两类ENSO背景下中国东部夏季降水的环流特征及关键系统

利用全国160站逐月降水资料、74项环流指数、HadISST月平均海温资料以及NCEP/NCAR月平均再分析资料,对比分析了两类ENSO事件衰减阶段中国东部夏季降水及相应大气环流的差异,并探讨其可能成因。结果表明:1)EP型El Ni?o(La Ni?a)事件次年夏季,中国东部降水由北至南呈正负正(负正负)的三极型反相分布;CP型El Ni?o(La Ni?a)事件次年夏季,中国东部降水由北至南呈正负(负正)的偶极型反相分布;2)El Ni?o事件次年夏季,西北太平洋副热带高压(以下简称西太副高)及南亚高压均偏强,EP型西太副高偏西、南亚高压偏东,CP型西太副高范围更大、强度更强;La Ni?a事件次年夏季,西太副高及南亚高压强度偏弱,CP型强于EP型但弱于气候平均;3)El Ni?o事件期间西北太平洋上存在异常反气旋,EP型位置偏南,强度更强,持续时间更长,CP型位置偏北,范围更大;La Ni?a事件期间,西北太平洋区域至中国东南部存在异常气旋,EP型异常气旋的强度及范围均不及CP型;4)两类El Ni?o事件期间异常反气旋的差异可能与印度洋海盆增暖及太平洋海温持续性偏冷有关;两类La Ni?a事件期间异常气旋的差异可能由赤道西太平洋海温持续偏暖造成。     

ENSO事件的季节演变对西南夏季降水异常的影响分析

采用西南120站逐月夏季降水,美国CPC年逐月Nino3.4指数,NCEP/NCAR逐月环流等资料,分析了ENSO事件的季节演变对西南夏季降水的影响及其机制。结果表明,ENSO事件衰减对西南降水有重要影响,这种影响主要由赤道中东太平洋海温影响菲律宾对流活动进而持续调制西太平洋副热带高压(简称西太副高)实现,与ENSO事件的结束季节有重要关联。在El Nino(La Nina)衰减年,随着事件结束时间从冬季向春、夏季推迟,赤道中东太平洋海温释放能量增大(减弱),西太副高向大强西南(小弱东北)的方向发展,加强(抑制)南海的水汽输送,影响着孟加拉湾水汽输送,从而影响西南降水异常分布,其显著区域随着事件结束季节的推迟而扩大,在El Nino衰减次年更为突出。依据能量累积释放效应,从前一年9月开始的逐月Nino3.4区累积海温能更好指示夏季西太副高的强弱和大小,当4-5月的累积海温超过±0.5时,与夏季副高面积、强度指数的符号一致率为100%。因此,能够依据累积海温判断夏季西太副高强弱、大小,从而判断西南夏季降水的异常趋势。     

基于热带印-太海温异常主要模态的夏季西太平洋副热带高压预测模型构建

利用1981—2018年国家气候中心的西太平洋副热带高压(Western Pacific Subtropical High,以下简称"西太副高"或"WPSH")特征指数、美国国家海洋和大气管理局海表温度、美国气候预测中心NINO3.4指数资料,对热带印-太海洋海温异常(Sea Surface Temperature Anomaly, SSTA)主要模态及其与西太副高变动的可能联系进行了探讨,并基于这些联系建立了西太副高面积、强度和西脊点异常的预报方程。结果表明,热带印-太海洋上最重要的SSTA模态为纬向三极型,其次是纬向偶极型和东南-西北向跨南、北半球的"跷跷板"异常。这三种模态解释了印-太海洋海温异常中61.58%的方差,与太平洋El Ni1o、印度洋海盆尺度模、Ningaloo Ni1o等异常信号的出现密切相关。另外,这三种模态与夏季WPSH异常活动存在紧密联系。基于过去30 a稳定的相关关系建立的预报模型可较好地预报未来8 a夏季WPSH面积、强度和西脊点的异常。     

影响夏季西北太平洋副热带高压年际变率的关键海区及影响机制

西北太平洋副热带高压(西太副高)是影响东亚夏季气候的主要环流系统,其年际变率受热带多个海区的海-气相互作用过程的调控。为明确影响夏季西太副高的关键海区及其影响机制,在总结最近十余年来相关研究进展的基础上,归纳出影响夏季西太副高年际变率的5个关键海区,包括赤道中东太平洋、热带印度洋、副热带西北太平洋、海洋大陆附近海区以及热带大西洋。阐述了这5个关键海区的海温异常影响西太副高年际变率的机制,并探讨了5个关键海区海温异常的形成机制。围绕夏季西太副高的年际变率,回顾了当前气候模式的模拟和预测研究的现状。最后,提出了本领域亟待解决的关键科学问题,展望未来可能的研究热点。     

