简单海气耦合模式大气运动方程的非线性对ENSO循环模拟的影响

研究简单海气耦合模式大气运动方程非线性对ENSO循环的影响,即讨论大气运动方程的纬向非线性、经向非线性、纬向和经向非线性对ENSO循环的影响。同时,讨论了ENSO循环对大气运动方程非线性的敏感性问题。数值实验证明,大气运动方程的非线性对ENSO循环的影响明显,并且ENSO循环对大气运动方程的非线性非常敏感。因此,研究简单海气耦合模式中大气运动方程的非线性对ENSO循环的影响,对进一步理解ENSO循环的物理机制,具有一定的理论意义和实用价值。     

一个可描写ENSO循环基本特点的简单热带海气耦合模式

在所构造的海气耦合模式中,采用Zebiak海洋模式框架,并重建了一个海洋数值模式,大气模式采用了Gill模式.在大气模式中保留了时间发展项,潜热加热采用了Kleeman方案.对模式的积分结果表明,海温异常具有3～7年的准周期振荡.在模式El Nino事件的初始阶段,西风异常,海温正距平(SSTA)首先在赤道西太平洋发生,然后向东传播、加强.在模式ENSO循环的位相转换过程中,SSTA的空间分布共有4种不同类型.模式模拟的El Nino事件的初始阶段有两种发展类型,它们是:在初始阶段中西太平洋和东太平洋沿岸各有海表温度的正异常发生.在以后的发展中,一种情况是这两块正SSTA都发展连成一片,形成El Nino事件;另一种情况是中西太平洋地区的正SSTA衰减,中东太平洋地区的正SSTA加强,向西传播,形成El Nino事件.模式模拟的La Nina事件的初始阶段也有两科发展类型,它们的发展过程和El Nino事件初始阶段的发展过程相似.     

混合海气耦合模式中的ENSO循环及其形成机制

在无异常外强迫的情况下, 将混合海气耦合模式进行了45年的模拟积分.结果表明:模式能较好地再现类似ENSO循环的热带太平洋海洋、大气的年际振荡, 模式ENSO循环的主周期为4~5年; 探讨了ENSO循环的负反馈机制, 指出:暖态的消亡与El Niño发展过程中太平洋东部不断增强的东风异常所产生的冷水上翻的加强以及纬向向西的冷平流有关; 冷态的消亡主要由赤道波的时滞效应所致.     

耦合时间步长对ENSO循环周期模拟的影响

利用严邦良等所构造的热带海气耦合模式来研究耦合时间步长对海气耦合模式模拟ENSO循环的影响,结果表明:由于耦合时间步长不同,海气耦合模式模拟的不规则周期的ENSO循环可以变为有规则周期的ENSO循环或者反过来.同时,耦合时间步长还可以对耦合系统中大气及海洋变量的增长率及传播方向产生影响.     

全球热带简单海气耦合模式中的ENSO预报试验

利用一个全球热带简单海气耦合模式(GTSM模式),并选取热带三大洋较强的冷暖事件作为预报对象进行了若干预报试验,分析结果发现:在GTSM模式中由于热带三大洋海气耦合通过大气模式而相互作用和影响,使得该模式对于东大西洋和中东印度洋较强冷暖事件的预报能力,较单独大西洋或单独印度洋耦合模式均有明显提高,预报和观测的ATL3、IND3指数的相关系数达到0.5以上的月份,分别达到9个月和6个月左右;而在东太平洋则和ZC(LDEO1)模式差不多,预报和观测的Nio3指数的相关系数达到0.6以上的月份可以达到15个月左右.     

一个海气耦合环流模式中的ENSO循环特征及控制机理

本文利用中科院大气所两层全球大气环流模式和十四层热带太平洋模式的耦合环流模式１００年积分中的后３０年的月平均输出资料,通过分析海表面温度、上层海洋热容量和海表面高度异常的年际变化,揭示了模式ＥＮＳＯ循环（包括其产生、发展、成熟和消亡过程）的特征及其控制机理。结果表明,控制本文耦合环流模式中ＥＮＳＯ循环的机理是“时滞振子”模态,这和由中间复杂程度耦合模式得到的ＥＮＳＯ控制机理是一致的。反映了“时滞振     

混合海气耦合模式中与ENSO相关的大气年际变化性

利用混合海气耦合模式45年模拟积分的结果,对模式大气的年际变化性进行了分析。结果表明,在这样的海气耦合系统中,大气分量表现出显著的年际变化,冬、夏季异常环流型的分布与观测资料的分析结果基本相符。因此,该模式不仅能较好地再现热带太平洋的ENSO变化性,而且能较好地再现ENSO引起的全球大气环流的年际变化性。     

