（气象学专业论文）enso预测中历史资料使用方法的数值模拟研究.pdf

摘要 为了在动力e n s o 预测领域，既能充分利用当前动力学发展的主要成就，又 能切实吸收长期历史资料( 包括历史回报、历史模拟资料) 中的有益信息。本文 选取国家气候中心的中等复杂程度海气耦合模式( n c c o ) ，紧密围绕影响e n s 0 预测效果的主要因素，针对模式误差订正、初始场优化、资料同化及海气耦合过 程等几个研究领域，从问题的物理本质入手，深入地探讨了动力e n s o 预测中对 历史信息利用的方式和方法，获得了诸多令人鼓舞的结果，并初步证实这些方法 具有较好的应用前景。本文所取得主要结果包括： 1 ) 为了在短期气候动力模式预测领域，减少模式误差对动力模式预测结果 不确定性的影响。以巧用历史资料信息为基本着眼点，本文利用一种历史相似误 差信息约束下的模式误差订正方法，以l o r e n z 模式和n c c o 简化海气耦合模式为 平台构建了相应的相似误差订正模式系统，深入探讨了其中的相关理论和技术问 题，结果表明：理论上与一个存在模式误差的动力模式相比，具有相似误差订正 方案的模式通过对历史资料中相似误差信息的吸收可以有效实现减小模式预报 误差、提高预报技巧的根本目的。就相似误差订正方法的使用环境而言，历史资 料状况和模式误差程度两种主要的环境因素对这一方法都有较大影响。但两者比 较而言，历史资料状况的影响相对更大。而就相似误差订正模式中若干参数对 e n s o 预测效果的影响而言，在e n s o 预测中虽然无论是在全相似( 大气一海温全 相似) 还是部分相似( 仅海洋相似) 的相似程度下，该模式系统均能有效地降低 预报误差、提高预报准确率，但全相似较部分相似结果更佳。这也表明全相似可 以更合理地反映海一气耦合系统的相似状态，从而更为准确地估计出模式误差。 对于误差重估周期，研究表明海洋和大气的误差重估周期对结果也均有较大影 响，在不同相似程度下分别存在着某种最优配置，使得预报效果达到最优。研究 还发现当| i 资料长度下整体只存在着有限个相似样本，在此范围内随着取样数目 的增加，模式预报性能会随之提高。此外，就不同的变量尺度化方法对该系统的 影响而言，相对于标准化和极大值方法，归一化方法可以更有效地减小变量量纲 对历史相似识别的影响。 2 ) 为了在动力e n s o 预测领域实现改善模式初始场质量、减少初值误差对预 测不确定性影响的根本目标。针对n c c o 模式原初始化方案中的动力不协调问题， 本文从充分利用历史耦合模拟资料中动力协调信息的视角出发，发展了一种获取 观测资料中模式可适应信息分量的信息重构方法并且，基于该方法提出了一种 历史模拟信息约束下的动力协调初始化方法，并对预报效果和相关的物理机理进 行了详尽地检验和分析。结果表明：利用这种信息重构方法通过对历史籍合模拟 资料中动力协调信息的反演，可以实现获取观测资料中模式可适应信息分量的基 本目标，有利于模式和观测资料的匹配和协调。对该初始化方法多年回报结果的 检验结果表明该方法既保留了原初始化方法中利用了较多观测信息的优点，又有 效地克服了原方案动力不协调的缺陷，明显改善了模式初始场的质量，极大地提 高了模式的预报技巧此外，通过深入研究该初始化方法影响e n s o 预测技巧有 关物理机制，本文发现：新初始化方案实质上显著地消除了旧方案中由于资料和 模式不协调而产生的小尺度高频噪声信号，保留和突出了其中可与模式动力特征 相适应的e n s o 尺度低频信息，从而避免了初始场的中小尺度高频噪声快速增长 对预报结果产生的污染，实现了改善模式预测性能的最终目标。 3 ) 针对资料同化中由于模式与观测资料不匹配所导致的同化失效问题，本 文基于一种提取观测资料中模式可适应信息分量的信息重构方法，深入探讨了其 对资料同化效果的影响，研究了其对同化中模式和资料不匹配问题的解决能力， 并具体分析了相关的物理机制。研究结果发现：c h e n ( 1 9 9 7 ) 研究中同化观测海 表温度资料时发生同化失效的主要原因在于对于结构较简单的模式来说( 如z c 模式) ，进行资料同化时由于需要同化的观测资料中( 如海表温度资料) 包含许 多模式无法适应的信息，结果使得模式与资料问产生了较强的不适应，以至于在 形成的初始场中包含着较多同模式动力特征不协调的小尺度扰动信号。这些小扰 动信号在预报过程中发生了迅速增长，掩盖了预报结果中的有效信息并最终导致 预报失效。通过在非耦合和耦合两种同化形式下，对全信息和模式可适应信息分 量同化效果的对比后发现：对于海气耦合模式其在耦合形式下进行资料同化时， 效果明显要好于在非祸合状态下进行的同化。然而，无论同化时模式处于何种状 态中，对观测姿料中的模式可适应信息分量进行同化的效果都明显优于对全信息 观测资料的同化，这是因为与全信息观测资料同化形成的初始场相比，对观测资 料中的模式可适应信息分量同化后的初始场中突出保留了观测资料中的e n s o 尺 度信息，并成功地消除了初始场中与模式动力特征不协调的小尺度扰动信号，实 l l 现了初始场和模式动力特征的协调统一，从而在很大程度上改善了模式初始场的 协调性，提高了模式的预报技巧。 4 ) 本文在有关e n s o 物理机理诊断研究的基础上，以充分利用有关历史机理 模拟信息为基本出发点。为实现在海气耦合过程中充分保留大气中的有效信息， 滤去可能污染预报结果的大气噪声，改善动力模式的预测性能的根本目标，本文 发展了一种海气耦合过程中历史机理模拟信息特征约束下的大气信息过滤的方 法，并深入地研究了其对e n s o 预测技巧的影响及相关的物理机制。研究结果表 明：海气耦合过程中对非e n s o 尺度大气信息分量的过滤，有利于减轻由于该尺 度分量的非线性增长而产生的海温虚假现象，可在一定程度上改善模式对e n s o 的预报技巧。然而，大气信息过滤后当预报时效在6 个月以内时其对n i n 0 3 指数 预测效果的改善几乎很小，但对于6 个月以后的预报却有很大程度的改进，这一 现象反映了海洋对外源强迫响应的缓变特质。