南半球环状模对中国气候的影响研究进展

南半球环状模是南半球大气环流年际变异的主导模态。按照逻辑脉络梳理了半个多世纪以来南半球环状模对中国气候影响的研究进展。中国科学家很早就注意到南北半球之间存在相互作用,南半球环流能够通过越赤道气流调控东亚夏季风、进一步影响到中国气候。近年来,对南半球环状模遥相关效应的研究愈加深入,已有工作侧重于从太平洋通道和印度洋通道两个角度剖析环状模对中国气候的影响。环状模变异能够引发太平洋大气经圈环流调整、激发经向遥相关波列,从而引起西太平洋暖池和西太平洋副热带高压异常,最终导致中国气候变异,从而构建了太平洋路径;另一方面,环状模异常也能够借助"海洋桥"传播到热带印度洋和南海地区、再通过局地海洋-大气相互作用调控中国气候,从而构建了印度洋路径。两大路径之间存在相互调制。除此之外,南半球环状模对中国区域气候也有显著的影响。在总结前人研究的基础上,提出了今后值得深入探讨的几个问题,以期推动南半球环状模遥相关效应研究不断走向深入。     

青藏高原夏季热力状态和南半球大气环流的可能联系

本文通过对观测和再分析数据采用最大协方差分析以及回归、合成等分析方法,研究了青藏高原夏季地表气温与南半球大气环流之间的遥相关关系。结果表明,前期(4月)南半球极地—中高纬度大气环流呈现负位势高度异常、较低纬度印度洋—西太平洋区域呈现正位势高度异常时,高原中部和东部大部分区域夏季出现暖异常。在上述遥相关中,印度洋—西太平洋海温异常可能起到了重要的中间桥梁作用。在高原夏季温度偏高的年份,前期跨赤道的印度洋—西太平洋海温也持续偏暖,带来的海陆热力对比减小、经向跨赤道气流减弱有利于削弱夏季的季风环流,使得高原夏季降水偏少,有利于形成高原夏季的暖异常。在这一高原气温—南半球大气环流的遥相关关系中,4月南半球的大气位势高度场异常和与印度洋—西太平洋海温异常相关的异常高度场分布也十分相似。这一前期的跨赤道区域海温异常与南半球中高纬度位势高度场异常的因果关系仍有待进一步揭示。     

印度洋海盆模影响西北东部5月降水的数值模拟研究

利用海洋大气完全耦合模式FOAM模拟研究了热带印度洋海盆模影响我国西北地区东部5月降水的异常及其物理机制。结果表明:当热带印度洋为暖海盆异常模态时,FOAM模式模拟的西北地区东部5月降水异常偏多,这与观测分析结果相一致。模拟发现春季热带印度洋暖海盆模态可在大气中引起类似"Matsuno-Gill Pattern"的异常响应,在对流层高层青藏高原西南侧形成异常高压,并在北半球中纬度沿高空急流轴形成异常遥相关波列,西北地区东部处于异常遥相关波列在东亚地区正异常中心的西部,正好为"西低东高"这一典型降水偏多的大气环流形势控制,对应对流层高层风场为明显的异常反气旋环流,气流辐散,低层有小范围的弱辐合,形成气流上升运动和水汽异常大值中心,引起降水偏多,模拟的海盆模引起的大气环流异常场与观测分析结果基本一致。FOAM模式对热带印度洋海盆模影响西北地区东部5月降水异常及其物理过程进行了较好的模拟验证。     

长江中下游旱涝的环流型与赤道东太平洋海温遥相关波列特征

根据长江中下游地区夏季旱涝年前期冬、春季北太平洋海温分布特征进行分析研究 ,提出了影响区域性旱涝的海温“强信号”概念 ;探讨了北半球大气环流结构对赤道东太平洋海温异常响应问题 ,并研究了东太平洋海温与北半球夏、春季高度偏差场季尺度相关偏差场波列结构相关特征。研究结果表明 ,赤道东太平洋海温异常可能通过低纬walker环流引起赤道西太平洋区域性大气异常运动 ,从而产生遥响应环流型 ,形成类似PNA遥相关“大圆波列”。此类遥响应特征在西太平洋区域表现出与副热带高压、西风槽、阻塞高压等相关的系统的准定常经向波列。研究结果还表明此类经向波列结构描述了中高纬地区系统对低纬异常海温遥响应的动力学特征。应用 1997～ 1998年冬季实际海温资料 ,并在赤道中东太平洋地区引入实际海温异常的敏感性试验 ,较成功地模拟了 1998年夏季长江流域洪涝的降水分布特征。文中从统计、动力分析和数值模拟综合分析方法揭示出由前期东太平洋海温异常引起的大气环流变异 ,构成中国长江流域旱涝的物理图像及其动力学模型。     

