热带大西洋年际和年代际变率的时空结构模拟

使用美国夏威夷大学发展的中等复杂程度海洋模式(IOM)在给定表面强迫条件下模拟了热带大西洋上层海洋年际和年代际变率的时空结构.利用NCEP的41a(1958～1998年)逐月平均表面资料作为强迫场,积分海洋模式41a作为控制试验,并利用模式分别做动量(风应力)通量和热量通量无异常变化的平行试验,与控制试验作比较.对3组试验模拟上层海洋变率状况的比较,并按年际和年代际时间尺度分别分析,揭示表面风应力和热通量异常对海表面温度和温跃层深度变化的影响,并比较了其影响的相对重要性.结果表明模式成功地模拟出了热带大西洋上层海洋的变率.模式模拟的海表面温度年际变化主要表现为弱ENSO型,年代际变化表现为南、北大西洋变化相反的偶极子型.在年际时间尺度上,热力强迫和动力强迫对海表温度变化都有贡献,其中赤道外海表面温度异常(SSTA)变化主要由热通量异常引起,而近赤道SSTA的变化主要由动量异常强迫引起.在年代际时间尺度上,热通量强迫的作用远比动量强迫重要.模式不仅能够模拟SST在年际和年代际时间尺度上的变率,还能够模拟温跃层深度在年际和年代际时间尺度上的变率.年际和年代际时间尺度上,温跃层深度的变率主要由动量异常决定,热通量异常强迫的贡献很小.     

基于ECCO数据研究上层海洋盐度对印度洋偶极子事件的不对称响应

本文利用海洋观测资料和全球海洋环流模式数据（Estimating the Circulation and Climate of the Ocean, ECCO）研究了赤道印度洋上层海洋盐度的年际变化及其相关的海洋动力过程。研究结果表明,上层海洋盐度年际变化主要受印度洋偶极子事件影响,且盐度变化在正、负印度洋偶极子事件中存在不对称特征,其在偶极子正事件中表现更强烈。进一步研究表明,赤道印度洋上层盐度变化主要受纬向平流输运调控,尤其是Wyrtki急流对盐度变化有重要影响。在正印度洋偶极子事件期间,Wyrkti急流减弱甚至消失,流场负异常的强度明显较负偶极子事件期间的流场正异常强度强。印度洋偶极子存在正偏度是造成盐度和流场在正、负印度洋偶极子事件中存在不对称性的主要原因。     

不同辐射背景下大西洋热盐环流下 沉区混合层深度变化

基于政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)4种最新辐射强迫情景,利用ECHAM5/MPI-OM(European Centre Hamburg Model 5/Max Planck Institute Ocean Model)气候模式输出的1850—2300年逐月混合层深度、海表面温度、海表面盐度数据,分析大西洋热盐环流下沉区混合层深度的变化情况。结果表明:随辐射强迫增加,热盐环流下沉区混合层深度下降,混合层深度振荡周期在格陵兰-冰岛-挪威海(Greenland Sea–Iceland Sea–Norwegian Sea,GIN)海域减小,在拉布拉多海(Labrador Sea,LAB)海域变化不大;与GIN海域相比,LAB海域混合层深度对辐射强迫变化更敏感;两海区温度对混合层深度的影响时间较长,混合层深度对盐度的变化反应迅速;混合层深度变化的主导因素在LAB海域中为盐度,而在GIN海域,低辐射强迫下温度主导混合层深度变化,中高辐射强迫下温度与盐度共同起主导作用。     

不同辐射背景下大西洋热盐环流下沉区混合层深度变化

基于政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)4种最新辐射强迫情景,利用ECHAM5/MPI-OM(European Centre Hamburg Model 5/Max Planck Institute Ocean Model)气候模式输出的1850—2300年逐月混合层深度、海表面温度、海表面盐度数据,分析大西洋热盐环流下沉区混合层深度的变化情况。结果表明:随辐射强迫增加,热盐环流下沉区混合层深度下降,混合层深度振荡周期在格陵兰-冰岛-挪威海(Greenland Sea–Iceland Sea–Norwegian Sea,GIN)海域减小,在拉布拉多海(Labrador Sea,LAB)海域变化不大;与GIN海域相比,LAB海域混合层深度对辐射强迫变化更敏感;两海区温度对混合层深度的影响时间较长,混合层深度对盐度的变化反应迅速;混合层深度变化的主导因素在LAB海域中为盐度,而在GIN海域,低辐射强迫下温度主导混合层深度变化,中高辐射强迫下温度与盐度共同起主导作用。     

