海表温度异常影响东亚夏季风年代际变化的数值模拟

采用1950-2000年逐月观测的不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋、热带印度洋及热带太平洋)海表温度分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,进行了多组长时间积分试验,对比ERA-40和NCEP/NCAR再分析资料,讨论了这些海域海表温度异常对东亚夏季风年代际变化的影响。数值试验结果表明:全球、热带、热带印度洋-太平洋和热带太平洋海表温度变化对东亚夏季风的年代际变化具有重要作用,均模拟出了东亚夏季风在20世纪70年代中后期发生的年代际减弱现象,以及强、弱夏季风年代夏季大气环流异常分布的显著不同,这与观测结果较一致,表明热带太平洋是影响东亚夏季风此次年代际变化的关键海区;利用热带印度洋海表温度驱动模式模拟出的东亚夏季风在20世纪70年代中后期发生年代际增强现象,即当热带印度洋海表温度年代际偏暖(冷)时,东亚夏季风年代际增强(减弱),与热带太平洋海表温度变化对东亚夏季风年代际变化的影响相反;热带太平洋海表温度年代际背景的变化对东亚夏季风在20世纪70年代中后期的年代际减弱有重要作用。     

CMIP5西北太平洋气候变率的模拟评估

利用观测海温资料和CMIP5模式模拟结果分析西北太平洋(120°E~120°W,20~60°N)海表温度的气候态和年代际变化特征。结果表明,所选22个模式可以较好地模拟出西北太平洋海表温度的气候特征及其年际、年代际变化特征;模式模拟的海表温度总体标准偏差在黑潮延伸体区域最大;绝大多数模式能模拟出海表温度的第一EOF模态;西北太平洋海表温度具有较明显的年代际振荡现象,13/22的模式模拟的海表温度存在明显的年代际振荡,同时海表温度气候态的模拟偏差对其周期振荡模拟的影响较大,尤其在黑潮延伸体区域。     

一个混合型热带海洋-大气耦合模式 I. 模式构成及热带太平洋气候态模拟

本工作发展了一个用于研究热带海洋-大气系统相互作用和El Ni?o/Southern Oscillation动力过程的混合型(hybrid)耦合模式，其中的大气部分为一个由一阶斜压模表示的自由大气和混合行星边界层所组成的简单热带大气模式(区域为热带太平洋:120°E～80°W，30°N～30°S；水平分辨率为2°×2°)，海洋部分为大气物理研究所高分辨率自由表面热带太平洋环流模式(经纬圈方向水平分辨率分别为1°和2°，垂直方向分为不等距的14层)。两模式间的耦合是这样进行的:简单大气模式计算出海表风应力，热通量由松弛公式计算，淡水通量(蒸发与降水之差)由观测资料给定，它们一起作为海洋环流模式(OGCM)的强迫场；而OGCM计算出海表温度(SST)，在其以外地区给定观测到的气候海表温度或陆地温度，作为大气模式的边界条件。本文给出采用逐日、同步耦合方案时模式对热带太平洋气候态模拟结果，表明未采用任何通量修正(fluxes correction)，耦合模式未出现气候漂移(climate drift)现象，并且非常逼真地再现了热带太平洋气候态，特别是海表风场及相伴随的辐合带和降水、海表温度和流场及它们的季节变化。文中还进行了对耦合模式的比较研究，以验证其良好性能和对实际热带太平洋气候系统的模拟能力。     

热带太平洋年代际平均气候态变化与ENSO循环

文中用观测的热带太平洋海表温度资料、风应力资料和OLR资料，通过多时间尺度分析，将与ENSO有关的变化分为3个主要的分量，一是2～7a的ENSO循环尺度，二是8～20a的年代际尺度，三是20a以上的平均气候态变化。讨论了热带太平洋这种平均气候态变化的主要特征以及与ENSO循环的关系，并用耦合模式的数值试验来研究平均气候态的变化对ENSO循环的影响。结果表明热带太平洋的平均气候态在20世纪70年代后期发生了一次由冷态向暖态的变化，主要增暖区是沿赤道以及热带东太平洋的，海表温度变化最大中心可以达到0.6℃。伴随着海表温度的变化，赤道西太平洋的西风距平加强，赤道东太平洋的东风距平也加强，在赤道中太平洋形成了一个加强的辐合中心。年代际平均气候冷暖态的变化对ENSO最直接的线性影响是使ElNio位相增加，而形成ENSO冷位相和暖位相的不对称。另一方面较暖的平均气候态可能引起海洋和大气之间的耦合加强，导致ENSO循环振荡有所加强。     

