冬季北太平洋优势气候模态的转移

采用EOF分解和小波分析,并引入相似度,分析冬季北太平洋的两个主要气候模态,即太平洋年代际振荡（PDO）模态与北太平洋涡旋振荡（NPGO）模态,及其结构特征随时间的演变。结果表明：1988/1989年的气候转移后,冬季海温距平（SSTA）优势模态为NPGO模态的年份越来越多,这种优势气候模态的转移现象表现出准18 a的年代际周期;SSTA与NPGO模态相似度的20年滑动平均在20世纪80年代中后期之后超过了SSTA与PDO模态的相应值,这表明此后SSTA的优势模态发生了转移,由PDO型转换为NPGO型;对典型时间段SSTA的合成分析显示,其优势模态由1988年前的PDO型转变为之后的NPGO型。     

冬季北太平洋海温主模态在1990年前后调整及其成因初探?

太平洋年代际振荡(PDO)和北太平洋涡旋振荡(NPGO)是北太平洋(20°~60°N,120°E~120°W)海温(SST)的EOF前两个模态,本文通过比较1990年前后北太平洋冬季SST EOF前两个模态,揭示了PDO和NPGO在1990年前后特征,并从关键区海温变化、北太平洋涛动(NPO)、赤道太平洋中部变暖(CPW)和北极涛动(AO)的影响,揭示了北太平洋主模态在1990年之后调整的成因。我们发现,1990年之前,北太平洋SST场的EOF前两个模态与PDO和NPGO的空间结构类似,但是在1990年之后,SST的EOF第一模态的最大荷载中心向日界线移动,40°N以北的太平洋被正的SST异常控制,表现出与NPGO模态的负位相相似的空间分布特征,而EOF第二模态由偶极子演变成了三极子结构。北太平洋中部(28°~36°N,152°~178°W)和北太平洋北部(44°~49°N,151°~177°W)海温距平在1990年之后呈显著的负相关变化,是导致在1990年之后冬季NPGO成为主模态的内部原因,而NPO在1990年之后的显著增强则是重要的外部原因。分析显示,NPO在1980年开始表现出增强趋势,通过风生流机制,NPO可以增强北太平洋45°N附近的气压梯度和西风异常幅度,从而导致了1990年之后NPGO海温模态的加强。虽然CPW和AO对NPO的南支(夏威夷)和北支(阿拉斯加)的海平面气压异常中心加强有贡献,但是上述两个因子与NPGO之间的关系在1990年之前并不明显。因此,CPW和AO与NPGO之间并不存在稳定的物理联系。     

冬季北太平洋海气环流年代际异常的统计动力诊断

本文对冬季北太平洋大气和大洋环流做了联合复经验正交函数(CEOF)分解和小波分析, 并分别讨论了第一、二模态的年代际变化及其与海表温度异常(SSTA)年代际变化(PDO、NPGO模态)的关系, 得到以下主要结论:第一、二模态对时间系数的分析显示, 其与PDO、NPGO指数的相关性较高, 且小波分析表明其分别具有明显的准22、12年的年代际变化周期, 这与PDO、NPGO模态的周期相同;第一、二模态时间系数对北太平洋SSTA的回归分析表明, 其回归系数场的空间分布分别与PDO、NPGO的十分接近。第一、二模态空间场中大气环流异常分别类似于海平面气压异常(SLPA)的AL、NPO模态, 可分称其为AL、NPO的风场模;而大洋环流异常则分别相应于SSTA的PDO、NPGO模态, 可称其为PDO、NPGO的流场模。由第一、二模态近表层流场异常得到的垂直运动空间分布分别与PDO、NPGO的空间结构相似, 说明海洋上层海盆尺度大洋环流引起的垂直运动所导致的海温动力变化是形成PDO、NPGO的重要原因, 而大洋环流异常扮演着中介角色。     

中国东部冬季气温异常与海表温度异常的关系分析

采用SVD、 相关分析及EOF方法, 分析了中国东部冬季地面气温与北大西洋及北太平洋海温异常变化的关系。结果表明： （1）中国东部冬季气温变化的一致性较高; （2）冬季气温异常与前一年9月北大西洋海域关键区（16°～40°N, 60°～24°W）海温和当年2月西北太平洋关键区（20°～40°N, 124°E～180°）海温呈显著的正相关分布, 即前一年9月北大西洋和当年2月西北太平洋海温异常偏高（低）, 东部冬季气温亦偏高（低）, 即前一年9月北大西洋海温的异常是否为我国冬季气温的气候预测提供了一种前期信号; （3）关键区海温对中国东部冬季气温的影响存在区域差异。北大西洋前期海温与中国东部冬季气温有密切的关系, 而西北太平洋的海温主要影响长江流域及其以北的季风中部区; （4）海温影响气温的可能机理是西北太平洋海温异常升高, 使乌山脊减弱, 阿拉斯加脊减弱, 东亚大槽减弱向东移动, 纬向环流加强, 高纬度的冷空气不易南下, 导致我国东部大部分地区冬季气温偏暖, 反之亦然。在年代际尺度上, 纬向环流和东亚大槽对海温有显著的响应; 但在年际变化方面, 东亚大槽对海温的响应不显著。     

