20 世纪热带海洋海表面温度年际变化的特征

利用Hadley中心海冰和海表面温度资料集Had ISST和美国国家海洋大气管理局的扩展重建海温(ERSST)海表面温度(sea surface temperature,SST)观测数据,结合政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)中CMIP3(Coupled Model Intercomparison Project 3)的24个耦合模式的模拟结果,通过经验正交函数(EOF)分解等方法,对20世纪热带海洋在的SST年际变化进行了分析。结果表明,20世纪热带海洋年际变化的主要规律是ENSO信号,且有持续增强的趋势;热带海盆间存在显著的SST梯度,其长期变化与热带东太平洋显著相关。本文结论有利于理解在全球变暖背景下,海盆间的相互作用对赤道海域气候改变的影响。     

北太平洋冬季SST、风场及环流对淡水强迫的响应

通过海气耦合模式CCSM3(The Community Climate System Model version 3),研究在北大西洋高纬度淡水强迫下,北太平洋冬季的海表温度SST、风场及流场的响应及其区域性差异。结果表明:淡水的注入使北太平洋整体变冷,但有部分区域异常增暖;在太平洋东部赤道两侧,SST的变化出现北负南正的偶极子型分布。阿留申低压北移的同时中纬度西风减弱,热带附近东北信风增强。黑潮和南赤道流减弱,北太平洋副热带逆流和北赤道流增强,日本海被南向流控制。风场及流场的改变共同导致了北太平洋SST异常出现复杂的空间差异:北太平洋中高纬度SST的降温主要由大气过程决定,海洋动力过程主要影响黑潮、日本海及副热带逆流区域的SST,太平洋热带地区SST异常由大气与海洋共同主导。     

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.     

El Nio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 Nio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 Nio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 Nio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 Nio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 Nio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 Nio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.     

IOCAS ICM及其ENSO实时预测试验和改进

厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)是仅次于季节变化的最强年际气候变率信号,对全球气候和天气产生重要影响。准确、及时、有效地预报ENSO事件的发生和演变具有重大的实用意义。以中国科学院海洋研究所冠名的中等复杂程度海气耦合模式(IOCAS ICM),每月定期进行ENSO实时预报试验。IOCAS ICM实时预报结果目前收录于美国哥伦比亚大学国际气候研究所(IRI),以作进一步的集成分析和应用。该模式的大气部分是一个描述对海表温度(SST)年际异常响应的风应力异常经验模式,海洋部分包括了动力海洋模块、SST距平模块(嵌套于动力海洋模块中)和次表层上卷海温(T_e)距平模块三部分。IOCAS ICM的特点之一是开发了次表层海温反算优化这一创新技术,可有效改进热带太平洋SST异常的模拟和预报。IOCAS ICM和其他海气耦合模式的最新预报结果(以2017年9月为初条件)表明,2017年年末热带太平洋会处于一个SST冷异常态,最大变冷中心集中在赤道东太平洋,但并不足以达到拉尼娜(La Ni?a)事件的水平,SST冷异常可能会在2018年春季逐渐减弱,转化为中性状态。此外,本文还对四维变分资料同化方法(4D-Var)以及条件非线性最优扰动方法(CNOP)在IOCAS ICM中的应用进行了讨论。     

