一个冰气相互作用数值模拟结果的可能统计解释

基于一个全球海-冰-气耦合模式的数值模拟结果,选取冬季格陵兰海海表面温度(SST)、海冰密集度、海表面感热通量等物理量以及3个相关区域海平面气压分别作经验正交函数展开,取第一模时间系数作相关分析。结果表明,上一年海冰密集度偏大(小)与来年的SST偏低(高)相联系,但二者同期相关性最大。当海气热通量交换变化超前一年时,其与SST相关性最大。模式最低层大气温度与海洋表面热通量之间的同时相关性最大,冬季模式最低层气温偏高(低)与海洋表面失去的感热、潜热通量偏少(多)相联系。气温、比湿都和冰岛低压区及格陵兰海的海平面气压相关性最强,冰岛低压气压偏低(高)与模式最低层气温和比湿偏高(低)相联系。所以,在海-冰-气年际尺度的相互作用中,主要关系是大气环流调整造成大气中云量和低层气温、湿度变化,进而影响海气界面上的通量交换,造成SST的变化。SST变化决定着海冰范围及海冰密集度的变化,但海冰变化时通过相变潜热的释放或吸收反过来对SST变化有较明显影响。     

一个海-冰-气耦合模式中格陵兰海海冰年际变异及其成因的个例分

利用一个全球海-冰-气耦合模式模拟结果, 选取冬季年际变率最大的海冰区--格陵兰海海冰区中的一个4年海冰剧烈变化过程展开分析, 试图探讨此个例过程中海冰剧烈变化的原因.结果表明, 在此个例中, 该区域海冰年际变异主要是由大气环流异常驱动的, 海表面温度和海冰密集度变化主要是对大气环流变化的响应.海表面温度变化决定着海冰范围及海冰密集度的变化, 但海冰变化时通过相变潜热的释放或吸收反过来对海表面温度变化有一定影响.     

海冰非均匀条件下大气环流模式和海洋环流模式耦合的实现

通过采用一种较好地考虑了海气通量交换对下垫面特征非线性依赖的通量计算方案,利用较成熟的逐日通量距平耦合方案实现了次网格尺度海冰非均匀条件下一个全球大气环流模式和一个全球海洋环流模式在高纬地区的耦合,并完成了一个50年的长期积分。模拟结果表明,通量计算方案中水道的作用是合理的,耦合模式能较好地模拟出北半球高纬海冰的主要地理分布特征,但夏季北冰洋内部靠近欧亚大陆部分边缘海区海冰密集度偏大。     

极冰气候效应的数值试验

利用一个大气环流模式（ＡＧＣＭ）和一个全球耦合海气模式（ＣＯＡＧＣＭ）,模拟了北极海冰边界范围的变化对月平均气候的影响。结果表明,极冰边缘的异常完全可以改变中高纬度某些地区的局地气候。受冷源的影响,北半球中高纬度冷高压加强,低纬度暖高压减弱。同时利用一个全球三维大气环流模式,作了海冰反照率参数化的数值试验,用两种不同的海冰反照率参数化方案,检验对地表面温度、海平面气压、极地表面对太阳辐射吸收的影响。模拟试验表明了冰雪圈反照率的反馈作用,对气候变化的影响十分重要。     

