热带印度洋海温的年际异常及其海气耦合特征

利用长期观测资料分析了印度洋海温距平的年际变化及其海气耦合特征,结果表明热带印度洋海温距平的变化存在显著的距平符号东西一致的单极型和距平符号东西相反的偶极型,其出现的概率分别为67%和33%.偶极期间在热带印度洋和西太平洋海洋性大陆上空的大气中存在着明显的Walker类型的环流,具有显著的局地海气耦合特征,而单极期间这种特征不明显.大部分偶极子的生命史都非常短暂,其持续发展的主要特征表现为西印度洋正距平的增加、东移和东印度洋负距平的不断加强.单极的发展为整个海盆的不均匀增暖.单极向偶极的转换可以分为两类,第I类表现为赤道西印度洋海表温度距平由负转变成正后逐渐向东扩展,东印度洋的负距平范围逐步缩小;第II类是东南印度洋海表温度的负距平不断加强并略向西发展,而西部保持正距平.这种转换还经历了一个年代际变化,20世纪70年代中后期以前主要是第I类转换,以后则第II类占绝大多数.     

热带印度洋海温的年际变化与ENSO

文中讨论了热带印度洋海表温度距平空间分布的年际变化与赤道中东太平洋海温的关系。EOF分析的结果表明 ,印度洋海温的变化主要存在全区符号一致的单极型和西部与东南部符号相反的偶极型 ,它们具有显著的年际变化。小波凝聚谱揭示了单极、偶极的变化与Nino3区海表温度距平存在密切关系 ,印度洋海温距平从偶极到单极的变化对应着ElNi no事件从发展到衰减的过程。平均而言 ,印度洋偶极超前Nino3区海温距平约 4个月 ,单极滞后约 6个月。整个热带印度洋 -太平洋地区海气耦合特征的演变表明 ,与ElNino从发展到衰减相联系的热带西太平洋海气耦合相互作用在印度洋海温距平从偶极到单极的演变过程中起着非常重要的作用。     

印度洋偶极子对热带大气季节内振荡传播的可能影响

利用多种大气和海温资料,通过相关、合成分析以及个例对比分析,重点研究了热带印度洋偶极型海温模态对热带大气季节内振荡传播的可能影响。结果表明:东南印度洋30～60天OLR距平及赤道印度洋中部30～60天850 hPa纬向风距平都与偶极子指数显著相关;印度洋正（负）偶极型海温模态对应的东印度洋异常冷（暖）水以及赤道印度洋中部850 hPa东（西）风距平阻碍（促进）了季节内对流活动的持续性东传,使得MJO的传播在赤道东印度洋-西太平洋发生明显的中断（持续）。      

平流层极涡振荡与ENSO热带海温异常的时空联系

利用一个在等熵位涡坐标下建立的平流层极涡振荡(Polar Vortex Oscillation)指数,以及NCEP/NCAR再分析资料和NOAA_OISST_V2逐周海温资料,研究了月尺度以上热带海温异常与平流层极涡振荡的时间和空间联系,通过相关、回归以及合成分析发现,两者的显著联系主要发生在3—5年的年际时间尺度上,表现为ENSO型海温异常与极涡振荡年际趋势之间的时空关联。首先,两者的关系并不表现在同期相关上,而是当ENSO海温异常超前极涡振荡年际异常9—11个月时,两者具有最大的负相关关系。当前期热带海温偏暖(冷)时,9—11个月后极涡振荡的年际趋势为负(正)的异常,即极涡偏弱(强)或负(正)振荡事件为主。统计合成结果进一步证实,前期热带ENSO海温暖事件背景下,后期极涡振荡负事件的发生比正事件更多,强度更强,持续时间也更长,反之亦然;另外,前期热带ENSO暖海温背景下,极涡正、负振荡事件的发生均更频繁。研究连接热带ENSO海温异常与平流层极涡振荡的过程发现,热带海温异常不仅可在热带地区引起大气温度的异常响应,而且可以引发从平流层热带到极区的一系列温度异常同时向下和向极区的传播过程,并与9—11个月以后发生在极区的极涡振荡异常相联系。表明与热带海温异常相联系的极涡振荡年际异常,可能存在与季节尺度极涡振荡中类似的全球质量环流的异常变化。     

