印度洋偶极子向海盆一致模转变的年代际变化及其成因

利用3种百年时间尺度的海温资料,探讨了印度洋偶极子(India Ocean Dipole,IOD)向海盆一致模(Indian Ocean Basin,IOB)年际转变的年代际变化,结果发现1940—1970年几乎不存在这一转变现象,1970年以后该现象则十分显著。研究表明,IOD与ENSO之间海气耦合作用的年代际变化是这一转变现象的主要原因,1940—1970年IOD与ENSO之间发生发展相互独立,而1970年以后联系密切。通过进一步对物理量场的诊断分析,揭示了其中主要的动力机理:1970年以前,热带印度洋上空形成的季风环流异常无法与热带太平洋的沃克环流异常进行耦合,IOD事件发生时无法与热带太平洋产生联系。反之,1970年以后,热带两大洋上空两个纬圈环流异常之间耦合作用强烈,正(负) IOD事件发生时,通过海气相互作用,促进El Niño (La Niña)发展,印度洋又会受到来自ENSO的正反馈作用。因此这种“齿轮式”耦合模型能一直持续到冬季和次年春季,热带印度洋上空持续受到东(西)风异常的影响和低层环流的引导,西印度洋有次表层暖水的流入(出),加上印度洋本身海盆尺度较小,西边的暖(冷)水区显著增大,东西海温异常差异迅速减小并向海盆一致变暖(冷)转变,导致了后期冬季、春季正(负) IOB事件的出现。     

热带印度洋偶极子模态的不对称性及其成因的数值研究

热带印度洋偶极子 (Indian Ocean Dipole) 是印度洋海域内海洋和大气环流年际变化的主要特征模态之一, 在热带海气耦合系统中起到非常重要的作用。同热带太平洋的ENSO现象类似, 热带印度洋偶极子也呈现出显著的不对称性。本文利用中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋环流模式, 在观测风应力距平的强迫下, 评估了模式对热带印度洋季节变化、 热带印度洋偶极子 (IOD) 模态及其不对称性的模拟能力, 并且通过数值试验分析了IOD模态不对称性特征及其对气候平均态的影响。对照观测资料, 模式较好地再现了热带印度洋SST在季风驱动下的季节变化特征。在年际时间尺度上, 模式不仅能够再现IOD指数的变化趋势, 而且可以成功模拟出IOD模态的空间分布特征, 即表层和次表层海温在西印度洋表现为正异常, 在东印度洋表现为负异常。可见, 对于热带印度洋而言, IOD模态主要是对风应力异常的响应。热带印度洋海温与Niño3.4指数的相关性分析表明, 模式能够模拟出超前热带太平洋ENSO现象2～4个月时海温的偶极子型分布, 但是不能模拟出滞后ENSO现象2个月左右的全海盆增暖模态, 可能是因为模式试验中没有考虑热通量年际异常的强迫。同时, 模式模拟的IOD模态具有同观测结果相类似的不对称性, 进一步的敏感性试验表明风应力的不对称性对偶极子指数的不对称性贡献较小, 次表层及以下海温的不对称性可能主要受到海洋内部非线性动力过程的影响。通过数值试验, 本文还发现热带印度洋海温的不对称性对气候平均态会有影响, 而这种不对称性长期积累后, 会导致上层热带印度洋温度层结趋于稳定状态。     

10月份热带印度洋海气耦合的统计动力诊断

本文将热带印度洋10月份的大气风场和海洋上层流场看作一个整体, 对其作了动力统计诊断, 即作了复EOF分析, 考察了其年际和年代际变化, 并揭示其与印度洋偶极子 (IOD) 和ENSO的关系。结果表明: 在同一模态中, 海洋模态表现出很强的赤道俘获现象, 而大气则无此现象; 第一模态为印度洋偶极子模态; 第二模态为ENSO前期在印度洋的延伸模态。前2个模态的风场都揭示了Walker环流异常的结构; 印度洋海温的年际变化主要取决于印度洋地区的海气耦合状态, 但太平洋的ENSO循环对其也有一定影响。     

