热带太平洋ENSO事件和印度洋的DIPOLE事件

在热带太平洋和印度洋的次表层构造了一个气候上的海温距平极值曲面(接近由20℃定义的温跃层曲面),分析了1960～2000年海温距平在这一曲面上演变的统计行为,指出,在这个曲面上分析海温距平的演变要比分析海表温度距平的演变规律更清楚,例如热带太平洋的ENSO事件,海温距平信号在赤道和南北10°左右的纬带附近呈逆时针方向传播,在传播过程中其强度产生变化甚至变号;在热带印度洋的Dipole若在最大海温距平曲面上来分析,则西、东印度洋的海温距平在统计上呈负相关(真正物理意义下的Dipole),而不像用海表温度距平分析那样只在西、东温度距平梯度上呈现年际的正、负号变化.进一步的分析表明,ENSO和Dipole的发展,在统计上呈现出时滞的相互关系,一般赤道东太平洋的海温距平变化在前(一个季度左右),联系这两者变化之间的纽带是赤道太平洋和印度洋的一对反相转动的Walker环流的耦合演变.

太平洋-印度洋海温异常模态及其指数定义的初步研究

通过对太平洋地区海温场的经验正交函数分解,分析其第一特征向量场发现,春夏秋冬四季在印度洋中西部大范围地区、赤道中东太平洋的大范围地区的海面温度西太平洋地区的相反,这一特征向量在四个季节的方差贡献率均大于33%,说明这一海温场的空间分布结构是稳定的,我们称之为太平洋-印度洋海温异常模态。并对这种模态经过认真分析比较和研究后定义了该模态的指数。

印度洋海表温度主模态及其与亚洲夏季季风的关系

分析了印度洋SST主模态的时空特征,并探讨其对亚洲夏季季风的影响,结果表明:印度洋SST主模态的主要特征为整个海盆一致的增温趋势,主要具有准3 a和准11 a周期,在1976/1977年和1997/1998年分别具有两次年代际显著增温。印度洋SST主模态与中国雨区夏季降水有很好的关系,其增温趋势与华北、东北南部、华南东部和西南西部降水减少,长江中下游地区、东北北部和西北地区降水增多具有很好的关系,并与长江中下游梅雨雨量具有较好的正相关关系;其变化趋势对亚洲夏季季风系统具有显著影响,在高空,使南亚高压、高原南侧的高空东风以及从南海、东南亚至西南印度洋的高空越赤道气流减弱,但增强10°—20°N、40°—110°E的北风;在中层,使西北太平洋副热带高压强度偏强,面积偏大;在低层,增强索马里越赤道气流,但却削弱印度夏季季风低层环流,并且在加强东亚地区的低层南风在中国长江中下游地区及其以南地区的同时减弱华北地区的低层西南风;地面,使亚洲大陆的气压升高;与对流层整层垂直积分水汽输送通量的相关分布与低层环流的相似。因此,印度洋SST主模态的上升趋势是亚洲夏季季风趋于减弱和中国雨带南移的一个原因。

热带印度洋SST海盆模态的“充电/放电”作用--对夏季南亚高压的影响

根据观测资料和海气耦合模式初值试验结果,通过比较分析热带太平洋SST主模态（ENSO模）和热带印度洋SST主模态（海盆模）对夏季南亚高压的影响,揭示了印度洋海盆模的“充电/放电”作用：赤道中东太平洋海温异常首先对印度洋进行“充电”,形成热带印度洋SST对太平洋EN-SO的响应模态——海盆模。该模态在ENSO发生翌年春季达到峰值位相,而且有很好的持续性,可以从春季持续到夏季,该暖（冷）模态可以引起大气的“Matsuno-Gill pattern”响应,并通过亚洲夏季平均西南季风的异常水汽输送等使得夏季南亚高压偏强（弱）,即为“放电”过程。而赤道中东太平洋海温异常对夏季南亚高压的直接影响并不显著,并指出了夏季南亚高压和超前3-12个月Ni o3指数之间高的显著正相关关系只是一个表象,并不是太平洋海温异常对南亚高压的直接影响结果,而是通过印度洋海盆模态的“充电/放电”作用引起的。

