近期观测揭示的热带印度洋环流多尺度变率

热带印度洋环流是由赤道环流体系、近赤道海域及边缘海环流和涡旋构成的有机整体,其动力调整过程受到印度季风和印度洋偶极子(IOD)驱动,具有复杂的多尺度变异特征.本文总结了近年来中国科学院南海海洋研究所在热带印度洋开展的大面积水文观测和数值模拟研究成果,其初步揭示了热带印度洋环流的多尺度演变特征及其控制机理.研究表明:(1)赤道风场直接驱动的开尔文波和罗斯贝波及赤道印度洋东边界反射的罗斯贝波调控着赤道潜流(EUC)和赤道中层流(EIC)的形成和演变;(2)赤道风生动力过程是东印度洋上升流温跃层年际变异的主要控制因素;(3)赤道波动将大量能量以沿岸开尔文波和辐射自由罗斯贝波的形式输送至孟加拉湾,调制该海域环流和涡旋的变异特征.本文亦探讨了动量平衡和海盆共振对赤道环流体系变异的可能影响,以及赤道风场通过风生动力过程调控东印度洋上升流演变时间等尚未解决的问题.文中介绍了中国科学院南海海洋研究所通过国际合作推动印度洋联合调查计划,为更好服务于热带印度洋环流多尺度变率研究,保障海上丝路沿线国家海洋环境安全提供充足的数据和科研储备.     

热带西太平洋纬向风异常对 ENSO 循环的动力作用

根据观测资料,分析了1982/1983,1986/1987,1991/1992和1997/1998年ElNino事件发展和衰减以及LaNino事件发生过程中赤道西太平洋对流层下层环流和纬向风异常及其作用.结果表明,在ElNino事件发展阶段前,在热带西太平洋上空对流层下层产生气旋性环流异常,从而使印度尼西亚和赤道西太平洋上空产生西风异常;而当ElNino事件发展到成熟阶段,在热带西太平洋上空对流层下层产生反气旋性环流异常,从而使印度尼西亚和赤道西太平洋上空产生东风异常.还利用一个简单的热带海洋动力学模式,计算了20世纪最强的1997/1998ENSO循环过程中赤道海洋波动对实际海表风应力距平的响应.结果表明,热带西太平洋海表附近的纬向风异常,通过激发Kelvin波与Rossby波对ElNino事件的发展与衰减和LaNino事件的发生起到重要的动力作用.     

厄尔尼诺/南方涛动与赤道远西太平洋准两年周期振荡之间相互作用的概念模式

建立了一个反映厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)与热带远西太平洋准两年振荡(QBOWP)相互作用最基本物理过程的新概念模式. 在此概念模式中, QBOWP对ENSO的影响通过两种途径: (1) 沿赤道太平洋海洋Kelvin波和 (2) 大气的Walker环流; 而ENSO对QBOWP的影响则可通过大气的Walker环流异常来实现. 对该模式结果的分析诊断表明: 在ENSO与QBOWP相互作用过程中, 大气桥(Walker环流)的作用比海洋桥(沿赤道太平洋的Kelvin波)更重要; 通过QBOWP与ENSO的相互作用, 一个3~5年周期的ENSO振荡可以变为准两年振荡, 而赤道远西太平洋年际变化的主要周期也会变长; 热带太平洋大气-海洋耦合系统的多时间尺度的年际变化可以通过ENSO与QBOWP的相互作用来实现.     

