热带大气低频振荡起源于印度洋的必要条件和生成机制

The tropical atmospheric intraseasonal oscillation (MJO/ISO) is a planetary-scale eastward-propagating wave-like coupled circulation-convection system, with evident poleward propagations especially during boreal summer. The MJO/ISO interacts constantly with the underlying ocean. Thus it significantly affects the tropical and extratropical weather and climate. However, the existing sophisticated climate models are incapable of simulating and predicting such an intraseasonal variability, becoming a great difficulty to realize "seamless" prediction. The forecasting skills of current models will be improved only if the origin and cause of the MJO/ISO are well understood. Because the MJO/ISO events have been found to originate mainly from the "warm pool" in the Indian Ocean, this project is proposed to investigate the necessary conditions and formation mechanisms of the MJO/ISO. Based on the MJO and ISO events respectively generating over the equatorial Indian Ocean during boreal winter and summer, multi-source satellite-observed and reanalysis data will be utilized to reveal the necessary conditions responsible for the origin of the MJO/ISO over the tropical Indian Ocean. From the perspective of air-sea interaction, several representative MJO/ISO cases will be selected to examine how extratropical and upstream disturbances result in dynamical and themodynamical changes in large-scale atmospheric circulation over Indian Ocean and in upper-layer of the Indian Ocean. Finally, the genesis mechanisms will be validated via numerical simulations.

热带大气低频振荡（MJO/ISO）是一种行星尺度的向东传播的对流-环流耦合的波动，且具有经向传播分量。MJO/ISO不断地与下垫面的海洋相互作用，因而强烈地影响着热带和热带外地区天气与气候。然而，目前的气候模式都不能很好地模拟这种季节内尺度的变率，是实现"无缝隙"动力预报的难点。只有弄清MJO/ISO的成因，才能有效提高气候模式性能。由于MJO/ISO主要起源于印度洋 "暖池"区，因此，本项目拟针对MJO/ISO生成条件与形成机制这个国际前沿领域问题，开展基础性研究。利用多种卫星观测资料和再分析环流资料、分别基于南、北半球夏季生成于赤道印度洋的低频振荡事件，揭示MJO/ISO起源于热带印度洋的必要条件；基于一些典型个例，从海气相互作用的角度考察来自热带外和上游扰动通过引起热带印度洋大尺度大气环流和上层海洋热力动力结构变化而导致MJO/ISO生成的物理过程。通过数值模拟揭示其生成机制。

热带大气低频振荡（MJO/ISO）作为一种行星尺度、向东传播的对流–环流耦合波动，显著地影响着热带和热带外地区天气与气候。MJO/ISO又是海气耦合系统、大都起源于热带印度洋-西太平洋海域。尽管MJO/ISO是次季节到季节尺度气候预测的可预报性重要来源，但是目前的气候模式对其模拟性能偏低，因而MJO/ISO的生成机制是当今大气科学领域的前沿课题。.本项目首先基于1979–2010年卫星观测的逐日向外长波辐射（OLR）资料和经验正交分解方法，揭示出所有MJO/ISO事件，区分首发和继发事件，由此分别统计北半球冬季和夏季所发生的MJO和ISO事件的频数、起源的地点。发现有40%的首发MJO/ISO事件起源于赤道印度洋、各有约20%分别起源于海洋大陆地区、赤道西太平洋和非洲。对起源于赤道印度洋的首发MJO/ISO事件合成分析，发现MJO/ISO的生成过程包括两个阶段，一是前兆抑制对流异常（简称SCA）形成阶段、二是SCA转换为深对流阶段。在最强深对流发生前约15天，存在一个局地的前兆信号SCA。当SCA达到最强后，与SCA有关的对流层中层温度负异常使得大气层结稳定度减小，有利于上升运动，从而引发湿位相启动。因此，SCA是MJO/ISO事件生成的必要条件。SCA的形成取决于高层热带外大气低频波动的动力强迫、低空逆温层和海洋热力反馈。高层热带外低频波动通过能量频散造成副热带正位涡向赤道流入，导致赤道印度洋高空异常辐合而产生下沉运动。当前兆SCA达到最大强度后，赤道印度洋海表温度正异常以及高层涡度平流垂直梯度强迫的上升运动是湿位相启动的主要因素。同时边界层水汽向暖海温异常区辐合，低层大气增湿，湿静力能也急剧增长，由此MJO/ISO湿位相启动。利用中国科学院大气物理研究所LASG的海陆气耦合模式（FGOALS_s2）开展的数值模拟试验表明，生成于赤道印度洋首发 MJO/ISO 事件频数最高，也能较合理地再现前兆 SCA有关的高、低层风场的演变过程及随后活跃对流的启动过程。.本项目有关首发MJO/ISO事件起源地点、生成频数以及前兆信号SCA-湿位相启动生成机制的成果，可用于今后评估耦合模式模拟MJO/ISO性能的标准。