第27卷第4期大氣科學(xué)Vol 27 No 4年7月Chinese Journal of Atmospheric SciencesJuly 2003ENSO動(dòng)力學(xué)與預(yù)測(cè)張人禾])周廣慶2)巢紀(jì)平3)1)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京l0081)2)(中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,北京10029P4 A3)(國(guó)家海洋局海汗洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心,北京10081)摘要發(fā)生在熱帶太平洋地區(qū)的ENSO現(xiàn)象是海氣相互作用的集中表現(xiàn),是年際氣候變化中的最強(qiáng)信號(hào)。由于它的發(fā)生會(huì)在全球許多地區(qū)引起嚴(yán)重的氣候異常,極大地影響著這些地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活,因此,對(duì)ENSO的機(jī)理及其預(yù)測(cè)的研究一直是大氣海洋界的個(gè)熱點(diǎn)研究課題。中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所在ENsO的機(jī)理及其預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了大量的研究,取得了許多研究成果。作者將對(duì)中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所在這方面的一些研究成果進(jìn)行回顧和介紹關(guān)鍵詞:海一氣相互作用;FNSO;預(yù)測(cè)引言在熱帶太平洋上,氣候平均狀態(tài)下,大洋西部存在著全球海洋表面海水溫度最高的大范圍暖水,但在大洋東部的秘魯和厄瓜多爾沿岸以及沿赤道的狹窄區(qū)域內(nèi),存在著海面溫度(SST)的低值區(qū),SST要比熱帶西太平洋區(qū)域低幾度。熱帶太平洋SsT的這種分布特征具有明顯的年際變化,最顯著的表現(xiàn)就是所謂的E1Nino現(xiàn)象,這時(shí)赤道中東太平洋的表面冷海水強(qiáng)烈增暖,并且持續(xù)的時(shí)間可達(dá)一年左右1。研究表明引,發(fā)生在熱帶大氣中的南方濤動(dòng)( Southern oscillation)現(xiàn)象與厄爾尼諾現(xiàn)象有著內(nèi)在的聯(lián)系,是與海洋中的厄爾尼諾現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)在熱帶大氣中發(fā)生的異?，F(xiàn)象。這種熱帶大氣一海洋耦合系統(tǒng)的緩慢振蕩現(xiàn)象稱之為ENSO發(fā)生在熱帶太平洋地區(qū)的ENSO現(xiàn)象是年際氣候變化中的最強(qiáng)信號(hào)。ENSO現(xiàn)象雖然發(fā)生在熱帶,但許多觀測(cè)和數(shù)值模擬研究都表明,它會(huì)在全球范圍內(nèi)引起嚴(yán)重的氣候異常,在世界許多地區(qū)造成嚴(yán)重的旱澇和高低溫災(zāi)害,極大地影響著這些地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活。因此,近20年來(lái)ENSO一直是短期氣候變化方面的一個(gè)研究焦點(diǎn)(如 CLIVAR)。關(guān)于ENSO機(jī)制的大量研究成果,使我們對(duì)ENSO動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)有了很大的進(jìn)展7,而為期10年的TOGA(熱帶海洋和全球大氣)計(jì)劃的實(shí)施,已使監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)ENSO成為現(xiàn)實(shí)。本文將著重討論近20年來(lái)中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所( IAP/CAS)對(duì)ENSO機(jī)理和ENSO預(yù)測(cè)的一些研究成果。200301·20收到,2003-03-20收到修改稿國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目40225012和40005007共同資助中國(guó)煤化工CNMHG4期張人不等:ENSO動(dòng)力學(xué)與預(yù)測(cè)6752熱帶海氣耦合系統(tǒng)的不穩(wěn)定性在ENSO發(fā)生發(fā)展中的作用Sickness最早提出了ENSO是由于熱帶太平洋地區(qū)海一氣相互作用所引起的假說(shuō)。 Philander等在ST的變化正比于海洋混合層厚度的假定(局地?zé)崃ζ胶饨?下,發(fā)現(xiàn)海一氣相互作用使得?！?dú)怦詈舷到y(tǒng)中的擾動(dòng)變?yōu)椴环€(wěn)定并且向東傳播。Yamagata從理論上分析了這種耦合不穩(wěn)定性,指出東傳不穩(wěn)定擾動(dòng)的產(chǎn)生是由于海氣相互作用使得海洋 Kelvin波變?yōu)椴环€(wěn)定。