第27卷第4期大氣科學Vol 27 No 4年7月Chinese Journal of Atmospheric SciencesJuly 2003ENSO動力學與預測張人禾])周廣慶2)巢紀平3)1)(中國氣象科學研究院,北京l0081)2)(中國科學院大氣物理研究所,北京10029P4 A3)(國家海洋局海汗洋環(huán)境預報中心,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信號。由于它的發(fā)生會在全球許多地區(qū)引起嚴重的氣候異常,極大地影響著這些地區(qū)的工農業(yè)生產和人民生活,因此,對ENSO的機理及其預測的研究一直是大氣海洋界的個熱點研究課題。中國科學院大氣物理研究所在ENsO的機理及其預測等方面進行了大量的研究,取得了許多研究成果。作者將對中國科學院大氣物理研究所在這方面的一些研究成果進行回顧和介紹關鍵詞:海一氣相互作用;FNSO;預測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,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,這時赤道中東太平洋的表面冷海水強烈增暖,并且持續(xù)的時間可達一年左右1。研究表明引,發(fā)生在熱帶大氣中的南方濤動( Southern oscillation)現(xiàn)象與厄爾尼諾現(xiàn)象有著內在的聯(lián)系,是與海洋中的厄爾尼諾現(xiàn)象相對應在熱帶大氣中發(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信號。ENSO現(xiàn)象雖然發(fā)生在熱帶,但許多觀測和數(shù)值模擬研究都表明,它會在全球范圍內引起嚴重的氣候異常,在世界許多地區(qū)造成嚴重的旱澇和高低溫災害,極大地影響著這些地區(qū)的工農業(yè)生產和人民生活。因此,近20年來ENSO一直是短期氣候變化方面的一個研究焦點(如 CLIVAR)。關于ENSO機制的大量研究成果,使我們對ENSO動力學的認識有了很大的進展7,而為期10年的TOGA(熱帶海洋和全球大氣)計劃的實施,已使監(jiān)測和預報ENSO成為現(xiàn)實。本文將著重討論近20年來中國科學院大氣物理研究所( IAP/CAS)對ENSO機理和ENSO預測的一些研究成果。200301·20收到,2003-03-20收到修改稿國家自然科學基金資助項目40225012和40005007共同資助中國煤化工CNMHG4期張人不等:ENSO動力學與預測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。 Philander等在ST的變化正比于海洋混合層厚度的假定(局地熱力平衡近似)下,發(fā)現(xiàn)海一氣相互作用使得海—氣耦合系統(tǒng)中的擾動變?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)定擾動的產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方程,同時包括了平流和斜溫層厚度局地變化的蟛響,指出海洋中熱力學過程的形式對所導致的海氣耦合系統(tǒng)的不穩(wěn)定類型具有重要作用。當熱力學方程中局地熱力平衡近似起主要作用時,向東傳的 Kelvin波是不穩(wěn)定的;當固定平均溫度梯度并減小控制局地熱力平衡近似的參數(shù)時,耦合模式中不穩(wěn)定模的結構從類似于 Kelvin波轉變?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)定擾動歸結為不穩(wěn)定 Kelvin波的作用。但是, Kelvin波的發(fā)生不僅要求的條件很嚴,即擾動的徑向速度必須為零,同時,觀測表明ENSO現(xiàn)象向東傳的速度也比 Kelvin波慢。巢紀平等2)和張人禾等1:1采用流場和壓力場之間的高階平衡近似,過濾掉大氣和海洋中的 Kelvin波,在局地熱力平衡近似下討論了熱帶海氣耦合系統(tǒng)中大氣 Rossby波和海洋 Rossby波的的相互作用。理論分析結果(圖1)指出,熱帶大氣和海洋中的赤道 Rossby波相互耦合后,不僅可以產生向西傳的不穩(wěn)定耦合波,在一定條件下也可以產生一類不同于 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)中向東傳的擾動歸結為 Kelvin波這種理論的片面性。數(shù)值試驗結果也證實了理論分析結果的正確性。以上的討論表明,不同的研究得到了不同的結果。