南极海冰与南半球大气环流关系的初步探讨

本文利用１９７３—１９８２年南极海冰北界资料，分析了南极海冰平均北界（海冰范围）的变化及其与南半球大气环流变化间的联系。１９７６年前，南极海冰平均北界偏北（海冰范围扩大），而１９７７年－１９８０年，南极海冰平均北界偏南（海冰范围缩小）。与此相对应，这两个时期的南半球大气环流具有明显不同的特点。在南极海冰平均北界偏北、海冰范围扩大时期，南极高压和绕极低压带偏弱，南半球中高纬度地区槽脊位置偏西，南印度洋和南大晒洋副热带高压偏弱，南太平洋副热带西凤减弱、中纬度西风加强，而南太平洋副热带高压和印度尼西亚低压带发展，南方涛动处于正位相阶段；在南极海冰平均北界偏南、海冰范围缩小时期，则相反。分析表明，南方涛动与南极海冰之间存在相互联系，并以南极海冰超前南方涛动约２个月时的关系最好，其次是南极海冰落后南方涛动４个月。     

南极涛动异常与2006年我国东部夏季降水形势预测

南极涛动是南半球中高纬主要的气候变率模态，反映了南半球中高纬大气环流反位相的变化及质量交换的实质。南极涛动强，表示南半球绕极低压加深和中高纬西风加强弱，反之亦然。作者近年的研究表明了南极涛动是一个重要的气候因子，能够影响东亚的冬春气候和我国北方的沙尘频次以及华北、长江中下游的夏季降水。根据作者已有的研究结果，可以依据3—4月南极涛动指数的变化，尝试预测2006年我国东部夏季降水形势，进而考察南极涛动异常信号对我国东部夏季降水形势的预测价值。     

夏季菲律宾低空越赤道气流与南半球大气环流的关系

采用NCEP/NCAR再分析资料,定义了1950-2009年菲律宾越赤道气流强度指数,并研究其与南半球大气环流的关系。结果表明,菲律宾越赤道气流受南半球低层极地高压、绕极低压带和中纬度副热带高压,以及高层巨大的绕极低压影响;南半球环流对菲律宾越赤道气流的影响主要是通过南极涛动的调整,对澳大利亚高压产生影响来发挥作用,从南极涛动发生调整到对越赤道气流及北半球环流产生影响,有约4a的时滞;澳大利亚高压强度和位置的变化对菲律宾越越赤道气流有重要影响,关键区位于澳大利亚高压西北方向的洋面上。     

5月南极涛动对青藏高原西部夏季气温影响的诊断分析

青藏高原是全球气候变暖最敏感的地区之一,是北半球夏季最大的热源,其气候响应受到广泛关注。然而,有关南极涛动与青藏高原夏季气温的关系和机理知之甚少。为了研究南极涛动与青藏高原夏季气温的关系,基于1979—2020年英国东安哥拉大学气候研究中心（CRU）的逐月气温、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的逐月海表面温度和大气环流再分析数据以及南极涛动指数等数据,采用相关、回归、合成分析等方法进行研究。结果表明,北半球夏季青藏高原西部气温与5月南极涛动存在显著负相关,即当5月南极涛动异常偏弱时,夏季青藏高原西部气温异常偏高。其影响过程为,南极涛动为正位相时,在南印度洋中高纬地区出现“负-正-负”的经向“三极子”海温模态,该模态可持续到夏季,在印度洋形成异常的纬向-垂直环流,相应在热带西印度洋和东印度洋-海洋性大陆之间的降水异常导致热带正“偶极子”降水模态,通过该降水模态在青藏高原西部引起异常反气旋环流和下沉运动,有利于高原西部气温偏高。研究结果显示,海洋的热惯性在“延长”南极涛动影响过程中起着重要的桥梁作用,可为青藏高原夏季气温预测提供科学依据。     

