北太平洋热带辐合带区上升运动的季节和年际变化特征

本文利用NCEP/NCAR再分析资料研究北太平洋热带辐合带区上升运动(ITCZω)强度和位置的垂直结构及其季节和年际变化。结果表明,气候平均态下西(东)ITCZω在高(低)层最强,低(高)层最弱,其位置随高度不变(偏北)。西ITCZω在8月最强,9月位置最北,2月最弱,位置最南;东ITCZω在8、9月最强,9月最北,2、3月最弱,位置最南,但中、高层的ω在11月也很弱。ITCZω强度最强(弱)的时间一般与位置的快速北跳(快速南撤)的时间相对应,并且有位置变化超前强度变化的表现。通过对ω气候值和异常值的经验正交函数分解,发现气候值EOF第一模态能很好的反映ITCZω的基本气候状态,具有准半年周期,第二模态反映了ITCZω的季节变化特征;异常值EOF第一模态空间场呈现东西反位相的特征,时间序列的功率谱分析最明显的周期为4.8 a。西ITCZω强度在厄尔尼诺年偏弱,拉尼娜年偏强;东ITCZω位置在厄尔尼诺年偏南,拉尼娜年位置则偏北。总体上ENSO事件对东ITCZω位置影响较大,而对西ITCZω强度影响较大。     

热带太平洋气候变率的三类模态及与ENSO强度变化的关系

基于Kaplan等重建的1856—2001年全球海表水温距平(SSTA)资料，用小波变换分析了热带太平洋SSTA的气候变率，对热带太平洋SSTA分别进行2—8、8—30和30—100a带通滤波，然后进行EOF分解。结果发现，ENSO模态具有5a左右的年际变化和15a左右的年代际变化2种显著周期，当二者位相相同时，ENSO事件加强，当二者位相相反时，ENSO事件减弱，当年际变化不明显时，显著的年代际变化也可单独导致ENSO事件；热带太平洋SSTA气候态变率以西太平洋暖池和赤道两侧的热带中东太平洋明显海温同号异常为主要特征，具60a左右的周期，其相位变化与气候跃变及El Nifio事件的类型有密切联系；长期增温倾向加大了El Nifio事件的振幅。文章最后指出，ENSO事件强度变化是由年际、年代际和气候态等3类模态变率共同作用的结果，在ENSO预报模式中考虑并引入年代际和气候态变化对ENSO循环的影响，是提高ENSO预测水平的有效途径之一。     

全球变暖不同阶段热带辐合带的移动及其与大气能量输送的关系

基于第五次国际间耦合模式比较计划(The phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project,CMIP5)中在4.5 W/m^2的典型浓度路径(Representative Concentration Pathway,RCP4.5)试验结果,本文通过能量框架分析方法研究了全球变暖不同阶段热带辐合带(Intertropical Convergence Zone,ITCZ)的南北移动及其主要机制,发现在温室气体持续增加的海洋快响应和温室气体达到稳定后的海洋慢响应两个阶段,ITCZ的移动都和跨赤道的大气能量输送(Atmosphere Heat Transport,AHT)变化显著相关,但两者变化的原因在两个阶段中是不同的。在快响应阶段,ITCZ位置的移动以及跨赤道AHT受大气层顶(Top of the Atmosphere,TOA)的能量变化驱动,主要与南大洋云短波辐射响应、北半球中高纬度云和地表的短波辐射响应有关,气溶胶减少引起的辐射响应变化使得ITCZ在大多数模式中表现出向北移动的特征。在慢响应下辐射强迫保持稳定,ITCZ在大多数模式中表现出向南移动的特征。这一时期ITCZ的移动由大气表面能量通量变化驱动,主要与潜热通量变化的南北半球差异有关。全球变暖不同阶段ITCZ移动与大气能量输送变化的关系差异反映了海洋对于气候变化的重要调控作用。     

厄尔尼诺/南方涛动现象对热带西太平洋大气外强迫的响应

利用1个热带太平洋中等海气耦合模式,针对厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)现象对热带西太平洋季节内振荡(MJO)和季风的响应进行了研究.数值试验的结果表明:热带西太平洋的MJO和季风这类周期比ENSO周期短的大气外强迫对ENSO的影响随强迫强度的不同具备不同的表现形式:当MJO或季风很弱时会使ENSO振幅加强;当为中等强度时,几乎对ENSO没有影响;当MJO或季风较强时,ENSO振幅加强,锁相时间从冬季转移至秋季;外强迫非常强时,会因为短周期外强迫形成的海洋波动干扰了ENSO循环,ENSO循环振幅减弱或消失.     

