FGOALS－g快速耦合模式模拟的北太平洋年代际变率

本文分析了由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/IAP）最新发展的FGOALS_－g快速耦合模式300 a积分模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了北太平洋年代际变率的时空结构、主要年代际模态的演变特征以及与ENSO的联系等研究内容. 结果表明：该模式能成功模拟出北太平洋年代际变率的主要空间分布特征;模拟的年代际模态具有多时间尺度性,其中最显著的是周期约为10～20 a左右的准20年振荡模态,该模态上层海洋热容量异常的演变过程主要表现为大致沿副热带海洋涡旋做海盆尺度顺时针旋转的特征,相应的大气异常不仅与阿留申低压的变异有关,而且与太平洋-北美PNA）遥相关型以及上游的欧亚大气环流异常有密切关系;模拟的北太平洋年代际变率对年际ENSO循环的发生频率和强度有明显的调制作用. 但模拟的KOE区和阿拉斯加湾SST异常振幅比观测偏强,这与模式海冰偏多、高纬度SST偏冷的误差有关.     

FGOALS－g快速耦合模式模拟的北太平洋年代际变率

本文分析了由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/IAP）最新发展的FGOALS_－g快速耦合模式300 a积分模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了北太平洋年代际变率的时空结构、主要年代际模态的演变特征以及与ENSO的联系等研究内容. 结果表明：该模式能成功模拟出北太平洋年代际变率的主要空间分布特征;模拟的年代际模态具有多时间尺度性,其中最显著的是周期约为10～20 a左右的准20年振荡模态,该模态上层海洋热容量异常的演变过程主要表现为大致沿副热带海洋涡旋做海盆尺度顺时针旋转的特征,相应的大气异常不仅与阿留申低压的变异有关,而且与太平洋-北美PNA）遥相关型以及上游的欧亚大气环流异常有密切关系;模拟的北太平洋年代际变率对年际ENSO循环的发生频率和强度有明显的调制作用. 但模拟的KOE区和阿拉斯加湾SST异常振幅比观测偏强,这与模式海冰偏多、高纬度SST偏冷的误差有关.     

Hadley环流与北太平洋涛动的显著关系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析了冬季（11～4月）Hadley环流与北太平洋涛动（NPO）的变化特征以及它们之间的关系.本文选取0°~30°N区域里最大质量流函数来描述北半球Hadley环流强度随时间的演变,利用(20°N, 180°~160°W) 和 (60°N, 180°~160°W) 区域平均的标准化海平面气压差代表NPO强度.结果表明,冬季北半球Hadley环流与NPO的变化形势非常一致,两者都具有显著的年际和年代际变化（70年代前处于负位相,80年代之后处于正位相）,同时还呈现出明显的增强趋势.Hadley环流变化与NPO异常的关系非常密切,在年际和年代际时间尺度上都具有显著的正相关.这种强相关性在大气环流场上可以得到很好的印证.研究还揭示,太平洋地区10°~30°N下沉支和40°~60°N上升支的异常运动可能是这种关系存在的主要内在原因.     

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.     

扰动位能与大气环流异常的耦合关系及机理研究

本文在前期局地扰动位能理论工作基础上,进一步着眼于扰动位能与大气环流异常的关系和机理问题,采用奇异值分解(SVD)方法分析了扰动位能与高、中、低层大气动能的耦合相关模态以及年际变率情况,同时考察它与作为大气质量分布的海平面气压之间的相关关系,并从物理上初步探讨了扰动位能与大气动能以及质量的相关机理问题.结果表明,扰动位能自身变率的第一模态同时也是与大气环流异常场耦合变化的主要模态,与之相对应的大气动能和质量场的主模态也是其自身变率的支配模态,说明它们之间存在相互制约的物理机制.而且,热带外地区大气环流主模态特征的形成,与扰动位能兼具全球尺度纬向对称结构和局地尺度纬向非对称性密不可分.另外,冬季南北半球环状模指数与扰动位能的前两阶矩存在非常好的相关关系,而在夏季这种关系明显削弱,仅存在于南半球.     

