海洋模式初始化同化方案对IAP近期气候预测系统回报试验技巧的影响

基于耦合气候系统模式FGOALS-s2的中国科学院大气物理研究所(IAP)近期气候预测系统(以下简称IAP Dec Pre S系统)发展了2种初始化方法:第一种采用Incremental Analysis Update(IAU)方案同化格点化的海洋温度和盐度客观分析资料EN3;第二种采用集合最优差值(EnOI)结合IAU(EnOI-IAU)的方案同化原始海洋温度和盐度观测廓线资料EN4。主要目的是比较基于2种初始化方案开展的年代际预测试验的技巧。时间相关系数、均方根技巧评分等指标均表明,基于EnOI-IAU方案的回报试验对与太平洋年代际振荡(PDO)有关的北太平洋海表面温度(SST)的回报技巧显著高于基于IAU方案的回报试验。而对于大西洋多年代际振荡(AMO),EnOI-IAU方案回报试验的技巧低于IAU方案回报试验。AMO存在副极地和热带北大西洋2个活动中心,EnOIIAU方案在热带中心的技巧仅略低于IAU方案,但是它在热带外区域模拟出了虚假的降温趋势,因此技巧远低于后者。     

IAP年代际预测试验中火山活动对太平洋海温预测技巧的影响

火山活动是影响全球气候变化的重要自然因子。在年代际预测试验中加入火山气溶胶强迫会带来火山爆发后短期内气候响应回报技巧的改变。基于耦合气候系统模式FGOALS-s2的中国科学院大气物理研究所年代际气候预测试验(DP-EnOI-IAU试验)结果,分析了火山活动对太平洋海温年代际预测技巧的影响。DP-EnOI-IAU试验引入了平流层火山气溶胶的辐射外强迫变化,在模拟的1960—2005年共发生4次强的热带火山爆发事件。结果表明,DP-EnOI-IAU试验在多数年份对太平洋海温具有显著的预测技巧,但预测技巧在1982年El Chichon火山爆发和1991年Pinatubo火山爆发后显著下降。模式对火山爆发后ENSO位相的模拟偏差导致了其对太平洋海温年代际预测技巧的下降。对于1982年El Chichon火山爆发,在火山爆发峰值时期和第3年冬季,赤道中东太平洋均表现出与观测相反的海温型响应,使得DP-EnOI-IAU试验对太平洋海温的年代际预测技巧显著下降。在1991年Pinatubo火山爆发后的秋冬季和第3年冬季,观测和模拟的热带海温型亦相反,模式对1991年火山爆发后太平洋海温的预测技巧降低。相对于1982年El Chichon和1991年Pinatubo火山爆发,模式对1963年Agung火山爆发后热带海温型响应的模拟与观测较为一致,此次火山爆发没有带来太平洋海温预测技巧的显著下降。     

耦合模式中北太平洋和北大西洋海表面温度年代际可预报性和预报技巧的季节依赖性

利用一个全球耦合环流模式在理想模式框架下进行了3组动力预报试验,研究了北太平洋和北大西洋海表面温度异常(SSTA)的年代际可预报性和预报技巧。结果表明北太平洋年平均SSTA在年代际尺度上可预报性和预报技巧表现较低,明显弱于北大西洋。通过分析不同季节平均SSTA的可预报性与预报技巧,发现北太平洋中西部区域冬季平均SSTA的年代际可预报性和预报技巧显著高于其他季节,其量值和北大西洋相当,表现为明显的季节依赖性;北大西洋SSTA的可预报性和预报技巧也显示了随季节变化的特征。进一步分析表明,北太平洋SSTA年代际可预报性和预报技巧的季节依赖性归因于北太平洋冬季SSTA的年与年之间再现机制,这一再现机制源于北太平洋混合层显著的季节变化;而北大西洋SSTA的可预报性和预报技巧的季节依赖性则可能与其他过程(如大西洋年代际涛动)的季节变化有关。研究结果表明,对于年代际气候预报,如果考虑所关注指标的季节平均,则可能在某些季节获得比年平均更高的预报技巧。     

