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作为全球最显著的年际信号,ENSO虽然在赤道太平洋地区产生并演变,但它对全球气候和生态环境都会产生重要影响,因而对其提前一到数个季节进行有效的预报有着重要的社会意义。通过不断地研究和完善,ENSO预报在上世纪90年代取得了相当大的成功,这使研究人员倍受鼓舞并相信已经基本掌握了ENSO的物理机制。但进入21世纪以来,ENSO理论受到了非常严峻的考验。这其中包括以下几个具体问题:1、虽然观测信息逐渐增多且更准确,模式分辨率和物理过程的表达也在不断提高和完善,但最近十几年的ENSO预报技巧不但没有相应提高,相反却出现了严重的下滑;2、在此期间,一种新型的El Ni(n)o频繁发生,即中太平洋(CP) El Ni(n)o。它的型态和发展过程与传统的东太平洋(EP) El Ni(n)o存在很大的不同,这也导致模式对其模拟和预报的能力非常有限;3、一直困扰ENSO预报的春季预报障碍(SPB)依然存在。这些问题一方面挑战着已有的ENSO物理理论,但另一方面也给ENSO的研究带来了新的动力,并提醒研究人员要完全理解ENSO的物理机制还有很长的路要走。 目前的ENSO物理机制认识总体上可以分为两种观点:1、ENSO是一个自洽的、自然振荡的海气耦合系统模态;2、ENSO是随机扰动信号作用在一个稳定模态(衰减的)上的结果。但无论是哪一种解读,ENSO理论里都包含了在ENSO发展期起主导作用的海气耦合反馈过程—Bjerknes正反馈机制。其具体表现为出现在东太平洋的海表温度(SST)正异常会削弱东西太平洋的SST梯度以及相应的Walker环流强度,从而削弱向西的信风;减弱的信风又会通过驱动一系列海洋过程使东太平洋的SST进一步升高,并最终导致El Ni(n)o的发生。本文的主要目的就是通过具体研究Bjerknes反馈过程的细节,对上面提到的一些ENSO难点问题进行探讨,试图寻找潜在的物理机制和原因。 1、基于观测和再分析资料的定量分析,发现两类El Ni(n)o强度上的显著差异与Bjerknes正反馈有着很好的对应关系,即CP El Ni(n)o事件对应着较弱的Bjerknes反馈。进一步的分析表明,CP El Ni(n)o事件的强度偏弱主要受三个因素的制约:在CP型El Ni(n)o事件的发展过程中,(1)“SST-云”热力学负反馈机制对Bjerknes正反馈过程起到强烈的削弱作用;(2)大气环流的年代际变迁使得SLP(海平面气压)正距平中心向赤道外移动,造成了赤道上的纬向SLP梯度变弱;以及(3)近年来大气在赤道中太平洋地区存在低层辐散的气候平均态,抑制了低层对流并将对流中心向西挤压。 2、利用模式模拟结果,对上述结论进行了进一步的验证,弥补了观测中ENSO个例偏少的不足。(1)利用一个线性的ENSO模型(GMODEL V3.0),探讨了海气相互作用方式与具体ENSO型态的联系,并指出在某一年代CP还是EPEl Ni(n)o更为盛行主要取决于该时段异常风应力和SST的联系方式。而且,从1980-1998到1999-2011年代海气相互作用方式的改变倾向于产生类似于最近一个年代出现的La Ni(n)a型气候平均态异常。(2)利用耦合模型相互比较项目第5阶段(CMIP5)中20个模式的历史模拟数据也对此进行了检验。结果表明,CMIP5模式整体上很好地模拟出了两类El Ni(n)o强度上的差异,这主要归功于模式成功地模拟出了两类El Ni(n)o发展期间Bjerknes反馈强度上的差异。跟观测中两类ElNi(n)o发展期的表现一致,总云量和海表净向下短波辐射的异常变化也很好地验证了云辐射过程对CP和EP El Ni(n)o强度上的显著差异有很大的影响。同时指出,CMIP5模式在模拟CP El Ni(n)o的型态时还是存在很大缺陷,几乎没有模式能够模拟出其发展期东太平洋暖异常比中太平洋小的特点。 3、基于观测和再分析资料,阐明了造成ENSO可预报性年代际变化的可能原因,并指出在ENSO较难预报的年代,人们应该更多地关注赤道外地区的物理过程,它们可以为ENSO预报提供更多的帮助信息。由于在ENSO发展阶段扮演主要角色,Bjerknes反馈强度对ENSO可预报性也具有决定性作用。具体分析表明,Bjerknes反馈强度的年代际变化主要由赤道太平洋地区纬向风场对SLP纬向梯度的响应强度决定。进一步的分析发现,在ENSO可预报性低的年代,赤道太平洋地区的纬向风异常与赤道外太平洋的SLP变化有更密切的联系,这表明热带太平洋内部的海气耦合强度变弱,因而ENSO系统由于更不稳定而变得难以预报。 4、在实际预报中,利用赤道外观测信息有效地抑制了ENSO预报水平的年代际下滑,验证了赤道外物理过程对ENSO可预报性年代际变化的影响。长时间回报结果表明,提供赤道外信息能够明显提高ENSO的预报技巧,尤其是在原本ENSO预报技巧较低的情形下(即可预报性较低的年代或进行较长时间的预报)提高幅度更为显著。它不仅极大地减弱了ENSO预报技巧的年代际变化,也使得最近一个年代ENSO预报技巧的迅速下滑现象得到了消除。进一步将赤道外强迫地区进行细分发现,赤道外北太平洋,尤其是东北太平洋是最关键的强迫区域。这可能与两方面原因有关:1、东北太平洋处于海水下沉区,是subtropical cell机制通过海洋次表层途径影响赤道太平洋的源头;2、该地区也是footprinting机制通过海洋表面的风-蒸发-SST(WES机制)途径将信号不断传向赤道中西太平洋的源区。 5、基于观测和再分析资料,阐明了造成ENSO春季预报障碍年代际变化的主要原因。对ENSO不稳定性的逐月变化分析表明ENSO系统在经历春季时由最稳定状态逐步变为最不稳定状态,同时SPB的强度在年代际时间尺度上随着春季ENSO不稳定性的加强(减弱)而增加(减小)。详细的分析表明,大气的热衰减过程对春季ENSO不稳定性的年代际变化起主导作用,且主要是由其两个关键热衰减变量(即潜热通量和向下短波辐射通量)与上层海温异常之间的非线性关系造成的。进一步的研究指出,这里的非线性很可能是由下垫面平均海表温度的调制作用引起的,具体表现为春季ENSO系统的不稳定性和SPB强度将随热带中东太平洋地区气候平均海表温度的变冷(增暖)而加强(减弱)。