利用ARGO资料改进海洋资料同化和海洋模式中的物理过程

国际ARGO计划的实施每年将可提供多达 10万个剖面 (0～ 2 0 0 0m水深 )的海水温度和盐度资料 ,这些资料的获取无疑将会大大促进海洋和大气科学的发展 ,使人们加深对海洋过程的了解 ,揭示海 气相互作用的机理 ,为长期天气预报和短期气候预测提供模式初始场 ,提高长期天气预报和短期气候预测的能力。如何利用这些资料开展研究工作以及在实际业务中应用这些资料是目前大气和海洋科学界的一个前沿课题。本研究将ARGO浮标资料引入了国家气候中心的NCC GODAS同化系统 ,结果分析表明 ,同化ARGO资料后所得到的海温场在三大洋中不仅在温度数值的大小 ,而且在分布形式方面都与观测场具有较好的一致性 ,可以很好地反映出观测到的冬季和夏季海温的分布形式以及海温的季节变化特征和异常特征。本研究还应用最新的ARGO海洋观测资料 ,通过建立新的热带西太平洋次表层海温参数化方案 ,改进了Zebiak Cane(1987)海洋模式 (ZC模式 ) ,克服了ZC模式几乎没有模拟赤道西太平洋表层和次表层海温变化能力的缺陷。在ZC模式中引用新的次表层海温参数化方案后 ,在赤道西太平洋不仅次表层海温的模拟得到了改善 ,对海面温度异常的模拟也有了较大的改进 ,不仅模拟出了赤道西太平洋表层和次表层海温异常的年际变化特征 ,也模拟出了与观     

前期热带太平洋次表层海温异常与东亚夏季风的可能联系

利用1979—2012年日本气象厅次表层海温资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了前期冬季热带太平洋次表层海温与东亚夏季风的关系,并讨论了其可能机制。结果表明,前期冬季热带太平洋次表层海温与后期东亚夏季风强弱有显著的相关关系。冬季次表层海温呈现东正西负的类El Nio分布型时,夏季副热带高压偏强,西北太平洋地区受反气旋型环流控制,能将大量的水汽输送到长江和淮河流域,有利于水汽在该区域辐合,为夏季降水偏多创造了条件,此时东亚夏季风活动整体偏弱,反之亦然。但类El Nio分布型对东亚夏季气候变化的影响较类La Nia分布型更显著。此外,冬季热带太平洋次表层海温可能通过其自身能够持续性地影响东亚—太平洋地区的大气环流异常,次表层海温随季节变化有明显的发展和移动趋势:冬季西太平洋暖池次表层冷(暖)海温不断堆积,沿温跃层向东传播使得中东太平洋次表层海温逐渐变冷(暖),冷(暖)海温上翻加强使得海表温度异常,进一步影响到西太平洋副热带高压的位置和强度,并在东亚地区形成经向遥相关波列,通过西北太平洋地区异常反气旋(气旋)环流的作用,影响东亚地区大气环流以及气候变化。     

全球增暖对ENSO影响的数值模拟研究

利用日本东京大学气候系统研究所、日本环境研究所和日本地球环境研究中心联合开发的海气耦合模式MIROC3.2，研究了全球变暖对ENSO年际变率的影响。该模式较好地模拟了ENSO循环的不同阶段表层和次表层海水温度变化，海表温度最大振幅出现在120°W以东，与观测一致，表明模式可以较好反映热带地区大气、海洋的动力、热力特征。研究还比较了控制试验和CO2浓度年增长1%的瞬时试验，结果表明，在全球变暖的大环境下ENSO事件发生频率没有显著变化，但ENSO事件强度增大，年际变率变大；热带太平洋呈现整体增暖趋势，表层温度尤其是热带中太平洋地区温度升高显著。敏感性分析表明，年际ENSO变率的振幅增大的主要贡献来自于海洋。海水增温导致热带太平洋海温垂直梯度增大，在热带西太平洋海温垂直温度梯度变化最为明显；次表层海温对单位大气风应力变化的响应大于表层海温响应。当这种响应与热带太平洋赤道地区径向温度梯度变化的共同作用导致温室效应下ENSO振幅增大。     

