Meridional Wind Stress Anomalies over Tropical Pacific and the Onset of El Nino. Part Ⅰ: Data Analysis

对热带太平洋海表经向风应力异常与EI Nino事件之间的关系进行了诊断分析。结果表明，超前的经向风应力距平场与NINO3区(150°-90°W，5°S-5°N)的海面温度异常(SSTA)有显著的超前相关，这种相关性在超前6个月甚至更早一些就有显示。利用奇异值分解方法分析超前的经向风应力距平场与太平洋海表温度异常场之间的耦合模，结果表明对应于赤道中东太平洋的海面温度异常升高，大气风应力场在超前6个月甚至更早的时候，在赤道中东太平洋表现为辐合的经向异常风应力场，即赤道以北为北风异常应力，赤道以南为南风异常应力。这种耦合模的时间系数与NINO3 SSTA指数所表示的El Nino事件有很好的对应关系，表明这种耦合模反映的正是超前的经向风应力异常与El Nino事件所对应的海表温度异常之间的相关模态。通过与热带西太平洋纬向风应力异常的比较，赤道中东太平洋辐合的经向风应力异常与El Nino事件发生的同样具有重要的联系。     

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.     

热通量和风应力影响北太平洋SST年际和年代际变率的数值模拟

利用一个大洋环流模式LICOM, 通过1958～2001年风应力 (ERA40) 和热通量驱动下的两组模拟试验, 检验了二者在北太平洋年际和年代际变率形成中的作用。结果表明, 尽管在年际尺度上热带太平洋变率主要受风应力影响, 但合理考虑热通量异常的强迫作用能够显著改进模式对El Niño的模拟效果, 包括对El Niño周期非规则性的成功模拟; 北太平洋SST的年际和年代际异常主要受热通量异常的影响, 合理考虑热通量强迫的年代际变化能够改善模式对北太平洋年代际变率的模拟效果。在北太平洋海盆的不同区域, 导致SST变率异常的因子不同: 在加利福尼亚沿岸, 冬季平均海温的变率异常主要由热通量的异常决定; 在北太平洋中部, 温度趋势异常主要受热通量和水平平流的作用影响; 在黑潮及其延伸体区域, 对温度趋势异常起主导作用的是热通量和海洋非线性作用, 与此同时, 水平平流和扩散的作用亦不容忽视。     

20世纪印度洋气候变率特征

利用时间连续性相对较为理想的 GISST资料 ,分析了 2 0世纪印度洋气候变率的基本特征 ,探讨了它与赤道中、东太平洋和西太平洋暖池区气候变化之间的联系 ,结果表明 :(1 )北印度洋 SST的季节变化具有鲜明的季风特征 ,在西南季风爆发期 ,海温达到全年最冷 ;南印度洋 SST的季节循环特征较为合乎常规 ,大致落后太阳辐射季节循环 2个月左右 ;赤道印度洋沿着非洲东海岸 ,SST的季节变化受季风带影响显著 ,但在赤道中东印度洋 ,SST的季节循环特征不明显。(2 )印度洋 ,特别是 2 0°S以北的热带印度洋 SST的变化 ,具有显著的整体一致性 ,自 2 0世纪 50年代中期以来持续变暖 ,赤道印度洋增暖了大约 0 .6℃。当赤道中东太平洋出现暖异常时 ,2 0°S以北的热带印度洋海域同样出现暖异常 ;赤道印度洋 SST与 Nino3区指数的相关系数 ,在滞后 Nino 3区指数 4～ 5个月左右达到最大。 (3)西太平洋暖池区 SST的变化 ,与南印度洋西风漂流区、赤道北印度洋存在显著的正相关。在年代际的时间尺度上 ,赤道印度洋和西太平洋暖池区 SST的变率特征极为一致。 (4)南印度洋 SST的年际振荡幅度 ,远强于热带印度洋 ;南印度洋的 SST演变特征 ,从统计上看 ,更多地与西太平洋暖池 SST变化相协调。     

