热带太平洋环流季节变化的数值模拟

在观测到的海表风应力和热量及淡水通量驱动下，用大气物理研究所发展的高分辨率自由表面热带太平洋环流模式对热带太平洋环流季节变化进行了数值模拟。对模拟得到的热带太平洋海面起伏、温度场和流场等季节变化分析、比较表明，模式成功地模拟了观测到的环流季节变化基本特征。其中，海面起伏中西北太平洋副热带反气旋环流在冬季最强，赤道槽在冬季和早春季强，而赤道脊和北赤道逆流槽则在秋季强；北赤道逆流在秋季强而春季弱，150°W附近区域赤道表层洋流流向在4至7月逆转；赤道东太平洋地区海表温度场春季增暖和秋冷却；以及次表层赤道斜温层     

太平洋大尺度环流数值模拟 II:长期平均环流

用本文第Ⅰ部分所给出的四层太平洋环流模式,模拟在定常年平均大气强迫场驱动下太平洋长期平均环流。所进行的53年数值积分表明,模式成功地模拟出观测到的太平洋大尺度环流基本特征,特别是能直接计算出在海洋动力学和大尺度海气相互作用研究中有重要应用的海面起伏,对表层流场的模拟也明显优于具有同等分辨率的其他模式的结果;对气候有重要影响的SST形势的模拟结果同观测也较为一致。本文还用第53年数值积分资料进行了扰动压力场、斜压扰动压力场和海表热通量等的诊断计算和分析。文中还对模拟结果进行了物理和动力学的分析和解释。     

东亚冬季风年际变化的ENSO信息 I.模拟资料分析

系统分析了观测海温强迫９层大气环流模式的模拟资料,结果表明该大气环流模式能够对与ＥｌＮｉｎｏ、ＬａＮｉｎａ事件爆发有关的赤道太平洋异常纬向风和对流活动有很好的模拟;模拟中的东亚冬季风具有明显的年际变化特征,这种变化与观测结果有很好的一致性,而且进一步分析发现这种年际变化具有显著的２～７年的周期,即东亚冬季风异常与ＥＮＳＯ密切相关。     

利用海气耦合模式模拟印度尼西亚贯穿流

利用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)发展的全球耦合气候系统模式(FGCM-1.0)100年数值模拟结果, 分析了模式模拟的印度尼西亚贯穿流(ITF)的平均态、季节变化和年际变化, 并且利用这些资料对ITF季节变化和年际变化的成因做了初步分析.模式模拟的ITF平均态、季节变化和年际变化同已有的观测结果相比是合理的, 经作者分析认为ITF的季节变化主要是因为印度尼西亚海域地处亚澳季风区, 海流对于季风的响应使得ITF发生季节变化; ITF的年际变化主要是因为热带环流的年际变化及其所导致的洋流调整造成的, 太平洋和印度洋都有影响.     

BCC大气环流模式对亚澳季风年际变率主导模态的模拟

利用观测海温驱动下的北京气候中心大气环流模式(BCC-AGCM)1979-2000年的模拟数据,从亚澳季风(A-AM)年际变率的角度,对该模式的性能进行了分析.通过季节依赖的EOF分析方法(SEOF)得到观测第1模态,与ENSO从暖位相向冷位相的转变相联系,并伴随东南印度洋和西北太平洋的降水异常随季节变化.该模态具有准2a和4-6a周期的谱峰.分析结果显示,BCC模式可以很好地模拟出第1模态的时间变化特征,及其与ENSO位相的同步关系.但是,模式模拟的降水空间型与观测存在偏差,这主要是由于模式对环流场模拟的偏差造成的,具体表现在西北太平洋(WNP)反气旋和南印度洋(SIO)反气旋的季节锁相模拟偏差.前者与模式模拟的环流场整体偏东有关,后者是由于SIO反气旋的发展和衰亡过程受印度洋局地海气相瓦作用影响,而单独大气模式则无法合理地反映这一过程.另外,模式模拟的第一模态降水空间型在夏季效果较差,原因在于模式模拟的夏季平均降水量存在偏差,尤其是东南印度洋的降水量模拟偏少.进一步分析表明,这可能与对流参数化方案的选择有关.     