关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析:Ⅰ季风爆发的阶段性特征

该工作将亚洲季风区作为一个复杂的海-陆-气耦合系统,来深入考察季风区海-气、陆-气相互作用的基本事实和物理过程,探讨它们在决定亚洲季风爆发及北半球行星尺度大气环流的季节突变的物理机理。本文是系列文章的第一篇,着重研究亚洲夏季风爆发的区域性和阶段性特征,以及过渡季节热带、副热带地区海-气、陆-气相互作用的基本事实,初步分析了它们之间的联系。研究表明,热带季风对流于4月底到5月初越过赤道进入北半球,首先出现在孟加拉湾东部-中南半岛西南部地区,然后于5月中旬和6月上旬末分别出现在南海和印度半岛地区,呈阶段性爆发的特征。季风对流在孟加拉湾东部-中南半岛西南部地区爆发阶段,在大气环流变化和对流活动中心位置出现区别于南海季风和印度季风爆发的特征。通过对地表感热通量和海表潜热通量的分析,表明热带海洋上海表感热通量甚小于海表潜热通量,南海季风爆发时期印度洋上海表潜热通量显著增大,印度季风爆发后海表潜热通量的高值中心在孟加拉湾和阿拉伯海上建立起来。印度洋上低层增强的过赤道气流引起的强烈的海-气相互作用导致海表水汽的大量蒸发,并通过其输送作用,为季风对流的爆发提供了充足的水汽来源。过渡季节在副热带地区(沿27.5～37.5°N纬带上), 青藏高原和西太平洋上地(海)表感热通量和潜热通量均有迅速的季节变化性, 但趋势相反。当青藏高原上地表感热通量和潜热通量呈阶段性的显著加大, 西太平洋上海表感热通量和潜热通量迅速减小。这种大陆和海洋对大气加热的显著的季节化的差异, 影响着大气环流的季节转变。     

南海海域海-气耦合模式及其数值模拟试验

在ＮＣＡＲ区域气候模式ＲｅｇＧＭ２和普林斯顿海洋模式ＰＯＭ基础上发展适用于区域海－气相互作用研究的区域海－气耦合模式,模式采用同步耦合、海洋模式将海表温度提供给大气模式,大气模式为海洋模式提供太阳短波辐射、感热能量、潜热通量。海洋与大气模式每１５ｍｉｎ交换一次通量。耦合过程没有使用通量校正。使用该模式对中国南海区域１９９５年５－７月大气和海洋进行了模拟试验,将模拟结果与ＣＯＡＤＳ通量强迫的模拟结果     

全球海-气耦合大环流模式的发展

很早以前人们就相信能够逼真地模拟全球气候、气候变率以及气候变化的许多特征的气候模式,必须从相互影响上表达动力耦合的气候系统的多个主要分量,特别是大气、海洋与冰雪圈。一般来说这方面的工作一直受到计算能力、我们对实测系统的了解以及气候模拟能力的限制。随着巨型计算机的问世,我们对于全球气候过程了解的加深以及大气环流气候模式计算效率的改进,我们已经看见将大气、海洋、海冰耦合在一起的全球气候模拟迅速增加。从60年代后期开始,持续至80年代早期,人们将大气、海洋和海冰的大环流模式耦合起来,让模式非同步运行从而产生可信的对全球气候的各种模拟。这些分量模式中的系统误差后来促使一些模拟研究人员采用通量订正或通量调整,通过调整海-气界面上的一个或若干个变量,可以使模拟更接近实况。在过去的几年中计算能力与气候模拟技术的进一步改进已经使得全球海-气耦合大环流模式能同步运行(也就是说大气与海洋间的交流至少每个模式天一次)。由于计算上的限制,加上需要几十年气候积分,目前仍然只能将相对而言较粗网格的海洋大环流模式与相应的粗网格大气模式耦合(在500km×500km的量级上)。但是,最新一代全球耦合大环流模式的结果已揭示了,实验中二氧化碳逐渐增加时的一些令人感兴趣的、与海洋动力学和全球气候有关的特征。全球耦合大环流模式模拟研究的另一引人注目之处是与厄尔尼诺及南方涛动相联系的一些特征的出现。这些发现,加上同时进行的其它类型的有限域、动力耦合模式方面的研究使人们认识到气候系统中存在着固有不稳定耦合方式,是大气与海洋相互作用耦合的独特产物。所有这些努力正在造就下一代海-气耦合大环流模式。这些模式将在速度更快、存储量更大的计算机上运行,这些模式的海洋部分、大气部分的分辨率将会更高,海冰的表示方式将更加准确,云-辐射方案将得到改善,陆面过程的处理将更加逼真。     

