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大洋环流和海气相互作用的数值模拟. 第七讲 ENSO 的 数值模拟 (1). 大气物理研究所 LASG 俞永强 yyq@lasg.iap.ac.cn. ENSO (El Nino-Southern Oscillation) 是一种在年际尺度上的热带 太平洋大尺度海气相互作用 的现象,主要体现为热带太平洋和大气环流的 年际气候异常 , 并可以影响全球气候环境的变化。. 数值模拟是在一定的 数学和物理定律基础上 , 利用 电子计算机 通过 大规模科学和工程计算 研究 复杂科学问题 的一种研究手段 . 数值模拟的出现使得大气和海洋科学成为一门 “可实验”的科学.

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    Presentation Transcript
    1. 大洋环流和海气相互作用的数值模拟 第七讲 ENSO的数值模拟(1) 大气物理研究所LASG 俞永强 yyq@lasg.iap.ac.cn

    2. ENSO (El Nino-Southern Oscillation)是一种在年际尺度上的热带太平洋大尺度海气相互作用的现象,主要体现为热带太平洋和大气环流的年际气候异常,并可以影响全球气候环境的变化。

    3. 数值模拟是在一定的数学和物理定律基础上,利用电子计算机通过大规模科学和工程计算研究复杂科学问题的一种研究手段.数值模拟的出现使得大气和海洋科学成为一门“可实验”的科学.数值模拟是在一定的数学和物理定律基础上,利用电子计算机通过大规模科学和工程计算研究复杂科学问题的一种研究手段.数值模拟的出现使得大气和海洋科学成为一门“可实验”的科学.

    4. 数值模拟在大气和海洋科学研究中的作用

    5. 第七讲的目的 • 什么是ENSO现象,ENSO的基本特征是什么? • ENSO现象的物理机制? • 以ENSO为例子,说明数值模拟在大气和海洋科学研究中能起到何种作用,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理过程.

    6. 第七讲的主要内容 • 热带海洋和大气环流的平均态及其基本的动力过程 • ENSO的基本特征及其物理机制 • ENSO数值模拟的历史和现状 • LASG气候模式与ENSO模拟 • 讨论和总结

    7. 热带海洋和大气环流的平均态及其基本的动力过程热带海洋和大气环流的平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均特征 • Ekman输送及Severdrup平衡理论 • 海气相互作用与赤道波动过程 • 海洋对风应力的响应 • 大气对赤道上异常海温加热的响应

    8. 太平洋年平均短波辐射通量

    9. 太平洋年平均潜热通量

    10. 太平洋年平均感热通量

    11. 太平洋年平均净海表热通量

    12. 700-50mb大气非绝热加热(DJF)

    13. 大气运动的能量大约60%以上来自潜热释放,如果再考虑到海表的感热加热,大气运动的主要能量来自海气相互作!大气运动的能量大约60%以上来自潜热释放,如果再考虑到海表的感热加热,大气运动的主要能量来自海气相互作!

    14. 太平洋年平均风应力

    15. 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)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) Trade Wind SEC EUC

    16. 150W 断面的 SSH, 温度和纬向流 ITCZ ? NCEP ODAS

    17. GOALS模拟的赤道经圈环流(STC)

    18. 热带太平洋气候平均海洋和大气环流示意图

    19. 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了一个统一、协调的整体!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了一个统一、协调的整体!

    20. Ekman mass transport ME 

    21. 根源:风应力的不均匀性 z= 0 z=-DE 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. VG z=-D0

    22. Sverdrup balance有多种表示 微分形式 地转流 质量输送 整层 质量输送

    23. 赤道上风应力与海面高度和温跃层之间的平衡关系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 DOT

    24. Sverdrup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

    25. 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 海洋对大气风应力的响应: 大气风应力对SST的响应: 东太平洋温跃层厚度变化对正比于SST异常:

    26. 海洋是如何响应风应力的强迫? 通过Rossby波实现南北方向的质量调整,达到新的平衡,时间尺度为6个月左右。 通过Kelvin波实现东西方向的质量调整,达到新的平衡,时间尺度为2个月左右。

    27. 赤道太平洋的Rossby波和Kelvin波 Kelvin波为在温跃层内部东传的波动,局限于赤道附近 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。

    28. V=0

    29. 大气对加热场的响应--Gill模态 (Gill,1981)

    30. 加热场关于赤道对称的解(Gill,1981)

    31. 加热场关于赤道反对称的解(Gill,1981)

    32. 正反馈(positive feedback)与负反馈(negative feedback) 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;如果某种过程使得初始扰动不断减弱,就称之为负反馈过程。 为正反馈, 为负反馈。

    33. 什么是海气相互作用? 海 洋 淡水通量 动量通量 热通量 大 气

    34. 大气是如何响应SST的强迫? 赤道东太平洋正SST异常可以导致Walker环流减弱,信风减弱;反之亦然。时间尺度1-2周。

    35. (Lau,1981)

    36. ENSO的基本特征及其物理机理

    37. ENSO El Nino Southern Oscillation

    38. 为什么研究ENSO? • ENSO是气候系统中最强的年际变化信号,对全球气候都有明显的影响. • ENSO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作用的一个例子. • ENSO是检验气候模式模拟能力的重要检验.

    39. ENSO的空间分布特征