FGOALS-s2海洋同化系统中东亚夏季风和前冬厄尔尼诺—南方涛动关系的年代际变化

海洋同化系统为年代际预测试验提供初值,其性能可能会影响年代际预测技巧,因此评估其对重要年代际变化现象的模拟能力非常必要。观测发现,东亚夏季风(EASM)和前冬厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的关系在1970s末加强,随后在1990s中期后减弱。基于FGOALS-s2耦合气候模式的海洋同化系统评估了其对这2次年代际变化的模拟能力。结果表明,决定模式能否再现EASM和前冬ENSO关系的年代际变化有2个重要因素:(1)与前冬ENSO有关的夏季印度洋—太平洋海温型的年代际变化;(2)模式西北太平洋反气旋对热带海温的响应偏差。模式中西北太平洋反气旋与东北印度洋的暖海温关系稳定,当1970s末前冬ENSO对夏季印度洋海温影响显著增强时,模式能够模拟出北印度洋降水以及赤道东印度洋至海洋大陆上空Kelvin波的增强,从而可再现EASM与前冬ENSO关系的增强;而1990s中期后模式中与前冬ENSO有关的东北印度洋海温异常进一步增强,与观测相反,使得模式未能再现观测中EASM与前冬ENSO关系的减弱。此外,1990s中期后模式对夏季中太平洋冷海温异常的Rossby波响应存在较大偏差,是其未能再现此次年代际变化的另一个原因。研究表明,与ENSO有关的热带印太海温的年代际变化预测水平和模式对海温的响应偏差将在一定程度上制约模式对EASM与ENSO关系的年代际预测能力。     

CMIP5和CMIP6模式在历史试验下对AMO和PDO的模拟评估

利用Hadley中心的观测海温资料,以及耦合模式比较计划的第五阶段和耦合模式比较计划的第六阶段历史试验的模式资料,分析和评估了2个最为重要的年代际尺度模态,北大西洋年代际振荡、太平洋年代际振荡在耦合模式比较计划的第五阶段和耦合模式比较计划的第六阶段中的模拟能力。通过对比多模式集合发现,在空间模态方面,耦合模式比较计划的第五阶段和耦合模式比较计划的第六阶段都能模拟出北大西洋年代际振荡在北大西洋地区的信号,但耦合模式比较计划的第六阶段的模拟更好,对于太平洋年代际振荡模态而言,都能模拟出在北太平洋地区的信号,而太平洋年代际振荡在热带太平洋地区的信号,耦合模式比较计划的第六阶段模拟的振幅明显更接近观测。在周期的模拟方面,耦合模式比较计划的第五阶段和耦合模式比较计划的第六阶段结果相似,都能模拟出北大西洋年代际振荡存在60~70年的周期,以及太平洋年代际振荡存在20年和60~70年的双周期。整体而言,耦合模式比较计划的第六阶段相比于耦合模式比较计划的第五阶段在空间特征模拟方面有一定进步,但是对于周期的模拟能力,没有明显进步。     

ENSEMBLES耦合模式对全球陆地季风区夏季降水的年代际预测能力评估

全球季风区降水对当地社会经济、全球大尺度环流及能量循环至关重要。采用欧洲联盟ENSEMBLES计划Stream 2的年代际回报试验,评估了其对1960—2015年全球陆地季风夏季降水年代际变化的回报能力,并探讨了北半球陆地季风区夏季(NHSM)降水年代际变化可预报性的可能来源。分析发现ENSEMBLES对全球及南球陆地季风区夏季降水的年代际回报技巧不高,但其对NHSM降水具有一定的预报能力,能合理回报出观测中NHSM降水在1960年至1970s末期的减弱趋势和1990s之后的增强趋势,其缺陷在于模式中NHSM降水最小值出现在1970s末期,较之观测提前了近10年,未能回报出1980s中期至1990s初期NHSM的干旱期。mega-ENSO与大西洋多年代际振荡(AMO)是影响NHSM降水年代际变化的2个重要驱动因子。分析发现模式回报的NHSM降水与mega-ENSO、大西洋多年代际振荡(AMO)的正相关明显大于观测,能合理再现2个指数在1960年至1970s末期和1990s后的变化趋势,是模式对这2个时段内NHSM降水回报技巧的重要来源。虽然ENSEMBLES对AMO的年代际变化具有较高的回报能力(与观测的最大相关系数高达0.85),但是对mega-ENSO的回报技巧较弱,进而限制了模式1980s中期至1990s初NHSM的年代际预报技巧。因此,提高模式对mega-ENSO的预报能力,是提升NHSM降水年代际预报水平的重要途径。     

