冬季北太平洋优势气候模态的转移

采用EOF分解和小波分析,并引入相似度,分析冬季北太平洋的两个主要气候模态,即太平洋年代际振荡（PDO）模态与北太平洋涡旋振荡（NPGO）模态,及其结构特征随时间的演变。结果表明：1988/1989年的气候转移后,冬季海温距平（SSTA）优势模态为NPGO模态的年份越来越多,这种优势气候模态的转移现象表现出准18 a的年代际周期;SSTA与NPGO模态相似度的20年滑动平均在20世纪80年代中后期之后超过了SSTA与PDO模态的相应值,这表明此后SSTA的优势模态发生了转移,由PDO型转换为NPGO型;对典型时间段SSTA的合成分析显示,其优势模态由1988年前的PDO型转变为之后的NPGO型。     

东亚夏季风降水年代际变异模态及其与太平洋年代际振荡的关系

利用全球陆地月平均降水资料、英国气象局哈德莱中心的月平均海表温度距平(SSTA)资料及NCEP/NCAR再分析大气环流资料,探讨东亚夏季风降水年代际变率及其与太平洋年代际振荡(PDO)的联系。研究指出:东亚夏季风降水年代际变异模态以及PDO均在1976年前后呈现显著的年代际转折,并且东亚夏季风降水与PDO在年代际尺度上具有较好的相关关系。PDO能够在对流层低层激发出与年代际东亚夏季风环流较为相似的大气环流异常特征,表明东亚夏季风环流的年代际变化可能受大气外强迫因子PDO在对流层低层的外源强迫作用影响,最终导致东亚夏季风降水发生年代际变化。     

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)。     

CMIP5耦合模式对太平洋年代际振荡的模拟与预估

利用第五次耦合模式比较计划（CMIP5）40个模式的模拟资料和分类集合的方法,评估了耦合模式对20世纪太平洋年代际振荡（PDO）特征的模拟能力。结果表明,CMIP5多数模式对PDO周期有着较好的刻画能力,能模拟出PDO的年代际变化周期。模式对PDO模态空间特征的模拟能力存在较大差异,小部分模式模拟效果较差。进一步的分析表明,对PDO模态模拟较好的第1类模式,能较好地再现热带太平洋与北太平洋海表温度异常（SSTA）年代际变化间的关系,而且热带太平洋SSTA通过大气遥相关影响北太平样海表温度的过程也模拟的较成功。对PDO模态模拟差的模式,不能合理模拟出热带太平洋SSTA对北太平洋海表温度影响的遥相关过程。以上研究也证实了热带太平洋地区海表温度的年代际变率对北太平洋海表温度年代际变率的重要影响,热带太平洋SSTA对北太平洋SSTA的影响是通过大气遥相关实现的。利用CMIP5中等排放情景模拟结果,分析了第1类模式预估的北太平洋年代际变率的特征,发现21世纪北太平洋年代际变率的主要模态为一致的正异常分布且呈现明显的上升趋势,第二模态则表现为类似于20世纪典型PDO的马蹄型SSTA分布。     

冬季北太平洋海温主模态在1990年前后调整及其成因初探?

太平洋年代际振荡(PDO)和北太平洋涡旋振荡(NPGO)是北太平洋(20°~60°N,120°E~120°W)海温(SST)的EOF前两个模态,本文通过比较1990年前后北太平洋冬季SST EOF前两个模态,揭示了PDO和NPGO在1990年前后特征,并从关键区海温变化、北太平洋涛动(NPO)、赤道太平洋中部变暖(CPW)和北极涛动(AO)的影响,揭示了北太平洋主模态在1990年之后调整的成因。我们发现,1990年之前,北太平洋SST场的EOF前两个模态与PDO和NPGO的空间结构类似,但是在1990年之后,SST的EOF第一模态的最大荷载中心向日界线移动,40°N以北的太平洋被正的SST异常控制,表现出与NPGO模态的负位相相似的空间分布特征,而EOF第二模态由偶极子演变成了三极子结构。北太平洋中部(28°~36°N,152°~178°W)和北太平洋北部(44°~49°N,151°~177°W)海温距平在1990年之后呈显著的负相关变化,是导致在1990年之后冬季NPGO成为主模态的内部原因,而NPO在1990年之后的显著增强则是重要的外部原因。分析显示,NPO在1980年开始表现出增强趋势,通过风生流机制,NPO可以增强北太平洋45°N附近的气压梯度和西风异常幅度,从而导致了1990年之后NPGO海温模态的加强。虽然CPW和AO对NPO的南支(夏威夷)和北支(阿拉斯加)的海平面气压异常中心加强有贡献,但是上述两个因子与NPGO之间的关系在1990年之前并不明显。因此,CPW和AO与NPGO之间并不存在稳定的物理联系。     

