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。     

冬季北太平洋海表热通量异常和海气相互作用——基于一个全球海气耦合模式长期积分的诊断分析

利用一个全球海气耦合模式长期积分所给出的资料,分析了冬季北太平洋海表湍流热通量（潜热和感热）异常及其对海表温度（SST）异常的影响,并比较了海表热通量诸分量和海洋内部的动力学过程对SST变化的相对重要性。结果表明,冬季热带外海洋上的湍流热通量是影响SST的主要因子,但在北太平洋中部海水的平流作用也不可忽视。冬季热带外海洋向大气释放的潜热和感热通量与SST倾向（而不是SST本身）之间存在着显著的相关,这同Cayan和Reynolds等利用COADS资料和NCEP资料同化模式分析的结果是一致的。模式诊断的结果支持这样一种看法：和热带海洋不同,冬季热带外海洋上的海气相互作用主要地表现为大气对海洋的强迫作用,而不是相反。模式给出的SST倾向的第一个EOF分量及其与海平面气压场的相关特征同Wallace等从观测资料分析所得到的结果是一致的;进一步的分析表明：在冬季北太平洋的大部分区域（特别是西太平洋）,大尺度大气环流异常在很大程度上决定着SST的异常,而这种决定作用正是通过它对湍流热通量的强烈影响来实现的。     

热通量和风应力影响北太平洋SST年际和年代际变率的数值模拟

利用一个大洋环流模式LICOM, 通过1958～2001年风应力 (ERA40) 和热通量驱动下的两组模拟试验, 检验了二者在北太平洋年际和年代际变率形成中的作用。结果表明, 尽管在年际尺度上热带太平洋变率主要受风应力影响, 但合理考虑热通量异常的强迫作用能够显著改进模式对El Niño的模拟效果, 包括对El Niño周期非规则性的成功模拟; 北太平洋SST的年际和年代际异常主要受热通量异常的影响, 合理考虑热通量强迫的年代际变化能够改善模式对北太平洋年代际变率的模拟效果。在北太平洋海盆的不同区域, 导致SST变率异常的因子不同: 在加利福尼亚沿岸, 冬季平均海温的变率异常主要由热通量的异常决定; 在北太平洋中部, 温度趋势异常主要受热通量和水平平流的作用影响; 在黑潮及其延伸体区域, 对温度趋势异常起主导作用的是热通量和海洋非线性作用, 与此同时, 水平平流和扩散的作用亦不容忽视。     

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。      

北太平洋海气界面湍流热通量的年际变化

本文采用美国伍兹霍尔海洋研究所客观分析海气通量项目提供的1958～2006年月平均的湍流热通量及相关气象场数据, 利用EOF分析、小扰动方法、线性回归、相关分析等方法研究了北太平洋海气界面湍流热通量年际变化的时空特征、 影响因子及其与大气环流的关系。结果表明, 北太平洋湍流热通量的年际变化在冬季最为显著。我国东部海域及其向中东太平洋的延伸部分为冬季潜热通量和感热通量年际变化的关键区。冬季潜热通量的年际变化在副热带太平洋和菲律宾海域主要受风速变化影响, 在北太平洋的高纬和低纬海域尤其是赤道中太平洋主要受比湿差变化影响, 而冬季感热通量的年际变化在整个北太平洋都主要受海气温差变化影响。受大尺度环流影响, 异常低压中心的东 (西) 侧海气比湿差和海气温度差偏小 (偏大), 所以异常低压中心的东 (西) 侧潜热输送和感热输送偏弱 (偏强)。     

海气关系的季节变化和时间—空间尺度依赖性

本文根据近年来对于表面湍流热通量和海表面温度变化关系的分析回顾了海气关系的季节变化和时间—空间尺度依赖性。内容包括表面湍流热通量和海表面温度变化关系的表征方法、区域变化、季节变化和随时间、空间尺度的变化,以及表面风速和海气湿度差对表面潜热通量和海表面温度变化关系的相对贡献。表面湍流热通量和海表面温度变化关系在中纬度海洋锋区和副热带涡旋区显著不同。在中纬度海洋锋区,海洋过程对海表面温度变化的贡献占主导地位,因而表现为海洋强迫作用,并且冬季比夏季更大。在副热带涡旋区,表面湍流热通量对海表面温度变化的作用更为显著,因而表现为大气强迫作用,并且夏季比冬季更为明显。在阿拉伯海西部地区,夏季海洋过程对海表面温度变化影响明显,表现出海洋强迫作用,而冬季以表面湍流热通量影响为主,表现为大气强迫情况。在孟加拉湾、南中国海和菲律宾海地区,无论冬夏季都表现为大气强迫作用。在中纬度海洋锋区冬季和阿拉伯海西部地区夏季,海洋强迫随时间尺度增长而增强,而在其它地区和季节,存在由较短时间尺度的大气强迫为主向较长时间尺度的海洋强迫变得重要的转换,转换的时间尺度大约在20～40天。在中纬度海洋锋区,海洋强迫作用随空间尺度...     

