印度洋-太平洋海温的年际、年代际异常及其对亚洲季风的影响

运用EOF分析方法,对近50a的印度洋-太平洋SST的年际、年代际变化特征进行了分析,并在此基础上进行了数值试验.研究表明:在近50a中,SST的第一气候模态与年代际尺度变化相对应,并经历了两次气候突变,分别在1956年和1976年前后.第二气候模态与ENSO事件相对应,其空间分布反映了厄尔尼诺发生时SST的异常分布.中国东部降水以及亚洲季风异常不仅与ENSO事件有关,而且受到年代际气候背景场的影响.诊断和模拟结果具有较好的一致性.     

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。     

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...     

全球百年海表面温度年际和年代际变化特征分析

利用100 a(1903—2002年)HadiSST的逐月资料,将全球海表面温度异常(SSTA)作为整体进行经验正交函数分解(EOF分解),提取了控制各大洋SSTA的主导模态和各大洋之间的联合模态,分析了相应的空间分布和时间序列。研究结果表明:SSTA变化最剧烈的海区是赤道中东太平洋、西北大西洋湾流海区和北太平洋黑潮延伸体海区。热带太平洋厄尔尼诺和南方涛动是主导模态并具有2~7 a周期的年际变化;SSTA变化第二主模态和第三主模态都是以大约70 a为周期的年代际变化为主的跨大洋联合模态。第二主模态的空间分布主要表现为中纬度北太平洋和北大西洋反位相、热带太平洋与大西洋反位相的太平洋-大西洋双偶极子型分布。SSTA变化的第三模态主要呈现南北半球海洋反位相的特征,为北太平洋-北大西洋-南大洋联合模态。第四模态基本上是反映各个不同海域特有的局地海洋-大气相互作用模态,该模态的时间序列具有1~4 a周期的年际变化和约9 a周期的年代际变化。     

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。     

中国近海海平面变化与ENSO的关系

利用中国沿海台站潮位和中国近海及赤道太平洋的卫星测高、海表温度、风及气压资料,分析了中国近海海平面变化与ENSO的关系。分析结果表明:中国沿海海平面季节变化受ENSO影响明显,在厄尔尼诺事件期间,中国沿海海平面Sa分潮的振幅明显减小,其中年振幅的历史极小值均出现厄尔尼诺年,不同区域历史极小值出现的年份不同;另外,中国沿海Sa分潮的振幅对厄尔尼诺事件的响应与其强弱有关,在强事件中,响应区域和幅度较大,弱事件中,响应区域和幅度偏小。在厄尔尼诺年,中国沿海海平面多低于相邻年份,并且其年际变化存在明显的2~3a、4~7a、准9a、11a和准19a的周期,其中4~7a的周期在冬春季节震荡最显著,其震荡幅度接近2cm。中国近海海平面与赤道东太平洋区域的海表温度年际变化之间存在反相关关系,其相关系数为-0.42;同时与Nio4和Nio3.4指数序列也呈现反相关关系。针对典型的1997/1998年尼诺事件发生前后的风场和气压场分析发现,尼诺发生前的冬半年,冬季风偏强,气压梯度加强,中国沿海海平面偏低;到了厄尔尼诺的盛期,出现较强的南风异常,气压梯度反向,季风转向,过渡到了厄尔尼诺事件的衰减期,为拉尼娜事件做准备,此时海平面偏高。     

季风转换期印度洋经向热输运的年际变异及其机理

本文采用SODA3.4.2再分析数据和POP2海洋模式研究了季风转换期间（春季和秋季）热带印度洋经向热输运异常（Meridional Heat Transport Anomaly, MHTA）的年际变异特征。春季MHTA存在两个主要模态,即一致模态和辐合辐散模态:一致模态表现为热带印度洋上层一致的向北输运,受热带印度洋海温一致模相关的赤道反对称风场（赤道以北/南为东北风/西北风异常）调控;辐合辐散模态则呈现关于赤道对称的表层辐散次表层辐合特征,受控于赤道以南的热带西南印度洋和副热带东南印度洋海温偶极子。然而,秋季MHTA仅表现为辐合辐散模态,受到印度洋偶极子期间赤道东风和赤道外反气旋式风应力异常影响。此外,POP2敏感性试验也验证了印度洋海温模态影响下异常风场对MHTA的调控作用,即反对称的风引起一致向北的MHTA,赤道东风异常引起MHTA表层辐散、次表层辐合现象。因此,热带印度洋海气耦合模态年际变化对印度洋上层热量再分配有着重要的意义。     

