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.     

对厄尔尼诺事件和海洋环流的数值模拟研究

用太平洋海洋环流模式，模拟研究热带太平洋海温和环流的年际变化特征和机制．用观测的逐月风应力强迫模式，模拟１９７１～１９９５年发生的主要厄尔尼诺事件．说明风应力异常对厄尔尼诺生成起主要作用．对海温异常峰值附近３个月海温和洋流的综合分析表明：在厄尔尼诺事件时，１６０°Ｗ以西温跃层上升，以东温跃层下降，温跃层的东西倾斜显著变小．同时沿赤道的垂直环流圈减弱，中东赤道太平洋涌升流、海表层向西的赤道洋流和次表层向东的赤道潜流都减弱且厚度减小；在反厄尔尼诺时，情况则相反．     

有无El Ni?o情况下印度洋偶极子演变特征及机理研究

基于NCEP、SODA等再分析资料,采用合成分析和2.5层简化海洋模型数值模拟等方法,分析了El Ni?o和正印度洋偶极子(IOD)事件不同配置情形下印度洋海温异常的演变特征,并重点探讨了联合IOD和独立IOD事件中,关键海区海温异常的发展演变及其可能机制。对于联合IOD事件,初期马里沿岸的增暖可能对其发生起主要的激发作用;而对于独立IOD事件的发生,则可能是赤道东南印度洋的降温起主导作用。不同类型IOD事件中,热带印度洋海表温度异常(SSTA)和海面高度异常(SSHA)的演变特征有明显差别,孟加拉湾上空降水异常所起的作用也不一样,印度洋不同海区混合层温度异常的演变机制也有显著不同。基于2.5层简化海洋模式结果的分析表明,各个海区的热力、动力过程在不同IOD事件有着不同的作用。例如在索马里沿岸海区:对于联合IOD事件,西印度洋赤道东风异常和索马里沿岸东北风异常,有利于该海区出现纬向平流热输送和海表热通量正异常,从而增暖。而对于独立IOD事件,阿拉伯海上空的强西南风异常,加强了索马里沿岸底层冷水的上翻和海表的热通量损失,导致前期纬向平流和夹卷混合的负异常以及后期海表热通量的负异常,使得该海区变冷。      

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.     

东亚持续强冬季风影响赤道海表温度初始异常的数值试验研究

通过数值模拟和理论分析 ,文中指出在强东亚季风期间不仅在欧亚大陆和北印度洋出现强大的反气旋环流异常 ,而且通过海气相互作用在北太平洋西部和西北部形成异常气旋式流场 ;在其东南部产生异常反气旋式流场。在这种流场异常的驱动下赤道西太平洋西风加强 ,海面升高 ,海表温度上升 ,赤道中东印度洋和东太平洋东风加强 ,海面降低 ,海表温度下降。证明由于海表温度异常及海表温度变化趋势存在积分关系 ,因此持续的强东亚冬季风所强迫的沿赤道海表温度变化趋势的上述分布的强讯号可以在海洋中存在近一年之久 ,为尔后赤道太平洋 ENSO事件的可能发展提供初始条件 ,也为跨季度气候预测提供前期讯号     

一个大洋环流模式和相应的海气耦合模式的评估Ⅰ.热带太平洋年平均状态

评估了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体动力学数值模拟国家重点实验室海洋环流模式L30T63和海气耦合模式FGCM-0模拟的热带太平洋年平均状态,资料取自L30T63由观测的大气强迫驱动的Control试验、由NCAR CCM3大气强迫驱动的Spinup试验、以及相应的海气耦合模式FGCM-0.主要的结论是:(1)在"准确"的海表强迫下,Control模拟的海面温度和温跃层与观测结果相当接近,模式的固有误差是赤道冷舌过分西伸和东南太平洋温跃层偏浅.(2)Spinup能模拟出合理的热带太平洋上层海洋环流,但存在两个问题,即:暖池区海面温度显著偏高、沿赤道的梯度过大;赤道温跃层偏浅、东西向坡度偏小,它们分别与CCM3提供的海表短波辐射通量和风应力的系统误差有关.这两个问题很可能是海气耦合模式FGCM-0运行初期误差迅速发展的重要原因.(3)FGCM-0模拟的赤道暖池区上层100 m的平均温度比观测低3℃.分析表明FGCM-0夸大了暖池区海洋动力过程的降温作用,使得模拟的"暖池"在一定程度上具有冷舌的属性.FGCM-0模拟的热带南太平洋温跃层比观测结果偏浅数十米到100 m,以致赤道两侧的上层海洋温度分布趋于对称,成为"double ITCZ"现象在上层海洋中的表现.风应力旋度的系统误差和垂直混合随深度衰减过快是温跃层偏浅的两个可能原因;FGCM-0中与北太平洋中高纬地区深厚冷偏差相关的经圈环流也有利于热带温跃层误差的维持.     