而海气耦合过程中大气非e n s o 尺 度信息分量的过滤可以影响e n s o 预报技巧的主要机制是由于它抑制了模式中由 于噪声累积而使赤道西风过强的现象，改善了该地区海水的异常上翻状况，从而 减轻了海温的虚假增温，使得预报误差得以减小。上述结果也意味着，有针对性 地对e n s o 机理模拟信息进行分析和利用，不但可以进一步提高模式对e n s o 预测 的技巧，还有利于解决当前e n s o 研究领域中物理机理诊断分析成果长期闲置不 用，统计和动力工作脱节严重的问题，有助于在该领域中进一步加强动力和统计 方法的结合。 关键词：e n s o 预测，历史资科，模式误差订正，初始化过程，资料同化， 海气耦合过程 i a b s t r a c t t or e a c ht h ee n do fn o to n l yu t i l i z i n gt h es t a t eo ft h ea r t c o n t r i b u t i o ni nd y n a m i c a lm e t h o db u ta l s oa b s o r b i n gt h ei n f o r m a t i o n p r o v i d e d b yt h el o n gt e r mh i s t o r i cd a t a s e t si n c l u d i n gt h eh i s t o r i c a l h i n d c a s ta n ds i m u l a t i o nd a t ai nt h ed y n a m i c a le n s op r e d i c t i o nf i e l d ，b a s e d o nt h en a t i o n a lc l i m a t ec e n t e ri n t e r - m e d i a t eo c e a n a t m o s p h e r ec o u p l e d m o d e l ( n c c o ) ，a n dc e n t e r e do nt h em a i n l ya f f e c t i n gf a c t o r so fe n s o p r e d i c t i o n ，i nt h i sp a p e rw ec o m p r e h e n s i v e l ye x p l o r et h em e t h o do f u t i l i z i n gt h eh i s t o r i c a li n f o r m a t i o ni ns e v e r a lk e yf i e l d sa sm e n t i o n e d f o l l o w sa n dg e tm a n ye x c i t i n gf i n d i n g sw h i c hi m p l yt h ew e l la p p l i c a b l e p e r s p e c t i v e ：t h em o d e le r r o rc o r r e c t i o n ，t h ei n i t i a l i z a t i o np r o c e s s ，t h e d a t aa s s i m i l a t i o na n dt h ec o u p l e dp r o c e s so fo c e a na n da t m o s p h e r em o d e l t h em a j o rr e s u l t si nt h i sp a p e ra r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 ) t or e d u c et h ei n f l u e n c eo fm o d e le r r o ro nd y n a m i ce n s op r e d i c t i o n ， f o l l o w i n gt h ep r i n c i p l eo fs k i l l f u l l yu t i l i z i n gt h eh i s t o r i c a ld a t a , w e u s eam o d e le r r o rc o r r e c t i o nm e t h o dc o n s t r a i n e db yt h eh i s t o r i c a l l y a n a l o g i c a le r r o ri n f o r m a t i o nt od e v e l o pt h ed y n a m i c a l l ya n a l o g i c a le r r o r c o r r e c t i o ns y s t e mo nt h el o r e n zm o d e la n dn c c om o d e l ，r e s p e c t i v e l y t h e c o r r e s p o n d i n 9 1 ya c a d e m i ca n dt e c h n i c a li s s u e sa r ee x p l o r e d ，a n dt h em a i n r e s u l t se x b i b i tt h a ti nt h e o r yt h ep r e d i c t i o ne r r o rc a nb er e d u c e dg r e a t l y f o rad y n a m i cm o d e lb yu s i n gt h ed y n a m i c a l l ya n a l o g i c a le r r o rc o r r e c t i o n m e t h o d b u ti ng e n e r a l ，t