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行业专项成果综述-印度洋通过印尼贯穿流对ENSO及其可预报性的影响

发布者:张岳   来源:   发布时间:2019/11/11 14:39:24   标签:   浏览次数:4778

项目编号GYHY201306018

研究周期2013年1月—2015年12月

国拨经费272万元

项目负责人】穆穆

项目骨干成员】张人禾、袁东亮、段晚锁、周慧、赵霞、杨明珠、冯蓉、周倩

项目承担单位】中国科学院海洋研究所

项目协作单位】中国科学院大气物理研究所、国家气候中心、中国气象科学研究院

主要研究成果

ENSO作为热带太平洋地区最强的海气耦合现象,是短期气候年际变化的最强信号之一。在印度洋对ENSO影响的机理研究方面,过去的研究侧重于大气桥的作用,而忽视了印尼贯穿流的重要影响;在ENSO可预报性研究方面,印度洋通过印尼贯穿流对ENSO可预报性的影响是一个新问题。本项目开展的关于印度洋通过印尼贯穿流影响ENSO及其可预报性的研究,将弥补这一空白,其研究成果对进一步认识ENSO发生和发展的动力学机制和相关物理机理、发展和改进数值模式、提高ENSO预报技巧具有重要的科学意义和应用价值。具体成果如下:

一、华南冬季降水对厄尔尼诺和拉尼娜的不对称响应。

东亚冬季风和华南地区冬季降水息息相关,而东亚冬季风的强弱主要受ENSO的调制。因此,厄尔尼诺和拉尼娜对东亚冬季风的不对称影响,进一步导致华南地区冬季降水的不对称响应。目前,这种不对称响应的物理机制以及季节内振荡在这过程中扮演的角色却尚未清楚。

资料诊断表明,在厄尔尼诺年冬季,中国南方降水明显偏多,而拉尼娜年冬季降水并不显著偏少,这种降水异常对厄尔尼诺和拉尼娜的不对称特征与西太平洋对流层低层环流异常的不对称有关。进一步分析发现,大气环流对厄尔尼诺和拉尼娜事件的不对称响应是受到了季节内振荡的影响。厄尔尼诺冬半年,热带西太平洋对流活动受到抑制,季节内振荡不活跃,年际时间尺度变化占主导地位,因此热带西北太平洋受与年际变化相联系的反气旋性环流异常控制,在年际时间尺度上引起向中国南方的水输送显著增强,导致中国南方出现显著的降水正异常;而在拉尼娜年冬季,季节内振荡活跃,与年际变化信号相联系的气旋性异常明显偏弱,因此冬半年平均状态下西北太平洋上空为弱的气旋性异常响应,对中国南方上空水汽输送的影响不显著,因而没有出现显著的降水负异常。

该成果对于预测厄尔尼诺和拉尼娜年中国冬季气候异常具有重要的指导意义。同时,也对改进气候模式对我国冬季气候的动力预测水平有重要指导意义,即气候模式不仅要对年际时间尺度上ENSO的变化具有较好的再现能力,同时也能较好地模拟出暖池区域上空大气的季节内振荡时,此时才能较好地预测厄尔尼诺和拉尼娜对我国南方冬季气候影响。

二、ENSO预测在印度洋-太平洋区域的海温目标观测敏感区。

ENSO是热带太平洋上重要的海气耦合现象,已有研究主要强调了热带太平洋本身对ENSO预报技巧的影响,但印度洋在ENSO可预报性中同样具有不可忽视的作用。另外,春季预报障碍(SPB)现象是限制ENSO预报技巧的主要因素之一,许多学者从不同角度探讨了SPB现象产生的原因,考察了初始误差、模式误差和季节循环等在SPB产生中的重要作用。那么,如果同时考虑太平洋和印度洋的海温误差,那么何种结构的初始海温误差最容易导致ENSO事件发生SPB现象?该误差对提高ENSO预测技巧有何启示?

