北太平洋热带的低频振荡——北方涛动

北方涛动是近几年在北太平洋热带地区发现的一种东西向的大气涛动.本文试图对北方涛动的空间结构和时间变化(包括季节变化和年际变化)的基本特征及其与热带太平洋海温、降水、信风和沃克环流等的联系作进一步的分析研究.经验正交函数(EOF)分析的结果,不仅进一步证实了北方涛动存在的真实性,而且还揭示了它的大尺度特征及其在北太平洋大气环流年际变化中占有头等重要的地位.据延伸的1921-1946年资料的分析表明,北方涛动仍然非常明显,说明它不是某一时期特有的现象,而是北太平洋热带地区大气环流固有的一种低频振荡.北方涛动3-4年的年际振荡与热带太平洋海温、降水、信风和沃克环流关系密切.并且它在这一频带与南方涛动发生强烈的耦合.我们认为,东赤道太平洋之所以是全球热带海洋中海温年际变化最大的地区,以及该区的海气相互作用之所以能够产生世界性年际气候变化最强的信号,可能与它们之间强烈的耦合作用不会没有关系.     

南方涛动年际变化的周期

一、前言自从半个世纪前沃克发现并命名了“南方涛动”(SO)以来,许多气象学家和海洋学家相继对南方涛动现象进行了大量研究。到60年代后期,许多学者又把它与厄尔尼诺(ElNino)现象联系起来,统称为厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)现象。已有的研究结果表明:南方涛动远远不是仅仅涉及到东南太平洋上的高压带与北澳大利亚到印度尼西亚低压带间海平面气压波动,它已被看成是全球尺度的年际气候变化的一个最突出的标志,并且它和热带海平面的气压变化、季风降雨及北美和热带以外的其他地区的冬季环流变化有关。此外,还有的研究把它与印度的干旱、北半球的大气平均温度、渔业捕获量和农业     

北方涛动和南方涛动与太平洋海温关系的对比分析

本文对太平洋气压场和海温场相互关系的分析,不仅证实了近年来一些研究提出的北方涛动与赤道东太平洋海温变化的关系,而且进一步揭示了北方涛动与太平洋海温相关最显著区域是在赤道太平洋日界线以东附近、Namias海区和加利福尼亚洋流区,而南方涛动与东太平洋和秘鲁沿岸的海温关系密切.并发现南、北方涛动虽处于同一3-4年的振荡系统中,但对各次埃尔尼诺过程而言,南、北方涛动指数的极值和相对强度都不尽一致.分析表明,埃尔尼诺现象的三种不同增温类型与南、北方涛动影响赤道太平洋海温在空间上的差异,以及位相和相对强度的不同匹配状态有相当程度的联系.     

近400a 来南方涛动与我国东部旱涝的关系

采用1601～1979年南方涛动指数(SOI)和我国黄河、长江流域各分区旱涝等级资料,计算了各季节的SOI与旱涝等级之间的遥相关及其振荡特性。结果表明,SOI与黄河流域旱涝的遥相关较之与长江流域更为显著,且两者呈反位相。谱分析还揭示了我国黄河、长江流域的旱涝变化具有明显的准3.5a振荡周期,这与各季节的SOI振荡有密切联系。此外,南方涛动变化多超前黄河和长江中游区域性旱涝变化la左右,尤以冬季更为显著。     

