Pacific decadal oscillation and the decadal change in the intensity of the interannual variability of the South China Sea summer monsoon

本研究表明,二十世纪南海夏季风的年际变率强度在一定程度上受到太平洋年代际振荡(PDO)的调控,PDO处于暖(冷)位相时南海夏季风的年际变率强度偏强(弱)。热带太平洋海温的年际变率强度及南海夏季风与ENSO的关系在上述调控中起到重要作用。PDO处于暖位相时,热带太平洋海温变率偏大,ENSO事件偏强,因而沃克环流及西北太平洋反气旋异常的位置和强度均发生改变,最终导致南海夏季风与热带太平洋海温的相互作用更强,南海夏季风年际变率强度增大,反之亦然。     

平流层极涡振荡与ENSO热带海温异常的时空联系

利用一个在等熵位涡坐标下建立的平流层极涡振荡(Polar Vortex Oscillation)指数,以及NCEP/NCAR再分析资料和NOAA_OISST_V2逐周海温资料,研究了月尺度以上热带海温异常与平流层极涡振荡的时间和空间联系,通过相关、回归以及合成分析发现,两者的显著联系主要发生在3—5年的年际时间尺度上,表现为ENSO型海温异常与极涡振荡年际趋势之间的时空关联。首先,两者的关系并不表现在同期相关上,而是当ENSO海温异常超前极涡振荡年际异常9—11个月时,两者具有最大的负相关关系。当前期热带海温偏暖(冷)时,9—11个月后极涡振荡的年际趋势为负(正)的异常,即极涡偏弱(强)或负(正)振荡事件为主。统计合成结果进一步证实,前期热带ENSO海温暖事件背景下,后期极涡振荡负事件的发生比正事件更多,强度更强,持续时间也更长,反之亦然;另外,前期热带ENSO暖海温背景下,极涡正、负振荡事件的发生均更频繁。研究连接热带ENSO海温异常与平流层极涡振荡的过程发现,热带海温异常不仅可在热带地区引起大气温度的异常响应,而且可以引发从平流层热带到极区的一系列温度异常同时向下和向极区的传播过程,并与9—11个月以后发生在极区的极涡振荡异常相联系。表明与热带海温异常相联系的极涡振荡年际异常,可能存在与季节尺度极涡振荡中类似的全球质量环流的异常变化。     

热带印度洋春季海表温度异常与南海夏季风强度变化的关系

利用50年的Reynolds月平均海表温度资料和NCEP/NCAR全球大气再分析资料,分析了热带印度洋春季海温异常对南海夏季风强度变化的影响。结果表明:1)热带印度洋春季海表温度距平(SSTA)的模态主要是全区一致型(USBM)和热带南印度洋偶极型(SIODM),USBM模态既有年际时间尺度的变化特征,又有年际以上时间尺度的变化特征,既包含有对冬季ENSO信号响应的变化特征,又有独立于ENSO的变化特征;SIODM模态主要表现为独立于ENSO的年际时间尺度变化。2)USBM模态与南海夏季风强度变化呈显著负相关关系,且二者都是对冬季ENSO信号的响应,USBM模态的年际变化不能独立于ENSO信号影响南海夏季风的强度变化。3)经(1~8年)带通滤波及去除ENSO信号的热带印度洋春季SSTA的SIODM型分布是影响南海夏季风强度变化的主要模态,表现为热带东南印度洋为负(正)、其他海区为正(负)时,南海夏季风强度增强(减弱),大气环流对热带东南印度洋SSTA热力作用的响应是造成这一关系的直接原因,SIODM型的SSTA分布与南海夏季风年际异常关系在热带印度洋长期变化趋势的暖位相期显著,在长期变化趋势的冷位相期不显著。     

