东印度洋天气和风暴潮预报系统的初步评估

东印度洋天气和风暴潮实时预报系统（EPMEF_EIO）由区域大气模式和区域风暴潮模型组成,每天实时运行4次.大气初边场来自美国国家环境预报中心（NCEP）的全球预测系统（GFS）,通过区域嵌套得到印度洋-东印度洋-斯里兰卡区域的3 d预报结果.大气模式的10 m预报风场驱动风暴潮模式,得到东印度洋-斯里兰卡区域的潮汐和风暴潮3 d预报结果.通过与中国科学院南海海洋研究所斯里兰卡站气象塔观测数据、最优台风路径数据和科伦坡水位站数据对比,发现模式预报气温和相对湿度的日变化较观测值偏小,气温总体RMSE为1.26℃,相关系数为0.8,相对湿度的总体RMSE为7.0%,相关系数为0.7;模式预报风速以整体偏大为主,总体RMSE为2.3 m/s,相关系数为0.65;模式预报风向能把握主要的变化趋势,RMSE在20°~32°之间,相关系数约0.65;模式24、48和72 h路径预报平均误差分别为110.5、166.4和181.0 km.此外,模式水位预报的RMSE为0.035 m,占最大振幅约5%,与观测的相关系数达到0.996.这说明了模式可以用于预报潮汐和风暴潮过程.     

南海季风试验研究

介绍了"九五"国家攀登项目"南海季风试验"外场观测系统和主要结果.该试验是一次旨在了解南海季风爆发,维持和变化主要物理过程的大气与海洋联合试验,是由十几个国家与地区参加的一次大型国际合作项目.通过1998年5～8月的外场观测试验,取得了大量和多种大气与海洋的加密观测资料,为南海和东亚季风及其与海洋的相互作用研究提供了比较完善的资料集.目前研究正在深入阶段.作者只是对这个试验的一般情况作了说明.     

斯里兰卡近岸风暴潮模拟中风暴潮-潮汐相互作用特征分析:一个个例研究

利用三维普林斯顿海洋模型（POM）以及逐时水位观测数据,研究印度洋北部斯里兰卡北部海岸风暴潮-潮汐相互作用特征.选择了2008年的"Nisha"台风作为台风风暴潮个例进行研究,并进行了3个数值敏感性试验.经验证,该风暴潮模型可以很好地再现该台风期间研究区域内的潮汐和总海水水位.试验结果表明,沿斯里兰卡西北海岸的风暴潮-潮汐相互作用显著,其强度与台风的强度和轨迹相关.当TC在42 h达到较大强度时,可以得到风暴潮-潮汐相互作用导致的最大增水值TSI （0.6 m）和从印度洋外海向斯里兰卡西北部浅滩流入的最大相互作用流场.在TC强度较弱的第30小时,得到最大负TSI （-0.6 m）和向南流出西北部浅水区域的较弱的相互作用流场.在整个台风期间,强TSI都发生在斯里兰卡西北部海滩到对岸的印度洋近岸区域.     

东印度洋海洋学综合科学考察航次概况

赤道东印度洋海域是西半球暖池的重要组成部分,对我国季风系统乃至全球气候变化研究意义重大.印度洋作为海上丝绸之路的交通要道,开展东印度洋海洋调查也是保障海上丝绸之路安全的重要一环.自2010年起,国家自然科学基金委为贯彻落实《国家自然科学基金"十一五"发展规划》的战略部署而设立的"国家自然科学基金委印度洋综合航次",极大地促进了海洋学科多学科交叉和融合,丰富了该海域的海洋观测数据,取得了丰硕的科研成果.本文介绍了2010年起至今的东印度洋海洋学综合科学航次考察的内容、进展和成果,并展望了东印度洋海洋学综合科学考察航次今后的主要方向.     