与不同El Nino相伴的IOD事件的季节演变特征对比

基于1951—2012年逐月海洋和大气多种要素的再分析资料,分析了与两类El Nino相伴的IOD(Indian Ocean Dipole,印度洋偶极子)事件盛期的海洋和大气异常特征,并进一步对比了与不同类型El Nino相伴的IOD事件的季节演变及对应的海气耦合过程。结果表明:两类IOD事件盛期时,暖海温强度和位置有显著差异。发生在东部型El Nino期间的IOD事件(简称EP-IOD)盛期,正(负)SSTA中心出现在热带西北(赤道东南)印度洋,强度相当,对应的热带印度洋—海洋大陆异常Walker环流强度较强、范围较大;与中部型CP El Nino相伴的IOD事件(简称CP-IOD)的正SSTA相对较弱,且偏于南印度洋,异常Walker环流较弱、较窄。在季节演变中,两类IOD事件期间的局地海气过程差异显著,伴随着西印度洋西南季风减弱和东印度洋异常东风加强,EP-IOD事件的发展以西正东负的偶极型异常海温的出现及加强为主要特征;而CP-IOD事件的发生发展则与西北印度洋异常冷海温的生消及南印度洋暖水的堆积相伴,表现为"-+-"三极型SSTA的出现并转为西正东负偶极型的过程,夏季时出现在东印度洋的异常东风以及赤道中印度洋低层负涡度异常水平环流对其发展具有重要作用。     

冬季和春季印度洋海温异常年际变率模态对中国东部夏季降水的可能影响过程

印度洋热力状况是影响全球气候变化和亚洲季风变异的一个重要的因素,但以往研究更多关注热带印度洋海温的变化,对南印度洋中高纬地区海温变化关注不够,由此限制了我们对印度洋的全面认识.本文研究了年际尺度上整个印度洋海温异常主导模态的特征及其对我国东部地区夏季降水的可能影响过程,以期望为气候变异研究及预测提供理论依据.研究结果表明:全印度洋海温异常年际变率的主导模态特征是在南印度洋副热带地区海温异常呈现西南—东北反向变化的偶极子模态,西极子位于马达加斯加以东南洋面,东极子位于澳大利亚以西洋面;同时,热带印度洋海温异常与东极子一致.当西极子为正的海温异常,东极子、热带印度洋为负异常时定义为正的印度洋海温异常年际变率模态;反之,则为负的印度洋海温异常年际变率模态.从冬至春,印度洋海温异常年际变率模态具有较好的季节持续性;与我国长江中游地区夏季降水显著负相关,而与我国华南地区夏季降水显著正相关.其可能的影响过程为:对于正的冬、春季印度洋海温异常年际变率模态事件,印度洋地区异常纬向风的经向大气遥相关使得热带印度洋盛行西风异常,导致春、夏季海洋性大陆对流减弱,使夏季西太平洋副热带高压强度偏弱、位置偏东偏北,造成华南地区夏季降水增多,长江中游地区降水减少;反之亦然.同时,印度洋海温异常年际变率模态可通过改变印度洋和孟加拉湾向长江中游地区的水汽输送而影响其夏季降水.     