實際上, 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部(實線)及徑向模為偶數(shù)時大氣(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3])中國煤化工CNMHG676大氣科學27卷運功方程,在大氣和海洋中同時存在著重力慣性波、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斷模式的方法所得到的結果很難看清楚耦合后的擾動究竟由哪些自由波占主導地位。為了清楚地分析哪些自由波動在熱帶海氣耦合系統(tǒng)的不穩(wěn)定擾動中起主導作用,張人禾1,1在赤道平面上取長波近似的條件下,討論了在熱帶海氣耦合系統(tǒng)中取不同徑向模時耕合波的性質,即分別討論了在局地熱力平衡近似下大氣和海洋 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。結果指出,這些單獨的耦合波對海氣耦合模式中參數(shù)的取值很敏感,不同的參數(shù)可以產生性質不同的耦合波。但在實際的熱帶海洋和大氣中,一且有擾動出現(xiàn),必將在兩種介質屮同時激發(fā)出 Kelvin波和 Rossby波。因此,對這些單獨耦合波的討論并不能代表真實的海氣耦合系統(tǒng)中的情況,但卻有助于我們理解大氣和海洋中同時包含 Kelvin和 Rossby波時耦合波的性質張人禾的研究結果指出,當大氣和海洋中同時包括 Kelvin波和 Rossby波時,向東傳的不穩(wěn)定耦合波占有絕對重要的地位(見圖2),這與 Philander等的數(shù)值計算結果是一致的。熱帶海氣耦合波的性質與模式中的參數(shù)c(海洋重力波速c與大氣重力波速c的比值,即∈=c/c)有很大關系。當e很小時,大氣與海洋中自由波的頻率相差很大,不容易產生強烈的海氣耦合,這時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ε不太小時,才能產生強烈的海氣朝耦合,并且海氣耦合波的性質與大氣和海洋中經(jīng)典自由波的性質產生了很大的差異。與單獨的耦合波的性質比較后可知,當參數(shù)ε較小時,不穩(wěn)定東傳耦合波的產生是由于海洋中的 Rossby波經(jīng)過海氣相互作用后,在波長較長處變成了向東傳,它是與海洋中的 Kelvin波相互耦合后所產生的,而當∈較大時,則大氣與海洋中 Kelvin波的耦合波在這種向東傳的不穩(wěn)定波中占主導地位1.0302.0圖2取不同c時海氣耦合波的頻率a隨波數(shù)k的變化(引自文獻L17(a)e=.026;(b)e=0.13;(c)e=0.26;(d)c=0.39(斷線代表嫩不穩(wěn)定耦合波頻率的實部)實線;頻率的實部;虛線:頻率的虛部中國煤化工CNMHG4期張人禾等:FNSO動力學與預測6773ENSO循環(huán)的物理機制Schopf和 Suarez提出了延遲振子理論,用來解釋E、sO循環(huán)產生的物理原因,這個理論強調了海洋中的赤道 Kelvin波和 Rossby波的傳播過程及其在邊界的反射在維持ENS(循環(huán)中的重要作用。但足,許多研究結果并不攴持這種觀點。Chao和Philander.利用一個真實的海洋環(huán)流模式,在熱帶太平洋1.1967年到1979年間觀測到的風場的作用下,對ENSO循環(huán)進行了研究,其結果指出在與南方濤動相聯(lián)系的年際時間尺度中,沒有清楚的證據(jù)表明個別赤道波動的存在。在許多耦合模式的結果中2,異常的SST、斜溫層深度以及風場都起源于熱帶西太平洋,然后以很慢的速度向東傳播。 Hirst2時有邊界和沒邊界時的解進行了比較,指出在他的解中沒有反射的 Rossby波。 Masumota和 Yamagata2詳細分析了振蕩解的結構,指出解中只包含向東傳播的擾動,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)系的年際振蕩的動力學機制似乎可以不需要產生赤道 Rossby波,也不需要它們在邊界的反射。3.熱帶海氣耦合系統(tǒng)的非線性自激振蕩與ENSO循環(huán)張人禾和巢紀平3利用一個簡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)產生中的可能作用,ENSO循環(huán)可以不靠赤道波系在大洋內部的傳播及其在邊界的反射這種過程來維持。他們的結果也指出,非線性熱帶海氣耦合系統(tǒng)的振蕩周期對海一氣相作用強度的變化非常敏感,海一氣相互作用強度僅在百分之十幾的變化范圍內,可以產生2~9年不同的海氣耦合系統(tǒng)的振蕩周期。