松花江流域冬季降雪的年际变化与西北太平洋海温的关系

利用松花江流域（Songhua River Basin, SRB）103站降水资料、 NCEP/NCAR再分析资料以及NOAA海温等资料,运用多种统计方法,分析了1979-2019年松花江流域冬季降雪的年际变化特征及其与西北太平洋地区海温异常的联系。研究表明,松花江流域冬季降雪主要受到其年际变率的调控,且年际降雪异常EOF分解的第一模态表现为流域一致型变化（方差贡献率为55.3%）。当松花江流域冬季年际降雪偏多（偏少）时,鄂霍次克海到阿留申地区出现位势高度正异常（负异常）,其南部中低纬地区位势高度为负异常（正异常）。进一步分析表明,冬季西北太平洋地区偶极子型海温异常对同期松花江流域年际降雪有重要影响。当西北太平洋海温偶极子为正位相时（日本海地区海温正异常,菲律宾群岛以东地区海温负异常）,引起西北太平洋中高纬地区对流层中层出现位势高度正异常,低层为异常反气旋式环流,中低纬地区对流层中层出现位势高度负异常,低层为异常气旋式环流。在此环流背景下,北太平洋到松花江流域被异常东南风控制,有利于阿留申以南海域以及我国东部近海地区的水汽输送至松花江流域并辐合上升,导致该流域冬季年际降雪增加;反之亦然...     

夏季青藏高原气温与冬季北太平洋海温的异常特征及其相关分析

利用青海、 西藏59个测站1971-2004年夏季（6~8月）的月平均气温和北太平洋(10°S~50°N、 120°E~80°W)1970-2003年的冬季（上年12月~次年2月）平均海表温度, 通过EOF、 REOF、 SVD等方法, 对青藏高原地区夏季气温和前期冬季北太平洋海温的异常特性以及两者之间的空间遥相关特征进行了研究, 并对北太平洋冬季海温及青藏高原夏季气温的年代际空间特征进行了分析。结果表明, 北太平洋冬季海温的异常分布型有： （1）赤道中东太平洋与西北太平洋海温相反分布型, （2）副热带北太平洋海温东西反相分布型, （3）北太平洋海温南北反相分布型, （4）北太平洋海温东西一致分布型。其中赤道中东太平洋与西北太平洋海温反相变化是冬季北太平洋SSTA的主要空间分布特征。进一步分析表明, 北太平洋冬季海温可分为6个气候区： 赤道中东太平洋区、 加利福尼亚海流区、 黑潮区、 亲潮区、 阿拉斯加海流区和中太平洋区。青藏高原地区夏季气温的异常分布型主要为（1）全区一致的偏高（低）型, （2）南北相反分布型, （3）周边地区与腹地相反分布型。青藏高原夏季气温可分为4个主要气候区： 东北部区、 西藏东南部区、 中部区和南部边缘区。冬季赤道中东太平洋SSTA 与次年夏季青藏高原地区区域性温度异常之间有较为明显的负相关关系, 这种关系在两者的其它空间关系中是第一位的。     

近赤道太平洋表层和斜温层海温的变化与ENSO

用ＮＭＣ１９８２～１９９３年海洋再分析资料集,分析近赤道太平洋（１０°Ｓ～１０°Ｎ）海洋上层（０～４００ｍ）温度的季节和年际变化特征。分析揭示,上层海温的年际变化比季节变化大。在ＥＮＳＯ年或反ＥＮＳＯ年,由于斜温层深度变化大,斜温层附近的海温异常比海表还大,无论在西太平洋暖水区,还是东太平洋冷水区,斜温层附近温度距平都可达±７°℃以上,而且西太平洋暖水区的最大异常出现在赤道两侧４°～９°区域。     

