东亚-北太平洋副热带海气耦合模态及其对降水的影响

利用53年的NCEP/NCAR再分析资料和英国气象局Hadley气候预测和研究中心的海表面温度资料,使用SVD方法研究了东亚-北太平洋地区表层海温(SST)异常与大气环流异常间的主要耦合模态.分析结果表明,中纬度北太平洋地区存在两种主要的海-气耦合模态,第一模态是海温异常分布的纬向型,第二模态主要表现为经向海温差异分布.两种空间耦合模态共同反映出中纬度北太平洋地区大气和海洋的异常中心有很强的局地耦合性.在第一模态的正(负)异常年,东亚-北太平洋地区主要为负(正)的降水异常,在第二模态的正(负)异常年,东亚和北太平洋的大部分地区出现降水正(负)异常,北美西岸及以西的部分区域出现降水的负(正)异常.两个模态所对应的降水差异显示,海气耦合模态的循环变化有利于形成我国降水分布南北差异的改变.     

Decadal/interdecadal variations of the ocean temperature and its impacts on climate

Decadal/interdecadal climate variability is an important research focus of the CLIVAR Program and has been paid more attention. Over recent years, a lot of studies in relation to interdecadal climate variations have been also completed by Chinese scientists. This paper presents an overview of some advances in the study of decadal/interdecadal variations of the ocean temperature and its climate impacts, which includes interdecadal climate variability in China, the interdecadal modes of sea surface temperature (SST) anomalies in the North Pacific, and in particular, the impacts of interdecadal SST variations on the Asian monsoon rainfall. As summarized in this paper, some results have been achieved by using climate diagnostic studies of historical climatic datasets. Two fundamental interdecadal SST variability modes (7– 10-years mode and 25–35-years mode) have been identified over the North Pacific associated with different anomalous patterns of atmospheric circulation. The southern Indian Ocean dipole (SIOD) shows a major feature of interdecadal variation, with a positive (negative) phase favoring a weakened (enhanced) Asian summer monsoon in the following summer. It is also found that the China monsoon rainfall exhibits interdecadal variations with more wet (dry) monsoon years in the Yangtze River (South China and North China) before 1976, but vice versa after 1976. The weakened relationship between the Indian summer rainfall and ENSO is a feature of interdecadal variations, suggesting an important role of the interdecadal variation of the SIOD in the climate over the south Asia and southeast Asia. In addition, evidence indicates that the climate shift in the 1960s may be related to the anomalies of the North Atlantic Oscillation (NAO) and North Pacific Oscillation (NPO). Overall, the present research has improved our understanding of the decadal/interdecadal variations of SST and their impacts on the Asian monsoon rainfall. However, the research also highlights a number of problems for future research, in particular the mechanisms responsible for the monsoon long-term predictability, which is a great challenge in climate research.     

中国气候年代际变化的大气环流形势对比分析

该文通过５０年代和８０年代大气环流形势异常的对比,分析了中国气候年代际变化的特征．其主要结果是：中国气候变化存在明显的年代际变化特征;在中国气候年代际变化的不同气候阶段,北半球大气环流也有明显的不同异常形势,尤其是西北太平洋和中国大陆一带地区的环流异常非常不一样;同时,与空间分布的明显差异相类似,子波分析表明对于不同的气候阶段,也有不同的时间变化型与之相对应．     

加利福尼亚附近的海温强迫及其与北太平洋年代际振荡的可能联系

本文利用1958～2018年期间海表面温度（SST）异常和湍流热通量异常变化的关系,探讨了其与北太平洋年代际振荡（PDO）相关的年际和年代际时间尺度上在不同海域的海气相互作用特征。结果表明:在年际尺度上,黑潮—亲潮延伸区（KOE）表现为显著大气强迫海洋,赤道中东太平洋表现为显著海洋强迫大气;在年代际尺度上,PDO北中心表现为大气强迫海洋,加利福尼亚附近则表现为显著海洋强迫大气。进一步分析表明:加利福尼亚附近区域是北太平洋准12年振荡的关键区域之一,与PDO准十年的周期类似,加利福尼亚附近的冷（暖）海温对应其上有反气旋（气旋）型环流,赤道中太平洋海水上翻和北太平洋东部副热带区域经向风应力的变化是北太平洋准12年振荡的另外两个重要环节。     

