海洋在亚洲夏季风对全球变暖响应中的作用

前人的模式研究表明全球变暖之后亚洲夏季风降水和环流的改变存在着一种自相矛盾的现象。本文利用最新的IPCC-AR4模式模拟资料和FOAM模式来研究亚洲夏季风对全球增暖的响应机制。大多数IPCC-AR4模式以及FOAM模式重现了亚洲夏季风降雨与环流变化的自相矛盾性。利用FOAM模式,本文通过系统改变海洋增暖信号来理解海洋变暖在季风响应中的作用机理。结果表明亚洲夏季风降雨和环流对全球变暖的不同响应主要是由于印度洋的变暖加强了中上层大气的变暖(从而降低了经向的热梯度)和水汽输送。全球增暖导致海陆温差的增大使得大气对流中心北移从而减弱了北印度洋的底层大气季风风速。这些敏感性实验还表明了太平洋的变暖增强了亚洲夏季风环流但减少了降雨量,从而削弱了印度洋增暖对亚洲夏季风的颖响。模式研究还表明了海洋的增暖能够增强亚洲夏季风自身的内在变率。     

白令海和鄂霍次克海的海冰偶极子及其对大气环流的影响

基于海冰历史资料的分析表明,白令海和鄂霍次克海的海冰密集度分布在某些年份表现出反位相变化的特征,尤其以冬季最为明显.合成分析的结果表明这种偶极子型海冰异常可能对大气环流(气温和位势高度)产生一定的影响.利用大气环流模式,在给定理想化的白令海、鄂霍次克海偶极子型海冰异常的情况下,通过20个冬季(1-2月)大气环流模式的集合强迫试验,研究了大气环流对这种偶极子型海冰异常的响应特征,数值试验结果与基于观测资料的合成分析比较一致:低空气温对于偶极子型海冰强迫表现为比较明显的对称性响应,气温变化具有垂直斜压的结构,气温变化主要集中在低空;高空大气温度和各层的位势高度的变化均具有显著的非对称性特征,位势高度的变化具有垂直正压结构.参考已有的理论和模拟研究结果,指出高纬地区低空大气的温度变化受直接热力学调整过程的影响明显,对称性响应分量明显,而高层大气温度和各层的大气位势高度变化是由直接热力学调整和间接动力过程响应所共同控制,非对称分量占主导.     

南印度洋偶极子及其影响研究进展

回顾了对南印度洋副热带海气相互作用的研究,总结了南印度洋偶极子事件背景下的气候变化。印度洋海表温度的方差表明南印度洋是整个印度洋海温变率最强的区域,年际海温变化最显著的特征就是海温呈现西南—东北向的偶极子型分布,被称为南印度洋偶极子(Southern Indian Ocean Dipole, SIOD)。南印度洋海温偶极子的形成主要是受大尺度大气环流调整的影响。南印度洋副热带反气旋环流异常引起了印度洋热带东风异常和副热带西风异常的变化,影响了潜热通量、上升流和Ekman热输送,进而引起了海温变化。SIOD对热带和热带外大气环流也有影响,尤其会影响亚洲夏季风降水异常,例如我国的降水异常和南印度洋偶极子海温异常具有显著相关关系。此外,SIOD模态所引起的经向环流异常与南海、菲律宾地区的反气旋环流异常也有紧密联系。     

北极冰异常对亚洲夏季风影响的数值模拟

本文利用菱形截断15波的9层全球大气环流谱模式研究了北极关键区域海冰面积异常对亚洲夏季风环流、降雨量及我国夏季天气气候的影响,结果表明,格陵兰海-巴伦支海极冰偏多,导致亚洲夏季风环流特别是东亚季风环流的增强、我国东南部降水偏多;东西伯利亚海-波弗特海极冰偏多,导致东亚夏季风环流减弱、我国东南部降水偏少,而印度半岛季风增强;该区极冰偏少引起相反的效应。文中对上述效应的可能动力学机制也进行了讨论。因此,北极冰是引起亚洲夏季风年际气候异常的重要原因之一。     