CMIP5气候模式下淡水通量变化

基于全球降水气候态计划(GPCP)的降水资料和美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的客观分析海气通量(OAFlux)的蒸发数据,对CMIP5的13个耦合模式的淡水通量历史模拟结果进行评估。结果表明:模式能够模拟出淡水通量的气候态空间分布,但普遍存在双热带辐合带(ITCZ)现象,热带海域是模式模拟不确定性最大的区域。模式能较好模拟出纬向平均的淡水通量的分布特征,但量值较实测偏小,且由于模式对1月10°S附近淡水通量的模拟过低,导致年平均的赤道和10°S之间的淡水通量模拟存在明显的偏差。季节尺度上,模式对北半球淡水通量的变化特征有很好的模拟能力,但对南半球的模拟能力不足。年际尺度上,模式普遍能够刻画ENSO引起的淡水通量在太平洋中部同西太平洋以及印尼贯通流反相变化的空间分布特征,但是时间特征模拟很差。从各个方面评估模式的历史模拟结果,多模式集合的结果都要优于单个模式的结果。全球变暖背景下,未来淡水通量变化最显著的区域位于热带和亚热带区域。原本蒸发(降水)占主导的海域,蒸发(降水)更强。不同气候情景下,淡水通量变化的空间形态没有显著变化,但RCP8.5气候情景下模拟的淡水通量变化幅度及模式间变化的一致性均强于RCP4.5的结果。     

东亚副热带西风急流及其年际变率的海气耦合模式模拟

分析了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)快速耦合气候系统模式FGOALS_gl模拟的东亚副热带西风急流,并讨论了ENSO对东亚夏季副热带西风急流位置的影响。FGOALS_gl能较好模拟东亚副热带西风急流的空间分布以及季节演变,但较之再分析资料,模式模拟的急流强度偏弱,中心偏南。这主要是由于模式模拟的对流层中上层平均温度一致偏冷,且急流轴南部的冷偏差总是强于北部,使得模拟的经向温度差偏弱造成的。FGOALS_gl能合理再现东亚夏季副热带急流位置南北移动的年际变化特征,只是模拟的急流年际变率偏强。分析表明,模式模拟的ENSO偏差是造成西风急流年际变率偏强的重要原因。观测和模拟的东亚夏季副热带西风急流位置的南移多发生在ENSO位相达到峰值之后的夏季,但由于模拟的ENSO强度偏强,峰值多出现在春、夏季,并能维持至翌年秋季,因此,ENSO在其衰减年的夏季,对热带对流层温度异常的加热作用依然很强,造成模式中热带地区的对流层温度异常强于观测,从而导致东亚副热带西风急流年际变率模拟偏强。     

ENSO强度模拟差异对全球变暖下热带太平洋大气变化预估结果的影响

热带太平洋海洋大气耦合系统对全球变暖的响应是气候变化的热点问题.前人研究发现,气候模式的模拟偏差对于全球变暖响应结果有重要影响.本文利用美国大气研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)的地球系统模式(The Community Earth System Model,CESM)中的大气模式(Community Atmosphere Model version 5,CAM5)设计数值试验,在相同的SST(Sea Surface Temperature)增暖强迫下,通过改变海洋SST的年际变化振幅,来分析热带海洋年际变化强度的模拟对未来热带海区降水和大气环流场未来变化的影响.试验结果表明,随着SST年际变化强度的增加,全球变暖后热带太平洋降水变化的东西不对称性,以及向暖池区域辐合的风场变化等特征都逐渐减弱.进一步的分析发现,不同年际变化信号导致的大气场变化差异主要发生在冬季,是由于热带太平洋SST年际变化主模态ENSO(El Nino Southern Oscillation)的不对称性造成的:在厄尔尼诺年,强(弱)的年际变化信号会造成降水在东太平洋产生较大(小)的变化;而在拉尼娜年和正常年份,年际变化信号的强弱对热带降水变化的影响则不大.当热带海温的年际变化较大时,厄尔尼诺年的海温异常更强,造成的降水和风场的变化特征也会更加显著.     

