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.     

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。     

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.     

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.     

ENSO循环及相关研究综述

ENSO（El Nino ＆ South Oscillation）是热带海气相互作用的强信号,对全球气候异常有着重要影响。本文着重论述近几十年来ENSO循环与相关海一气系统相互作用的研究现状。首先从线性、非线性两方面阐述了ENSO循环的正负反馈机制;其次,详细论述了西太平洋暖池、热带大气环流和中高纬海一气系统与ENSO循环相互作用的物理过程和机制;最后,从统计预测和数值预测两方面对ENSO的预测现状进行了评述。     

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     

简化ENSO预测模式的改进试验

利用NCEP的海洋模式同化资料,对Cane-Zebiak简化海气耦合模式的海洋动力要素进行对比分析.结果表明,该模式的大气部分能够较好地模拟出海温强迫下的大气风场异常,而海洋部分的模拟结果与实况相比存在较多虚假的偏暖偏冷事件以及对El Nino事件的模拟强度偏小等问题.这主要与海洋模式中混合层厚度选取较浅,导致垂直上翻温度平流的贡献削弱有关.试验结果证明,适当加强该项的强度可提高模式的预报能力.     

印度洋对ENSO事件的响应:观测与模拟

观测事实显示,在El Ni(n～)o期间,伴随着赤道中东太平洋表层海温(SST)的升高,热带印度洋SST出现正距平.作者利用海气耦合模式模拟了印度洋对ENSO事件的上述响应,并进而讨论了其物理机制.所用模式为法国国家科研中心Pierre-Simon-Laplace 全球环境科学联合实验室(IPSL)发展的全球海气耦合模式.该模式成功地控制了气候漂移,能够合理再现印度洋的基本气候态.观测中与ENSO相关的热带印度洋SST变化,表现为全海盆一致的正距平,并且这种变化要滞后赤道中东太平洋SST变化大约一个季度,意味着它主要是对东太平洋SST强迫的一种遥响应,模式结果也支持这一机制,尽管模式中的南方涛动现象被夸大了,使得模拟的与ENSO相关联的SST正距平的位置南移,阿拉伯海和孟加拉湾被负距平(而不是正距平)所控制.研究表明,东太平洋主要通过大气桥影响潜热释放来影响印度洋SST变化.赤道东太平洋El Ni(n～)o事件的发展,导致印度洋上空风场异常自东而西传播;伴随着风场的变化,潜热发生相应变化,并最终导致SST异常的发生.非洲东海岸受索马里急流控制的海域,其SST的变化不能简单地利用热通量的变化来解释.证据显示,印度洋的增暖是ENSO事件发生的结果而不是其前期信号.     

ENSO动力学及其数值模拟的研究评述

文章系统地评述了ENSO事件的观测事实及热带海-气相互作用方面的动力学、数值模拟研究进展,并指出了有待解决的主要科学问题和发展前景。     

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。     

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。     

ENSO循环的数值模拟(Ⅱ)──变化性及时间尺度选择机制

利用热带太平洋海气耦合异常模式的３０ａ模拟结果，对模式ＥＮＳＯ的变化性及多重时间尺度过程进行了细致分析，建立了一ＥＮＳＯ循环多重时间尺度过程相互作用的非线性相似（Ａｎａｌｏｇ）模型，并提出了ＥＮＳＯ循环主周期形成的一种可能机制。指出：和观测事实类似，模式ＥＮＳＯ过程确实涉及到三种时间尺度，即３—４ａ主周期振荡（ＬＦ）、准两年振荡（ＱＢ）和年循环（ＡＣ）；其中，ＱＢ过程是线性海气耦合系统的本征模态，年循环（ＡＣ）对其形成没有本质的影响；３—４ａ主周期振荡（ＬＦ）是一非线性系统的自激振荡现象，其形成是线性系统的本征模即ＱＢ过程通过非线性机制尤其是通过大气辐合反馈加热的“单向性”过程在ＱＢ的暖态产生的减频增幅所致；平均年循环（ＡＣ）虽然不能对ＥＮＳＯ循环形成有本质影响，但它可明显影响ＥＮＳＯ循环的具体振幅和位相，使得ＥＮＳＯ循环具有明显的不规则性并对季节循环具有明显的“锁相”特征；ＥＮＳＯ变化性确是ＬＦ、ＱＢ以及ＡＣ多重时间尺度相互作用形成的。本文提出的ＥＮＳＯ循环时间尺度选择机制不仅解释了主周期振荡的形成过程，而且也较好地解释了ＥＮＳＯ变化的谱，因此，这一机制更接近于观测事实。     