冬季北半球大气对秋冬季巴伦支海海冰异常的敏感性研究

基于ERA-Interim再分析资料,借助大气模式CAM4,分析了北半球冬季不同月份的平均大气对巴伦支海不同振幅及不同季节海冰扰动的敏感性,并考察了中高纬度典型大气模态的分布变化情况。结果表明,冬季巴伦支海海冰的减少,会导致湍流热通量异常向上、局地异常变暖及水汽含量的异常升高,且相关异常的强度和范围随着海冰减少幅度的减小而减弱。这种局地响应会通过大气环流调整扩散开来,产生远程影响。具体地,冬季大气环流与欧亚地面温度异常对于不同幅度海冰异常的响应是非线性的,且在不同月份也呈现出不同特征。秋季巴伦支海海冰减少虽未引起局地显著的温度异常,但欧亚大陆温度及环流场异常响应的强度更强、范围更广,这表明秋季海冰可以独立地对冬季中纬度大气产生影响。此外,冬季不同月份西伯利亚高压强度、位置对巴伦支海海冰减少的响应是不同的,北大西洋涛动位相的倾向变化对不同季节、不同振幅海冰减少的响应也不相同。冬季海冰减少时,12月和1月,西伯利亚高压强度更易偏强、位置易偏东,2月则与之相反。与冬季相比,秋季海冰偏少时,西伯利亚高压更易稳定维持在欧亚大陆,晚冬时发生北大西洋涛动负位相的概率增大,但出现极端负位相概率降低。这为了解巴伦支海海冰异常对北半球天气、气候的影响提供了参考。      

1986年东海与南海的海-气界面热量交换

采用实测资料计算1986年7—12月东海和南海观测海域海-气界面热量交换。结果表明：7—9月上旬,大气向观测海域输送热量是主要现象,因为这时的气温比水温高,潜热通量与感热通量出现反相变化,天气晴好,海洋大量吸热;9月中旬—12月,观测海域向大气输送热量是主要现象,东海表现得比南海更为明显,主要贡献来自潜热通量和感热通量。受冷空气影响时,感热通量重要;在热带辐合带和热带气旋系统内海-气界面热量交换强烈,大气对海洋的响应为主。     

冬季格陵兰以东区域海冰异常对北大西洋风暴轴的影响研究

对45个冬季格陵兰以东区域海冰密集度场与北大西洋500hPa位势高度滤波方差作奇异值(SVD)分析,结果表明:SVD得到的第一对空间典型分布反映了冬季格陵兰以东区域海冰异常与风暴轴的异常变化密切相关。进一步的合成分析显示,海冰异常使得大气环流调整,气压梯度、天气尺度涡动热量的经向通量和垂直通量、局地斜压性均发生改变,从而对风暴轴的强度及中心的位移造成影响。     

Numerical Simulation of Atmosphere-Ocean-Sea Ice Interaction During Interannual Cycle in High Northern Latitudes

The interannual atmosphere-ocean-sea ice interaction （AOSI） in high northern latitudes is studied with a global atmosphere-ocean-sea ice coupled model system, in which the model components of atmosphere and land surface are from China National Climate Center and that of ocean and sea ice are from LASG, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences. A daily flux anomaly correction scheme is employed to couple the atmosphere model and the ocean model with the effect of inhomogenity of sea ice in high latitudes is considered. The coupled model system has been run for 50 yr and the results of the last 30 years are analyzed. After the sea level pressure （SLP）, surface air temperature （SAT）, sea surface temperature （SST）, sea ice concentration （SIC）, and sea surface sensible heat flux （SHF） are filtered with a digital filter firstly, their normalized anomalies are used to perform the decomposition of combined complex empirical orthogonal function （CCEOF） and then they are reconstructed with the leading mode. The atmosphere-ocean-sea ice interactions in high northern latitudes during a periodical cycle （approximately 4 yr） are analyzed. It is shown that： （1） When the North Atlantic Oscillation （NAO） is in its positive phase, the southerly anomaly appears in the Greenland Sea, SAT increases, the sea loses less SHF, SST increases and SIC decreases accordingly; when the NAO is in its negative phase, the northerly anomaly appears in the Greenland Sea, SAT decreases, the sea loses more SHF, SST decreases and SIC increases accordingly. There are similar features in the Barents Sea, but the phase of evolution in the Barents Sea is different from that in the Greenland Sea. （2） For an average of multi-years, there is a cold center in the inner part of the Arctic Ocean near the North Pole. When there is an anomaly of low pressure, which is closer to the Pacific Ocean, in the inner part of the Arctic Ocean, anomalies of warm advection appear in the region near the Pacif     

