【科研动态】海洋学院2024届博士毕业生余大宽发表厄尔尼诺/南方涛动现象春季预测障碍混沌起源的最新研究成果

近日，上海交通大学海洋学院2024届博士毕业生余大宽以第一作者身份在大气物理学领域国际权威期刊Journal of Geophysical Research: Atmospheres发表题为“The Potential Role of Seasonal Surface Heating on the Chaotic Origins of the El Niño/Southern Oscillation Spring Predictability Barrier”的研究论文。上海交通大学海洋学院为论文第一完成单位，周朦教授和杭超洵副教授为共同通讯作者。

厄尔尼诺/南方涛动指的是每两到七年发生在热带太平洋东部地区海表温度异常增暖的现象。当厄尔尼诺/南方涛动现象发生时，海表温度的异常增暖不仅会对热带太平洋周边国家和地区的天气和气候变化产生影响，还可以通过遥相关过程影响全球的天气与气候，比如我国1998年长江流域大洪水以及2016年全球范围内频发的极端高温事件。因此，提高厄尔尼诺/南方涛动现象的预测准确度，对于提升世界各国应对天气以及气候灾害的能力具有重要的社会和经济意义。

研究人员通过数值模式和统计模型，已经可以提前半年到一年预测厄尔尼诺/南方涛动现象，然而当研究人员从春季开始预测厄尔尼诺/南方涛动现象时，其预测准确度会比从其他季节开始的预测低很多，即厄尔尼诺/南方涛动现象存在春季预测障碍。值得注意的是，即使用人工智能方法来预测厄尔尼诺/南方涛动现象，春季预测障碍现象仍然存在。因此，本文针对厄尔尼诺/南方涛动现象的春季预测障碍问题，在课题组已有关于热带太平洋海表温度季节性预测障碍非线性成因工作的基础上，继续探讨在春季不同大气海洋耦合过程对厄尔尼诺/南方涛动现象春季预测障碍混沌性起源的影响，这对于后续提高厄尔尼诺/南方涛动现象预测能力具有一定的指导意义。

图2. 当参数c和q取不同的值时，箱式模型模拟的厄尔尼诺/南方涛动现象时间序列和相空间演变示意图。(a)，(b)，(c)，(g)，(h)，(i)为模拟的东赤道温度异常时间序列，(ｄ)、(e)、(f)、(j)、(k)、(l)为对应的西赤道海表温度异常和东赤道海表温度异常的相空间图。

本文利用模拟厄尔尼诺/南方涛动现象的箱式模型，探究热阻尼系数c和海气动力学耦合系数q季节变化与厄尔尼诺/南方涛动现象混沌性季节变化之间的联系。如图1所示，热阻尼系数c在春季取得最大值，海气动力学耦合系数q在春季取得最小值。在图2中，通过箱式模型的模拟我们发现，当热阻尼系数c增大以及海气动力学耦合系数q减小时，箱式模型模拟的厄尔尼诺/南方涛动现象变得更加混沌。因此，在春季，热阻尼系数c增大，海气动力学耦合系数q减小，在这两个参数变化的共同作用下，厄尔尼诺/南方涛动现象变得更加混沌，使得初始误差在春季会比在其他季节有更快的增长速率，最终导致了春季预测障碍现象。

图3. SST（阴影）、高云量（等值线）和地表风速（矢量箭头）的季节变化：（a）春季（二月、三月、四月），（b）夏季（五月、六月、七月）（ｃ）秋季（八月、九月、十月）。（ｄ）冬季（十一月、十二月、一月）。

大气海洋背景态决定了热阻尼系数c和海气动力学耦合系数q的季节变化。如图3所示，在春季，热带东太平洋地区海表温度升高，导致高云量增加，最终增大海表温度的热阻尼系数c。同样，在春季，热带东太平洋地区海表温度的升高会导致东西太平洋海表温度梯度的减小，从而减弱海表纬向风场的强度，进一步导致海气动力学耦合系数q的减小。

本文进一步探究春季热带东太平洋海表温度升高的原因。见示意图4，在春季，混合层内海水所受辐射加热升高，导致热带东太平洋海表温度升高，从而增加该地区高云量，增加海表温度异常所受的热阻尼系数c。热带东太平洋海表温度的升高也会导致海表温度梯度减小，从而减弱海表风场，减小海气动力学耦合系数q。通过箱式模型的模拟结果发现，当热阻尼系数c增加以及海气动力学耦合系数q减小时，箱式模型模拟的厄尔尼诺/南方涛动系统变得更加混沌，从而导致初始误差在春季有更快的增长速率，最终导致春季预测障碍现象。因此，在春季，混合层内辐射加热的增强可能会通过调制大气和海洋之间不同耦合过程的强度，来影响厄尔尼诺/南方涛动春季预测障碍现象。

该研究得到国家自然科学基金中挪国际合作项目、上海市极地前沿华体会登录页面基地的共同资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1029/2024JD041034

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