近20年来热带印度洋与热带太平洋海气系统相互作用特征的诊断研究

利用1979年1月～1998年12月的月平均海表温度(SST)、向外长波辐射(OLR)和l000hPa纬向风速等NCEP/NCAR再分析资料，对近20年来热带印度洋与太平洋海温异常(SSTA)及相关的环流特征量进行综合分析和研究，发现热带印度洋的内部耦合动力特征模态—偶极子模的强度，存在着年代间的差异，80年代偏弱，90年代偏强。热带印度洋与热带太平洋海气耦合系统之间存在着相互作用，80年代热带印度洋的SSTA主要是对太平洋ENSO的响应，90年代太平洋ENSO的异常发展在一定程度上是受印度洋偶极子模态异常活跃影响的结果。从观测资料诊断分析的角度，找出了90年代后ZC耦合模式对ENSO事件预报失败的可能原因。     

赤道印度洋-太平洋地区海气系统的齿轮式耦合和ENSO事件 II.数值模拟

首先应用IAP/LASG GOALS气候模式的多年积分的结果，对赤道中西太平洋和印度洋 的SST和纬向风场进行分析，发现在模式中也同样存在与观测资料分析结果相似的“印太齿 轮式耦合”。基于此，设计了赤道太平洋和印度洋海域纬向风应力异常的4组敏感性试验， 去研究太平洋和印度洋海气相互作用的联系。结果表明，在太平洋或印度洋上的大气异常 信号通过印-太齿轮组合（GIP）作为桥梁（atmospheric bridge），影响到另一地的海气 相互作用，从而将太平洋上的ENSO类年际变率信号与印度洋环流和亚洲季风纬向分量的变 化联系起来。     

ENSO与印度洋海盆海温多尺度相互作用及其对气候影响的研究进展

系统回顾了近年来有关ENSO与印度洋海盆海温多时间尺度相互作用及其气候效应研究的相关成果。主要包括年际和年代际时间尺度上,ENSO与印度洋海盆海温之间相互联系的基本事实和机制,以及与之相关的气候影响,特别是上述联系对亚洲季风系统及气候异常的影响。在年际尺度上,ENSO通过“大气桥”过程主导着印度洋海温变化,而后者的异常也可通过纬向环流的“齿轮式耦合”对ENSO产生影响。在年代际尺度上,一方面印度洋海盆海温显著的夏季增暖可能来自ENSO暖事件持续时间的年代际延长,另一方面印度洋秋季海温空间分布模态的年代际变化,则对ENSO暖事件强度的年代际增强具有贡献。二者的多时间尺度相互作用进而通过影响大气和海洋环流、辐射反馈、蒸发降水等多种海气耦合过程产生显著的气候效应。研究成果表明印度洋海温变化对亚洲乃至全球气候异常的重要作用。在回顾上述研究成果的基础上,讨论了进一步研究ENSO与印度洋海盆海温多时间尺度变率影响全球气候的前景和重要意义。     

前期热带海温分布型对6月西北太平洋异常反气旋环流的影响

研究了前期热带海温分布型对6月西北太平洋异常环流的影响。结果表明,奇异值分解(SVD)的前期夏季、秋季至冬季热带海洋第一模态呈现出印度洋全海盆一致型海温异常和东太平洋西伸显著的ENSO事件,该模态与6月西北太平洋反气旋(气旋)环流场没有明显的关联。在第二模态中,前期热带太平洋海表温度呈现为ENSO正位相向负位相转换特征,印度洋海表温度变化呈现出赤道东南印度洋（90～110 °E,10 °S～0 °）显著的准IOD事件的变化特征。而这一联合模态与6月西北太平洋异常反气旋(气旋)环流场有显著关联。关联的可能原因是前期海温为El Ni?o和正IOD时,横跨热带印度洋-太平洋的沃克环流的减弱导致在西太平洋-海洋大陆的负降水异常,在Matsuno-Gill效应下西北太平洋形成反气旋异常环流。同时由于两大洋的共同作用和局地海气相互作用使得该环流加强并维持到6月。      

中低纬海气相互作用的耦合模态变化研究

利用1948—2003年的NCEP再分析资料和英国气象局Hadley气候预测和研究中心的海表面温度资料,从整体分析地球中低纬三大洋海气耦合系统的角度出发,使用SVD方法研究中低纬海气相互作用的耦合变化。结果表明,中低纬海气相互作用是一个有机的耦合整体,其变化不管从年际还是年代际上都存在耦合相关性,这一点给我们提出了一个新的研究全球范围海气耦合变化的思路。提取的海气耦合基本模态的正、负异常年份的海温和风场异常合成分析结果显示,当赤道东太平洋的海水偏暖时,热带印度洋和热带大西洋的海水也偏暖,热带西太平洋直至中纬度太平洋的海温总体偏冷。就印度洋而言非洲大陆以南30~50 °S的大片海区存在明显的海温负异常。北美洲大陆的东岸30 °N以北和南美洲大陆的东岸30 °S以南的海区都为明显的海温负异常。当赤道东太平洋的海水偏冷时各大海区的海温分布情况反之。      

