RQL's Blog 菜鸟成长记

ENSO Dynamics

2019-07-01
renql

海洋基础知识

  • 温跃层thermocline盐跃层halocline以及密度跃层pycnocline三者等价。据此可以把海洋分为表层(也叫混合层)、突变层和深层三层,且海洋的三层结构非常稳定,不像大气那样易发生对流。此外,三层结构在低纬非常明显,高纬的结构则没有那么明显。可能是因为高纬地区的海洋表层海温与深层海温近似,热带则相差较大。突变层不利于海水的垂直运动。
  • 海洋混合层厚度在夏季晚期最薄,因为夏季的风小,加上太阳辐射强,使得海洋表层温度高,不利于混合,因此混合层薄。反之,冬季晚期混合层最厚。
  • 大西洋结构与太平洋类似,都有暖池和冷池,但为什么太平洋有ENSO,而大西洋没有呢?是因为太平洋的海盆面积比较大吗?还是因为大西洋主要是温盐环流占主导?
  • 大西洋多年代际振荡与温盐环流密切相关。一般在说到温盐环流时多聚焦于大西洋,而风生环流则多在太平洋,为什么?大西洋的盐度比太平洋高?
  • 海洋对大气的影响主要是潜热,而大气对海洋的影响主要是风应力(Ekman Transport)。海气相互作用最强的地方并不等于蒸发最强的地方。
  • 海洋有低反照率、高比热容,使其能存储更多的能量。加上近海面大气含有丰富水汽,使海表面发射的长波辐射被截留在海表面附近
  • 为了简化,海洋模式多用混合层模式来替代整个海洋模式

  • Ekman Transport 是发生在海洋表层的海水运动,受风应力和科氏力的作用。北半球,Ekman流偏向风应力的右边。因此热带海水由于赤道信风的Ekman抽吸而存在上升辐散运动,温跃层抬升,底层Sverdrup是向赤道流,构成一个海洋里的经向环流,该经向环流有利于海洋热量的向极输送。
  • Sverdrup Transport 发生在海洋深层,相当于补偿流,用于补偿由Ekman输送造成的空缺,是海洋中的准地转流。虽然也有一种成因是说该深层流的产生是因为涡度的变化(温跃层因Ekman流而抬升,根据位涡守恒,其绝对涡度需要增加,但由于深层流本身不会旋转(相对涡度为0),因此它只能通过向极运动来使地转涡度增大)。且也有提到说,Sverdrup的辐散辅合区与Ekman输送导致的温跃层抬升或下降区是错位的
  • 暖池(温度大于28℃)、冷舌(温度低于24℃)

ENSO的现象学

  • CP EINino 又叫 El Niño Modoki, dateline El Niño, warm pool El Niño。 Nino3主要用于检测EP EINino,nino4主要用于检测CP EINino,nino3.4则可以同时检测两种EINino现象
  • 典型的EINino发展过程中,异常西风信号、异常暖海温都是从西太往东太传播。也表明ENSO爆发前期,西太海温有异常增暖及温跃层异常增厚现象,可作为ENSO预报的一个因子。后面的Discharge-recharge Oscillator在一定程度上解释了为什么会这样。
  • Walker环流的上升支容易辨认,但下沉支则不容易辨认
  • 观测中,ENSO总是在冬季达到盛期,但在耦合模式中,ENSO的峰值可以出现在任何季节。
  • ENSO时,东太和西太的温跃层厚度变化几乎是东西对称的,但温度异常幅度却是东太大于西太。也就是说相同的温跃层异常在不同的海域造成的SST异常不同。此外,EINino与LaNIna的振幅也是不对称的。
  • 虽然ENSO期间,最大的海温异常发生在东太,但海气相互作用最活跃区域是中太。因为发生对流的海温阈值是28.5摄氏度,而中太的基本海温大约在26摄氏度,它对海温变化异常敏感。

  • ENSO Diversity:多指ENSO的多样性、不对称性,其实每一次的ENSO过程都不一样(以SSTA的时间和空间变化来说)
  • ENSO Complexity:除了ENSO发展的多样性外,还加入了ENSO影响的复杂性,造成的天气、年循环、多尺度变率等,动力预报,季节锁相特征

现在ENSO的预报仍然存在很多问题。例如2014年,EINino的前期信号在14年春季已出现,因此各大机构都预测14年冬季会有EINino出现,但最后并未出现。于是大家以为不会再出现,结果2015年年末出现了很强的EINino。纷纷打脸,还连续打两次。

ENSO机制

ENSO形成的正反馈——Bjerknes Feedback:当赤道太平洋有西风异常出现时,会减弱向西太流动的暖海水,于是东太的上升补偿流减弱,使得东太海温升高,减弱东西海温梯度,进一步减弱Walker环流。于是EINino发展起来。这里的发展速度取决于海气耦合的强度,例如大气风速的变化对海温异常的敏感性以及海温对风场的敏感性。
能够导致西太异常西风的机制有:MJO、耦合Rossby波、热带气旋、太平洋径向模、冬季风。
但Bjerknes Feedback无法解释为什么EINino会衰减,为什么存在EINino和LaNina位相的转换?

