热带太平洋海气耦合双模态的稳定性分析和对ENSO时空多样性的影响

来源 :中国气象科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lixuechao0926
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历史上的厄尔尼诺-南方涛动(El Ni(?)o-Southern Oscillation,ENSO)事件在振幅、空间模态和生命周期等时空特征上表现出明显的多样性。ENSO的显著年际周期主要分为3–7年的低频段(Low-Frequency,LF)和2–3年(Quasi-Biennial,QB)的准两年段。本文通过分离ENSO的LF分量和QB分量,建立二者与东太平洋(Eastern-Pacific,EP)型和中太平洋(Central-Pacific,CP)型ENSO的联系,探索ENSO时空多样性的可能原因。El Ni(?)o/La Ni(?)a事件根据其空间类型和QB与LF分量的相对强弱被重新划分为三种类型:即QB主导类CP型(QB-CP型),LF主导类EP型(LF-EP型)和LF主导混合型(LF-mixing型)。拉尼娜事件也可以分为同样的三类。QB-CP型和LF-EP型El Ni(?)o均有一个振幅较强的QB分量,但前者的LF分量很弱,而后者由更强的LF分量控制;LFmixing型也由LF分量主导,但其QB分量很弱。QB-CP型和LF-EP型El Ni(?)o的海洋动力学特征区分明显。温跃层反馈主导了两类El Ni(?)o的增长并对LF-EP型的位相转换有贡献;纬向平流反馈主要贡献于两类El Ni(?)o的位相转换,且相比于LF-EP型,其在QB-CP型El Ni(?)o的发展阶段有更大的正贡献。LF-mixing型El Ni(?)o与前两种类型不同,其空间特征模糊且生命周期复杂。以上结果表明热带太平洋海洋-大气系统存在两个相互独立的ENSO模态,且两个模态相对活跃性的改变是解释ENSO时空多样性的关键。Zebiak-Cane模式的模拟结果表明热带太平洋系统仅靠自身内部的动力和热力过程即可产生与观测非常类似的QB-CP型和LF-EP型El Ni(?)o。大多数CMIP5和CMIP6模式能够再现ENSO在QB和LF频段的显著年际周期,而无法再现观测中ENSO的QB分量与CP型和LF分量与EP型的时空耦合关系,但也仍有个别模式表现较好。为了研究观测和模式中不同类型ENSO稳定性的表现,本文提出一种新的经验方法,作为灵活而有效的工具来估计ENSO整体的增长率或EP/CP类型的增长率,定量化诊断不同类型ENSO的稳定性以及调查不同动力过程对ENSO多样性的影响。该方法将混合层海洋热收支项根据峰值时刻分解得到的对称分量投影到ENSO相关的海表面温度异常空间模态上,以估计ENSO的增长速率。在通过与Bjerknes(BJ)指数进行比较来验证该方法的有效性之后,将该方法用于两类ENSO的诊断上。针对近40年而言,CP型ENSO的增长率为正,而EP型ENSO的增长率为负。基于CMIP5多模式集合平均的结果仅能合理地再现EP型ENSO增长率的基本特征,而CP型ENSO的增长率还与观测差距较大。
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