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。     

2004年夏季经向型雨带及其与印度洋偶极模异常海温的关系

针对2004年夏季降水为南北向雨带分布的异常特点,利用NCEP/NCAR再分析资料对可能造成2004年准经向降水分布的海温场、高度场及水汽输送特征进行了分析,并与夏季降水呈纬向分布的2003年进行了比对.分析结果表明,2004年夏季西太平洋副热带高压偏北、偏东,中国大陆中纬度地区东部为异常偏东水汽输送,西部为异常偏西的水汽输送,东、西风在110°E形成南北向交界,有利于形成南北经向型的水汽辐合和降水分布.而在2003年夏季,西太平洋副热带高压偏南、偏西,在长江以南形成稳定的带状副高,有利于雨带长时间稳定在副高北侧的淮河流域,同时中国大陆35°N以南地区为异常偏西水汽输送,以北地区为异常偏东的水汽输送,正、负异常纬向风形成东西向交界,有利于形成东西纬向型的水汽辐合和带状降水分布.对海温状况的分析发现,虽然2003年和2004年太平洋异常海温信号较弱,但印度洋和中国大陆近海海温却有明显的差异,2004年夏季西北太平洋异常海温北高南低,西印度洋海温异常偏冷,赤道热带印度洋海温呈东暖西冷的偶极模负相位特征.而在2003年淮河强降水发生同期,西北太平洋异常海温南高北低,西印度洋海温异常偏暖,赤道热带印度洋海温呈东冷西暖的偶极模正相位特征.因此,印度洋异常海温偶极模的不同相位可能是造成2003、2004年中国夏季降水不同雨带分布型的重要原因.利用中国160个代表站1950～1999的降水资料,进一步分析了印度洋偶极模不同相位异常海温对中国夏季降水的影响,结果发现,印度洋偶极模正相位有利于中国南方降水的西移和北方降水的东进,趋向于形成东西纬向型降水分布; 而印度洋偶极模负相位有利于中国南方降水的东退和北方降水的西移,趋向于形成南北经向型降水分布.     

印度洋海温年际异常与热带夏季季节内振荡的关系及其数值模拟研究

利用观测分析资料和SINTEX-F海气耦合长时间(70年)数值模拟结果,分析了印度洋海温年际异常与热带夏季季节内振荡(BSISO)各种传播模态之间关系及其物理过程。结果表明,印度洋海温年际异常与热带BSISO关系密切,当印度洋为正(负)偶极子情况,中东印度洋北传BSISO减弱(加强);当印度洋为正(负)海盆异常(BWA)情况,印度洋西太平洋赤道地区(40°E -180°)东传BSISO加强(减弱)。印度洋海温年际变化通过大气环流背景场和BSISO结构影响热带BSISO不同传播模态强度的年际变化。在负(正)偶极子年夏季,由于对流层大气垂直东风切变加强(减弱),对流扰动北侧的正压涡度、边界层水汽辐合加强更明显(不明显),导致形成BSISO较强(弱)的经向不对称结构,因此北传BSISO偏强(减弱)。印度洋BWA模态通过影响赤道西风背景以及海气界面热力交换,导致赤道东传BSISO强度产生变化。在正BWA年夏季,赤道地区西风较明显,当季节内振荡叠加在这种西风背景下,扰动中心的东侧(西侧)风速减弱(加强)更明显,海面蒸发及蒸发潜热减弱(加强)更明显,导致扰动中心的东侧(西侧)海温升高(降低)幅度更大,从而使边界层产生辐合(辐散)更强、水汽更多(少),因此赤道东传BSISO偏强;而在负BWA年,赤道地区西风背景减弱,以上物理过程受削弱使赤道东传BSISO偏弱。     

中国南方夏季降水与热带印度洋偶极型海温异常的联系

利用1979-1999年GISST和CMAP月平均资料,用线性回归滤除印度洋偶极子(IOD)指数和ENSO的相互干扰,定义纯IOD指数和纯Nino3指数,将海温距平处理为相对独立的3个部分,通过相关和合成分析得到:6-8月印度洋偶极型海温及热带中印度洋海温异常与中国南方夏季降水都有很好的正相关关系,并且二者对南方夏季降水序列的拟合方差贡献显著,表明热带印度洋海温异常与中国南方夏季降水的关系密切;5月份热带印度洋海温年际变化可以解释60 %左右的南方夏季降水异常,这对南方降水的预测具有非常好的指导意义.在正(负)IOD年,热带印度洋SSTA引起我国南方地区大气异常上升(下沉)运动,中国南方为整层水汽的异常辐合(辐散)区,从而使中国南方夏季降水异常偏多(偏少).     