气候模式CAS-ESM-C对1月热带太平洋流场模态的模拟评估

利用气候模式CAS-ESM-C从1922年起84年的模拟资料,对1月份热带太平洋上层流场作复EOF分解及小波分析,并与实况以及理论解析解作对比讨论,以考察模式对赤道大洋上层流场的模拟能力,得到主要结论：（1）复EOF分解前3个模态的方差贡献为53.5%、12.9%、9.5%,累积方差贡献为75.9%,累积方差贡献比实况更高。（2）第一、二模态空间场与实况相比总体相像,流场都为赤道所俘获,在俘获区内的流场均以偏纬向流为主;差异在于模拟资料分析的赤道俘获区范围较实况要大,流场的经向流分量及越赤道流也较实况明显。（3）第一、二模态实时间系数序列无线性变化趋势,而实况则有。复EOF模态年际及年代际变化与实况相同或相近;第一、二模态中3～7年的年际变化是厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）的反映;第一模态22～23年的年代际变化受北太平洋主要气候模态北太平洋年代际振荡（PDO）对热带太平洋的影响,而第二模态13年的年代际变化是受北太平洋次要气候模态北太平洋环流振荡（NPGO）对热带太平洋的影响;第一、二模态还都有峰值16年的年代际变化,这可能与印尼穿越流有关。（4）模拟资料分析的结果具有理论解析解中流...     

北太平洋冬季上层海温异常的NPGO模态

利用较高分辨率的全球海洋同化分析系统(SODA)资料, 对冬季北太平洋上层的海温异常做了整层经验正交函数(EOF)分析, 并主要讨论了第二模态的结果。该模态空间结构与经典的北太平洋涡旋振荡(NPGO)一致, 且时间系数与NPGO指数也吻合, 故北太平洋上层海温异常EOF第二模态可称为NPGO模态。这说明NPGO现象不单纯反映在海表面温度异常上, 在上层海温中该现象也存在。在该模态空间场上, 水深100 m以上25°N～30°N的副热带处, 沿纬圈从120°E向东延伸至中东太平洋均为海温正异常带, 其北面则为负异常带, 两者构成双带系统;其中在170°W附近分别有正、负异常大值区, 中心构成南北偶极子;在本州岛以东海域, 从海表直到海洋上层底则有小范围的海温强异常。该模态空间结构的形成与大气NPO模态关系密切, 并与中纬度西风大值带上的风应力异常有关, 是造成NPGO的直接原因。该模态表现出明显的准13年年代际变化, 且对其进行5年滑动平均后发现, 从20世纪70年代中期以来, 该序列的振幅越来越大, 1976/1977年和1988/1989年的两次气候年代际突变均处该序列峰值处。引入了冬季北太平洋上层海温异常的NPGO指数, 其能更好反映海洋上层的NPGO现象及其年代际变化。     

印度洋冬季风异常海气环流耦合模态分析

本文对印度洋冬季风异常海气环流耦合主要模态做了分析和讨论,得到以下结果:第一模态海面和低空大气环流的异常主要发生在东印度洋海域上空,而上层大洋环流的异常则主要反映了印度洋冬季风环流的异常,并主要体现在西向赤道暖流和东向赤道逆流上。第二模态的大气环流相应异常主要发生在孟加拉湾、阿拉伯海和赤道印度洋上空,而上层大洋环流异常除与第一模态类似外,还包括索马里暖流的明显异常。第一、二模态分别是印度洋冬季风的偏东、偏西模态,也是其主、次模态;均有约4年的年际变化,还分别有约18、22年的年代际变化;该主、次模态分别在1976年及1976、1986年有突变发生;这样印度洋冬季风有约4年的年际变化,并在1976年出现明显突变。该主、次模态的年代际变化周期也是冬季北太平洋海气联合复EOF分解第二、第一模态的年代际变化周期,这反映两大洋之间有密切联系,这是因冬季蒙古西伯利亚高压是南亚、东亚冬季风的共同源头,对两大洋的大气环流异常都有明显影响。南亚冬季风偏强时印度洋的Hadley环流和赤道辐合带上的对流均偏强,反之亦然;且该冬季风的主、次模态都如此;这也反映了南亚冬季风大气环流异常与冬季热带大气环流异常之间的耦合关系。当该主、次模态发生正、负异常变化时,近表层热带印度洋海温异常分别呈现横贯大洋的南北向跷跷板变化以及大洋东、西向的跷跷板变化;但前者是主要的。印度洋冬季风对印度洋偶极子起着抑制作用,这是该偶极子在冬季最弱的原因。在热带印度洋,大气低空垂直运动下沉、上升区域都分别大致位于该大洋近表层的下沉、上升运动区域之上,这构成了海气相互作用的负反馈机制,并有助于南亚冬季风、Hadley环流、赤道辐合带以及印度洋中冬季风环流的维持和稳定。     

