23个CMIP5模式对厄尔尼诺事件生命史模拟能力的评估

利用23个CMIP5气候模式历史模拟试验数据,评估模式对于厄尔尼诺事件生命史的模拟能力。评估结果显示,有1/3的模式可以很好地再现厄尔尼诺生命史演变过程,而另有1/3的模式对厄尔尼诺生命史模拟能力较弱。观测分析结果表明,动力(海洋温度平流)和热力(海洋表面热量通量)强迫作用对厄尔尼诺快速衰减过程都有贡献。前者主要与西北太平洋区域风场响应有关,而后者主要与"云—辐射—海温"负反馈过程有关。模拟能力较强的CMIP5模式中海温距平中心相对偏东,因此海洋纬向平流负反馈和短波辐射负反馈作用较强,衰减阶段中海温衰减更快。而模拟能力较弱的气候模式中海温距平中心相对偏西,因此动力和热力过程较弱,海温衰减缓慢。由于衰减变率不同,前者海表温度距平在发展年次年夏季时符号发生改变,而后者依然维持相同的符号。由季节决定的大气—海洋相互作用所引发的不稳定增长过程在北半球秋季时期进一步参与其中,因此较好的模式中负海温距平继续增长并转变成拉尼娜,而模拟能力较弱的模式中始终维持暖海温距平,没有形成拉尼娜。分析结果同时表明,仍然有1/3的气候模式不能很好地模拟出厄尔尼诺事件位相锁定特征。     

典型拉尼娜事件与1988—1989年拉尼娜事件生命史演变差异性成因分析

利用海洋混合层海温热量收支诊断方法和两套海洋同化再分析资料,对比分析典型拉尼娜事件和1988—1989年特殊拉尼娜事件生命史演变成因。研究结果表明,典型拉尼娜事件在发展年冬季到达最强值后通常缓慢衰减,在次年秋季时再次增强形成第二次拉尼娜事件。而1988—1989年拉尼娜事件在发展年底时到达最强值后迅速衰减,并在次年秋季时依然维持衰减过程,最终回到气候平均态。诊断分析结果表明,风场强迫作用引起的纬向异常平流项变化是导致衰减年中两种类型拉尼娜事件海温变化倾向差异的主要原因。在典型拉尼娜事件衰减时期,西北太平洋上空以异常反气旋性环流为主,反气旋性环流南侧东风距平会激发海洋上翻Kelvin波向东传播,阻碍拉尼娜事件的衰减。而在1988—1989年特殊拉尼娜事件中,西北太平洋上空以异常气旋性环流为主。异常气旋性环流南侧西风距平将激发海洋下沉Kelvin波向东传播,引发海洋中自西向东的纬向异常暖平流帮助拉尼娜事件迅速衰减,最终回复到气候平均态。     

江门市冬春冷暖气候趋势预测模型

统计分析了1956年～2004年江门市冬春冷暖气候趋势，与500hPa高度场、赤道太平洋海温场、大气环流因子——西太平洋副高、极涡等的相关特征。结果表明，同期江门上空500hPa高度场为负距平区，前期至同期Nino3＋4区海温处于拉尼娜事件的衰退阶段或海温维持负距平阶段，上一年7月亚洲极涡面积偏大，江门冬季各月气温偏低。综合上述各因子并结合天文周期法、韵律法和最优气候均态法等，建立了江门市冬春冷暖气候趋势预测的概念模型。     

对印度洋偶极子中海洋环流异常的模拟研究

用高分辨率印度洋-太平洋区域海洋环流模式(IPOM)模拟研究印度洋偶极子(IOD)过程.用观测的1990年～1999年热带海表风应力强迫IPOM,模拟出20世纪90年代出现的两次(1994年和1997年)IOD过程中热带印度洋海温异常的一些基本特征.通过模拟的海洋环流过程,揭示出IOD过程中海洋环流异常的物理图像.发现在IOD事件时,东赤道印度洋上层出现强的向西(负)的距平流窄带,此距平流在赤道两侧向外辐散,且具有向西传的海洋Rossby波特征.IOD位相时在沿赤道的垂直剖面上,存在一个明显的距平环流圈:表层为强的向西距平流;下面为向东的补偿流;80°E以东存在着明显的涌升流,构成垂直环流圈的上升支;其下沉支主要在55°E以西的西印度洋.同时在热带东印度洋赤道两侧各有一个垂直的经向距平环流圈,其共同的上升支在赤道附近.在反IOD位相时,洋流距平分布与IOD位相截然相反,但洋流距平的绝对值较小.由上述距平洋流分布的特征发现,IOD过程中热带印度洋海温异常(东冷西暖)现象,可从水平和垂直海流的异常变化,特别是大范围异常涌升流和沉降流的出现得到解释.     

