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2021年度重要研究进展

发布时间:2021-12-15 文章来源:

 

1)发现棉兰老流路径在印尼海源区发生剧烈摆动,发现北赤道次表层流在极端El Niño事件后异常增强并入侵印尼贯穿流

在印尼贯穿流(ITF)源区环流的观测研究取得0-1的突破性进展,首次以确凿观测数据证实,太平洋热带环流的西边界流——棉兰老流在西太平洋-印尼海源区海域有强烈的季节性摆动,并揭示其机制。分析显示,TH海峡的海流变率以季节尺度及以上的低频变化为主,上层海流存在显著的年循环,冬季为东北向,夏季为西南向。水团、水色与海表面高度等数据进一步证明,这种年循环的变化是由于棉兰老流(MC)的季节性摆动引起的,棉兰老流在北半球冬季向南入侵马鲁古海后向东折返,形成北赤道逆流的源头。而在夏季则向北退却,在塔劳岛附近直接转向东。流态季节变化的机制可以用袁东亮课题组前期获得山东省自然科学奖的两支西边界流相遇的非线性多平衡态理论来解释(Wang and Yuan 2012, 2014 JPO)。棉兰老流与新几内亚沿岸流相对强度的变化,决定了棉兰老流的路径变化,从而决定了TH海峡海流的季节变化。在200米以下的次表层,4-7月存在一支西向的海流。潜标CTD数据显示,其水团性质为高盐的南太平洋热带水。2年平均的TH海峡60-300米的平均流量约为10.1-13.2 Sv,由北马鲁古海流向西太平洋。

本研究借助潜标观测,首次以确凿证据证实棉兰老流存在强的季节性摆动,显示非线性动力过程在印尼贯穿流源区的极端重要性。棉兰老流的摆动,证明罗斯贝波在赤道太平洋西边界的反射,涉及强非线性动力过程(Yuan et al. 2019 JGR),颠覆了经典线性反射理论,是对ENSO动力学研究的重要原创性贡献。研究结果,对于气候预报和环流动力学研究有重要科学意义。同时,也为ITF动力机制提供了新的研究内容。另外,次表层的CTD观测,为南太平洋热带水通过马鲁古海汇入印尼贯穿流提供了观测证据。(Li et al., J. Phys. Oceanogr.

另一项研究发现,北赤道次表层流(NESC)在2105-2016强厄尔尼诺事件后,显著增强,并入侵望加锡海峡次温跃层,从而提出一条南、北太平洋中层水团在次温跃层进入印尼贯穿流的新路径,该路径也是中、东赤道太平洋次温跃层水团进入印尼海以及印度洋的唯一通道,代表着太平洋中层水团在印度洋上翻至海面的新路径。以上结果为太平洋-印度洋次温跃层环流的联系提供了科学依据,是赤道环流和全球海洋大输送带的重要补充。Li et al., 2021, Geophysical Research Letters)

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

Li X., Yuan D.*, Li Y., Wang Z., Wang J., Hu X., Yang Y., et al. Moored observations of currents and water mass properties between Talaud and Halmahera Islands at the entrance of the Indonesian seas, J. Phys. Oceanogr., 51(12):3557-3572,  https://doi.org/10.1175/JPO-D-21-0048.

 

(2)揭示季节内风场对近期印度洋偶极子事件的调制机制

利用海洋环流模式实验,评估了1996-2020年季节内风场通过海洋非线性对IOD事件年际变化的调制影响。结果表明,调制的年际海表温度异常(SSTA)和海平面高度异常比观测年际异常小很多,表明IOD主要由低频风强迫。论文国际气候学研究权威学术期刊Climate Dynamics在线发表(Zhao et al.2021, Climate Dynamics)。这项研究结果,结合我们前期关于太平洋季节内风场通过海洋非线性对年际信号只有极弱调制效应的论文研究(Zhao et al. 2019),显示ENSOIOD等极端年际气候异常事件,不大可能是由大气季节内振荡诱发。而西边界非线性反射和印尼贯穿流的海洋通道作用,可能是值得进一步探究的重要动力过程。以上两篇论文,对ENSO等极端年际异常事件的爆发机制,提出了颠覆性挑战,是重要的原创性研究成果。(Zhao et al.2021, Climate Dynamics

Zhao Xia, Dongliang Yuan, (2021). Evaluation of intraseasonal wind rectiication on recent Indian Ocean dipole events using LICOM, Climate Dynamics, https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-021-05943-1.