全球大气／热带太平洋耦合距平模式中由ENSO增暖引起的全球大气环流异常

本文利用全球大气／热带太平洋耦合距平模式模拟了一次类似于实际的ENSO增暖过程，并对由ENSO增暖引起的海洋和全球大气环流异常的主要特征进行了分析，指出:耦合模式中的ENSO增暖在热带地区主要伴随着赤道中西太平洋Walker环流的减弱、中东太平洋气压降低以及表层辐合上升运动的增强；夏季和冬季低纬环流异常具有明显的差异性，夏季主要表现为印度夏季风环流的显著减弱和东亚季风的增强，而冬季则主要表现为赤道所有纬向环流圈均减弱；温带大气环流异常冬夏季也具有明显不同特征，夏季温带大气异常主要限于东半球，且发源于亚洲季风区，和赤道中东太平洋海温异常似无直接联系，但冬季温带大气异常则主要是发源于海温异常区的波列响应，反映了海温异常直接热力强迫的结果。另外，本文对耦合模式中的温带大气环流异常产生的可能机制也进行了讨论。     

冬季北大西洋涛动对热带印度洋海表热通量的影响

利用1979—2017年TropFlux海气热通量资料、ERA5再分析资料及HadISST资料,分析了冬季北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation,NAO）与同期热带印度洋海气热通量的关系。结果表明,NAO指数与热带印度洋海气净热通量整体上呈负相关,意味着NAO为正位相时,海洋向大气输送热量,其显著区域主要位于热带西印度洋（50°～70°E,10°S～10°N）。净热通量的变化主要依赖于潜热通量和短波辐射的变化;潜热通量和短波辐射在NAO正（负）位相事件期间的贡献率分别为72.96％和61.48％（71.72％和57.06％）。NAO可通过Rossby波列影响印度洋地区局地大气环流,进而影响海气热通量;当NAO为正位相时,波列沿中低纬路径传播至印度洋地区,在阿拉伯海北部对流层高层触发异常反气旋环流。该异常反气旋性环流加强了阿拉伯高压,使得北印度洋偏北风及越赤道气流加强。伴随风速的加强,海面蒸发增强,同时加强的越赤道气流导致热带辐合带强度偏强,深对流加强引起对流层水汽和云量增多,进而引起海表下行短波辐射减少。     

冬季热带印度洋上层流场异常模态分析

利用复经验正交函数(CEOF)分解对冬季热带印度洋海洋上层流场异常做了模态分析和结果讨论,得到以下主要结果:该流场异常前两个模态均呈现赤道俘获波形式,其异常在赤道上最大,向南北两侧迅速衰减,呈现纬向流的形态;第一、二模态的性质分别是大洋赤道波动的半波和1波形态,这表明此时赤道波动异常在大洋流场异常中占有重要地位。冬季第一模态大洋垂直运动所导致的近表层海温异常与春、秋季不同,此时在赤道印度洋呈现正—负—正的经向分布态势,这与印度洋耦极子(Indian Ocean Dipole,IOD)的不同,并是IOD在冬季衰亡的直接原因。第二模态相应的海温异常则在赤道东印度洋呈现北负南正的分布态势。第一模态与南亚冬季风异常密切有关,为印度洋冬季风环流模态。第一、二模态都有明显的年际变化和年代际变化,年际变化均为3~5年,主要的年代际变化则分别为约18、22年,此外两者还均有约13年的年代际变化。本文第一、二模态年代际变化的主周期也是冬季北太平洋和冬季热带太平洋流场异常第二、一模态的主周期。     

全球海洋模式对不同强迫场的响应

使用中国科学院大气物理研究所研制的全球海洋环流模式(LASG/IAP Climate system Ocean Model,LICOM),通过设计三个试验,即以德国马克斯—普朗克气象研究所整理的海洋模式比较计划(OMIP)资料和美国国家海洋资料中心(NODC)发布的《世界海洋图集2009》(WOA09)资料为强迫场的试验W,用美国环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)联合推出的NCEP/NCAR再分析资料(简称NCEP资料)中的风应力资料代替试验W中的风应力资料的试验M,以及用NCEP资料中的热力强迫代替试验M中的热力强迫资料的试验N,来研究不同的热力和动力强迫场对模式的影响。三个试验的模拟结果均模拟出了水团和流场的分布型和极值区。从三个试验的结果对比可以看出,NCEP资料较弱的风应力使得试验M环流场明显偏弱,减弱了大洋内部的温盐输送,加大了深海温盐模拟结果与观测资料的偏差,但对原模式过强的南极中层水的输送有所改善。NCEP的短波辐射通量和非短波热通量弱于OMIP,且在两极区域NCEP资料的海表温度比WOA09资料最多低 4℃以上。试验N的模拟结果改善了南大洋60°S以南海区试验W 模拟的海表温度偏高问题,减小了北冰洋部分海域以及副热带大洋东部海表温度的偏差。此外,试验N高纬度较低的海表温度增强了北大西洋深水以及南极底层水的输送,因而改善了深海的温盐模拟结果。三个试验在一些关键海区得到的经向热输送在观测估计及前人模拟结果的范围中,总体上试验M的输送最弱。综合三个试验的模拟结果,可以认为OMIP风应力资料和NCEP海表温度资料更适合作为LICOM模式的强迫场。     