亚洲夏季风建立期间全球热带大气环流模态分析

利用NCAR/NCEP提供的1948—2003年5月标准等压面的月平均风场资料,对亚洲夏季风建立期间全球热带风场进行复EOF分析,揭示各模态的特点及其与亚洲夏季风建立之间的联系,确定各模态在亚洲夏季风建立期间的地位和作用。结果表明,第一模态反映了除赤道地区外的热带地区高层纬向二波异常和低层的信风异常。其时间系数与ENSO有较好的对应关系,20世纪60年代以后时间系数呈下滑态势,可能与全球变暖有关。该模态是ENSO模态。第二、三模态的空间场分别与南亚、南海夏季风的环流密切相关,其时间系数也与南亚、南海夏季风建立的早晚有较好的对应关系。这两个模态分别是南亚、南海夏季风模态。各模态均表现出准20 a的年代际变化,这与北太平洋主要气候模态PDO的年代际变化相同,各模态的年际变化也显著。     

冬季热带印度洋上层流场异常模态分析

利用复经验正交函数(CEOF)分解对冬季热带印度洋海洋上层流场异常做了模态分析和结果讨论,得到以下主要结果:该流场异常前两个模态均呈现赤道俘获波形式,其异常在赤道上最大,向南北两侧迅速衰减,呈现纬向流的形态;第一、二模态的性质分别是大洋赤道波动的半波和1波形态,这表明此时赤道波动异常在大洋流场异常中占有重要地位。冬季第一模态大洋垂直运动所导致的近表层海温异常与春、秋季不同,此时在赤道印度洋呈现正—负—正的经向分布态势,这与印度洋耦极子(Indian Ocean Dipole,IOD)的不同,并是IOD在冬季衰亡的直接原因。第二模态相应的海温异常则在赤道东印度洋呈现北负南正的分布态势。第一模态与南亚冬季风异常密切有关,为印度洋冬季风环流模态。第一、二模态都有明显的年际变化和年代际变化,年际变化均为3~5年,主要的年代际变化则分别为约18、22年,此外两者还均有约13年的年代际变化。本文第一、二模态年代际变化的主周期也是冬季北太平洋和冬季热带太平洋流场异常第二、一模态的主周期。     

SPATIAL VARIATION OF WINTER SEA SURFACE TEMPERATURE IN NORTH PACIFIC AND ITS RELATION TO ATMOSPHERIC OSCILLATION MODES

The spatial variation of sea surface temperature anomalies(SSTA) in the North Pacific Ocean during winter is investigated using the EOF decomposition method.The first two main modes of SSTA are associated with Pacific Decadal Oscillation(PDO) mode and North Pacific Gyre Oscillation(NPGO) mode,respectively.Moreover,the first mode(PDO) is switched to the second mode(NPGO),a dominant mode after mid-1980.The mechanism of the modes’ transition is analyzed.As the two oceanic modes are forced by the Aleutian Low(AL) and North Pacific Oscillation(NPO) modes,the AR-1 model is further used to examine the possible effect and mechanism of AL and NPO in generating the PDO and NPGO.The results show that compared to the NPO,the AL plays a more important role in generating the NPGO mode since the 1970s.Likewise,both the AL and NPO affect the PDO mode since the 1980s.     

The Impact of Global Warming on the Pacific Decadal Oscillation and the Possible Mechanism简

The response of the Pacific Decadal Oscillation （PDO） to global warming according to the Fast Ocean Atmosphere Model （FOAM） and global warming comparison experiments of 11 IPCC AR4 models is investigated. The results show that North Pacific ocean decadal variability, its dominant mode （i.e., PDO）, and atmospheric decadal variability, have become weaker under global warming, but with PDO shifting to a higher frequency. The SST decadal variability reduction maximum is shown to be in the subpolar North Pacific Ocean and western North Pacific （PDO center）. The atmospheric decadal variability reduction maximum is over the PDO center. It was also found that oceanic baroclinic Rossby waves play a key role in PDO dynamics, especially those in the subpolar ocean. As the frequency of ocean buoyancy increases under a warmer climate, oceanic baroclinic Rossby waves become faster, and the increase in their speed ratio in the high latitudes is much larger than in the low latitudes. The faster baroclinic Rossby waves can cause the PDO to shift to a higher frequency, and North Pacific decadal variability and PDO to become weaker.     

