北大西洋多年代际振荡（AMO）对南海夏季风撤退年代际变率的影响及可能机理

基于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）物理科学实验室（PSL）和科罗拉多大学环境科学研究所（CIRES）重建的NOAA-CIRES 20th再分析数据和国际综合海洋大气数据集（ICOADS）的全球月海表温度数据（ERSST）,并结合数值试验分析了南海夏季风撤退的年代际变率特征及北大西洋多年代际振荡（AMO）对其产生的影响。结果表明,南海夏季风撤退时间具有明显的年代际变率,南海夏季风撤退偏晚（早）年代中国南海及其附近区域上空有显著的气旋性（反气旋性）环流异常,降水偏多（少）。进一步研究发现,AMO与南海夏季风撤退年代际变率呈显著正相关,即AMO为正位相时,南海夏季风撤退偏晚;AMO为负位相时,南海夏季风撤退偏早。北大西洋海温升高（即AMO位于正位相）,从海洋释放更多的热通量到大气,导致北大西洋上空对流层的对流活动明显增强,通过海-气相互作用激发北大西洋上空的波活动异常,进而影响与东北亚关键区域大气环流变化密切相关的中纬度欧亚遥相关波列的形成和传播,引起东北亚关键区的正位势高度异常和明显的下沉运动,并在其对流层低层产生辐散运动,能量伴随着偏北的辐散风气流传播至中国南海及邻近区域辐合上升,进一步加强了南海区域的气旋性环流异常,使得南海夏季风撤退偏晚。AMO负位相时,异常情况与之大致相反,使得南海夏季风撤退偏早。      

夏季中国降水型的年代际变化与大气内部动力过程及外强迫因子关系

根据中国160站月平均降水、NCEP/NCAR的再分析资料以及英国气象局哈德莱中心1900～1999年全球1°×1°格点月平均海表温度距平资料，利用物理量诊断、EOF分析等方法，探讨东亚季风区大气环流内部动力过程与大气外强迫因子（海温）年代际变化及对中国夏季降水型的影响。分析发现，中国东部地区、西北地区夏季降水型有各自不同的年代际变化趋势；中国东部夏季降水型及东亚夏季风环流年代际变化趋势与大气外强迫因子北太平洋中纬度海温年代际变化（PDO）关系密切；中国西北地区夏季降水年代际变化与大气内部动力过程中纬度西风带扰动动能年代际减弱有关。     

基于信息流理论的因果分析在辨析大西洋多年代际振荡物理机制中的应用

大西洋多年代际振荡（AMO）是指发生在北大西洋的海表温度（SST）冷暖异常多年代际（50～80年）振荡的现象。通常AMO被认为是受大西洋经向翻转环流（AMOC）及其对应的海洋动力过程（经向热量输运）的影响。近年来有观点认为,AMO是大气随机热力强迫的产物,大气主导了海气间的热量交换进而影响AMO。弄清AMO和北大西洋海表热通量的因果关系是辨析AMO动力和热力驱动机制的关键。本文利用基于信息流理论的因果分析方法,研究了1880年以来观测的AMO与北大西洋海表热通量间的因果关系。结果表明,在多年代际尺度上,从AMO到海表热通量的信息流要远大于二者相反方向的信息流,这说明AMO是北大西洋海表热通量异常的因,海洋主导了海气间的热量交换。大气随机热力强迫机制无法解释AMO与热通量两者因果分析的结果。对泛大西洋地区的陆地气温和AMO指数进行分析,进一步表明由于海洋主导了海气热量交换,AMO的海温异常加热/冷却控制了绝大多数地区气温的多年代际变化。利用海温驱动的大气环流模式的模拟结果验证了AMO的海温异常对周边陆地气温强迫作用。本文的结果为辨析AMO的动力和热力驱动机制提供了新线索,进一步表明AMO并非是大气随机热力强迫的产物,海洋环流可能是AMO的主要驱动因子。     

Comparative analysis of interdecadal precipitation variability over central North China and sub Saharan Africa

