热带海表温度和低层风场的年际变率及与ENSO循环的相关特征研

采用NCEP/NCAR的1979～1998年逐月平均的海表温度及1000hPa风场资料,进行滤波和均方差计算,得到了热带太平洋、印度洋、大西洋海表温度(SST)和风场的年际变化特征.用旋转主分量(RPC)方法和投影法对热带三大洋海表温度距平(SSTA)进行分析,得到了各大洋SSTA演变的主要时空特征和相应的距平风场特征;并用相关分析研究热带三大洋与ENSO相关的特征,得到三大洋间的同期相关关系为印度洋SSTA与赤道东太平洋SSTA成正相关,而赤道东大西洋SSTA与赤道东太平洋SSTA成弱的负相关;赤道印度洋在落后于赤道东太平洋3个月左右时正相关达到最大,赤道大西洋在超前于赤道东太平洋6个月左右时负相关达到最大;热带印度洋和大西洋与ENSO相关的分量对各自大洋海表温度年际变化的方差贡献数值相近,最大在40%以上,平均解释方差分别为14%和12%.     

不同海域SSTA对东半球越赤道气流年代际变化影响的数值模拟研究

采用1950—2000年逐月观测的不同海域（全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋）海表温度,分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,进行了多组长时间积分试验,对比ERA-40再分析资料,讨论了这些海域海表温度异常（SSTA）对东半球越赤道气流年代际变化的影响。数值试验结果表明,全球、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋海表温度变化分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,均能模拟出索马里、120 ?E和150 ?E越赤道气流在1970年代中后期由弱变强的年代际变化特征,其中模拟的索马里越赤道气流年代际变化特征及其与东亚夏季风年代际变化关系均与观测结果较一致,而热带外海表温度驱动全球大气环流模式未能模拟出此年代际变化现象,表明全球、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋海表温度变化均对索马里越赤道气流在1970年代中后期的年代际变化具有重要作用,热带太平洋是关键海区;索马里越赤道气流的年代际变化与热带太平洋海温年代际背景变化密切相关,当热带太平洋处于暖（冷）背景年代,热带东太平洋海温异常从北到南呈“＋、－、＋”（“－、＋、－”）“三明治”式距平分布,有利于赤道东太平洋南北两侧产生一对距平反气旋（气旋）,然后可能通过“大气桥”的作用,与热带印度洋赤道南北两侧的一对距平气旋（反气旋）联系起来,从而引起索马里越赤道气流强度的增强（减弱）。      

热带太平洋-印度洋海表温度变化及其对西南地区东部夏季旱涝的影响

利用1959—2006 年西南地区东部20 个测站逐日降水量资料和NCEP/NCAR 再分析月平均资料,分析了热带太平洋-印度洋海表温度异常特征及其对西南地区东部夏季降水(旱涝)的影响,结果表明:前期赤道东太平洋海表温度偏高,西南地区东部夏季降水偏多的可能性大;当前期春季印度洋海表温度偏高时,西南地区东部夏季降水可能偏多。太平洋区的海表温度距平(SSTA)分布呈“V”字型特征,赤道中东太平洋及南、北美西部沿海的SSTA 与赤道西太平洋、南北太平洋的SSTA 呈反相关分布,与西太平洋的亚洲大陆东部沿海的SSTA 呈正相关,赤道印度洋及南印度洋的大部分地区的SSTA 与赤道中、东太平洋的SSTA 变化是一致的。当春季赤道中东太平洋及印度洋海表温度(SST)偏高(偏低)时,夏季南亚高压位置偏南(偏北),强度偏强(偏弱),面积偏大(偏小),同时西太平洋副高强度偏强(偏弱),面积偏大(偏小),位置偏南(偏北),西伸(东退)明显,东亚夏季风和南亚夏季风偏弱(偏强),我国华北及华南地区盛行下沉(上升)运动,而整个长江流域及青藏高原东部盛行上升(下沉)运动,西南地区东部也盛行弱的上升(下沉)运动,这有利于西南地区东部降水偏多(偏少),出现洪涝(干旱)的可能性大。      