TOGA型海-气耦合模式直接模拟的SST误差分析

本文对一个TOGA(热带太平洋和全球大气)型耦合环流模式直接耦合30 a(1980—2009年)的模拟结果进行分析,发现模拟的热带太平洋海表温度存在严重的"气候漂移"现象。通过对模式海表温度控制方程中加热和冷却项的分析,特别是对海表热通量和风应力的分析,指出了两者的误差在热带太平洋海表温度的"气候漂移"现象中扮演的角色。为了进一步证实分析的结果,通过4个敏感性试验分析热通量和风应力对热带太平洋海表温度分布的作用,特别是热通量对西太平洋暖池的形成,而风应力对东太平洋冷舌的形成均有重要的作用以及纬向风应力和经向风应力对冷舌形成的相对贡献。     

不同海域海表温度异常对西北太平洋副热带高压年代际变化影响的数值模拟研究

采用1950～2000年逐月观测的不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋、热带印度洋及热带太平洋) 海表温度分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式, 进行了多组长时间积分试验, 对比观测资料, 讨论了这些海域海表温度异常 (SSTA) 对西北太平洋副热带高压年代际变化的影响。结果表明: 全球、 热带、 热带印度洋－太平洋和热带印度洋海表温度变化均对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化有重要作用, 即在这些海域的海表温度变化影响下, 西北太平洋副热带高压均在1970年代中后期发生了年代际变化, 其后副高面积增大、 强度增强、 位置偏西、 偏南, 这与观测结果较一致; 热带太平洋海表温度变化对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化也有重要作用, 在其作用下, 夏季西北太平洋副热带高压的强度、 面积在1960年代后期发生年代际变化, 南界在1970年代中后期发生年代际变化, 这些时段以后副高强度增强、 面积增大、 偏南; 热带印度洋海表温度驱动模拟的西北太平洋副热带高压变化比热带太平洋海表温度驱动模拟的副高更接近于观测结果, 且年代际变化更显著, 其差异的可能原因在于两区海表温度在1970年代中后期以后的年代际变化能在孟加拉湾〖CD*2〗中国东南沿海区域强迫产生的异常环流不同, 前者强迫产生出反气旋性环流异常, 有利于副高的增强、 面积增大和西伸, 而后者强迫产生出气旋性环流异常, 不利于副高的西伸; 热带太平洋和热带印度洋海表温度在1970年代中后期的冷、 暖年代际背景变化对夏季西北太平洋副热带高压年代际变化有重要作用; 热带外海表温度变化对西北太平洋副热带高压年代际变化作用较小。     

不同海域SSTA对东半球越赤道气流年代际变化影响的数值模拟研究

采用1950—2000年逐月观测的不同海域（全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋）海表温度,分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,进行了多组长时间积分试验,对比ERA-40再分析资料,讨论了这些海域海表温度异常（SSTA）对东半球越赤道气流年代际变化的影响。数值试验结果表明,全球、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋海表温度变化分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,均能模拟出索马里、120 ?E和150 ?E越赤道气流在1970年代中后期由弱变强的年代际变化特征,其中模拟的索马里越赤道气流年代际变化特征及其与东亚夏季风年代际变化关系均与观测结果较一致,而热带外海表温度驱动全球大气环流模式未能模拟出此年代际变化现象,表明全球、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋海表温度变化均对索马里越赤道气流在1970年代中后期的年代际变化具有重要作用,热带太平洋是关键海区;索马里越赤道气流的年代际变化与热带太平洋海温年代际背景变化密切相关,当热带太平洋处于暖（冷）背景年代,热带东太平洋海温异常从北到南呈“＋、－、＋”（“－、＋、－”）“三明治”式距平分布,有利于赤道东太平洋南北两侧产生一对距平反气旋（气旋）,然后可能通过“大气桥”的作用,与热带印度洋赤道南北两侧的一对距平气旋（反气旋）联系起来,从而引起索马里越赤道气流强度的增强（减弱）。      

