季节气候异常潜在可预报性分析和温带海洋冬季SST异常再现现象的初步研究.pdf

第一章 绪论迫所控制( G i l l , 1 9 8 0 ) ， 特别是和海表温度 ( S S T )异常密切相关 ( C h a r n e y和 S h u k l a , 1 9 7 9 ) ， 而大部分热带以 外地区的大气变率主要受系统内 部的“ 混沌” 性动力过程所控制P a l m e r等( 1 9 9 4 ) 指出，在季节到年际时间尺度上存在两个 影响热带外地区可预报性的可能过程:一方面，冬季加强的R o s s b y 波有利于热 带海表温度异常强迫信号传到热带外地区， 从而使热带外地区具有较高的可预报 性; 另一方面， 夏季大气受内部“ 混沌” 噪音影响较弱， 低频边界强迫作用相对 增强， 可相对提高热带外地区的可预报性 尽管海冰和土壤湿度在大气边界强迫 上扮演着重要的角色， 但海温距平被认为是最主要的低层边界强迫， 很多研究( 如 C h e r v i n 1 9 8 6 ; B r a n k o v i c e t a 1 . 1 9 9 4 ; D e q u e 1 9 9 7 ) 在给定观测S S T 异常下进行 大气环流模式 ( G C M )的集合( e n s e m b l e ) 模拟， 通过模式对下垫面强迫响应的集 合行为来研究季节的可预报性。

集合模拟即进行一定样本量的平行试验， 其中每 个试验的外强迫条件 ( S S T )完全相同，仅初始条件具有天气特征的差别由于 集合成员的初始条件具有随机性，这样模式的结果就能代表真实大气的实际情 况 这种通过预报值发生的概率来表示未来气候具有更普遍的科学依据， 因此集 合预报成为研究季节到年际气候可预报性的重要手段 集合预报输出大量的预报 资料场， 而如何从这些资料场中提取有用信息成为集合预报能为业务所用关键的 一步，估计季节平均气候可预报性因此成为当前大气可预报性研究的热门问题季节平均气候可预报性基本思想是估计气候变率中的外强迫信号和系统内 部噪音的相对大小， 通常用集合成员的发散程度来表示， 如果集合成员在外强迫 下体现出一致行为则表明具有潜在可预报性 以往研究中提出了很多估计气候可 预报性的方法S t e r n 和M i y a k o d a ( 1 9 9 5 ) 定义了集合模拟的季节平均气候的再 现率( r e p r o d u c i b i l i t y ， 即 集合方差与气候总方差之比) ， 以 此来表示可预报性， 通过分析 A M I P( 大气模式比 较计划) 集合模拟数据，发现全球季节平均气候具 有可预报性的地区主要集中在热带地区，而大部分热带外地区缺少可预报性。

B r a n k o v i c 和P a l m e r ( 2 0 0 0 ) 使用E C M W F( 欧洲中期天气预报中心) 季节集合模 拟数据，分别用 t - } 金 验 ( 检验给定年份集合平均与气候平均的差异)和声 七 检验( 检验给定年份成员方差与气候方差的差异) 方法， 研究季节可预报性， 得出与 S t e r n 和M i y a k o d a ( 1 9 9 5 ) 类似的结论 然而， A n d e r s o n 和S t e r n ( 1 9 9 6 ) 指出， 传统的统计方法 ( 如前面所提到的 t - t e s t 和F-t e s t ) 的前提假设可能抛弃了一 些有用的信息该研究提出了用比较两个离散分布差异的非参数检验方法 ( 即 K o l m o g o r o v - S m i r n o v 和K u i p e r 检验方法) 来估计潜在可预报性 ( 即 所谓P P U 方 法) ，其结果表明，热带外的一些地方也具有可预报性，并且基于统计检验给出 的季节可预报性分布不仅是地区的函数， 而且也是时间( 即年份) 的函数 杨修 群等(( 1 9 9 8 ) 通过揭示集合模拟的可再现强迫模态， 并结合其对集合平均的局地方 差贡献， 定义了潜在可预报性指数 (即P P I ) ， 给出了全球季节气候可预报性的 空间分布型及其季节依赖性， 结果表明， 北美和部分亚洲季风区季节气候存在可 预报性， 其中北美主要为E N S O 相关的S S T 异常控制，而部分亚洲季风区则为非 E N S O 海温异常决定。

