赤道太平洋西风爆发事件的时空特征

赤道太平洋西风爆发事件(简称“西风事件”)对厄尔尼诺有重要的触发作用。基于ERA-Interim和NCEP2(NCEP-DOE Reanalysis 2)风场资料以及OI(NOAA OI SST V2 High Resolution Dataset)海表面温度资料,本文对西风事件的时空特征进行了研究诊断,并初步分析了ENSO(ElNi?o-Southern Oscillation)对西风事件的影响。结果显示,西风事件发展初期主要集中在中西部太平洋,季节性变化表现为冬春季较强,夏秋季较弱。西风事件频次和强度都有一定的年际变化特征,其中中太平洋西风事件的强度与ENSO信号的关系更紧密。当Ni?o3.4指数大于1℃时,西风事件的频次和强度与ENSO信号相关性好;当Ni?o3.4指数小于1℃时,西风事件频次的随机性增加,但其强度仍受到赤道中东太平洋海温异常信号的制约。     

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.     

P-J遥相关型位置的年际变化特征与ENSO的关系ZXF

本文利用ERA-40再分析资料对太平洋-日本(Pacific-Japan)遥相关型(简称P-J)在不同ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)事件时的位置特征进行了分析研究,并评估了第五次耦合模式比较计划(CMIP5)各模式对P-J遥相关型的模拟能力,利用CMIP5模式数据验证P-J遥相关型与赤道中东太平洋海温异常之间的相关性。结果表明,ENSO对P-J遥相关型的位置有影响:El Ni?o年,P-J遥相关型位置相对偏西偏南;La Ni?a年,P-J遥相关型位置则相对偏东偏北。ENSO对P-J遥相关型强度有影响:ENSO事件年赤道中东太平洋海温与次年夏季P-J遥相关型强度相关明显,正常年两者没有相关性。本文评估了CMIP5中24个耦合模式,发现大多数模式能很好得模拟出P-J型,并且全球变暖对PJ型位置变化的影响较小,而赤道中东太平洋海温异常对P-J遥相关型强度影响较大。     

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.     

ENSO非对称性对热带降水的影响研究

利用1966—2015年多种海气资料,分析了热带太平洋海域的ENSO非对称性表现,结果表明:在赤道东太平洋,ENSO暖事件强度大于ENSO冷事件,而在赤道中、西太平洋上与之相反,即在振幅强度和发生位置上存在不对称。研究还发现,在厄尔尼诺年的冬季,热带印度洋-太平洋海域整体上呈现出"正-负-正"的降水异常分布形势,而在拉尼娜年冬季,则呈现出"负-正-负-正"的降水异常分布形势,并且,降水距平的正负异常中心在厄尔尼诺年与拉尼娜年冬季存在纬向不同程度的偏移,表现出ENSO冷暖事件年冬季降水异常的非对称性。通过定量计算降水对热带海域的贡献,得到赤道中太平洋的降水量主要来源于厄尔尼诺年,赤道东太平洋的降水则主要来源于拉尼娜年,而热带印度洋及赤道西太平洋的大部分降水由中性年贡献。此外,对热带印度洋-太平洋划分厄尔尼诺强度与热带降水线性与非线性区域,发现在赤道西太平洋和赤道中太平洋及其偏东区域线性关系较为明显。     

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.     

信风张弛对赤道东、西太平洋斜压扰动的影响研究

利用一个斜压两层海洋模式解析地研究了赤道东、西太平洋对信风张弛的响应特征.研究表明:当赤道上空偏东信风张弛或转为西风时,由于打破了海洋原来的平衡关系,结果在赤道东、西太平洋的温跃层附近产生了扰动并开始传播.西太平洋温跃层附近的扰动向东传播的速度远大于东太平洋扰动向西传播的速度,而且与东太平洋温跃层扰动向西传播的狭窄范围和小振幅相比,西太平洋温跃层扰动向东传播的范围和强度均很大.这与最近几次强厄尔尼诺增暖事件暖水从赤道西太平洋向赤道中、东太平洋的迅速传播特征是一致的.     