海表温度异常对南亚高压年代际变化影响的数值模拟

应用NCAR CAM3全球大气环流模式以及NCEP/NCAR再分析资料,研究了不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋—太平洋、热带印度洋及热带太平洋)的海表温度异常对夏季南压高压年代际变化的影响。结果表明,全球、热带、热带印度洋—太平洋和热带太平洋这些海域的海表温度异常都对南亚高压强度、面积、南界、西伸脊点和东伸脊点的1970s中后期年代际变化有重要影响:热带太平洋是关键海区,其海表温度第三模态(“三明治”式异常分布型)的变化与南亚高压的这些特征指数的年代际变化关系密切;热带印度洋的海表温度异常,主要是其第一模态(热带印度洋全区一致变化型)的变化与南亚高压强度、面积、南界和西伸脊点的年代际变化关系较密切,热带印度洋也是影响南亚高压年代际变化的关键海区;这两个关键海区的海表温度异常对南亚高压年代际变化影响的主要差异在于:热带太平洋海表温度异常能对南亚高压的东伸脊点的年代际变化有重要影响,而热带印度洋的海表温度异常对其影响小;热带太平洋和热带印度洋这两个海区的海表温度异常均可通过影响热带对流层大气温度的变化进而使南亚高压发生变化;热带外的海表温度异常对南亚高压的年代际变化影响小。     

一个混合型热带海洋-大气耦合模式I.模式构成及热带太平洋气候态模拟

本工作发展了一个用于研究热带海洋大气系统相互作用和ＥｌＮｉｎ～ｏ／ＳｏｕｔｈｅｒｎＯｓ－ｃｉｌａｔｉｏｎ动力过程的混合型（ｈｙｂｒｉｄ）耦合模式，其中的大气部分为一个由一阶斜压模表示的自由大气和混合行星边界层所组成的简单热带大气模式（区域为热带太平洋：１２０°Ｅ～８０°Ｗ，３０°Ｎ～３０°Ｓ；水平分辨率为２°×２°），海洋部分为大气物理研究所高分辨率自由表面热带太平洋环流模式（经纬圈方向水平分辨率分别为１°和２°，垂直方向分为不等距的１４层）。两模式间的耦合是这样进行的：简单大气模式计算出海表风应力，热通量由松弛公式计算，淡水通量（蒸发与降水之差）由观测资料给定，它们一起作为海洋环流模式（ＯＧＣＭ）的强迫场；而ＯＧＣＭ计算出海表温度（ＳＳＴ），在其以外地区给定观测到的气候海表温度或陆地温度，作为大气模式的边界条件。本文给出采用逐日、同步耦合方案时模式对热带太平洋气候态模拟结果，表明未采用任何通量修正（ｆｌｕｘｅｓｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ），耦合模式未出现气候漂移（ｃｌｉｍａｔｅｄｒｉｆｔ）现象，并且非常逼真地再现了热带太平洋气候态，特别是海表风场及相伴随的辐合带和降水、海表温度和流场及它们的季节变化。文中还进行     

阵风效应对冬季北太平洋涛动年际变化模拟效果的影响

利用观测海温驱动NCAR CAM5模式进行了两组数值试验,对比分析了在CAM5模式海气湍流热通量参数化方案中引入阵风效应前后,模式对冬季NPO(North Pacific Oscillation,北太平洋涛动)年际变化模拟效果的差异。结果表明,考虑了阵风效应后,CAM5模式能较好地模拟冬季NPO的年际变化特征,模拟的1979—1999年冬季NPO指数序列与观测结果的相关系数由0.09提高到0.57;热带东太平洋海表温度异常通过影响海表湍流热通量异常,对冬季NPO年际变化产生影响;引入阵风效应后,模式对热带东太平洋海表湍流热通量异常的模拟结果更趋合理,从而使得模式可以较好地模拟出冬季NPO的年际变化。     