东亚冬夏季风对热带印度洋秋季海温异常的响应

利用多年的Reynolds月平均海表温度资料和NCEP/NCAR全球大气再分析资料,分析了热带印度洋秋季海表温度距平(SSTA)与后期东亚冬夏季风强度变化的关系。结果表明,热带印度洋秋季SSTA的主要模态是全区一致(USB)型和偶极子(IOD)型,USB型模态主要代表热带印度洋秋季SSTA的长期变化趋势,而IOD型模态主要反映热带印度洋秋季SSTA的年际变化。热带印度洋秋季海温气候变率中既存在着明显的ENSO信号,也有独立于ENSO的变率特征,独立于ENSO的热带印度洋秋季SSTA变化的主要模态仍是USB型和IOD型。前期秋季USB模态与东亚冬季风及东亚副热带夏季风之间为负相关关系;与前期正(负)IOD模态相对应,南海夏季风强度偏弱(强),而东亚副热带夏季风强度偏强(弱)。USB型和IOD型模态对后期东亚冬、夏季风强度变化的影响是独立于ENSO的,但ENSO起到了调节二者相关显著程度的作用。     

基于CMIP6模式的热带太平洋海表温度增暖初步评估

热带太平洋是影响全球气候系统的重要区域,热带太平洋海表温度(SST)的长期变化趋势模拟是国际研究领域关注的热点。基于12个参加第六期国际耦合模式比较计划(CMIP6)的模式结果,本研究对1950年至1999年间多模式模拟得到的热带太平洋SST增暖现象进行了初步评估。结果表明,不同模式对热带太平洋SST增暖的模拟能力差别较大,特别在赤道东太平洋区域,部分模式模拟得到了偏强的SST降温趋势,与实际观测中的SST增温趋势相反,多模式集合平均结果给出了中部型厄尔尼诺事件的增温趋势。通过引入SST增暖变率分析方法,本研究对多模式模拟的热带太平洋SST在过去50 a中的增暖内在变化进行了进一步评估,结果表明目前各模式对热带太平洋SST增暖变率模拟偏弱,空间分布差异较大。     