Hist引入了完整的線性熱力學(xué)方程,同時(shí)包括了平流和斜溫層厚度局地變化的蟛響,指出海洋中熱力學(xué)過(guò)程的形式對(duì)所導(dǎo)致的海氣耦合系統(tǒng)的不穩(wěn)定類型具有重要作用。當(dāng)熱力學(xué)方程中局地?zé)崃ζ胶饨破鹬饕饔脮r(shí),向東傳的 Kelvin波是不穩(wěn)定的;當(dāng)固定平均溫度梯度并減小控制局地?zé)崃ζ胶饨频膮?shù)時(shí),耦合模式中不穩(wěn)定模的結(jié)構(gòu)從類似于 Kelvin波轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴赗ossby波在上述研究中,把ENSO現(xiàn)象中向東傳的不穩(wěn)定擾動(dòng)歸結(jié)為不穩(wěn)定 Kelvin波的作用。但是, Kelvin波的發(fā)生不僅要求的條件很嚴(yán),即擾動(dòng)的徑向速度必須為零,同時(shí),觀測(cè)表明ENSO現(xiàn)象向東傳的速度也比 Kelvin波慢。巢紀(jì)平等2)和張人禾等1:1采用流場(chǎng)和壓力場(chǎng)之間的高階平衡近似,過(guò)濾掉大氣和海洋中的 Kelvin波,在局地?zé)崃ζ胶饨葡掠懻摿藷釒Ш怦詈舷到y(tǒng)中大氣 Rossby波和海洋 Rossby波的的相互作用。理論分析結(jié)果(圖1)指出,熱帶大氣和海洋中的赤道 Rossby波相互耦合后,不僅可以產(chǎn)生向西傳的不穩(wěn)定耦合波,在一定條件下也可以產(chǎn)生一類不同于 Kelvin波向東傳的不穩(wěn)定耦合波,指出了把熱帶海氣耦合系統(tǒng)中向東傳的擾動(dòng)歸結(jié)為 Kelvin波這種理論的片面性。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了理論分析結(jié)果的正確性。以上的討論表明,不同的研究得到了不同的結(jié)果。實(shí)際上, Hirst采用的是原始0.100.00005圖1(a)求解海氣耦合模式得出的特征根實(shí)部(實(shí)線)及徑向模為偶數(shù)時(shí)大氣(斷線)和海洋(虛線)中的特征根分布;(b)不穩(wěn)定模os和c的虛部(引自文獻(xiàn)3])中國(guó)煤化工CNMHG676大氣科學(xué)27卷運(yùn)功方程,在大氣和海洋中同時(shí)存在著重力慣性波、混合 Rossby重力慣性波、赤道Kelvin波和 Rossby波等自由波,采用差分方法或髙階截?cái)嗄Ｊ降姆椒ㄋ玫降慕Y(jié)果很難看清楚耦合后的擾動(dòng)究竟由哪些自由波占主導(dǎo)地位。為了清楚地分析哪些自由波動(dòng)在熱帶海氣耦合系統(tǒng)的不穩(wěn)定擾動(dòng)中起主導(dǎo)作用,張人禾1,1在赤道平面上取長(zhǎng)波近似的條件下,討論了在熱帶海氣耦合系統(tǒng)中取不同徑向模時(shí)耕合波的性質(zhì),即分別討論了在局地?zé)崃ζ胶饨葡麓髿夂秃Ｑ?Kelvin波的相互作用、大氣 Rossby波和海洋Kelvin波的相互作用、大氣和海洋 Rossby波的相互作用以及大氣 Kelvin波和海洋Rossby波的相互作用。結(jié)果指出,這些單獨(dú)的耦合波對(duì)海氣耦合模式中參數(shù)的取值很敏感,不同的參數(shù)可以產(chǎn)生性質(zhì)不同的耦合波。但在實(shí)際的熱帶海洋和大氣中,一且有擾動(dòng)出現(xiàn),必將在兩種介質(zhì)屮同時(shí)激發(fā)出 Kelvin波和 Rossby波。因此,對(duì)這些單獨(dú)耦合波的討論并不能代表真實(shí)的海氣耦合系統(tǒng)中的情況,但卻有助于我們理解大氣和海洋中同時(shí)包含 Kelvin和 Rossby波時(shí)耦合波的性質(zhì)張人禾的研究結(jié)果指出,當(dāng)大氣和海洋中同時(shí)包括 Kelvin波和 Rossby波時(shí),向東傳的不穩(wěn)定耦合波占有絕對(duì)重要的地位(見圖2),這與 Philander等的數(shù)值計(jì)算結(jié)果是一致的。熱帶海氣耦合波的性質(zhì)與模式中的參數(shù)c(海洋重力波速c與大氣重力波速c的比值,即∈=c/c)有很大關(guān)系。當(dāng)e很小時(shí),大氣與海洋中自由波的頻率相差很大,不容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的海氣耦合,這時(shí)海氣耦合波的頻率與大氣和海洋中自由波的頻率非常接近。只有當(dāng)ε不太小時(shí),才能產(chǎn)生強(qiáng)烈的海氣朝耦合,并且海氣耦合波的性質(zhì)與大氣和海洋中經(jīng)典自由波的性質(zhì)產(chǎn)生了很大的差異。