热带对流季内振荡强度异常特征及其与海表温度的关系

利用外逸长波辐射 (outgoing longwave radiation, OLR) 资料分析了热带对流季内振荡 (ISO) 强度的季节变化及年际异常特征, 重点研究其与海表温度的关系。结果表明:最强的OLR季内振荡主要位于高海表温度 (SST) 区, 即热带印度洋和热带西太平洋区域, 终年存在, 冬、春季最强, 振荡中心偏于夏半球。OLR季内振荡强度年际异常显著区域是热带中东太平洋区域、西北太平洋区域和西南太平洋区域, 它与SST年际异常存在局地正相关关系, 伴随环流的辐合辐散, 并与ENSO事件关系密切。另外, El Ni?o事件发生之前, 热带印度洋和热带西太平区域OLR季内振荡增强, 其中心随事件的发展逐渐东移, 事件发生后这两个区域ISO减弱, 这与OLR季内振荡强度年际异常显著的区域具有内在连贯性。海表温度是决定OLR季内振荡强度季节变化、年际异常的一个关键因子。     

Interannual variation of the Asian-Pacific oscillation

Previous studies have identified an Asian-Pacific Oscillation (APO) teleconnection pattern, which exhibits an out-of-phase relationship in the summer tropospheric temperature with warming over the Eurasia and cooling over the Northern Pacific and the Northern America, and vice versa. But the interannual variation of this teleconnection remains obscure. This study points out that interannual variation of the APO teleconnection is associated with the second empirical orthogonal function (EOF) mode of the northern-hemisphere upper tropospheric temperature during boreal summer, which accounts for 14% of the variance. A heat budget analysis is conducted for the Eurasian region and the North Pacific region respectively to reveal the cause of the zonal dipole mode temperature structure. For the Eurasia region, the warming is contributed by the adiabatic heating process due to downward vertical motion anomalies. For the Northern Pacific region, the temperature variation is mainly contributed by zonal advection associated with interannual zonal wind perturbation acting on the climatological temperature gradient. Composite analysis and numerical experiments with an atmospheric general circulation model (AGCM) shows the interannual zonal wind perturbation is related to the sea surface temperature anomalies over the equatorial eastern Pacific.     

土壤湿度年际变化对中国区域极端气候事件模拟的影响研究Ⅱ.敏感性试验分析

利用NCARCAM3.1大气环流模式,设计了有、无土壤湿度年际异常的两组数值试验,探讨了土壤湿度年际异常对极端气候事件模拟的可能影响。结果表明,模式模拟的极端气候事件对土壤湿度异常十分敏感,土壤湿度异常对极端气候指标的多年平均空间分布、年际变率以及年际变化均具有重要影响。当不考虑土壤湿度的年际异常时:(1)模拟的暖夜日数、暖昼日数和热浪持续指数的发生频次在全国范围内均明显减少,而霜冻日数则明显增加。极端降水指标的响应表现出明显的空间差异,极端降水频次在江淮流域明显减小,而极端降水强度则表现为东北减弱、长江流域增强;中雨日数和持续湿期在我国大部分地区减少。(2)极端气温指标的年际变率在我国大部分地区呈减小趋势;而极端降水事件的变化则较为复杂,极端降水频次和极端降水强度的年际变率在长江以南有所增强,而北方地区则有所减弱。中雨日数和持续湿期的年际变率在我国呈现出较为一致的减少趋势。(3)模式对暖夜日数、霜冻日数的年际变化的模拟能力明显下降,并对4个极端降水指标的年际变化的模拟能力在全国多数区域均有不同程度的下降。     

Quantitative analysis of the feedback induced by the freshwater flux in the tropical Pacific using CMIP5

