太平洋—日本遥相关型的年代际变化特征及其成因

本文首先利用NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料以及中国753站降水资料对太平洋—日本(Pacific-Japan,简称P-J)遥相关型在上世纪70年代末期气候突变前后的年代际变化特征进行了分析研究。结果表明,在气候突变前后,P-J遥相关型的位置发生了显著的变化,气候突变以后其位置明显向西向南偏移。这种位置的变化同样也反映在纬向风场、高度场上。研究结果还表明,气候突变前后P-J遥相关型的年代际变化与热带太平洋和印度洋海温变化有关。气候突变之前,P-J遥相关型的变化与前期热带太平洋和印度洋海温不存在显著的相关;但在气候突变之后,P-J遥相关型与前期冬春季的热带太平洋、印度洋海温之间存在大范围的显著相关区。这种P-J遥相关型与热带太平洋、印度洋海温相关关系的年代改变可能与1970年代中期以后赤道中东太平洋海温变化振幅明显增强有关。随后,本文采用一个高分辨率的大气环流模式,通过一系列的数值试验也进一步证实了1970年代末期热带太平洋和印度洋海温的年代际变化确实可致使P-J遥相关型位置发生相应的改变。     

影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区及机制初探

利用1958—2011年NCEP/ NCAR再分析资料和ERSST资料,采用Lanczos时间滤波器、相关分析、回归分析、合成分析和交叉检验等方法,研究了影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区海温异常的来源与可能机制。结果表明,前冬(12—2月)热带西南印度洋和热带西北太平洋是影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区。冬季热带西南印度洋(热带西北太平洋)的异常增暖是由前一年夏季El Ni?o早爆发(强印度季风异常驱动的行星尺度东-西向环流)触发、热带印度洋(西北太平洋)局地海气正反馈过程引起并维持到春季。冬季热带西北太平洋反气旋性环流(气旋性环流)及印度洋(热带西北太平洋)的暖海区局地海气相互作用使得印度洋(热带西北太平洋)海温异常维持到春末。春季,逐渐加强北移到10 °N附近的低层大气对北印度洋(热带西北太平洋)暖海温异常响应的东风急流(异常西风)及南海-热带西北太平洋维持的反气旋性环流(气旋性环流)异常,使得南海夏季风晚(早)爆发。      

热带印度洋和太平洋增暖对东亚夏季风趋势的相反影响

利用多成员集合试验结果,比较分析了热带印度洋和太平洋增暖各自对东亚夏季风趋势变化的影响。试验所用模式是GFDLAM2大气环流模式,增暖是通过在气候平均海洋表面温度（SST）基础上,叠加随时间线性增加的、相当于实际50a左右达到的SST异常来实现的。结果表明：热带印度洋和太平洋共同增暖有使东亚夏季风减弱的趋势。相比较而言,单独印度洋增暖有使东亚夏季风增强、华北降水增多的趋势,而单独太平洋增暖有使东亚夏季风减弱的趋势,即印度洋增暖与太平洋增暖对东亚夏季风存在相反的、竞争性影响。进一步分析指出,热带太平洋特别是热带中东太平洋的增温可能对20世纪70年代末期开始的夏季风年代际减弱有更重要的贡献;在未来热带印度洋和太平洋持续增暖、但增暖强度纬向差异减小的新情况下,东亚夏季风减弱的趋势可能还将持续。     

热带西北太平洋与东南印度洋对流活动年际变化联系的年代际改变

采用美国NOAA卫星观测OLR (outing longwave radiation)资料以及NCEP/NCAR、CM AP月平均资料,利用合成分析等方法,研究了热带西北太平洋(125°～140°E,10°～20°N)与热带东南印度洋(90°～105°E,5°～15°S)对流活动异常的联系。结果表明:热带西北太平洋与东南印度洋对流活动异常的联系有显著的年代际变化; 20世纪80—90年代存在显著的正相关,20世纪90年代至21世纪初有显著的负相关,其后转变为正相关。合成分析表明,热带西北太平洋与东南印度洋对流活动正相关时,两地区均存在反气旋性环流,低层辐散、高层辐合,对流活动弱,不利于降水产生,有降水负异常;当热带西北太平洋与东南印度洋对流活动负相关时,两地区环流异常存在明显差别,热带东南印度洋有正的海温异常,高层辐散、低层辐合,有上升运动,对流活动强,有降水正异常,而热带西北太平洋则相反。热带西北太平洋和热带东南印度洋之间的斜向垂直环流圈将这两个地区联系起来,并决定了这两个地区对流活动负相关关系的形成。     