全球海表温度在不同时间尺度的主模态对比分析

利用1880—2009年HadISST资料,去掉百年全球变暖的信号,研究发现东太平洋、北太平洋和北大西洋都有较强的年际和年代际振荡信号,特别是赤道东太平洋南侧的年代际振荡是不容忽视的。对全球范围的海表温度资料做EOF分析发现,存在3种主要的全球尺度信号,第一模态为太平洋型、第二模态为北大西洋型以及第三模态为赤道中太平洋型。特别指出,第三模态是CP ENSO在全球模态中的表现。这3种模态在年际和年代际尺度都有显著的信号,在无滤波的情况下,3种模态方差贡献之和为34%。在年代际以上时间尺度范围,3种模态方差贡献之和为61%。在各种时间尺度中,这3种信号与全球平均温度都有一定的联系,尤其第一、二模态的影响最为重要,在年代际尺度中,第一、二模态方差贡献之和达到50%。2005年以后全球并没有明显增温,可能与前2个模态同时下降有关。     

全球海平面变化研究新进展

综述了近10年来海平面变化研究的主要成果,分析了影响海平面变化的主要因素,探讨了海平面变化研究中存在的一些问题。结果表明：①近10年全球平均海平面上升幅度大约为2.5~3.84 mm/a,热膨胀是引起海平面上升的主因;②海平面变化具有时空分布差异——西太平洋和东印度洋地区上升最快,其值高出全球平均值的10倍以上;大西洋与太平洋30~40°N地区季节变化最明显;③将海平面季节高值时段与北半球热带气旋出现时间进行对比,发现每年8~10月份,在20~50°N的西北太平洋与北大西洋沿岸地区出现海平面最高值与热带气旋相叠加的全球危险海岸带,该地带包括中国大陆东部、日本沿海地区、美国东部海岸带、墨西哥湾地区和加勒比海地区。     

热点作用背景下的洋中脊跃迁和扩展作用:印度洋盆地张开过程探讨

在《印度洋底大地构造图》的基础上,分析了印度洋盆构造格局和洋盆演化重大事件序列,并从印度洋盆初始裂解机制、扩张中心跃迁与热点作用、洋中脊扩展作用等方面讨论了印度洋盆的张开过程,提出以下几点认识:(1)现今印度洋洋中脊可分为两个系统:东南印度洋中脊-中印度洋中脊-卡斯伯格洋脊系统(东支)和西南印度洋中脊系统(西支),前者是太平洋洋中脊扩展作用的产物,后者是太平洋-东南印度洋中脊与大西洋中脊之间构造调节的产物;(2)印度洋盆最初裂解受地幔柱垂向挤压-水平伸展作用控制,沿前寒武造山带等地壳薄弱带发育;(3)印度洋盆经历两次扩张中心的跃迁,其趋向性跃迁方向与热点相对板块的运动方向具有一致性,显示两者存在内在联系。(4)大西洋和太平洋洋中脊在印度洋交汇,于古近纪连通,末端伴随陆块持续发生碎裂化、裂解化,可称为鱼尾构造模式,表明印度洋盆衔接和调节了三大洋盆的发育和演化过程,具有全球洋盆枢纽的关键意义。     

