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不同“圣婴”的简单随机动力学模型

厄尔尼诺(El Nino,西班牙语,意为“圣婴”)现象的标准定义是指每隔若干年赤道东太平洋大范围海水温度异常升高的现象。海水温度的异常会直接改变太平洋区域东西方向的大气循环(沃克循环),进而影响南北方向的大气环流,最终引起全球气候的变化。1982年秘鲁和厄瓜多尔西部连降暴雨、1998年中国长江流域的大洪水以及2015年澳大利亚的持续炎热都是厄尔尼诺的直接结果。在一次较强的厄尔尼诺之后往往会出现拉尼娜(La Nina)现象,这是一种与厄尔尼诺相反的情况,即东太平洋海水温度异常偏低。


除了1982、1998和2015这三次较显著的传统厄尔尼诺之外,一种新的厄尔尼诺现象在近25年来发生的频率显著增加。由于对应的海水温度异常升高发生在赤道中太平洋附近,这种新的厄尔尼诺被称为“中太平洋厄尔尼诺(Central Pacific El Nino)”。不同于传统的厄尔尼诺,当中太平洋厄尔尼诺发生时,全球气候的变化包括中国的降雨明显减少以及美国西部持续干旱等。


厄尔尼诺机理的研究一直以来都是一项热门的话题。事实上,许多中国学者也从不同角度对厄尔尼诺现象进行过解释。这其中比较著名的包括夏威夷大学金飞飞教授早期提出“厄尔尼诺充电振子理论”等。


近日,美国纽约大学大气海洋研究中心Andrew J. Majda点击查看介绍课题组提出了用随机动力学模型去描述上述提到的两种不同的厄尔尼诺现象。模型的基础部分是一个包括了大气、海洋以及海温三者之间的交互过程,而这个过程通过一个简单的线性、确定性以及稳定模型来描述。接着,通过一个随机过程来模拟西风爆发(Westerly wind bursts),并将其与模型的基础部分进行耦合,从而达到产生厄尔尼诺的关键要素。这里,由于西风爆发的时间尺度(通常为几天)远小于厄尔尼诺发生的周期(3-7年),所以可以将其视为一个随机的过程。需要强调的是,描述西风爆发的这个随机过程并非是简单的白噪音,事实上风速的强度依赖于西太平洋海水的温度,所以这个随机过程是一个依赖于基础模型状态变量的方程。不同于之前提出的不少通过较为复杂的非线性振荡来描述厄尔尼诺现象的模型,通过简单随机过程耦合到线性模型来研究厄尔尼诺无疑是一个强有力的工具。数值结果显示,不同强度的厄尔尼诺都能被模型成功地模拟出来。另外,值得强调的是,模型得到的东太平洋海水温度异常的概率密度分布函数与观测结果几乎一致。


在随后的一项工作中,通过将海水平流传输热量与近年来的季风增强这两项因素考虑到耦合模型中,Majda课题组又提出了另一个随机动力学模型来描述中太平洋厄尔尼诺现象,这是第一个成功描述中太平洋厄尔尼诺的简单动力学模型。除了模拟出1990-1995年以及2002-2006年这两段连续爆发的中太平洋厄尔尼诺事件,模型所生成的的沃克环流结构与观测结果也高度一致。


这两份工作都发表在《美国科学院院刊》(PNAS)上,两篇文章的通讯作者均是纽约大学博士后研究员陈南(Nan Chen),陈南博士同时也是第二篇文章的第一作者。


参考文献:

1. 该论文作者为:Sulian Thual, Andrew J. Majda, Nan Chen, Samuel N. Stechmann

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

http://www.pnas.org/content/113/37/10245.abstract

Simple stochastic model for El Nino with westerly wind bursts

PNAS, 2016, 113, 10245-10250, DOI: 10.1073/pnas.1612002113


2. 该论文作者为:Nan Chen, Andrew J. Majda

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

http://www.pnas.org/content/113/42/11732.abstract

Simple dynamical models capturing the key features of the Central Pacific El Nino

PNAS, 2016, 113, 11732-11737, DOI: 10.1073/pnas.1614533113


导师介绍

Andrew J. Majda教授.:http://www.x-mol.com/university/faculty/26787

陈南博士:http://www.cims.nyu.edu/~chennan/



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