大西洋海温异常对东亚夏季大气环流影响的数值试验

近年来人们对东亚夏季大气环流年际异常及其机制已经进行了不少研究,一般认为外强迫作用尤其是热带太平洋海温异常是大气异常产生的重要原因之一,相对而言,大西洋海温异常作用及其对东亚夏季大气环流和季风环流的影响没有得到足够的重视,Rowntree(1976)和Gamb等(1987)先后研究了大西洋海温异常对冬季北半球大气的影响,表明通过激发欧亚型(EU)波列完全可以引起冬季亚洲大气环流异常。本文目的主要是研究大西洋海温增暖对夏季东亚大气环流特别是季风环流的影响及其可能的机制。     

末次冰期东亚区域气候变化的情景和机制研究

用一嵌套在全球大气环流模式中的区域气候模式,通过数值试验和对内外因作用的机制分析,探讨了以末次冰期为背景的大尺度强迫引起的大气环流和区域内下垫面条件异常等中尺度强迫影响区域气候变化的过程和机制。大尺度强迫和区域内局地的中尺度强迫通过不同的热力和动力学过程影响大气运动状况和区域气候的变化。末次冰期大尺度强迫引起的全球大气环流背景的变化是形成冰期和现代区域气候差异的主要原因。     

全球大气／热带太平洋耦合距平模式中由ENSO增暖引起的全球大气环流异常

本文利用全球大气／热带太平洋耦合距平模式模拟了一次类似于实际的ENSO增暖过程，并对由ENSO增暖引起的海洋和全球大气环流异常的主要特征进行了分析，指出:耦合模式中的ENSO增暖在热带地区主要伴随着赤道中西太平洋Walker环流的减弱、中东太平洋气压降低以及表层辐合上升运动的增强；夏季和冬季低纬环流异常具有明显的差异性，夏季主要表现为印度夏季风环流的显著减弱和东亚季风的增强，而冬季则主要表现为赤道所有纬向环流圈均减弱；温带大气环流异常冬夏季也具有明显不同特征，夏季温带大气异常主要限于东半球，且发源于亚洲季风区，和赤道中东太平洋海温异常似无直接联系，但冬季温带大气异常则主要是发源于海温异常区的波列响应，反映了海温异常直接热力强迫的结果。另外，本文对耦合模式中的温带大气环流异常产生的可能机制也进行了讨论。     

亚洲夏季风活动激发北半球大气遥相关的物理机制探讨Ⅱ.最优强迫模及其响应

利用最近发展的完备正规强迫模的动力学方法,对亚洲夏季风活动激发北半球大气遥相关的外部物理机制进行了探讨.结果表明,北半球夏季亚洲季风区是外强迫最敏感区域之一,最优强迫模与亚洲季风区季内时间尺度对流活动的结构特征相似,而且北半球大气对最优强迫模的响应与滞后于强季风候的环流异常型结构一致,由此可以认为,亚洲夏季风活动造成的热状况变化也是导致北半球大气遥相关的重要物理原因.     

季节内尺度热带-中纬相互作用机制初探

本文使用一个简单的全球二层大气环流模式作了强迫响应数值试验。模式中引入了代表热带低频偶极型对流的异常强迫.结果表明这一强迫不仅能激发显著的局地大气响应,也能引起北半球中纬显著的低频异常波列,中纬波列的发展与热带强迫变化之间存在四分之一位相差关系.这些结果与观测研究的结果一致.进一步的分析表明,大气响应的位相滞后与强迫产生的能量从内模向外模的非线性转换过程有关.最后提出了季节内尺度热带-中纬相互作用的可能机制.     

冬季低纬度热源异常在北半球对流层大气环流异常中的作用

本文首先从理论上讨论了北半球冬季低纬度强迫源与中纬度强迫源强迫所产生的准定常行星波在实际基本气流中传播路径及其振幅分布的差异,指出冬季低纬度热源异常将对北半球中、高纬度对流层大气环流的异常起很大影响,而中纬度热源异常将对平流层环流异常起很大作用。 本文应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热力扩散准地转34层球坐标模式分别计算了冬季低纬度热源异常与中纬度热源异常所造成北半球扰动系统的异常情况,计算结果表明了冬季低纬度热源异常将对中、高纬度对流层大气环流异常起很大作用,热带太平洋上空热源异常将产生PNA型环流异常。     

