决定北半球冬季哈得莱环流年际变率的三维大气环流图像:观测分析和数值模拟

本文利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了1979~2008年北半球冬季哈得莱(Hadley)环流年际变化的特征,在此基础上,讨论了在观测海温驱动下大气环流模式的模拟结果.观测分析表明,近30年北半球冬季哈得莱环流年际变率的主导模态呈现出空间上的非均匀变化,哈得莱环流圈位于热带部分与其位于副热带部分的强度变化符号相反,这在表征其年际变化特征的另一指标——经向风垂直切变中亦有显著体现.大气环流模式AMIP积分试验结果表明,北半球冬季哈得莱环流强度的上述年际变化源于海温强迫.分析发现,热带中东太平洋和南印度洋暖海温距平强迫导致了哈得莱环流强度年际变化的主导模态呈现出空间上的非均匀变化.ElNio的局地作用和大气桥作用激发的太平洋局地哈得莱环流(30°S~30°N,150°E~90°W)和大西洋局地哈得莱环流(30°S~30°N,90°W~10°W)并非呈现出整体一致的变化,尽管二者纬向平均后分别使气候平均的哈得莱环流圈强度加强和减弱.ElNio遥强迫作用激发的西北太平洋反气旋(0°~30°N,100°E~150°E)使北半球Hadley环流圈强度减弱,ElNio和南印度洋暖海温距平共同强迫出的南印度洋反气旋(30°S~0°,60°E~100°E)使南半球Hadley环流圈的强度亦减弱.上述局地哈得莱环流的变化叠加后,因纬向平均的太平洋局地哈得莱环流强度在(副)热带部分的增强大(小)于纬向平均的大西洋局地哈得莱环流和西北太平洋、南印度洋局地哈得莱环流在(副)热带地区的减弱,结果使得哈得莱环流圈的强度在(副)热带部分偏强(弱);较之南半球,北半球强度变化稍强.因此,北半球冬季哈得莱环流年际变率的主导模态在空间上呈现出非均匀变化.     

Hadley环流的年际和年代际变化特征及其与热带海温的关系

利用NCEP/NCAR再分析风场资料和NOAA海表温度(SST)资料，分析了冬、夏季Hadley环流的变化特征及其与热带海温在年际、年代际尺度上的关系. 结果表明，冬季北半球Hadley环流强度具有明显的年际和年代际变化，同时还呈现出明显的增强趋势. 伴随着Hadley环流的加强，环流中心位置南移，高度上升；夏季南半球Hadley环流变化主要表现为强、弱、强的年代际振动，没有明显的线性趋势. 研究还显示冬季Hadley环流与Nino3区SST正相关，这种相关性具有年代际变化特征. 年际尺度上，冬季北半球Hadley环流与Nino3区SST正相关；夏季南半球Hadley环流与Nino3区SST负相关，即当赤道中东太平洋SST异常偏暖(冷)时，冬、夏季Hadley环流变强(弱).     

淮河流域夏季降水与前冬北太平洋涛动联系的年代际变化

利用我国160站降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了前冬北太平洋涛动（NPO）在20世纪70年代中期发生年代际突变前后与淮河流域夏季降水的联系.研究发现两者之间的对应关系具有明显的年代际变化.20世纪70年代中期以前,前冬NPO与淮河流域夏季降水为显著的负相关,之后这种关系明显减弱.本文进一步探讨了20世纪70年代中期突变前后与前冬NPO异常相联系的大气环流场的变化.结果表明,在年代际突变前,当前冬NPO偏强（弱）时,夏季西太平洋对流层低层为异常气旋（反气旋）型环流控制,淮河流域上空大气异常下沉（上升）,同时向淮河流域的水汽输送减弱（加强）,这些条件不（有）利于淮河流域降水的发生,淮河流域夏季降水因而偏少（多）.在年代际突变后,前冬NPO异常对后期夏季与淮河流域降水相关联的大气环流系统的影响变得不明显,从而减弱前冬NPO与夏季淮河流域降水的联系.     

全球变暖背景下春季Hadley环流与东亚夏季风环流年际对应关系的多模式预估

观测事实揭示,春季Hadley环流在年际时间尺度上与东亚夏季风环流和降水具有密切联系.在未来全球变暖背景下,春季Hadley环流与东亚夏季风环流和降水的这种年际关系是否会发生变化？针对该问题,本文在评估的基础上选取五个气候模式,分析了A1B排放情景下春季北半球Hadley环流年际变率的未来变化及其与东亚夏季风环流和降水的年际关系.多模式集合(MME)预估结果表明,在全球变暖背景下,与20世纪末期(1970—1999年)相比,到21世纪末期(2070—2099年),春季北半球Hadley环流的年际变率强度将减弱,减弱幅度达32%.随着春季Hadley环流年际变率的减弱,其与夏季西太平洋副热带高压和东亚夏季风强度的联系将变弱.MME模拟结果还显示,春季Hadley环流与夏季东亚西风急流和降水的关系也降低,但各单个模式间存在较大差异.     

