Planetary-Scale Wave Structures of the Earth’s Atmosphere Revealed from the COSMIC Observations

GPS radio occultation（GPS RO） method,an active satellite-to-satellite remote sensing technique,is capable of producing accurate,all-weather,round the clock,global refractive index,density,pressure,and temperature profiles of the troposphere and stratosphere.This study presents planetary-scale equatorially trapped Kelvin waves in temperature profiles retrieved using COSMIC（Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate） satellites during 2006-2009 and their interactions with background atmospheric conditions.It is found that the Kelvin waves are not only associated with wave periods of higher than 10 days（slow Kelvin waves） with higher zonal wave numbers（either 1 or 2）,but also possessing downward phase progression,giving evidence that the source regions of them are located at lower altitudes.A thorough verification of outgoing longwave radiation（OLR） reveals that deep convection activity has developed regularly over the Indonesian region,suggesting that the Kelvin waves are driven by the convective activity.The derived Kelvin waves show enhanced（diminished） tendencies during westward（eastward） phase of the quasi-biennial oscillation（QBO） in zonal winds,implying a mutual relation between both of them.The El Nino and Southern Oscillation（ENSO） below 18 km and the QBO features between 18 and 27km in temperature profiles are observed during May 2006-May 2010 with the help of an adaptive data analysis technique known as Hilbert Huang Transform（HHT）.Further,temperature anomalies computed using COSMIC retrieved temperatures are critically evaluated during different phases of ENSO,which has revealed interesting results and are discussed in light of available literature.     

冬季黑潮延伸体海温异常结构及其与热带太平洋海温变化关系分析

基于NASA遥感系统提供的2003~2015年全球高分辨率海表温度资料,应用经验正交函数分析、时滞相关分析等方法,对北太平洋冬季黑潮延伸体区海温异常特征及其与热带海表温度的可能关系进行了初步分析。研究发现,冬季延伸体区的海温异常主要表现为两类结构特征,其一为上游区域发展型,包括海盆尺度一致性变化的季节模态和纬向反位相的收缩型结构;其二为纬向延展型,包括分叉东扩结构和通道东扩结构,且该两结构型在2010年前反位相,使得2006年前暖异常东扩路径基本控制在36°N以南,其后至2010年期间,暖异常东扩路径偏北,而2010年后结构型转为同位相,暖异常东扩路径偏北。分叉东扩结构表现为与热带海温变化紧密相关,进一步的时滞相关分析与合成分析表明,热带太平洋不同地区对中纬度海温分叉东扩的影响存在差异,Ni?o3区海温异常超前延伸体区分叉东扩模态约1~2个月,而Ni?o3.4区及Ni?o4区则与延伸体区海温分叉东扩保持前后各约3个月的宽谱同期负相关,或可表明El Ni?o的东部型和中部型对中纬度延伸体暖流分叉东扩存在超前和同期相关影响,且中部型影响更显著。     

不同太平洋年代际振荡和ENSO位相下大气水分收支变化对北半球冬季太平洋蒸发量的影响

本文利用OAFlux资料研究了1958~2015年北半球冬季太平洋蒸发量在不同厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）和太平洋年代际振荡（PDO）位相下的分布特征,并从水汽收支的角度分析了蒸发量异常的成因,结果表明:ENSO主要影响热带东太平洋、副热带西北太平洋和中纬度北太平洋中部的蒸发量。El Ni?o（La Ni?a）时水汽在北太平洋中部异常辐散（辐合）,有利于当地大气水汽含量减小（增大）,造成蒸发量增大（减小）;副热带西北太平洋异常的水汽辐合（辐散）有利于蒸发量减小（增大）;除此以外,蒸发量在热带东太平洋蒸发量增大（减小）则主要是降水量增大（减小）导致。与此同时,ENSO对上述海区蒸发量的影响还受到PDO的调控,当PDO处于暖（冷）位相时,El Ni?o（La Ni?a）造成蒸发量异常程度在中纬度北太平洋中部显著增大,这主要是由降水量增大（减小）引起的大气水汽含量减小（增大）所致,此时对应着风暴轴异常增大（减小）;当PDO处于冷（暖）位相时,El Ni?o（La Ni?a）造成的蒸发量异常程度在副热带西北太平洋和热带东太平洋显著增大,而这与湿度变化引起的水汽平流异常程度增大紧密相关。     