冬夏季环流隔季相关的数值试验

利用海气耦合和大气气候模式研究东亚冬季风异常对夏季环流的影响, 结果表明, 东亚冬季风异常对于后期环流及海洋状态异常都起了很大的作用.一般情况下, 强的冬季风与后期弱的东亚夏季风和较强的南海季风相对应.与强(弱)冬季风异常相关的风应力的改变可以使热带太平洋海温从冬季至夏季呈现La Nina (El Nio)型异常分布.试验得到的由冬季风异常所产生的海洋及夏季环流的变化与实况是相当接近的.在异常的冬季风偏北风分量强迫下, 西太平洋上形成的偏差气旋环流在夏季已不存在, 这时东亚夏季风反而增强.而冬季赤道西风分量所产生的影响, 则在西太平洋上形成显著的偏差气旋环流, 使东亚副热带夏季风减弱, 南海夏季风加强.对于东亚大气环流而言, 与强弱冬季风对应的热带海洋海温异常强迫下, 不仅是冬季, 后期春季和夏季环流的特征都能得到很好的模拟.但是从分区看, 西太平洋暖池区的海温异常比东太平洋更为重要.单纯的热带中东太平洋的海温异常对东亚大气环流的影响主要表现在冬季, 对后期的影响并不十分清楚.整个热带海洋的异常型分布(不论是El Nio还是La Nia)型, 对冬夏季风的影响是重要的, 而单纯的某个地区的海温异常都比它的整体影响要小.从试验结果看, 海温在大尺度冬夏季环流的隔季相关中起了十分重要的作用.     

亚洲夏季风活动激发北半球大气遥相关的物理机制探讨 I.正规模及有限时间不稳定奇异矢量分析

造成大气环流异常的原因可以有两个方面, 一是大气内部的物理过程,另一方面则可能由大气外强迫引起。在线性框架内,该文的第I部分利用正规模（normal mode）以及有限时间不稳定奇异矢量（singular vectors）理论,对亚洲夏季风（ASM）活动激发北半球夏季遥相关型的大气内部物理机制进行了探讨。结果表明,亚洲季风区的扰动最有效地激发了它下游地区不稳定模态的发展,从而导致了从亚洲到北美洲一带的大气环流异常。关于从大气外强迫角度对这一问题的探讨,将在本文的第II部分发表。     

亚洲夏季风活动激发北半球大气遥相关的物理机制探讨 II.最优强迫模及其响应

利用最近发展的完备正规强迫模的动力学方法,对亚洲夏季风活动激发北半球大气遥相关的外部物理机制进行了探讨。结果表明,北半球夏季亚洲季风区是外强迫最敏感区域之一,最优强迫模与亚洲季风区季内时间尺度对流活动的结构特征相似,而且北半球大气对最优强迫模的响应与滞后于强季风候的环流异常型结构一致,由此可以认为,亚洲夏季风活动造成的热状况变化也是导致北半球大气遥相关的重要物理原因。     

关于大气“记忆”的大气环流模式模拟研究

通过２种大气环流模式（ＧＣＭ）的数值模拟,研究了大气对于赤道东太平洋海温（ＳＳＴ）异常外强迫的“记忆”问题。结果表明,大气对外强迫的“记忆”比传统意义的“记忆”要长得多,这是因为外强迫通过影响大气内部动力过程而激发产生了低频振荡（即大气低频遥响应）,使得外强迫的影响可持续相当长的时间,大气对外强迫的“记忆”也就变得相当长。     

来自大气内部的季节气候可预测性初探

这是一个十分初步的工作结果.通常认为,气候的季节-年际可预测性主要来自缓慢变化的大气外强迫的异常(如海表温度、积雪、土壤温度和湿度等).作者从大气月平均风场异常的持续性以及与东亚季风年际异常相关的全球大气环流异常特征两个方面初步探讨东亚夏季气候的可预测性.初步结果说明,大气月平均风场在对流层上层和平流层下层的热带区域及一些关键区域可持续性可以超过一个季节,并且与东亚季风有显著相关,从而使得从大气内部变化来考虑东亚夏季风气候仍然有一定的可预测性.     

