东亚夏季风降水年代际变异模态及其与太平洋年代际振荡的关系

利用全球陆地月平均降水资料、英国气象局哈德莱中心的月平均海表温度距平(SSTA)资料及NCEP/NCAR再分析大气环流资料,探讨东亚夏季风降水年代际变率及其与太平洋年代际振荡(PDO)的联系。研究指出:东亚夏季风降水年代际变异模态以及PDO均在1976年前后呈现显著的年代际转折,并且东亚夏季风降水与PDO在年代际尺度上具有较好的相关关系。PDO能够在对流层低层激发出与年代际东亚夏季风环流较为相似的大气环流异常特征,表明东亚夏季风环流的年代际变化可能受大气外强迫因子PDO在对流层低层的外源强迫作用影响,最终导致东亚夏季风降水发生年代际变化。     

北极涛动与北太平洋和北大西洋多年代际振荡的关系研究

利用小波变换和小波互相关分析法对1901—2000年的北极涛动（Arctic Oscillation,AO）、北大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）和北太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation,PDO）的年代际振荡关系进行研究,并利用1 000 hPa高度场合成分析进行验证。结果表明,三个气候模态均有明显的多年代际尺度的振荡特征,且它们在各特征时间尺度上的振荡相关性存在显著区别,主要表现为:在60 a尺度上,AO超前PDO约4 a正相关,AO滞后AMO约12 a负相关;在20～30 a尺度上,AO超前PDO约12 a正相关;在30 a尺度上,AO超前AMO约8 a正相关。在60 a尺度上,超前PDO负位相4 a和滞后AMO正位相12 a的高度场合成结果为AO负位相;在20～30 a尺度上,超前PDO正位相12 a和超前AMO正位相8 a的高度场合成结果为AO正位相。合成分析结果进一步验证了三个模态的相关性。      

论东亚夏季风的特征、驱动力与年代际变化

本文是以新的资料和研究结果对东亚夏季风的基本特征、驱动力和年代际变化所作的重新分析与评估。内容包括四个部分:（1）东亚夏季风的基本特征;（2）东亚夏季风的驱动力;（3）东亚夏季风的年代际变率与原因;（4）东亚夏季风与全球季风的关系。结果表明:东亚夏季风是亚洲夏季风的一个重要有机部分,主要由来源于热带的季风气流组成,并随季节由南向北呈阶段性推进,它是形成夏季东亚天气与气候的主要环流和降水系统。驱动夏季风的主要强迫有三部分:外部强迫、耦合强迫与内部变率,其中人类活动引起的外强迫（气候变暖、城市化、气溶胶增加等）是新出现的外强迫,它正不断改变着东亚夏季风的特征与演变趋势。海洋与陆面耦合强迫作为自然因子是引起东亚夏季风年际和年代际变化的主要原因,其中太平洋年代尺度振荡（PDO）与北大西洋多年代尺度振荡（AMO）的协同作用是造成东亚夏季风30~40年周期振荡的主要原因。1960年代以后,东亚夏季风经历了强—弱—强的年代际变化,相应的中国东部夏季降水型出现了“北多南少”向“南涝北旱”以及“北方渐增”的转变。最近的研究表明,上述东亚夏季风年代际变化与整个亚非夏季风系统的变化趋势是一致的。在本世纪主要受气候变暖的影响,夏季风雨带将持续北移,中国北方和西部地区出现持续性多雨的格局。最后本文指出,亚非夏季风系统相比于其他区域季风系统更适合全球季风的概念。     

北大西洋年代际振荡（AMO）气候影响的研究评述

北大西洋年代际振荡（theAtlantic Multidecadal Oscillation,AMO）是发生在北大西洋区域空间上具有海盆尺度、时间上具有多十年尺度的海表温度（sea surface temperature,SST）准周期性暖冷异常变化。它具有65～80a周期,振幅为0.4℃。AMO的形成与热盐环流的准周期性振荡有关,它是气候系统的一种自然变率。诸多研究表明,AMO在北大西洋局地气候及全球其他区域气候演变中发挥了重要影响。欧亚大陆的表面气温,美国大陆、巴西东北部、西非以及南亚的降水,北大西洋飓风等都与之密切相关。AMO对东亚季风气候的年代际变化有显著的调制作用,暖位相AMO增强东亚夏季风,减弱冬季风,冷位相则相反。本文总结了这方面的研究进展,讨论了AMO对未来气候预测的意义,认为最近20多年来我国冬季的显著增暖与AMO处于暖位相有关,是人类温室气体强迫与暖位相AMO（自然因子）两种增暖影响相叠加的结果。随着AMO逐渐转入冷位相,我国冬季变暖趋势将放慢,并有望于21世纪20年代中期逆转。     

