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。     

1470—2019年中国东部旱涝年代际变化及其与太平洋海表温度的关系

基于中国东部地区（30°—40°N,105°E以东）19个代表站1470—2019年旱涝等级序列、古气候代用资料定量重建的北太平洋海表温度年代际振荡指数以及Nino3.4指数,通过经验正交函数分解、小波分析和集合经验模态分解方法分析了中国东部旱涝年代际变化特征及其与太平洋海温的关系。结果表明,（1）1470年以来中国东部旱涝变化的主模态为全区一致型（方差贡献率为25.2%）,变率中心主要位于黄河中下游,其时间系数的小波分析和集合经验模态分解揭示出全区旱涝存在10—30 a的准周期;该模态长期趋势揭示17—18世纪中国东部整体偏涝,而19世纪以后出现干旱化趋势。（2）寒冷背景下中国东部旱涝一致变化更明显,在17世纪前、中期和19世纪中、后期的小冰期寒冷期全区一致型模态的方差贡献率为35%—40%,且这两个时段10—30 a的年代际变化信号尤为显著;而旱涝的变率中心则表现出冷期偏北,暖期偏南或偏西的特征。（3）中国东部旱涝的年代际变化与北太平洋和赤道中东太平洋海表温度异常有关,表现为偏涝（旱）气候对应于北太平洋海表温度年代际振荡的冷（暖）相位,以及年代际尺度上的冬季Nino3.4区海表温度的异常偏低（高）;在小冰期的寒冷期,旱涝的年代际变化可能与Nino3.4区海表温度异常关系更密切。      

太平洋年代际振荡的研究进展

作者以太平洋年代际振荡(PDO)现象为重点,系统地回顾了太平洋年代际变率观测、模拟和理论研究的国内外进展.在PDO时空结构方面,总结了PDO的基本观测事实,在PDO成因方面,从海洋大气相互作用观点出发比较了三类PDO形成机制的理论或假说,讨论了现有理论或假说中存在的若干问题,并提出了未来研究的方向和需要解决的关键科学问题.作者也简要介绍了东亚及中国气候年代际变化的特征及其和太平洋海表温度异常的联系,并讨论了东亚大气环流异常在PDO形成中的可能作用.     

太平洋年代际振荡对中国冬季最低气温年代际变化的贡献

基于1961—2013年中国台站的均一化气温数据、NOAA月平均海温资料和CMIP5气候模式数据,利用气候统计手段,定量分析太平洋年代际振荡（PDO）对中国冬季最低气温年代际变化的贡献。结果表明：PDO的年代际序列与年代际滤波后的最低气温场在全国大部分地区呈显著正相关,即PDO负位相时中国冬季最低气温偏低,反之偏高。2006年后中国冬季最低气温变暖减缓,造成这一现象的主要原因是自然变率起到的降温作用,而自然变率又主要由PDO起主导作用,约占自然变率贡献的40%左右。PDO对温度的贡献呈现出明显的年代际变化,在变暖减缓期对升温有明显的负贡献,且负贡献逐渐增大至超过50%。     

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。     

加利福尼亚附近的海温强迫及其与北太平洋年代际振荡的可能联系

本文利用1958～2018年期间海表面温度（SST）异常和湍流热通量异常变化的关系,探讨了其与北太平洋年代际振荡（PDO）相关的年际和年代际时间尺度上在不同海域的海气相互作用特征。结果表明:在年际尺度上,黑潮—亲潮延伸区（KOE）表现为显著大气强迫海洋,赤道中东太平洋表现为显著海洋强迫大气;在年代际尺度上,PDO北中心表现为大气强迫海洋,加利福尼亚附近则表现为显著海洋强迫大气。进一步分析表明:加利福尼亚附近区域是北太平洋准12年振荡的关键区域之一,与PDO准十年的周期类似,加利福尼亚附近的冷（暖）海温对应其上有反气旋（气旋）型环流,赤道中太平洋海水上翻和北太平洋东部副热带区域经向风应力的变化是北太平洋准12年振荡的另外两个重要环节。     

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.     