热带太平洋沃克环流变化的数值模拟

针对LASGBAP发展的耦合系统模式FGOALS-g2和FGOALS—s2,评估了其对热带太平洋沃克环流气候态的模拟能力,在此基础上,分析了沃克环流的变化特征,讨论了沃克环流变化的机理。对20世纪历史模拟结果的分析表明,两个模式均能够合理再现热带太平洋沃克环流气候态分布特征。观测中,过去百年（1900—2004年）和过去55年（1950～2004年）,沃克环流减弱,而近23年（1982～2004年）,沃克环流增强。在三个时间段内,FGOALS-g2模拟的沃克环流均减弱。FGOALS-s2中,过去百年赤道太平洋大气环流减弱,整个热带太平洋大气环流变化不明显;而在过去55年和近23年,模拟的沃克环流均增强。沃克环流变化模拟偏差与模式模拟的内部变率与观测不一致有关。降水与边界层向对流层输送的水汽相平衡的水循环约束关系可以很好地解释沃克环流的变化。FGOALS—g2中,在过去百年、55年和23年间,热带西太平洋降水相对变率（△P／P）增幅小于水汽相对变率（△q/q）增幅、东太平洋冷舌区△P/P增幅大于△q／q增幅,造成沃克环流减弱。FGOALS—s2中,在过去55年及23年间,热带西太平洋对流质量交换增强,东太平洋对流质量交换减弱,使得沃克环流增强。热带太平洋SST变化趋势分布型主导着沃克环流的变化。在过去55年和23年间,FGOALS—g2（FGOALS—s2）中,热带太平洋海表面温度（SST）变化表现为类El Nino（La Nina）型分布,对应沃克环流减弱（增强）。因此,气候系统模式合理模拟沃克环流变化的前提是对热带太平洋SST变化空间型的成功模拟。这一结论得到AMIP试验结果的支持。     

海洋表面盐度与海洋环流和气候变化的关系

依据Argo的海洋盐度观测及降水、蒸发、海面高度等数据分析了全球海洋表层盐度的平均态和低频变化特征及其与海洋环流和气候变化的关系,并结合前人成果对海洋盐度的研究进行了回顾和展望.蒸发减降水在最低阶上决定了海洋表层盐度的分布,海洋环流动力过程在大部分海域调整了海洋表层盐度的空间结构,并影响了海洋表层盐度的低频变率.全球变暖的情况下,海洋表层盐度表现为盐度高的地方会变得更高、盐度低的地方会变得更低,表征为整个水循环系统的加强.在最近20年全球变暖停滞期,海表盐度变化与全球变暖的趋势不同,更多地体现了对气候系统的年代际及多年代际振荡的响应,此阶段对应着Walker环流加强;西太平洋和东南印度洋海表盐度的反向变化揭示了跨海盆尺度海洋动力过程的重要性,海洋Rossby波和印尼贯穿流的共同作用使得东南印度洋海表盐度显著降低;在东南太平洋和北大西洋更多地体现了全球变暖下的海表盐度单调升高或降低的响应.期待未来的盐度卫星能够提供更高时空分辨率的盐度数据,这将和Argo观测一起,拓展我们在中尺度动力学、区域海洋学以及气候变化等方面的认知.     

赤道MJO活动对南海夏季风爆发的影响

利用1979—2013年NCEP/DOE再分析资料的大气多要素日平均资料、美国NOAA日平均向外长波辐射资料和ERSST月平均海温资料,分析赤道大气季节内振荡(简称MJO)活动对南海夏季风爆发的影响及其与热带海温信号等的协同作用.结果表明,赤道MJO活动与南海夏季风爆发密切联系,MJO的湿位相(即对流活跃位相)处于西太平洋位相时,有利于南海夏季风爆发,而MJO湿位相处于印度洋位相时,则不利于南海夏季风爆发.赤道MJO活动影响南海夏季风爆发的物理过程主要是大气对热源响应的结果,当MJO湿位相处于西太平洋位相时,一方面热带西太平洋对流加强使潜热释放增加,导致处于热源西北侧的南海—西北太平洋地区对流层低层由于Rossby响应产生气旋性环流异常,气旋性环流异常则有利于西太平洋副热带高压的东退,另一方面菲律宾附近热源促进对流层高层南亚高压在中南半岛和南海北部的建立,使南海地区高层为偏东风,从而有利于南海夏季风建立;当湿位相MJO处于印度洋位相时,热带西太平洋对流减弱转为大气冷源,情况基本相反,不利于南海夏季风建立.MJO活动、孟加拉湾气旋性环流与年际尺度海温变化协同作用,共同对南海夏季风爆发迟早产生影响,近35年南海夏季风爆发时间与海温信号不一致的年份,基本上是由于季节转换期间的MJO活动特征及孟加拉湾气旋性环流是否形成而造成,因此三者综合考虑对于提高季风爆发时间预测水平具有重要意义.     