h em e t h o di sg r e a t l ya f f e c t e db yt h el e n g t ho f h i s t o r i c a ld a t a s e t sa n dt h ed e g r e eo fm o d e le r r o r a st h er e l a t i v ei m p a c t o ft h ea b o v et w of a c t o r so nt h em e t h o d ，t h em e t h o di sm o r es e n s i r i v et o t h ef o r m e r b e s i d e s ，i nt h ed y n a m i c a l l ya n a l o g i c a le r r o rc o r r e c t i o n s y s t e m ，t h e r ea r es e v e r a lp a r a m e t e r sa sm e n t i o n e df o l l o w sw h i c hc a na l s o e x e r tt h e i ri m p a c to nt h ep r e d i c t i o ns k i l l ：f i r s t l y ，t h ee f f e c to f a n a l o g u ed e g r e ei n c l u d i n gt h ep a r ta n a l o g u ea n dc o m p r e h e n s i v ea n a l o g u e i sc o m p a r e d ，t h er e s u l t se x h i b i tt h a ti nac o u p l e ds y s t e mt h e v c o m p r e h e n s i v ea n a l o g u ei sm u c h b e t t e rt h a nt h ep a r ta n a l o g u ef o r t h em o d e l i nt h i sp a p e r ，b e c a u s et h ef o r m e rc a nr e a l l yd e p i c tt h ea n a l o g u ed e g r e e b e t w e e nt h ec u r r e n ti n i t i a lv a l u ea n di t sh i s t o r i c a lp a r t n e r s ，t h u s l e a d i n gt oae x a c te s t i m a t i o no fm o d e le r r o r s e c o n d l y ，t h ei n v e s t i g a t i o n o nt h ee f f e c to ft h er e e s t i m a t ep e r i o do fe r r o r ( r p e ) d e n o t e st h a tr p e i sa l s oac r u c i a lp a r a m e t e rt ot h i sm o d e l u s u a l l y t h e r ei sa no p t i m a l c o m b i n a t i o nb e t w e e nt h er p eo fa t m o s p h e r ea n do c e a nm o d e lu n d e rd i f f e r e n t a n a l o g u ed e g r e e st om a k eag o o dp r e d i c t i o n t h i r d l y ，t h er e s u l t si nt h i s p a p e ra l s od i s p l a yt h a tt h e r ea r ef i n i t ea n a l o g u es a m p l e si nt h ed a t a s e t s t h a tt h ea u t h o r sh o l d ，a n dt h eh i n d c a s t i n gs k i l lh a sal i n e a rr e s p o n s e t ot h ea n a l o g u es a m p l es i z e sd u em a i n l yt ot h ef a c tt h a tm o r ea n a l o g u e s a m p l e sc a ns u p p l ym o r ee r r o ri n f o r m a t i o nt ot h em o d e lt h u sl e a d i n gt o b e t t e re s t i m a t i o no f m o d e le r r o ra n dm o r ei m p r o v e m e n to f p r e d i c t i o ns k i l l f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c to ft h ed i f f e r e n ts c a l i n gm e t h o d so nt h ep r e d i c t i o n s k i i io ft h es y s t e mi sa l s oc o m p a r e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e n o r m a l i z a t i o nm e t h o dh a st h eb e s te f f e c tc o n t r a s