风应力桥梁作用下热带太平洋和热带印度洋相互作用的数值试验

利用中等复杂程度全球热带大气和热带海洋模式的数值试验,模拟分析了热带太平洋和热带印度洋通过风应力桥梁的相互作用过程.利用NCEP再分析的1958～1998年SST强迫大气模式得到的风应力与NCEP再分析的同期热通量共同驱动海洋模式,作为控制试验;和控制试验平行,但强迫大气模式的SST在某一海盆取为多年气候平均值的试验作为敏感性试验.比较控制试验与敏感性试验模拟的SST变率,揭示了热带某海盆SST异常通过风应力桥梁作用对其他海盆SST的影响及其过程.数值试验结果表明:热带某海盆SST暖(冷)异常一般总是引起该海盆上空西部西(东)风异常和东部东(西)风异常;热带太平洋SST暖(冷)异常导致年际尺度上印度洋上空东(西)风异常和年代际尺度上热带印度洋风场辐散(合),该风应力导致热带印度洋年际SST暖(冷)异常以及年代际SST冷(暖)异常,但这种异常均较弱;热带印度洋SST暖(冷)异常导致热带太平洋上空东(西)风异常,该风应力异常在年际和年代际尺度上均导致热带太平洋SST冷(暖)异常,但年代际尺度上异常更明显.考虑到热带印度洋SSTA受热带太平洋SSTA影响大,并且热带太平洋SST暖(冷)异常主要通过表面热通量导致热带印度洋SST变暖(冷)的观测事实,文中揭示的热带印度洋SST暖(冷)异常通过风应力桥梁作用导致热带太平洋SST冷(暖)异常的结果表明,热带印度洋SSTA对于热带太平洋SSTA主要起着一种负反馈作用,并且这种负反馈作用在年代际尺度上更为明显.     

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。     

全球变暖背景下气候内部变率导致热带辐合带移动的不确定性

基于两套模式的大集合试验结果,评估了气候内部自然变率对热带辐合带(ITCZ, Intertropical convergence zone)未来南北移动的影响。研究发现,模式间ITCZ的移动差异源自中高纬度的外强迫模拟差异,而气候内部变率主要通过热带过程调控ITCZ的位置变化。在通用地球系统模式大集合(Community Earth System Model Large Ensemble, CESM-LE)试验中,厄尔尼诺-南方涛动(El Ni■Oscillation, ENSO)振幅变化的自然变率会通过中等和极端厄尔尼诺降水的非线性信号调制ITCZ的移动幅度,而在MPI-GE(the Max Planck Institute Great Ensemble)试验中,ITCZ的位置变化主要与大西洋海温梯度信号异常有关,相较而言ENSO振幅对ITCZ的影响很有限。总体而言,全球变暖背景下由于内部自然变率引起的ITCZ南北移动不确定性幅度能解释未来预估模式间的差异约为20%,但对ITCZ移动的模拟不确定性有贡献。     

CMIP5模式对近30年沃克环流强度变化模拟的不足及成因分析 *

太平洋沃克环流(Pacific Walker Circulation, PWC)是热带太平洋上空至关重要的大气环流系统, 但其在全球变暖背景下的长期变化仍存在争议, 换而言之, 沃克环流增强或减弱仍是有待回答的科学问题之一。观测表明近30年PWC呈增强趋势, 而气候模式无法得出观测的趋势。文章分析了参加第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5, CMIP5)的18个耦合模式模拟的PWC变化。结果表明, 大部分耦合模式能够较好地再现PWC的气候态分布特征, 但不能给出其加强的趋势。究其原因, 主要取决于模式对海表温度(SST)变化的模拟能力, 能模拟出PWC加强的耦合模式, 其模拟的SST趋势分布与观测相近[即类拉尼娜(La Niña)型], 但仍存在一定差异; 而模拟出PWC减弱的耦合模式, 其模拟的SST趋势分布表现为类厄尔尼诺(El Niño)型, 这与观测不符。对于后者, 如果用观测的SST驱动其大气模式却能够模拟出PWC的加强, 从另一方面也说明了SST变化对于PWC长期变化的主导作用。因此, CMIP5模式要想合理地预估PWC在全球变暖背景下的变化, 需要提高对于热带太平洋SST变化的模拟能力。     

华北5月降水年代际变化

针对华北5月降水的年代际变化特征和成因,用华北5月降水资料、NCEP大气环流资料以及海表温度（SST）资料,采用EOF分析、相关分析、合成分析等方法研究了华北5月降水以及相关海区SST的年代际变化;结果表明从60年代中期至90年代初期华北5月降水存在明显的年代际变化,1965～1981年华北5月降水偏少,1982～1992年华北5月降水偏多;西太平洋暖池相比热带中东太平洋、热带印度洋对华北5月降水年代际变化有更明显的影响;当西太平洋暖池异常发展,热带中东太平洋、热带印度洋海温年代际变化处于暖位相,东亚上空为反气旋性环流异常场,东亚大槽较弱,副热带高压偏强偏西时,华北5月降水偏多;反之,副热带高压偏弱偏东时,华北5月降水偏少.     