中国东部夏季降水的准两年周期振荡及其成因

应用中国160测站降水资料和ERA-40再分析资料以及EOF和熵谱分析方法,分析了中国夏季(6～8月)降水和东亚水汽输送通量的年际变化,表明中国(特别是华南、长江流域和淮河流域以及华北等地区)夏季降水具有2～3 a周期变化特征,即准两年周期的振荡特征,并表明中国降水的这种周期振荡与东亚上空夏季风水汽输送通量的准两年周期振荡密切相关;并且,还利用NCEP/NCAR的海表温度和日本气象厅的沿137°E海温剖面观测资料,分析了热带西太平洋表层与次表层海温的年际变化,揭示了热带西太平洋热力状态的变化也有显著的准两年周期的变化特征.作者利用相关和集成分析来讨论热带西太平洋热状态的准两年周期振荡对中国夏季降水和东亚水汽输送的影响,表明了热带西太平洋海温的准两年周期振荡对东亚夏季风及其所驱动的水汽输送都有很大影响.此外,作者还利用东亚/太平洋型(EAP型)遥相关理论,简单地讨论了热带西太平洋热力状态的准两年周期振荡影响中国夏季风降水准两年周期变化的物理机制.     

近40多年四川盆地降温与热带西太平洋海温异常的关系

应用滑动滤波技术, 分析了半个世纪以来, 四川地区温度变化及其与西太平洋海温的关系。结果表明, 四川盆地气温在７０ 年代中期发生了一次突变, 由偏暖阶段进入偏冷阶段。其中, ５０ 年代最暖, ８０ 年代最冷, 这种偏冷趋势在夏季最显著; 热带西太平洋海温同样在７０ 年代中期发生了一次突变, 由偏暖阶段进入偏冷阶段, 也是５０ 年代最暖, ８０ 年代最冷, 这种偏冷趋势同样在夏季最显著; 热带西太平洋海温在变化趋势上与四川盆地气温变化具有同位相关系; 热带西太平洋海温异常偏暖（ 冷） , 引起西太平洋副高位置偏西（ 东）偏北（南） , 造成四川盆地气温异常偏暖（ 冷） ; 热带西太平洋海洋热状况的变化, 通过影响西太平洋副高等环流系统变化是造成四川盆地气温异常的重要原因之一。     

热带太平洋-印度洋海温异常综合模的数值模拟

通过数值模拟及结果的合成分析,对热带太平洋-印度洋异常海温综合模态的三维热力结构、动力结构及其发生发展的可能机制进行了研究.数值模拟结果的分析表明,太平洋、印度洋海温异常的综合模态在表层、次表层的表现都很明显,即在赤道西印度洋、中东太平洋的海温偏高(低)时,赤道西太平洋、东印度洋的海温偏低(高),该模态还存在着显著的年变化特征、年际变化特征以及年代际变化特征.数值模拟的合成分析结果表明,异常的海表风应力引起表层洋流异常,表层洋流异常及由其引起的海表高度异常可导致次表层海水环流的异常,海洋环流异常导致的平流热输送异常是海温形成异常综合模态的主要原因之一,垂直输送是形成次表层海温综合模态的主要原因.平流热输送过程对海表温度变异的贡献是:在事件发生到盛期阶段促进了次表层海温异常综合模态的形成,在盛期到消亡阶段次表层的平流过程阻碍其进一步发展;短波辐射是海洋的主要热力来源,海表面异常的净短波辐射通量、潜热通量是表层海温形成异常模态的主要热力学原因,异常的海表面净短波辐射通量、潜热通量、感热通量在到达盛期阶段后抑制其进一步发展.     

热带太平洋地区风场异常和与El Ni?o有关的年际变化

利用1964～1993年NCEP/NCAR再分析风应力资料和中国科学院大气物理研究所发展的14层热带太平洋环流模式(OGCM),对热带太平洋与El Ni?o有关的年际变化进行了研究.首先,分析了西太平洋暖池次表层海温异常(SOTA)与Ni?o3区海表温度异常(SSTA)的年际变化关系,发现在El Ni?o事件之前,暖池的次表层海温都有明显正异常出现,它的东传导致了El Ni?o的发生,并且SOTA的传播随纬度变化,沿赤道东传,在赤道外西传.然后,选取了20世纪70年代和80年代两次最强的El Ni?o事件讨论了引起这种机制的可能原因--西风异常的作用.最后,对1964～1993所有的El Ni?o年的风场、次表层海温和海表温度的异常进行了综合分析.     

