南极涛动异常及其对冬春季北半球大气环流影响的数值模拟试验

利用IAP9L-AGCM模式考察了模式中与南极涛动异常相关的海温敏感区,发现南半球高纬海温异常能够强迫出南极涛动异常,而赤道东太平洋海温异常与太平洋南美型密切相关.研究了南极涛动异常对冬春季北半球大气环流及亚洲北部气温的影响,结果表明,南极涛动加强,能够引起北半球高纬环流异常和欧亚西风加强,以及亚洲北部地表气温和850 hPa气温显著增温.数值模拟支持了已有的诊断结果,也证实了冬春季节南极涛动异常下两半球高纬间的经向遥相关存在.     

南半球环流异常与长江中下游夏季旱涝的关系

本文对长江中下游夏季旱涝年前期（3、4、5月的季节平均）和同期（6、7、8月的季节平均）的南半球环流作对比分析,探讨南半球环流异常与长江中下游夏季旱涝的关系. 结果表明前期和同期南半球环流均有显著差异,春季南极涛动对长江中下游旱涝的影响较夏季显著,南半球副热带高压在春、夏两季中有很好季节持续性. 因此,春季南半球环流异常可以作为长江中下游夏季旱涝主要短期气候预测因子. 南、北半球中高纬环流相互作用是长江中下游夏季降水的一个重要因素,其可能的联系机制是从南半球高纬到北半球东亚沿岸经向分布的正压遥相关. 研究中还发现在长江中下游的涝年,整个对流层中南半球春、夏两季有持续增温,这说明了南北半球的温度梯度减弱也是东亚夏季风减弱的原因之一.     

北京沙尘频次的年际变化及其全球环流背景分析

本文采用相关和合成的分析方法,研究北京沙尘频次的年际变化及其冬、春季的全球环流背景.结果表明北京沙尘频次有年际变化的特点,并与全球范围内的环流异常相联系,特别是南、北半球的中高纬的环流异常.南半球环流异常与沙尘的联系在冬、春两季有很好的持续性和显著性,北半球中高纬环流异常与沙尘的联系冬季较春季显著.春季对流层高层的东亚西风急流增强能使低空的蒙古气旋加强和锋生,从而引起地面大风,为沙尘天气频次的增加提供动力条件.     

中国北方沙尘暴气候形势的年代际变化

分析了中国北方沙尘气候的时间变化特征, 重点研究与沙尘气侯的年代际变化相应的冬、春季气候和大气环流异常特征. 文章揭示: 在沙尘活动频繁年代(1956~1970)和稀少年代(1985~1999)冬、春季的气候和大气环流有显著差别. 与前一个年代相比, 在后一个年代里冬季极涡异常加深, 50°N附近的西风增强, 东亚极锋锋区位置偏北, 东亚大槽偏弱; 西伯利亚高压北部及中心强度变弱, 阿留申低压明显升压; 东亚季风强度变弱, 影响中国的冷空气势力减弱, 冬、春季大风天气变少. 同时中国北方广大地区冬季温度显著升高, 西北和内蒙古的沙源地区春季降水明显增多. 研究还发现, 在年际尺度上, 中国北方的沙尘活动频次与前冬的西风指数、北极涛动指数呈显著的负相关, 与冬、春季东亚季风指数呈显著的正相关.     

南海夏季风爆发与南大洋海温变化之间的联系

利用1979-2009年NCEP第二套大气再分析资料和ERSST海温资料,分析南海夏季风爆发时间的年际和年代际变化特征,考察南海夏季风爆发早晚与南大洋海温之间的联系.主要结果为:(1)南海夏季风爆发时间年际和年代际变化明显,1979-1993年与1994-2009年前后两个阶段爆发时间存在阶段性突变;(2)南海夏季风爆发时间与前期冬季(12-1月)印度洋-南大洋(0-80°E,75°S-50°S)海温、春季(2-3月)太平洋-南大洋(170°E -80°W,75°S-50°S)海温都存在正相关关系,当前期冬、春季南大洋海温偏低(高)时,南海夏季风爆发偏早(晚).南大洋海温信号,无论是年际还是年代际变化,都对南海夏季风爆发具有一定的预测指示作用;(3)南大洋海温异常通过海气相互作用和大气遥相关影响南海夏季风爆发的迟早.当南大洋海温异常偏低(偏高)时,冬季南极涛动偏强(偏弱),同时通过遥相关作用使热带印度洋-西太平洋地区位势高度偏低(偏高)、纬向风加强(减弱),热带大气这种环流异常一直维持到春季4、5月份,位势高度和纬向风异常范围逐步向北扩展并伴随索马里越赤道气流的加强(减弱),从而为南海夏季风爆发偏早(偏晚)提供有利的环流条件.初步分析认为,热带大气环流对南大洋海气相互作用的遥响应与半球际大气质量重新分布引起的南北涛动有关.     

