东部和中部型ENSO模态及其对中国降水影响的差异

【摘要】：厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是热带太平洋大尺度海气耦合作用的主要模态,其对全球气候异常有着极其重要的影响。研究证据表明,热带太平洋存在两种不同类型且相对独立的ENSO事件,即以热带东太平洋海表面温度(SST)异常为主的东部(Eastern-Pacific, EP)型ENSO和以热带中太平洋SST异常增暖(变冷),热带西太平洋和热带东太平洋SST变冷(增暖)的中部(Central-Pacific, CP)型ENSO。本论文以EP和CP型ENSO为研究核心,从海洋和大气多个角度深入分析两类ENSO的海气耦合模态和周期变化等主要特征,重点探讨EP和CP型ENSO事件分别对热带大气响应和东亚气候异常的关联,并利用国际耦合模式比较计划5(CMIP5)发布的多情景下全球气候系统模式模拟结果,通过对EP型和CP型ENSO模拟能力的评估,试图揭示两种类型ENSO自然振荡属性及其未来对全球气候变化的可能响应。主要结论概括如下： (1)东部型和中部型ENSO事件分别表现出显著的年际尺度(2-7年)和年代际尺度(10-15年)周期变化特征,并以纬向偶极型和三极型模态于热带太平洋SST和次表层海温(SOT)场之间相互耦合。当CP型ENSO处于成熟位相时,暖SOT异常中心位于日界线(180°)以西地区,其可能导致Nino4区的SOT增温,同时引起热带中太平洋SST增暖。根据SVD分析结果中SOT场的第一和第三模态所对应的时间系数定义为东部型次表层指数和中部型次表层指数,该指标不仅与其它学者定义的两类ENSO指数具有较高的相关性,而且它们具备良好地描述和区分EP型和CP型的ENSO事件的能力。此外,20世纪80年代后SOT在年代际时间尺度上振幅明显增强这一事实说明,CP型ENSO事件的频率和强度均呈现出上升趋势,且在过去30年里CP型ENSO事件明显加强了对全球气候的影响。 (2)EP型和CP型El Nino对热带纬向和垂直环流的响应存在显著差异,根据热带地区海气耦合关系重新定义EP型和CP型SO指数。EP-SO和CP-SO分别与EP型和CP型El Nino模态相互耦合,并呈现出年际(2-7年)和年代际(10-15年)的周期振荡特征。两种不同类型SO指数还将有效地描述热带地区不同的海气耦合作用：当EP-ElNino事件发生时,热带太平洋Walker环流异常表现为大尺度偶极型单圈环流结构；当CP-E1Nino事件发生时,Walker环流异常呈现出纬向三极型双圈环流结构。此外,EP型和CP型SO事件与中国冬春季节降水的关系在全国范围均呈现相反特征,而两类SO事件与中国夏秋季节的降水呈相反特征的地区却分别只集中于长江中下游地区和华南地区。以中国南方冬季降水为例,EP型ENSO往往造成我国南方冬季降水偏多,而CP型ENSO时,南方降水异常偏少,这种相反关系主要体现于年际变化尺度上,同时造成冬季降水异常显著差异的主要原因是西北太平洋异常反气旋环流差异。因此,进行预测东亚季风区季节性降水时必须考虑两类ENSO与我国降水之间关联的差异性。 (3)通过评估CMIP5发布的20个气候模式在工业革命前(Pre-industrial)控制实验中模拟EP型和CP型ENSO耦合模态的能力发现,当前气候系统模式对热带太平洋SST年际变率的模拟能力强于年代际变率,且气候系统模式模拟EP-ENSO的能力相对强于CP-ENSO。所有CMIP5气候模式能够模拟出EP型ENSO的耦合模态,但仅12个模式能够真实反映CP型ENSO的耦合模态。基于这12个气候模式集合结果发现,EP型ENSO模态主要表现出显著的年际变率,而CP型ENSO模态主要表现为多年代际振荡。由于Pre-industrial控制实验仅仅考虑自然因子,因此,CP-ENSO的多年代际周期振荡和EP-ENSO的年际变化特征均属于气候系统中自然变率的结果。 (4)CMIP5气候系统模式对两类ENSO的空间耦合模态和周期变化等主要特性具有较好的历史再现能力,即EP-ENSO呈现为纬向偶极型海气耦合模态,并以年际尺度振荡为主要特征,而CP-ENSO呈现为纬向三极型海气耦合模态分布,并主要以年代际尺度变化为特征,同时可以反映CP型El Nino事件发生频率增多和强度增强的趋势。21世纪在未来全球变暖背景下,热带太平洋EP型和CP型ENSO的空间耦合模态和周期变化等主要特性仍将维持,它们的模态强度较历史模拟结果有所增强,而且未来EP型和CP型El Nino事件亦呈现频率增多和强度增强的趋势。此外,造成热带太平洋SST长期趋势变化的主要原因是外源强迫因子的作用,CP型ENSO的年代际周期变化不仅是气候系统中的自然振荡,而且人为温室气体强迫对CP-ENSO年代际周期变化的影响并不显著。