3)发现温室气体增暖加强北太平洋对ENSO的影响

北太平洋经向模态(NPMM)是东北太平洋海-气耦合的主模态,也是连接中高纬大气变率与热带海洋的重要通道之一,其峰值出现在北半球春季。NPMM可通过风-蒸发-SSTWES)反馈、夏季深对流响应和信风充放电等过程对当年厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的发生、发展和多样性等产生影响,是ENSO的有效预测因子,也可部分解释ENSO2000年前后的特征变化。1950年以来超过50%的厄尔尼诺(拉尼娜)事件都伴随有当年春季的正(负)NPMM事件,其中包括了三次极端厄尔尼诺事件(1982-831997-982015-16厄尔尼诺)和一次极端拉尼娜事件(1998-99拉尼娜)。随着全球变暖,NPMMENSO的影响如何变化尚不清楚。

该研究利用CMIP5+CMIP6多模式数据及海气耦合模式实验,首次发现全球变暖将导致NPMMENSO,尤其是极端ENSO的影响增强(图 e)。在全球变暖背景下,海温异常叠加在更高的背景海温上会触发更强的大气响应(蒸发、对流等),进而WES反馈和夏季深对流响应过程可以更加有效地在赤道中、西太平洋诱导出更强的风场异常,有利于接下来ENSO事件的发生和发展。根据该研究结果,北太平洋大气和海洋的变率不仅对未来极端ENSO事件的增加有所贡献,也成为ENSO更加有效的预测因子,为提高未来ENSO的预测提供了重要依据。(Jia et al. 2021, Nature Climate Change

Jia, F., Cai, W.*, Gan, B., Wu, L.* & Di Lorenzo, E. 2021: Enhanced North Pacific impact on El Niño/Southern Oscillation under greenhouse warming. Nature Climate Change, https://doi.org/10.1038/s41558-021-01139-x.


4)海气耦合系统变化对ENSO发展的影响

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WWVTCDa_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 and Zheng, 2021

Fang X*, and Zheng F. 2021. Effect of the airsea coupled system change on the ENSO evolution from boreal spring. Climate Dynamics, 57: 109-120.


5)亚澳季风季节转变对赤道西太平洋纬向风的影响

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。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 et al., Sci Rep

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. 


6)基于非线性条件最优插值初始扰动的预测试验

对利用项目研发的全球气候预测模型,分别使用条件非线性最优扰动(CNOP)和气候相关奇异向量(CSVs)作为集合预报成员,对19972017年的ENSO事件进行了集合回报试验。其中,CSVs作为集合预报成员构成了CSVs方案;使用CNOP替换CSV方案中的第一线性奇异向量(LSV)则组成了CNOP+CSVs方案。结果表明,CNOP+CSVs方案得到的集合预报具有更大的集合离散度,集合离散度与均方根误差的比值也更为接近;其Talagrand分布也更为合理;概率预测BSSBrier skill score)评分也有了显著改进。这些结果表明,CNOP+CSVs方案生成的集合预报既能提高模型的ENSO预测准确性,又能提高集合预报系统的可靠性。因此,ENSO集合预报应该考虑非线性对集合初始扰动的影响,以达到更高的精度。未来,为了充分考虑非线性的影响,我们可以基于正交的CNOPs产生集合预报成员,从而进一步提高ENSO预报技巧(Zhou et al., 2021, Weather and Forecasting)。

Zhou, Q., and Coauthors, 2021: Using Conditional Nonlinear Optimal Perturbation to Generate Initial Perturbations in ENSO Ensemble Forecasts, Weather and Forecasting, 36(2101-2111). 


7ENSO预测技巧年代际变异及成因

2000年后,热带太平洋进入新的气候态,中部型厄尔尼诺事件频发,多模式集合预测系统的确定性预报和概率预报技巧明显下降。项目研究了ENSO预报技巧的年代际变化特征和成因,结果表明,2000年后,海洋的持续性预报技巧降低,春季预报障碍(SPB)更加明显,预测技巧远低于1982-1999年,技巧下降在目标月5月至8月最为显著;对于整个热带太平洋,多模式集合对海温冷、暖和中性事件的概率预测技巧均明显下降,对海温冷事件的概率预测技巧高于暖事件和中性事件;120°W以东,暖事件概率预测技巧评分明显变小,与2000年以后东部厄尔尼诺事件减少,中部型事件增多有关。2000年以后,热带太平洋暖水体积和热带外海温异常信号与ENSO的相关性均明显减弱,这是ENSO固有可预测性和年代际预报技巧下降的重要原因(Zhang et al., 2021, Atmosphere)。

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. 

 

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