热带大洋春季海气耦合模态及其与ENSO的关系

在北半球的春季,热带三大洋的海洋–大气系统年际变化会对同期太平洋厄尔尼诺–南方涛动(ElNi?o-Southern oscillation,ENSO)产生响应,同时也能通过区域海洋–大气耦合过程影响ENSO的发展。基于国际公开使用的海表温度资料和降水资料,通过联合正交经验分解方法分析,可以发现全球大洋春季存在两种显著的海气耦合模态。第一模态表现为:在热带中东太平洋,海表温度增暖、降水增多;在热带大西洋和热带印度洋,降水呈现经向偶极型分布以及跨赤道的海表温度梯度异常;即伴随ENSO在春季消亡期的空间型态,大西洋出现经向模态,印度洋出现反对称模态。第二模态表现为:太平洋经向海表温度和降水模态,即太平洋经向模态。回归分析结果表明, ENSO盛期的大气环流调整引起了热带大西洋和印度洋降水辐合带异常,并通过海面风场异常激发海盆内部的海洋–大气反馈,引起春季经向模态。进一步研究发现,冬、春季大西洋和印度洋热带辐合带分别位于赤道以北和以南,导致两个海盆经向模态的降水异常相对赤道呈反对称分布。在春季,太平洋经向模态的暖中心延伸到赤道上,引起西风异常,为后续El Ni?o的发展提供了有利条件。文章揭示了...     

一个简单的印-太海气耦合模式

本文基于一层半海洋模式和SVD(Singular Value Decomposition)大气模式构建了一个简单的海气耦合模式, 引入热通量的作用, 分析ENSO影响热带印度洋地区的动力学和热力学耦合过程。其中, 使用统计大气模式, 由给定的SST(Sea Surface Temperature)异常得到风应力异常, 进而驱动海洋环流反馈给SST, 完成海气的动力耦合; 使用块体经验公式由SST异常和风场异常计算热通量异常, 直接作用于SST, 实现海气的热力学耦合。动力耦合实验揭示, 太平洋第一EOF(Empirical Orthogonal Functions) 模态与观测基本吻合。并且模拟Ni?o 3指数存在两年左右的谱峰周期。这说明, 海气动力学耦合是ENSO生成的主要因素。热力耦合的加入是为了考察ENSO影响热带印度洋的热力学效应。同时考虑动力和热力耦合的实验结果表明, 热带太平洋暖异常中心更加接近观测值, 热带印度洋出现海盆尺度海温正异常。这意味着热带太平洋的ENSO信号通过海气界面的热量交换实现对热带印度洋地区的遥强迫, 导致印度洋海盆尺度增暖。     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整 I. 年际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟试验,研究了全球热带海洋(主要是热带太平洋)海温和环流场的年际变化特征及模式ENSO冷暖事件演变的控制机理.结果表明,模式成功地再现了和观测一致的海温和环流的年际变化以及ENSO演变特征.其中热带印度洋年际SST变率的主要模态表现为与ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷现象,次级模态为热带印度洋偶极子模态;热带大西洋的SST年际变率表现为类ENSO的年际振荡现象.在热带太平洋,SST年际变化主要表现为ENSO型,环流的年际变率表现为与ENSO相对应的热带海洋质量循环圈的年际异常.对应于暖(冷)事件,前期赤道海洋垂直环流圈显示出减弱(增强)的特征.其中南赤道流异常的位相较Nino3区海温总体要超前5个月左右的时间;赤道上翻流异常的位相在表层要超前4个月,并随时间由上至下扩展;赤道潜流的异常则显示出东传特征,其中最早的较为显著的异常发生ENSO成熟前3个月180°附近.在模式ENSO冷暖事件的演变过程中,次表层海温异常沿赤道的东传起了关键作用,模式的ENSO模态主要表现为"时滞振子"模态.     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整Ⅰ.年际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS 1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟试验,研究了全球热带海洋(主要是热带太平洋)海温和环流场的年际变化特征及模式ENSO冷暖事件演变的控制机理.结果表明,模式成功地再现了和观测一致的海温和环流的年际变化以及ENSO演变特征.其中热带印度洋年际SST变率的主要模态表现为与ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷现象,次级模态为热带印度洋偶极子模态;热带大西洋的SST年际变率表现为类ENSO的年际振荡现象.在热带太平洋,SST年际变化主要表现为ENSO型,环流的年际变率表现为与ENSO相对应的热带海洋质量循环圈的年际异常.对应于暖(冷)事件,前期赤道海洋垂直环流圈显示出减弱(增强)的特征.其中南赤道流异常的位相较Nino3区海温总体要超前5个月左右的时间;赤道上翻流异常的位相在表层要超前4个月,并随时间由上至下扩展;赤道潜流的异常则显示出东传特征,其中最早的较为显著的异常发生ENSO成熟前3个月180°附近.在模式ENSO冷暖事件的演变过程中,次表层海温异常沿赤道的东传起了关键作用,模式的ENSO模态主要表现为"时滞振子"模态.     