北太平洋冬季大气年代际振荡及其相关的SST变化

20世纪60年代， Namias(1969)就发现北太平洋海平面气压(SLP)存在10a以上长周期的变化，这种变化与北美冬季气温异常密切相关。70年代以后，又有人(White et al.，1972； Trenberth，1990； Trenberth et al.，1994)对上述变化作了进一步的验证，并指出1976年以后北太平洋的SLP异常偏低，即阿留申低压异常偏强。以阿留申低压为主要活动中心的大气年代际振荡被称为北太平洋涛动(NPDO)，它与北大西洋涛动(NAO)一起构成年代际气候变动最重要的观测依据，北太平洋年代际振荡的机制也引起了人们的广泛兴趣。作为大气运动的缓变下垫面强迫之一的海表面温度(SST)，它的异常变化对年际气候的显著影响已被公认(Wallace et al.，1981，1998)，由此推断，其对年代际时间尺度气候变化的影响可能也不可忽视。众所周知，SST年际变化最显著区位于赤道中东太平洋(如Nino 3区)，而与北太平洋年代际振荡显著相关的SST变化(时间变化和空间分布)又如何呢?作者就这一问题，分析了北太平洋大气环流年代际振荡的时、空变化特征，并揭示了与之相关的SST变化的时间变化和空间分布。     

ENSO 知识讲座

第三讲南方涛动、瓦克环流和厄尔尼诺 1 南方涛动 气象学上的三大涛动是指南方涛动(SO)、北太平洋涛动(NPO)和北大西洋涛动(NAO).每个涛动系统都是由一组一个高压和一个低压的大气活动中心组成.     

中国冬季极端低温事件的多尺度特征

利用1961—2010年中国487站逐日气温资料,以35°N为界分北方区域和南方区域研究中国冬季极端低温事件的多尺度变化特征。研究表明:南、北方区域极端低温站点发生率呈现出准双周的气候季节内振荡,南、北方区域冬季极端低温频数和强度的长期变化一致,均呈减小趋势,频数和强度的趋势变化分别为-0.247d/10a(北方)、-0.352d/10a(南方)和-0.332℃/10a(北方)、-0.467℃/10a(南方),南方区域减小更迅速。北方区域极端低温频数和强度的年际和年代际变化信号强度相当,南方区域则以年际变化为主。进一步研究表明,当极端低温频数的线性趋势由正值变为负值,相应的大气环流由北极涛动负位相变为正位相。对年际变化分量(8a),北方区域极端低温事件偏多时,海平面气压场表现为2波的定常波结构,西伯利亚高压和阿留申低压增强,对流层中层贝加尔湖槽加强;南方区域极端低温事件偏多时,海平面气压表现为偶极子型的1波结构,欧亚大陆和大西洋为正距平,北美大陆和太平洋为负距平,对流层中层东亚大槽加强南伸。对年代际变化分量(≥8a),大气环流形势都表现为北极涛动负位相,南方区域不显著。     

东亚冬季气温的年际变化特征及其与海温和海冰异常的关系

通过谐波分析的方法,对东亚31个冬季(1980—2010年)的气温提取年际变化分量(周期小于8a部分)进行EOF分析。结果发现:在年际变化的时间尺度上,东亚冬季气温表现为高纬模态和低纬模态2个主要模态,它们一起可以解释总方差73%的变化。进一步分析表明,在年际变化尺度上,与气温变化的高纬模态相联系的大气环流表现为显著的北极涛动(AO)负位相分布,海平面气压场上西伯利亚高压和阿留申低压北移,对流层中层东亚大槽西移,高层西风急流向西北方向移动;副热带北太平洋和阿拉斯加湾的海表面温度(SST)变化呈偶极子振荡分布,这种准两年的周期振荡对这一模态的出现有一定的预示意义。而与气温变化的低纬模态相联系的大气环流表现为类AO正位相分布,与之相关的西伯利亚高压和阿留申低压南移,对流层中层东亚大槽东移,高层的西风急流则是向东南方向移动;赤道东太平洋的SST异常可能对这一模态的形成有一定的作用,而东亚近海的SST则更多是被动地改变。此外,海冰异常变化与东亚冬季气温变化的联系主要体现在:在前夏和前秋,东西伯利亚海-波弗特海海冰异常减少(增加)对应着随后东亚冬季气温变化的高纬模态(低纬模态),而冬季东亚气温变化的高纬模态(低纬模态)又与后期春季北极东半球的海冰异常增加(减少)具有较好的相关性,此外白令海和鄂霍次克海的海冰异常变化是伴随东亚冬季气温变化产生的。     