The Dynamics of ENSO Anomaly as Revealed in Ensemble Climate Simulations-Impact of Mean Stationary Wave

A series of climate ensemble experiments using the climate model from National Centers for Environmental Prediction (NCEP) were performed to exam impact of sea surface temperature (SST) on dynamics of El-Nino/South-crn Oscillation (ENSO).A specific question addressed in this paper is how important the mean stationary wave influences anomalous Rossby wave trains or teleconnection patterns as often observed during ENSO events.Evidences from those ensemble simulations argue that ENSO anomalies,especially over Pacific-North America (PNA) region,appear to be a result of modification for climatological mean stationary wave forced by persistent tropical SST anomalies Therefore,the role of SST forcing in maintaining climate basic state is emphasized.In this argument,the interaction between atmospheric internal dynamics and external forcing,such as SST is a key element to understand and ultimately predict ENSO.     

与冬季北太平洋大范围海温异常相联系的海气特征

采用1948—2014年NCEP/NCAR大气再分析资料以及延伸重建海温资料,基于大气海洋间不同的主导关系对冬季北太平洋大范围海温异常进行分类,探究其相应的海气结构特征。结果表明:1)大气影响海洋的个例多于海洋影响大气的个例,即在冬季北太平洋大气强迫海洋占主要地位,但也存在海洋对大气的反馈作用。2)对于大气影响海洋而言,SST(Sea Surface Temperature)暖异常区上空主要伴随着东北—西南走向的相当正压高低压异常(东北高西南低),对应东南风异常以及显著的深厚暖异常,表现出相当正压暖/脊结构,冷异常情况与此相反。SST异常为净热通量异常与风速异常共同作用引起。3)对于海洋影响大气而言,在SST暖异常区上空西部为南北向高低压异常(北高南低),东部为低压异常,对应偏东风异常。在SST冷异常区上空为偶极型的南北向高低压异常(南高北低),对应偏西风异常;位势高度异常表现出相当正压结构且较大气影响海洋时相对偏弱,大气暖(冷)温度异常比较浅薄且主要局限于对流层低层。4)海洋温度结构异常主要表现为,在大气影响海洋时海温异常由表层下传,海洋影响大气时为上下一致的温度异常。     

Atmospheric bridge on orbital time scales

Large-scale atmospheric patterns are examined on orbital timescales using a climate model which explicitly resolves the atmosphere–ocean–sea ice dynamics. It is shown that, in contrast to boreal summer where the climate mainly follows the local radiative forcing, the boreal winter climate is strongly determined by modulation of circulation modes linked to the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation (AO/NAO) and the Northern/Southern Annular Modes. We find that during a positive phase of the AO/NAO the convection in the tropical Pacific is below normal. The related atmospheric circulation provides an atmospheric bridge for the precessional forcing inducing a non-uniform temperature anomalies with large amplitudes over the continents. We argue that this is important for mechanisms responsible for multi-millennial climate variability and glacial inception.     

Indian Ocean warming during 1958–2004 simulated by a climate system model and its mechanism

The mechanism responsible for Indian Ocean Sea surface temperature (SST) basin-wide warming trend during 1958–2004 is studied based on both observational data analysis and numerical experiments with a climate system model FGOALS-gl. To quantitatively estimate the relative contributions of external forcing (anthropogenic and natural forcing) and internal variability, three sets of numerical experiments are conducted, viz. an all forcing run forced by both anthropogenic forcing (greenhouse gases and sulfate aerosols) and natural forcing (solar constant and volcanic aerosols), a natural forcing run driven by only natural forcing, and a pre-industrial control run. The model results are compared to the observations. The results show that the observed warming trend during 1958–2004 (0.5 K (47-year)^?1) is largely attributed to the external forcing (more than 90 % of the total trend), while the residual is attributed to the internal variability. Model results indicate that the anthropogenic forcing accounts for approximately 98.8 % contribution of the external forcing trend. Heat budget analysis shows that the surface latent heat flux due to atmosphere and surface longwave radiation, which are mainly associated with anthropogenic forcing, are in favor of the basin-wide warming trend. The basin-wide warming is not spatially uniform, but with an equatorial IOD-like pattern in climate model. The atmospheric processes, oceanic processes and climatological latent heat flux together form an equatorial IOD-like warming pattern, and the oceanic process is the most important in forming the zonal dipole pattern. Both the anthropogenic forcing and natural forcing result in easterly wind anomalies over the equator, which reduce the wind speed, thereby lead to less evaporation and warmer SST in the equatorial western basin. Based on Bjerknes feedback, the easterly wind anomalies uplift the thermocline, which is unfavorable to SST warming in the eastern basin, and contribute to SST warming via deeper thermocline in the western basin. The easterly anomalies also drive westward anomalous equatorial currents, against the eastward climatology currents, which is in favor of the SST warming in the western basin via anomalous warm advection. Therefore, both the atmospheric and oceanic processes are in favor of the IOD-like warming pattern formation over the equator.     

