印度—太平洋海温的气候模态及其年代际异常

本文运用经验正交分解和合成图分析方法,对１９４０－１９９０年印度－太平洋海温的气候模态及其年代际异常特点进行了研究。     

热带太平洋气候变率的三类模态及与ENSO强度变化的关系

基于Kaplan等重建的1856—2001年全球海表水温距平(SSTA)资料，用小波变换分析了热带太平洋SSTA的气候变率，对热带太平洋SSTA分别进行2—8、8—30和30—100a带通滤波，然后进行EOF分解。结果发现，ENSO模态具有5a左右的年际变化和15a左右的年代际变化2种显著周期，当二者位相相同时，ENSO事件加强，当二者位相相反时，ENSO事件减弱，当年际变化不明显时，显著的年代际变化也可单独导致ENSO事件；热带太平洋SSTA气候态变率以西太平洋暖池和赤道两侧的热带中东太平洋明显海温同号异常为主要特征，具60a左右的周期，其相位变化与气候跃变及El Nifio事件的类型有密切联系；长期增温倾向加大了El Nifio事件的振幅。文章最后指出，ENSO事件强度变化是由年际、年代际和气候态等3类模态变率共同作用的结果，在ENSO预报模式中考虑并引入年代际和气候态变化对ENSO循环的影响，是提高ENSO预测水平的有效途径之一。     

北太平洋副热带中部模态水潜沉区的热收支———个全球海洋模式数据的结果

使用一个全球海洋环流模式的18 a(1993～2010 年)数据, 对北太平洋副热带中部模态水(CMW)潜沉区混合层内热收支的空间分布状况及其季节和年际变率特征进行了分析, 并重点讨论了热收支与太平洋年代际震荡(PDO)之间的相互关联。结果表明, CMW 潜沉区的热收支是海表热力强迫与海洋动力过程之间的平衡。其中混合作用, 特别是湍流扩散是海洋动力过程的主要分量, 对该海区混合层内部的热量耗散起到关键的作用。该海区的热收支具有显著的季节变化信号, 在春夏季与秋冬季存在明显的差异。热收支的年际变化与PDO 的超前滞后相关性分析表明, 该海区的混合层温度(MLT)具有显著的PDO 信号, 同时 PDO 与 MLT 两者随时间的变化信号( ?[P]/?t 与?[T]/?t )之间也有强相关性。?[P]/?t与海表热力强迫项(SEF)显著的相关性表明, SEF 可能会对PDO信号的产生及变化过程产生重要的影响;?[P]/?t 与夹卷项的高相关性则间接证明潜沉的 CMW 的温度存在 PDO 信号; 作为海洋动力过程的主体, 扩散项和平流项均会对PDO 信号变化做出滞后响应。本研究增进了对CMW 潜沉区混合层内海水温度变化特征的认识。     

PDO对夏季江淮地区雨量与太平洋海温年际相关的影响

研究了在太平洋年代际振荡(PDO)不同位相中夏季江淮地区降水与太平洋海温年际相关空间分布的差异,讨论了产生这种变化的可能的物理机制.结果表明,PDO冷暖位相中夏季江淮地区降水量与太平洋海温年际耦合振荡周期和强度均存在显著差异.PDO冷位相中, 夏季江淮地区降水与前期冬季西南太平洋和同期夏季黑潮区海温在7～8 a 时间尺度上的耦合最显著;而在PDO暖位相中,与这些地区海温呈现极显著的准2 a耦合振荡,并且与同期夏季赤道东太平洋地区海温的准2 a耦合振荡也迅速加强.西太平洋地区海温的耦合振荡作用区域是时间稳定的,而东太平洋地区海温的耦合振荡作用区域存在时变性.因此,PDO 对夏季江淮地区降水和太平洋海温年际耦合振荡的强度和周期的年代际变化有重要影响.     

赤道太平洋次表层海温异常年际和年代际变率特征与ENSO循环

用美国马里兰大学提供的海洋同化(SODA)月平均资料,分析了赤道太平洋次表层海温异常年际和年代际变率的演化特征,讨论了它们对ENSO循环的影响.结果指出,赤道太平洋次表层海温异常年际和年代际变率具相似的ENSO模分布和演变过程,二者均以赤道西太平洋暖池次表层海温显著的异常中心与赤道东太平洋表层海温异常中心显著反号为主要分布特征,其演变过程通过赤道西太平洋暖池次表层海温异常中心沿海洋气候温跃层向东向上传播来完成.赤道西太平洋暖池次表层海温异常年际变率决定了ENSO循环,年代际变率对ENSO循环也有重要影响,其影响主要在中太平洋, 造成ENSO模的年代际变化.当年代际变率处于正常状态时,ENSO循环基本上是东部型冷暖事件之间的转换;当年际和年代际变率位相相同时,ENSO事件强度将会加强和持续,并出现中部型ENSO事件;当二者位相相反时, ENSO事件强度将会减弱.     

