西太平洋暖池次表层海温异常的数值模拟

西太平洋暖池次表层海温异常的数值模拟

1试验研究及预报目前，该公司的发生机制尚不完全清楚，但由于其重要性和对世界气候和气候变化的严重影响，它引起了海气学家的高度关注[1.3]。1986～2010年间实施的国际气候变化及可预报性研究计划(CLIVAR)已将ENSO作为重要的研究内容之一。1997年夏天,赤道东太平洋又爆发了有记录以来最强的ElNino事件,并由于它的影响导致印度尼西亚和澳大利亚部分地区持续干旱,进而造成印度尼西亚和澳大利亚的森林大火,使全世界为之震惊;这次ElNino还造成了南美和非洲部分地区的严重洪涝灾害;其他影响尚待分析研究之中。对这次及过去ElNino事件发生的分析研究表明,西太平洋暖池次表层海温正异常的出现及其东传起着极为重要的作用。由于海洋观测资料的限制,目前国际上一些重要的研究单位已采用海-气耦合模式对ENSO循环进行数值模拟研究及预报。作者之一已用中国科学院大气物理研究所发展的海-气耦合模式(IAPCGCM)对ENSO进行了成功的数值试验研究。本文将进一步分析数值模拟结果,研究西太平洋暖池次表层海温异常与ElNino(LaNina)发生的重要关系。2海洋模式-大气环流模式因为被普遍认为是热带太平洋地区海气相互作用的产物因此一般都用热带太平洋海-气耦合模式进行数值模拟研究。其模式一般采用全球大气环流模式与热带太平洋海洋环流模式相耦合,以便较好地考虑大尺度海-气相互作用过程。本文数值模拟所用的是由中国科学院大气物理研究所发展的热带太平洋海-气耦合模式(IAP-TP-CGCM),其大气部分是两层全球大气环流模式(水平分辨率为4o×5o经纬度),它虽然垂直分辨率不高,但有较强气候模拟能力,并在国际模式比较试验中被认为是较好的模式[9～11];海洋模式是一个中国科学院大气物理研究所发展的14层热带太平洋环流模式(水平分辨率为1o×2o经纬度),模式范围为(30oS～30oN,120oE～70oW),它是中等分辨率的海洋环流模式,并且有较好海洋“气候状况”及ENSO型异常的模拟能力。本文所用耦合模式采用同步耦合方法,即在热带太平洋区域,大气和海洋每天相互交换一次通量。为了克服在一般耦合模式中普遍存在的“气候漂移”问题,我们在耦合方案中采用了海表强迫量“线性统计修正”技术。结果表明,这不仅有效控制了“气候漂移”,而且很好地模拟出了大气和海洋环流的季节循环过程和年际变化特征。用IAP-TP-CGCM进行了100年时间的数值积分。由数值积分结果可以看到,在积分50～60年后,模式已充分达到平衡协调状态。尽管50年之前的模拟结果也能反映出许多与观测相一致的现象,但为了分析更可靠,本文的分析用的是61～100年的模式数值积分结果。3暖池区次表层海温异常的发生机制赤道太平洋海表水温异常(SSTA)是反映ENSO循环的基本要素,为了描述CGCM模拟的ENSO现象,图1给出了赤道太平洋(2.5oS～2.5oN)SSTA的时间-经度剖面。虽然模拟的SSTA在强度上比观测要弱一些(这是至今所有耦合模式共同的不足之处),但SSTA的年际变化是十分明显的。SSTA的异常更多表现为由西向东传播的特征,但也有个别情况是东西太平洋同时出现异常或赤道东太平洋在先。如果我们认为SSTA最大正异常高于0.5℃为ElNino事件,而SSTA最大负异常低于-0.5℃为LaNina,那么在模式第61年到100年期间有13次ElNino和12次LaNina。有意思的是,同SSTA异常相对应,每次ElNino(LaNIna)发生前都有次表层海温的正异常(负异常)在赤道西太平洋出现并向东传播与之相配合。图2给出的是20℃等温线深度距平的年际变化特征,它代表了整个上层海洋热状况的变化,从中不难看到,不仅年际变化十分明显,而且其向东传播与ElNino(LaNina)的关系也十分清楚。为了进一步表明赤道东太平洋SSTA变化与赤道西太平洋次表层海温异常的关系,图3给出了模拟的Nino3区SSTA和西太平洋暖池区(140～180oE,6oS～6oN)次表层(100～200m)海温异常的时间演变。实线表示的Nino3区SSTA说明,在第61～100年期间发生了12次ElNino事件,因为第63～64年的ElNino主要增温在Nino3区以东,因此图3中虽也有正SSTA,但强度较弱。虚线表示的暖池区次表层海温异常变化说明,在绝大部分ElNino事件之前(约半年到一年时间),暖池次表层海温都有十分明显的正异常发生当爆发之后暖池次表层海温则变为负距平同ElNino相反,LaNina几乎都对应着暖池次表层海温的正异常。为进一步揭露ENSO循环中西太平洋暖池次表层海温异常的重要作用,并比较在赤道东太平洋暖事件(ElNino)和冷事件(LaNina)情况下的不同特征,图4分别给出了模式第61～100年间对应各个暖事件和冷事件的合成时间-经度剖面,其中合成的时间是暖或冷事件发生前一年的1月到发生当年的12月,合成要素是20℃等温线深度的距平,其正、负距平分别表示次表层海温升高和降低。对应于暖事件(ElNino),图4a清楚表明,在其发生(一般在4～7月)之前一年的秋冬季,暖池区已有明显海温正异常出现,其后这种次表层海温正异常逐渐缓慢东移,强度增加,并且由150m左右渐渐传向海表,最终导致SST正异常在赤道东太平洋发生。同暖事件相反,图4b表明,对应LaNina的发生之前暖池次表层海温出现负距平,这种负异常也逐渐东传并加强和向海表传播。4暖池次表层海温异常的东传机制上述对海-气耦合模式多年积分结果的分析清楚表明,在ENSO循环中赤道中东太平洋SST异常同西太平洋暖池次表层海温异常有着密切的关系:在ElNino(LaNina)发生之前的半年到一年时间,暖池次表层(100～200m)海温会出现明显的正(负)距平;这种次表层海温异常将缓慢向东传播且强度增加,在其逐渐东传的同时也存在向海表传播的过程,并最终导致赤道东太平洋SST出现正(负)异常。实际上这种次表层海温异常是沿着季节性斜温层传播的,它代表了斜温层的升降,从而引发ElNino(LaNina)。这些海-气耦合模式模拟的结果与观测资料分析结果十分一致,进一步确证了暖池热状况在ENSO循环中的重要作用。目前,有关暖池热状况的研究还不多,尤其是关于其次表层海温年际异常的机制很不清楚,有待深入研究。从本文的模拟和其他不多的分析看,既有海洋本身的作用也有大气环流异常的影响,例如亚澳季风异常的影响。暖池次表层海温的异常是很重要的,但对于ElNino(LaNina)的发生来讲,次表层海温异常的东传更显得重要,例如1996年西太平洋次表层海温一致处于正异常,但并没有爆发ElNino,1997年这个正异常沿季节性斜温层逐渐东移才引发了ElNino。那么,异常海温东传的机制是什么呢?海-气耦合模式数值模拟结果的分析还清楚地表明,伴随着暖池次表层海温正距平的东传,在海面之上都有异常西风的东传(图略)。因此,这种暖池次表层海温异常的出现和东传有其海气相互作用的背景,是海气相互作用结果的一种表现。传统理论认为,异常西风的爆发和东传所激发产生的海洋Kelvin波导致了El