用于厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)研究的海气耦合模式综述：中间型和混合型模式

厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)是地球气候系统中最强的年际变率信号, 起源于热带太平洋海气相互作用过程, 并对全球的天气和气候等产生显著的影响。过去几十年来, 广泛、深入而细致的海气相互作用研究致力于发展和改进海气耦合模式以用于ENSO模拟和预测, 各种类型的海气耦合模式应运而生。经过半个多世纪的努力, ENSO数值模式及其应用已经取得了巨大进展, 包括已发展了一些高度理想化的概念(concept)模型来解释ENSO准周期性循环(包括正负反馈机制等); 同时也已发展了几类复杂程度不同的海气耦合模式并用于对ENSO的真实模拟和实时预测等研究, 尤其是已能提前6个月或更长时间对ENSO事件的发生和发展等进行有效的实时预测。其中最为复杂的模式是基于原始方程组的大气环流模式(Atmospheric General Circulation Models, AGCMs)与海洋环流模式(Oceanic General Circulation Models, OGCMs)等所组成的环流型耦合模式(Coupled General Circulation Models, CGCMs), 这类模式变量取为完全变量的形式(如总的海表温度场, 其可以分解为气候态部分和年际异常部分), 还考虑了尽可能详尽的物理过程及其参数化方案。中间型耦合模式(Intermediate Coupled Models, ICMs)是一类介于高度理想化概念模型与复杂的环流型耦合模式之间的简化模式, 其对应的控制方程组采用距平形式, 直接取大气和海洋年际异常场作为预报变量(如海表温度年际异常), 而相应的气候平均态部分则由对应的观测资料来给定; 大气与海洋模式间的耦合采用异常耦合(anomaly coupling)。混合型耦合模式(Hybrid Coupled Models, HCMs)是另一类简化的海气耦合模式, 其中海洋或大气模式有一个分量模式采用了简化的距平类模式(类似于ICMs),而另一个分量模式则采用环流型模式(General Circulation Models, GCMs); 如可采用统计的大气风应力年际异常模式与OGCM间的耦合而构建一种HCM_OGCM,也可采用简化的海洋距平类模式(如ICM中的海洋分量模式)与AGCM间的耦合而构建另一种HCM^AGCM。历史上, ICMs、HCMs和CGCMs等这几类耦合模式都在ENSO理论体系的发展、数值模拟和实时预测等方面都起到了重要作用。本文主要回顾作者与合作者所研发的ICMs和HCMs的构建、特点和应用例子等。     

海-气振子厄尔尼诺-南方涛动模型的近似解

研究了一类厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的时滞耦合系统振荡的模型.利用同伦映射方法求出了ENSO模型解的渐近展开式,并讨论了相应问题的渐近性态.     

一个区域耦合海气模式及其实验

本文研制了一个区域的简单耦合海气模式,并用来模拟热带太平洋ENSO循环.模式由一层大气模式和一层海洋模式构成.大气模式由运动方程和热力方程组成;海洋模式由运动方程、连续方程和海温方程组成.非绝热加热与风应力构成海气间耦合媒介项,其中大气对海洋的影响以风应力为主,海洋对大气的影响以非绝热加热为主.在理论分析和数值实验的基础上,成功地实现了简单海气耦合模式的正常运转,并且应于对1982-1983年埃尔尼诺现象的数值模拟.对该事件从发展到衰弱的全过程,特别是中期与成熟期获得了良好的模拟效果,显示出本模式的模拟能力,也验证了热带太平洋区域耦合海气作用对ENSO循环的重大贡献.     

对近183年我国南海冬季风变率的探讨： 来自珊瑚氧同位素的证据*

以西沙群岛现代澄黄滨珊瑚的冬季氧同位素记录为代用指标,重建了1818—2000年的南海冬季风风速。重建序列显示1818—1954年冬季风速以每年0.009m·s^-1的速率下降,而1955—2000年下降速率明显增强为每年0.021m·s^-1,46年间风速下降达20%。整个183年中冬季风速变化具有两个完整的强—弱波动特征,其中1830s和1940s为过去近两个世纪当中冬季风速最强和最弱的时期。20世纪的冬季风速变化与南海海表温度和中国陆地气温极为相似,相位相反,并揭示了1940s和1980s年代两个特征暖期。通过对冬季风速异常和ENSO暖、冷事件的统计分析,发现大多数ENSO事件发生时与冬季风减弱相对应。     

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)。     

局地凝结加热对大气赤道波动稳定性的影响(英文)

利用β平面上大气斜压强迫模式,探讨了局地海表温度异常所造成的非绝热加热影响的赤道小振幅“拦截波”的稳定性。指出当加热函数是半余弦形式时,在加热区大气的反应是局地性的,但这个加热函数的小扰动能产生非局地性的大尺度反应。平均海表温度降低了赤道波动的稳定性。当稍超过临界值时,小尺度海表温度异常有可能使波动不稳定。     

一个重构的153年热带太平洋次表层上卷海温资料

次表层上卷海温对改进ENSO(厄尔尼诺-南方涛动,El Ni o-Southern Oscillation)模拟水平及ENSO年代际变化均具有重要作用。利用一个中等复杂程度耦合模式(intermediate coupled model,简称ICM)和Nudging(张弛逼近)同化方法,重构了1856—2008年间热带太平洋地区的次表层上卷海温。统计检验表明,重构的次表层上卷海温与近50年的3种分析资料间具有较高的相关性和较小的均方根误差。此外,通过此重构的次表层上卷海温资料重新驱动ICM模式,模拟得到的海表温度距平(sea surface temperature anomaly,简称SSTA)可以真实地反映出ENSO的年际和年代际变化,表明此重构的次表层上卷海温资料可用于气候研究,特别是用于ENSO的大尺度低频变化或年代际气候变化研究。     

在Zebiak-Cane模式中观测MJO强迫对ENSO可预报性的影响, 第1部分:对最大预报误差的影响

With the observational wind data and the Zebiak-Cane model, the impact of Madden-Julian Oscillation (MJO) as external forcing on El Ni(n)o–Southern Oscillation (ENSO) predictability is studied. The obs...