热带太平洋-印度洋海温联合模及其气候影响

本文基于观测资料和LICOM2.0模拟结果的分析研究,简要介绍讨论了太平洋—印度洋海温(异常)联合模(PIOAM)的存在、特征、演变及其影响等问题。热带太平洋—印度洋区域乃至全球范围的海表温度异常(SSTA)资料进行EOF分解,都清楚表明其第一分量在热带太平洋—印度洋的空间形态与太平洋—印度洋海温(异常)联合模(PIOAM)非常相似,说明PIOAM是热带太平洋—印度洋实实在在存在的一种海温异常模态。对应PIOAM的正、负位相,热带印度洋和西太平洋地区的夏季(JJA)850 hPa距平风场有近乎相反的异常流场形势;对流层低层的Walker环流支和亚洲夏季风都出现了不同特征的(近乎相反)异常;在PIOAM正(负)位相将使得100 hPa的南亚高压位置偏东(西)。对热带太平洋和印度洋温跃层曲面上的海温异常(为了方便将其称为SOTA)进行EOF分解,发现其第一模态也是一个三极子模态,即当赤道中西印度洋大部分海域与赤道中东太平洋大部分海域偏暖(偏冷)时,赤道东印度洋和赤道西太平洋大部分海域则偏冷(偏暖);它与太平洋—印度洋表层的PIOAM十分类似,也表明PIOAM在海洋次表层也是存在的。高分辨海洋环流模式LICOM2.0的模拟结果,无论是对太平洋—印度洋表层还是次表层的PIOAM的特征和演变都刻画得很好,这从另一个角度进一步说明PIOAM是热带太平洋—印度洋实际存在的一种海温变化模态。PIOAM正、负位相不仅对亚洲及西太平洋地区的天气气候有非常不一样的影响(不少地方有反向的特征),还会对南北美洲和非洲一些地区产生不同影响;而且其影响与单独的厄尔尼诺(El Ni?o)及印度洋偶极子(IOD)都不尽相同。     

热带太平洋-印度洋海温异常综合模对南亚高压的影响

从综合考虑热带太平洋和印度洋海温异常特征出发,研究了热带太平洋-印度洋海温异常综合模对南亚高压的影响.当热带太平洋-印度洋海温异常综合模为正位相(西印度洋和东太平洋海温距平为正,东印度洋-西太平洋海温距平为负),南亚高压偏弱,位置偏东偏南;当热带太平洋-印度洋海温异常综合模为负位相(西印度洋和东太平洋海温距平为负,东印度洋-西太平洋海温距平为正),南亚高压偏强,位置偏西偏北.热带太平洋-印度洋海温异常综合模影响南亚高压主要通过三种机制:一是通过影响亚洲季风从而影响了降水潜热形成的大气加热场分布,在正(负)位相年,青藏高原大气热源为负(正)异常,因此青藏高原上空空气上升减弱(加强),南亚高压偏弱(偏强);南海季风和热带辐合带加强(减弱),菲律宾附近的大气热源加强(减弱),有利于上空青藏高原东南侧反气旋(气旋)式的距平环流,因此南亚高压偏东偏南(偏西偏北).二是热带太平洋-印度洋海温的纬向热力对比引起赤道纬向垂直(Walker)环流异常,必将引起高空纬向风异常,在正(负)位相年,南亚高压南部的印度洋高空会出现西(东)风异常,导致南亚高压偏弱(偏强).三是综合模的正(负)异常加强(减小)西印度洋经度范围的区域Hadley环流,其北侧伊朗高原上的异常下沉(上升)支,造成南亚高压偏弱(偏强),位置偏东偏南(偏西偏北).     

