热带太平洋与热带大西洋海表温度主模态的相互作用

根据英国Hadley气候中心的海表温度资料和美国NCEP/NCAR中心的大气资料,研究了热带太平洋与热带大西洋海表温度主模态的相互作用。热带太平洋的ENSO可以导致大西洋Nino模态或经向偶极子模态,这主要是通过热带海洋-大气相互作用,或大气的太平洋-北美遥相关过程实现的。大西洋Nino模态的暖(冷)位相会导致赤道中东太平洋的海表温度降低(升高)。这可能是通过两种途径完成的:一种可能是大西洋Nino使印度洋增暖(变冷),进而引起赤道中太平洋的东(西)风异常,通过海洋-大气相互作用正反馈机制能发展成为La Nina(El Nino),使赤道东太平洋海温降低(升高);另一种可能是大西洋Nino直接可以导致太平洋Walker环流增强(减弱),从而使赤道东太平洋海温降低(升高)。     

热带三大洋海表温度和云水关系的初探

热带太平洋、大西洋和热带印度洋是全球海洋-大气相互作用最显著的海域。为了探讨热带三大洋局地海洋-大气相互作用中的某些特征,利用新的卫星遥感资料对热带三大洋的云水和海表温度(SST)异常变化进行了统计相关分析。研究发现:在赤道太平洋和赤道大西洋云水和SST二者在超前或滞后5周内都呈现明显的正相关关系,表明3个赤道海域云水和SST之间具有明显的相互作用正反馈机制;在热带西印度洋SST异常超前CLW异常一周时,正相关系数最大,SST的变化导致云水的变化;而在以较冷海水为下垫面的赤道外东北太平洋,东南太平洋以及赤道外的南大西洋海域,二者呈明显的负相关关系,云水的变化会引起SST的变化。位于菲律宾以东的热带西北太平洋区,云水量的变化引起SST的变化;而赤道东印度洋暖池区即存在云水量的增加(减少)引起SST降低(升高)的现象,也存在SST降低(升高)引起云水量的减少(增加)的现象。以上结果将为进一步理解海洋-大气相互作用,在数值模式中正确设计海洋-大气边界层参数化方案提供参考。     

热带太平洋-印度洋上层热含量年际变化的主模态

利用多种海洋资料,采用经验正交函数分解(EOF)与合成分析等方法研究了热带太平洋-印度洋热含量年际变化的主要模态及其对应的转换过程。结果表明其第一模态对应El Nino事件成熟位相时的空间分布,即热带西太平洋和东印度洋为一冷中心,西南印度洋和赤道东太平洋为暖中心;第二模态对应着El Nino事件过渡期的空间分布,太平洋10°N附近以及赤道带为变化中心,而印度洋的变化中心主要在苏门答腊岛西部的赤道东印度洋海区。这2个模态基本刻画了ENSO循环过程中热带两大洋热含量变化的关键海区。利用合成分析结果与EOF分解结果的相似性,探讨了EOF分解前两个模态之间的转换过程,发现第一模态可能主要是通过海洋波动的传播过程调整到第二模态的,而第二模态还可以作为El Nino或La Nina事件的预报因子。此外,分析结果还表明,El Nino事件与La Nina事件对应的热含量变化并不是反对称的。     

热带大洋春季海气耦合模态及其与ENSO的关系

在北半球的春季,热带三大洋的海洋–大气系统年际变化会对同期太平洋厄尔尼诺–南方涛动(ElNi?o-Southern oscillation,ENSO)产生响应,同时也能通过区域海洋–大气耦合过程影响ENSO的发展。基于国际公开使用的海表温度资料和降水资料,通过联合正交经验分解方法分析,可以发现全球大洋春季存在两种显著的海气耦合模态。第一模态表现为:在热带中东太平洋,海表温度增暖、降水增多;在热带大西洋和热带印度洋,降水呈现经向偶极型分布以及跨赤道的海表温度梯度异常;即伴随ENSO在春季消亡期的空间型态,大西洋出现经向模态,印度洋出现反对称模态。第二模态表现为:太平洋经向海表温度和降水模态,即太平洋经向模态。回归分析结果表明, ENSO盛期的大气环流调整引起了热带大西洋和印度洋降水辐合带异常,并通过海面风场异常激发海盆内部的海洋–大气反馈,引起春季经向模态。进一步研究发现,冬、春季大西洋和印度洋热带辐合带分别位于赤道以北和以南,导致两个海盆经向模态的降水异常相对赤道呈反对称分布。在春季,太平洋经向模态的暖中心延伸到赤道上,引起西风异常,为后续El Ni?o的发展提供了有利条件。文章揭示了...     

