广义平衡反馈分析方法

广义平衡反馈分析方法(GEFA)是美国威斯康星大学刘征宇教授在EFA(平衡反馈分析方法)的基础上提出的一种应用于气候异常因子诊断分析方法,该方法把一元平衡反馈分析方法拓展到多元反馈分析,可以把不同海区对气候异常的各自贡献分离出来。此外,GEFA还能用来研究其他类型边界(如陆面)对大气的强迫作用,可系统地分析全球下垫面对大气的反馈特征,GEFA方法在异常气候成因诊断、数值模式分析诊断中具有很好的业务应用前景,它也是研究海-陆-气相互作用的一种有效统计工具。     

海洋碳循环与全球气候变化相互反馈的研究进展

海洋作为地球上一个主要吸收二氧化碳的汇,储存大量的二氧化碳.海-气间的二氧化碳交换,使得海洋中碳对气候产生反馈作用,从而影响着大气中CO2的浓度,甚至影响到全球气候的变化.本文主要介绍了海洋碳循环的过程,以及海洋碳循环过程对气候的反馈作用.     

与冬季北太平洋大范围海温异常相联系的海气特征

采用1948—2014年NCEP/NCAR大气再分析资料以及延伸重建海温资料,基于大气海洋间不同的主导关系对冬季北太平洋大范围海温异常进行分类,探究其相应的海气结构特征。结果表明:1)大气影响海洋的个例多于海洋影响大气的个例,即在冬季北太平洋大气强迫海洋占主要地位,但也存在海洋对大气的反馈作用。2)对于大气影响海洋而言,SST(Sea Surface Temperature)暖异常区上空主要伴随着东北—西南走向的相当正压高低压异常(东北高西南低),对应东南风异常以及显著的深厚暖异常,表现出相当正压暖/脊结构,冷异常情况与此相反。SST异常为净热通量异常与风速异常共同作用引起。3)对于海洋影响大气而言,在SST暖异常区上空西部为南北向高低压异常(北高南低),东部为低压异常,对应偏东风异常。在SST冷异常区上空为偶极型的南北向高低压异常(南高北低),对应偏西风异常;位势高度异常表现出相当正压结构且较大气影响海洋时相对偏弱,大气暖(冷)温度异常比较浅薄且主要局限于对流层低层。4)海洋温度结构异常主要表现为,在大气影响海洋时海温异常由表层下传,海洋影响大气时为上下一致的温度异常。     

海温异常模之线性相互作用及其对西北太平洋热带气旋生成频数变化的影响

利用美国台风联合警报中心的best-track热带气旋信息数据集,运用多元线性回归、平衡反馈(EFA)以及广义平衡反馈分析(GEFA)方法,结合EOF,探讨海温异常模之线性作用及其对西北太平洋热带气旋生成频数(TCGN)变化的影响。单个海盆SSTA模的EFA结果显示,TCGN对热带太平洋海表温度异常(SSTA)经向模(TP2)、北太平洋第二模(NP2)、热带印度洋海盆一致模(IOBM)、北大西洋第一模(NA1)及第二模态(NA2)的反馈响应显著。多元回归分析表明,西北太平洋TCGN变化与热带太平洋第一模(TP1)、IOBM、NA1有显著的统计关系。GEFA的结果显示,IOBM和NA1对TCGN变化的强迫作用通过0.1以上的显著性水平检验。GEFA与EFA的差异反映了TP2、NP2和NA2分别受其它海盆的影响明显;GEFA与多元回归结果的差异反映了TP1具有强的海气相互作用特征,表明GEFA能够鉴别出海洋对大气的强迫作用。     

基于广义平衡反馈方法的2009/2010年中国冬季气温异常型的诊断

利用中国160个台站和NCEP再分析资料,引入综合分析气候反馈的统计方法——广义平衡反馈方法(GEFA),结合EOF、相关合成分析,探讨2009/2010年中国冬季气温异常型的成因。结果表明:2009/2010年中国冬季气温出现的东北冷西南暖分布型与同期海温异常及其相联系的大气环流异常有密切的关系。其中赤道中东太平洋海温异常的El Ni?o型和赤道大西洋海温异常“正-负-正”三极型模态对2009/2010年中国冬季气温东北冷西南暖分布型有显著的强迫作用。上述海温异常型影响了大气环流异常,中高纬度地面偏北气流将冷空气输送到华北东北地区,致使该地区冬季气温偏低,同时中纬度西风增强,极地冷空气被迫盘踞在高纬,不能影响到西南地区,导致西南地区较常年更暖。      