热带太平洋-印度洋温跃层海温异常联合模及其演变

利用SODA次表层海温再分析资料和卫星遥感海面高度异常数据,分析了热带太平洋和印度洋温跃层海温之间的联系,提出了太平洋-印度洋温跃层海温异常联合模(PITM)的概念、并定义了该联合模指数.结果表明,联合模指数具有准两年和3~5年的年际变化周期以及2011-2012年的年际变化周期,并具有季节锁相和振幅不对称等特征.联合模的演变过程与温跃层海温异常(TOTA)的发展和传播过程紧密相联:在太平洋,TOTA一般从西太平洋出发沿赤道(5°S-5°N)向东传播,到达东太平洋之后折向北,再沿10°N-14°N纬度带向西传播到达太平洋西岸并向赤道西太平洋扩展,形成一条回路;南太平洋也有类似回路但信号较弱;在印度洋,则主要沿8°S-12°S纬度带向西传播,到达西岸后折向北,然后迅速沿赤道(1.25°S-1.25°N)向东扩展,也形成一条回路.对NCEP/NCAR再分析风场资料的合成分析则表明,联合模的演变过程与大气环流尤其是纬向垂直环流(Walker环流)的变化密切相关,联合模的正位相对应着赤道印度洋区域顺时针的Walker环流以及赤道太平洋区域逆时针的Walker环流;而联合模的负相位则有相反的情况.此外,联合模演变过程中,TOTA的传播发展与850 hPa异常纬向风的传播发展有很好的相关.     

初夏西北太平洋副高东西变动对中国南部降水东西差异的影响

西北太平洋副热带高压(以下简称副高)是影响中国气候的大尺度环流系统,为了进一步了解副高对中国气候的影响,本文利用站点观测资料和大气环流再分析资料,通过资料诊断分析和数值模拟方法,探讨了6月副高东西变动对中国南部降水的影响,以及影响副高东西变动的前期海洋因子.结果表明副高东西变动对中国西南和华南地区降水的影响明显不同:副高偏东有利于降水西南偏多而华南偏少,偏西则降水变化刚好相反.其原因与副高东西变化引起的环流差异有关,华南降水与副高东(西)变动时西太平洋地区副高西北侧的东北(西南)风异常以及东亚中低纬度地区异常经向波列的变化直接有关,而西南降水异常不仅与副高东西变动在东南亚地区引起的纬向风异常有关,与青藏高原大地形动力作用对副高北侧异常纬向风的变化也有十分密切的联系.此外,副高东西变动时影响西南和华南地区的水汽来源不同,影响西南的水汽主要来源于赤道印度洋80°E附近越赤道气流,而影响华南的水汽主要来源于副高南侧偏东气流从西北太平洋地区输送的水汽.进一步分析发现前期冬春季热带西北太平洋和赤道西太平洋海温变化的偶极差异与后期初夏副高东西变动有密切联系,冬春季西北太平洋暖海温和赤道西太平洋冷海温变化有利于后期初夏副高偏西,相反则有利于副高偏东,数值模拟结果在一定程度证实了资料诊断分析结果.     

基于卫星遥感资料的海洋表层流场反演与估算

为解决实际海流资料探测困难,难以大范围有效获取的问题,利用2000～2008年卫星高度计资料和QuikSCAT卫星遥感风场资料,开展了全球海表地转流和Ekman流的反演估算;针对不同纬度地区(赤道和赤道以外地区)地转效应和海洋运动差异,引入不同的运动学模型和反演估算方案,反演得到0.5°×0.5°的逐周全球表层流产品.对比分析表明,卫星资料反演估算的海洋表层流场能较为客观、准确地表现实际海表流场的基本特征,进而为海洋热量和海洋物质输送等研究提供了可用的海流数据信息.     