1月份两类ENSO的海气环流模态分析

本文对1950～2001年1月份的大气风场和大洋流场做了联合复EOF（Empirical Orthogonal Function）分解,用以探讨1月份两类ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）的海气环流及耦合情况,所得结果主要有:该分解第1、2模态空间场分别相应于东部型、中部型ENSO,前者在赤道太平洋东部和中部都有海温动力异常,并以东部异常最强,后者仅在中部存在此异常,两模态的时间系数都与ENSO有很好相关,为此第1、2模态可分别称为东部型、中部型ENSO的风场流场（异常）模态。东部型ENSO模态具有3～6年的年际变化和13～14年的年代际变化,中部型则有明显的7年年际变化和12、17年的年代际变化,两者中约13年的周期与冬季北太平洋NPGO（North Pacific Gyre Oscillation）的周期相同。东、中部型El Ni?o期间,沃克环流上升支分别从印尼东移至赤道西、中太平洋,并有所减弱;南、北支哈得莱环流则分别位于日界线以东及该线附近,且均有所加强,从而使南、北太平洋副热带高压偏强;而在5°S的南美沿岸则分别有垂直运动上升和下沉异常。在海气耦合上,两类ENSO模态在赤道中太平洋均存在西风异常与海洋赤道Kelvin波和Rossby波的波包解耦合,而海温动力异常对大气的影响则都起到负反馈作用,从而有利于ENSO的维持和稳定。     

Joint Propagating Patterns of SST and SLP Anomalies in the North Pacific on Bidecadal and Pentadecadal Timescales

Wavelet analyses are applied to the Pacific Decadal Oscillation index and North Pacific index for the period 1900-2000, which identifies two dominant interdecadal components, the bidecadal (15-25-yr) and pentadecadal (50-70-yr) modes. Joint propagating patterns of sea surface temperature (SST) and sea level pressure (SLP) anomalies in the North Pacific for the two modes are revealed by using the techniques of multi-channel singular spectrum analysis (MSSA) and linear regression analysis with the global sea surface temperature (GISST) data and the northern hemispheric SLP data for the common period 1903-1998. Significant differences in spatio-temporal structures are found between the two modes.For the bidecadal mode, SST anomalies originating from the Gulf of Alaska appear to slowly spread southwestward, inducing a reversal of early SST anomalies in the central North Pacific. Due to further westward spreading, the SST variation of the central North Pacific leads that of the Kuroshio-Oyashio Extension (KOE) region by approximately 4 to 5 years. Concomitantly, SLP anomalies spread over most parts of the North Pacific during the mature phase and then change into an NPO(North Pacific Oscillation)-like pattern during the transition phase. For the pentadecadal mode, SST anomalies develop in the southeast tropical Pacific and propagate along the North American coast to the mid-latitudes; meanwhile,SST anomalies with the same polarity in the western tropical Pacific expand northward to Kuroshio and its extension region; both merge into the central North Pacific reversing the sign of early SST anomalies there.Accompanying SLP anomalies are characterized by an NPO-like pattern during the mature phase while they are dominant over the North Pacific during the transitional phase. The bidecadal and pentadecadal modes have different propagating Patterns, suggesting that the two interdecadal modes may arise from different physical mechanisms.     