實際的海氣耦合強度應該是不斷變化的,因此,由模式結果可以推知ENSO現(xiàn)象必然會以不固定周期出現(xiàn)3.2熱帶西太平洋緯向風應力在維持ENSO循環(huán)中的動力作用張人禾和黃榮輝分析了與ENSO循環(huán)相聯(lián)系的緯向風應力場,發(fā)現(xiàn)觀測的大洋屮西部緯向風應力異常出現(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)西風應力異常。隨著西風應力異常不斷加大且向東傳播,此時赤道中東太平洋的海面溫度不斷升高;當西風應力異常達到最大且其最大中心東傳到日期變更線附近時,赤道中東太平洋的海面溫度達到最高。隨著西風應力異常向東移,在其西邊的熱帶西太平洋出現(xiàn)了東風應力異常。赤道西太平洋的東風異常出現(xiàn)在赤道中東太平洋海畝溫度達到最高值之前,隨后東風應力異常不斷加大并向東移動。隨著東風應力異常的加強和向東移動,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)負海面溫度異常。張人禾和黃榮輝湖所揭小的觀測事實與延遲振子理論不同,強調了首先出現(xiàn)在熱帶西太平洋的緯向異常風應力及其東傳在維持ENSO循環(huán)中的重要性。他們的理論分析3,2和數(shù)值試驗21結果表明,熱帶西太平洋緯向風應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煤化工CNMHG678大氣科學27卷m1△1時間/a.6圖3取不同海氣相互作用系數(shù)時赤道上海洋擾動髙度場隨時間的演變(引自文獻[25])在著內在的動力學聯(lián)系,并且緯向風應力東傳時比其靜止時所激發(fā)出的海洋 Kelvin波有更大的強度。理論分析結果表明,觀測到的西風應力異常可以在海洋中產生三類過程,造成赤道東太平洋海面溫度的升高,即東傳西風應力異常激發(fā)的下沉 Kelvin波它到達大洋東邊界產生的反射下沉Rosb波、以及西風應力異常移到赤道樂太平洋時它本身強迫產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。觀測到的東風應力異常同樣可以在海洋中產生三類過程,使得赤道東太平洋中國煤化工CNMHG4期張人禾等:FNO動力學與預測海面溫度降低,即東傳東風應力異常激發(fā)的上翻 Kelvin波、它到達大洋東邊界產生的反射上翻 Rossby波、以及東風應力異常移到赤道東太平洋時它本身強迫產生的海洋混合層厚度減小,這些過程的綜合作用可以導致厄爾尼諾事件的消亡3.3熱帶西太平洋上空大氣對流層低層的環(huán)流異常與ENSO循環(huán)黃榮輝等分析∫與20世紀80年代以來的四次ENSO循環(huán)相聯(lián)系的熱帶西太平洋上空大氣對流層低層的環(huán)流異常。結果表明,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生西風異常;而當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生東風異常。由此形成的赤道附近的緯向風異常通過激發(fā)出海洋中的赤道波系,對于 El Nino事件的發(fā)展與衰減和拉尼娜事件的發(fā)生產生重要的動力作用黃榮輝等的研究結果強調了暖池的熱狀況導致了熱帶西太平洋上空大氣對流層低層風場的形成,此風場通過激發(fā)出海洋中的赤道波動,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。暖池熱狀況的變化又會造成熱帶西太平洋上空大氣對流層低層風場的變化,并激發(fā)出性質與其相應的海洋赤道波動,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流層低層風場和海洋中的赤道波動之間可能存在著種“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、冷水的傳播過程李崇銀和穆明權3、巢清塵和巢紀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距平不斷向東傳播,并在傳播過程中不斷加強,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,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。一般來講,一次厄爾尼諾過程完結后,會緊跟一次拉尼娜過程,這兩者之間有無聯(lián)系?以及在什么樣的聯(lián)系?李崇銀和穆明權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正距平和強海面溫度正距平,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致ENSO的發(fā)生。