渤海海冰与西伯利亚高压之间的关系及与北大西洋涛动之间的可能联系

依据对2000/2001—2014/2015年冬季渤海海冰范围和海平面气压(SLP)场季节内和年际变化的分析表明,SLP场与海冰范围关系密切,其中西伯利亚高压、冰岛低压附近为正相关区,亚速尔高压附近为负相关区。西伯利亚高压的变化在季节内和年际尺度上同时影响渤海海冰,北大西洋涛动(NAO)与渤海海冰的相关性主要表现在年际尺度上。研究表明,渤海海冰逐年冬季的季节内变化有所不同,在2003/2004、2004/2005、2007/2008年存在9~12候的显著周期,与大气30~60d的季节内振荡相对应,但在2009/2010年以后这一周期没有再出现,而西伯利亚高压相关区SLP的9~12候信号在整个研究时段相对较明显,这可以解释在季节内尺度上西伯利亚相关区与海冰范围的相关性在2009/2010年以后明显减小的现象;在年际尺度上,2007/2008年以后NAO(冰岛和亚速尔相关区SLP)与海冰范围的相关性突然增大,这一变化是由NAO和海冰范围(渤海地区气温)的2~4年和4~8年周期从2007/2008年开始更加契合引起的。NAO年际周期的变化可能会通过大气环流的北极-亚洲遥相关模态对渤海海冰范围产生影响。     

基于PMIP2气候模式模拟的中全新世北大西洋涛动

根据PMIP2中的4个海气耦合模式对中全新世气候的模拟结果,利用现代和中全新世两个时间段的冬季海平面气压场(SLP),分析了北大西洋海平面气压的变化情况并计算了这两个时间段的北大西洋涛动(NAO)指数。结果表明,中全新世亚速尔高压加强,冰岛低压加深,南北气压差增加,NAO强度显著增强。对中全新世北大西洋地区SLP进行经验正交函数(EOF)分析显示,4个模式均能捕捉到了NAO的主要结构。中全新世NAO处于正位相的时间较现代提高了10%~30%,其中MIROC3.2提高了29.3%;虽然NAO指数振幅变化不大,但还是能显示中全新世NAO显著强于现代,这与地质资料恢复的结果相一致。对NAO指数的多窗谱分析显示,现代NAO指数存在3~5 a的准周期变化,中全新世NAO指数存在3 a的准周期变化。NAO对中全新世亚洲地区冬季增温有重要影响。北大西洋地区中纬度海面温度(SST)的增温可能是导致中全新世NAO强度增强的一个重要因素。     

ERA5再分析数据适用性初步评估

利用山东省及周边地区10个站点的地面和高空观测资料对ERA5再分析资料的适用性进行了初步评估。结果表明:再分析的海平面气压和2 m温度与实况资料的相关性明显优于2 m相对湿度和10 m风场;高空温度和相对湿度在对流层中低层的适用性要好于高层,而位势高度和风场在中高层适用性较好;海平面气压再分析与实况的相关有着最明显的季节变化,2 m温度、2 m相对湿度和10 m风速则在部分站点有较明显的季节变化,而10 m风向的相关系数更多地表现出站点之间的差异,高空要素的适用性,季节和区域差异不明显。另外,对比发现,ERA5的适用性总体上要优于ERA-Interim再分析资料,地面和对流层低层的相对湿度、风场提高更为明显。     

北太平洋冬季海平面气压场的主要特征及与季节性南方涛动的相互联系

本文用复经验正交函数(CEOF)分析方法,研究了1899～1980年北太平洋冬季海平面气压场的时空结构,指出北太平洋中部的高、低纬度地区分别为二个半永久性大气活动中心(阿留申低压和副热带高压)。并指出该地区的空间波是一行波,其传播方向是自西北向东南的准纬向方向,且高低纬度地区气压距平变化是反位相关系。 采用多维谱分析方法,探讨了各季节的南方涛动指数(SOI)与气压场的振荡特性,结果表明它们之间存在准3.5年的耦合振荡,且以南方涛动变化超前气压场为主要特点,冬季更为显著。     