春季北太平洋风暴轴的年际与年代际变化特征及其与太平洋海温异常的关系

利用20世纪大气再分析资料和欧洲中心海温资料研究了春季西北太平洋风暴轴的年（代）际变化特征以及在不同年代际背景下风暴轴与太平洋海温关系的转变。结果表明,春季西北太平洋风暴轴主要存在两种空间变化模态,即反映其强度变化的第1模态和反映其南北位置变化的第2模态。年代际及以上时间尺度上,风暴轴强度、位置与太平洋海温的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用。在不同年代际背景下,风暴轴与太平洋海温的关系则存在明显的年代际转变：1977年以后,风暴轴强度与太平洋海温的关系主要表现为大气对海洋的强迫作用,而在1977年之前则主要表现为海洋对大气的强迫作用,特别是同期冬季日本以东黑潮和黑潮延伸区海温异常的强迫作用;风暴轴南北位置与太平洋海温异常的关系,在1977年以后表现为大气对海洋的强迫作用,主要表现为对北太平洋中部海温的影响,但在1977年以前表现为海洋和大气的共同作用,风暴轴南北位置的变化还与同期的赤道中东太平洋海温异常有关,表明ENSO可能对风暴轴的位置变化存在影响。     

1月份两类ENSO的海气环流模态分析

本文对1950～2001年1月份的大气风场和大洋流场做了联合复EOF（Empirical Orthogonal Function）分解,用以探讨1月份两类ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）的海气环流及耦合情况,所得结果主要有:该分解第1、2模态空间场分别相应于东部型、中部型ENSO,前者在赤道太平洋东部和中部都有海温动力异常,并以东部异常最强,后者仅在中部存在此异常,两模态的时间系数都与ENSO有很好相关,为此第1、2模态可分别称为东部型、中部型ENSO的风场流场（异常）模态。东部型ENSO模态具有3～6年的年际变化和13～14年的年代际变化,中部型则有明显的7年年际变化和12、17年的年代际变化,两者中约13年的周期与冬季北太平洋NPGO（North Pacific Gyre Oscillation）的周期相同。东、中部型El Ni?o期间,沃克环流上升支分别从印尼东移至赤道西、中太平洋,并有所减弱;南、北支哈得莱环流则分别位于日界线以东及该线附近,且均有所加强,从而使南、北太平洋副热带高压偏强;而在5°S的南美沿岸则分别有垂直运动上升和下沉异常。在海气耦合上,两类ENSO模态在赤道中太平洋均存在西风异常与海洋赤道Kelvin波和Rossby波的波包解耦合,而海温动力异常对大气的影响则都起到负反馈作用,从而有利于ENSO的维持和稳定。     

热带和热带外太平洋海气相互作用特征的比较

比较分析了热带和热带外太平洋海气系统年际和年代际变化特征。在海气系统异常的方差构成中，北太平洋区域以年代际异常为主，热带太平洋区域年际和年代际异常相当；表（浅）层海洋与大气的年代际变化特征对同一季节、区域是一致的，且20世纪70年代后期到80年代初均发生由低模态向高模态的转变；北太平洋区域的7月与此不同，这与该季节近表层海温层结稳定有关；年际尺度的海、气异常与ENSO有关，且以热带太平洋区域1月最典型，7月次之，北太平洋区域1月再次之，7月无明显关系。     

SPATIAL VARIATION OF WINTER SEA SURFACE TEMPERATURE IN NORTH PACIFIC AND ITS RELATION TO ATMOSPHERIC OSCILLATION MODES

The spatial variation of sea surface temperature anomalies(SSTA) in the North Pacific Ocean during winter is investigated using the EOF decomposition method.The first two main modes of SSTA are associated with Pacific Decadal Oscillation(PDO) mode and North Pacific Gyre Oscillation(NPGO) mode,respectively.Moreover,the first mode(PDO) is switched to the second mode(NPGO),a dominant mode after mid-1980.The mechanism of the modes’ transition is analyzed.As the two oceanic modes are forced by the Aleutian Low(AL) and North Pacific Oscillation(NPO) modes,the AR-1 model is further used to examine the possible effect and mechanism of AL and NPO in generating the PDO and NPGO.The results show that compared to the NPO,the AL plays a more important role in generating the NPGO mode since the 1970s.Likewise,both the AL and NPO affect the PDO mode since the 1980s.     