东亚夏季风年代际变化的若干重要特征及两份大气再分析资料的异同

本文利用ERA和NCEP/NCAR再分析资料,以及部分观测资料,研究了东亚夏季风年代际变化的若干重要特征. 结果表明,东亚夏季风在20世纪70年代末减弱这一现象是普遍存在的,主要表现为江淮地区表面温度降低,海平面气压升高,出现偏北风异常. 研究发现,这次年代际变化还体现在与东亚季风环流密切相关的重要环流因子,如西太平洋副热带高压、欧亚西风、澳大利亚高压、南极涛动等,它们在20世纪70年代末以后都进入高指数时期. 此外,文章还揭示：ERA和NCEP/NCAR再分析资料在东亚夏季风年代际变化上基本吻合,但也有很多差别.     

北极海冰与夏季欧亚遥相关型年际变化的联系及对我国夏季降水的影响

本文利用NCEP/NCAR等再分析资料和CAM3.1数值模式研究了夏季欧亚中高纬遥相关型年际变率与前期春季北极海冰变化的联系及其对我国夏季降水影响的可能机制.结果表明,夏季北大西洋-欧亚中高纬地区500 hPa位势高度场自然正交分解第二模态表现为"-+-+"遥相关波列,其中格陵兰岛-北大西洋和乌拉尔山地区为异常高空槽区所控制,而欧洲和贝加尔湖附近地区则为异常高压脊区,这种波列分布与欧亚中高纬EU型遥相关型十分类似.当遥相关波列为"-+-+"（"+-+-"）型分布时,前期春季巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少（多）,同期夏季巴伦支海北部一带海冰亦持续偏少（多）,同时在我国东北北部地区、长江和黄河之间地区降水明显偏少（多）.深入分析发现,巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少后,由于该地区湍流热通量明显偏强,在动力过程影响方面会形成异常Rossby波源,准定常Rossby波活动通量将向东亚地区传播,使得夏季欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列出现.另外,海冰异常偏少后,在热动力过程影响方面,4-5月欧亚中高纬乌拉尔山-贝加尔湖以北地区积雪会出现"西少东多"偶极子型异常分布,其通过影响后期土壤湿度及下垫面热通量异常,也有利于夏季欧亚中高纬遥相关波列的维持.伴随着欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列的出现,乌山阻塞高压偏弱,东亚槽偏浅,且亚洲副热带急流随之加强,贝加尔湖以北的副极地地区出现西风异常,东亚副热带急流北侧出现东风异常,贝加尔湖以南地区为异常反气旋控制,南下冷空气活动减弱.受到上述环流形势影响,我国东北北部地区、黄河和长江之间地区降水明显偏少.当巴伦支海北部和巴芬湾区域海冰偏多时,结论则反之.最后,基于春季海冰指数和晚春偶极子型积雪指数,我们建立了江淮流域夏季降水的预测模型,回报结果表明其对江淮流域夏季降水的年际变率具有较高的预测技巧.     