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟Ⅰ：局地海气相互作用

检验了一个全球海气耦合模式对北大西洋年际气候变率的模拟,讨论了导致这种年际变率型的物理机制,并分析了其对年代际变率的可能影响。北大西洋冬季SST的主导变率模态,在经向上表现为三核型,自北而南出现“- -”的带状距平型;最大距平中心位于副极地大洋、中纬度大洋的西部以及热带海域,耦合模式较为真实地再现了这一特征。与三核型SST异常相对应的大气环流型表现为北大西洋涛动,具有显著的正压结构。上述异常型主要发生在年际尺度,具有3—4年的谱峰;在次年代际尺度上,也存在谱峰。分析表明,模式中三核型SST异常的产生,主要来自大气的强迫,NAO增强,中纬度大洋上的西风减弱,海洋感热和潜热通量损失减少,中纬度大洋得到的净热通量增加,导致SST出现正距平;在包括Labrador海在内的副极地大洋,NAO增强、冰岛低压加深,气旋性环流增强,来自高纬度的冷空气吹过洋面,海气温差加大,大洋的感热通量损失增加,SST降低。热带地区东风的增强,也是导致那里SST降低的重要机制。三核型SST异常对大气的反馈作用较弱,文中没有证据表明它能够影响到北大西洋地区的年代际气候变率。     

一个冰气相互作用数值模拟结果的可能统计解释

基于一个全球海-冰-气耦合模式的数值模拟结果,选取冬季格陵兰海海表面温度(SST)、海冰密集度、海表面感热通量等物理量以及3个相关区域海平面气压分别作经验正交函数展开,取第一模时间系数作相关分析。结果表明,上一年海冰密集度偏大(小)与来年的SST偏低(高)相联系,但二者同期相关性最大。当海气热通量交换变化超前一年时,其与SST相关性最大。模式最低层大气温度与海洋表面热通量之间的同时相关性最大,冬季模式最低层气温偏高(低)与海洋表面失去的感热、潜热通量偏少(多)相联系。气温、比湿都和冰岛低压区及格陵兰海的海平面气压相关性最强,冰岛低压气压偏低(高)与模式最低层气温和比湿偏高(低)相联系。所以,在海-冰-气年际尺度的相互作用中,主要关系是大气环流调整造成大气中云量和低层气温、湿度变化,进而影响海气界面上的通量交换,造成SST的变化。SST变化决定着海冰范围及海冰密集度的变化,但海冰变化时通过相变潜热的释放或吸收反过来对SST变化有较明显影响。     

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。     

热带和热带外太平洋海气相互作用特征的比较

比较分析了热带和热带外太平洋海气系统年际和年代际变化特征。在海气系统异常的方差构成中，北太平洋区域以年代际异常为主，热带太平洋区域年际和年代际异常相当；表（浅）层海洋与大气的年代际变化特征对同一季节、区域是一致的，且20世纪70年代后期到80年代初均发生由低模态向高模态的转变；北太平洋区域的7月与此不同，这与该季节近表层海温层结稳定有关；年际尺度的海、气异常与ENSO有关，且以热带太平洋区域1月最典型，7月次之，北太平洋区域1月再次之，7月无明显关系。     

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。     

SEASONAL DEPENDENCE OF LOCAL AIR-SEA INTERACTION OVER THE TROPICAL WESTERN PACIFIC WARM POOL

Based on the air-sea interface heat fluxes and related meteorological variables datasets recently released by Objectively Analyzed Air-Sea Fluxes (OA Flux) Project of Woods Hole Oceanographic Institution, as well as the outgoing longwave radiation and surface wind datasets from National Oceanic and Atmospheric Administration, the seasonal dependence of local air-sea interaction over the tropical western Pacific warm pool (referred to the region (1o-6oN, 144o-154oE)) is revealed and the probable impacts of remote forcing on the air-sea interaction are examined. The results indicated the dominance of oceanic forcing with the significant impact of ENSO in March and that of atmospheric feedback without notable influence of remote forcing in June. While the interannual variability of sea surface temperature anomaly (SSTA) is larger than that of SSTA tendency when oceanic forcing is dominant, the opposite is true when atmospheric feedback is dominant. The magnitude of the oceanic forcing of the atmosphere tends to decrease in March with the occurrence of ENSO, though ENSO has little influence on the atmospheric feedback to the ocean in June. The local air-sea interaction is substantially the same before and after the removal of the effect of Indian Oceanic Dipole. The reduction of shortwave radiation fluxes into the western Pacific warm pool, due to the enhanced overlaying convection in March associated with ENSO, leads to the decline of SST tendency that will weaken the oceanic forcing of the atmosphere.     