赤道印度洋—太平洋地区海气系统的齿轮式耦合和ENSO事件

利用历史观测数据,研究了印度洋海表温度（SST）的季节变化特征,证实赤道印度洋和东太平洋SST年际变化有显著的正相关,指出这种正相关是由于沿赤道印度洋上空纬向季风环流和太平洋上空Walker环流之间显著的耦合造成的。这两个异常的纬向环流圈之间的耦合形式看起来很象是存在于赤道印度洋和太平洋上空的一对齿轮（简写为GIP）,当一个作顺时向变化时,另一个则作反时向变化。文中还证明ENSO事件与GIP的年际异常存在很好的对应关系,暖事件时GIP为反向运转;冷事件时GIP为正向运转;异常的GIP的啮合点位于印尼群岛附近。对80年代以来的ENSO事件的分析表明,每次事件前期异常的GIP的啮合点首先出现在印度洋上空,然后逐渐传入太平洋,引起GIP东侧的大气纬向风#Au#a和SST同时发生异常变化。当这种风场和SST的异常变化发展东传到达赤道中东太平洋时,导致ENSO事件最终出现。本文由此指出印度洋上空纬向环流的异常可以通过印度洋和太平洋上空大气系统的齿轮式耦合去影响赤道中东太平洋的海-气相互作用并触发ENSO事件发生。     

热带太平洋年代际平均气候态变化与ENSO循环

文中用观测的热带太平洋海表温度资料、风应力资料和OLR资料，通过多时间尺度分析，将与ENSO有关的变化分为3个主要的分量，一是2～7a的ENSO循环尺度，二是8～20a的年代际尺度，三是20a以上的平均气候态变化。讨论了热带太平洋这种平均气候态变化的主要特征以及与ENSO循环的关系，并用耦合模式的数值试验来研究平均气候态的变化对ENSO循环的影响。结果表明热带太平洋的平均气候态在20世纪70年代后期发生了一次由冷态向暖态的变化，主要增暖区是沿赤道以及热带东太平洋的，海表温度变化最大中心可以达到0.6℃。伴随着海表温度的变化，赤道西太平洋的西风距平加强，赤道东太平洋的东风距平也加强，在赤道中太平洋形成了一个加强的辐合中心。年代际平均气候冷暖态的变化对ENSO最直接的线性影响是使ElNio位相增加，而形成ENSO冷位相和暖位相的不对称。另一方面较暖的平均气候态可能引起海洋和大气之间的耦合加强，导致ENSO循环振荡有所加强。     

热带印度洋海温异常与ENSO关系的进一步研究

用1955年1月-2001年12月美国Scripps海洋研究所的海温再分析资料、美国NCEP再分析资料和美国气候预测中心(CPC)资料,讨论了热带太平洋ENSO与热带印度洋海温距平以及与印度洋偶极子(Dipole)的关系,研究结果发现:在垂直最大温度距平曲面(MTAL)上,热带印度洋海温距平分布存在着与热带太平洋ENSO密切相关的Dipole现象,其中最大的相关在太平洋ENSO 超前印度洋Dipole一个月.但是,热带印度洋Dipole的分布与Saij定义的位置略有不同,为东北西南向,它们分别在6°-10°S、65°-75°E(西印度洋)和2°-6°N、85°-95°E(东印度洋),它是赤道印度洋的一个主要海温距平系统.另外,在热带印度洋东北部与ENSO相关的海温距平是一个上下不一致的系统,该海温距平并没有伸展到海面,从海面到20-50 m的浅薄水层,则为与赤道西南印度洋相同符号的海温距平分布.因此在海面,海温距平不存在与ENSO有关的Dipole现象,赤道印度洋Dipole只存在于次表层以下,这是赤道印度洋Dipole与ENSO不同之处.这种赤道东北印度洋表层与赤道西南印度洋表层同符号的海温距平现象,有可能是海气热力过程如感热过程造成的.热带印度洋Dipole的周期要小于El Nio,一般为1-6 a.     

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。     

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。     

月平均位势高度场异常持续性初步分析

使用NCEP/NCAR的500hPa月平均位势高度场球函数展开系统资料，分析了北、南半球1、7月具有较大年际异常方差贡献的5种低阶球函数（全波数n=0-4)分量振幅异常的持续性，以及它们与热带太平洋海表温度年际异常的关系。结果表明：振幅异常的持续性随n增大迅速减小，明显的持续性只存在于少数低n值超长波分量；均匀球函数分量振幅异常的持续性显著，且存在季节、半球际差异；北、南半球均匀球函数分量（n=0)振幅异常呈准同步变化，它们与热带太平洋SSTA在ENSO尺度上准同步；南半球n=2的带型球函数分量振幅异常也具有较强的持续性，且其变化与热带太平洋SSTA在年代际尺度上准同步。     

热带太平洋海表能量收支平衡特征及其与两类ENSO事件的联系

利用月平均的HadISST海表温度、NCEP再分析资料、OAFlux海表面热通量及相关物理量资料、NCAR/NOAA云量场资料,分析了热带太平洋海表热通量的年际特征,并且进一步分析了传统El Ni?o和El Ni?o Modoki事件中湍流热通量的异常演变特征以及影响因子。在热带太平洋上,净热通量的年际变化最大振幅出现在赤道太平洋上,且主要取决于潜热通量和短波辐射通量的变化。本文还利用两类ENSO事件旺盛期海温指数对不同时期海面热通量场的偏回归分析,考察了热带太平洋海表面热通量与两类ENSO事件中海温的联系。两类海温指数对各时期热带太平洋净热通量的回归均表现为赤道太平洋上存在显著的负异常,在Ni?o3指数偏回归下的负异常范围和强度都较El Ni?o Modoki指数回归的要大,且更偏于赤道东太平洋,而旺盛期海温对同期赤道东太平洋上湍流热通量的影响最大。     

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%.     