春季我国东部海洋温度锋区对大气的强迫作用及其机制研究

首先, 采用高分辨率的卫星资料研究了春季我国东部海区海洋锋区附近的海温与风场之间的关系, 资料分析表明海温与海表面风速之间存在明显的正相关关系, 特别是在海洋锋强的年份, 这种正相关关系更明显。资料分析还表明春季是黄海、 东海海洋锋最强的季节, 海温与海表面风速的对应关系在春季尤为明显。然后, 采用一个高分辨率和先进物理方案的中尺度模式探讨了海洋影响大气的机制。控制试验再现了海洋锋区附近海温与海表面风速之间的正相关关系。模拟的边界层垂直结构说明海温能够明显改变锋区两侧边界层大气的稳定度和垂直混合的强弱, 证明了垂直混合机制的存在。而另一方面, 对控制试验和平滑海温试验的水平动量方程中各收支项的比较分析发现, 由于海洋锋的存在而产生的气压梯度力对穿越锋区的空气的加速也有相当重要的贡献。综合观测和模拟结果说明春季我国东部海区海洋温度锋区的海洋—大气相互作用过程中海洋对大气的影响非常明显, 在海洋影响大气的机理方面, 海平面气压调整机制和垂直混合机制都在起作用。     

中国夏季气温对东亚土壤湿度异常响应的统计评估

基于欧亚夏季土壤湿度变化特征及其与中国夏季气温的相关分析,选取东亚地区作为土壤湿度异常影响中国夏季气温的陆面关键区,采用广义平衡反馈分析方法(GEFA)探讨了我国夏季气温对东亚地区土壤湿度异常的可能响应,并初步讨论了相关的物理过程。结果表明:中国夏季气温与东亚地区初夏和同期的土壤湿度异常具有密切的联系;进一步分析表明,夏季气温距平场对土壤湿度第一模态的响应最显著:当东亚中纬度及我国东部地区土壤湿度异常偏干时,夏季气温表现为一致增暖;而土壤湿度第二模态对长江流域至我国西部地区的气温有较弱的强迫作用;气温对第三模态的响应主要表现为华南地区的显著降温。并以对气温影响最为显著的土壤湿度异常第一模态为例,初步探讨了气温对土壤湿度异常响应的可能物理过程。当贝加尔湖以南以及我国东部的土壤偏干时,地表异常加热容易引起我国北方高层大气出现明显正异常和低层的反气旋性异常环流,上述环流异常容易导致温度偏高,同时不利于该区域降水的发生,进而导致土壤湿度偏低,上述正反馈机制可能是该区域土壤湿度与大气之间联系的一种可能途径。     

一次层积云发展过程对黑潮延伸体海洋锋强迫的响应研究——观测与机制分析

由于缺乏海上现场观测,对天气尺度扰动下,海表面温度锋 (海洋锋) 对海洋大气边界层 (MABL) 垂直结构和MABL内海洋性低云 (marine stratus) 的影响研究较少。2014年4月12日,中国海洋大学东方红2号科学考察船在黑潮延伸体海区的海洋锋附近捕捉到一次层积云的迅速发展。在比较稳定的天气形势下,由暖水侧向北穿越海洋锋时,云底和云顶高度升高,云区范围迅速扩大。本文利用多种大气-海洋联合观测数据,结合卫星观测和再分析资料,对此次层积云迅速发展的机理进行了综合分析。结果表明,在海上低压后部西北风控制下,在海洋锋的暖水侧 (下风方) 形成热通量大值中心和低压槽,有助于高空西风动量下传,进而又使得海气界面热通量增加,这种正反馈效应为MABL内混合层厚度加大和云底/顶高度在海洋锋的下风方升高提供有利背景条件。4月12日09:00~12:00(协调世界时),来自日本本州岛陆地的低空暖平流到达该热通量中心上空,暖平流与热通量中心的共同作用,导致该时段近海面暖中心强度异常增加,MABL中静力不稳定层加深和低压槽发展,综合作用的结果使得混合层厚度明显加深,云底高度升高,云区迅速发展。本研究有助于理解在复杂大气背景扰动下MABL对海洋强迫的响应机理。     

北极海冰对2008年1月乌拉尔高压异常的影响

2008年1月我国南方发生了大范围的雨雪冰冻灾害天气,造成此次灾害的一个重要原因是乌拉尔高压异常的长期维持,而作为下垫面的海洋,2007/2008冬季环北欧海海冰异常偏少。观测资料合成分析表明,乌拉尔山地区出现高压异常与巴伦支海和喀拉海的海冰偏少存在密切对应关系。利用大气环流模式试验研究了(90°W~60°E)区域海冰异常对大气的影响,模拟结果显示海冰对乌拉尔高压异常有正的贡献,线性模式诊断表明天气尺度瞬变波是海冰影响乌拉尔高压异常的一种重要机制。     