热带海洋-大气耦合的主模态

依据1948年1月～2005年12月NCEP的海表温度(SST)和大气再分析的月平均资料,利用MCA方法,首次确定了代表全球热带海洋-大气相互作用的最主要信号的热带海洋-大气耦合主模态,该主模态随时间的变化与热带太平洋埃尔尼诺-南方涛动(ENSO)模态非常一致,揭示了该主模态包含以下海洋-大气相互作用物理过程:秋季印度尼西亚海洋-大陆区上空850 hPa出现异常的纬向风辐散和经向风辐合导致赤道东、中太平洋海温正异常,热带印度洋海温则出现东冷-西暖的—"偶极子"型异常;冬季热带太平洋出现典型的ENSO盛期对应的海洋-大气耦合型,在南海和热带远西太平洋出现低空反气旋环流异常,热带印度洋出现海盆一致增暖,而热带大西洋海温异常不明显;冬季热带太平洋和热带印度洋的SST异常可以导致春季赤道中太平洋西风异常,南海冬季风减弱,热带西北太平洋出现更明显的低空反气旋环流异常和赤道东风异常,热带西北大西洋出现西南风异常;该模态对夏季大气环流的影响主要表现为热带印度洋海盆一致模态对东亚季风的影响。     

ENSO知识讲座 第四讲 ENSO与大气遥相关

1 大气遥相关瓦克环流和哈得莱环流都是对热带海洋热源强迫的响应，为热力直接环流，属于准静止斜压运动。南方涛动正是反映了热带地区直接热力环流的年际变化。热带地区直接热力环流的年际变化使热带地区大气环流发生明显的年际变化，特别是反映在气压场和风场的变化上，从而影响了热带地区的气候变化，主要特征是降水、气温以及风的异常。     

东亚季风过渡带降水变化特征及物理机制研究进展

东亚季风过渡带地处东亚夏季风北边缘附近,是典型的生态脆弱区与气候敏感带。东亚季风过渡带降水变化同时与东亚夏季风和中高纬西风带环流系统的变化密切关联,变异机理与典型季风区和干旱区降水有较大差别。目前专门针对东亚季风过渡带降水变异机理的研究还比较少。 此文从东亚季风过渡带夏季降水的年际、年代际变化特征和物理机制出发,分别回顾热带关键区的海温异常和中高纬环流系统等对东亚季风过渡带夏季降水年际变化的影响,以及太平洋年代际振荡、大西洋多年代际振荡与气候系统外强迫对东亚季风过渡带降水年代际变化的贡献。最后, 在进展回顾的基础上,展望定量区分外强迫和内部变率对东亚季风过渡带降水年代际变化的相对贡献等未来需进一步开展的研究方向。     

ENSO事件次表层海温的两个模态及其对大气环流的影响

利用SODA海洋同化资料和NCEP再分析大气资料,分析了热带太平洋次表层海温异常(subsurfaceoceantemperatureanomaly,SOTA)与厄尔尼诺与南方涛动(ElNi?o-SouthernOscillation,ENSO)循环的联系,及SOTA对大气环流的影响。回顾传统ENSO研究,指出存在的问题,提出了ENSO影响大气研究的新思路,得到以下结果:(1)以SOTA为基本资料的研究发现, ENSO事件有两个模态,主要出现在冬季的第一模态对冬季及夏季亚洲-北太平洋-北美地区上空中高纬大气环流有重要影响,主要出现在夏季的第二模态对该地区上空夏季热带和副热带大气系统有重要作用。(2)ENSO事件通过与ENSO相联系的热带太平洋海面温度异常(ENSO-relatedseasurface temperatureanomaly,RSSTA)对大气的异常热通量输送,强迫Walker环流和Hadley环流变化,导致热带和北太平洋及周边地区上空大气环流异常,进而影响相关地区冬季和夏季的气候。(3)海表面温度异常(seasurfacetemperatureanomaly,SSTA)包含RSSTA和大气异常导致的海温变化(sea temperature anomaly caused by atmospheric anomaly, STA)两部分, RSSTA是ENSO事件过程中海洋内部热动力结构调整导致的海面温度变化,在海洋对大气的热输送过程中,它随ENSO事件演变不断更新;STA是大气受RSSTA海洋异常加热后导致的大气环流异常对海面温度的影响,在海洋浅表层STA对RSSTA有重大影响。本文最后讨论了ENSO事件期间热带海洋对大气热输送过程,指出ENSO事件通过海洋内部热动力结构调整产生RSSTA,它直接对大气异常加热,导致大气环流和气候异常,局地海气之间负反馈过程产生STA,反过来抑制RSSTA。结果还指出,人们常用的SSTA变率实际上主要由秋冬季节RSSTA主导,丢失了春夏季ENSO信息,用SSTA研究ENSO事件存在局限性,这也可能是ENSO事件春季预报障碍的原因之一。     

