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本学位论文围绕ENSO循环与热带和热带外环流的相互作用这一主线,分别在El Nino的发生、衰亡和夭折,La Nina的年代际变化和维持,ENSO循环对南极涛动(AAO)位相的调制作用共5个方面进行了研究,具体结论如下:
1) ENSO发生发展年赤道西太平洋西风异常长时间的维持
在ENSO发生年3~5月(MAM)和8~10月(ASO),赤道西太平洋存在两次显著的西风异常盛行期。南北半球中低纬度异常经向风向赤道西太平洋地区的输送和海气耦合模态中反Walker环流的自维持是这两次西风异常维持的主要原因。其中,经向风输送在MAM时期以北半球为主,而在ASO时期以南半球为主。
2)不同强度El NMo的衰减
El Nino衰减结果与自身强度存在密切的非线性关系。将1951~2004期间的12次El Nino事件分为强、中等、较弱和弱4类,我们发现,强和较弱El Nino衰减进入La Nina,但是中等和弱El Nino衰减进入平常态。
在El Nino的衰减过程中,存在两种不同的机制。其一,负异常信号自西太平洋向中东太平洋的东传主导了强El Nino事件向La Nina的转变。其具体动力过程类似西太平洋振子理论,但我们认为,热带西北太平洋(WNP)大气异常反气旋在强El Nino位相转变中起核心作用。WNP反气旋的维持和缓慢东移是赤道东风异常维持和发展的原因,而后者通过激发Kelvin波导致ENSO从EINino向La Nina的转变。其二,在较弱El Nino事件中,负异常信号自东太平洋向中西太平洋的传播是该类事件向La Nina转变的主导原因,其具体过程为海洋表层反馈机制。这两种衰减机制对El Nino强度有不同的选择性,信号东传倾向于强El Nino,信号西传倾向于较弱El Nino,这是El Nino强度与其衰减结果呈非线性关系的原因。
3)1993年El Nino的夭折
只有同时具备西太平洋暖池热容量积累这一热力条件和赤道西风异常这一动力条件,正常的El Nino才能发生。对1993年这一夭折事件来说,从赤道纬向风场来看,在1993年3~5月,赤道西风异常在西太平洋出现并向东扩展,这与正常E1 Nino发生发展的动力条件一致。但从海洋状态来看,热带西太平洋为持续偏冷状态,并无热容量正异常自西太平洋向东传播,这使得该年海水增暖只是一个热带太平洋的局地现象。因此,虽然满足了动力条件,但因未满足热力条件,使得1993年出现的赤道中东太平洋海水增暖只是一种迅速夭折的“假”ElNino事件。
4) LaNina的年代际变化和维持
La Nina的特征具有显著的年代际变化。首先,在1970年代气候转型之后,La Nina的位相锁定较气候转型之前更为明显。此外,在气候转型之后,海气耦合系统在La Nina衰减后进入赤道中东太平洋弱冷状态,而不像之前直接进入El Nino。
通过比较分析1988-89年和1998-2001年La Nina事件,作者探讨了La Nina维持时间变化的原因。热带海洋上层热容量的东负西正型异常分布模态和低层大气赤道东风异常的持续性存在是La Nina维持的核心特征。赤道东风异常具有位相锁定的特征,但在1998-2001年La Nina中,其强度偏大,位置偏西、强度中心出现在春季,这是该事件与1988-89年La Nina年的重要区别。因此,赤道东风异常的特征是La Nina维持时间长短的可能解释机制。
5)准4年周期上ENSO循环对AAO位相的调制
在准4年周期上,AAO在超前ENSO约7个月时二者显著负相关,而在滞后ENSO约15个月时,二者显著正相关。但个例分析表明,这种关系仅对那种海温异常从南美沿岸西扩的规范型ENSO事件成立。ENSO循环调制AAO位相是通过引导热带l波东传,进而导致异常信号向南半球中高纬度扩展,使得南半球中高纬度异常信号变化和重组,从而最终改变AAO的位相。因此,准4年周期AAO的位相变化,主要来源于热带ENSO循环的推动。