CMIP5和CMIP6模式在历史试验下对AMO和PDO的模拟评估

利用Hadley中心的观测海温资料,以及耦合模式比较计划的第五阶段和耦合模式比较计划的第六阶段历史试验的模式资料,分析和评估了2个最为重要的年代际尺度模态,北大西洋年代际振荡、太平洋年代际振荡在耦合模式比较计划的第五阶段和耦合模式比较计划的第六阶段中的模拟能力。通过对比多模式集合发现,在空间模态方面,耦合模式比较计划的第五阶段和耦合模式比较计划的第六阶段都能模拟出北大西洋年代际振荡在北大西洋地区的信号,但耦合模式比较计划的第六阶段的模拟更好,对于太平洋年代际振荡模态而言,都能模拟出在北太平洋地区的信号,而太平洋年代际振荡在热带太平洋地区的信号,耦合模式比较计划的第六阶段模拟的振幅明显更接近观测。在周期的模拟方面,耦合模式比较计划的第五阶段和耦合模式比较计划的第六阶段结果相似,都能模拟出北大西洋年代际振荡存在60~70年的周期,以及太平洋年代际振荡存在20年和60~70年的双周期。整体而言,耦合模式比较计划的第六阶段相比于耦合模式比较计划的第五阶段在空间特征模拟方面有一定进步,但是对于周期的模拟能力,没有明显进步。     

东亚夏季降水与全球海温异常的年代际变化关系

利用1901—2010年GPCC逐月降水、Had ISST月平均海表温度、NOAA 20世纪再分析等资料,采用最大协方差分析(Maximum Covariance Analysis,MCA)、相关、回归等方法研究了东亚地区夏季降水与全球海表温度异常之间的年代际时空变化关系。MCA分析结果表明,东亚地区夏季降水与全球海温异常耦合关系在年代际尺度上主要表现为4个模态,分别受全球变暖、太平洋年代际涛动PDO、大西洋多年代际涛动AMO和北太平洋涡旋振荡NPGO影响,各自解释了27.7%,12.5%,8.9%和7.3%的方差。第一模态由于受全球变暖影响,东亚大部分地区水汽充足,因此东亚大部分地区降水均偏多。第二模态的降水异常表现为东亚中部地区降水偏多而南部和北部偏少的"南北旱中间涝"的三极型分布,其可能原因是太平洋年代际涛动使得东亚夏季风减弱,不利于水汽往北输送,引起水汽在东亚中部聚集,导致该地区降水偏多;同时西风带往南偏移,使得东亚中部地区对流增强,也引起该地区降水偏多。第三模态的降水异常则主要为"南涝北旱"的偶极分布型,可能原因是东亚大槽向东南方向偏移,东亚北部西风带减弱,使得东亚北部对流减弱、降水偏少,而东亚南部地区则对流增强、降水偏多。第四模态降水异常呈现出"南北涝中间旱"的三极型分布特征,其原因是东亚中部地区高层出现异常东风,对流活动减弱,导致东亚中部降水偏少,而南部和北部地区降水偏多。     

深海温度变化对太阳活动的响应

通过太平洋、大西洋深海温度场谱分析发现,地球海洋温度变化广泛盛行着22年尺度的年代际周期性变化,这种22年变化周期在深层海洋中更为清楚。分析认为,这是地球海洋温度场对太阳磁场周期性变化的响应。世界海洋不同海域深海温度对于太阳磁场磁性22年周期响应的相位存在显著不同,南北大西洋海温变化相位相差115度,即变化趋势接近相反;南北太平洋海温变化相位相差19度,南太平洋变化超前。另外,太阳活动所激发的海温变化的振荡幅度在不同海域也有显著差异,北大西洋海温22年周期振幅为0.07℃,而南大西洋则高达018℃,是北大西洋的2.5倍之多!在太平洋中,北太平洋深海温度22年周期振幅最大,南太平洋次之,赤道中太平洋最小     