赤道印度洋海温偶极子的气候影响及数值模拟研究

在分析研究印度洋海温变化的基本特征,尤其是在分析赤道印度洋海温偶极子及其影响的基础上,利用IAP9L大气环流模式模拟研究了赤道印度洋海温偶极子异常对亚洲季风区气候变化的影响.其结果表明,印度洋、亚洲南部和东部地区的流场和降水都对印度洋海温异常的强迫作用比较敏感.正位相印度洋偶极子的作用使得赤道东印度洋-印度次大陆南部-阿拉伯海一带出现距平东风,孟加拉湾-中南半岛出现异常反气旋性环流,从而对减少印度南部和中南半岛南部、印度尼西亚地区的夏季降水,以及增加中国南部和东非的夏季降水有十分重要的作用.与此相反,负位相印度洋偶极子的作用将使赤道东印度洋附近出现西风异常,孟加拉湾-中南半岛存在异常气旋性环流,从而使印度次大陆和中南半岛南部、印度尼西亚地区的降水增加,使中国西部和孟加拉湾的降水减少.数值模拟结果与资料分析相互映证,切实地揭示了印度洋海温偶极子对亚洲季风区的气候变化有重要影响.     

黑潮海域海洋异常加热与北半球大气环流的相互作用

根据黑潮海域海洋异常加热资料（１９５０－１９７９年），计算其与北半球大气环流相关，揭示二者相互作用事实，讨论其可能的物理过程，结果指出，黑潮海域海洋异常加热具有范围广，持续时间长，量级大等特点，在长期天气变化中占有重要的地位，冬半年海所相互作用为一正反馈过程，当亚洲大陆冷空气强时，海洋异常多加热，东亚大槽加深，后者又导致冷空气进一进加强；夏半年黑潮海域海洋异常加热主要受青藏高原热力状况制约。     

四个耦合模式在模拟和预测东亚季风系统方面的对比分析

基于政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告(AR4)中的海气耦合模式实验,本文研究了温室气体辐射强迫达到4.5 W/m2(Representative Concentration Pathways,RCP4.5)未来情景下东亚地区季风气候变化,对4个海气耦合模式(FGOALS_s2.0(Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model_s2.0)、GFDL_CM3(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory Coupled Model v3)、MPI_ESM_LR(Max Planck Institute-Earth System Model-Low Resolution)和MIROC5(Model for Interdisciplinary Research on Climate v5))的模拟结果进行了对比。结果显示,各模式均能较好地模拟东亚地区的季风气候态特征,例如冬、夏季盛行风向,降水、热通量的季节和海陆分布特点及降水北进南撤特征。然而,各模式的模拟结果之间也存在差异,例如与再分析资料相比,FGOALS_s2.0模拟的风速偏大,GFDL_CM3模拟的降水较低,综合比较得出,GFDL_CM3对东亚地区气候变化的模拟效果最好。对未来气候的预测方面,4个模式给出较为一致的结论:未来100 a东亚季风的总体变化趋势为季风环流夏季风增强,冬季风减弱,夏季风速增加3.7%左右;降水增加,尤以陆地增加明显,东亚地区未来降水全年增加量约为4.62%;大部分地区热通量有增加的趋势,这是温室效应增强的结果。     

