印度洋海气相互作用对热带夏季大气环流气候态的影响

利用分辨率较高的SINTEX-F(Scale INTeraction EXperiment-FRCGC) 海气耦合模式, 进行多组长时间积分模拟和理想试验, 分析研究热带印度洋海气耦合对夏季大气环流气候态的影响。主要结果有: (1) 热带印度洋海气相互作用使热带东印度洋产生明显的东风变化, 使热带中西太平洋赤道北部产生气旋性切变变化。 (2) 印度洋海气相互作用对大气环流气候态的影响绝大部分由于大气对海气相互作用的响应存在年际变化正负距平不对称性造成, 这种年际变化不对称性包括正偶极子与负偶极子的不对称、 海盆宽度正异常与海盆宽度负异常的不对称。 (3) 年际和季节内两种时间尺度海气相互作用对印度洋关键区大气环流平均态都有影响, 约各占60%、 40%; 季节内尺度海气相互作用对太平洋近赤道区大气环流平均态有重要影响; 年际尺度海气相互作用对太平洋赤道外地区大气环流平均态有重要影响。热带印度洋年际尺度、 季节内尺度海气相互作用对大气环流气候态的影响, 都存在年际变化以及年际变化正负距平不对称性。这两种尺度海气相互作用主要通过年际变化正负距平不对称性而对大气环流平均态产生影响。     

春季北太平洋风暴轴的年际与年代际变化特征及其与太平洋海温异常的关系

利用20世纪大气再分析资料和欧洲中心海温资料研究了春季西北太平洋风暴轴的年（代）际变化特征以及在不同年代际背景下风暴轴与太平洋海温关系的转变。结果表明,春季西北太平洋风暴轴主要存在两种空间变化模态,即反映其强度变化的第1模态和反映其南北位置变化的第2模态。年代际及以上时间尺度上,风暴轴强度、位置与太平洋海温的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用。在不同年代际背景下,风暴轴与太平洋海温的关系则存在明显的年代际转变：1977年以后,风暴轴强度与太平洋海温的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用,而在1977年之前则主要表现为海洋对大气的强迫作用,特别是同期冬季日本以东黑潮和黑潮延伸区海温异常的强迫作用;风暴轴南北位置与太平洋海温异常的关系,在1977年以后表现为大气对海洋的强迫作用,主要表现为对北太平洋中部海温的影响,但在1977年以前表现为海洋和大气的共同作用,风暴轴南北位置的变化还与同期的赤道中东太平洋海温异常有关,表明ENSO可能对风暴轴的位置变化存在影响。     

FGOALS模式4个版本太平洋年代际气候变率模拟的比较

本文选用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)发展的全球海洋—大气—陆面气候系统模式(FGOALS)的4个版本g2.0、s2.0、g1.1和g1,利用模式的长时间积分结果,结合观测、再分析资料比较、评估模式对太平洋年代际变率的模拟能力,并通过对海气相互作用及其海洋动力过程分析,探讨了模式中太平洋年代际振荡形成机制.研究发现,FGOALS 模式g2.0和s2.0版本对太平洋年代际振荡(PDO/IPO)的模拟能力优于 g1.1和g1.模式中太平洋年代际变率的正反馈过程与Bjerknes(1969)提出的海气相互作用正反馈机制有关,其负反馈则主要与海洋内部动力过程有关.太平洋异常经向热量输送将热带与中纬度海洋联系在一起,可以抑制正反馈作用,但无法使得年代际振荡变化位相发生反转;FGOALS模式中,热带海表温度(SST)暖距平信号通过大气桥影响热带外大气环流,在海气作用下,热带与热带外海洋次表层分别以Kelvin 波和Rossby 波的形式传播,使得冷暖位相反转,4个版本均能再现这种负反馈机制.但不同版本Rossby波所处的纬度不同,太平洋SST异常年代际变化信号最明显的范围越宽,则由此激发的Rossby 波便更为偏北,纬度越高Rossby 波西传的时间也越长,PDO/IPO的周期与其SST异常的经向尺度密切相关.     

