[科普中国]-多时空尺度海气相互作用

简介

在ENSO事件的预报历史上，Zebia-Cane(1987)模式成功地预报了1986-1987年和1991-1992年的ENSO事件。后来该模式对1993-1995年的海温距平进行预报，但是与观测的结果并不一致。尽管对这一模式有很多改进的版本，但总体上预报水平并没有很大的提高。这一模式仅仅把研究的范围限定在S2°-N20°的赤道太平洋上，他们认为ENSO循环就在这个海气耦合的区域中。随着观测现象的增多和复杂海气耦合模式的发展，人们逐渐认识到ENSO事件是多尺度下海气相互作用的产物。1

无大陆时的全球海气相互作用考虑一个无大陆的全球海洋与大气的相互作用，在这样一个海气系统中，如果有一相对赤道对称的纬向异常西风作用于全球海洋，则风应力通过海洋Ekman效应，赤道上海温升高。赤道纬度带海温升高，导致Hadley环流增强。Hadley环流的向极分量形成中纬度及副热带大气西风角动量增大，而向赤道的分量形成低纬度东风(信风)的增大。沿赤道的东风发展，导致赤道冷水上翻，海温下降。此时对应赤道海温下降的热力Hadley环流减弱，沿赤道的东风减弱，即低纬度异常西风发展，于是又形成赤道海温升高。可见，在无大陆存在的这样一个水球海气耦合模型中，也能形成类似ENSO事件的海气相互作用现象。Hadley环流的异常变化和赤道内外海温异常之间形成了正-负反馈机制。1

经向大陆时的全球海气相互作用如果全球海洋被经向的大陆带划分成几个洋盆，大陆上没有山脉地形。在这样一个海气耦合系统中，若有一相对赤道对称的纬向异常西风作用于全球海洋，则一方面沿赤道海温升高，另一方面洋盆东部海温也升高，而洋盆西部海温降低。在这样的洋盆海温分布下，与前一种情况相比多了一个洋盆尺度异常Walker环流的形成和发展。此时，大陆西侧为上升支，大陆东侧为下沉支，于是低层西风和高层东风在洋盆上同时增强。这一异常Walker环流的形成促使单一洋盆的海气发生正反馈作用，其结果导致赤道上和洋盆东部海温继续升高。而海温恢复正常的负反馈需要Hadley环流增强引起信风(东风)的发展。在这样一个包含行星尺度Hadley环流和洋盆尺度Walker环流与海温异常作用的系统中，洋盆的赤道东部是海温正距平或负距平出现的地方，而洋盆的赤道西部及其西北与西南部出现相反的海温变化。这种洋盆尺度的海气异常分布，就是太平洋上看到的El Nino事件和La Nina事件发生时的海温异常模态。在这一海气耦合的系统中，Walker环流起到的是正反馈作用，Hadley环流则起到了正反馈和负反馈的作用。1

地气角动量交换El Nino事件的预测一直是人们普遍关注的问题，指望找到一种行之有效的预报方法于是人们寻找各种可能的关系与早期信号。1982-1983年异乎寻常的El Nino事件发生后，Rosen等(1984)发现El Nino信号存在于大气角动量和地球自传速率或日长的变化中。Dickey等(1992)发现1981年和1985年热带西风异常超前El Nino事件大约2年。于是有人用日长变化来预报El Nino事件的发生。从科学上来说，ENSO循环的问题已不仅仅是海洋和大气两方面的事情，与天文和地球动力学也取得了联系。1

局地海气相互作用Zebiak和Cane(ZC,1987)用一个中间程度的海气耦合模式积分了90年，得到了暖期与冷期相间的长周期振荡。海温异常的模态很像观测到的el nino事件，但风场不像，主要是东风要比观测到的大很多。Zebiak和Cane(1987)认为这种东风是虚假的。在理论上，这一模式的作者认为没法解释模式海温异常变化的负反馈机制是什么。1