黑潮入侵南海的强弱与太平洋年代际变化及厄尔尼诺-南方涛动现象的关系

在黑潮入侵南海强弱的问题上,到底是太平洋年代际变化(Pacific Decadal Oscillation,PDO)还是厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)现象在起关键作用,目前还存在着较大争议。本文先以高盐水作为黑潮入侵强弱的示踪物,用120°E断面的高盐水数据和北赤道流分叉点(North Equator Current Bifurcation,NEC-Y)的南北变动进行相关分析,接着,进一步用学者所用的黑潮入侵指数(KI指数,Kuroshio intrusion index和NEC指数,North Equatorial Current index)与北赤道流分叉点南北变动进行相关分析。最后,用EMD(Empirical Mode Decomposition)方法和相关关系分析法分别分析了PDO指数、Nio3.4指数与北赤道流分叉点南北变动的关系并用NECP风场数据探讨其影响机制。结果表明:(1)通过对120°E断面的高盐水的KI指数、NEC指数与NEC-Y的相关分析,表明了北赤道流分叉点的南北变动能够很好地指代黑潮入侵南海的强弱;(2)通过PDO指数和Nio3.4指数与北赤道流分叉点的南北变动的相关性分析,发现PDO指数、Nio3.4指数与北赤道流分叉点的南北变动都具有较好的相关性,都在0.5水平。这些良好的相关性表明了PDO和ENSO对黑潮入侵南海的强弱都具有重要的影响;(3)当处于厄尔尼诺年(拉尼娜)时,赤道太平洋发生西(东)风异常,使得北赤道流分叉点偏北(南),使吕宋岛东侧的黑潮流速减弱(加强),黑潮入侵南海增强(减弱);当PDO处于暖(冷)阶段时,会加强热带太平洋的西(东)风异常,使得黑潮入侵南海增强(减弱)。     

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.     

ENSO知识讲座

第六讲ENSO对气候的影响 1 ENSO影响气候的途径 厄尔尼诺事件最基本特征是赤道东太平洋大范围海水的异常增温.当厄尔尼诺事件发生时,赤道东太平洋增温尺度东西可长达上万公里、南北宽近几千公里.     

南印度洋热带气旋快速增强事件气候特征及其年际变率

利用美国联合台风预警中心的热带气旋最佳路径数据集、美国国家海洋和大气管理局的扩展重构海表温度数据、全球海洋数据同化系统的温度、盐度数据及美国国家环境预报中心/国家大气研究中心的再分析资料, 分析了1981—2019年南印度洋热带气旋快速增强事件的气候特征和年际变率。结果表明, 南印度洋热带气旋快速增强事件产生频率呈现单峰分布, 主要产生在每年的12月至次年4月。南印度洋热带气旋增强事件的产生位置呈带状分布, 其中3个高值中心分别位于马达加斯加岛东北海域、南印度洋中部海域和澳大利亚西北海域, 这主要是由于热带气旋热潜和垂直风切变两个大尺度环境变量决定的。年际变率方面, 厄尔尼诺-南方涛动对南印度洋热带气旋增强事件产生频率的调制作用是不对称的, 厄尔尼诺年与拉尼娜年南印度洋热带气旋快速增强事件均减少, 但使其减少的物理机制不同。厄尔尼诺年, 热带气旋快速增强事件减少主要是较高的垂直风切变造成的; 拉尼娜年, 热带气旋快速增强事件减少主要是由于热带气旋热潜的降低, 而海表温度、垂直风切变和相对湿度也存在一定贡献。     

赤道太平洋海域上层海洋热含量及其变化机制的诊断分析*

基于1992—2015年国际共享的ECCO v4 (Estimating the Circulation and Climate of the Ocean Version 4)同化产品, 利用热含量控制方程定量地诊断赤道太平洋(118°E—75°W, 5°S—5°N, 0~300m)和Niño 3.4区(170°W—120°W, 5°S—5°N, 0~80m)这两块区域热含量变化机制。对于去掉季节平均后的年际变化, 在赤道太平洋地区, 时间趋势项主要由经向输送和海表热通量项共同驱动。通过5°N断面的输送决定了时间趋势项的幅值和正负符号。在Niño 3.4区, 时间趋势项主要由海表热通量项和热量输送项共同驱动, 其中垂向输送对总输送贡献最大。赤道太平洋地区经向热量输送异常领先于Niño 3.4区垂向热量输送异常, 这解释了在年际尺度上赤道太平洋热含量异常领先Niño 3.4指数变化的原因。尽管EP(Eastern Pattern)型El Niño和CP(Central Pattern)型El Niño有许多不同之处, 合成分析表明, 两类El Niño的共同点为: 在赤道太平洋地区, 两类El Niño事件的热量输送异常在发展期和衰退期由经向输送主导; 在Niño 3.4区, EP型El Niño和CP型El Niño的热量输送在发展期和衰退期由垂向输送主导。     