印度洋海盆模影响西北东部5月降水的数值模拟研究

利用海洋大气完全耦合模式FOAM模拟研究了热带印度洋海盆模影响我国西北地区东部5月降水的异常及其物理机制。结果表明:当热带印度洋为暖海盆异常模态时,FOAM模式模拟的西北地区东部5月降水异常偏多,这与观测分析结果相一致。模拟发现春季热带印度洋暖海盆模态可在大气中引起类似"Matsuno-Gill Pattern"的异常响应,在对流层高层青藏高原西南侧形成异常高压,并在北半球中纬度沿高空急流轴形成异常遥相关波列,西北地区东部处于异常遥相关波列在东亚地区正异常中心的西部,正好为"西低东高"这一典型降水偏多的大气环流形势控制,对应对流层高层风场为明显的异常反气旋环流,气流辐散,低层有小范围的弱辐合,形成气流上升运动和水汽异常大值中心,引起降水偏多,模拟的海盆模引起的大气环流异常场与观测分析结果基本一致。FOAM模式对热带印度洋海盆模影响西北地区东部5月降水异常及其物理过程进行了较好的模拟验证。     

热带印度洋环流动力与季风相互作用研究进展

围绕中国科学院战略性先导科技专项"泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设"之子课题"热带印度洋环流动力与季风相互作用及其影响",从热带印度洋上层海洋环流、盐度变异对印度洋典型海气耦合过程的影响、印度洋海气相互作用及其对泛第三极水汽输送的影响方面回顾了热带印度洋环流动力与季风相互作用的研究进展.针对国内外研究发展的现状,提出热带印度洋上层经向、纬向、垂向流系间三维联动机制,海盆尺度热盐再分配对局地海-气模态变异的响应和反馈机制,热带印度洋典型海气耦合模态对泛第三极地区气候变化的影响机理等关键科学问题亟待解决.开展该子课题研究的最终目标是：全面认识和理解热带印度洋上层环流体系,加深印度洋海洋环流动力与海气相互作用及其对泛第三极经向水汽输送作用的理解,提高泛第三极地区气候预测水平,提升丝绸之路海上观测航道监测保障能力,从而为"一带一路"倡议和"21世纪海上丝绸之路"建设服务.     

印度夏季季风的研究

随季节而变化的季风环流是与每年亚洲大陆的加热和冷却作用相联系的,它构成了大气环流的最重要的大尺度特征。印度季风是指印度洋地区低层大气的盛行风向一年之内作两次逆转变化,这主要是北部的大陆和南部的海洋之间的加热不同所造成的。“季风”一词不仅用于印度洋上的盛行风系统,而且还与非洲和南亚的热带和赤道地区的天气现象相联系。亚洲夏季季风则意味着6—9月期间的降雨。印度夏季季风与亚洲许多国家的国计民生息息相关。以往由于印度洋地区资料缺少,使研究工作受到限制。最近通过“季风试验”(MONEX)和“全球大气研究计划第一次全球试验”(FGGE),这方面的研究正在取得新的进展。     

青藏高原夏季热力状态和南半球大气环流的可能联系

本文通过对观测和再分析数据采用最大协方差分析以及回归、合成等分析方法,研究了青藏高原夏季地表气温与南半球大气环流之间的遥相关关系。结果表明,前期(4月)南半球极地—中高纬度大气环流呈现负位势高度异常、较低纬度印度洋—西太平洋区域呈现正位势高度异常时,高原中部和东部大部分区域夏季出现暖异常。在上述遥相关中,印度洋—西太平洋海温异常可能起到了重要的中间桥梁作用。在高原夏季温度偏高的年份,前期跨赤道的印度洋—西太平洋海温也持续偏暖,带来的海陆热力对比减小、经向跨赤道气流减弱有利于削弱夏季的季风环流,使得高原夏季降水偏少,有利于形成高原夏季的暖异常。在这一高原气温—南半球大气环流的遥相关关系中,4月南半球的大气位势高度场异常和与印度洋—西太平洋海温异常相关的异常高度场分布也十分相似。这一前期的跨赤道区域海温异常与南半球中高纬度位势高度场异常的因果关系仍有待进一步揭示。     