冬季北半球平流层季节内振荡与对流层季节内振荡的关系

通过平流层大气ISO与对流层大气ISO的比较分析,发现在中高纬地区平流层大气ISO与对流层大气ISO有着许多相同点.北半球冬半年平流层大气环流主要低频模态也可认为是北极涛动(AO),其空间分布的主要特征为; 高纬度地区与中低纬度地区为反位相变化,北极地区附近具有最大的变化值; 其季节内振荡的正位相对应于AO增强,负位相对应于AO减弱.北半球冬半年平流层100 hPa 和70 hPa 位势高度场的低频遥相关分析表明,北极地区(概指北纬60°N以北)和北半球其他大部分地区呈负相关,北极涛动扮演了非常重要的角色.同时,北半球冬半年平流层的主要低频波列是从欧亚大陆中部到西北太平洋,并且由纬向型低频波列(欧亚大陆-西伯利亚-太平洋)和经向型低频波列(欧亚大陆-北极-太平洋)共同构成.平流层30 hPa 和对流层500 hPa 上经过带通滤波(15～90 d)位势高度场的EOF第一主分量的形势有十分类似的特征,它们对应的时间系数序列有显著的延迟相关关系.因此可以认为,北半球平流层大气ISO的变化要先于对流层大气,在滞后35 d 左右其相关系数达到最大.大气环流模式(SAMIL)的数值模拟试验结果也表明,平流层的低频扰动可以在14 d 之后便在对流层500 hPa上激发出低频响应,其谱峰在30 d 左右.这进一步表明,通过大气季节内振荡,平流层的异常可以影响到对流层.     

热带太平洋海气耦合过程对印度洋年际变化的影响

利用中等复杂程度的2.5层海洋模式和大气环流模式ECHAM4组成的海气耦合模式,模拟分析了热带太平洋和印度洋的气候变化以及年际变化特征。该模式较好地模拟了ENSO现象的空间分布及其不规则的周期变化特征,以及热带印度洋的主要变化特征。通过数值试验,初步研究了太平洋耦合过程对印度洋年际变化的影响。结果显示,当存在太平洋耦合过程时,模拟的印度洋偶极子(IOD)正(负)事件的发生频率比无太平洋耦合情形时有所减少(增加)。该变化是太平洋耦合变量通过海气耦合过程对印度洋海表面平均风场进行调整,进而引起热带印度洋温跃层深度东西梯度改变的结果。     

亚洲冬季大气动能的时空演变特征及其与中国冬季降水和温度的关系

利用1968～2008年NCEP/NCAR再分析资料、中国测站的降水量和温度资料,分析亚洲冬季大气动能的时空演变特征,探讨与其对应的大气环流异常特征以及大气动能的变异与我国降水量和温度异常的联系。结果表明:亚洲冬季大气动能的主要变异中心在东亚西风急流区,该地区的冬季大气动能存在明显的年际和年代际变化。冬季,我国中东部至日本以东到西北太平洋上空大气动能的减弱(增强)与对流层中高层东亚西风急流的减弱(增强)密切相关,并可导致我国东部大部分地区降水量的偏多(偏少)和我国东北地区温度的偏高(偏低)。青藏高原西南侧大气动能的增强(减弱)则与该地区对流层中高层南亚西风急流的增强(减弱)有关联,并导致冬季我国东南地区降水量的偏多(偏少)和我国广西、贵州和四川一带温度的偏低(偏高)。在冬季,亚洲大气动能的变化可能主要通过影响亚洲西风急流的变化来造成我国冬季气候的变异。     

夏季北太平洋洋中槽强度的年际变化及其与北美地面气温的关系

利用1979—2010年NCEP/NCAR再分析资料和特拉华大学地面气温资料,研究了夏季北太平洋洋中槽强度的年际变化特征、成因及其与北美地表气温的联系。结果表明,夏季北太平洋洋中槽强度存在明显的年际变化特征,并主要表现为准4 a和准5a的周期变化特征。进一步的分析表明,夏季北太平洋洋中槽强度与同期北美东南地区地表气温存在显著的负相关,当夏季北太平洋洋中槽强度异常偏强(弱)时,洋中槽下游的北美东南地区对流层中高层的位势高度异常降低(升高),对应于控制该地区的高压减弱(增强),从而使得该地区地表气温降低(升高)。此外,夏季热带印度洋海温异常对洋中槽的年际变化起了决定性的作用。当热带印度洋海温异常偏暖时,通过调节大气边界层相当位温,加热对流层大气,在热带印度洋东侧激发出东传的开尔文波,同时也使得北太平洋中东部位势高度异常升高,导致洋中槽的异常减弱。反之亦然。     

北太平洋海温年代际变化与大气环流和气候的异常

对应北太平洋海表温度(SST)年代际变化的两个基本模态,即25～35年模和7～10年模,分析研究了北半球大气环流和气候异常的形势.其结果极为清楚地表明,对应北太平洋SST的年代际模的正、负位相,大气环流和气候异常的形势都近乎相反,充分说明SST年代际模的重要作用;由于北太平洋SST的两个年代际模有十分相近的水平结构特征,它们对大气环流和气候的影响也有十分相似的特征;北太平洋海温年代际模对大气环流的影响在中高纬度地区呈正压结构特征,而在热带地区的响应主要有斜压结构特征.     

