北太平洋冬季海-气耦合的主模态及其与瞬变扰动异常的联系

利用45年的ECMWF再分析资料,使用SVD方法研究了冬季北太平洋地区表层海温(SST)异常与大气环流异常间的主要耦合模态,探讨了大尺度海-气耦合型与天气尺度瞬变扰动的相互关系。分析结果表明,中纬度北太平洋地区冬季存在两种主要的海-气耦合型,第1种耦合型反映了与ENSO紧密相关的中纬度北太平洋冬季海温异常分布型以及大气的PNA型,第2种耦合型SST异常集中在东亚沿海以及中纬度北太平洋海流区,相应的大气场则为暖(冷)SSTA上空东西向带状区域内位势高度偏高(低),明显独立于ENSO型。进一步的合成分析表明,在第1种耦合型SST正(负)异常年里,冬季阿留申低压主体位置偏西南(东北),从东北亚到北美西海岸的西北—东南向带状区域内是低层大气温度正(负)异常区和高层西风负(正)异常区,西风负(正)异常中心位于西风急流出口处的北太平洋中东部,而西风急流主体区的风速变化很小。在第2种耦合型东亚沿海至中纬度北太平洋海流区SST偏暖(冷)时,阿留申低压整体偏弱(强),SST暖(冷)异常上空的大气温度偏暖(冷),高层西风急流区西风偏弱(强)。两种耦合型均显示出在北太平洋中纬度地区大气和海洋的异常相关中心有很好的空间对应性。在两种耦合型下,中纬度北太平洋冬季的大气斜压性也发生截然不同的改变,引起中纬度天气尺度瞬变扰动活动异常。瞬变扰动异常的动力强迫作用对北太平洋西风异常的形成存在正反馈作用,而其热力作用则试图破坏与两种海-气耦合模态相关的大气温度异常型。     

赤道中印度洋夏季变温对中国夏季降水影响的数值模拟

利用大气环流模式模拟了赤道中印度洋海区夏季变温与海温本身异常对中国夏季降水的影响.结果表明:当该海区夏季正(负)海温距平值呈递增(递减)变化时,激发出的降水场的正(负)异常幅度比正(负)海温距平强迫下相应的降水场的正(负)异常幅度大;但当正(负)海温距平呈递减(递增)趋势变化时,激发出的降水异常场与正(负)海温距平强迫下相应的降水异常场的分布形势类似(不同),异常幅度也有所差异.夏季中印度洋不同类型的海温异常对大气加热的不同,导致东亚季风和印度季风的不同变异,暖海温异常下引起东亚季风的明显偏强,而冷海温异常下引起印度季风的明显偏强.     

江南西部雨季降水区域特征及其受热带海洋海表温度异常的影响分析

本文分析了江南西部雨季特征,研究了热带太平洋、印度洋海表温度异常对这一区域雨季降水的影响,并初步分析了其影响因子。结果表明:(1)江南西部雨季开始时间早,持续时间长,是中国梅雨季的一个重要组成部分。它具有明显的年际、年代际变化特征,21世纪后,进入了一个少雨期。(2)前冬热带海洋海温异常是江南西部雨季降水丰枯的一个强信号。即:当赤道中东太平洋海温为正(负)距平、西太平洋及中东太平洋副热带地区为负(正)距平(这种海温异常主模态分别称为正(负)海温异常型),相应地,热带印度洋表现为北正(负)南负(正)的海温反相位型时,江南西部雨季全区降水偏多(少)的可能性大。(3)在正(负)海温异常年,4~6月,赤道印度洋盛行偏东(西)风异常,不易(容易)形成转向北的南风异常,印度季风弱(强);西太平洋近赤道地区为强劲的偏东(西)风异常,其北为反气旋(气旋)性距平环流,导致西太平洋副热带高压位置异常偏西(东),强度偏强(弱)状态,有利于(不利于)江南西部降水发生。(4)在正海温异常年,江南西部水汽主要来源于西太平洋,并在此区域形成水汽辐合,有利于降水;而在负海温异常年,来自两大洋的水汽均通过江南西部地区,此区域成为水汽过渡带,不易形成水汽辐合,降水偏少。     

海温分布型对长江中下游旱涝的影响

采用经验正交函数 (EOF) 分解、奇异值分解 (SVD) 及相关、合成分析等方法, 分析了太平洋海温异常分布与东亚大气环流及长江中下游降水的关系.结果表明:涝、旱年太平洋海温差值场从前一年秋季至当年夏季一直维持由西北向东南“+ - + -”分布特征, 这种太平洋海温分布型与东亚-太平洋遥相关型 (EAP) 密切相关.旱涝年前期太平洋海温异常分布使得低纬度对流活动有明显差异, 而对流活动的异常分布又导致西太平洋副高及东亚大气环流的异常, 从而影响长江中下游降水.数值试验进一步表明:长江中下游旱涝不仅与热带, 同时也与中高纬太平洋的海温异常有关.     