印度洋海气相互作用对热带夏季大气环流气候态的影响

利用分辨率较高的SINTEX-F(Scale INTeraction EXperiment-FRCGC) 海气耦合模式, 进行多组长时间积分模拟和理想试验, 分析研究热带印度洋海气耦合对夏季大气环流气候态的影响。主要结果有: (1) 热带印度洋海气相互作用使热带东印度洋产生明显的东风变化, 使热带中西太平洋赤道北部产生气旋性切变变化。 (2) 印度洋海气相互作用对大气环流气候态的影响绝大部分由于大气对海气相互作用的响应存在年际变化正负距平不对称性造成, 这种年际变化不对称性包括正偶极子与负偶极子的不对称、 海盆宽度正异常与海盆宽度负异常的不对称。 (3) 年际和季节内两种时间尺度海气相互作用对印度洋关键区大气环流平均态都有影响, 约各占60%、 40%; 季节内尺度海气相互作用对太平洋近赤道区大气环流平均态有重要影响; 年际尺度海气相互作用对太平洋赤道外地区大气环流平均态有重要影响。热带印度洋年际尺度、 季节内尺度海气相互作用对大气环流气候态的影响, 都存在年际变化以及年际变化正负距平不对称性。这两种尺度海气相互作用主要通过年际变化正负距平不对称性而对大气环流平均态产生影响。     

热带太平洋海气耦合过程对印度洋年际变化的影响

利用中等复杂程度的2.5层海洋模式和大气环流模式ECHAM4组成的海气耦合模式,模拟分析了热带太平洋和印度洋的气候变化以及年际变化特征。该模式较好地模拟了ENSO现象的空间分布及其不规则的周期变化特征,以及热带印度洋的主要变化特征。通过数值试验,初步研究了太平洋耦合过程对印度洋年际变化的影响。结果显示,当存在太平洋耦合过程时,模拟的印度洋偶极子(IOD)正(负)事件的发生频率比无太平洋耦合情形时有所减少(增加)。该变化是太平洋耦合变量通过海气耦合过程对印度洋海表面平均风场进行调整,进而引起热带印度洋温跃层深度东西梯度改变的结果。     

热带印度洋春季海表温度异常与南海夏季风强度变化的关系

利用50年的Reynolds月平均海表温度资料和NCEP/NCAR全球大气再分析资料,分析了热带印度洋春季海温异常对南海夏季风强度变化的影响。结果表明:1)热带印度洋春季海表温度距平(SSTA)的模态主要是全区一致型(USBM)和热带南印度洋偶极型(SIODM),USBM模态既有年际时间尺度的变化特征,又有年际以上时间尺度的变化特征,既包含有对冬季ENSO信号响应的变化特征,又有独立于ENSO的变化特征;SIODM模态主要表现为独立于ENSO的年际时间尺度变化。2)USBM模态与南海夏季风强度变化呈显著负相关关系,且二者都是对冬季ENSO信号的响应,USBM模态的年际变化不能独立于ENSO信号影响南海夏季风的强度变化。3)经(1~8年)带通滤波及去除ENSO信号的热带印度洋春季SSTA的SIODM型分布是影响南海夏季风强度变化的主要模态,表现为热带东南印度洋为负(正)、其他海区为正(负)时,南海夏季风强度增强(减弱),大气环流对热带东南印度洋SSTA热力作用的响应是造成这一关系的直接原因,SIODM型的SSTA分布与南海夏季风年际异常关系在热带印度洋长期变化趋势的暖位相期显著,在长期变化趋势的冷位相期不显著。     

Subsurface influence on SST in the tropical Indian Ocean: structure and interannual variability

