热带太平洋次表层三维海温距平场的EOF分析

应用太平洋次表层海温距平资料构造了一个立体的西低东高的四级阶梯模型,使用EOF方法对此模型进行时空分解,重点讨论了分解结果与ENSO循环的关系,并对Nino 3距平指数进行试预报,结果表明,用 EOF分解的第一主分量代表暖池-厄尔尼诺(拉尼娜)模态,第二主分量代表次表层温度距平的东西运移模态,厄尔尼诺事件正是东西运移模态突变的结果.时滞相关分析估算,一次ENSO循环的平均周期约为41个月,厄尔尼诺、拉尼娜模态与温度距平的东西运移模态的位相差平均约为9.7个月.应用逐步回归方法得到超前Nino 3距平指数3、6和12个月的3个预报方程.预报结果表明,第一、第二时间系数对Nino 3距平指数均具有一定的预报价值,预报时效可达1 a左右.     

赤道太平洋次表层海温距平的EEOF分析及与厄尔尼诺的关系

通常气候变量场在时间上存在着显著的自相关及交叉相关,扩展的经验正交函数(ExtendedEOF,以下记作EEOF)分析是在经典的EOF基础上发展而来的,它同时考虑了要素的空间和时间相关性,可以得到变量场的移动性分布结构。本文通过对赤道太平洋次表层海温距平(SOTA)场的EEOF分解,发现第一特征向量是关于ElNino的模态,它反映了ElNino的发生持续消亡的整个过程,对应的时间系数(第一主分量)与Nino3指数有很好的同时相关。第二特征向量是关于西太平洋暖池的模态,它反映了西太平洋暖池从暖位相到冷位相(同时东太平洋从冷位相到暖位相)的过程,第二主分量与滞后6～10个月的Nino3指数有很好的相关性。这两个主分量不但有助于了解赤道太平洋海温异常的过程,而且为厄尔尼诺的预报提供了重要线索。     

太平洋次表层海温异常年际变率的信号通道与ENSO循环

利用SODA海洋同化资料,分析了太平洋次表层海温异常(SOTA)年际信号变异特征与ENSO循环的联系。结果表明,热带太平洋的年际变率表现为以160°W为纵轴的东西向和以6°—8°N为横轴的南北向的跷跷板分布,南太平洋和北太平洋中高纬度海洋的SOTA则与热带西太平洋SOTA同号,但强度较弱,这些变化都与ENSO事件密切相关,是ENSO事件的两个主要模态,具57和44个月显著周期。ENSO循环期间,热带西太平洋SOTA强信号中心沿赤道东传,到达赤道东太平洋后加强并北扩,导致ElNi?o或LaNi?a事件,同时从热带西太平洋有较弱SOTA信号向东北和西南传播,在南、北太平洋中高纬度海域产生弱SOTA;同期位于热带东太平洋反号的SOTA强信号中心沿10°—15°N(平均12°N)西传,至热带西太平洋后加强并南扩,为下次LaNi?a或ElNi?o事件准备条件,同时在北太平洋中高纬度海洋还存在着反号弱的SOTA。如此周而复始,完成ENSO循环。太平洋次表层海温年际变化信号除在赤道及以北的热带太平洋存在一个逆时针方向的传播通道外,同时在热带西太平洋有异常信号向南、北太平洋中高纬度海域传播,并指出ENSO循环期间太平洋次表层海温异常年际变率信号传播的可能通道。     

赤道太平洋次表层海温异常年际和年代际变率特征与ENSO循环

用美国马里兰大学提供的海洋同化(SODA)月平均资料,分析了赤道太平洋次表层海温异常年际和年代际变率的演化特征,讨论了它们对ENSO循环的影响.结果指出,赤道太平洋次表层海温异常年际和年代际变率具相似的ENSO模分布和演变过程,二者均以赤道西太平洋暖池次表层海温显著的异常中心与赤道东太平洋表层海温异常中心显著反号为主要分布特征,其演变过程通过赤道西太平洋暖池次表层海温异常中心沿海洋气候温跃层向东向上传播来完成.赤道西太平洋暖池次表层海温异常年际变率决定了ENSO循环,年代际变率对ENSO循环也有重要影响,其影响主要在中太平洋, 造成ENSO模的年代际变化.当年代际变率处于正常状态时,ENSO循环基本上是东部型冷暖事件之间的转换;当年际和年代际变率位相相同时,ENSO事件强度将会加强和持续,并出现中部型ENSO事件;当二者位相相反时, ENSO事件强度将会减弱.     

