印度洋波浪诱导的水体输运效应及其对赤道SST异常的影响

波浪诱导的水体输运会对海洋产生大尺度影响。结合波浪大尺度效应的研究现状和印度洋涌浪分布的事实,利用ECMWF-CERA20的波浪、海表面温度(SST)及风场数据,采用多种统计分析方法,研究了波浪输运与赤道印度洋SST的潜在关系。结果显示:中高纬度波浪输运异常的低频信号在空间、周期上与赤道SST异常均有高度相似性;Stokes漂流纬向、经向异常呈现出南—北、东—西的振荡,其第二模态时间序列与印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole,IOD)指数存在强相关性并在La Ni a次年的负IOD事件中达到最高:相关系数在ACC区域纬向异常超前6个月时接近0.6,中纬度区域经向异常在超前3个月时达到0.7。在La Ni a次年的负IOD中,波浪经向输运异常的相位(超前三个月)与赤道SST异常相位呈全年反相位,经向浪致输运异常造成的东—西热量输运差异对赤道SST异常分布有不可忽略的贡献。     

印度洋海表盐度预报的线性马尔可夫模型及其改进办法

海洋盐度在水循环、海洋环流、海洋生态系统、全球天气和气候变化等方面起着至关重要的作用。然而,受观测的限制,以往对海洋盐度的研究相对匮乏,对其进行预报的工作更为少见。本文采用线性马尔可夫模型对印度洋海表面盐度(sea surface salinity,SSS)开展初步的预报工作。根据混合层盐度收支方程,选择海表面高度(sea surface height,SSH)、海表面温度(sea surface temperature,SST)、SSS等物理量的异常值作为模型的组成部分,对印度洋SSS开展预报工作。结果表明,马尔可夫模型可提前9个月对印度洋SSS进行较好的预报。此外,南太平洋海表面温度异常(sea surface temperature anomaly,SSTA),海表面高度异常(sea surface height anomaly,SSHA)和印度洋偶极子(Indian Ocean dipole,IOD)系数等遥相关因素的加入可将线性马尔可夫预报对印度洋SSS的预报效果(相关系数)平均提高10%。利用改进的模型对印度洋SSS进行提前1～11个月的“实时”预测,得出预报的SSS时空变...     

南太平洋Stokes漂流在厄尔尼诺衰退过程中的降温作用

赤道东太平洋海表面温度的变化在全球气候变化中扮演着重要的角色,波浪是影响海表面温度的重要因素。为了进 一 步 研 究 波 浪 对 全 球 气 候 的 影 响,利 用 ECMWF(European Centrefor Medium-Range WeatherForecasts)发布的波浪参数、海表面温度(SeaSurfaceTemperature,SST)等再分析数据,采用 EOF(EmpiricalOrthogonalFunction)分析和超前滞后相关分析等方法,分析了南太平洋涌浪区Stokes漂流与厄尔尼诺事件的关系。首先选用一种涌浪指标和多个涌浪特征值总结了全球的涌浪特征,得到涌浪在低纬、南半球和大洋东边界更占优的结论,并由此划定南太平洋涌浪区,发现了其连接南大洋和赤道东太平洋的通道作用。进而研究了南太平洋涌浪区Stokes漂流对赤道东太平洋SST的影响,结果显示:在厄尔尼诺事件发生后,该区域的经向 Stokes漂流会产 生强化,波浪诱导的Stokes漂流会将高纬冷水输送到低纬海域,使得低纬海域降温,加速厄尔尼诺事件的衰退,进而影响到全球气候。本文为解释厄尔尼诺的衰退提供了新的思路,也为波浪的大尺度效应研究开辟了新的方向。     

1998～1999 年间负位相印度洋偶极子事件的长波动力机制研究

使用美国海洋环境预报中心(NCEP)逐日的表面风场和热通量强迫的大洋环流模式(LICOM)研究了1998~1999年负位相印度洋偶极子(IOD)事件期间赤道印度洋环流长波动力机制的年际变化.模式能够很好地模拟出高度计资料的海面高度异常.使用垂直模分解方法对模式输出进行赤道波分解,结果表明:西边界反射在负位相IOD事件发生、发展和衰亡过程中起了重要作用.虽然西边界反射在正、负位相IOD期间均起到了重要的负反馈作用,但两者的来源机制却是不同的.在1998~1999年负位相IOD 事件期间,西边界处产生的两个上翻的开尔文波均来自赤道罗斯贝波在西边界处的反射.第一个上翻的开尔文波主要在西印度洋和中印度洋发生作用,由于受到西风异常强迫的下沉的开尔文波的影响,它并没有成功到达东印度洋,但是却一定程度上削弱了中东印度洋的下沉异常;而第二个上翻开尔文波成功到达东爪哇沿岸终止了那里的下沉异常,最终终止了负位相IOD事件.首次从赤道长波动力学角度解释了1998~1999年负位相IOD事件的结束机制,有利于进一步了解IOD对印度洋周边气候甚至太平洋的影响.     