南海夏季风爆发与热带海洋海温和大气环流异常变化关系的研究

用合成和相关分析方法及SVD技术研究了南海夏季风爆发早、晚年份4～6月季风建立时期季风环流的异常及其与热带太平洋-印度洋海温的关系。结果表明,南海夏季风爆发与热带大气环流和海温变异密切相关。（1）当热带中、东太平洋—印度洋（主要在西南部）及南海海温低（高）,西太平洋—澳洲邻近海域海温高（低）时,南海夏季风爆发早（晚）。不同区域海温对季风的影响有明显的季节差异,印度洋主要为晚春至初夏（4～6月）,南海为5～6月,而热带太平洋从前冬一直持续到夏季。（2）不同的海温异常产生不同的季风环流型,南海夏季风爆发早、晚年大气环流的异常变化基本相反。南海夏季风的活动主要受印度季风环流变化的影响,与前期冬春季西太副高的强弱及位置变化密切相关。西太副高弱时,南海夏季风爆发早;反之,爆发晚。（3）热带太平洋—印度洋海温异常引起季风环流和Walker环流的异常变化可能是影响南海夏季风爆发早、晚的物理过程。     

热带印度洋海温异常不同模态对南海夏季风爆发的可能影响

热带印度洋海温异常两种主要的模态分别是春季最强的全区一致型海温变化和秋季发展成熟的东西反位相偶极型模态, 本文主要分析了这两种海温模态对当年南海夏季风爆发的不同影响机制。对热带印度洋全区一致增暖和变冷年份的合成分析表明: 热带印度洋的增暖 (变冷) 通过海气相互作用激发印度洋－西太平洋异常的Walker环流圈, 加强 (减弱) 西太平洋副热带高压的强度, 进而有利于南海夏季风爆发的推迟 (提早)。由于热带印度洋全区一致型海温变化滞后响应于前冬ENSO事件, 因此, 作者提出热带印度洋的这种海温模态对维持ENSO对第二年南海夏季风爆发的影响起到了重要的传递作用。作者进一步通过1994年个例研究了热带印度洋偶极型海温模态对南海夏季风爆发的可能影响。1994年的热带印度洋偶极子在初夏就表现出很强的强度, 显著削弱了印度洋的夏季风环流, 尤其是索马里急流和赤道印度洋西风气流的强度。南海上游季风气流的减弱以及热带印度洋异常反气旋的发展阻碍了印度洋西南季风向南海的推进, 从而使得这一年南海夏季风爆发偏晚大约2候。     

季节预测模式对东亚夏季环流的预测能力及其对热带海洋的响应分析

东亚夏季环流变化对中国夏季降水的年际变化有重要影响,因此需要进一步理解季节预测模式对东亚夏季环流的预测能力。利用1991~2013年美国国家环境预测中心（NCEP）、中国气象局国家气候中心（NCC）和日本东京气候中心（TCC）的三个季节预测模式（CFS V2、BCC_CSM V2和MRI-CGCM）以及NCEP/NCAR再分析资料,定量评估了模式对东亚夏季风（EASM）和夏季西太平洋副热带高压（WPSH）强度的预测能力。在此基础上,分析了模式预测的EASM和WPSH对热带海温异常的响应能力,以及ENSO事件对EASM和WPSH预测的影响,阐述了预测误差产生的原因。结果表明:整体而言,三个模式对EASM和WPSH的预测技巧较高,但TCC模式对WPSH的预测技巧相对较低。三个模式预测的850 hPa风场在西北太平洋存在一个异常气旋,使得预测的EASM偏强和WPSH偏弱。同时,二者的年际变率整体比观测小。三个模式预测的EASM和WPSH对热带海洋海温异常的响应随季节演变特征与观测比较接近,但NCEP模式和TCC模式预测的EASM对前期热带太平洋和前期、同期热带印度洋的海温异常响应要强于观测,NCC模式预测的EASM对前期和同期的热带太平洋的海温异常响应明显比观测强。此外,三个模式预测的WPSH对前期和同期的热带太平洋、热带印度洋和热带大西洋的海温异常响应明显强于观测。三个模式预测的EASM和WPSH在ENSO年的平均绝对误差（MAE）整体而言要比正常年的小很多,NCEP模式和NCC模式预测的EASM和WPSH的MAE在La Ni?a年和El Ni?o年差别不大,而TCC模式预测的EASM和WPSH的MAE在El Ni?o年比在La Ni?a年大很多,表明ENSO事件是东亚夏季环流重要的可预报源。     