因此接下去主要介绍了两种导致ENSO发生位相转换的负反馈机制(最根本的是前两个,后两个都是对前两个的补充):

  • Delayed Oscillator (1987):从赤道波动的纬向运动出发,范围局限在南北纬15度之间,且考虑的都是相对于气候态的异常值。
  • Discharge-recharge Oscillator (1997,JinFei-fei):主要通过Sverdrup的经向运动来实现,南北纬范围比Delayed大,且考虑了气候态的量,可以解释超前Nino3指数三个月的暖水体积出现的原因。
  • Advective-reflective oscillator
  • Western Pacific oscillator (王春在,1999)

赤道海洋波动概念(主要是温跃层界面的上下起伏变化),存在的主要两种波型:

  • Kelvin波,非频散波,沿着赤道东传或沿海岸线传播。传播速度是Rossby波的三倍,3个月即可穿越整个赤道太平洋。赤道振幅最大,向两边逐渐衰弱,只有纬向风。上升Kelvin波(冷性)的纬向风是东风,下沉Kelvin波(暖性)的纬向风是西风。
  • Rossby波,频散波,西传的长波,需要用9个月的时间才能穿过整个赤道太平洋
  • 很难用观测明确地表示Kelvin波的存在,因为波动总是相互叠加的,同时还与依赖于时间的风驱动的洋流相叠加

Delayed Osciallator

当赤道中太平洋有西风异常时,会因为Ekman Transport使赤道温跃层产生辅合下沉,该异常信号随Kalvin波东传,形成下沉Kelvin波(暖信号)。由于赤道辅合,因此在赤道两侧必然有海水的上升运动,该异常信号随Rossby波西传,形成上升Rossby波(冷信号)。当西传的上升Rossby波遇到太平洋西边界,会反射成为上升的东传Kelvin波,该波传到东太平洋使ENSO位相发生转换。由于Rossby波波速是Kelvin波的三分之一,因此一般会存在9-12个月的延迟。此外,Kelvin波在太平洋东边界也会反射,但由于反射能量很弱,多数成为沿岸Kelvin波。

其中西传的长Rossby波在太平洋西边界发生反射时,反射成为短Rossby波加Kelvin波或Rossby重力混合波,会返回所有入射波动的质量,但不一定返回所有的能量。此外,虽然太平洋西边界是不连续的,但依然假设海洋性大陆对西传的Rossby波是一个屏障,这个屏障的经向梯度会影响反射。

该理论认为EINino的发生发展过程中包含以下三个过程:

  1. 由于耦合不稳定或东太正反馈循环(如Bjerknes Feedback)导致的局地指数增长
  2. 限制增长的非线性过程,例如有限的大气水汽含量限制了对流系统的持续增长、海洋中的平流过程
  3. 由于反射的上升Kelvin波带来的延迟信号

  4. 随后建立了一个公式来研究延迟信号对ENSO循环周期的影响。
    • 当不存在延迟项时,Bjerknes反馈和非线性反馈使海温一直升高,并最后达到平衡,该平衡值由Bjerknes反馈和非线性反馈强度的比值决定。但不会有海温信号的衰弱。也就不会有振荡出现。
    • 加入延迟项后,延迟时间越长,返回的上升Kelvin波信号就越弱,Bjerknes反馈及非线性反馈就会使振幅越大,ENSO周期也越长,且始终大于延迟时间的两倍。
    • 该理论认为上述三个过程使得ENSO是一个自维持振荡系统。

该理论存在两个缺陷:

  1. 没有西太的海气耦合
  2. 没有考虑东太Kelvin波的反射

Discharge-recharge Oscillator

该理论的提出,需要具有良好的数学功底,其中包含5个公式(主要的是四个),可以把异常、气候态、Sverdrup、风应力都串联起来。该理论清楚地描述了ENSO的慢动力过程,同时也在没有涉及波动的情况下具体体现了延迟振荡。
第一个公式,是认为在ENSO时间尺度上,纬向平均的气压梯度力与风应力平衡,主要用于约束东西温跃层厚度对比,但不能决定西太温跃层的绝对厚度,也无法约束太平洋海域内该纬度带的平均温跃层厚度。
第二个公式聚焦于赤道西太平均温跃层厚度在调整过程中的变化,因为此时与ENSO相关的赤道风异常主要集中于赤道太平洋西部和中部。
第三个公式描述了气候态的上升运动、东太异常温跃层厚度变化以及Ekman pumping等过程对东太海温异常变化的影响。
第四个公式描述了整个赤道太平洋纬向季风的风应力以及东太平洋平均风应力与东太异常海温的关系。