Seasonal Evolution of Dominant Modes in South Pacific SST and Relationship with ENSO

A season-reliant empirical orthogonal function(S-EOF) analysis was applied to the seasonal mean SST anomalies(SSTAs) based on the HadISST1 dataset with linear trend removed at every grid point in the South Pacific(60.5-19.5 S,139.5 E-60.5 W) during the period 1979-2009.The spatiotemporal characteristics of the dominant modes and their relationships with ENSO were analyzed.The results show that there are two seasonally evolving dominant modes of SSTAs in the South Pacific with interannual and interdecadal variations;they account for nearly 40% of the total variance.Although the seasonal evolution of spatial patterns of the first S-EOF mode(S-EOF1) did not show remarkable propagation,it decays with season remarkably.The second S-EOF mode(S-EOF2) showed significant seasonal evolution and intensified with season,with distinct characteristics of eastward propagation of the negative SSTAs in southern New Zealand and positive SSTAs southeast of Australia.Both of these two modes have significant relationships with ENSO.These two modes correspond to the post-ENSO and ENSO turnabout years,respectively.The SEOF1 mode associated with the decay of the eastern Pacific(EP) and the central Pacific(CP) types of ENSO exhibited a more significant relationship with the EP/CP type of El Nin o than that with the EP/CP type of La Nin a.The S-EOF2 mode contacted with the EP type of El Nin o changing into the EP/CP type of La Nin a showed a more significant connection with the EP/CP type of La Nin a.     

江苏省夏季暴雨的时空变率特征及其与不同类型ENSO的联系

利用1961—2016年江苏省70个站点的逐日降水资料和暴雨定义,分析了江苏省半个世纪以来暴雨发生的年代际时空变化特征,并分析了不同分布型El Nino发展年份对江苏省夏季降水和暴雨的影响特征。结果表明江苏省暴雨主要集中在6—8月,暴雨日数占全年的73.6%,尤其又以7月为最多;暴雨总的分布特点为苏北多于苏南,淮北西北部及苏南东部最少;江苏暴雨发生频次具有明显的年代际变化,且各地区暴雨的年代际变化有一定差异,频发期为1960s、1990s至今,尤其是1990s以来,全省暴雨增多趋势明显,且2011年之后雨带明显南移;东部型El Nino发展年份较中部型El Nino年份的环流形势更有利于导致江苏夏季降水偏多,尤其是沿江苏南地区与常年同期均值有显著性差异。     

2008年西北太平洋热带气旋活动特征分析

对2008年西北太平洋及我国南海热带气旋的活动特征进行总结,并从多方面分析其成因.结果指出:2008年西北太平洋热带气旋活动的主要特征为生成总数少,源地集中,位置偏西;登陆数多、时间早;登陆地点偏南、时间集中等.其原因主要在于:在热带气旋的多发期副热带高压面积偏大、强度偏强、西伸脊点异常偏西,且脊线偏南,造成西北太平洋热带地区盛行偏东风,不利于热带扰动的生成和发展;同时,也使得在其南侧生成的热带气旋易在偏东气流的引导下登陆我国南方.另外,季风槽、垂直风切变、海表温度和热带辐合带上的对流活动等因子的异常分布都不利于热带气旋在西北太平洋东部海域生成,直接导致这一年热带气旋生成总数明显偏少,源地显著偏西.     