南极涛动和南极绕极波的年代际变化

用1951年1月～2002年12月共624个月的海平面气压、 温度和850 hPa西风的NCEP再分析资料, 分析定义了南极涛动指数 (简称AAOI) 和850 hPa的南极涛动西风指数 (简称Uaaoi), 并讨论了它们的长期变化趋势和年代际跃变及其对南极绕极波的影响。结果表明, AAOI和Uaaoi的变化非常相似, 两者的同期相关系数高达0.218 (624个月), 超过了99.9%信度检验。当AAOI为高指数时, Uaaoi也为高指数, 即西风增加; 当AAOI为低指数时, Uaaoi也为低指数, 即西风减弱。AAOI和Uaaoi都有明显的长期趋势, 倾向率分别为0.01915/10 a和0.009249/10 a。1972年是跃变点, 跃变前AAOI的年平均值为-3.9691 hPa; 跃变后为2.9107 hPa。而在60°S 附近, 跃变前年平均西风为-1.09 m/s, 跃变后为0.93 m/s, 二者差达2.02 m/s。它们的主要振荡周期为3～5年。对50°S～60°S平均纬圈的海平面气压 (sea level pressure, 简称SLP) 和温度 (624月) 作3～5年滤波, 它的经度时间剖面图表明: 近50多年来南极绕极波均为自西向东的行波, 绕南极一周跃变前约4.4年, 跃变后约3.6年。南半球的SLP和温度经3～5年滤波后, 它的EOF展开第一特征向量的空间型表明: 跃变前以3波振动为主, 跃变后以2波振动为主。     

有关南半球大气环流与东亚气候的关系研究的若干新进展

南半球大气环流是全球大气环流的重要组成部分,也是影响气候变化和亚洲季风系统的一个重要因素.中国气象学家很早就注意到南半球大气环流对东亚夏季风降水的影响.近年来,有关南半球气候变率的研究目前正受到世界气象学家越来越多的关注.南半球中高纬大气资料的丰富及南极涛动的确定,使得认识南半球高中纬环流的年际变动规律及其与东亚气候关系成为可能.本文主要介绍近年来有关南极涛动的年际变化与沙尘天气发生频次及东亚冬春季气候的关系,古气候资料揭示的南极涛动与华北降水的关系,以及南半球大气环流与长江中下游夏季降水的关系和南极涛动变率的可预测性等方面的研究进展.并对未来研究方向作了初步的展望.     

极冰对南方涛动的影响

分析南、北极冰量与南方涛动序列作月、季和年尺度的变化过程线性相关关系，发现北极冰量与南方涛动指数是反相关关系，而南极冰量与南方涛动是正相关。比较而言，南极冰量与南方涛动的关系在月和季尺度上似乎较北极与大气的关系密切些。在各时间尺度序列中以太平洋地区南极极冰的影响表现最明显。分析发现极冰与南方涛动之间存在较复杂的非线性关系。在前期极冰的强信号寻找中，发现极冰与南方涛动在月序列的相关关系上存在周期变化现象。进一步选择相关极值的对应步长建立前期极冰状态激发大气变化的预测统计动力模式，模式对大气序列的解释方差可达０．９０以上。文中还进一步探讨了月序列存在的周期变化的共同因素的影响     

南极海冰涛动对北半球夏季大气环流的影响

南极海冰首要模态呈现偶极子型异常,正负异常中心分别位于别林斯高晋海/阿蒙森海和威德尔海。过去研究表明冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）型大气环流有显著影响,而AAO可以通过经向遥相关等机制影响北半球大气环流和东亚气候。本文中我们利用观测分析发现南极海冰涛动从5～7月（May–July,MJJ）到8～10月（August–October, ASO）有很好的持续性,并进一步分析其对北半球夏季大气环流的可能影响及其物理过程。结果表明,MJJ南极海冰涛动首先通过冰气相互作用在南半球激发持续性的AAO型大气环流异常,使得南半球中纬度和极地及热带之间的气压梯度加大,在MJJ至JAS,纬向平均纬向风呈现显著的正负相间的从南极到北极的经向遥相关型分布。对流层中层位势高度场上,在澳大利亚北部到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,在东亚沿岸从低纬到高纬呈现南北走向的“? + ?”太平洋—日本（Pacific–Japan,PJ）遥相关波列,其对应赤道中部太平洋及赤道印度洋存在显著的降水和海温负异常,西北太平洋至我国东部沿海地区存在显著降水正异常和温度负异常;低纬度北美洲到大西洋一带存在的负位势高度异常和北大西洋附近存在的正位势高度异常中心,构成一个类似于西大西洋型遥相关（Western Atlantic,WA）的结构,对应赤道南大西洋降水增加和南撒哈拉地区降水减少。从物理过程来看,南极海冰涛动首先通过局地效应影响Ferrel环流,进而通过经圈环流调整使得海洋性大陆区域和热带大西洋上方的Hadley环流上升支得到增强,海洋性大陆区域特别是菲律宾附近的热带对流活动偏强,激发类似于负位相的PJ波列,影响东亚北太平洋地区的大气环流,而热带大西洋对流增强和北传特征,则通过激发WA遥相关影响大西洋和欧洲地区的大气环流。以上两种通道将持续性MJJ至ASO南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球中高纬度经热带地区传递到北半球中高纬地区,从而对热带和北半球夏季大气环流产生显著影响。     