充放电理论分为四个步骤:(这个充放电主要是指赤道太平洋热容量)

  • 放电中(厄尔尼诺成熟位相):西风异常下,Sverdrup输运向极,暖水向极输送导致赤道暖水减少,达到放电完成状态
  • 放电完成(厄尔尼诺转向拉尼娜):整个太平洋的平均温跃层深度都变浅,但东太海温对温跃层厚度的变化更加敏感,即东太海温比西太海温更低,风应力与SST异常不平衡,导致海表面出现东风异常
  • 充电中(拉尼娜成熟位相):东风异常通过Bjerknes反馈被加强,东太SST距平负异常也被放大,Sverdrup输运向赤道,暖水向赤道辐合
  • 充电完成(拉尼娜转向厄尔尼诺):过多暖水在赤道堆积,导致整个太平洋的平均温跃层深度都变深,东太升温更快,于是同样有风应力与SST距平之间的不平衡,激发海表西风异常

2000年,Meinen and McPhaden 从观测出发,验证了该理论。他们利用温跃层深度的距平场做EOF分解,发现第一模态为温跃层深度的东西向倾斜(相当于暖事件和冷事件的成熟位相),第二模态表现为南北向倾斜(也就是充放电完成时的状态),发现第一模态的时间系数滞后于第二模态的时间系数。

区域平均的时间序列表明,赤道纬向风异常与NINO3区SSTA同步变化,但与不同区域暖水的变化关系存在超前滞后的关系。尤其是赤道区域的暖水总量是超前于NINO3区SSTA变化,且有较高的相关系数,也就是说暖水总量可以作为ENSO的预测指标

同时还对ENSO循环中,厄尔尼诺与拉尼娜的不对称的原因进行了讨论。在暖水偏少时,暖水与海表面温度的相关系数只有0.32,而暖水偏多时,两者的相关系数则为1.29。暖水与SST之间的不同强度的相关关系可以部分解释厄尔尼诺和拉尼娜之间的不对称。

Western Pacific oscillator

从大气的角度出发,而前两个理论则多从海洋的角度出发解释。认为赤道中东太平洋的海温异常能激发大气的加热中心。

ENSO变率与气候态之间的关系

Dijkstra and Neelin 1995年时认为,气候态的暖池与冷舌的形成与海盆内的海气相互作用有关。海盆外的强迫产生了纬向变化的海温,而纬向SST梯度激发出的海盆内部风应力又会进一步加剧这种纬向不对称。

海气耦合强度定义:单位SST东西差异所能激发出的风速。

蔡明老师在2003年的时候利用理想模式做了一个很有意思的实验,来探究下面这个问题:

当不存在能导致太平洋东西差异的气候态外强迫时,赤道海气耦合动力学本身能否自发地形成ENSO振荡。
那么两个最常用的外部强迫造成的不对称性有:原本就存在的弱赤道信风、东太SST与温跃层变化比较敏感。

设计的理想实验只用东西两个格点来表示太平洋的东部与西部,初始时刻,东西海域没有差异,所有变量包括SST、温跃层厚度、此表层海温都是一致的。然后在初始时刻吹三个月的东风,随后自由积分。
发现随着耦合强度的变化,在东风撤掉后,海洋的振荡有不同的表现。当耦合强度较弱时,海洋的震荡随时间衰减。当耦合强度达到0.62时,海洋的振荡形成一个自维持系统。且随耦合强度增 大,振荡周期变短。
由此表明,在初始时刻存在东西海温差异时,强的海气耦合自身就可以产生类似于ENSO的振荡。

EP和CP产生的动力学

传统做ENSO理论的学者,不喜欢吧ENSO分成很多种类型。

目前关于EP型和CP型EINino产生的理论主要分成两派:

  1. Ashok等人2007年提出的Displacement of the thermocline dynamics,认为由于全球变暖,赤道太平洋温跃层压缩,使得海水的上升区域由东太移到了太平洋中部,也就是说该理论认为ENSO的基本动力过程没有变,只是作用区域发生了变化。不过认同该理论的人似乎挺少的。
  2. Kug, Jin, and An 等人于2009提出的Zonal advective feedback (favoring CP type) vs thermocline feedback (favoring EP type),该理论主要侧重于海洋内部的热量输送过程,上述两个反馈分别对应着纬向温度输送以及垂直温度输送
  3. 余进义老师2009年提出的Subtropical forcing mechanism,该理论侧重于大气过程,中纬度与热带的相互作用也是目前的研究热点。

目前三大洋(太平洋、印度洋、大西洋)之间的interaction也是研究热点。

Zonal advective feedback (CP) VS thermocline feedback (EP)

主要就是将海温变化分解成纬向输送、径向输送、垂直输送这样9项,以探讨各个过程在海温变化中的作用。

下面这个公式中,Overbars and primes indicate monthly climatology and anomaly, respectively.

Subtropical forcing mechanism

认为CP型EINino的产生包含三个过程,前两个过程包含副热带大气强迫和副热带海气耦合过程,也可称为**足迹法 footprinting mechanism **:

  1. 在加利福尼亚西海岸有暖SSTA产生,使得东北信风减弱,于是东北太平洋的风蒸发效应减弱(不知道为什么,我总觉得中高纬度的海气相互作用强度比热带弱很多,毕竟中高纬度温度低,海水本身就没那么容易蒸发)
  2. 暖SSTA向西南扩展达到赤道太平洋
  3. 赤道太平洋海气耦合过程放大了该暖SSTA,形成CP型EINino

根据该理论,加利福尼亚西海岸的异常暖海温可以作为CP型EINino的预报因子。
但为什么加利福尼亚西海岸会有异常暖海温出现呢?可能与NPO(North Pacific Oscillation)、AMO(Atlantic Multi-decadal Oscillation)有关。
此外,还有说到副热带的海温异常是通过PMM(Pacific Meridional Mode)传到热带的。

又介绍了1990s前后,气候发生了显著变化,例如:

  • Linkages between North Pacific and North Atlantic variability have also intensified since the early 1990s, which is due to accelerated Arctic warming.
  • Interactions between Tropical Pacific and Tropical Atlantic have intensified since the early 1990s, which is due to the phase change of the AMO.

ENSO遥相关

大圆理论:描述了热力强迫出的Rossby波在二维平面上的传播特点。1981年,Hoskins等人利用一个5层斜压模式,在对流层的上层施加一个负的涡度异常来表征大气的热力强迫作用。发现,起始阶段扰动涡度先向东北方向传播,当扰动传播了一段距离之后开始出现分岔现象,其中波长较长的波继续向极地方向传播甚至越过极地向半球的另外一边继续前进,而波长较短的波则转向赤道方向传播。大量的试验结果表明,即使改变热力强迫源的位置和大小能够影响扰动涡度的相位和振幅,但是扰动涡度传播的基本型不发生变化,即波列只会向北、向东或者向赤道方向传播,这与使用正压模式得到的结果非常相似。

大地形的作用类似。

在Rossby波的传播过程中,基本气流也起着非常重要的作用。当加热出现在赤道时,若背景气流为西风,则Rossby波可以向中高纬度传播,但当背景气流为东风时,波被困在热带。

Rossby波响应的季节性:

  • 夏季响应弱,热源处于东风带中,没能激发出波。
  • 冬半球响应强于夏半球,南半球冬季响应弱于北半球冬季,这种响应的不对称是由于南、北半球气候场的不同造成的。

将ENSO的影响从三个方面来阐述,即热带内、下游、上游,与他们18年写的一篇论文类似

ENSO的模式模拟及其未来变化

  • 最早的ENSO模式——model of Zebiak and Cane (1987)是基于浅水模式的,这与赤道波动有关。
  • 目前几乎所有的模式都可以模拟出两类EINino,但与真实都不太一致。
  • 当考虑深层海洋时,时间尺度高达上千年。

ENSO未来变化中需要解决的三个关键问题:

  1. ENSO的强度未来会如何变
  2. ENSO变率的大值区的位置是否会发生改变
  3. 全球变暖背景下,背景态发生了变化,那么ENSO的遥相关会受到怎样的影响

上述问题,不同模式的模拟结果都不太一样,例如有模式认为未来ENSO振幅增强,但也有模式认为振幅减弱,存在很大的不确定性。
目前有的结论有:

  • 在CO2浓度增加的强迫下,大部分模式模拟热带太平洋SST长期变化趋势为El Niño-like型分布。但El Niño事件发生的频率变化则存在较大的不确定性。
  • CO2增加的情况下,CP型El Niño强度和发生频率均显著增加。

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