中高纬度印度洋海温与西北太平洋夏季台风生成数的相关性

从独立性、显著性和滞后性角度分析西北太平洋夏季台风生成数(WNPTYF)与前期中高纬度印度洋海表温度(SST)的关系, 结果表明:前期中高纬度印度洋SST与WNPTYF相关显著, 且独立于热带东太平洋SST(或ENSO)对WNPTYF影响;中高纬度印度洋SST年际变化对WNPTYF年际变化的指示能力相当或超过热 带东太平洋, 综合两者的影响预测夏季西北太平洋台风生成数的变化有非常重要的现实意义。进一步的分析表明, 中高纬度印度洋SST对WNPTYF影响有明显的滞后性, 前期相关显著而同期相关不显著。这种滞后性意味着其前期中高纬度印度洋SST对WNPTYF的影响并不是通过SST的持续性, 而很可能是通过南半球大气活动的持续性及异常信号在大气中的传播而影响到夏季的环流, 最终影响WNPTYF异常。这种影响机制有待进一步研究。     

北太平洋海气界面湍流热通量的年际变化

本文采用美国伍兹霍尔海洋研究所客观分析海气通量项目提供的1958～2006年月平均的湍流热通量及相关气象场数据, 利用EOF分析、小扰动方法、线性回归、相关分析等方法研究了北太平洋海气界面湍流热通量年际变化的时空特征、 影响因子及其与大气环流的关系。结果表明, 北太平洋湍流热通量的年际变化在冬季最为显著。我国东部海域及其向中东太平洋的延伸部分为冬季潜热通量和感热通量年际变化的关键区。冬季潜热通量的年际变化在副热带太平洋和菲律宾海域主要受风速变化影响, 在北太平洋的高纬和低纬海域尤其是赤道中太平洋主要受比湿差变化影响, 而冬季感热通量的年际变化在整个北太平洋都主要受海气温差变化影响。受大尺度环流影响, 异常低压中心的东 (西) 侧海气比湿差和海气温度差偏小 (偏大), 所以异常低压中心的东 (西) 侧潜热输送和感热输送偏弱 (偏强)。     

海洋环流对全球增暖趋势的调制：基于FGOALS-s2的数值模拟研究

在工业革命以来全球长期增暖趋势背景下,全球平均表面气温还同时表现出年代际变化特征,二者叠加在一起使得全球平均气温在某些年份增暖相对停滞(如1999～2008年)或者增暖相对较快(如1980～1998年).利用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)发展的耦合气候模式FGOALS-s2历史气候和典型路径浓度(RCPs)模拟试验结果研究了可能造成全球增暖的年代际停滞及加速现象的原因,特别是海洋环流对全球变暖趋势的调制作用.该模式模拟的全球平均气温与观测类似,即在长期增暖趋势之上,还叠加了显著的年代际变化.对全球平均能量收支分析表明,模拟的气温年代际变化与大气顶净辐射通量无关,意味着年代际表面气温变化可能与能量在气候系统内部的重新分配有关.通过对全球增暖加速和停滞时期大气和海洋环流变化的合成分析及回归分析,发现全球表面气温与大部分海区海表温度(SST)均表现出几乎一致的变化特征.在增暖停滞时期,SST降低,更多热量进入海洋次表层和深层,使其温度增加;而在增暖加速时期,更多热量停留在表层,使得大部分海区SST显著增加,次表层海水和深海相对冷却.进一步分析表明,热带太平洋表层和次表层海温年代际变化主要是由于副热带—热带经圈环流(STC)的年代际变化所致,然后热带太平洋海温异常可以通过风应力和热通量强迫作用引起印度洋、大西洋海温的年代际变化.在此过程中,海洋环流变化起到了重要作用,例如印度尼西亚贯穿流(ITF)年代际异常对南印度洋次表层海温变化起到关键作用,而大西洋经圈翻转环流(AMOC)则能直接影响到北大西洋深层海温变化.     

