北极涛动对ENSO影响的研究进展

北极涛动(AO)是北半球中高纬地区大气环流年际变率的第一主导模态,厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)则是热带太平洋地区年际变化的最强信号。这两个气候系统对全球大范围的天气和气候都能产生显著的影响。总结了近年来关于AO影响ENSO的最新研究进展,试图促进对中高纬度大气系统影响热带系统物理过程的理解。研究表明,春季AO对随后冬季ENSO的爆发存在显著的影响,其中北太平洋中纬度地区的天气尺度波与平均流之间的相互作用及其相关的涡度输送对赤道西太平洋异常西风的形成起着重要的作用。在年代际时间尺度上,研究发现,春季AO对随后冬季ENSO的影响在20世纪70年代初发生了一次显著的年代际变化,该年代际变化与北太平洋地区风暴轴强度的年代际变化紧密相联。研究还揭示了春季AO对ENSO影响的不对称性,即只有当春季AO处于正位相时,才能对随后冬季赤道中东太平洋海温产生显著影响。研究发现春季AO位相变化对前冬NPO与后一个冬季ENSO之间的关系具有显著的调制作用。此外,研究还发现,除春季AO外,11月AO对随后春季和夏季赤道中东太平洋海温也存在显著的影响,这主要和北太平洋地区风暴轴气候态强度的年循环有关。     

北极涛动的年代际变化及其气候影响

北极涛动(Arctic Oscillation,AO)是北半球热带外地区大气环流变率的主导模态,对北半球以及区域尺度气温变化具有重要影响。AO可在没有外强迫条件下通过波流相互作用形成,因此它被认为是全球气候系统内部变率的重要组成部分。研究年代际尺度上AO的变化及其气候影响,可加深对当前北半球气候变化规律的物理理解,也可为预估未来年代际尺度上气候变化及其不确定性提供科学依据。本文从AO影响东亚冬季风年代际变化的物理机制、AO对北半球冬季气温长期趋势的贡献、AO年代际影响的不确定性三个方面出发,简要回顾和总结了近年来有关年代际尺度上冬季AO时空变化及其对北半球气候影响的研究成果,并初步展望一些值得继续深入研究的问题。     

The relationship between the Arctic Oscillation and ENSO as simulated by CCSM4

北极涛动(AO)和ENSO可以显著影响我国冬季气候。我们基于CCSM4的长期(501年)参照试验结果,揭示了冬季AO和ENSO间的关系存在年代际变化。在二者相关显著时期,二者对我国南、北气温均有显著影响;而在相关不显著时期,二者分别主要影响我国北部和南部的气温。气候态上出现的正位相AO、负位相太平洋年代际振荡和减弱的阿留申低压,可能有利于高低纬之间异常信号的传播,导致AO和ENSO的联系显著。     

北极涛动和南极涛动的年变化特征

北极涛动(Arctic Oscillation,简称AO)和南极涛动(Antarctic Oscillation,简称AAO)分别用于描述北半球和南半球热带外气候变率的主要模态,它们分别是北半球和南半球中纬度和高纬度之间气压变化的跷跷板结构.作者利用1958年1月～1999年12月的NCEP/NCAR全球再分析月平均资料、北极涛动指数IAO和南极涛动指数IAAO来研究AO和AAO的年变化特征以及AO和AAO与纬向平均的月平均各要素场的相关系数随纬度和月份的变化规律.     

BCC_CSM1.1气候模式年代际试验对北极涛动季节回报能力的初步评估

本文基于国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1自1960—2004年每年起报的年代际预测试验结果,初步评估了该模式对北极涛动（AO）的预报技巧。同时,把该模式年代际预测结果与历史试验模拟比较,分析了气候模式初始化对年代际试验预测季节尺度AO及其年际变化的贡献。结果表明,年代际试验和历史试验均能反映出AO模态是北半球中高纬大气变率第一模态的特征,其中年代际预测试验回报的AO模态与观测的空间相关系数高于历史试验。两组试验基本能再现AO指数冬季最强、夏季最弱的特征。与历史试验相比,年代际预测试验回报月和冬季AO指数与观测的相关系数更高,特别是年代际试验与观测的月AO指数相关系数达到了0.1的显著性水平。年代际试验回报月、春季AO指数的变化周期更接近观测结果。因此,年代际试验中初始状态使用海温资料进行初始化,在一定程度上可以提高AO的回报能力。     