與單獨(dú)的耦合波的性質(zhì)比較后可知,當(dāng)參數(shù)ε較小時(shí),不穩(wěn)定東傳耦合波的產(chǎn)生是由于海洋中的 Rossby波經(jīng)過(guò)海氣相互作用后,在波長(zhǎng)較長(zhǎng)處變成了向東傳,它是與海洋中的 Kelvin波相互耦合后所產(chǎn)生的,而當(dāng)∈較大時(shí),則大氣與海洋中 Kelvin波的耦合波在這種向東傳的不穩(wěn)定波中占主導(dǎo)地位1.0302.0圖2取不同c時(shí)海氣耦合波的頻率a隨波數(shù)k的變化(引自文獻(xiàn)L17(a)e=.026;(b)e=0.13;(c)e=0.26;(d)c=0.39(斷線代表嫩不穩(wěn)定耦合波頻率的實(shí)部)實(shí)線;頻率的實(shí)部;虛線:頻率的虛部中國(guó)煤化工CNMHG4期張人禾等:FNSO動(dòng)力學(xué)與預(yù)測(cè)6773ENSO循環(huán)的物理機(jī)制Schopf和 Suarez提出了延遲振子理論,用來(lái)解釋E、sO循環(huán)產(chǎn)生的物理原因,這個(gè)理論強(qiáng)調(diào)了海洋中的赤道 Kelvin波和 Rossby波的傳播過(guò)程及其在邊界的反射在維持ENS(循環(huán)中的重要作用。但足,許多研究結(jié)果并不攴持這種觀點(diǎn)。Chao和Philander.利用一個(gè)真實(shí)的海洋環(huán)流模式,在熱帶太平洋1.1967年到1979年間觀測(cè)到的風(fēng)場(chǎng)的作用下,對(duì)ENSO循環(huán)進(jìn)行了研究,其結(jié)果指出在與南方濤動(dòng)相聯(lián)系的年際時(shí)間尺度中,沒有清楚的證據(jù)表明個(gè)別赤道波動(dòng)的存在。在許多耦合模式的結(jié)果中2,異常的SST、斜溫層深度以及風(fēng)場(chǎng)都起源于熱帶西太平洋,然后以很慢的速度向東傳播。 Hirst2時(shí)有邊界和沒邊界時(shí)的解進(jìn)行了比較,指出在他的解中沒有反射的 Rossby波。 Masumota和 Yamagata2詳細(xì)分析了振蕩解的結(jié)構(gòu),指出解中只包含向東傳播的擾動(dòng),沒有證據(jù)表明存在著 Rossby波。他們還比較了在其他參數(shù)全部相同的情況下,大洋寬度分別取為170°和210°這兩種情況下模式的解,指出在這兩種情況下模式ENSO出現(xiàn)的周期是完全相同的,這表明了與ESO現(xiàn)象相聯(lián)系的年際振蕩的動(dòng)力學(xué)機(jī)制似乎可以不需要產(chǎn)生赤道 Rossby波,也不需要它們?cè)谶吔绲姆瓷洹?.熱帶海氣耦合系統(tǒng)的非線性自激振蕩與ENSO循環(huán)張人禾和巢紀(jì)平3利用一個(gè)簡(jiǎn)單的非線性熱帶海氣耦合模式,在模式中濾去了重力慣性波以及 Kelvin波,研究了非線性熱帶海氣耦合系統(tǒng)中的年際振蕩。結(jié)果表明(圖3),在耦合模式中可以出現(xiàn)2年到9年E丶SO事件出現(xiàn)的周期。因此,他們提出了非線性熱帶海氣耦合系統(tǒng)中的白激振蕩現(xiàn)象在ENSO循環(huán)產(chǎn)生中的可能作用,ENSO循環(huán)可以不靠赤道波系在大洋內(nèi)部的傳播及其在邊界的反射這種過(guò)程來(lái)維持。他們的結(jié)果也指出,非線性熱帶海氣耦合系統(tǒng)的振蕩周期對(duì)海一氣相作用強(qiáng)度的變化非常敏感,海一氣相互作用強(qiáng)度僅在百分之十幾的變化范圍內(nèi),可以產(chǎn)生2~9年不同的海氣耦合系統(tǒng)的振蕩周期。實(shí)際的海氣耦合強(qiáng)度應(yīng)該是不斷變化的,因此,由模式結(jié)果可以推知ENSO現(xiàn)象必然會(huì)以不固定周期出現(xiàn)3.2熱帶西太平洋緯向風(fēng)應(yīng)力在維持ENSO循環(huán)中的動(dòng)力作用張人禾和黃榮輝分析了與ENSO循環(huán)相聯(lián)系的緯向風(fēng)應(yīng)力場(chǎng),發(fā)現(xiàn)觀測(cè)的大洋屮西部緯向風(fēng)應(yīng)力異常出現(xiàn)在熱帶中東太平洋海溫變化之前。在中東太平洋海面溫度開始升高之前,在赤道西太平洋已經(jīng)出現(xiàn)西風(fēng)應(yīng)力異常。隨著西風(fēng)應(yīng)力異常不斷加大且向東傳播,此時(shí)赤道中東太平洋的海面溫度不斷升高;當(dāng)西風(fēng)應(yīng)力異常達(dá)到最大且其最大中心東傳到日期變更線附近時(shí),赤道中東太平洋的海面溫度達(dá)到最高。隨著西風(fēng)應(yīng)力異常向東移,在其西邊的熱帶西太平洋出現(xiàn)了東風(fēng)應(yīng)力異常。赤道西太平洋的東風(fēng)異常出現(xiàn)在赤道中東太平洋海畝溫度達(dá)到最高值之前,隨后東風(fēng)應(yīng)力異常不斷加大并向東移動(dòng)。隨著東風(fēng)應(yīng)力異常的加強(qiáng)和向東移動(dòng),赤道中東太平洋的正海面溫度異常不斷減弱,直至海面溫度正異常消失并出現(xiàn)負(fù)海面溫度異常。張人禾和黃榮輝湖所揭小的觀測(cè)事實(shí)與延遲振子理論不同,強(qiáng)調(diào)了首先出現(xiàn)在熱帶西太平洋的緯向異常風(fēng)應(yīng)力及其東傳在維持ENSO循環(huán)中的重要性。他們的理論分析3,2和數(shù)值試驗(yàn)21結(jié)果表明,熱帶西太平洋緯向風(fēng)應(yīng)力的變化及其東移與赤道東太平洋海面溫度的變化存中國(guó)煤化工CNMHG678大氣科學(xué)27卷m1△1時(shí)間/a.6圖3取不同海氣相互作用系數(shù)時(shí)赤道上海洋擾動(dòng)髙度場(chǎng)隨時(shí)間的演變(引自文獻(xiàn)[25])在著內(nèi)在的動(dòng)力學(xué)聯(lián)系,并且緯向風(fēng)應(yīng)力東傳時(shí)比其靜止時(shí)所激發(fā)出的海洋 Kelvin波有更大的強(qiáng)度。