Dynamic Mechanism of Interannual Sea Surface Height Variability in the North Pacific Subtropical Gyre

In this study, the dynamic mechanisms of interannual sea surface height (SSH) variability are investigated based on the first-mode baroclinic Rossby wave model, with a focus on the effects of different levels of wind stress curl (WSC). Maximum covariance analysis (MCA) of WSC and SSH anomalies displays a mode with significant WSC anomalies located primarily in the mid-latitude eastern North Pacific and central tropical Pacific with corresponding SSH anomalies located to the west. This leading mode can be attributed to Ekman pumping induced by local wind stress and the westward-propagating Rossby wave driven by large- scale wind stress. It is further found that in the middle latitudes, the SSH anomalies are largely determined by WSC variations associated with the North Pacific Gyre Oscillation (NPGO), rather than the Pacific Decadal Oscillation (PDO). The sensitivity of the predictive skill of the linear first-mode baroclinic model to different wind products is also examined.     

Negative relationship between Korea landfalling tropical cyclone activity and Pacific Decadal Oscillation

The present study discovered a strong negative correlation between Korea-landfalling tropical cyclone (TC) frequency and Pacific Decadal Oscillation (PDO) in the summer. Thus, the present study selected years that had the highest PDO index (positive PDO years) and years that had the lowest PDO index (negative PDO years) to analyze a mean difference between the two phases in order to determine the reason for the strong negative correlation between the two variables. In the positive PDO years, TCs were mainly generated in the southeastern part of the western North Pacific, and lower TC passage frequency was found in most regions in the mid-latitude in East Asia. Moreover, a slightly weaker TC intensity than that in the negative PDO years was revealed. In order to determine the cause of the TC activity revealed in the positive PDO years, 850 hPa and 500 hPa stream flows were analyzed first. In the mid-latitude region in East Asia, anomalous huge cyclonic circulations were strengthened, while anomalous anticyclonic circulations were strengthened in the low-latitude region. Accordingly, Korea was being influenced by anomalous northwesterlies, which played a role in blocking TCs from moving northward to Korea. The results of analysis on 850 hPa air temperature, precipitation, 600 hPa relative humidity, and sea surface temperature (SST) showed that negative anomalies were strengthened in the northwest region in the western North Pacific while positive anomalies were strengthened in the southeast region. The atmospheric and oceanic environments were related to frequent occurrences of TCs in the southeast region in the western North Pacific during the positive PDO years. All factors of air temperature, precipitation, 600 hPa relative humidity, and SST revealed negative (positive for vertical wind shear) anomalies near Korea, so that atmospheric and oceanic environments were formed that could rapidly weaken TC intensity, even if the TCs moved northward to Korea in the positive PDO years.     

What Drives the Decadal Variability of Global Tropical Storm Days from 1965 to 2019?

The tropical storm day(TSD)is a combined measure of genesis and lifespan.It reflects tropical cyclone(TC)overall activity,yet its variability has rarely been studied,especially globally.Here we show that the global total TSDs exhibit pronounced interannual(3-6 years)and decadal(10 years)variations over the past five-to-six decades without a significant trend.The leading modes of the interannual and decadal variability of global TSD feature similar patterns in the western Pacific and Atlantic,but different patterns in the Eastern Pacific and the Southern Indian Ocean.The interannual and decadal leading modes are primarily linked to El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO)and Pacific Decadal Oscillation(PDO),respectively.The TSDs-ENSO relationship has been steady during the entire 55-year period,but the TSDs-PDO relationship has experienced a breakdown in the 1980 s.We find that the decadal variation of TSD in the Pacific is associated with the PDO sea surface temperature(SST)anomalies in the tropical eastern Pacific(PDO-E),while that in the Atlantic and the Indian Ocean is associated with the PDO SST anomalies in the western Pacific(PDO-W).However,the PDO-E and PDO-W SST anomalies are poorly coupled in the 1980 s,and this"destructive PDO"pattern results in a breakdown of the TSDs-PDO relationship.The results here have an important implication for seasonal to decadal predictions of global TSD.     

亚非夏季风的年代际变化:大西洋多年代际振荡与太平洋年代际振荡的协同作用

亚非夏季风系统包括非洲夏季风、南亚夏季风和东亚夏季风。它是全球季风系统中具有高度整体一致性变化的系统,其主要原因是亚非夏季风系统具有相同的主要驱动力:AMO(Atlantic Multidecadal Oscillation,大西洋多年代际振荡)和PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代际振荡)海洋年代际变化模态。在此前提下,本文首先阐述了AMO对亚非夏季风的强迫作用与遥相关作用,特别强调了它在亚非夏季风及其降水年代际转型中的作用;其次讨论了PDO与冬春积雪的年代际变化对东亚夏季风雨带的协同作用;最后综合分析了AMO、PDO与IOBM(Indian Ocean Basin Mode,印度洋海盆一致模态)的协同作用,指出印度洋海洋模态在年代尺度上独立于AMO与PDO的相关组合,主要起着加强东亚夏季风活动的作用。