印度洋-太平洋海表温度年际变化的联合模态

利用1870-2004年的HadiSST的月平均海表面温度（SST）资料，对去除了全球增暖趋势的印度洋一太平洋海表温度异常（SSTA）作季节经验正交函数（Season—reliant Empirical Orthogonal Function，S-EOF）分解，得到了印度洋一太平洋海表温度年际变化的2个联合模态，并且分析了与之相对应的大气环流特征。结果表明：低频的厄尔尼诺／南方涛动（ENSO）是控制印度洋一太平洋的主导模态，能使赤道印度洋维持一异常反气旋性环流，削弱印度洋夏季风的作用并且将东印度洋暖池的暖水输送到西印度洋，印度洋SSTA在一年四季中都出现全海盆同号变化，因此，第一主模态是ENSO的低频模与印度洋海盆一致模的联合模态；第二模态表现为太平洋上准2a的ENSO位相转换模与印度洋偶极子模的联合模态，ENSO的位相转换发生于春季，与季风的异常转换有关，印度洋上出现异常的气旋性环流，叠加在印度洋夏季风上，增大东西印度洋的温差，在秋季出现西低东高的偶极子型海温分布，印度洋夏季风和这个模态的产生发展有很大的联系。

热带太平洋-印度洋上层热含量年际变化的主模态

利用多种海洋资料,采用经验正交函数分解(EOF)与合成分析等方法研究了热带太平洋-印度洋热含量年际变化的主要模态及其对应的转换过程。结果表明其第一模态对应El Nino事件成熟位相时的空间分布,即热带西太平洋和东印度洋为一冷中心,西南印度洋和赤道东太平洋为暖中心;第二模态对应着El Nino事件过渡期的空间分布,太平洋10°N附近以及赤道带为变化中心,而印度洋的变化中心主要在苏门答腊岛西部的赤道东印度洋海区。这2个模态基本刻画了ENSO循环过程中热带两大洋热含量变化的关键海区。利用合成分析结果与EOF分解结果的相似性,探讨了EOF分解前两个模态之间的转换过程,发现第一模态可能主要是通过海洋波动的传播过程调整到第二模态的,而第二模态还可以作为El Nino或La Nina事件的预报因子。此外,分析结果还表明,El Nino事件与La Nina事件对应的热含量变化并不是反对称的。

热带印度洋次表层偶极子模态及其1997/1998年过程诊断分析研究

利用EOF分解及相关统计方法研究了热带印度洋 40 0m以上的次表层海温异常并对1 997/ 1 998年热带印度洋偶极子事件过程进行诊断分析研究。结果表明 :热带印度洋次表层 40 0m以上的部分海温距平最大是在 1 0 0m左右的深度 ,就整个热带印度洋而言 ,自 2 0世纪 80年代以来 ,次表层 60m以上出现了变暖的趋势 ,而 80m以下则出现了降温的趋势。同时在热带印度洋次表层 80m深度存在着比海表更强的偶极子模态。 1 997/ 1 998年发生在印度洋海表东冷西暖型的偶极子事件 ,是东印度洋次表层的海温正距平西传的结果 ,而海温正距平的西传与热带印度洋上东风异常有关 。

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。

夏季热带印度洋大气热源主模态与中国东部降水的关系

利用1979—2008年NCEP/NCAR再分析资料和中国区域160站降水资料,分析了热带印度洋及南亚地区夏季大气热源的气候特征,探讨了热带印度洋夏季大气热源主模态与中国东部降水的关系。结果表明:与春、秋、冬季相比,夏季大气热源强度强、范围广,热源最强中心在孟加拉湾北部大陆边缘;当孟加拉湾、苏门答腊岛西部海域、阿拉伯海的中东部以及恒河平原等地的夏季大气热源增加(减少),而赤道印度洋的中西部地区、阿拉伯海北部边缘等地的夏季热源减少(增加)时,有利于长江中下游地区、华北北部、东北以及西南大部分地区夏季降水的增加(减少),不利于华北南部以及江南地区尤其华南地区的夏季降水的增加(减少);热带印度洋夏季大气热源的主模态主要通过影响对流层高、低层的环流来影响中国东部降水。值得注意的是,与热带印度洋夏季大气热源的主模态时间系数的年际变化相比,其年代际变化对中国东部降水影响更显著。

