北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟II：热带太平洋强迫

利用一个全球海气耦合模式(BCM),结合观测资料,讨论了热带太平洋强迫对北大西洋年际气候变率的影响。研究表明,BCM能够相对合理地模拟赤道太平洋的年际变率模态及相应的海温距平型和大气遥相关型,尽管其准3年的振荡周期过于规则。来自数值模式和观测上的证据都表明,北大西洋冬季海温的主导性变率模态,即自北而南出现的“- -”的海温距平型,受到来自热带太平洋强迫的显著影响,其正位相与赤道中东太平洋冷事件相对应。换言之,赤道太平洋暖事件的发生,在太平洋-北美沿岸激发出PNA遥相关型,进而通过在北大西洋产生类似NAO负位相的气压距平型,削弱本来与NAO正位相直接联系的三核型海温距平。北大西洋三核型海温距平对热带太平洋强迫的响应,要滞后2—3个月的时间。     

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟Ⅰ：局地海气相互作用

检验了一个全球海气耦合模式对北大西洋年际气候变率的模拟,讨论了导致这种年际变率型的物理机制,并分析了其对年代际变率的可能影响。北大西洋冬季SST的主导变率模态,在经向上表现为三核型,自北而南出现“- -”的带状距平型;最大距平中心位于副极地大洋、中纬度大洋的西部以及热带海域,耦合模式较为真实地再现了这一特征。与三核型SST异常相对应的大气环流型表现为北大西洋涛动,具有显著的正压结构。上述异常型主要发生在年际尺度,具有3—4年的谱峰;在次年代际尺度上,也存在谱峰。分析表明,模式中三核型SST异常的产生,主要来自大气的强迫,NAO增强,中纬度大洋上的西风减弱,海洋感热和潜热通量损失减少,中纬度大洋得到的净热通量增加,导致SST出现正距平;在包括Labrador海在内的副极地大洋,NAO增强、冰岛低压加深,气旋性环流增强,来自高纬度的冷空气吹过洋面,海气温差加大,大洋的感热通量损失增加,SST降低。热带地区东风的增强,也是导致那里SST降低的重要机制。三核型SST异常对大气的反馈作用较弱,文中没有证据表明它能够影响到北大西洋地区的年代际气候变率。     

春季北大西洋三极型海温异常变化及其与NAO和ENSO的联系

利用1951—2016年HadISST逐月海表温度(Sea Surface Temperature,SST)资料,NCEP/NCAR再分析资料以及1958—2016年美国伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution,WHOI)提供的OAFlux数据集,运用经验正交函数分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)和偏相关分析等统计方法,研究了春季北大西洋海温异常的主要特征及其与春季NAO和前期冬季ENSO联系。结果表明:春季北大西洋海温异常EOF的第一模态是自北而南出现的三极结构的海温距平型,其方差贡献率为35.7%。春季北大西洋三极型海温异常的形成主要受到春季NAO主导作用,还受到前期冬季热带中东太平洋海温异常的影响。消除前期冬季Niňo3.4的影响后,春季北大西洋三极型海温异常指数与同期北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)指数的偏相关系数分别为0.50,通过了99%置信度水平的显著性检验。消除春季NAO的影响后,春季北大西洋三极型海温异常指数与前期冬季Niňo3.4指数的偏相关系数为-0.26,通过了95%信度水平的显著性检验。春季NAO正(负)位相引起的海表风场和海表湍流热通量的异常,进而激发出正(负)位相的北大西洋三极型海温异常。前期冬季ENSO事件可以引起春季大气环流异常和热带外海温异常,进而调制春季NAO对北大西洋三极型海温异常的影响。     

全球热带海气耦合距平模式及其数值模拟

用观测海温距平对一个中等分辨率的细网格大气模式和观测 FSU假风应力对全球热带三大洋距平海洋模式分别进行强迫试验。结果表明 :无论是大气模式还是海洋模式均在一定程度上较好地模拟了观测事实 ,热带大西洋的模拟效果好于热带印度洋。对大气模式而言 ,经向风距平的模拟要好于纬向风距平 ,热带大西洋西部好于东部 ,热带印度洋东部好于西部 ,赤道南侧好于北侧。对海洋模式而言 ,热带大西洋模拟最好的区域是赤道中东部 ,对赤道东印度洋的暖事件及偶极子事件年际变率模拟也较好。在此基础上 ,用和海气耦合模式同样的耦合方式将两者耦合起来 ,构成了一个中等复杂程度的全球热带海气耦合模式 ,这是进一步研究全球热带海气相互作用的基础     