南半球夏季纬向平均环流的垂直结构异常及其与AAO和ENSO的联系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,研究了南半球夏季（12~2月）纬向平均环流的垂直结构异常及其与南极涛动（AAO）和ENSO的联系.结果表明,南半球夏季纬向平均［u］的异常分布的主要模态（EOF1）显示出极区、50°S~70°S、以及50°S以北的区间内“三极”型振荡.EOF1 既反映了AAO的特征又与ENSO有着显著的关系.由于AAO指数与Nino3区指数之间存在着统计相关,为进一步弄清AAO和ENSO在南半球纬向平均气流变动的相关分量及其结构,利用Nino3区指数使用一元回归方法滤除ENSO影响,再对剩下的部分作EOF分解,得到了独立于ENSO的纬向平均［u］的第一模态AEOF1.相关分析表明AEOF1为与AAO相对应的纬向平均［u］异常的分布.用南半球纬向平均［u］去掉其与AAO相联系的模态AEOF1,进行EOF分解得到的第一模SEOF1,其与Nino3 区指数的相关高达0.9.由此给出了纬向平均气流的变动与ENSO无关的模态和与ENSO有关的模态.时间变化分析表明,近30年中,除了年代际变化和3~7年的年际变化外,纬向平均的纬向基本气流尚有极地西风减弱、副极地西风加强、副热带西风减弱、热带东风加强的长期趋势.     

北半球大气遥相关型与区域尺度大气扰动

北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)和太平洋-北美型(PNA)等北半球大气遥相关型,可以用大气位势高度的物理分解扰动分量解释.结果发现,AO反映的是北极地区行星尺度纬圈平均扰动分量的变化,PNA与持续性天气尺度扰动分量相联系,NAO是行星尺度纬圈平均扰动与天气尺度扰动共同作用的结果.对行星尺度纬圈平均扰动分量和天气尺度扰动分量用旋转经验正交函数(REOF)展开,不但可以证实人们已经命名的区域性大气涛动,还新发现了北极地区的两对偶极涛动、欧亚涛动(EAO)和"大西洋-欧亚型"(AEA)波列.这些涛动连接了相邻地区的异常天气和异常气候.     

北太平洋海冰, 一个西北太平洋台风生成频次的预测因子?

研究了北太平洋海冰面积与西北太平洋台风生成频次的关系. 研究表明冬季(前一年12月至1, 2月)和春季(3~5月)北太平洋海冰面积指数与全年的西北太平洋台风活动频次在1965~2004年中有显著的反相关关系, 相关系数分别为-0.42和-0.49(显著性水平达到99%以上). 冬、春季北太平洋海冰面积越大, 西北太平洋台风生成频次减少. 研究表明与春季北太平洋海冰面积正异常相关的热带环流和海温异常将提供不利于西北太平洋台风生成的热力和动力条件. 与春季北太平洋海冰面积的异常相关的北太平洋大气环流, 将通过大气遥相关引起春季热带环流的变化, 由于热带环流在春季到台风生成的盛期(6~10月)有很强的季节持续性, 因此, 与春季北太平洋海冰面积变化相关的热带环流和海温能够影响西北太平洋台风的生成频次.     

全球变暖背景下中国东部夏季三类雨型预测概念模型新建

在全球变暖的背景下,20世纪70年代末期全球气候发生了显著的年代际变化.厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)作为预测全球气候年际变率的最强信号,其与中国夏季降水之间的关系发生了显著地改变,对中国夏季降水的指示意义减弱,导致中国东部夏季三类雨型早期预测概念模型的准确率明显下降.本文通过分析全球显著变暖前(1951~1978年)、后(1979~2012年)两个阶段中国东部夏季三类雨型同期大气环流系统的配置、前冬海洋和大气环流及其相互作用的差异,结果发现:(1)影响中国夏季三类雨型的大气环流在不同年代际背景下具有一致性,但在全球显著变暖的后一阶段,西太副高偏强偏南,欧亚中高纬阻塞高压活动频繁,而极涡南扩,经向环流加强,这种环流背景有利于中国东部夏季Ⅱ,Ⅲ类雨型对应的环流频率增加,而Ⅰ类雨型对应的环流频率减少,导致中国夏季Ⅱ,Ⅲ类雨型偏多而Ⅰ类雨型偏少;(2)前一阶段,不同雨型对应的前冬海温场差异显著,同时ENSO对北太平洋涛动(NPO)的影响较强,NPO对夏季Ⅰ,Ⅱ类雨型有较好的判别能力,后一阶段此判别能力下降,而ENSO对太平洋/北美型(PNA)遥相关的影响加强,PNA对Ⅱ,Ⅲ类雨型的判别能力提升.基于新的年代际气候背景,利用前冬PNA和欧亚型(EU)遥相关指数,对中国东部夏季三类雨型预测概念模型进行了新建,其拟合效果较理想,实际预测准确率有待进一步检验.     