t e dt os t a n d a r d i z a t i o n m e t h o da n dm a x i m u mm e t h o dd u em a i n l yt ot h ef o r m e rc a nl o o s et h ei m p a c t o fd i m e n s i o no ns e a r c h i n gt h ea n a l o g u ef r o mt h eh i s t o r i cd a t a s e t s 2 ) i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fm o d e li n i t i a lv a l u e s r e d u c e t h eu n c e r t a i n t yi nt h ee n s op r e d i c t i o na r o s eb yt h ei n i t i a le r r o r s ，a n d r e s o l v et h ed y n a m i c a l l yi n h a r m o n i cp r o b l e mi nt h eo r i g i n a li n i t i a l i z a t i o n s c h e m eo ft h en c c om o d e ls y s t e m , w ed e v e l o pan e wd y n a m i c a l l yh a r m o n i c i n i t i a l i z a t i o nm e t h o dh a s e do nad a t ar e c o n s t r u c t e dm e t h o dw h i c hc a n s e p a r a t et h em o d e lc o m p a t i b l ep a r to fi n f o r m a t i o nf r o mt h eo b s e r v a t i o n a l d a t ab yu s i n gt h ed y n a m i c a l l yh a r m o n i ci n f o r m a t i o nc o n t a i n e di nt h el o n g t e r mc o u p l e ds i m u l a t i o nd a t at h ec o m p r e h e n s i v ev e r i f i c a t i o no nt h e p r e d i c t i o ns k i l la n da n a l y s i so nt h er e l a t i v em e c h a n i s mf o rt h en e ws c h e m e a r ef u r t h e rd i s c u s s e d t h er e s u l t s e x h i b i tt h a tt h ei n f o r m a t i o n r e c o n s t r u c t e dm e t h o dc a nr e a l l yr e a c ht h ee n do fg e t t i n gt h em o d e l v i c o m p a t i b l ep a r to fi n f o r m a t i o nf r o mt h eo b s e r v a t i o n a ld a t aa n dr e a l i z i n g t h eh a r m o n yb e t w e e nt h ed y n a m i c a lm o d e la n dd a t a s e tt h r o u g hi n v e r s i o no f t h 6d y n a m i c a ll yh a r m o n i ci n f o r m a t i o ni nt h el o n gt e r mc o u p l e ds i m u l a t i o n r e s u l t s b e s i d e s ，t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h es c h e m ec a nn o to n l yk e e p t h em e r i to fu t i l i z i n gm a n yo b s e r v a t i o n a li n f o r m a t i o nb u ta l s oa v o i dt h e d e f e c to fd y n a m i c a ld i s h a r m o n y 。w h i c hi sd u et ot h en e ws c h e m ec a ng r e a t l y s q u e e z eo a tt h eh i g hf r e q u e n c ya n ds m a l1 s c a l en o i s ea r o s eb yt h e i n h a r m o n i c s h o r t c o m i n gi n t h eo r i g i n a li n i t i a l i z a t i o ns c h e m e ，a n d p r e s e r v et h ee n s os c a l es i g n a l si nt h ei n i t i a lf i e l dw h i c hc a na d a p tt o t h en o c om o d e lq u i t ew e l l 3 ) t oa v o i dt h ef a i l u r ei nt h ed a t aa s s i m i l