南太平洋和北太平洋年代际振荡与华北盛夏降水的关系及可能物理机制

利用降水、大气环流和海表温度等多种再分析资料和偏相关方法,研究了1951—2007年南太平洋年代际振荡（SPDO）和北太平洋年代际振荡（即PDO,本文称为NPDO）分别与华北盛夏（7—8月）降水在年代际时间尺度上的关系及其可能物理机制.结果表明：在去除SPDO和NPDO的相关性之前,它们与华北盛夏降水的关系均偏弱;但在去除两者相关性之后,SPDO（NPDO）与华北盛夏降水存在显著正（负）相关关系.去除两者相关性之后,当SPDO处于正位相时,热带西北太平洋海温异常显著偏暖,这将在对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸激发出"气旋-反气旋-气旋"的负位相东亚—太平洋型遥相关（EAP）波列,该波列导致东亚夏季风异常增强,有利于低纬地区水汽输送至华北地区,从而使得华北盛夏降水异常偏多,反之,当SPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏少;对NPDO来说,当其处于正位相时,不仅热带西北太平洋异常显著偏冷,而且印度洋大部分海温异常显著偏暖,在两者共同作用下,对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸出现"反气旋-气旋-反气旋"的正位相EAP波列,这将引起东亚夏季风异常减弱,不利于低纬地区水汽输送至华北地区,华北盛夏降水异常因此减少,反之,当NPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏多.     

气候系统模式对北极涛动的模拟

本文系统分析了参与IPCC AR4 “20世纪气候模拟"（20C3M）的23个气候系统模式模拟的1950～1999年冬季（JFM）北极涛动（AO）.结果表明,在22个模式中,AO模态都表现为北半球中高纬大气年际变率的第一模态.不过,18个模式模拟的AO模态在北太平洋地区表现偏强,有两组模式结果均表明,提高模式的水平分辨率能够克服此偏差.所有模式模拟的AO指数均未出现与观测相当的增强趋势,只有两个模式（ECHO-G和UKMO-HadGEM1）模拟的AO指数与观测存在显著正相关.多数模式能够模拟出纬向风伴随AO位相变化在中高纬出现的偶极子异常特征,部分模式对平流层AO特征的模拟能力仍需要提高.对AO垂直结构模拟较好的模式,例如CCSM3、MRI CGCM2-32和UKMO-HadGEM1,能够较为合理地再现伴随AO指数增强出现的极区平流层变冷和中纬度对流层增暖现象.AO与欧亚大陆地表气温和降水的相关分布,在多数模式中有较好的体现,个别模式还对AO与东亚气候的相关关系具有一定的模拟能力.对AO各指标均有较好模拟能力的模式是UKMO-HadGEM1.本文结果为改进气候系统模式对北极涛动的模拟能力提供了依据,亦为学术界利用IPCC AR4的耦合模式数据、开展与AO相关的气候变率研究提供了基础参考.     

前冬南半球环状模对春季华南降水的影响及其机理

利用相关、合成、奇异值分解等统计诊断和数值模拟方法,分析了前冬(12—2月)南半球环状模(SAM)对春季(3—5月)中国华南降水的可能影响及其机理.诊断分析的结果表明,前冬南半球环状模与春季华南降水存在显著的负相关关系,也即前冬SAM偏强(弱),对应春季华南降水偏少(多).为了探讨这种南半球中高纬信号影响滞后一个季节的华南降水的物理机制,需要考虑下垫面海洋的桥梁作用.诊断分析的结果表明,当前冬SAM偏强时,南半球中高纬海洋的潜热释放受到海表风速影响发生变化,导致30°S—45°S海温偏高, 45°S—70°S海温偏低,并且异常的海温信号可以持续到次年春季.这种前冬SAM偏强时的春季海温异常信号,对应着春季西北太平洋副热带高压位置偏东且强度偏弱,西北太平洋上盛行异常气旋式环流,华南地区上空对流层低层有异常东北风和风场辐散,西南水汽输送较常年减弱,为春季降水偏少提供了有利的条件.前冬SAM偏弱时,南半球中高纬的海温异常及其引起的华南区域大气环流异常相反,有利于华南降水偏多.利用CAM3进行海温敏感性试验,也证明了上述南半球中高纬海温异常对应的环流异常.模拟结果表明,SAM偏强时的海温异常,对应着华南上空对流层低层的东北风异常、风场辐散、以及下沉运动,不利于华南降水生成;SAM偏弱时的海温异常,对应的环流异常相反,有利于华南降水增多,验证了资料诊断的结论.综上,在前冬SAM影响春季华南降水的过程中,体现了海气耦合桥的作用,即:海洋储存了冬季SAM的异常信号并在春季释放,通过影响春季大气环流,进一步影响华南春季降水.因此,前冬SAM为华南春季降水预测提供了一个有意义的前期信号.     