厄尔尼诺衰减年东亚夏季大气环流和降水异常的耦合模式后报试验

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)新一代耦合气候模式(FGOALS)进行了气候异常季节后报试验,通过对1982—2005年7个个例的分析,探讨了厄尔尼诺衰减年夏季东亚大气环流和降水异常发生的物理机制。分析结果表明:FGOALS可以模拟出厄尔尼诺衰减年夏季相关气候场的异常态特征,表现为在西北太平洋为负海温异常,在热带印度洋为正海温异常,从而导致西北太平洋地区大气中低层异常反气旋环流的维持,其反气旋的西南部及西部的偏南及西南气流造成中国长江中下游地区降水的异常增多。在提前3—9个月的预测模拟中,模式可以模拟出气候场的异常演变,随着预测时间的延长,产生局地耦合的西北太平洋海表温度异常信号变弱,使得模拟出的西北太平洋反气旋异常偏弱、中心东移,从而导致影响东亚降水的气候场的异常变弱,降水异常区偏东。模拟结果也揭示出,西北太平洋海表温度负异常是厄尔尼诺异常信号的转换模态,并且,由于局地海-气相互作用,热带海温异常信号可以持续到第2年夏季,从而引起东亚大气环流和降水异常。对于东亚降水的季节预测出现误差可能是模式对ENSO的模拟偏差造成的,随着预测时间延长,模式模拟的厄尔尼诺信号偏弱,这将使得海表温度异常偏弱,同时相关物理场的异常响应也减弱。     

夏季副热带西部模态水异常与我国秋、冬季气温年际变化的关系

利用合成、回归等方法分析了夏季副热带西部模态水(简称STMW)异常与我国秋、冬季气温年际变化的联系,发现:1)秋、冬季东亚—太平洋地区的大气环流异常对我国的气温变化起了重要作用,夏季STMW异常通过东亚—太平洋地区的大气环流异常进而与我国秋、冬季的气温变化联系在一起。2)夏季ST-MW正(负)异常时,同年秋季我国西北、东北和江淮地区的气温异常偏低(偏高);冬季时,东北、西北地区气温偏高(低)。3)这种联系主要是通过东亚—太平洋地区大气环流的典型分布实现的:夏季STMW异常偏强(弱)时,同年秋季与黑潮附近的冷(暖)海温相对应,西北太平洋上空大气环流出现负(正)的高度距平,气旋性(反气旋性)环流西侧的偏北(南)气流引导(阻碍)东亚大陆中高纬冷空气南下,同时东欧地区的高压(低压)向东南方向伸展,对我国西北地区秋季冷空气的活动起到了增幅(削弱)作用,我国东北、西北和江淮大部分地区的冷空气活动偏强,气温普遍偏低(高)。黑潮区附近的冷(暖)海温持续热力作用下,海洋不断得到(失去)热量,积累到冬季,促使黑潮区域的海表面温度(SST)逐渐向正(负)异常转变。冬季的大气环流场也对应发生调整:西北太平洋上空出现显著的高压(低压)异常,反气旋(气旋)西侧的偏南(北)气流减弱(加强)了我国东北地区的冷空气强度,气温偏高(低);亚洲中纬度地区受低压(高压)距平控制,我国西北地区的冷空气活动较弱(强),气温偏高。     

夏季赤道东太平洋海温异常对全球及东亚短期气候变化影响的数值试验

本文应用中国科学院大气物理研究所设计的两层大气环流模式（IAP-AGCM）研究了夏季赤道东太平洋地区负的海温异常对全球大气及赤道太平洋地区和东亚局地短期气候变化的影响，着重分析了海温异常（SSTA）所造成的降水、高度场、风场以及赤道太平洋地区海表感热和潜热输送等一些物理场的异常，并对赤道东太平洋海温异常影响全球及赤道太平洋和东亚局地短期气候变化的物理机制进行了探讨，得到了一些有意义的结果。     