ENSO冷暖位相影响东亚冬季风与东亚夏季风联系的非对称性

东亚冬季风（East Asian Winter Monsoon,简称EAWM）和东亚夏季风（East Asian Summer Monsoon,简称EASM）作为东亚季风系统的两个组成部分,他们之间存在显著的转换关系。前人的研究表明EAWM与次年EASM的转换关系只有在ENSO事件发生时才显著,然而这些研究都是基于ENSO对大气环流的影响是对称的这一假设下进行的。本文的研究表明EAWM和次年EASM的转换关系在ENSO冷暖事件中存在着明显的不对称性。通过将EAWM分为与ENSO有关的部分（EAWM_EN）和与ENSO无关的部分（EAWM_RES）,我们发现在强EAWM_EN年（即La Ni?a年）,在西北太平洋会存在一个从冬季维持到次年夏季的气旋性环流异常（the anomalous western North Pacific Cyclone,WNPC）,从而造成EASM偏弱;而在弱EAWM_EN年（即El Ni?o年时）,在西北太平洋会存在一个从冬季维持到次年夏季的反气旋性环流异常（the anomalous western North Pacific anticyclone,WNPAC）,从而引起次年EASM偏强。比较而言,WNPAC的位置比WNPC的位置偏南,且强度更强,因而在El Ni?o年能够引起次年EASM更大幅度的增强。造成这一不对称联系的主要原因是热带太平洋和印度洋异常海温的演变差异。在强EAWM_EN年,热带太平洋的负海温异常衰减地较慢,使得在次年夏季仍然维持着显著的负异常海温;相反,在弱EAWM_EN年,热带太平洋的正海温异常衰减地较快,以至于在次年夏季的异常海温信号已经基本消失,但此时印度洋却有着显著的暖海温异常。海温演变的差异进一步造成了大气环流的差异,从而导致EAWM与次年EASM联系的不对称性。     

An enhanced influence of sea surface temperature in the tropical northern Atlantic on the following winter ENSO since the early 1980s

已有研究指出春季热带北大西洋海温对随后冬季ENSO事件的发生存在显著的影响。该研究发现它们的联系在20世纪80年代初以后显著增强。20世纪80年代初以后,春季热带北大西洋海温为正异常时,副热带东北太平洋存在显著的异常气旋环流,同时异常沃克环流在热带中东太平洋引起显著的异常下沉运动。异常气旋环流西侧的东北风异常增强气候态的风速,导致负海温异常。负海温异常通过Gill型大气响应使得热带西北太平洋产生异常的反气旋环流。同时,热带中东太平洋的沃克环流异常下沉运动也对热带西北太平洋异常反气旋环流的形成起到一定作用。热带西北太平洋反气旋环流南侧的东风异常通过海洋动力过程对随后冬季ENSO产生影响。因此,春季热带北大西洋海温对冬季ENSO存在显著的影响。然而,20世纪80年代以前,春季热带北大西洋海温相关的热带东北太平洋异常气旋环流和热带地区的异常沃克环流不显著,从而不能在热带西北太平洋产生异常反气旋。所以,20世纪80年代以前,春季热带北大西洋海温对冬季ENSO的影响不显著。进一步的分析指出,春季热带北大西洋海温对ENSO影响的年代际变化可能与热带北大西洋降水气候态的年代际变化有关。     

