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行業專項成果綜述-印度洋通過印尼貫穿流對ENSO及其可預報性的影響

發布者:張岳   來源:   發布時間:2019/11/11 14:39:24   標簽:   瀏覽次數:759

項目編號GYHY201306018

研究周期2013年1月—2015年12月

國撥經費272萬元

項目負責人】穆穆

項目骨干成員】張人禾、袁東亮、段晚鎖、周慧、趙霞、楊明珠、馮蓉、周倩

項目承擔單位】中國科學院海洋研究所

項目協作單位】中國科學院大氣物理研究所、國家氣候中心、中國氣象科學研究院

主要研究成果

ENSO作為熱帶太平洋地區最強的海氣耦合現象,是短期氣候年際變化的最強信號之一。在印度洋對ENSO影響的機理研究方面,過去的研究側重于大氣橋的作用,而忽視了印尼貫穿流的重要影響;在ENSO可預報性研究方面,印度洋通過印尼貫穿流對ENSO可預報性的影響是一個新問題。本項目開展的關于印度洋通過印尼貫穿流影響ENSO及其可預報性的研究,將彌補這一空白,其研究成果對進一步認識ENSO發生和發展的動力學機制和相關物理機理、發展和改進數值模式、提高ENSO預報技巧具有重要的科學意義和應用價值。具體成果如下:

一、華南冬季降水對厄爾尼諾和拉尼娜的不對稱響應。

東亞冬季風和華南地區冬季降水息息相關,而東亞冬季風的強弱主要受ENSO的調制。因此,厄爾尼諾和拉尼娜對東亞冬季風的不對稱影響,進一步導致華南地區冬季降水的不對稱響應。目前,這種不對稱響應的物理機制以及季節內振蕩在這過程中扮演的角色卻尚未清楚。

資料診斷表明,在厄爾尼諾年冬季,中國南方降水明顯偏多,而拉尼娜年冬季降水并不顯著偏少,這種降水異常對厄爾尼諾和拉尼娜的不對稱特征與西太平洋對流層低層環流異常的不對稱有關。進一步分析發現,大氣環流對厄爾尼諾和拉尼娜事件的不對稱響應是受到了季節內振蕩的影響。厄爾尼諾冬半年,熱帶西太平洋對流活動受到抑制,季節內振蕩不活躍,年際時間尺度變化占主導地位,因此熱帶西北太平洋受與年際變化相聯系的反氣旋性環流異常控制,在年際時間尺度上引起向中國南方的水輸送顯著增強,導致中國南方出現顯著的降水正異常;而在拉尼娜年冬季,季節內振蕩活躍,與年際變化信號相聯系的氣旋性異常明顯偏弱,因此冬半年平均狀態下西北太平洋上空為弱的氣旋性異常響應,對中國南方上空水汽輸送的影響不顯著,因而沒有出現顯著的降水負異常。

該成果對于預測厄爾尼諾和拉尼娜年中國冬季氣候異常具有重要的指導意義。同時,也對改進氣候模式對我國冬季氣候的動力預測水平有重要指導意義,即氣候模式不僅要對年際時間尺度上ENSO的變化具有較好的再現能力,同時也能較好地模擬出暖池區域上空大氣的季節內振蕩時,此時才能較好地預測厄爾尼諾和拉尼娜對我國南方冬季氣候影響。

二、ENSO預測在印度洋-太平洋區域的海溫目標觀測敏感區。

ENSO是熱帶太平洋上重要的海氣耦合現象,已有研究主要強調了熱帶太平洋本身對ENSO預報技巧的影響,但印度洋在ENSO可預報性中同樣具有不可忽視的作用。另外,春季預報障礙(SPB)現象是限制ENSO預報技巧的主要因素之一,許多學者從不同角度探討了SPB現象產生的原因,考察了初始誤差、模式誤差和季節循環等在SPB產生中的重要作用。那么,如果同時考慮太平洋和印度洋的海溫誤差,那么何種結構的初始海溫誤差最容易導致ENSO事件發生SPB現象?該誤差對提高ENSO預測技巧有何啟示?