SST年循环对El Niño事件局地海气过程的影响

利用Hadley中心逐月海表温度、欧洲中心ERA-40的10 m风场及CMAP降水资料探讨了年循环对热带太平洋El Niño海气相互作用过程的影响。尽管El Niño对应的海表温度异常主要出现在赤道东太平洋,经向上呈南北对称分布,然而其对应的大气响应在El Niño年衰减阶段却有着强的向南移动特征。在El Niño发展年的11月之前,强的西风和降水异常主要出现在赤道中太平洋;在12月份之后,赤道上的西风和降水异常迅速南移至5°S,随后西风一直维持在该位置直至衰亡。同时,西太平洋负降水和反气旋异常向北移动。这种SST异常与其大气响应的经向移动不一致,主要是由热带中太平洋气候态SST的季节性南移导致的。由于对流与海温之间存在非线性关系,即当总SST超过一定的阈值,对流降水才会迅速增强;因此相应的对流响应也随着总海温的南移而南移,风场响应也同时南移。此外,南半球增强的对流会通过经向环流进一步抑制北半球的降水,从而使西太平洋负降水和反气旋异常增强并北移。通过分析有/无年循环的两组数值试验结果验证了上述结论,即有年循环的试验较真实地模拟出了观测中异常西风南移和西北太平洋反气旋异常的出现;无年循环试验尽管能模拟出El Niño年赤道中太平洋的西风异常,但其却没有南北向的移动,西北太平洋的反气旋也没有出现。因此,热带中太平洋气候态暖海温的季节循环对El Niño事件大气响应有着至关重要的作用。     

热带太平洋10月份海气联合复EOF分析

利用复EOF分析,将热带太平洋10月份的大气环流风场和大洋上层环流场作为一个整体,对其作了动力统计诊断,用以考察热带太平洋10月份大气大洋耦合环流的年际和年代际变化,并揭示其与厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)的关系。结果表明:在同一模态中,海洋模态表现出很强的赤道陷度特征,而大气风场则无此现象;第一模态与ENSO循环有密切关系,揭示了Walker环流异常;第一模态的垂直运动风场反映了热带太平洋赤道辐合带和南太平洋辐合带上垂直运动的异常;第二模态偏差风场的经向分量大于第一模态,反映了Hadley环流的异常;第二模态与ENSO循环有联系,但关系不如第一模态那样密切。     

全球热带海洋海表温度场异常对北极海冰的影响

本文利用1951?2021年哈德莱中心提供的海冰和海温最新资料以及美国国家海洋和大气管理局气候预报中心提供的NCEP/NCAR再分析资料,分析探讨了北极海冰70余年的长期变化特征,进而研究了其快速减少与热带海温场异常变化之间的联系,揭示了在全球热带海洋海温场变化与北极海冰之间存在密切联系的事实。结果表明,北极海冰异常变化最显著区域出现在格陵兰海、卡拉海和巴伦支海。热带不同海区对北极海冰的影响存在明显时滞时间和强度差异,热带大西洋的影响相比偏早,印度洋次之,太平洋偏晚。热带大西洋、印度洋和中东太平洋海温异常影响北极海冰的最佳时间分别是后者滞后26个月、30个月和34个月,全球热带海洋影响北极海冰的时滞时间为33个月。印度洋SST对北极海冰的影响程度最强,其次是太平洋,最弱是大西洋。全球热带海洋对北极海冰的影响过程中,热带东太平洋和印度洋起主导作用。当全球热带海洋SST出现正（负）距平时,北极海冰会出现偏少（多）的趋势,而AO、PNA、NAO对北极海冰变化起重要作用,是热带海洋与北极海冰相系数的重要“纽带”。而AO、PNA和NAO不仅受热带海洋SST的影响,同时也受太平洋年代际振荡PDO和大西洋多年代际AMO的影响,这一研究为未来北极海冰快速减少和全球气候变暖机理的深入研究提供理论支撑。     