末次盛冰期太平洋赤道辐合带对暖池外热带海表温度变化的敏感性

利用美国NCAR CAM3大气环流模式,分析了末次盛冰期（LGM）两个不同的热带海表温度重建方案中,北半球冬季热带中、西太平洋对流活动及大气环流对暖池外（赤道东太平洋和热带大西洋）热带SST异常的敏感性。结果表明：  1）SST异常首先引起大气环流的改变。  赤道东太平洋对流层下沉增强,而作为经向补偿,副热带东太平洋上升运动增强,其中南半球尤为明显,同时南半球热带中、西太平洋上升运动增强,加剧了该区纬向逆时针环流,说明冰期热带海气耦合过程受气候背景场（如SST）影响很大;   2）大气环流格局改变引起热带中西太平洋的大气加热、对流活动、表层风场及降雨的巨大变化。  140°E以西的婆罗洲和菲律宾区域,总的大气加热减少是由于对流与辐射加热减少所致,对应于该区风场辐散和降雨减少;   而140°E以东的南半球热带中、西太平洋,大气吸收热量增加,对流与辐射加热均增强,总降雨量也随之增加,反映该区赤道辐合带南移并增强。该项研究为探索热带太平洋在冰期/间冰期旋回中的古海洋学变化提供了新的数据支撑。此外,不同重建SST对赤道辐合带的影响比较大,因此利用重建SST进行数值模拟或者利用耦合模式研究LGM热带海气相互作用时,应该十分重视全球热带SST分布特征。     

印度洋偶极子研究进展回顾

印度洋偶极子是热带印度洋中重要的年际变率之一,对印度洋周边国家乃至全球的气候有着重要的影响,关于其形成机制及气候影响的研究对于气候预测具有重要意义.主要回顾了近10年印度洋偶极子的相关研究进展,包括印度洋偶极子的基本特征、与热带太平洋中厄尔尼诺—南方涛动之间的关系、与亚洲夏季风之间的关系、对全球气候的影响以及全球变暖背景下的变化等.印度洋偶极子与热带太平洋中厄尔尼诺—南方涛动之间的关系体现为二者之间是相互影响的,但不同类型的印度洋偶极子对热带太平洋中厄尔尼诺—南方涛动的影响机制尚不明确,还需进一步的研究.印度洋偶极子与亚洲夏季风之间的关系体现为二者之间存在强烈的相互作用,印度洋偶极子与印度洋东部夏季风环流之间存在相互促进作用,而印度洋偶极子与印度夏季风环流之间的相互作用尚需进一步研究.此外,研究表明全球变暖背景下极端正印度洋偶极子的发生将增多,同时极端印度洋偶极子对我国极端气候事件的发生有着重要影响.以往的研究主要集中于单独的印度洋偶极子或印度洋偶极子和热带太平洋中厄尔尼诺—南方涛动的结合对我国极端气候的影响,而印度洋偶极子与中高纬环流系统或泛热带海洋之间的协同作用对我国极端气候事件的影响还亟需相关研究.对印度洋偶极子的系统性回顾可为未来印度洋偶极子的研究提供一定的科学基础.     

全球实时海洋观测网(Argo)与上层海洋结构、变异及预测研究

围绕国家重点基础研究发展计划项目“基于全球实时海洋观测计划(Argo)的上层海洋结构、变异及预测研究”,首先介绍Argo这一新型全球海洋观测网给海洋和大气科学带来的发展机遇以及我们面临的挑战,接着阐述项目重点研究区域西北太平洋和热带印度洋—太平洋的国内外进展,最后给出了项目的关键科学问题和主要研究内容。     

热带北大西洋模态年际变率的研究进展与展望

热带北大西洋模态(NTAM)年际变率是北半球春季热带北大西洋的主导变率。它对热带辐合带的南北移动、周边国家的降水以及全球气候都有显著的影响。通过回顾前人的相关研究,归纳了NTAM的几种形成机制,概括了NTAM对气候系统的影响,综述了模式对于NTAM年际变率的模拟能力,总结了以往研究进展中存在的薄弱环节。最后以此为契机,对未来NTAM的研究方向进行了展望。     