影响夏季西北太平洋副热带高压年际变率的关键海区及影响机制北大核心CSCD

西北太平洋副热带高压(西太副高)是影响东亚夏季气候的主要环流系统,其年际变率受热带多个海区的海-气相互作用过程的调控。为明确影响夏季西太副高的关键海区及其影响机制,在总结最近十余年来相关研究进展的基础上,归纳出影响夏季西太副高年际变率的5个关键海区,包括赤道中东太平洋、热带印度洋、副热带西北太平洋、海洋大陆附近海区以及热带大西洋。阐述了这5个关键海区的海温异常影响西太副高年际变率的机制,并探讨了5个关键海区海温异常的形成机制。围绕夏季西太副高的年际变率,回顾了当前气候模式的模拟和预测研究的现状。最后,提出了本领域亟待解决的关键科学问题,展望未来可能的研究热点。     

夏季南亚高压与西太平洋副热带高压的相关性分析

利用1951—2010年NCEP/NCAR再分析月平均资料研究夏季南亚高压与西太平洋副热带高压(简称西太副高)的相关性。结果发现,夏季南亚高压与西太副高的联系密切,年际尺度上强度指数之间的显著正相关关系相对稳定,两者同时偏强(简称同强)与同时偏弱(简称同弱)的模态超过70%。当南亚高压与西太副高同强(同弱)时,西风急流偏强(偏弱),高纬度地区大气环流呈经向(纬向)型,太平洋EAP遥相关为正(负)位相。贯穿对流层中上层的中纬度纬向西风与高压强度异常有密切的联系,西风急流可作为中纬度地区连接两者作用的纽带。青藏高原与太平洋地区对流层的温度差异分布对当地的环流系统造成很大影响,高原热力异常和海温异常联系着高压系统的演变。南亚高压、西太副高的异常影响了整体东亚大气环流的配置,是了解不同纬度系统相互作用的又一着眼点。     

西北地区东部夏季降水年际变化特征及其与环流的关系

利用1961-2012年夏季西北地区东部降水站点资料和NCEP/NCAR同期逐月再分析资料,采用"均一化处理"和合成分析等方法分析了西北地区东部夏季降水的年际变化特征及其对应的环流异常。结果表明:(1)西北地区东部的夏季降水异常主要与南边界的水汽异常输送相联系;(2)西北地区东部夏季降水与西北太平洋副热带高压(简称西太副高)的位置及强度密切相联:当西太副高偏强偏西时,西太副高脊线西伸至我国华南地区,对应的西北地区东部上空表现为西南风异常,将大量的水汽从西北地区东部的南边界输入,有利于该地区夏季降水增多;当西太副高偏东偏弱时,西太副高脊线西伸带来的降水影响无法到达西北地区东部,对应着西北地区东部降水偏少。     

长江中下游地区夏季旱涝年际、年代际变化的可能成因研究

利用NCAR/NCEP提供的40年再分析资料和英国气象局提供的月平均海温资料及中国气象局整编的160站的降水、西太平洋副高参数资料，分析了长江中下游地区夏季降水在20世纪70年代中期前后的显著变化及其可能原因。结果指出东亚夏季风与中东太平洋海温在1976年之前关系不明显，1976年之后东亚经圈环流与低纬纬圈环流耦合紧密，加强了东亚夏季风与中东太平洋海温的联系。而20世纪70年代中期以后中东太平洋前冬的海温异常通过海洋过程影响次年夏季我国近海地区海温变化，近海海温异常作为热源强迫可以使副高位置偏南强度加强，从而造成我国长江中下游地区夏季降水偏多。     

春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响和预测作用

利用1980-2012年青藏高原中、东部71个站点观测资料、全中国756站的月降水资料、哈得来中心提供的HadISST v1.1海温资料以及ERA-Interim再分析资料,综合青藏高原的感热加热以及全球海温,研究了春季青藏高原感热对中国东部夏季降水的影响,并建立预报方程,探讨了青藏高原春季感热对中国降水的预报作用。结果表明,青藏高原春季感热与中国东部降水关系密切,青藏高原春季感热异常增强伴随着长江流域中下游同期降水增多,后期夏季长江流域整流域降水也持续偏多,华南东部降水偏少。春季青藏高原感热的增强与环北半球中高纬度的罗斯贝波列密切相关,扰动在北太平洋形成的反气旋环流向西南方向延伸至西北太平洋,为长江流域输送大量的水汽,有利于降水的发生。夏季,伴随着前期青藏高原感热的增强,南亚高压位置偏东,西北太平洋副热带高压（西太副高）位置偏西偏南,西太副高北侧为气旋式环流异常。在西太副高的控制下,华南东部降水减少;西太副高西侧的偏南气流为长江流域带来大量水汽,并与来自北部气旋式环流异常西侧的偏北风发生辐合,降水增多。青藏高原春季感热异常是华南和长江流域夏季降水异常的重要前兆信号。加入青藏高原春季感热后,利用海温预报的华南、长江流域夏季降水量与观测值的相关系数有所提高,预报方程对区域降水的解释方差提高约15%。      