印尼贯穿流对热带太平洋-印度洋海温异常综合模影响的初步模拟研究

印尼海域是联系热带太平洋和印度洋的纽带,为了讨论印度尼西亚贯穿流对热带太平洋-印度洋海温异常综合模的影响,利用一个准全球海洋环流模式,设计了打开、关闭印度尼西亚通道的数值试验对该问题进行初步探讨。试验结果表明,印尼贯穿流对热带太平洋、印度洋海温和海流的模拟有重要影响。在海洋表层,印尼贯穿流对热带太平洋-印度洋海温异常综合模所起作用不大,这时海洋的外强迫(大气风场、太阳辐射等)起主要作用;而在次表层,印尼贯穿流对热带太平洋-印度洋海温异常综合模起着重要的作用。     

印度洋偶极子对热带大气季节内振荡传播的可能影响

利用多种大气和海温资料,通过相关、合成分析以及个例对比分析,重点研究了热带印度洋偶极型海温模态对热带大气季节内振荡传播的可能影响。结果表明:东南印度洋30～60天OLR距平及赤道印度洋中部30～60天850 hPa纬向风距平都与偶极子指数显著相关;印度洋正（负）偶极型海温模态对应的东印度洋异常冷（暖）水以及赤道印度洋中部850 hPa东（西）风距平阻碍（促进）了季节内对流活动的持续性东传,使得MJO的传播在赤道东印度洋-西太平洋发生明显的中断（持续）。      

南极海冰涛动对北半球夏季大气环流的影响

南极海冰首要模态呈现偶极子型异常,正负异常中心分别位于别林斯高晋海/阿蒙森海和威德尔海。过去研究表明冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）型大气环流有显著影响,而AAO可以通过经向遥相关等机制影响北半球大气环流和东亚气候。本文中我们利用观测分析发现南极海冰涛动从5～7月（May–July,MJJ）到8～10月（August–October, ASO）有很好的持续性,并进一步分析其对北半球夏季大气环流的可能影响及其物理过程。结果表明,MJJ南极海冰涛动首先通过冰气相互作用在南半球激发持续性的AAO型大气环流异常,使得南半球中纬度和极地及热带之间的气压梯度加大,在MJJ至JAS,纬向平均纬向风呈现显著的正负相间的从南极到北极的经向遥相关型分布。对流层中层位势高度场上,在澳大利亚北部到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,在东亚沿岸从低纬到高纬呈现南北走向的“? + ?”太平洋—日本（Pacific–Japan,PJ）遥相关波列,其对应赤道中部太平洋及赤道印度洋存在显著的降水和海温负异常,西北太平洋至我国东部沿海地区存在显著降水正异常和温度负异常;低纬度北美洲到大西洋一带存在的负位势高度异常和北大西洋附近存在的正位势高度异常中心,构成一个类似于西大西洋型遥相关（Western Atlantic,WA）的结构,对应赤道南大西洋降水增加和南撒哈拉地区降水减少。从物理过程来看,南极海冰涛动首先通过局地效应影响Ferrel环流,进而通过经圈环流调整使得海洋性大陆区域和热带大西洋上方的Hadley环流上升支得到增强,海洋性大陆区域特别是菲律宾附近的热带对流活动偏强,激发类似于负位相的PJ波列,影响东亚北太平洋地区的大气环流,而热带大西洋对流增强和北传特征,则通过激发WA遥相关影响大西洋和欧洲地区的大气环流。以上两种通道将持续性MJJ至ASO南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球中高纬度经热带地区传递到北半球中高纬地区,从而对热带和北半球夏季大气环流产生显著影响。     

长江中下游夏季雨带分型及其年代际变化Ⅱ：数值模拟

在对长江中下游夏季降水进行分型的基础上,分析了长江流域南北两支雨带与春季太平洋海温的相关关系,并采用NCAR/CAM 3.0大气环流模式对前期海温进行了敏感性试验,结果表明：赤道东太平洋区域（150～90°W,5°S～5°N）的海温异常对两支雨带夏季降水有重要影响,海温正异常时南支雨带旱、北支雨带不明显,海温负异常时南支雨带涝、北支雨带旱;前期赤道东太平洋海温强迫可以在北半球对流层激发出遥相关波列,并影响长江流域南北两支雨带的旱涝分布,前期赤道东太平洋海温对南支雨带的影响比北支雨带大。     

