ENSO多样性的特征与机制研究

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ENSO多样性是指近几十年来热带太平洋上出现的不同类型的ENSO现象,每一种ENSO现象对全球天气和气候都有着显著不同的影响。本文主要讨论ENSO的暖事件:厄尔尼诺现象。与传统的厄尔尼诺(也称为EP型厄尔尼诺)不同,新型的厄尔尼诺SST的暖中心更多地转移到赤道太平洋中部,因此,它通常被称为中太平洋厄尔尼诺(CP型厄尔尼诺)或ENSO Modoki。这种厄尔尼诺的形成机制被广泛的讨论,有学者认为它应该被描述为一个多样的连续体,也有人认为它是两个不同的变异模态。先前已有大量的工作研究了 ENSO多样性的指数,并提出了各种机制,但到目前为止还没有达成共识。这可能受到两个因素的限制。首先,ENSO Modoki的原始定义是基于有限域经验正交函数分析,它高度依赖于人工边界,结果不稳健,也难以评估副热带对它的影响。其次,多样性指数除了基本因素以不同的比例组合以外,还涉及其他不能辨识的因素。此外,在常规的经验正交函数分析中,模态在频域中存在不同程度的混合,这对描述每个模态的物理机制都有一定的困难。本文将旋转经验正交函数分析方法应用到ENSO多样性的分析中,不仅解决了模态间混合的问题,而且得到的四个基本模态还能解释大部分太平洋SST的变异。结果表明,泛太平洋的四个基本模态分别是:ENSO-cycle模态、泛太平洋PDO模态、中太平洋变异模态(CPV模态)和北太平洋环流变异模态(NPGV模态)。对于ENSO的变异,我们发现用前三个模态就可以解释绝大部分事件的变异。在这三个模态中,PDO和CPV的共同作用又可以解释近几十年出现的另外一种ENSO现象(CP型厄尔尼诺)。CP型厄尔尼诺的形成在某种程度上依赖于CPV模态处于显著的时候。CPV模态的主要特征是SST最大值的位置出现在中太平洋,并呈现出马蹄形的形状,它朝东北太平洋有一段延伸,而东太平洋呈现出冷异常。当CPV模态为正时,温跃层在中太平洋变深而在东太平洋变浅,这有助于CP型厄尔尼诺的形成。我们发现,这个CPV模态可能是近几十年赤道信风增强的结果。增强的信风会阻碍某些厄尔尼诺事件的传播,并使它们停留在中太平洋,形成CP型厄尔尼诺;而没有受到阻碍的厄尔尼诺最终会形成EP型厄尔尼诺。两类厄尔尼诺现象在温跃层深度上的差异可以完全由(CPV+PDO)-ENSO这三个模态所解释。古气候记录和长时间的数值模拟实验表明,热带上的ENSO被年代际变异所“调制”。这个“调制”可以体现为热带海洋与副热带海洋间的相互作用,也可以体现为热带太平洋固有的变异。然而,这种影响的机理还尚不清楚。虽然副热带年代际振荡(如PDO)对热带太平洋中部的海表温度会产生影响,但我们发现PDO对ENSO的影响并不是通过对ENSO振幅和频率的调制这种非线性机制来实现的,而是通过两种气候模态在热带海表温度上的线性叠加来实现的。除此之外,若要更全面地了解PDO与ENSO之间的相互关系,我们还需要明确热带海表温度对副热带海表温度是否有贡献。通过使用不同来源的强迫(如ENSO指数、北太平洋指数(NPI)等)的Hasselmann模型重建PDO。结果发现,PDO的变异并没有受到与热带ENSO有关的年际变化的影响,两者之间是相互独立的。由于ENSO对全球和区域天气、气候的显著影响,其潜在的长期预报也是个重要的研究领域。由于PDO所处的不同相位(正相位或负相位)具有年代际持续性,我们期望它对ENSO的影响在年代际尺度上也具有一定的可预测性。我们建议在研究ENSO年代际预测问题时,不应该只考虑ENSO本身而需要考虑热带太平洋的海表温度变化。
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