南海夏季风爆发与热带海洋海温和大气环流异常变化关系的研究

用合成和相关分析方法及SVD技术研究了南海夏季风爆发早、晚年份4～6月季风建立时期季风环流的异常及其与热带太平洋-印度洋海温的关系。结果表明,南海夏季风爆发与热带大气环流和海温变异密切相关。（1）当热带中、东太平洋—印度洋（主要在西南部）及南海海温低（高）,西太平洋—澳洲邻近海域海温高（低）时,南海夏季风爆发早（晚）。不同区域海温对季风的影响有明显的季节差异,印度洋主要为晚春至初夏（4～6月）,南海为5～6月,而热带太平洋从前冬一直持续到夏季。（2）不同的海温异常产生不同的季风环流型,南海夏季风爆发早、晚年大气环流的异常变化基本相反。南海夏季风的活动主要受印度季风环流变化的影响,与前期冬春季西太副高的强弱及位置变化密切相关。西太副高弱时,南海夏季风爆发早;反之,爆发晚。（3）热带太平洋—印度洋海温异常引起季风环流和Walker环流的异常变化可能是影响南海夏季风爆发早、晚的物理过程。     

我国秋季降水的年际变化及与热带太平洋海温异常分布的关系

利用我国160个站点58年(1951～2008年)的降水资料、NCEP/NCAR再分析环流资料和Hadley海表温度资料,对我国秋季降水年际变化的特征和可能成因进行了分析。结果显示,秋季降水前两模态分别反映长江流域及以南地区和长江以北的江淮、黄淮、华北、四川盆地北部至河套等地降水的变化,两降水模态的变化都以年际尺度为主,年代际变化特征不明显。就环流形势而言,第一模态的年际变化主要与西太平洋副热带高压的强度及相应的对流层低层菲律宾群岛附近的异常气旋/反气旋联系紧密,第二模态的年际变化则可能受到副热带高压的南北位置和相应的日本岛附近的异常气旋/反气旋的影响。同时,两模态及相应的异常环流还分别与热带东印度洋和热带西太平洋附近的异常垂直运动关系密切,热带地区的异常垂直运动可能通过经圈方向的异常环流影响到东亚地区。此外,两降水模态不仅与热带地区的异常环流关系密切,而且与热带海温异常也存在紧密的联系。与两模态相关联的热带太平洋海温异常显示出不同的分布特征,当热带东太平洋偏暖/冷,西太平洋偏冷/暖时,长江以南地区降水偏多/少。而当热带东太平洋和中太平洋一致偏暖/冷时,长江以北地区降水易偏少/多。两降水模态与热带海温及热带地区异常环流之间的密切关系显示热带太平洋海温异常的不同分布可能通过激发不同的热带地区异常垂直环流形势而对降水产生影响。     

厄尔尼诺年西北太平洋异常反气旋的年际变化特征及其影响

基于1901-2000年多种海-气资料,分析了厄尔尼诺成熟年冬季-初夏西北太平洋异常反气旋（WNPAC）的年际变化特征及其对东亚气候的影响。结果表明,无论是厄尔尼诺事件成熟期的冬季还是次年的春季和初夏,WNPAC的年际变化主要存在两个空间变化型,即反映其强度变化的经验正交函数分解第1模态和反映其位置变化的第2模态。厄尔尼诺成熟年冬季WNPAC强度不仅与赤道中东太平洋海温异常有关,而且与太平洋西部（WP）型遥相关的强度有关,而其位置的变化则主要与西北太平洋局地海温异常以及北极涛动（AO）有关;次年春季,WNPAC的强度除了与赤道中东太平洋海温异常和太平洋西部型遥相关存在显著相关外,还与赤道大西洋海温异常有关,而其位置的变化则主要与西北太平洋局地海温异常和太平洋西部型遥相关有关;次年初夏,WNPAC强度主要与西北印度洋和西南印度洋的海温异常以及东亚-太平洋（EAP）型遥相关的强度有关。进一步分析表明,成熟年冬季-初夏WNPAC的强度和位置的变化均可对东亚地区降水异常分布产生影响,这对预测厄尔尼诺事件发生后冬季及后期春、夏季节东亚地区降水异常分布具有一定的指示意义。此外,次年初夏,WNPAC强度变化与西北太平洋台风发生频数存在显著负相关,即WNPAC越强,台风发生的频数越少,反之亦然。     

