The hindcast of winter and spring Arctic and Antarctic Oscillation with the coupied climate models

研究评估了耦合气候模式对冬、春季北极涛动(AO)和南极涛动(AAO)的预测效能.结果表明,模式对于北极涛动和南极涛动的模拟能力都是比较强的,其中,对冬季的模拟能力要强于春季.冬季,几乎所有的模式都能很好地模拟出对流层内北极涛动的空间分布形态特点,空间相关系数很高.春季,大部分模式的模拟结果仍然是比较好,与再分析资料结果的空间相关性比较高.对于南极涛动,模式在全年对流层各个层次上都能比较好地刻画其空间分布,且模式在850 hPa等压面上的空间模拟效能要稍强于海平面.相对来说,冬季的模拟效果也稍强于其他季节,但是,差异不显著,模式与模式的差别也比较小.另外,模式对于北极涛动和南极涛动的时间序列模拟能力有限,时间序列相关系数只有少数几个模式达到显著性水平.     

基于IPCC AR4耦合模式的南极涛动和北极涛动的模拟及未来变化预估

评估了参加政府间气候变化委员会第4次评估报告(IPCCAR4)的耦合模式对南极涛动和北极涛动的模拟能力。分析了24个模式对1970—1999年南极涛动和北极涛动的模拟效能,并与两套再分析资料ERA-40和NCEP-1进行了对比分析。结果表明,模式的模拟能力具有一定的季节依赖性,冬季模拟能力最好。大多数模式对南极涛动空间结构和时间序列趋势的模拟好于北极涛动。根据Taylor图选出具有较好模拟能力的模式并做集合分析,发现经过选取的模式集合可以明显改善模式的模拟能力。分析SRESA1B情景下的南极涛动和北极涛动的模拟、预估结果表明:1970—2099年,南极涛动和北极涛动指数均呈持续上升趋势,北极涛动指数增长略显平稳。相对于1970—1999年、2060—2089年两半球的海平面气压场均呈现极区气压降低、中纬度气压升高的形态,同样表明南、北极涛动在后一时段更强。因此,在气候变暖背景下,南、北极涛动将持续增强,21世纪中期的臭氧恢复可能不会显著影响这种趋势。     

南北涛动与南极涛动及北极涛动的相互作用

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了南北涛动（Interhemispheric Oscillation,IHO）与北极涛动（Arctic Oscillation,AO）和南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）的联系。分析表明：1）北极涛动（AO）、南极涛动（AAO）与全年各自半球中高纬度地表气压变化密切联系。其中,AO冬季强度最强,且在春季、冬季的影响范围大。而AAO对南半球中高纬的地表气压变动影响更为明显,其在夏季影响范围最大。2）南极涛动（AAO）与南北涛动（IHO）有很好的同期相关性,南极涛动可部分解释南北涛动的形成。IHO与AO存在不显著的负相关,南北半球中高纬大气运动具有相对独立性。3）南北涛动（IHO）与全球较大范围内的地面气压变化有关,而去除AAO信号后,夏季在南极地区原显著相关区显著减少,夏季AAO与IHO存在密切联系。4）南北涛动（IHO）主要与春季、秋季和冬季亚洲、欧洲北部地面气温关系密切。秋季最强,春季次之,冬季最弱。夏季IHO与全球地面气温没有较好的联系。亚欧大陆北部的热力作用可能部分地解释了南北涛动的形成。     

夏季北极涛动的时空特征

运用NCEP/NCAR SLP再分析月资料,分析研究了北极涛动的季节性差异,着重讨论了夏季北极涛动的时空特征。结果表明,除了强弱的季节差异,夏季北极涛动与冬季北极涛动在空间模态上也存在较大差异,主要表现在夏季北极涛动的中纬度强活动中心从北大西洋地区转移到亚洲大陆上,其亚洲中心只在对流层低层比较明显,强度随高度增加而减小,因而在对流层中呈现出比冬季北极涛动更强的斜压性。这种模态在年际和月际时间尺度上均有所体现。夏季北极涛动在近50年来一直存在稳定的准22年周期,其次为6~7年周期。另外,从1970年左右开始出现准2年周期振荡,而1970年代以前准2年周期不明显。     