全球海气耦合模式系统(NIM/COAMS)Ⅱ.年际变化的模拟

利用文献[1]建立的全球海气耦合模式系统（NIM／COAMS），对模式的年际变化模拟能力进行了检验。50a积分显示，模式模拟出了大气和海洋界面的主要年际变率，能真实地模拟热带太平洋ENSO循环的主要特征，较好地再现了ENSO循环的过程，循环周期在3—5a之间，与实际观测值一致，同时模式也较好地反映了大气和海洋的耦合特征，对年际变化有较强的模拟能力，这与FRAC耦合方案设计有关，该方法能避免气候场的牵制作用，增强模式对年际变化的模拟能力。     

一个可供ENSO预测的海气耦合环流模式及1997/1998 ENSO的预测

利用中国科学院大气物理研究所设计发展的具有较高分辨率的热带太平洋和全球大气耦合环流模式,设计了一个初始化方案,建立了ＥＮＳＯ预测系统,进行了系统性的预测试验。预测结果检验评估表明,该预测系统表现出较强的预报能力,赤道中东太平洋地区（Ｎｉｎｏ３和Ｎｉｎｏ３４）海表温度距平预报相关技巧高于０５２的预报可持续１８个月,该预测系统可应用到试验性的海温预测实践中。利用该系统对１９９７／１９９８年ＥＮＳＯ进行了实际预测,表明预测是成功的,预测的海温距平已提供给今年我国夏季降水预测使用,取得了良好的预测效果。     

海气耦合非线性随机模式求解探讨

本文首先对一个假定随机强迫为高斯白噪声的四次方非线性海气耦合随机模式进行了ε一阶近似的摄动处理，将非线性随机模式化为显含随机项的线性系统和隐含随机项的非线性系统，通过对输出响应的分析表明:该模式结构和随机项的特性使得随机强迫输出的响应只能通过模式的线性区；非线性项仅对气候系统的方差及其对应的频谱有一定量的偏差作用，而对一般输出特性没有贡献。在这基础上，求出了模式输出谱，并给出了计算。     

全球大气／热带太平洋耦合距平模式中由ENSO增暖引起的全球大气环流异常

本文利用全球大气／热带太平洋耦合距平模式模拟了一次类似于实际的ENSO增暖过程，并对由ENSO增暖引起的海洋和全球大气环流异常的主要特征进行了分析，指出:耦合模式中的ENSO增暖在热带地区主要伴随着赤道中西太平洋Walker环流的减弱、中东太平洋气压降低以及表层辐合上升运动的增强；夏季和冬季低纬环流异常具有明显的差异性，夏季主要表现为印度夏季风环流的显著减弱和东亚季风的增强，而冬季则主要表现为赤道所有纬向环流圈均减弱；温带大气环流异常冬夏季也具有明显不同特征，夏季温带大气异常主要限于东半球，且发源于亚洲季风区，和赤道中东太平洋海温异常似无直接联系，但冬季温带大气异常则主要是发源于海温异常区的波列响应，反映了海温异常直接热力强迫的结果。另外，本文对耦合模式中的温带大气环流异常产生的可能机制也进行了讨论。     

简单海气耦合的线性和非线性Rossby波

采用忽略Ｒｅｙｌｅｉｇｈ摩擦和Ｎｏｗｔｏｎ冷却的定常，线性大气模式和地转动量近似下的非线性海洋模式。这里包含了大气通过线性风应力影响海洋，海洋通过加热过程影响大气的物理机制。用相平面理论讨论了海气耦合作用对简单耦合线Ｒｏｓｓｂｙ波和非线性Ｒｏｓｓｂｙ波的影响。     

中纬度北太平洋依赖于ENSO事件及独立于ENSO事件的变率特征:观测事实与海气耦合模式模拟

观测事实显示,在E1 Ni(?)o发生期间,伴随着赤道中东太平洋的增暖,中纬度北大平洋中部表层海温（SST）常出现冷距平,而北美大陆西海岸SST则出现暖距平。借助观测资料分析和海气耦合模式模拟两种手段,检验了北太平洋对ENSO事件的上述响应。观测证据和数值模拟都支持有关学者提出的“大气桥”概念,即大气对赤道中东太平洋SST异常增暖的响应,随后强迫中纬度北太平洋,并导致那里SST的变冷,从而起到了连接热带和热带外特别是中纬度北太平洋的“桥梁”的作用。关于其机制,本文认为主要是海洋对大气强迫的动力响应导致那里的SST变冷,尽管潜热通量的贡献也很显著。至少模式结果证明短波辐射、长波辐射和感热通量的贡献都是次要的。进一步的分析揭示,北太平洋存在着线性独立于ENSO事件的所谓“北太平洋模态”,在空间型上,它和线性地依赖于ENSO事件的模态非常相近,即它们的纬向结构都呈现出扁平的“双极”型,只是彼此间SST距平极大值的中心位置不同。模拟结果表明,北太平洋模态与大气的耦合作用,主要是通过海气热通量交换实现的,其中短波辐射和长波辐射的作用居主导地位,而潜热通量的贡献则基本可以忽略。     