同樣,次表層海溫負異常也有完全類似的循環(huán)過程,并形成1984午和1988年的冷事件。巢紀平等3,對1997/1998年厄爾尼諾以及對20世紀70年代以來的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、負距平信號像…對雙子星座一樣總是伴隨對方的出現(xiàn)而出現(xiàn),或是溫躍層面上當負距平信號沿赤道向東傳播時,正距平信號在北部10°N附近向西傳播,或是當正距平信號沿赤道向東傳播時,負距平信號在10°N向西傳播。同時,在熱帶太平洋中國煤化工CNMHG大氣科學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間的演變,最右圖為Na3區(qū)海面溫度異常的時間變化曲線(引自文獻[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成一個環(huán)路,并交替出現(xiàn)。當然各次循環(huán)所需的時間可以各不相同,平均來說在3~4年左右。但在有的年份,這種循環(huán)過程雖然存在,但正的海溫距平或負的海溫距平強度較弱,達不到厄爾尼諾或拉尼娜所需要的溫度距平強度,即厄爾尼諾或拉尼娜“夭折”。這種情況的出現(xiàn),經(jīng)常是因為大氣環(huán)流條件不支持。對于厄爾尼諾的“天折”,往往是缺乏強的西風持續(xù)支持,而對于拉尼娜的“天折”,往往是沒有強的東風支持。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)流模式的長期數(shù)值積分結果,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。這種距平信號在東、西太平洋以及赤道上與赤道兩側號反位相結構,并且隨時間相互轉換。在赤道上,海溫距平信號沿氣候溫躍層自西向東傳播;而在赤道兩側則沿氣候溫躍層自東向西傳播;在西太平洋從赤道兩側向赤道傳播,而東太平洋由于受到東邊界大陸的影響,距平信號則表現(xiàn)為自赤道向南北兩側傳播并反射向西傳播,從而構成了一個中國煤化工CNMHG1期張人禾等:FNS(動力學與預測81循壞過程。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動的必經(jīng)之地,而且也是暖水或冷水積聚的場所;厄爾尼諾事件之后一般緊跟次拉尼娜事件,正、負距平信號的傳播或運動規(guī)律如前所述;而在資料分析中,海溫距平信號沿南半球環(huán)路的傳播或運動不如北半球環(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)向風應力的變化與厄爾尼諾的發(fā)生對于風應力異常在ENS循環(huán)中的作用、緯向風應力的作用受到了特別的重視。際TOGA項目的執(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。 McCreary研究了熱帶海洋對風應力的響應,指出經(jīng)向風應力異常對厄爾尼諾并不重要,因為它激發(fā)不出赤道 Kelvin波。但是觀測事實表明,厄爾尼諾發(fā)生的一個前兆是大氣中的熱帶輻合帶(ITCz)的異常南移3。由于Iz的異常南移必然會帶來經(jīng)向風應力場的變化,因此,經(jīng)向風應力場與厄爾尼諾的發(fā)生是否具有內在的聯(lián)系是值得研究的一個問題張人禾等利用觀測資料,對熱帶太平洋海表經(jīng)向風應力異常在厄爾尼諾事件發(fā)生過程中的作用進行了診斷分析。發(fā)現(xiàn)在熱帶中東太平洋經(jīng)向風應力距平場中,關于赤道附近輻合的經(jīng)向風應力異常與Nino3區(qū)(150~90°W,5°S~5)海面溫度指數(shù)有很好的超前相關,這種相關性在超前6個月甚至更早一些就有顯示。這種超前相關表明了超前于增暖事件出現(xiàn)的輻合經(jīng)向風應力與厄爾尼諾事件的發(fā)生可能具有一定的內在聯(lián)系,并對厄爾尼諾的發(fā)生具有一定的先兆意義。通過利用奇異值分解(SVD)方法,分析了超前的異常經(jīng)向風應力場與太平洋海表溫度異常場的耦合模。結果表明,對應于厄爾尼諾類型的海溫異常的分布,大氣風應力場在超前6個月甚至更早的時候,在赤道中東太平洋表現(xiàn)為輻合的經(jīng)向異常風應力場,即赤道以北為北風異常應力,赤道以南為南風異常應力。這種耦合模的時間系數(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應關系,表明這種耦合模反映的正是超前的經(jīng)向風應力異常與厄爾尼諾事件所對應的海長溫度異常之間的相關模態(tài)。