北太平洋海温异常的空间模态及其与东亚环流异常的关系

运用英国气象局全球海温和NCEP/NCAR 再分析逐月资料, 分析了1979年以来北太平洋夏季海温异常的主要模态, 并探讨了海温异常的空间分布与东亚环流异常的关系。结果表明: 北太平洋夏季海温主要存在两种模态, 当太平洋热带地区西高东低 (西低东高), 西太平洋到黑潮区海温偏高 (低), 东南太平洋的海温偏低 (高) 时, 东亚贝加尔湖南侧地区为显著的正 (负) 高度异常。进一步分析发现这种环流异常与北太平洋西部海温异常引起的辐合辐散有关, 北太平洋西部近大陆海域海温异常偏暖 (冷), 对应上空为异常的上升 (下沉) 运动, 因质量的连续性使贝加尔湖南侧地区低层辐散 (辐合) 异常, 有利于该地区异常反气旋性环流的加强 (减弱)。     

印度洋-太平洋各季海温年际变异模的相关性及其与我国夏季降水的关系

用1958～1998年NCEP再分析资料、Reynolds海温及中国160站月降水资料分析了印度洋．太平洋不同季节海温年际变异的主要空间分布特征以及它们之间的相互联系，探讨了夏季亚澳季风区海温异常型与我国夏季降水的关系。结果表明：冬季印度洋一太平洋海温年际变化的第一模态与随后春季的第一模态、夏秋季亚澳季风区的海温异常型（第二模态）有非常显著的相关关系，即如果冬季海温异常为E1 Nino（La Nina）型，则其后的春季也为E1 Nino（La Nina）型，而随后的夏、秋季在亚澳季风区的热带海温有暖（冷）异常。夏季亚澳季风区海温异常与我国长江中游至江南的夏季降水有显著的正相关，即夏季亚澳季风区热带海温暖（冷）异常对应长江中游及江南的夏季降水偏多（少）。与东亚冬季风异常有关的冬季北太平洋海温异常型，可以通过与夏季亚澳季风区海温的异常有显著相关性进而影响到东亚夏季风。     

北太平洋海温异常对我国降水影响的数值试验

利用全球大气环流模式 (OSU- AGCM) ,作中纬度北太平洋热源异常强迫的数值试验 ,分析中纬度北太平洋海温异常对降水的影响。结果表明 ,中纬度北太平洋大范围海温降低 ,将造成东北地区季内降水偏多 ,而我国 40°N以南大部分地区降水偏少 ;同时 ,北太平洋中低纬度地区降水将发生显著的变化。通过分析海温异常所造成的大气物理量场的变化 ,就海温异常对降水的影响机制进行了探讨 ,得出一些有益的结果。     

我国西南地区干湿季降水的主模态分析

利用我国西南地区26个台站降水资料,通过经验正交函数（EOF）分解的方法,分析了1980～2009年该地区干季（10～4月）和湿季（5～9月）降水的主模态。我国西南地区干季降水的时空变化存在两种主模态,它们分别可以解释总方差的22.4%和15.6%。第1主模态为全区一致型,具有准两年周期振荡的年际变化特征;第2主模态为东南—西北反向型,从20世纪90年代中期至21世纪初呈现2～3年的变化周期。我国西南地区湿季降水的时空变化存在三种主模态,它们分别可以解释总方差的17.1%,13.8%和11.1%。第1主模态为全区一致型,20世纪90年代初期具有较强的2～4年周期;第2主模态为经向偶极子型分布,并具有显著的4年周期;第3主模态为纬向偶极子型分布,具有2～4年的年际变化信号。进一步利用NCEP/NCAR再分析资料以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的海表面温度（SST）资料,通过合成分析和回归分析的方法探讨了与干湿季降水各主模态对应的大尺度大气环流和海温状况。我国西南地区干季降水第1主模态与北极涛动（AO）有明显的正相关关系,对应的大气环流和海温状况表现为高纬北冰洋与中纬度地区上空高度场的反向异常分布,北大西洋和北太平洋海温低纬与中高纬的偶极子型异常分布;第2主模态与中高纬欧亚大陆上空高度场经向偶极子型异常分布有关,中纬度北太平洋的海温异常与该模态具有紧密的联系。我国西南地区湿季降水第1主模态与北大西洋涛动（NAO）显著负相关,对应的大气环流和海温状况表现为北大西洋上,高纬度与中纬度地区上空高度场的偶极子型异常分布,海温从低纬到中高纬的三极子型异常分布;第2主模态受欧亚大陆上空高度场经向三极子型异常分布影响,并与北太平洋海温异常的一致型分布有关;第3主模态可能与El Ni?o Modoki有关,同时受到南亚高压的影响,赤道太平洋海温的纬向三极子型异常分布对该模态具有一定的潜在预报意义。     