亚洲夏季风活动激发北半球大气遥相关的物理机制探讨 I.正规模及有限时间不稳定奇异矢量分析

造成大气环流异常的原因可以有两个方面, 一是大气内部的物理过程, 另一方面则可能由大气外强迫引起。在线性框架内, 该文的第 Ｉ 部分利用正规模 （ｎｏｒｍ ａｌ ｍｏｄｅ） 以及有限时间不稳定奇异矢量 （ｓｉｎｇｕｌａｒ ｖｅｃｔｏｒｓ） 理论, 对亚洲夏季风（ Ａ Ｓ Ｍ） 活动激发北半球夏季遥相关型的大气内部物理机制进行了探讨。结果表明, 亚洲季风区的扰动最有效地激发了它下游地区不稳定模态的发展, 从而导致了从亚洲到北美洲一带的大气环流异常。关于从大气外强迫角度对这一问题的探讨, 将在本文的第 Ｉ Ｉ部分发表。     

大气热力强迫和动力强迫的调配及平均经圈环流的仿真模拟

通过研究平均经围环流（ＭＭＣ）及其所受的内外强迫作用的相互配置，指出对ＭＭＣ的热力和动力强迫满足确定的调配率。这一调配率受大气内在的斜压性、静力稳定度及绝对涡度制约。利用辐射加热和凝结加热参数化方案，结合欧洲中期天气预报中心（ＥＣＭＷＦ）的分析资料，对１月份平均经围环流进行数值仿真模拟。结果表明，热带对流加热可以形成双层Ｈａｄｌｅｙ环流结构；涡动动量输送对双Ｈａｄｌｅｙ环流的形成也有一定影响。中高纬度的ＭＭＣ则主要由外动量强迫及大气的动量和热量输送特征决定。     

20世纪90年代末东亚冬季风年代际变化的外强迫因子分析

使用NCEP/NCAR、英国气象局哈德莱中心(Met Office Hadley Center)Had ISST以及NOAA提供的再分析资料分析了海温、海冰及雪盖异常对20世纪90年代末我国冬季气温和东亚冬季风(EAWM)年代际跃变的外部强迫作用,同时也对比分析了20世纪90年代EAWM年代际跃变与20世纪80年代EAWM年代际跃变特征和成因的一些差异。结果表明:20世纪80年代中期EAWM的年代际变化特征主要表现为全国一致偏冷型,同时中国近海的海温也偏低;该年代际变化的主要原因来自大气内部动力过程,而海温和海冰的作用不显著。20世纪90年代末EAWM年代际变化的特征表现为东亚北方气温显著偏冷而南方偏暖的南北反相变化分布;EAWM在20世纪90年代末的年代际变化受北大西洋海温和热带太平洋海温的共同影响。北大西洋显著的异常暖海温,激发一个向下游传播的波列,使得西伯利亚高压加强,EAWM加强,从而导致我国北方气温下降;同时,秋冬季北极海冰异常偏少和秋季欧亚雪盖偏多对东亚冬季风的增强也有一定的作用。此外,热带西太平洋的暖海温异常会导致在海洋性大陆地区有异常的辐合和对流增强,引起大气环流的Gill型响应,对流西侧的异常气旋在孟加拉湾至我国西南地区出现南风异常,使得东亚南部地区温度偏高。因此,20世纪90年代末之后东亚温度呈现南暖北冷的分布特征。     

MODULATION OF ATMOSPHERIC THERMAL AND MECHANICAL FORCINGS AND NUMERICAL MODELING OF MEAN MERIDIONAL CIRCULATION

Upon investigating the relative locations of internal and external forcing and the resultant mean meridional circulation,it was found that thermal forcing and mechanical forcing for the formation of atmospheric mean meridional circulation are modulated by a certain ratio.This ratio is determined by the inherent baroclinity,static stability and absolute vorticity of the atmosphere.By employing a parameterization scheme for radiative heating and condensation heating,together with the analysisdata of the European Center for Medium-range Weather Forecasts,the mean meridional circulation for January wassimulated numerically.It was found that latent heat release in the tropics may result in the formation of double-layeredHadley circulation,so do the eddy momentum transfer processes.On the other hand,mean meridional circulations in extra-tropics are mainly determined by external momentum forcing and atmospheric properties of eddy momentum andheat transfer.