ENSO知识讲座 第三讲 南方涛动、瓦克环流和厄尔尼诺

１ 南方涛动 气象学上的三大涛动是指南方涛动（ＳＯ）、北太平洋涛动(ＮＰＯ）和北大西洋涛动（ＮＡＯ）。每个涛动系统都是由一组一个高压和一个低压的大气活动中心组成。 这里重点介绍一下南方涛动。Ｈｉｌｄｅｂｒａｎｄｓｓｏｎ于１８９７年注意到澳大利亚悉尼的大气压力变化是与阿根廷布利诺斯艾里斯反位相的。其后，Ｌｏｃｋｙｅｒ和Ｌｏｃｋｙｅｒ父子进一步确认了此现象，并估计大概有３．８年的振荡周期。图１说明该震荡具有的两个作用中心，一个位于热带西太平洋和东印度洋，另一个位于热带东南太平洋。这两个作用中心的海平面气…     

北太平洋年代际涛动与太阳活动的联系

采用逐次滤波法分析了北太平洋海洋大气系统年代际振荡特征及其主要影响因子，探索太阳活动对于北太平洋海洋大气系统年代际变化的影响。结果表明，太阳活动是北太平洋海洋大气系统周期性年代际振荡的重要影响因子，具体反映在：1）北太平洋年代际涛动（PDO，Pacific Decadal Oscillation）存在与太阳活动密切相关的22年周期和11年周期，是PDO仅次于趋势项最重要的周期成分，其方差贡献率分别为20．9％和6．7％。研究发现北太平洋年代际涛动变化对于太阳活动的响应方式与太阳活动强弱程度有联系，太阳活动水平强时PDO与太阳磁场变化符号相同并且振荡幅度大；太阳活动水平弱时PDO与太阳磁场变化符号相反并且振荡幅度小。2）滤除持续下降趋势之后，北太平洋冬季阿留申低压活动区海平面气压（SLP，Sea Level Pressure）表现出与太阳磁场磁性指数（MI，Magnetic index）基本反相的周期性振荡，滤除22年周期之后11年周期也比较清楚，其方差贡献率分别为13．4％和1．1％。3）滤除持续升温趋势以后北太平洋100hPa冬季大气温度距平场表现出与太阳磁场磁性指数基本一致的周期性振荡，滤除22年周期之后11年周期也比较清楚，其方差贡献率分别为15．1％和1．1％。研究结果说明，在太阳活动对于大气温度场的影响过程中，黑子磁场磁性变化是决定性的，即决定了温度变化符号，MI绝对值的变化即太阳磁场强度变化影响其量变。     

北太平洋海温与南方涛动的相关分析

有关热带太平洋的海洋学和气象学近年来已列为理论和“诊断”研究的课题之中。从事这方面的大量工作是探讨埃尔尼诺和南方涛动(SO)相互作用的复杂机理问题。本文着重讨论南方涛动与北太平洋海温相关场的时滞关系以及它们的时空变化,表明在不同海域、不同季节中都存在较大的差异。     

南海表层水温的低频振荡

本文对以西沙为代表的南海海域1961—1984年的表层水温(以下简称水温)进行了分析,结果发现南海水温存在3—5a和准两年周期的低频振荡。这种振荡与南方涛动和赤道东太平洋水温异常之间有密切的关系,显示出南海水温低频振动是热带太平洋水温低频振荡的组成部分,埃尔尼诺事件之后,南海有明显的增温现象发生。但南海水温与热带西太平洋水温的振动相比较,显示出它具有区域性特征。     

