南海海面温度与Ni(n)o/DMI指数年际变异的相关性分析

利用NCEP的Reynolds最优插值海面温度产品(1981年12月-2004年10月),对南海海表温度场的年际变化与热带太平洋El Ni(n)o指数(Ni(n)o1 2, Ni(n)o3.4, Ni(n)o5和Ni(n)o6指数)以及印度洋的偶极子指数(DMI)进行相关性分析.研究表明南海海面温度(SST)的变异与Ni(n)o1 2指数的变异相关性较强,南海海表温度场平均滞后Ni(n)o1 2指数4.77个月时,二者相关达到最大,平均为0.60; Ni(n)o3.4指数次之,南海海洋表层温度距平(SSTA)平均滞后Ni(n)o3.4指数6.67个月时,二者相关系数最大,平均为0.49.南海海表温度场对应的伴随形态进一步表明,南海随Ni(n)o1 2, Ni(n)o3.4指数出现正异常并有增暖现象,其中南海SST异常随Ni(n)o1 2指数变化的强度更大.并且几乎整个南海区域均超过95%的置信水平,当Ni(n)o1 2达到1个标准差(即异常增暖1.04 ℃),南海平均增暖幅度为0.16 ℃,越南东南外海和南海16°N以北区域SSTA增幅最大为0.20 ℃.表征西北太平洋海表温度场的Ni(n)o5和Ni(n)o6指数对ENSO现象的响应与南海表层温度场线性相关性不显著.研究还表明,南海海表温度场的年际变化与印度洋偶极子指数(DMI)的相关性不强,相关性仅体现在南海的卡里曼丹岛西南角的局部海域.     

淮河流域5～6月降水的年际及年代际变化

对淮河流域降水异常进行分析对于预测黄海绿潮具有重要意义。选取淮河流域10个站,长江流域15个站,通过对国家气象信息中心1951~2011年的逐月降水数据进行分析,研究淮河流域和长江流域5~6月平均降水异常。2000~2010年,淮河流域5~6月降水呈现增加趋势,与长江流域降水呈反位相变化。分别对淮河流域5~6月平均降水异常与印度洋偶极子指数(Dipole Mode Index,DMI),以及太平洋年代际振荡(the Pacific Decadal Oscillation,PDO)指数做相关性分析,结果表明:淮河流域5~6月平均降水异常与6个月前的DMI指数达到最大正相关,与20个月前的北太平洋(20°N以北)SST呈现明显的负相关,与PDO指数达到最大负相关。这表明,PDO、DMI指数对淮河流域5~6月降水异常的年代际、年际变化具有明显的指示作用。     

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.     

南海海表面温度年代际异常变化特征及其与PDO的联系

利用奇异谱分析和小波分析的方法,分析了南海海表面温度异常(SSTA)在年代际尺度上的变化特征及其与太平洋年代际涛动(PDO)之间的关系.发现南海 SSTA 年代际振荡与年循环之间存在一定程度上的锁相:在冬、春季较强,而夏、秋季则较弱.此外,在过去的140多年,南海 SSTA 年代际振荡显著衰弱.通过与 PDO 指数进行相关分析发现,在年代际尺度上 PDO 与南海 SSTA 具有一定的相关性.一方面这种相关性只在20世纪前50年比较显著,这在一定程度上解释了为何南海 SSTA 的年代际振荡表现出衰减的趋势;另一方面,当 PDO 位相超前南海 SSTA 位相3到6个月时,两者表现出较强的相关性.进一步分析表明,PDO 可能通过调控赤道东太平洋 SST,从而影响南海 SSTA 的年代际变化.     

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.     