近30年北半球冬季臭氧总量分布特征及其与平流层温度的关系

臭氧的时空分布特征对气候和环境变化具有显著影响,随着臭氧资料数量的增加和质量的提高,有必要对臭氧时空分布特征及其与气候变化的关系进行详细研究.本文利用欧洲中期天气预报中心提供的1979—2013年的全球月平均臭氧总量资料、平流层温度场资料,采用旋转经验正交函数分解(REOF)、Morlet小波分析、合成分析等方法研究了20°N以北的北半球冬季(12—2月)臭氧总量异常的主要空间分布结构与时间演变特征,并进一步分析了主要模态与平流层上层(2hPa)、中层(30hPa)以及下层(100hPa)温度异常的关系.结果表明:近30年北半球冬季臭氧总量异常变化最显著的区域主要有5个,分别位于极地地区(75°N—90°N,0°—360°)、北半球副热带地区(20°N—40°N,0°—360°)、阿拉斯加地区(60°N—75°N,180°—260°E)、北大西洋地区(45°N—60°N,310°E—360°E)及西伯利亚地区(50°N—65°N,80°E—130°E).5个区域的冬季臭氧总量异常具有明显的年际和年代际变化特征.1980年代后期是各个区域的臭氧总量异常由年代际偏多转为偏少的转换时段.此外,各区域存在显著的年际变化周期,而且各个区域的年际周期存在明显的差异.臭氧总量异常变化与平流层温度异常变化的关系表明,臭氧总量异常的增加(减少)能够导致平流层上层温度异常偏冷(暖)和平流层中、下层温度异常偏暖(冷),其中平流层中层温度异常的偏暖(冷)程度要比下层更加明显.     

Ferrel环流之新解

由于Ferrel环流与中高纬度存在强盛的西风带这一现代大气观测手段所证实的事实相悖,对其是否存在,及其环流形态一直存在着很大的争议.本文利用1998～2003年的NCEP/NCAR（National Center for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research, 美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心）再分析资料（10°×10°,经/纬度网格）,根据北半球夏季（6～8月）太平洋地区（0°～60°N;160°E～120°W）的三维风场的基本特征,分析了北半球夏季太平洋地区平均经圈环流,特别是Ferrel环流的特征,发现Ferrel环流具有与已往研究不同的性质,并在此基础上提出了Ferrel环流新的概念模型,与过去的经典的环流概念模型相比能较好地描述高低空环流的基本特征,同时在考虑地球自转效应下,能够完满地解释中高纬度西风带的维持.     

太平洋年代际振荡与南北半球际大气质量振荡及东亚季风的联系

众多研究表明,太平洋年代际振荡(PDO)与东亚季风以及我国气候的年代际异常存在显著影响,然而其影响途径及机制仍不明确.本文分别分析了年代际尺度上的太平洋年代际振荡(PDO)、南北半球际大气质量振荡(IHO)以及东亚季风的变化特征,据此建立了三者之间的关系,并进一步分析了它们对我国东部冬夏两季年代际气候异常的影响,所得主要结果包括:(1)PDO与IHO以及东亚季风强度具有明显的年代际波动特征,三者之间存在较好联系,其中它们在70年代和90年代后期处于负位相,而在80年代至90年代中期均处于正位相期.PDO和IHO对全球大范围的低层气温异常,以及大气质量迁移尤其是东半球30°S-50°N区域的质量变化具有显著并且空间一致的影响;(2)当PDO为正位相时,整层大气质量年代际异常呈偶极型的自东半球向西半球太平洋区域输出,造成了南北半球际以及海陆间大气质量迁移,同时引起Walker环流的上升和下沉支位置变化,以及越赤道大气质量流的向北异常输送,并由此建立起东亚季风与PDO和IHO之间的联系;(3)PDO年代际异常与冬夏季节蒙古地区地表气压变动存在密切联系.当PDO指数增强时,冬夏季850hPa均出现显著反气旋风场异常,并在我国东部形成异常北风,从而显著影响东亚冬夏季风强度变化.与之对应,PDO指数与我国东部大部分地区的站点气温、降水的年代际分量保持显著的同期相关.     