春季北大西洋三极型海温异常变化及其与NAO和ENSO的联系

利用1951—2016年HadISST逐月海表温度(Sea Surface Temperature,SST)资料,NCEP/NCAR再分析资料以及1958—2016年美国伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution,WHOI)提供的OAFlux数据集,运用经验正交函数分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)和偏相关分析等统计方法,研究了春季北大西洋海温异常的主要特征及其与春季NAO和前期冬季ENSO联系。结果表明:春季北大西洋海温异常EOF的第一模态是自北而南出现的三极结构的海温距平型,其方差贡献率为35.7%。春季北大西洋三极型海温异常的形成主要受到春季NAO主导作用,还受到前期冬季热带中东太平洋海温异常的影响。消除前期冬季Niňo3.4的影响后,春季北大西洋三极型海温异常指数与同期北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)指数的偏相关系数分别为0.50,通过了99%置信度水平的显著性检验。消除春季NAO的影响后,春季北大西洋三极型海温异常指数与前期冬季Niňo3.4指数的偏相关系数为-0.26,通过了95%信度水平的显著性检验。春季NAO正(负)位相引起的海表风场和海表湍流热通量的异常,进而激发出正(负)位相的北大西洋三极型海温异常。前期冬季ENSO事件可以引起春季大气环流异常和热带外海温异常,进而调制春季NAO对北大西洋三极型海温异常的影响。     

中纬度北太平洋依赖于ENSO事件及独立于ENSO事件的变率特征:观测事实与海气耦合模式模拟

观测事实显示,在E1 Ni(?)o发生期间,伴随着赤道中东太平洋的增暖,中纬度北大平洋中部表层海温（SST）常出现冷距平,而北美大陆西海岸SST则出现暖距平。借助观测资料分析和海气耦合模式模拟两种手段,检验了北太平洋对ENSO事件的上述响应。观测证据和数值模拟都支持有关学者提出的“大气桥”概念,即大气对赤道中东太平洋SST异常增暖的响应,随后强迫中纬度北太平洋,并导致那里SST的变冷,从而起到了连接热带和热带外特别是中纬度北太平洋的“桥梁”的作用。关于其机制,本文认为主要是海洋对大气强迫的动力响应导致那里的SST变冷,尽管潜热通量的贡献也很显著。至少模式结果证明短波辐射、长波辐射和感热通量的贡献都是次要的。进一步的分析揭示,北太平洋存在着线性独立于ENSO事件的所谓“北太平洋模态”,在空间型上,它和线性地依赖于ENSO事件的模态非常相近,即它们的纬向结构都呈现出扁平的“双极”型,只是彼此间SST距平极大值的中心位置不同。模拟结果表明,北太平洋模态与大气的耦合作用,主要是通过海气热通量交换实现的,其中短波辐射和长波辐射的作用居主导地位,而潜热通量的贡献则基本可以忽略。     

东海黑潮区潜热变化对中国春季降水的影响及其影响过程

本文利用美国NCEP/NCAR再分析资料、哈德来(Hadley)中心海温数据、国家气候中心的观测站降水和客观分析海气通量(OAFlux)潜热感热通量资料,研究了1960~2010年春季黑潮区潜热输送对中国春季降水的影响及其影响过程。本文以黑潮流经的中国东部海域及邻近海域为研究对象,该区域是黑潮的主体区域,在文中简称为东海黑潮区。对中国东海以及邻近海域海温与降水的分析表明,在夏季该区域可能以大气强迫海洋为主,而在春冬两季可能主要为海洋强迫大气为主,秋季则可能为不明显的海气相互作用。在春季西北太平洋区域中感热和潜热都对黑潮流经的区域有比较好的敏感性,黑潮流经区域感热和潜热的气候平均值分别约为30 W m-2与120 W m-2;春季的感热通量标准差大值区主要集中在日本以西区域,潜热通量标准差主要集中在中国东海区域与日本东南区域(即东海黑潮区域)。春季潜热EOF第一模态的主要变化就集中在东海黑潮流域。相关分析与合成分析的结果表明,当黑潮潜热指数为正时,华南地区春季降水偏多,长江以北地区偏少,反之亦然。在物理过程分析中,黑潮潜热指数大于0.8时,长江以南的中国大陆有比较强盛的异常北风,使得水汽无法输送到更北的地区,导致在华南地区水汽的积累,并且在海面出现有利于降水的垂直运动异常延伸到大陆上,使华南地区降水增多,而长江以北的东部地区由于水汽输送偏弱,导致水汽积累偏少,从而降水减少。当黑潮指数小于-0.8时,有较强盛的异常南风,有利于水汽输送到北方地区,水汽在华北地区积累,导致长江以北出现降水正异常,而华南地区由于南风偏强,水汽输送加强,导致水汽无法在此区域积累,并且出现不利于降水的垂直运动异常,从而导致降水偏少。     