ENSO循环年代际变化及其数值模拟

从20世纪70年代后期的观测资料分析中显示了全球气候的年代际变化, 同时也表现在热带太平洋上最重要的海气耦合现象ENSO的年代际变化上。本文利用中国科学院大气物理研究研究所 (IAP) 大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 (LASG) 的气候系统海洋模式 (简称LICOM), 对ENSO的年际以及年代际变率进行模拟, 结果表明LICOM基本能够模拟出ENSO年际变化的特征, 通过对海洋上层热含量的计算以及对热量和质量输送的变化分析, 能够看到模式中ENSO循环中的反馈机制与理论研究的结论是一致的。同时, 作者还发现模式能够重现ENSO循环的年代际变化特征, 例如周期、 传播方向和冷暖事件不对称性等特征的模拟也基本接近观测事实, 其中重点分析了冷暖事件的不对称性与非线性加热 (NDH) 之间的关系, 进一步分析还发现ENSO的强度、 不对称性与海洋内部的非线性过程之间在年代际尺度上也存在密切的关系。但是, 模式模拟与观测结果之间仍然存在着一定的误差, 模式有待于进一步改进。     

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.     

东亚区域极端气候事件变化的数值模拟试验

使用ResCM2区域气候模式,嵌套澳大利亚CSIRO R21L9全球海气耦合模式,进行了温室效应（二氧化碳加倍）对东亚（主要是中国区域）极端气候事件影响的数值试验。控制试验的结果表明,区域模式能够较好地模拟中国区域的极端气候事件。对温室效应引起的它们的变化进行了信度检验,分析结果表明,温室效应将引起日最高和最低气温增加,日较差减小;使得高温天气增多,低温日数减少。降水日数和大雨日数在一些地区将增加。同时还会引起影响中国的台风活动的变化。     

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。     

区域海气耦合模式对1997/1998年我国夏季气候异常的数值模拟

利用区域海气耦合模式(RegCM3-POM)设计不同的耦合时步,对我国1997/1998年夏季气候异常进行数值模拟,研究不同耦合时步对模拟结果的影响,并将耦合试验结果与单独的大气模式(RegCM3)的模拟结果进行对比分析,以验证RegCM3-POM对东亚地区气候异常的再现能力。模拟结果表明,耦合模式不同的耦合时步试验都较好地模拟出1997/1998年夏季海温的分布,对于1997/1998年海温的差异模拟结果也较为可信。以6小时作为耦合时步的耦合试验,能更好地模拟出1997年华北夏季干旱及1998年我国东部异常洪涝的特征。耦合模式对1997年华北干旱的模拟效果最为理想,而对1998年降水模拟性能较单独的大气模式结果也有一定程度的提高。在对夏季中低层(500 hPa及以下)环流场的模拟中,耦合试验表现出较好的模拟能力。从水汽输送的分析中可以看出,耦合模式能更好地模拟出1997/1998年夏季来自海洋上的水汽输送,与1997年相比,从海洋上输送到我国东部地区的水汽偏多,耦合试验较好地模拟出1997/1998年的水汽输送特征及二者之间的差异,单独的大气模式的模拟结果较差。     

南海海域海-气耦合模式及其数值模拟试验

在ＮＣＡＲ区域气候模式ＲｅｇＧＭ２和普林斯顿海洋模式ＰＯＭ基础上发展适用于区域海－气相互作用研究的区域海－气耦合模式,模式采用同步耦合、海洋模式将海表温度提供给大气模式,大气模式为海洋模式提供太阳短波辐射、感热能量、潜热通量。海洋与大气模式每１５ｍｉｎ交换一次通量。耦合过程没有使用通量校正。使用该模式对中国南海区域１９９５年５－７月大气和海洋进行了模拟试验,将模拟结果与ＣＯＡＤＳ通量强迫的模拟结果     

热带西太平洋风应力异常在ENSO循环中作用的数值试验

利用一个中等复杂程度的海气耦合模式来研究热带西太平洋地区风应力异常对ENSO循环的影响,并以1997/1998年的El Nino事件为例,分析了模式结果中热带西太平洋地区风应力异常对El Nino事件形成影响的动力学及热力学作用.结果表明,热带西太平洋地区的风应力异常对ENSO循环有很重要的作用.在耦合模式中,当热带西太平洋地区的风应力异常由观测给定时,耦合模式基本上可以模拟出自1971年以来的EI Nino事件,观测与模拟的Nino 3区海面温度异常(SSTA)的相关系数可达0.63.赤道西太平洋地区的风应力异常可加强该地区大气的辐合,从而加强了大气的加热场,进而加强了海气相互作用的不稳定.赤道西太平洋地区西风异常激发出来的Kelvin波及水平平流对EI Nino事件初始阶段的发展起重要作用;海气相互作用及东边界的反射对EI Nino事件的发展及维持起重要作用.