Seasonal Phase-Locking of Peak Events in the Eastern Indian Ocean

The sea surface temperature （SST） anomaly of the eastern Indian Ocean （EIO） exhibits cold anomalies in the boreal summer or fall during E1 Nino development years and warm anomalies in winter or spring following the E1 Nino events. There also tend to be warm anomalies in the boreal summer or fall during La Nina development years and cold anomalies in winter or spring following the La Nina events. The seasonal phase-locking of SST change in the EIO associated with E1 Nino/Southern Oscillation is linked to the variability of convection over the maritime continent, which induces an atmospheric Rossby wave over the EIO. Local air-sea interaction exerts different effects on SST anomalies, depending on the relationship between the Rossby wave and the mean flow related to the seasonal migration of the buffer zone, which shifts across the equator between summer and winter. The summer cold events start with cooling in the Timor Sea, together with increasing easterly flow along the equator. Negative SST anomalies develop near Sumatra, through the interaction between the atmospheric Rossby wave and the underneath sea surface. These SST anomalies are also contributed to by the increased upwelling of the mixed layer and the equatorward temperature advection in the boreal fall. As the buffer zone shifts across the equator towards boreal winter, the anomalous easterly flow tends to weaken the mean flow near the equator, and the EIO SST increases due to the reduction of latent heat flux from the sea surface. As a result, wintertime SST anomalies appear with a uniform and nearly basin-wide pattern beneath the easterly anomalies. These SST anomalies are also caused by the increase in solar radiation associated with the anticyclonic atmospheric Rossby wave over the EIO. Similarly, the physical processes of the summer warm events, which are followed by wintertime cold SST anomalies, can be explained by the changes in atmospheric and oceanic fields with opposite signs to those anomalies described above.     

春季格陵兰海冰变化及与北大西洋涛动和北极涛动的联系

采用长序列(1903—1994年)GISST海冰面积和海表温度(SST)资料、NCEP／NCAR再分析资料等，分析了春季格陵兰海冰面积年代际变化特征及其同北大西洋海气变化的关系。结果表明：春季格陵兰海冰面积变化的主要特征可由海冰变化的EOF第一主分量表示。春季海冰变化与前冬NAO／AO以及冬春1—4月份北大西洋墨西哥湾流区SST具有明显的反相变化趋势，且均具有准60a的周期变化特征。海洋向大气的热量输送(感热、潜热)受到海冰变化的显著影响(冰多输送少)。海冰作为大气的冷源，也明显影响地表净辐射的变化。进而，春季海冰变化可影响后期的大气环流变化：海冰面积偏大(偏小)，冰岛低压和阿留申低压偏弱(偏强)，夏季北非和亚洲大陆的SLP明显偏低(偏高)，两大陆夏季热低压加强(减弱)。     

The Coordinated Influence of Indian Ocean Sea Surface Temperature and Arctic Sea Ice on Anomalous Northeast China Cold Vortex Activities with Different Paths during Late Summer

The Northeast China cold vortex(NCCV) during late summer(from July to August) is identified and classified into three types in terms of its movement path using machine learning. The relationships of the three types of NCCV intensity with atmospheric circulations in late summer, the sea surface temperature(SST), and Arctic sea ice concentration(SIC) in the preceding months, are analyzed. The sensitivity tests by the Community Atmosphere Model version 5.3(CAM5.3) are used to verify the statistical...     