El Niño对东亚气候年际异常影响的数值模拟

根据1949~1998年期间8次显著El Niño事件合成的24个月年际海温异常(SSTAs)和气候平均的海温(SST),利用CCM3分别进行了3个包含10次积分的集合试验,即控制试验(CTRL),热带太平洋海洋全球大气试验(TOGA)以及整个太平洋海洋全球大气试验(TOGA-NP),通过对比分析这3个试验之间的集合模拟结果,揭示了在El Niño不同演变阶段东亚气候年际异常响应结构以及北太平洋年际SSTAs在此过程中的调制作用.结果表明:El Niño发展阶段夏季,东亚地区大气环流异常呈显著的负PJ波列,副热带高压减弱、偏东,东亚夏季风增强,东北和江淮流域降水偏多,华北和长江流域及其以南地区降水偏少;El Niño成熟阶段冬季,东亚大槽加强,东亚北部冬季风加强,西太平洋副热带地区低层有显著的反气旋式异常风场,华南地区降水显著增多;El Niño衰亡阶段夏季东亚气候年际异常型与其发展阶段夏季几乎相反.同时,北太平洋年际SSTAs对El Niño影响东亚气候年际异常有一定的调制作用,使模拟的我国降水异常分布更符合观测.     

东亚冬夏季风对热带印度洋秋季海温异常的响应

利用多年的Reynolds月平均海表温度资料和NCEP/NCAR全球大气再分析资料,分析了热带印度洋秋季海表温度距平(SSTA)与后期东亚冬夏季风强度变化的关系。结果表明,热带印度洋秋季SSTA的主要模态是全区一致(USB)型和偶极子(IOD)型,USB型模态主要代表热带印度洋秋季SSTA的长期变化趋势,而IOD型模态主要反映热带印度洋秋季SSTA的年际变化。热带印度洋秋季海温气候变率中既存在着明显的ENSO信号,也有独立于ENSO的变率特征,独立于ENSO的热带印度洋秋季SSTA变化的主要模态仍是USB型和IOD型。前期秋季USB模态与东亚冬季风及东亚副热带夏季风之间为负相关关系;与前期正(负)IOD模态相对应,南海夏季风强度偏弱(强),而东亚副热带夏季风强度偏强(弱)。USB型和IOD型模态对后期东亚冬、夏季风强度变化的影响是独立于ENSO的,但ENSO起到了调节二者相关显著程度的作用。     

东亚季风的时间变化及其预报探讨

利用全球降水气候学计划(Global Precipitation Climato1ogyt rlBpercdi tion.NCEP-2).结合东和美国环境预报中心再分析资料(National Centers for Environmental PTedic1on, 水-和年后亦亚季风指数、多变量经验正交函数展开分析(MV-EOF)等方法探讨了东亚季F风的李卫父化个手你记化。结果表明:东亚季风存在明显年周期变化,夏季风盛行于5-9月,在8月达到最大值,冬季风则在1月最强;东亚夏季风指数的年际变化与东亚地区夏季降雨有着密切关系。最后运用基于MV-EOF分析方法的Markov统计预报模型预报了1998年夏季降水异常,其结果与观测值较符,说明其具有较好的实用价值。     