耦合模式中北太平洋和北大西洋海表面温度年代际可预报性和预报技巧的季节依赖性

利用一个全球耦合环流模式在理想模式框架下进行了3组动力预报试验,研究了北太平洋和北大西洋海表面温度异常(SSTA)的年代际可预报性和预报技巧。结果表明北太平洋年平均SSTA在年代际尺度上可预报性和预报技巧表现较低,明显弱于北大西洋。通过分析不同季节平均SSTA的可预报性与预报技巧,发现北太平洋中西部区域冬季平均SSTA的年代际可预报性和预报技巧显著高于其他季节,其量值和北大西洋相当,表现为明显的季节依赖性;北大西洋SSTA的可预报性和预报技巧也显示了随季节变化的特征。进一步分析表明,北太平洋SSTA年代际可预报性和预报技巧的季节依赖性归因于北太平洋冬季SSTA的年与年之间再现机制,这一再现机制源于北太平洋混合层显著的季节变化;而北大西洋SSTA的可预报性和预报技巧的季节依赖性则可能与其他过程(如大西洋年代际涛动)的季节变化有关。研究结果表明,对于年代际气候预报,如果考虑所关注指标的季节平均,则可能在某些季节获得比年平均更高的预报技巧。     

BCC_CSM1.1气候模式对全球海表温度年代际变化的回报能力评估

通过与观测资料和20世纪历史气候模拟试验结果(NoINT)的对比分析,评估了BCC_CSM1.1年代际预测试验(INT)中对全球海表温度(SST)年代际变化的回报能力。分析结果显示:(1)INT试验模拟的全球平均SST增暖趋势比NoINT的更加接近观测;(2)其在热带大西洋、热带西太平洋和热带印度洋有较高的预测技巧;(3)对于太平洋年代际振荡2个关键区——北太平洋和热带中东太平洋,模式的预测技巧较低,且海洋初始化的作用也很小;(4)在热带南印度洋,INT的预测技巧普遍高于NoINT,在提前3~6年和4~7年时技巧最高。这些结论与基于其他模式得到的已有研究结果类似,但是BCC模式对北大西洋,特别是其副极地区域的预测技巧明显低于其他模式。BCC模式无法合理模拟出北大西洋SST与热盐环流间的交替变化规律,可能是其预测技巧偏低的原因。     

近百年全球温度变化中的ENSO分量

首先利用Nin~o C区海温、Nin~o 3区海温及两个不同的SOI序列,建立了1867年春到1998年春期间的ENSO指数序列。近百年来ENSO对热带、热带外地区年际尺度的温度变化有显著影响,热带地区温度变化滞后ENSO约1个季,热带外地区滞后约2～3个季。ENSO能解释同期全球年平均温度方差的14%～16%左右;如果考虑ENSO对温度影响的滞后特征,则能解释的部分提高到20.6%。ENSO对温度的影响主要是在年际时间尺度上,对近百年来全球温度变化的长期趋势和年代际变率贡献不大。     

全球变暖hiatus现象的研究进展

进入21世纪后,全球增暖hiatus现象成为国际上气候变化研究的一个新热点。详细介绍了国际上该现象的研究进展,特别是对hiatus现象的确认研究,影响hiatus现象的辐射外强迫和气候系统海气相互作用产生的自然变率对hiatus现象的影响研究工作,最后提出了现阶段国际上对于hiatus现象的研究亟需解决的问题。造成21世纪hiatus现象的原因是在太平洋年代际振荡(PDO)的大背景场下赤道信风加强,使赤道西太平洋暖水"堆积"和赤道东太平洋变冷,造成海洋上层热量向深层传输。因此,hiatus现象并不代表全球变暖的停止,只是热量向深层海洋转移,是全球变暖的另一种表现形式。     

近百年全球温度变化中的ENSO分量

首先利用Nin o C区海温、Nin o 3区海温及两个不同的SOI序列,建立了1867年春到1998年春期间的ENSO指数序列.近百年来ENSO对热带、热带外地区年际尺度的温度变化有显著影响,热带地区温度变化滞后ENSO约1个季,热带外地区滞后约2～3个季.ENSO能解释同期全球年平均温度方差的14%～16%左右;如果考虑ENSO对温度影响的滞后特征,则能解释的部分提高到20.6%.ENSO对温度的影响主要是在年际时间尺度上,对近百年来全球温度变化的长期趋势和年代际变率贡献不大.     