海温异常对东亚夏季风影响机理的研究进展

从短期气候预测关注的外强迫信号角度出发,回顾了国内外在海温异常对东亚夏季风和我国汛期降水影响机理方面的主要研究进展,重点评述了热带太平洋ENSO循环、热带印度洋全区一致型海温模态、热带印度洋海温异常偶极子、南印度洋偶极子和北大西洋海温三极子模态的年际变化及其对东亚夏季风年际变率的影响。从研究成果在短期气候预测业务中应用的角度,重点关注海温异常和东亚夏季风年际变率以及我国汛期降水多雨带位置的关系,总结了海温异常作为外强迫信号对我国汛期降水预测的指示意义以及汛期降水预测的难度。最后指出气候预测业务对东亚夏季风影响的机理研究和动力气候模式发展方面的需求。     

冬季北太平洋风暴轴的年际变化及其与500hPa高度以及热带和北太平洋海温的联系

文中研究了冬季北太平洋风暴轴的年际异常及其与500hPa高度以及热带和北太平洋海温的联系。结果发现,各年冬季北太平洋风暴轴的中心强度和位置具有显著的年际差异。对15个冬季北太平洋风暴轴区域500hPa天气尺度滤波位势高度方差与热带和北太平洋海温的SVD分析表明,第一对空间典型分布反映了赤道中、东太平洋区域海温异常对风暴轴年际变化的影响,而第二对空间典型分布反映了黑潮区域海温异常对风暴轴年际变化的影响。进一步的合成分析显示,赤道中、东太平洋区域海温异常主要影响冬季北太平洋风暴轴的东西摆动和中、东端的强度变化,而黑潮区域海温异常则主要影响冬季北太平洋风暴轴中、西端的强度变化和南北位移。并且这种影响分别与500hPa高度场上的PNA遥相关型和WP遥相关型有密切联系。     

太平洋混合层厚度(dml)年际异常的初步分析

用太平洋区域30a逐月混合层厚度(dml)及浅层海温(Ts)距平资料,分析了20°S以北太平洋区域dml年际变率的地理分布和季节变化,得到两个纬向dml高变率带,它们分别位于北太平洋(45°N附近)和赤道中、西太平洋.重点分析了赤道太平洋dml高变率带,并对其上混合层气候位置、dml年际异常与El Nino事件关系及伴随强El Nino事件的dml正异常东传等作了初步分析.     

中纬度北太平洋依赖于ENSO事件及独立于ENSO事件的变率特征:观测事实与海气耦合模式模拟

观测事实显示,在E1 Ni(?)o发生期间,伴随着赤道中东太平洋的增暖,中纬度北大平洋中部表层海温（SST）常出现冷距平,而北美大陆西海岸SST则出现暖距平。借助观测资料分析和海气耦合模式模拟两种手段,检验了北太平洋对ENSO事件的上述响应。观测证据和数值模拟都支持有关学者提出的“大气桥”概念,即大气对赤道中东太平洋SST异常增暖的响应,随后强迫中纬度北太平洋,并导致那里SST的变冷,从而起到了连接热带和热带外特别是中纬度北太平洋的“桥梁”的作用。关于其机制,本文认为主要是海洋对大气强迫的动力响应导致那里的SST变冷,尽管潜热通量的贡献也很显著。至少模式结果证明短波辐射、长波辐射和感热通量的贡献都是次要的。进一步的分析揭示,北太平洋存在着线性独立于ENSO事件的所谓“北太平洋模态”,在空间型上,它和线性地依赖于ENSO事件的模态非常相近,即它们的纬向结构都呈现出扁平的“双极”型,只是彼此间SST距平极大值的中心位置不同。模拟结果表明,北太平洋模态与大气的耦合作用,主要是通过海气热通量交换实现的,其中短波辐射和长波辐射的作用居主导地位,而潜热通量的贡献则基本可以忽略。     