亚洲夏季风的年际和年代际变化及其未来预测

本文是对我们近五年在亚洲夏季风年代际与年际变率及其未来预测方面研究的一个综述.主要包括下列三个问题:(1)根据123年中国夏季降水资料和印度学者的分析,检测出亚洲夏季风具有明显的年代际尺度减弱,这种年代际变化使中国东部(包括东亚)和南亚夏季降水的格局在过去60年中发生了明显变化.在东亚,从1970年代后期开始,主要异常雨带有不断南移的趋势,结果造成了南涝北旱的降水分布,这主要受到60～80年年代际振荡的影响.青藏高原前冬和春季积雪的年代际减少与热带中东太平洋海表温度的年代际增加是东亚降水型改变的主要原因,这是通过减弱亚洲地区夏季海陆温差与夏季风强度而实现的.未来亚洲夏季风的预测表明,东亚夏季风和南亚夏季风对气候变暖有十分不同的响应.东亚夏季风在本世纪将增强,雨带北推,尤其在2040年代之后;而南亚夏季风环流将继续减弱.这种不同的变化是由于两者对高低层海陆热力差异的不同响应造成.(2)年际尺度的变率在亚洲夏季风区主要表现为2年与4～7年的振荡.本文着重分析了2年振荡(TBO)形成的过程、机理及其对东亚降水的影响.对TBO-海洋机理进行了具体的改进,说明了东亚夏季风降水深受TBO影响的原因,尤其是阐明了长江型(YRV) TBO和淮河型(HRV) TBO的特征及其形成的循环过程.(3)在总结亚洲夏季风时期遥相关型的基础上,本文提出了季节内和年际尺度的低空遥相关型:即西北太平洋季风的遥相关型与印度“南支”和“北支”遥相关型.它们基本上反映了沿低空夏季风强风速带Rossby波群速度传播的结果.据此可以根据西北太平洋和印度夏季风的变化分别预测中国梅雨和华北雨季来临和降水异常.最后研究还表明,在本世纪亚洲夏季风可能更显著地受到人类活动造成的全球变暖的影响,未来的亚洲夏季风活动是人类排放的CO2引起的全球变暖与自然变化(海洋和陆面过程(积雪))共同作用的结果.     

1951—2013年我国冬季气温年代际变化与PDO的关系

利用我国160个测站1951—2013年冬季月平均气温资料和1951—2016年间冬季太平洋年代际振荡(PDO：Pacific Decadal Oscillation)指数资料,分析了两者在年际和年代际时间尺度上的相关关系,探讨了PDO对我国冬季气温影响的可能物理过程。结果发现：PDO与我国冬季气温年际变化不显著;在冬季期间,PDO对我国气温的影响是滞后的;PDO与我国冬季气温年代际变化存在密切关系,当PDO处于年代际正(负)位相时,我国气温普遍偏高(低);PDO年代际分量对我国的影响机制为：当PDO指数位于年代际正(负)位相时段,海平面气压场上西伯利亚高压减弱(增强),500 hPa高度场东亚大槽强度减弱(增强),200 hPa纬向风场东亚北支急流减弱(增强),这些都有利于我国冬季气温偏高(低)。     

CMIP5气候模式对中国东部夏季降水年代际变化的模拟性能评估

使用分类集合的方法评估了第五次耦合模式比较计划(CMIP5)多个耦合模式对中国东部夏季降水年代际变化的模拟性能.结果表明,在评估的38个模式中,仅有6个模式(第1类模式)可以成功再现1970年代末中国东部夏季降水年代际变化的主要特征,即长江流域降水偏多、而华北和华南偏少.这些模式模拟的成功归因于它们能较好再现1970年代末东亚夏季风的年代际减弱及相关的环流场的变化,包括东亚沿海的偏北风异常以及西太平洋副热带高压的偏向西南、强度增强等.而对降水年代际变化模拟很差的第2类模式,则模拟出不出东亚夏季风的这种减弱特征.进一步的分析表明,两类CMIP5模式对太平洋年代际振荡(PDO)空间分布特征都有较好的再现能力,但对PDO年代际转变特征的模拟能力则差异较大.第1类模式能很好地模拟出1970年代末热带海洋的增暖和相关的PDO位相由负到正的转换,而第2类模式所模拟的PDO位相转变与观测完全相反,且也不能模拟出热带中东太平洋海洋的年代际增暖及江淮流域夏季的变冷,因此导致该类模式对1970年代末东亚夏季风的减弱和中国东部夏季雨型的年代际转变没有模拟能力.由此也表明,对耦合模式来说,中国夏季降水年代际变化的模拟能力在很大程度上取决于模式对海洋年代际变化信号的模拟.     

