赤道太平洋的Rossby波和Kelvin波课件

ENSO(El Nino-Southern Oscillation)是一种在年际尺度是一种在年际尺度上的热带上的热带太平洋大尺度海气相太平洋大尺度海气相互作用互作用的现象，主要体现为热的现象，主要体现为热带太平洋和大气环流的带太平洋和大气环流的年际气年际气候异常候异常,并可以影响全球气候环并可以影响全球气候环境的变化。境的变化。数值模拟是在一定的数值模拟是在一定的数学和数学和物理定律基础上物理定律基础上,利用利用电子计电子计算机算机通过通过大规模科学和工程大规模科学和工程计算计算研究研究复杂科学问题复杂科学问题的一的一种研究手段种研究手段.数值模拟的出现数值模拟的出现使得大气和海洋科学成为一使得大气和海洋科学成为一门门“可实验可实验”的科学的科学.数值模拟在大气和海洋科学研究中的作用数值模拟在大气和海洋科学研究中的作用第七讲的目的第七讲的目的1.什么是什么是ENSO现象现象,ENSO的基本特征是什么的基本特征是什么?2.ENSO现象的物理机制现象的物理机制?3.以以ENSO为例子为例子,说明数值模拟在大气和海洋说明数值模拟在大气和海洋科学研究中能起到何种作用科学研究中能起到何种作用,特别是如何看待特别是如何看待模式的结果和利用模式理解海气相互作的物模式的结果和利用模式理解海气相互作的物理过程理过程.热带海洋和大气环流的平均态及热带海洋和大气环流的平均态及其基本的动力过程其基本的动力过程ENSOENSO的基本特征及其物理机制的基本特征及其物理机制ENSOENSO数值模拟的历史和现状数值模拟的历史和现状LASGLASG气候模式与气候模式与ENSOENSO模拟模拟讨论和总结讨论和总结第七讲的主要内容第七讲的主要内容热带海洋和大气环流的平热带海洋和大气环流的平均态及其基本的动力过程均态及其基本的动力过程热带太平洋大洋环流和大气环流的气候平热带太平洋大洋环流和大气环流的气候平均特征均特征Ekman输送及输送及Severdrup平衡理论平衡理论海气相互作用与赤道波动过程海气相互作用与赤道波动过程海洋对风应力的响应海洋对风应力的响应大气对赤道上异常海温加热的响应大气对赤道上异常海温加热的响应太平洋年平均短波辐射通量太平洋年平均潜热通量太平洋年平均感热通量太平洋年平均净海表热通量700-50mb大气非绝热加热大气非绝热加热(DJF)大气运动的能量大约大气运动的能量大约60%以上以上来自潜热释放来自潜热释放,如果再考虑到海如果再考虑到海表的感热加热表的感热加热,大气运动的主要大气运动的主要能量来自海气相互作能量来自海气相互作!太平洋年平均风应力海洋模式模拟的赤道太平洋温跃层、海洋模式模拟的赤道太平洋温跃层、SEC、EUC以及海面高度（深度经度剖面）以及海面高度（深度经度剖面）EUCSECTrade WindNCEP ODASNCEP ODAS150W 断面的 SSH,温度和纬向流ITCZITCZ？GOALS模拟的赤道经圈环流(STC)热带太平洋气候平均海洋和大气环流示意图热带太平洋气候平均海洋和大气环流示意图在气候平均态意义下，热带大气、海在气候平均态意义下，热带大气、海洋环流及其海气热通量和风应力构成洋环流及其海气热通量和风应力构成了一个统一、协调的整体！了一个统一、协调的整体！Ekman mass transport MEz=0z=-DEz=-D0VG根源：风应力的不均匀性关键：Ekman pumping引起的次表层垂直运动在Ekman 层以下,海洋的运动基本上是绝热无摩擦,满足位涡守恒.Sverdrup balance有多种表示微分形式微分形式地转流地转流质量输送质量输送整层整层质量输送质量输送赤道上风应力与海面高度和温跃层之间的平衡关系1cm SSH 2M DOTSverdrup平衡的物理意义及其适用范围非常简明地刻划风应力与大洋环流之间的关系,是物理海洋最经典的理论之一.适用描述定常的运动适用于远离边界层的大洋内区适用于描述大尺度海洋环流不能给出大洋环流的斜压结构海洋对大气风应力的响应：海洋对大气风应力的响应：大气风应力对大气风应力对SST的响应：的响应：东太平洋温跃层厚度变化对正比于东太平洋温跃层厚度变化对正比于SST异常：异常：热带海气相互作用通常只考虑热通量和动量通量热带海气相互作用通常只考虑热通量和动量通量海洋是如何响应风应力的强迫？海洋是如何响应风应力的强迫？通过通过Rossby波实现南北方向的质量调整，达到波实现南北方向的质量调整，达到新的平衡，时间尺度为新的平衡，时间尺度为6个月左右。个月左右。通过通过Kelvin波实现东西方向的质量调整，达波实现东西方向的质量调整，达到新的平衡，时间尺度为到新的平衡，时间尺度为2个月左右。个月左右。赤道太平洋的赤道太平洋的Rossby波和波和Kelvin波波Rossby波为在温跃层内部西传的波动，赤道外振幅较大，相速度约为C/3，通过边界上的反射，两者可以相互转换通过边界上的反射，两者可以相互转换。Kelvin波为在温跃层内部东传的波动，局限于赤道附近V=0大气对加热场的响应Gill模态（Gill,1981）加热场关于赤道对称的解（Gill,1981)加热场关于赤道反对称的解（Gill,1981)正反馈（正反馈（positive feedback）与负反馈与负反馈(negative feedback)如果某种过程使得初始扰动不断增加，如果某种过程使得初始扰动不断增加，就称之为正反馈过程；如果某种过程使就称之为正反馈过程；如果某种过程使得初始扰动不断减弱，就称之为负反馈得初始扰动不断减弱，就称之为负反馈过程。过程。为正反馈，为正反馈，为负反馈。为负反馈。什么是海气相互作用什么是海气相互作用？热通量热通量动量通量动量通量淡水通量淡水通量海海 洋洋大大 气气大气是如何响应大气是如何响应SST的强迫？的强迫？赤道东太平洋正赤道东太平洋正SST异常可以导致异常可以导致Walker环流减环流减弱，信风减弱；反之亦然。时间尺度弱，信风减弱；反之亦然。