印度洋海温异常年际变率模态对中国东部地区夏季降水影响机制的数值试验

利用ECHAM5全球大气环流模式研究了印度洋海温异常年际变率模态从冬至夏的演变对我国东部地区夏季降水影响的机制。观测资料研究表明:对于正的印度洋海温异常年际变率模态,春、夏季热带印度洋和澳大利亚以西洋面(东极子)均为水汽的异常源区,向马达加斯加以东南洋面(西极子)及印度洋邻近大陆提供水汽。夏季,印度洋地区南极涛动、马斯克林高压加强;而印度季风低压和南亚高压均减弱,对应于印度夏季风减弱。夏季印度洋地区正压性的纬向风异常经向遥相关使热带印度洋地区出现西风异常,导致海洋性大陆地区对流活动减弱,而菲律宾海地区对流活动加强,进而导致西太平洋副热带高压偏弱、位置偏东北。对于负的印度洋海温异常年际变率模态,则反之。模式结果基本支持了已有的观测资料诊断结果。

ENSO及印度洋海盆模态关联的南海SST异常年代际变化及海洋平流输送的贡献

采用国际海-气综合数据集（The International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set, ICOADS）船舶观测资料及简单海洋同化分析数据（Simple Ocean Data Assimilation, SODA）, 研究了厄尔尼诺（El Nino-Southern Oscillation, ENSO）和印度洋海盆模态（Indian Ocean Basin, IOB）对南海海表温度（sea surface temperature, SST）影响的年代际变化, 并着重讨论了不同时期海洋平流输送对SST 异常的影响.结果表明, ENSO 事件对南海SST 的影响呈现显著的年代际变化特征;在1870-2007 年期间, 扣除资料较少的时期, 有4 个显著不同的时段, 分别是1892-1915 年、1930-1940 年、1960-1983年、1984-2007 年.在1950 年之前的两个时段, 南海在ENSO 期间出现一次显著的增暖, 而在1950 年之后的两个时段中, 南海出现了两次显著的增暖.除第一个时段外, 其余三个时段ENSO 发展期冬季大气潜热及短波辐射异常是导致南海增暖的主要原因, 海洋平流作用较弱; 而在最近的两个时段中, 海洋平流对ENSO 消亡年夏季南海增暖有重要影响.不同时段海洋平流对南海增暖贡献的差异说明ENSO 及IOB 对南海区域气候的影响具有明显的年代际变化特征.

El Ni?o衰退年印度洋海盆模态对印度夏季季风降水的影响

采用全印度陆地降水资料、NCEP/NCAR大气资料以及Had ISST资料集的SST资料,使用经验正交函数分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)和相关分析回归分析等统计方法,在前人的基础上,系统研究了厄尔尼诺-南方涛动(El Nino-Southern Oscillation,ENSO)及印度洋海盆模态(Indian Ocean Basin mode,IOB)对印度夏季季风降水的影响,指出厄尔尼诺衰退年印度夏季降水在反对称模态和北印度洋二次增暖共同的作用下表现出初夏减少晚夏增加的特点。通过观测分析发现,厄尔尼诺在其发展年和衰退年对印度夏季季风降水的影响截然不同。在发展年,中东太平洋的异常增暖引起Walker环流的改变,印度洋区域的下沉气流抑制印度大陆降水。在衰退年,厄尔尼诺对印度洋进行"充电",产生印度洋海盆增暖模态。在这个过程中,局地海气相互作用引起衰退年的印度降水有初夏减少晚夏增加的特点。其中春季印度洋的反对称风场(赤道以北为东北风异常,赤道以南为西北风异常)对印度夏季风有一定的减弱作用,这种异常环流减弱了初夏印度降水。同时反对称风场会造成在夏季北印度洋的二次增暖,又会促进了晚夏降水的异常增加。通过水汽输运通量的诊断分析进一步验证了上述海盆模态对印度夏季降水的作用。