滤除ENSO信号前后夏季热带印度洋海盆尺度海温距平对西太平洋副热带高压的不同影响

使用NCEP/NCAR再分析资料、哈得来海表温度和中国国家气候中心的西太平洋副热带高压（西太副高）特征指数,对比分析了ENSO背景下的夏季印度洋海盆尺度模（Indian Ocean basin mode,IOBM）与独立于ENSO的纯IOBM（pure Indian Ocean basin mode,IOBM_P）对西太副高的影响机理。结果表明,滤除前期ENSO信号后,西北太平洋上为海温负距平,并在其西北侧强迫出Gill型反气旋。另外,印度洋与海洋性大陆间存在西高东低的海温距平梯度,印度洋正、负海温距平激发出的赤道开尔文波影响至海洋性大陆西部地区,强迫出的异常大气环流关于赤道基本对称。加之此时中国南海至西北太平洋地区降水偏弱,潜热释放偏少,从而非绝热冷却,导致西太副高异常偏强、偏南。而在前期厄尔尼诺的影响下,次年夏季印度洋与海洋性大陆地区均有利于出现海温正距平,开尔文波的影响偏强、偏东,强迫出的异常环流偏向北半球,通过“埃克曼抽吸”和非绝热冷却在对流层低层制造出异常负涡度进而影响西太副高,使其明显偏强、偏西、偏南。由于IOBM_P在2和8年周期上对西太副高的影响最明显,而ENSO信号中主要是3—7 a的短周期振荡,因此,ENSO背景下的印度洋变暖对西太副高的遥强迫实际包含了来自热带中太平洋的3—7 a周期信号的滞后影响和印度洋地区局地变化特别是2和8年周期变化的作用。这些结果为人们深入理解西太副高变化规律和做出有效预报提供了线索。      

西北太平洋热带气旋活动对夏秋型ENSO事件的响应

利用西北太平洋热带气旋(tropical cyclone,TC)历史路径资料、ERA-Interim再分析资料以及海洋Nino指数ONI等,采用合成分析等统计学方法探讨了TC活动对夏季(SU型)与秋季(AU型)ENSO事件的不同响应。结果表明:在SU型El Nino期间,西北太平洋TC强度与持续时间增大,强台风活动较多;在AU型El Nino发生时,TC持续时间及强度均大于SU型的频数也较之偏少,但超强台风活动较多,约占TC总数的1/3,生成位置也较SU型偏东,但登陆我国的TC频数较少。在SU型La Nina期间,TC强度、持续时间较小,以低等级TC活动为主,活动位置整体偏西。当AU型La Nina发生时,TC强度、持续时间以及强等级TC频数均大于SU型,且TC活动位置相对SU型偏东。中太平洋地区相对涡度异常、大气垂直风切变、SSTA等条件差异是SU型与AU型ENSO期间TC活动产生差异的重要方面,副热带高压强度及位置变化对TC活动也有较大影响。     

太阳活动11年周期对ENSO事件海温异常演变和东亚降水的影响

本文利用美国NCEP/NCAR再分析资料、海温、降水和反映太阳活动强弱的太阳10.7 cm射电流量资料,研究了1952～2010年太阳活动11年周期对ENSO年海温异常演变以及与之相联系的东亚降水的影响,在此基础上着重分析了ENSO发展期秋季东亚地区降水异常对太阳射电流量高(HS)/低(LS)的不同响应以及相关的物理过...     

1月份两类ENSO的海气环流模态分析

本文对1950～2001年1月份的大气风场和大洋流场做了联合复EOF（Empirical Orthogonal Function）分解,用以探讨1月份两类ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）的海气环流及耦合情况,所得结果主要有:该分解第1、2模态空间场分别相应于东部型、中部型ENSO,前者在赤道太平洋东部和中部都有海温动力异常,并以东部异常最强,后者仅在中部存在此异常,两模态的时间系数都与ENSO有很好相关,为此第1、2模态可分别称为东部型、中部型ENSO的风场流场（异常）模态。东部型ENSO模态具有3～6年的年际变化和13～14年的年代际变化,中部型则有明显的7年年际变化和12、17年的年代际变化,两者中约13年的周期与冬季北太平洋NPGO（North Pacific Gyre Oscillation）的周期相同。东、中部型El Ni?o期间,沃克环流上升支分别从印尼东移至赤道西、中太平洋,并有所减弱;南、北支哈得莱环流则分别位于日界线以东及该线附近,且均有所加强,从而使南、北太平洋副热带高压偏强;而在5°S的南美沿岸则分别有垂直运动上升和下沉异常。在海气耦合上,两类ENSO模态在赤道中太平洋均存在西风异常与海洋赤道Kelvin波和Rossby波的波包解耦合,而海温动力异常对大气的影响则都起到负反馈作用,从而有利于ENSO的维持和稳定。     