北京沙尘频次的年际变化及其全球环流背景分析

本文采用相关和合成的分析方法，研究北京沙尘频次的年际变化及其冬、春季的全球环流背景.结果表明北京沙尘频次有年际变化的特点，并与全球范围内的环流异常相联系，特别是南、北半球的中高纬的环流异常.南半球环流异常与沙尘的联系在冬、春两季有很好的持续性和显著性，北半球中高纬环流异常与沙尘的联系冬季较春季显著.春季对流层高层的东亚西风急流增强能使低空的蒙古气旋加强和锋生，从而引起地面大风，为沙尘天气频次的增加提供动力条件.     

耦合模式长期积分中东亚夏季风与ENSO联系的不稳定性

通过对挪威卑尔根全球大气-海洋-海冰耦合模式300a控制积分结果进行交叉子波分析,揭示了东亚夏季风（EASM）与同期Nio3区（90°W～150°W,5°S～5°N）海洋表面温度异常的相关关系在长期变化中是不稳定的,呈现出明显的阶段性特征.气候要素场在二者联系的紧密（HCP）和微弱（LCP）时期差别显著,在HCP时期,西北太平洋对流层低层出现一对耦合的异常气旋和反气旋性环流系统;东南亚地区对流层低层表现为强东风异常,风速的年际变率加大;热带西太平洋对流层温度和位势高度场的年际变率普遍加强.此外,中国夏季降水与同期Nio3区海洋表面温度异常的相关关系在上述两种时期也存在较大差别.     

春季Hadley环流异常对夏季西北太平洋热带气旋频数影响的数值模拟试验

观测事实揭示出春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数之间存在显著的负相关关系.由春季Hadley环流异常引起的西北太平洋地区夏季纬向风垂直切变、大气辐合辐散等的异常变化是这一关系存在的内在原因.本文通过数值试验对这一关系的真实性进行了验证,即利用中国科学院大气物理研究所发展的9层大气环流模式（IAP9L-AGCM）模拟了春季Hadley环流异常偏强情景,并分析了该情景下影响西北太平洋热带气旋生成的环境场的响应.结果表明,在春季Hadley环流偏强情景下,夏季西北太平洋地区纬向风垂直切变幅度加大,低空大气异常辐散,高空大气异常辐合,东亚夏季风减弱,这种环流背景不利于热带气旋生成和发展,因此,西北太平洋热带气旋频数异常偏少.数值模拟结果与已有的诊断结果相吻合,进而证实了春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数负相关关系的存在.因此,春季Hadley环流信号可以用于西北太平洋热带气旋活动的气候预测.     

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.     

Decadal variability and trends of oceanic barrier layers in tropical Pacific

Decadal variability and trends of the isothermal layer depth (ILD), mixed layer depth (MLD), and barrier layer thickness (BLT) were analyzed for the tropical Pacific during 1979–2015. The decadal variability of ILD, MLD, and BLT shows a close connection with the Pacific Decadal Oscillation (PDO). At PDO positive phase, the eastward shift of precipitation and weakened trade winds result in thinner BLT in western Pacific and thicker BLT in central and eastern Pacific. The situation is reversed at PDO negative phase. The differences in BLT can be up to 9–15 m. The spatial distributions of decadal trends of ILD and MLD are complex, but a thickening of BLT in the western tropical Pacific is clearly present. The raw trends of ILD, MLD, and BLT averaged in the tropical Pacific (30° N–30° S, 120° E–75° W) from 1979 to 2015 are 1.62, 1.20, and 0.51 m per decade, respectively. PDO can explain about 25% of the increasing trends of BLT, while El Niño-Southern Oscillation (ENSO) only explains about 1.7%. Global warming and/or variability at longer time scales is responsible for the remaining increasing trends. The BLT change is related to the warming and freshening of the western Pacific warm pool in recent decades. The ocean-atmosphere interactions about trade winds, wind-driven ocean circulation, temperature, and precipitation/evaporation are discussed.     

Relationships between the North Pacific Oscillation and the typhoon/hurricane frequencies

Relationships between the North Pacific Oscillation (NPO) and the typhoon as well as hurricane fre-quencies are documented. The correlation between NPO index in June-July-August-September and the annual typhoon number in the western North Pacific is 0.37 for the period of 1949―1998. The NPO is correlated with the annual hurricane number in the tropical Atlantic at -0.28 for the same period. The variability of NPO is found to be concurrent with the changes of the magnitude of vertical zonal wind shear, sea-level pressure patterns, as well as the sea surface temperature, which are physically asso- ciated with the typhoons and hurricanes genesis. The NPO associated atmospheric circulation vari- ability is analyzed to explain how NPO is linked with variability of the tropical atmospheric circulation in the western Pacific and the tropical Atlantic, via the atmospheric teleconnection.     