北半球冬季阿留申低压－冰岛低压相关关系的年代际变化及其模拟

使用多种长期观测和再分析资料,分析了北半球冬季阿留申低压和冰岛低压相关关系的年代际变化。结果表明,两低压存在显著的负相关关系,使北太平洋和北大西洋海平面气压形成跷跷板式的变化(Aleutian Low-Icelandic Low Seesaw,AIS)。此外,AIS还存在显著的年代际变化,在1935~1949年和1980年后较为显著,其余时期并不显著。对1980年代的年代际转变分析表明,太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)在1970年代末的位相转变是AIS这次年代际转变的主要原因。PDO由负位相转变为正位相,使全球大部分大洋海表温度升高,而北太平洋海表温度降低,两低压显著变深,低压南部西风增强,从而通过Rossby波的频散效应使两低压强度形成显著负相关。1930年代中期的年代际转变与此类似,但强度较弱。同时,年代际背景的变化也影响到两低压的年际变化。在给定海表温度和海冰分布的驱动下,大气环流模式IAP AGCM4能基本模拟出AIS年代际转变的过程和机理,但仍存在一些偏差。     

全球海洋蒸发量年代际变化归因：动力因子分析

本文基于动力调整方法,利用客观分析海气通量（OAFlux）资料研究了1958～2016年全球海洋蒸发量变化及其动力作用和辐射强迫分量的变化,发现海洋蒸发量及其动力作用分量具有一致性年代际变化特征,特别是在20世纪70年代及90年代末期存在明显的年代际转折。进一步分析发现:主要动力因子有太平洋—北美遥相关型（PNA）、北极涛动（AO）、北大西洋涛动（NAO）、厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）和阿留申低压（AL）,并受到太平洋年代际振荡（PDO）的影响,其中,1970年代末期的转折与PNA、PDO、ENSO和AL密切相关,而1990年代末期的转折还与NAO变化有关。动力作用分量的前六个模态解释方差达到67.5%,其中,低纬北太平洋和印度洋蒸发异常主要与海表温度（SST）及其引起的环流异常有关,南太平洋、中纬北太平洋和北大西洋蒸发异常与环流异常直接相关。ENSO与PDO在全球海洋蒸发量上的影响要大于NAO。单因子相关分析发现南方涛动指数（SOI）、NAO和PDO与海洋蒸发年代际变化密切相关。总体来说,动力作用分量在海洋蒸发的年代际变化中起主导作用,其中,以ENSO、NAO和PDO的影响最大。     

冬季太平洋海温的年代际变化对亚洲地表气温异常的影响

本文利用1951年～1999年冬季海温场(SST)再分析资料，分析得到20世纪70年代中期太平洋年代际振荡(PDO)由负(冷)位相转为正(暖)位相，发生了显著的年代际变化。SVD分析冬季北太平洋SST与亚洲地表温度(SAT)的结果表明，PDO的年代际变化对亚洲SAT北部的增暖有显著的影响。这种影响主要是通过海气间的相互作用间接对亚洲SAT产生作用。当PDO模态进入暖位相的时候，北半球SLP场主要表现出强阿留申低压，弱西伯利亚高压和中低纬气压加强的特征，SLP场的这种变化有利于中纬度西风带的加强，使得亚洲北部大部分区域冬季增暖明显。     

A Possible Approach for Decadal Prediction of the PDO

The Pacific Decadal Oscillation(PDO) is a leading mode of decadal sea surface temperature variability in the North Pacific. Skillful PDO prediction can be beneficial in many aspects because of its global and regional impacts.However, current climate models cannot provide satisfied decadal prediction of the PDO and related decadal variability of sea surface temperature. In this study, we propose a new approach, i.e., the increment method, to predicting the PDO. A series of validations demonstrate that the increment method is effective in improving decadal prediction of PDO and it can well capture the phase change of PDO with high accuracy. The prediction processes include three steps. First, a five-year smoothing is performed; second, effective preceding predictors for PDO are selected, with all predictors and predictands in the form of a three-year decadal increment(DI); third, the prediction model is set up for PDO three-year decadal increment(DI_PDO), and PDO prediction can be obtained by adding the predicted DI_PDO to the observed PDO three years ago. This new method can also be applied for decadal climate prediction of other modes(e.g., Atlantic multidecadal oscillation) and predictands(e.g., sea surface temperature).     

Decadal scale oscillations and trend in the Indian monsoon rainfall

The emerging need for extended climate prediction requires a consideration of the relative roles of climate change and low-frequency natural variability on decadal scale. Addressing this issue, this study has shown that the variability of the Indian monsoon rainfall (IMR) consists of three decadal scale oscillations and a nonlinear trend during 1901–2004. The space–time structures of the decadal oscillations are described. The IMR decadal oscillations are shown to be associated with Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO), Atlantic tripole oscillation and Pacific Decadal Oscillation (PDO). The sea surface temperatures (SSTs) of the North Pacific and North Atlantic Oceans are also resolved as nonlinear decadal oscillations. The SST AMO mode has high positive correlation with IMR while the SST tripole mode and SST PDO have negative correlation. The trend in IMR increases during the first half of the period and decreases during the second half. The IMR trend is modified when combined with the three decadal oscillations.     