北方涛动同北半球温带大气环流的遥相关(一)——基本结构

本文利用1951—1980年逐季的平均值资料(共120个季)讨论了北方涛动和与其相联系的北太平洋海温与北半球海平面气压场、500hPa位势高度场遥相关的基本结构,并与南方涛动和赤道东太平洋海温的结果进行了对比分析.发现北太平洋Namias海区和加利福尼亚海流区海温的变化与北方涛动具有很密切的联系;北方涛动和这两个海区的海温同北半球中高纬度大气环流特别是PNA型和NAO型环流异常存在明显的遥相关关系;南方涛动和赤道太平洋海温同WP型或NPO型环流异常关系比较密切,而与PNA型和NAO型的关系不如北方涛动和Namias海区及加利福尼亚海流区海温的显著.     

Influence of the North American Dipole on ENSO onset as simulated by a coupled ocean-Atmosphere model

北美偶极子(NAD)是热带北大西洋西部和北美东北部的南北向海平面气压异常偶极型模态.以往的观测研究表明,NAD可以有效地影响ENSO事件的爆发.本文利用全球耦合模式FGOALS-g2,评估了NAD与ENSO的关系.结果表明,该模式能较好地重现NAD模态.进一步的分析验证了冬季NAD可以通过强迫冬末春初副热带东北太平洋上空的反气旋和暖海温的出现,在随后的冬季触发El Ni?o事件.此外,在同化NAD实验中,发生El Ni?o事件的概率增加了将近一倍.相比之下,NAO未能在副热带东北太平洋上空引起表面风和海温的异常,因而不能有效地激发次年冬季ENSO事件.     

气候系统模式FGOALS_gl模拟的赤道太平洋年际变率

本文分析了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 (LASG/IAP) 发展的气候系统模式FGOALS_gl对赤道太平洋年际变率的模拟能力。结果表明, FGOALS_gl可以较好地模拟出赤道太平洋SST异常年际变率的主要特征, 但模拟的ENSO事件振幅偏大, 且变率周期过于规则。耦合模式模拟的气候平均风应力在热带地区比ERA40再分析资料的风应力强度偏弱30%左右, 由此引起的海洋平均态的变化, 是造成模拟的ENSO振幅偏强的主要原因。FGOALS_gl模拟的ENSO峰值多出现在春季或夏季, 原因可归之于模式模拟的SST季节循环偏差。耦合模式可以合理再现ENSO演变过程, 但观测中SST异常的东传特征在模式中没有得到再现, 这与模拟的ENSO发展模态表现为单一的 “SST模态” 有关。模拟的ENSO位相转换机制与 “充电—放电” 概念模型相符合, 赤道太平洋热含量的变化是维持ENSO振荡的机制。在ENSO暖位相时期, 赤道中东太平洋与印度洋—西太平洋暖池区的海平面气压距平型表现为南方涛动型 (SO型), 200 hPa位势高度分布表现为太平洋—北美遥相关型 (PNA型)。     

赤道太平洋次表层海温模态在ENSO循环中的作用

利用美国马里兰大学海洋同化月平均再分析资料(SODA),分离出赤道太平洋次表层海温异常(SOTA)的年际变率和年代际变率,利用经验正交分解(EOF)方法分别得到SOTA年际变率和年代际变率的第一模态和第二模态,重点分析了第二模态在ENSO循环中的作用。结果表明,赤道太平洋年际变率和年代际变率的第一模态为偶极子分布,此分布型是ENSO循环冷暖位相在次表层的同时表现。第二模态以次表层范围较广的海温异常趋势一致分布为显著特征,该模态是ENSO循环演变过程的重要环节。第二模态时间系数与Ni?o-3.4指数具有较好的超前相关性,可作为ENSO事件的预测前兆信号,合成和个例分析验证了这一次表层信号的预测指示作用。      