Tropical Indian Ocean variability revealed by self-organizing maps

The tropical Indian Ocean climate variability is investigated using an artificial neural network analysis called self-organizing map (SOM) for both observational data and coupled model outputs. The SOM successfully captures the dipole sea surface temperature anomaly (SSTA) pattern associated with the Indian Ocean Dipole (IOD) and basin-wide warming/cooling associated with ENSO. The dipole SSTA pattern appears only in boreal summer and fall, whereas the basin-wide warming/cooling appears mostly in boreal winter and spring owing to the phase-locking nature of these phenomena. Their occurrence also undergoes significant decadal variation. Composite diagrams constructed for nodes in the SOM array based on the simulated SSTA reveal interesting features. For the nodes with the basin-wide warming, a strong positive SSTA in the eastern equatorial Pacific, a negative Southern Oscillation, and a negative precipitation anomaly in East Africa are found. The nodes with the positive IOD are associated with a weak positive SSTA in the central equatorial Pacific or positive SSTA in the eastern equatorial Pacific, a positive (negative) sea level pressure anomaly in the eastern (western) tropical Indian Ocean, and a positive precipitation anomaly over East Africa. The warming in the central equatorial Pacific appears to correspond to El Niño Modoki discussed recently. These results suggest usefulness of SOM in studying large-scale ocean–atmosphere coupled phenomena.     

RELATIONSHIPS BETWEEN AUTUMN INDIAN OCEAN DIPOLE MODE AND THE STRENGTH OF SCS SUMMER MONSOON

Based on 1948 - 2004 monthly Reynolds Sea Surface Temperature (SST) and NCEP/NCAR atmospheric reanalysis data, the relationships between autumn Indian Ocean Dipole Mode (IODM) and the strength of South China Sea (SCS) Summer Monsoon are investigated through the EOF and smooth correlation methods. The results are as the following. (1) There are two dominant modes of autumn SSTA over the tropical Indian Ocean. They are the uniformly signed basin-wide mode (USBM) and Indian Ocean dipole mode (IODM), respectively. The SSTA associated with USBM are prevailing decadal to interdecadal variability characterized by a unanimous pattern, while the IODM mainly represents interannual variability of SSTA. (2) When positive (negative) IODM exists over the tropical Indian Ocean during the preceding fall, the SCS summer monsoon will be weak (strong). The negative correlation between the interannual variability of IODM and that of SCS summer monsoon is significant during the warm phase of long-term trend but insignificant during the cool phase. (3) When the SCS summer monsoon is strong (weak), the IODM will be in its positive (negative) phase during the following fall season. The positive correlation between the interannual variability of SCS summer monsoon and that of IODM is significant during both the warm and cool phase of the long-term trend, but insignificant during the transition between the two phases.     

热带印度洋海温异常不同模态对南海夏季风爆发的可能影响

热带印度洋海温异常两种主要的模态分别是春季最强的全区一致型海温变化和秋季发展成熟的东西反位相偶极型模态, 本文主要分析了这两种海温模态对当年南海夏季风爆发的不同影响机制。对热带印度洋全区一致增暖和变冷年份的合成分析表明: 热带印度洋的增暖 (变冷) 通过海气相互作用激发印度洋－西太平洋异常的Walker环流圈, 加强 (减弱) 西太平洋副热带高压的强度, 进而有利于南海夏季风爆发的推迟 (提早)。由于热带印度洋全区一致型海温变化滞后响应于前冬ENSO事件, 因此, 作者提出热带印度洋的这种海温模态对维持ENSO对第二年南海夏季风爆发的影响起到了重要的传递作用。作者进一步通过1994年个例研究了热带印度洋偶极型海温模态对南海夏季风爆发的可能影响。1994年的热带印度洋偶极子在初夏就表现出很强的强度, 显著削弱了印度洋的夏季风环流, 尤其是索马里急流和赤道印度洋西风气流的强度。南海上游季风气流的减弱以及热带印度洋异常反气旋的发展阻碍了印度洋西南季风向南海的推进, 从而使得这一年南海夏季风爆发偏晚大约2候。     