a t i o nc a u s e db yt h e i n c o m p a t i b i l i t yb e t w e e nd y n a m i cm o d e la n do b s e r v a t i o n a ld a t a ，w ee x p l o r e i m p a c to ft h em o d e lc o m p a t i b l ep a r to fo b s e r v a t i o n a li n f o r m a t i o no nt h e a f f e c to fa s s i m i l a t i o n ，b a s e do nam e t h o do fg e t t i n gt h em o d e lc o m p a t i b l e p a r to fi n f o r m a t i o nf r o mt h eo b s e r v a t i o n a ld a t a t h er e s e a r c h e sf i n dt h a t t h ef a i l u r eo fa s s i m i l a t i n gt h es s t ad a t ai nc h e n1 9 9 7 sw o r ki sm a i n l y c a u s e db yt h es i m p l e n e s so ft h ez cm o d e l t oz cm o d e l t h ea s s i m i l a t e d o b s e r v a t i o n a ls s t ad a t ai ss oc o m p l e xt h a ti tc a nn o ta d a p tt ot h ed a t a 。 t h u st h ei n i t i a lf i e l d sc o n t a i nm a n ys m a l ls c a l ed i s t u r b a n c e sw h e nt h e o b s e r v a t i o n a ld a t ai sa s s i m i l a t e d ，w h i c hw i i ig r o wu pr a p i d l yi nt h e i n t e g r a t i n gp r o c e s sa n dc o n t a m i n a t et h ep r e d i c t i o nr e s u l t f u r t h e r m o r e ， t ot w ok i n d so fa s s i m il a t i o nc i r c u m s t a n c ea st h eu n c o u p l e da n dc o u p l e d o n e ，t h ea s s i m i l a t i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ee f f e c to ft h ef o r m e ri s m u c hp o o rt h a nt h el a t t e rw h a t e v e rt h ed a t at h a tw i l lb ea s s i m i l a t e di n t h em o d e l ：t h eo b s e r v a t i o n a ld a t ac o n t a i n i n gf u l li n f o r m a t i o no rj u s tt h e m o d e lc o m p a t i b l ep a r to fo n e w h i l e ，w ea l s of i n dt h a tt h ee f f e c to f a s s i m i l a t i n gt h em o d e lc o m p a t i b l ep a r to fo b s e r v a t i o n a li n f o r m a t i o ni s a l w a y sb e t t e rt h a na s s i m i f a t i n gt h eo b s e r v a t i o n a ld a t ac o n t a i n i n gf u l l i n f o r m a t i o nw h e n e v e rt h ea s s i m il a t ec i r c u m s t a n c ei sc o u p l e do rn o t j u s t v b e c a u s et h ei n i t i a lf i e l d st h a ta r ef o r m a t t e db ya s s i m i l a t i n gt h em o d e l c o m p a t i b l ep a r to fo b s e r v a t i o n a li n f o r m a t i o ne x h i b i tp r i m a r ye n s os c a l e o b s e r v a t i o n a li n f o r m a t i o n ：h o w e v e rt h ei n i t i a lf i e l d sf o r m a t t e db y a s s i m i l a t i n gt h ef u i ii n f o r m a t i o no b s e r v a t i o n a lc i a t ab l e n db o t ht h ee n s o s c a l ea n dt h es m a l ls c a l ei n f o r m a t i o nw h i c hi si n c o