秋季西北太平洋热带气旋累积能量的年际变化及其预报

秋季是西北太平洋热带气旋平均强度最强的季节,热带气旋累积能量(accumulated cyclone energy,ACE)是热带气旋平均强度的表征指标,基于1979—2015年日本气象厅最佳路径热带气旋数据集,以及美国冰雪中心海冰数据和哈得来环流中心海温数据,利用回归分析和多元逐步回归等方法,对秋季西北太平洋ACE指数进行了分析和预报。研究表明:秋季西北太平洋ACE指数具有显著的年际变化特征,与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有关,最大和最小值分别出现在1991年的厄尔尼诺年和1999年的拉尼娜年,在厄尔尼诺发展年的秋季ACE一般较强,而在拉尼娜衰减年的秋季热带气旋强度则较弱; ACE指数变化受来自北极海冰变化强迫中纬度异常波列的影响及其受到厄尔尼诺海温模态的调制;由于海冰在波弗特海的异常增多,强迫对流层高层夏季出现类似北半球环球遥相关型异常波列,波列正压下传,使得夏秋季西北太平洋副热带高压东退北移;副热带高压活动的变化和太平洋海温的异常分布影响了局地的环流,热带气旋生成源地弱的垂直风切变区域偏东和涡度显著增大有利于热带气旋在暖海洋上发展强盛。最后进行建模预报,预报效果为0.69。若单独使用海温或海冰作为唯一要素来预报,预报效果将大大降低。     

ENSO非对称性对热带降水的影响研究

利用1966—2015年多种海气资料,分析了热带太平洋海域的ENSO非对称性表现,结果表明:在赤道东太平洋,ENSO暖事件强度大于ENSO冷事件,而在赤道中、西太平洋上与之相反,即在振幅强度和发生位置上存在不对称。研究还发现,在厄尔尼诺年的冬季,热带印度洋-太平洋海域整体上呈现出"正-负-正"的降水异常分布形势,而在拉尼娜年冬季,则呈现出"负-正-负-正"的降水异常分布形势,并且,降水距平的正负异常中心在厄尔尼诺年与拉尼娜年冬季存在纬向不同程度的偏移,表现出ENSO冷暖事件年冬季降水异常的非对称性。通过定量计算降水对热带海域的贡献,得到赤道中太平洋的降水量主要来源于厄尔尼诺年,赤道东太平洋的降水则主要来源于拉尼娜年,而热带印度洋及赤道西太平洋的大部分降水由中性年贡献。此外,对热带印度洋-太平洋划分厄尔尼诺强度与热带降水线性与非线性区域,发现在赤道西太平洋和赤道中太平洋及其偏东区域线性关系较为明显。     

山东气候年际变化特征及其与ENSO的关系

利用1951年以来65年的热带太平洋海表面温度数据和中国气温以及降水的站点观测资料,通过标准化处理和合成分析的方法,分析了山东气温和降水的季节气候特征及其年际变化,揭示了ENSO冷暖位相发展年及衰减年与山东气温和降水年际气候异常的关系。结果表明:在气温方面,山东地区春夏和秋冬季节温度分别呈经向和纬向分布,降水一年四季都表现为南多北少的特征;冬季鲁西北的气温年际变化在1°C以上,最为显著,而秋季气温的年际变化最不明显。对于降水的年际变化,夏季鲁西北、鲁南东部和胶州湾西部地区的年际变化最大,季节累计降水量异常最大达120mm以上,冬季降水年际变化最弱。ENSO对山东地区不同季节气温和降水异常强度的影响并非严格反对称,且存在显著的空间分布不均匀性;拉尼娜对山东气温年际变化的影响要比厄尔尼诺强、且影响范围广,厄尔尼诺对山东降水年际变化的影响更明显;厄尔尼诺和拉尼娜发展年和衰减年夏季对山东南部沿海地区(以青岛为例)气温正负变化的影响是反对称的,但是对内陆地区(以济南为例)而言,在厄尔尼诺/拉尼娜发展年冬季以及衰减年夏季两者对济南气温的影响是一致的;ENSO发展年夏季和秋季,厄尔尼诺/拉尼娜对南部沿海地区和内陆降水的影响不对称,但是对衰减年夏季降水的影响是反对称的。     