热带印度洋偶极子模态的不对称性及其成因的数值研究

热带印度洋偶极子 (Indian Ocean Dipole) 是印度洋海域内海洋和大气环流年际变化的主要特征模态之一, 在热带海气耦合系统中起到非常重要的作用。同热带太平洋的ENSO现象类似, 热带印度洋偶极子也呈现出显著的不对称性。本文利用中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋环流模式, 在观测风应力距平的强迫下, 评估了模式对热带印度洋季节变化、 热带印度洋偶极子 (IOD) 模态及其不对称性的模拟能力, 并且通过数值试验分析了IOD模态不对称性特征及其对气候平均态的影响。对照观测资料, 模式较好地再现了热带印度洋SST在季风驱动下的季节变化特征。在年际时间尺度上, 模式不仅能够再现IOD指数的变化趋势, 而且可以成功模拟出IOD模态的空间分布特征, 即表层和次表层海温在西印度洋表现为正异常, 在东印度洋表现为负异常。可见, 对于热带印度洋而言, IOD模态主要是对风应力异常的响应。热带印度洋海温与Niño3.4指数的相关性分析表明, 模式能够模拟出超前热带太平洋ENSO现象2～4个月时海温的偶极子型分布, 但是不能模拟出滞后ENSO现象2个月左右的全海盆增暖模态, 可能是因为模式试验中没有考虑热通量年际异常的强迫。同时, 模式模拟的IOD模态具有同观测结果相类似的不对称性, 进一步的敏感性试验表明风应力的不对称性对偶极子指数的不对称性贡献较小, 次表层及以下海温的不对称性可能主要受到海洋内部非线性动力过程的影响。通过数值试验, 本文还发现热带印度洋海温的不对称性对气候平均态会有影响, 而这种不对称性长期积累后, 会导致上层热带印度洋温度层结趋于稳定状态。     

印度洋海温异常对南亚区域净初级生产力影响的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋-大气-动态植被耦合气候模式 (GOALS-AVIM) 的模拟结果, 分析了印度洋海表温度 (SST) 变化及其与南亚陆面净初级生产力 (NPP) 的关系。模式连续运行50年, 取后40年结果分析。对模拟的印度洋海表温度距平 (SSTA) 的经验正交分解 (EOF) 进行分析, 发现第一特征向量在全区域表现为一致变化的趋势, 表明在春夏秋冬四季中印度洋海温都有一致增暖或降温的趋势, 同时赤道印度洋海温一致变化与赤道太平洋Niño3指数有滞后的正相关, 太平洋的Niño3指数变化超前印度洋海温一致变化8个月左右。第二特征向量则表现为热带印度洋SST存在着东西方向振荡的偶极子型振荡特征, 而且偶极子强度有明显季节变化, 并有很明显的季节相位锁定。印度洋SSTA的一致变化的异常趋势与南亚地区的季节和年平均NPP变化表现出很强的同期和滞后相关性; 与南亚地区年平均NPP相关性较高的印度洋夏季SST的EOF第一模态正负相位对应着不同的850 hPa流场、 500 hPa高度场以及南亚地区降水场的异常。分析表明, 印度洋及南亚地区的夏季风加强或减弱导致受南亚地区降水异常, 并使该地区NPP产生异常的增加或减少。     

热带东印度洋海表温度持续性的秋季障碍

利用全球海表海温资料(GISST)和NCEP/NCAR再分析风场、海平面气压场资料,研究了热带东印度洋海表温度持续性的季节差异,发现东印度洋海温持续性存在"秋季障碍"现象。进一步分析了东印度洋"秋季障碍"后冬季海温与中东太平洋海温、海平面气压及850hPa风场的关系,并讨论了热带印度洋—太平洋地区海气系统的季节变化与东印度洋"秋季障碍"的关系,结果表明,秋季热带印度洋—太平洋地区海气系统由以印度洋季风环流为主导转向以太平洋海气系统为主导,太平洋海气系统处于急剧加强期,增强的太平洋海气系统对东印度洋海温持续性"秋季障碍"起着重要的作用。     