北太平洋冬季年代际尺度海气相互作用

为了更深了解北太平洋年代际尺度海气相互作用,本文通过对湍流热通量和SST的相关关系进行了研究。当热通量和SSTA正相关时,代表海洋影响大气,而当二者相关系数为负时,表示大气强迫海洋。将整个北太平洋SSTA求平均和把北太平洋分成3个区域求SSTA平均,分别对热通量和SST的关系进行研究。结果表明,北太平洋冬季年代际尺度上的海气相互作用主要表现为海洋强迫大气,而在日本附近海域以及北太平洋中东部,海洋对大气的强迫作用最明显,因此这两个区域是北太平洋冬季年代际尺度上海气相互作用的关键区。     

CMIP5耦合模式对太平洋年代际振荡的模拟与预估

利用第五次耦合模式比较计划（CMIP5）40个模式的模拟资料和分类集合的方法,评估了耦合模式对20世纪太平洋年代际振荡（PDO）特征的模拟能力。结果表明,CMIP5多数模式对PDO周期有着较好的刻画能力,能模拟出PDO的年代际变化周期。模式对PDO模态空间特征的模拟能力存在较大差异,小部分模式模拟效果较差。进一步的分析表明,对PDO模态模拟较好的第1类模式,能较好地再现热带太平洋与北太平洋海表温度异常（SSTA）年代际变化间的关系,而且热带太平洋SSTA通过大气遥相关影响北太平样海表温度的过程也模拟的较成功。对PDO模态模拟差的模式,不能合理模拟出热带太平洋SSTA对北太平洋海表温度影响的遥相关过程。以上研究也证实了热带太平洋地区海表温度的年代际变率对北太平洋海表温度年代际变率的重要影响,热带太平洋SSTA对北太平洋SSTA的影响是通过大气遥相关实现的。利用CMIP5中等排放情景模拟结果,分析了第1类模式预估的北太平洋年代际变率的特征,发现21世纪北太平洋年代际变率的主要模态为一致的正异常分布且呈现明显的上升趋势,第二模态则表现为类似于20世纪典型PDO的马蹄型SSTA分布。     

1997／1998E1 Nino事件的热力学诊断分析

本文基于以925hPaNCEP／NCAR再分析风应力距平为初始强迫场的Zebiak-Cane海气耦合模式对1997／1998E1Nino事件集合预报平均结果,对1997／1998E1Nino事件进行热力学诊断分析。结果表明：（1）在整个E1Nino事件过程中,在赤道太平洋从西到东的各个Nino区中,平流作用主要起促进作用,而热力阻尼项则基本为衰减或抑止作用。（2）从Nino4区到Nino1＋2区,纬向平流对SSTA上升的促进强度变化不大,而经向平流和垂直上升流对SSTA增加的促进作用在逐渐增强。同时,热力阻尼项对SSTA变化的抑制作用也呈依次增强。（3）平流项中,经向平流的贡献相对湿著。     

太平洋混合层厚度(dml)年际异常的初步分析

用太平洋区域30a逐月混合层厚度(dml)及浅层海温(Ts)距平资料,分析了20°S以北太平洋区域dml年际变率的地理分布和季节变化,得到两个纬向dml高变率带,它们分别位于北太平洋(45°N附近)和赤道中、西太平洋.重点分析了赤道太平洋dml高变率带,并对其上混合层气候位置、dml年际异常与El Nino事件关系及伴随强El Nino事件的dml正异常东传等作了初步分析.     

