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西太平洋北赤道流分叉的年际变化及其海洋与大气耦合响应特征

孟庆佳  
【摘要】:本文利用德国莱布尼茨海洋研究所(IFM-GEOMAR)的海洋-大气耦合模式Kiel Climate Model (KCM)和由观测海表面温度驱动的ECHAM5大气环流模式,分别研究了北赤道流分叉季节、年际变化特征和Walker环流百年变化趋势,及其相关的海洋、大气变化和耦合响应过程;分析指出控制北赤道流分叉年际变化的两个海洋环流模态,即NMK模态和MK模态,并通过分析与之相关的海洋大气变化过程,分析了它们的形成机制以及与El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO)循环系统的关联;结合海表面温度、海平面压强、降水、风场等各种观测数据,分析了Walker环流在20世纪对全球变暖的响应,指出Walker环流受SST纬向梯度变化的影响而增强。主要结果如下: KCM海气耦合模拟结果表明,北赤道流分叉在东亚季风的驱动下表现出明显的季节变化,春、夏季节偏南,而秋、冬季节偏北。同时,北赤道流分叉还存在明显的2-4年和10年左右的年际变化,在El Ni?o期间位于较高纬度,而在La Nina期间位于较低纬度。 北赤道流分叉年际变化与菲律宾以东海洋经向流速异常的前2个EOF模态密切相关。其中,第一EOF模态,即NMK模态方差贡献率为51%,具有近4年的周期,反应了副热带和热带流涡的整体变化。该模态的主要特征是NMK流系增强,北赤道流分叉位于较低纬度。该模态与海洋、大气的回归与相关分析结果表明,北太平洋副热带流涡和热带流涡增强,大气环流异常呈相应的偶极子分布,暖池及赤道太平洋、黑潮海域增温多雨,棉兰老流及菲律宾海海域降温少雨。NMK模态滞后于ENSO循环2个季节左右,其形成、演变过程受ENSO影响显著。在ENSO形成和爆发过程中,通过遥相关作用,产生西太平洋大气环流异常,副热带海洋流涡发生相应变化,进而通过ENSO正反馈,热带海洋流涡发生变化,产生局地的海洋-大气动力热力偶极子现象,NEC分叉和局地气候发生相应变化。黑潮和棉兰老流的变化对其流经海域的温度、热含量产生影响,进而影响降雨。当ENSO事件衰退和转换时,通过赤道海域反向的正反馈,使得赤道西北太平洋的大气环流异常逐渐消亡,随之海洋环流偶极子崩溃,引起副热带和热带流涡的先后变化,进入NMK模态反位相。尽管NMK模态滞后ENSO循环2个季节,且具有密切的海气耦合响应关系,但仍具有一定的独立性。 第二EOF模态,即MK模态方差解释率是26%,具有准两年的周期,反映了NMK流系在大洋西边界附近的区域变化,同观测的棉兰老流流量准两年振荡周期一致,该模态的主要特征为棉兰老流增强,源地黑潮减弱,北赤道流分叉位于较高纬度。该模态与海洋、大气的回归与相关分析结果表明,从黑潮到菲律宾沿岸南向带状异常冷中心、降水减少,赤道呈El Nino-like SST,热带西北太平洋呈气旋式大气和海洋环流异常、降水增多。MK模态与东亚季风的准两年振荡紧密相连:东亚季风异常和菲律宾海的大部分海域上空出现大气环流异常,影响NEC分叉的南北向移动,使MC发生变化,MK模态形成,通过海洋过程,对赤道海域的SST、热含量、风场和海流产生影响,有利于ENSO的产生,通过遥相关作用在菲律宾海域形成反向大气环流异常,进入MK模态循环的反位相。尽管MK模态有利于ENSO的产生,但并不是其产生的充分条件。 近来研究表明Walker环流在20世纪中减弱,本文利用各种观测数据结合由观测SST驱动的大气环流模式ECHAM5,发现Walker环流在20世纪很可能是增强而不是减弱的。观测的赤道印度-太平洋海盆间的海表面温度自1870年起呈现出纬向不对称现象:赤道太平洋增温较少,而在赤道印度洋增温显著。这导致沿赤道的海盆间海表面温度梯度的显著增强,而这种温度梯度的变化,正如由观测SST强迫的大气模式模拟那样,会驱动异常的大气环流,使得Walker环流增强,。模拟结果表明,伴随着西太平洋表层风场的变化,印度洋降水异常增多,而西太平洋降水异常减弱。这个结果对于全球变暖的大环境非常重要,海盆间的相互作用对于赤道海域区域气候的改变很可能具有关键性的作用。


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