西北太平洋低空环流与海温异常关系的季节性差异

通过资料分析与数值模拟研究了西北太平洋低空环流特征及其与海面温度（SST）异常关系的季节性差异,得到如下结论：1）西北太平洋低空环流的空间尺度和位置在春季和夏季存在明显差异,从春季到夏季,异常环流范围缩小且中心位置向西北偏移;2）西北太平洋低空环流与西北太平洋局地海温的相互作用存在季节差异,春季西北太平洋冷海温与上空反气旋异常之间存在相互作用,而夏季则以大气影响海洋为主,异常的反气旋/气旋可以加热/冷却其下垫面的海温,大气超前3～4 d影响海洋;3）夏季异常反气旋环流（WNPAC）的维持主要来自非局地海温异常（北印度洋暖海温与中太平洋冷海温异常）的强迫,这两个海区对WNPAC的影响也存在季节性差异,北印度洋的影响主要体现在晚春至盛夏,而中太平洋则主要在晚夏发挥作用。     

春季北太平洋风暴轴的年际与年代际变化特征及其与太平洋海温异常的关系

利用20世纪大气再分析资料和欧洲中心海温资料研究了春季西北太平洋风暴轴的年（代）际变化特征以及在不同年代际背景下风暴轴与太平洋海温关系的转变。结果表明,春季西北太平洋风暴轴主要存在两种空间变化模态,即反映其强度变化的第1模态和反映其南北位置变化的第2模态。年代际及以上时间尺度上,风暴轴强度、位置与太平洋海温的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用。在不同年代际背景下,风暴轴与太平洋海温的关系则存在明显的年代际转变：1977年以后,风暴轴强度与太平洋海温的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用,而在1977年之前则主要表现为海洋对大气的强迫作用,特别是同期冬季日本以东黑潮和黑潮延伸区海温异常的强迫作用;风暴轴南北位置与太平洋海温异常的关系,在1977年以后表现为大气对海洋的强迫作用,主要表现为对北太平洋中部海温的影响,但在1977年以前表现为海洋和大气的共同作用,风暴轴南北位置的变化还与同期的赤道中东太平洋海温异常有关,表明ENSO可能对风暴轴的位置变化存在影响。     

FGOALS海洋同化试验对西北太平洋夏季SST—降水关系的模拟评估

评估了耦合气候系统模式FGOALS海洋同化试验对西北太平洋夏季降水和SST相关关系的模拟技巧,并对比了相应的观测海温强迫试验（AMIP）和历史气候模拟试验结果。结果显示,FGOALS海洋同化试验对亚洲季风区大部分海域夏季SST年际变化有较高的模拟技巧,但其对菲律宾以东海域模拟技巧较低。在西北太平洋夏季降水-SST相关关系方面,同化试验部分地再现了南海和菲律宾以东海域降水超前SST变化1个月和同时二者的负相关关系,优于AMIP试验但逊于自由耦合模拟试验。同化试验对SST倾向-降水相关关系的模拟技巧亦介于AMIP试验和自由耦合试验之间。观测中,西北太平洋夏季降水与环流异常受日界线附近和赤道东印度洋海洋大陆地区海温异常的遥强迫,并通过改变到达海表的净短波辐射通量影响局地SST异常,导致局地海温-降水和局地海温倾向-降水的负相关关系。在AMIP试验中,遥强迫导致的西北太平洋地区环流异常较之观测偏弱,由于缺少局地海气耦合过程,在西北太平洋多数地区表现为海温对大气的强迫作用,即SST-降水正相关关系。FGOALS同化试验和自由耦合试验考虑了局地海气耦合过程,虽然低估了遥强迫对西北太平洋地区夏季环流异常的影响,依然部分模拟出局地降水-SST负相关关系但较之观测偏弱。同时,自由耦合试验高估了西北太平洋20°N以南地区海温异常对大气环流异常的强迫,使得其对中国南海和日本岛以南海域SST-降水负相关关系的模拟稍优于同化试验。     