不同海域SSTA对东半球越赤道气流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再分析资料,讨论了这些海域海表温度异常（SSTA）对东半球越赤道气流年代际变化的影响。数值试验结果表明,全球、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋海表温度变化分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,均能模拟出索马里、120 ?E和150 ?E越赤道气流在1970年代中后期由弱变强的年代际变化特征,其中模拟的索马里越赤道气流年代际变化特征及其与东亚夏季风年代际变化关系均与观测结果较一致,而热带外海表温度驱动全球大气环流模式未能模拟出此年代际变化现象,表明全球、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋海表温度变化均对索马里越赤道气流在1970年代中后期的年代际变化具有重要作用,热带太平洋是关键海区;索马里越赤道气流的年代际变化与热带太平洋海温年代际背景变化密切相关,当热带太平洋处于暖（冷）背景年代,热带东太平洋海温异常从北到南呈“＋、－、＋”（“－、＋、－”）“三明治”式距平分布,有利于赤道东太平洋南北两侧产生一对距平反气旋（气旋）,然后可能通过“大气桥”的作用,与热带印度洋赤道南北两侧的一对距平气旋（反气旋）联系起来,从而引起索马里越赤道气流强度的增强（减弱）。      

我国南方盛夏气温主模态特征及其与海温异常的联系

利用NCEP/NCAR大气环流资料、HadISST海温数据以及中国160站气温数据等,通过EOF分解、线性相关等统计方法,分析了我国南方盛夏气温异常的主导模态及其所对应的关键环流系统和可能的海洋外强迫信号。结果表明:我国南方盛夏气温偏高有两种不同的分布模态,一是以江淮地区为中心的江淮型高温,二是以江南和华南为中心的江南型高温,导致这两种高温型发生的环流影响系统和海温外强迫因子均有显著差异。影响江淮型高温的关键环流系统是高低空正压结构的高度场正距平和偏弱的东亚副热带西风急流。而影响这两个关键环流系统的海洋外强迫因子包括热带印度洋至东太平洋的"-+-"海温异常分布型及北大西洋中纬度的暖海温异常。2016年盛夏江淮型高温的大气环流和海温异常均表现出典型江淮型高温年的特征,更好的证明了统计分析的结论。而江南型高温的关键环流系统主要是加强西伸的西太平洋副热带高压。其海洋外强迫因子包括前冬赤道中东太平洋的暖海温异常和春季-盛夏热带印度洋全区一致型暖海温异常,其中热带印度洋海温的影响更为持续和显著。     

全球变暖背景下热带太平洋海温长期趋势研究

热带太平洋对全球的气候有重要作用。然而,关于全球变暖背景下热带太平洋海温长期趋势的研究,迄今为止仍有争议。本文利用多套海表温度资料和次表层海温资料,基于无参的趋势估计方法（Theil-Sen趋势）,分析了热带太平洋海表温度长期趋势及赤道太平洋次表层海温长期趋势。多套资料的结果均表明在全球变暖背景下,热带太平洋冷舌区为长期冷趋势,而冷舌区之外的热带太平洋区域为长期暖趋势,即似La Ni?a（La Ni?a-like）海温长期趋势。此海温长期趋势是由热带太平洋冷舌模态所引起。当冷舌模态为正位相时,对应热带太平洋冷舌区为冷海温异常,而冷舌区之外的热带太平洋为暖海温异常。冷舌模态时间序列主要为长期趋势,而造成冷舌模态长期趋势的机制是全球变暖强迫下的海洋动力反馈过程。赤道太平洋的表层和次表层海温似La Ni?a型的长期趋势,是冷舌模态在表层海温和次表层海温上的不同体现。     

基于交叉小波分析方法的西太平洋副热带高压年际变率与热带海温及大气环流异常的相关性研究

西太平洋副热带高压的年际变率受热带多个关键海区的海-气相互作用过程调控, 但彼此间的因果关联和影响机制尚不清楚。为揭示西太平洋副热带高压的年际变率与热带海温及大气环流异常之间的内在关联特性, 定义了三个关键海区以及赤道纬向西风区的特征指数, 并分别与西太平洋副热带高压强度、脊线指数进行了交叉小波和相干小波分析。研究发现:西太平洋副热带高压指数存在显著的2~3年和准5年的周期振荡, 20世纪八九十年代后, 由于暖池区海温及赤道纬向西风区的Hadley环流强迫加强, 致使副热带高压特征指数的2~3年周期振荡加强; 从位相关系看, 先是西太平洋副热带高压减弱南撤导致纬向西风加强, 其后影响赤道东太平洋海温升高, 同时暖水向东传, 使赤道中太平洋以及暖池区海温逐渐升高, 在Hadley环流作用下使副高加强北抬。基于上述西太平洋副热带高压的年际变率与热带海温及大气环流异常变化相关性诊断研究, 进一步探讨了造成这种相关性的影响机理和因果关联, 为揭示西太平洋副热带高压年际变率与热带海温及大气环流异常的相关性做探索研究。      