海表温度异常影响东亚夏季风年代际变化的数值模拟

采用1950-2000年逐月观测的不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋、热带印度洋及热带太平洋)海表温度分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,进行了多组长时间积分试验,对比ERA-40和NCEP/NCAR再分析资料,讨论了这些海域海表温度异常对东亚夏季风年代际变化的影响。数值试验结果表明:全球、热带、热带印度洋-太平洋和热带太平洋海表温度变化对东亚夏季风的年代际变化具有重要作用,均模拟出了东亚夏季风在20世纪70年代中后期发生的年代际减弱现象,以及强、弱夏季风年代夏季大气环流异常分布的显著不同,这与观测结果较一致,表明热带太平洋是影响东亚夏季风此次年代际变化的关键海区;利用热带印度洋海表温度驱动模式模拟出的东亚夏季风在20世纪70年代中后期发生年代际增强现象,即当热带印度洋海表温度年代际偏暖(冷)时,东亚夏季风年代际增强(减弱),与热带太平洋海表温度变化对东亚夏季风年代际变化的影响相反;热带太平洋海表温度年代际背景的变化对东亚夏季风在20世纪70年代中后期的年代际减弱有重要作用。     

中国东北暖季气温变化特征及其与海温和大尺度环流的关系

利用1980~2014年CRU TS3.24月平均气温数据和NCEP/NCAR再分析资料,分析了中国东北暖季（5~9月）气温的时空变化特征及其相应的大气环流状况。结果表明:中国东北暖季气温主要表现为全区一致型和南北反位相型两个模态,二者总解释方差高达86%。全区一致型具有明显的年代际变化特征,并在1990年代中期发生了显著的年代际突变,而南北反位相型具有明显的年际和年代际变化特征。全区一致型增暖对应着中国东北地区上空500 hPa位势高度的正异常和850 hPa的反气旋环流异常。当500 hPa位势高度南北反相时,对应于中国东北暖季气温的南北反位相型。进一步分析表明中国东北暖季气温的全区一致型及其1990年代中期的年代际突变与日本海及黑潮延伸区的海温异常及太平洋年代际振荡和大西洋多年代际振荡指数紧密相关。菲律宾以东的西太平洋、北太平洋中部、我国东南沿海、靠近北美东北部的北大西洋等海域的海温异常对中国东北暖季气温全区一致型的出现具有一定的预测作用。而南北反位相变化型与黑潮延伸区的海温异常关系显著,与大尺度指数的相关普遍不明显。在1990年代中期突变前,南北反位相型受到ENSO事件的影响,之后影响不显著。     

北太平洋海温异常的空间模态及其与东亚环流异常的关系

运用英国气象局全球海温和NCEP/NCAR 再分析逐月资料, 分析了1979年以来北太平洋夏季海温异常的主要模态, 并探讨了海温异常的空间分布与东亚环流异常的关系。结果表明: 北太平洋夏季海温主要存在两种模态, 当太平洋热带地区西高东低 (西低东高), 西太平洋到黑潮区海温偏高 (低), 东南太平洋的海温偏低 (高) 时, 东亚贝加尔湖南侧地区为显著的正 (负) 高度异常。进一步分析发现这种环流异常与北太平洋西部海温异常引起的辐合辐散有关, 北太平洋西部近大陆海域海温异常偏暖 (冷), 对应上空为异常的上升 (下沉) 运动, 因质量的连续性使贝加尔湖南侧地区低层辐散 (辐合) 异常, 有利于该地区异常反气旋性环流的加强 (减弱)。     

冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温异常的联系

利用1979—2015年ECMWF逐日再分析资料,通过EOF分解和回归分析研究了冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与海表面温度异常(SSTA)和大气环流异常之间的联系。研究结果表明:冬季中纬度北太平洋地区850 h Pa低频尺度环流存在3个明显的变化模态:第一模态为海盆尺度的单极型异常气旋(反气旋)式环流,同期太平洋SSTA呈现El Ni1o(La Ni1a)以及PDO暖位相(冷位相)空间分布,阿留申低压强度增强(减弱),对流层中高层是正位相(负位相)的PNA型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴中东部南压(北抬);第二模态为在白令海峡和副热带地区呈气旋式与反气旋式环流南北向偶极型变化,同时中纬度北太平洋SSTA呈现NPGO(North Pacific Gyre Oscillation)正位相(负位相)的空间分布,黑潮区域SSTA偏暖(偏冷),北太平洋SSTA经向梯度加大(减小),对流层中高层为负位相(正位相)的WP型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴整体偏北(偏南),强度增强(减弱);第三模态为北太平洋中西部和北美西岸呈气旋式与反气旋式环流东西向偶极型异常,黑潮区域SSTA偏冷(偏暖)而北太平洋东部SSTA偏暖(偏冷),SSTA纬向梯度加大(减弱),同时赤道东太平洋出现类似La Ni1a(El Ni1o)的SSTA分布,北太平洋天气尺度风暴轴中东部明显减弱(加强)而西部略有加强(减弱)。     

