将模拟的1987和1988年流场作比较可知:1987年南赤道流较弱,而北赤道逆流、北赤道流及北太平洋流较强,同时各流系位置也都偏南1—2个纬距;模拟的1987年黑潮及对马暖流也明显比1988年强。分析表明,1987年夏季南赤道流弱、北赤道逆流强的主要原因是该年东南信风弱,而北赤道流、黑潮及对马暖流较强则主要与该年12°—25°N之间较强的东风以及东海较强的南风有关。模拟结果可对管秉贤提出的夏威夷群岛附近风应力涡度与黑潮强度的统计关系给出一个动力学解释。根据1987及1988年夏季气压场及风场对比分析。可以认为1987年北赤道流、黑潮及对马暖流较强可能与1987El Nino年副热带高压较强有关。     

用统计模式预测2002年El Nino

根据对赤道太平洋22年次表层温度、流场及其诊断量的EOF分析，提取出三个对El Nino有预测意义的物理量，它们分别是赤道太平洋温度距平 EOF第二个特征量的时间系数、赤道太平洋纬向流距平EOF第二个特征量的时间系数和赤道太平洋温度垂直差分距平EOF第一个特征量的时间系数，其中超前于 ElNino的时间分别为1 年、8个月和4 个月，用该三个量，建立Nino3区海温距平回归预测方程，根据目前我们可以得到的截止到2001年12月的资料，对直到2002年4 月、8月和12月的Nino3区海温距平进行预测，根据计算结果和分析得出我们的预测结论：2002年 4～5月前后将有一次中等强度的 El Nino过程。     

北太平洋表层水温月距平的优势期

本世纪60年代,Namias研究了北太平洋的海温变化[1]指出,北太平洋海温距平最大中心位于35°～45°N、155°E～175°W的广大洋区,因而该区被称为Namias区.同一时期,Bjerknes着重研究了赤道东太平洋海温的异常变化[2],发现了3～5a的低频振荡.     

赤道太平洋-印度洋海洋上层海温分析

用来自美国Scripps海洋研究所的海温再分析资料,通过对1955-2001年赤道印度洋和太平洋上层0-400m的海温月平均距平分析,讨论了该两大洋海温之间的联系,得到了一些有意义的结果.赤道印度洋和太平洋虽然有马来半岛、苏门答腊岛、爪哇岛等岛屿阻隔,但海洋上层海温距平在东西方向上的分布是连续的,基本呈正负正或者负正负的分布格局,这3大冷暖中心分别位于赤道中印度洋、赤道东印度洋-西太平洋和赤道中东太平洋,正负区域的交界处分别位于印度洋80°E和太平洋160°-135°W附近,正好对应于赤道印度洋和太平洋温跃层深度的不连续处,在该不连续处赤道印度洋的温跃层深度变化大于太平洋的温跃层深度变化.在赤道印度洋和太平洋的3大冷暖中心中,赤道东印度洋-西太平洋的冷暖中心是一个系统,在太平洋它的移动路径是由赤道西太平洋出发,沿着赤道向东,到赤道东太平洋转向北,到10°N再转向西,到赤道西太平洋再转向南回到赤道西太平洋,组成一个逆时针回路;而在印度洋则是由赤道东印度洋出发,向赤道西北印度洋移动,和赤道中南印度洋组成一个逆时针回路;而且这2个移动回路是同时存在的,由赤道东印度洋和西太平洋开始分别同时完成冷暖中心交替的时间大约是10个月.     

大尺度海气相互作用中SST演变的数值模拟

本文研制了一个全球浅水耦合海气模式。模式海洋部分包含了关于海表温度的热力学方程;大气部分是球坐标下有地形的正压模式。大气受到来自海洋加热的强迫,驱动海洋的风应力与大气模式的风速成正比。以气候实时资料作初始场所做数值积分,结果显示西太平洋暖水地及赤道东太平洋冷舌的范围与形状能较正确模拟。海洋模式部分线性化与非线性化的对比试验,表明随时间增加,两者海温差异逐渐加大,且中、高纬的差异大于低纬。非线性项在中、高纬的作用不可忽视。混合参数试验指出预报的结果对参数的选择很敏感。     

一个高分辨率太平洋-印度洋海盆环流模式的初步结果

利用LASG/IAP发展的一个0.25°×0.25°高分辨率太平洋-印度洋海盆环流模式,初步分析了模式在太平洋区域的模拟结果,并与海洋同化资料以及前人的研究结果作比较,检验此模式对该区域平均气候态、年际变化的模拟能力。分析表明,模式较好地再现了海表温度（SST）分布、赤道温跃层和纬向流结构、赤道流系分布形态、海表高度以及正压流函数空间分布特征;同时,对显著的El Ni?o和La Ni?a事件的模拟等方面与Simple Ocean Data Assimilation（SODA）2.0.2版本结果相近。此外,模式模拟北赤道流（NEC）分叉点位置的季节和年际变化以及吕宋海峡流量的年际变化与已有研究结果基本一致。进一步分析还发现,在年际尺度上,NEC分叉点位置和吕宋海峡流量与ENSO密切相关。     

赤道太平洋上层海洋垂向温度梯度距平与El Nio的关系

用赤道太平洋长达21a的温度资料以及经验正交函数(EOF)分析方法,讨论了在5°S-5°N平均纬向垂直剖面上赤道太平洋垂向温度梯度距平的时空变化,得到了一些有意义的结果。赤道太平洋垂向温度梯度距平EOF分析第1模态的正/负位相反映了El Nino/La Nina发生前赤道太平洋温跃层的分布,第2模态的正/负位相反映了El Nino/La Nina鼎盛以及开始衰减时赤道太平洋温跃层的分布。根据我们对赤道太平洋温跃层核心位置的定义,在El Nino向LaNina转换的过程中,赤道东太平洋温跃层上升了30-40m,而赤道中太平洋温跃层先是上升了40-50m,然后又下降了40-50m,赤道西太平洋温跃层下降了90m;随着赤道西太平洋暖水的堆积以及东移,温跃层首先在赤道西太平洋加深,El Nino发生前赤道中东太平洋温跃层开始加深,El Nino达到鼎盛时赤道西太平洋温跃层抬升,而赤道中东太平洋温跃层加深;赤道太平洋垂向温度梯度距平EOF分析第1特征向量的时间系数与Nino3区的SST距平有非常好的相关,并且超前于Nino3区的SST距平,超前3个月的相关系数高达0.7017,超前6个月的相关系数高达0.6467,因此可以用该量来预测Nino3区的SST距平。     

El Ni■o期间太平洋赤道潜流逆转事件

联系1982～1983年El Nino事件期间的太平洋赤道潜流逆转事件,研究了1976～1977年和1986～1987年两个El Nino年中137°E和165°E断面上出现的相同现象。认为赤道潜流运动逆转并非1982～1983年El Nino期间的偶发事件。西太平洋赤道海域是监测赤道潜流变异及其与El Nino事件关系的关键地区。     

北太平洋海表温度距平场变化因子与大气环流关系的初步研究

近年来,海表温度在中长期天气预报上应用较广泛,为了使这项工作更引深一步;同时为了开发海洋资源和航运,做好海表温度预报的需要,对海温距平场变化的因子进行研究,具有重要的现实意义。 我们利用自然正交分解法,对北太平洋地区(纬度范围取10°S—50°N,见图1)1949—1975年共27年的月平均海洋表面温度距平场(下简称海温距平场)进行分解。这