太平洋区域海温跃变及其与东亚夏季风的关系

本文利用英国气象局提供的全球SST月平均资料和NCAR／NCEP提供的500百帕高度场资料，分析了全球SSTA的年际和年代际变化，发现夏季全球SST在70年代发生了一次跃变，尤其北太平洋区域SST在1976年前后，由正距平变为负跨燕，并且跃变前后东亚夏季风也发了显著变化，我国汛期降水异常形势成相反分布，海温对东亚夏季风的影响途径和机制也发生了改变，1976年以前北太平洋区域海温起主要作用，跃变后，北太平洋区域海温异常与东亚夏季风关系变得不明显，而赤道中东太平洋海温的作用变得异常重要。     

1976/1977年前后热带印度洋海表温度年际异常的变化

基于1948～2005年NCEP/NCAR（美国大气研究中心/环境预测中心）再分析资料,讨论了1976/1977年前后的年代际气候变化对热带印度洋海表温度（SST）年际变率特征的影响,结果表明:在气候变化前后,ENSO都能导致热带印度洋SSTA（海表面温度异常）出现全海盆同号的变化,这种模态在冬季最强;气候变化前与变化后相比,该模态对该地区海温年际变率的方差贡献大22.1%, 达到最强的时间早2个月。气候变化前,秋季热带印度洋SSTA的主导年际变率模态表现为全海盆同号,变化后则表现为“偶极子模态”（IODM）。导致上述SSTA特征变化的重要原因,是气候变化前后印度洋风场对ENSO的响应不同。在气候变化前,与ENSO相关联的热带印度洋东风异常首先在夏季出现,而变化后则首先在春季出现,并且有一反气旋性环流异常维持在热带东南印度洋。     

基于交叉小波分析方法的西太平洋副热带高压年际变率与热带海温及大气环流异常的相关性研究

西太平洋副热带高压的年际变率受热带多个关键海区的海-气相互作用过程调控, 但彼此间的因果关联和影响机制尚不清楚。为揭示西太平洋副热带高压的年际变率与热带海温及大气环流异常之间的内在关联特性, 定义了三个关键海区以及赤道纬向西风区的特征指数, 并分别与西太平洋副热带高压强度、脊线指数进行了交叉小波和相干小波分析。研究发现:西太平洋副热带高压指数存在显著的2~3年和准5年的周期振荡, 20世纪八九十年代后, 由于暖池区海温及赤道纬向西风区的Hadley环流强迫加强, 致使副热带高压特征指数的2~3年周期振荡加强; 从位相关系看, 先是西太平洋副热带高压减弱南撤导致纬向西风加强, 其后影响赤道东太平洋海温升高, 同时暖水向东传, 使赤道中太平洋以及暖池区海温逐渐升高, 在Hadley环流作用下使副高加强北抬。基于上述西太平洋副热带高压的年际变率与热带海温及大气环流异常变化相关性诊断研究, 进一步探讨了造成这种相关性的影响机理和因果关联, 为揭示西太平洋副热带高压年际变率与热带海温及大气环流异常的相关性做探索研究。      

NUMERICAL STUDY ON THE ROLE OF VORTICAL AND DIVERGENT COMPONENTS OF WIND STRESS IN ENSO CYCLE

The 1960-1991 monthly mean FSU (Florida State University)wind stress data aredecomposed into a vortical and a divergent component with each of which to force the model oceanin the context of a two-layer tropical Pacific model.Evidence suggests that for the seasonalvariation the ocean forcing does not produce a realistic cold tongue using either of the componentsand the tongue will not be effectively improved in its intensity and pattern even if the componentsare doubled or halved:the utilization of climatic mean wind stress(no decomposition is done of thewind stress)that contains its seasonal variation will lead to a realistic SST distribution on which isimposed,separately,the interannual anomalies of each of the components so as to get the SSTApattern:under the action of the interannual anomaly of the vortical(divergent)component therearises qnite intense SSTA oscillation marked by noticeable ENSO periods(feeble SSTA withhigher oscillation frequency for obscure ENSO periods),thereby illustrating that the roles of thetwo components differ from each other in the genesis of SST variation on a seasonal and aninterannual basis such that a realistic cold tongue pattern follows under the joint effects on themodel ocean of the two components of wind stress while rational E1 Nino/La Nina phenomenaresult under the forcing of an anomalous wind stress vortical component.Moreover,the divergentcomponent is innegligible in generating a mean climatic condition of the ocean sector but of lessimportance compared to the vortical component in ENSO development.     