一个海洋环流模式模拟的北印度洋经向环流及其热输送

对比两个同化资料GODAS（Global Ocean Data Assimilation System）和SODA（Simple Ocean Data Assimilation）,考察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发展的气候系统海洋模式LICOM（LASG/IAP Climate system Ocean Model）模拟的北印度洋经向环流及热输送的气候态。LICOM能抓住北印度洋大尺度环流的季节变化特征,模拟的年平均越赤道热输送为-0.24 PW （1 PW=1015W）,较之以往的数值模式结果更接近观测和同化资料。与同化资料的差异主要体现在季节变化强度,北半球夏季在赤道以南偏弱0.5 PW,这与模式夏季的纬向风应力偏弱,热输送中的大项Ekman热输送模拟偏弱,从而模拟的经圈翻转环流较浅有关。     

一个热带太平洋上层海洋环流模式及其检验研究

为进行ＥＮＳＯ的模拟与预测,在中国科学院大气物理研究所原有的较低分辨率全球海洋环流模式的基础上,引入依赖于Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ数的垂直扩散方案和太阳短波辐射穿透的物理过程,发展了一个较高分辨率的热带太平洋上层海洋环流模式。利用该模式和１９８０～１９９５年大气强迫场的观测,进行了热带太平洋海温及环流的结构和演变的数值模拟研究,并利用美国国家环境预报中心（ＮＣＥＰ）的同时段的海洋同化分析,就海洋及其时间变化的三维特征,检验了模拟结果。首先,检验了该模式对ＥＮＳＯ事件的三维结构特征及其演变的模拟能力,结果表明：这１６年间所有冷暖事件的发生、发展和消亡均得到基本正确的模拟;海温异常的强度和结构特征与实况有偏差,尤其是次表层,距平量在赤道西太平洋和沿斜温层显著弱于实况;表层海温（ＳＳＴ）距平与实况较为接近,只是在日期变更线附近偏大。然后,强调海气耦合模式要成功预测ＥＮＳＯ,真正严峻的考验是海洋模式对次表层海洋的模拟能力,而不能仅仅满足于对ＳＳＴ的正确模拟。因此,为全面评估该海洋模式,探讨模式误差的原因,根据同化资料,找出年际变化和季节变化最显著的区域之后,检验了多年平均状态及其季节变化、年际变率及其季节变化等统计量。     

阵风效应对冬季北太平洋涛动年际变化模拟效果的影响

利用观测海温驱动NCAR CAM5模式进行了两组数值试验,对比分析了在CAM5模式海气湍流热通量参数化方案中引入阵风效应前后,模式对冬季NPO(North Pacific Oscillation,北太平洋涛动)年际变化模拟效果的差异。结果表明,考虑了阵风效应后,CAM5模式能较好地模拟冬季NPO的年际变化特征,模拟的1979—1999年冬季NPO指数序列与观测结果的相关系数由0.09提高到0.57;热带东太平洋海表温度异常通过影响海表湍流热通量异常,对冬季NPO年际变化产生影响;引入阵风效应后,模式对热带东太平洋海表湍流热通量异常的模拟结果更趋合理,从而使得模式可以较好地模拟出冬季NPO的年际变化。     

大气环流的年代际变化 II.GCM数值模拟研究

类似大气环流模式比较计划（AMIP）的数值模拟,将实际观测的海表水温（SST）资料引入模式进行40多年的数值积分,得到长时间的大气环流模拟结果。分析数值模拟结果发现,无论是大气中的主要涛动和遥相关型,还是重要大气环流系统都极为清楚地存在着年代际变化特征,包括10～20年准周期振荡和可能的30年以上的准周期振荡;而且上述主要环流系统的形势及其年代际变化大都与实际观测资料所给出的结果相一致。顺便分析中国东部气候的模拟结果,年代际变化特征（包括60年代的气候突变）也很清楚,并同大气环流变化配合十分合理。结果也表明,同研究季节和年际变化一样,大气环流模式（AGCM）数值模拟也是研究大气环流和气候年代际变化的有效方法。     

太平洋海温异常对其上空环流影响的分析及数值试验

本文首先用《逐月全球气候资料》中的实测风资料对80年代的两次El Nino。事件(1982—1983年和1986—1987年)太平洋地区上空环流的变化情况进行了分析研究,然后用一个九层原始方程模式对其进行数值模拟试验. 观测资料分析及数值模拟结果皆表明,赤道东太平洋的这两次海温异常都使其上空的环流发生明显的变化,但由于两次海温异常的强度、范围和延续时间有所不同,对环流的影响也不相同.本文将简要地介绍这两次El Nio期间太平洋上空环流的演变特征及数值试验的结果.     