赤道太平洋温度、流场距平EOF分析及与厄尔尼诺的关系

利用EOF分析方法,讨论了最近20a赤道太平洋次表层温度、纬向流距平与厄尔尼诺的关系.结果表明:赤道太平洋海温距平EOF分析第一、二主分量占总量的近80%,其中第一主分量类似于厄尔尼诺模态,第二主分量类似于暖池模态;后一模态存在着突变和渐变两种过程,其中由冷位相变暖位相过程为渐变过程,而暖位相变冷位相过程为突变过程.厄尔尼诺事件是赤道西太平洋暖池突变过程的结果.赤道太平洋纬向流距平EOF的第二主分量代表赤道西太平洋潜流和东太平洋南赤道流的变化,这个模态存在着半年左右的振荡和与厄尔尼诺同位相的年际振荡两种频率.另外,它还存在明显的年代际变化.赤道西太平洋潜流和东太平洋南赤道流减弱是产生厄尔尼诺的必要条件.统计回归分析表明,赤道太平洋海温距平和纬向流距平EOF的第二特征向量的时间系数对厄尔尼诺和拉尼娜均有一定的预报意义.     

赤道太平洋-印度洋海温异常综合模与次表层海温异常

通过对1958-2001年的SODA海温资料进行经验正交函数分解,得到了太平洋-印度洋海温异常综合模态,该模态在海表及次表层的时空演变特征的分析表明,在赤道西印度洋、中东太平洋的海温偏高(低)时,赤道西太平洋、东印度洋的海温偏低(高)。该综合模态既有年际变化特征,还有年代际变化特征,在20世纪70年代中后期由以负指数为主转变为以正指数为主。对1958-2001年强正、负指数事件合成分析结果得知,综合模也存在着显著的年变化特征,在2-4月份偏弱,最强出现在10月份。西太平洋暖池次表层与赤道东太平洋次表层、赤道东印度洋次表层与西印度洋次表层有一种反位相的变化。次表层海温异常在东太平洋、西印度洋分别沿着南北纬10°左右向西太平洋、东印度洋传播并向赤道扩展,西太平洋、东印度洋的次表层海温异常则分别沿赤道向东太平洋、西印度洋传播汇聚。     

1980～1999年热带太平洋次表层盐度年际变化同化数据分析

通过统计方法利用一套海洋同化数据分析了热带太平洋次表层的盐度变化特征.结果表明次表层盐度的年际变化与ENSO相关,且次表层盐度信号区域呈东西方向“跷跷板”的分布.对影响这些次表层的盐度信号区域平均的纬向平流、经向平流、垂直运动和淡水通量异常等因素进行了分析,并且与影响表层盐度年际变化模态的影响因素差异进行了比较,结果表明,纬向平流的异常对表层盐度的异常变化影响较大,而对次表层盐度异常有较大影响的是海水的垂直运动异常.     

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。     

一个以物理因子为典型场的海温距平客观分类法及其分型结果

分类法是分析事物变化规律的重要手段之一，在水文气象上用得较普遍。目前不少水文气象要素场的分型研究工作，是根据场的外型特点进行分类，缺乏明确的成因物理基础；而且结果可因人而异，分型指标缺乏客观性和定量性，影响了规律性的正确揭露及其使用效果。     

北太平洋表层水温月距平的优势期

本世纪60年代,Namias研究了北太平洋的海温变化[1]指出,北太平洋海温距平最大中心位于35°～45°N、155°E～175°W的广大洋区,因而该区被称为Namias区.同一时期,Bjerknes着重研究了赤道东太平洋海温的异常变化[2],发现了3～5a的低频振荡.     