热带太平洋和印度洋海温异常对东亚冬季风影响的一个物理机制

本文利用NCEP／NCAR提供的大气环流资料和海表温度异常资料,在分析热带太平洋和印度洋海温异常与冬季大气环流之间关系的基础上提出了一个综合反映热带太平洋和印度洋海温异常的综合指数。分析表明,冬季太平洋和印度洋海温异常指数的值越大（小）,东亚冬季风指数的值越大（小）,东亚地区将出现异常的南（北）风的响应,东亚冬季风将越弱（强）。应用加热强迫影响热带环流的简单模式研究r热带太平洋印度洋异常海温对东亚冬季风影响的物理机制。结果表明,当冬季热带太平洋和印度洋海温异常指数处于正（负）位相时,西太平洋区域强迫出异常南（北）风。这是使得东亚冬季风偏弱（强）的重要原因之一。冬季热带太平洋和印度洋海温异常对东亚冬季风影响最为显著的关键区是赤道西太平洋。     

热带对流活动及其与ENSO关系的非线性特征

用非线性主成分分析方法和NCAR／NCEP长波辐射资料（OLR）,研究了热带对流异常及其与ENSO的关系。结果表明热带对流活动在时空上呈现出明显的非线性特征,它是热带对流活动对ENSO的非线性响应;热带对流异常的强度在E1 Nino时期比在La Nina时期强,且异常的中心位置偏东,表现出明显的时空上的不对称性。     

夏季低空越赤道气流与ENSO的关系

利用NCEP/NCAR风场和海温等资料,分析了东半球夏季低空各支越赤道气流与ENSO循环的关系及其年代际变化,结果表明:东半球夏季低空越赤道气流强度的年际变化和ENSO循环密切相关,ElNino年夏季马斯克林高压减弱,导致索马里越赤道气流变弱,而澳大利亚高压加强, 105°E及其以东的越赤道气流明显加强,LaNina年则相反;夏季越赤道气流与ENSO的年际关系具有年代际变化特征,索马里越赤道气流与ENSO的关系在 20世纪 70年代末变弱,而 105°E及其以东的越赤道气流与ENSO的关系在 20世纪 60年代末增强。     

亚洲冬夏季风对ENSO事件的响应

根据NCEP/NCAR_1980～1995年的再分析资料,分析了1980年以来5个El Ni?o和La Ni?a年冬、春和夏季200、500和850 hPa合成高度场、风场、流函数场及温度场。发现在冬季El Ni?o（La Ni?a）年亚洲上空的环流型不利（有利）于寒潮向南爆发,导致亚洲冬季风和大洋洲夏季风弱（强）。在El Ni?o（La Ni?a）年冬季华南和青藏高原降水或降雪量为正（负）距平,这使得在晚春和初夏南亚的加热慢（快）,导致夏季海陆的热力对比小（大）,因而出现弱（强）夏季风。我们还发现强El Ni?o年冬季,在印度洋-亚洲上空出现类似于东太平洋-北美上空的PNA遥相关,我们称之为印度洋-亚洲遥相关型（IA）,引起亚洲冬夏季风年际变化的物理过程都是由IA遥相关型引起的。     

春季和夏季爆发型ENSO事件对夏季中国降水的影响

采用NCEP再分析资料、海温资料以及中国台站降水资料,借助统计方法,讨论了不同爆发型El Ni?o和La Ni?a事件对中国夏季(5~10月)降水分布的影响。根据定义,El Ni?o和La Ni?a事件分为两类:一类是在4~6月爆发,称为春季爆发型(分为ELSP1、ELSP2、ELSP3和LASP);一类是在7~10月爆发,称为夏季爆发型(分为ELSU和LASU)。结果显示,ELSP1型当年夏季,中国夏季降水主要呈现负距平分布,其中显著降水偏少区集中在黄河流域,在其次年夏季,降水由南往北呈现"-、+、-"异常分布,显著降水偏多区主要集中于中原地带。ELSP2型当年夏季和次年夏季,中国夏季降水基本呈现相反变化分布,即当年夏季,全国降水以偏少为主,次年夏季全国降水以偏多为主。ELSP3型当年夏季,以华南降水偏多、其余地区降水偏少为主,在其次年夏季,降水主要以长江流域和华北偏多。ELSU型当年夏季,长江以北降水偏少、西南以及华南沿海降水偏多;次年夏季,降水由南往北呈现"-、+、-、+"异常分布。LASP型当年夏季使得全国降水基本一致增多,尤其是长江流域;而在其次年夏季,除了淮河和长江下游地区降水略多异常,全国降水以基本偏少为主。LASU型当年夏季,降水呈现长江以南偏少、以北偏多的主要分布形势,在其次年夏季,除了长江中下游区域降水偏多以外,其余地区降水均偏少。降水的异常分布与Hadley环流和水汽异常分布密切相关。但LASU型所导致的环流变化对中国夏季降水预测指示意义比较弱。     