西南季风期间斯里兰卡降水的年代际、年际变化及其与热带印度洋的联系

本文主要研究了1979—2016期间斯里兰卡在西南季风期间降水的年代际、年际变化以及与印度洋海温的联系.首先用经验正交的方法分析了斯里兰卡以及周边地区降水的时空分布,发现前两个模态能够解释超过70%的方差.其中第一模态为均一模态,且其PC1以及斯里兰卡7 a滑动平均降水序列都有年代际变化,降水异常在2000年前后异常偏多和偏少.通过合成分析发现2000年之后降水的异常减少与热带西部、中部印度洋的暖海温异常有关.暖海温异常通过调整经向环流引起了斯里兰卡上空的下沉运动,抑制了降水.在第二模态中,负的信号出现在斯里兰卡大部分地区,只有在斯里兰卡北部海角很小地区出现了正的信号.PC2表现出了年际变化,且与热带东南印度洋海温异常有显著的关系.通过Gill-Matsuno响应,热带东南印度洋海温异常造成热带北印度洋上空的气旋性环流异常,引起了水汽的辐合,从而利于降水.     

Spring Indian Ocean-western Pacific SST contrast and the East Asian summer rainfall anomaly

studying the relationship between SST in the tropical Indian Ocean （TIO）, tropical western Pacific （TWP）, and tropical eastern Pacific （TEP） and East Asian summer rainfall （EASR）, using data provided by NOAA/OAR/ESRL PSD and the National Climate Center of China for the period 1979-2008, an index, SSTDI, was defined to describe the SST difference between the TIO and TWP. In comparison with the winter ENSO, the spring SST contrast between the TIO and TWP was found to be more significantly associated with summer rainfall in East Asia, especially along the EASR band and in Northeast China. This spring SST contrast can persist into summer, resulting in a more significant meridional teleconnection pattern of lower-tropospheric circulation anomalies over the western North Pacific and East Asia. These circulation anomalies are dynamically consistent with the summer rainfall anomaly along the EASR band. When the SSTDI is higher （lower） than normal, the EASR over the Yangtze River valley, Korea, and central and southern Japan is heavier （less） than normal. The present results suggest that this spring SST contrast can be used as a new and better predictor of EASR anomalies.     

春季热带南大西洋海表温度异常与夏季亚澳季风区降水异常的联系

利用1979—2019年Hadley中心的海表温度资料、GPCP的降水资料以及NCEP-DOE的再分析资料等,分析了北半球春季热带南大西洋海表温度异常与北半球夏季亚澳季风区降水异常的联系。研究表明,北半球春季热带南大西洋海表温度异常与随后夏季热带西太平洋到南海（澳大利亚东侧海域到热带东印度洋）地区的降水异常为显著负相关（正相关）关系。北半球春季热带南大西洋的海表温度正异常可以引起热带大西洋和热带太平洋间的异常垂直环流,其中异常上升支（下沉支）位于热带大西洋（热带中太平洋）。热带中太平洋的异常下沉气流和低层辐散气流引起热带中西太平洋低层的异常东风,后者有利于热带中东太平洋海表温度出现负异常。通过Bjerknes正反馈机制,热带中东太平洋海表温度异常从北半球春季到夏季得到发展。热带中东太平洋海表温度负异常激发的Rossby波使得北半球夏季热带西太平洋低层出现一对异常反气旋。此时,850 hPa上热带西太平洋到海洋性大陆地区为显著的异常东风,有利于热带西太平洋到南海（澳大利亚东侧海域到热带东印度洋）地区出现异常的水汽辐散（辐合）,导致该地区降水减少（增加）。     

The Oscillation between Tropical Indian Ocean and North Pacific:Evidence and Possible Impact on Winter Climate in China

This paper provides evidence that the variation of boreal winter sea level pressure (SLP) over the North Pacific is out-of-phase with SLP fluctuation over the tropical Indian Ocean on both the interdecadal and interannual time scales.Subsequently,a SLP between tropical Indian Ocean and North Pacific (TIO-NP) oscillation index is defined to indicate the variation of such out-of-phase fluctuation.Moreover,the simultaneous surface air temperature and precipitation anomalies in China are closely related to TIO-NP oscillations.Below-normal surface air temperature anomalies in the northern and the eastern part of China,and less rainfall in southern China,correspond to positive TIO-NP oscillation phase with negative SLP anomalies in tropical Indian Ocean and positive anomalies in North Pacific.The TIO-NP oscillation affects China’s winter climate anomalies,possibly through modulating the northeast East Asia winter monsoon.     