赤道东太平洋海温异常对6月中国南方降水影响的数值模拟

利用NCAR CAM3.0大气环流模式,研究6月长江流域及以南地区降水对前期赤道东太平洋海温异常的响应.首先,在赤道东太平洋1997年9月至1998年6月实际海温异常基础上构造的理想化海温异常,依据持续时间不同叠加相应的海温异常值在气候平均外强迫场上,设计第1组敏感性试验;其次,在上组试验中的前期9月至次年6月持续有海温异常的敏感性试验基础上,改变加入模式中的海温异常强度,设计不同强度海温异常对大气环流和降水影响的第2组试验;最后将上述海温异常值取反加入相应的赤道东太平洋区域,设计一组拉尼娜事件的试验.以(25°-30°N,110°-120°E)区域平均的降水距平值代表整个长江流域及其以南地区降水,模拟结果表明:(1)不同的持续时间强迫得到的降水距平峰值在11月,次年6月其值为最小,整体上降水距平有随持续时间的缩短而减小的趋势.表明前期秋季赤道东太平洋较强的厄尔尼诺事件发生时对6月降水有重要影响,证实了前期诊断分析的结论;(2)模式中加入不同强度的厄尔尼诺事件,在长江流域及其以南地区均有明显的降水正距平(最小降水距平为0.287 mm/d,最大为1.98 mm/d),降水正距平范围与实际情况接近,表明模式在模拟该地区异常降水时有较好的稳定性,模拟结果值得信任.另外模拟的降水距平有随着海温异常强度的增强而增大的趋势;(3)当模式中加入不同强度拉尼娜事件的海温异常时,模拟结果不稳定,与厄尔尼诺的影响结果不完全相反,与前期诊断分析结果不符.而只有在拉尼娜相当强时模式才能在长江流域及以南地区模拟出一定范围的降水负距平.     

2020年国外十大天气气候事件

1厄尔尼诺与拉尼娜前赴后继加剧气候异常不确定性根据厄尔尼诺/拉尼娜事件的国家判识标准,9月以来,赤道中东太平洋大部海表温度持续较常年同期偏低。11月,赤道东太平洋海温负距平中心值低于-2.5℃,海温监测关键区Ni?o3.4区的海温指数为-1.33℃,9-11月指数滑动平均值为-1.23℃,拉尼娜状态持续。     

赤道西太平洋-印度洋海温异常对亚洲夏季风的影响

本文采用了p-σ五层原始方程模式模拟并研究了赤道西太平洋-印度洋海温距平场对亚洲夏季风的影响,计算了四种不同的海温距平试验方案。试验结果表明赤道西太平洋海温正距平使对流层下层的印度低压明显加强,副高北挺,季风槽加深,同时加强了对流层上层的反气旋环流。赤道西印度洋暖海温的模拟结果与赤道西太平洋暖海温对上述系统的影响相反,而赤道西印度洋冷海温对季风环流的影响与赤道西太平洋暧海温的影响一致。试验进一步表明赤道西太平洋-印度洋海温距平的纬向梯度方向对亚洲夏季风的影响是主要的,这一结论与实际观测结果一致。本文进一步讨论了赤道海温距平对越赤道气流、印度洋赤道东-西纬向环流和非绝热加热场的影响,结果都表明赤道西太平洋海温正距平和赤道西印度洋海温负距平的模拟特征与反El Nino年亚洲夏季环流特征类似,而赤道西印度洋海员正距平的模拟特征与El Nino年亚洲夏季坏流特征类似。     

