Roles of Surface Wind Stress and Upper Ocean Stratification over the Western Pacific on Decadal Changes in El Niño–Southern Oscillation

Abstract

엘니뇨 남방진동(ENSO)은 적도 태평양의 바람응력과 해양 열용량의 재충전/방출과 관련이 있다. 본 논문은 서태평양 지역 표층 바람 응력과 해양 성층화 특성과, ENSO 십년 주기 변동에 대한 바람과 해양 성층화의 역할을 조사하였다. 이와 같은 특성을 이해하기 위하여 연직 경압모드에 대한 표층 운동량의 기여도가 주로 논의되었다

1) 바람응력과 해양 성층화의 관계, 2) 연직 경압모드-ENSO의 관련성 변화, 3) 최근의 온난역 해수면온도의 변화와 이것의 해양 성층화와 연관성. 해양에 바람응력이 미치는 효과를 찾기 위해 해양 성층화와 관련된 연직 경압모드가 조사되었고, 이것은 부력진동수로 이루어진 Sturm-Liouville 방정식의 해로부터 유도된다. 1958-2004년 동안의 SODA 자료 (바람응력, 해양온도, 염분, 해류)와 Hadley 해수면 온도 자료가 이용되었다. 또한, 물리적인 메커니즘을 자세히 이해하기 위해 간단한 접합 모델이 구성되었다. 관측에서, 서태평양 지역 바람 응력 컬이 1970년대 후반 이전보다 1970년대 후반 이후에 약해졌고, 이것은 적도에서 열용량의 느린 방출과 관련이 있다. 약해진 바람 응력 컬은 ENSO의 주기를 길게 하고 강도를 강하게 한다. 간단한 접합 모델 실험을 이용하여 서태평양 지역 바람 응력이 ENSO 절정기에 해양에 강하게 투영될 때 ENSO의 주기와 진폭이 감소하는 것을 확인하였다. 해양 경압모드에 대한 바람 투영 계수는 십년 주기 변동에서 유의한 변화를 보이고 첫 번째 모드와 두 번째 모드는 1970년대 후반 전후로 관련성이 상반되는 변화를 보인다. 1970년대 후반 이전과 비교해서, 첫 번째 모드는 적도 파동 역학 때문에 해수면 온도에 더 큰 영향을 미친다. 또한, 대기 강제력에 대한 두 번째 경압모드의 변동성의 지연반응이 1970년대 후반 이후에 증가한다는 것이 발견되었다. 이것은 기후 변동과 관련한 ENSO 되먹임 과정의 변화를 반영한다. 바람 응력의 변화가 작게 나타나는 서태평양 온난역의 평균 해수면 온도가 증가하였다. 증가된 해수면 온도는 상층의 연직 성층화를 강화시킨다. 온난역의 해수면 온도 변동성은, 온난역의 첫 번째 경압모드에 투영되는 바람 응력에 의해 얻어진 최대 부력 진동수의 변화와 높은 상관성이 있다. 1970년대 후반 이전에, 첫 번째 경압모드에 대한 바람 응력의 회귀 분포는 동태평양과 중태평양 지역의 해수면 온도 편차와 관련이 있다. 반면 1970년대 후반 이후에, 첫 번째 경압모드에 대한 바람 응력 회귀분석 분포는 온난역의 동쪽 경계 근처에서, 바람의 수렴 패턴이 뚜렷하다. 온난역 지역의 해양 성층화 변화는, 해양 경압모드에 투영되는 바람응력의 변화와 관련이 있고, 이것은 최근에 관측된 엘니뇨 구조의 변화에 기여할 수 있다.

El Niño–Southern Oscillation (ENSO) variability is linked to both wind stress variations and recharge/discharge of oceanic heat content in the equatorial Pacific. This dissertation investigates the characteristics of the surface wind stress and the ocean stratification over the western Pacific, and their roles on the decadal changes in ENSO properties. To understand their characteristics, the contribution of the surface momentum forcing to the ocean vertical baroclinic mode is mainly discussed

1) relationship between the wind stress and ocean stratification, 2) changes in the relationship of oceanic vertical baroclinic mode-ENSO, and 3) recent changes in warm pool SST and its linkage with ocean stratification. The oceanic vertical baroclinic modes associated with ocean stratification, which are derived from the solution of Sturm-Liouville equation, are investigated to find the effect of wind stress forcing into the ocean. Simple Ocean Data Assimilation (SODA) data (zonal wind stress, ocean temperature, salinity and zonal current) and Hadley sea surface temperature (SST) data were used for the period 1958-2004. In addition, simple coupled model is conducted to understand details of physical mechanism. In the observation analysis, the wind stress curl over the western Pacific is weakened after the late-1970s than before the late-1970s, which is associated with the slow discharge of heat contents in the equator, leads the long period and strong intensity of ENSO. The simple coupled model experiment verifies that both period and amplitude of ENSO are decreased when the wind stress curl over the western Pacific is projected more strongly into the ocean at the ENSO mature phase. The wind projection coefficients against the oceanic baroclinic modes have significant change on decadal time scale, in particular, the relationship between the first and second baroclinic modes is reversed before and after the late-1970s. Compared to before the late-1970s, the first baroclinic mode has a greater effect on the sea surface temperature variability through equatorial wave dynamics. It is also found that a delayed-response of the second baroclinic mode variability to the atmospheric forcing has increased after the late-1970s. This reflects the changes in ENSO feedback process associated with the climate shift at the late-1970s. The mean SST over the western Pacific warm pool, where the wind stress variation is small, has experienced a shift from cool state to warm state in recent decades. Increased SST enhances the vertical stratification at the upper level. The warm pool SST variability is highly correlated with the change in maximum buoyancy frequency which is captured by the wind stress variations projecting onto the first baroclinic mode over the warm pool region. The zonal wind stress regressed onto the first baroclinic mode before the mid-1970s is associated with the anomalous SST in the eastern and central tropical Pacific. After the mid-1970s, in contrast, a wind convergence pattern near the eastern edge of the warm pool is dominant. The ocean stratification change over the warm pool region, which is related to the changes in wind stress forcing projecting onto the oceanic baroclinic modes, might contribute to change in El Niño structure in the observation during recent decades.