孟加拉湾西南季风与南海热带季风的气候特征比较

本文运用NCAR/NCEP再分析数据和APHRO_MA_V1003R1降水数据,对比分析了孟加拉湾西南季风和南海热带季风的气候特征异同以及对降水分布的影响,得到如下结论:(1)孟加拉湾西南季风比南海热带季风爆发更早、强度更强、持续时间更久、向北推进更北.(2)孟加拉湾西南季风建立过程缓慢,主要是索马里越赤道西南气流的逐渐加强和热带印度洋ITCZ(赤道辐合带)的逐渐北移;而南海热带季风建立过程迅速,主要是东亚大槽的一次替换过程伴随西太平洋副热带高压的突然东撤和热带西太平洋ITCZ的突然北跳.(3)孟加拉湾西南风纬向分量较强,季风建立前后主要变化在于偏西风的强度;而南海西南风经向分量较强,季风建立后风向突然逆转,东南风由于副高东撤而迅速被西南风取代.(4)孟加拉湾西南季风撤退较快,而南海季风则撤退较慢.(5)根据季风进程将夏季风期划分为季风发展期(5月)、强盛期(6-8月)和减退期(9-10月).其间对流活跃区的发展和推进、季风槽的位置以及对应降水区域均有明显差异.(6)在夏季风期,孟加拉湾和南海经度上分别存在着由ITCZ北抬引起的、在季风槽对流活跃区上升而在南北两侧下沉的、南北对称分布的季风经向次级环流.由于孟加拉湾和青藏高原强大热源的存在,孟加拉湾上升区南北跨度比南海的更大;孟加拉湾经圈环流更加稳定,而南海经圈环流的南北摆动更明显;孟加拉湾上升中心区比南海的偏北;在季风减退期,由于南海ITCZ撤退较慢,其上升区比孟加拉湾上升区偏北.     

风生大洋环流的一种改进正压模式

通过考查北太平洋实测环流图像 ,修正Sverdrup平衡关系 ,保留经向水平摩擦 ,适当选取南北水边界上的约束条件 ,利用摄动方法求解作为四阶偏微分方程的位涡度方程 ,得到了与观测结果基本一致的北太平洋环流图像 ,再现了北赤道流、黑潮、亲潮、黑潮延伸体直至作为东边界流的加利福尼亚寒流和阿拉斯加暖流的环流系统     

热带太平洋外海气耦合作用对东亚夏季风年代际变化的可能影响

利用1950—2000年逐月观测的热带太平洋海表温度分别驱动NCAR CCM3全球大气环流模式以及该模式耦合SOM(Slab Ocean Model)混合层海洋模式进行长时间积分试验,将两组试验结果相减来研究热带太平洋外海气耦合作用对20世纪70年代中后期东亚夏季风年代际变化的可能影响.模拟结果表明:热带太平洋外的海气耦合作用使得孟加拉湾、南海附近存在反气旋环流异常,导致我国东部存在偏南风异常,从而引起东亚夏季风年代际增强.其中热带印度洋的年代际增暖对东亚夏季风年代际增强有一定影响.     

北太平洋海温与广西前汛期降水的联系

利用1979—2019年全国160站逐月降水资料、Hadley中心海温资料、NOAA以及NCEP/NCAR再分析资料,结合相关分析、信息流以及合成分析方法,分析了北太平洋海温异常与广西前汛期降水的同期联系,并初步探讨了前者对后者的影响及可能机制,结果表明：北太平洋关键区海温是广西前汛期降水的显著影响源,海温正位相(负位相)的异常分布在一定程度上导致了广西前汛期降水增多(减少).北太平洋关键区海温变化可以独立于赤道中东太平洋影响前汛期降水,而赤道中东太平洋海温变化可以起到调制作用,增强两者联系.北太平洋为正位相海温异常时,大气为“+-+”的经向三极型位势高度异常响应.与此同时,海温异常激发了向下游中高纬传播的Rossby波列,引起东亚沿岸位势高度正异常和反气旋环流异常.在上述机制下,贝加尔湖高压脊和东亚大槽均显著增强,使得中高纬冷空气更易南下.赤道中东太平洋海温的调制作用体现在对中低纬环流的影响.关键区海温正位相对应于赤道中东太平洋海温偏暖,后者引起局地异常上升运动,减弱Walker环流进而导致赤道西太平洋出现下沉异常,抑制了对流活动,在西北太平洋强迫出异常反气旋,使得副高加强西伸.副高...     