NUMERICAL STUDY ON THE ROLE OF VORTICAL AND DIVERGENT COMPONENTS OF WIND STRESS IN ENSO CYCLE*

The 1960-1991 monthly mean FSU (Florida State University)wind stress data are decomposed into a vortical and a divergent component with each of which to force the model ocean in the context of a two-layer tropical Pacific model.Evidence suggests that for the seasonal variation the ocean forcing does not produce a realistic cold tongue using either of the components and the tongue will not be effectively improved in its intensity and pattern even if the components are doubled or halved:the utilization of climatic mean wind stress(no decomposition is done of the wind stress)that contains its seasonal variation will lead to a realistic SST distribution on which is imposed,separately,the interannual anomalies of each of the components so as to get the SSTA pattern:under the action of the interannual anomaly of the vortical(divergent)component there arises qnite intense SSTA oscillation marked by noticeable ENSO periods(feeble SSTA with higher oscillation frequency for obscure ENSO periods),thereby illustrating that the roles of the two components differ from each other in the genesis of SST variation on a seasonal and an interannual basis such that a realistic cold tongue pattern follows under the joint effects on the model ocean of the two components of wind stress while rational E1 Nino/La Nina phenomena result under the forcing of an anomalous wind stress vortical component.Moreover,the divergent component is innegligible in generating a mean climatic condition of the ocean sector but of less importance compared to the vortical component in ENSO development.     

Model Study on the Interannual Variability of Asian Winter Monsoon and Its Influence

ＭｏｄｅｌＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＩｎｔｅｒａｎｎｕａｌＶａｒｉａｂｉｌｉｔｙｏｆＡｓｉａｎＷｉｎｔｅｒＭｏｎｓｏｏｎａｎｄＩｔｓＩｎｆｌｕｅｎｃｅＪｉＬｉｒｅｎ（纪立人），ＳｕｎＳｈｕｑｉｎｇ（孙淑清）ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＰｈｙ...     

热带海温变化与高原季风发展

利用NOAA长波辐射OLR，NCEP/NCAR再分析格点资料，探讨了热带太平洋、印度洋海温等环境场变化与高原季风发展的联系。揭示了春季孟加拉湾和南海以及西太平洋暖池附近海表增温、赤道东太平洋降温有利于高原夏季风发展。分析了高原季风强弱年同期和前期SST场、风场和OLR场演变特征。结果表明，高原季风强弱年热带环境场存在明显差异。高原夏季风发展时SSTA从春季到夏季, 孟加拉湾经南海到西太平洋SST呈正距平, 赤道中东太平洋SST负距平发展, 表现为La Ni?a特征。反之，高原夏季风减弱时SSTA在孟加拉湾和南海地区SST呈负距平，东南太平洋SST正距平发展。表现为El Ni?o特征。     

冬季和春季印度洋海温异常年际变率模态对中国东部夏季降水的可能影响过程

印度洋热力状况是影响全球气候变化和亚洲季风变异的一个重要的因素,但以往研究更多关注热带印度洋海温的变化,对南印度洋中高纬地区海温变化关注不够,由此限制了我们对印度洋的全面认识.本文研究了年际尺度上整个印度洋海温异常主导模态的特征及其对我国东部地区夏季降水的可能影响过程,以期望为气候变异研究及预测提供理论依据.研究结果表明:全印度洋海温异常年际变率的主导模态特征是在南印度洋副热带地区海温异常呈现西南—东北反向变化的偶极子模态,西极子位于马达加斯加以东南洋面,东极子位于澳大利亚以西洋面;同时,热带印度洋海温异常与东极子一致.当西极子为正的海温异常,东极子、热带印度洋为负异常时定义为正的印度洋海温异常年际变率模态;反之,则为负的印度洋海温异常年际变率模态.从冬至春,印度洋海温异常年际变率模态具有较好的季节持续性;与我国长江中游地区夏季降水显著负相关,而与我国华南地区夏季降水显著正相关.其可能的影响过程为:对于正的冬、春季印度洋海温异常年际变率模态事件,印度洋地区异常纬向风的经向大气遥相关使得热带印度洋盛行西风异常,导致春、夏季海洋性大陆对流减弱,使夏季西太平洋副热带高压强度偏弱、位置偏东偏北,造成华南地区夏季降水增多,长江中游地区降水减少;反之亦然.同时,印度洋海温异常年际变率模态可通过改变印度洋和孟加拉湾向长江中游地区的水汽输送而影响其夏季降水.     

