国家重点研发计划项目动态简报 [2021] 第1-2期

发布时间:2021-09-27 文章来源:

国家重点研发计划

全球变化背景下西太平洋环流与ENSO变异及气候预测研究

(项目编号:2020YFA0608800)

项目动态简报

课题一: 

1)印尼贯穿流次表层环流研究取得进展

望加锡海峡(Makassar Strait)是印度尼西亚贯穿流(ITF)的主要入流通道,由于缺乏次表层及以下的观测,对于印尼贯穿流次温跃层环流还不够明确。利用13年(2004-2011;2013-2017)的望加锡海峡潜标流速观测数据发现在2015/2016极端厄尔尼诺极端事件后,2016年夏季望加锡海峡次温跃层(300-760米)流量异常增大,发生了3倍年际变率的显著变化。基于在望加锡海峡的走航CTD剖面观测和西太ARGO剖面观测,水团分析显示望加锡海峡次温跃层水团为南北太平洋混合水团。利用Maluku海峡以及西太130°E,5°E,位于印度贯穿流源区的潜标ADCP观测数据,研究发现望加锡海峡次温跃层流量2016年夏季的异常增强是由于北赤道次表层流(NESC)的异常增强并入侵望加锡海峡引起的,NESC在夏季自东向西流动过程中混合了热带南北太平洋的中层水团。2016年夏季NESC的异常增强是对2015/2016年极端El Niño事件的响应,极端El Niño事件后赤道中太平洋的风场异常激发起了海洋次温跃层的斜压Rossby波,并因此引起了NESC的异常增强。

该研究提出了北赤道次表层流入侵望加锡海峡的路径,是一条热带太平洋南北混合水团在次温跃层直接进入望加锡海峡的纬向路径。以上结果为太平洋-印度洋次温跃层联系的研究提供了新的思路。

Li, M., Yuan, D.*, Gordon, A. L., Gruenburg, L., Li, X., Li, R., Yin, X., Yang, Y.*, Corvianatie, C., Wei, J., Yang, S. 2021: A strong sub-thermocline intrusion of the North Equatorial Subsurface Current into the Makassar Strait in 2016-2017. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL092505, 10.1029/2021GL092505 .(第一标注)

2)揭示菲律宾以东次表层涡动能季节变异规律及其机制

自卫星高度计出现后,科研人员普遍认识到中尺度涡的广泛存在,其在海洋物质能量输送以及生物化学过程中具有重要作用。菲律宾以东海域流系复杂多变,复杂的流场环境为涡旋的生成提供了有利条件。前期的研究发现该海域存在很强的次表层涡动能(EKE)信号,且这些涡旋活动使得西边界流产生显著的季节内振荡。与表层涡旋相比,次表层涡深度更深,不易被卫星高度计捕捉,因此对次表层涡的研究需要直接的次表层观测资料支持。

基于潜标连续观测数据,进一步结合OFES模式数据研究了该海域次表层涡动能的季节变化规律及其机制。

研究发现,在菲律宾以东5ºN-14ºN海域温跃层以下存在显著的EKE信号,核心深度约500 m。以往基于单点潜标发现的EKE半年变化主要集中在近岸海区,而在更大范围上EKE的季节变化由年循环主导。以10ºN为界,南部和北部的次表层EKE呈现不同步甚至反相的季节变化:10ºN以北,EKE早春强,夏季弱;10ºN以南,EKE夏季强,冬季弱。虽然在气候态上EKE主要由背景流场通过斜压不稳定机制产生,但EKE的季节变化主要由背景流场正压不稳定的季节性主导。而且南、北部的正压不稳定季节性对应的物理过程不同,南部对应于哈马黑拉涡次表层部分的季节变化,而北部对应于北赤道潜流强度的季节变化。

该成果有力地促进了对热带西太平洋次表层环流多尺度变异规律的认识。

Zhang L.*, Y. Hui, T. Qu, and D. Hu, 2021, Seasonal variability of subthermocline eddy kinetic energy east of the Philippines, J. Phys. Oceanogr., 51, 3, 685-699,doi:10.1175/JPO-D-20-0101.1.(第二标注)

课题二:

课题二结合最新的ENSO研究进展,从物理发展的角度出发,选定四个早春对ENSO预测有重要作用的预报因子,即西太平洋纬向风应力(Tauxa_W)、赤道太平洋暖水含量WWV(TCDa_M)、赤道温跃层深度异常的东西向梯度(TCDa_G)和东太平洋经向风应力异常(Tauya_E)。结果表明,合理地利用早春海气信息能够在很大程度上(历史相关系数可达0.9)抓住冬季(即峰值)Nino3.4指数。在这几个因子里面,东太平洋经向风场的作用明显,而前人鲜有关注。这部分工作发表在2021年的Climate Dynamics上。

Fang X*, and Zheng F. 2021. Effect of the air–sea coupled system change on the ENSO evolution from boreal spring. Climate Dynamics, 57: 109-120.(第一标注)

课题三:

季风大尺度环流系统对热带太平洋海气系统的具有重要影响,其与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的相互作用关系曾引起广泛关注。然而,季风是如何影响ENSO事件,季风变化与热带海气系统不同时间尺度信号之间的关系是怎样的,这些问题仍未找到答案。

我们最新研究成果发现,热带西太平洋海表面风场季节变率易受到冬半球的季风系统的影响。东亚冬季风和澳大利亚冬季风偏强的年份,赤道中西太平洋纬向风变率较强 (图3)。尽管季节变化西风变率在北半球夏季时到达最弱,但东亚冬季风的延迟撤退和澳大利亚冬季风的提前爆发会引起夏季赤道中西太平洋西风变率增强。

Sullivan, A., Zhong, W., Borzelli, G.L.E. et al. Generation of westerly wind bursts by forcing outside the tropics. Sci Rep 11, 912 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-020-79655-7. (第一标注)

课题四:

1) 全球变暖背景下ENSO预测技巧年代际变异

对ENSO预报技巧的年代际变化和成因进行了详尽的阐述。多模式集合预测系统的后报试验结果表明,无论确定性预报还是概率预报,近20年以来ENSO的预测技巧发生了明显的年代际下降。2000-2018年的预测技巧远低于1982-1999年,2000年后受到春季预报障碍(SPB)的影响更大,技巧下降在5月至8月的目标月份中最为显著。2000年以后,模式倾向于进一步低估El Niño发展年的海表温度异常,而高估El Niño衰减年的海表温度异常。与预报技巧年代际下降最直接相关的因素是,2000年以后,热带太平洋信号与ENSO之间的关系减弱,暖水体积(WWV)强度及其与ENSO的关系的减弱,导致ENSO固有可预测性和预报技巧下降,利用局部海洋本身的记忆来预测ENSO是一个巨大的挑战。综合不同方法的优势,如动态建模、统计方法和机器学习方法,以获得最佳适用性的ENSO预测,并处理当前的低预测技能现象。(Zhang et al., 2021a)

Zhang, S., Wang, H., Jiang, H. *, Ma, W., 2021a: Evaluation of ENSO Prediction Skill Changes since 2000 Based on Multimodel Hindcasts. Atmosphere, 12, 365. https:// doi.org/10.3390/atmos12030365. (第一标注)

2) 印度洋-太平洋海温变化影响长江中下游强降水的预测研究

观测结果表明5月长江中下游MLYZR同期强降水与东北印度洋热带海温的暖异常紧密相关,与El Niño指数的相关性很小。但是在动力模式的预测中,El Niño事件会通过促进东北印度洋变暖过程,建立与MLYZR强降雨的虚假强相关性。在模式和观测中,5月印度洋东北部和南海东北部的强降水都伴随着4-5月的增温。在模式中,El Niño事件可能会促进印度洋东北部的变暖过程,导致MLYZR的强降雨,在现实世界中,El Niño事件与南海东北部变暖并没有直接关系。动力模式中El Niño事件过分的强调了与MLYZR晚春降水相关关系,且动力模式中海温变化的关键区也与真实情况是不一致的,这种动力模式和实际观测的差异导致降水预报的技巧偏低。(Zhang et al., 2021b)。

Zhang, S., Wang, H., Jiang, H. *, Ma, W., 2021b:Studies of the seasonal prediction of heavy late spring rainfall over southeastern China. Climate Dynamics. https://doi.org/10.1007/s00382-021-05786-w. (第二标注)

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