层结稳定性“豁口”与北太平洋副热带中部模态水形成机制

本文首先指出北太平洋副热带中部模态水（简称中部模态水）的形成具有显著的“局地”特征,其形成海区在（165°E～160°W,38°N～42°N）区间. 海气通量分析表明单纯的外部大气强迫场（太阳短波辐射、净热通量和风应力旋度）不能解释中部模态水形成海区的“局地”性;进一步对上层海洋层结季节变化特征的分析发现秋季（9～10月）在北太平洋中部上层海洋（<75 m）（165°E～160°W,38°N～42°N）区间存在特殊的浮力频率低值区——层结稳定性“豁口”. 该层结稳定性“豁口”作为“预条件（Precondition Mechanism）”机制对中部模态水形成的“局地”特征给出了合理的解释. 在上述研究的基础上,基于一个上层海洋混合层热平衡方程,通过诊断分析揭示该层结稳定性“豁口”是由海表热力强迫、垂向挟卷、Ekman平流和地转平流效应共同导致的,“豁口”东、西边界的确定直接或间接地取决于海表热力强迫、Ekman冷平流和地转暖平流的纬向分布差异.     

北太平洋风暴轴的变异特征及其与中纬度海气耦合关系分析

本文使用欧洲ECMWF（ERA40）再分析资料，通过经验正交函数（Empirical Orthogonal Function，EOF）分解探讨了冬季北太平洋风暴轴的变异特征，使用回归分析得到了与风暴轴空间异常型相关的冬季大气平均流异常、表层海温（Sea Surface Temperature，SST）异常的空间耦合型.研究结果表明，冬季北太平洋风暴轴主要有两种空间异常型，第一种是风暴轴中东部明显北抬（南压），使得整个风暴轴向东北（东南）倾斜，与此同时，在中纬度北太平洋海区，冬季暖（冷）异常的洋面上是异常高压（低压），海气系统在垂直向表现为一种暖脊（冷槽）配置，在对流层中高层是太平洋-北美（Pacific North American，PNA）型负（正）位相.第二种是风暴轴整体性加强（减弱）并偏北（南），此时，黑潮区海温异常偏暖（冷），低层阿留申低压和高空的西风急流略偏北（南），对流层中高层表现为西太平洋（Western Pacific，WP）型负（正）位相.风暴轴EOF分解的时间系数与阿留申低压指数、PNA指数、WP指数，以及与尼诺3区（NINO3）指数、黑潮海温指数间显著的相关性再次证实了在北太平洋中纬度地区存在着SST异常、风暴轴异常和大气平均流异常三者间的空间耦合型.     

青藏高原热状况和海温异常对亚洲季风季节转换年际变化的影响

本文根据季节转换前后副高脊面附近经向温度梯度变号的本质，利用相关分析和合成分析等方法研究了季节转换年际变化与外部影响因子的联系. 结果表明，冬春季青藏高原热状况和ENSO（El Nio/Southern Oscillation，厄尔尼诺/南方涛动）是决定亚洲季风区季节转换年际变化的主要因素. 当冬、春季海温呈现El Nio异常时，Walker环流减弱，于是西太平洋暖池区对流活动受到抑制，而赤道东太平洋对流活动加强则强迫赤道印度洋地区产生绝热下沉运动，使得印度洋地区大气偏暖，结果增大了南北向温度梯度，季节转换往往偏晚. 反之，季节转换偏早. 初春高原上空对流层中高层的气温异常对于判断季节转换迟早有很好的指示意义.     

东北夏季气温变异的区域差异及其与大气环流和海表温度的关系

利用1951～2000年中国东北地区23个台站资料，对东北夏季气温的时空分布进行了研究，发现其变化除具有整体的一致性外，东北南部和北部的夏季气温在年际和年代际时间尺度都表现出很大不同，其中北部区域的夏季气温在1987～1988年间发生了一次显著的气候突变. 另外，剔除夏季气温全区一致变化的年份后，南北两区夏季气温与大气环流和海表温度的关系表明：突变前，影响北部和南部冷/热夏季的大气环流形势存在显著的不同，关键海域亦有很大差异：影响南部的为中纬度西太平洋和印度洋部分海域，影响北部的主要为ENSO事件；突变后，两区的夏季气温及相应大气环流和关键海区都趋于一致. 在整个分析时段内，北部夏季气温与东亚夏季风存在显著负相关，而南部的关系则不明显.     