2016与1998年春季北大西洋海表温度异常的差异及成因

利用再分析资料以及混合层海温诊断方程, 研究1997—1998与2015—2016年超级厄尔尼诺次年北大西洋海表温度异常(sea surface temperature anomalies, SSTA)的差异及成因。结果显示, 北大西洋SSTA在1998年春季呈明显正负正三极型式分布, 而在2016年呈弱的负正负型态。诊断热带北大西洋SSTA的影响因素表明, 1998年春季暖SSTA除了之前研究强调的海洋表面向大气的潜热输送异常减少, 以及吸收太阳辐射的增加外, 海洋动力过程即Ekman纬向漂流也起着重要的作用。热力过程与厄尔尼诺峰值后出现的北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)负位相有关, 其可引起亚速尔高压减弱, 产生西南风异常, 通过风-蒸发-海表温度(sea surface temperature, SST)反馈机制使热带北大西洋蒸发减弱, 海表增暖, 沃克环流下沉支的东移对这一增暖也有贡献。与1997—1998厄尔尼诺事件不同, 2015—2016厄尔尼诺事件没有强迫出负位相NAO, 而是出现弱NAO正位相, 热带北大西洋为弱的东风异常, 使海表发生一定的冷却, 形成2016春季北大西洋SSTA与1998年的明显差异。     

南海南部海域海面温度异常的时空分布特征

基于1982年1月—2006年12月NOAA Optimum Interpolation Sea Surface Temperature（OISST）的逐月平均海面温度（SST）资料，采用经验正交函数分解（EOF）方法分析了南海南部海面温度异常场典型的空间分布形态及其时间变化特征。结果表明，南海南部海域海面温度异常场空间上主要表现为三种典型的分布结构，即以研究区域北部为中心的海盆尺度的单涡结构、东西反相的经向偶极子分布结构和南北反相的纬向偶极子分布结构，这三种分布结构都以2—4年的年际变化周期为主，反映了研究海域海面温度异常与ENSO现象高度相关。此外，研究海域还存在显著的半年和季节内周期变化，这种变化周期主要以南北反相的纬向偶极子分布结构（第三模态）存在，反映了大气动力强迫和热力强迫共同影响的结果。     

全球春-秋季风降水的年际变化主模态时空特征

本文用季风区降水的年较差来表征季风的强度,对全球季风的春-秋季风降水强度年际变化的主模态进行了分析。研究表明,春-秋季风降水强度的年际变化主要体现在前两个模态的时空变化中,累积方差贡献为19.4%。第一模态为热带太平洋模态,体现了热带太平洋上的季风降水特征,这一模态主要受到ENSO事件的影响,特别是超强厄尔尼诺事件的衰减年对应着春季衰减的厄尔尼诺型海表温度异常和秋季发展的拉尼娜型海表温度异常,进而导致热带太平洋上出现较强的春-秋季风降水的反差。第二模态为热带大西洋模态,主要体现了热带大西洋上的季风降水特征,这一模态主要受到大西洋Nino的影响。     

基于再分析数据的南大西洋上层海洋热含量变化研究

南大西洋在地理上连接着北大西洋、南大洋和印度洋。通过环流输运或海表温度变化,该海域的上层海洋热含量(OHC)的变化可能对与之相连的各个洋盆间的再分布产生影响。本文基于1958—2015年的ORAS4全球海洋再分析数据和中国科学院大气物理研究所的格点海温数据集,利用经验正交函数(EOF)分析、相关分析等方法,分析了南大西洋上层海洋不同积分深度(0~100 m,0~300 m,0~500 m,0~700 m)OHC的时空变化特征。EOF第一模态显示,过去60 a来,南大西洋上层700 m存在一个洋盆尺度的变暖趋势,而且随着热含量积分深度的增加,第一模态所解释的方差占比也明显增加。OHC变化EOF第一模态与以年际变化为主的NAO和ENSO指数相关性很低,而与代表较长时间变率的AMO和PDO指数却有较好相关性,且与AMO的相关性随着积分深度的增加而提高。超前滞后相关分析显示AMO滞后南大西洋OHC变化9~12 a,显示南大西洋OHC变化对北大西洋气候变化的潜在影响。南大西洋OHC变化EOF第一模态与PDO之间相关性随着积分深度的增加而降低,显示PDO对OHC的影响主要在表层。另外发现整个洋盆的热含量变化与温跃层变化呈正相关,热含量的变化反映温跃层的动态波动。     

