气候模式CAS-ESM-C对1月热带太平洋流场模态的模拟评估

利用气候模式CAS-ESM-C从1922年起84年的模拟资料,对1月份热带太平洋上层流场作复EOF分解及小波分析,并与实况以及理论解析解作对比讨论,以考察模式对赤道大洋上层流场的模拟能力,得到主要结论:(1)复EOF分解前3个模态的方差贡献为53.5%、12.9%、9.5%,累积方差贡献为75.9%,累积方差贡献比实况更高。(2)第一、二模态空间场与实况相比总体相像,流场都为赤道所俘获,在俘获区内的流场均以偏纬向流为主;差异在于模拟资料分析的赤道俘获区范围较实况要大,流场的经向流分量及越赤道流也较实况明显。(3)第一、二模态实时间系数序列无线性变化趋势,而实况则有。复EOF模态年际及年代际变化与实况相同或相近;第一、二模态中3~7年的年际变化是厄尔尼诺与南方涛动(ENSO)的反映;第一模态22~23年的年代际变化受北太平洋主要气候模态北太平洋年代际振荡(PDO)对热带太平洋的影响,而第二模态13年的年代际变化是受北太平洋次要气候模态北太平洋环流振荡(NPGO)对热带太平洋的影响;第一、二模态还都有峰值16年的年代际变化,这可能与印尼穿越流有关。(4)模拟资料分析的结果具有理论解析解中流场为赤道所俘获及流场为纬向流的特点,只是解析解中因无风应力强迫,流场呈纯纬向流。(5)第一(二)模态在赤道太平洋东部(中部)有海温动力异常,并可称之为东(中)部型ENSO模态。气候模式CAS-ESM-C对热带太平洋上层流场的模拟表现较佳。

1月份两类ENSO的海气环流模态分析

本文对1950~2001年1月份的大气风场和大洋流场做了联合复EOF(Empirical Orthogonal Function)分解,用以探讨1月份两类ENSO(El Nino-Southern Oscillation)的海气环流及耦合情况,所得结果主要有:该分解第1、2模态空间场分别相应于东部型、中部型ENSO,前者在赤道太平洋东部和中部都有海温动力异常,并以东部异常最强,后者仅在中部存在此异常,两模态的时间系数都与ENSO有很好相关,为此第1、2模态可分别称为东部型、中部型ENSO的风场流场(异常)模态。东部型ENSO模态具有3~6年的年际变化和13~14年的年代际变化,中部型则有明显的7年年际变化和12、17年的年代际变化,两者中约13年的周期与冬季北太平洋NPGO(North Pacific Gyre Oscillation)的周期相同。东、中部型El Nino期间,沃克环流上升支分别从印尼东移至赤道西、中太平洋,并有所减弱;南、北支哈得莱环流则分别位于日界线以东及该线附近,且均有所加强,从而使南、北太平洋副热带高压偏强;而在5°S的南美沿岸则分别有垂直运动上升和下沉异常。在海气耦合上,两类ENSO模态在赤道中太平洋均存在西风异常与海洋赤道Kelvin波和Rossby波的波包解耦合,而海温动力异常对大气的影响则都起到负反馈作用,从而有利于ENSO的维持和稳定。

失稳背景流下对称型海洋内波的生成演变

本文采用无海底地形但考虑海洋跃层和剪切背景流的二维非静力准不可压缩方程组的数值模式,开展失稳垂向剪切背景流下线性和非线性对称型海洋内波生成演变的数值实验,并对结果进行分析、比较和讨论。研究结果表明,线性内波强度随积分时间始终呈指数增长,并有内波的对称不稳定;而非线性内波强度则在发展期呈准线性增长,最终进入稳定期。线性增长比非线性增长要快得多,非线性效应具有维稳作用。对该线性和非线性对称型内波,在跃层附近位密度扰动均有大值中心,即其为跃层所俘获,这与实际观测相一致;流函数与位密度扰动两者均有很好配合,位密度扰动的正、负中心分别相应于流函数的上升、下沉运动,表明有从海底向上的斜对流发生,且以跃层为顶盖。对线性内波来说,随积分时间增加,其波形大体不变,其正、负振幅也大体相同,并有符号相反原地增长的两个倾斜环流圈,而在它们之间则有较强倾斜上升流。非线性内波波形随积分时间改变,倾斜环流圈数目也在增加,最终形成负环流强于正环流的结果,并导致流函数、位密度扰动水平梯度剧增,其可视为间断。

赤道大洋驻波异常及其年际变化的理论分析

本文采用赤道β平面近似下的线性化正压扰动方程组,引入约化重力加速度后,得到了赤道驻波异常的解析解,给出了此解的计算结果,并与实际热带太平洋和印度洋流场异常复EOF分析的模态做了比较,得到以下主要结论:赤道驻波异常的模态1,其流场异常在整个大洋为半波,呈一致的纬向流;流场异常在热带大洋中部最大,并向赤道南北两侧迅速衰减,其被限制在赤道两侧约2°的范围内。赤道驻波的模态2,其流场异常在整个大洋为1波,在大洋东、西部纬向流的流动方向相反,流场异常向赤道南北两侧衰减的程度同模态1。赤道驻波异常分别满足南北走向的东、西海岸边条件。决定赤道驻波异常在赤道两侧衰减程度的系数,其仅与约化重力加速度和上层海水标准深度之乘积的平方根值成反比;当该值取得相同时该衰减程度也相同。赤道驻波异常的振荡频率与模态序号及上述平方根值成正比,与热带大洋宽度成反比;模态序号越低,该宽度越大,则该频率越低,相应振荡周期也越长;模态1的振荡周期最长。当取各参数为典型值,并取模态序号为1,再分别取热带太平洋和印度洋的宽度时,对赤道驻波异常计算的结果表明,其与实际相应海洋上层流场异常复EOF分析中得到的第一模态空间分布和年际变化相一致;这意味着此复EOF分析第一模态的本质是赤道驻波异常,这也表明该驻波异常在实际大洋中确实存在,并推断该驻波异常是ENSO和印度洋偶极子的形成机制之一。