理論分析結(jié)果表明,觀測(cè)到的西風(fēng)應(yīng)力異?？梢栽诤Ｑ笾挟a(chǎn)生三類過(guò)程,造成赤道東太平洋海面溫度的升高,即東傳西風(fēng)應(yīng)力異常激發(fā)的下沉 Kelvin波它到達(dá)大洋東邊界產(chǎn)生的反射下沉Rosb波、以及西風(fēng)應(yīng)力異常移到赤道樂太平洋時(shí)它本身強(qiáng)迫產(chǎn)生的海洋混合層厚度變厚,它們的綜合作用可以造成ENno事件的發(fā)生和發(fā)展。觀測(cè)到的東風(fēng)應(yīng)力異常同樣可以在海洋中產(chǎn)生三類過(guò)程,使得赤道東太平洋中國(guó)煤化工CNMHG4期張人禾等:FNO動(dòng)力學(xué)與預(yù)測(cè)海面溫度降低,即東傳東風(fēng)應(yīng)力異常激發(fā)的上翻 Kelvin波、它到達(dá)大洋東邊界產(chǎn)生的反射上翻 Rossby波、以及東風(fēng)應(yīng)力異常移到赤道東太平洋時(shí)它本身強(qiáng)迫產(chǎn)生的海洋混合層厚度減小,這些過(guò)程的綜合作用可以導(dǎo)致厄爾尼諾事件的消亡3.3熱帶西太平洋上空大氣對(duì)流層低層的環(huán)流異常與ENSO循環(huán)黃榮輝等分析∫與20世紀(jì)80年代以來(lái)的四次ENSO循環(huán)相聯(lián)系的熱帶西太平洋上空大氣對(duì)流層低層的環(huán)流異常。結(jié)果表明,在厄爾尼諾發(fā)展階段,熱帶西太平洋赤道以北為一氣旋式環(huán)流異常;而在 El Nino盛期時(shí)為·反氣旋式環(huán)流異常。他們的研究指出,在 El Nino件發(fā)展階段前,西太平洋暖池變暖造成了此氣旋性環(huán)流異常,與此氣旋性環(huán)流異常相聯(lián)系,在印度尼西亞和赤道西太平洋上空產(chǎn)生西風(fēng)異常;而當(dāng)E1Nio事件發(fā)展到成熟階段,西太平洋暖池變冷造成了此反氣旋性環(huán)流異常,從而使印度尼西亞和赤道西太平洋上空產(chǎn)生東風(fēng)異常。由此形成的赤道附近的緯向風(fēng)異常通過(guò)激發(fā)出海洋中的赤道波系,對(duì)于 El Nino事件的發(fā)展與衰減和拉尼娜事件的發(fā)生產(chǎn)生重要的動(dòng)力作用黃榮輝等的研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了暖池的熱狀況導(dǎo)致了熱帶西太平洋上空大氣對(duì)流層低層風(fēng)場(chǎng)的形成,此風(fēng)場(chǎng)通過(guò)激發(fā)出海洋中的赤道波動(dòng),引起海洋中熱量的重新分配使得赤道中東太平洋和赤道西太平洋的熱狀況發(fā)生變化。暖池?zé)釥顩r的變化又會(huì)造成熱帶西太平洋上空大氣對(duì)流層低層風(fēng)場(chǎng)的變化,并激發(fā)出性質(zhì)與其相應(yīng)的海洋赤道波動(dòng),再一次造成海洋中熱量的重新分配。因此,黃榮輝等的研究暗示著熱帶西太平洋上空大氣對(duì)流層低層風(fēng)場(chǎng)和海洋中的赤道波動(dòng)之間可能存在著種“自組織”行為,它在FNSO循環(huán)的形成中可能具有重要的作用。3.4與ENO循環(huán)相聯(lián)系的暖、冷水的傳播過(guò)程李崇銀和穆明權(quán)3、巢清塵和巢紀(jì)平的資料分析以及周廣慶等的數(shù)值模擬都表明,初始的海表溫度距平最早是在暖池出現(xiàn)的,然后海面溫度正距平連同西風(fēng)距平不斷向東傳播,并在傳播過(guò)程中不斷加強(qiáng),特別是20℃等溫線也向東傳播并加深。那么,形成厄爾尼諾的暖池次表層暖水從哪里來(lái),它東傳到赤道東太平洋后又到哪里去了?同樣的問題也適用于拉尼娜現(xiàn)象。一般來(lái)講,一次厄爾尼諾過(guò)程完結(jié)后,會(huì)緊跟一次拉尼娜過(guò)程,這兩者之間有無(wú)聯(lián)系?以及在什么樣的聯(lián)系?李崇銀和穆明權(quán)3分析了1979~1993年沿赤道和10~20°N緯向以及西太平洋經(jīng)向次表層海溫異常的演變。由圖4所示,他們發(fā)現(xiàn)從1981年開始,次表層海溫正異常由暖池區(qū)東傳,于1982年夏在赤道東太平洋形成強(qiáng)正距平和強(qiáng)海面溫度正距平,此正距平然后沿10~20N的緯帶向西傳,于1984年到達(dá)西太平洋后再向南傳到赤道西太平洋。赤道西太平洋暖池區(qū)的次表層海溫正異常從1985年開始又向東傳,1986年夏在赤道東太平洋形成正距平并導(dǎo)致ENSO的發(fā)生。同樣,次表層海溫負(fù)異常也有完全類似的循環(huán)過(guò)程,并形成1984午和1988年的冷事件。巢紀(jì)平等3,對(duì)1997/1998年厄爾尼諾以及對(duì)20世紀(jì)70年代以來(lái)的8次厄爾尼諾事件和7次拉尼娜事件的分析表明,基本上每次厄爾尼諾事件或拉尼娜事件爆發(fā)以前,海溫正、負(fù)距平信號(hào)像…對(duì)雙子星座一樣總是伴隨對(duì)方的出現(xiàn)而出現(xiàn),或是溫躍層面上當(dāng)負(fù)距平信號(hào)沿赤道向東傳播時(shí),正距平信號(hào)在北部10°N附近向西傳播,或是當(dāng)正距平信號(hào)沿赤道向東傳播時(shí),負(fù)距平信號(hào)在10°N向西傳播。