影响我国冬季温度的若干气候因子

综合分析了西伯利亚高压、北极涛动、ENSO和西太平洋遥相关型（WP）在年际和年代际时间尺度上对中国冬季温度的影响，结果表明在年际尺度上，WP和西伯利亚高压都对温度有显著影响，WP的影响主要存在于中国东部从东北南部至广东沿海一带大陆边缘区，而西伯利亚高压的影响范围则大得多，几乎涵盖了除黄河长江上游部分地区外的整个中国。在年代际尺度上，北极涛动和ENSO都与东亚冬季风有关联，北极涛动比ENSO的影响范围大，除长江上游沿江地区外的其他地区基本上都是关联区，ENSO与温度的关联区位于35°N以北的整个北方及长江中下游地区。     

北极涛动对东亚夏季降水的预测意义

分析了春季北极涛动(AO)指数的变化对梅雨—Changma——Baiu带夏季降水年际变化的影响。对观测的东亚10个站的降水长序列资料(1899—1999年)，进行滤波处理，保留10年以下的年际时间尺度的变化，再进行相关分析。结果表明，近百年的5月北极涛动指数与10站夏季平均降水相关最高达—0．45，超过99％信度水平。当北极涛动偏强一个标准差时，整个长江中下游地区到日本南部一带，降水减少平均约8％左右。降水的这种变化与对流层东亚急流的变化密切相关：春季北极涛动强时，随后夏季急流位置通常偏北，雨带位置也北移，从而造成梅雨—Changma——Baiu带降水减少，反之亦然。较强的AO异常对降水的影响更明显，而较弱的AO与降水异常的对应关系并不显著。这对东亚夏季年际降水异常具有一定的预测意义。     

中国东部地区冬季气温与北极涛动的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料、北极涛动（AO）指数序列及中国160个台站月温度资料,分析1951-2007年中国冬季气温与AO指数的变化特征及其相互关系。结果表明：1951-2007年AO与中国东部地区冬季气温基本呈正相关关系。中国东部地区冬季气温指数（IWT）与北极涛动指数（IAO）均逐渐增强,并有显著的年际和年代际变化,均存在准18 a的周期变化特征。从偏相关系数来看,在年际尺度上,西伯利亚高压对中国东部地区冬季气温的年际变化影响较大,而AO与冬季气温无显著相关关系;在年代际尺度上,AO对中国东部地区冬季气温的影响较显著,比西伯利亚高压影响大。东亚大槽偏弱时,中国冬季气温偏高,AO指数也偏高,反之则相反。在年际尺度上,东亚大槽对中国东部地区冬季气温的年际变化影响较大,而AO与冬季气温无显著相关关系;在年代际尺度上,AO和东亚大槽对中国冬季气温的变化影响均较显著。     

1954-2005年长江以北地区初霜期变化趋势

采用长江以北地区65个测站1954-2005年秋冬季逐日地面最低温度资料,计算分析长江以北地区初霜出现日期的年代际时空变化特征。结果表明：中国北方地区初霜是由北向南逐渐出现的,初霜发生日期具有明显的年代际变化特征,在20世纪90年代之后,大部分地区初霜日期偏晚的年份逐渐增多。中国北方地区初霜发生日期的早晚与北极涛动的强弱密切相关：当北极涛动处于正位相时,北半球以纬向型环流为主,中国北方大部分地区的初霜期偏晚;反之,当北极涛动处于负位相时,北半球以经向型环流为主,中国北方大部分地区的初霜期偏早。     

1954-2005年长江以北地区初霜期变化趋势

 采用长江以北地区65个测站1954-2005年秋冬季逐日地面最低温度资料,计算分析长江以北地区初霜出现日期的年代际时空变化特征。结果表明：中国北方地区初霜是由北向南逐渐出现的,初霜发生日期具有明显的年代际变化特征,在20世纪90年代之后,大部分地区初霜日期偏晚的年份逐渐增多。中国北方地区初霜发生日期的早晚与北极涛动的强弱密切相关：当北极涛动处于正位相时,北半球以纬向型环流为主,中国北方大部分地区的初霜期偏晚;反之,当北极涛动处于负位相时,北半球以经向型环流为主,中国北方大部分地区的初霜期偏早。     

北半球冬季准定常行星波的三维传播及其年际变化

作者回顾了应用叶笃正先生所创立的Rossby波频散理论,来研究准定常行星波在三维大气的能量频散以及在北半球冬季三维大气中的传播规律,并应用NCEP/NCAR再分析资料和由大气环流数值模拟所得的模式资料的40年风场、温度场资料计算了冬季北半球准定常行星波的E-P通量.计算结果表明了北半球冬季准定常行星波在三维大气传播具有沿两支波导的传播特征,这与从理论分析所得的结果相吻合.作者还分析了冬季准定常行星波的E-P通量分布的年际变化,分析结果表明了准定常行星波在北半球冬季三维大气中传播的这两支波导有明显的年际振荡;并且,从冬季准定常行星波的E-P通量辐散辐合的年际变化与北极涛动的年际变化相比较,发现准定常行星波两支波导的年际振荡直接影响着北极涛动(AO),因而说明了准定常行星波活动的年际变化可以影响对流层的气候变化.     