中国冬季极端低温事件的多尺度特征

利用1961—2010年中国487站逐日气温资料,以35°N为界分北方区域和南方区域研究中国冬季极端低温事件的多尺度变化特征。研究表明:南、北方区域极端低温站点发生率呈现出准双周的气候季节内振荡,南、北方区域冬季极端低温频数和强度的长期变化一致,均呈减小趋势,频数和强度的趋势变化分别为-0.247d/10a(北方)、-0.352d/10a(南方)和-0.332℃/10a(北方)、-0.467℃/10a(南方),南方区域减小更迅速。北方区域极端低温频数和强度的年际和年代际变化信号强度相当,南方区域则以年际变化为主。进一步研究表明,当极端低温频数的线性趋势由正值变为负值,相应的大气环流由北极涛动负位相变为正位相。对年际变化分量(8a),北方区域极端低温事件偏多时,海平面气压场表现为2波的定常波结构,西伯利亚高压和阿留申低压增强,对流层中层贝加尔湖槽加强;南方区域极端低温事件偏多时,海平面气压表现为偶极子型的1波结构,欧亚大陆和大西洋为正距平,北美大陆和太平洋为负距平,对流层中层东亚大槽加强南伸。对年代际变化分量(≥8a),大气环流形势都表现为北极涛动负位相,南方区域不显著。     

北太平洋年代际涛动与太阳活动的联系

采用逐次滤波法分析了北太平洋海洋大气系统年代际振荡特征及其主要影响因子，探索太阳活动对于北太平洋海洋大气系统年代际变化的影响。结果表明，太阳活动是北太平洋海洋大气系统周期性年代际振荡的重要影响因子，具体反映在：1）北太平洋年代际涛动（PDO，Pacific Decadal Oscillation）存在与太阳活动密切相关的22年周期和11年周期，是PDO仅次于趋势项最重要的周期成分，其方差贡献率分别为20．9％和6．7％。研究发现北太平洋年代际涛动变化对于太阳活动的响应方式与太阳活动强弱程度有联系，太阳活动水平强时PDO与太阳磁场变化符号相同并且振荡幅度大；太阳活动水平弱时PDO与太阳磁场变化符号相反并且振荡幅度小。2）滤除持续下降趋势之后，北太平洋冬季阿留申低压活动区海平面气压（SLP，Sea Level Pressure）表现出与太阳磁场磁性指数（MI，Magnetic index）基本反相的周期性振荡，滤除22年周期之后11年周期也比较清楚，其方差贡献率分别为13．4％和1．1％。3）滤除持续升温趋势以后北太平洋100hPa冬季大气温度距平场表现出与太阳磁场磁性指数基本一致的周期性振荡，滤除22年周期之后11年周期也比较清楚，其方差贡献率分别为15．1％和1．1％。研究结果说明，在太阳活动对于大气温度场的影响过程中，黑子磁场磁性变化是决定性的，即决定了温度变化符号，MI绝对值的变化即太阳磁场强度变化影响其量变。     

2021年夏季河南极端降雨水汽来源分析与西太平洋副热带高压的可能作用

为研究西太平洋海域在河南“7·20”极端降雨事件中的作用,利用海表面温度、海平面气压、位势高度和风场等再分析数据与降水观测数据,分析了2021年夏季河南极端降雨事件的水汽输送来源及其与西太平洋副热带高压多尺度变化特征的关系。数据显示, 2021年夏季河南极端降雨期间,西太平洋副热带高压偏强偏北,河南地区以东至西北太平洋中低空出现显著的东风异常和西向水汽输运。结果表明, 2021年夏季河南暴雨区中高空相对涡度、位势高度和垂直上升运动存在显著异常,从西北太平洋海域通过中低空异常东风输送的水汽是主要来源。经验模态分解结果显示,副热带高压强度指数的第二模态(intrinsic mode functions of west Pacific subtropical high, IMFWPSH)与河南地区降雨第二模态存在统计显著关系并在此次极端降雨事件中扮演重要角色。诊断分析发现,在IMFWPSH正位相期间,副热带西太平洋存在异常增强的上升运动并在中低空产生异常东风,河南地区上升气流异常增强,因此, IMFWPSH可为河南地区降雨提供重要条件。     