The observed teleconnection between the equatorial Amazon and the Intra-Americas Seas

Using observations of rainfall and SST analysis it is shown that there is a robust relationship with two-season lag between the austral summer (December–January–February [DJF]) Equatorial Amazon (EA) rainfall and the following boreal summer season (June–July–August [JJA]) Intra-Americas Seas (IAS) Sea Surface Temperature Anomalies (SSTA). It is observed that in wetter than normal austral summer seasons over EA, the SSTA in the IAS are cooler than normal in the following JJA season. This teleconnection also manifests in the ocean heat content of the IAS region. Our analysis indicates that the net surface heat flux into the ocean (particularly the surface longwave and the shortwave radiative fluxes) dictates the strongest influence on the JJA Caribbean SSTA, the core region of the IAS where the observed teleconnection with EA rainfall is strongest. This study also finds that this teleconnection is in fact a manifestation of the remote ENSO forcing on the Caribbean SSTA through its modulation of the EA rainfall anomalies. In a wet DJF year over EA, the Atlantic Inter-Tropical Convergence Zone (ITCZ) moves further southward than climatology. This causes the dry limb of the associated overturning circulation of the Atlantic ITCZ to reside over the Caribbean Sea region in the subsequent March–April–May and JJA seasons. As a result of this large-scale descent in the wet DJF year over EA, there is a net decrease in the heat flux into the ocean from increased emission of surface longwave radiation in the presence of anomalously dry atmosphere. In a dry DJF year over EA the Atlantic ITCZ is nearly co-located in the core region of the IAS, which is northward than the climatological location, resulting in the descending limb of the overturning location to be located further south of the Caribbean Sea leading to warmer SSTA.     

太平洋—印度洋海温与我国东部旱涝型年代际变化的关系

对我国东部各区域的夏季降水的正交小波分解表明,其大于28年的分量可以很好地表示华北和长江中下游地区在20世纪70年代前后旱涝相反的年代际变化特征。合成分析表明,北太平洋、热带印度洋海温和东亚高空急流与我国东部夏季旱涝型的年代际变化密切相关。东亚高空急流和西太平洋副热带高压在70年代前后的年代际差异对旱涝型发生年代际变化起到重要作用;北太平洋和热带印度洋海温的年代际变化近百年来是协同一致的,二者有可能共同对旱涝型的变化产生影响。进一步分析指出,北太平洋—热带印度洋海温的变化与急流和副高的南北位置在年际和年代际尺度上都密切相关。可见,北太平洋-热带印度洋海表温度异常(SSTA)对于我国东部旱型涝的年代际变化确实具有重要的预示作用。     

Multidecadal-to-centennial SST variability in the MPI-ESM simulation ensemble for the last millennium

We assess the responses of North Atlantic, North Pacific, and tropical Indian Ocean Sea Surface Temperatures (SSTs) to natural forcing and their linkage to simulated global surface temperature (GST) variability in the MPI-Earth System Model simulation ensemble for the last millennium. In the simulations, North Atlantic and tropical Indian Ocean SSTs show a strong sensitivity to external forcing and a strong connection to GST. The leading mode of extra-tropical North Pacific SSTs is, on the other hand, rather resilient to natural external perturbations. Strong tropical volcanic eruptions and, to a lesser extent, variability in solar activity emerge as potentially relevant sources for multidecadal SST modes’ phase modulations, possibly through induced changes in the atmospheric teleconnection between North Atlantic and North Pacific that can persist over decadal and multidecadal timescales. Linkages among low-frequency regional modes of SST variability, and among them and GST, can remarkably vary over the integration time. No coherent or constant phasing is found between North Pacific and North Atlantic SST modes over time and among the ensemble members. Based on our assessments of how multidecadal transitions in simulated North Atlantic SSTs compare to reconstructions and of how they contribute characterizing simulated multidecadal regional climate anomalies, past regional climate multidecadal fluctuations seem to be reproducible as simulated ensemble-mean responses only for temporal intervals dominated by major external forcings.     

印度洋海气热通量交换研究

基于综合海洋大气资料集(COADS)资料的研究表明,热带印度洋的海气热通量交换具有明显的区域性特征,在部分海域,如冬季热带印度洋的中东部、夏季的热带西印度洋和北印度洋,它主要表现为海洋对大气的强迫.海洋对大气的这种强迫,主要是通过潜热加热实现的.与潜热加热相比,感热加热尽管是一个小量,但感热异常与表层海温的显著相关,较之潜热明显超前.无论冬季还是夏季,热带印度洋都存在大面积海域,其SST变化难以通过海气热通量交换来解释.