用简单海气耦合模式研究西太平洋暖池的形成机制及其对大气扰动的影响——Ⅰ.简单海气耦合模式的建立(英文)

试图建立一个简单海气耦合模式,其中大气垂直分为两层,为－β平面近似线性模式。在非绝热加热项中包含了对流凝结潜热与大尺度流场之间相互作用的ＣＩＳＫ机制以及蒸发、感热与扰动风场之间的反馈机制,并考虑了东风区与西风区的不同。由于只研究大气的平均纬向运动,故模式大气中仅含有Ｋｅｌｖｉｎ波。海洋模式为一约化重力模式,只保留了Ｒｏｓｓｂｙ波。对这一海气耦合模式进行特征波动分析,发现考虑海气耦合效应并不影响大气波动的性质,在东风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波仍然增幅和东传;在西风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波振幅衰减。但海气耦合效应却使得大气Ｋｅｌｖｉｎ波的传播速度减慢,周期增大。当考虑海气耦合效应时,海洋Ｒｏｓｓｂｙ波的稳定性质发生变化,由原来的中性波动变为非中性波动。在西风区,波数小于某临界波数的长Ｒｏｓｓｂｙ波振幅增大,而短的Ｒｏｓｓｂｙ波振幅衰减。在东风区结论相反。对海气耦合模式中波动的分析,为数值模拟西太平洋暖池的形成及其对大气扰动的影响建立了理论基础。     

气侯平均风场作用下热带太平洋主流系和赤道行星波研究

将两层约化重力原始流体动力方程耦合气候月平均风场,数值计算流场基本能够正确反映热带太平洋上层主流系和温跃层的空间分布和季节变化．在气候平均条件下,东太平洋125°W附近经向风应力可激发出高阶混合Rossby重力波．海洋高阶赤道Kelvin波流速模态可从西太平洋边界传播到东太平洋边界,而高阶赤道Kelvin波温跃层模态从西太平洋边界东传后,在中太平洋受到高阶混合Rossby重力波诱发的西传温跃层扰动的阻挡．     

用简单海气耦合模式研究西太平洋暖池的形成机制及其对大气扰动的影响——Ⅱ.西太平洋暖池的形成过程及其对大气扰动的影响的数值模拟(英文)

用第一部分建立的简单海气耦合模式,研究了西太平洋暖池的形成过程及其对大气扰动的影响。模式可以较好地模拟出热带太平洋海温“西高东低”的分布,以及“暖池”附近ＳＳＴ的水平梯度较小等特征。在垂直方向上海洋混合层深度关于赤道呈准对称的“马鞍”型分布特征也可以从理论上和数值模拟的结果中得到证实。模式中“暖池”形成的时间尺度大约为半年多,大气中凝结潜热的释放有利于“暖池”的快速形成,提高凝结潜热的释放的效率,“暖池”形成的时间就缩短。“暖池”形成的动力学机制是海气耦合系统中海洋Ｒｏｓｓｂｙ波振幅的不稳定增长所致。“暖池”区海气之间的耦合作用确实对热带大气的季节内振荡产生影响。当海气之间进行耦合作用时,可以模拟得到扰动传播的周期大约为５０多天（ｄ）,与实际观测相吻合。提高海气之间的耦合强度会降低扰动的传播速度,使传播周期明显加大。当不考虑海气之间的耦合作用时,模拟得到的扰动传播周期明显地比用耦合模式得到的要小。     

热带海气耦合波动力学性质研究

本文利用简单海气耦合模式研究了热带大气和海洋不同波动之间的相互作用产生的耦合波及其稳定性等动力学性质,指出热带耦合系统中分别存在一类稳定的和不稳定的海气相互作用模态,其中不稳定模态的传播依赖于扰动的纬向尺度,即5000～10000km扰动表现为不稳定东传,大于此尺度的扰动发生不稳定西传,理论得出的缓慢不稳定东传波和观测事实甚为一致.最后本文指出热带海气耦合不稳定产生的基本条件是一种介质中的Kelvin波和另一种介质中的Rossby波的相互作用.     