印度洋海温和西太平洋副高的时空分布及两者的相互影响

本文利用EOF分析方法,研究了印度洋海温和西太平洋副热带高压的时空分布特征。探讨丁两者的关系,得出印度洋海温对西太平洋副热带高压的增强和减弱有较大的影响,并对它的东西进退有一定的影响,而西太平洋副热带高压对印度洋海温的分布也有一定的影响。      

Subseasonal coupling between subsurface subtropical front and overlying atmosphere in North pacific in winter

At least two main oceanic fronts (the subarctic and subtropical fronts) exist in the North Pacific. Especially in the subtropical frontal zone (STFZ), the sea subsurface temperature gradient is significantly larger than that of the surface layer in winter. Subseasonal interaction between the subsurface subtropical front and overlaying atmosphere is revealed by using empirical orthogonal function (EOF) analysis of oceanic temperature gradient. The first EOF mode mainly corresponds to the atmosphere-to-ocean influences. With the enhanced westerly wind, a cold sea surface temperature anomaly (SSTA) appears and then passes down to affect the subsurface ocean. However, the second EOF mode indicates the ocean-to-atmosphere forcing. For the second mode, cold oceanic temperature anomaly generates in the subsurface layer and passes up, which makes the SST gradient increasing. Due to the increasing atmospheric baroclinicity, the enhanced westerly wind leads to more heat fluxes from the ocean to the atmosphere, which results in a colder SSTA and a larger SST gradient in the STFZ. Therefore, a positive ocean-atmosphere feedback begins to maintain in the mid-latitude in winter.     

10月份赤道东太平洋的海温与青岛汛期降水

历年１０月东太平洋赤道附近的海温变化与来年初夏（６月）西太平洋副高脊线位置呈明显的反相关;其海温的年际变化对于青岛地区来年汛期降水具有敏感的指示意义。     

中国东北南部地区冬季气温异常的海气背景分析

利用1951—2005年中国沈阳、通化、营口、丹东气温和北半球500 hPa高度及北太平洋海温资料,分析了中国东北南部地区冬季气温的异常变化及其海气背景。结果表明:中国东北南部地区冬季气温具有明显的年代际变化特征;冬季异常冷暖年份,其同期与前期500 hPa高度和海温距平场分布具有明显不同;前期春季(3—5月)贝加尔湖高压和西太平洋副热带高压的强弱变化,西风漂流区海温、赤道东太平洋关键区海温及2个海区海温距平差,对中国东北南部地区冬季气温的异常变化均具有较好的预测指示意义。前期夏季(7—9月)赤道东太平洋关键区海温对中国东北南部地区冬季气温异常变化具有指示性。     

赤道西太平洋-印度洋海温异常对亚洲夏季风的影响

本文采用了p-σ五层原始方程模式模拟并研究了赤道西太平洋-印度洋海温距平场对亚洲夏季风的影响,计算了四种不同的海温距平试验方案。试验结果表明赤道西太平洋海温正距平使对流层下层的印度低压明显加强,副高北挺,季风槽加深,同时加强了对流层上层的反气旋环流。赤道西印度洋暖海温的模拟结果与赤道西太平洋暖海温对上述系统的影响相反,而赤道西印度洋冷海温对季风环流的影响与赤道西太平洋暧海温的影响一致。试验进一步表明赤道西太平洋-印度洋海温距平的纬向梯度方向对亚洲夏季风的影响是主要的,这一结论与实际观测结果一致。本文进一步讨论了赤道海温距平对越赤道气流、印度洋赤道东-西纬向环流和非绝热加热场的影响,结果都表明赤道西太平洋海温正距平和赤道西印度洋海温负距平的模拟特征与反El Nino年亚洲夏季环流特征类似,而赤道西印度洋海员正距平的模拟特征与El Nino年亚洲夏季坏流特征类似。     

华东极端高温气候特征及成因分析

基于华东气象站点1960～2005年逐日最高地面气温和同期西太平洋副高环流指数、赤道太平洋海温和登陆华东及我国的台风个数, 分析了华东极端高温日数和高温日平均最高气温的时空动态变化特征及高温成因。结果表明: 华东每年高温日数和高温日平均最高气温表现出较大的时间动态变化和空间地域差异。在过去45年间, 华东高温日数发生了多－少－多的年代际变化, 高温日平均最高气温发生了高－低－高的年代际变化。高温日数在华东中南及西南部较多, 而在华东东部沿海和北部较少。高温日平均最高气温在华东中西部的浙江、 安徽和江西大部分地区较高。高温日数和高温日平均最高气温在不同地区表现出不同类型的跃变和跃变时间。在华东南部一些地区, 高温日数与夏季西太平洋副高面积和强度指数、 上年下半年Niño4区海温和当年登陆我国的台风个数呈显著正相关。城市化也增加了华东高温事件的发生。     