IOCAS ICM及其ENSO实时预测试验和改进

厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)是仅次于季节变化的最强年际气候变率信号,对全球气候和天气产生重要影响。准确、及时、有效地预报ENSO事件的发生和演变具有重大的实用意义。以中国科学院海洋研究所冠名的中等复杂程度海气耦合模式(IOCAS ICM),每月定期进行ENSO实时预报试验。IOCAS ICM实时预报结果目前收录于美国哥伦比亚大学国际气候研究所(IRI),以作进一步的集成分析和应用。该模式的大气部分是一个描述对海表温度(SST)年际异常响应的风应力异常经验模式,海洋部分包括了动力海洋模块、SST距平模块(嵌套于动力海洋模块中)和次表层上卷海温(T_e)距平模块三部分。IOCAS ICM的特点之一是开发了次表层海温反算优化这一创新技术,可有效改进热带太平洋SST异常的模拟和预报。IOCAS ICM和其他海气耦合模式的最新预报结果(以2017年9月为初条件)表明,2017年年末热带太平洋会处于一个SST冷异常态,最大变冷中心集中在赤道东太平洋,但并不足以达到拉尼娜(La Ni?a)事件的水平,SST冷异常可能会在2018年春季逐渐减弱,转化为中性状态。此外,本文还对四维变分资料同化方法(4D-Var)以及条件非线性最优扰动方法(CNOP)在IOCAS ICM中的应用进行了讨论。     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整Ⅰ.年际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS 1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟试验,研究了全球热带海洋(主要是热带太平洋)海温和环流场的年际变化特征及模式ENSO冷暖事件演变的控制机理.结果表明,模式成功地再现了和观测一致的海温和环流的年际变化以及ENSO演变特征.其中热带印度洋年际SST变率的主要模态表现为与ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷现象,次级模态为热带印度洋偶极子模态;热带大西洋的SST年际变率表现为类ENSO的年际振荡现象.在热带太平洋,SST年际变化主要表现为ENSO型,环流的年际变率表现为与ENSO相对应的热带海洋质量循环圈的年际异常.对应于暖(冷)事件,前期赤道海洋垂直环流圈显示出减弱(增强)的特征.其中南赤道流异常的位相较Nino3区海温总体要超前5个月左右的时间;赤道上翻流异常的位相在表层要超前4个月,并随时间由上至下扩展;赤道潜流的异常则显示出东传特征,其中最早的较为显著的异常发生ENSO成熟前3个月180°附近.在模式ENSO冷暖事件的演变过程中,次表层海温异常沿赤道的东传起了关键作用,模式的ENSO模态主要表现为"时滞振子"模态.     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整 I. 年际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟试验,研究了全球热带海洋(主要是热带太平洋)海温和环流场的年际变化特征及模式ENSO冷暖事件演变的控制机理.结果表明,模式成功地再现了和观测一致的海温和环流的年际变化以及ENSO演变特征.其中热带印度洋年际SST变率的主要模态表现为与ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷现象,次级模态为热带印度洋偶极子模态;热带大西洋的SST年际变率表现为类ENSO的年际振荡现象.在热带太平洋,SST年际变化主要表现为ENSO型,环流的年际变率表现为与ENSO相对应的热带海洋质量循环圈的年际异常.对应于暖(冷)事件,前期赤道海洋垂直环流圈显示出减弱(增强)的特征.其中南赤道流异常的位相较Nino3区海温总体要超前5个月左右的时间;赤道上翻流异常的位相在表层要超前4个月,并随时间由上至下扩展;赤道潜流的异常则显示出东传特征,其中最早的较为显著的异常发生ENSO成熟前3个月180°附近.在模式ENSO冷暖事件的演变过程中,次表层海温异常沿赤道的东传起了关键作用,模式的ENSO模态主要表现为"时滞振子"模态.     

西沙群岛东岛湖泊沉积记录的近1000年来热带降雨与人类活动历史

近1000年来区域气候变化模式的研究,是在人类活动与自然变率双重影响因素之下,正确预测和评估未来气候变化趋势的基石。众多的气候载体和代用指标,揭示了热带海洋和季风变化等对中国不同地区气候的影响,但是关于热带区域的降雨特征与季风活动的关系仍然未有清晰的答案。本文选择西沙群岛东岛的牛塘湖泊,以湖泊沉积物的粒度组分含量和环境磁学参数为替代指标,探讨公元1000—1700年热带区域降雨变化规律及岛礁上记载的人类活动历史。结果表明,东岛的降雨受ENSO活动和热带辐合带移动的双重影响,ENSO的频繁活动和热带辐合带向南回撤均会促使热带区域降雨的增多,这一变化与季风气候呈现反向模式。岛上人类活动强盛时期发生在南宋和明代晚期,该时期区域降雨较多,气候湿润。同时,公元1000—1200年和1450—1600年在中国北方发生的两次强沙尘暴事件,在西沙群岛也有相应的记录,反映了北方粉尘物质在空气中长距离运移和沉降的模式。     