The Tropical Pacific–Indian Ocean Associated Mode Simulated by LICOM2.0

Oceanic general circulation models have become an important tool for the study of marine status and change. This paper reports a numerical simulation carried out using LICOM2.0 and the forcing field from CORE. When compared with SODA reanalysis data and ERSST.v3 b data, the patterns and variability of the tropical Pacific–Indian Ocean associated mode(PIOAM) are reproduced very well in this experiment. This indicates that, when the tropical central–western Indian Ocean and central–eastern Pacific are abnormally warmer/colder, the tropical eastern Indian Ocean and western Pacific are correspondingly colder/warmer. This further confirms that the tropical PIOAM is an important mode that is not only significant in the SST anomaly field, but also more obviously in the subsurface ocean temperature anomaly field. The surface associated mode index(SAMI) and the thermocline(i.e., subsurface) associated mode index(TAMI) calculated using the model output data are both consistent with the values of these indices derived from observation and reanalysis data. However, the model SAMI and TAMI are more closely and synchronously related to each other.     

How is the Indian Ocean Subtropical Dipole excited?

Based on experiments using a coupled general circulation model which resolves tropical ocean–atmosphere coupled phenomena such as El Niño/Southern Oscillation (ENSO) and the Indian Ocean Dipole, forcing mechanisms of the Indian Ocean subtropical dipole (IOSD) are investigated. In the control experiment, as in the observation, several types of the IOSD are generated by the variations in the Mascarene High during austral summer and characterized by a dipole pattern of sea surface temperature (SST) anomalies in the northeastern and southwestern parts of the southern Indian Ocean. In another experiment, where the SST outside the southern Indian Ocean is nudged toward the monthly climatology of the simulated SST, one type of the IOSD occurs, but it is less frequent and associated with the zonal wavenumber four pattern of equivalently barotropic geopotential height anomalies in high latitudes, suggesting an interesting link with the Antarctic Circumpolar Wave. This indicates that, even without the atmospheric teleconnection from tropical coupled climate modes, the IOSD may develop in association with the atmospheric variability in high latitudes of the Southern Hemisphere. In the other experiment, where only the southern Indian Ocean and the tropical Pacific are freely interactive with the atmosphere, two types of both positive and negative IOSD occur. Since the occurrence frequency of the IOSD significantly increases as compared to the second experiment, this result confirms that the atmospheric teleconnection from ocean-atmosphere coupled modes in the tropical Pacific such as ENSO may also induce the variations in the Mascarene High that generate the IOSD. The present research, even within the realm of model studies, shows clearly that the predictability of the IOSD in mid-latitudes is related to both low and high-latitudes climate variations.     

热带印度洋与全球大气相互作用的信息传输特征分析

基于气象场信息源汇概念和定义方法, 使用海表温度(SST)和位势高度场(GH)资料计算热带印度洋和全球大气相互作用过程中的信息传递, 给出了热带印度洋(20°S～20°N, 50°E～100°E)与热带地区、北半球和南半球大气之间的信息传递的区域分布特征, 并分析热带印度洋与大气相互作用中信息传递特征的季节差异和年代际变化。研究结果表明, 热带印度洋信息源主要分布在(10°S～10°N, 60°E～90°E)的区域内, 北半球和南半球大气信息汇均呈现显著的带状分布, 且主要分布在中纬度地区, 而热带地区的大气信息汇则主要分布于热带中东太平洋上空。热带印度洋对处在冬半年的半球的影响更强, 不同季节下热带印度洋与大气相互作用中的信息源汇证实了这一可能性。同时, 热带印度洋与大气之间的信息传递特征在20世纪70年代末期的年代际气候转型前后南北半球的变化不太一致:北半球大气对热带印度洋的响应存在不同程度的减弱, 南半球则存在不同程度的增强。     

A review of the temporal and spatial variability of Arctic and Antarctic atmospheric circulation based upon ERA-40