本溪王家崴洞10500～5000aBP石笋记录及区域气候意义

基于典型东亚季风区辽宁省本溪市2支石笋样品(W6与W4),通过9个230 Th年龄和386个氧同位素数据,重建了10 500～5 000aBP期间平均分辨率为12～34a的氧同位素时间变化序列。研究时段石笋δ18 O相对振幅为2.0‰,在平均值约-8.5‰上下波动,指示了早全新世东亚季风强度的长期趋势变化和百年尺度振荡信息。相同时段本溪王家崴洞、湖北三宝洞、贵州董哥洞石笋δ18 O记录对比结果表明,全新世石笋δ18 O长期增加趋势类似于北半球太阳辐射能量变化曲线,但东北地区石笋δ18 O大约在10 500a已达到最大值,早于长江流域以南地区约1 000a,这可能表明全新世亚洲季风降水并不同步变化,可能与热带、亚热带季风系统差异响应于区域大气环流有关。功率谱分析W6石笋δ18 O时间序列发现其存在显著的225和91a的周期,与树轮Δ14 C周期(208和88a)基本一致,揭示了中全新世百年尺度东亚季风变化可能主要响应于太阳活动。     

东亚夏季风环流的动力统计诊断

本文对东亚夏季风环流作了动力统计诊断,其方法是将高、低层的偏差风场看作一个整体进行复EOF分析。诊断结果表明:偏差风场的第一模态直接与东亚夏季风环流有关,可称为季风模态;第二模态则与PJ波列关系密切,可称为PJ模态;季风模态存在两个平衡态,东亚夏季风也有两个平衡态;季风模态存在强弱的年际变化,其与东亚夏季风强弱的年际变化和菲律宾附近对流的年际变化均具有很好的对应关系;东亚夏季风和季风模态还存在明显的年代际变化。     

Subseasonal features of the Asian summer monsoon in the NCEP climate forecast system

The operational climate forecast system （CFS） of the US National Centers for Environmental Prediction provides climate predictions over the world, and CFS products are becoming an important source of information for regional climate predictions in many Asian countries where monsoon climate dominates. Recent studies have shown that, on monthly-to-seasonal time-scales, the CFS is highly skillful in simulating and predicting the variability of the Asian monsoon. The higher-frequency variability of the Asian summer monsoon in the CFS is analyzed, using output from a version with a spectral triangular truncation of 126 waves in horizontal and 64 sigma layers in vertical, focusing on synoptic, quasi-biweekly, and intraseasonal time-scales. The onset processes of different regional monsoon components were investigated within Asia. Although the CFS generally overestimates variability of monsoon on these time-scales, it successfully captures many major features of the variance patterns, especially for the synoptic timescale. The CFS also captures the timing of summer monsoon onsets over India and the Indo-China Peninsula. However, it encounters difficulties in simulating the onset of the South China Sea monsoon. The success and failure of the CFS in simulating the onset of monsoon precipitation can also be seen from the associated features of simulated atmospheric circulation processes. Overall, the CFS is capable of simulating the synoptic-to-intraseasonal variability of the Asian summer monsoon with skills. As for seasonal-tointerannual time-scales shown previously, the model is expected to possess a potential for skillful predictions of the high-frequency variability of the Asian monsoon.     

中国东部夏季降水年际变化与同期东海潜热通量的关系

利用1985~2008年OAflux3、NCEP＼NCAR再分析资料与中国大陆东部108个站点的降水资料,应用回归和合成方法,分析了中国东部夏季降水的年际变化与同期东海及邻近海域潜热通量变异的关系。结果表明:东海及邻近海域(以下称东海)夏季潜热通量年际变化显著的区域位于东海区域,为与同期中国东部降水密切相关的关键区域。当东海的潜热通量偏高(低)时,中国东部长江以南地区上空盛行偏东北(西南)风异常,这将不(有)利于水汽由南向北的输送,从而可能使到达长江中下游流域及以北地区的水汽偏少(多);并且,长江中、下游流域为下沉(上升)气流和低层水汽辐散(辐合)正异常,对应降水偏少(偏多);华南地区为上升(下沉)气流和低层水汽辐合(辐散)正异常,对应降水偏多(偏少)。分析结果还表明,东海的潜热通量可通过影响东亚大气环流而成为引起中国东部夏季汛期降水年际异常的重要原因之一。