海洋对大气加热场的区域性年变化特征

本文研究了热带和中纬度一些海表面温度年变化较强的区域中海洋对大气加热场的年度化特征。结果表明海洋向大气提供热通量的强度在冷海区呈年周期性变化,而在暖海区呈半年周期性变化。与潜热的湍流输送及海表面向上的长波辐射通量相比,感热的湍流输送量很小。在暖海区潜热输送总大于长波辐射,并且前者有较强的年变化而后者较弱;在冷海区二者的量级相当,年变化幅度也相当。海表风场和云的变化对海洋对大气加热场年变化的影响非常重要。     

Robust GEFA Assessment of Climate Feedback to SST EOF Modes

Atmospheric response to SST variability was estimated using generalized equilibrium feedback analysis (GEFA) in the SST EOF space with synthesis data from an idealized climate model. Results show that the GEFA atmospheric response to the leading SST EOF modes is much more accurate and robust than the GEFA feedback matrix in physical space. Therefore, GEFA provides a practical method for assessing atmospheric response to large-scale SST anomalies in terms of the leading EOFs.     

THE MEANDER OF KUROSHIO AND OSCILLATION IN A COUPLED OCEAN-ATMOSPHERE MODEL*

A numerical experiment of an asynchronous coupled ocean-atmosphere model has been described in this paper.A two-layer global atmosphere general circulation model(OSU/IAP-AGCM)and a two-layer North Pacific Ocean general circulation model(NPOGCM) developed by Liu et al.(1992)are used in numerical experiment.The sea surface temperature anomaly(SSTA) corresponding to the meander of the Kuroshio is treated as the initial perturbation in the Pacific Ocean and the abnormal phenomena caused by the disturbance and the interaction between atmosphere and ocean,have been studied.The numerical experiment showed that the SST anomaly in the North Pacific could induce a new 30-60 day osciltation through the coupling between atmosphere and ocean and the interaction between the meander of the Kuroshio and atmosphere circulation is a positive feedback process.     

北半球环流季节演变机制

提出了北半球大气环流季节变化的一种反馈机制：外界（太阳、海洋、陆地等）的热力强迫加热大气,形成波状低云;而波状低云又使高中纬大气冷却,进而影响高纬冷气团冬夏变化。根据波状低云影响高纬冷气团变化这一负反馈过程,对1958－1993年进行夏季旱涝预报试验,结果每年中国东部的主雨带基本可正确预测出来。     

南印度洋热带气旋生成频数气候变率对海温异常模响应的研究

基于1980—2014年的哈德莱中心海冰及海温的月平均SST资料,美国联合台风警报中心(JTWC)的best-track资料以及NCEP/NCAR再分析月平均资料,利用广义平衡反馈方法(GEFA)研究南印度洋热带气旋(TC)生成频数对海表温度异常的响应特征。研究表明:(1)南印度TC生成频数对北太平洋第一模态(NP1)和热带大西洋第二模态(TA2)有显著响应,分别通过了置信度为99%和96%的Monte-Carlo检验,对应的响应振幅分别为0.67和0.49。(2)局地环境要素对关键SSTA模的GEFA响应结果显示:当NP1出现类似于太平洋年代际振荡(PDO)的正位相时,850 h Pa相对涡度在15°S附近的印度洋海域上都有一个自西向东的显著正响应带,垂直风切变在马达加斯加以东的大部分海域都表现为显著的负响应,600 h Pa相对湿度在马达加斯加以东的部分海域表现为显著的正响应;当TA2对应的时间系数为正异常时,850 h Pa相对涡度和600 h Pa相对湿度在澳大利亚的西北部印度洋海域表现为显著的正响应,垂直风切变在澳大利亚的西北部印度洋海域表现为显著的负响应。     

A DIAGNOSTIC ANALYSIS OF AIR TEMPERATURE ANOMALY MODE OVER CHINA IN 2009/2010 WINTER BASED ON GENERALIZED EQUILIBRIUM FEEDBACK ASSESSMENT (GEFA) METHOD

By using the observed monthly mean data over 160 stations of China and NCAR/NCEP reanalysis data, the generalized equilibrium feedback assessment(GEFA) method, combined with the methods of EOF analysis, correlation and composite analysis, is used to explore the influence of different SST modes on a wintertime air temperature pattern in which it is cold in the northeast and warm in the southwest in China. The results show that the 2009/2010 winter air temperature oscillation mode between the northern and southern part of China is closely related to the corresponding sea surface temperature anomalies(SSTA) and its associated atmospheric circulation anomalies. Exhibiting warming in Northeast China and cooling in Southwest China, the mode is significantly forced by the El Nio mode and the North Atlantic SSTA mode, which have three poles. Under the influence of SSTA modes, the surface northerly flow transported cold air to North and Northeast China, resulting in low temperatures in the regions. Meanwhile, the mid-latitude westerlies intensify and the polar cold air stays in high latitudes and cannot affect the Southwest China, resulting in the warming there.     