冬季东太平洋峡谷风的季节内变化及相联系的海气特征

基于高分辨的卫星资料和再分析资料,本文采用合成分析、相关分析和带通滤波等方法研究了季节内时间尺度上东太平洋峡谷风的变化,并首先发现冬季东太平洋峡谷风存在4~16 d的季节内变化周期。进一步分析表明在该时间尺度上峡谷风异常与局地海温异常之间的关系存在由负相关到正相关的明显转变,在峡谷风强度达到最大之前及最大时,峡谷风异常与局地海温异常之间的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用,北风分量的加强使中高纬度干冷空气进入峡谷风地区,海表面的净热通量损失使得海温降低。在峡谷风强度达到最大之后其与局地海温异常的关系则转变为海洋对大气的强迫作用,冷海温异常可一直持续到峡谷风强度达到最大后的第六天。冷海温异常的维持使得湍流混合受到抑制,导致其上的海表面风速减小。此外,峡谷风的季节内变化可能与东太平洋至北美上空的大气环流异常及其演变有关。在湾区峡谷风达到最大之前,北太平洋海平面气压正异常逐渐东移南下并在其最大时到达墨西哥湾上空,使得北美高压增强,湾区两侧气压差增大,对应湾区峡谷风达到最大。     

长江中下游夏季雨带分型及其年代际变化Ⅱ：数值模拟

在对长江中下游夏季降水进行分型的基础上,分析了长江流域南北两支雨带与春季太平洋海温的相关关系,并采用NCAR/CAM 3.0大气环流模式对前期海温进行了敏感性试验,结果表明：赤道东太平洋区域（150～90°W,5°S～5°N）的海温异常对两支雨带夏季降水有重要影响,海温正异常时南支雨带旱、北支雨带不明显,海温负异常时南支雨带涝、北支雨带旱;前期赤道东太平洋海温强迫可以在北半球对流层激发出遥相关波列,并影响长江流域南北两支雨带的旱涝分布,前期赤道东太平洋海温对南支雨带的影响比北支雨带大。     

冬季格陵兰以东区域海冰与北太平洋风暴轴的关系

对45个冬季格陵兰以东区域海冰密集度场与北太平洋500 hPa位势高度滤波方差场作奇异值(SVD)分析.结果表明:SVD得到的第1对空间典型分布反映了冬季格陵兰以东区域海冰异常与北太平洋风暴轴异常变化密切相关.进一步的合成分析显示:海冰异常导致大气环流调整,气压梯度、急流、850 hPa天气尺度涡动热量经向通量和垂直通量、局地斜压性均发生改变,从而对北太平洋风暴轴的强度及中心位置位移造成影响.     

南海海域海-气耦合模式及其数值模拟试验

在ＮＣＡＲ区域气候模式ＲｅｇＧＭ２和普林斯顿海洋模式ＰＯＭ基础上发展适用于区域海－气相互作用研究的区域海－气耦合模式,模式采用同步耦合、海洋模式将海表温度提供给大气模式,大气模式为海洋模式提供太阳短波辐射、感热能量、潜热通量。海洋与大气模式每１５ｍｉｎ交换一次通量。耦合过程没有使用通量校正。使用该模式对中国南海区域１９９５年５－７月大气和海洋进行了模拟试验,将模拟结果与ＣＯＡＤＳ通量强迫的模拟结果     

1997-1998年热带印度洋偶极子季节性位相锁定可能成因

利用改进的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的第三代海洋环流模式,以及1949年1月-1999年12月NCEP／NCAR月平均海表面大气距平资料,采用数值试验的方法,研究了1997--1998年热带印度洋偶极子从发展到成熟的特征,以及在相同大气异常强迫下1—12月大气气候基本态对印度洋偶极子的作用。结果表明,海洋表面的大气强迫对激发1997--1998年印度洋偶极子有重要作用;大气气候态对1997--1998年印度洋偶极子的强度有很大影响,其中9月的大气气候态最有利于印度洋偶极子达到最强;赤道印度洋上空风应力异常是1997--1998年印度洋偶极子形成的主要原因。     