夏季南亚高压年际变化及其与ENSO的关系

采用1948～2006年NCEP/NCAR月平均再分析资料, 探讨了夏季南亚高压年际变化及其与ENSO事件的关系, 结果表明: 在ENSO事件暖 (冷) 位相衰减期的夏季, 印度洋和亚洲大陆南侧海温为正 (负) 异常, 对应热带印度洋地区低层为上升 (下沉) 气流而其东侧西太平洋和西侧非洲西部为下沉 (上升) 气流的异常纬向环流, 低层850 hPa上从西太平洋到非洲赤道南北两侧依次各存在一异常反气旋－气旋－反气旋(气旋－反气旋－气旋)环流, 高层200 hPa异常流场的分布与850 hPa基本相反, 使得南亚高压强度发生显著变化, 强度增强 (减弱）、面积扩大 (缩小）、东西向扩展 (收缩）、 脊线北侧气压梯度增大 (减小）、南侧气压梯度减小 (增大)。     

ENSO循环对西北地区夏季气候异常的影响

利用陕、甘、宁、青、新五省(区)分布均匀的89个测站近40年的夏季降水和气温资料,分析了ENSO循环在不同位相时西北地区夏季降水和气温的异常特征。结果表明,西北地区夏季气候在ENSO循环不同位相的异常特征各不相同。El Ni~↑no发展年,我国青藏高原东侧地区的降雨稀少,气温偏高,容易发生干旱,而新疆则以低温多雨为主;El Ni~↑no次年,青藏高原东侧及北疆地区降水偏多,气温偏低。La Ni~↑na年我国西北地区的气候特征类似于El Ni~↑no次年,但异常的范围更大,异常程度更加明显。西北地区夏季降水在El Ni~↑no发展年的异常强度较次年和La Ni~↑na年明显,而气温则相反,即在El Ni~↑no次年和La Ni~↑na年的异常要强于El Ni~↑no当年。无论是降水还是气温,青海东部、甘肃中部、宁夏和陕北是夏季我国西北地区对ENSO影响反映最强烈的区域,新疆地区则有其自身特点。     

ENSO, IOD and Indian Summer Monsoon in NCEP climate forecast system

El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO), Indian Ocean Dipole (IOD) and Indian Summer Monsoon rainfall features are explored statistically and dynamically using National Centers for Environment Prediction (NCEP) Climate Forecast System (CFSv1) freerun in relation to observations. The 100?years of freerun provides a sufficiently long homogeneous data set to find out the mean state, periodicity, coherence among these climatic events and also the influence of ENSO and IOD on the Indian monsoon. Differences in the occurrence of seasonal precipitation between the observations and CFS freerun are examined as a coupled ocean–atmosphere system. CFS simulated ENSO and IOD patterns and their associated tropical Walker and regional Hadley circulation in pure ENSO (PEN), pure IOD (PIO) and coexisting ENSO-IOD (PEI) events have some similarity to the observations. PEN composites are much closer to the observation as compared to PIO and PEI composites, which suggest a better ENSO prediction and its associated teleconnections as compared to IOD and combined phenomenon. Similar to the observation, the model simulation also show that the decrease in the Indian summer monsoon rainfall during ENSO phases is associated with a descending motion of anomalous Walker circulation and the increase in the Indian summer monsoon rainfall during IOD phase is associated with the ascending branch of anomalous regional Hadley circulation. During co-existing ENSO and IOD years, however, the fate of Indian summer monsoon is dictated by the combined influence of both of them. The shift in the anomalous descending and ascending branches of the Walker and Hadley circulation may be somewhat attributed to the cold (warm) bias over eastern (western) equatorial Indian Ocean basin, respectively in the model. This study will be useful for identifying some of the limitations of the CFS model and consequently it will be helpful in improving the model to unravel the realistic coupled ocean–atmosphere interactions for the better prediction of Indian Summer Monsoon.     