Freshwater flux (FWF) directly affects sea surface salinity (SSS) and hence modulates sea surface temperature (SST) in the tropical Pacific. This paper quantifies a positive correlation between FWF and SST using observations and simulations of the fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5) to analyze the interannual variability in the tropical Pacific. Comparisons among the displacements of FWF, SSS and SST interannual variabilities illustrate that a large FWF variability is located in the west-central equatorial Pacific, covarying with a large SSS variability, whereas a large SST variability is located in the eastern equatorial Pacific. Most CMIP5 models can reproduce the fact that FWF leads to positive feedback to SST through an SSS anomaly as observed. However, the difference in each model's performance results from different simulation capabilities of the CMIP5 models in the magnitudes and positions of the interannual variabilities, including the mixed layer depth and the buoyancy flux in the equatorial Pacific. SSS anomalies simulated from the CMIP5 multi-model are sensitive to FWF interannual anomalies, which can lead to differences in feedback to interannual SST variabilities. The relationships among the FWF, SSS and SST interannual variabilities can be derived using linear quantitative measures from observations and the CMIP5 multi-model simulations. A 1 mm d-1 FWF anomaly corresponds to an SSS anomaly of nearly 0.12 psu in the western tropical Pacific and a 0.11°C SST anomaly in the eastern tropical Pacific.     

全球FLUXNET站点总初级生产力的年际变化及其主导因子解析

基于耶鲁互动生物圈模式（YIBs）,结合FLUXNET网络观测时间超过8 a的站点的观测数据,研究对不同气象因子影响下总初级生产力（Gross Primary Productivity,GPP）的年际变化进行分析,探讨各植被类型GPP年际变化的主要驱动因子。结果表明,光合有效辐射的变化是落叶阔叶林和常绿针叶林站点GPP年际变化的主要驱动因子,贡献了这些森林类型年际变率的80%。相对湿度变化是作物站点GPP年际变化的主要驱动因子,贡献了作物GPP年际变率的65%。温度是灌木丛站点GPP年际变率的重要因子,其贡献率达到58%。草原站点GPP年际变化的不确定性较大,没有统一的主导因子。研究结果表明,气象要素是全球陆地GPP年际变化的主导因素。在未来气候变化背景下,极端气候事件频发可能会进一步增加GPP的年际变率。     

热带低层大气30～60天低频动能的年际变化与ENSO循环

利用NCEP再分析资料,通过统计相关及合成分析研究了热带大气季节内振荡(ISO)的年际变化与ENSO循环之间的关系.结果表明,热带大气季节内振荡(也称30～60天低频振荡)的年际变化在热带中西太平洋地区最强.在ElNino成熟之前的春夏季,热带西太平洋的30～60天振荡异常活跃,其动能明显增加且逐渐东移;在E1Nino成熟以后,热带西太平洋大气30～60天低频振荡迅速减弱.与这种加强的30～60天振荡相伴随,在赤道北侧为异常的气旋式环流,赤道地区出现偏西风异常.相反,在LaNina成熟之前的春夏季,热带西太平洋大气30～60天振荡偏弱.进一步的分析还发现,东亚冬季风的年际变化是引起热带大气30～60天振荡的年际变化的主要机制:强东亚冬季风导致热带西太平洋积云对流加强,从而引起热带西太平洋大气30～60天振荡加强;相反,对应于弱的东亚冬季风,热带西太平洋地区积云对流偏弱,大气30～60天振荡偏弱.作者的资料分析还证实,热带大气30～60天低频振荡的年际变化,作为一种外强迫,对ElNino的形成起着十分重要的作用.     