m p a t i b l ew i t ht h e m o d e l 4 ) t or e a l i z et h ea i mo fm a i n t a i n i n gt h eb e n e f i c i a ls i g n a l si nt h e a t m o s p h e r ew h i l es q u e e z i n go u tt h en o i s e st h a tm a yc o n t a m i n a t et h e p r e d i c t i o nr e s u l t ，a n di m p r o v i n gt h ef o r e c a s t i n gs k i l lo ft h em o d e l ，w e d e v e l o pa na t m o s p h e r i cn o i s e sf i l t e r e dm e t h o db yu t i l i z i n gt h er e l a t i v e i n f o r m a t i o ni nt h ed i a g n o s t i cr e s e a r c ho nt h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo fe n s o t h en u m e r i c a lv e r i f i c a t i o no nt h i sm e t h o dd e n o t e st h a tt h ep r e d i c t i o n s k i l lo nt h ee n s oc a nb ei m p r o v e dt oac e r t a i ne x t e n ta n dt h ef a l s es e a s u r f a c et e m p e r a t u r ea n o m a l yc a u s e db yn o n li n e a ri n c r e a s eo ft h en o n e n s o s c a l ed i s t u r b sc o n t a i n e di nt h ea t m o s p h e r ec a nb er e d u c e dg r e a t l ya f t e r s q u e e z i n go u tt h i sp a r to fd i s t u r b sd u r i n gt h ec o u p l e dp r o c e s so fo c e a n a n da t m o s p h e r e h o w e v e r ，b yf i l t e r i n gt h ea t m o s p h e r en o i s e s ，t h e i m p r o v e m e n to nt h ep r e d i c t i o ns k i l lo fn i n 0 3i n d e xa r er a t h e rs m a l lw i t h i n t h el e a d t i m eo f6m o n t h s ，b u tg r e a ti m p r o v e m e n to c c u r sa f t e rt h i sp e r i o d 。 w h i c hm a yr e f l e c ts l o wv a r y i n gp r o p e r t yo ft h eo c e a n t h ei m p r o v e m e n to f p r e d i c t i o ns k i l lo ne n s oa f t e rf i l t e r i n go ft h ea t m o s p h e r i cn o i s e sm a y d e p e n d m a i n l yo nr e s t r a i n i n gt h ee x c e s s i v ed e v e l o p m e n to fe q u a t o r i a l w e s t e r l ya n o m a l y ，a n di m p r o v i n gt h ec o r r e s p o n d i n go c e a nv e r t i c a lm o v e m e n t o v e rt h i sr e g i o n t h u st h ep r e d i c t i o ns k i l lo nt h es e as u r f a c et e m p e r a t u r e o ft h er e g i o ni sg r e a t l ya m e l i o r a t e d 。a n dt h ef o r e c a s t i n ge r r o ri sr e d u c e d a c c o r d i n g l y t h ea b o v er e s u l t si m p l yt h a tt h eu t i l i z i n go fi n f o r m a t i o n c o n t a i n i n gi nt h em e c h a n i s ms i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ee n s oc a nn o to n l y h e l pu st oi m p r o v et h ep r e d i c t i o ns k i l lo nt h ee n s ob u ta l s ot or e s o l v e t h ep r o b l e mt h a tt h ed i a g n o s t i c sr e s u l t sa r