时间尺度12周。周。（Lau，1981）ENSO的基本特征及其物的基本特征及其物理机理理机理ENSOEl NinoSouthern Oscillation为什么研究为什么研究ENSO?ENSO是气候系统中最强的年际变化是气候系统中最强的年际变化信号信号,对全球气候都有明显的影响对全球气候都有明显的影响.ENSO是海气相互作用的产物是海气相互作用的产物,ENSO现象是气候系统内部不同圈层相互现象是气候系统内部不同圈层相互作用的一个例子作用的一个例子.ENSO是检验气候模式模拟能力的重是检验气候模式模拟能力的重要检验要检验.ENSO的空间分布特征的空间分布特征From Jin F.-F.(2004)ENSO的时间变化特征的时间变化特征Nino指数的定义指数的定义Power SpectrumWhat determines the 4-year periodicity?ENSO的季节锁相的季节锁相（Phase Lock)ENSO的暖事件与冷事件的不对称现象的暖事件与冷事件的不对称现象ENSO的不规则周期现象的不规则周期现象ENSO循环的概念ENSO并不是一个个孤立的暖事件并不是一个个孤立的暖事件或者冷事件，而是一个不需要任或者冷事件，而是一个不需要任何外界强迫由海气相互作用可以何外界强迫由海气相互作用可以自我维持振荡的循环过程。认识自我维持振荡的循环过程。认识ENSO的物理机制，必须把它当作的物理机制，必须把它当作以完整的循环过程来研究。以完整的循环过程来研究。ENSO的物理机制的物理机制Bjerknes(1969)指出指出ENSO是是海气相互作用的结果海气相互作用的结果东太平洋东太平洋SST增加增加SST东西东西梯度减弱梯度减弱Walker环流环流减弱减弱信风减弱信风减弱NCEPFGCM-0Nino指数与海平面气压的相关系数指数与海平面气压的相关系数Bjerknes的主要贡献在于提出的主要贡献在于提出Walker环流环流的概念，把的概念，把SO和和El Nino联系在一起，指出联系在一起，指出海气相互作用是海气相互作用是ENSO的原因。但是没有的原因。但是没有说明海气相互作用的具体过程，以及说明海气相互作用的具体过程，以及ENSO是如何循环起来的。是如何循环起来的。Wytrki（1975）指出）指出El Nino是海洋对风应力是海洋对风应力的响应，他的贡献在于在的响应，他的贡献在于在El Nino之前东风是之前东风是加强的，一旦减弱可以激发加强的，一旦减弱可以激发El Nino，第一次，第一次指出温跃层过程的重要性。指出温跃层过程的重要性。Rasmusson（1982）总结以往六次）总结以往六次El Nino事事件特点，对件特点，对El Nino发展过程给出了一个全面发展过程给出了一个全面总结。总结。Tropical Ocean and Global Atmosphere(TOGA)(1985-1994)Philander and Yamagata(1984)ENSO循环中的正反馈过程循环中的正反馈过程Philander and Yamagata(1984)Zbieak-Cane耦合模式Us，Vs，Um，Vm分别是表层和平均流分别是表层和平均流SSBH延迟振子延迟振子(Delayed Oscillation)理论理论 东太平洋东太平洋SST正异常可以引起异常正异常可以引起异常的西风扰动，在激发下沉的的西风扰动，在激发下沉的Kelvin波从波从赤道西太平洋向东传播的同时赤道西太平洋向东传播的同时,在赤道在赤道外激发出向西传播的外激发出向西传播的Rossby波波,Rossby波西传播到西太平洋波西传播到西太平洋,反射成为上翻的反射成为上翻的Klevin波，抑制东太平洋波，抑制东太平洋SST进一步增进一步增暖，形成了暖，形成了ENSO循环的负反馈机制循环的负反馈机制.How does the phase of ENSO reverse?Battisti and Hirst,1989;Suarez and Schopf,1988Thermocline depthDelayed Oscillator Theory Westerly winds force downwelling on Equator and upwelling to North and South=Excites Kelvin and Rossby waves Figures from IRI:http:/iri.columbia.edu/climate/ENSO/theory/Delayed Oscillator Theory 225 days100 days50 days75 daysUpwelling Rossby wavesDownwelling Kelvin waveDelayed Oscillator Theory 3125 days275 days175 days225 daysPhase has reversedDelayed Oscillator理论的主要不足要求要求Rossby波在西边界反射，但波在西边界反射，但实际上西边界并不是刚壁。实际上西边界并不是刚壁。并不一定在每一次并不一定在每一次El Nino事件都事件都能观测到完整的能观测到完整的Kelvin波和波和Rossby波传播过程。波传播过程。discharging discharged rechargedRecharge/Discharge theory(Jin,1997)Prior to El Nino heat content in equatorial region builds upDuring El Nino heat is“discharged”eastward and polewards Source:A.TimmermannRecharge-Discharge理论Schematic panels of the four phases of the recharge oscillation:(a