本文对比分析了1951–2016年华北与北非降水的年代际变化,及其与全球大尺度海温和环流型的关联性。结果发现二者呈现出相似的年代际干湿演变特征。自上世纪70年代以来,华北与北非降水均由正异常转为持续负异常。90年代以后,北非降水虽仍是负异常,但呈现出显著地增加趋势。北非降水与大西洋多年代际振荡(AMO)、太平洋年代际振荡(PDO)和北大西洋(NAO)均显著相关,华北降水与PDO和NAO显著相关。通过经验正交分解,发现华北与北非降水的第一模态均与NAO关系密切,且二者第一模态所对应的时间序列呈现反位相变化。     

太平洋年代际振荡、大西洋年代际振荡和全球变暖对北美地区降水的相对贡献

本文研究了1934～2018年期间太平洋年代际振荡（Interdecadal Pacific Oscillation,IPO）、大西洋年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）以及全球变暖（Global Warming,GW）对北美地区陆地降水年代际变化的相对贡献。首先通过对冬（12至次年2月）、夏季（6～8月）北美地区的陆地降水与中低纬地区的海表面温度进行奇异值分解分析,得到对北美陆地冬季降水相对贡献较大的主要海温模态为IPO（42.33%）和AMO（23.21%）,夏季则为AMO（32.66%）和IPO（21.60%）。其次利用线性回归模型,分析三种信号分别对北美冬、夏季陆地降水的相对贡献及对北美陆地不同区域降水的相对重要性,结果表明AMO对夏季北美陆地降水变化的贡献最大,IPO次之,冬季则相反,GW对冬夏季北美陆地降水都有一定的贡献。夏季期间阿拉斯加地区AMO的贡献最大,约占65.8%,加拿大地区GW的贡献最大,约占44.5%,美国本土及墨西哥地区三者贡献基本一致;冬季期间阿拉斯加和加拿大地区GW的贡献最大,分别为62.3%和44.7%,美国本土和墨西哥地区IPO的贡献最大,分别为47.9%和71.5%。进一步利用信息流方法,验证了IPO、AMO、GW对降水的敏感性区域。最后运用全球大气环流模式ECHAM 4.6进一步确定了太平洋和大西洋海温异常对北美地区陆地降水变化的影响途径,结果表明印度洋海表面温度异常在AMO和IPO对北美陆地降水变化的作用中至关重要。     

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...     

亚非夏季风的年代际变化:大西洋多年代际振荡与太平洋年代际振荡的协同作用

亚非夏季风系统包括非洲夏季风、南亚夏季风和东亚夏季风。它是全球季风系统中具有高度整体一致性变化的系统,其主要原因是亚非夏季风系统具有相同的主要驱动力:AMO(Atlantic Multidecadal Oscillation,大西洋多年代际振荡)和PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代际振荡)海洋年代际变化模态。在此前提下,本文首先阐述了AMO对亚非夏季风的强迫作用与遥相关作用,特别强调了它在亚非夏季风及其降水年代际转型中的作用;其次讨论了PDO与冬春积雪的年代际变化对东亚夏季风雨带的协同作用;最后综合分析了AMO、PDO与IOBM(Indian Ocean Basin Mode,印度洋海盆一致模态)的协同作用,指出印度洋海洋模态在年代尺度上独立于AMO与PDO的相关组合,主要起着加强东亚夏季风活动的作用。     

我国中部地区夏季干旱的多时间尺度特征及其环流、海温异常

基于CRU逐月降水和NCEP/NCAR再分析等资料,利用集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)方法,分析1948—2016年中国中部地区夏季降水变化的多时间尺度特征及其对应的环流、海温异常,进而解释不同时期影响干旱发生的背景场有何不同。结果表明,中部地区夏季降水以年际变化为主,周期长度为3.8 a和6.9 a,年代际和多年代际变化的方差贡献不足20%。然而,各时间尺度降水变化对不同时期干旱事件的贡献存在较大差异,1960s、1970s,降水年际变化偏弱,相反地,多年代际变化正处于负位相的极小值期;1980s、1990s,多年代际变化位相转正;2000s初,年际变化明显增强。此外,通过分析不同时间尺度降水变化对应的环流、海温背景场,发现热带印度洋海温异常及其引起的西北太平洋副热带高压的变化、大西洋北部海温异常激发的纬向波列以及贝加尔湖地区的阻塞活动、1970s末PDO位相转变伴随的东亚夏季风突变是分别解释降水年际、年代际和多年代际变化的主要原因,进而揭示影响中部地区夏季干旱发生的关键因子及其相对重要性。     

Is the interdecadal circumglobal teleconnection pattern excited by the Atlantic multidecadal Oscillation?