赤道行星波对西赤道太平洋暖池热传播的作用

利用热带海洋和全球大气试验(TOGA)期间(1980～1996年)热带大气海洋观测阵(TAO)的长期浮标资料,分析了赤道行星波对西赤道太平洋暖池热传播的作用。结果表明,西赤道太平洋暖池纬向热传播主要出现在次表层水体中,并沿温跃层向东传播;而向西传播的季节热结构变化主要出现在中、西赤道太平洋的混合层中;驻波型传播在西赤道太平洋主要出现于温跃层,在中赤道太平洋主要出现于混合层和温跃层,在东赤道太平洋主要出现于混合层。在平均条件下,赤道太平洋上层水温纬向热传播信号以驻波型和东传型较强,西传型较弱。赤道Kelvin波压力分量贯穿西、东赤道太平洋并向东输送暖池热能,纬向流分量的热输送主要出现在西赤道太平洋;Rossby波压力分量的热输送主要出现在东、中赤道太平洋;混合Rossby重力波激发纬向流的热输送作用比相应温跃层扰动强。在平均条件下,赤道太平洋上层水温的驻波型变化制约了西赤道太平洋暖池热量的持续向东输送,因此形成了赤道太平洋水温的正常季节变化形态。当水温的驻波型变化减弱而东传型变化加强时,随后将形成厄尔尼诺现象。     

两次非典型厄尔尼诺期间热带太平洋主流系和赤道行星波研究

两次非典型厄尔尼诺事件发生期间,Walker环流中的西太平洋部分显着减弱,Hadley环流中的东太平洋部分显着增强.西太平洋距平西风应力增强向东伸展;东太平洋距平北风应力增强向南伸展.西太平洋暖池的能量可以两种方式向东传播:赤道Kelvin波温跃层模态和流速模态.温跃层模态向东输送的总能量大于流速模态向东输送的总能量.1982～1983年厄尔尼诺事件中,赤道Kelvin波温跃层模态起主要作用,赤道潜流减弱;1986～1987年厄尔尼诺事件中,赤道Kelvin波流速模态起主要作用,赤道潜流增强.厄尔尼诺事件期间,赤道潜流消失、反向现象是一种局地性海洋响应,这种现象不伴随赤道Kelvin波向东传播.     

西太平洋暖池研究综述

西太平洋暖池(Western Pacific warm pool)是全球海温最高的海域,汇聚了巨大的热能,在地球气候系统中具有非常重要的作用。本文综述了近30年来有关西太平洋暖池的研究进展,包括西太平洋暖池的维持机制、不同时间尺度下西太平洋暖池的变异特征和物理机制,以及西太平洋暖池的观测和数值模拟等领域的研究进展。西太平洋暖池的维持是现有地形下大气过程和海洋过程相互作用导致的,在季节内到世纪尺度均存在很强的变化。其中,季节内变化的驱动机制主要包括与大气季节内振荡(Madden-Julian oscillation)相关的对流和海表面热通量变化,以及海洋波动等海洋动力过程;季节变化主要是由太阳辐射的季节变化所导致的;在年际尺度上,西太平洋暖池作为厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)的一部分,其振荡具有显著的年际变化;太平洋代际振荡(Pacific decadal oscillation,PDO)和大西洋代际振荡(Atlantic multi-decadal oscillation,AMO)驱动着西太平洋暖池的年代际变化;世纪尺度的变化显示全球变暖背景下西太平洋暖池存在扩张趋势。人类对西太平洋暖池的系统观测始于海洋观测卫星的使用,随后历经TOGA、TAO/TRITON、TOGA-COARE、WOCE、Argo、SPICE、NPOCE等多个观测计划,极大地促进了西太平洋暖池的研究。但截止到第五次耦合模式比对计划(Coupled Model Intercomparison Project 5),多数气候模式仍未能克服热带模拟偏差,对西太平洋暖池的模拟效果较差,表明在西太平洋暖池动力学的理解和模拟方面仍有较大的进步空间。     