北太平洋局地海洋-大气相互作用的主模态

本文分析美国国家大气研究中心(NCAR)的CCM3-ML耦合模式100 a积分模拟结果,依据对该模式结果中SSTA与海面风异常的最大协方差分析,证实的确存在北太平洋局地大气影响海洋和海洋"反馈"大气的主模态;指出通过局地海洋-大气的相互作用,冬季马蹄型海温异常可以持续到夏季,冬季大气对马蹄形暖海温异常可能的响应为高压异常,春夏季对马蹄形暖海温异常可能的响应为低压异常。     

热带海洋-大气耦合的主模态

依据1948年1月～2005年12月NCEP的海表温度(SST)和大气再分析的月平均资料,利用MCA方法,首次确定了代表全球热带海洋-大气相互作用的最主要信号的热带海洋-大气耦合主模态,该主模态随时间的变化与热带太平洋埃尔尼诺-南方涛动(ENSO)模态非常一致,揭示了该主模态包含以下海洋-大气相互作用物理过程:秋季印度尼西亚海洋-大陆区上空850 hPa出现异常的纬向风辐散和经向风辐合导致赤道东、中太平洋海温正异常,热带印度洋海温则出现东冷-西暖的—"偶极子"型异常;冬季热带太平洋出现典型的ENSO盛期对应的海洋-大气耦合型,在南海和热带远西太平洋出现低空反气旋环流异常,热带印度洋出现海盆一致增暖,而热带大西洋海温异常不明显;冬季热带太平洋和热带印度洋的SST异常可以导致春季赤道中太平洋西风异常,南海冬季风减弱,热带西北太平洋出现更明显的低空反气旋环流异常和赤道东风异常,热带西北大西洋出现西南风异常;该模态对夏季大气环流的影响主要表现为热带印度洋海盆一致模态对东亚季风的影响。     

新一代区域海-气-浪耦合台风预报系统

依托国家重点基础研究（973）计划项目"上层海洋对台风的响应和调制机理研究",中国气象局上海台风研究所联合国家海洋局的相关单位,通过实施近海台风的外场观测科学试验、加强台风边界层（特别是海气相互作用）物理过程诊断分析及参数化方案等的研究,建立并改进了台风强度预报的海-气-浪耦合预报模式系统,并在此基础上发展了台风强度的集合预报技术,在历史典型台风个例和2016-2017年台汛期的业务化测试中表现出良好的预报性能。     

热带西太平洋的海-气热交换特征及其与OLR的关系

热带西太平洋作为赤道附近最强的大气加热区,该区域内通过海-气界面上热量交换而实现的海-气相互作用,对大气温压场的转变,以及进一步影响大气环流的变化有着极重要的作用,为了对热带西太平洋区域的海洋和大气特征有更深的认识和了解,已有不少学者进行了大量的研究[6],尤其是作为“热带海洋与全球大气”研究计划(TOGA)一部分的“中美西太平洋海-气合作考察”所得到的一系列观测事实,更促进了这一区域的研究工作.     