黄海和东海表层悬沙浓度年际变化特征

运用547 nm反射率、海表温度和海表风场遥感数据,分析了黄、东海表层悬沙浓度的年际变化特征、影响因素和形成机理。研究区近岸海域表层悬沙浓度较高,远离陆地的海域悬沙浓度一般较低,且存在明显的季节变化,其季节变化的敏感区(变化较大的区域,其反射率差大于1%)为浑浊羽状流分布区域和近岸海域。该羽状流从江苏海岸向东偏南方向延伸至黄、东海陆架中部,其边界以4 mg/L表层悬沙浓度为标志,冬季最盛,夏季最弱,甚至消失。研究区表层悬沙浓度也存在明显的年际变化,其冬季敏感区为浑浊羽状流与朝鲜半岛之间的海域(即羽状流东北部)、台湾海峡、近岸海域、浑浊羽状流南部边缘;其夏季敏感区主要是近岸海域。悬沙浓度年际变化的幅度略小于季节变化。冬季黄海暖流和台湾暖流对浑浊羽状流的扩散起阻碍作用,二者基本框定了该季节浑浊羽状流的边界范围,其年际变化形成多年尺度上冬季表层悬沙浓度的敏感区。虽然风浪作用对悬沙浓度变化有影响,但不是影响年际变化的主要因素。研究区冬季浑浊羽状流的形成和扩展的变异是受陆架环流控制的,是表层悬沙向深海输运的重要因素。此外,对敏感区的平均海表温度与南方涛动指数(SO)I、太平洋十年涛动指数(PDO)I的相关分析结果表明,本区陆架环流的宏观格局受到了厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和太平洋十年涛动(PDO)的影响,而PDO的影响弱于ENSO。     

中国海和泰国湾海域海平面的经向涛动

卫星高度计遥感海面高度距平资料(1992-2012年)的分析结果证实中国海(渤、黄、东海及南海)和泰国湾作为一个半封闭的狭长水域,其海平面存在显著的南北经向涛动。涛动呈现明显的季节性,冬季南高北低,夏季北高南低,以渤海和泰国湾的海平面高差作为涛动的测度,其多年平均波动幅度达63cm,较差超过80cm。时间序列分析显示,在季节尺度上这一涛动几乎完全受东亚季风的支配,表明东亚季风的局地强迫是造成季节涛动的主要原因。进一步的分析发现,除季节波动之外研究海域海平面的经向涛动还存在明显的年际变化。不过,与季节尺度的波动有所不同,经向涛动的年际变化不仅是东亚季风区局地作用的结果,而且与太平洋海盆尺度的大气强迫有关,其作用与季风在同一数量级。涛动的年际变化大致滞后各气候因子两个月。采用多输入线性模型做偏相关分析筛选的结果显示,除东亚季风指数之外,研究海域的海平面涛动指数主要与太平洋的南方涛动指数(SOI)和西太平洋遥相关指数(WP)相关。这表明外部强迫既来自热带,也来自中纬度。南方涛动所导致的赤道海域海平面的东西向年际涛动,以及中纬度西风急流年际波动对西北太平洋海平面的作用,都有可能导致研究海域海平面经向涛动的年际变化,其机制有待进一步探讨。     

E1 Nio与南方涛动及其对副热带高压的影响

本文分析研究了1949-1977年逐月东太平洋赤道海区海表面温度、1949-1980年逐月南方涛动指数以及1954-1984年逐月北半球西太平洋副热带高压(以下简称副高)特征指数等资料。结果表明:东太平洋赤道海区水温异常增高及降低与副高的异常变化之间存在6-9个月的时滞关系;副高的强弱变化与南方涛动的异常变化之间存在时滞3-5个月的相关关系;而南方涛动又与东太平洋赤道水温的变化存在某种联系,尤其是E1 Nino及反 E1 Nino发生期更为明显,它们之间存在同期到时滞3个月的相关关系。     