东亚夏季风和中国东部夏季降水年代际变化的模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展的第四代大气环流模式模拟了1970年代末东亚夏季风和相关的中国东部夏季降水年代际变化。结果表明,在给定的观测海温强迫下,模式能模拟出东亚夏季风的年代际减弱及 相关的环流场变化,包括东亚沿海的偏北风异常以及西太平洋副高的形态变化,模式还较好再现了中国东部夏季降水的雨型变化,即长江流域降水偏多,而华北和华南偏少,但位置略偏南。基于奇异值分解(SVD)的分析表明,热带海洋变暖是这次东亚夏季风的年代际减弱的主要因素,这与太平洋年代际振荡(PDO)在1970年代末期的位相转变有关。此外,模式还较好模拟了长江流域的变冷趋势,进而减弱了海陆温差,使东亚夏季风减弱。     

太平洋年代际振荡、大西洋年代际振荡和全球变暖对北美地区降水的相对贡献

本文研究了1934～2018年期间太平洋年代际振荡（Interdecadal Pacific Oscillation,IPO）、大西洋年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）以及全球变暖（Global Warming,GW）对北美地区陆地降水年代际变化的相对贡献。首先通过对冬（12至次年2月）、夏季（6～8月）北美地区的陆地降水与中低纬地区的海表面温度进行奇异值分解分析,得到对北美陆地冬季降水相对贡献较大的主要海温模态为IPO（42.33%）和AMO（23.21%）,夏季则为AMO（32.66%）和IPO（21.60%）。其次利用线性回归模型,分析三种信号分别对北美冬、夏季陆地降水的相对贡献及对北美陆地不同区域降水的相对重要性,结果表明AMO对夏季北美陆地降水变化的贡献最大,IPO次之,冬季则相反,GW对冬夏季北美陆地降水都有一定的贡献。夏季期间阿拉斯加地区AMO的贡献最大,约占65.8%,加拿大地区GW的贡献最大,约占44.5%,美国本土及墨西哥地区三者贡献基本一致;冬季期间阿拉斯加和加拿大地区GW的贡献最大,分别为62.3%和44.7%,美国本土和墨西哥地区IPO的贡献最大,分别为47.9%和71.5%。进一步利用信息流方法,验证了IPO、AMO、GW对降水的敏感性区域。最后运用全球大气环流模式ECHAM 4.6进一步确定了太平洋和大西洋海温异常对北美地区陆地降水变化的影响途径,结果表明印度洋海表面温度异常在AMO和IPO对北美陆地降水变化的作用中至关重要。     

CMIP5耦合模式对太平洋年代际振荡的模拟与预估

利用第五次耦合模式比较计划（CMIP5）40个模式的模拟资料和分类集合的方法,评估了耦合模式对20世纪太平洋年代际振荡（PDO）特征的模拟能力。结果表明,CMIP5多数模式对PDO周期有着较好的刻画能力,能模拟出PDO的年代际变化周期。模式对PDO模态空间特征的模拟能力存在较大差异,小部分模式模拟效果较差。进一步的分析表明,对PDO模态模拟较好的第1类模式,能较好地再现热带太平洋与北太平洋海表温度异常（SSTA）年代际变化间的关系,而且热带太平洋SSTA通过大气遥相关影响北太平样海表温度的过程也模拟的较成功。对PDO模态模拟差的模式,不能合理模拟出热带太平洋SSTA对北太平洋海表温度影响的遥相关过程。以上研究也证实了热带太平洋地区海表温度的年代际变率对北太平洋海表温度年代际变率的重要影响,热带太平洋SSTA对北太平洋SSTA的影响是通过大气遥相关实现的。利用CMIP5中等排放情景模拟结果,分析了第1类模式预估的北太平洋年代际变率的特征,发现21世纪北太平洋年代际变率的主要模态为一致的正异常分布且呈现明显的上升趋势,第二模态则表现为类似于20世纪典型PDO的马蹄型SSTA分布。     

Influence of internal decadal variability on the summer rainfall in Eastern China as simulated by CCSM4

The combined impact of the Pacific Decadal Oscillation(PDO) and Atlantic Multidecadal Oscillation(AMO) on the summer rainfall in eastern China was investigated using CCSM4. The strongest signals occur with the combination of a positive PDO and a negative AMO(+PDO- AMO), as well as a negative PDO and a positive AMO(-PDO + AMO). For the +PDO- AMO set, significant positive rainfall anomalies occur over the lower reaches of the Yangtze River valley(YR),when the East Asian summer monsoon becomes weaker, while the East Asian westerly jet stream becomes stronger, and ascending motion over the YR becomes enhanced due to the jet-related secondary circulation. Contrary anomalies occur over East Asia for the-PDO + AMO set. The influence of these two combinations of PDO and AMO on the summer rainfall in eastern China can also be observed in the two interdecadal rainfall changes in eastern China in the late 1970 s and late 1990 s.     