热带印度洋和太平洋海气相互作用事件的协调发展

对次表层海温距平的分布和变化的分析表明,在热带印度洋和太平洋都存在海温距平的偶极子模态,即在赤道附近大洋东、西两个部分的海温距平在不少年份呈反符号分布。进一步分析表明,两大洋海温距平的偶极子模态间有密切的联系。在分析它们和850hPa纬向风距平后指出,正是Walker环流异常把两大洋的海温距平变化联系起来。     

北半球热带中太平洋与印度洋海表温度梯度对夏季西北太平洋热带气旋生成频数变化的影响

基于1951—2018年哈德里中心海温资料、美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心再分析资料和第四代欧洲中心汉堡模式, 针对1994年、2018年等西北太平洋热带气旋(TC)生成异常多的年份, 研究了引起TC增加的海表温度异常(SSTA)模态及其影响机制。结果表明, 北半球热带中太平洋增暖与印度洋变冷是夏季西北太平洋TC生成频数增加的主要原因, 北大西洋负三极型式SSTA促使TC生成的进一步增加。热带中太平洋增暖与印度洋冷却在菲律宾以东激发出西风异常和气旋性环流异常。北大西洋负三极型式SSTA在我国南海、菲律宾至东南沿岸激发出气旋性环流异常。前者在西北太平洋中部, 后者在南海产生有利于TC生成的局地环境。1994年和2018年夏季热带中太平洋出现暖SSTA、印度洋为冷SSTA、北大西洋呈现负三极型式SSTA, 西北太平洋TC生成频数极端增多。近30年来, 当出现热带中太平洋增暖和印度洋冷却时, 北大西洋表现出比1989年以前更强的负三极型式SSTA, 使西北太平洋TC生成频数和北半球热带印度洋-太平洋SSTA梯度的线性相关更显著。     

热带西南印度洋上升流区季节和年际变化研究及与印太系统海气相互作用

用59年Ishii再分析温度资料,讨论了热带西南印度洋(SWTIO)上升流区的季节和年际变化以及与上升流区有关的温度距平的变化,同时分析了其与热带印太海气系统的关系,结果显示SWTIO 上升流在南半球冬、夏季比较强,春季最弱。它的范围在5°~1°S,在东西向从50°E可以伸展到90°E。该上升流区的变化与温跃层的温度距平有密切的关系,并存在明显的5 a振荡周期。SWTIO上升流区温度距平的5 a周期振荡是由热带东印度洋温度距平在最大垂直温度距平曲面(MTAL)上向西沿着11.5°~6.5°S传播过来的,它与热带太平洋的温度距平传播方式不同。SWTIO上升流是热带印太海气系统的一个重要组成部分,印度洋偶极子 超前SWTIO上升流区温度变化5个月,最大相关系数达到0.57,NINO3区指数超前SWTIO上升流区指数2个月达到0.49。当热带印太区域的大气风场改变,影响热带太平洋和印度洋表层SSTA,出现ENSO和DIPOLE,进一步向西传播到SWTIO次表层,导致SWTIO上升流区出现改变。     

热带太平洋要素场与ENSO的非线性相关特征分析

为进一步揭示热带太平洋海气系统要素场之间的非线性相关特征,基于Hadley提供的海温场资料和美国国家环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)提供的海面风场和海面气压场资料,采用经验正交(EOF)分解和非线性典型相关分析法(NLCCA),分析了海温、海面风场和海面气压场三要素场之间的非线性相关性。结果表明,西太平洋暖池的异常暖状态和热带太平洋的西风异常与ENSO的非线性之间存在着密切关联。进一步引入奇异值分解方法(SVD),将其与NLCCA方法相结合,分析了热带太平洋海温场与海面风场、海面气压场耦合变化的关键影响区及其异性相关的分布特征。分析表明,热带太平洋西风异常和西太副高与ENSO循环之间存在较好的相关性。具体表现在:海温在中东太平洋地区出现异常增暖时,有助于加强东南亚地区的对流发展,促使东南亚地区季风的提前爆发;而东北太平洋副热带高压强度变化对北太平洋中部Nam ias海区海温距平的东西向振荡具有重要作用。研究为ENSO循环的非线性特性提供了有力的证明,也为ENSO的预测研究奠定了相关基础。     

