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第九章热带海洋与大气相互作用一、概述•研究预测地球气候在短期或1-2年内是否发生异常灾害，目前较为共识的方法之一：监测和预测热带中东太平洋地区是否发生ELNino。•强讯号•ENSO•研究历史研究历史•1972-1973年•1982-1983年•1984年WMO制定实施了为期10年（1985-1994年）的国际合作计划，即“热带海洋和全球大气计划”：TOGA计划，针对El–Nino•所获资料支持、促进世界范围的ElNino研究，取得重要成果•建立完美模式•业务预测系统•不同年份的ElNino事件在同一地区造成不同的灾害（如旱涝）•说明ElNino影响还有相当的不确定性。•加强研究专著：•巢纪平：厄尔尼若和南方涛动动力学•S.G.Philande：厄尔尼若.拉尼娜.南方涛动•余志豪：厄尔尼若第二节厄尔尼若的由来20世纪最后几年地球的诸多异常•1997-98年北欧冬季异常寒冷•世界最大的森林的亚马逊河流遇到百年来最干旱的一个冬天和夏天•97年中国夏季南凉北热•98年夏季中国华南、江南、西南、东北、西北部百年一遇的特大洪水•这些都与ElNino和LaNina有关1997年WMO日内瓦会议：造成全球气候异常的3个主要因素•厄尔尼若（首要因素）•温室气体排放•森林毁坏1.圣婴的由来•海洋现象：耶稣之子——圣婴•最初文献：1891年秘鲁利马地球物理协会主席LuisCarrana的公报秘鲁沿岸正常年份：自南向北的冷洋流秘鲁沿岸异常年份：自北向南的暖洋流•以后的研究：每隔几年增暖异乎寻常的强，同时：继续研究发现：•现在的含义：扩展为在赤道中东太平洋更大范围内海水表面温度异常增高现象2.ElNino的定量标定•几大关键区•ELNino•LaNina•ENSO几大关键海区1.太平洋暖池：0-5N,135E-150E2.黑朝暖流区：30-40N,135E-155E3.赤道东太平洋：0-10S,110W-80W4.热带西太平洋暖池：0-15N,125E-145E5.菲律宾周围海区：10-20N,110E-140E6.NinoW海区：0-10N,140E-180E7.Nino3：5N-5S,150W-90W8.Nino4:5N-5S,160E-150W9.Nino1区：5S-10S,85W-90W10.Nino2区：0S-5S,85W-90WFig.1ThedivisionofElNino/LaNinakeyareasonequatorialPacificOceanElNino:•Nino3区海温持续3-6个月以上比该区多年平均海温高出1C以上，即：海温正距平高于1C.•海温暖位相LaNina•Nino3区海温负距平，秘鲁沿岸非但没有自北向南的反向暖流，反而是正常的自南向北的冷流变得更强，更冷。•海温冷位相SO：南方涛动•SO:南方涛动是由Walker和Bliss(1932)命名的，用它来描述热带东太平洋地区和热带印度洋地区气压场反相变化的翘翘板现象。这种现象大约3~7年会重复发生。(引自Trenberth和Shea,1987)SOI南方涛动指数•东太平洋与印度洋地面气压的差值。目前最常用的南方涛动指数（SOI）是塔希提（法17S,150W）和达尔文（澳12S,130E）之间的标准海平面气压差。•SOI负表示东太平洋气压低于印度洋气压•SOI正表示东太平洋气压高于印度洋气压ENSO•一个问题的两个方面:ElNino和南方涛动的合称。•大气中：•海洋中：•Nino指数•SO图第二节ENSO对人类社会的影响•世界气候灾变•其他灾变•中国气候异常•台风和暴雨第三节ElNino年谱•按仪器记录排列：Nino3.4区，最大正距平值超过2C，定一次ElNino。80-1998年的ElNino年份有：1997-1998，1994-1995，19931991-19921986-19871982-1983南方涛动指数近120年期间的ElNino历史序列为：•1864，1868，1871，1877-1878，1884，1888，1891，1896，1899，1902，1905，1911-1912，1918，1925-1926，1930，1940-1941，1951，1953，1957-1958，1963，1965-1966，1969，1972-1973，1976，1979，1982-1983，1986-1987，1991-1992，1993，1994-1995，1997-1998按历史记录的旱涝排列•年轮•花粉•冰川•冰芯李崇银气候动力学•ElNino:•LaNina:第四节ElNino监测1、为什么监测？