热带太平洋地区海气系统的耦合振荡

本文讨论了东太平洋赤道海温和太平洋月平均云量距平的关系,结果表明:(1)东太平洋赤道海温距平和中太平洋赤道云量距平有很好的正相关,而与东、西太平洋赤道云量距平有很好负相关。所以太平洋赤道上空应该存在二个距平的东西向环流。(2)云和海温存在周期为34—38个月的耦合振荡,我们提出了云-辐射-海温机制来作解释。(3)在东太平洋海温暖水月的前12个月到后6个月期间,东太平洋赤道云量是负距平的(即偏少),这表明此期间可能是大气在影响海洋,亦即Walker环流影响海温变化,而不是海温影响了Walker 环流。海温和Walker环流是相互作用的,这种相互作用组成了大气和海洋之间的一种耦合振荡。(4)东太平洋海温、中太平洋云和北半球中、西太平洋信风亦有很好的相关。     

一个热带太平洋上层海洋环流模式及其检验研究

为进行ＥＮＳＯ的模拟与预测,在中国科学院大气物理研究所原有的较低分辨率全球海洋环流模式的基础上,引入依赖于Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ数的垂直扩散方案和太阳短波辐射穿透的物理过程,发展了一个较高分辨率的热带太平洋上层海洋环流模式。利用该模式和１９８０～１９９５年大气强迫场的观测,进行了热带太平洋海温及环流的结构和演变的数值模拟研究,并利用美国国家环境预报中心（ＮＣＥＰ）的同时段的海洋同化分析,就海洋及其时间变化的三维特征,检验了模拟结果。首先,检验了该模式对ＥＮＳＯ事件的三维结构特征及其演变的模拟能力,结果表明：这１６年间所有冷暖事件的发生、发展和消亡均得到基本正确的模拟;海温异常的强度和结构特征与实况有偏差,尤其是次表层,距平量在赤道西太平洋和沿斜温层显著弱于实况;表层海温（ＳＳＴ）距平与实况较为接近,只是在日期变更线附近偏大。然后,强调海气耦合模式要成功预测ＥＮＳＯ,真正严峻的考验是海洋模式对次表层海洋的模拟能力,而不能仅仅满足于对ＳＳＴ的正确模拟。因此,为全面评估该海洋模式,探讨模式误差的原因,根据同化资料,找出年际变化和季节变化最显著的区域之后,检验了多年平均状态及其季节变化、年际变率及其季节变化等统计量。     

气候系统模式FGOALS模拟的南亚夏季风：偏差和原因分析

本文通过与观测和再分析资料的对比,评估了LASG/IAP发展的气候系统模式FGOALS的两个版本FGOALS-g2和FGOALS-s2对南亚夏季风的气候态和年际变率的模拟能力,并使用水汽收支方程诊断,研究了造成降水模拟偏差的原因。结果表明,两个模式夏季气候态降水均在陆地季风槽内偏少,印度半岛附近海域偏多,在降水年循环中表现为夏季北侧辐合带北推范围不足。FGOALS-g2中赤道印度洋"东西型"海温偏差导致模拟的东赤道印度洋海上辐合带偏弱,而FGOALS-s2中印度洋"南北型"海温偏差导致模拟的海上辐合带偏向西南。水汽收支分析表明,两个模式中气候态夏季风降水的模拟偏差主要来自于整层积分的水汽通量,尤其是垂直动力平流项的模拟偏差。一方面,夏季阿拉伯海和孟加拉湾的海温偏冷而赤道西印度洋海温偏暖,造成向印度半岛的水汽输送偏少;另一方面,对流层温度偏冷,冷中心位于印度半岛北部对流层上层,同时季风槽内总云量偏少,云长波辐射效应偏弱,对流层经向温度梯度偏弱以及大气湿静力稳定度偏强引起的下沉异常造成陆地季风槽内降水偏少。在年际变率上,观测中南亚夏季风环流和降水指数与Ni?o3.4指数存在负相关关系,但FGOALS两个版本模式均存在较大偏差。两个模式中与ENSO暖事件相关的沃克环流异常下沉支和对应的负降水异常西移至赤道以南的热带中西印度洋,沿赤道非对称的加热异常令两个模式中越赤道环流季风增强,导致印度半岛南部产生正降水异常。ENSO相关的沃克环流异常下沉支及其对应的负降水异常偏西与两个模式对热带南印度洋气候态降水的模拟偏差有关。研究结果表明,若要提高FGOALS两个版本模式对南亚夏季风气候态模拟技巧,需减小耦合模式对印度洋海温、对流层温度及云的模拟偏差;若要提高南亚夏季风和ENSO相关性模拟技巧需要提高模式对热带印度洋气候态降水以及与ENSO相关的环流异常的模拟能力。     