Modulation of El Nino-Southern Oscillation by Freshwater Flux and Salinity Variability in the Tropical Pacific

The El Nin o-Southern Oscillation (ENSO) is modulated by many factors; most previous studies have emphasized the roles of wind stress and heat flux in the tropical Pacific. Freshwater flux (FWF) is another environmental forcing to the ocean; its effect and the related ocean salinity variability in the ENSO region have been of increased interest recently. Currently, accurate quantifications of the FWF roles in the climate remain challenging; the related observations and coupled ocean-atmosphere modeling involve large elements of uncertainty. In this study, we utilized satellite-based data to represent FWF-induced feedback in the tropical Pacific climate system; we then incorporated these data into a hybrid coupled ocean-atmosphere model (HCM) to quantify its effects on ENSO. A new mechanism was revealed by which interannual FWF forcing modulates ENSO in a significant way. As a direct forcing, FWF exerts a significant influence on the ocean through sea surface salinity (SSS) and buoyancy flux (Q B ) in the western-central tropical Pacific. The SSS perturbations directly induced by ENSO-related interannual FWF variability affect the stability and mixing in the upper ocean. At the same time, the ENSO-induced FWF has a compensating effect on heat flux, acting to reduce interannual Q B variability during ENSO cycles. These FWF-induced processes in the ocean tend to modulate the vertical mixing and entrainment in the upper ocean, enhancing cooling during La Nin a and enhancing warming during El Nin o, respectively. The interannual FWF forcing-induced positive feedback acts to enhance ENSO amplitude and lengthen its time scales in the tropical Pacific coupled climate system.     

利用EOF相空间分析东亚梅雨旱涝长期过程的初步研究

利用非线性动力学中的相空间概念,分析了梅雨旱涝3～5年循环的长期过程.对全球热带850hPa的纬向风场距平所作的EOF,第1特征向量显示了Walker环流异常在赤道球圈上的分布;第2特征向量主要显示热带-副热带之间的环流异常的经向分布.在第1时间系数和第2时间系数所定义的2维相空间中,由相轨线分析,得到梅雨涝年主要集中于第2象限,而旱年则相对多在第4象限.说明梅雨旱涝年际变异的主导模态和热带大气环流的主要特征向量有着密切的关联.它们显示了以3～5年时间尺度的大气环流演变的长期特征性过程.     

中东太平洋ITCZ对两类厄尔尼诺SST异常的敏感性试验

利用MPAS-A(The Model for Prediction Across Scales-Atmosphere)模式设计了中东太平洋热带辐合带CEP-ITCZ(Intertropical Convergence Zone over Central and Eastern Pacific)对两类厄尔尼诺SST(Sea Surface Temperature)异常的敏感性试验,通过试验结果与两类厄尔尼诺年实际大气异常的对比,初步解释了CEP-ITCZ在两类厄尔尼诺年产生不同异常的可能原因。通过CP-EL试验发现,热带太平洋SST异常的第一模态会使中东太平洋低层风场辐合增强,但对辐合带的位置影响不大,与中部型厄尔尼诺对CEP-ITCZ的影响基本一致。通过EP-EL试验发现,热带太平洋SST异常的第二模态会使中东太平洋低层风场产生较大异常,辐合带中心向南移动,辐合带明显减弱增宽,与东部型厄尔尼诺对CEP-ITCZ的影响基本一致。     

