论文部分内容阅读
非线性物理过程对东太平洋型(EP-) El Ni(n)o事件的强度有重要影响，但其对中太平洋型(CP-) El Ni(n)o事件的强度、以及对两类El Ni(n)o事件空间模态影响的研究较少。本论文采用非线性优化、模式模拟、理论分析和资料诊断多种方法，分别用中等复杂程度的海气耦合Zebiak-Cane(ZC)模式、CMIP5模式历史试验数据以及海洋再分析资料，对比研究了非线性物理过程对两类El Ni(n)o事件强度和空间模态的影响，为解释El Ni(n)o事件类型多样性的物理机制提供一种新思路。本论文的主要内容和结论如下: (1)用最优强迫向量(OFV)方法校正ZC模式，成功再现了近40年来观测中主要的CP-El Ni(n)o事件和EP-El Ni(n)o事件。对于5次观测的CP-El Ni(n)o事件，原ZC模式未能模拟出CP-El Ni(n)o事件，而用OFV方法校正ZC模式后，校正的模式能成功再现这5次CP-El Ni(n)o事件，抓住了事件发展过程中SSTA的演变特征，对其它状态量的模拟在物理上也是合理的。5次CP-El Ni(n)o事件的OFV具有相似的空间结构，都在赤道东太平洋呈现正的SSTA倾向误差。该类倾向误差可能是ZC模式模拟CP-El Ni(n)o事件模式误差的重要来源。由OFV抵消的模式误差部分来源于ZC模式的SST气候态缺少“冷舌”变冷的模态。对于EP-El Ni(n)o事件，在Chen et al.(1995)初始化方案下，不使用OFV方法时，ZC模式不能模拟出1972/73EP-El Ni(n)o事件，对另外3次EP-El Ni(n)o事件的模拟也与观测存在较大差异。用OFV方法校正ZC模式后，模式不仅能再现4次EP-ElNi(n)o事件SSTA的发展过程，还能抓住其他关键状态量的演变特征。尽管OFV强迫项对ZC模式再现CP-El Ni(n)o事件和部分EP-El Ni(n)o事件起重要作用，但叠加OFV的模式仍然能够较好地抓住大气和海洋变量的相互作用，能够反映两类El Ni(n)o事件发展中大气海洋系统的内部规律，从而为研究非线性物理过程对两类El Ni(n)o事件强度和空间结构的影响提供了有用平台。 (2)揭示了中等复杂程度ZC模式中非线性物理过程对两类El Ni(n)o事件强度和空间模态的影响。非线性物理过程对两类El Ni(n)o事件的影响主要来源于NTA，即非线性模式和线性化模式中温度平流的差异，亦即非线性温度平流的影响。在两类El Ni(n)o事件的发展过程中，NTA呈现出不同的大小和空间分布特征，导致对两类El Ni(n)o事件的强度和空间模态具有不同的影响。在CP-El Ni(n)o事件期间，NTA在热带中太平洋呈现正异常，并沿赤道呈现出中强、东西弱的空间结构，使得在赤道中太平洋产生正的SSTA，继而在热带中西太平洋引起西风异常，同时在热带中东太平洋产生东风异常，西风异常和东风异常近似达到平衡，最终导致CP-El Ni(n)o事件暖中心的位置不发生明显变化。而在EP-El Ni(n)o事件期间，NTA在热带东太平洋为正异常，并呈现出东强、中西弱的空间分布，使得在热带东太平洋产生正的SSTA，继而在热带中太平洋产生西风异常，最终一方面使得暖水在赤道东太平洋堆积，另一方面减弱热带东太平洋冷水的异常上升。二者共同作用，使得NTA增强EP-El Ni(n)o事件的强度、并使得其暖中心的位置东移，有利于EP-El Ni(n)o事件的形成。 两类EP-El Ni(n)o事件NTA的差异不仅表现在空间分布上，在强度上也有较大差异，CP-El Ni(n)o事件NTA的强度远小于EP-El Ni(n)o事件。因此，非线性对CP-El Ni(n)o事件强度的影响较小，却显著增大EP-El Ni(n)o事件的强度，由此解释了EP-El Ni(n)o事件通常比CP-El Ni(n)o事件强度大的现象，同时揭示了NTA在El Ni(n)o类型选择中的重要作用。另外，结合非线性对CP-El Ni(n)o事件的空间模态影响不大、却明显影响EP-El Ni(n)o事件空间模态的现象，该研究认为，CP-ElNi(n)o事件可能受弱非线性系统控制，而EP-El Ni(n)o事件受相对强的非线性系统调节。考虑到CP-El Ni(n)o和EP-El Ni(n)o的NTA具有不同的空间模态和大小，并由此生成相对弱的CP-El Ni(n)o事件和相对强的EP-El Ni(n)o事件，因此该研究认为，El Ni(n)o事件的多样性可能跟热带太平洋非线性特征的改变有密切的关系。 (3)用CMIP5模式资料和实际观测资料揭示了两类El Ni(n)o事件非线性物理过程的特征。6个CMIP5模式的历史试验资料、GODAS和SODAsi.3两套再分析资料的诊断结果都表明，两类El Ni(n)o事件的非线性物理过程具有不同的强度和空间分布特征。CP-El Ni(n)o事件发生时，非线性温度平流的正值一般都集中在赤道中或中西太平洋，表现为赤道太平洋中强、东西弱模态，而EP-El Ni(n)o事件非线性温度平流的正值都集中在赤道东太平洋，表现为赤道太平洋东正、中西负模态。在强度上，除了在SODAsi.3资料中两类El Ni(n)o事件非线性温度平流的强度具有可比性，在其他6个CMIP5模式和GODAS资料中，CP-El Ni(n)o事件的强度明显弱于EP-El Ni(n)o事件，可能导致非线性对前者强度的影响明显弱于后者。这些结果都表明，CP-El Ni(n)o事件受赤道中太平洋弱非线性物理过程调节，而EP-El Ni(n)o事件受赤道东太平洋强非线性物理过程调节，从而在一定程度上解释了模式和观测中EP-El Ni(n)o事件通常比CP-El Ni(n)o事件强度大的原因。CMIP5模式资料和海洋再分析资料中两类El Ni(n)o事件的非线性温度平流的特征与ZC模式的结果基本一致，支持了ZC模式数值试验的结果，从而进一步验证了El Ni(n)o事件类型的多样性与热带太平洋非线性特征的改变密切有关。