欧亚地区夏季大气环流年际变化的关键区及亚洲夏季风的关联信号

本文利用资料分析和数值模拟方法研究了欧亚地区夏季大气环流的相关性及其与亚洲夏季风的关联信号,以期为欧亚地区的气候变异及可预测性研究提供科学依据.结果表明:欧亚区域同期(JJA)500 hPa高度场年际变化的关键区包括热带区、中纬度的贝加尔湖和巴尔喀什湖之间以及欧洲地中海附近地区;表面气温的关键区主要位于热带海洋;海平面气压的关键区包括热带的海洋性大陆区域、印度洋和非洲大陆赤道附近部分区域、中高纬的贝加尔湖与巴尔喀什湖之间的地区.另外,夏季大气环流年际变化的春季关键区明显西移/南退,特别是表面气温(其西太平洋区不再是关键区).公用气候系统模式CCSM4.0的大气模式在给定海温年际变化的情况下对于上述大气环流相关场及其关键区的模拟基本合理,其中500 hPa高度场的模拟结果较好,海平面气压场的结果逊之;对于同期和前期的结果,模式都有夸大西太平洋海温影响的倾向.对于东亚夏季风指数与大气环流的同期年际变化信号而言,其空间分布基本表现为以30°N为界呈西南东北向的波列状分布;其春季前期信号中,30°N以南的显著区几乎都位于海洋,30°N以北主要位于欧洲、巴尔喀什湖与贝加尔湖之间的地区.南亚夏季风指数的前期显著相关区比同期明显西移/南退.总之,模式的模拟结果和观测结果相当吻合,但其同期模拟结果比前期的更好一些.这些结果说明:模式对于大气环流年际变化的耦合变化信息的刻画是基本合理的,这为利用气候模式进行有关可预测性研究和降尺度预测研究奠定了基础.     

热带西太平洋和南印度洋近20年来的海面高度变化及其动力联系

利用卫星遥感和现场观测资料,结合线性Rossby波诊断解,研究了近20年热带太平洋和印度洋暖池区海面高度的快速升高趋势.结果表明,两大洋热带区域同步的海面上升趋势通过印度尼西亚海的海洋波导通道联系在一起,其动力关联主要发生在温跃层深度,表现为热带太平洋的海面高度低频波动信号通过印度尼西亚海传至印度洋,并影响到南印度洋的东部海区,而南印度洋西部的海面变化主要受印度洋内区局地风场的调制.超前-滞后相关分析的结果表明,东南印度洋海面高度的年际和年代际变化信号分别源自太平洋赤道和近赤道海区,分别受到了太平洋赤道风应力异常和近赤道风应力旋度异常的调控,并且分别与ENSO的年际过程和PDO的年代际过程密切相关.     

北太平洋涛动与台风和飓风频次的关系研究

研究了北太平洋涛动(NPO)和西太平洋台风及热带大西洋飓风频次的联系. 结果表明, 在1949~1998年这50 a间, NPO和西太平洋台风频次的相关系数是0.37, 而和热带大西洋飓风频次的相关系数是-0.28, 都达到了95%的置信度水平. 进一步的研究揭示: 6~9月NPO的变化和西太平洋及热带大西洋区的纬向风垂直切变幅度、海平面气压以及海表面温度、区域大气辐散辐合等存在显著的关联, 而这些气候环境的变化都和台风及飓风生成与发展的热力或动力过程密切相关. 这就是NPO与台风及飓风频次相联系的原因. 还进一步研究了与NPO有关的大气遥相关以及两个区域大气环流的变化, 以便进一步理解NPO和台风及飓风活动频次的联系. 最后分析了一个海气耦合模式的积分结果, 初步印证了由观测资料所得到的结论.     

孟加拉湾夏季风爆发的判断指标及其年际特征

利用高低层大气环流、OLR（向外长波辐射）、CMAP降水、SST（海表温度）等资料分析了孟加拉湾地区3—5月多年气候平均大气环流及不同要素的演变特征,定义了一个新的孟加拉湾夏季风（BOBSM,下同）爆发指标为孟加拉湾地区（5°N—15°N,90°E—97.5°E）850 hPa和200 hPa纬向风区域平均的变化同时满足U850 > 3 m·s^-1和U200 < -5 m·s^-1,并持续5天的第一天即作为BOBSM爆发日期.该季风指数有明确的天气学意义,可以反映孟加拉湾低层西南风持续稳定和南亚高压在青藏高原建立早晚的特征.文章进一步分析了BOBSM爆发的年际特征及其前兆海洋信号特征,结果表明：1981—2010年BOBSM爆发的平均日期为5月10日,季风爆发有显著的年际波动,爆发最早在1999年（4月11日）和最晚在1968年（6月1日）,年代际尺度上表现为由爆发偏晚至偏早的变化趋势;BOBSM爆发早（晚）与热带印度洋地区850 hPa的越赤道气流和西风异常加强（减弱）,以及200 hPa青藏高原南亚高压的季节性建立偏早（晚）等密切联系;前期冬季赤道西太平洋的海温冷（暖）变化对BOBSM爆发早（晚）有很好的指示意义,前期冬季海温偏高（低）有利于季风偏早（晚）,其影响的主要途径是通过热源变化激发纬向垂直环流及其热带印度洋和太平洋低层环流异常,进而影响季风爆发早晚.     