南海海面高度年际变化的S-EOF分析

应用依赖于季节的经验正交甬数(S-EOF)分析,探讨了最近15a南海海面高度随季节演变的年际变化.S-EOF分析得出南海海面高度异常各模态不同季节的空间结构以及时间演变过程,证实了季风强盛期冬季和夏季基本模态的结构,还分离出了季风转换期(春季和秋季)海面高度的分布格局.结果表明,南海海面高度随季节演变的年际变化与厄尔尼诺和拉尼娜事件密切相关.S-EOF1的结果表明,南海海面高度的变化具有明显而稳定的季节振荡,但在ENSO年海面高度的季节振荡相对减弱;S-EOF2模态显示了1998-2001年间冬季吕宋岛西侧存在一个较强的正异常,且能一直持续到春季;S-EOF3模态主要体现了南海西部一系列中尺度涡状结构的年际差异,包含1997/1998年厄尔尼诺对南海环流的影响.     

热带印度洋降水的年际变化特征分析

对热带印度洋海区逐月降水资料的分析表明,热带印度洋海区降水年际变化的主要特征表现为东、西方向反位相的偶极子模态,该模态与热带印度洋海区低空纬向风场异常有较强的相关,并且与太平洋ENSO事件存在显著相关。另外对偶极子型降水主要模态的周期分析表明,偶极子型降水距平还存在1.5 a和4 a左右的变化周期。     

ENSO强度模拟差异对全球变暖下热带太平洋大气变化预估结果的影响

热带太平洋海洋-大气耦合系统对全球变暖的响应是气候变化的热点问题。前人研究发现,气候模式的模拟偏差对于全球变暖响应结果有重要影响。本文利用美国大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)的地球系统模式(The Community Earth System Model,CESM)中的大气模式(Community Atmosphere Model version 5, CAM5)设计数值试验,在相同的SST(Sea Surface Temperature)增暖强迫下,通过改变海洋SST的年际变化振幅,来分析热带海洋年际变化强度的模拟对未来热带海区降水和大气环流场未来变化的影响。试验结果表明,随着SST年际变化强度的增加,全球变暖后热带太平洋降水变化的东西不对称性,以及向暖池区域辐合的风场变化等特征都逐渐减弱。进一步的分析发现,不同年际变化信号导致的大气场变化差异主要发生在冬季,是由于热带太平洋SST年际变化主模态ENSO(El Niňo-Southern Oscillation)的不对称性造成的:在厄尔尼诺年,强(弱)的年际变化信号会造成降水在东太平洋产生较大(小)的变化;而在拉尼娜年和正常年份,年际变化信号的强弱对热带降水变化的影响则不大。当热带海温的年际变化较大时,厄尔尼诺年的海温异常更强,造成的降水和风场的变化特征也会更加显著。     

夏季江淮地区雨量与印度洋海温联系的年代际变化

探讨了近50a（1951-2000年）来太平洋年代际振荡（PDO）冷暖位相中夏季江淮地区雨量与印度洋海温年际遥相关空间分布的差异，结果显示，不同季节的印度洋海温与夏季江淮地区雨量之间的联系存在显著的年代际变化。在PDO冷位相（1951-1976年），同期夏季和后期秋季南印度洋海温与夏季江淮地区雨量的负相关最显著；而在PDO暖位相（1977-2000年），从前期春季到后期秋季热带印度洋表现为持续的正相关，其中同期夏季赤道东印度洋SST与夏季江淮地区雨量的正相关最大，前期春季热带西印度洋SST异常对夏季江淮地区雨量变化有重要的预示性，后期秋季热带印度洋偶极子（IOD）强度与夏季江淮地区雨量变化密切相关。它反映了印度洋海温和东亚季风降水之间年际相关的不稳定性，季风系统中年际和年代际振荡间的相互作用是引起这种不稳定的主要原因。PDO和伴随的亚非大陆和印度洋地区之间海陆热力差异的年代际变化对印度洋海温和东亚季风降水年际联系具有明显的调节作用。     

热带太平洋与热带大西洋海表温度主模态的相互作用

根据英国Hadley气候中心的海表温度资料和美国NCEP/NCAR中心的大气资料,研究了热带太平洋与热带大西洋海表温度主模态的相互作用。热带太平洋的ENSO可以导致大西洋Nino模态或经向偶极子模态,这主要是通过热带海洋-大气相互作用,或大气的太平洋-北美遥相关过程实现的。大西洋Nino模态的暖(冷)位相会导致赤道中东太平洋的海表温度降低(升高)。这可能是通过两种途径完成的:一种可能是大西洋Nino使印度洋增暖(变冷),进而引起赤道中太平洋的东(西)风异常,通过海洋-大气相互作用正反馈机制能发展成为La Nina(El Nino),使赤道东太平洋海温降低(升高);另一种可能是大西洋Nino直接可以导致太平洋Walker环流增强(减弱),从而使赤道东太平洋海温降低(升高)。     