副热带北太平洋SST在ENSO冷暖位相转变中的作用

2015/2016年发生的极端El Ni?o事件,与1997/1998年El Ni?o事件具有可比拟的强度,但是2016年事件转变为弱La Ni?a,而1998年事件则为强La Ni?a。本文通过对比这两次极端El Ni?o事件,揭示其转变为不同强度La Ni?a事件的物理机制。混合层热收支分析的结果表明,在El Ni?o衰减年的4~11月,2016年平流反馈和温跃层反馈相对较弱,混合层温度衰减速率慢,其产生的主要原因是赤道中西太平洋的东风异常较弱。进一步分析表明,赤道中西太平洋的东风异常与副热带东北太平洋的海表温度异常（SSTA）有关,该地区的SST在1998年表现为冷异常,2016年为暖异常。副热带东北太平洋冷的SSTA有利于信风加强,从而加强中西太平洋的东风异常;而暖的SSTA使得赤道以北出现西南风异常,从而削弱中西太平洋的东风异常。此外,合成分析也表明,副热带东北太平洋SSTA与转变的La Ni?a的强度具有关联,El Ni?o转变为强La Ni?a的情况在位相转变期伴随着副热带北太平洋冷的SSTA,而El Ni?o转变为弱La Ni?a的情况没有明显的冷SSTA。     

Change of El Niño and La Niña amplitude asymmetry around 1980

Amplitude of El Niño and La Niña was significantly different during 1980–2016 but almost same during 1958–1979. The cause of this interdecadal change is investigated through an oceanic mixed-layer heat budget analysis. It was found that this interdecadal change was primarily attributed to the distinctive effects of nonlinear zonal temperature advection between the two periods. During 1980–2016 nonlinear zonal advection, working together with nonlinear meridional advection, contributes to the El Niño and La Niña amplitude asymmetry. During 1958–1979 the nonlinear zonal advection had an opposite effect. The difference in the nonlinear zonal advection between the two interdecadal periods was caused by distinctive longitudinal locations of El Niño centers. Maximum SST anomaly (SSTA) centers were confined near the coast of South America (east of 90° W) during the first period but appear near 110° W during the second period. Because of this difference, an anomalous eastward ocean surface current (caused by a positive thermocline depth anomaly during El Niño) would generate a negative (positive) nonlinear zonal advection before (after) 1980. The distinctive longitudinal locations of El Niño centers are possibly caused by the interdecadal changes of mean thermocline and high-frequency wind variability over the equatorial western-central Pacific. A hypothesis was put forth to understand distinctive initiation locations between El Niño and La Niña.     

东太平洋暖池及经向风异常在ENSO事件发生、发展过程中的作用

利用1982～1999期间LDEO海表温度资料和NCEP/NCAR再分析风场资料,分析东太平洋暖池及经向风异常与ENSO事件的可能关系。结果表明,东太平洋暖池气候平均海表温度存在明显的季节变化特征,且与El Niño事件春季发生、夏季发展、秋季达到成熟及冬季衰亡的成长过程非常相似。经向风异常及其散度与ENSO事件密切相关。综合考虑,提出了东太平洋暖池及经向风异常（北风距平及经向风距平散度辐合）对ENSO事件发生、发展作用的概念模型:北风距平爆发通过产生北风吹洋流的作用,将东太平洋暖池暖水由北向南输送至赤道附近,从而有利于Ni?o3区海表温度上升;几乎与此同时,东太平洋暖池赤道上经向风距平散度辐合不仅能导致暖水在赤道附近堆积,而且辐合的风场对赤道附近的冷上升流有抑制作用,从而有利于Niño3区海表温度的增加,上述增温因素的叠加作用有（不）利于El Niño（La Niña）事件的发生、发展。进一步分析表明,东太平洋暖池及经向风异常仅对El Niño（La Niña）事件发生、发展起促进（抑制）作用而不起决定作用。将东太平洋暖池、经向风异常与西太平洋暖池、西风距平结合起来一并考虑,完善了El Niño事件发生、发展机制。最后,初步分析1980、1990年代El Niño事件特性差异的可能原因。     