Decadal and interannual variability of the Indian Ocean Dipole

This study investigates the decadal and interannual variability of the Indian Ocean Dipole （IOD）. It is found that the long-term IOD index displays a decadal phase variation. Prior to 1920 negative phase dominates but after 1960 positive phase prevails. Under the warming background of the tropical ocean, a larger warming trend in the western Indian Ocean is responsible for the decadal phase variation of the IOD mode. Due to reduced latent heat loss from the local ocean, the western Indian Ocean warming may be caused by the weakened Indian Ocean westerly summer monsoon. The interannual air-sea coupled IOD mode varies on the background of its decadal variability. During the earlier period （1948-1969）, IOD events are characterized by opposing SST anomaly （SSTA） in the western and eastern Indian Ocean, with a single vertical circulation above the equatorial Indian Ocean. But in the later period （1980-2003）, with positive IOD dominating, most IOD events have a zonal gradient perturbation on a uniform positive SSTA. However, there are three exceptionally strong positive IOD events （1982, 1994, and 1997）, with opposite SSTA in the western and eastern Indian Ocean, accompanied by an El Nifio event. Consequently, two anomalous reversed Walker cells are located separately over the Indian Ocean and western-eastern Pacific; the one over the Indian Ocean is much stronger than that during other positive IOD events.     

Effects of air�Csea coupling on the boreal summer intraseasonal oscillations over the tropical Indian Ocean

The effects of air?Csea coupling over the tropical Indian Ocean (TIO) on the eastward- and northward-propagating boreal summer intraseasonal oscillation (BSISO) are investigated by comparing a fully coupled (CTL) and a partially decoupled Indian Ocean (pdIO) experiment using SINTEX-F coupled GCM. Air?Csea coupling over the TIO significantly enhances the intensity of both the eastward and northward propagations of the BSISO. The maximum spectrum differences of the northward- (eastward-) propagating BSISO between the CTL and pdIO reach 30% (25%) of their respective climatological values. The enhanced eastward (northward) propagation is related to the zonal (meridional) asymmetry of sea surface temperature anomaly (SSTA). A positive SSTA appears to the east (north) of the BSISO convection, which may positively feed back to the BSISO convection. In addition, air?Csea coupling may enhance the northward propagation through the changes of the mean vertical wind shear and low-level specific humidity. The interannual variations of the TIO regulate the air?Csea interaction effect. Air?Csea coupling enhances (reduces) the eastward-propagating spectrum during the negative Indian Ocean dipole (IOD) mode, positive Indian Ocean basin (IOB) mode and normal years (during positive IOD and negative IOB years). Such phase dependence is attributed to the role of the background mean westerly in affecting the wind-evaporation-SST feedback. A climatological weak westerly in the equatorial Indian Ocean can be readily reversed by anomalous zonal SST gradients during the positive IOD and negative IOB events. Although the SSTA is always positive to the northeast of the BSISO convection for all interannual modes, air?Csea coupling reduces the zonal asymmetry of the low-level specific humidity and thus the eastward propagation spectrum during the positive IOD and negative IOB modes, while strengthening them during the other modes. Air?Csea coupling enhances the northward propagation under all interannual modes due to the persistent westerly monsoon flow over the northern Indian Ocean.     

REGIONAL DISCREPANCIES OF THE IMPACT OF TROPICAL INDIAN OCEAN WARMING ON NORTHWEST PACIFIC TROPICAL CYCLONE FREQUENCY IN THE YEARS OF DECAYING EL NIO

This study investigates the influences of tropical Indian Ocean(TIO) warming on tropical cyclone(TC)genesis in different regions of the western North Pacific(WNP) from July to October(JASO) during the decaying El Nio. The results show significant negative TC frequency anomalies localized in the southeastern WNP. Correlation analysis indicates that a warm sea surface temperature anomaly(SSTA) in the TIO strongly suppresses TC genesis south of 21°N and east of 140°E in JASO. Reduced TC genesis over the southeastern WNP results from a weak monsoon trough and divergence and subsidence anomalies associated with an equatorial baroclinic Kelvin wave. Moreover,suppressed convection in response to a cold local SSTA, induced by the increased northeasterly connected by the wind-evaporation-SST positive feedback mechanism, is found unfavorable for TC genesis. Positive TC genesis anomalies are observed over higher latitudinal regions(at around 21°N, 140°E) and the western WNP because of enhanced convection along the northern flank of the WNP anomalous anticyclone and low-level convergence,respectively. Although local modulation(e.g., local SST) could have greater dominance over TC activity at higher latitudes in certain anomalous years(e.g., 1988), a warm TIO SSTA can still suppress TC genesis in lower latitudinal regions of the WNP. A better understanding of the contributions of TIO warming could help improve seasonal TC predictions over different regions of the WNP in years of decaying El Nio.