东亚和西北太平洋地区气候的准10年尺度振荡及其可能机制

本文基于对气候、大气环流和海表水温的资料分析以及简单的理想化海气耦合模式的分析,研究了东亚和西北太平洋地区气候的准１０年振荡及其可能机制。研究表明,东亚和西北太平洋地区的气候（降水和地面气温等）和大气环流（环流指数和副高活动等）的演变都有明显的准１０年振荡;同赤道太平洋ＳＳＴＡ主要为ＥＮＳＯ循环不同,西北太平洋ＳＳＴＡ主要表现为准１０年尺度的振荡,且同气候和大气环流的准１０年变化密切相关;中纬度海－气相互作用可产生一种甚低频耦合波（１０年左右周期）,它可能是海气系统准１０年振荡的重要机制之一     

我国东部梅雨期降水的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温的关系

基于我国160站59年(1951～2009年)的月降水观测资料、美国气象环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的再分析资料和Hadley中心的海表温度(Sea Surface Temperature,简称SST)资料,对我国东部(100°E以东,15°N～40°N)梅雨期(6月和7月)降水的时空变化特...     

The relationship between sea surface temperature anomalies and atmospheric circulation in GCM experiments

Several 19-year integrations of the Hamburg version of the ECMWF/T21 general circulation model driven by the monthly mean sea surface temperature (SST) observed in 1970–1988 were examined to study extratropical response of the atmospheric circulation to SST anomalies in the Northern Hemisphere in winter. In the first 19-years run SST anomalies were prescribed globally (GAGO run), and in two others SST monthly variability was limited to extratropical regions (MOGA run) and to tropics (TOGA run), respectively. A canonical correlation analysis (CCA), which select from two time-dependent fields optimally correlated pairs of patterns, was applied to monthly anomalies of SST in the North Alantic and Pacific Oceans and monthly anomalies of sea level pressure and 500 hPa geopotential height in the Northern Hemisphere. In the GAGO run the best correlated atmospheric pattern is global and is characterized by north-south dipole structures of the same polarity in the North Atlantic and the North Pacific sectors. In the MOGA and TOGA experiments the atmospehric response is more local than in the GAGO run with main centers in the North Atlantic and North Pacific, respectively. The extratropical response in the GAGO run is not equal to the sum of the responses in the MOGA and TOGA runs. The artificial meridional SST gradients at 25°–30°N probably influence the results of the MOGA and TOGA runs. The atmopsheric modes found by the CCA were compared with the normal modes of the barotropic vorticity equation linearized about the 500 hPa. winter climate. The normal modes with smallest eigenvalues are similar to the model leading variability modes and canonical patterns of 500 hPa geopotential height. The corresponding eigenvectors of the adjoint operator, which represent an external forcing optimal for exciting normal modes, have a longitudinal structure with maxima in regions characterized by enhanced high frequency baroclinic activity over both oceans.     

INTERDECADAL VARIATIONS OF INTERACTION BETWEEN NORTH PACIFIC SSTA AND EAST ASIAN SUMMER MONSOON

Identification of key SST zones is essential in predicting the weather / climate systems in East Asia. With the SST data by the U.K. Meteorological Office and 40-year geopotential height and wind fields by NCAR / NCEP, the relationship between the East Asian summer monsoon and north Pacific SSTA is studied, which reveals their interactions are of interdecadal variation. Before mid-1970's, the north Pacific SSTA acts upon the summer monsoon in East Asia through a great circle wavetrain and results in more rainfall in the summer of the northern part of China. After 1976, the SSTA weakens the wavetrain and no longer influences the precipitation in North China due to loosened links with the East Asian summer monsoon. It can be drawn that the key SST zones having potential effects on the weather / climate systems in East Asia do not stay in one particular area of the ocean but rather shift elsewhere as governed by the interdecadal variations of the air-sea interactions. It is hoped that the study would help shed light on the prediction of drought / flood spans in China.     