热带太平洋-南海-印度洋海面风与海面温度年际变化整体耦合的主模态

利用COADS资料和相关分析、经验正交函数分解、奇异值分解和小波分析等方法对热带太平洋-南海-印度洋的海表面温度(SST)及海面风场(SSW)进行了研究,确定了热带太平洋、南海以及印度洋作为1个整体时海面风场及海面温度场相互作用的主模态。在把热带太平洋、南海和印度洋作为整体的情况下,研究了该模态的时空分布特征。各种方法研究均表明,该模态在热带太平洋上为ENSO模态;在热带印度洋上为对应于ENSO态的印度洋“单极型”模态;在南海则表现为整个海盆尺度上的一致型。     

北半球热带中太平洋与印度洋海表温度梯度对夏季西北太平洋热带气旋生成频数变化的影响

基于1951—2018年哈德里中心海温资料、美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心再分析资料和第四代欧洲中心汉堡模式, 针对1994年、2018年等西北太平洋热带气旋(TC)生成异常多的年份, 研究了引起TC增加的海表温度异常(SSTA)模态及其影响机制。结果表明, 北半球热带中太平洋增暖与印度洋变冷是夏季西北太平洋TC生成频数增加的主要原因, 北大西洋负三极型式SSTA促使TC生成的进一步增加。热带中太平洋增暖与印度洋冷却在菲律宾以东激发出西风异常和气旋性环流异常。北大西洋负三极型式SSTA在我国南海、菲律宾至东南沿岸激发出气旋性环流异常。前者在西北太平洋中部, 后者在南海产生有利于TC生成的局地环境。1994年和2018年夏季热带中太平洋出现暖SSTA、印度洋为冷SSTA、北大西洋呈现负三极型式SSTA, 西北太平洋TC生成频数极端增多。近30年来, 当出现热带中太平洋增暖和印度洋冷却时, 北大西洋表现出比1989年以前更强的负三极型式SSTA, 使西北太平洋TC生成频数和北半球热带印度洋-太平洋SSTA梯度的线性相关更显著。     

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。     

东海海表温度持续增温的机制

本文依据第5次耦合模式比较计划(CMIP5)中的8个模式历史模拟与典型浓度(RCP4.5)试验的结果,探讨了1980—1999年东海海表温度(SST)持续增加的原因,预估了未来东海SST对温室气体持续增加的响应。研究表明:这8个模式都能模拟东海在1980—1999年有显著的SST持续增暖现象,集合平均后这20年增暖的速率为2.25℃/100a。而在RCP4.5试验中,8个模式集合平均后在2006—2055年这50年期间东海SST增暖的速率为2.32℃/100a。在历史模拟中,在1980—1999年期间东海SST持续增长的主要原因是海洋平流热输送加强,而大气调整导致的海面热通量影响比海洋平流热输送的影响小一个量级。在单纯温室气体增加的RCP4.5试验中,除了海洋平流热输送外,由于大气调整导致海面潜热、感热释放减少也是SST持续升温的主要原因之一,其贡献可以与海洋平流热输送加强同量级。对比分析模式对过去的模拟和未来单一强迫的情景试验结果,可以初步确定,在1980—1999年期间由于太平洋年代际变化导致的东海黑潮平流热输送增加是该阶段东海SST持续增加的主要机制。     

秘鲁外海茎柔鱼栖息地适宜性年代际变动

茎柔鱼广泛分布于东南太平洋海域,是我国重要的远洋捕捞对象之一,其种群易受气候和栖息地环境的影响。利用海表面温度(SST)和海表面高度距平(SSHA)两个关键环境因子,计算1950?2015年1?12月秘鲁外海茎柔鱼栖息地适宜性指数(HSI),对比分析太平洋年代际涛动(PDO)位于冷暖位相下茎柔鱼渔场环境以及栖息地质量的变动。结果显示,1950?2015年PDO呈现冷、暖、冷3个位相变化,其中PDO冷位相内的SST距平(SSTA)和SSHA明显低于PDO暖位相。交相关分析结果表明,PDO指数与SSTA和SSHA均呈显著正相关,而HSI与PDO指数、SSTA和SSHA均呈显著负相关。PDO位于冷位相时,茎柔鱼渔场内水温变冷,海面高度下降,适宜的SST和SSHA范围增加,因此茎柔鱼有利的栖息地面积增大;而PDO位于暖位相时,水温增暖,海面高度上升,适宜的SST和SSHA范围缩减,导致茎柔鱼适宜的栖息地面积缩小。研究认为,太平洋年代际涛动调控了茎柔鱼渔场内的环境变化,进而对茎柔鱼栖息地质量及适宜栖息地范围产生显著影响。     