ENSO事件次表层海温的两个模态及其对大气环流的影响

利用SODA海洋同化资料和NCEP再分析大气资料,分析了热带太平洋次表层海温异常(subsurfaceoceantemperatureanomaly,SOTA)与厄尔尼诺与南方涛动(ElNi?o-SouthernOscillation,ENSO)循环的联系,及SOTA对大气环流的影响。回顾传统ENSO研究,指出存在的问题,提出了ENSO影响大气研究的新思路,得到以下结果:(1)以SOTA为基本资料的研究发现, ENSO事件有两个模态,主要出现在冬季的第一模态对冬季及夏季亚洲-北太平洋-北美地区上空中高纬大气环流有重要影响,主要出现在夏季的第二模态对该地区上空夏季热带和副热带大气系统有重要作用。(2)ENSO事件通过与ENSO相联系的热带太平洋海面温度异常(ENSO-relatedseasurface temperatureanomaly,RSSTA)对大气的异常热通量输送,强迫Walker环流和Hadley环流变化,导致热带和北太平洋及周边地区上空大气环流异常,进而影响相关地区冬季和夏季的气候。(3)海表面温度异常(seasurfacetemperatureanomaly,SSTA)包含RSSTA和大气异常导致的海温变化(sea temperature anomaly caused by atmospheric anomaly, STA)两部分, RSSTA是ENSO事件过程中海洋内部热动力结构调整导致的海面温度变化,在海洋对大气的热输送过程中,它随ENSO事件演变不断更新;STA是大气受RSSTA海洋异常加热后导致的大气环流异常对海面温度的影响,在海洋浅表层STA对RSSTA有重大影响。本文最后讨论了ENSO事件期间热带海洋对大气热输送过程,指出ENSO事件通过海洋内部热动力结构调整产生RSSTA,它直接对大气异常加热,导致大气环流和气候异常,局地海气之间负反馈过程产生STA,反过来抑制RSSTA。结果还指出,人们常用的SSTA变率实际上主要由秋冬季节RSSTA主导,丢失了春夏季ENSO信息,用SSTA研究ENSO事件存在局限性,这也可能是ENSO事件春季预报障碍的原因之一。     

两种热通量边界条件对热带太平洋海温模拟的影响

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候海洋模式(LICOM),考察了两种热通量边界条件(牛顿冷却型边界条件和总体公式型边界条件)对热带太平洋海温平均态和年际变率模拟效果的影响。结果显示,在两种边界条件下,模式均能较好的再现海温的年平均空间分布特征和季节循环特征。对比分析发现,在牛顿冷却条件下,模拟结果与观测更加接近,这是因为该条件会通过调整净海表热通量使模拟海温向观测的气候态海温逼近。就年际变率而言,牛顿冷却条件下模式模拟的净海表热通量负反馈作用偏强,从而使ENSO模拟偏弱,进而使中东太平洋的异常经向温度平流模拟偏弱,造成海温异常的经向尺度偏窄。负反馈的强度与耦合系数的选取有关。而总体公式条件下模式能够合理地模拟出ENSO相关的热通量负反馈过程,从而能正确的模拟出ENSO振幅以及ENSO空间型。因此,当利用海洋模式对气候平均态海温进行模拟时,两种条件均可采用,但以牛顿冷却条件为佳;而当对海温的年际变率进行模拟时,应该采用总体公式型边界条件。     

太平洋次表层海温异常年际变率的信号通道与ENSO循环

利用SODA海洋同化资料,分析了太平洋次表层海温异常(SOTA)年际信号变异特征与ENSO循环的联系。结果表明,热带太平洋的年际变率表现为以160°W为纵轴的东西向和以6°—8°N为横轴的南北向的跷跷板分布,南太平洋和北太平洋中高纬度海洋的SOTA则与热带西太平洋SOTA同号,但强度较弱,这些变化都与ENSO事件密切相关,是ENSO事件的两个主要模态,具57和44个月显著周期。ENSO循环期间,热带西太平洋SOTA强信号中心沿赤道东传,到达赤道东太平洋后加强并北扩,导致ElNi?o或LaNi?a事件,同时从热带西太平洋有较弱SOTA信号向东北和西南传播,在南、北太平洋中高纬度海域产生弱SOTA;同期位于热带东太平洋反号的SOTA强信号中心沿10°—15°N(平均12°N)西传,至热带西太平洋后加强并南扩,为下次LaNi?a或ElNi?o事件准备条件,同时在北太平洋中高纬度海洋还存在着反号弱的SOTA。如此周而复始,完成ENSO循环。太平洋次表层海温年际变化信号除在赤道及以北的热带太平洋存在一个逆时针方向的传播通道外,同时在热带西太平洋有异常信号向南、北太平洋中高纬度海域传播,并指出ENSO循环期间太平洋次表层海温异常年际变率信号传播的可能通道。     