印度洋海温异常对西北太平洋台风的影响及机制研究

基于近40 a NCEP/NCAR再分析月平均高度场、风场、涡度场、垂直速度场以及NOAA重构的海面温度(sea surface temperature,SST)资料和美国联合台风预警中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)热带气旋最佳路径资料,利用合成分析方法,研究了前期春季及同期夏季印度洋海面温度同夏季西北太平洋台风活动的关系。结果表明:1)前期春季印度洋海温异常(sea surface temperature anomaly,SSTA)尤其是关键区位于赤道偏北印度洋和西南印度洋地区对西北太平洋台风活动具有显著的影响,春季印度洋海温异常偏暖年,后期夏季,110°～180°E的经向垂直环流表现为异常下沉气流,对应风场的低层低频风辐散、高层辐合的形势,这种环流形势使得低层水汽无法向上输送,对流层中层水汽异常偏少,纬向风垂直切变偏大,从而夏季西北太平洋台风频数偏少、强度偏弱,而异常偏冷年份则正好相反。2)春季印度洋异常暖年,西北太平洋副热带高压加强、西伸;而春季印度洋异常冷年,后期夏季西北太平洋副热带高压减弱、东退,这可能是引起夏季西北太平洋台风变化的另一原因。     

影响北大西洋飓风形成的大尺度环流条件

本文对多飓风月(或季)和少飓风月(或季)的大尺度环流系统进行了对比分析,得到大西洋飓风形成频率与下列大尺度环流条件有关的结论: 在多飓风月或季,副热带高压有明显发展并向北移,冰岛低压加深,极地涡旋较强并且有一深的长波槽沿美国东岸南伸;在美国和加拿大西部有一强高压脊发展,相应的高空急流移向北;在200毫巴,在副热带大西洋上盛行异常反气旋环流;高空东风气流较强和海面温度为正距平.而少飓风季的情况在许多主要方面与上述情况相反.统计检验表明,这种差异从统计上是显著的.最后,我们比较了大西洋和西太平洋有利于飓风或台风形成条件的差异.     

上海地区雷暴天气的气候变化及可能影响因素

分析了上海地区雷暴的气候变化及可能影响因素。经验正交函数分析结果表明:上海地区雷暴的年际变化呈较明显的下降趋势;其空间分布主要呈现市区少、郊区多的特点。上海地区的“城市热岛”效应可能会增加城区和城乡交界地区雷暴的发生频数。通过小波分析得到上海地区雷暴日年变化的主周期约为6年。上海地区雷暴异常年6~8月平均大气环流与同期500 hPa大气环流特征的关系为多雷暴年整个东亚的位势高度距平场出现大范围的负距平,当年夏季西太平洋副热带高压较弱,位置偏东;少雷暴年则相反。持续型(秋季型)的El Nino事件可能会引起上海地区年雷暴日数异常偏多,而少雷暴年则多为ENSO(El Nino/Southern Oscillation)冷暖事件的更替年。     

The Iceland–Lofotes pressure difference: different states of the North Atlantic low-pressure zone

The extended North Atlantic low-pressure zone exhibits two pressure minima in the long-term winter mean: the primary one west of Iceland and the secondary one near Norwegian Lofotes Islands. Based on the ERA-40 data set and on wintertime monthly sea level pressure (SLP) anomalies at both places, the states of co- and antivariability are investigated. The covariability represents states of a strongly or weakly developed North Atlantic low-pressure zone. The difference between these two states represents the NAO pattern. The antivariability is defined by an Iceland–Lofotes difference (ILD) index, which is positive (negative) when the anomaly in the Lofotes area is higher (lower) than that in the Iceland area. An ILD pattern is calculated as difference between SLP composites for high and low ILD indices. The ILD pattern extends horizontally beyond the two centers and affects other prominent Northern Hemisphere pressure centres: Aleutian low; Siberian high and Azores high. The pattern extends into the stratosphere and shows significant impacts on surface air temperature, Arctic sea ice concentration and sea ice motion.     