西太平洋暖池研究综述

西太平洋暖池（Western Pacific Warm Pool）是全球海温最高的海域,汇聚了巨大的热能,在地球气候系统中具有非常重要的作用。本文综述了近30年来有关西太平洋暖池的研究进展,包括西太平洋暖池的维持机制、在不同时间尺度西太平洋暖池的变异特征和物理机制,以及西太平洋暖池的观测和数值模拟等领域的研究进展。西太平洋暖池的维持是现有地形下大气过程和海洋过程相互作用导致的,在季节内到世纪尺度均存在很强的变化。其中：季节内变化的驱动机制主要包括与大气季节内振荡(Madden Julian Oscillation)相关的对流和海表面热通量变化,以及海洋波动等海洋动力过程;季节变化主要是太阳辐射的季节变化导致;在年际尺度上,西太平洋暖池作为El Ni?o-Southern Oscillation的一部分而振荡具有显著年际变化;太平洋代际振荡（Pacific Decadal Oscillation）和大西洋代际振荡（Atlantic Multi-decadal Oscillation）驱动着西太平洋暖池的年代际变化;世纪尺度的变化显示全球变暖背景下西太平洋暖池存在扩张趋势。人类对西太平洋暖池的系统观测始于海洋观测卫星的使用,随后历经WCRP/TOGA、TAO/TRITON、TOGA-COARE、WOCE、Argo、SPICE、NPOCE等多个观测计划,极大促进了西太平洋暖池的研究。但截止到第五次耦合模式比对计划（Coupled Model Intercomparison Project 5）,多数气候模式仍未能克服热带模拟偏差,对西太平洋暖池的模拟效果较差,表明在西太平洋暖池动力学的理解和模拟方面仍有较大进步空间。     

厄尔尼诺/南方涛动现象对热带西太平洋大气外强迫的响应

利用1个热带太平洋中等海气耦合模式,针对厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)现象对热带西太平洋季节内振荡(MJO)和季风的响应进行了研究.数值试验的结果表明:热带西太平洋的MJO和季风这类周期比ENSO周期短的大气外强迫对ENSO的影响随强迫强度的不同具备不同的表现形式:当MJO或季风很弱时会使ENSO振幅加强;当为中等强度时,几乎对ENSO没有影响;当MJO或季风较强时,ENSO振幅加强,锁相时间从冬季转移至秋季;外强迫非常强时,会因为短周期外强迫形成的海洋波动干扰了ENSO循环,ENSO循环振幅减弱或消失.     

南太平洋辐合带(SPCZ)的特征分析

根据热带西太平洋卫星云图资料及流场特征分析,讨论了南太平洋辐合带(SPCZ)的演变特征和形成机理。提出SPCZ是反映西太暖池同东太冷舌海气耦合系统以及暖池大气同相邻陆区大气间相互作用的重要特征。主要表现为在12～2月的热带西太平洋上的NW/SE辐合带,其形成原因主要应归因于西太暖池本身,以及暖池与东太赤道冷水舌强度与相对位置改变引发的Walker环流位置与走向的变动,另外,新几内亚岛及澳洲大陆也有重要影响。     

大尺度海温异常对热带大气Kelvin波的影响

本文用一个简单的斜压两层模式，在热力学方程中只考虑牛顿冷却和感热加热，从理论上分析了大尺度海温异常时感热加热带大气压Ｋｅｌｖｉｎ波的影响。研究发现，牛顿冷却使大气Ｋｅｌｖｉｎ波振幅减，并使波速减慢；感热加热可使得Ｋｅｖｉｎ波波速加快；当海气温差超过某一临界值时，波动趋于不稳定。     

ENSO variability and the eastern tropical Pacific: A review

El Niño-Southern Oscillation (ENSO) encompasses variability in both the eastern and western tropical Pacific. During the warm phase of ENSO, the eastern tropical Pacific is characterized by equatorial positive sea surface temperature (SST) and negative sea level pressure (SLP) anomalies, while the western tropical Pacific is marked by off-equatorial negative SST and positive SLP anomalies. Corresponding to this distribution are equatorial westerly wind anomalies in the central Pacific and equatorial easterly wind anomalies in the far western Pacific. Occurrence of ENSO has been explained as either a self-sustained, naturally oscillatory mode of the coupled ocean–atmosphere system or a stable mode triggered by stochastic forcing. Whatever the case, ENSO involves the positive ocean–atmosphere feedback hypothesized by Bjerknes. After an El Niño reaches its mature phase, negative feedbacks are required to terminate growth of the mature El Niño anomalies in the central and eastern Pacific. Four requisite negative feedbacks have been proposed: reflected Kelvin waves at the ocean western boundary, a discharge process due to Sverdrup transport, western Pacific wind-forced Kelvin waves, and anomalous zonal advections. These negative feedbacks may work together for terminating El Niño, with their relative importance being time-dependent.ENSO variability is most pronounced along the equator and the coast of Ecuador and Peru. However, the eastern tropical Pacific also includes a warm pool north of the equator where important variability occurs. Seasonally, ocean advection seems to play an important role for SST variations of the eastern Pacific warm pool. Interannual variability in the eastern Pacific warm pool may be largely due to a direct oceanic connection with the ENSO variability at the equator. Variations in temperature, stratification, insolation, and productivity associated with ENSO have implications for phytoplankton productivity and for fish, birds, and other organisms in the region. Long-term changes in ENSO variability may be occurring and are briefly discussed. This paper is part of a comprehensive review of the oceanography of the eastern tropical Pacific.     