深海温度变化对太阳活动的响应

通过太平洋、大西洋深海温度场谱分析发现,地球海洋温度变化广泛盛行着22年尺度的年代际周期性变化,这种22年变化周期在深层海洋中更为清楚。分析认为,这是地球海洋温度场对太阳磁场周期性变化的响应。世界海洋不同海域深海温度对于太阳磁场磁性22年周期响应的相位存在显著不同,南北大西洋海温变化相位相差115度,即变化趋势接近相反;南北太平洋海温变化相位相差19度,南太平洋变化超前。另外,太阳活动所激发的海温变化的振荡幅度在不同海域也有显著差异,北大西洋海温22年周期振幅为0.07℃,而南大西洋则高达018℃,是北大西洋的2.5倍之多!在太平洋中,北太平洋深海温度22年周期振幅最大,南太平洋次之,赤道中太平洋最小     

富钴结壳稀土特征及其启示

<正>海洋中铁锰结壳、铁锰结核以及深海泥广泛分布在海底,这些沉积物具有高的稀土(REY)。尽管海水稀土含量低,随着测试技术的提高,上世纪80年代已经能够较好地分析海水中的多种稀土元素。例如,Elderfield和Greaves(1982)以及De Baar等(1983)分别在北大西洋东部以及西部建立了水柱稀土剖面。随后亦有大量的文献报道,这些海水稀土测站广泛分布在太平洋、大西洋、印度洋及地     

第三极地区气温和积雪的季节—年际气候预测研究

第三极地区气候多样、灾害频发,是影响全球和亚洲气候异常的关键区域,针对此地区开展季节—年际气候预测研究对于提高区域预报技巧以及减少灾害造成的影响具有重要的科学和指导意义.基于国家气候中心气候预测业务模式(BCC CSM1.1m)的历史回报和预测数据,对第三极地区2m气温和积雪的预测结果进行了确定性技巧评估,并分析了海洋因子对于预测技巧的调制作用.研究表明:该模式对于青藏高原及其周边地区气温和积雪的季节—年际气候预测具有一定的预测能力,对夏季气温的预测效果整体上好于冬季气温和积雪深度预测;预测技巧随着模式起报时间的提前而下降,但是存在技巧回升现象.研究也发现,海温异常因子对第三极地区的气候预测技巧具有不同程度的调制作用,厄尔尼诺等海洋信号能够通过直接和间接作用影响第三极地区的气候预测.     

年代际气候预测问题:科学前沿与挑战

未来10~30年气候状态的预测是当前国际气候领域的研究热点,被包括世界气候研究计划耦合模式比较计划(CMIP)在内的国际科学计划列为核心内容。年代际气候预测已经从最早单纯关注未来10~30年的气候变化拓展为关注未来1~10年或者30年的逐年气候状态。国际上开始尝试基于年代际气候预测系统发布未来1年和5年平均的气候展望。针对年代际气候预测的科学前沿和挑战问题,从年代际气候可预报性的理论认知、当前国际上关于年代际气候预测的主要科学进展2个角度进行了总结,据此提出了该领域亟待解决的前沿科学问题,对提升年代际气候预测技巧的途径进行了讨论。     