加利福尼亚附近的海温强迫及其与北太平洋年代际振荡的可能联系

本文利用1958～2018年期间海表面温度（SST）异常和湍流热通量异常变化的关系,探讨了其与北太平洋年代际振荡（PDO）相关的年际和年代际时间尺度上在不同海域的海气相互作用特征。结果表明:在年际尺度上,黑潮—亲潮延伸区（KOE）表现为显著大气强迫海洋,赤道中东太平洋表现为显著海洋强迫大气;在年代际尺度上,PDO北中心表现为大气强迫海洋,加利福尼亚附近则表现为显著海洋强迫大气。进一步分析表明:加利福尼亚附近区域是北太平洋准12年振荡的关键区域之一,与PDO准十年的周期类似,加利福尼亚附近的冷（暖）海温对应其上有反气旋（气旋）型环流,赤道中太平洋海水上翻和北太平洋东部副热带区域经向风应力的变化是北太平洋准12年振荡的另外两个重要环节。     

赤道东太平洋海温异常对夏季东亚大气环流的影响

采用统计诊断和数值试验方法讨论了赤道东太平洋海温异常对东亚夏季大气环流异常的影响，研究表明赤道东太平洋海温的持续异常，引起南海－菲律宾附近地区对流异常的持续，从而导致东亚大气环流的持续异常；同时指出春季赤道东太平洋海温异常和夏季海温异常对夏季东亚大气环流的影响并非是线性叠加，海温持续性异常对东亚夏季气环流的影响在季节时间尺度上存在非线性相互作用。     

大气环流对北大西洋湾流区海温“再现”的响应

利用全球海洋—大气快速耦合模式（Fast Ocean-Atmosphere Model,FOAM）,采用模式中的初值方法,研究了湾流区海温再现过程及其对北半球大气环流和气候的影响。FOAM模式很好地模拟了北大西洋湾流区的海温＂再现＂过程,模式中海面热通量异常与SST异常表现出不同步的响应特征。海面热通量异常在初冬季节达到最大值,而SST异常滞后,在冬季晚期达到最大值,从而在初冬和晚冬对北半球大气环流造成不同的影响。初冬季节北半球大气环流主要受海洋热通量异常的强迫,在北大西洋和北太平洋上空呈现相当正压的异常低压槽响应,北极地区为异常高压脊,类似北极涛动的负位相,可能造成欧洲南部和北非大陆气温偏高,亚洲大陆气温偏低。而晚冬季节北半球大气环流主要受SST异常的驱动,在北大西洋和北太平洋上空表现为相当正压的异常高压脊响应,北极地区为异常低压槽,类似北极涛动的正位相,可能造成欧洲南部和北非大陆气温偏低,亚洲大陆气温偏高,中国东部降水异常偏多30%左右。北太平洋大气环流的异常由北大西洋湾流区海洋热通量和SST异常强迫下游大气环流所激发,进一步通过Rossby驻波的能量频散东传至北太平洋而造成的。     

大气对黑潮延伸区中尺度海洋涡旋的响应——冬季暖、冷涡个例分析

采用动态合成、带通滤波等方法,通过对冬季黑潮延伸区暖、冷两个中尺度海洋涡旋的分析,研究了大气对中尺度海洋涡旋的响应特征。结果表明,海表温度（SST）与近海面风速的正相关关系在涡旋的动态合成图上清晰可见,暖（冷）涡上空对应10 m风速的极大（小）值,即海洋对大气的强迫作用在日时间尺度上表现显著;SST高低值中心基本对应10 m风无辐散区,暖（冷）涡上空为异常正（负）涡度分布;暖（冷）涡上空潜热、感热通量增大（减小）,降低（增大）大气稳定度,从而加强（减弱）边界层垂直混合作用,使得海洋大气边界层增厚（变薄）。暖（冷）涡旋上空对应摩擦速度极大（小）值,反映了湍流粘性力在高（低）海温中心增大（减小）的特征,表明动量垂直混合机制在中小尺度海气相互作用中起着主要作用。中尺度海洋涡旋能够影响大气瞬变扰动,大气瞬变扰动强度在暖（冷）涡下游上空出现极大（小）值,该影响不仅表现在海洋大气边界层,在自由大气中低层也有较为清晰的反映。此外,从能量转换的角度入手,发现斜压能量转换在中尺度海洋涡旋影响大气瞬变扰动强度中贡献明显。     