滤除ENSO信号前后夏季热带印度洋海盆尺度海温距平对西太平洋副热带高压的不同影响

使用NCEP/NCAR再分析资料、哈得来海表温度和中国国家气候中心的西太平洋副热带高压（西太副高）特征指数,对比分析了ENSO背景下的夏季印度洋海盆尺度模（Indian Ocean basin mode,IOBM）与独立于ENSO的纯IOBM（pure Indian Ocean basin mode,IOBM_P）对西太副高的影响机理。结果表明,滤除前期ENSO信号后,西北太平洋上为海温负距平,并在其西北侧强迫出Gill型反气旋。另外,印度洋与海洋性大陆间存在西高东低的海温距平梯度,印度洋正、负海温距平激发出的赤道开尔文波影响至海洋性大陆西部地区,强迫出的异常大气环流关于赤道基本对称。加之此时中国南海至西北太平洋地区降水偏弱,潜热释放偏少,从而非绝热冷却,导致西太副高异常偏强、偏南。而在前期厄尔尼诺的影响下,次年夏季印度洋与海洋性大陆地区均有利于出现海温正距平,开尔文波的影响偏强、偏东,强迫出的异常环流偏向北半球,通过“埃克曼抽吸”和非绝热冷却在对流层低层制造出异常负涡度进而影响西太副高,使其明显偏强、偏西、偏南。由于IOBM_P在2和8年周期上对西太副高的影响最明显,而ENSO信号中主要是3—7 a的短周期振荡,因此,ENSO背景下的印度洋变暖对西太副高的遥强迫实际包含了来自热带中太平洋的3—7 a周期信号的滞后影响和印度洋地区局地变化特别是2和8年周期变化的作用。这些结果为人们深入理解西太副高变化规律和做出有效预报提供了线索。      

北太平洋海平面气压场变化与海温的关系

利用SVD（singular value decomposition）方法分析了1948年1月—2002年12月北太平洋海平面气压场与海温的关系。结果表明,SVD第1对异类相关分布型反映出,当东北太平洋副热带高压加强（减弱）时,Namias海区海温升高（降低）,而加利福尼亚海流区海温降低（升高）。SVD第2对异类相关分布型表明,当阿留申低压加深、北太平洋副热带地区气压升高时,黑潮暖流区海温升高,而北太平洋高、低纬海温降低;反之亦然。时滞相关表明,北太平洋大气环流异常超前海温1个月的相关最好,海温变化对大气环流异常分布型具有维持作用。NCAR CCSM3模拟结果很好地验证了上述结论,即在海气相互作用过程中,东北太平洋副热带高压和NPO（North Pacific Oscillation）与北太平洋海温存在密切联系。     

北太平洋海温与次年盛夏副热带高压的遥相关响应

选取1952-2005年北太平洋月平均海表温度（SST）资料，经过奇异值分解分析表明：6月份日界线附近西风漂流区的海温集中了北太平洋海温场的主要信息，西风漂流区与赤道冷水区的海温存在遥相关震荡，并且在6月份达到全年的最高值，11月份其振幅出现次高值。6月西风漂流区的海温（SST）可视为来年盛夏（7-8月）西太平洋副热带高压的强弱变化的信号：当6月份西风漂流区的海温（SST）偏低，则来年盛夏西太平洋副热带高压偏强；反之，则来年盛夏西太平洋副热带高压偏弱。     

Coupled Modes of Rainfall over China and the Pacific Sea Surface Temperature in Boreal Summertime

