第七讲 ENSO 的数值模拟

(1)

大洋环流和海气相互作用的数值模拟

大气物理研究所 LASG 俞永强 yyq@lasg.iap.ac.cn

ENSO (El Nino-Southern Oscillation) 是一种在年际尺度上的热带太平洋大尺度海气相互作用的现象，主要体现为热带太平洋和大气环流的年际气候异常 , 并可以影响全球气候环境的变化。

数值模拟是在一定的数学和物理定律基础上 , 利用电子计算机通过大规模科学和工程计算研究复杂科学问题的一种研究手段 . 数值模拟的出现使得大气和海洋科学成为一门“可实验”的科学 .

数值模拟在大气和海洋科学研究中的作用

第七讲的目的

1. 什么是 ENSO 现象 ,ENSO 的基本特征是什么 ?

2. ENSO 现象的物理机制 ?3. 以 ENSO 为例子 , 说明数值模拟在大气和海

洋科学研究中能起到何种作用 , 特别是如何看待模式的结果和利用模式理解海气相互作的物理过程 .

•热带海洋和大气环流的平均态及其基本的动力过程

•ENSO 的基本特征及其物理机制•ENSO 数值模拟的历史和现状•LASG 气候模式与 ENSO 模拟• 讨论和总结

第七讲的主要内容

热带海洋和大气环流的平均态及其基本的动力过程

• 热带太平洋大洋环流和大气环流的气候平均特征

• Ekman 输送及 Severdrup 平衡理论• 海气相互作用与赤道波动过程• 海洋对风应力的响应• 大气对赤道上异常海温加热的响应

太平洋年平均短波辐射通量

太平洋年平均潜热通量

太平洋年平均感热通量

太平洋年平均净海表热通量

700-50mb 大气非绝热加热 (DJF)

大气运动的能量大约 60% 以上来自潜热释放 , 如果再考虑到海表的感热加热 , 大气运动的主要能量来自海气相互作 !

太平洋年平均风应力

海洋模式模拟的赤道太平洋温跃层、 SEC 、 EUC 以及海面高度（深度－经度剖面）

EUC

SEC

Trade Wind

NCEP ODAS

150W 断面的 SSH, 温度和纬向流ITCZ ？

GOALS 模拟的赤道经圈环流 (STC)

热带太平洋气候平均海洋和大气环流示意图

在气候平均态意义下，热带大气、海洋环流及其海气热通量和风应力构成了一个统一、协调的整体！

∫−

=0

0

ED

E dzvM ρ

€

ME =τ x

ρ 0 f

Ekman mass transport

ME

z= 0

z=-DE

z=-D0

VG

根源：风应力的不均匀性

关键： Ekman pumping 引起的次表层垂直运动

在 Ekman 层以下 , 海洋的运动基本上是绝热无摩擦 ,满足位涡守恒 .

€

wz=−DE

≡ Curlz

τρ

of

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟≡ w

G

Z

WfV∂∂

=β

Sverdrup balance 有多种表示

ôzy CurlM =β

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

fCurlfV zG

0ρβ

ô

微分形式

地转流质量输送

整层

质量输送

赤道上风应力与海面高度和温跃层之间的平衡关系

DOTMeanZonal ⋅⋅∝

SSHContrastZonal ⋅⋅∝

1cm SSH ~ 2M DOT

Sverdrup 平衡的物理意义及其适用范围

• 非常简明地刻划风应力与大洋环流之间的关系 , 是物理海洋最经典的理论之一 .

• 适用描述定常的运动• 适用于远离边界层的大洋内区• 适用于描述大尺度海洋环流• 不能给出大洋环流的斜压结构

海洋对大气风应力的响应：

DOTMeanZonal ⋅⋅∝SSHContrastZonal ⋅⋅∝

大气风应力对 SST 的响应：

ContrastSSTZonal ⋅⋅∝

东太平洋温跃层厚度变化对正比于 SST 异常：

热带海气相互作用通常只考虑热通量和动量通量

海洋是如何响应风应力的强迫？

通过 Rossby 波实现南北方向的质量调整，达到新的平衡，时间尺度为 6 个月左右。

通过 Kelvin 波实现东西方向的质量调整，达到新的平衡，时间尺度为 2 个月左右。

DOTMeanZonal ⋅⋅∝

SSHContrastZonal ⋅⋅∝

赤道太平洋的 Rossby 波和 Kelvin波

Rossby 波为在温跃层内部西传的波动，赤道外振幅较大，相速度约为 C/3 ，通过边界上的反射，两者可以相互转换。

MHggMSHgC 150,,5.20

'1' =Δ

=≈= −

ρρ

Kelvin 波为在温跃层内部东传的波动，局限于赤道附近

)())2/(( 2 ctxfCyEXP −−β

V=0

大气对加热场的响应－－ Gill 模态

（ Gill,1981 ）

加热场关于赤道对称的解（ Gill,1981)

加热场关于赤道反对称的解（ Gill,1981)

正反馈（ positive feedback ）与负反馈 (negative feed

back)如果某种过程使得初始扰动不断增加，就称之为正反馈过程；如果某种过程使得初始扰动不断减弱，就称之为负反馈过程。 为正反馈， 为负反馈。

Tdt

dT λ=

0>λ 0<λ

什么是海气相互作用？

热通量 动量通量 淡水通量

海 洋

大 气

大气是如何响应 SST 的强迫？

赤道东太平洋正 SST 异常可以导致 Walker 环流减弱，信风减弱；反之亦然。时间尺度 1 － 2 周。

ContrastSSTZonal ⋅⋅∝

（ Lau ， 1981 ）

ENSO 的基本特征及其物理机理

ENSO

El Nino Southern Oscillation

为什么研究 ENSO?• ENSO 是气候系统中最强的年际变

化信号 , 对全球气候都有明显的影响 .• ENSO 是海气相互作用的产物 ,ENS

O 现象是气候系统内部不同圈层相互作用的一个例子 .