冬季北半球平流层季节内振荡与对流层季节内振荡的关系

通过平流层大气ISO与对流层大气ISO的比较分析,发现在中高纬地区平流层大气ISO与对流层大气ISO有着许多相同点.北半球冬半年平流层大气环流主要低频模态也可认为是北极涛动(AO),其空间分布的主要特征为; 高纬度地区与中低纬度地区为反位相变化,北极地区附近具有最大的变化值; 其季节内振荡的正位相对应于AO增强,负位相对应于AO减弱.北半球冬半年平流层100 hPa 和70 hPa 位势高度场的低频遥相关分析表明,北极地区(概指北纬60°N以北)和北半球其他大部分地区呈负相关,北极涛动扮演了非常重要的角色.同时,北半球冬半年平流层的主要低频波列是从欧亚大陆中部到西北太平洋,并且由纬向型低频波列(欧亚大陆-西伯利亚-太平洋)和经向型低频波列(欧亚大陆-北极-太平洋)共同构成.平流层30 hPa 和对流层500 hPa 上经过带通滤波(15～90 d)位势高度场的EOF第一主分量的形势有十分类似的特征,它们对应的时间系数序列有显著的延迟相关关系.因此可以认为,北半球平流层大气ISO的变化要先于对流层大气,在滞后35 d 左右其相关系数达到最大.大气环流模式(SAMIL)的数值模拟试验结果也表明,平流层的低频扰动可以在14 d 之后便在对流层500 hPa上激发出低频响应,其谱峰在30 d 左右.这进一步表明,通过大气季节内振荡,平流层的异常可以影响到对流层.     

南北涛动与南极涛动及北极涛动的相互作用

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了南北涛动（Interhemispheric Oscillation,IHO）与北极涛动（Arctic Oscillation,AO）和南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）的联系。分析表明：1）北极涛动（AO）、南极涛动（AAO）与全年各自半球中高纬度地表气压变化密切联系。其中,AO冬季强度最强,且在春季、冬季的影响范围大。而AAO对南半球中高纬的地表气压变动影响更为明显,其在夏季影响范围最大。2）南极涛动（AAO）与南北涛动（IHO）有很好的同期相关性,南极涛动可部分解释南北涛动的形成。IHO与AO存在不显著的负相关,南北半球中高纬大气运动具有相对独立性。3）南北涛动（IHO）与全球较大范围内的地面气压变化有关,而去除AAO信号后,夏季在南极地区原显著相关区显著减少,夏季AAO与IHO存在密切联系。4）南北涛动（IHO）主要与春季、秋季和冬季亚洲、欧洲北部地面气温关系密切。秋季最强,春季次之,冬季最弱。夏季IHO与全球地面气温没有较好的联系。亚欧大陆北部的热力作用可能部分地解释了南北涛动的形成。     

夏季纬向平均气流变动的主要模态及其与AO和ENSO的联系

使用NCEP-NCAR月平均再分析资料,研究了夏季纬向平均气流变动的主要模态及其与北极涛动(AO)和ENSO的联系,探讨了夏季[u]主要模态维持的可能机制。结果表明,北半球夏季纬向平均[u]的异常分布表现为两个主要模态。EOF1反映了与AO相对应的纬向平均[u]的分布,EOF2反映了与ENSO相对应的纬向平均[u]的分布。周期分析显示了EOF1、EOF2分别具有与AO及ENSO相似的周期。滞后相关分析表明,除了夏季之外的其他季节EOF1与ENSO存在显著相关,而EOF2与AO亦存在显著相关。夏季,EOF1与ENSO、EOF2与AO的同期相关量值小且不显著。这些说明,北半球夏季纬向平均气流变化的主要模态可以有效分离,其分别代表了AO和ENSO有关的信号。这对于更好地理解AO和ENSO的全球影响具有重要意义。利用准地转无加速定理,发现EOF1和EOF2对应的时间系数高低值年的E-P通量散度的合成差值场分别与纬向平均[u]的EOF1、EOF2分布表现出很好的对应关系,其中行星波对纬向平均气流主要模态的维持起着主要作用。余差环流与E-P通量散度分布型相似,量值相当,但符号相反。在一些地区,大气涡动的摩擦耗散也起着一定的作用。这些平衡了波动的能量输送作用,使纬向平均[u]的结构得以维持。     