海洋模式初始化同化方案对IAP近期气候预测系统回报试验技巧的影响

基于耦合气候系统模式FGOALS-s2的中国科学院大气物理研究所(IAP)近期气候预测系统(以下简称IAP Dec Pre S系统)发展了2种初始化方法:第一种采用Incremental Analysis Update(IAU)方案同化格点化的海洋温度和盐度客观分析资料EN3;第二种采用集合最优差值(EnOI)结合IAU(EnOI-IAU)的方案同化原始海洋温度和盐度观测廓线资料EN4。主要目的是比较基于2种初始化方案开展的年代际预测试验的技巧。时间相关系数、均方根技巧评分等指标均表明,基于EnOI-IAU方案的回报试验对与太平洋年代际振荡(PDO)有关的北太平洋海表面温度(SST)的回报技巧显著高于基于IAU方案的回报试验。而对于大西洋多年代际振荡(AMO),EnOI-IAU方案回报试验的技巧低于IAU方案回报试验。AMO存在副极地和热带北大西洋2个活动中心,EnOIIAU方案在热带中心的技巧仅略低于IAU方案,但是它在热带外区域模拟出了虚假的降温趋势,因此技巧远低于后者。     

年代际气候低频变率诊断研究进展

对近十年年代际气候低为率的诊断研究作了综合评述,指出年代际及以上尺度的变率可能就是气候系统数十年尺度低频振荡或气候基本态的自然表征,控制着更小时间尺度ＥＮＳＯ变率,对这一问题的深入研究不公有助于提高气候变率的认识,而且对检测人为因素在全球变暖中的相对贡献也具有重要的意义。     

西北太平洋热带气旋和台风活动若干气候问题的研究

热带气旋和台风是严重的突发性自然灾害之一。近20年来，对热带气旋和台风活动的气候学研究成为台风领域的一个重要研究方向，并取得了显著的研究进展。通过对西北太平洋热带气旋和台风活动的季节、年际和年代际时间尺度变化的研究回顾，揭示了造成热带气旋和台风活动不同时间尺度变化的主要影响机制，其中包括低频振荡、季风槽和西传赤道波动、ENSO和QBO现象等，这些系统主要通过改变西北太平洋上空的环流，而影响到西北太平洋热带气旋活动以及登陆我国台风的不同时间尺度变化。还在西北太平洋海域热带气旋和台风活动的气候学研究进展和作者最新的研究成果的基础上，展望了该领域的研究前景，并提出当前此研究领域中一些亟需研究的科学问题，主要包括了季风槽区能量交换、不同海域动力过程、赤道波动演变，以及热带气旋的季节和更长时间尺度的预测。     

古里雅浅孔冰芯所记录的夏季风盛行时δ^18O与海温以及与500hPa …

青藏高原古里雅冰帽浅孔冰芯中（δ＾１８Ｏ）ｍａｘ代表该区夏季风盛行时的温度状况,它与全球海温（ＳＳＴ）、半半球５００ｈＰａ高度之间的相关关系被分析,对冰芯中（δ＾１８Ｏ）ｍａｘ产生重要影响的海洋相关区均位于海洋的洋流区域洋流汇合区,它们分别在赤道东太平洋、太平洋西风漂流、东印度洋热池、莫桑比克海流、北大西洋海流、加那利海流和大西洋赤道海流,其中位于低纬度海洋相关区的ＳＳＴ与冰芯中δ＾１８Ｏｍａｘ呈     