同時(shí),在熱帶太平洋中國(guó)煤化工CNMHG大氣科學(xué)27卷SSTA℃l984Nino31994150°w180圖4熱帶太半洋中沿6~6(C),10-20N(A)和120~160°E(B)平均的次表層海溫腫常隨時(shí)間的演變,最右圖為Na3區(qū)海面溫度異常的時(shí)間變化曲線(引自文獻(xiàn)[35])海盆東邊界附近,從赤道北傳到10°N附近,或者在西邊界附近從10°N附近南傳到赤道。這樣厄爾尼諾事件和拉尼娜事件構(gòu)成一個(gè)環(huán)路,并交替出現(xiàn)。當(dāng)然各次循環(huán)所需的時(shí)間可以各不相同,平均來(lái)說(shuō)在3~4年左右。但在有的年份,這種循環(huán)過(guò)程雖然存在,但正的海溫距平或負(fù)的海溫距平強(qiáng)度較弱,達(dá)不到厄爾尼諾或拉尼娜所需要的溫度距平強(qiáng)度,即厄爾尼諾或拉尼娜“夭折”。這種情況的出現(xiàn),經(jīng)常是因?yàn)榇髿猸h(huán)流條件不支持。對(duì)于厄爾尼諾的“天折”,往往是缺乏強(qiáng)的西風(fēng)持續(xù)支持,而對(duì)于拉尼娜的“天折”,往往是沒有強(qiáng)的東風(fēng)支持。資料分析表明,在大多數(shù)情況下,這樣的環(huán)路多數(shù)發(fā)生在赤道以北。周廣慶等3利用IAP熱帶太平洋和全球大氣耦合環(huán)流模式的長(zhǎng)期數(shù)值積分結(jié)果,分析了模式模擬的年際變率(類ENSO現(xiàn)象)的演變規(guī)律,結(jié)果同樣表明最大海溫距平不發(fā)生在表層,而是在次表層的溫躍層附近。在東太平洋,它出現(xiàn)在50m深的赤道上;而在中、丙太平洋,它位于大約150m深的赤道兩側(cè)。這種距平信號(hào)在東、西太平洋以及赤道上與赤道兩側(cè)號(hào)反位相結(jié)構(gòu),并且隨時(shí)間相互轉(zhuǎn)換。在赤道上,海溫距平信號(hào)沿氣候溫躍層自西向東傳播;而在赤道兩側(cè)則沿氣候溫躍層自東向西傳播;在西太平洋從赤道兩側(cè)向赤道傳播,而東太平洋由于受到東邊界大陸的影響,距平信號(hào)則表現(xiàn)為自赤道向南北兩側(cè)傳播并反射向西傳播,從而構(gòu)成了一個(gè)中國(guó)煤化工CNMHG1期張人禾等:FNS(動(dòng)力學(xué)與預(yù)測(cè)81循壞過(guò)程。完成這一循環(huán)的周期大約為4年。由此可知,暖池不僅是暖水或冷水運(yùn)動(dòng)的必經(jīng)之地,而且也是暖水或冷水積聚的場(chǎng)所;厄爾尼諾事件之后一般緊跟次拉尼娜事件,正、負(fù)距平信號(hào)的傳播或運(yùn)動(dòng)規(guī)律如前所述;而在資料分析中,海溫距平信號(hào)沿南半球環(huán)路的傳播或運(yùn)動(dòng)不如北半球環(huán)路清楚,這可能是受大洋西部島嶼和大洋東邊界地形走向不同的夠響4熱帶東太平洋經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力的變化與厄爾尼諾的發(fā)生對(duì)于風(fēng)應(yīng)力異常在ENS循環(huán)中的作用、緯向風(fēng)應(yīng)力的作用受到了特別的重視。際TOGA項(xiàng)目的執(zhí)行也發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾/拉尼娜的發(fā)生與熱帶西太平洋的海氣狀況有關(guān)。 McCreary研究了熱帶海洋對(duì)風(fēng)應(yīng)力的響應(yīng),指出經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力異常對(duì)厄爾尼諾并不重要,因?yàn)樗ぐl(fā)不出赤道 Kelvin波。但是觀測(cè)事實(shí)表明,厄爾尼諾發(fā)生的一個(gè)前兆是大氣中的熱帶輻合帶(ITCz)的異常南移3。由于Iz的異常南移必然會(huì)帶來(lái)經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)的變化,因此,經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)與厄爾尼諾的發(fā)生是否具有內(nèi)在的聯(lián)系是值得研究的一個(gè)問題張人禾等利用觀測(cè)資料,對(duì)熱帶太平洋海表經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力異常在厄爾尼諾事件發(fā)生過(guò)程中的作用進(jìn)行了診斷分析。發(fā)現(xiàn)在熱帶中東太平洋經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力距平場(chǎng)中,關(guān)于赤道附近輻合的經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力異常與Nino3區(qū)(150~90°W,5°S~5)海面溫度指數(shù)有很好的超前相關(guān),這種相關(guān)性在超前6個(gè)月甚至更早一些就有顯示。