年代际气候变化研究

概括的介绍了中国科学家近几年在年代际气候变化方面的研究进展,包括中国气候的年代际变化特征,北大西洋涛动(NAO)和北太平洋涛动(NPO)与中国年代际气候变化的关系,北太平洋海面温度(SST)年代际模及其影响,大气环流系统的年代际变化以及气候突变问题.     

与印度洋偶极子模态有关的西太平洋海温异常型及其对东亚冬季气候的影响

利用NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）海温、GPCP（Global Precipitation Climatology Project）降水和ERA-20C（ECMWF's first atmospheric reanalysis of the 20th century）再分析大气环流资料,结合大气环流模式ECHAM5敏感性试验,研究了与秋季印度洋海温偶极子模态（IOD）相联系的冬季热带西太平洋海温异常型及其对东亚冬季气候的影响。发现在秋季发生IOD背景下,冬季西太平洋存在两类海温异常的变化型:一类是西太平洋区域一致偏暖/冷的模态,另一类是区域西冷东暖/西暖东冷的模态。尽管西太平洋海温一致偏暖和西冷东暖这两类海温变化型均有利于华南冬季少降水,但影响的范围有所不同。一致偏暖型引起的少降水范围较大,从华南扩展到长江中下游地区。西冷东暖型引起少降水范围主要限于华南,而在长江中下游到华北则降水偏多。相应地,在大气环流上,尽管两类海温异常型均有利于在西北太平洋菲律宾海附近出现气旋式环流异常,但气旋的强度和中心位置有差异。一致偏暖型引起的气旋偏强,中心位置偏西,其后部异常东北风控制的范围更大,导致少降水范围更大,而西冷东暖型引起的气旋偏弱,中心位置偏东,其后部异常东北风控制的范围小,导致少降水区域主要在华南沿海。本文结果对认识IOD调制随后冬季东亚降水异常的机理有重要意义。     

东亚冬季风对秋、冬季SSTA响应的数值试验

利用NCAR CCM2模式，通过设计多组数值试验方案，研究了东亚冬季风对赤道中东太平洋、中纬度太平洋秋、冬季SSTA的响应。模拟结果表明，东亚冬季风对秋、冬季太平洋SSTA均存在一定的响应，但冬季风对SSTA的响应存在显著的季节和海域差异，并表现出不同的异常响应形态。东亚冬季风对秋季SSTA的显著响应区域位于中纬度太平洋地区，该区域的SST的持续异常，可以引起欧亚、北美地区冬季大气环流的异常，并伴随有明显的EU型和PNA型波列特征，秋季中纬度太平洋SST持续异常偏冷（暖），能够引起有利于强（弱）东亚冬季风的环流异常。而冬季风对冬季SSTA的响应则为赤道中东太平洋和中纬度太平洋SSTA共同作用的结果，在两个区域SSTA的同时强迫下，大气环流表现出类似PNA及WP型波列分布的异常响应特征，赤道中东太平洋的正（负）的SSTA及中纬度太平洋负（正）的SSTA，将导致弱（强）冬季风的发生。     