白令海峡夏季流量的年际变化及其成因

白令海峡是连接太平洋和北冰洋的唯一通道,穿过海峡的海水体积通量在年际尺度上的变化主要取决于海峡南北两侧的海面高度差,白令海峡的入流对北冰洋海洋过程有重要的意义。利用SODA资料计算夏季白令海峡海水体积通量,对其年际变化及成因进行分析。结果表明夏季白令海峡的体积通量主要是正压地转的;当体积通量为正距平时,楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海以及波弗特海南部海面高度为负距平,同时,白令海陆架海面高度为正距平;对这些海域的Ekman运动、上层海洋温度、盐度和垂直流速进行分析,发现海面高度异常与海峡体积通量的这种关系主要是与海面气压异常分布所产生的Ekman运动有关。当白令海峡的体积通量为正距平时,北冰洋中央海面气压为正距平,白令海海盆海面气压为负距平。这种气压的异常分布在一定程度上解释了上层海洋运动、海水温盐结构与白令海峡入流的关系,从而把夏季大尺度大气环流和白令海峡体积通量的年际变化联系了起来。     

南海混合层深度的季节变化及年际变化特征

通过分析新的SODA(Simple Ocean Data Assimilation)资料,得到南海混合层时空场的分布特征,剖析了南海混合层深度的季节及年际变化特征。资料分析表明:南海混合层存在着显著的季节和年际变化,且两者的均方差分布存在一定的差异。在季节变化中,冬季混合层在南海北部及西北陆架区深,在南海南部及吕宋冷涡处浅;夏季混合层在南海西北部浅,东南深。南海这种混合层深度分布特征除了与热通量的季节变化有关外,在相当大的程度上与季风引起的Ekman输送及Ekman抽吸有关。混合层深度距平场EOF(Empirical Othorgnal Function)第一模和第二模时间变化的主信号均为周期的年际变化信号,其中第一模态约为3 a,第二模态则有1.8,2.4和4.3 a的3个显著周期。EOF第一模显示混合层深度在南海东南部年际变化幅度最大,且滞后Nino3指数7个月时相关性最好(相关系数为0.422 3);EOF第二模显示在南海南部和北部混合层深度呈反位相变化。     

印度洋海底压强的季节和长期变化

利用2003—2015年的重力恢复和气候实验(Gravity Recovery and Climate Experiment, GRACE)卫星观测数据, 揭示了印度洋海底压强的变化特征, 并探讨了其变化机制。结果表明, 印度洋海底压强具有显著的季节变化特征, 北半球冬季在40°S以北(南), 海底压强呈负(正)异常, 夏季分布与冬季相反。印度洋区域的海底压强空间分布与Ekman输送空间分布有较好的对应关系。正压涡度方程诊断结果表明, 利用风场重构的海底压强能够较好地解释印度洋海底压强的季节和长期变化。此外, 海平面变化收支分析表明, 海底压强的变化在高纬度区域主导了海平面变化。     

Impacts of a wind stress and a buoyancy flux on the seasonal variation of mixing layer depth in the South China Sea

The seasonal variation of mixing layer depth(MLD) in the ocean is determined by a wind stress and a buoyance flux.A South China Sea(SCS) ocean data assimilation system is used to analyze the seasonal cycle of its MLD.It is found that the variability of MLD in the SCS is shallow in summer and deep in winter,as is the case in general.Owing to local atmosphere forcing and ocean dynamics,the seasonal variability shows a regional characteristic in the SCS.In the northern SCS,the MLD is shallow in summer and deep in winter,affected coherently by the wind stress and the buoyance flux.The variation of MLD in the west is close to that in the central SCS,influenced by the advection of strong western boundary currents.The eastern SCS presents an annual cycle,which is deep in summer and shallow in winter,primarily impacted by a heat flux on the air-sea interface.So regional characteristic needs to be cared in the analysis about the MLD of SCS.     

北大西洋秋季“三极子”海温结构对冬季大气环流场的影响

利用NCEP再分析资料、Hadley中心的海表面温度(SST)资料等,从北大西洋秋季海表面温度异常(SSTA)变化入手,对其影响后期冬季大气环流场的机制进行了分析。研究结果如下:(1)北大西洋SST异常与大气环流异常之间存在着相互作用;(2)秋季北大西洋SSTA具有较好的持续性,"正负正"海温异常空间分布导致12月巴伦支海上空500hPa位势高度异常偏高;(3)异常环流形势对应的海表面风异常场(SSWA)通过阶段性风-蒸发-SST异常反馈机制(WES机制)利于海温异常分布的持续及对上空异常大气环流的反馈;(4)三极子海温结构中负异常海温自10月份开始有自西向东的移动,风作用下蒸发加大,伴随上升运动自欧洲西部爱尔兰群岛出现自西向东移动的降水正异常区,潜热释放有利于冬季巴伦支海上空的异常高压脊发展。研究表明,北大西洋秋季SSTA通过阶段性海气相互作用机制影响海洋温度分布和大气环流异常,对后期冬季中国东北部的气候变化产生影响。     