ENSO与中国东部地区夏季降水相关性年代际变化特征

利用国家气候中心提供的中国160站1951～2000年逐月降水资料,Hadley中心提供的1951～2000年逐月全球海表层温度资料,采用线性相关分析和滑动相关分析方法,探讨了ENSO与中国东部地区夏季降水的年际关系及二者年际关系的年代际变化特征。结果表明,夏季Nino3区海温与中国东部夏季降水年际关系同期相关显著,且二者的年际关系存在明显的年代际变化,年际相关型分3个阶段：,第1阶段(1972年前)为“东西型”,第2阶段(1973～1983年)为“南北型”,第3阶段(1984年后)也为“南北型”。     

ENSO发展和衰减阶段的陕西夏季降水异常特征

利用1961—2008年陕西78个气象站夏季 (6—8月) 降水资料、NCEP/NCAR位势高度场和风场月平均再分析资料,采用合成及相关分析方法探讨ENSO发展和衰减阶段对陕西夏季降水异常的影响,以期为陕西夏季降水的气候预测提供线索和依据。结果表明:陕西夏季降水异常对ENSO发展和衰减阶段的响应存在显著差异,El Ni?o发展阶段和La Ni?a衰减阶段,陕西夏季降水偏少; El Ni?o衰减阶段和La Ni?a发展阶段,陕西夏季降水偏多; ENSO不同阶段对陕西7月降水影响最为显著。比较而言,El Ni?o事件对陕西夏季降水的影响更加显著。在El Ni?o衰减、La Ni?a发展阶段,西太平洋副热带高压偏强、偏西,东亚夏季风偏弱,而在El Ni?o发展、La Ni?a衰减阶段,西太平洋副热带高压偏弱、偏东,东亚夏季风偏强,El Ni?o过程对东亚夏季风强弱的影响更加显著。ENSO发展和衰减阶段通过影响大气环流变化和东亚夏季风的强弱,进而影响陕西夏季降水。     

Simulated Relationship between Wintertime ENSO and East Asian Summer Rainfall: From CMIP3 to CMIP6

El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO)events have a strong influence on East Asian summer rainfall(EASR).This paper investigates the simulated ENSO-EASR relationship in CMIP6 models and compares the results with those in CMIP3 and CMIP5 models.In general,the CMIP6 models show almost no appreciable progress in representing the ENSO-EASR relationship compared with the CMIP5 models.The correlation coefficients in the CMIP6 models are relatively smaller and exhibit a slightly greater intermodel diversity than those in the CMIP5 models.Three physical processes related to the delayed effect of ENSO on EASR are further analyzed.Results show that,firstly,the relationships between ENSO and the tropical Indian Ocean(TIO)sea surface temperature(SST)in the CMIP6 models are more realistic,stronger,and have less intermodel diversity than those in the CMIP3 and CMIP5 models.Secondly,the teleconnections between the TIO SST and Philippine Sea convection(PSC)in the CMIP6 models are almost the same as those in the CMIP5 models,and stronger than those in the CMIP3 models.Finally,the CMIP3,CMIP5,and CMIP6 models exhibit essentially identical capabilities in representing the PSC-EASR relationship.Almost all the three generations of models underestimate the ENSO-EASR,TIO SST-PSC,and PSC-EASR relationships.Moreover,almost all the CMIP6 models that successfully capture the significant TIO SST-PSC relationship realistically simulate the ENSO-EASR relationship and vice versa,which is,however,not the case in the CMIP5 models.