夏季东亚高空急流与太平洋-日本遥相关型的关系

利用NCEP/NCAR和NOAA月平均资料,采用奇异值分解方法分析了夏季东亚高空纬向风场和西北太平洋海表温度(SST)的耦合关系,并据此研究了东亚副热带高空急流和太平洋-日本(Pacific-Japan,PJ)遥相关型的可能联系。合成分析结果表明,东亚副热带高空急流正模态年,急流偏南偏强,对流层上层南亚高压增强东进,中层西太平洋副热带高压加强西伸,菲律宾周边海域SST升高,中纬度黑潮延伸体区SST降低,菲律宾海和热带西太平洋地区对流活动偏弱,日本海和黑潮延伸体海区对流活动增强,对应PJ遥相关型的负位相;而东亚副热带高空急流负模态年,急流偏北偏弱,对流层上层南亚高压减弱西退,中层西太平洋副热带高压减弱东撤,菲律宾周边SST降低,中纬度黑潮延伸体区SST升高,菲律宾海和热带西太平洋地区对流活动强盛,日本海和黑潮延伸体海区对流活动减弱,对应PJ遥相关型的正位相。由于夏季东亚副热带高空急流活动与PJ遥相关型存在关联,PJ遥相关型可能是东亚副热带高空急流响应太平洋海温异常的纽带。     

中低纬海气相互作用的耦合模态变化研究

利用1948—2003年的NCEP再分析资料和英国气象局Hadley气候预测和研究中心的海表面温度资料,从整体分析地球中低纬三大洋海气耦合系统的角度出发,使用SVD方法研究中低纬海气相互作用的耦合变化。结果表明,中低纬海气相互作用是一个有机的耦合整体,其变化不管从年际还是年代际上都存在耦合相关性,这一点给我们提出了一个新的研究全球范围海气耦合变化的思路。提取的海气耦合基本模态的正、负异常年份的海温和风场异常合成分析结果显示,当赤道东太平洋的海水偏暖时,热带印度洋和热带大西洋的海水也偏暖,热带西太平洋直至中纬度太平洋的海温总体偏冷。就印度洋而言非洲大陆以南30~50 °S的大片海区存在明显的海温负异常。北美洲大陆的东岸30 °N以北和南美洲大陆的东岸30 °S以南的海区都为明显的海温负异常。当赤道东太平洋的海水偏冷时各大海区的海温分布情况反之。      

“短期气候预测专刊”

A premonitory sign of an anomalous SST over the eastern equatorial Pacific shows up in the North Pacific Subtropical Mode Water (STMW) 18 months earlier,and the air-sea relationship between the STMW and the anomalous SST over the eastern equatorial Pacific is shown.This premonitory connection involves an air-sea coupling between the longtime persistent mid-latitude sea surface temperature anomaly (SSTA) induced by the remote re-emergence of the STMW and the following spring subtropical atmospheric circulation anomalies.An examination of the air-sea interaction reveals that the following spring subtropical atmospheric circulation,which responds to the longtime persistent SSTA,is dominated by the anomalous negative (positive) geopotential height downstream of the negative (positive) SSTA in the strong (weak) STMW case.Thus,the tropics adjust to these anomalies through coupled dynamics,producing positive (negative) SST anomalies over the eastern equatorial Pacific.A cold water event that occurred over the eastern equatorial Pacific during winter 2008-09 was successfully forecasted by the weak summer STMW index in 2007.The evolution of this process for the air-sea interactions from the autumn of 2007 to December 2008 is presented.     

中国东部夏季分区降水对海温异常响应特征的研究

用刘征宇最新发展的广义平衡反馈方法结合经验正交分析和旋转经验正交分析法,研究中国东部6个分区夏季降水异常对各海盆海温异常(SSTA)模态的响应特征,探讨了东北区降水异常对SSTA的响应机制。结果表明:各分区降水异常对SSTA的响应特征有明显差异。东北区降水异常对热带太平洋SSTA的回应显著,当SSTA表现为类似El Niño模时,该区夏季降水增加;江淮区降水异常同时受到中纬度以及热带SSTA的强迫,对热带太平洋SSTA的类似La Niña Modoki模、北大西洋SSTA三极型模等回应显著;西南地区的降水异常主要与中纬度SSTA有密切关联。对流层高度场对热带太平洋SSTA类似El Niño模的直接回应在热带太平洋上空为显著正异常。通过东亚—太平洋型遥相关波列使东北地区上空高度场出现负异常,并在其西侧形成负异常中心,对流层低层为气旋性环流异常。这一环流回应与东北地区夏季降水偏多时的环流特征相近。     

Coupled Modes of Rainfall over China and the Pacific Sea Surface Temperature in Boreal Summertime