海洋对大气风应力强迫响应的数值模拟及其与El Ninño的关系

本文设计了一个一层的等效非线性浅水模式,用此模式进行了有关海洋对表面风应力强迫的试验,并用于解释El Ninño的形成过程。结果表明,当西太平洋东部的偏东风突然减弱,并转变为偏西风时,能引起太平洋东部海面高度及温度的升高。该非线性浅水模式及相应的线性浅水模式都较成功地模拟了中东太平洋大范围增暖的这类广义El Ninño事件^[1]。试验结果还表明,东部海域海面高度的升高及增暖强度与西部海域西风的强度、持续时间和扩展的范围有关,即海域西部西风愈强、持续时间愈久、扩大范围愈大,产生的El Ninño就愈强。并对用线性模式得到的结果同用非线性模式的结果进行比较,结果表明非线性平流项能影响波的传播速度,使得逆基本气流传播的波的传播速度减慢,而非线性平流项对形成El Ninño这种行星尺度的超低频事件所起的作用可能不大。     

1991和1994年南京夏季降水异常与副热带东北太平洋海温异常的联系及成因

利用1979-2015年降水观测资料、海表温度资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了南京夏季降水的时间变化规律,发现南京夏季降水具有明显的年际和年代际变化特征,且总体呈增多趋势。1991年南京夏季降水为极端正异常年份,距平为343.92 mm;1994年南京夏季降水为负异常年份,距平为-273.78 mm。南京夏季降水与副热带东北太平洋（美国加利福尼亚地区西海岸）海温异常存在显著的负相关关系,1991年副热带东北太平洋海温负异常,1994年副热带东北太平洋海温无显著异常。1991年副热带东北太平洋海温负异常,引起该地区上空低层辐散、高层辐合,热带中东太平洋上空低层辐合、高层辐散,这样的环流异常引起中东太平洋上空存在异常上升运动,该异常上升运动则通过纬向垂直环流引起菲律宾附近产生下沉运动并抑制该地区对流活动,激发出负位相的EAP/PJ型遥相关波列,引起了包括南京在内的长江流域降水正异常;同时,水汽由菲律宾地区向南京地区输送并辐合,有利于南京地区1991年夏季降水偏多。1994年副热带东北太平洋海温无显著异常,菲律宾附近对流活动活跃,激发出正异常的EAP/PJ型遥相关波列;同时,水汽由黑潮延伸区经日本列岛向西输送,南京地区为水汽辐散区域,使得1994年南京夏季降水负异常。     

Numerical study for characteristic change of Asian summer monsoon circulation and its influence mechanism during the El Nino period

In this paper, the relation between Asian summer monsoon circulation and sea surface temperature anomalies over equatorial central-eastern Pacific is investigated by using a global spectral model. This model has nine layers in the vertical and the model variables are represented in the horizontal as truncated expansions of the surface spherical harmonics with rhomboidal truncation at wave number 15. The model involves comparatively complete physical pro-cesses and parameterizations with mountains.Using the above model, two experimental schemes are designed, namely control case and anomalous sea surface temperature case. The above two schemes are respectively integrated for forty days and the simulated results are ob-tained from the last 30-day averaged simulations.The simulations show that positive SST anomalies over equatorial central-eastern Pacific weakens Indian mon-soon circulation, decreases precipitation in Indian sub-continent whereas it intensifies East Asian monsoon circula-tion and increases precipitation in East Asian area. All these results reflect the characteristics of Asian summer mon-soon during the El Nino period. In this paper, SST anomalies over equatorial central-eastern Pacific have a direct in-fluence on the intensity and position of subtropical high via the wave train over Northern Hemisphere, which is simi-lar to that suggested by Nitta (1987) and the wave train over Southern Hemisphere has an influence on the intensity of Mascarene high and Australia high resulting in affecting cross equatorial flow. As a result, atmospheric interior heat sources and sinks are redistributed because of the change of cross equatorial flow. And the response of atmos-phere to the new heat source and sink has a significant influence on Asian summer monsoon.