Interdecadal Variability of the Afro-Asian Summer Monsoon System

The Afro-Asian summer monsoon is a zonally planetary-scale system, with a large-scale rainbelt covering Africa, South Asia and East Asia on interdecadal timescales both in the past century(1901–2014) and during the last three decades(1979–2014). A recent abrupt change of precipitation occurred in the late 1990 s. Since then, the entire rainbelt of the Afro-Asia monsoon system has advanced northwards in a coordinated way. Consistent increases in precipitation over the Huanghe–Huaihe River valley and the Sahel are associated with the teleconnection pattern excited by the warm phase of the Atlantic Multidecadal Oscillation(AMO). A teleconnection wave train, with alternating cyclones/anticyclones, is detected in the upper troposphere. Along the teleconnection path, the configuration of circulation anomalies in North Africa is characterized by coupling of the upper-level anticyclone(divergence) with low-level thermal low pressure(convergence), facilitating the initiation and development of ascending motions in the Sahel. Similarly, in East Asia, a coupled circulation pattern also excites ascending motion in the Huanghe–Huaihe River valley. The synchronous increase in precipitation over the Sahel and Huanghe–Huaihe River valley can be attributed to the co-occurrences and in-phase changes of ascending motion. On the other hand, the warm phase of the AMO results in significant warming in the upper troposphere in North Africa and the northern part of East Asia. Such warming contributes to intensification of the tropical easterly jet through increasing the meridional pressure gradient both at the entrance region(East Asia) and the exit region(Africa). Accordingly, precipitation over the Sahel and Huanghe–Huaihe River valley intensifies, owing to ageostrophic secondary cells. The results of this study provide evidence for a consistent and holistic interdecadal change in the Afro-Asian summer monsoon.     

东亚冬季风的年代际变化及其与全球气候变化的可能联系

对近年来中外关于东亚冬季风(EAWM)年代际变化问题研究进展做了回顾和评述,主要包括以下3个方面内容:(1)东亚冬季风明显受到全球气候变化的影响,从20世纪50年代开始,中国冬季气温经历了一次冷期(从20世纪50年代延续到80年代初中期),一次暖期(从20世纪80年代初中后期延续到21世纪初)和近10-15年(约从1998年开始)出现的气候变暖趋缓期(也称气候变暖停顿期)。(2)东亚冬季风主要表现出强-弱-强3阶段的特征,即从1950年到1986/1987年,明显偏强;从1986/1987年冬季开始,东亚冬季风减弱;约2005年之后,东亚冬季风开始由弱转强。与东亚冬季风的年代际变化特征相对应,东亚冬季大气环流以及中国冬季气温和寒潮都表现出一致的年代际变化。(3)东亚冬季风的年代际变化与大气环流和太平洋海表温度(SST)的区域模态变化密切相关。当北半球环状模/北极涛动(NAM/AO)和太平洋年代际振荡(PDO)处于负(正)位相,东亚冬季风偏强(弱),中国冬季气温偏低(高)。此外,北大西洋年代尺度振荡(AMO)对东亚冬季风也有重要影响,在AMO负位相时,对应东亚冷期(强冬季风),正位相对应暖期(弱冬季风)。因而海洋的年代际变化是造成东亚冬季风气候脉动的主要自然原因,而全球气候变暖对东亚冬季风强度的减弱也有明显影响。     