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。     

中国远洋作业渔场海表温度异常年际变动分析

基于美国国家海洋大气局(NOAA)气候预测中心月平均SST资料,利用时间序列的统计学特征分析了中国7个主要远洋作业渔场1982~2011年海表温度异常(SSTA)年际变动,用功率谱方法计算时间序列的显著变动周期,并用相关分析探讨了去除趋势项后的SSTA与南方涛动指数(Southern Oscillation Index,SOI)的相关性。结果表明,1982~2011年中国主要远洋作业渔场SSTA为–0.3~0.3℃,波动周期约为3~4 a,平均SSTA总体呈现上升趋势,与SOI存在显著的相关性(r=–0.509),说明渔场的SSTA与ENSO事件有着密切联系;从渔场SSTA升降趋势来看,除了东太平洋和东南太平洋SSTA出现下降趋势,其余渔场的SSTA均有一定程度的上升,其中西北太平洋SSTA上升最为显著;从渔场SSTA的变化周期来看,东太平洋和西南大西洋的SSTA变化周期为3~4 a,东南太平洋为4 a,西太平洋为5 a,其余的短期周期性较不明显,约为10 a;与SOI时间序列进行相关分析得到,东太平洋、中大西洋以及西南大西洋均与SOI存在显著的相关性,相关系数分别为–0.895、0.471和–0.598,其余渔场与SOI无显著相关。通过各渔场间的对比得到以下特征:赤道附近海域东太平洋SSTA变化往往与西太平洋和中大西洋反相,而与印度洋同相;中纬度海域的3个渔场中,南半球中纬度渔场温度变化要比北半球中纬度渔场小;东、西印度洋SSTA存在显著相关性,印度洋内部SSTA正负变化情况基本一致。     

厄尔尼诺期间和后期南海海面温度的两次显著增暖过程

通过分析ICOADS海洋气象资料,结合ISCCP短波辐射和OISST海面温度,研究并探讨了ENSO等大尺度海气相互作用过程背景下南海海表面温度（SST）的年际变化。研究表明,南海SSTA的年际变化和ENSO关系密切,并且分为两个阶段。以增暖事件为例,在厄尔尼诺（El Nino）发生年的冬季和消亡年的夏季,南海出现了两次显著增暖。第一次增暖出现在El Nino盛期,是El Nino影响的一部分,这时南海云量减少,净太阳辐射通量增加,SST上升。第二次增暖出现在El Nino结束后的夏季,不是El Nino直接作用的结果;这时夏季风减弱,一方面使得海洋的潜热损失减少,另一方面减弱了越南东部沿岸的上升流,两者的共同作用导致SST增加。     