In this study,monthly NCEP/NCAR reanalysis data and NOAA ERSST as well as observed precipitation data from 160 stations in China were used to investigate coupled modes affecting the rainfall over China and sea surface temperature (SST) in the Pacific during boreal summertime based on singular value decomposition (SVD) method.The SVD analysis revealed three remarkable coupled modes:rainfall over North China associated with an ENSO-like SST pattern (ENSO-NC),rainfall over the Yangtze River valley associated with SST anomalies in the western tropical Pacific (WTP-YRV),and rainfall over the Yellow River loop valley associated with tropical Pacific meridional mode-like SST pattern (TPMM-YRLV).These coupled SVD modes appear robust and closely correlated with the single field.Furthermore,the covariabilities among of the three coupled modes have different characteristics at the decadal time scale.In addition,the possible atmospheric teleconnections of the coupled rainfall and SST modes were discussed.For the ENSO-NC mode,anomalous low-pressure and high-pressure over the Asian continent induces moisture divergence over North China and reduces summer rainfall there.For the WTP-YRV mode,East Asia-Pacific teleconnection induces moisture convergence over the Yangtze River valley and enhances the summer rainfall there.The TPMM SST and the summer rainfall anomalies over the YRVL are linked by a circumglobal,wave-train-like,atmospheric teleconnection.     

冬季北太平洋海表热通量异常和海气相互作用——基于一个全球海气耦合模式长期积分的诊断分析

利用一个全球海气耦合模式长期积分所给出的资料,分析了冬季北太平洋海表湍流热通量（潜热和感热）异常及其对海表温度（SST）异常的影响,并比较了海表热通量诸分量和海洋内部的动力学过程对SST变化的相对重要性。结果表明,冬季热带外海洋上的湍流热通量是影响SST的主要因子,但在北太平洋中部海水的平流作用也不可忽视。冬季热带外海洋向大气释放的潜热和感热通量与SST倾向（而不是SST本身）之间存在着显著的相关,这同Cayan和Reynolds等利用COADS资料和NCEP资料同化模式分析的结果是一致的。模式诊断的结果支持这样一种看法：和热带海洋不同,冬季热带外海洋上的海气相互作用主要地表现为大气对海洋的强迫作用,而不是相反。模式给出的SST倾向的第一个EOF分量及其与海平面气压场的相关特征同Wallace等从观测资料分析所得到的结果是一致的;进一步的分析表明：在冬季北太平洋的大部分区域（特别是西太平洋）,大尺度大气环流异常在很大程度上决定着SST的异常,而这种决定作用正是通过它对湍流热通量的强烈影响来实现的。     

华西秋雨准4年周期特征及其与赤道太平洋海表温度的关系

利用1959～2011年华西地区气象台站资料、NCEP/NCAR再分析资料、NOAA海表温度资料, 采用多锥度—奇异值分解(MTM-SVD)方法, 研究了华西秋雨的准4年周期特征及其与赤道太平洋海表温度的协同变化关系。研究结果表明:华西秋雨具有显著的准4年周期, 其典型循环表现为"偏强, 略偏强, 偏弱, 略偏弱"的特点。在准4年周期上赤道中太平洋海表温度对华西秋雨的协同变化表现为"偏低, 略偏低, 偏高, 略偏高", 这种协同变化从初夏就体现出来, 并一直持续到秋末。同时在准4年周期上, 华西秋雨对ENSO事件也存在一定的响应, 但是主要体现在发生强ENSO事件时。准4年周期的环流分析表明, 夏季到秋季赤道中太平洋海表温度偏低(高)时, 秋季500 hPa高度场出现东亚/太平洋(EAP)遥相关波列正(负)异常, 西太平洋副热带高压偏西(东), 华西地区来自南海西太平洋和孟加拉的水汽输送偏多(少), 华西秋雨偏强(弱)。     

夏季逐月东亚高空西风急流经向偏移与热带中、东太平洋海温的关联

Previous studies have shown that meridional displacement of the East Asian upper-tropospheric jet stream (EAJS) dominates interannual variability of the EAJS in the summer months. This study investigates the tropical Pacific sea surface temperature (SST) anomalies associated with meridional displacement of the monthly EAJS during the summer. The meridional displacement of the EAJS in June is significantly associated with the tropical central Pacific SST anomaly in the winter of previous years, while displacements in July and August are related to tropical eastern Pacific SST anomalies in the late spring and concurrent summer. The EAJS tends to shift southward in the following June (July and August) corresponding to a warm SST anomaly in the central (eastern) Pacific in the winter (late spring-summer). The westerly anomaly south of the Asian jet stream is a result of tropical central Pacific warm SST anomaly-related warming in the tropical troposphere, which is proposed as a possible reason for southward displacement of the EAJS in June. The late spring-summer warm SST anomaly in the tropical eastern Pacific, however, may be linked to southward displacement of the EAJS in July and August through a meridional teleconnection over the western North Pacific (WNP) and East Asia.     