北太平洋海表面温度与西北太平洋台风相关关系的准周期振荡

本文主要分析了赤道东太平洋海表面温度与西北太平洋台风的相关关系,发现台风与海表面温度(SST)前期相关是正、同期是负、落后时为正,其正-负-正的转换周期2—3年。每次都是先从厄·尼诺海区开始,然后向西传播,从东端(80°w—90°w)传播到西端(180°w—160°w)的时间约需半年。从发生厄·尼诺事件开始,滞后两年是多台风年。另外,还利用了北太平洋SST与西北太平洋台风之间的优质遥相关海区建立了回归方程,在1981—83年的台风试报中,预报准确率约76％。     

海洋再分析数据集中印度洋季节内信号的评估

季节内变化是热带气候的重要影响因素。以北半球夏、冬两季为例,对比了海洋再分析数据集(ECCO2、SODA3和CORA)与卫星观测海表面温度(SST)以及海表面高度(SSH)在印度洋区域季节内信号的差异;还以冬季MJO(Madden Julian Oscillation)事件和夏季季风事件为例,对比分析了不同强迫过程中再分析数据与观测数据的差异与原因。结果表明,再分析产品在近岸海域具有与观测数据相当的季节内波动,但是在大洋内部,除CORA在赤道中印度洋略强于观测数据,其他再分析数据季节内波动明显弱于观测数据20%以上,SODA3甚至达到60%以上。具体来说,在东传MJO和北传CIO (Central Indian Ocean mode)事件期间,再分析数据中热力强迫下的季节内SST变化呈现较好,仅ECCO2和CORA在相位上滞后观测数据5～10 d。在夏季CIO的SST异常西传期间,再分析数据中动力强迫下的季节内变化呈现较差,ECCO2和CORA仅在85°E～95°E呈现出微弱的西传信号,SODA3的SST异常并未西传;而且强度上,90°E～100°E附近所有再分析SST异常均弱于观测数据50%以上。通过对比东印度洋上混合层季节内流速发现,CIO事件期间再分析流速振幅弱于观测数据51.42%,且CIO波峰期间与观测数据的相对偏差达到65.16%。再分析数据中动力强迫的信号呈现较弱,可能是导致季节内变化在大洋中部明显弱于观测数据的原因。因此,要提升再分析产品中季节内信号,不仅需要关注热力与动力强迫的修正,更需要扩大海洋观测以增加数据同化,尤其是在赤道印度洋海域需要加强对海流的观测。     

2011年西北太平洋海平面异常及其与拉尼娜和负印度洋偶极子的联系

西北太平洋海平面异常模态在纯拉尼娜事件与拉尼娜和负印度洋偶极子（IOD）事件同时发生时表现出完全不同的形态。在纯拉尼娜事件期间,西北太平洋海平面呈现显著的正异常;而2010/2011拉尼娜事件期间西北太平洋海平面明显降低,呈显著的负异常,其与印度洋负IOD事件密切相关。研究结果表明,负IOD事件能在热带西太平洋驱动显著的西风异常,由此减弱了拉尼娜峰值期间西北太平洋海平面正异常。同时,在负IOD峰值期的9月,在日经线附近存在显著的风应力旋度正异常,激发负的海平面异常以Rossby波的形式向西传播,并在第二年6月抵达菲律宾以东海域,维持并加强该海域海平面负异常,进而对北赤道流分叉点位置及输运产生重要的影响。     

厄尔尼诺时期北部湾表层水温和盐度的异常

本文利用北部湾涠洲岛水文站(109°07′E,21°01′N)1960—1982年间的观测资料,阐明海表面温度 (SST)和盐度的年际变化。在1960—1982年期间,北部湾海表层温度,呈现出明显的异常暖事件。在此期间,除1982年外,在该海湾共发生5次与厄尔尼诺(El Nio)相关联的暖事件。其中,1965—1966年和1972—1973年是两次大的暖事件,而其余的3次为中强度的。快速傅里叶变换(FFT)得到的SST异常的一个谱,呈现一个峰,其对应的周期相当于37个月。在该海湾,表层盐度异常也明显地与厄尔尼诺事件有关联。     