全球过去千年典型暖期温度空间格局重建

利用过去两千年全球变化研究网络(PAGES 2k network)最新公布的501条代用记录,重建了全球过去千年全年平均温度空间格局的演化特征,对比分析了中世纪暖期及其最暖100年与20世纪现代暖期、中世纪暖期和小冰期最暖30年与20世纪最近30年的年平均温度空间模态异同.结果显示,在世纪尺度上,现代暖期与历史上中世纪暖期的温度异常空间格局大致相同,变化幅度也在大部分区域相当,但从年代际尺度上,最近30年的升温比过去千年中世纪暖期和小冰期两个典型时期都明显.值得一提的是北大西洋中高纬度海温变化与上述特征并不相同,在年代际和世纪尺度上小冰期和中世纪暖期海温均高于20世纪.可能原因是大西洋经圈翻转环流在中世纪暖期、小冰期和20世纪现代暖期等3个特征时段对太阳辐射、火山活动和温室气体等外强迫的响应不同.     

IAP年代际预测试验中火山活动对太平洋海温预测技巧的影响

火山活动是影响全球气候变化的重要自然因子。在年代际预测试验中加入火山气溶胶强迫会带来火山爆发后短期内气候响应回报技巧的改变。基于耦合气候系统模式FGOALS-s2的中国科学院大气物理研究所年代际气候预测试验(DP-EnOI-IAU试验)结果,分析了火山活动对太平洋海温年代际预测技巧的影响。DP-EnOI-IAU试验引入了平流层火山气溶胶的辐射外强迫变化,在模拟的1960—2005年共发生4次强的热带火山爆发事件。结果表明,DP-EnOI-IAU试验在多数年份对太平洋海温具有显著的预测技巧,但预测技巧在1982年El Chichon火山爆发和1991年Pinatubo火山爆发后显著下降。模式对火山爆发后ENSO位相的模拟偏差导致了其对太平洋海温年代际预测技巧的下降。对于1982年El Chichon火山爆发,在火山爆发峰值时期和第3年冬季,赤道中东太平洋均表现出与观测相反的海温型响应,使得DP-EnOI-IAU试验对太平洋海温的年代际预测技巧显著下降。在1991年Pinatubo火山爆发后的秋冬季和第3年冬季,观测和模拟的热带海温型亦相反,模式对1991年火山爆发后太平洋海温的预测技巧降低。相对于1982年El Chichon和1991年Pinatubo火山爆发,模式对1963年Agung火山爆发后热带海温型响应的模拟与观测较为一致,此次火山爆发没有带来太平洋海温预测技巧的显著下降。     

链接热带东印度洋环流的海洋波动桥梁

热带印度洋环流动力研究对认识海盆尺度物质和水体交换、区域乃至全球气候变化具有重要意义,亦服务于人类的生产生活。回顾了近年来基于中国科学院南海海洋研究所热带印度洋观测取得的环流动力方面的研究进展,探讨提出海洋波动桥梁概念,即：赤道波通过水平传播、垂向传播和东边界反射,在赤道上混合层、次表层和中深层调制着赤道流系的生成与变化;随着波动能量在东边界以沿岸开尔文波和反射罗斯贝波的形式往外赤道传输,赤道动力过程亦调节着外赤道的环流结构变化。作为能量传输的十字路口,海洋东边界是环流变化的动力支点。在其支撑下,海洋波动成为环流间重要的能量纽带,贡献于环流的动力联系,是东印度洋环流多尺度变化的重要内因。基于观测,初步探讨了大尺度气候模态等外因对热带东印度洋环流的影响。凝练的海洋波动桥梁动力学框架,为进一步研究热带印度洋的环流的特征、变化及影响提供科学启示。     

热带北大西洋模态年际变率的研究进展与展望

热带北大西洋模态(NTAM)年际变率是北半球春季热带北大西洋的主导变率。它对热带辐合带的南北移动、周边国家的降水以及全球气候都有显著的影响。通过回顾前人的相关研究,归纳了NTAM的几种形成机制,概括了NTAM对气候系统的影响,综述了模式对于NTAM年际变率的模拟能力,总结了以往研究进展中存在的薄弱环节。最后以此为契机,对未来NTAM的研究方向进行了展望。     