' 1 . 2 中纬度海温异常机制的研究 大气与海洋的相互作用是理解和预测气候变率的关键近年来热带地区海气第一章 绪论相互作用研究取得了 很大的进展，尤其是E N S O 机制得到了更深的了解，其应用 在气候预测模式的成功， 鼓舞了人们对温带地区海气相互作用的研究， 希望借此 提高气候模式的可预报能力海洋对气候变率的贡献主要通过海表温度异常( S S T A ) 对大气的影响来实现 而热带和温带海洋海气相互作用的途径和影响区域有着明显的不同 在年际尺度 上与E N S O 有关的热带地区海气相互作用， S S T A 主要决定于海洋上热量输送的改 变，而这热量输送的改变是由于别处海洋与大气的滞后相互作用引起的，最后 S S T A通过海表面热通量的改变而衰减 (( N e e l i n , 1 9 9 8 ) ;在热带太平洋，大气对 S S T A的响应主要通过局地对流强度的改变和对流层中部潜能的释放，这样热带 地区大尺度低层的 辐合和高层的辐散能影响到热带地区整个对流层， 甚至热带地 区以外地区也受到明显的影响与热带地区不同，温带地区海洋S S T A主要决定 于海洋对局地大气扰动的响应， 例如风速、 温度、 湿度等影响海气热通量交换物 理 因 素 的变 化 ( F r a n k i g n o u l a n d H a s s e l m a n n , 1 9 7 7 ; F r a n k i g n o u l a n d R e y n o l d s , 1 9 8 3 ) ， 同时海气热通量交换的变化也能影响海面大气温带、 湿度的变 化。

由于温带地区对流引起的潜能的释放比热带地区少很多， 而且对流尺度很小， 因此温带地区海气相互作用主要发生在局地区域很多学者对于引起温带地区海温变化的原因进行 了大量的研究 F r a n k i g n o u l a n d R e y n o l d s ( 1 9 8 3 ) 认为 温带海洋的 大部分 地区 海温主要受海表 面热通量变化的影响和夹卷过程卷入的斜温层海水带来的影响 C a y a n ( 1 9 9 2 ) 的 研究表明 海面热通量变化主要受大尺度风速异常、 海表面大气的湿度和海气温度 的差别的影响， 并且海表面热通量变率决定大尺度海温变化的趋势 S e a g e r ( 2 0 0 0 ) 的研究表明局地风速的变化和近海面大气边界层热量和水汽的平流变化对温带 地区海表面热通量变率也有很重要的影响， 因此也能影响到S S T 变率 大气边界 层中平流的变化能引起气温和湿度的变化， 从而导致海表面热通量的响应， 这点 在冬季大洋边界尤为明显， 这是因为大气风场大小和方向的变化能改变接触海表 面千冷空气的数量 风应力的扰动能导致E k m a n 海流的变化， 这样别处不同温度 的海水就能影响到局地海温的变化。

N a m i a s , 1 9 6 5 ; L u k s c h a n d V o n S t o r c h , 1 9 9 2 ; S e a g e r 2 0 0 0 ) 0由于海水热惯性较大，因此混合层 ( 2 0 -3 0 0 )海水温度异常能维持几个月 的时间. 虽然海温异常由于暖的( 冷) 海水增强( 减弱) 失去热量而使异常减弱， 但由于近海面大气边界层因吸收海面失去的热量使得近海面的大气温度发生相 应的调整， 这个 “ 减少 热量衰 减” 机 制 ( B a r s u g l i a n d B a t t i s t i 1 9 9 8 ) 使得海 表面和近海面大气的温度异常能维持较长的时间 海洋层云和海表面的反馈机制 也增加中纬度海表面S S T 异常的维持时间 K l e i n a n d H a r t m a n n ( 1 9 9 3 ) 和N o r r i s a n d L e o v y ( 1 9 9 4 ) 的研究表明大尺度S S T 模态和层云之间存在强的正反馈:层云 的增加减少了海洋接收的太阳辐射，导致海温降低，从而增强边界层的稳定度， 有 利于 增加 层 云 量。