CMIP5模式对北极涛动的模拟评估

基于国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)历史试验(historical)的输出结果,评估了26个耦合模式对北极涛动(AO)的模拟能力。对各模式逐月AO指数序列的功率谱分析表明,有23个模式能够模拟出AO模态无显著变化周期的特征。这些模式也能够较好地再现冬季AO在海平面气压场上的主要分布特征,但均高估了AO模态的强度。对于伴随着冬季AO位相变化而出现的中高纬度偶极型的纬向平均纬向风异常,CMIP5中只有一些模式有较好的模拟表现,大多数模式对其中心位置和强度的模拟存在明显不足。对比之下,MPI-ESM-P对AO时空特征的模拟更接近观测结果。     

关于北半球准定常行星波年际变化的资料分析和数值模拟

利用NCEP/NCAR再分析资料和大气环流模式(CCSR/NIES AGCM Ver.5.6), 对北半球冬季准定常行星波活动的年际变化进行了分析和模拟.基于以前对EP通量散度的遥相关分析, 作者将EP通量散度的EOF第一分量时间序列T1定义为年际变化指数.对应于T1的高指数, 在对流层和平流层低层, 准定常行星波更多地折向赤道传播, 从而在对流层出现一个EP通量散度的偶极子型异常, 这一形势主要来自2波和3波的贡献; 而折向高纬度经极地波导向上传播的行星波活动减弱了, 在高纬度产生异常辐散, 这一形势主要来自1波和2波的贡献.相关和回归分析发现, 准定常行星波的年际变化与北极涛动有密切联系, 与T1对应的纬向平均流场以及位势高度场的异常分布都与北极涛动下的异常形势非常相似.利用大气环流模式模拟的结果显示, 模式在对流层可以很好地模拟准定常行星波的年际变化以及北极涛动形势, 并且二者同样密切相关.但是模式还不能很好地模拟行星波经极地波导向平流层传播的年际变化, 对可能的成因也进行了探讨.     

北极涛动和南极涛动的年变化特征

北极涛动(Arctic Oscillation,简称AO)和南极涛动(Antarctic Oscillation,简称AAO)分别用于描述北半球和南半球热带外气候变率的主要模态,它们分别是北半球和南半球中纬度和高纬度之间气压变化的跷跷板结构.作者利用1958年1月～1999年12月的NCEP/NCAR全球再分析月平均资料、北极涛动指数IAO和南极涛动指数IAAO来研究AO和AAO的年变化特征以及AO和AAO与纬向平均的月平均各要素场的相关系数随纬度和月份的变化规律.     

冬季北极涛动对西伯利亚高压、东亚冬季风以及海冰范围的可能影响

利用NCEP／NCAR月平均再分析资料（1958－1997），月平均海表面温度资料（1950－1992）以及月的海冰密集度资料（1953－1995），研究了冬季北极涛动与西伯利亚高压、东亚冬季风以及巴伦支海海冰范围之间的联系。研究结果表明，冬季北极涛动不仅影响北极和北大西洋区域气候变化，并且可能影响冬季西伯利亚高压，进而影响东亚冬季风。当冬季北极涛动处于正位相时，冬季西伯利亚高压和东亚冬季风都偏弱，在西伯利亚南部和东亚沿岸，包括中国东部、韩国和日本，从地表面到对流层中部气温偏高0.5-2℃。当冬季北极涛动处于负位相时，结果正相反。研究结果还表明，冬季西伯利亚高压对北极以及北大西洋区域气候变化没有显的影响，与北极涛动的影响相比，西伯利亚的影响强度和范围明显偏弱。研究进一步揭示了冬季北极涛动可能影响西伯利亚高压的可能机理。冬季西伯利亚高压与动力过程以及从地表面到对流层中部的气温变化有密切的关系。西伯利亚高压的西部变化主要依赖于动力过程，而其东部与气温变化更为密切。冬季西伯利亚高压的维持主要依赖于对流层中的下沉气流，这种下沉气流源于北大西洋区域，其变化受到北极涛动的影响。当冬季北极涛动处于正（负）位相时，气流的下沉运动明显减弱（增强），进而影响冬季西伯利亚高压。此处，冬季北极涛动对同时期的巴伦支海海冰范围有显的影响。     

北极涛动与北大西洋涛动的差异

根据北极涛动和北大西洋涛动指数的时间序列,选取两者差异较大的13个年份进行合成分析。结果表明：除北太平洋地区外,北极涛动与北大西洋涛动差异最显著的区域是西欧-地中海区域和亚洲东北部地区。北极涛动高指数阶段,对流层中层为纬向二波的驻波型,分别对应于极地-欧亚遥相关型和太平洋-北美遥相关型。同时,纬向平均纬向风偶极型使西风急流向极地偏移,与增强的中纬度经圈环流相互作用,引导对流层上层异常信号向下传播,形成高低空耦合机制。进一步分析发现,这种中纬度经圈环流异常和高低空耦合形势的差异主要表现在欧亚大陆地区;在北大西洋区域差异并不显著。     