海洋的季节变化及风应力异常对海洋影响的数值试验

对一个6层5°×4°网格的全球海洋模式作了一些改进,建立了10层5°×4°网格的全球海洋模式,进行了季节变化数值模拟,积分250a,取得稳定的结果.除了高纬度海洋外,模拟的季节变化与实际观测十分接近.在此基础上,作了热带太平洋海温场对热带季风异常响应的3组敏感性实验,第1组为赤道西太平洋异常西风向东传播的试验;第2组为整个赤道太平洋风应力振荡异常试验;第3组为赤道西太平洋异常西风、东风交替向东传播的敏感性试验.模拟结果表明:(1)第1组风应力敏感性实验结果揭示出,西太平洋西风异常的向东传播的风应力异常可以产生类似厄尔尼诺的赤道东太平洋变暖;(2)第2组试验结果表明,热带太平洋风应力的局地振荡首先在中太平洋东西部激发出海温扰动,然后海温扰动分别向东太平洋和西太平洋传播,从而引起东、西太平洋海温的异常;(3)第3组试验验证风应力QBO可以产生海洋中类似的QBO振荡.     

ENSO十年际尺度变率的机制初探

利用太平洋次表层海温、热含量和洋表风应力等资料探讨了ENSO十年际尺度变率的可能机制。结果表明，热带西南太平洋不仅是年代际信号的显著区，同时也有可能是影响ENSO循环十年际变化的关键区。热带西南太平洋的海温暖异常经热带中太平洋东传到热带东太平洋，导致热带东太平洋产生暖的海温异常，这种海温异常进而激发了澳大利亚东部沿岸的大气，产生反气旋性风应力异常。在这种风场的作用下，其下方海水向四周辐散，使热带西南太平洋的温跃层变浅，产生负的温度异常，此后发生反位相的循环。整个循环过程所需的时间约为13a。     

西太平洋暖池研究综述

西太平洋暖池(Western Pacific warm pool)是全球海温最高的海域,汇聚了巨大的热能,在地球气候系统中具有非常重要的作用。本文综述了近30年来有关西太平洋暖池的研究进展,包括西太平洋暖池的维持机制、不同时间尺度下西太平洋暖池的变异特征和物理机制,以及西太平洋暖池的观测和数值模拟等领域的研究进展。西太平洋暖池的维持是现有地形下大气过程和海洋过程相互作用导致的,在季节内到世纪尺度均存在很强的变化。其中,季节内变化的驱动机制主要包括与大气季节内振荡(Madden-Julian oscillation)相关的对流和海表面热通量变化,以及海洋波动等海洋动力过程;季节变化主要是由太阳辐射的季节变化所导致的;在年际尺度上,西太平洋暖池作为厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)的一部分,其振荡具有显著的年际变化;太平洋代际振荡(Pacific decadal oscillation,PDO)和大西洋代际振荡(Atlantic multi-decadal oscillation,AMO)驱动着西太平洋暖池的年代际变化;世纪尺度的变化显示全球变暖背景下西太平洋暖池存在扩张趋势。人类对西太平洋暖池的系统观测始于海洋观测卫星的使用,随后历经TOGA、TAO/TRITON、TOGA-COARE、WOCE、Argo、SPICE、NPOCE等多个观测计划,极大地促进了西太平洋暖池的研究。但截止到第五次耦合模式比对计划(Coupled Model Intercomparison Project 5),多数气候模式仍未能克服热带模拟偏差,对西太平洋暖池的模拟效果较差,表明在西太平洋暖池动力学的理解和模拟方面仍有较大的进步空间。