基于ROMS模型数值研究南海温跃层的季节变化

On the basis of the regional ocean modeling system （ROMS）, the seasonal variations of the thermocline in the South China Sea （SCS） were numerically investigated. The simulated hydrodynamics are in accordance with previous studies： the circulation pattern in the SCS is cyclonic in winter and anticyclonic in summer, and such a change is mostly driven by the monsoon winds. The errors between the modeled temperature profiles and the observations obtained by cruises are quite small in the upper layers of the ocean, indicating that the ocean status is reasonably simulated. On the basis of the shapes of the vertical temperature profiles, five thermocline types （shallow thermocline, deep thermocline, hybrid thermocline, double thermocline, and multiple thermocline） are defined herein. In winter, when the northeasterly monsoon prevails, most shallow shelf seas in the northwest of the SCS are well mixed, and there is no obvious thermocline. The deep region generally has a deep thermocline, and the hybrid or double thermocline often occurs in the areas near the cold eddy in the south of the SCS. In summer, when the southwesterly monsoon prevails, the shelf sea area with a shallow thermocline greatly expands. The distribution of different thermocline types shows a relationship with ocean bathymetry： from shallow to deep waters, the thermocline types generally change from shallow or hybrid to deep thermocline, and the double or multiple thermocline usually occurs in the steep regions. The seasonal variations of the three major thermocline characteristics （the upper bound depth, thickness, and intensity） are also discussed. Since the SCS is also an area where tropical cyclones frequently occur, the response of thermocline to a typhoon process in a short time scale is also analyzed.     

北极冬季季节性海冰双模态特征分析

近年来北极海冰快速变化,北极中央区边缘正由以多年冰为主转为季节性海冰为主。通过对北极冬季季节性海冰的EOF分解发现,2002-2012年期间北极季节性海冰变化的前两模态主要体现为2005年和2007年的季节性海冰距平。其中第二模态主要体现了北极海冰在2005年的一种极端变化,而第一模态不仅体现了北极海冰在2007年的变化,还体现了北极季节性海冰的从负位相到正位相的转变。通过比较发现,在研究时段北极季节性海冰最主要的变化发生在北极太平洋扇区,在2007年,冬季季节性海冰距平发生位相转变,2007-2010年一直维持正位相,北极太平洋扇区冬季季节性海冰保持显著正距平。太平洋扇区表面温度最大异常也发生在2007年,从大气环流来看,2007年之后波弗特海区异常高压有利于夏季太平洋扇区海冰的减少,而西风急流的减弱有利于夏季波弗特海区异常高压的维持,结合夏季海冰速度,顺时针的冰速分布有利于海冰离开太平洋扇区,因而会导致冬季太平洋扇区季节性海冰转为正距平并且从2007年一直维持到2010年。     

南海等密度面环流季节变化的数值模拟研究

In this study, we develop a variable-grid global ocean general circulation model(OGCM) with a fine grid(1/6)°covering the area from 20°S–50°N and from 99°–150°E, and use the model to investigate the isopycnal surface circulation in the South China Sea(SCS). The simulated results show four layer structures in vertical: the surface and subsurface circulation of the SCS are characterized by the monsoon driven circulation, with basin-scaled cyclonic gyre in winter and anti-cyclonic gyre in summer. The intermediate layer circulation is opposite to the upper layer, showing anti-cyclonic gyre in winter but cyclonic gyre in summer. The circulation in the deep layer is much weaker in spring and summer, with the maximum velocity speed below 0.6 cm/s. In fall and winter, the SCS deep layer circulation shows strong east boundary current along the west coast of Philippine with the velocity speed at 1.5 m/s, which flows southward in fall and northward in winter. The results have also revealed a fourlayer vertical structure of water exchange through the Luzon Strait. The dynamics of the intermediate and deep circulation are attributed to the monsoon driving and the Luzon Strait transport forcing.