CMIP5模式对春季北极涛动影响后期冬季ENSO不对称性的模拟能力分析

根据观测资料的研究指出春季北极涛动(Arctic Oscillation, AO)对随后冬季厄尔尼诺-南方涛动(El Nino–Southern Oscillation, ENSO)的影响具有明显不对称性。春季AO处于正位相时,它对随后冬季厄尔尼诺(El Nino)事件的影响显著,然而春季AO负位相对随后冬季拉尼娜(La Nina)的影响不明显。本研究分析了30个来自CMIP5的耦合模式对春季AO与随后冬季ENSO不对称性关系的模拟能力。30个CMIP5耦合模式中,只有CNRM-CM5和GISS-E2-H-CC模式能较好地抓住春季AO与冬季ENSO的联系。进一步分析这两个模式中春季AO与冬季ENSO的不对称性关系,发现CNRM-CM5模式能较好地再现春季AO与冬季ENSO的非对称关系,即春季AO正(负)位相会导致赤道中东太平洋出现El Nino(La Nina)型海表温度增暖(冷却)。然而,GISS-E2-H-CC模式的模拟结果显示,春季AO对随后冬季ENSO的影响是对称的。本文随后解释了CNRM-CM5(GISS-E2-H-CC)模式能(不能)模拟出春季AO与冬季ENSO不对称关系的原因。对于CNRMCM5模式,在春季AO正位相年,副热带西北太平洋上空存在明显的异常气旋和正降水异常,正降水异常通过Gill型大气响应对赤道西太平洋异常西风的形成和维持起着重要作用,异常西风通过激发向东传播的暖赤道Kelvin波对随后冬季El Nino事件的发生产生显著的影响;然而,在春季AO负位相年,副热带北太平洋的异常反气旋和负降水异常较弱,导致赤道西太平洋的异常东风不明显,因此,春季AO负异常对随后冬季La Nina的影响不显著。所以,CNRM-CM5模式能够较好地抓住春季AO对随后冬季ENSO事件的非对称性影响。相比之下,对于GISS-E2-H-CC模式,春季AO正(负)位相年副热带西北太平洋上存在显著的正(负)降水异常,通过Gill型大气响应在赤道西太平洋激发出明显的异常西(东)风从而影响随后冬季的El Nino(La Nina)事件。因此,在GISS-E2-H-CC模式中,春季AO对随后冬季ENSO具有对称性影响。另外,模式捕捉春季AO对随后冬季ENSO非对称性影响的能力与模式对春季AO空间结构的模拟能力有一定的联系。     

Connections Between the South Asian Summer Monsoon and the Tropical Sea Surface Temperature in CMIP5

The South Asian summer monsoon (SASM) precipitation is analyzed based on reanalysis datasets and historical simulation results from 23 climate models of the Coupled Model Intercomparison Project phase ...     

2009年夏季西太平洋副热带高压北抬原因初探

利用数值模式再分析数据和常规观测资料,分析研究2009年6-8月西太平洋副热带高压(以下简称副高)连续5次北抬至偏北位置,且异常稳定维持,造成江淮流域干旱少雨(空梅)之缘由.通过合成、相关等分析方法探讨西风带、副热带、热带主要大气环流系统之间的相互影响和作用,并利用全型涡度方程探讨副高北抬和强度维持的主要机制.结果表明:(1)西风带波动的传播与副高变化关系密切,西太平洋副高的北抬过程起始于中段副高(140°～160°E)强度加强;(2)副高北抬之前孟加拉湾东部有明显的对流活动,对于副高的北抬和加强有一定的指示意义,而副高南侧的对流活动与副高北抬之间是一种伴随关系;(3)涡度场变化分析可知,副高北抬的关键因素是中高纬度槽脊变化引起的东亚沿海负涡度的增加.     

长江三角洲地区近30年非雾天能见度特征分析

利用地面能见度观测数据和中分辨率成像光谱仪(简称M(ODIS)所提供的气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)资料,分析了中国长江三角洲地区近30年的能见度变化特征。结果表明,该地区1980—2009年能见度年均值为19.5±1.8km,其中最高值为21.9km,在1984年,最低值为16.1km在2007年。近30年能见度呈下降趋势,平均年递减率为-0.20±0.013km/a,近几年能见度趋于稳定。该地区能见度:夏季能见度最好,秋、春季次之,冬季最差;沿海地区能见度好于内陆地区,沿江(河)两岸能见度较差;沿江(河、海)地区能见度的下降速度大于其他地区,在浙江东南部沿海地区尤为明显。利用EOF方法分析长三角地区能见度,结果表明第一模态的特征向量均为正值,说明全区能见度均呈下降趋势。利用MO-DIS AOD数据分析区域性及长期能见度变化趋势与利用地面观测数据方法分析结论相一致。     