赤道外北太平洋冬夏海温场的EOF分析

利用较高分辨率的SODA资料,对赤道外北太平洋海洋上层各层的海温,特别是对中纬度北太平洋海温明显异常的海域(其被定义为关键区)做了海温的EOF分析,得到以下结论:北太平洋第一模态空间场上,冬、夏在中纬度北太平洋中西部均有较强正值带出现。在关键区第一模态空间场上,冬、夏两季近表层在日本本州岛的东、西面海域均分别有较强正值区,而次表层则仅存前者;这表明近表层海温(前者)受辐射、蒸发等影响明显,而次表层海温(后者)则其主要受流场垂直运动的影响,前者属海温的热力变化而后者则属海温的动力变化,两者性质不同。北太平洋和关键区的第一模态冬、夏海温变化的趋势均相近,两者在年尺度上均有持续性;两者的年际变化冬、夏均不明显,但均有明显的约20年的年代际变化;两者时间系数的演变均与太平洋年代际振荡(PDO)中的冷、暖位相期有较好的对应;这两个模态均可称为PDO模态。     

ENSO事件次表层海温的两个模态及其对大气环流的影响

利用SODA海洋同化资料和NCEP再分析大气资料,分析了热带太平洋次表层海温异常(subsurfaceoceantemperatureanomaly,SOTA)与厄尔尼诺与南方涛动(ElNi?o-SouthernOscillation,ENSO)循环的联系,及SOTA对大气环流的影响。回顾传统ENSO研究,指出存在的问题,提出了ENSO影响大气研究的新思路,得到以下结果:(1)以SOTA为基本资料的研究发现, ENSO事件有两个模态,主要出现在冬季的第一模态对冬季及夏季亚洲-北太平洋-北美地区上空中高纬大气环流有重要影响,主要出现在夏季的第二模态对该地区上空夏季热带和副热带大气系统有重要作用。(2)ENSO事件通过与ENSO相联系的热带太平洋海面温度异常(ENSO-relatedseasurface temperatureanomaly,RSSTA)对大气的异常热通量输送,强迫Walker环流和Hadley环流变化,导致热带和北太平洋及周边地区上空大气环流异常,进而影响相关地区冬季和夏季的气候。(3)海表面温度异常(seasurfacetemperatureanomaly,SSTA)包含RSSTA和大气异常导致的海温变化(sea temperature anomaly caused by atmospheric anomaly, STA)两部分, RSSTA是ENSO事件过程中海洋内部热动力结构调整导致的海面温度变化,在海洋对大气的热输送过程中,它随ENSO事件演变不断更新;STA是大气受RSSTA海洋异常加热后导致的大气环流异常对海面温度的影响,在海洋浅表层STA对RSSTA有重大影响。本文最后讨论了ENSO事件期间热带海洋对大气热输送过程,指出ENSO事件通过海洋内部热动力结构调整产生RSSTA,它直接对大气异常加热,导致大气环流和气候异常,局地海气之间负反馈过程产生STA,反过来抑制RSSTA。结果还指出,人们常用的SSTA变率实际上主要由秋冬季节RSSTA主导,丢失了春夏季ENSO信息,用SSTA研究ENSO事件存在局限性,这也可能是ENSO事件春季预报障碍的原因之一。     

西太平洋暖池和东太平洋暖池变异对ENSO的联合影响

基于热带太平洋SST和850 hPa风资料,分析了西太平洋暖池东界和东太平洋暖池南界的年际和年代际变异,并探讨了赤道太平洋纬向风异常对西太平洋暖池纬向运移的驱动作用以及热带东北太平洋经向风异常对东太平洋暖池经向变动的影响。在此基础上,研究了西太平洋暖池和东太平洋暖池变异对ENSO循环的联合影响,并提出了一个联合影响指数。结果表明,当联合指数为1.6时,有可能出现一次新的El Nino事件。这为ENSO的形成和演变机制研究提供了一个新的线索。     

副热带南北太平洋经向模与ENSO的关系

本文利用Hadley中心的海表面温度、海洋再分析资料ORAS4(Ocean Reanalysis System 4)的海表面高度、NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的海气界面风场及热通量等数据,分析了1948-2018年期间副热带南、北太平洋经向模(S...     

基于SODA数据的印度洋表层和次表层热含量变化及其与ENSO的关系

采用1950年1月至1999年12月SODA海洋上层温度的月平均资料及同期的NCEP月平均风场资料,研究了印度洋表层和次表层热含量年际变化的特征以及与海面风场的关系.通过对热带印度洋海区上层热含量异常的经验正交函数分解,发现表层与次表层热含量主要模态的分布不同,表层热含量主要模态的时、空分布与前人对海表温度(SST)异常的研究结果基本一致,第一模的空间分布为全海盆一致型,春季(夏季) 表层热含量第一模的时间序列与前一年的秋季(冬季)Ni(n)o3区SST异常的时间序列有密切的关系;第二模的空间分布为东西偶极子型,并在秋季与4-8个月前的Ni(n)o3区SST异常有密切的关系;次表层热含量异常第一模为东西偶极子型,冬季热带太平洋异常通过影响印度洋的海面风导致的海洋动力调整,进而影响印度洋次年春季次表层热含量东西偶极子型异常; 次表层热含量异常第二模在10°S以北是全海盆一致型,但却与Ni(n)o3区SST异常在统计学上无关.     