Interannual variations of subsurface influence on SST in the Indian Ocean show strong seasonality. The subsurface influence on SST confines to the southern Indian Ocean (SIO) in boreal winter and spring; it is observed on both sides of the equator in boreal summer and fall. Interannual long Rossby waves are at the heart of this influence, and contribute significantly to the coupled climate variability in the tropical Indian Ocean (TIO). Principal forcing mechanism for the generation of these interannual waves in the Indian Ocean and the relative influence of two dominant interannual signals in the tropics, namely El Niño and Southern Oscillation (ENSO) and Indian Ocean Dipole (IOD), are also discussed. Two distinct regions dominated by either of the above climate signals are identified. IOD dominates the forcing of the off-equatorial Rossby waves, north of 10°S, and the forcing comes mainly from the anomalous Ekman pumping associated with the IOD. However, after the demise of IOD activity by December, Rossby waves are dominantly forced by ENSO, particularly south of 10°S.It is found that the subsurface feedback in the northern flank of the southern Indian Ocean ridge region (north of 10°S) significantly influences the central east African rainfall in boreal fall. The Indian Ocean coupled process further holds considerable capability of predicting the east African rainfall by one season ahead. Decadal modulation of the subsurface influence is also noticed during the study period. The subsurface influence north of 10°S coherently varies with the IOD, while it varies coherently with the ENSO south of this latitude.     

Decadal and interannual variability of the Indian Ocean SST

The variability of the Indian Ocean on interannual and decadal timescales is investigated in observations, coupled model simulation and model experiment. The Indian Ocean Dipole (IOD) mode was specifically analyzed using a data-adaptive method. This study reveals one decadal mode and two interannual modes in the sea surface temperature (SST) of the IOD. The decadal mode in the IOD is associated with the Pacific Decadal Oscillation (PDO) of the North Pacific SST. The two interannual modes are related to the biennial and canonical components of El Niño-Southern Oscillation (ENSO), consistent with previous studies. This study hypothesizes that the relation between the Indian Ocean and the North Pacific on decadal scale may be through the northerly winds from the western North Pacific. The long simulation of Community Climate System Model version 4 also indicates the presence of IOD modes associated with the decadal PDO and canonical ENSO modes. However, the model fails to simulate the biennial ENSO mode in the Indian Ocean. The relation between the Indian Ocean and North Pacific Ocean is further supported by the regionally de-coupled model experiment.     

Climatology and variability of the Indonesian Throughflow in an eddy-permitting oceanic GCM

A quasi-global eddy permitting oceanic GCM, LICOM1.0, is run with the forcing of ERA40 daily wind stress from 1958 to 2001. The modelled Indonesian Throughflow (ITF) is reasonable in the aspects of both its water source and major pathways. Compared with the observation, the simulated annual mean and seasonal cycle of the ITF transport are fairly realistic. The interannual variation of the tropical Pacific Ocean plays a more important role in the interannual variability of the ITF transport. The relationshipbetween the ITF and the Indian Ocean Dipole (IOD) also reflects the influence of ENSO. However, the relationship between the ITF transport and the interannual anomalies in the Pacific and Indian Oceans vary with time. During some years, (e.g., 1994), the effect of a strong IOD on the ITF transport is more than that from ENSO.     

近期气候预测系统IAP-DecPreS对印度洋偶极子的回报技巧:全场同化和异常场同化的比较

印度洋偶极子（IOD）是热带印度洋年际变率主导模态之一,对于区域乃至全球气候有重要影响。准确预报IOD对于短期气候预测具有重要意义。中国科学院大气物理研究所最近建立了近期气候预测系统IAP-DecPreS,其初始化方案采用“集合最优插值—分析增量更新”（EnOI-IAU）方案,能够同化观测的海洋次表层温度廓线资料。本文分析了IAP-DecPreS季节回报试验对IOD的回报技巧,重点比较了全场同化和异常场同化两种初始化策略下预测系统对IOD的回报技巧。分析表明,8月起报秋季IOD,无论从确定性预报还是概率性预报的角度,基于全场同化的回报试验技巧均高于异常场同化的回报试验。对于5月起报的秋季IOD,基于两种初始化策略的回报试验技巧相当。研究发现,全场同化策略相对于异常场的优势主要源于它提高了对伴随ENSO发生的IOD的预报技巧。ENSO遥强迫触发的热带东印度洋“风—蒸发—SST”正反馈过程是IOD发展和维持的关键。采用全场同化策略的回报结果能够更好地模拟出IOD发展过程中ENSO遥强迫产生的异常降水场和异常风场的空间分布特征;而采用异常场同化策略,模拟的异常降水场和风场偏差较大。导致两种初始化策略预测结果技巧差异的主要原因是,全场同化能够减小模式对热带印度洋气候平均态降水固有的模拟偏差,从而提升了热带印度洋对ENSO遥强迫响应的模拟能力。而异常场同化由于在同化过程中保持了模式固有的气候平均态,因此模拟的热带印度洋对ENSO遥强迫的响应存在与模式自由积分类似的模拟偏差。     