南印度洋SST与南亚季风环流年代际变化的研究

利用美国NCEP全球大气再分析资料和JONES全球海表面温度异常(SSTA)资料，分析了南印度洋SSTA和南亚季风环流年代际变化的特征。研究发现，无论是南印度洋副热带海水辐合区的SST还是赤道以北非洲西海岸附近上升运动海区的SST的长期变化趋势，除了准3-5年的变化以外，还存在着明显的年代际的变化。对于全球最显著南亚季风环流的分析表明，南亚季风环流也存在明显的年代际时间尺度的变化。与南太平洋SST的年代际变化相比，南印度洋SST的变化周期要相对短一些。通过分析南半球冷空气年代际活动的特征发现，冷空气与南印度洋SST年代际时间尺度的变化具有密切的联系。     

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COADS1945～1993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.     

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.     

ENSO事件下赤道中东太平洋海温场非对称性特征

利用1950—2020年冬季HadISST逐月海面温度（sea surface temperature,SST）资料、SODAv2.2.4逐月SST和三维海洋流速同化资料以及NCEP/NCAR 2 m高度上的逐月气温（surface air temperature,SAT）资料,使用非对称合成差分析方法、海洋混合层热量收支诊断方法等,探究El Niño事件和La Niña事件下造成赤道东太平洋（E区：110°W~80°W,10°S~10°N）、赤道中太平洋（C区：160°E~170°W,10°S~10°N）SST异常场显著不同非对称性特征的可能海洋动力过程,分析ENSO事件非对称强迫下2 m高度上SAT异常场的非对称空间响应。结果表明：E区El Niño事件的强度显著强于La Niña事件,C区则相反。非线性动力学加热作用对E区和C区El Niño年和La Niña 年SST异常场的非对称分量都起到了正反馈作用,是造成这两个区域SST异常场产生正、负非对称分量的主导动力因子。埃克曼输送作用不利于E区SST异常场正非对称分量的形成,但有利于C区SST异常场负非对称分量的形成。平均流、纬向平流和温跃层的非对称正反馈作用阻碍了C区SST异常场负非对称分量的形成。2 m高度上SAT异常场的非对称分布与SST异常场的非对称分布较为一致,但SAT异常场正、负非对称分量的显著范围明显减小,部分区域的非对称结果不显著。     

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。     

北太平洋晚冬海表温度持续异常现象的机制分析

依据再分析的海洋温度、盐度月平均资料和观测的热通量资料,确定了北太平洋中纬度晚冬海表温度(SST)持续异常现象较明显的海域是位于38°-42°N,158°E-172°W的西部海域和位于35°-42°N,172°W-145°W的东部海域.分析结果表明,西部海域,晚冬SST持续异常现象的主要机制是海洋上混合层的"再现机制";而东部海域晚冬SST的持续异常现象主要是海面净热通量的持续异常所致.由于冬季北太平洋西风异常导致的上混合层深度季节的差异在1976年前后的不同,1976年后晚冬混合层深度深,"再现机制"的作用明显,SST持续异常现象更容易出现.     

印度洋塞舌尔穹隆区海表面温度的年际变化

利用1959年1月—2008年12月的ECMWF ORA-S3资料,系统研究了印度洋塞舌尔穹隆区不同季节海表面温度(SST)的年际变化特征及其与ENSO、印度洋偶极子、穹隆区的温跃层深度/海面风应力、印尼贯穿流的关系。结果表明,穹隆区的SST在5—6月存在最明显的异常闭合中心(5月的中心值还较热带印度洋其它区域大),而在8—11月最不明显;区域平均的SST年际异常在2月最大,在8—9月最小。一般而言,北半球秋冬季和次年春季的穹隆区SST正(负)异常对应El Nio(La Nia)年或正(负)的印度洋偶极子年,但也有例外,北半球夏季尤其如此。相关分析表明,11月至次年7月(尤其是5月)深(浅)的温跃层对应穹隆区高(低)的SST;而11月至次年3和5月的Ekman抽吸减弱(增强)时,次年1—6月和8月的穹隆区SST升高(降低),其中Ekman抽吸中的2项在总体上起相反作用,但除了对2和8月的SST,风应力旋度项的贡献都占优;风应力大小(蒸发)主要影响10月至次年6月的SST(负相关);当1—2月向北的Ekman输送弱(强)或7—8月向南的Ekman输送强(弱)时,穹隆区的SST高(低);而8—11月的印尼贯穿流流量增大(减小)时,直至次年上半年的穹隆区SST皆升高(降低)。可见无论是穹隆区SST的年际变化本身还是它与不同物理过程/影响因子的关系均存在明显的季节差异性。     