南极涛动和北半球大气环流异常的联系

使用ECMWF逐日再分析资料分析研究了北半球冬季南极涛动和北半球大气环流异常之间的联系。资料的分析结果表明, 南极涛动和滞后其25～40天位于北大西洋地区的一个弱的类似于北大西洋涛动 (North Atlantic Oscillation, 简称NAO) 的偶极子模态, 以及伴随这一偶极子模态而出现的北半球中纬度纬向风异常之间存在着统计上的联系。处于正 (负) 位相的南极涛动对应着滞后25～40天后, 北大西洋高纬极区出现位势高度负 (正) 异常, 副热带大西洋出现位势高度正 (负) 异常; 同时, 在北半球中高纬度地区(45°N～65°N) 出现西 (东) 风异常, 中低纬度地区(25°N～40°N)出现东 (西) 风异常。文中也对资料分析结果进行了简单的动力学分析, 表明与南极涛动相联系的涡动动量异常是驱动北半球纬向平均纬向风异常的主要原因。     

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。     

南极绕极波动及其与中国夏季降水异常的关联

利用NCEP／NCAR逐月SLP再分析资料，通过复经验正交函数展开(CEOF)，借助其第1模态恢复场研究了1952-1998年期间南极绕极波动的年代际变化和传播特征。结果表明，东南太平洋是研究南极绕极波动(ACW)的关键区，并由此定义东南太平洋ACW活动指数(EPAI)。相关分析揭示了秋季EPAI与次年中国夏季降水有着密切的关系，当秋季EPAI出现异常正位相时，即当东南太平洋SLP距平出现正异常时，次年春、夏季澳大利亚高压偏强，进而由于越赤道气流的增强及西太平洋副高调整引起次年夏季中国出现华南多雨、江淮少雨的雨型分布，证实了ACW是另一个与中国夏季降水异常有密切关联的年际变化强信号。     

Interdecadal change in the Antarctic Circumpolar Wave during 1951–2010

In this study,we defined an index of the Antarctic Circumploar Wave(ACW) and analyzed its variability for the period 1951-2010.A regime shift of the circumpolar westerly in the Southern Ocean and an interdecadal change of the ACW,which occurred around the mid-1970s,were identified.Associated with these changes,the variations of the ACW show three distinct sub-periods:1951-1973,1974-1980,and 1981-2010.They are characterized by different speeds,amplitudes,and wave structures.We briefly investigated possible mechanisms responsible for the different behaviors of the ACW during the three periods.     

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。     

南极涛动与西沙夏季气候的关联性

利用近53a(1960—2012年)南海西沙群岛永兴岛气象站的观测资料以及同期的NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析了近53a西沙夏季气候变化特征及其与春、夏季南极海平面气压的可能联系,并初步分析了南极涛动(AAO)对西沙夏季气候的影响。结果表明:近53a来西沙夏季平均降水持续减少、气温明显升高、风速显著减弱;降水、气温和风速还表现出准2a的年际变率及7~11a的年代际变率。回归分析和相关分析结果均表明,当春、夏季南极海平面气压偏强(弱)时,西沙夏季降水偏多(少)、气温偏低(高)、风速偏强(弱)、空间分布型类似于负(正)位相的南极涛动(AAO)。春、夏季AAO处于正位相,一方面在年代际尺度上导致东亚夏季风减弱,另一方面在年际尺度上导致印度季风减弱,从而使得西沙夏季降水偏少、气温偏高、风速偏弱。     

The Arctic and Antarctic Oscillations in the IPCC AR4 Coupled Models

This study evaluates the fidelity of Arctic and Antarctic oscillations (AO and AAO for short,respectively) in the coupled general circulation models participating in the Fourth Assessment Report of Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC AR4).The AO and AAO during 1970-1999 in 24 models are analyzed and compared with that in ERA-40 and NCEP-1.Models'performance is seasonally dependent,with best reproducibility of both spatial structure and trend in winter.In most models,the spatial pattern and temporal trend of AAO during this period are more delicately simulated than AO.After picking out models with better performance according to the Taylor diagram,we find that their ensemble mean can obviously improve models'reproducibility.The AO and AAO in the Special Report on Emission Scenarios (SRES) A1B Projection during the 21st century are also briefly analyzed.The results reveal that both the AO and AAO indices keep increasing during 1970-2099,with a steadier pace of AO than AAO.The spatial difference of sea level pressure between 2060 2089 and 1970-1999 shows decreased values in polar regions,and increased values in midlatitudes.The results manifest that the ozone recovery during the mid 21st century may not weaken such a trend.     