北太平洋涛动与El Nino的关系及其年代际变化

基于HadISST海表温度和NCEP/NCAR的海平面气压等再分析资料,研究了北太平洋海平面气压主模态与El Nio的关系。结果发现:阿留申低压模态是对El Nio事件的同期响应,而北太平洋涛动模态可以诱导热带太平洋产生类似中部型El Nio的海温异常,且具有提前4~12个月的预报意义。冬春季的北太平洋涛动处于正位相时,阿留申低压与夏威夷高压同时减弱,北太平洋背景风场减弱。夏威夷高压东南侧西南风异常减弱北太平洋东北信风,使加利福尼亚海区SST暖异常,在"风-蒸发-SST"机制的作用下,异常暖海温向热带太平洋传播,使赤道地区海温升高并产生西风异常,热带太平洋产生类似中部型El Nio的异常海温。El Nio类型的年代际变化可能受到北太平洋涛动的影响,当北太平洋涛动信号活跃时,中部型El Nio事件的发生频率大。     

冬季北太平洋流场异常主要模态与PDO及NPGO的关系

采用复经验正交函数(EOF)分解和小波分析,对冬季北太平洋上层海流异常进行了统计动力诊断,并讨论了主要模态与北太平洋年代际振荡(PDO)模态和北太平洋环流振荡(NPGO)模态的关系。结果显示,冬季北太平洋上层洋流异常复EOF分解的第一模态是PDO在流场异常上的反映,第二模态则包含了NPGO的明显信息。主要依据有:(1)第一和第二模态的实时间系数序列分别有准20a和准13a的年代际变化周期,与PDO和NPGO模态的年代际变化周期相同;(2)第一和第二模态实时间系数与北太平洋海表面温度异常(SSTA)的回归系数场的空间分布分别与PDO和NPGO模态的空间结构相近。根据第一和第二模态上层洋流异常计算得到的垂直运动异常的分布,与SSTA的PDO和NPGO模态的空间分布类似,表明海盆尺度流场异常造成的垂直运动是形成PDO和NPGO模态的重要原因。     

海—气相互作用及其对我国气候的若干影响

本文综述了近年来我国学者在海－气相互作用方面的研究成果，集中探讨了海－气相互作用对我国气候的若干影响。结果表明：①我国许多地区的降水和气温变化具有明显的准３．５年振荡周期，这一特征与赤道太平洋地区的海面温度也表现出强烈的准３．５年振荡现象有着密切的联系；②我国气温与南方涛动存在着遥相关的事实，可以作为早期识别埃尔－尼诺的信号；③热带太平洋海温异常影响到副热带高压强弱和位置的变化，是导致我国东部夏季     

热带太平洋障碍层厚度的时空特征分析

利用中国Argo实时数据中心提供的9 a(2000—2008年)网格化Argo剖面浮标温、盐数据(G Argo),分析热带太平洋障碍层厚度的气候态分布和低频变化特征。气候平均结果表明,较厚的障碍层主要出现于西太平洋暖池区,并有3条纬向障碍层带状分布,从暖池出发向东延伸至120°W,分别位于以15°N,5°N和12°S为中心的纬度带上。经验正交函数(EOF)基本模态分析表明,热带太平洋障碍层低频振荡以季节和年际变化为主,在季节尺度上主要表现为15°N和12°S障碍层纬度带呈反相变化,都在当地冬季最大,夏季最小;在年际尺度上则主要表现为暖池东边界附近障碍层与厄尔尼诺南方涛动(ENSO)相关的变化,以及暖池中部障碍层与热带准2 a周期振荡(TBO)相关的变化。     

热带西太平洋表层水温异常的区域性特征

本文采用复经验正交函数(CEOF)对热带西太平洋1951—1986年的月平均表层水温距平进行了分析,结果发现,这一区域的水温异常包括准静止型、经向传播型和纬向传播型三个主要模态(mode),它们对总方差的贡献具有同等重要性,平均为15.5%。本文还用数字滤波和滞时相关等方法分析了各模态的准周期振荡及其与南方涛动、西太平洋副热带高压之间的相关关系。