孟加拉湾障碍层年际变化及其与印度洋偶极子事件的联系

利用1980?2015年SODA温盐资料,结合Argo数据分析了印度洋偶极子(IOD)事件年份孟加拉湾障碍层的变化特征及其形成机制。结果表明,IOD事件年份孟加拉湾障碍层变化显著。纯的正IOD(纯pIOD)年份及伴随型pIOD年份盛期(9?11月),除孟加拉湾内西南海域障碍层厚度略变厚约5 m外,赤道海域、安达曼海至孟加拉湾北部障碍层厚度均变薄5～15 m,此障碍层距平盛期形态在纯pIOD年份随pIOD消亡迅速消退,但在伴随型pIOD年份维持至翌年3?5月才开始弱化。纯的负IOD (纯nIOD)年份障碍层厚度变化特征与pIOD年份大体相反。进一步分析表明,IOD事件年份赤道风场距平的远地强迫造成等温层深度的变化是湾内障碍层变化的主因。在伴随型IOD年份,受ENSO事件的影响,赤道风场距平在IOD消亡后仍得以维持3个月以上,使得湾内障碍层距平形态持续更久。除赤道远地强迫外,湾内局地风场的Ekman抽吸作用以及混合盐度变化对障碍层厚度年际变化也有一定影响。     

印度洋赤道潜流年际变化特征及其与印度洋偶极子的联系

印度洋赤道潜流(equatorial undercurrent,EUC)是赤道流系的重要组成部分,对印度洋物质输运和能量交换有着重要意义.基于SODA 3.4.2海洋再分析数据,对印度洋EUC的三维空间结构和年际变化特征进行分析,并揭示其年际变率与印度洋偶极子(Indian Ocean dipole,IOD)的联系.结...     

几种统计模型对热带印度洋海温异常的预报

本文利用神经网络模型、多元线性回归模型和马尔科夫模型分别建立了统计预报模型,对热带印度洋海表温度异常(SSTA)和印度洋偶极子(IOD)指数进行了63 a的长时间回报实验,并详细比较了线性和非线性统计预报模型的差异。结果表明:统计模型对IOD指数的预报技巧和现有动力模式预报技巧相差不大,对偶极子指数(DMI)有效预报时效为3个月,东极子指数(EIO)为5～6个月,西极子指数(WIO)达到8～9个月。IOD事件强烈的季节锁相特性使得对秋季的DMI指数可以提前4个月做出有效预报。加入同期的ENSO指数来预报IOD指数,能有效地提高IOD预报技巧,特别是对IOD峰值的预报。复杂的神经网络模型和简单的多元线性回归模型在对SSTA和IOD指数的预报具有同等的效果。     

印度洋-太平洋海表温度年际变化的联合模态

利用1870～2004年的HadiSST的月平均海表面温度(SST)资料,对去除了全球增暖趋势的印度洋-太平洋海表温度异常(SSTA)作季节经验正交函数(Season-reliant Empirical Orthogonal Function, S-EOF)分解,得到了印度洋-太平洋海表温度年际变化的2个联合模态,并且分析了与之相对应的大气环流特征.结果表明:低频的厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)是控制印度洋-太平洋的主导模态,能使赤道印度洋维持一异常反气旋性环流,削弱印度洋夏季风的作用并且将东印度洋暖池的暖水输送到西印度洋,印度洋SSTA在一年四季中都出现全海盆同号变化,因此,第一主模态是ENSO的低频模与印度洋海盆一致模的联合模态;第二模态表现为太平洋上准2 a的ENSO位相转换模与印度洋偶极子模的联合模态,ENSO的位相转换发生于春季,与季风的异常转换有关,印度洋上出现异常的气旋性环流,叠加在印度洋夏季风上,增大东西印度洋的温差,在秋季出现西低东高的偶极子型海温分布,印度洋夏季风和这个模态的产生发展有很大的联系.     

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。