ENSO期间热带海温强迫协同影响热带外平流层的过程及其非对称和非线性特征

Circulation anomalies in the extratropical stratosphere are intimately coupled with that in the troposphere and have implications for the climate anomalies in the troposphere. As the major forcing of interannual variabilities of the air-sea climate system, ENSO is a key modulator of the interannual variabilities in the extratropical stratosphere. Currently, due to the limit of the available data length, and the diversities of various ENSO cases and their effects, there are still large uncertainties in the coupling relationship between ENSO and the extratropical stratosphere. Particularly, further evidence is needed on whether it is the concurrent or it is the lagged effects of ENSO that dominate in the extratropical stratosphere. This project is to take the new evidence by data analysis as a basis, apply the WACCM climate model from NCAR, USA, and to investigate both the concurrent and the lagged effects of ENSO on the extratropical stratosphere and their favoring circumstances and the related processes. The project is also to demonstrate the asymmetries as well as the nonlinearities in the ENSO's influences on the extratropical stratosphere, through investigation on the coordinating roles played by the SST forcing from different tropical ocean basins. The results will largely help to reduce the uncertainties of the ENSO-stratosphere relationship, and clarify the physical processes, and therefore will provide new evidence for scientific problems including the stratosphere-troposphere coupling and interaction between the tropics and the extra-tropics.

热带外平流层环流异常与对流层密切耦合，并对对流层的气候异常有指示意义。ENSO作为大气-海洋系统年际变率的主要外强迫源，是平流层年际异常的关键影响因子。受资料长度及ENSO事件多样化的影响，目前ENSO与平流层之间的耦合关系，还存在很大的不确定性，特别是ENSO 在热带外平流层到底是同期效应为主还是滞后效应更强，还缺少进一步的证据。本项目拟以最新的资料诊断事实为基础，选用性能较好的美国NCAR WACCM气候模式，通过一系列有针对性的数值模拟试验，全面关注ENSO在平流层的同期和滞后效应以及它们形成的条件和过程，并通过对ENSO期间热带各洋盆特别是印度洋海温强迫协同作用过程的研究，系统揭示ENSO影响平流层过程的非对称和非线性特征。研究成果将有助于减小ENSO影响平流层问题的不确定性，澄清其中的影响过程和机制，为平流层-对流层耦合以及热带-热带外相互作用科学问题，提供新证据。

ENSO做为大气-海洋系统年际变率的主要外强迫源，是平流层年际异常的关键影响因子。但受现有资料长度的限制，关于ENSO对平流层环流的影响还存在很大的不确定性，这与ENSO影响的复杂性以及可能存在的非线性和非对称特征有关。本项目遵照原定的研究计划，利用高性能的平流层模式WACCM，开展了系列数值敏感性试验，并结合长时间序列的CMIP5多模式积分结果，以及多套再分析资料，研究了ENSO在热带外平流层的同期和滞后效应，ENSO影响平流层过程中不同热带洋盆之间的协同作用，以及ENSO影响的非线性和非对称特征。所发现的新事实包括：1）说明了只要是准四/两年周期的ENSO事件，在次年冬季的平流层则存在/不存在滞后效应，从而确立了ENSO在热带外平流层形成滞后效应的事实以及过程；2）揭示了在ENSO影响热带外平流层过程中，热带印度洋强迫的主要抵消作用,说明了热带大西洋的微弱抵消作用是因为从初冬到隆冬再到初春，热带大西洋强迫呈阶段性的三极型协同作用，并说明了上述协同作用形成的机理；3）全面揭示了ENSO在热带外平流层效应的非线性和非对称特征，指出对于El Niño事件对平流层的影响而言，中等强度的事件比强事件影响的效率更高，而对于La Niña事件而言，则是强事件比中等强度的事件的影响效率更高；对于中等强度的ENSO事件而言，El Niño比La Niña事件效率更高，而对于强ENSO事件而言，La Niña事件的影响效率则更高；并说明上述ENSO影响平流层的非线性和非对称特征产生的外在和内部原因。另外，本项目还开展了极端El Niño事件在平流层效应以及平流层长期变冷成因的研究。总之，本项目完成了原定的研究内容，完全达到了原定的科学目标。