項目在前期研究基礎上,利用CESM海氣耦合模式,揭示了兩類最容易導致SPB現象的初始太平洋海溫誤差模態和印度洋海溫誤差模態,指出了東太平洋表層和西太平洋次表層初始誤差的大值區對ENSO的預報誤差有更大貢獻(圖1),而在印度洋,則是熱帶東印度洋次表層海溫誤差對ENSO預測不確定性有最大貢獻(圖23)。尤其,通過觀測系統模擬試驗,表明了在這些區域同化觀測,能夠更大程度地減小ENSO的預報誤差。因此,熱帶東太平洋表層和西太次表層、東印度洋次表層區域是ENSO預測的目標觀測敏感區。

該成果可為制定大洋觀測陣列,如熱帶太平洋新的觀測計劃的實施(TPOS20)提供重要的科學依據和重要參考。

三、印度洋偶極子(IOD)影響太平洋ENSO及其可預報性的印尼貫穿流“海洋通道”機制。

-太海盆間的氣候系統,存在著緊密聯系。統計分析顯示,IOD 指數與后一年的ENSO 指數在超過95%的信度上有顯著相關,表明IOD 可以作為后一年的ENSO事件的預報因子。但是這種前兆因子的動力過程,國際上一直沒有統一的觀點。過去的研究僅關注“大氣橋”過程,而忽視了印尼貫穿流(ITF)的“海洋通道”的作用。

該項目在模式研究的基礎上,對現有的氣候觀測資料開展診斷分析,發現印度洋偶極子期間,印度洋赤道開爾文波可以穿過印度尼西亞海域進入赤道西太平洋,再通過太平洋海氣耦合加以放大,進而影響ENSO以及其它熱帶氣候演變過程。基于該理論項目進一步闡明了印度洋海溫初始誤差影響ENSO可預報性的機理,即本項目研究得到的最容易導致ENSO發生SPB的兩類印度洋海溫初始誤差,其中一類誤差主要通過印尼貫穿流影響熱帶太平洋,另一類印度洋初始海溫誤差,印-太大氣橋的影響在誤差的發展中扮演著更重要的角色。

該成果在國際上首次提出了印度洋年際變化影響太平洋環流與氣候的印尼貫穿流“海洋通道機制”。

四、不同時空尺度下大氣橋和海洋通道在印度洋IOD影響太平洋ENSO中的相對重要性。

IODENSO是熱帶海洋上重要的年際時間尺度的海氣耦合現象,兩者之間通過大氣橋和海洋通道(印尼貫穿流)相互聯系、相互作用。在這過程中大氣橋和海洋通道各自扮演什么角色尚有爭議。

本項目基于百年尺度的HadISSTSODA資料,指出IOD-ENSO滯后相關存在年代際變化;其中正相關較強且更具有持續性(正位相),而負相關則較弱且維持較短(負位相)。在正位相,海洋通道機制對IOD影響ENSO的過程起決定性重要;而負位相,海洋通道機制引起的溫躍層變化不能直接影響赤道東太平洋海表溫度。這說明“海洋通道”機制在IOD-ENSO滯后遙相關的正負位相都是存在的,但是所起的作用不同。大氣橋過程分析顯示,大氣橋在年代際正位相期間,相比較“海洋通道”不甚重要。

該成果通過揭示IOD-ENSO前兆因子的動力機制及其年代際變化,闡明了大氣橋和海洋通道的相對重要性,有助于提高ENSO預測預報水平,具有較高的科學和應用價值。 

五、亞澳季風異常偏強是產生對厄爾尼諾具有重要影響的熱帶西太平洋異常西風的一個重要物理原因。

除了西風爆發之外,赤道西太平洋上的年際時間尺度的西風異常,同樣可以通過激發下沉Kelvin波導致厄爾尼諾事件的發生,這些西風異常往往和不同的季風系統有關。

本研究發現在厄爾尼諾爆發前的北半球冬季,通常會同時出現強東亞冬季風和強澳大利亞夏季風,并且異常偏強的東亞冬季風和澳洲夏季風與熱帶西太平洋西風增強有密切的聯系,這種熱帶西太平洋地區西風增強往往導致厄爾尼諾事件爆發。該結果為東亞冬季風和澳洲夏季風通過增強熱帶西太平洋西風,進而影響厄爾尼諾事件爆發提供了一種物理解釋。

上述成果表明在考慮ENSO預測的敏感區時,除了海洋區域外,東亞冬季風和澳洲夏季風區域同時也擁有ENSO預測的敏感區,為如何提高ENSO預測提供一種新思路。

成果應用情況

    本項目研究成果揭示了印度洋偶極子事件預測的目標觀測敏感區,指出優先在熱帶東印度洋的次表層區域加密觀測最有利于提高印度洋偶極子事件的預報技巧,從而也有利于太平洋ENSO的預報技巧。中國科學院南海海洋研究所依據該研究成果設計和布置了熱帶印度洋的觀測網,通過近兩年時間的持續運行,獲得了有關印度洋海溫等變量的重要觀測資料,并基于這些目標觀測數據發表了8SCI,從而為熱帶印度洋偶極子事件的研究和預測提供了重要的觀測數據。

 

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