热带印度洋低频振荡强度的年际变化及其主模态特征

为研究热带印度洋30～60 d低频振荡强度的年际变化特征,利用逐日向外长波辐射（简称OLR）资料,以低频振荡的能量作为低频振荡的强度指数,首先分析热带印度洋准30～60 d的低频振荡强度的季节变化特征,然后用EOF方法分析了各个季节准30～60 d振荡强度年际变化的空间主模态特征。结果表明：热带印度洋30～60 d低频振荡强度季节变化比较明显,其中春季最强,夏季和秋季相对较弱;其活跃区的季节分布也有明显差异,反映出明显的年变化特征。4个季节强度的空间变化第一模态基本表现为一致的变化特征;空间变化第二模态发现偶极子或三极子分布型。

气候变化情景下东南印度洋亚南极模态水的演变趋势研究

基于参与第六次耦合模式比较计划(CMIP6)的8个地球系统耦合模式所输出的历史模拟结果,本文通过与观测对比,评估了CMIP6模式对东南印度洋亚南极模态水的模拟能力,并预估了在中等强迫情景和高强迫情景下,该模态水潜沉率、体积及性质的变化趋势。结果表明:与Argo观测相比,CMIP6模式中南印度洋混合层偏深且上层海洋的位势密度偏小,因此其模拟的东南印度洋亚南极模态水潜沉率偏大而位势密度偏小。不同CMIP6模式之间模拟的东南印度洋亚南极模态水潜沉区存在差异,混合层侧向输入是导致这一差异的主要原因。此外,在历史模拟和两种情景试验中,东南印度洋亚南极模态水均呈现出潜沉率和体积减小、温度升高、盐度和密度降低的趋势。其中,在高强迫情景下,变化趋势最大,中等强迫情景次之,历史模拟中的变化趋势最小。这表明,辐射强迫越强,东南印度洋海表温度升高和淡水输入增加的趋势越大,导致混合层变浅及其南北梯度减小的趋势越快,东南印度洋亚南极模态水潜沉率、体积和性质变化的趋势也随之增大。

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—50m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ElNin^o,一般为1—6a。

热带印度洋和太平洋海气相互作用事件间的联系

在次表层海温距平极值面上海温距平的分布和变化表明,热带西、东印度洋的海温距平呈偶极子模态,即当西印度洋海温距平为正(负)时,东印度洋海温距平为负(正),偶极子模态的海温距平分布在热带太平洋同样存在,两大洋海温距平的偶极子模态间有密切的联系,在分析它们和850 hPa纬向风距平后指出,不仅这种海温距平偶极子模态的形成、发展是和这两大洋热带上空Walker环流相互作用的结果,同时正是Walker环流异常把两大洋的海温距平变化联系起来.

印度-太平洋海温的气候模态及其年代际异常

本文运用经验正交分解和合成图分析方法，对１９４０～１９９０年印度—太平洋海温的气候模态及其年代际异常特点进行了研究。研究表明，该区的海温表现出突变气候态、ＥＮＳＯ气候态、十年际振荡气候态等三种气候模态。突变气候态在近５０年演变中，出现了两次气候突变，表现为冷态、过渡态、暖态三个年代际特征。ＥＮＳＯ气候态的海温异常在三个年代际状态中表现出很大的差异，在冷态时，ＥｌＮｉｎｏ年的海温异常升温范围幅度小，赤道西太平洋和赤道印度洋都是降温的；在过渡态时，赤道东太平洋升温范围幅度有所扩大，赤道印度洋略有升温；在暖态时，升温范围扩大到整个热带，印度洋也能出现ＥｌＮｉｎｏ现象。