异常弱的南极涛动和2006年我国春季沙尘气候形势

从2005/2006年冬季南极涛动的变异出发,讨论2006年我国春季沙尘气候形势,进而考察南极涛动对我国沙尘气候的预测能力。2005/2006年冬季南极涛动非常弱,在两半球间的经向遥相关的作用下,出现南半球中高纬西风减弱,欧亚西风减弱,欧亚冷空气活跃,西伯利亚、蒙古国、我国北方大部地区(包括华北)2005年冬季12月气温较多年平均偏低,这样就造成沙源地区的冻土层增厚,春季回暖后,沙尘物质条件丰富。因此,在弱南极涛动的影响下,春季蒙古气旋活跃,地面大风增加,我国华北地区春季沙尘天气频繁发生。     

The Hindcast of Winter and Spring Arctic and Antarctic Oscillation with the Coupled Climate Models

This study evaluates the ability of the global coupled climate models in hindcasting the Arctic Oscillation (AO) and Antarctic Oscillation (AAO). The results show that the models can well simulate the spatial distribution of AO with better results in winter than in spring. In the troposphere in spring, the simulation of AO on the whole is still relatively good with a comparatively high correlation with the NCEP/NCAR reanalysis. The models can also well reproduce the spatial distribution of AAO throughout the year at all levels of the troposphere, and the spatial simulation is better at 850 hPa than at the surface. Although the simulation is better in winter than in other seasons, the seasonal variation is not so significant and the differences among different models are relatively small. In addition, the capability of the models for “predicting” the AO and the AAO index time series is limited, because only a few models can capture their observed interannual variability at the 95% significance level.     

CMIP3及CMIP5模式对冬季和春季北极涛动变率模拟的比较

结合NCEP再分析资料,评估了28个参加第五次耦合模式比较计划（CMIP5）的耦合模式对1950-2000年冬、春季北极涛动（AO）变率的模拟能力,并与CMIP3模式模拟结果进行了对比。结果表明,尽管CMIP5模式没能模拟出冬、春季AO指数前30年处于显著的负位相期而后20年处于显著的正位相期的特征,但是基本能够模拟出冬、春季AO指数1950-2000年显著的增强趋势以及振荡周期,多模式集合改进了模拟效果。同样,CMIP3模式没能模拟出冬、春季AO指数前30年处于显著的负位相而后20年处于显著的正位相的特征,而且1950-2000年冬、春季AO指数的增强趋势在CMIP3模式模拟结果中也没有表现出来,多模式集合没有改进模式模拟效果。不仅如此,CMIP3模式对AO指数的长期变化周期模拟不好,只是模拟出了冬季周期为2～3 a的振荡,没有模拟出春季AO指数的4～5 a振荡周期。尽管CMIP5模式对冬、春季AO指数的模拟能力还不够理想,没有完全模拟出AO指数的变化特征,但是相对于CMIP3模式,无论是对AO指数变化趋势的模拟还是对其变化周期的模拟,CMIP5模式都有所提高。     

Arctic Oscillation and Antarctic Oscillation in Internal Atmospheric Variability with an Ensemble AGCM Simulation

In this study, we investigated the features of Arctic Oscillation （AO） and Antarctic Oscillation （AAO）, that is, the annular modes in the extratropics, in the internal atmospheric variability attained through an ensemble of integrations by an atmospheric general circulation model （AGCM） forced with the global observed SSTs. We focused on the interannual variability of AO/AAO, which is dominated by internal atmospheric variability. In comparison with previous observed results, the AO/AAO in internal atmospheric variability bear some similar characteristics, but exhibit a much clearer spatial structure： significant correlation between the North Pacific and North Atlantic centers of action, much stronger and more significant associated precipitation anomalies, and the meridional displacement of upper-tropospheric westerly jet streams in the Northern/Southern Hemisphere. In addition, we examined the relationship between the North Atlantic Oscillation （NAO）/AO and East Asian winter monsoon （EAWM）. It has been shown that in the internal atmospheric variability, the EAWM variation is significantly related to the NAO through upper-tropospheric atmospheric teleconnection patterns.     