ea l w a y sl e a v e du n u s e dt h a t v 1 i t h e r ei sag r e a tg a pb e t w e e nt h es t a t i s t i ca n dd y n a m i cm e t h o d ，a n dm a y h e l pt oe n h a n c et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h o s et w om e t h o d s k e yw o r d s ：e n s op r e d i c t i o n ，h i s t o r i cd a t a s e t s ，m o d e le r r o rc o r r e c t i o n ， d a t aa s s i m i l a t i o n ，i n i t i a l i z a t i o np r o c e s s ，o c e a n a t m o s p h e r ec o u p l e d p r o c e s s i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得生垦皇筮銎堂受塞瞳或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：研亳参汐 签字日期：i 7 年j 月腼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解生国刍筮整堂硒宜瞳有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权虫圄鱼筮型堂硒塞堕可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) i 学位论文作者签名：铂丞矽导师签名：毒卅l ，车 签字日期。刀唧年歹月日 签字日期：j 口刀年j 1 彦日 第一章绪论 第一章绪论 1 1e n s o 现象及其影响 1 1 1e n s o 现象 人们通常将热带太平洋地区的e 1n i n o ( l an i n a ) 和南方涛动现象合称为 e n s o 现象，它是至今发现的与全球气候年际变率密切相关的最强信号之一。e l n i n o 是西班牙语中“圣婴”的意思，一般也被人们称为小男孩，而l an i n a 则 被别称为小女孩。实际上，e 1n i n o 这一现象最早为秘鲁人所发现，当时专指南 美西海岸的赤道地区在圣诞节前后出现的海水间歇性变暖的现象。事实上，它与 圣诞节前后出现在秘鲁沿海的暖海流有关。这种通常海流可持续数月，但人们发 现每隔几年( 3 4 年左右) 这种海水增暖的持续时间要比正常年份长的多，甚至 可持续一年以上，其范围也更广。这种出现在赤道东太平洋地区非季节性的海水 持续增温现象就是人们熟知的e 1n i n o 事件。e 1n i n o 现象反映的是赤道中东太 平洋区域海水温度相对正常状态向暖的一方偏离( 即海温正距平) 。而当海温向 冷的一方偏离( 即海温负距平) ，并持续数月甚至一年以上时，为与e 1n i n o 现 象相区别海洋和气象学家将其称为l an i n a ，有时也称其为a n t i - e 1n i n o 。当前， 人们为了对e 1n i n o ( l an i n a ) 现象进行监测，通常以n i n 0 3 区( 5 0 s - 5 0 n ，1 5 0 o w - 9 0 0 w ) s s t a 连续6 个月大( 小) 于0 5 0 c ( - 0 5 。c ) 作为e 1n i n o ( l a n i n a ) 事件的标准。 至于南方涛动现象，它主要反映了大气中东南热带太平洋( 南太平洋高压) 与澳大利亚一印尼区域( 印尼低压) 日j 海平面气压的振动，通常南方涛动指数( s o i ) 来表示，定义为达尔文( d a r w i n ) 与塔西提( t a h i t i ) 间的海面气压差。一般来 说，中东太平洋海水暖事件一般出现在北半球春术夏初，于年底达到顶峰，并于 来年夏季结束。海水的异常增暖会改变大气下层加热场状况，造成热带太平洋对 流区东移，南太平洋高压减弱，印尼低压填塞，东西向w a l k e r 环流减弱。实际 上，最早发现南方涛动和全球气候联系的是w a l k e r ，而明确指出南方涛动和厄 尔尼诺间联系的则是b j e r k n e s 。他不仅给出了两者问的经验关系，而且还提出 用大气和海洋相互耦合的观点来解释e n s o 现象：热带太平洋地区海温的基本特 征是东冷西暖，这导致大的纬向梯度存在并造成大气沿赤道太平洋的东西直接热 力环流，即w a l k e r 环流。而东太平洋较低的海温又是由风驱动海洋而产生的， e n s o 预测中历史资料使用方法的数值模拟研究 这是因为赤道东风驱动了东太平洋表层海水的东移，且在赤道地区赤道两侧的运 动会向极地方向偏转，因而近赤道地区产生辐散下层冷水涌升补充导致上层海温 变冷。b j e r k n e s 的研究不但统一了人们对南方涛动和厄尔尼诺两种现象的研究， 而且也逐渐催生了基于大尺度海气相互作用的e n s o 理论。 1 1 2e n s o 对世界经济及气候的影响 南美洲西海岸的秘鲁、厄瓜多尔附近海域常年盛行东南信风，在东南风的作 用下沿海岸附近的海水向远离大陆的西面开阔海域流去，而大量来自深冷层的海 水则会上升补充表层海水的流失，这一过程就是沿岸涌升。通过海洋涌升过程， 将许多大洋深处的化学物质带到海表透光层，在光合作用下转为营养物质，为浮 游生物和鱼类提供了大量丰富的食物。在这个存在涌升现象的高生产力海区中， 虽然它仅占全球海洋面积的0 1 ，但却提供了全球捕获商品鱼总量的4 0 9 6 。当厄 尔尼诺现象发生时，秘鲁沿岸的海水涌升会明显减弱导致海水表层的营养物质以 及以这些营养物质为生的鱼类大幅减少，大量以鱼类食