热带印度洋海温的年际变化与ENSO

文中讨论了热带印度洋海表温度距平空间分布的年际变化与赤道中东太平洋海温的关系。EOF分析的结果表明 ,印度洋海温的变化主要存在全区符号一致的单极型和西部与东南部符号相反的偶极型 ,它们具有显著的年际变化。小波凝聚谱揭示了单极、偶极的变化与Nino3区海表温度距平存在密切关系 ,印度洋海温距平从偶极到单极的变化对应着ElNi no事件从发展到衰减的过程。平均而言 ,印度洋偶极超前Nino3区海温距平约 4个月 ,单极滞后约 6个月。整个热带印度洋 -太平洋地区海气耦合特征的演变表明 ,与ElNino从发展到衰减相联系的热带西太平洋海气耦合相互作用在印度洋海温距平从偶极到单极的演变过程中起着非常重要的作用。     

CMIP5多模式模拟两类El Niño海表盐度分布及与降水的关系

利用CMIP5提供的25个工业革命前控制试验（piControl）模拟数据评估了热带太平洋两类El Ni?o（即东部EP和中部CP型El Ni?o）的海表盐度（SSS）空间结构差异及其与海表温度（SST）和降水的关系。结果表明:（1）大部分模式能够模拟出EP和CP型空间结构,两类El Ni?o中的SST、降水和SSS的空间技巧评分依次减小,其中,EP型SST和降水水平分布的模拟能力强于CP型,SSS则为CP型强于EP型,CP型模拟的SST、SSS和降水异常中心位置较EP型偏西且强度偏弱;（2）CP型SST、降水和SSS三者空间分布的线性一致性比EP型好,即在CP型中,SST影响降水,进而影响SSS,同时SSS对SST调制的反馈机制较显著,而对于EP型,由于海洋水平平流和非局地效应等因素,使得SST与SSS空间对应较差;（3）依据多模式模拟的SSS空间技巧评分高低将CMIP5模式分为两类,技巧评分低（高）的模式模拟的SST、SSS和降水异常值的中心位置偏西（偏东）,引起中心位置偏移的原因与模式模拟赤道太平洋冷舌的位置有关,即赤道太平洋冷舌西伸显著,导致发生El Ni?o时SST异常变暖西伸显著,进而使得降水异常和SSS异常位置偏西。同时,技巧评分低的模式还易出现向东南延伸的负SSS异常,原因是双赤道辐合带的东南分支过于明显,即降水偏多,导致SSS偏淡。SSS变化会影响ENSO的发生发展。因此,探讨两类El Ni?o盐度分布的差异及相关物理场的关系,为提高模式的气候模拟和预测提供有益的借鉴。     

冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温异常的联系

利用1979—2015年ECMWF逐日再分析资料,通过EOF分解和回归分析研究了冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与海表面温度异常(SSTA)和大气环流异常之间的联系。研究结果表明:冬季中纬度北太平洋地区850 h Pa低频尺度环流存在3个明显的变化模态:第一模态为海盆尺度的单极型异常气旋(反气旋)式环流,同期太平洋SSTA呈现El Ni1o(La Ni1a)以及PDO暖位相(冷位相)空间分布,阿留申低压强度增强(减弱),对流层中高层是正位相(负位相)的PNA型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴中东部南压(北抬);第二模态为在白令海峡和副热带地区呈气旋式与反气旋式环流南北向偶极型变化,同时中纬度北太平洋SSTA呈现NPGO(North Pacific Gyre Oscillation)正位相(负位相)的空间分布,黑潮区域SSTA偏暖(偏冷),北太平洋SSTA经向梯度加大(减小),对流层中高层为负位相(正位相)的WP型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴整体偏北(偏南),强度增强(减弱);第三模态为北太平洋中西部和北美西岸呈气旋式与反气旋式环流东西向偶极型异常,黑潮区域SSTA偏冷(偏暖)而北太平洋东部SSTA偏暖(偏冷),SSTA纬向梯度加大(减弱),同时赤道东太平洋出现类似La Ni1a(El Ni1o)的SSTA分布,北太平洋天气尺度风暴轴中东部明显减弱(加强)而西部略有加强(减弱)。     

ENSO空间形态变异对ENSO-IOD关系年代际减弱的可能作用

基于1979—2017年哈得来中心的逐月海表温度资料（HadISST）和美国环境预报中心/美国大气研究中心（NCEP/NCAR）提供的大气环流再分析数据,研究了北半球秋季厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）与印度洋偶极子（IOD）关系的年代际变化特征及其可能原因。结果显示,ENSO-IOD关系存在显著的年代际变化:21世纪初期前,二者呈显著正相关,厄尔尼诺（拉尼娜）年秋季常对应显著的印度洋偶极子正（负）异常;21世纪初期以后,ENSO-IOD关系显著减弱,统计上不显著。进一步研究表明,ENSO空间型态的变异对于该关系的年代际减弱起重要作用。在第二时段（2004—2017年）,中部型厄尔尼诺事件和东部型拉尼娜事件频发,中部型厄尔尼诺事件与印度洋偶极子强度的关系与其纬向位置密切相关,与其强度的线性关系较弱;而东部型拉尼娜事件,由于海温距平位置偏东（位于赤道东太平洋冷舌区）,在偏低的气候态海温作用下,其引起的大气局地响应很弱,对印度洋的遥强迫作用较弱,因而对印度洋偶极子强度的影响也较弱。在二者的共同作用下,ENSO-IOD的关系发生了年代际减弱。      

两个典型ENSO季节演变模态及其与我国东部降水的联系

本文根据1950~2014年月平均海温和大气环流资料以及中国160站降水等资料,利用扩展经验正交函数（EEOF）分析、相关分析以及合成分析等方法,分析了太平洋海温季节演变的主导模态,并探讨了各模态与中国东部降水和东亚环流季节变异的关系及其联系的物理过程。结果表明,ENSO（El Ni?o/Southern Oscillation）季节演变存在2个主导模态,包含4种类型:El Ni?o持续型、La Ni?a持续型、La Ni?a转El Ni?o型和El Ni?o转La Ni?a型。发现不同模态和类型的ENSO季节变化过程我国东部降水距平的分布和强度都有明显差异。El Ni?o持续型和El Ni?o转La Ni?a型,冬春季和初夏均处在El Ni?o背景下,降水异常分布存在一定共性,但盛夏和秋季分别受El Ni?o和La Ni?a影响,降水异常分布差异十分明显,前者雨带北跳慢、位置偏南而后者雨带北跳快、位置偏北。La Ni?a持续型和La Ni?a转El Ni?o型也是如此,冬春季和初夏降水异常分布大致相似,但盛夏和秋季分别受La Ni?a和El Ni?o影响,前者雨带北跳快、位置偏北而后者雨带北跳慢、位置偏南。因此,利用ENSO做我国降水的气候预测时,不能只着眼于前期冬季El Ni?o或La Ni?a事件,还应考虑其未来演变所属的可能模态和类型。对他们之间联系的物理过程分析表明,不同ENSO季节演变模态和类型主要通过影响西太平洋副热带高压以及西风带经向型/纬向型环流调整及伴随的低纬暖湿水汽输送以及中高纬冷空气活动变化来影响我国东部降水。其中,西太平洋菲律宾群岛附近异常反气旋（或气旋）、赤道Walker环流和北半球Hadley环流分别是联系ENSO与西太平洋副热带高压活动和东亚西风带经向型/纬向型环流的重要环节。