与冬季北太平洋大范围海温异常相联系的海气特征

采用1948—2014年NCEP/NCAR大气再分析资料以及延伸重建海温资料,基于大气海洋间不同的主导关系对冬季北太平洋大范围海温异常进行分类,探究其相应的海气结构特征。结果表明:1)大气影响海洋的个例多于海洋影响大气的个例,即在冬季北太平洋大气强迫海洋占主要地位,但也存在海洋对大气的反馈作用。2)对于大气影响海洋而言,SST(Sea Surface Temperature)暖异常区上空主要伴随着东北—西南走向的相当正压高低压异常(东北高西南低),对应东南风异常以及显著的深厚暖异常,表现出相当正压暖/脊结构,冷异常情况与此相反。SST异常为净热通量异常与风速异常共同作用引起。3)对于海洋影响大气而言,在SST暖异常区上空西部为南北向高低压异常(北高南低),东部为低压异常,对应偏东风异常。在SST冷异常区上空为偶极型的南北向高低压异常(南高北低),对应偏西风异常;位势高度异常表现出相当正压结构且较大气影响海洋时相对偏弱,大气暖(冷)温度异常比较浅薄且主要局限于对流层低层。4)海洋温度结构异常主要表现为,在大气影响海洋时海温异常由表层下传,海洋影响大气时为上下一致的温度异常。     

北太平洋冬季天气尺度涡旋的机理分析

利用1981~2013年NOAA（美国国家大气海洋管理局）海温资料和NCEP（美国环境预报中心）大气再分析资料,采用经验正交函数（EOF）分解方法对850 hPa瞬变高度场进行分解发现:850 hPa瞬变高度场经验正交函数分解的前两模态表征同一发展型波动的传播特征,该波动在日本以西形成然后向东发展,沿东偏北移动,在日界线附近发展达到最强,之后迅速向东北衰弱直至消亡,本文将其定义为西部型天气尺度涡旋（WSE）。合成分析表明,西部型天气尺度涡旋的强弱变化与北太平洋大范围的海温、副极地海洋锋异常存在密切联系,当西部型天气尺度涡旋活动偏强时,北太平洋北部和中部的海温显著偏冷,副热带地区海温显著偏暖,副极地海洋锋大大增强。同时,西部型天气尺度涡旋的强度与大气环流异常存在明显的协同变化,表现为西部型天气尺度涡旋偏强对应于阿留申低压增强且位置偏东,中纬度上空纬向西风增强。海洋和大气环流的这种变化增强了西北太平洋上空大气的斜压性,使得有效位能向扰动动能的转换增加,从而有利于西部型天气尺度涡旋的发展。     

热带西太平洋暖池局地海气相互作用的季节依赖性

采用美国伍兹霍尔海洋研究所的客观分析海气通量项目最新发布的海气热通量和相关气象场、NOAA提供的向外长波辐射和表面风场等数据,研究了暖池区域(144～154 °E,1～6 °N)局地海气相互作用的季节依赖性,并探讨可能对其产生影响的外强迫。结果表明,暖池区域海气相互作用在3月显著表现为受ENSO影响的海洋对大气的强迫,而在6月则显著表现为以局地作用为主的大气对海洋的反馈。当海洋强迫大气占主导时,海温趋势(dSST/dt)的年际变化的数值小于海温;而当大气反馈海洋占主导时,海温趋势的年际变化数值大于海温。ENSO会减弱暖池区域3月海洋对大气的强迫,而6月大气对海洋的反馈受ENSO影响不大;去除印度洋偶极子(IOD)影响后海气关系基本维持不变。3月ENSO通过增强暖池上空的对流,减少短波入射,从而使海温呈降低趋势,减弱海洋对大气的强迫。      