Sensitivity of ENSO variability to Pacific freshwater flux adjustment in the Community Earth System Model

The effects of freshwater flux （FWF） on modulating ENSO have been of great interest in recent years. Large FWF bias is evident in Coupled General Circulation Models （CGCMs）, especially over the tropical Pacific where large precipitation bias exists due to the so-called ＂double ITCZ＂ problem. By applying an empirical correction to FWF over the tropical Pacific, the sensitivity of ENSO variability is investigated using the new version （version 1.0） of the NCAR＇s Community Earth System Model （CESM1.0）, which tends to overestimate the interannual variability of ENSO accompanied by large FWF into the ocean. In response to a small adjustment of FWF, interannual variability in CESM1.0 is reduced significantly, with the amplitude of FWF being reduced due to the applied adjustment part whose sign is always opposite to that of the original FWF field. Furthermore, it is illustrated that the interannual variability of precipitation weakens as a response to the reduced interannual variability of SST. Process analysis indicates that the interannual variability of SST is damped through a reduced FWF-salt-density-mixing-SST feedback, and also through a reduced SST-wind-thermocline feedback. These results highlight the importance of FWF in modulating ENSO, and thus should be adequately taken into account to improve the simulation of FWF in order to reduce the bias of ENSO simulations by CESM.     

The Influence of Tibetan Plateau on the Interannual Variability of Asian Monsoon

ＴｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＴｉｂｅｔａｎＰｌａｔｅａｕｏｎｔｈｅＩｎｔｅｒａｎｎｕａｌＶａｒｉａｂｉｌｉｔｙｏｆＡｓｉａｎＭｏｎｓｏｏｎ①ＷｕＡｉｍｉｎｇ（吴爱明）ａｎｄＮｉＹｕｎｑｉ（倪允琪）ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＳｃｉｅ...     

Impact of global warming on the interannual and interdecadal climate modes in a coupled GCM

In this study, we investigated the impact of global warming on the variabilities of large-scale interannual and interdecadal climate modes and teleconnection patterns with two long-term integrations of the coupled general circulation model of ECHAM4/OPYC3 at the Max-Planck-Institute for Meteorology, Hamburg. One is the control (CTRL) run with fixed present-day concentrations of greenhouse gases. The other experiment is a simulation of transient greenhouse warming, named GHG run. In the GHG run the averaged geopotential height at 500?hPa is increased significantly, and a negative phase of the Pacific/North American (PNA) teleconnection-like distribution pattern is intensified. The standard deviation over the tropics (high latitudes) is enhanced (reduced) on the interdecadal time scales and reduced (enhanced) on the interannual time scales in the GHG run. Except for an interdecadal mode related to the Southern Oscillation (SO) in the GHG run, the spatial variation patterns are similar for different (interannual?+?interdecadal, interannual, and interdecadal) time scales in the GHG and CTRL runs. Spatial distributions of the teleconnection patterns on the interannual and interdecadal time scales in the GHG run are also similar to those in the CTRL run. But some teleconnection patterns show linear trends and changes of variances and frequencies in the GHG run. Apart from the positive linear trend of the SO, the interdecadal modulation to the El Niño/SO cycle is enhanced during the GHG 2040?～?2099. This is the result of an enhancement of the Walker circulation during that period. La Niña events intensify and El Niño events relatively weaken during the GHG 2070?～?2090. It is interesting to note that with increasing greenhouse gas concentrations the relation between the SO and the PNA pattern is reversed significantly from a negative to a positive correlation on the interdecadal time scales and weakened on the interannual time scales. This suggests that the increase of the greenhouse gas concentrations will trigger the nonstationary correlation between the SO and the PNA pattern both on the interdecadal and interannual time scales.     

The Common Principal Component Analyses of Multi-RCMs

Based on a 10-year simulation of six Regional Climate Models(RCMs) in phase II of the Regional Climate Model Inter-Comparison Project(RMIP) for Asia,the multivariate statistical method of common principal components(CPCs) is used to analyze and compare the spatiotemporal characteristics of temperature and precipitation simulated by multi-RCMs over China,including the mean climate states and their seasonal transition,the spatial distribution of interannual variability,and the interannual variation.CPC is an effective statistical tool for analyzing the results of different models.Compared with traditional statistical methods,CPC analyses provide a more complete statistical picture for observation and simulation results.The results of CPC analyses show that the climatological means and the characteristics of seasonal transition over China can be accurately simulated by RCMs.However,large biases exist in the interannual variation in certain years or for individual models.