大气季节内振荡的耦合模式数值模拟

分析GOALS/LASG海气耦合模式10年积分200hPa纬向风场的逐日输出结果,引用1980～1989年期间逐日的NCEP/NCAR再分析资料作为实测对照,结果显示该耦合模式抓住了热带大气低频振荡(IO)的基本时空分布特征,模拟IO的强度较多数大气模式强而接近真实,但空间一致性仍不清晰,典型周期不够显著。NCEP资料与耦合模式都反映模拟IO的季节变化与其年际变化有关,模拟较强IO的年份表现IO的季节变化特征也较真实。模拟IO的年际变化与热带东太平洋的SST呈明显的负相关变化。SST暖异常的年份,IO活动较弱。IO变化滞后于SST异常60天左右的相关性最显著。对比单独积分GOALS/LASG的大气模式的结果,发现二者的主要差别在于耦合模式再现IO的季节性特征更真实,反映了海气耦合对IO变化的调制作用。利用海气耦合模式,理解IO对流活动与上层海洋的相互作用过程,是真实描述IO必要的手段。     

热带海气耦合距平模式中的ENSO循环及其形成机制

本文研制设计了一包含海洋表面边界层和大气辐合反馈过程的热带太平洋海气耦合异常模式。进而利用该模式对ＥＮＳＯ循环进行了成功的模拟。通过对模式ＥＮＳＯ循环的演变特征及其形成机制的细致分析，揭示了ＥＮＳＯ暖位相的一种机制。     

海气耦合随机动力模式的Fokker—Planck方程

将描写海温和气温交互作用的随机动力模式化为一个Ｆｏｃｋｋｅｒ－Ｐｌａｎｃｋ方程（ＦＰＥ），然后用矩阵连分法进行求解，并对二氧化碳增温效应进行了计算。当ＣＯ２从３３０ｐｐｍ增加到６６０ｐｐｍ时增温１．２℃，模式中存在的优势周期为３￣４年，当ＣＯ２倍增时各周期有延长的趋势。     

ENSO循环的数值模拟──Ⅰ:水平结构演变

利用发展的包含海洋表面边界展和大气辐合反馈过程的热带太平洋海气耦合距平模式，对ＥＮＳＯ循环进行了模拟。通过３０ａ积分，用合模式所展示的热带太平洋海气耦合系统的ＥＮＳＯ循环的水平结构演变特征和观测事实甚为一致，成功地模拟出了ＥＮＳＯ循环的冷暖态的发生发展、衰亡及相互转换等各个位相的动力和热力场的水平结构及其对季节循环的依赖性特征。本文数值模拟结果表明，ＥＮＳＯ循环的主要动力学过程可由热带海气相互作用系统自身所确定。ＥＮＳＯ循环的正确模拟是揭示其形成机制的前提。     

海气耦合对MJO数值模拟的影响

采用一种基于降水异常追踪MJO（Madden–Julian Oscillation）东传的MJO识别方法（MJO Tracking）评估了参与MJOTF/GASS（MJO Task Force/Global Energy and Water Cycle Experiment Atmospheric System Study）全球模式比较计划的全海气耦合模式（CNRM-CM）、半海气耦合模式（CNRM-ACM）和大气模式（CNRM-AM）1991～2010年模拟MJO的能力,探究了海气耦合过程对模式模拟MJO能力的影响机理。CNRM-CM模式模拟的MJO结构更加接近观测,该模式不仅具有最高的MJO生成频率,也能够模拟较强的MJO强度以及较远的传播距离。海气耦合过程会造成CNRM-CM和CNRM-ACM模式中印度洋—太平洋暖池区域海温气候态的冷偏差。但是这种海温气候态的偏差基本没有改变模式模拟MJO的能力。CNRM-CM中MJO对流中心东（西）侧存在较强的季节内尺度海温暖（冷）异常,纬向梯度明显,而CNRM-ACM和CNRM-AM中不存在这样的海温东西不对称结构。结果表明在CNRM模式中海气耦合过程调控模式海温季节内尺度变率对模式MJO模拟能力的影响比调控模式海温气候态更加重要。     

一类非线性海气耦合波的研究

建立了一类非线性海气耦合波的模式,并用该模式作了解析研究,讨论了该类海气耦合波的存在条件,发现当海气耦合较强时分别存在以海洋为主导方面及以大气为主导方面的两支海气耦合波,而耦合较弱时则仅有前者存在。还求得了该模式中该类海气耦合波的椭圆余弦波解及孤立波解,并对以海洋为主导的海气耦合波的性质作了讨论,认为海气相互作用耦合也是产生大气季节内振荡的机制之一。     

海气耦合随机动力模式的Fokker-Planck方程

将描写海温和气温交互作用的随机动力模式化为一个Fokker-Planck方程(FPE),然后用矩阵连分法进行求解,并对二氧化碳增温效应进行了计算。当CO₂从330ppm增加到660ppm时增温1.2℃,模式中存在的优势周期为3～4年,当CO₂倍增时各周期有延长的趋势。