中国东部夏季分区降水对海温异常响应特征的研究

用刘征宇最新发展的广义平衡反馈方法结合经验正交分析和旋转经验正交分析法,研究中国东部6个分区夏季降水异常对各海盆海温异常(SSTA)模态的响应特征,探讨了东北区降水异常对SSTA的响应机制。结果表明:各分区降水异常对SSTA的响应特征有明显差异。东北区降水异常对热带太平洋SSTA的回应显著,当SSTA表现为类似El Niño模时,该区夏季降水增加;江淮区降水异常同时受到中纬度以及热带SSTA的强迫,对热带太平洋SSTA的类似La Niña Modoki模、北大西洋SSTA三极型模等回应显著;西南地区的降水异常主要与中纬度SSTA有密切关联。对流层高度场对热带太平洋SSTA类似El Niño模的直接回应在热带太平洋上空为显著正异常。通过东亚—太平洋型遥相关波列使东北地区上空高度场出现负异常,并在其西侧形成负异常中心,对流层低层为气旋性环流异常。这一环流回应与东北地区夏季降水偏多时的环流特征相近。     

The Role of the Kuroshio in the Winter North Pacific Ocean-Atmosphere Interaction： Comparison of a Coupled Model and Observations

A comparative study between the output of the Flexible Global Climate Model Version 1.0 (FGCM- 1.0) and the observations is performed. At 500 hPa, the geopotential height of FGCM is similar to the observations, but in the North Pacific the model gives lower values, and the differences are most significant over the northern boundary of the Pacific. In a net heat flux comparison, the spatial patterns of the two are similar in winter, but more heat loss appears to the east of Japan in FGCM than in COADS. On the interannual timescale, strong (weak) Kuroshio transports to the east of Taiwan lead the increasing (decreasing) net heat flux, which is centered over the Kuroshio Extension region, by 1–2 months, with low (high) pressure anomaly responses appearing at 500 hPa over the North Pacific (north of 25N) in winter. The northward heat transport of the Kuroshio is one of the important heat sources to support the warming of the atmosphere by the ocean and the formation of the low pressure anomaly at 500 hPa over the North Pacific in winter.     

TYPICAL ANOMALOUS WIND STRESS PATTERNS IN TROPICAL PACIFIC ASSOCIATED WITH EL NINO/SOUTHERN OSCILLATION

Based on years of month-to-month observations of sea surface temperature anomaly (SSTA) and wind stress anomaly, typical wind stress patterns in the tropical Pacific associated with ENSO are Studied with the techniques of linear regression and EOF analysis. The anomalous field, which is linearly correlated with ENSO, is found to be varying at low frequencies on the temporal scale and to be in four typical patterns of distribution horizontally.Pattern 1 is of the easterly anomaly and wind stress divergence in the equatorial region east of the date line. Pattern 2 is of the westerly anomaly and wind sttess convergence in the equatorial region east of the date line. Pattern 3 is of the westerly anomaly and wind stress convergence south of the Equator but east of the data line, with the easterly anomaly west of it. Pattern 4 is of the weak easerly anomaly east 160°W and the westerly anomaly west of 160°W. Wind stress fields linearly independent of ENSO are of a high-frequency process with a typical pattern off the Equator that has a large horizontal amplitude. Using an ocean anomaly-forcing model with the regressed wind stress anomaly field that is associated with ENSO, principal signals of ENSO are reproduced. It indicates the fundamental nature of the typical wind field anomaly patterns revealed for the genesis of El Nino.     

太原市汛期旱涝规律分析

利用子波分析和合成分析等方法，分析了太原汛期降水的多时间尺度特征和造成太原汛期旱涝的大气环流异常分布。结果表明：太原市汛期降水存在准2年、10年、16年的周期；当贝加尔湖上空500hPa高度场异常偏低（高）、西太平洋副高异常偏强（弱）时，有利于太原汛期洪涝（干旱）的形成；在850hPa水平风距平场上，来自新西伯利亚岛的偏北气流在100-140°E，50°N附近分成两支，一方面使得北来的冷空气减弱，另一方面，南下后使得低纬季风增强，太原汛期偏涝。而来源于鄂霍次克海北部的偏北气流、西北太平洋的偏东气流以及贝加尔湖以东的西北气流在60°N，115-120°E附近汇合，使入侵我国东部的偏北气流风速加大，太原在一致的西北气流控制之下，汛期偏旱。