A possible role for unstable coupled waves affected by resonance between Kelvin waves and seasonal warming in the development of the strong 1997–1998 El Niño

Time-varying air–sea coupled processes in the central to eastern equatorial Pacific associated with strong El Niño development during the 1997–1998 period are examined using a newly developed reanalysis dataset obtained from four-dimensional variational ocean–atmosphere coupled data assimilation experiments. The time series of this data field exhibits realistic features of El Niño evolution. Our analysis indicates that resonance between eastward-propagating oceanic downwelling Kelvin waves and the seasonal rise of sea-surface temperature (SST) in the central to eastern equatorial Pacific generates relatively persistent high SST conditions accompanied by a deeper thermocline and more relaxed easterly winds than usual. The surface condition resulting from the wave-seasonal SST resonance represents a preconditioned state that leads to an enhancement in incident downwelling Kelvin waves to levels sufficient to induce large-amplitude unstable coupled waves in the central to eastern equatorial region. Heat balance estimates using our reanalysis dataset suggest that the unstable coupled waves are categorized within the intermediate regime of coupled Kelvin and Rossby waves and have the potential to grow rapidly. We argue that the seasonal resonance and the unstable coupled waves should play crucial roles in the development of the largest historical El Niño event, which was recorded between late 1997 and early 1998.     

两类厄尔尼诺事件期间热带大气GILL响应分析

分析了1979-2018年两类厄尔尼诺事件期间月平均热带太平洋海面温度(sea surface temperature,SST)异常、对流降水异常、大气环流异常等特征,发现东部型、中部型厄尔尼诺期间海洋及大气加热场并不是赤道对称,赤道以南热源强度大于赤道以北.大气对热源的响应表现在:1)低层在大气热源西侧出现南、北半球...     

Research on the Propagation Acting of the Equatorial Planetary Waves on the Western Equatorial Pacific Warm Pool Heat

1 IntroductionIn the Equatorial Pacific, due to the difference between the atmospheric circulation and air-sea interaction, the near-surface seawater heat structure in the eastern and western Pacific presents two ℃obviously different characteristics: warm pool ( > 28 ) in the western equatorial Pacific and cold ℃tongue ( < 24 ) in the eastern equatorial Pacific. The water bodies of these two heat structures would give rise to change in spatial distribution under the action of the equato…     

黑潮弯曲时的北太平洋冬季海温异常对大气低频振荡的影响

利用中科院大气物理研究所开放实验室ＩＡＰ－ＡＧＣＭ（二层大气环流模式），针对黑潮弯曲时的北太平洋冬季表层海温（ＳＳＴ）异常进行八个月的数值积分试验。试验结果表明：黑潮弯曲时北太平洋冬季ＳＳＴ异常对大气低频振荡的影响具有明显的３０－６０ｄ振荡的特征；在北半球的３０－６０ｄ振荡，大部分地区为向西传播，在南半球则为向东传播；其经向传播较为复杂，在１２０°Ｅ剖面上以向南传播为主；热带地区受此ＳＳＴ异常的影响以西太平洋、印度洋大气加热场的３０－６０ｄ振荡为主要标志。     