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。     

气候系统模式FGOALS模拟的南亚夏季风：偏差和原因分析

本文通过与观测和再分析资料的对比,评估了LASG/IAP发展的气候系统模式FGOALS的两个版本FGOALS-g2和FGOALS-s2对南亚夏季风的气候态和年际变率的模拟能力,并使用水汽收支方程诊断,研究了造成降水模拟偏差的原因。结果表明,两个模式夏季气候态降水均在陆地季风槽内偏少,印度半岛附近海域偏多,在降水年循环中表现为夏季北侧辐合带北推范围不足。FGOALS-g2中赤道印度洋"东西型"海温偏差导致模拟的东赤道印度洋海上辐合带偏弱,而FGOALS-s2中印度洋"南北型"海温偏差导致模拟的海上辐合带偏向西南。水汽收支分析表明,两个模式中气候态夏季风降水的模拟偏差主要来自于整层积分的水汽通量,尤其是垂直动力平流项的模拟偏差。一方面,夏季阿拉伯海和孟加拉湾的海温偏冷而赤道西印度洋海温偏暖,造成向印度半岛的水汽输送偏少;另一方面,对流层温度偏冷,冷中心位于印度半岛北部对流层上层,同时季风槽内总云量偏少,云长波辐射效应偏弱,对流层经向温度梯度偏弱以及大气湿静力稳定度偏强引起的下沉异常造成陆地季风槽内降水偏少。在年际变率上,观测中南亚夏季风环流和降水指数与Ni?o3.4指数存在负相关关系,但FGOALS两个版本模式均存在较大偏差。两个模式中与ENSO暖事件相关的沃克环流异常下沉支和对应的负降水异常西移至赤道以南的热带中西印度洋,沿赤道非对称的加热异常令两个模式中越赤道环流季风增强,导致印度半岛南部产生正降水异常。ENSO相关的沃克环流异常下沉支及其对应的负降水异常偏西与两个模式对热带南印度洋气候态降水的模拟偏差有关。研究结果表明,若要提高FGOALS两个版本模式对南亚夏季风气候态模拟技巧,需减小耦合模式对印度洋海温、对流层温度及云的模拟偏差;若要提高南亚夏季风和ENSO相关性模拟技巧需要提高模式对热带印度洋气候态降水以及与ENSO相关的环流异常的模拟能力。     

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。     

季风异常,ENSO事件和地气角动量交换

季风异常和ＥＮＳＯ事件是发生在低纬地区的年际大气和海洋异常现象。本文把近年来这方面的分散研究集中到固体地球，全球海气相互作用的地球系统中来，揭示出季风异常和ＥＮＳＯ事件以及其它的大气和海洋事件的固海气相互作用的反映。这一分析具体得到下列认识：（１）南方涛动（ＳＯ）是太平洋东西部海温异常与山脉地形共同作用在海平面气压场上的反映；（２）在地球系统的年际变化中，除了大气对海洋的动力作用和海洋对大气的热力     