华北夏季降水异常与南太平洋夏季海表温度变化主要模态的可能联系

利用1951—2006年NCEP/NCAR再分析资料,采用EOF（empirical orthogonal function,经验正交函数）展开方法提取了南太平洋12—2月海表温度变化的主要模态,其第一模态反映了ENSO（El Nino-Southern Oscillation）的信号,周期为3～5a;第二模态与南半球环状模（Southern-Hemi-sphere annual mode,SAM）相联系,周期为准两年。结果表明,南太平洋EOF1时间序列处于正（负）相位时华北地区后期5月多（少）雨,同时注意到南、北太平洋EOF1对中国5月降水的影响区域基本一致。南太平洋EOF2时间序列处于正（负）相位时江南地区的夏季平均降水减少（增多）。去掉EOF1和EOF2的线性趋势后,这种显著相关仍然存在,只是显著相关区域有所缩小。利用南、北太平洋EOF1时间序列作为预报因子,建立回归预报方程,可为预测中国华北地区5月降水提供依据     

北太平洋冬季次表层热状况及其与中国东部夏季气候的关系

利用北太平洋次表层海温及热容量资料和我国160个台站1951-2002年夏季(6-8月)降水、气温资料,分析了北太平洋冬季次表层热状况的特征,研究了中国区域气候与热容量变化之间的关系,并用SVD方法研究了北太平洋热容量变化与中国东部夏季气候的耦合关系.结果表明:北太平洋冬季次表层海温按其特征可分为40 m和240 m两类,两者的年代际特征都很明显;北太平洋冬季热容量异常变化与其相似,并与中国东部夏季气候异常有较好的耦合关系,北太平洋中部偏北和东南部地区冬季热容量异常偏高时,中国华南和华北区夏季降水将会偏多,华南区夏季气温将会偏低;黑潮延续体及北太平洋中部偏东地区冬季热容量异常偏高和北美西海岸地区异常偏低时,中国东北和长江流域地区夏季降水将会偏少,东北和华北地区夏季气温将会偏低,其关系有着明显的年代际特征.     

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.     

西北太平洋区域纬向风垂直切变的气候特征研究

西北太平洋区域纬向风垂直切变的变化是影响西北太平洋热带气旋生成和发展的一个重要的动力因子,弱的纬向风切变有利于热带气旋的发生、发展。文中将西北太平洋区域纬向风垂直切变幅度(MWS)定义为850与200 hPa的纬向风之差的绝对值,以研究MWS的气候特征。结果表明,西北太平洋区域的MWS有两个主要空间模态,第1空间模态表现为在15°N以南的热带西太平洋存在MWS东西向变化相反的两个区域,20°N附近的热带西太平洋MWS的变化与其以北海区的MWS的变化相反。第2空间模态表现为在热带太平洋140°E东、西的变化相反。研究了两个模态相关的大气环流特征,发现去掉强ENSO信号后,第1模态不但与低纬度大气环流有关,而且还与南、北半球中高纬度的大气环流有关,第2模态主要与热带西太平洋和北太平洋局地大气环流有关。另外,第1模态的时间系数与赤道东太平洋海温、西北太平洋台风生成频次有着密切联系;第2模态时间系数与西北太平洋台风活动频次联系密切。     

Decadal‐to‐interdecadal fluctuations of arctic sea‐ice cover and the atmospheric circulation during 1954–1994

Abstract

The relationship between the Arctic and subarctic sea‐ice concentration (SIC) anomalies, particularly those associated with the decadal‐scale Greenland and Labrador Seas “Ice and Salinity Anomalies (ISAs) “, and the overlying atmospheric circulation fluctuations is investigated using the singular value decomposition (SVD) and composite map analysis methods. The data analyzed are monthly SIC and sea level pressure (SLP) anomalies, which cover the northern hemisphere poleward of 45°N and extend over the 41‐year period 1954–1994.

The SVD₁ (first) mode of the coupled variability, which accounts for 57% of the square covariance, is for the most part an atmosphere‐to‐ice forcing mode characterized by the decadal timescale. The aforementioned ISA anomalies are clearly captured by this mode whose SIC anomalies are dominated by a strong dipole across Greenland. However, as part of the same mode, there is also a weaker SIC dipole in the northern North Pacific which has opposite‐signed anomalies in the Sea of Okhotsk and the Bering Sea. It is also shown that there exists a significant negative correlation between the decadal SIC variability in the Greenland‐Barents Seas region associated with this mode and the North Atlantic Oscillation, whose spectrum also exhibits a quasi‐decadal signal.

The SVD₂ mode accounts for 12% of the square covariance and shows no evidence of a dominant forcing field of either SIC or SLP. This SVD mode exhibits very low frequency (interdecadal) variability, and its co‐variability is mainly concentrated in the northern North Pacific. It appears to be a high‐latitude extension of the recently investigated interdecadal North Pacific Oscillation. The spatial structure of the second mode complements the case of the first SVD mode whose co‐variability mainly occurs in the northern North Atlantic.     

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。