基于OC-CCI数据的南海高叶绿素a浓度水域面积的时空变化研究*

浮游植物是海洋生态系统食物链的基础组成, 并通过光合作用影响着海表二氧化碳通量变化。文章基于高叶绿素a浓度水域面积指标构建南海浮游植物生物量的估算体系。利用遥感数据, 采用经验正交函数分解插值方法, 重构长时间序列的南海叶绿素a浓度场, 并研究了南海高叶绿素a浓度水域面积特征的时空分布。结果发现: 高叶绿素a浓度水域面积变化有着显著季节特征, 在冬季面积达到最大值, 在夏季达到最小值, 但是该水域对应的叶绿素a浓度却在冬季达到最小值, 在夏季达到最大值, 这一特征可能是由于风驱动的海表动力过程使得海表叶绿素重新分布; 空间分布上, 高叶绿素a浓度水域常年存在于海岸附近, 特别是在中国沿海、越南沿岸、泰国湾以及婆罗洲岛附近。在巽他陆架与湄公河口东部中央海盆, 高叶绿素a浓度区域面积呈年际变化。受厄尔尼诺调控的南海季风, 导致不同年份湄公河口东南沿海存在不同程度的北部冷水侵入, 北部冷水入侵可能是引起局地浮游植物生物量增减的原因。     

ENSO indices from sea surface salinity observed by Aquarius and Argo

Analysis of the first 26 months of data from the Aquarius satellite confirms the existence of a sharp sea surface salinity (SSS) front along the equator in the western equatorial Pacific. Following several earlier studies, we use the longitudinal location of the 34.8-psu isohaline as an index, termed Niño-S34.8, to measure the zonal displacement of the SSS front and consequently the eastern edge of the western Pacific warm pool. The on-going collection of the Array for Real-time Geostrophic Oceanography (ARGO) program data shows high correlations between Niño-S34.8 and the existing indices of El Niño, suggesting its potential important role in ENSO evolution. Further analysis of the ARGO data reveals that SSS variability in the southeastern tropical Pacific is crucial to identify the type of El Niño. A new SSS index, termed the southeastern Pacific SSS index (SEPSI), is defined based on the SSS variability in the region (0°–10°S, 150°–90°W). The SEPSI is highly correlated with the El Niño Modoki index, as well as the Trans-Niño index, introduced by previous studies. It has large positive anomalies during central Pacific El Niño or El Niño Modoki events, as a result of enhanced zonal sea surface temperature gradients between the central and eastern tropical Pacific, and can be used to characterize the type of El Niño. The processes that possibly control these SSS indices are also discussed.     

热带太平洋第二类El Nio事件及其对中国气候的影响

基于热带太平洋次表层海温资料,分析了热带太平洋第二类El Nio事件海温异常的分布特征及其形成机制,讨论了与经典El Nio事件、El Nio Modoki、WP(西太平洋暖池)及CT(冷舌)El Nio事件之间的关系,揭示了第二类El Nio事件对中国降水的影响,得到以下结论。(1)第二类El Nio事件表征为热带太平洋次表层海温异常第三模态,占总方差贡献的4.7%。在海洋表面层,第二类El Nio事件暖期赤道东太平洋为沿赤道西伸的冷舌,热带中西太平洋为环绕冷舌的马蹄型大范围暖区。该型具11a和30~40a年代际振荡及3~4a年际变率,峰值多出现在春季。第二类El Nio事件是热带太平洋异常海面风应力场和赤道两侧的风应力旋度共同作用的结果,在赤道东印度洋-中西太平洋与赤道东太平洋-南美洲上空出现以反号垂直运动为特征的异常Walker环流。(2)El Nio Modoki与第二类El Nio事件有密切关系,它实质上是第二类El Nio事件次表层海温与近海面大气相互作用的结果,捕捉了第二类El Nio事件的主要信息。(3)第二类El Nio事件对中国春季及夏初降水有一定影响。在事件暖期,东海地区存在一个显著的异常反气旋性环流,其南侧的中国南方地区盛行异常东北气流,水汽来源减少,导致该地区少雨,其西侧的异常偏南气流北上直达华北地区,异常多水汽向北输送,并与北方的偏北流场相遇,导致该地区降水偏多。在第二类El Nio事件冷期相反。本文结果还指出,WP与CT El Nio事件是由经典El Nio事件第一模态与El Nio Modoki事件组合而成,它们不是独立的El Nio类型。此外,还讨论了夏半年El Nio事件对大气环流影响的物理过程。     