西太平洋暖池次表层海温异常 与ENSO循环的相互作用

利用1964～1993年的太平洋次表层海温资料,进一步分析研究了西太平洋暖池次表层海温异常与ENSO循环的关系。合成及相关分析的结果进一步表明,西太平洋暖池次表层海温的暖（冷）异常及其东传对ENSO的发生起着十分重要、且更直接的作用。然而,赤道西太平洋异常纬向风是造成次表层海温异常东传的重要原因,而纬向风的异常又是由于东亚冬季风异常活动所引起的,这间接地说明了异常东亚冬季风对西太平洋暖池次表层海温距平东传的重要作用。通过研究还发现,ENSO发生后,北半球副热带地区将有次表层暖（冷）海温距平沿着10～20oN纬带西传,这是导致西太平洋暖池次表层海温发生异常的重要原因之一。也就是说,西太平洋暖池次表层海温异常与ENSO循环之间是相互影响、相互作用的。     

热带太平洋地区风场异常和与El Nio有关的年际变化

利用1964~1993年NCEP/NCAR再分析风应力资料和中国科学院大气物理研究所发展的14层热带太平洋环流模式(OGCM),对热带太平洋与El Ni~no有关的年际变化进行了研究。首先,分析了西太平洋暖池次表层海温异常(SOTA)与Ni~no 3区海表温度异常(SSTA)的年际变化关系,发现在El Ni~no事件之前,暖池的次表层海温都有明显正异常出现,它的东传导致了El Ni~no的发生,并且SOTA的传播随纬度变化,沿赤道东传,在赤道外西传。然后,选取了20世纪70年代和80年代两次最强的El Ni~no事件讨论了引起这种机制的可能原因———西风异常的作用。最后,对1964~1993所有的El Ni~no年的风场、次表层海温和海表温度的异常进行了综合分析。     

西太平洋暖池次表层海温一场与ENSO关系的CGCM模拟结果

全球大气与热带太平洋相耦合的数值模式（ＣＧＣＭ） 很好地模拟了ＥＮＳＯ （ 厄尔尼诺和拉尼娜） 型海表水温（ＳＳＴ） 异常, 进一步分析多年的模式积分结果, 清楚地表明赤道中东太平洋ＳＳＴ 异常与西太平洋暖池次表层（ 深１００ ～２００ ｍ） 的海温异常有密切的关系。在Ｅｌ Ｎｉｎｏ 事件发生之前的半年到一年左右, 西太平洋暖池次表层海温有明显正异常,并向东传播; 而在Ｌａ Ｎｉｎａ 发生之前的半年到一年左右, 暖池次表层海温有明显负异常, 并向东传播。因此, 西太平洋暖池次表层海温异常及其东传对Ｅｌ Ｎｉｎｏ （Ｌａ Ｎｉｎａ） 的发生有极重要作用。     

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。     

热带太平洋盐度年际变化对海表温度异常作用比较：1997/1998、2014/2015和2015/2016年El Niño事件

海洋盐度变化为研究气候变化的机制提供了一个新的视角。本文通过对比1997/1998年、2015/2016年两次强厄尔尼诺（El Ni?o）事件和2014/2015年特殊El Ni?o事件,对盐度变化及其影响海表面温度异常（SSTA）的物理过程进行了比较分析。研究表明,El Ni?o和南方涛动（El Ni?o–Southern Oscillation, ENSO）发展的强弱与热带西太平洋大范围海表层盐度异常（SSSA）及其向东扩散的差异有明显关联。1997/1998、2015/2016年赤道东太平洋SSTA的增暖,对应两次强El Ni?o事件,在发生年4月,中西太平洋海域出现了明显的负SSSA,之后东移至日期变更线以西,SSSA引发的混合层深度（MLD）变浅、障碍层厚度（BLT）变厚,导致热带中—西太平洋表层升温增强,促使了赤道中太平洋的早期变暖;2014/2015年弱El Ni?o事件虽然在发生年4月,位于赤道中西太平洋出现了负SSSA,但没有发展东移,导致BLT的增厚过程减弱,对表层温度的调制作用减弱甚至消失。三次事件对应的盐度变化过程中,水平平流和淡水通量（FWF）引起的表层强迫是影响盐度收支的主要因子,水平平流影响盐度异常的前期变化,触发事件的发生;热带太平洋西部降水引起的FWF负异常的影响最为显著,对ENSO异常信号出现后SSSA的维持起决定性作用。相比较两次强El Ni?o事件,2014/2015年El Ni?o对应的早期FWF负异常没有发展和东移,并且之后迅速减弱,导致中西太平洋盐度负趋势减缓,MLD加深,BLT变薄,促使上表层海水冷却,抑制了赤道东太平洋的早期变暖和ENSO发展。研究结果表明,盐度变化与ENSO密切相关,热带中西太平洋海域早期表层盐度变化可能可以作为SSTA的指数。特别地,SSSA在调节SSTA时,不仅影响它的强度,而且可以作为判断ENSO是否发展及其强弱的前兆因子。     