這種超前相關(guān)表明了超前于增暖事件出現(xiàn)的輻合經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力與厄爾尼諾事件的發(fā)生可能具有一定的內(nèi)在聯(lián)系,并對(duì)厄爾尼諾的發(fā)生具有一定的先兆意義。通過(guò)利用奇異值分解(SVD)方法,分析了超前的異常經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)與太平洋海表溫度異常場(chǎng)的耦合模。結(jié)果表明,對(duì)應(yīng)于厄爾尼諾類型的海溫異常的分布,大氣風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)在超前6個(gè)月甚至更早的時(shí)候,在赤道中東太平洋表現(xiàn)為輻合的經(jīng)向異常風(fēng)應(yīng)力場(chǎng),即赤道以北為北風(fēng)異常應(yīng)力,赤道以南為南風(fēng)異常應(yīng)力。這種耦合模的時(shí)間系數(shù)與Nno3區(qū)海面溫度異常指數(shù)所表示的厄爾尼諾事件有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,表明這種耦合模反映的正是超前的經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力異常與厄爾尼諾事件所對(duì)應(yīng)的海長(zhǎng)溫度異常之間的相關(guān)模態(tài)。為了研究觀測(cè)資料分析中所揭示的關(guān)于赤道輻合的經(jīng)向異常風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)是否與厄爾尼諾的發(fā)生具有內(nèi)在的動(dòng)力學(xué)聯(lián)系,張人禾等根據(jù)觀測(cè)資料分析的結(jié)果,建立了個(gè)關(guān)于赤道輻合的理想經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力形式,并利用簡(jiǎn)單的熱帶海洋動(dòng)力學(xué)模式,分析求解在該形式風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫下熱帶海洋的定常非定常響應(yīng)。結(jié)果表明,對(duì)于風(fēng)應(yīng)力作用在整個(gè)區(qū)域上的定常響應(yīng),赤道兩側(cè)的海水向赤道堆積,使赤道及附近的海洋混合層加厚,在赤道附近響應(yīng)出向西的流動(dòng)。對(duì)于風(fēng)應(yīng)力作用于緯向有限寬度區(qū)間上的非定常響應(yīng)(圖5),在海洋中激發(fā)出向西傳播的關(guān)于赤道對(duì)稱的 Rossby波,它使波動(dòng)到達(dá)的區(qū)域混合層變厚,而且在強(qiáng)迫區(qū)之外 Rossby波經(jīng)過(guò)后的區(qū)域,在赤道及其附近響應(yīng)出向西的流動(dòng),并且出現(xiàn)這支向西流動(dòng)的范圍隨 Rossby波的西傳不斷向西擴(kuò)展。同時(shí),由于 Rossby波的作用,在赤道附近強(qiáng)迫區(qū)及其以西的區(qū)域海洋混合層變厚,并且由于耗散的作用、變厚的混合層表現(xiàn)出西薄東厚,使得溫躍層出現(xiàn)“西抬東降”的響應(yīng),混合層的這種結(jié)構(gòu)在耗散作用較大時(shí)更為明顯。因此,當(dāng)關(guān)于赤道輻合的經(jīng)向風(fēng)中國(guó)煤化工CNMHG682大氣科學(xué)卷x/1000kmx/1000 km圖5關(guān)于赤道輻合的經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力異常強(qiáng)迫出的海洋混合層厚度異常(a)和緯向流常(b)隨時(shí)間的演變應(yīng)力強(qiáng)迫作用于赤道東太平洋時(shí),可以使得赤道東太平洋海洋混合層加深,減弱氣候平均狀態(tài)下熱帶太平洋混合層西厚東海的分布狀態(tài),這將有利于厄爾尼諾事件發(fā)生。另一方面,在赤道及其附近響應(yīng)出的向西流動(dòng),可以使中東太平洋的表層水不斷向西輸送,這有利于表層暖水在西太平洋堆積,為后來(lái)暖事件的發(fā)生累積能量。這里的結(jié)果也表明,在厄爾尼諾發(fā)生之前,不僅緯向偏東信風(fēng)的增強(qiáng)可以驅(qū)動(dòng)更多的暖海水向西輸送,出現(xiàn)在赤道中東太平洋的輻合經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力異常也可以強(qiáng)迫出向西的異常流動(dòng),為厄爾尼諾的發(fā)生提供前期條件5熱帶太平洋外海氣系統(tǒng)在ENSO循環(huán)中的作用雖然熱帶太平洋地區(qū)海一氣相互作用在ENSO的發(fā)生、發(fā)展和消亡中起著重要的中國(guó)煤化工CNMHG張人禾等:ENS)動(dòng)力學(xué)與預(yù)測(cè)作用,但一些研究也表明,熱帶太平洋區(qū)域以外海一氣系統(tǒng)同樣對(duì)ENSO循環(huán)具有重要影響。