北太平洋冬季海-气耦合的主模态及其与瞬变扰动异常的联系

利用45年的ECMWF再分析资料,使用SVD方法研究了冬季北太平洋地区表层海温(SST)异常与大气环流异常间的主要耦合模态,探讨了大尺度海-气耦合型与天气尺度瞬变扰动的相互关系。分析结果表明,中纬度北太平洋地区冬季存在两种主要的海-气耦合型,第1种耦合型反映了与ENSO紧密相关的中纬度北太平洋冬季海温异常分布型以及大气的PNA型,第2种耦合型SST异常集中在东亚沿海以及中纬度北太平洋海流区,相应的大气场则为暖(冷)SSTA上空东西向带状区域内位势高度偏高(低),明显独立于ENSO型。进一步的合成分析表明,在第1种耦合型SST正(负)异常年里,冬季阿留申低压主体位置偏西南(东北),从东北亚到北美西海岸的西北—东南向带状区域内是低层大气温度正(负)异常区和高层西风负(正)异常区,西风负(正)异常中心位于西风急流出口处的北太平洋中东部,而西风急流主体区的风速变化很小。在第2种耦合型东亚沿海至中纬度北太平洋海流区SST偏暖(冷)时,阿留申低压整体偏弱(强),SST暖(冷)异常上空的大气温度偏暖(冷),高层西风急流区西风偏弱(强)。两种耦合型均显示出在北太平洋中纬度地区大气和海洋的异常相关中心有很好的空间对应性。在两种耦合型下,中纬度北太平洋冬季的大气斜压性也发生截然不同的改变,引起中纬度天气尺度瞬变扰动活动异常。瞬变扰动异常的动力强迫作用对北太平洋西风异常的形成存在正反馈作用,而其热力作用则试图破坏与两种海-气耦合模态相关的大气温度异常型。     

不同海域海表温度异常对西北太平洋副热带高压年代际变化影响的数值模拟研究

采用1950～2000年逐月观测的不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋、热带印度洋及热带太平洋) 海表温度分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式, 进行了多组长时间积分试验, 对比观测资料, 讨论了这些海域海表温度异常 (SSTA) 对西北太平洋副热带高压年代际变化的影响。结果表明: 全球、 热带、 热带印度洋－太平洋和热带印度洋海表温度变化均对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化有重要作用, 即在这些海域的海表温度变化影响下, 西北太平洋副热带高压均在1970年代中后期发生了年代际变化, 其后副高面积增大、 强度增强、 位置偏西、 偏南, 这与观测结果较一致; 热带太平洋海表温度变化对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化也有重要作用, 在其作用下, 夏季西北太平洋副热带高压的强度、 面积在1960年代后期发生年代际变化, 南界在1970年代中后期发生年代际变化, 这些时段以后副高强度增强、 面积增大、 偏南; 热带印度洋海表温度驱动模拟的西北太平洋副热带高压变化比热带太平洋海表温度驱动模拟的副高更接近于观测结果, 且年代际变化更显著, 其差异的可能原因在于两区海表温度在1970年代中后期以后的年代际变化能在孟加拉湾〖CD*2〗中国东南沿海区域强迫产生的异常环流不同, 前者强迫产生出反气旋性环流异常, 有利于副高的增强、 面积增大和西伸, 而后者强迫产生出气旋性环流异常, 不利于副高的西伸; 热带太平洋和热带印度洋海表温度在1970年代中后期的冷、 暖年代际背景变化对夏季西北太平洋副热带高压年代际变化有重要作用; 热带外海表温度变化对西北太平洋副热带高压年代际变化作用较小。     

华北夏季旱涝的前期环流异常及其与北太平洋海温的关系

文章分析了华北地区夏季旱涝的前期春季大气环流和北太平洋海温异常（ＳＳＴＡ）分布特征，探讨ＳＳＴＡ与异常环流的关系，并用ＯＳＵ－ＡＧＣＭ进行黑潮地区热源异常强迫的数值试验．结果表明，当春季北极低涡明显减弱，欧亚大陆中高纬度地区纬向环流加强，西太平洋副高位置偏北偏西，且存在负ＰＮＡ型异常环流时，华北地区夏季多雨涝；反之则少雨干旱．此时，西北太平洋和赤道东太平洋ＳＳＴ分别存在较大的正、负异常，它们与春季环流异常密切相关，黑潮区ＳＳＴＡ对北半球副热带及其以北的大气环流产生显著影响，正的ＳＳＴＡ是造成华北夏涝年的前期春季异常环流形势的重要因素．