赤道太平洋次表层海水温度异常的信号通道

应用热带太平洋上层XBT温度资料,分析探讨了西太平洋暖池区次表层海温冷暖异常信号的变化规律,揭示了影响西太平洋暖池区次表层海温冷变异常的信号通道。分析表明,西太平洋暖池区的次表层海温异常变冷与太平洋北赤道流的海温冷异常信号西传有重要关系。北赤道流的海温异常冷(暖)信号是沿温跃层由赤道中东太平洋潜沉向西太平洋暖池区传播,与西太平洋次表层海温异常(冷)暖信号向赤道中东太平洋传播构成了热带海洋信号的气旋式"环流通道"。在这一"环流通道"中,北赤道流的海温异常信号西传是导致西太平洋暖池区及西太平洋次表层海温异常的重要机制,是影响厄尔尼诺(ElNino)和拉尼娜(LaNina)事件发生的关键。     

赤道太平洋潜流变化特征及其与异常海温东传

应用TOGA-TAO实测海流资料(ADCP)和SODA同化海流和海温资料,分析探讨了赤道太平洋潜流的季节和年际变化特征,以及与赤道异常暖水东传的内在联系.揭示了El Nino事件中异常暖水东传的物理机制.结果表明,赤道太平洋潜流具有明显的季节变化和年际变化特征.潜流的垂直最大深度可由海表层至300~400 m,其多年平均最大流速可达100 cm/s.潜流最大中心的纬向变化位置基本维持在160°W-130°W之间.在年际变化中,赤道潜流变化特征非常明显,尤其是在El Nino事件发生过程中,赤道潜流出现明显的加强现象.其最大流速可达140 cm/s以上.在西太平洋暖池区域次表层暖水东传之前,位于中东太平洋次表层的赤道潜流就已出现加强,其最大流速中心沿温跃层不断加强和东移,“引导”来自西太平洋暖池区域次表层的异常暖水向东传播.因此,可以认为西太平洋暖池区域异常暖水的东传与赤道潜流的强度和东传存在密切关系,也就是说在El Nino事件中,赤道潜流的变化是导致西太平洋暖池区域次表层异常暖水东传的重要机制.     

末次冰期以来北太平洋中层水演化：研究进展与展望

北太平洋中层水(NPIW)作为全球海洋经向翻转环流的一个重要组成部分,在区域海洋环境和全球气候变化中扮演着重要角色。本研究对NPIW演化及其对气候变化的影响最新进展进行了评述。认为NPIW形成及通风演化对全球气候变化响应十分敏感。而且高纬气候信号通过这一“海洋通道”传递到北太平洋低纬海域。另一方面,东亚夏季风通过影响黑龙江进入鄂霍次克海的径流量,从而对NPIW的形成和水团组成产生影响。在千年尺度,NPIW通风过程与大西洋经向翻转流(AMOC)呈反相位变化,这与AMOC千年尺度震荡所引发的北太洋海表温、盐变化相关。与NPIW相关的物理过程和生物过程可能是触发冰期大气CO2浓度变化的一个重要机制。     

石笋氧同位素指示东亚季风大尺度环流特征

利用湖北清江和尚洞的两支具有精确年代的年层石笋,建立了20世纪逐年的石笋氧同位素序列,讨论东亚季风石笋氧同位素的气候指示意义。与现代气象观测资料对比,发现近100年来和尚洞石笋 δ18O 与当地年总降水量和年均温度的相关性并不显著,但与指示东亚季风环流特征的西太平洋副热带高压指数(WPSH)以及相对应的太平洋年代际振荡指数(PDO)相关性好。在年际和年代际尺度上,当太平洋年代际振荡处于正(负)相位时,副热带高压加强(减弱),石笋的 δ18O 相对偏正(负)。因而,石笋 δ18O 反映了东亚季风大尺度环流特征。