CMIP5模式对AMO与PDO模拟评估及未来预估

利用1880—2009年海表温度(Sea Surface Temperature, SST)观测资料以及耦合模式比较计划第五阶段(Coupled Model Intercomparison Project phase 5,CMIP5)中4种情景(piControl、historical、RCP2.6、RCP4.5)下的模拟资料,通过资料对比,评估了CMIP5模式对两个最为重要年代际尺度模态——北大西洋年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO)和太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)的模拟性能,并分析了在不同增暖情景下,这两个海洋年代际模态的变化特征。结果表明:在historical和piControl情景下,多模式集合可以再现北太平洋、东太平洋和北大西洋海表温度的年代际变化中心,但模拟的AMO和PDO模态的振幅都偏弱,特别是PDO模态在东太平洋强度的再现能力较弱。与观测资料相比,在historical情景下对AMO和PDO时空特征模拟较好的模式有:CESM1-CAM5、FGOALS-g2、GISS-E2-H-CC、MIROC5和NorESM1-ME,多模式集合则有更好的模拟效果。在不同增暖情景下,AMO与PDO的空间特征基本一致且振幅差随增暖变化不明显,但是伴随全球增暖加强,两模态都呈现方差贡献减小的特征,尤其AMO模态。     

Decadal/Interdecadal Variations of the Ocean Temperature and its Impacts on Climate

Decadal/interdecadal climate variability is an important research focus of the CLIVAR Program and has been paid more attention. Over recent years, a lot of studies in relation to interdecadal climate variations have been also completed by Chinese scientists. This paper presents an overview of some advances in the study of decadal/interdecadal variations of the ocean temperature and its climate impacts, which includes interdecadal climate variability in China, the interdecadal modes of sea surface temperature (SST) anomalies in the North Pacific, and in particular, the impacts of interdecadal SST variations on the Asian monsoon rainfall. As summarized in this paper, some results have been achieved by using climate diagnostic studies of historical climatic datasets. Two fundamental interdecadal SST variability modes (7– 10-years mode and 25–35-years mode) have been identified over the North Pacific associated with different anomalous patterns of atmospheric circulation. The southern Indian Ocean dipole (SIOD) shows a major feature of interdecadal variation, with a positive (negative) phase favoring a weakened (enhanced) Asian summer monsoon in the following summer. It is also found that the China monsoon rainfall exhibits interdecadal variations with more wet (dry) monsoon years in the Yangtze River (South China and North China) before 1976, but vice versa after 1976. The weakened relationship between the Indian summer rainfall and ENSO is a feature of interdecadal variations, suggesting an important role of the interdecadal variation of the SIOD in the climate over the south Asia and southeast Asia. In addition, evidence indicates that the climate shift in the 1960s may be related to the anomalies of the North Atlantic Oscillation (NAO) and North Pacific Oscillation (NPO). Overall, the present research has improved our understanding of the decadal/interdecadal variations of SST and their impacts on the Asian monsoon rainfall. However, the research also highlights a number of problems for future research, in particular the mechanisms responsible for the monsoon long-term predictability, which is a great challenge in climate research.     

冬季蒙古高压与北太平洋海温异常的年际尺度关系

蒙古高压和北太平洋海区的气压差被认为是造成东亚冬季风及其变化的重要原因,而过去有关的研究以其年代际时间尺度为多,本文的研究揭示了冬季蒙古高压和北太平洋海温异常(SSTA)在年际时间尺度上的相互关系.冬季蒙古高压的活动与太平洋年代际振荡(PDO)之间在年际时间尺度上也存在明显的负相关,冬季的强(弱)蒙古冷高压活动往往对应...     

亚洲—太平洋夏季风系统的基本模态特征分析

亚洲—太平洋季风区各季风子系统间的相互作用对季风区甚至全球的气候变化都有着显著的影响.整个亚洲—太平洋夏季风系统都处于高层辐散、低层辐合的庞大辐散环流中,从高层辐散中心流出的三支气流分别对推动印度夏季风、东亚副热带夏季风和南海夏季风起着重要的作用,很好地表现了亚洲—太平洋夏季风系统的整体性特征.季风区多种气象要素的基本模态在年代际和年际尺度上都表现出较为一致的变化特征:年代际尺度上亚洲—太平洋夏季风系统整体呈现减弱趋势;年际尺度上存在准2年和准4年的两个周期,其中准2年振荡特征表现为若印度西南季风偏强,则印度季风雨带偏强偏北,导致印度大陆中北部地区降水偏多;同时,由于西太平洋副热带高压的北移和偏强的印度西南季风显著向东延伸,10°N~30°N范围内的西北太平洋地区则表现为异常的气旋性环流,而30°N~50°N之间为反气旋性环流异常,对应东亚夏季风偏强,季风雨带能够北推至我国华北地区.也就是说,当亚洲夏季风中某一季风子系统表现为异常偏强时,另一季风子系统在这一年中也将表现为异常偏强,反之亦然.准2年的振荡周期可能是亚洲—太平洋夏季风系统的一种固有振荡,它从年际尺度上反映了亚洲—太平洋夏季风受热带太平洋—印度洋海温的强迫表现出明显的整体一致特征.