In this study,monthly NCEP/NCAR reanalysis data and NOAA ERSST as well as observed precipitation data from 160 stations in China were used to investigate coupled modes affecting the rainfall over China and sea surface temperature (SST) in the Pacific during boreal summertime based on singular value decomposition (SVD) method.The SVD analysis revealed three remarkable coupled modes:rainfall over North China associated with an ENSO-like SST pattern (ENSO-NC),rainfall over the Yangtze River valley associated with SST anomalies in the western tropical Pacific (WTP-YRV),and rainfall over the Yellow River loop valley associated with tropical Pacific meridional mode-like SST pattern (TPMM-YRLV).These coupled SVD modes appear robust and closely correlated with the single field.Furthermore,the covariabilities among of the three coupled modes have different characteristics at the decadal time scale.In addition,the possible atmospheric teleconnections of the coupled rainfall and SST modes were discussed.For the ENSO-NC mode,anomalous low-pressure and high-pressure over the Asian continent induces moisture divergence over North China and reduces summer rainfall there.For the WTP-YRV mode,East Asia-Pacific teleconnection induces moisture convergence over the Yangtze River valley and enhances the summer rainfall there.The TPMM SST and the summer rainfall anomalies over the YRVL are linked by a circumglobal,wave-train-like,atmospheric teleconnection.     

我国东部梅雨期降水的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温的关系

基于我国160站59年(1951～2009年)的月降水观测资料、美国气象环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的再分析资料和Hadley中心的海表温度(Sea Surface Temperature,简称SST)资料,对我国东部(100°E以东,15°N～40°N)梅雨期(6月和7月)降水的时空变化特...     

Coupled modes of large-scale climatic variables and regional precipitation in the western Mediterranean in autumn

The variability of autumn precipitation in the western Mediterranean and its relationship to the large-scale atmospheric variability during the period 1948 to 1989 is assessed. A singular value decomposition analysis is used to establish modes of coupled variability between regional precipitation and geopotential height (Z300), zonal (U-wind) and meridional (V-wind) wind components at the 300 hPa level. The Z300/precipitation coupling, which accounts for 52% of the total squared covariance, is strong during the autumn. The first Z300 coupled mode, in its positive phase, is characterised by a dipole structure with negative anomalies over Scandinavia and positive anomalies over the Iberian Peninsula in the Z300 and negative precipitation anomalies in the western Mediterranean. In its negative phase, a coupled pattern is found showing a high-over-low block and positive precipitation anomalies over the Mediterranean area. The coupling depicted by the second mode is weaker than that found in the first mode. The second coupled mode (21% of the total squared covariance) is characterised by negative anomalies in the eastern North Atlantic and positive ones over North Africa and the central Mediterranean in the Z300 and negative anomalies in the regional precipitation. Consistent with the results of the two first modes mentioned, the coupled patterns of either U-wind/precipitation or V-wind/precipitation are found to be coherent with those for Z300/precipitation. Composite maps were obtained to give a representation of the average circulation associated with coherent precipitation variability in the western Mediterranean. The regional impacts of both modes are investigated and the large-scale dynamic patterns presented are important modes of variability. Taking into account data for the whole of the twentieth century, results show that the first singular mode is responsible for the decadal trends and long term changes in precipitation. The late 1970s and 1980s is shown as the drier period and the late 1950s and early 1960s as the wettest years of the century.     

东北春季极端连续无雨日与前冬北太平洋海平面气压的可能联系北大核心

基于1960—2019年中国东北地区108个台站逐日降水资料、JRA-55再分析资料和Hadley中心海温数据,分析了东北地区春季极端连续无雨日的年际变化特征及其与前冬北太平洋地区大气环流和海表温度的关系。研究表明,东北地区春季极端连续无雨日集中在3—4月。当3—4月极端连续无雨日偏多时,贝加尔湖地区存在异常高压,东北地区受偏北气流影响,局地水汽辐散。进一步分析发现,东北地区3—4月极端连续无雨日与前冬1—2月北太平洋地区偶极型海平面气压存在密切联系。该大气模态可以引起同期北太平洋海温呈现出马蹄形异常分布并持续到3—4月。在3—4月,海温异常可以通过改变北太平洋上空的经向温度梯度,引起东亚到北太平洋地区的西风变化,进而有利于贝加尔湖地区出现异常高压。另一方面,海温异常还会增强北半球中纬度的波列活动,东传的波列也可以增强贝加尔湖地区的高压。上述异常环流为东北地区极端连续无雨日的增加提供了有利背景条件。留一交叉验证结果显示,前冬1—2月北太平洋地区偶极型海平面气压可作为东北春季极端连续无雨日的潜在预测因子。