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.     

Dynamical effect of the zonal wind anomalies over the tropical western Pacific on ENSO cycles

The circulation and zonal wind anomalies in the lower troposphere over the equatorial western Pacific and their roles in the developing and decaying processes of the 1982–1983, 1986 –1987, 1991–1992 and 1997–1998 El Ni?o events and the occurrence of La Ni?a events are analyzed by using the observed data in this paper. The results show that before the developing stage of these El Ni?o events, there were cyclonic circulation anomalies in the lower troposphere over the tropical western Pacific, and the anomalies brought the westerly anomalies over the Indonesia and the tropical western Pacific. However, when the El Ni?o events developed to their mature phase, there were anticyclonic circulation anomalies in the lower troposphere over the tropical western Pacific, and the anomalies made the easterly anomalies appear over the tropical western Pacific. A simple, dynamical model of tropical ocean is used to calculate the response of the equatorial oceanic waves to the observed anomalies of wind stress near the sea surface of the equatorial Pacific during the 1997/98 ENSO cycle, which was the strongest one in the 20th century. It is shown that the zonal wind stress anomalies have an important dynamical effect on the devel-opment and decay of this El Ni?o event and the occurrence of the following La Ni?a event.     

南印度洋副热带偶极模在ENSO事件中的作用

南印度洋副热带偶极模（Subtropical Dipole Pattern,SDP）是印度洋存在的另一种很明显的偶极型海温差异现象,在年际和年代际尺度上均有十分明显的表现.而目前有关印度洋海气相互作用的研究主要集中在赤道印度洋地区,针对南印度洋地区的工作还比较少,特别是有关南印度洋海温与ENSO（El NiDo-Southern Oscillation）事件关系的研究.本文初步探讨了年际尺度上南印度洋副热带偶极型海温变化差异与ENSO事件的关系,发现SDP与ENSO事件有密切的联系,SDP事件就像连接正负ENSO位相转换的一个中间环节,SDP事件前后期ENSO的位相刚好完全相反.进一步,本文通过分析SDP事件前后期海温、高低层风、低层辐合辐散、高空云量和辐射等的变化特征研究了南印度洋偶极型海温异常在ENSO事件中的作用,结果表明：SDP在ENSO事件中的作用不仅涉及海气相互作用的正负反馈过程,还与热带和副热带大气环流之间的相互作用有关,特别是与东南印度洋海温变化所引起的异常纬向风由赤道印度洋向赤道太平洋传播的过程等有十分直接的关系;同时,SDP对ENSO事件的影响在很大程度上还依赖于大尺度平均气流随季节的变换.     

非绝热加热对大气局地扰动位能的影响和机理

本文运用统计相关和奇异值分解方法,系统地考察了非绝热加热对大气局地扰动位能的影响特征和机理问题.分析结果表明,热带地区海表温度异常和扰动位能的耦合相关特征与厄尔尼诺和南方涛动变率的关系密切,扰动位能在热带外地区的耦合模态空间型呈现出与北太平洋-北美大气遥相关型极为相似的分布特征.通过进一步考察大气中视热源与扰动位能的耦合特征,发现在低纬地区仍主要反映了厄尔尼诺和南方涛动的影响机制,在热带外地区,视热源异常的耦合模态则表现出与北半球环状模类似的特点,这表明热带外地区大气的局地能量有效性与热带非绝热加热的遥强迫以及局地性热源加热强迫有着极为密切的联系.     

Spatiotemporal variability of drought and the potential climatological driving factors in the Liao River basin