為了研究觀測資料分析中所揭示的關于赤道輻合的經(jīng)向異常風應力場是否與厄爾尼諾的發(fā)生具有內在的動力學聯(lián)系,張人禾等根據(jù)觀測資料分析的結果,建立了個關于赤道輻合的理想經(jīng)向風應力形式,并利用簡單的熱帶海洋動力學模式,分析求解在該形式風應力強迫下熱帶海洋的定常非定常響應。結果表明,對于風應力作用在整個區(qū)域上的定常響應,赤道兩側的海水向赤道堆積,使赤道及附近的海洋混合層加厚,在赤道附近響應出向西的流動。對于風應力作用于緯向有限寬度區(qū)間上的非定常響應(圖5),在海洋中激發(fā)出向西傳播的關于赤道對稱的 Rossby波,它使波動到達的區(qū)域混合層變厚,而且在強迫區(qū)之外 Rossby波經(jīng)過后的區(qū)域,在赤道及其附近響應出向西的流動,并且出現(xiàn)這支向西流動的范圍隨 Rossby波的西傳不斷向西擴展。同時,由于 Rossby波的作用,在赤道附近強迫區(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,混合層的這種結構在耗散作用較大時更為明顯。因此,當關于赤道輻合的經(jīng)向風中國煤化工CNMHG682大氣科學卷x/1000kmx/1000 km圖5關于赤道輻合的經(jīng)向風應力異常強迫出的海洋混合層厚度異常(a)和緯向流常(b)隨時間的演變應力強迫作用于赤道東太平洋時,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出的向西流動,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,為后來暖事件的發(fā)生累積能量。這里的結果也表明,在厄爾尼諾發(fā)生之前,不僅緯向偏東信風的增強可以驅動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)向風應力異常也可以強迫出向西的異常流動,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煤化工CNMHG張人禾等:ENS)動力學與預測作用,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ENSO循環(huán)具有重要影響。李崇銀.43指出,冬半年強東亞大槽的頻繁活動,通過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)偏東信風的持續(xù)減弱以及對流活動的加強。熱帶中一西太平洋地區(qū)大氣環(huán)流的持續(xù)異常及其向東擴展,最終導致ENSO的發(fā)生。黃榮輝等“提出了ENSO循環(huán)可能是亞洲季風區(qū)與Hadley環(huán)流區(qū)之間存在的低頻振蕩的產物,并進一步指出了赤道附近兩風異常是ENO發(fā)生的一個必要條件,而這種西風異常的產生與東亞季風區(qū)的西風異常向赤道的傳播有關45。由此可看到,東亞季風可以對ENSO循環(huán)產生重大的影響。吳國雄等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,并指出印度洋這種與ENS)相關聯(lián)的變化,與ENSO之間存在內在的物理聯(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)流的角度來說,印度洋地區(qū)季風環(huán)流的異?？赡苁荅NSO事件形成的一種觸發(fā)機制。孟文等7分析了 AP/LASGOAⅠS氣候模式的多年積分結果,發(fā)現(xiàn)模式中也同樣存在與觀測資料分析結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可以通過這種“齒輪式”耦合作為橋梁,影響另一地的?！獨庀嗷プ饔?ENSO預測研究自20世紀80年代起,科學家們就開始進行ENSO的預測研究48。月前ENSO偵測可以分為兩類,即統(tǒng)計學模式和動力學模式。在統(tǒng)計模式中主要用典型相關分析(CCA)、主振蕩分析(POP)、經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)、主分量回歸(PC)、神經(jīng)網(wǎng)絡、線性反演、奇異值分析、馬耳科夫等方法,51。動力學模式依其復雜程度又分為簡單的海氣耦合模式( 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個月的預測,衡量預報水平的標準一般采用Nino3(或Nino3.4)指數(shù)的預報結果與觀測結果作相關分析。