印度洋对ENSO事件的响应:观测与模拟

观测事实显示,在El Ni(n～)o期间,伴随着赤道中东太平洋表层海温(SST)的升高,热带印度洋SST出现正距平.作者利用海气耦合模式模拟了印度洋对ENSO事件的上述响应,并进而讨论了其物理机制.所用模式为法国国家科研中心Pierre-Simon-Laplace 全球环境科学联合实验室(IPSL)发展的全球海气耦合模式.该模式成功地控制了气候漂移,能够合理再现印度洋的基本气候态.观测中与ENSO相关的热带印度洋SST变化,表现为全海盆一致的正距平,并且这种变化要滞后赤道中东太平洋SST变化大约一个季度,意味着它主要是对东太平洋SST强迫的一种遥响应,模式结果也支持这一机制,尽管模式中的南方涛动现象被夸大了,使得模拟的与ENSO相关联的SST正距平的位置南移,阿拉伯海和孟加拉湾被负距平(而不是正距平)所控制.研究表明,东太平洋主要通过大气桥影响潜热释放来影响印度洋SST变化.赤道东太平洋El Ni(n～)o事件的发展,导致印度洋上空风场异常自东而西传播;伴随着风场的变化,潜热发生相应变化,并最终导致SST异常的发生.非洲东海岸受索马里急流控制的海域,其SST的变化不能简单地利用热通量的变化来解释.证据显示,印度洋的增暖是ENSO事件发生的结果而不是其前期信号.     

北方涛动同北半球温带大气环流的遥相关(一)——基本结构

本文利用1951—1980年逐季的平均值资料(共120个季)讨论了北方涛动和与其相联系的北太平洋海温与北半球海平面气压场、500hPa位势高度场遥相关的基本结构,并与南方涛动和赤道东太平洋海温的结果进行了对比分析.发现北太平洋Namias海区和加利福尼亚海流区海温的变化与北方涛动具有很密切的联系;北方涛动和这两个海区的海温同北半球中高纬度大气环流特别是PNA型和NAO型环流异常存在明显的遥相关关系;南方涛动和赤道太平洋海温同WP型或NPO型环流异常关系比较密切,而与PNA型和NAO型的关系不如北方涛动和Namias海区及加利福尼亚海流区海温的显著.     

月内尺度上与冬季北太平洋大范围海温暖异常相联系的海气相互作用特征

本文采用1985～2015年美国气象环境预报中心及能源部(NCEP/DOE)再分析以及美国国家海洋大气管理局(NOAA)海温(SST)等资料,基于大范围SST异常的确定规则,在北太平洋区域选取了8个暖事件,采用跟随SST异常中心的动态合成方法,研究分析了冬季北太平洋生命史为50天左右的大范围SST暖异常在其盛期前后的月...     

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟II：热带太平洋强迫

利用一个全球海气耦合模式(BCM),结合观测资料,讨论了热带太平洋强迫对北大西洋年际气候变率的影响。研究表明,BCM能够相对合理地模拟赤道太平洋的年际变率模态及相应的海温距平型和大气遥相关型,尽管其准3年的振荡周期过于规则。来自数值模式和观测上的证据都表明,北大西洋冬季海温的主导性变率模态,即自北而南出现的“- -”的海温距平型,受到来自热带太平洋强迫的显著影响,其正位相与赤道中东太平洋冷事件相对应。换言之,赤道太平洋暖事件的发生,在太平洋-北美沿岸激发出PNA遥相关型,进而通过在北大西洋产生类似NAO负位相的气压距平型,削弱本来与NAO正位相直接联系的三核型海温距平。北大西洋三核型海温距平对热带太平洋强迫的响应,要滞后2—3个月的时间。     

A note on albedo variations of the frozen surface of Lake Simcoe during march, 1978: Research note

Abstract

The relationships between monthly anomalies of sea surface temperature (SST) and monthly anomalies of several surface wind parameters are examined using ten years of data from the mid‐latitude North Pacific Ocean. The wind parameters involve both u³ _* and curl τ, where u_* is the atmospheric friction velocity and τ the surface stress. These quantities are calculated from surface wind components analysed on synoptic (6‐hourly) maps. In order to examine the effect of synoptic disturbances, the time series of surface wind components at each grid point is high‐pass filtered (passing periods less than 10 days) and the above wind parameters are calculated from both filtered and unfiltered wind components.