ENSO与火山活动的共同作用对大气CO_2浓度年际变化的影响

利用Mauna Loa和南极站点月均观测大气CO_2和δ~(13)C资料分析了大气CO_2浓度的年际变化特征,发现大气CO_2浓度年际变化与ENSO呈正相关而与火山喷发指数呈负相关。大规模火山喷发能够降低强ENSO对大气CO_2浓度的年际变化的影响,不仅与喷发强度有关,还与持续作用时间有关。ENSO与火山喷发共同影响大气CO_2浓度年际变化,而分析期间内的El Chichon和Pinatubo喷发后大气CO_2和δ~(13)C年际变化的差异则受ENSO和火山喷发的强度以及两者的相对起始时间的影响。δ~(13)C分析结合Keeling Plot计算表明,ENSO对大气CO_2浓度年际变化的影响主要通过影响陆地生态系统生产量的变化,而火山喷发对其影响则通过因温度降低和海洋施肥效应所引起的海洋吸收增加。     

冬季北太平洋风暴轴的年代际变化特征及其可能影响机制

利用1958-2002年的ERA-40再分析资料,用谐波变换和EOF方法分析了冬季北太平洋风暴轴在年代际时间尺度上的变化特征,并通过回归分析的方法初步探讨了风暴轴年代际变化的可能影响机制.结果表明,在年代际时间尺度上,北太平洋风暴轴有两种主要模态,第1模态是风暴轴在其气候平均位置增强或减弱的主体一致变化型,其年代际变化受到上游涡旋强迫的影响,北大西洋强(弱)的涡旋活动,使得冬季北太平洋西风急流减弱(增强)、变宽(窄)、北抬(南压),同期北太平洋风暴轴活动偏强(弱),黑潮延续体区海表温度有偏暖(冷)的响应;第2模态是风暴轴中东部在气候平均位置南北两侧振荡的经向异常型,与太平洋年代际振荡(PDO)循环的暖(冷)位相相联系,下垫面海温非绝热加热的作用,激发加强(减弱)大气中类太平洋/北美遥相关型(PNA)的响应,引起大气斜压性异常偏南(北),使得风暴轴整体南压(北抬),且中东部向东南(北)方向移动.因此,冬季北太平洋风暴轴的年代际变化不仅是局地波-流相互作用的结果,还应考虑上游涡旋活动和海温热力强迫的作用.     

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。     

GOALS模式对热带太平洋ENSO年际变化特征的模拟评估

文中重点分析了中国科学院大气物理研究所LASG最新发展的全球大气环流谱模式(R42L9)与一全球海洋环流模式(T63L30)耦合形成的全球海洋-大气-陆面气候系统模式(GOALS/LASG)新版本已积分30 a的模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了赤道太平洋海表温度(SST)的年际变化及其纬向传播、赤道东太平洋SST异常与其他洋面SST变化之间的遥相关关系、赤道太平洋浅表层海温的年际变化特征等研究内容.结果表明,COALS模式模拟出了赤道太平洋SST异常出现不规则的年际变化特点;赤道东太平洋SST异常的向西传播过程;赤道太平洋混合层海温变化由西向东、由深层向浅层的传播过程;同时也模拟出了赤道东太平洋SST变化与赤道西太平洋以及与西南太平洋海温之间的反相关关系,与南印度洋和副热带大西洋SST之间的正遥相关关系等实际观测现象.但COALS模式也存在明显的不足,如对赤道东、中太平洋SST异常的年际变化幅度明显偏小,没能模拟出赤道东太平洋的SST变化比赤道中太平洋强的特点;赤道太平洋SST从东向西的传播速度明显比实际观测慢得多,但混合层海温极值变化由西向东的传播速度明显比实际情况快得多;没能模拟出赤道东太平洋SST变化同西北太平洋SST的负相关和北印度洋海温变化的正相关现象,因此也影响了对南亚、东南亚降水年际变化的模拟能力.     

1986/1987厄尔尼诺期间的西风强化和海气相互作用过程分析

本文利用欧洲中期数值天气预报中心(ECMWF)西北太平洋上空(25°—35°N,110°—180°)850 hPa客观分析的西风分量,计算了1986/1987厄尔尼诺期间的西风强度.结果表明1986年12月—1987年5月西风的累计强度比1986/1987厄尔尼诺前后诸年份同期的西风更强,这种强化与历次厄尔尼诺期间西北太平洋副热带高压的加强是一致的,都反映了哈德莱环流的强化.为了探讨大气环流发生这种变化的原因,作者利用中美海气观测期间的海洋资料,说明了热带两太平洋东部对低纬度大气异常的加热和西部边界流向中纬度海洋输送热量的减少是两个十分重要的原因.     