近60年全球大气环流经向模态的气候变化

本文根据1948～2004年NCEP/NCAR 1000 hPa、500 hPa、100 hPa高度场逐月再分析资料,分析了近60年全球大气环流经向模态的气候变化. 结果表明：近60年来第一模态从低层到高层都表现出高纬与低纬地区之间明显的反向变化关系,且随时间有明显的增强趋势. 第一模态位相发生了相反的改变,低纬地区由负距平演变为正距平,高纬地区由正距平演变为负距平. 1000 hPa和500 hPa高度场上的南半球比北半球变化激烈,而100 hPa高度场上的北半球比南半球变化激烈. 第二模态在1000 hPa高度场上,主要表现为南极涛动（AAO）和北极涛动(AO),且两涛动在年际、年代际尺度上表现出明显的负相关关系;在100 hPa高度场上,主要表现为南北半球高纬度地区之间的反向变化;500 hPa高度场是1000 hPa和100 hPa的一个过渡层次,主要表现出明显的南极涛动(AAO). 第二模态可能是南北半球中高纬环流相互作用的桥梁.     

夏季亚洲极涡的长期变化对东亚环流和水汽收支的影响

主要分析了1951～2004年夏季亚洲极涡强度和面积的长期变化趋势及其对东亚夏季环流,水汽输送和降水量的影响,发现1951～2004年,夏季亚洲极涡表现出了明显的强度减弱,面积缩小的变化趋势,并以面积缩小更为显著,这正对应于北极涛动（AO）指数在该时段的显著升高.在这种北半球中高纬大尺度环流变化的影响下,东亚夏季高空西风急流在近54年显著南移,冷空气活动的南侵程度明显增强,从而造成低空偏北风显著增强而偏南风减弱.与此相应,近54年整个中国区域内低空纬向风速呈明显的减小趋势.总的来看,东亚夏季风环流发生了明显减弱.同时,流经中国的中纬度西风水汽输送在近54年也表现出一致减弱的趋势,而南风水汽输送大致以110°E为界,以东的夏季风区呈显著的减弱趋势而以西则有明显的增加趋势.这种水汽输送的变化影响了中国不同区域内水汽输送通量散度的改变,进而使得夏季降水量发生变化.分析表明,夏季亚洲极涡的面积和强度与东北、华北和西北东部的水汽输送通量散度和夏季降水呈正相关,而与长江中下游、华南、西南、青藏高原和西北西部呈显著负相关,夏季亚洲极涡在近几十年的面积缩小和强度减弱是中国夏季降水长期变化的一个可能原因.     

全球变暖背景下春季Hadley环流与东亚夏季风环流年际对应关系的多模式预估

观测事实揭示,春季Hadley环流在年际时间尺度上与东亚夏季风环流和降水具有密切联系.在未来全球变暖背景下,春季Hadley环流与东亚夏季风环流和降水的这种年际关系是否会发生变化？针对该问题,本文在评估的基础上选取五个气候模式,分析了A1B排放情景下春季北半球Hadley环流年际变率的未来变化及其与东亚夏季风环流和降水的年际关系.多模式集合(MME)预估结果表明,在全球变暖背景下,与20世纪末期(1970—1999年)相比,到21世纪末期(2070—2099年),春季北半球Hadley环流的年际变率强度将减弱,减弱幅度达32%.随着春季Hadley环流年际变率的减弱,其与夏季西太平洋副热带高压和东亚夏季风强度的联系将变弱.MME模拟结果还显示,春季Hadley环流与夏季东亚西风急流和降水的关系也降低,但各单个模式间存在较大差异.     