Two statistically significant relationships are found between monthly anomalies of SST and those of the various wind parameters. The first is a large coherent negative correlation between monthly anomalies of u³ _* calculated from the high‐pass filtered wind components and month‐to‐month changes in the SST anomalies in the Central Pacific. This relationship is attributed to the production of turbulent vertical mixing in the ocean by synoptic disturbances in the atmosphere. The second relationship is a large positive correlation between curl τ calculated from the unfiltered wind components and SST anomaly changes in the Eastern Pacific. This relationship, which is opposite to that expected from Ekman pumping, is attributed to a negative association between the wind stress curl and the meridional advection of heat by the eastern boundary current system. It is shown that these atmospheric forcing mechanisms explain up to 10 per cent of the variance of monthly SST anomalies in a large part of the mid‐latitude North Pacific Ocean. This amount is in addition to, but certainly less than, that which can be explained by anomalous horizontal advection through statistical relationships with sea‐level pressure anomalies (Davis, 1976).     

The influence of tropical Pacific forcing on the Arctic Oscillation

The potential role of tropical Pacific forcing in driving the seasonal variability of the Arctic Oscillation (AO) is explored using both observational data and a simple general circulation model (SGCM). A lead–lag regression technique is first applied to the monthly averaged sea surface temperature (SST) and the AO index. The AO maximum is found to be related to a negative SST anomaly over the tropical Pacific three months earlier. A singular value decomposition (SVD) analysis is then performed on the tropical Pacific SST and the sea level pressure (SLP) over the Northern Hemisphere. An AO-like atmospheric pattern and its associated SST appear as the second pair of SVD modes. Ensemble integrations are carried out with the SGCM to test the atmospheric response to different tropical Pacific forcings. The atmospheric response to the linear fit of the model’s empirical forcing associated with the SST variability in the second SVD modes strongly projects onto the AO. Idealized thermal forcings are then designed based on the regression of the seasonally averaged tropical Pacific precipitation against the AO index. Results indicate that forcing anomalies over the western tropical Pacific are more effective in generating an AO-like response while those over the eastern tropical Pacific tend to produce a Pacific-North American (PNA)-like response. The physical mechanisms responsible for the energy transport from the tropical Pacific to the extratropical North Atlantic are investigated using wave activity flux and vorticity forcing formalisms. The energy from the western tropical Pacific forcing tends to propagate zonally to the North Atlantic because of the jet stream waveguide effect while the transport of the energy from the eastern tropical Pacific forcing mostly concentrates over the PNA area. The linearized SGCM results show that nonlinear processes are involved in the generation of the forced AO-like pattern.     

Opposing Trends of Winter Cold Extremes over Eastern Eurasia and North America under Recent Arctic Warming

Under recent Arctic warming, boreal winters have witnessed severe cold surges over both Eurasia and North America, bringing about serious social and economic impacts. Here, we investigated the changes in daily surface air temperature (SAT) variability during the rapid Arctic warming period of 1988/89–2015/16, and found the daily SAT variance, mainly contributed by the sub-seasonal component, shows an increasing and decreasing trend over eastern Eurasia and North America, respectively. Increasing cold extremes (defined as days with daily SAT anomalies below 1.5 standard deviations) dominated the increase of the daily SAT variability over eastern Eurasia, while decreasing cold extremes dominated the decrease of the daily SAT variability over North America. The circulation regime of cold extremes over eastern Eurasia (North America) is characterized by an enhanced high-pressure ridge over the Urals (Alaska) and surface Siberian (Canadian) high. The data analyses and model simulations show the recent strengthening of the high-pressure ridge over the Urals was associated with warming of the Barents–Kara seas in the Arctic region, while the high-pressure ridge over Alaska was influenced by the offset effect of Arctic warming over the East Siberian–Chukchi seas and the Pacific decadal oscillation (PDO)–like sea surface temperature (SST) anomalies over the North Pacific. The transition of the PDO-like SST anomalies from a positive to negative phase cancelled the impact of Arctic warming, reduced the occurrence of extreme cold days, and possibly resulted in the decreasing trend of daily SAT variability in North America. The multi-ensemble simulations of climate models confirmed the regional Arctic warming as the driver of the increasing SAT variance over eastern Eurasia and North America and the overwhelming effect of SST forcing on the decreasing SAT variance over North America. Therefore, the regional response of winter cold extremes at midlatitudes to the Arctic warming could be different due to the distinct impact of decadal SST anomalies.