海表动量和热量通量的数值模拟

本文分析了用IAP两层大气环流模式模拟的海表动量和热量通量,并将其同Han等和Esbensen等的气候资料比较.模拟的热量通量与观测估计值有类似的水平分布和季节变化,但在中低纬地区有偏多的热量由海洋向大气输送,尤其1月北半球中纬大气需要从海洋获得过分多的热量;模拟的海表动量通量和气候估计值也类似,但模拟的北半球冬季中高纬西风动量通量中心位置偏东,赤道中西太平洋和大西洋的东风动量通量偏弱,南半球环绕南极的西风带模拟得过分弱(尤其在7月份).本文还检验了基本变量的日变化和日际变化对计算海表动量和湍流扩散热量通量的影响,结果表明用月平均,日平均和每小时的基本量计算的动量和湍流扩散热量通量依次增大,尤其在中高纬地区更明显.     

印度洋对ENSO事件的响应:观测与模拟

观测事实显示,在El Ni(n～)o期间,伴随着赤道中东太平洋表层海温(SST)的升高,热带印度洋SST出现正距平.作者利用海气耦合模式模拟了印度洋对ENSO事件的上述响应,并进而讨论了其物理机制.所用模式为法国国家科研中心Pierre-Simon-Laplace 全球环境科学联合实验室(IPSL)发展的全球海气耦合模式.该模式成功地控制了气候漂移,能够合理再现印度洋的基本气候态.观测中与ENSO相关的热带印度洋SST变化,表现为全海盆一致的正距平,并且这种变化要滞后赤道中东太平洋SST变化大约一个季度,意味着它主要是对东太平洋SST强迫的一种遥响应,模式结果也支持这一机制,尽管模式中的南方涛动现象被夸大了,使得模拟的与ENSO相关联的SST正距平的位置南移,阿拉伯海和孟加拉湾被负距平(而不是正距平)所控制.研究表明,东太平洋主要通过大气桥影响潜热释放来影响印度洋SST变化.赤道东太平洋El Ni(n～)o事件的发展,导致印度洋上空风场异常自东而西传播;伴随着风场的变化,潜热发生相应变化,并最终导致SST异常的发生.非洲东海岸受索马里急流控制的海域,其SST的变化不能简单地利用热通量的变化来解释.证据显示,印度洋的增暖是ENSO事件发生的结果而不是其前期信号.     

海表温度异常对南亚高压年代际变化影响的数值模拟

应用NCAR CAM3全球大气环流模式以及NCEP/NCAR再分析资料,研究了不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋—太平洋、热带印度洋及热带太平洋)的海表温度异常对夏季南压高压年代际变化的影响。结果表明,全球、热带、热带印度洋—太平洋和热带太平洋这些海域的海表温度异常都对南亚高压强度、面积、南界、西伸脊点和东伸脊点的1970s中后期年代际变化有重要影响:热带太平洋是关键海区,其海表温度第三模态(“三明治”式异常分布型)的变化与南亚高压的这些特征指数的年代际变化关系密切;热带印度洋的海表温度异常,主要是其第一模态(热带印度洋全区一致变化型)的变化与南亚高压强度、面积、南界和西伸脊点的年代际变化关系较密切,热带印度洋也是影响南亚高压年代际变化的关键海区;这两个关键海区的海表温度异常对南亚高压年代际变化影响的主要差异在于:热带太平洋海表温度异常能对南亚高压的东伸脊点的年代际变化有重要影响,而热带印度洋的海表温度异常对其影响小;热带太平洋和热带印度洋这两个海区的海表温度异常均可通过影响热带对流层大气温度的变化进而使南亚高压发生变化;热带外的海表温度异常对南亚高压的年代际变化影响小。     

西北太平洋区域纬向风垂直切变的气候特征研究

西北太平洋区域纬向风垂直切变的变化是影响西北太平洋热带气旋生成和发展的一个重要的动力因子,弱的纬向风切变有利于热带气旋的发生、发展。文中将西北太平洋区域纬向风垂直切变幅度(MWS)定义为850与200 hPa的纬向风之差的绝对值,以研究MWS的气候特征。结果表明,西北太平洋区域的MWS有两个主要空间模态,第1空间模态表现为在15°N以南的热带西太平洋存在MWS东西向变化相反的两个区域,20°N附近的热带西太平洋MWS的变化与其以北海区的MWS的变化相反。第2空间模态表现为在热带太平洋140°E东、西的变化相反。研究了两个模态相关的大气环流特征,发现去掉强ENSO信号后,第1模态不但与低纬度大气环流有关,而且还与南、北半球中高纬度的大气环流有关,第2模态主要与热带西太平洋和北太平洋局地大气环流有关。另外,第1模态的时间系数与赤道东太平洋海温、西北太平洋台风生成频次有着密切联系;第2模态时间系数与西北太平洋台风活动频次联系密切。