热带西太平洋海温变化及其与赤道东太平洋海温变化的关系

利用１９５１－１９８８年１０°Ｓ－５０°Ｎ太平洋的ＳＳＴ资料对热带西太平洋海表温度的变化及其与赤道东太平洋海表温度变化的关系进行了分析，发现热带西太平洋ＳＳＴ存在准两年周期的变化。这种变化与ＥＮＳＯ活动相联系：Ｅｌ Ｎｉｎｏ年的ＳＳＴ距平值位于谷值；反Ｅｌ Ｎｉｎｏ年的ＳＳＴ距平值位于峰值。热带西太平洋与赤道东太平洋的ＳＳＴ变化存在弱的反相关关系。两者间存在位相差，前者的变化比后者超前几个月甚至１     

Observational evidences of Walker circulation change over the last 30 years contrasting with GCM results

In order to examine the changes in Walker circulation over the recent decades, we analyzed the sea surface temperature (SST), deep convective activities, upper tropospheric moistening, sea level pressure (SLP), and effective wind in the boundary layer over the 30-year period of 1979–2008. The analysis showed that the eastern tropical Pacific has undergone cooling while the western Pacific has undergone warming over the past three decades, causing an increase in the east–west SST gradient. It is indicated that the tropical atmosphere should have responded to these SST changes; increased deep convective activities and associated upper tropospheric moistening over the western Pacific ascending region, increased SLP over the eastern Pacific descending region in contrast to decreased SLP over the western Pacific ascending region, and enhanced easterly wind in the boundary layer in response to the SLP change. These variations, recognized from different data sets, occur in tandem with each other, strongly supporting the intensified Walker circulation over the tropical Pacific Ocean. Since the SST trend was attributed to more frequent occurrences of central Pacific-type El Niño in recent decades, it is suggested that the decadal variation of El Niño caused the intensified Walker circulation over the past 30 years. An analysis of current climate models shows that model results deviate greatly from the observed intensified Walker circulation. The uncertainties in the current climate models may be due to the natural variability dominating the forced signal over the tropical Pacific during the last three decades in the twentieth century climate scenario runs by CMIP3 CGCMs.     

Impact of Indian monsoon on the coupled atmosphere/ocean system in the tropical pacific

Summary This study addresses the relationship between the Indian summer monsoon (ISM) and the coupled atmosphere/ocean system in the tropical Pacific on the interannual time scales. High positive correlations are found between ISM rainfall and both mixed layer sea water temperature (SWT) and sea surface temperature (SST) anomalies of the tropical western Pacific in the following winter. Negative correlations between ISM rainfall and SST in the central/eastern Pacific also appear to be most significant in the following winter. These parameters are correlated with each other mainly on a biennial time scale. Lag-correlations between the zonal wind and SST along the the equatorial Pacific show that the westerly (easterly) surface wind stress anomalies over the central/western Pacific are greatly responsible for the formation of negative (positive) SST/SWT anomalies in the western Pacific and positive (negative) SST/SWT anomalies in the central/eastern Pacific. Furthermore, it is evidenced that these lagcorrelations are physically based on the anomalies in the large-scale convection over the Asian monsoon region and the associated east-west circulation over the tropical Pacific, which first appear during the Indian summer monsoon season and evolve during the following autumn and winter. These results strongly suggest that the Asian summer monsoon may have an active, rather than a passive, role on the interannual variability, including the ENSO events, of the coupled atmosphere/ocean system over the tropical Pacific.With 9 Figures     

我国秋季降水的年际变化及与热带太平洋海温异常分布的关系

利用我国160个站点58年(1951～2008年)的降水资料、NCEP/NCAR再分析环流资料和Hadley海表温度资料,对我国秋季降水年际变化的特征和可能成因进行了分析。结果显示,秋季降水前两模态分别反映长江流域及以南地区和长江以北的江淮、黄淮、华北、四川盆地北部至河套等地降水的变化,两降水模态的变化都以年际尺度为主,年代际变化特征不明显。就环流形势而言,第一模态的年际变化主要与西太平洋副热带高压的强度及相应的对流层低层菲律宾群岛附近的异常气旋/反气旋联系紧密,第二模态的年际变化则可能受到副热带高压的南北位置和相应的日本岛附近的异常气旋/反气旋的影响。同时,两模态及相应的异常环流还分别与热带东印度洋和热带西太平洋附近的异常垂直运动关系密切,热带地区的异常垂直运动可能通过经圈方向的异常环流影响到东亚地区。此外,两降水模态不仅与热带地区的异常环流关系密切,而且与热带海温异常也存在紧密的联系。与两模态相关联的热带太平洋海温异常显示出不同的分布特征,当热带东太平洋偏暖/冷,西太平洋偏冷/暖时,长江以南地区降水偏多/少。而当热带东太平洋和中太平洋一致偏暖/冷时,长江以北地区降水易偏少/多。两降水模态与热带海温及热带地区异常环流之间的密切关系显示热带太平洋海温异常的不同分布可能通过激发不同的热带地区异常垂直环流形势而对降水产生影响。     