年代际环球遥相关型(ID-CGT)是夏季北半球大气环流年代际变化的主导模态,其位相的时间演变与大西洋多年代际振荡(AMO)基本同步。本研究利用5个大气环流模式的敏感性试验,研究给定AMO型的海表面温度异常能否强迫出ID-CGT型响应。结果显示,5个模式中的2个模拟出了沿西风急流分布的波列状响应,表明ID-CGT至少部分是由AMO型的海温异常所激发。此外,模式模拟的结果显示,在年代际尺度上,AMO可能通过ID-CGT影响夏季北半球陆表气温。     

2017年华西秋雨异常偏多的环流特征及其成因分析

利用NCEP/NCAR再分析数据集和国家气候中心整编的2 000多站逐日降水资料,对导致2017年华西秋季降水异常偏多的大气环流特征及其成因进行分析。结果表明,2017年秋季500 hPa位势高度上欧亚中高纬地区维持一脊一槽环流型,斯堪的那维亚半岛上空有一强大的高压脊,乌拉尔山以东—巴尔喀什湖有一深槽,西太平洋副热带高压异常强大并偏西伸。来自极地的冷空气与来自太平洋和孟加拉湾的暖湿气流交汇于华西地区。华西地区处于东亚副热带西风急流入口南侧的高空辐散区,低层对应较强辐合区和异常上升运动,有利于降水的维持。进一步分析表明,2017年华西秋雨异常偏多是同期巴伦支海海温异常偏暖和中纬度北大西洋海温异常偏暖以及赤道中东太平洋La Ni1a型海温异常共同作用的结果,其中巴伦支海海温异常与华西秋季降水在年代际时间尺度上存在较为一致的变化,两者自1986年起均处于一致的负位相,而2000年以后两者由负位相转为正位相;秋季中纬度北大西洋海温异常与华西秋雨之间的年际关系也存在明显的年代际转折,在2002年前后由两者不存在关系转为显著正相关关系。以上各个海区海温异常对华西秋雨的影响也通过一系列的大气环流模式模拟试验进行了验证。     

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.     

Possible Origins of the Western Pacific Warm Pool Decadal Variability

In this study,the impacts of the Pacific Decadal Oscillation (PDO) and the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) on the western Pacific warm pool (WPWP) were investigated.Our results show that the WPWP is linked with the PDO and the AMO at multiple time scales.On the seasonal time scales,the WPWP and the PDO/AMO reinforce each other,while at decadal time scales the forcing roles of the PDO and the AMO dominate.Notably,a positive PDO tends to enlarge the WPWP at both seasonal and decadal time scales,while a positive AMO tends to reduce the WPWP at decadal time scales.Furthermore,the decadal variability of the WPWP can be well predicted based on the PDO and AMO.     

What Drives the Decadal Variability of Global Tropical Storm Days from 1965 to 2019?