北太平洋风应力与流场联合EOF的主模态分析

采用了SODA资料,将海面风应力场与大洋各层流场看作一个整体做了赤道外北太平洋风应力和流场异常的联合EOF分析,此时风应力场与各层流场有相同的时间系数,这样就可揭示海气耦合的结构和演变,这是该方法的特点和优点。得到的主要结论有:诊断得到的主模态的风应力异常体现了北太平洋大气活动中心的异常,两者关系密切;在冬、春、秋三季均表征为阿留申低压的异常,在夏季则表征为副热带高压的异常。该主模态的风应力和流场异常均是PDO模态在其上的体现,且前者处海气相互作用中矛盾的主要方面,后者处次要方面,前者起着主动作用,后者则处被动状态。主模态在四季均有明显的年际变化和年代际变化;对北太平洋风场和上层流场而言,年际变化反映了ENSO的影响,而约20a的年代际变化则反映了太平洋年代际振荡(PDO)的影响。主模态中北太平洋海盆尺度的风应力异常、大洋环流异常和上层海温的动力异常这三者具有紧密的联系,这三者的连锁作用则造成了北太平洋SSTA的PDO模态;而在此大洋环流异常则起着关键中介作用。主模态的风应力异常与黑潮系统流场的异常有紧密联系;对于明显的正(负)异常,冬、夏两季135°E以东的黑潮都偏强(弱),黑潮续流则偏弱(强);对于黑潮以南的回流涡旋,冬季则偏强(弱),夏季则偏弱(强);而ENSO和PDO对黑潮流场系统的异常均有明显影响。     

1949—2019 年影响山东的热带气旋时空分布及极端降水和大气环流异常

使用中国气象局热带气旋资料中心的热带气旋最佳路径数据集和NCEP/NCAR再分析资料提供的月平均数据,对北上影响山东的热带气旋（tropical cyclone,TC）及其造成的极端降水进行统计分析,并揭示了有利于 TC北移影响山东的大气环流特征。结果表明：影响山东的 TC主要出现 于 6—9 月,其中盛夏时节（7、8 月）TC对山东影响最大;TC影响山东时,强度主要为台风及以下等 级,或已发生变性;TC会引发山东极端降水事件,TC极端降水多出现在夏秋季（7—9 月）,其中8月的占比最大,9月次之,TC降水在极端降水事件中的占比约为 10%,但年际变化大,有些年份占比达60%以上,特别是1990 年以来 TC对极端降水的贡献显著增强;影响山东的 TC主要生成于西 北太平洋,多为转向型路径;当500 hPa位势高度异常场呈太平洋一日本遥相关型的正位相时,TC更易北上影响山东,此时西北太平洋副热带高压位置偏北,其外围气流会引导TC北上转向,对华东地区造成影响;850 hPa上,南海至西北太平洋存在异常气旋式环流,对流活跃,夏季风环流和季风槽加强,有利于TC的生成和发展,同时,华东、华南上空有异常上升运动,涡度增大,垂直风切变减小,水汽充沛,TC登陆后强度能得到较好的维持。     

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.     

印度洋-太平洋海表温度年际变化的联合模态

利用1870～2004年的HadiSST的月平均海表面温度(SST)资料,对去除了全球增暖趋势的印度洋-太平洋海表温度异常(SSTA)作季节经验正交函数(Season-reliant Empirical Orthogonal Function, S-EOF)分解,得到了印度洋-太平洋海表温度年际变化的2个联合模态,并且分析了与之相对应的大气环流特征.结果表明:低频的厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)是控制印度洋-太平洋的主导模态,能使赤道印度洋维持一异常反气旋性环流,削弱印度洋夏季风的作用并且将东印度洋暖池的暖水输送到西印度洋,印度洋SSTA在一年四季中都出现全海盆同号变化,因此,第一主模态是ENSO的低频模与印度洋海盆一致模的联合模态;第二模态表现为太平洋上准2 a的ENSO位相转换模与印度洋偶极子模的联合模态,ENSO的位相转换发生于春季,与季风的异常转换有关,印度洋上出现异常的气旋性环流,叠加在印度洋夏季风上,增大东西印度洋的温差,在秋季出现西低东高的偶极子型海温分布,印度洋夏季风和这个模态的产生发展有很大的联系.