华南前汛期降水异常与太平洋海表温度异常的关系

利用近50年华南地区站点逐日降水观测资料和全球大气、海洋分析资料,分析了华南前汛期降水异常的变化特征及其与太平洋海温异常的联系.结果表明,近50年来华南前汛期降水总体呈现减少趋势.影响华南前汛期降水异常的太平洋海温异常型是一个类似于ENSO的西太平洋暖池模态,即显著海温异常区域位于西太平洋暖池.西太平洋暖池区域(120°E-180°E,20°S-20°N)前期冬季海温异常同华南前汛期降水存在显著的负相关关系,是具有预报意义的海温关键区.该关键区海温异常影响华南前汛期降水的可能物理过程是:当前期冬季暖池异常偏暖时,菲律宾周围地区对流活动加强,导致Walker环流及东亚太平洋中低纬局地Hadley环流增强;该异常通过影响东亚－太平洋遥相关波列,使前汛期期间西太平洋副高加强西伸,脊线位置偏北,同时副热带西风急流减弱北退.随着Hadley环流上升支的增强,东亚副热带地区下沉运动也增强了,华南地区对流活动受到抑制.而且由于副高的增强,经过其北侧向华南地区的西南水汽输送辐合也减弱了,因此前汛期降水偏少.冷海温年的情形则相反,华南前汛期降水偏多.近50年来华南前汛期降水总体呈现趋势性减少正是由于前冬西太平洋暖池趋势性增暖所致.     

春季北大西洋涛动与东亚夏季风年际关系的转变及其可能成因分析

本文的相关分析表明,在1948~2009年期间东亚夏季风(EASM)与前期春季(4~5月)北大西洋涛动(NAO)之间存在显著的年际相关关系,但这种关系具有明显的年代际变化特征,即在1970s发生了由正相关到负相关的转变.进一步的合成分析指出,春季NAO与EASM之间年际相关关系的转变,与春季和前期冬季(12~3月)北大西洋海盆尺度的海-气耦合模,即NAO-海温异常(SSTA)三极子耦合模的影响作用密切相关.春季NAO异常对EASM年际变化的影响主要依赖于前者所激发的SSTA三极子模态由春季到夏季的记忆性.然而,该模态不但受到春季NAO的控制,而且还会受到前冬NAO-SSTA三极子耦合模的增强或削弱作用,其中后者的影响作用具有明显的年代际变化特征.在1970s之前,前冬NAO-SSTA三极子耦合模对春季SSTA三极子模态存在明显的非对称作用,即前者主要对后者的正位相异常存在显著的削弱作用;在1970s之后,前者对后者正/负位相异常的影响作用均不明显.因此,在春季NAO对称作用与前冬NAO-SSTA三极子耦合模非对称作用的共同影响下,春季NAO与SSTA三极子模态的年际相关关系存在显著年代际变化,进而引起了春季NAO与EASM的年际相关关系在1970s的转变.     

中国华北春季沙尘天气频次的气候预测模型

对中国北方沙尘天气发生频次进行气候预测具有重大社会价值和科学意义,也是十分困难的一项课题．以北京站和天津站的情况为代表,首先分析了中国华北春季沙尘天气频次（DWF）的季节平均表面温度、降水、北极涛动、南极涛动、南方涛动、近地面经向风以及欧亚西风指数的相关性,旨在利用这些气候要素或大气环流因子建立中国华北春季DWF的预测模型．然后,分别基于观测资料和中国科学院大气物理研究所九层全球大气环流格点模（IAP9L—AGCM）的32a（1970～2001年）跨年度集合回报试验结果,建立了两个适合于预测中国华北春季沙尘天气发生频次的预测模型——模型Ⅰ和模型Ⅱ．其中,模型Ⅰ的试预报结果与实测间的相关系数达到0．933,因此有望提前一个季度进行较为准确的预测．如果基于气候模式的跨年度预测结果,在模型Ⅰ的预测思想上弓l入春季沙尘天气发生的同期气候信号,预测模型（模型Ⅱ）的试预报结果与实测间的相关系数可达0．948,不但表现出了更大的预测潜力,还可将模型Ⅰ实时气候预测的时间提前到半年．最后,检验了两个模型的实时气候预测能力．结果表明,这两个模型对中国华北春季DWF的年际变化和线性趋势都具有较强的预测能力,并且各具优势．其中,模型Ⅱ可在很大程度上提高IAP9L—AGCM原预测方法对春季DWF的实时预测准确度,可以考虑将其预测思想在中国其它沙尘天气多发区的气候预测中推广应用．     