The tropical storm day(TSD)is a combined measure of genesis and lifespan.It reflects tropical cyclone(TC)overall activity,yet its variability has rarely been studied,especially globally.Here we show that the global total TSDs exhibit pronounced interannual(3-6 years)and decadal(10 years)variations over the past five-to-six decades without a significant trend.The leading modes of the interannual and decadal variability of global TSD feature similar patterns in the western Pacific and Atlantic,but different patterns in the Eastern Pacific and the Southern Indian Ocean.The interannual and decadal leading modes are primarily linked to El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO)and Pacific Decadal Oscillation(PDO),respectively.The TSDs-ENSO relationship has been steady during the entire 55-year period,but the TSDs-PDO relationship has experienced a breakdown in the 1980 s.We find that the decadal variation of TSD in the Pacific is associated with the PDO sea surface temperature(SST)anomalies in the tropical eastern Pacific(PDO-E),while that in the Atlantic and the Indian Ocean is associated with the PDO SST anomalies in the western Pacific(PDO-W).However,the PDO-E and PDO-W SST anomalies are poorly coupled in the 1980 s,and this"destructive PDO"pattern results in a breakdown of the TSDs-PDO relationship.The results here have an important implication for seasonal to decadal predictions of global TSD.     

西南季风期间斯里兰卡降水的年代际、年际变化及其与热带印度洋的联系

本文主要研究了1979—2016期间斯里兰卡在西南季风期间降水的年代际、年际变化以及与印度洋海温的联系.首先用经验正交的方法分析了斯里兰卡以及周边地区降水的时空分布,发现前两个模态能够解释超过70%的方差.其中第一模态为均一模态,且其PC1以及斯里兰卡7 a滑动平均降水序列都有年代际变化,降水异常在2000年前后异常偏多和偏少.通过合成分析发现2000年之后降水的异常减少与热带西部、中部印度洋的暖海温异常有关.暖海温异常通过调整经向环流引起了斯里兰卡上空的下沉运动,抑制了降水.在第二模态中,负的信号出现在斯里兰卡大部分地区,只有在斯里兰卡北部海角很小地区出现了正的信号.PC2表现出了年际变化,且与热带东南印度洋海温异常有显著的关系.通过Gill-Matsuno响应,热带东南印度洋海温异常造成热带北印度洋上空的气旋性环流异常,引起了水汽的辐合,从而利于降水.     

Influence of internal decadal variability on the summer rainfall in Eastern China as simulated by CCSM4

The combined impact of the Pacific Decadal Oscillation(PDO) and Atlantic Multidecadal Oscillation(AMO) on the summer rainfall in eastern China was investigated using CCSM4. The strongest signals occur with the combination of a positive PDO and a negative AMO(+PDO- AMO), as well as a negative PDO and a positive AMO(-PDO + AMO). For the +PDO- AMO set, significant positive rainfall anomalies occur over the lower reaches of the Yangtze River valley(YR),when the East Asian summer monsoon becomes weaker, while the East Asian westerly jet stream becomes stronger, and ascending motion over the YR becomes enhanced due to the jet-related secondary circulation. Contrary anomalies occur over East Asia for the-PDO + AMO set. The influence of these two combinations of PDO and AMO on the summer rainfall in eastern China can also be observed in the two interdecadal rainfall changes in eastern China in the late 1970 s and late 1990 s.     

Daily atmospheric variability in the South American monsoon system

The space–time structure of the daily atmospheric variability in the South American monsoon system has been studied using multichannel singular spectrum analysis of daily outgoing longwave radiation. The three leading eigenmodes are found to have low-frequency variability while four other modes form higher frequency oscillations. The first mode has the same time variability as that of El Nino-Southern Oscillation (ENSO) and exhibits strong correlation with the Pacific sea surface temperature (SST). The second mode varies on a decadal time scale with significant correlation with the Atlantic SST suggesting an association with the Atlantic multidecadal oscillation (AMO). The third mode also has decadal variability but shows an association with the SST of the Pacific decadal oscillation (PDO). The fourth and fifth modes describe an oscillation that has a period of about 165 days and is associated with the North Atlantic oscillation (NAO). The sixth and seventh modes describe an intraseasonal oscillation with a period of 52 days which shows strong relation with the Madden-Julian oscillation. There exists an important difference in the variability of convection between Amazon River Basin (ARB) and central-east South America (CESA). Both regions have similar variations due to ENSO though with higher magnitude in ARB. The AMO-related mode has almost identical variations in the two regions, whereas the PDO-related mode has opposite variations. The interseasonal NAO-related mode also has variations of opposite sign with comparable magnitudes in the two regions. The intraseasonal variability over the CESA is robust while it is very weak over the ARB region. The relative contributions from the low-frequency modes mainly determine the interannual variability of the seasonal mean monsoon although the interseasonal oscillation may contribute in a subtle way during certain years. The intraseasonal variability does not seem to influence the interannual variability in either region.     