Spatiotemporal characteristics of drought based on the Standardized Precipitation Index (SPI) in the Liao River basin (LRB) are investigated in this study. High autocorrelation in SPI seems to lend itself to drought prediction. Drought is becoming more frequent, widespread, and severe in the LRB during the past several decades. Major factors affecting drought in this basin are analysed by investigating relationship between SPI and several circulations including western Pacific Subtropical High (WPSH), East Asian Summer Monsoon (EASM) and El Niño‐Southern Oscillation (ENSO) indices. Different correlation patterns between WPSH indices and SPI are obtained. Several significant positive correlations between the area, intensity of WPSH and SPI are observed in the west and the centre of the study area, while negative correlations are observed in the east. Reverse patterns are observed in the correlation between the ridge of westward longitude of WPSH and SPI. Corresponding lag‐correlation is dominated by positive correlations between the area, intensity of WPSH and SPI, and by negative correlation between the ridge of westward longitude of WPSH and SPI. EASM is mainly negative related with drought in the east of the LRB. Significant positive correlation between ENSO and SPI is mainly located in the east while negative correlation is located in west of the basin. Lag‐correlation (with lags of 1 to 12 months) between them is also investigated and results show that significant negative correlation is located in a broad area extending from the west to the centre of the basin, while less positive correlation is observed with the increase of lags. The possibility of employing general circulation models (GCMs) for drought prediction is discussed based on the above analyses. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

东亚夏季风年代际变化的若干重要特征及两份大气再分析资料的异同

本文利用ERA和NCEP/NCAR再分析资料，以及部分观测资料，研究了东亚夏季风年代际变化的若干重要特征. 结果表明，东亚夏季风在20世纪70年代末减弱这一现象是普遍存在的，主要表现为江淮地区表面温度降低，海平面气压升高，出现偏北风异常. 研究发现，这次年代际变化还体现在与东亚季风环流密切相关的重要环流因子，如西太平洋副热带高压、欧亚西风、澳大利亚高压、南极涛动等，它们在20世纪70年代末以后都进入高指数时期. 此外，文章还揭示：ERA和NCEP/NCAR再分析资料在东亚夏季风年代际变化上基本吻合，但也有很多差别.     

Solomon Sea circulation and water mass modifications: response at ENSO timescales

The South Pacific low latitude western boundary currents (LLWBCs) carry waters of subtropical origin through the Solomon Sea before joining the equatorial Pacific. Changes in their properties or transport are assumed to impact El Niño Southern Oscillation (ENSO) dynamics. At ENSO timescales, the LLWBCs transport tends to counterbalance the interior geostrophic one. When transiting through the complex geography of the Solomon Sea, the main LLWBC, the New Guinea Coastal Undercurrent, cannot follow a unique simple route to the equator. Instead, its routes and water mass properties are influenced by the circulation occurring in the Solomon Sea. In this study, the response of the Solomon Sea circulation to ENSO is investigated based on a numerical simulation. The transport anomalies entering the Solomon Sea from the south are confined to the top 250 m of the water column, where they represent 7.5 Sv (based on ENSO composites) for a mean transport of 10 Sv. The induced circulation anomalies in the Solomon Sea are not symmetric between the two ENSO states because of (1) a bathymetric control at Vitiaz Strait, which plays a stronger role during El Niño, and (2) an additional inflow through Solomon Strait during La Niña events. In terms of temperature and salinity, modifications are particularly notable for the thermocline water during El Niño conditions, with cooler and fresher waters compared to the climatological mean. The surface water at Vitiaz Strait and the upper thermocline water at Solomon Strait, feeding respectively the equatorial Pacific warm pool and the Equatorial Undercurrent, particularly affect the heat and salt fluxes. These fluxes can change by up to a factor of 2 between extreme El Niño and La Niña conditions.     

Evaluation of ocean-atmospheric indices as predictors for summer streamflow of the Yangtze River based on ROC analysis

Antecedent anomalies of sea surface temperature and atmospheric circulation are important signals for making long-term streamflow forecasts. In this study, four groups of ocean-atmospheric indices, i.e, El Niño Southern Oscillation (ENSO), the Northern Hemisphere atmospheric circulation, the Southern Hemisphere atmospheric circulation (SAC), and the Western Pacific and Indian Ocean SST (WPI), are evaluated for forecasting summer streamflow of the Yangtze River. The gradient boosting regression tree (GBRT) is used to forecast streamflow based on each group of indices. The score based on receiver operating characteristics (ROC) curves, i.e., area under the ROC curve (AUC), is used to evaluate skills of models for identifying the high category and the low category of summer streamflow. It is found that the ENSO group and the SAC group show higher AUC values. Furthermore, both AUC values of GBRT models and individual indices show that the low flow years are easier to be identified than the high flow years. The result of this study highlights the skill from the Southern Hemisphere circulation systems for forecasting summer streamflow of the Yangtze River. Results of relative influences of predictors in GBRT models and AUC of individual indices indicate some key ocean-atmospheric indices, such as the Multivariate ENSO Index and the 500-hPa height of the east of Australia.