全球热带海气耦合距平模式及其数值模拟

用观测海温距平对一个中等分辨率的细网格大气模式和观测 FSU假风应力对全球热带三大洋距平海洋模式分别进行强迫试验。结果表明 :无论是大气模式还是海洋模式均在一定程度上较好地模拟了观测事实 ,热带大西洋的模拟效果好于热带印度洋。对大气模式而言 ,经向风距平的模拟要好于纬向风距平 ,热带大西洋西部好于东部 ,热带印度洋东部好于西部 ,赤道南侧好于北侧。对海洋模式而言 ,热带大西洋模拟最好的区域是赤道中东部 ,对赤道东印度洋的暖事件及偶极子事件年际变率模拟也较好。在此基础上 ,用和海气耦合模式同样的耦合方式将两者耦合起来 ,构成了一个中等复杂程度的全球热带海气耦合模式 ,这是进一步研究全球热带海气相互作用的基础     

热带太平洋SSWA特征及其在ENSO循环中的演变

应用1970年1月至1989年12月热带太平洋SSTA（海面温度距乎）和SSWA（海面风距平）资料,分析发现：热带太平洋SSWA的主要空间特征和海气耦合主要空间型均表现为ElNino（LaNina）盛期的SSWA分布。热带太平洋SS－WA的主要传播特征与ENSO循环过程中SSWA的演变是一致的,表现为赤道中东太平洋海面阻平东、西风的转换和赤道东太平洋SSWA辐散、辐合的转换。赤道中东太平洋距平东风（西风）向赤道距平西风（东风）的转换伴随着中西太平洋副热带SSWA偶极子气旋（反气旋）的生消,偶极子气旋（及气旋）表现为明显的北半球强于南半球。     

Tropical Indian Ocean variability revealed by self-organizing maps

The tropical Indian Ocean climate variability is investigated using an artificial neural network analysis called self-organizing map (SOM) for both observational data and coupled model outputs. The SOM successfully captures the dipole sea surface temperature anomaly (SSTA) pattern associated with the Indian Ocean Dipole (IOD) and basin-wide warming/cooling associated with ENSO. The dipole SSTA pattern appears only in boreal summer and fall, whereas the basin-wide warming/cooling appears mostly in boreal winter and spring owing to the phase-locking nature of these phenomena. Their occurrence also undergoes significant decadal variation. Composite diagrams constructed for nodes in the SOM array based on the simulated SSTA reveal interesting features. For the nodes with the basin-wide warming, a strong positive SSTA in the eastern equatorial Pacific, a negative Southern Oscillation, and a negative precipitation anomaly in East Africa are found. The nodes with the positive IOD are associated with a weak positive SSTA in the central equatorial Pacific or positive SSTA in the eastern equatorial Pacific, a positive (negative) sea level pressure anomaly in the eastern (western) tropical Indian Ocean, and a positive precipitation anomaly over East Africa. The warming in the central equatorial Pacific appears to correspond to El Niño Modoki discussed recently. These results suggest usefulness of SOM in studying large-scale ocean–atmosphere coupled phenomena.     

PRELIMINARY RESEARCH OF THE PACIFIC-INDIAN OCEAN SSTA MODE AND DEFINITION OF ITS INDEX

Applying the empirical orthogonal function (EOF) analysis to the sea surface temperature (SST) field of the tropical Pacific and Indian Oceans for determination of the first eigenvector field, the current work reveals that there are significant zonal gradients of SST in all seasons of the year in the northwestern and eastern Indian Ocean and equatorial central and eastern Pacific and western Pacific. It is also found that the variance contribution rates of the first EOF mode of every season is more than 33%. This shows that this kind of spatial distribution of the SST is stable. This pattern is named Pacific-Indian Oceans SSTA mode. Through careful analysis and comparison, an index of the mode was defined.     

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。     

Does sea surface temperature outside the tropical Pacific contribute to enhanced ENSO predictability?