全球海洋蒸发量年代际变化归因：动力因子分析

本文基于动力调整方法,利用客观分析海气通量（OAFlux）资料研究了1958～2016年全球海洋蒸发量变化及其动力作用和辐射强迫分量的变化,发现海洋蒸发量及其动力作用分量具有一致性年代际变化特征,特别是在20世纪70年代及90年代末期存在明显的年代际转折。进一步分析发现:主要动力因子有太平洋—北美遥相关型（PNA）、北极涛动（AO）、北大西洋涛动（NAO）、厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）和阿留申低压（AL）,并受到太平洋年代际振荡（PDO）的影响,其中,1970年代末期的转折与PNA、PDO、ENSO和AL密切相关,而1990年代末期的转折还与NAO变化有关。动力作用分量的前六个模态解释方差达到67.5%,其中,低纬北太平洋和印度洋蒸发异常主要与海表温度（SST）及其引起的环流异常有关,南太平洋、中纬北太平洋和北大西洋蒸发异常与环流异常直接相关。ENSO与PDO在全球海洋蒸发量上的影响要大于NAO。单因子相关分析发现南方涛动指数（SOI）、NAO和PDO与海洋蒸发年代际变化密切相关。总体来说,动力作用分量在海洋蒸发的年代际变化中起主导作用,其中,以ENSO、NAO和PDO的影响最大。     

2009年冬季新疆北部持续性暴雪的环流特征及其成因分析

利用台站观测和NCEP/NCAR大气再分析等资料,通过与历史同期降水事件比较,分析了 2009年冬季发生在我国新疆阿勒泰地区持续的水汽和环流异常特征以及北极涛动(Arctic Oscillation,AO)和ENSO现象对该地区持续性暴雪的影响.结果发现,位于贝加尔湖以西的对流层持续性异常冷性低槽活动是影响2009年冬...     

北极涛动指数及其年代际变化研究

运用NCEP／NCAR再分析月资料，根据北极涛动经向振荡的特征构建一个新的AO指数，使其能较好地表现AO的季节变化，并用回归分析和相关分析方法对指数进行检验。同时，用滑动平均方法对北极涛动的年代际变化进行研究，发现北极涛动在70年代中期存在位相突变，由负位相转为正位相，并解释了这种位相突变的气候意义。     

青藏高原臭氧的ENSO

通过对臭氧卫星观测资料及大气环流资料的分析,研究了青藏高原上空臭氧年际变化中的ENSO信号,并与同纬度无山区及赤道地区进行比较.研究指出:在ElNino年(南方涛动指数为负),青藏高原臭氧总量偏大,在LaNina年(南方涛动指数为正),青藏高原臭氧总量偏小.同时讨论了与ENSO事件有关的大气环流物质输送.     

北极涛动年代际变化与华北夏季降水的联系

利用NCEP／NCAR再分析资料和华北夏季降水资料，研究了北极涛动的年代际变化及其与大气环流的关系，进而研究与华北夏季降水异常变化的联系。结果表明，北极涛动具有明显的年代际变化，并在1969年发生了气候突变。北极涛动年代际异常与亚洲中纬度高度场异常、850hPa风场的年代际异常具有很好的一致性。在年代际尺度上，北极涛动与贝加尔湖地区阻塞高压发生频率、东亚夏季风强度和华北夏季降水的关系较为密切。     

2012/2013年东亚冬季风活动特征及其可能成因分析

东亚冬季风目前处于年代际偏强的气候背景下,2012/2013年东亚冬季风强度指数(EAWM)为0.83,连续第六年强度偏强。2012/2013年冬季,北极涛动(AO)指数维持负位相,导致全国平均气温较常年同期略偏低。季内,西伯利亚高压强度变化显著,与之相对应,我国气温季内阶段性变化大,前冬冷、后冬暖。进一步研究表明,前秋北极海冰的大幅偏少是造成东亚冬季风偏强的重要原因,前期海冰范围的减少有利于冬季欧亚大陆北部的海平面气压出现正异常,致使西伯利亚高压的偏强,有利于冷空气南下我国。而西伯利亚高压和东亚冬季风季内变化主要是受平流层环流异常信号影响,1月中旬前后,北半球高纬地区平流层位势高度出现明显正异常并迅速下传影响对流层中低层,造成西伯利亚高压和冬季风季内阶段性偏弱。