Atmospheric Circulation Cells Associated with Anomalous East Asian Winter Monsoon

Atmospheric circulation cells associated with anomalous East Asian Winter Monsoon (EAWM) were studied using the 1948/49 to 2002/03 NCEP/NCAR reanalysis and NCAR CAM3 AGCM simulations with monthly global sea surface temperatures from 1950 to 2000. Several atmospheric cells in the Pacific [i.e., the zonal Walker cell (ZWC) in the tropic, the Hadley cell in the western Pacific (WPHC), the midlatitude zonal cell (MZC) over the central North Pacific, and the Hadley cell in the eastern Pacific (EPHC)] are associated with anomalous EAWM. When the EAWM is strong, ZWC, WPHC, and MZC are enhanced, as opposed to EPHC. The anomalous enhanced ZWC is characterized by air parcels rising in the western tropical Pacific, flowing eastward in the upper troposphere, and descending in the tropical central Pacific before returning to the tropical western Pacific. The enhanced MZC has characteristics opposite those of the enhanced ZWC in the central North Pacific. The anomalous WPHC shows air parcels rising in the western Pacific, as in the case of ZWC, followed by flowing northward in the upper troposphere and descending in the west North Pacific, as in the case of the enhanced MZC before returning to the western tropical Pacific. The anomalous EPHC is opposite in properties to the anomalous WPHC. Opposite characteristics are found during the weak EAWM period. The model simulations and the observations show similar characteristics and indicate the important role of sea surface temperature. A possible mechanism is proposed to link interannual variation of EAWM with the central-eastern tropical Pacific sea surface temperature anomaly (SSTA).     

INTERDECADAL AND INTERANNUAL VARIABILITIES OF AIR AND SEA AND THEIR RELATIONS OVER THE PACIFIC*

Regional differences and relations of the atmospheric and oceanic interdecadal and interannual variability in the Pacific are addressed in terms of period analysis and singular value decomposition(SVD) method.Results show that the interdecadal anomalies are more significant in the North Pacific(NP) than in the tropical Pacific(TP),and the interannual anomalies in the TP than in the NP in the variance of air-sea anomalies:the interdecadally variational character of a surface(shallow) layer sea and air is unanimous in the same season and region,and the transition of a high mode to a low one both occurred at the end of 1970s and the beginning of 1980s,with an exception for July in the NP,which is related to the stability of the stratification of sub-surface layer sea temperature:the interannual scale air-sea anomalies are associated with ENSO,which is most typical for January,then July in the TP,followed by January in the NP,and there is no visible relationships for July in the NP.     

热带大气垂直环流对海表温度异常的响应——一个初步的理论分析

本文提出了一个β平面定常的线性二维模式,并考虑了海面边界层和赤道侧向边界层,讨论了热带海表温度异常对大气所产生的垂直环流——经向环流和纬向环流。结果表明:热带大洋东部(例如太平洋)海表温度比平均状态暖而西部较冷时,其上空经向环流(Hadley环流)比平均状态强,而纬向环流(如在太平洋上,称Walker环流)弱。相反,当热带大洋西部暖而东部冷时,经向环流减弱,纬向环流加强。这些是与观测事实比较一致的。     

西北太平洋区域纬向风垂直切变的气候特征研究

西北太平洋区域纬向风垂直切变的变化是影响西北太平洋热带气旋生成和发展的一个重要的动力因子,弱的纬向风切变有利于热带气旋的发生、发展。文中将西北太平洋区域纬向风垂直切变幅度(MWS)定义为850与200 hPa的纬向风之差的绝对值,以研究MWS的气候特征。结果表明,西北太平洋区域的MWS有两个主要空间模态,第1空间模态表现为在15°N以南的热带西太平洋存在MWS东西向变化相反的两个区域,20°N附近的热带西太平洋MWS的变化与其以北海区的MWS的变化相反。第2空间模态表现为在热带太平洋140°E东、西的变化相反。研究了两个模态相关的大气环流特征,发现去掉强ENSO信号后,第1模态不但与低纬度大气环流有关,而且还与南、北半球中高纬度的大气环流有关,第2模态主要与热带西太平洋和北太平洋局地大气环流有关。另外,第1模态的时间系数与赤道东太平洋海温、西北太平洋台风生成频次有着密切联系;第2模态时间系数与西北太平洋台风活动频次联系密切。