古里雅浅孔冰芯所记录的夏季风盛行时δ~(18)O与海温以及与500hPa高度场的关系

青藏高原古里雅冰帽浅孔冰芯中 (δ18O) max代表该区夏季风盛行时的温度状况 ,它与全球海温(SST)、北半球 5 0 0hPa高度之间的相关关系被分析 .对冰芯中 (δ18O) max产生重要影响的海洋相关区均位于海洋的洋流区或洋流汇合区 .它们分别在赤道东太平洋、太平洋西风漂流、东印度洋热池、莫桑比克海流、北大西洋海流、加那利海流和大西洋赤道海流 .其中位于低纬度海洋相关区的SST与冰芯中δ18Omax呈负相关关系 ,即当这些海区的SST升高 (或降低 )时 ,古里雅冰帽浅孔冰芯中 (δ18O) max减小 (或增大 ) .位于中纬度海洋相关区的SST与冰芯中 (δ18O) max呈正相关关系 ,即当这些海区的SST升高 (或降低 )时 ,古里雅冰帽浅孔冰芯中 (δ18O) max增大 (或减小 ) ;对 (δ18O) max产生重要影响的 5 0 0hPa高度上的相关区分别位于中低纬度大洋上的副热带高压区和巴尔喀什湖长波槽区 .这些相关区的高度均与冰芯中 (δ18O) max存在显著的负相关关系 ,即当这些相关区的高度值增加 (或降低 )时 ,冰芯中(δ18O) max减小 (或增大 ) .其影响机制表现为不同水汽来源向古里雅地区输送的差异 .欧洲脊和贝加尔湖脊的强度与 (δ18O) max存在显著的正相关关系 ,即当高压脊加强 (或减弱 )时 ,冰芯中 (δ18O) max增大(或减小 ) .它们对     

全球洋中脊系统的构造特征及其运动学意义

本文将全球洋中脊系统作为研究整体,根据洋中脊的全球分布、运动学特征及其初始形成时与泛大陆的构造几何关系,将全球现今的洋中脊系统划分为内、外支洋中脊。外支洋中脊为探索者洋中脊-太平洋洋隆-东南印度洋中脊-西北印度洋中脊,起源于泛大洋及冈瓦纳大陆内部;内支洋中脊为西南印度洋中脊-大西洋中脊-北冰洋加科尔洋中脊,起源于泛大陆内部。两者之间通过俯冲带、转换断层以及弥散性板块边界实现全球板块构造在运动上的平衡,并保持地球的球形几何形态恒定。外支洋中脊在全球板块构造上造成泛大洋缩减,并持续被太平洋取代,直接推动了环太平洋俯冲带的形成;内支洋中脊造成大西洋盆、印度洋盆中生代以来持续扩张。中生代以来,外支洋中脊和内支洋中脊共同作用引起非洲板块、印度澳大利亚板块向北运动,新特提斯洋盆关闭,形成特提斯(阿尔卑斯山-喀尔巴阡山-扎格罗斯山-喜马拉雅山)碰撞造山带,并通过洋中脊扩张平衡了相关的岩石圈缩短。     

古里雅浅孔冰芯所记录的夏季风盛行时δ18O与海温以及与500 hPa高度场的关系

青藏高原古里雅冰帽浅孔冰芯中(δ18O)max代表该区夏季风盛行时的温度状况,它与全球海温(SST)、北半球500 hPa高度之间的相关关系被分析. 对冰芯中(δ18O)max产生重要影响的海洋相关区均位于海洋的洋流区或洋流汇合区. 它们分别在赤道东太平洋、太平洋西风漂流、东印度洋热池、莫桑比克海流、北大西洋海流、加那利海流和大西洋赤道海流. 其中位于低纬度海洋相关区的SST与冰芯中δ18Omax呈负相关关系,即当这些海区的SST升高(或降低)时,古里雅冰帽浅孔冰芯中(δ18O)max减小(或增大). 位于中纬度海洋相关区的SST与冰芯中(δ18O)max呈正相关关系,即当这些海区的SST升高(或降低)时,古里雅冰帽浅孔冰芯中(δ18O)max增大(或减小);对(δ18O)max产生重要影响的500 hPa高度上的相关区分别位于中低纬度大洋上的副热带高压区和巴尔喀什湖长波槽区. 这些相关区的高度均与冰芯中(δ18O)max存在显著的负相关关系,即当这些相关区的高度值增加(或降低)时,冰芯中(δ18O)max减小(或增大). 其影响机制表现为不同水汽来源向古里雅地区输送的差异. 欧洲脊和贝加尔湖脊的强度与(δ18O)max存在显著的正相关关系,即当高压脊加强(或减弱)时,冰芯中(δ18O)max增大(或减小).它们对(δ18O)max的影响表现为长波槽脊的调整,从而间接地影响水汽向古里雅地区的输送.