南印度洋偶极子及其影响研究进展

回顾了对南印度洋副热带海气相互作用的研究,总结了南印度洋偶极子事件背景下的气候变化。印度洋海表温度的方差表明南印度洋是整个印度洋海温变率最强的区域,年际海温变化最显著的特征就是海温呈现西南—东北向的偶极子型分布,被称为南印度洋偶极子(Southern Indian Ocean Dipole, SIOD)。南印度洋海温偶极子的形成主要是受大尺度大气环流调整的影响。南印度洋副热带反气旋环流异常引起了印度洋热带东风异常和副热带西风异常的变化,影响了潜热通量、上升流和Ekman热输送,进而引起了海温变化。SIOD对热带和热带外大气环流也有影响,尤其会影响亚洲夏季风降水异常,例如我国的降水异常和南印度洋偶极子海温异常具有显著相关关系。此外,SIOD模态所引起的经向环流异常与南海、菲律宾地区的反气旋环流异常也有紧密联系。     

亚洲季风区气候对北大西洋年代际振荡冷暖位相的对称和非对称响应

利用NCEP大气环流模式,模拟了亚洲季风区气候对北大西洋正、负海温异常的响应。研究表明:亚洲季风区气候对北大西洋年代际振荡(AMO)的影响存在线性和非线性响应;AMO的暖位相造成欧亚大陆增温以及印度地区北暖南冷的偶极子型分布,主要是线性因素的作用;夏季、秋季印度半岛降雨增多,是线性因素和非线性因素共同作用的结果,且非线性因素带给印度半岛的降水多集中在西部。     

南海表层水温年际变化的大尺度特征

通过对COADS海洋气象资料的分析,得出南海表层水温(SST)年际变化的若干大尺度特征.结果表明:南海SST年际具有一定的准周期性,其显著周期为24～30个月;南海SST年际变化与年循环之间有着一种锁相关系,关键位相在于北半球冬春季节;南海典型冷暖年份合成SST距平场的时空结构十分相似;在年际时间尺度上,南海SST和南方涛动指数有反相关系,与经向风海面热收支之间有同位相关系;南海暖池面积指数的年际变化与南海SST年际变化一致.     

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。     

北半球热带中太平洋与印度洋海表温度梯度对夏季西北太平洋热带气旋生成频数变化的影响

基于1951—2018年哈德里中心海温资料、美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心再分析资料和第四代欧洲中心汉堡模式, 针对1994年、2018年等西北太平洋热带气旋(TC)生成异常多的年份, 研究了引起TC增加的海表温度异常(SSTA)模态及其影响机制。结果表明, 北半球热带中太平洋增暖与印度洋变冷是夏季西北太平洋TC生成频数增加的主要原因, 北大西洋负三极型式SSTA促使TC生成的进一步增加。热带中太平洋增暖与印度洋冷却在菲律宾以东激发出西风异常和气旋性环流异常。北大西洋负三极型式SSTA在我国南海、菲律宾至东南沿岸激发出气旋性环流异常。前者在西北太平洋中部, 后者在南海产生有利于TC生成的局地环境。1994年和2018年夏季热带中太平洋出现暖SSTA、印度洋为冷SSTA、北大西洋呈现负三极型式SSTA, 西北太平洋TC生成频数极端增多。近30年来, 当出现热带中太平洋增暖和印度洋冷却时, 北大西洋表现出比1989年以前更强的负三极型式SSTA, 使西北太平洋TC生成频数和北半球热带印度洋-太平洋SSTA梯度的线性相关更显著。     

Climate teleconnections at monthly time scales in the Ligurian Sea inferred from satellite data