ENSO and Indian Ocean dipole mode in three coupled GCMs

The simulated ENSO and Indian Ocean dipole (IOD) mode events from three coupled GCMs with the same oceanic component model, CPMO, CPM1 and FGCMO, are compared. The only difference between the CPMO and the CPM 1 comes from the coupling scheme at the air-sea interface, e.g., flux anomaly coupling scheme for the former and direct coupling scheme for the latter. The FGCMO is also a directly coupled GCM, but its atmospheric component model is the NCAR CCM3 rather than the NCC T63AGCM as in the other two coupled GCMs CPMO and CPM1. All three coupled models show E1Nifio-like interannual variability in the tropic Pacific, but the FGCMO shows a bit stronger amplitude of E1 Nifio events and both the CPMO and the CPM1 show much weaker amplitude than the observed one. In the meanwhile, the quasi-biennial variability dominates in the FGCMO simulations, and 4 a and longer periods are significant in both the CPMO and CPM 1 models. As the E1 Nifio events simulated by the three coupled GCMs, the simulated Indian Ocean dipole mode events are stronger from the coupled model FGCMO and weaker from both the CPMO and CPM1 models than those from observation.     

A dipole mode at thermocline layer in the tropical Indian Ocean

Temperature data at different layers of the past 45 years were studied and we found adiploe mode in the thermocline layer (DMT): anomalously cold sea temperature off the coast of Sumatra and warm sea temperature in the western Indian Ocean. First, we analyzed the temperature and the temperature anomaly (TA) along the equatorial Indian Ocean in different layers. This shows that stronger cold and warm TA signals appeared at subsurface than at the surface in the tropical Indian O-cean. This result shows that there may be a strong dipole mode pattern in the subsurface tropical Indian Ocean. Secondly we used Empirical Orthogonal Functions (EOF) to analyze the TA at thermocline layer. The first EOF pattern was a dipole mode pattern. Finally we analyzed the correlations between DMT and surface tropical dipole mode (SDM), DMT and Nino 3 SSTA, etc. and these correlations are strong.     

热带东印度洋SST对气候变暖和变冷的响应

The response of the eastern tropical Indian Ocean(ETIO) to heat fluxes of equal amplitude but opposite sign is investigated using the Community Earth System Model(CESM). A significant positive asymmetry in sea surface temperature(SST) is found over the ETIO—the warming responses to the positive forcing exceeds the cooling to the negative forcing. A mixed layer heat budget analysis is carried out to identify the mechanisms responsible for the SST asymmetry. Results show that it is mainly ascribed to the ocean dynamical processes, including vertical advections and diffusion. The net surface heat flux, on the contrary, works to reduce the asymmetry through its shortwave radiation and latent heat flux components. The former is due to the nonlinear relationship between SST and cloud, while the latter is resulted mainly from Newtonian damping and air-sea stability effects. Changes in the SST skewness are also evaluated, with more enhanced negative SST skewness over the ETIO found for the cooling than heating scenarios due to the asymmetric thermocline-SST feedback.     

热带印度洋-太平洋热力异常联合模及其指数定义研究

根据1955-2003年的全球海洋上层热含量资料,利用经验正交函数(EOF)分解法分析了热带印度洋-太平洋上层热含量距平场的时空变化.结果表明,无论在印度洋还是在太平洋,上层热含量距平场都存在着一种显著的东西向偶极型振荡,其年际变化与ENSO循环有密切的联系.据此定义了热带印度洋-太平洋热力异常联合模指数,功率谱分析和10 a滑动的t检验结果表明,该联合模具有显著的年际和年代际变化,并在1976年前后经历了一次由冷到暖的气候跃变.进一步分析还发现,该联合模的变化特征能较好地反映太平洋ENSO事件和印度洋偶极子事件的基本信息.     

First and second baroclinic mode responses of the tropical Indian Ocean to interannual equatorial wind anomalies

The combined and individual responses of the first and second baroclinic mode dynamics of the tropical Indian Ocean to the well-known Indian Ocean Dipole mode (IOD) wind anomalies are investigated. The IOD forced first baroclinic Rossby waves arrive at the western boundary in three months, while the reflected component from the eastern boundary with opposite phase arrives in five to six months, both carry input energy to the west. The inclusion of the second baroclinic mode slows down the wave propagation by mode coupling and stretches the energy spectrum to a relatively longer time scale. The total energy exists in the equatorial wave guide for at least five months from the forcing, as much as 10% of that of the atmospheric input, which mainly dissipates at the western boundary. The individual responses of the ocean to IOD interannual wind anomaly show that the significant modes of oceanic anomalies are confined to a wave guide of 10° on either side of the equator.     