A brief introduction to the issue of climate and marine fisheries

Climatic variability has profound effects on the distribution, abundance and catch of oceanic fish species around the world. The major modes of this climate variability include the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) events, the Pacific Decadal Oscillation (PDO) also referred to as the Interdecadal Pacific Oscillation (IPO), the Indian Ocean Dipole (IOD), the Southern Annular Mode (SAM) and the North Atlantic Oscillation (NAO). Other modes of climate variability include the North Pacific Gyre Oscillation (NPGO), the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) and the Arctic Oscillation (AO). ENSO events are the principle source of interannual global climate variability, centred in the ocean–atmosphere circulations of the tropical Pacific Ocean and operating on seasonal to interannual time scales. ENSO and the strength of its climate teleconnections are modulated on decadal timescales by the IPO. The time scale of the IOD is seasonal to interannual. The SAM in the mid to high latitudes of the Southern Hemisphere operates in the range of 50–60 days. A prominent teleconnection pattern throughout the year in the Northern Hemisphere is the North Atlantic Oscillation (NAO) which modulates the strength of the westerlies across the North Atlantic in winter, has an impact on the catches of marine fisheries. ENSO events affect the distribution of tuna species in the equatorial Pacific, especially skipjack tuna as well as the abundance and distribution of fish along the western coasts of the Americas. The IOD modulates the distribution of tuna populations and catches in the Indian Ocean, whilst the NAO affects cod stocks heavily exploited in the Atlantic Ocean. The SAM, and its effects on sea surface temperatures influence krill biomass and fisheries catches in the Southern Ocean. The response of oceanic fish stocks to these sources of climatic variability can be used as a guide to the likely effects of climate change on these valuable resources.     

IMPACTS OF THE TROPICAL PACIFIC COUPLED PROCESS ON THE INTERANNUAL VARIABILITY IN THE INDIAN OCEAN

The basic features of climatology and interannual variations of tropical Pacific and Indian Oceans were analyzed using a coupled general circulation model (CGCM), which was constituted with an intermediate 2.5-layer ocean model and atmosphere model ECHAM4. The CGCM well captures the spatial and temporal structure of the Pacific El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) and the variability features in the tropical Indian Ocean. The influence of Pacific air-sea coupled process on the Indian Ocean variability was investigated carefully by conducting numerical experiments. Results show that the occurrence frequency of positive/negative Indian Ocean Dipole (IOD) event will decrease/increase with the presence/absence of the coupled process in the Pacific Ocean. Further analysis demonstrated that the air-sea coupled process in the Pacific Ocean affects the IOD variability mainly by influencing the zonal gradient of thermocline via modulating the background sea surface wind.     

Relationship of the interannual variability of the Indonesian Throughflow with the IOD over the tropical Indian Ocean

Based on the Simple Ocean Data Assimilation (SODA) reanalysis product, the interannual variability of the upper-ocean ITF volume transport from 1958 to 2001 is investigated. The wavelet analysis shows a second prominent interannual oscillation with a period of about 2–4 years. To reveal any relationship between this band-scale oscillation of the upper-ocean ITF and Indian Ocean Dipole (IOD), correlation and wavelet analyses are used. The correlation coefficient between the upper-ocean ITF and IOD reaches –0.35 with the upper-ocean ITF lagging the IOD index by 8 months. The dipole structure of IOD event is reproduced by the correlation with the upper-ocean ITF lagging the SST anomaly over the tropical Indian Ocean by 8 months from 1958 to 2001. The upper-ocean ITF and IOD show high coherency from about 1975 to 2001. The fact that the wavelet power spectrum of the upper-ocean ITF shows similar structure to that of IOD index supports this high coherency. These analyses suggest that the 2–4-year band-scale oscillation of the upper-ocean ITF is uniquely related to IOD over the tropical Indian Ocean.