2015/2016超强El Nio对中国南方冬春季降水的影响分析

利用1981—2016年的中国160站降水资料、OISST海温资料和NCEP/NCAR大气环流资料,对比分析了中等强度El Nio和2015/2016超强El Nio对中国东南部、江淮流域和西南地区冬春季降水影响的异同。结果表明:在中等强度El Nio的冬季,偏暖的赤道中东太平洋海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)所激发的西北太平洋和日本附近的异常反气旋环流,其异常的西南风会加强南海—西北太平洋的水汽向中国东部输送,造成中国东南部和江淮流域的降水一致偏多。2015/2016超强El Nio的冬季,赤道中东太平洋SST的强度异常偏强,中国东部异常偏冷的表面气温和对流层低层温度加强大陆冷高压,长江流域及其以北地区受异常强的北风控制,从而造成中国东南部降水增多、江淮流域降水减少。在2015/2016超强El Nio事件衰减位相的春季,中国东南部和西南部降水的增加主要归因于异常偏暖的西北印度洋和东南印度洋SST的作用。经CAM5模式试验证明,西北印度洋异常偏暖的SST引起了北印度洋的异常西南风,激发了孟加拉湾—西北太平洋的异常反气旋,加强了印度洋和南海—西北太平洋的水汽向中国西南和东南部输送。此外,东南印度洋异常偏暖的SST还会激发局地异常上升运动,通过经向垂直环流加强南海—西北太平洋异常下沉运动,诱使中国东南部的上升运动加强,导致降水增多。     

热带印度洋春季海表温度异常与南海夏季风强度变化的关系

利用50年的Reynolds月平均海表温度资料和NCEP/NCAR全球大气再分析资料,分析了热带印度洋春季海温异常对南海夏季风强度变化的影响。结果表明:1)热带印度洋春季海表温度距平(SSTA)的模态主要是全区一致型(USBM)和热带南印度洋偶极型(SIODM),USBM模态既有年际时间尺度的变化特征,又有年际以上时间尺度的变化特征,既包含有对冬季ENSO信号响应的变化特征,又有独立于ENSO的变化特征;SIODM模态主要表现为独立于ENSO的年际时间尺度变化。2)USBM模态与南海夏季风强度变化呈显著负相关关系,且二者都是对冬季ENSO信号的响应,USBM模态的年际变化不能独立于ENSO信号影响南海夏季风的强度变化。3)经(1~8年)带通滤波及去除ENSO信号的热带印度洋春季SSTA的SIODM型分布是影响南海夏季风强度变化的主要模态,表现为热带东南印度洋为负(正)、其他海区为正(负)时,南海夏季风强度增强(减弱),大气环流对热带东南印度洋SSTA热力作用的响应是造成这一关系的直接原因,SIODM型的SSTA分布与南海夏季风年际异常关系在热带印度洋长期变化趋势的暖位相期显著,在长期变化趋势的冷位相期不显著。     

热带对流季内振荡强度异常特征及其与海表温度的关系

利用外逸长波辐射 (outgoing longwave radiation, OLR) 资料分析了热带对流季内振荡 (ISO) 强度的季节变化及年际异常特征, 重点研究其与海表温度的关系。结果表明:最强的OLR季内振荡主要位于高海表温度 (SST) 区, 即热带印度洋和热带西太平洋区域, 终年存在, 冬、春季最强, 振荡中心偏于夏半球。OLR季内振荡强度年际异常显著区域是热带中东太平洋区域、西北太平洋区域和西南太平洋区域, 它与SST年际异常存在局地正相关关系, 伴随环流的辐合辐散, 并与ENSO事件关系密切。另外, El Ni?o事件发生之前, 热带印度洋和热带西太平区域OLR季内振荡增强, 其中心随事件的发展逐渐东移, 事件发生后这两个区域ISO减弱, 这与OLR季内振荡强度年际异常显著的区域具有内在连贯性。海表温度是决定OLR季内振荡强度季节变化、年际异常的一个关键因子。     

正交小波变换和时间分集联合盲均衡算法

利用全球海表海温资料（GISST）和NCEP／NCAR再分析风场、海平面气压场资料,研究了热带东印度洋海表温度持续性的季节差异,发现东印度洋海温持续性存在“秋季障碍”现象.进一步分析了东印度洋“秋季障碍”后冬季海温与中东太平洋海温、海平面气压及850hPa风场的关系,并讨论了热带印度洋一太平洋地区海气系统的季节变化与东印度洋“秋季障碍”的关系,结果表明,秋季热带印度洋一太平洋地区海气系统由以印度洋季风环流为主导转向以太平洋海气系统为主导,太平洋海气系统处于急剧加强期,增强的太平洋海气系统对东印度洋海温持续性“秋季障碍”起着重要的作用.