Oxygen minimum zones in the eastern tropical Atlantic and Pacific oceans

Within the eastern tropical oceans of the Atlantic and Pacific basin vast oxygen minimum zones (OMZ) exist in the depth range between 100 and 900 m. Minimum oxygen values are reached at 300–500 m depth which in the eastern Pacific become suboxic (dissolved oxygen content <4.5 μmol kg⁻¹) with dissolved oxygen concentration of less than 1 μmol kg⁻¹. The OMZ of the eastern Atlantic is not suboxic and has relatively high oxygen minimum values of about 17 μmol kg⁻¹ in the South Atlantic and more than 40 μmol kg⁻¹ in the North Atlantic. About 20 (40%) of the North Pacific volume is occupied by an OMZ when using 45 μmol kg⁻¹ (or 90 μmol kg⁻¹, respectively) as an upper bound for OMZ oxygen concentration for ocean densities lighter than σ_θ < 27.2 kg m⁻³. The relative volumes reduce to less than half for the South Pacific (7% and 13%, respectively). The abundance of OMZs are considerably smaller (1% and 7%) for the South Atlantic and only 0% and 5% for the North Atlantic. Thermal domes characterized by upward displacements of isotherms located in the northeastern Pacific and Atlantic and in the southeastern Atlantic are co-located with the centres of the OMZs. They seem not to be directly involved in the generation of the OMZs.OMZs are a consequence of a combination of weak ocean ventilation, which supplies oxygen, and respiration, which consumes oxygen. Oxygen consumption can be approximated by the apparent oxygen utilization (AOU). However, AOU scaled with an appropriate consumption rate (aOUR) gives a time, the oxygen age. Here we derive oxygen ages using climatological AOU data and an empirical estimate of aOUR. Averaging oxygen ages for main thermocline isopycnals of the Atlantic and Pacific Ocean exhibit an exponential increase with density without an obvious signature of the OMZs. Oxygen supply originates from a surface outcrop area and can also be approximated by the turn-over time, the ratio of ocean volume to ventilating flux. The turn-over time corresponds well to the average oxygen ages for the well ventilated waters. However, in the density ranges of the suboxic OMZs the turn-over time substantially increases. This indicates that reduced ventilation in the outcrop is directly related to the existence of suboxic OMZs, but they are not obviously related to enhanced consumption indicated by the oxygen ages. The turn-over time suggests that the lower thermocline of the North Atlantic would be suboxic but at present this is compensated by the import of water from the well ventilated South Atlantic. The turn-over time approach itself is independent of details of ocean transport pathways. Instead the geographical location of the OMZ is to first order determined by: (i) the patterns of upwelling, either through Ekman or equatorial divergence, (ii) the regions of general sluggish horizontal transport at the eastern boundaries, and (iii) to a lesser extent to regions with high productivity as indicated through ocean colour data.     

太平洋中的主要起伏模态

对海洋中起伏运动(heaving)信号的时空分布研究能够帮助我们更好地了解气候系统中的年际和年代际变率。文章通过再分析资料和模式对太平洋区域的heaving主要模态进行了研究。研究结果表明: 太平洋区域主要存在两种heaving模态: 第一模态主要表现为赤道东西两侧的温跃层异常信号反位相; 第二模态表现为赤道区域和副热带区域的温跃层异常信号呈现反位相变化的规律。本文对这两个主要heaving模态所涉及的物理过程进行详细讨论, 结果表明: 东西反位相模态主要是受赤道波动调节的结果; 而经向结构模态则主要是由赤道地区的波动和副热带区域的风应力旋度异常作用共同导致。此外, 我们还讨论了heaving模态可以通过海洋波动以及Ekman输送等过程对海盆尺度的热输送(振幅约为5×10¹⁴W)以及海洋热含量(振幅约为1.5×10²⁰J)的再分配起到了关键的调制作用, 进一步表明heaving模态对全球气候变化有着重要的作用。