项目在前期研究基础上,利用CESM海气耦合模式,揭示了两类最容易导致SPB现象的初始太平洋海温误差模态和印度洋海温误差模态,指出了东太平洋表层和西太平洋次表层初始误差的大值区对ENSO的预报误差有更大贡献(图1),而在印度洋,则是热带东印度洋次表层海温误差对ENSO预测不确定性有最大贡献(图23)。尤其,通过观测系统模拟试验,表明了在这些区域同化观测,能够更大程度地减小ENSO的预报误差。因此,热带东太平洋表层和西太次表层、东印度洋次表层区域是ENSO预测的目标观测敏感区。

该成果可为制定大洋观测阵列,如热带太平洋新的观测计划的实施(TPOS20)提供重要的科学依据和重要参考。

三、印度洋偶极子(IOD)影响太平洋ENSO及其可预报性的印尼贯穿流“海洋通道”机制。

-太海盆间的气候系统,存在着紧密联系。统计分析显示,IOD 指数与后一年的ENSO 指数在超过95%的信度上有显著相关,表明IOD 可以作为后一年的ENSO事件的预报因子。但是这种前兆因子的动力过程,国际上一直没有统一的观点。过去的研究仅关注“大气桥”过程,而忽视了印尼贯穿流(ITF)的“海洋通道”的作用。

该项目在模式研究的基础上,对现有的气候观测资料开展诊断分析,发现印度洋偶极子期间,印度洋赤道开尔文波可以穿过印度尼西亚海域进入赤道西太平洋,再通过太平洋海气耦合加以放大,进而影响ENSO以及其它热带气候演变过程。基于该理论项目进一步阐明了印度洋海温初始误差影响ENSO可预报性的机理,即本项目研究得到的最容易导致ENSO发生SPB的两类印度洋海温初始误差,其中一类误差主要通过印尼贯穿流影响热带太平洋,另一类印度洋初始海温误差,印-太大气桥的影响在误差的发展中扮演着更重要的角色。

该成果在国际上首次提出了印度洋年际变化影响太平洋环流与气候的印尼贯穿流“海洋通道机制”。

四、不同时空尺度下大气桥和海洋通道在印度洋IOD影响太平洋ENSO中的相对重要性。

IODENSO是热带海洋上重要的年际时间尺度的海气耦合现象,两者之间通过大气桥和海洋通道(印尼贯穿流)相互联系、相互作用。在这过程中大气桥和海洋通道各自扮演什么角色尚有争议。

本项目基于百年尺度的HadISSTSODA资料,指出IOD-ENSO滞后相关存在年代际变化;其中正相关较强且更具有持续性(正位相),而负相关则较弱且维持较短(负位相)。在正位相,海洋通道机制对IOD影响ENSO的过程起决定性重要;而负位相,海洋通道机制引起的温跃层变化不能直接影响赤道东太平洋海表温度。这说明“海洋通道”机制在IOD-ENSO滞后遥相关的正负位相都是存在的,但是所起的作用不同。大气桥过程分析显示,大气桥在年代际正位相期间,相比较“海洋通道”不甚重要。

该成果通过揭示IOD-ENSO前兆因子的动力机制及其年代际变化,阐明了大气桥和海洋通道的相对重要性,有助于提高ENSO预测预报水平,具有较高的科学和应用价值。 

五、亚澳季风异常偏强是产生对厄尔尼诺具有重要影响的热带西太平洋异常西风的一个重要物理原因。

除了西风爆发之外,赤道西太平洋上的年际时间尺度的西风异常,同样可以通过激发下沉Kelvin波导致厄尔尼诺事件的发生,这些西风异常往往和不同的季风系统有关。

本研究发现在厄尔尼诺爆发前的北半球冬季,通常会同时出现强东亚冬季风和强澳大利亚夏季风,并且异常偏强的东亚冬季风和澳洲夏季风与热带西太平洋西风增强有密切的联系,这种热带西太平洋地区西风增强往往导致厄尔尼诺事件爆发。该结果为东亚冬季风和澳洲夏季风通过增强热带西太平洋西风,进而影响厄尔尼诺事件爆发提供了一种物理解释。

上述成果表明在考虑ENSO预测的敏感区时,除了海洋区域外,东亚冬季风和澳洲夏季风区域同时也拥有ENSO预测的敏感区,为如何提高ENSO预测提供一种新思路。

成果应用情况

    本项目研究成果揭示了印度洋偶极子事件预测的目标观测敏感区,指出优先在热带东印度洋的次表层区域加密观测最有利于提高印度洋偶极子事件的预报技巧,从而也有利于太平洋ENSO的预报技巧。中国科学院南海海洋研究所依据该研究成果设计和布置了热带印度洋的观测网,通过近两年时间的持续运行,获得了有关印度洋海温等变量的重要观测资料,并基于这些目标观测数据发表了8SCI,从而为热带印度洋偶极子事件的研究和预测提供了重要的观测数据。

 

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