赤道东印度洋和孟加拉湾障碍层厚度的季节内和准半年变化

利用2002—2015年ARGO网格化的温度、盐度数据, 结合卫星资料揭示了赤道东印度洋和孟加拉湾障碍层厚度的季节内和准半年变化特征, 探讨了其变化机制。结果表明, 障碍层厚度变化的两个高值区域出现在赤道东印度洋和孟加拉湾北部。在赤道区域, 障碍层同时受到等温层和混合层变化的影响, 5—7月和11—1月受西风驱动, Wyrtki急流携带阿拉伯海的高盐水与表层的淡水形成盐度层结, 同时西风驱动的下沉Kelvin波加深了等温层, 混合层与等温层分离, 障碍层形成。在湾内, 充沛的降雨和径流带来的大量淡水产生很强的盐度层结, 混合层全年都非常浅, 障碍层季节内变化和准半年变化主要受等温层深度变化的影响。上述两个区域障碍层变化存在关联, 季节内和准半年周期的赤道纬向风驱动的波动过程是它们存在联系的根本原因。赤道东印度洋地区的西风(东风)强迫出向东传的下沉(上升)的Kelvin波, 在苏门答腊岛西岸转变为沿岸Kelvin波向北传到孟加拉湾的东边界和北边界, 并且在缅甸的伊洛瓦底江三角洲顶部(95°E, 16°N)激发出向西的Rossby波, 造成湾内等温层深度的正(负)异常, 波动传播的速度决定了湾内的变化过程滞后于赤道区域1~2个月。     

中国科学院气候系统模式模拟的ENSO循环

On the basis of more than 200-year control run, the performance of the climate system model of Chinese Academy of Sciences(CAS-ESM-C) in simulating the El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO) cycle is evaluated, including the onset, development and decay of the ENSO. It is shown that, the model can reasonably simulate the annual cycle and interannual variability of sea surface temperature(SST) in the tropical Pacific, as well as the seasonal phase-locking of the ENSO. The model also captures two prerequisites for the El Ni?o onset, i.e., a westerly anomaly and a warm SST anomaly in the equatorial western Pacific. Owing to too strong forcing from an extratropical meridional wind, however, the westerly anomaly in this region is largely overestimated. Moreover, the simulated thermocline is much shallower with a weaker slope. As a result, the warm SST anomaly from the western Pacific propagates eastward more quickly, leading to a faster development of an El Ni?o. During the decay stage, owing to a stronger El Ni?o in the model, the secondary Gill-type response of the tropical atmosphere to the eastern Pacific warming is much stronger, thereby resulting in a persistent easterly anomaly in the western Pacific. Meanwhile, a cold anomaly in the warm pool appears as a result of a lifted thermocline via Ekman pumping. Finally, an El Ni?o decays into a La Ni?a through their interactions. In addition, the shorter period and larger amplitude of the ENSO in the model can be attributed to a shallower thermocline in the equatorial Pacific, which speeds up the zonal redistribution of a heat content in the upper ocean.     

热带西太平洋大气气候基本态与厄尔尼诺期间赤道附近西风异常

利用合成分析的方法分析了自1961年以来观测到的8次厄尔尼诺事件中赤道西太平洋地区西风异常与大气气候基本态的关系,结果发现厄尔尼诺年赤道西太平洋地区西风异常具有和大气气候基本态相一致的季节变化特征.利用一个简单热带海-气耦合模式较好地模拟出了观测到的厄尔尼诺年赤道西太平洋地区西风异常的变化特征.对模式结果的分析表明,大气气候基本态对厄尔尼诺年赤道西太平洋地区西风异常的形成起重要作用,它是通过影响大气模式中的加热场来影响赤道西太平洋地区西风异常.大气模式中赤道太平洋地区的加热场的形成具有阶段性和地区性,在厄尔尼诺事件的初始阶段,大气气候基本态是大气模式中的加热场形成的主要因子,而在厄尔尼诺事件的发展和成熟阶段,赤道中东太平洋地区的海表温度异常(SSTA)是加热场形成的主要因子.模式模拟结果对大气气候基本态依赖的敏感性试验说明,在大气模式加热场中含有大气气候基本态的模拟中,沿中西太平洋赤道附近的纬向风异常表现出和观测类似的传播特征.     

A numerical study of the impact of SST anomaly in the warm pool area on atmospheric circulation in winter

In this paper the impacts of the anomalous SST in the warm pool area of the Western Equatorial Pacific on the winter time circulation and the East Asian monsoon are studied by using the NCAR CCM. It is found that the abnormal heating in the warm pool area will change the strength and the position of the Walker Cell in the Equatorial Pacific and the anti-Walker Cell in the equatorial Indian Ocean. Both the Walker and anti-Walker Cells are strengthened. The local Hadley Cells over two hemispheres near the warm pool are also strengthened. The subtropical highs in two hemispheres become stronger and move poleward slightly. The westerly jets in the extratropical regions have similar changes as the subtropical highs. The winter monsoon in South-East Asia is weakened by the abnormal heating in the warm pool. The experiment also show that there are wave trains emanating from surrounding areas of the warm pool to the high latitudes, causing various changes in circulations and local weather.