热带印度洋Dipole事件的两种模态

研究了印度洋Dipole事件期间热带太平洋-印度洋海洋次表层海温异常和海面风应力异常分布主要型,揭示了Dipole事件的两种模态,探讨了其形成机制,得到如下结果:(1)印度洋Dipole事件在热带印度洋次表层海温异常表现为"<"型的东西向偶极子分布,"<"以东的热带东印度洋为沿赤道呈舌状西伸的显著海温异常中心,"<"以西的热带中西印度洋为反号的、以赤道为准对称的南强北弱显著海温异常中心.(2)印度洋Dipole事件由两种模态构成,二者具相同空间分布但具不同的时间变率,它们是两个独立的大尺度海气相互作用的结果.Dipole事件第一模态源于热带太平洋-印度洋尺度海气相互作用,它与ENSO事件共存.Dipole事件第二模态起因于热带印度洋尺度海气相互作用,它与Mascarene高压位置和强度变化紧密联系.当二者位相一致时,产生强Dipole事件,二者位相相反时,Dipole事件很弱或消失,一者较强时,Dipole事件一般也较强.(3)印度洋Dipole事件是热带印度洋海面异常风应力强迫的结果,海面异常风应力作用下产生的垂直输送导致海水堆积和涌升是造成次表层海温异常的主要动力过程.当赤道印度洋为异常东风时,热带东印度洋冷海水上升,热带西印度洋暖海水堆积,热带印度洋温跃层东浅西深;由于Coriolis力的作用,赤道海域离赤道流造成冷海水上升,赤道印度洋温跃层变浅;赤道两侧热带印度洋异常反气旋环流及旋度场,造成该异常旋度中心区域暖海水堆积,赤道外热带印度洋温跃层加深.三者共同作用产生正位相Dipole事件.热带印度洋为异常西风时,动力过程相反,产生负位相Dipole事件.

热带印度洋海表面温度与海面净热通量耦合主模态的气候演变特征

利用1960年1月—2008年12月共49 a的SODA的SST资料和ECWMF的海面净热通量的资料,采用滑动SVD方法,对热带印度洋上两场异常耦合主模态的气候演变特征进行了分析,并对显著变化的时间、地点分别进行了判定。结果表明:(1)耦合作用在演变过程中有逐渐加强的趋势,两场的相关性一直保持的较好。(2)整个演变过程中,海面净热通量异常可以较好地解释大部分时段内海表面温度异常(SSTA)场本身的变化,变化幅度最大的地方位于苏门答腊-爪哇沿岸和20°S以南的海域;并且在其影响下,海盆在大部分时段内呈增温趋势。(3)耦合主模态两个场的空间分布都在1961—1970年到1962—1971年之间发生了唯一一次显著的变化,显著影响时间都为1971年。(4)SSTA场变化显著的地点主要位于东北印度洋和南海,为明显的正变化区,而20°S以南的海域呈明显的负变化;海面净热通量异常场分别在南海海域和赤道东印度洋及马达加斯加偏东的部分海域呈明显的正、负变化。

热带大洋春季海气耦合模态及其与ENSO的关系

在北半球的春季,热带三大洋的海洋–大气系统年际变化会对同期太平洋厄尔尼诺–南方涛动(El Niño-Southern oscillation,ENSO)产生响应,同时也能通过区域海洋–大气耦合过程影响ENSO的发展。基于国际公开使用的海表温度资料和降水资料,通过联合正交经验分解方法分析,可以发现全球大洋春季存在两种显著的海气耦合模态。第一模态表现为:在热带中东太平洋,海表温度增暖、降水增多;在热带大西洋和热带印度洋,降水呈现经向偶极型分布以及跨赤道的海表温度梯度异常;即伴随ENSO在春季消亡期的空间型态,大西洋出现经向模态,印度洋出现反对称模态。第二模态表现为:太平洋经向海表温度和降水模态,即太平洋经向模态。回归分析结果表明,ENSO盛期的大气环流调整引起了热带大西洋和印度洋降水辐合带异常,并通过海面风场异常激发海盆内部的海洋–大气反馈,引起春季经向模态。进一步研究发现,冬、春季大西洋和印度洋热带辐合带分别位于赤道以北和以南,导致两个海盆经向模态的降水异常相对赤道呈反对称分布。在春季,太平洋经向模态的暖中心延伸到赤道上,引起西风异常,为后续El Niño的发展提供了有利条件。文章揭示了太平洋ENSO与春季热带三大洋经向模态之间的关系,这有助于更好地理解热带气候模态的季节性“足迹”的发展过程。