國內業(yè)已開展ENSO預測研究和業(yè)務預報,采用的方法既有純統(tǒng)計學方法6又有動力學模式。周廣慶等,-利用IAP熱帶太平洋和全球大氣耦合環(huán)流模式,設計了“氣候異常”初始化方案并進行了十幾年的系統(tǒng)性后報檢驗,建立了 IAP ENS預測系統(tǒng)。綜合國內外各種模式的預測結果,可以發(fā)現(xiàn)(1)預測的?？啃噪S預測時間的增加而逐漸降低,達到18個月后,預測的可信度已經(jīng)很低了。目前,統(tǒng)計模式可提前幾個月預報ENSO,而動力學模式則可提前一年預測。 IAP ENSO預測系統(tǒng)對赤道中東太平洋地區(qū)(Nno3和No3.4)有較強的預報能力,超前6個月的預報相關技巧為0.57,超前18個月時仍維持在0.52,而均方根誤差小于0.9℃t6(圖6)2)模式在做3個月以上的預測時,其可靠性普遍高于持續(xù)性預測,有的模式在3~15個月的預測上可達到0.6以上。而在做1~3月的預測時,依其所采用的初始化方法(針對動力學模式)的不同而不同。對于沒有采用同化方法而充分應用海洋次表層中國煤化工CNMHG684大氣科學27卷0頎報超前閫預報超前時間月圖6Nino3k(150~90°W,5s~5N)SsTA預報相關技巧(倒報與觀測的相關系數(shù),a)和均方根誤差(b)實線;模式預報結果;虛線:持續(xù)性預報結果,(引自文獻L68](0~300m)觀測資料的模式,其在1~3個月的預測技巧均低于持續(xù)性預測。當在模式初值中同化海洋次表層資料時,其預報技巧自開始就高于持續(xù)性預測-。因此,海洋資料同化方法及其在ENSO預測中的應用成為當前ENSO預測研究的熱點(3)模式預報能力具有時間依賴性,主要表現(xiàn)在兩個方面。一是具有10年際的變化.即對某一時段的ENSO預測較好而對另一時段預測較差1,如 Lamont模式對20世紀80年代的冷暖事件預報得很好,但對20世紀70年代和90年代的ENSO預測得就不好。其他模式也有類似的現(xiàn)象,如 IAP ENS頂測系統(tǒng)對20世紀80年代的ENSO事件,在Nno3區(qū)接近0.8的預報相關技巧可達一年半左右,而對20世紀90年代的ENSO事件,超前半年以上的預報僅在0.4左右1,這說明FNSO可預報性本身有10年際的變化性。模式預報能力的另一表現(xiàn)是與預報的起始季節(jié)和ENSO發(fā)生的季節(jié)有關。 IAP ENSO預測系統(tǒng)從春季到秋初開始的預報較好,高于0.5的技巧均可維持15個月以上,其中從7月到9月開始的預報,其高于0.6的相關技巧可達16個月;而從秋末和冬季開始的預報,其技巧衰減較快,預報5個月后降到了0.5以下圖7)7結束語本文總結了中國科學院大氣物理研究所有關ENSO循環(huán)和預測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,對熱帶太平洋區(qū)域以外海一氣系統(tǒng)對ENsO循環(huán)影響的機理方面還缺乏深入的認識。實際上,E\SO循環(huán)不僅僅是一個熱帶問題。由于ENSO循環(huán)與暖池的熱狀況有密切聯(lián)系,暖池上空強烈的對流活動使該地區(qū)成為熱帶緯圈環(huán)流的上升分支所在,其西側的緯圈環(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的變化應該在一定程度上具有內在的聯(lián)系。除了與暖池熱狀況相聯(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量帶到副熱帶和中緯度,改變和加強了那里的大氣環(huán)流。熱帶西太平洋也是與東亞季風爆發(fā)有關的海域,此海域的熱狀況會在一定程度上影響季風的活動,反過來季風的爆發(fā)又會改變海洋的熱力狀態(tài)和表中國煤化工CNMHG4期張人不等:ENSO動力學與預測6850606z02990.4預報時效力月圖7No3區(qū)(150-90w,5"S-5N)STA預報相關技巧隨預報時效和韌值時間的分布(引自文獻[68])層洋流的強度和方向,因此,中緯度環(huán)流和東亞季風也應該與ENSO循環(huán)有關。綜上所述,東亞季風、暖池、ENS()和熱帶印度洋是一個有機的整體,它們的變異存在著內在的相互聯(lián)系。因此,只有對它們進行綜合的研究,才能真正認識清楚ENSO循環(huán)的機理,并對其進行更加準確的預測。參考文獻1 Rasmusson, E. 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