ENSO及印度洋海盆模态关联的南海SST异常年代际变化及海洋平流输送的贡献

采用国际海—气综合数据集(The International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set,ICOADS)船舶观测资料及简单海洋同化分析数据(Simple Ocean Data Assimilation,SODA),研究了厄尔尼诺(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)和印度洋海盆模态(Indian Ocean Basin,IOB)对南海海表温度(sea surface temperature,SST)影响的年代际变化,并着重讨论了不同时期海洋平流输送对SST异常的影响。结果表明,ENSO事件对南海SST的影响呈现显著的年代际变化特征;在1870~2007年期间,扣除资料较少的时期,有4个显著不同的时段,分别是1892~1915年、1930~1940年、1960~1983年、1984~2007年。在1950年之前的两个时段,南海在ENSO期间出现一次显著的增暖,而在1950年之后的两个时段中,南海出现了两次显著的增暖。除第一个时段外,其余三个时段ENSO发展期冬季大气潜热及短波辐射异常是导致南海增暖的主要原因,海洋平流作用较弱;而在最近的两个时段中,海洋平流对ENSO消亡年夏季南海增暖有重要影响。不同时段海洋平流对南海增暖贡献的差异说明ENSO及IOB对南海区域气候的影响具有明显的年代际变化特征。     

基于SODA数据的印度洋表层和次表层热含量变化及其与ENSO的关系

采用1950年1月至1999年12月SODA海洋上层温度的月平均资料及同期的NCEP月平均风场资料,研究了印度洋表层和次表层热含量年际变化的特征以及与海面风场的关系.通过对热带印度洋海区上层热含量异常的经验正交函数分解,发现表层与次表层热含量主要模态的分布不同,表层热含量主要模态的时、空分布与前人对海表温度(SST)异常的研究结果基本一致,第一模的空间分布为全海盆一致型,春季(夏季) 表层热含量第一模的时间序列与前一年的秋季(冬季)Ni(n)o3区SST异常的时间序列有密切的关系;第二模的空间分布为东西偶极子型,并在秋季与4-8个月前的Ni(n)o3区SST异常有密切的关系;次表层热含量异常第一模为东西偶极子型,冬季热带太平洋异常通过影响印度洋的海面风导致的海洋动力调整,进而影响印度洋次年春季次表层热含量东西偶极子型异常; 次表层热含量异常第二模在10°S以北是全海盆一致型,但却与Ni(n)o3区SST异常在统计学上无关.     

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。     

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.     

北太平洋风场变化对东亚陆架海SST的影响

太平洋内部的气候变化与东亚陆架海海洋环境变化密切相关.本文利用OAflux资料、NCEP再分析资料,分析北太平洋内部风场的时空变化特征,将其距平场序列与东亚陆架海SSTA序列进行相关性分析,找出对东亚陆架海SST影响显著的风场关键区.结果表明:东亚陆架海SST距平序列与PDO指数同期相关系数接近于0,说明北太平洋内部异常信号只能通过斜压Rossby波调整影响东亚陆架海SST,不存在正压调整过程;北太平洋风场“关键区A、B”对东亚陆架海SST的变化影响最显著,且1958-2010年,2个风场“关键区”风速异常增强,分别被风应力旋度偶极子、异常负风应力旋度场控制,异常信号从中东太平洋传递到东亚陆架海,导致该海区SST明显升高,尤其是黑潮海域;“关键区A、B”风场异常信号分别超前东亚陆架海SST变化4a (7a)、4a时呈显著正相关,该时间基本与斜压Rossby波从大洋中东部传递到西部或副热带环流对风场变化通过斜压Rossby波进行调整所需的时间一致.     

几种统计模型对热带印度洋海温异常的预报

本文利用神经网络模型、多元线性回归模型和马尔科夫模型分别建立了统计预报模型,对热带印度洋海表温度异常(SSTA)和印度洋偶极子(IOD)指数进行了63 a的长时间回报实验,并详细比较了线性和非线性统计预报模型的差异。结果表明:统计模型对IOD指数的预报技巧和现有动力模式预报技巧相差不大,对偶极子指数(DMI)有效预报时效为3个月,东极子指数(EIO)为5～6个月,西极子指数(WIO)达到8～9个月。IOD事件强烈的季节锁相特性使得对秋季的DMI指数可以提前4个月做出有效预报。加入同期的ENSO指数来预报IOD指数,能有效地提高IOD预报技巧,特别是对IOD峰值的预报。复杂的神经网络模型和简单的多元线性回归模型在对SSTA和IOD指数的预报具有同等的效果。