A survey of the spatial and temporal behavior of the atmospheric general circulation as it relates to both polar regions is presented. The review is based on the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) 40-year reanalysis (ERA-40), updated using ECMWF operational analyses. The analysis spans 1960–2005 in the Northern Hemisphere, but is restricted to 1979–2005 in the Southern Hemisphere because of difficulties experienced by ERA-40 prior to the modern satellite era.The seasonal cycle of atmospheric circulation is illustrated by focusing on winter and summer. The huge circulation contrasts between the land-dominated Northern Hemisphere and the ocean-dominated Southern Hemisphere stand out. The intensification of the North Atlantic Oscillation/Northern Annular Mode and the Southern Annular Mode in DJF is highlighted and likely due to warming of the tropical Indian Ocean. The Arctic frontal zone during northern summer and the semi-annual oscillation throughout the year in the Southern Hemisphere are prominent features of the high latitude circulation in the respective hemispheres.Rotated principal component analysis (RPCA) is used to describe the primary modes of temporal variability affecting both polar regions, especially the links with the tropical forcing. The North Atlantic Oscillation is a key modulator of the atmospheric circulation in the North Atlantic sector, especially in winter, and is the dominant control on the moisture transport into the Arctic Basin. The Pacific-South American teleconnection patterns are primary factors in the high southern latitude circulation variability throughout the year, especially in the Pacific sector of Antarctica where the majority of moisture transport into the continent occurs.     

热带印度洋偶极子模态的不对称性及其成因的数值研究

热带印度洋偶极子 (Indian Ocean Dipole) 是印度洋海域内海洋和大气环流年际变化的主要特征模态之一, 在热带海气耦合系统中起到非常重要的作用。同热带太平洋的ENSO现象类似, 热带印度洋偶极子也呈现出显著的不对称性。本文利用中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋环流模式, 在观测风应力距平的强迫下, 评估了模式对热带印度洋季节变化、 热带印度洋偶极子 (IOD) 模态及其不对称性的模拟能力, 并且通过数值试验分析了IOD模态不对称性特征及其对气候平均态的影响。对照观测资料, 模式较好地再现了热带印度洋SST在季风驱动下的季节变化特征。在年际时间尺度上, 模式不仅能够再现IOD指数的变化趋势, 而且可以成功模拟出IOD模态的空间分布特征, 即表层和次表层海温在西印度洋表现为正异常, 在东印度洋表现为负异常。可见, 对于热带印度洋而言, IOD模态主要是对风应力异常的响应。热带印度洋海温与Niño3.4指数的相关性分析表明, 模式能够模拟出超前热带太平洋ENSO现象2～4个月时海温的偶极子型分布, 但是不能模拟出滞后ENSO现象2个月左右的全海盆增暖模态, 可能是因为模式试验中没有考虑热通量年际异常的强迫。同时, 模式模拟的IOD模态具有同观测结果相类似的不对称性, 进一步的敏感性试验表明风应力的不对称性对偶极子指数的不对称性贡献较小, 次表层及以下海温的不对称性可能主要受到海洋内部非线性动力过程的影响。通过数值试验, 本文还发现热带印度洋海温的不对称性对气候平均态会有影响, 而这种不对称性长期积累后, 会导致上层热带印度洋温度层结趋于稳定状态。     

热带太平洋SST异常对IAP-9 LAGCM 年际变率影响的模拟

通过1960~1989年实测的热带太平洋(30.5°N~30.5°S,120°E~70°W)SST(热带太平洋区域以外用气候平均值)强迫AGCM得到的结果,以此来研究热带SST的变化对全球大气环流年际变化的影响。首先,我们分析了南方涛动,分别给出了Tahiti和Darwin海平面气压异常及赤道附近(-5°S~5°N)外逸长波辐射(OLR)时间演变,都能很好与观测相比较。然后,讨论了全球大气环流对热带SST的变化的响应,全球主要的遥相关型都能很好地再现。最后,通过奇异值分解(SVD)技术研究了热带SST与冬季北半球500 hPa位势高度主要的耦合型,模拟的相关型与NCEP再分析资料的相关型非常相似。