• ENSO 是检验气候模式模拟能力的重要检验 .

ENSO 的空间分布特征

From Jin F.-F. (2004)

ENSO 的时间变化特征

Nino指数的定义

Power Spectrum

•What determines the 4-year periodicity?

ENSO 的季节锁相 （ Phase Lock)

ENSO 的暖事件与冷事件的不对称现象

ENSO 的不规则周期现象

ENSO 循环的概念

• ENSO 并不是一个个孤立的暖事件或者冷事件，而是一个不需要任何外界强迫由海气相互作用可以自我维持振荡的循环过程。认识 ENSO 的物理机制，必须把它当作以完整的循环过程来研究。

ENSO 的物理机制

Bjerknes(1969)指出 ENSO是海气相互作用的结果

东太平洋SST 增加

SST 东西梯度减弱

Walker 环流减弱

信风减弱

NCEP

FGCM-0

Nino指数与海平面气压的相关系数

Bjerknes 的主要贡献在于提出 Walker 环流的概念，把 SO 和 El Nino联系在一起，指出海气相互作用是 ENSO 的原因。但是没有说明海气相互作用的具体过程，以及ENSO 是如何循环起来的。Wytrki （ 1975 ）指出 El Nino 是海洋对风应力的响应，他的贡献在于在 El Nino 之前东风是加强的，一旦减弱可以激发 El Nino ，第一次指出温跃层过程的重要性。

Rasmusson （ 1982 ）总结以往六次 El Nino事件特点，对 El Nino发展过程给出了一个全面总结。

Tropical Ocean and Global Atmosphere

(TOGA) (1985-1994)

Philander and Yamagata (1984)

ENSO循环中的正反馈过程

Philander and Yamagata (1984)

Zbieak-Cane 耦合模式

Us ， Vs ， Um ， Vm 分别是表层和平均流

SSBH延迟振子 (Delayed Oscillation) 理论

东太平洋 SST 正异常可以引起异常的西风扰动，在激发下沉的 Kelvin 波从赤道西太平洋向东传播的同时 , 在赤道外激发出向西传播的 Rossby 波 ,Rossby 波西传播到西太平洋 , 反射成为上翻的 Klevin 波，抑制东太平洋 SST进一步增暖，形成了 ENSO循环的负反馈机制 .

daycbtcTbtdt

dT180,0,0),( =>>−−=

How does the phase of ENSO reverse?

xBattisti and Hirst, 1989; Suarez and Schopf, 1988

Thermocline depth

Delayed Oscillator Theory

• Westerly winds force downwelling on Equator and upwelling to North and South

=> Excites Kelvin and Rossby waves

Figures from IRI: http://iri.columbia.edu/climate/ENSO/theory/

Delayed Oscillator Theory 2

25 days

100 days50 days

75 days

Upwelling Rossby waves

Downwelling Kelvin wave

Delayed Oscillator Theory 3

125 days

275 days175 days

225 days

Phase has reversed

Delayed Oscillator 理论的主要不足

• 要求 Rossby 波在西边界反射，但实际上西边界并不是刚壁。

• 并不一定在每一次 El Nino事件都能观测到完整的 Kelvin 波和 Rossby 波传播过程。

discharging

discharged

recharged

Recharge/Discharge theory (Jin, 1997)

•Prior to El Nino heat content in equatorial region builds up

•During El Nino heat is “discharged” eastward and polewards

Source: A. Timmermann

Recharge-Discharge 理论

Schematic panels of the four phases of the recharge oscillation: (a) the warm phase, (b) the warm to cold transition phase, (c) the cold phase, and (d) the cold to warm transition phase. The rectangular box represents the equatorial Pacific basin, the elliptical circle represents the SST anomaly, the thin and filled arrows represent wind stress anomaly associated with the SST anomaly, and the thick unfilled arrows represent the recharge/discharge of equatorial heat content. Each panel also shows the distribution of the thermocline depth anomaly (h) along the equator.

Recharge/Discharge 理论的关键要点

• 可以把赤道地区纬向风应力与温跃层厚度东西梯度当作是瞬时平衡的过程，即把 Kelvin 波当作快过程。

• 赤道温跃层平均厚度滞后于赤道地区风应力的强迫，即把 Rossby 波当作一个慢过程来处理。

Delayed Oscillator 与 Recharge/Discharge 理论的关系

• 都是对实际情况的一种简化，从不同侧面能够反映 ENSO循环中机制。

• 在某种程度上，可以把 Delayed Oscillator当作 Recharge/Discharge 理论的一个特例来看。

• 尽管 Delayed Oscillator借助于 Sverdrup输送理论不需要显式的波动过程，但需要注意的是 Sverdrup 平衡需要通过波动才能实现。

• ENSO 是大尺度海气相互作用的产物 .特征表现为东太平洋温跃层加深（变浅）及其 SST 增暖（变冷），大气 Walker 环流减弱（加强） 。

总结和讨论 (一 )

• ENSO循环的形成依赖于正反馈和负反馈的共同作用 .其中”东( 西 ) 风 -上翻增强 ( 减弱 )-SST减弱 ( 增温 )- 东 ( 西 ) 风”起到正反馈作用 ; 海洋动力学过程和海气相互作用可以起到负反馈作用 .

总结和讨论 (二 )

海洋对大气风应力的响应：

DOTMeanZonal ⋅⋅∝SSHContrastZonal ⋅⋅∝

大气风应力对 SST 的响应：

ContrastSSTZonal ⋅⋅∝

东太平洋温跃层厚度变化对正比于 SST 异常：