CMIP5模式对春季北极涛动影响后期冬季ENSO不对称性的模拟能力分析

根据观测资料的研究指出春季北极涛动(Arctic Oscillation, AO)对随后冬季厄尔尼诺-南方涛动(El Nino–Southern Oscillation, ENSO)的影响具有明显不对称性。春季AO处于正位相时,它对随后冬季厄尔尼诺(El Nino)事件的影响显著,然而春季AO负位相对随后冬季拉尼娜(La Nina)的影响不明显。本研究分析了30个来自CMIP5的耦合模式对春季AO与随后冬季ENSO不对称性关系的模拟能力。30个CMIP5耦合模式中,只有CNRM-CM5和GISS-E2-H-CC模式能较好地抓住春季AO与冬季ENSO的联系。进一步分析这两个模式中春季AO与冬季ENSO的不对称性关系,发现CNRM-CM5模式能较好地再现春季AO与冬季ENSO的非对称关系,即春季AO正(负)位相会导致赤道中东太平洋出现El Nino(La Nina)型海表温度增暖(冷却)。然而,GISS-E2-H-CC模式的模拟结果显示,春季AO对随后冬季ENSO的影响是对称的。本文随后解释了CNRM-CM5(GISS-E2-H-CC)模式能(不能)模拟出春季AO与冬季ENSO不对称关系的原因。对于CNRMCM5模式,在春季AO正位相年,副热带西北太平洋上空存在明显的异常气旋和正降水异常,正降水异常通过Gill型大气响应对赤道西太平洋异常西风的形成和维持起着重要作用,异常西风通过激发向东传播的暖赤道Kelvin波对随后冬季El Nino事件的发生产生显著的影响;然而,在春季AO负位相年,副热带北太平洋的异常反气旋和负降水异常较弱,导致赤道西太平洋的异常东风不明显,因此,春季AO负异常对随后冬季La Nina的影响不显著。所以,CNRM-CM5模式能够较好地抓住春季AO对随后冬季ENSO事件的非对称性影响。相比之下,对于GISS-E2-H-CC模式,春季AO正(负)位相年副热带西北太平洋上存在显著的正(负)降水异常,通过Gill型大气响应在赤道西太平洋激发出明显的异常西(东)风从而影响随后冬季的El Nino(La Nina)事件。因此,在GISS-E2-H-CC模式中,春季AO对随后冬季ENSO具有对称性影响。另外,模式捕捉春季AO对随后冬季ENSO非对称性影响的能力与模式对春季AO空间结构的模拟能力有一定的联系。     

On the Differences and Climate Impacts of Early and Late Stratospheric Polar Vortex Breakup

The stratospheric polar vortex breakup (SPVB) is an important phenomenon closely related to the seasonal transition of stratospheric circulation. In this paper, 62-year NCEP/NCAR reanalysis data were employed to investigate the distinction between early and late SPVB. The results showed that the anomalous circulation signals extending from the stratosphere to the troposphere were reversed before and after early SPVB, while the stratospheric signals were consistent before and after the onset of late SPVB. Arctic Oscillation (AO) evolution during the life cycle of SPVB also demonstrated that the negative AO signal can propagate downward after early SPVB. Such downward AO signals could be identified in both geopotential height and temperature anomalies. After the AO signal reached the lower troposphere, it influenced the Aleutian Low and Siberian High in the troposphere, leading to a weak winter monsoon and large-scale warming at mid latitudes in Asia. Compared to early SPVB, downward propagation was not evident in late SPVB. The high-latitude tropospheric circulation in the Northern Hemisphere was affected by early SPVB, causing it to enter a summer circulation pattern earlier than in late SPVB years.     

冬季北极涛动和华北冬季气温变化关系研究

利用北极涛动指数（AOI）、NCEP／NCAR40a再分析资料中的海平面气压（SLP）、850、500、200hPa等压面高度场资料及中国160站月平均气温资料，运用小波分析，经验正交函数（EOF）分析等方法，分析了华北冬季气温和冬季北极涛动指数的变化特征及其关系。结果表明它们之间存在有着显著相关，特别是在年代际尺度上关系尤其密切。华北在20世纪70年代初以前为持续冷冬，80年代中期之后变为持续暖冬，其间相对正常，而冬季北极涛运指数亦存在类似的3个阶段，冬季北极涛动高（低）低数年，华北地区为暖（冷）冬年。其原因在于，北极涛动在于对流层低层和高层都可激发类似EU遥相关型的异常，通过影响西伯利亚高压和东亚大槽影响华北地区气温。强（弱）涛运年大气环流具有弱（强）东亚冬季风特征，西伯利亚高压减弱（增强），亚洲大陆地面东北风减弱（增强），高空东亚大槽减弱（增强）。