新疆北部汛期降水年际和年代际异常的环流特征

新疆北部汛期（7～8月）降水量具有明显的年际和年代际变化.针对年代际、除去年代际后年际和不同年代际背景下年际变化三种时间尺度，利用NECP/NCAR再分析资料，分析相应的大气环流.结果表明，三种时间尺度降水变化的物理机制不同，年代际背景非常重要.新疆北部汛期降水异常时，欧亚中高纬环流系统具有相当正压结构的显著异常.从气候角度和年代际大气环流变化，提出新疆年代际增湿存在索马里越赤道急流到新疆的三段式水汽接力输送方式，索马里急流和热带印度洋是中亚和新疆的重要水汽补充源之一.     

An assessment of the mixed layer salinity budget in the tropical Pacific Ocean. Observations and modelling (1990–2009)

This paper investigates mechanisms controlling the mixed-layer salinity (MLS) in the tropical Pacific during 1990–2009. We use monthly 1°?×?1° gridded observations of salinity, horizontal current and fresh water flux, and a validated ocean general circulation model with no direct MLS relaxation in both its full resolution (0.25° and 5 days) and re-sampled as the observation time/space grid resolution. The present study shows that the mean spatial distribution of MLS results from a subtle balance between surface forcing (E???P, evaporation minus precipitation), horizontal advection (at low and high frequencies) and subsurface forcing (entrainment and mixing), all terms being of analogous importance. Large-scale seasonal MLS variability is found mainly in the Intertropical and South Pacific Convergence Zones due to changes in their meridional location (and related heavy P), in the North Equatorial Counter Currents, and partly in the subsurface forcing. Maximum interannual variability is found in the western Pacific warm pool and in both convergence zones, in relation to El Niño Southern Oscillation (ENSO) events. In the equatorial band, this later variability is due chiefly to the horizontal advection of low salinity waters from the western to the central-eastern basin during El Niño (and vice versa during La Niña), with contrasted evolution for the Eastern and Central Pacific ENSO types. Our findings reveal that all terms of the MLS equation, including high-frequency (<1 month) salinity advection, have to be considered to close the salinity budget, ruling out the use of MLS (or sea surface salinity) only to directly infer the mean, seasonal and/or interannual fresh water fluxes.     

华南前汛期降水异常与太平洋海表温度异常的关系

利用近50年华南地区站点逐日降水观测资料和全球大气、海洋分析资料,分析了华南前汛期降水异常的变化特征及其与太平洋海温异常的联系.结果表明,近50年来华南前汛期降水总体呈现减少趋势.影响华南前汛期降水异常的太平洋海温异常型是一个类似于ENSO的西太平洋暖池模态,即显著海温异常区域位于西太平洋暖池.西太平洋暖池区域(120°E-180°E,20°S-20°N)前期冬季海温异常同华南前汛期降水存在显著的负相关关系,是具有预报意义的海温关键区.该关键区海温异常影响华南前汛期降水的可能物理过程是:当前期冬季暖池异常偏暖时,菲律宾周围地区对流活动加强,导致Walker环流及东亚太平洋中低纬局地Hadley环流增强;该异常通过影响东亚－太平洋遥相关波列,使前汛期期间西太平洋副高加强西伸,脊线位置偏北,同时副热带西风急流减弱北退.随着Hadley环流上升支的增强,东亚副热带地区下沉运动也增强了,华南地区对流活动受到抑制.而且由于副高的增强,经过其北侧向华南地区的西南水汽输送辐合也减弱了,因此前汛期降水偏少.冷海温年的情形则相反,华南前汛期降水偏多.近50年来华南前汛期降水总体呈现趋势性减少正是由于前冬西太平洋暖池趋势性增暖所致.     

中国降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感性

利用中国740站45年降水资料按5种分辨率分气候区计算了降水年际和年代际变率. 降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感性分析表明，中国各气候区降水年际变率对空间尺度的敏感性都随空间尺度的增加而逐渐减小，且存在明显的季节变化，而年代际变率对空间尺度的敏感性却随空间尺度的增加而增大，但不存在季节变化；由于中国各气候区降水的特殊性，各气候区降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感程度存在不可忽视的差异.在年际和年代际尺度上，西南地区降水变率对空间尺度都是最敏感的，因而该区域降水年际和年代际变率信号的检测最困难.而华南地区在年际尺度上比较敏感，年代际尺度却不敏感，但华南地区在年际和年代际尺度上区域内降水分布的非均匀程度对空间尺度的敏感性都最大.