The existence and spatial distribution of possible teleconnections between the South Pacific and North Atlantic oceans and the Ligurian Sea (North-western Mediterranean) are investigated in the present paper. Teleconnections are searched by cross-correlating monthly spatio-temporal time series of 1.1 km resolution sea surface temperature (SST), and a 22.2 km resolution sea level anomaly (SLA), measured from satellite from March 1993 to August 1999, with two indices characterising the South Pacific and the North Atlantic variability: the Southern Oscillation (SO) and the North Atlantic Oscillation (NAO) indices, respectively. Concerning the variability induced by the North Atlantic Ocean, it is shown that it mostly influences the SLA field in the Ligurian Sea. Specifically, relevant anti-correlations between SLA and North Atlantic variability have been found in all the Ligurian sub-basin. As expected by geographical proximity, the effects of North Atlantic on the SLA field in the Ligurian Sea are instantaneous at monthly time scales. Instead, correlations between SST and NAO Index are found at time lag τ = 1 month in the southern part of the basin highlighting the memory of the ocean related to their heat capacity. Significant anti-correlations between SO Index and the SST field in the Ligurian Sea, were obtained at time lag τ = 4 months in the coastal areas of the sub-basin. Results also indicate that the impact of teleconnections in the area studied is not geographically uniform.     

2000-2008年期间南海海面温度的年际与空间变异

通过对2000-2008年更高空间分辨率的南海海面温度(SST)的卫星遥感数据进行经验正交函数(EOF)分析,着重研究21世纪以来整个南海海域SST年际变化的时空变异,并探讨了其与南海海面风场和海面高度的关系,以及期间南海发生的两次负异常事件的特点和成因.SST年际变化的第一模态表现为全海盆同相变化,年际振荡主要发生在...     

南印度洋SST与南亚季风环流年代际变化的研究

利用美国NCEP全球大气再分析资料和JONES全球海表面温度异常(SSTA)资料，分析了南印度洋SSTA和南亚季风环流年代际变化的特征。研究发现，无论是南印度洋副热带海水辐合区的SST还是赤道以北非洲西海岸附近上升运动海区的SST的长期变化趋势，除了准3-5年的变化以外，还存在着明显的年代际的变化。对于全球最显著南亚季风环流的分析表明，南亚季风环流也存在明显的年代际时间尺度的变化。与南太平洋SST的年代际变化相比，南印度洋SST的变化周期要相对短一些。通过分析南半球冷空气年代际活动的特征发现，冷空气与南印度洋SST年代际时间尺度的变化具有密切的联系。     

Relationships between interannual variations in stratospheric warmings, tropospheric circulation, and sea surface temperature in the Northern Hemisphere

The leading modes of interannual and long-term variations in the stratospheric and tropospheric circulation and total ozone (TOMS data) and their relations to Northern Hemisphere sea surface temperature (SST) anomalies are investigated using the monthly mean NCEP/NCAR reanalysis data for the winter months of 1958–2003. Strong correlations are indicated between the interannual total ozone variations over Labrador and the North Atlantic and changes in the stratospheric polar vortex. The onset of major stratospheric warmings is connected not only with the strengthening of westerlies at the 500-hPa level in the midlatitude Atlantic, but also with the weakening of tropospheric winds over the north of eastern Siberia and strengthening over the Far East. In years with major stratospheric warmings, abnormally cold winters are observed in Eurasia, especially in eastern Siberia and northeastern China. The calculated simultaneous (with no time lags) correlations of the stratospheric circulation changes with El Niño/La Niña events give evidence of low correlations between the tropical Pacific SST anomalies and the stratospheric dynamics in the Arctic. However, there are high correlations of the extratropical Pacific and Atlantic SST anomalies with interannual tropospheric and stratospheric circulation variations, the stratospheric dynamics being more strongly connected with Pacific SST than with Atlantic SST anomalies. The interannual changes in tropospheric circulation are coupled to SST anomalies in both the Pacific and the Atlantic. Mechanisms of long-term changes in the interactive ocean-atmosphere-ozone layer system are discussed.     

基于CORA资料的中国海海表面温度季节和年际变化特征分析

基于1986-2008年的中国近海及邻近海域再分析产品(CORA),采用经验正交函数分解方法(EOF)分析了海表面温度(SST)的季节及年际变化特征,并用相应的SODA、AVHRR以及Levitus资料对CORA做了对比评估。相比于AVHRR而言,CORA资料SST的偏差和均方根误差均小于SODA,相比Levitus资料而言CORA资料温度盐度的均方根误差随深度的变化皆小于SODA。 CORA与SODA资料相比,两者前3个模态的时空分布大体一致,区别在于CORA资料能更好地反映参量的一些细微特征。结果表明,CORA资料能很好的刻画中国近海SST的季节、年际变化特征,尤其是黑潮流经区域SST的局地变化特征。季节EOF第二模态显示的是SST对由风引起的潜热释放的响应特征。第三模态刻画了冬夏转换季的分布特征,主要揭示了东北-西南走向的锋面特征。SST年际变化与ENSO密切相关,区域平均的南海SSTA与Nino指数的吻合程度CORA优于SODA。     