Interdecadal variability of the meridional Ekman heat and mass transport in the North Atlantic and its relation to the Atlantic Multidecadal Oscillation

Average long-term and average annual values of meridional Ekman heat (mass) transport are estimated using the NCEP/NCAR (for 1948-2014) and 20CR (for 1871-2012) atmospheric reanalyses, and their interdecadal variability is analyzed. It was corroborated that the typical period of interdecadal variability of meridional Ekman transport in the North Atlantic coincides with that of the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) and is about 60 years. The strengthening of northeastern trade winds and westerlies accompanied by the development of the negative phase of AMO occurred in the 1880s-1920s and in the 1960s-1990s. The opposite trend is observed for the 1930s-1950s and for the period from the 1990s till the beginning of the 21st century.     

不同年代际背景下南半球环流变化对中国夏季降水的影响

利用1951～2008年NCEP再分析资料和中国夏季降水观测资料,分析了南半球环流的年代际变化特征以及在不同年代际背景下南极涛动(AAO)对中国东部夏季降水的影响.结果表明,20世纪70年代末,南半球环流发生了年代际变化,东南太平洋和南大西洋副高减弱,而马斯克林高压(南印度洋副高)增强,绕南极低压带加深.在此背景下,AAO由负位相转变为正位相,对中国夏季降水的影响也随之发生改变.在春季AAO偏强的情况下,1976年之前,长江以南地区和华北地区降水偏多,江淮流域降水偏少;而在1976年之后,从华南沿海一直到江淮流域降水都偏多,华北到东北地区降水偏少.这说明AAO对中国夏季降水的影响与年代际背景有关,1976年之后,AAO对中国夏季降水的影响增强,影响范围更加偏北.在当前海温预报因子作用减弱的情况下,AAO有可能成为中国夏季降水预测的一个重要预报因子.     

北极海冰及其与气象要素年际关系的年代际变化

利用Hadley海冰密集度资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系的年代际变化。结果表明,北极海冰存在显著的年代际变化,且有较强的区域性。东西伯利亚海和波弗特海海冰融冰量的平均值变大且方差增大,格陵兰岛以东洋面海冰融冰量的量值和变率均在减弱。对3个不同气候时段内北极海冰融冰量进行EOF分解,前两个模态均在3个气候时段发生显著的年代际变化,东西伯利亚海海冰融冰量的增加与EOF第一模态年代际变化相关,而EOF第二模态则明显造成了波弗特海海冰的年代际消融。并且,与之相应的大气环流也出现了明显的年代际变化,它们与AO/NAO的年际关系也存在年代际转折,融冰量第二模态与AO的年际关系更为紧密,1960—1990年第二模态与AO的相关系数仅为0.186,而1980—2010年相关系数已升高至0.367。整个北冰洋的海冰融冰量与AO的年际关系也出现了年代际增强,尤其是东西伯利亚地区海冰融冰量与AO的年际关系发生了年代际增强,1980—2010年两者相关达到了0.4以上。而波弗特海融冰量与AO相关系数变化较大,1960—1990年其的相关系数高达-0.488,1980年后却减少至0.161。然而AO却未发生明显的年代际变化。造成北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系发生年代际变化的主要因子之一是波弗特高压,其年代际减弱使得极区向东西伯利亚海和波弗特海的海冰输送减弱,导致这两个区域海冰减少,使得AO与北极海冰的年际关系发生了年代际转折。     

Transition of Zonal Asymmetry of the Arctic Oscillation and the Antarctic Oscillation at the End of 1970s

In this study,the interdecadal changes in the zonal symmetry of both Arctic Oscillation(AO) and Antarctic Oscillation(AAO) were analyzed.To describe the zonal asymmetry,a local index of AO and AAO was defined using the normalized sea level pressure(SLP) differences between 40° and 65°(latitudes) in both hemispheres.The zonal covariability of local AO and AAO can well represent the zonal symmetry of AO and AAO.Results show that the zonal asymmetry of both AO and AAO significantly changed in the late 1970s.AO was less asymmetric in the zonal direction in the boreal winter season during the latter period,while in the boreal summer it became more asymmetric after 1979.The zonal symmetry of AAO in both austral summer and winter has also significantly decreased since the late 1970s.These changes may imply interdecadal transition in the atmospheric circulation at middle and high latitudes,which is of vital importance to understanding climate variability and predictability across the globe,including the African-Asian-Australian monsoon regions.