•掌握成因、演变规律•海洋空旷无人、没有记录•遥感技术•现场观测•1982-1983年ElNino给这个领域的科学家上了生动的一课•2、热带太平洋观测系统•TOGA计划•任务观测ElNino热带大气海洋列阵•3、1997-1998年ElNino事件的监测结果分析观测系统的未来发展第五节ElNinode要素分布及其变化•1、ENSO循环•2、ENSO时间序列•3、ENSO的时空结构第六节ElNino的生命期及其特征•1、正常的季节变化，见图20•2、ElNino的“锁相”性•3、合成的ElNino•4、20世纪80年代以来的ElNino•5.ElNino的不规律再现•ElNino的生成原因•热带太平洋低频变异活动的大多数理论，主要着重在了解支持不同的大气海洋耦合模式的条件。而有两种完全相反的大气耦合模式被提出，•一是由Gill(1985)提出的缓慢向西传播的“Rossby”模式，更完整的理论由Hirst(1986)阐述。•另一理论是由Philander等人(1984)和Yamagata(1985)提出的就像是Kelvin形式的向东传送。Hirst(1988)证明在年际尺度和相似的边界条件下，这两个模式将传送能量和持续再发展。•对于解释ENSO现象，这两个完全相反的大气海洋不稳定耦合模式是不引人注目的，有三点理由：•第一、热带太平洋为一东西非对称的状态(东太平洋较冷)。•第二、观测到的海水表面温度距平值似乎不是有系统的传送。•最后，经由观测，局地的海气交互作用时间尺度和热带海洋动力调节的时间是相似的。经由浮标站的数据和后面的仿真分析发现，在ENSO期间，使用海洋大环流模式，次表面温度距平和涌升距平对于海水表面温度的改变是一重要的过程。•这对于向东传送的Kelvin模式是有利的，水平的海水表面温度平流必定不重要，并且海洋的调节时间尺度与局地海水表面温度改变的时间尺度相较是较长的。•ENSO期间热带的重要特征有：•1.在东、中太平洋准静止的海水表面温度距平；•2.ENSO始时，和正的海水表面温度距值相关的信风减弱的了；•3.沿着赤道，东太平洋斜温层thermocline)加深，西太平洋斜温层变浅。•4.在ENSO事件达到最强之前，东、中太平洋深斜温层开始回到正常气候值。•目前，对于上述特征最好的诠释为ENSO的延迟振荡理论，由Suarez和Schopf(1988)及Battisti和Hirst(1989)提出。•ENSO的延迟振荡机制包含与局地海气交互作用的时间尺度相似的海洋调节时间尺度。•此外，延迟振荡机制假设：海洋东半部的动力调节影响海水表面温度，相对的改变随后输送至表面混合层的水温。•Suarez和Schopf(1988)及Battisti和Hirst(1989)的延迟振荡模式均假设大气海洋模式是驻留且陷在东半洋。•后来的理论也提出了ENSO期间，海洋记忆扮演的角色，然而，预期热带太平洋气候系统应为可预测的，前后约一年时间。•ENSO的延迟振荡理论显然与ENSO事件一致，且与GFDL(GeophysicalDynamicsLaboratory)的结果一致。但也有许多问题存在。•那么，观测的结果支持延迟振荡理论到什么程度呢？Kessler(1990)检验风应力数据、海水表面温度距平值、及由VOSXBT数据分析上层海洋热力结构的变异，•他指出，斜温层的变异与延迟振荡理论预期一致(Wakata和Sarachik(1991)也得到相同结论)。•Mantua和Battisti赞同Li和Clarke(1994)的结论，他们证明以“延迟振荡理论”来解释海温增暖的结束，但是海温减低的终止通常不是由海洋调节过程来达成。•然而由延迟振荡理论来看观测的Kelvin振幅和风应力的关系是减小：事实上，ENSO并非接近周期性。相同的结果由Nagai等人(1992)提出，他们是以大气海洋大环流耦合模式，对热带太平洋变异进行诊断分析所得。■平時，太平洋海面水溫以赤道西太平洋最高（圖左邊深紅色的地方，1990年12月），水溫往東和往高緯度遞減（顏色變淺，甚至是黃色）。第7节ElNino的发生原理•1热带太平洋大气和海洋的气候平均状态•2ElNino形成的皮叶克尼斯假说•3ENSO循环的形成机理•3.1不稳定理论•3.2“延迟振子”理论