In this paper we seek to identify inter-annual sea surface temperature anomalies (SSTA) patterns outside the tropical Pacific that may influence El Niño/Southern Oscillation (ENSO) through atmospheric teleconnections. We assume that a linear ENSO hindcast based on tropical Pacific warm water volume and Niño3.4 SSTA indices captures tropical Pacific intrinsic predictability inherent to recharge oscillator dynamics. This simple hindcast model displays statistically significant skill at the 95 % confidence level at leads of up to seven seasons ahead of the ENSO peak. Our results reveal that ENSO-independent equatorial wind stress anomalies only significantly improve the skill of that linear hindcast at the 95 % level in boreal spring and summer before the ENSO peak and in boreal fall, five seasons ahead of the ENSO peak. At those seasons, the robust large-scale SST patterns that provide a statistically significant enhancement of ENSO predictability are related to the Atlantic meridional mode and south Pacific subtropical dipole mode in spring, the Indian Ocean Dipole and the south Atlantic subtropical dipole mode in fall. While the first two regions display significant simultaneous correlations with western equatorial Pacific wind stress in three reanalyses (ERA-I, NCEP and NCEP2), the Indian Ocean Dipole and south Atlantic subtropical dipole mode correlation with Pacific winds is less robust amongst re-analyses. We discuss our results in view of other studies that suggest a remote influence of various regions on ENSO. Although modest, the sensitivity of our results to the dataset and to details of the analysis method illustrates that finding regions that influence ENSO from the statistical analysis of observations is a difficult task.     

A recipe for simulating the interannual variability of the Asian summer monsoon and its relation with ENSO

This study investigates how accurately the interannual variability over the Indian Ocean basin and the relationship between the Indian summer monsoon and the El Niño Southern Oscillation (ENSO) can be simulated by different modelling strategies. With a hierarchy of models, from an atmospherical general circulation model (AGCM) forced by observed SST, to a coupled model with the ocean component limited to the tropical Pacific and Indian Oceans, the role of heat fluxes and of interactive coupling is analyzed. Whenever sea surface temperature anomalies in the Indian basin are created by the coupled model, the inverse relationship between the ENSO index and the Indian summer monsoon rainfall is recovered, and it is preserved if the atmospherical model is forced by the SSTs created by the coupled model. If the ocean model domain is limited to the Indian Ocean, changes in the Walker circulation over the Pacific during El-Niño years induce a decrease of rainfall over the Indian subcontinent. However, the observed correlation between ENSO and the Indian Ocean zonal mode (IOZM) is not properly modelled and the two indices are not significantly correlated, independently on season. Whenever the ocean domain extends to the Pacific, and ENSO can impact both the atmospheric circulation and the ocean subsurface in the equatorial Eastern Indian Ocean, modelled precipitation patterns associated both to ENSO and to the IOZM closely resemble the observations.     

热带太平洋-印度洋海温联合模及其气候影响

本文基于观测资料和LICOM2.0模拟结果的分析研究,简要介绍讨论了太平洋—印度洋海温(异常)联合模(PIOAM)的存在、特征、演变及其影响等问题。热带太平洋—印度洋区域乃至全球范围的海表温度异常(SSTA)资料进行EOF分解,都清楚表明其第一分量在热带太平洋—印度洋的空间形态与太平洋—印度洋海温(异常)联合模(PIOAM)非常相似,说明PIOAM是热带太平洋—印度洋实实在在存在的一种海温异常模态。对应PIOAM的正、负位相,热带印度洋和西太平洋地区的夏季(JJA)850 hPa距平风场有近乎相反的异常流场形势;对流层低层的Walker环流支和亚洲夏季风都出现了不同特征的(近乎相反)异常;在PIOAM正(负)位相将使得100 hPa的南亚高压位置偏东(西)。对热带太平洋和印度洋温跃层曲面上的海温异常(为了方便将其称为SOTA)进行EOF分解,发现其第一模态也是一个三极子模态,即当赤道中西印度洋大部分海域与赤道中东太平洋大部分海域偏暖(偏冷)时,赤道东印度洋和赤道西太平洋大部分海域则偏冷(偏暖);它与太平洋—印度洋表层的PIOAM十分类似,也表明PIOAM在海洋次表层也是存在的。高分辨海洋环流模式LICOM2.0的模拟结果,无论是对太平洋—印度洋表层还是次表层的PIOAM的特征和演变都刻画得很好,这从另一个角度进一步说明PIOAM是热带太平洋—印度洋实际存在的一种海温变化模态。PIOAM正、负位相不仅对亚洲及西太平洋地区的天气气候有非常不一样的影响(不少地方有反向的特征),还会对南北美洲和非洲一些地区产生不同影响;而且其影响与单独的厄尔尼诺(El Ni?o)及印度洋偶极子(IOD)都不尽相同。