李崇銀.43指出,冬半年強(qiáng)東亞大槽的頻繁活動(dòng),通過(guò)行星波列把能量不斷向東南方向頻散到熱帶中一西太平洋地區(qū),引起熱帶中一西太平洋地區(qū)偏東信風(fēng)的持續(xù)減弱以及對(duì)流活動(dòng)的加強(qiáng)。熱帶中一西太平洋地區(qū)大氣環(huán)流的持續(xù)異常及其向東擴(kuò)展,最終導(dǎo)致ENSO的發(fā)生。黃榮輝等“提出了ENSO循環(huán)可能是亞洲季風(fēng)區(qū)與Hadley環(huán)流區(qū)之間存在的低頻振蕩的產(chǎn)物,并進(jìn)一步指出了赤道附近兩風(fēng)異常是ENO發(fā)生的一個(gè)必要條件,而這種西風(fēng)異常的產(chǎn)生與東亞季風(fēng)區(qū)的西風(fēng)異常向赤道的傳播有關(guān)45。由此可看到,東亞季風(fēng)可以對(duì)ENSO循環(huán)產(chǎn)生重大的影響。吳國(guó)雄等6的研究表明,赤道印度洋和東太平洋海表溫度年際變化之間存在著顯著的正相關(guān),并指出印度洋這種與ENS)相關(guān)聯(lián)的變化,與ENSO之間存在內(nèi)在的物理聯(lián)系。它們之間的聯(lián)系是山沿赤道印度洋上空緯向季風(fēng)環(huán)流和太平洋上空 Walker環(huán)流之間顯著的“齒輪式”耦合造成的,并提出從大氣環(huán)流的角度來(lái)說(shuō),印度洋地區(qū)季風(fēng)環(huán)流的異?？赡苁荅NSO事件形成的一種觸發(fā)機(jī)制。孟文等7分析了 AP/LASGOAⅠS氣候模式的多年積分結(jié)果,發(fā)現(xiàn)模式中也同樣存在與觀測(cè)資料分析結(jié)果相似的印度洋一太平洋“齒輪式”耦合,并指出太平洋或印度洋上的大氣異常信號(hào)可以通過(guò)這種“齒輪式”耦合作為橋梁,影響另一地的?！?dú)庀嗷プ饔?ENSO預(yù)測(cè)研究自20世紀(jì)80年代起,科學(xué)家們就開始進(jìn)行ENSO的預(yù)測(cè)研究48。月前ENSO偵測(cè)可以分為兩類,即統(tǒng)計(jì)學(xué)模式和動(dòng)力學(xué)模式。在統(tǒng)計(jì)模式中主要用典型相關(guān)分析(CCA)、主振蕩分析(POP)、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)、主分量回歸(PC)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、線性反演、奇異值分析、馬耳科夫等方法,51。動(dòng)力學(xué)模式依其復(fù)雜程度又分為簡(jiǎn)單的海氣耦合模式( Simple Coupled Model)·3、混合型海氣耦合模式(Hybrid Coupled model)和海氣耦合環(huán)流模式( Coupled GCM)a,-2。大部分模式可作未米1~24個(gè)月的預(yù)測(cè),衡量預(yù)報(bào)水平的標(biāo)準(zhǔn)一般采用Nino3(或Nino3.4)指數(shù)的預(yù)報(bào)結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果作相關(guān)分析。國(guó)內(nèi)業(yè)已開展ENSO預(yù)測(cè)研究和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào),采用的方法既有純統(tǒng)計(jì)學(xué)方法6又有動(dòng)力學(xué)模式。周廣慶等,-利用IAP熱帶太平洋和全球大氣耦合環(huán)流模式,設(shè)計(jì)了“氣候異?！背跏蓟桨覆⑦M(jìn)行了十幾年的系統(tǒng)性后報(bào)檢驗(yàn),建立了 IAP ENS預(yù)測(cè)系統(tǒng)。綜合國(guó)內(nèi)外各種模式的預(yù)測(cè)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)(1)預(yù)測(cè)的?？啃噪S預(yù)測(cè)時(shí)間的增加而逐漸降低,達(dá)到18個(gè)月后,預(yù)測(cè)的可信度已經(jīng)很低了。目前,統(tǒng)計(jì)模式可提前幾個(gè)月預(yù)報(bào)ENSO,而動(dòng)力學(xué)模式則可提前一年預(yù)測(cè)。 IAP ENSO預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)赤道中東太平洋地區(qū)(Nno3和No3.4)有較強(qiáng)的預(yù)報(bào)能力,超前6個(gè)月的預(yù)報(bào)相關(guān)技巧為0.57,超前18個(gè)月時(shí)仍維持在0.52,而均方根誤差小于0.9℃t6(圖6)2)模式在做3個(gè)月以上的預(yù)測(cè)時(shí),其可靠性普遍高于持續(xù)性預(yù)測(cè),有的模式在3~15個(gè)月的預(yù)測(cè)上可達(dá)到0.6以上。而在做1~3月的預(yù)測(cè)時(shí),依其所采用的初始化方法(針對(duì)動(dòng)力學(xué)模式)的不同而不同。