十五世纪以来南方涛动指数与北太平洋海温场的重建

本文利用中国近五百年旱涝等级资料，用典型相关的方法重建了15世纪以来的南方涛动指数（SOI）和北太平洋海温（SST）场。在SOI的重建中校准了1913—1973年校准期方差的40%，在1852—1912年的独立验证期验证了方差的20%；在北太平洋SST的重建中校准的方差较高，其中赤道东太平洋SST的校准方差达60%，在近100年的定性检验中效果也很好。说明用中国历史时期的旱涝资料能够在一定程度上重建出历史时期的ENSO事件。通过对15世纪以来SO和SST重建值的分析发现，ENSO事件不但具有明显的周期性，而且还有250年左右的阶段性变化。SO和SST不仅存在2—7年公认的周期，而且历史上SO还有10.6年、赤道东太平洋SST还有25—28.5年及100年左右与太阳活动有关的周期、进一步分析还得出，18，19世纪及20世纪前期SO低指数事件发生相对较少，15世纪后期、16、17世纪及20世纪后期SO低指数事件发生较多；且历史上的低指数多发期与气候上的冷期一致，而低指数少发期则与气候上的暖期一致；气候上的干旱（湿润）期则与东太平洋长期偏冷（暖）、西太平洋长期偏暖（冷）相对应。     

Impacts of the central and eastern Pacific types of ENSOon sea surface temperature in the South Pacific

The present study examines the relationship between two types of El Niño–Southern Oscillation (ENSO), the central Pacific (CP) ENSO and the eastern Pacific (EP) ENSO, and the sea surface temperature (SST) variability over the South Pacific (SP) (20° S–60° S, 145° E–70° W) using NOAA OI SST for the period 1982–2006. The SP SST variability associated with the two types of ENSO varies with season. These two types of ENSO can excite different atmospheric patterns associated with the Pacific–South American mode, through which they influence the SP SST variability. Both the surface turbulent air–sea heat fluxes and the heat advection by Ekman currents (i.e., Ekman heat fluxes) have an important impact on the SST variability. An analysis of the surface mixed layer heat budget indicates that the heat fluxes (the sum of turbulent heat fluxes and Ekman heat fluxes) can effectively explain much of the SST variability related to the two types of ENSO.     

Decadal change in relationship between western North Pacific tropical cyclone frequency and the tropical Pacific SST

In this study, we examine the relationship between the number of tropical cyclones (TCs) in the western North Pacific and the tropical Pacific sea surface temperature (SST) during the main TC season (July–November) for the period of 1965–2006. Results show that there are periods when TC frequency and the tropical Pacific SST are well correlated and periods when the relationship breaks down. Therefore, decadal variation is readily apparent in the relationship between the TC frequency and the SST variations in the tropical Pacific. We further examine the oceanic and atmospheric states in the two periods (i.e., 1979–1989 vs. 1990–2000) when the marked contrast in the correlation between the TC frequency and the tropical Pacific SST is observed. Before 1990, the analysis indicates that oceanic conditions largely influenced anomalous TC frequency, whereas atmospheric conditions had little impact. After 1990, there the reverse appears to be the case, i.e., atmospheric conditions drive anomalous TC frequency and oceanic conditions are relatively unimportant. A role of atmosphere and ocean in relation to the TC development in the western North Pacific changes, which is consistent with the change of the correlations between the TC frequency and the tropical Pacific SST.     

东太平洋冷舌区海表面温度日变化特征的模拟研究

本文通过分辨太阳辐射日变化, 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/IAP) 气候系统海洋环流模式 (LICOM), 模拟了东太平洋冷舌区海表面温度 (SST) 的日变化特征并研究了弱混合对其影响。采用理想的太阳辐射日变化强迫上层垂向分辨率为10 m的海洋模式LICOM, 模拟出了SST日变化一些特征, 同时海洋的上层流场也产生明显日变化。模拟的SST日变化振幅水平分布与观测接近, 且受太阳辐射日变化振幅水平分布调制。在赤道中东太平洋区, 模拟的SST日变化振幅 (约为0.3～0.4℃) 比观测偏小约0.1～0.2℃。模拟的SST日变化峰值出现在15～16 时 (当地标准时间), 落后于太阳辐射峰值2～3个小时, 接近观测。进一步减弱混合后, 模拟的日变化振幅增加约0.1℃, 更接近观测。这说明在东太平洋冷舌区SST日变化主要受太阳辐射日变化和垂直混合影响。此外, 混合减小后, 在太阳辐射日变化调制下, 平均态 (如混合层、温度和流场) 也出现明显变化。在赤道东太平洋冷舌区北侧, 弱混合导致混合层变浅, 变浅使热量堆积进而使平均SST升高约0.3℃; 在赤道东太平洋冷舌南侧, 经向平流加强导致平均SST降低约0.2℃。