北方涛动和南方涛动与太平洋海温关系的对比分析

本文对太平洋气压场和海温场相互关系的分析,不仅证实了近年来一些研究提出的北方涛动与赤道东太平洋海温变化的关系,而且进一步揭示了北方涛动与太平洋海温相关最显著区域是在赤道太平洋日界线以东附近、Namias海区和加利福尼亚洋流区,而南方涛动与东太平洋和秘鲁沿岸的海温关系密切.并发现南、北方涛动虽处于同一3-4年的振荡系统中,但对各次埃尔尼诺过程而言,南、北方涛动指数的极值和相对强度都不尽一致.分析表明,埃尔尼诺现象的三种不同增温类型与南、北方涛动影响赤道太平洋海温在空间上的差异,以及位相和相对强度的不同匹配状态有相当程度的联系.     

西北太平洋海温与影响我国北部海区冷空气的关系

本文统计分析了西北太平洋海温场与冷空气过程次数的相关关系,结果得出：西北太平洋海温场对冷空气过程次数的影响关系较为密切,对有些月份的影响,表现出很强的持续性和稳定性。其冷空气过程次数的多年和少年的海温距平场分布特征对比十分明显。     

南极气候和海冰的时空变化特征及其与太平洋海温场的关系

应用1973～1999年南极气温和海冰资料,分别对它们进行了统计分析,结果表明,南极的最低温度中心位于东南极大陆(东方站),这种分布特征是与南极地形相对应的.南极东方站的年平均地面气温是-55.3℃;地面最高气温出现在12月至翌1月,其温度为-32.1℃;地面最低气温出现在8月,其温度为-68.2℃.南极各地区的地面气温具有不同的变化特征.根据温度的变化特征,将南极的气候分为4种类型:南极大陆型、南极半岛型、东南极沿岸型和海湾型.近年来南极半岛的气温有明显升高的趋势,而东南极沿岸的气温有明显下降的趋势,它们的变化呈明显的反位相.南极海冰与南极气温变化有较好的对应关系,气温升高的南极半岛的海冰有减少的趋势,而气温下降的东南极的海冰有增加的趋势.这种结果很难用温室效应来解释南极与全球气候变化的差异.东南极海冰变化与南太平洋的海温场存在密切关系,其影响过程是通过南极海冰范围的异常增加或减少,直接影响南极绕极流的冷暖结构及其异常冷暖水的经向输送,从而导致热带和副热带太平洋上层海温场的异常变化.     

南海次表层盐度的低频变化及与太平洋年代际振荡的关系

南海是西北太平洋最大的边缘海, 是联系北太平洋和北印度洋的关键通道。黑潮北上经过吕宋海峡时会将来自西太平洋的信号传入南海, 进而影响南海的水动力环境。研究了南海次表层盐度的空间分布特征、低频变化规律及其与太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)的关系, 并进一步探究了次表层盐度近年来的变化。结果显示: 1)南海次表层高盐水的位势密度主要介于24~26σ_θ, 受次表层气旋式环流所驱动, 盐度气候态空间分布北高南低, 以吕宋海峡处为起点, 呈逆时针自北向南逐渐降低。2)次表层盐度低频变化显著, 与PDO呈显著的正相关关系。当PDO处于正位相时, 吕宋海峡处西向平流输送加强, 次表层盐度升高; 当PDO处于负位相时, 吕宋海峡处西向平流输送减弱, 次表层盐度降低, 盐度的变化受到水平环流场的直接影响。3)近年来, 南海次表层盐度呈现先降低后升高再降低的趋势, 滞后PDO约10个月, 2006— 2014年初, 盐度呈下降趋势; 2014—2017年初, 盐度呈上升趋势, 且上升速率远大于先前下降的速率; 2017年后盐度再次逐渐降低。