Z h a n g e t a 1 . ( 1 9 9 8 ) 和N o r r i s e t a 1 . ( 1 9 9 8 ) 认 为 这 个正 反馈机制可以导致S S T 异常从夏季维持到冬季或冬季维持到夏季 混合层深度的 季节变化也能导致S S T 变率: 由于大气风应力的季节变化， 使得混合层的厚度在 秋季和冬季加深， 春季 变浅 并维持 到夏季 E l s b e r r y a n d G a r w o o d ( 1 9 7 8 ) 发现一 些地区春季混合层深度变化的时间能影响到夏季海温的变化 例如混合层深度变第一章 绪论浅的时间比正常情况下早， 这样海表挣热通量加热相对浅的混合层海水， 从而导 致夏季混合层海温增加N a m i a s a n d B o r n ( 1 9 7 0 , 1 9 7 4 ) 最早发现中纬度S S T A 有从一个冬季到下一个 冬季再现， 而异常并没有在中间的夏季出现的趋势 为了 解释这现象他们提出了 “ 再现机制”( r e e m e r g e n c e m e c h a n i s m ) 的假设 该假设认为冬季风应力加强， 混合层厚度变厚， 这样海表面温度异常传到较深的海水， 到了夏季风应力变浅混 合层厚度相应变薄， 先前冬季传到较深海水处的异常储存在混合层下面稳定性强 的斜温层里不受混合层海水的影响， 夏季混合层海温则不受前冬季海温异常的影 响， 而只受当季海表面热通量控制， 到了冬季随着风应力的再次加强混合层相应 变厚， 原先储存在较深海水处前个冬季的异常经过混合作用传到海表面， 这样就 实现S S T A 从一个冬季到下一个冬季的再现。

A l e x a n d e r a n d D e s e r ( 1 9 9 5 ) 利用海 洋船舶探测的数据和一维混合模式证明在某些区域 “ 再现机制” 假设的正确性 A l e x a n d e r ( 1 9 9 9 , 2 0 0 1 ) 研究中指出 北太平洋夏季 ( 8 , 9月份) 斜温层海温异常 第一模态与前后两个冬季 S S T A相关强， 而和夏季 S S T A 相关很弱他从太平洋 一些区域海温深度一时间相关剖面图中发现，冬季和春季S S T A与夏季较深 ( 在 混合层以下) 海水异常有强的相关而和海表海水异常相关很弱， 到了秋季海表有 出现了强的相关 其结果说明太平洋的这些区域受“ 再现机制” 作用较大，次年 秋冬季 S S T A受前冬季S S T A的影响较大， 有可能不受当季海表净通量变率的影 响 M i c h a e l S . T i m l i n ( 2 0 0 2 ) 的 研究中发现在北大西洋海流相对弱的地方、冬 夏季混合层平均厚度相差大的地方、 连续的海温异常区域， 再现机制对海温的影 响明显 M a r t i n a M . J u n g e ( 2 0 0 1 )通过伴随( a d j o i n t ) 方法研究北大西洋海洋环 流模式中海温异常对不同时期表面热通量的敏感性， 其结果表明冬季末海温异常 主要受局地当季海面热通量控制， 冬季海面热通量异常的变化能影响到下个冬季 海温的变化， 而夏季海面热通量的变化对随后冬季海温异常影响很弱， 温跃层的 季节变化为混合层海温变化提供某种记忆机制， 但是前冬季海面热容量的影响是 当季海面热容量影。