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.     

1953～2017年黄河源区气温变化的多尺度特征

基于黄河源区8个站点的年平均气温序列,利用集合经验模态分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD）方法,揭示了以玛多站为代表的黄河源区1953~2017年气温演变的多时间尺度特征,探讨不同时间尺度上的周期振荡对气温变化总体特征的影响程度,分析了黄河源区不同时间尺度的气温变化与海温指数,尤其是与北大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）间的关系。结果表明:（1）1953年以来黄河源区玛多站年平均气温以0.31 ℃/10 a的变化率表现为明显的增暖趋势,20世纪80年代后期开始转暖,尤其是进入20世纪90年代后期变暖更加明显。（2）1953~2017年,黄河源区年平均气温呈现3 a、6 a、11 a、25 a、64 a及65 a以上时间尺度的准周期变化,其中以准3 a和65 a以上时间尺度的振荡最显著,准3 a的年际振荡在21世纪以前振幅较大,而进入21世纪后年际振荡振幅减弱,65 a以上时间尺度的年代际振荡振幅明显加大。（3）1998年气候显著变暖以前,以准3 a周期为代表的年际振荡在气温演变过程中占据主导地位,1998年气候显著变暖以后,65 a以上时间尺度周期振荡的贡献率增加近5倍,与准3 a周期振荡的贡献相当。（4）气温与Nino3.4指数和PDO（Pacific Decadal Oscillation）指数的同期相关均不显著,但当气温领先PDO指数22 a时正相关最大且显著,不同于PDO指数,气温原始序列及其3个年代际尺度分量滞后AMO指数3~7 a或二者同期时相关性最高,这就意味着AMO对黄河源区气温具有显著影响。（5）AMO的正暖位相对应着包括中国的整个东亚地区偏暖,黄河源区只是受影响区域的一部分,20世纪60年代至90年代初期AMO的负冷位相期、20世纪90年代中后期至今AMO的正暖位相与黄河源区气温距平序列的负距平、正距平相对应,气温在65 a以上时间尺度的变化与AMO指数相关性更高,可见,AMO是影响黄河源区气温变化的一个重要的气候振荡,这种影响主要表现在年代际时间尺度上。     

我国秋季降水的年际变化及与热带太平洋海温异常分布的关系

利用我国160个站点58年(1951～2008年)的降水资料、NCEP/NCAR再分析环流资料和Hadley海表温度资料,对我国秋季降水年际变化的特征和可能成因进行了分析。结果显示,秋季降水前两模态分别反映长江流域及以南地区和长江以北的江淮、黄淮、华北、四川盆地北部至河套等地降水的变化,两降水模态的变化都以年际尺度为主,年代际变化特征不明显。就环流形势而言,第一模态的年际变化主要与西太平洋副热带高压的强度及相应的对流层低层菲律宾群岛附近的异常气旋/反气旋联系紧密,第二模态的年际变化则可能受到副热带高压的南北位置和相应的日本岛附近的异常气旋/反气旋的影响。同时,两模态及相应的异常环流还分别与热带东印度洋和热带西太平洋附近的异常垂直运动关系密切,热带地区的异常垂直运动可能通过经圈方向的异常环流影响到东亚地区。此外,两降水模态不仅与热带地区的异常环流关系密切,而且与热带海温异常也存在紧密的联系。与两模态相关联的热带太平洋海温异常显示出不同的分布特征,当热带东太平洋偏暖/冷,西太平洋偏冷/暖时,长江以南地区降水偏多/少。而当热带东太平洋和中太平洋一致偏暖/冷时,长江以北地区降水易偏少/多。两降水模态与热带海温及热带地区异常环流之间的密切关系显示热带太平洋海温异常的不同分布可能通过激发不同的热带地区异常垂直环流形势而对降水产生影响。