南印度洋偶极子的变化特征及其与ENSO事件的联系

利用Hadley Center逐月海温资料以及NCEP/NCAR逐月风场、海平面气压场等资料探讨了南印度洋偶极子(Southern Indian Ocean Dipole,SIOD)的变化特征及其与ENSO事件的联系。结果表明:1)发生在南半球副热带印度洋地区的海温异常西南—东北反相的南印度洋偶极子现象,具有明显的季节锁相特征:10—12月发生发展,次年1—3月发展成熟达到盛期,4—6月减弱消亡;SIOD的形成主要受大尺度大气环流的影响,马斯克林高压以及澳大利亚低(高)压位置和强度的变化引起的副热带印度洋海表面风场的异常,影响了海温的变化,进而形成SIOD。2)南半球副热带印度洋地区的海温变化与赤道中东太平洋地区海温异常密切联系,前冬ENSO事件与SIOD有显著的负相关关系,大多数正SIOD发生在La Ni?a事件之后,大多数负SIOD发生在El Ni?o事件之后;也存在部分SIOD事件的发生既不伴随La Ni?a现象,也不伴随El Ni?o现象。3)ENSO事件产生的异常垂直运动和赤道异常纬向风对南半球副热带印度洋地区的海平面气压以及海表面风场的强度和位置的变化有重要作用,可以分别影响SIOD东西极子的演变,进而对SIOD产生影响。4)SIOD事件也可单独发生,一般负事件比正事件早一个月发生,同时由于没有ENSO事件的作用,海温异常反相的现象不能持续,单独发生的SIOD事件生命期较短。     

中低纬海气相互作用的耦合模态变化研究

利用1948—2003年的NCEP再分析资料和英国气象局Hadley气候预测和研究中心的海表面温度资料,从整体分析地球中低纬三大洋海气耦合系统的角度出发,使用SVD方法研究中低纬海气相互作用的耦合变化。结果表明,中低纬海气相互作用是一个有机的耦合整体,其变化不管从年际还是年代际上都存在耦合相关性,这一点给我们提出了一个新的研究全球范围海气耦合变化的思路。提取的海气耦合基本模态的正、负异常年份的海温和风场异常合成分析结果显示,当赤道东太平洋的海水偏暖时,热带印度洋和热带大西洋的海水也偏暖,热带西太平洋直至中纬度太平洋的海温总体偏冷。就印度洋而言非洲大陆以南30~50 °S的大片海区存在明显的海温负异常。北美洲大陆的东岸30 °N以北和南美洲大陆的东岸30 °S以南的海区都为明显的海温负异常。当赤道东太平洋的海水偏冷时各大海区的海温分布情况反之。      

不同类型ENSO事件对初冬北极海冰的影响

基于1951—2019年NCEP/NCAR再分析资料、Hadley环流中心海温、海冰密集度资料,通过合成分析和诊断温度异常方程,研究不同类型ENSO对初冬北极海冰的影响。结果表明,EP La Ni1a发展年初冬(11—12月),巴伦支—喀拉海海冰异常减少;CP La Ni1a发展初冬,巴伦支—喀拉海海冰异常增加。EP和CP型El Ni1o对初冬北极海冰的影响类似：格陵兰海海冰异常减少,而哈德逊—巴芬湾海冰异常增加。不同类型ENSO对初冬北极海冰的影响主要通过产生不同的大气遥相关,引起同期和前期的海表气温异常而实现。     