利用经验正交函数绘制低频天气图的研究

根据NCEP/NCAR1再分析资料及GFS模式资料,利用经验正交函数分解及Morlet小波变换方法,制作EOF低频天气图。与Butterworth滤波方法提前设定低频周期不同,该方法遵从大气自身的时-频变化特征,能够及时调整显著周期,提取研究时段的主要低频振荡。跟踪分析表明:EOF低频天气图上的低频系统的准周期性和准定常性都较为稳定,能够反映大气环流的主要特性。比较而言,在EOF低频天气图上,中低纬地区的主要低频系统的位置及气流的辐合区更接近实际大气的主要特征。而Butterworth低频图对中高纬低频系统的刻画能力更强。可综合两种低频图的特点加以利用。另外,利用GFS模式的预报场获取未来1~10 d的EOF低频预报图,将其用于延伸期预报,可增长低频天气图方法的预报时效。     

CMIP5多模式模拟两类El Niño海表盐度分布及与降水的关系

利用CMIP5提供的25个工业革命前控制试验（piControl）模拟数据评估了热带太平洋两类El Ni?o（即东部EP和中部CP型El Ni?o）的海表盐度（SSS）空间结构差异及其与海表温度（SST）和降水的关系。结果表明:（1）大部分模式能够模拟出EP和CP型空间结构,两类El Ni?o中的SST、降水和SSS的空间技巧评分依次减小,其中,EP型SST和降水水平分布的模拟能力强于CP型,SSS则为CP型强于EP型,CP型模拟的SST、SSS和降水异常中心位置较EP型偏西且强度偏弱;（2）CP型SST、降水和SSS三者空间分布的线性一致性比EP型好,即在CP型中,SST影响降水,进而影响SSS,同时SSS对SST调制的反馈机制较显著,而对于EP型,由于海洋水平平流和非局地效应等因素,使得SST与SSS空间对应较差;（3）依据多模式模拟的SSS空间技巧评分高低将CMIP5模式分为两类,技巧评分低（高）的模式模拟的SST、SSS和降水异常值的中心位置偏西（偏东）,引起中心位置偏移的原因与模式模拟赤道太平洋冷舌的位置有关,即赤道太平洋冷舌西伸显著,导致发生El Ni?o时SST异常变暖西伸显著,进而使得降水异常和SSS异常位置偏西。同时,技巧评分低的模式还易出现向东南延伸的负SSS异常,原因是双赤道辐合带的东南分支过于明显,即降水偏多,导致SSS偏淡。SSS变化会影响ENSO的发生发展。因此,探讨两类El Ni?o盐度分布的差异及相关物理场的关系,为提高模式的气候模拟和预测提供有益的借鉴。     

区域耦合模式FROALS模拟的西北太平洋热带气旋潜势分布与年际变率:耦合与非耦合试验比较

热带气旋潜势指数可以合理刻画热带气旋生成的位置与范围, 被广泛应用于评估气候系统模式对热带气旋的模拟。本文使用区域海—气耦合模式FROALS对西北太平洋地区1982～2007年的积分结果, 检验了该模式对热带气旋潜势指数的气候态和年际变率模拟能力, 并从决定热带气旋潜势的五个变量角度, 分析了造成模式模拟偏差的原因。结果表明, 模式可以合理再现西北太平洋地区热带气旋潜势指数的分布, 但由于西北太平洋季风槽模拟偏弱且耦合后模拟海温偏冷, 使得耦合试验模拟的热带气旋潜势指数分布偏弱, 尽管较之单独大气模式, 其模拟的空间分布有改善。在年际变率方面, 模式可以合理再现年际变率中热带气旋潜势指数对ENSO的响应, 且耦合模式优于单独大气模式, 分析表明其原因在于耦合模式模拟的850 hPa季风槽强度与年际变率优于单独大气模式。因此区域耦合模式在模拟热带气旋指数年际变率方面相较大气模式有优势。