A DIAGNOSIS OF THE INTERANNUAL VARIABILITY OF SEA SURFACE TEMPERATURE AND SURFACE WIND FIELD IN THE TROPICAL OCEANS AND ITS CORRELATIVE CHARACTERS WITH ENSO CYCLE*

Utilizing the NCEP/NCAR reanalysis monthly datasets,and based on the filter and standard deviation calculation,the interannual variability of sea surface temperature (SST) and 1000 hPa wind field for the tropical Pacific,Indian and Atlantic Oceans is investigated for the past 20 years (1979-1998).The characters of space-time evolution in SST anomalies (SSTA) for each ocean and corresponding wind anomaly field are acquired by using rotated principal component (RPC) and linear regression analysis methods.Using the method of correlation analysis.the characters of three tropical oceans correlated with ENSO are investigated.The contemporary correlation between the SSTA in the Indian Ocean and in the equatorial eastern Pacific is positive,and there is a weak negative correlation between the SSTA in the equatorial east Atlantic Ocean and in the equatorial eastern Pacific.The lead-lag correlation analysis indicates that the SSTA in the equatorial Indian Ocean lags the dominant Pacific ENSO mode by 3 months,and the SSTA in the equatorial Atlantic Ocean leads ENSO mode by 6 months.The ENSO-correlated components in tropical Indian Ocean and tropical Atlantic Ocean display much the same amount of total variance in each ocean,i.e..14% in the Indian Ocean and 12% in the Atlantic Ocean and the maximums are all above 40%.     

RELATIONSHIP BETWEEN INTERANNUAL VARIATION OF MERIDIONAL WIND ANOMALIES IN TROPICAL PACIFIC AND SSTA

The Singular Spectrum Analysis (SSA) method is used to conduct studies of periodicity of the SST and meridional winds in tropical Pacific Ocean. The results show that the air-sea system for the Pacific varies on quasi-4-year, quasi-2-year and interannual scales, with the quasi-4-year scale having the highest variability. Depending on the scale, the wind field has a varying degree of association with the SST anomalies. Difference is also found in the evolution of phase. In addition, the work discusses the difference in SSTA resulted from wind fields for quasi-4-year and quasi-2-year components.     

Equatorial pacific SSTA-related decadal variations of potential predictability of ENSO and interannual climate

Summary Based on analysis of NCEP reanalysis data and SST indices of the recent 50 years, decadal changes of the potential predictability of ENSO and interannual climate anomalies were investigated. Autocorrelation of Nino3 SST anomalies (SSTA) and correlation between atmospheric anomalies fields and Nino3 SSTA exhibit obvious variation in different decades, which indicates that Nino3 SSTA-related potential predictability of ENSO and interannual climate anomalies has significant decadal changes. Time around 1977 is not only a shift point of climate on the interdecadal time scale but also a catastrophe point of potential predictability of ENSO and interannual climate. As a whole, ENSO and the PNA pattern in boreal winter are more predictable in 1980s than in 1960s and 1970s, while the Nino3 SSTA-related potential predictability of the Indian monsoon and the East Asian Monsoon is lower in 1980s than in 1960s and 1970s. Received October 19, 1999 Revised December 30, 1999