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新ENSO理论面世:科普篇

已有 698 次阅读 2019-9-10 12:23 |个人分类:科研笔记|系统分类:论文交流

科普ENSO发生机制以及其研究的历史沿革并不容易,要想全面了解会牵涉到非常多的知识,这其中包括了诸如:科里奥利力、沃克环流、哈德莱环流、埃克曼螺线、Sverdrup 平衡、海洋永久涡旋、MJO周期扰动、太平洋地形特点以及因季节变化引起的各种要素的变化和热带与热带外的海洋与大气之间的相互作用不同点等等很多。当然最基本的还要了解和熟悉有关描述大气和海洋运动的微分方程以及由此而衍生的数值模式的构成等。在此,我只能简略地甚至是非常粗糙地介绍些关键内容,如有不当之处欢迎指正。

我是在2007年以后开始对这个现象感兴趣的,以前关注的是ENSO事件对各地气候特别是对中国气候有什么重要影响,知道这种预测的尴尬情况后,开始琢磨着怎么能为此做点事情,但我在知识上存在明显的不足,甚至连理解当前存在的理论都有困难,如果要有所作为必须要完全理解当前最著名的理论,即晦涩难懂的延弛振子理论,而延迟振子理论的发展和之前的一个叫做Zebiak-Cane的数值预报模式分不开的,这是个把海洋运动和大气运动耦合起来做计算的模式,仅限于太平洋热带地区的海—气耦合行为。模式还特地假设限定区域内无异常外力。就是这样一个靠地球自转、太阳公转驱动大气和海洋常规运动的简单模式竟然能够模拟出3-4年周期性的ENSO事件,甚至还能拿来做预报,这就使得人们相信ENSO事件的决定性成因主要在热带地区。延迟振子就是在这样的环境下诞生的,延迟振子的主要贡献者为Battisti, Schopf, Suarez and Tziperman等,在那个简单模式的基础上加上了外力,即:异常的太平洋信风,热带信风俗称贸易风是由偏东方向吹向西方的风,古代人发现从太平洋东岸到西岸进行长距离航行的贸易交换时可以由帆船利用太平洋低纬度信风轻易到达目的地由此得名,强烈的贸易风应力可造成海洋表面的上翻运动,这种上翻运动会产生强烈的垂直热交换从而使下层温度较低的海水上翻到表面使得当地的海表温度变低,通常情况下因正常贸易风的存在赤道东太平洋较西太平洋要冷几度,这是由于这种上翻运动在东部更强劲更不容易受到阻碍的缘故,延迟振子把这种向西吹拂的信风和一种叫做罗斯贝波动联系在一起,它会带动海浪产生海洋罗斯贝波向西传播,造成暖水在赤道西部堆积,过度堆积形成太平洋东部异常变冷导致拉尼娜发生,而这种波动到达太平洋西岸后会转变成一种叫做凯尔文的波动折向东传播,从而向东释放热量,过度的热量释放造成暖水流向赤道太平洋东部部导致厄尔尼诺发生,然后凯尔文波会因太平洋东岸反射折返向西传播形成新一轮的ENSO循环,当然这种波动传播还各自分为下沉和上翻传播等几个复杂阶段就不细述了,由这种理论建立的数值模式确实使得ENSO预报得到了相当大的改善,在这之后,Jin发展了一种叫做充放电振子的ENSO理论,即:厄尔尼诺形成之前的赤道西太平洋质量堆积的过程为充电可形成拉尼娜,质量堆积过多时引起暖海流东移释放能量即为放电可引起厄尔尼诺,这两种理论都是在努力诠释皮叶克尼斯在1969年提出的反馈理论(Bjerknes feedback),充放电的好处是可以不用波动学说来解释ENSO循环。虽然后来Wang (2000)结合几个理论建立了一个联合模式,但目前这两个理论是公认比较成熟的并相辅相成。近100年来几代研究者们通过艰苦的努力进行了各种探讨才达到这种阶段是非常不容易的。但目前用概念模式做出的预报依然不尽如人意,延迟振子在预报ENSO发展的成熟期时甚至出现了要比实际晚一个季度的情况,这说明目前的ENSO理论的缺陷很严重。

对于我这个几乎是外行的人来说因为没有思想包袱,首先想到的不是像大多数一直从事ENSO理论工作的人那样做有限的改进如何弥补以往的不足,而是愿意更加大胆地去设想如何能够建立一个全新的理论,我很清楚半路出家的我,不可能在原来模式的基础上有更大的作为,因为全球已经有不知多少人在从事这方面的改进工作。另一方面,我又不可能仿照延迟振子用解析方式去建立一个全新的概念模式,我曾经尝试过,但发现难度太大了。我就在想如何利用日益完善的观测资料去完成这项任务,因为在70年代以前的气象学者大都是这么干的,我十分佩服德国学者仅利用地图中发现的大西洋两岸的相似轮廓就提出了革命性的大陆漂移学说,也幻想着能效法爱因斯坦拿手的思想实验,妄图用更简洁的方式将其应用到新理论的建立上。时间过去了8年,这项雄心勃勃的计划却进展甚微,我曾十分怀疑是否走错了方向。但三年前一次偶然的尝试又重新点燃了希望,我利用海平面气压(SLP)尝试着和一种诊断ENSO的指数(Nino3)做月平均的相关计算得到惊喜的发现:赤道东太平洋的海温竟然和远在赤道两侧的副热带地区的SLP的强度有某种显著的关系,但这种关系是如此的模糊,不仔细推敲绝对想不到它就是ENSO形成的始作俑者。于是我通过耗费大量的精力去做资料分析以及一系列胆大妄为的思想实验后终于完成了新ENSO理论的论文,摘要如下:

本文利用常规数据多方面对厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)的形成进行了资料分析。发现如果把年循环假定纳入对ENSO演化计算的话,厄尔尼诺和拉尼娜现象与赤道两侧的太平洋副热带高压带(PSH)的早期活动密切相关。在厄尔尼诺现象成熟之前,PSH带,特别是在其东侧,往往持续减弱数月;而PSH带的不断增强则可被视为拉尼娜现象的前奏。 PSH带传递的这种到达热带能导致ENSO出现的信号大致比在热带地区要素所表现的提前约两个月。研究还发现PSH带的加强或弱化可以通过控制信风的变化而作为驱动ENSO循环的原始外力,而不是以前所认为的仅在热带地区出现的要素。由于南太平洋PSH带比北边明显更强大,可以用来解释ENSO循环的锁相现象。这是因为每年6-8月在一个日历年内接近赤道最近区域的南PSH带可以对赤道要素产生更强大的影响的缘故,赤道太平洋东部的海温将在3-4个月后感受到这种强烈影响,即ENSO一般在一个日历年结束时发展到成熟阶段。基于分析结果该研究提出了一种阐明ENSO形成更加合理的机制,并对这个新机制进行了有针对性的讨论,此理论还可以解答当前ENSO概念模型所遗留的其他问题。

哈德莱环流:是沿経圈方向的环流由哈德莱在18世纪发现,即大气在热带地区呈上升气流状,到上空后沿 経圈转向南北半球的副热带地区下沉再回归热带地区,被称为直接环流圈。

副热带高压:是指位于副热带地区的暖性高压系统。由哈德莱环流的下沉支造成。在接近地面附近可以直接用SLP来诊断。

沃克环流:是赤道海洋表面因水温的东西面差异而产生的一种纬圈热力环流。在太平洋东部通常下降气流盛行而西部为上升气流盛行,是由沃克爵士在近100年前发现的,并由皮叶克尼斯在1969年命名。

南方涛动:指发生在东南太平洋与印度洋及印尼地区之间的反相气压振动,与沃克环流及ENSO紧密相连。

数值模式:将观测数据及实验结果引进到大气或海洋流体力学等方程式中,由计算机进行近似求解得出预报或模拟结果。模式的很多参数都是由人为调试所成。这是因为现阶段不可能对这些微分方程组做精确求解。

尼诺(Nino)指数:是判别热带太平洋中东部海温是否异常偏高或偏低的指数,分Nino1-4指数,本文采用Nino3指数来判别。如果Nino3区域(5°N–5°S, 150°–90°W)的平均海温距平在12-2月时超过0.5K时为厄尔尼诺年,低于-0.65K时为拉尼娜年。

ENSO锁相:也称其季节性的锁相,是指厄尔尼诺和拉尼娜的鼎盛期一般发生在一个日历年末的现象。本文给出了合理的解释。

·       新论文下载地址:https://doi.org/10.1080/16000870.2019.1656514

 

 

This article conducted statistical analyses on the formation of El Niño and Southern Oscillation (ENSO) from several angles by using conventional data. We found that both El Niño and La Niña are closely associated with the preliminary activity of the Pacific Subtropical High (PSH) belts on both sides of equator if bringing an assumption of the influence of annual cycle on ENSO cycle into our calculations. The PSH belts, especially in their eastern sides, tended to have been continuous weakening for months before El Niño maturing. Oppositely, the continuous enhancing of the PSH belts might be regarded as a prelude of a La Niña. This signal the PSH belts send to omen ENSO’s coming appeared about two months earlier than the one from the elements in tropical regions. We found that the strengthening or weakening of the PSH belts could act as a more original force for driving the ENSO cycle than the elements in tropics through controlling the variation of trade winds. Since the southern PSH belt appeared more powerful than the northern one in the situation, the phase lock of the ENSO cycle might be explained by this clue. Because the southern PSH belt that approaches the nearest area of the equator every June-August in a calendar year can exert a more powerful impact on equatorial elements, SST in Eastern Equatorial Pacific will be significantly affected 3-4 months later, i.e. the general ENSO mature phase happening around the end of a calendar year. We proposed a plausible mechanism for the ENSO formation based on the results and conducted a targeted discussion on this new mechanism that could explain the problems the current conceptual ENSO models left.




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