外热带大气扰动对ENSO的影响

合成分析了20世纪80年代以来5次主要的ENSO事件，发现外热带大气扰动通过经向风异常不仅对ENSO的发生起到重要的触发作用，而且影响到ENSO的发展和衰减. 因此，尽管ENSO对外热带大气扰动有影响，但同时外热带大气扰动又与ENSO有相互作用. 在ENSO发生前，南印度洋中纬度为反气旋异常，并通过Rossby波的频散作用加强了澳大利亚附近的反气旋异常；同时，澳大利亚东部沿海的南风异常与菲律宾附近的北风异常在赤道辐合，促进了赤道西太平洋西风异常的爆发和其后ENSO的发生. 在ENSO发生之后，东南太平洋上的气旋异常及相关的南风异常进一步增强了赤道中东太平洋的西风异常和ENSO的发展. 当ENSO达到成熟时，澳大利亚东部的反气旋异常东移，使东南太平洋的气旋异常减弱，南方涛动型环流异常亦随之减弱；同时，阿留申气旋异常加强，尤其是副热带北太平洋的风场异常可加强赤道中东太平洋海水的涌升，使该地区海表温度降低，加速ENSO的消亡.     

北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数关系的年代际变化

基于观测资料分析,研究了夏季北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数之间的关系,发现两者的联系呈现由弱转强的年代际变化特征.1948~1977年,北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的联系较弱;但1980~2009年,两者转为显著的正相关,北大西洋涛动偏强(弱)对应西北太平洋热带气旋数偏多(少).本文进一步从大气环流变化角度,探讨了北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的关系在前后两个时段出现不同的可能原因.结果表明,在后一时段,当北大西洋涛动偏强时,西北太平洋低层为异常气旋型环流,季风槽加强,西太平洋副热带高压偏东,西北太平洋地区高层大气异常辐散,低层大气异常辐合,这些条件均有利于热带气旋的生成和发展,西北太平洋热带气旋因此偏多.然而,在前一时段,北大西洋涛动对上述环流系统的影响不明显,因而减弱了北大西洋涛动与西北太平洋热带气旋频数的联系.研究进一步揭示,与北大西洋涛动异常相关联的波活动通量的变化可以解释北大西洋涛动与西北太平热带气旋频数联系的这种年代际变化.     

华北降水年代际变化特征及相关的海气异常型

利用近50年华北地区26个站逐月降水观测资料和全球大气海洋分析资料,分析了华北降水的年代际变化特征及其和全球海气系统年代际变化的关系.对华北降水距平指数变化分析表明,近50年来华北降水具有减少的总体趋势,叠加在该趋势之上的是年代际变化,其中1965年和1980年发生了两次跃变,使得20世纪80年代干旱尤为严重.在对华北地区降水年代际变化特征分析的基础上,揭示了与华北降水年代际异常相伴随的大气环流和上层海洋热力异常型.结果表明,华北降水年代际异常与太平洋上层海洋热力状况异常有显著关系,主要表现为太平洋年代际振荡（PDO）与华北降水异常的相关.在年代际时间尺度上,华北干旱与上层海洋热力及大气环流异常的配置关系如下：当华北地区干旱时,则热带中东太平洋海温偏高,北太平洋中部海温偏低,即太平洋上主要表现为PDO暖位相,全球大部分地区（包括华北地区）气温偏高,青藏高原地区气温偏低,日本北部及东西伯利亚气压异常偏低,华北及其以南大片地区气压偏高,华北地区由异常西北风控制,不利于水汽向华北地区输送.