我国华南3月份降水年代际变化的特征

利用1951～2005年华南3月份降水资料、太平洋年代际振荡(PDO)指数以及NCEP再分析资料,对华南3月份降水年代际变化特征、及其对应的大尺度环流以及与PDO的关系进行了分析。结果表明,华南3月份降水存在显著的年代际变化特征,并且Mann-Kendal突变检验表明华南3月份降水在1978年左右发生年代际突变,从之前的降水偏少转变为降水偏多。我国华南3月份降水与PDO有着显著的相关。进一步研究表明,在年代际降水偏少时期,PDO处于负位相(北太平洋海温偏高,中东太平洋海温偏低),北太平洋海平面气压场和高度场偏高,亚洲大陆海平面气压场和高度场偏低,赤道西太平洋到赤道东印度洋附近的海平面气压场偏低,赤道辐合带附近地区的高度场偏低,东亚对流层大气偏暖,西太平洋副热带高压偏东,东亚高空急流偏北,东亚Hadley环流偏弱。在年代际降水偏多时期,PDO处于正位相,情况则与降水偏少时期相反。     

The Impact of Global Warming on the Pacific Decadal Oscillation and the Possible Mechanism简

The response of the Pacific Decadal Oscillation （PDO） to global warming according to the Fast Ocean Atmosphere Model （FOAM） and global warming comparison experiments of 11 IPCC AR4 models is investigated. The results show that North Pacific ocean decadal variability, its dominant mode （i.e., PDO）, and atmospheric decadal variability, have become weaker under global warming, but with PDO shifting to a higher frequency. The SST decadal variability reduction maximum is shown to be in the subpolar North Pacific Ocean and western North Pacific （PDO center）. The atmospheric decadal variability reduction maximum is over the PDO center. It was also found that oceanic baroclinic Rossby waves play a key role in PDO dynamics, especially those in the subpolar ocean. As the frequency of ocean buoyancy increases under a warmer climate, oceanic baroclinic Rossby waves become faster, and the increase in their speed ratio in the high latitudes is much larger than in the low latitudes. The faster baroclinic Rossby waves can cause the PDO to shift to a higher frequency, and North Pacific decadal variability and PDO to become weaker.     

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.     

Investigating the possibility of a human component in various pacific decadal oscillation indices

The pacific decadal oscillation (PDO) is a mode of natural decadal climate variability, typically defined as the principal component of North Pacific sea surface temperature (SST) anomalies. To remove any global warming signal present in the data, the traditional definition specifies that monthly-mean, global-average SST anomalies are subtracted from the local anomalies. Differences in the warming rates over the globe and the PDO region may therefore be aliased into the PDO index. Here, we examine the possibility of a human component in the PDO, considering three different definitions. The implications of these definitions are explored using SSTs from both observations and simulations of historical and future climate, all projected onto (definition-dependent) observed PDO patterns. In the twenty first century scenarios, a systematic anthropogenic component is found in all three PDO indices. Under the first definition??in which no warming signal is removed??this component is so large that it is also statistically detectable in the observed PDO. Using the second/traditional definition, this component is also large, and arises primarily from the differential warming rates predicted in the North Pacific and over global oceans. Removing the spatial average SST signal in the PDO region (in the third definition) partially solves this problem, but a human signal persists because the predicted pattern of SST response to human forcing projects strongly onto the PDO pattern. This illustrates the importance of separating internally-generated and externally-forced components in the PDO, and suggests that caution should be exercised in using PDO indices for statistical removal of ??natural variability?? effects from observational datasets.     

Analysis of Decadal Climate Variability in the Tropical Pacific by Coupled GCM

This study presents the spatial and temporal structures of the decadal variability of the Pacific from an extended control run of a coupled global climate model (GCM).The GCM used was version-g2.0 of the Flexible Global Ocean Atmosphere Land System (FGOALS-g2.0) developed at LASG/IAP.The GCM FGOALS-g2.0 re-produces similar spatial-temporal structures of sea surface temperature (SST) as observed in the Pacific decadal os-cillation (PDO) with a significant period of approximately 14 years.Correspondingly,the PDO signals were closely related to the decadal change both in the upper-ocean temperature anomalies and in the atmospheric circulation.The present results suggest that warm SST anomalies along the equator relax the trade winds,causing the SSTs to warm even more in the eastern equatorial Pacific,which is a positive feedback.Meanwhile,warm SST anomalies along the equator force characteristic off-equa-torial wind stress curl anomalies,inducing much more poleward transport of heat,which is a negative feedback.The upper-ocean meridional heat transport,which is asso-ciated with the PDO phase transition,links the equatorial to the off-equatorial Pacific Ocean,acting as a major mechanism responsible for the tropical Pacific decadal variations.Therefore,the positive and negative feedbacks working together eventually result in the decadal oscilla-tion in the Pacific.     

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.