热带大气和海洋运动的频率差异在海气系统演变中的作用

对热带太平洋地区850 hPa纬向风场、海表温度场月平均距平进行了谱分析。结果表明:纬向风距平与海表温度距平的振幅在El Ni?o或La Ni?a期间同时增长。而在其他期间,波振幅随时间呈相反变化趋势。在El Ni?o或La Ni?a事件发展期间,纬向风距平的位相角与海表温度距平位相角的差值在90o左右,而在事件的衰减期间,它们的位相角的差值在0o左右。本文还利用长波近似、海洋对大气加热取局地热力平衡近似时的简单热带海气耦合模式,研究了大气变量和海洋变量位相差随时间变化对海气耦合解的影响。在海气耦合模式中,当大气模式取为非定常时,大气和海洋Kelvin波之间以及Rossby波之间存在着能量转换,使大气和海洋波振幅呈相反变化趋势。此时,耦合波振幅随位相角差的变化没有共同的增长或衰减区间。大气Kelvin波与海洋Rossby波或大气Rossby波与海洋Kelvin波相互作用时,波振幅随位相差的变化存在着相同增长和衰减区间,它们的振幅要么同时增长,要么同时减少。当大气模式取定常时,因为相互作用波之间的位相差是一常数,波振幅随时间无限制增长。本文还在大气模式取为非定常和定常两种情况下,对海气耦合模式进行了数值求解。结果表明,当大气模式取为非定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果有较好一致性。当大气模式取为定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果差别较大。     

包含详细水分循环和海冰物理过程的一维。气候模式与气候系统内反馈机制的研究

紧于水分循环和海冰物理过程是气候变化研究中两个比较薄弱的环节，而在以往的一些气候模式中往往简化甚至忽略了其中之一，给气候变化的研究带来了一定的不确定性。因此，我们设计了包含详细水分循环和海冰物理过程的一维气候模式，着重研究了存在，气候系统内部的反馈机制，得到以下几点结论：（１）无论在地表还是在大气中，水汽反馈和冰雪反照率反馈均为很强的正反馈，前者比后者要强一些，冰雪反照率反馈在极区比其它地区强一些。（２）降水过程无论在地表还是在大气中均表现为负反馈。（３）在大气中，蒸发过程表现为很强的正反馈；在地表，蒸发过程在中低纬度表现为很强的负反馈，而在高纬度却表现为正反馈。（４）大气中的潜热输送无论在大气中还是在地表均表现为正反馈，共正反馈效应通过放大水汽的温室效应体现出来。（５）大气中的感热输送无论在大气中还是在地表均表现为较弱的负反馈，其负反馈作用通过抑制冰雪反照率反馈而表现出来。（６）不同反馈之间的合成不是两者简单地线性相加，而是以一种北线性方式相互作用。     

大气、海洋、人类活动与气候变暖

根据国内外的研究,对于人类活动引起的全球变暖以及与其有关的碳循环和大气与海洋的反馈过程做了综述。     

Uncertainty in the ocean–atmosphere feedbacks associated with ENSO in the reanalysis products

The evolution of El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO) variability can be characterized by various ocean–atmosphere feedbacks, for example, the influence of ENSO related sea surface temperature (SST) variability on the low-level wind and surface heat fluxes in the equatorial tropical Pacific, which in turn affects the evolution of the SST. An analysis of these feedbacks requires physically consistent observational data sets. Availability of various reanalysis data sets produced during the last 15?years provides such an opportunity. A consolidated estimate of ocean surface fluxes based on multiple reanalyses also helps understand biases in ENSO predictions and simulations from climate models. In this paper, the intensity and the spatial structure of ocean–atmosphere feedback terms (precipitation, surface wind stress, and ocean surface heat flux) associated with ENSO are evaluated for six different reanalysis products. The analysis provides an estimate for the feedback terms that could be used for model validation studies. The analysis includes the robustness of the estimate across different reanalyses. Results show that one of the “coupled” reanalysis among the six investigated is closer to the ensemble mean of the results, suggesting that the coupled data assimilation may have the potential to better capture the overall atmosphere–ocean feedback processes associated with ENSO than the uncoupled ones.