大气环流的季节突变与季风的建立Ⅰ.基本理论方法和气候场分析

将曾庆存等提出的大气环流的季节划分和计算季风的理论方法作了改进,使之更便于研究季风的建立过程.该理论方法将环流突变和季风建立时段,其"变差度"和与其前和其后场的"相似度"等由空间场的泛函随时间的变化(即数学名词上的"流"[flow])一起求出来.研究Ⅰ先分析气候平均场,Ⅱ分析各个别年份的情况及年际变化.研究Ⅰ的结果表明:(1)该方法可以客观定量地定出"突变"时段的关键日期;与季风建立过程联系,即是季风建立的"预兆日期",它比人们用天气-气候学方法(甚至用别的气象要素)定出的可以明显感觉到的或有明显实用价值的"季风来临日期"要早2至4天.(2)在北半球亚澳季风系统区域,夏季风的来临在许多关键地区伴有明显的环流突变,建立和推进者很快,但也有许多区域不表现为当地环流的突变,推进速度也慢.(3)北半球亚澳季风系统低空的热带季风分支,在6月中以前可明确区分为3个子系统,(a)西太平洋暖池和邻近低纬区域,4月中下旬建立;(b)热带东北印度洋(北界与孟加拉湾相邻,但不包括其在内)及索马里东边海洋,4月末至5月初建立;和(c)南海区域,5月上旬从南到5月下旬到北部.南海夏季风向北推进最快,于5月末候即可达北回归线附近,然后与暖池西北区域风场的突变一起,于6月中旬影响到东亚30°N区域;印度洋季风于6月初到达印度半岛东南端,然后逐渐推向印-巴次大陆.7月中以后,热带季风才连成一片,由非洲东岸直至长江下游和菲律宾附近.副热带季风分支于6月中旬可以感到其影响,于7、8月盛行于东亚和西太平洋区域,且结构和演变都比较复杂;6～7月间只表现为在(5～20°N,120～150°E)区域有强的环流突变(与副高增强并北移对应),7月中至8月底,则在上述区域和沿30°N的长江下游和日本以南的洋面上有3个强的环流突变中心(对应于副高又一次增强北移和西伸).这里暂不讨论温寒带季风分支.(4)季风具有鲜明的三度空间斜压结构,尤其是在低空季风"爆发"之前,平流层早已有强的环流突变,季节调整完成,然后突变向下延伸(虽然强度大减),跟着就有当地的低空季风"爆发"(建立).平流层和对流层环流的相互作用及其与季风建立的关系很值得进一步研究.     

耦合模式FGOALS-s2海洋同化试验模拟的西北太平洋海气相互作用特征

观测发现,西北太平洋区域夏季降水—SST存在显著的负相关,主要是由于El Ni?o衰减年西北太平洋异常反气旋持续至夏季,该过程是检验耦合模式性能的重要参照标准。本文利用中国科学院大气物理研究所近期气候预测系统IAP-DecPreS,通过海洋同化试验、大气模式AMIP试验与观测结果的比较,评估海洋同化试验对西北太平洋夏季局地海气相互作用特征的模拟影响。结果表明,海洋同化试验能够模拟出西北太平洋区域夏季降水—SST负相关,但负相关区域范围偏小。其与观测之间的最大差异出现在8月,西北太平洋负降水异常及异常反气旋位置偏东,强度偏弱。这是由于其模拟的El Ni?o衰减年夏季赤道东印度洋正降水异常偏弱且移动至赤道南侧,对流层增温偏弱,对西太平洋的遥相关作用偏弱。AMIP试验未考虑大气对海洋的反馈作用,不能再现西北太平洋降水—SST负相关,无法模拟出El Ni?o衰减年夏季西北太平洋异常反气旋。研究表明,海洋同化试验对西北太平洋区域局地海气相互作用特征的模拟能力较AMIP试验有所提升,其对8月西北太平洋降水与环流场的模拟偏差与东赤道印度洋降水模拟偏差有关。     

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。     

全球热带海气耦合距平模式及其数值模拟

用观测海温距平对一个中等分辨率的细网格大气模式和观测 FSU假风应力对全球热带三大洋距平海洋模式分别进行强迫试验。结果表明 :无论是大气模式还是海洋模式均在一定程度上较好地模拟了观测事实 ,热带大西洋的模拟效果好于热带印度洋。对大气模式而言 ,经向风距平的模拟要好于纬向风距平 ,热带大西洋西部好于东部 ,热带印度洋东部好于西部 ,赤道南侧好于北侧。对海洋模式而言 ,热带大西洋模拟最好的区域是赤道中东部 ,对赤道东印度洋的暖事件及偶极子事件年际变率模拟也较好。在此基础上 ,用和海气耦合模式同样的耦合方式将两者耦合起来 ,构成了一个中等复杂程度的全球热带海气耦合模式 ,这是进一步研究全球热带海气相互作用的基础     