东西伯利亚——波弗特海海冰多年代际变率及其与大西洋多年代际振荡的联系

基于哈得来中心（Hadley Centre）逐月的海表温度、海冰密集度资料以及美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）的大气环流再分析资料,分析了1950—2020年秋季（8—10月）东西伯利亚—波弗特海（East Siberian-Beaufort,EsCB）海冰年代际变化的时空特征,并阐述了大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）对EsCB海冰年代际变率的可能调制作用。结果表明,EsCB是秋季北极海冰年代际变化最主要的区域,该区海冰密集度年代际变率可占其异常总方差的40%以上。进一步研究发现,AMO对秋季EsCB海冰存在明显的调制作用,在AMO正位相,北大西洋正海温异常激发向极传播的大气罗斯贝波列,有利于北极中部出现高压异常,相应的大气绝热下沉运动使得对流层低层出现明显的升温,从而有利于EsCB海冰的融化。与此同时,地表升温和EsCB海冰消融会引起局地云量的增多、大气向下长波辐射增大,这反过来又使得地表气温升高,这种地表气温-云-长波辐射的正反馈过程有利于年代际海冰信号的长时间维持。耦合模式的北大西洋“起搏...     

Cross-season relation of the South China Sea precipitation variability between winter and summer

The present study reveals cross-season connections of rainfall variability in the South China Sea (SCS) region between winter and summer. Rainfall anomalies over northern South China Sea in boreal summer tend to be preceded by the same sign rainfall anomalies over southern South China Sea in boreal winter (denoted as in-phase relation) and succeeded by opposite sign rainfall anomalies over southern South China Sea in the following winter (denoted as out-of-phase relation). Analysis shows that the in-phase relation from winter to summer occurs more often in El Niño/La Niña decaying years and the out-of-phase relation from summer to winter appears more frequently in El Niño/La Niña developing years. In the summer during the El Niño/La Niña decaying years, cold/warm and warm/cold sea surface temperature (SST) anomalies develop in tropical central North Pacific and the North Indian Ocean, respectively, forming an east–west contrast pattern. The in-phase relation is associated with the influence of anomalous heating/cooling over the equatorial central Pacific during the mature phase of El Niño/La Niña events that suppresses/enhances precipitation over southern South China Sea and the impact of the above east–west SST anomaly pattern that reduces/increases precipitation over northern South China Sea during the following summer. The impact of the east–west contrast SST anomaly pattern is confirmed by numerical experiments with specified SST anomalies. In the El Niño/La Niña developing years, regional air-sea interactions induce cold/warm SST anomalies in the equatorial western North Pacific. The out-of-phase relation is associated with a Rossby wave type response to anomalous heating/cooling over the equatorial central Pacific during summer and the combined effect of warm/cold SST anomalies in the equatorial central Pacific and cold/warm SST anomalies in the western North Pacific during the mature phase of El Niño/La Niña events.     

Effects of atmosphere-ocean interaction on the interannual variability of winter temperature in Taiwan and East Asia

 This study investigated the ocean-atmosphere interaction effect on the winter surface air temperature in Taiwan. Temperature fluctuations in Taiwan and marine East Asia correlated better with a SST dipole in the western North Pacific than the SST in the central/eastern equatorial Pacific. During the warm (cold) winters, a positive (negative) SST anomaly appears in marine East Asia and a negative (positive) SST anomaly appears in the Philippine Sea. The corresponding low-level atmospheric circulation is a cyclonic (anticyclonic) anomaly over the East Asian continent and an anticyclonic (cyclonic) circulation in the Philippine Sea during the warm (cold) winters. Based on the results of both numerical and empirical studies, it is proposed that a vigorous ocean-atmosphere interaction occurring in the western North Pacific modulates the strength of the East Asian winter monsoon and the winter temperature in marine East Asia. The mechanism is described as follows. The near-surface circulation anomalies, which are forced by the local SST anomaly, strengthen (weaken) the northeasterly trade winds in the Philippine Sea and weaken (strengthen) the northeasterly winter monsoon in East Asia during warm (cold) winters. The anomalous circulation causes the SST to fluctuate by modulating the heat flux at the ocean surface. The SST anomaly in turn enhances the anomalous circulation. Such an ocean-atmosphere interaction results in the rapid development of the anomalous circulation in the western North Pacific and the anomalous winter temperature in marine East Asia. This interaction is phase-locked with the seasonal cycle and occurs most efficiently in the boreal winters. Received: 22 October 1999 / Accepted: 5 June 2000