近年来厄尔尼诺期间北赤道流输运的年际变化

为了研究近年来厄尔尼诺期间北赤道流输运的年际变化,本文利用海洋客观分析数据MOAA GPV(Grid Point Value of the Monthly Objective Analysis)以及P-vector方法计算了北太平洋绝对地转流,探讨了2001~2013年期间厄尔尼诺与北赤道流输运之间的关系。在此期间发生的4次厄尔尼诺事件中,北赤道流输运在2002~2003、2006~2007、2009~2010年的厄尔尼诺成熟期都出现了明显的增强,但是在2004~2005年的厄尔尼诺成熟期并没有明显的增强。进一步分析发现,在2002~2003年、2006~2007年、2009~2010年的厄尔尼诺成熟期,10°N以南的热带西北太平洋区域出现了负的海面高度异常和气旋式环流异常,这主要是由热带环流区域出现的西风异常和正的Ekman抽吸通过Rossby波西传到热带西太平洋区域所致;但是在2004~2005年厄尔尼诺成熟期,海面温度异常的分布明显不同,西风异常和正的Ekman抽吸异常明显北移,导致负的海面高度异常和气旋式环流异常出现在了10°N以北的西北太平洋区域,使得北赤道流输运在2004~2005年的厄尔尼诺成熟期没有明显的增强。     

海洋初始状态对预报2002/03年中太平洋型厄尔尼诺事件的作用

2002/03年厄尔尼诺事件,是暖海温中心出现在赤道中太平洋区域的一种新型厄尔尼诺,即中太平洋型厄尔尼诺。本文基于一个厄尔尼诺预测系统,利用三组回报试验来详细区分海洋表层和次表层初始状态对预报2002/03年中太平洋型厄尔尼诺事件的作用,并由此来探寻对预报厄尔尼诺演变过程最有利的初始条件。回报试验分为三组:(1)仅同化海表温度观测(sea surface temperature;简称SST)来优化海洋表层初始状态(Assim_SST);(2)仅同化海表高度观测(sea level;简称SL)来更新海洋次表层初始状态(Assim_SL);(3)同时同化SST和SL观测来一起更新海洋表层和次表层初始状态(Assim_SST+SL)。回报试验结果表明,三种不同的初始条件都可以使模式提前一年成功地预报2002/03年厄尔尼诺事件,并且"Assim_SST+SL"回报试验的效果最好。三组回报试验结果间的对比表明:海洋表层和次表层初始状态均对成功地预报该事件有重要作用,但其作用分别集中在事件发展的不同阶段。精确的海洋表层初始状态更容易激发模式预报出一次厄尔尼诺事件,而更合理的海洋次表层初始状态则能有效地提高厄尔尼诺事件预报的强度。     

Influence of Asian monsoon and ENSO events on particle fluxes in the western subtropical Pacific

A time-series sediment trap was deployed from October 2007 to May 2011 in the western subtropical Pacific with the aim of understanding the seasonal and inter-annual variability on particle flux in response to El Niño-Southern Oscillation (ENSO) events. Total mass fluxes varied from 3.04 mg m⁻² day⁻¹ to 31.1 mg m⁻² day⁻¹, with high fluxes during February–April and low fluxes during other months. This seasonal variation was also characterized by a distinct change in the CaCO₃ flux between the two periods. The marked increase in particle flux during February–April may be attributed to enhanced biological productivity in surface waters caused by strong wind-driven mixing in response to the western North Pacific monsoon system. The 2009/10 strong El Niño was accompanied by a significant reduction in particle flux, whereas the La Niña had no recognizable effect on particle flux in the subtropical Pacific. In particular, in the mature phase of the 2009/10 strong El Niño, the fluxes of organic carbon and biogenic silica decreased by 70–80% compared with those during the normal period, implying that the El Niño acted to suppress biological productivity in surface waters. The suppression of biological productivity during the 2009/10 strong El Niño is attributed to the decrease in precipitation due to the shift in the western Pacific warm pool. This finding is opposite that of other studies of the western equatorial Pacific, where El Niño events were observed to result in an increase in biological productivity and particle flux. The difference in particle flux between the western equatorial and subtropical Pacific is attributed to the regional differences in oceanic and atmospheric circulation systems generated by the strong El Niño.     

全球变暖背景下最近40年太平洋海温变化数值模拟

用Non-Boussinesq POP模式和1960—1999年NCEP的1 000 hPa大气温度和风场资料,模拟了最近40 a太平洋海温的变化,通过与实际观测结果比较,得出模拟结果是可信的,并且得到了一些有意义的结果:在海面,太平洋最大的增温发生在赤道中东太平洋,即Niño1-Niño4区内,最大的降温在中纬度南北太平洋中部,除了北半球太平洋西岸40°N附近为降温外,在北半球太平洋沿岸基本上为升温,但太平洋东海岸的升温幅度要远大于西海岸;在太平洋0~483 m深度垂直方向,除了赤道中太平洋区域海温的变化在海面为上升,在169 m处为下降,在483 m处又转为上升外,其他区域海温的变化在垂直方向基本上为线性变化。在全球增暖的背景下,虽然El Niño现象在20世纪90年代以后表现出增强的趋势,但是反映在赤道表面以下的次表层西太平洋暖池中的异常暖中心,在由西向东移动过程中其强度却是减弱的。