北太平洋涛动和东亚冬季风对ENSO影响差异分析

北太平洋涛动(NPO)和东亚冬季风(EAWM)二者是热带外重要的气候系统,不仅对我国甚至对整个东亚气候都有重要影响,对厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的影响也越发受到关注。本研究利用HadISST海温资料以及美国国家环境预报中心(NCEP)月平均气象场再分析资料,采用相关回归等统计方法分析研究了冬季NPO和EAWM对次年冬季ENSO发生、发展影响的差异,并分析了产生差异的可能原因。结果表明,冬季NPO和EAWM对次年冬季ENSO的影响无论是从相关性大小还是触发的ENSO强度上来说都存在明显的差异;进一步分析冬季NPO和EAWM回归的海表面温度(SST)场相关的降水和风场的季节演化特征发现:在热带太平洋区域,冬季NPO和EAWM通过激发赤道西太平洋区域西风和降水异常建立起了相应的海气正反馈机制,而这种正反馈机制在强度和位置上的不同,造成了对ENSO影响的差异。冬季NPO和EAWM年代际变化上的差异可能是另一原因。     

海洋气候变化预估及研究方法综述

概述了目前预估的未来海洋气候变化状态,总结了在气候变化预估中常用的气候模式,包括简单概念性气候模式、中等复杂程度气候模式、气候系统模式和地球系统模式,介绍了海洋气候变化预估的多模式集合法和动力降尺度法。指出当前对一些对气候变化影响较大的区域海洋和气候系统自然变率的模拟预估研究还存在很多不足之处。高分辨率气候系统模式和基于多模式集合的概率预估可以在一定程度上减少海洋气候变化预估的不确定性,高分辨率气候模式的研发和概率预估的应用是当前的两个主要发展趋势。     

《海洋与湖沼》2010 年第5 期论文导读

<正>太平洋次表层海温异常年际变率的信号通道与ENSO循环利用SODA海洋同化资料,分析了太平洋次表层海温异常(SOTA)年际信号变异特征与ENSO循环的联系。结果表明,热带太平洋的年际变率表现为以160°W为纵轴的东西向和以6°~8°N为横轴的南北向的跷跷板分布,南太平洋和北太平洋中高纬度海洋的SOTA则与热带西太平洋     

ENSO非对称性对热带降水的影响研究

利用1966—2015年多种海气资料,分析了热带太平洋海域的ENSO非对称性表现,结果表明:在赤道东太平洋,ENSO暖事件强度大于ENSO冷事件,而在赤道中、西太平洋上与之相反,即在振幅强度和发生位置上存在不对称。研究还发现,在厄尔尼诺年的冬季,热带印度洋-太平洋海域整体上呈现出"正-负-正"的降水异常分布形势,而在拉尼娜年冬季,则呈现出"负-正-负-正"的降水异常分布形势,并且,降水距平的正负异常中心在厄尔尼诺年与拉尼娜年冬季存在纬向不同程度的偏移,表现出ENSO冷暖事件年冬季降水异常的非对称性。通过定量计算降水对热带海域的贡献,得到赤道中太平洋的降水量主要来源于厄尔尼诺年,赤道东太平洋的降水则主要来源于拉尼娜年,而热带印度洋及赤道西太平洋的大部分降水由中性年贡献。此外,对热带印度洋-太平洋划分厄尔尼诺强度与热带降水线性与非线性区域,发现在赤道西太平洋和赤道中太平洋及其偏东区域线性关系较为明显。