GOALS模式对热带太平洋ENSO年际变化特征的模拟评估

文中重点分析了中国科学院大气物理研究所LASG最新发展的全球大气环流谱模式(R42L9)与一全球海洋环流模式(T63L30)耦合形成的全球海洋-大气-陆面气候系统模式(GOALS/LASG)新版本已积分30 a的模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了赤道太平洋海表温度(SST)的年际变化及其纬向传播、赤道东太平洋SST异常与其他洋面SST变化之间的遥相关关系、赤道太平洋浅表层海温的年际变化特征等研究内容.结果表明,COALS模式模拟出了赤道太平洋SST异常出现不规则的年际变化特点;赤道东太平洋SST异常的向西传播过程;赤道太平洋混合层海温变化由西向东、由深层向浅层的传播过程;同时也模拟出了赤道东太平洋SST变化与赤道西太平洋以及与西南太平洋海温之间的反相关关系,与南印度洋和副热带大西洋SST之间的正遥相关关系等实际观测现象.但COALS模式也存在明显的不足,如对赤道东、中太平洋SST异常的年际变化幅度明显偏小,没能模拟出赤道东太平洋的SST变化比赤道中太平洋强的特点;赤道太平洋SST从东向西的传播速度明显比实际观测慢得多,但混合层海温极值变化由西向东的传播速度明显比实际情况快得多;没能模拟出赤道东太平洋SST变化同西北太平洋SST的负相关和北印度洋海温变化的正相关现象,因此也影响了对南亚、东南亚降水年际变化的模拟能力.     

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。     

An enhanced influence of sea surface temperature in the tropical northern Atlantic on the following winter ENSO since the early 1980s

已有研究指出春季热带北大西洋海温对随后冬季ENSO事件的发生存在显著的影响。该研究发现它们的联系在20世纪80年代初以后显著增强。20世纪80年代初以后,春季热带北大西洋海温为正异常时,副热带东北太平洋存在显著的异常气旋环流,同时异常沃克环流在热带中东太平洋引起显著的异常下沉运动。异常气旋环流西侧的东北风异常增强气候态的风速,导致负海温异常。负海温异常通过Gill型大气响应使得热带西北太平洋产生异常的反气旋环流。同时,热带中东太平洋的沃克环流异常下沉运动也对热带西北太平洋异常反气旋环流的形成起到一定作用。热带西北太平洋反气旋环流南侧的东风异常通过海洋动力过程对随后冬季ENSO产生影响。因此,春季热带北大西洋海温对冬季ENSO存在显著的影响。然而,20世纪80年代以前,春季热带北大西洋海温相关的热带东北太平洋异常气旋环流和热带地区的异常沃克环流不显著,从而不能在热带西北太平洋产生异常反气旋。所以,20世纪80年代以前,春季热带北大西洋海温对冬季ENSO的影响不显著。进一步的分析指出,春季热带北大西洋海温对ENSO影响的年代际变化可能与热带北大西洋降水气候态的年代际变化有关。     

陕西冬季气温变化特征及其成因

利用1961—2012年NCEP/NCAR再分析资料以及陕西月平均气温资料,分析陕西冬季气温年际变化特征及其形成机制。结果表明:陕西冬季气温主要呈全区一致的空间分布型,低温年,500h Pa高度场我国西部存在稳定的负距平,垂直方向呈准正压结构,西太平洋遥相关型(WP)与第一模态时间系数的相关性最显著。中高纬地区海温可能是影响陕西冬季气温的主要强迫因子,西北太平洋海温负异常,黑潮区、热带印度洋、北大西洋海温显著偏低,有利于陕西冬季气温偏低,且这些关键区海温的异常信号,在前期夏、秋季已经表现明显,对冬季气温预测有指示意义。