Atlantic meridional overturning circulation and phosphate-classified bottom-up control of Atlantic pelagic ecosystems through the 20th century

Both the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) and the North Atlantic Ocean (NA) biosphere have recognized associations with the North Atlantic Oscillation (NAO). These multidecadal physical–biological affinities inspired a closer look at AMOC influences on bottom-up control of NA and South Atlantic Ocean (SA) pelagic ecosystem variability. Various ocean models associate changes in the AMOC with sea surface temperature (SST) differences in the western subpolar NA and SA represented as the Atlantic Dipole SST Anomaly (ADSA) index. The Extended Reconstructed SST version 2 (ERSSTv2) dataset for 2° quadrangles from 1890 to 2007 was used here to represent Atlantic Ocean SST patterns and to gauge 20th century AMOC variability using an Atlantic Dipole SST (ADS) index, an un-normalized version of ADSA index. Temperature–phosphate (T–PO₄) linear regressions were used to convert temperature to phosphate concentration ([PO₄]). The interannual stability of T–PO₄ linear regressions first was examined using 26 Bermuda area T–PO₄ datasets between 1958 and 2001. Within the constraints provided by the Bermuda analysis, climatological T–PO₄ linear regressions based on GEOSECS-derived slopes and NODC-derived X-intercepts supported the conversion of monthly Atlantic Ocean ERSSTv2 temperatures for each 2° quadrangle to monthly surface [PO₄]. A representative annual surface phosphate utilization (SPU) was calculated for each 2° quadrangle by subtracting monthly minimum surface [PO₄] from monthly maximum surface [PO₄] to determine the annual surface [PO₄] ranges from 1890 to 2007. Annual average SST tended to increase and overall annual average SPU tended to decrease through the 20th century in both the NA and SA, but the NA exhibited more temporal variability. An Atlantic Dipole Phosphate Utilization (ADPU) index related to the ADS index was calculated for each year from 1890 to 2007. The ADS and ADPU indices were inversely correlated with about 57% of the variability in the ADPU index explained by the ADS index. The ADPU index exhibited three distinct cycles through the 20th century. Cross-correlation analysis showed that the NAO led the ADS and ADPU indices by about 14 years. Differences in annual average SPU for each Atlantic Ocean 2° quadrangle between the three high and four low years of the ADPU cycles yielded six maps that, when averaged, clearly exhibited reversed east–west patterns distributed in alternating latitudinal bands in both the NA and SA. The east–west patterns spatially corresponded to the NA and SA surface circulation and temporally resembled NA patterns previously associated with the NAO. AMOC variability, mediated by Kelvin and Rossby waves associated with changes in both deep and surface arm circulation, likely contributed to meridional continuity of phosphate-classified, NA, and SA pelagic ecosystem variability, including fisheries, through the 20th century. Based on the results, future global warming influences on the AMOC, well short of shutdown, likely will have complex pelagic ecosystem impacts throughout the Atlantic Ocean.     

吕宋海峡Ekman输运和南海SST的相关性分析

在利用1950—2009年NCEP(National Center for Environmental Prediction)资料分析风场数据的基础上,计算吕宋海峡的Ekman输运,研究表明其存在显著的季节变化,除了夏季外,其它季节均为由太平洋向南海输运。分析吕宋海峡Ekman输运和南海海盆表征上层热力状况的海表面温度SST(Sea Surface Temperature)之间的关系发现:在年内时间尺度上,两者不存在显著的同期相关,Ekman输运对SST的影响开始于一个月之后,从北部向南扩展,第二个月最为明显,并扩展至整个海盆,第三个月开始衰减,第四个月影响消失,且相关性为正;在年际尺度上,吕宋海峡Ek-man输运的异常同南海SSTA(Sea Surface Temperature Abnormal)的第二模态存在显著的相关联系,并且吕宋海峡Ekman输运和南海SSTA的相关关系在北部为正,南部为负。吕宋海峡Ekman输运调制南海大尺度环流,通过暖、冷平流的作用影响南海SST的变化。