青藏高原地形重力波对东亚春季降水的重要作用

春季持续性降水是东亚夏季风爆发前的主要雨季,对东亚地区乃至全球水循环都具有深刻影响.过去研究揭示了青藏高原大尺度地形的动力和热力作用对东亚春季降水的重要影响,但青藏高原小尺度地形的作用尚不明确.本研究发现,副热带西风流受青藏高原小尺度地形扰动激发的地形重力波,同样对东亚春季降水具有重要贡献.垂直传播的地形重力波在对流层中层发生破碎,产生纬向拖曳,从而驱动跨越青藏高原的经向环流.在青藏高原南侧,经向环流上升支的动力抽吸作用使得对流层低层气压减弱,从而增强经向气压梯度力和西南季风,将更多水汽输送至下游东亚地区,最终导致春季降水的增多.该研究有助于更加全面地理解青藏高原多尺度地形对东亚春季降水的影响,为西风-季风协同作用提供了新的视角.     

BCC_CSM1.1(m)模式对于夏季亚洲-太平洋涛动的模拟

亚洲-太平洋涛动是北半球夏季亚洲大陆和北太平洋副热带地区对流层中高层扰动温度场上大尺度的东西反相的遥相关现象,其异常变化与亚洲-太平洋地区夏季风气候有着密切的联系.基于欧洲中心的ERA-40再分析资料和国家气候中心BCC_CSM1.1（m）气候系统模式多年的数值模拟结果,本文主要评估了BCC_CSM1.1（m）模式对于夏季亚洲-太平洋涛动的空间分布、指数的时间演变及与其变化所对应的亚洲地区夏季环流异常等方面的模拟能力,结果表明：BCC_CSM1.1（m）模式能够较好地模拟出北半球夏季对流层中高层扰动温度在亚-太地区中纬度存在的西高东低"跷跷板"现象;模式能够模拟出夏季亚洲-太平洋涛动指数的年际变率,但是不能模拟出该指数在20世纪60-70年代明显下降的年代际趋势;模式还能较好地模拟出亚洲-太平洋涛动高低指数年亚洲-太平洋地区夏季环流的异常：指数偏高年份,南亚高压增强,高空西风急流带和热带东风急流均加强,索马里越赤道气流增强,南亚热带季风和东亚副热带季风均增强,东亚季风低压槽加强,西北太平洋副热带高压增强,南亚和东亚北部降水增加,菲律宾地区、中国长江流域-朝鲜半岛-日本一带地区降水减少,反之亦然.     

前冬南半球环状模对春季华南降水的影响及其机理

利用相关、合成、奇异值分解等统计诊断和数值模拟方法,分析了前冬(12—2月)南半球环状模(SAM)对春季(3—5月)中国华南降水的可能影响及其机理.诊断分析的结果表明,前冬南半球环状模与春季华南降水存在显著的负相关关系,也即前冬SAM偏强(弱),对应春季华南降水偏少(多).为了探讨这种南半球中高纬信号影响滞后一个季节的华南降水的物理机制,需要考虑下垫面海洋的桥梁作用.诊断分析的结果表明,当前冬SAM偏强时,南半球中高纬海洋的潜热释放受到海表风速影响发生变化,导致30°S—45°S海温偏高, 45°S—70°S海温偏低,并且异常的海温信号可以持续到次年春季.这种前冬SAM偏强时的春季海温异常信号,对应着春季西北太平洋副热带高压位置偏东且强度偏弱,西北太平洋上盛行异常气旋式环流,华南地区上空对流层低层有异常东北风和风场辐散,西南水汽输送较常年减弱,为春季降水偏少提供了有利的条件.前冬SAM偏弱时,南半球中高纬的海温异常及其引起的华南区域大气环流异常相反,有利于华南降水偏多.利用CAM3进行海温敏感性试验,也证明了上述南半球中高纬海温异常对应的环流异常.模拟结果表明,SAM偏强时的海温异常,对应着华南上空对流层低层的东北风异常、风场辐散、以及下沉运动,不利于华南降水生成;SAM偏弱时的海温异常,对应的环流异常相反,有利于华南降水增多,验证了资料诊断的结论.综上,在前冬SAM影响春季华南降水的过程中,体现了海气耦合桥的作用,即:海洋储存了冬季SAM的异常信号并在春季释放,通过影响春季大气环流,进一步影响华南春季降水.因此,前冬SAM为华南春季降水预测提供了一个有意义的前期信号.