對(duì)于沒有采用同化方法而充分應(yīng)用海洋次表層中國(guó)煤化工CNMHG684大氣科學(xué)27卷0頎報(bào)超前閫預(yù)報(bào)超前時(shí)間月圖6Nino3k(150~90°W,5s~5N)SsTA預(yù)報(bào)相關(guān)技巧(倒報(bào)與觀測(cè)的相關(guān)系數(shù),a)和均方根誤差(b)實(shí)線;模式預(yù)報(bào)結(jié)果;虛線:持續(xù)性預(yù)報(bào)結(jié)果,(引自文獻(xiàn)L68](0~300m)觀測(cè)資料的模式,其在1~3個(gè)月的預(yù)測(cè)技巧均低于持續(xù)性預(yù)測(cè)。當(dāng)在模式初值中同化海洋次表層資料時(shí),其預(yù)報(bào)技巧自開始就高于持續(xù)性預(yù)測(cè)-。因此,海洋資料同化方法及其在ENSO預(yù)測(cè)中的應(yīng)用成為當(dāng)前ENSO預(yù)測(cè)研究的熱點(diǎn)(3)模式預(yù)報(bào)能力具有時(shí)間依賴性,主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是具有10年際的變化.即對(duì)某一時(shí)段的ENSO預(yù)測(cè)較好而對(duì)另一時(shí)段預(yù)測(cè)較差1,如 Lamont模式對(duì)20世紀(jì)80年代的冷暖事件預(yù)報(bào)得很好,但對(duì)20世紀(jì)70年代和90年代的ENSO預(yù)測(cè)得就不好。其他模式也有類似的現(xiàn)象,如 IAP ENS頂測(cè)系統(tǒng)對(duì)20世紀(jì)80年代的ENSO事件,在Nno3區(qū)接近0.8的預(yù)報(bào)相關(guān)技巧可達(dá)一年半左右,而對(duì)20世紀(jì)90年代的ENSO事件,超前半年以上的預(yù)報(bào)僅在0.4左右1,這說(shuō)明FNSO可預(yù)報(bào)性本身有10年際的變化性。模式預(yù)報(bào)能力的另一表現(xiàn)是與預(yù)報(bào)的起始季節(jié)和ENSO發(fā)生的季節(jié)有關(guān)。 IAP ENSO預(yù)測(cè)系統(tǒng)從春季到秋初開始的預(yù)報(bào)較好,高于0.5的技巧均可維持15個(gè)月以上,其中從7月到9月開始的預(yù)報(bào),其高于0.6的相關(guān)技巧可達(dá)16個(gè)月;而從秋末和冬季開始的預(yù)報(bào),其技巧衰減較快,預(yù)報(bào)5個(gè)月后降到了0.5以下圖7)7結(jié)束語(yǔ)本文總結(jié)了中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所有關(guān)ENSO循環(huán)和預(yù)測(cè)研究方面的一些研究成果,但現(xiàn)有的研究主要將ENSO循環(huán)看成為熱帶太平洋區(qū)域海一氣相作用問題的研究,對(duì)熱帶太平洋區(qū)域以外海一氣系統(tǒng)對(duì)ENsO循環(huán)影響的機(jī)理方面還缺乏深入的認(rèn)識(shí)。實(shí)際上,E\SO循環(huán)不僅僅是一個(gè)熱帶問題。由于ENSO循環(huán)與暖池的熱狀況有密切聯(lián)系,暖池上空強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng)使該地區(qū)成為熱帶緯圈環(huán)流的上升分支所在,其西側(cè)的緯圈環(huán)流成為西太平洋和印度洋熱帶大氣的橋梁,因此,ENSO循環(huán)與熱帶印度洋的海一氣相互作用以及印度季風(fēng)的變化應(yīng)該在一定程度上具有內(nèi)在的聯(lián)系。除了與暖池?zé)釥顩r相聯(lián)系的緯圈環(huán)流外,在西太平洋和東亞上空存在著一個(gè)與緯圈環(huán)流相聯(lián)系的經(jīng)圈環(huán)流,它把暖池上空大量的熱量和動(dòng)量帶到副熱帶和中緯度,改變和加強(qiáng)了那里的大氣環(huán)流。熱帶西太平洋也是與東亞季風(fēng)爆發(fā)有關(guān)的海域,此海域的熱狀況會(huì)在一定程度上影響季風(fēng)的活動(dòng),反過(guò)來(lái)季風(fēng)的爆發(fā)又會(huì)改變海洋的熱力狀態(tài)和表中國(guó)煤化工CNMHG4期張人不等:ENSO動(dòng)力學(xué)與預(yù)測(cè)6850606z02990.4預(yù)報(bào)時(shí)效力月圖7No3區(qū)(150-90w,5"S-5N)STA預(yù)報(bào)相關(guān)技巧隨預(yù)報(bào)時(shí)效和韌值時(shí)間的分布(引自文獻(xiàn)[68])層洋流的強(qiáng)度和方向,因此,中緯度環(huán)流和東亞季風(fēng)也應(yīng)該與ENSO循環(huán)有關(guān)。綜上所述,東亞季風(fēng)、暖池、ENS()和熱帶印度洋是一個(gè)有機(jī)的整體,它們的變異存在著內(nèi)在的相互聯(lián)系。因此,只有對(duì)它們進(jìn)行綜合的研究,才能真正認(rèn)識(shí)清楚ENSO循環(huán)的機(jī)理,并對(duì)其進(jìn)行更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。參考文獻(xiàn)1 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