气候系统模式FGOALS-g3模拟的全球季风：版本比较和海气耦合过程影响分析

本文基于观测和再分析资料，采用水汽收支诊断和合成分析方法，对新一代气候系统模式FGOALS-g3模拟的全球季风进行了系统评估，给出其较之前版本FGOALS-g2的优缺点，并通过与其大气分量模式GAMIL结果的比较，讨论了海气耦合过程的影响。结果表明，FGOALS-g3能合理再现全球季风气候态的基本特征，包括年平均、年循环模态、季风降水强度和季风区范围等，但模式低估陆地季风区年平均降水，高估海洋平均降水，模拟的热带地区春秋非对称模态偏强。研究指出FGOALS-g3模拟的陆地季风区范围偏小，这与模式模拟的夏季水汽垂直平流（尤其是热力项）偏小有关。年际变率上，FGOALS-g3能再现El Ni?o年全球季风降水偏少的整体特征，其不足之处在于部分季风区的降水异常存在一定偏差，例如其模拟的El Ni?o年西非季风区降水偏多和西南印度洋的偶极子型降水异常，均与观测分布不一致，且模式中西北太平洋季风区降水较观测偏多。这是由于El Ni?o年，模式中西非高层无弱辐合中心，且海洋性大陆较观测偏暖，对流中心西移。相较于FGOALS-g2,FGOALS-g3对环流、季风降水的年际变率和季风–ENSO关系的模...     

1998年SCSMEX期间南海夏季风海气交换的主要特征

根据1998年“南海季风试验（SCSMEX）”强化观测期间“实验3号”和“科学1号”科学考察船船基大气海洋自动观测系统两点连续观测的大气、海洋资料,使用考虑到风速和大气层结影响的整体输送公式计算海-气间的湍流通量交换。根据计算结果分析南海夏季风期间海表大气要素和海温日均值的逐日变化、海洋向大气输送的潜热通量和感热通量以及大气向海洋输送的动量通量等。结果表明：这次夏季风于5月21日从南海南部开始爆发,然后向北部扩展全面爆发。夏季风期间南海南部和南海北部的大气、海洋结构和海气交换特征等都有明显差别。此外,海表温度的变化除了与太阳总辐射有关外,主要是与海洋向大气输送的潜热通量变化有关,对本次夏季风发生较晚、强度较弱作了海-气交换的物理解释,并与1992～1993年西太平洋热带海域西风爆发过程作了比较。     

南海夏季风爆发早晚的大气热源特征分析

利用1972—2007年NCEP/NCAR再分析资料计算大气热源,分析了南海夏季风爆发前后大气热源的特征,在此基础上,以南海夏季风爆发偏早年(1983年)和爆发偏晚年(1989年)为例,对比分析大气热源和大气环流特征的差异。结果表明:季风爆发后热源中心有明显的北抬现象,伴随着我国南部至南海区域低层较强的西南风建立;季风爆发偏早年,中层大气在我国以北出现负距平,赤道区域热源中心值较平均水平高,与之对应的是爆发偏晚年热源中心值偏低,偏早年季风爆发前在赤道至南海区域有较大的热源梯度,这种动力和热力形势的配置使季风爆发偏早年Hadley环流强度增强,导致从孟加拉湾向北的水汽输送增多,南海夏季风爆发时间偏早,造成雨带北移的时间提前。     

季风年—一个热带气候年新概念

作为热带气候异常的一个单位年(即气候年,climatic year),提出了“季风年(monsoonyear)”概念。季风年定义为从北半球夏季季风季节开始算起的一年。本文还认为热带的这个气候年是以亚洲季风/太平洋区域的海洋/陆地/大气耦合系统的自然属性为基础的。