不同气候模态下西北太平洋秋刀鱼资源丰度预测模型建立

秋刀鱼（Cololabis saira）资源对海洋环境因素极为敏感,不同气候模态可能对秋刀鱼资源丰度产生不同的影响。根据1990-2014年西北太平洋日本的秋刀鱼渔业中单位捕捞努力量渔获量（CPUE,以此作为资源丰度）,以及相应产卵场、索饵场的海表温（SST）遥感数据,探讨太平洋年际震荡（PDO）指数冷、暖年下,秋刀鱼资源丰度CPUE变化与产卵场、索饵场SST的关系,并分别建立资源丰度的预测模型。研究表明,PDO冷年索饵场4月SST与年CPUE显著相关（P<0.05）,PDO暖年索饵场11月的SST与年标准化CPUE显著相关（P<0.05）。PDO冷、暖年的秋刀鱼资源丰度的预测模型中,CPUE均与索饵场11月的SST、索饵场4月SST呈现正相关的关系,统计学上为显著相关（P<0.05）。PDO冷年（2012年）和PDO暖年（2014年）的CPUE预测值与实际值相对误差分别为14.03%、-16.26%,具有较好的拟合效果。研究认为,不同气候模态下,可用于秋刀鱼资源丰度预测的环境因子不同,上述建立资源丰度模型可用于业务化运行。     

长江中下游夏季降水与西北太平洋海温的耦合模态分析

利用NOAA_ERSST海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和中国160站降水资料,借用多种统计方法研究了夏季长江中下游地区降水与西北太平洋的耦合关系.奇异值分解(SVD)和相关分析显示出长江中下游夏季降水与西北太平洋夏季海表温度(以下简称"海温")密切相关,而与其他海区没有明显的关系,并且这种关系主要反映年代际变化;夏季多变量经验正交函数展开(MV-EOF)分析结果证明夏季长江中下游降水、东亚-太平洋地区上空850hPa风场、西北太平洋海温之间存在显著的耦合模态,这种耦合模态反映出长江中下游夏季降水异常偏多时,东亚-太平洋上空自南向北有异常的反气旋、气旋、反气旋波列(即东亚-太平洋型遥相关或P-J波列),东亚夏季风偏弱、北界位置偏南.依赖季节的多变量经验正交函数展开(SRMV-EOF)分析结果表明,长江中下游夏季降水与西北太平洋的耦合模态与前期ENSO密切相关:前一年秋季,赤道东太平洋开始出现ENSO信号,冬季发展成熟,同时在菲律宾以东的西北太平洋上空有一个反气旋形成;春季,ENSO开始减弱,西北太平洋出现暖海温异常,反气旋发展;夏季,ENSO信号消失,西北太平洋异常暖海温范围扩大,反气旋发展很强,同时在东亚-太平洋上空出现P-J波列,华南上空的西南风与来自北方的偏北风在长江中下游地区辐合,造成长江中下游夏季降水偏多.     

北太平洋副热带模态水盐度的年代际变化

副热带模态水(Subtropical Mode Water;STMW)在气候变化中起着重要作用。本文利用全球高分辨率数值模拟结果,研究了北太平洋STMW核心层盐度(Core Layer Salinity;CLS)的年代际变化及其物理机制。结果表明,CLS存在显著的年代际变化,其空间分布则与背景流场分布特征有关。侵蚀区CLS滞后生成区CLS约1~2年,这主要是海流平流输运引起的。生成区内,STMW的季节循环一般可分为生成期(12-4月)、隔离期(5-6月)和侵蚀期(7-11月),生成期混合层盐度(Mixed Layer Salinity;MLS)决定着隔离期和侵蚀期的CLS,而MLS年代际变化则主要由同太平洋年代际涛动存在负相关性的海表面淡水通量的变化引起。     

赤道外北太平洋冬夏海温场的EOF分析

利用较高分辨率的SODA资料,对赤道外北太平洋海洋上层各层的海温,特别是对中纬度北太平洋海温明显异常的海域(其被定义为关键区)做了海温的EOF分析,得到以下结论:北太平洋第一模态空间场上,冬、夏在中纬度北太平洋中西部均有较强正值带出现。在关键区第一模态空间场上,冬、夏两季近表层在日本本州岛的东、西面海域均分别有较强正值区,而次表层则仅存前者;这表明近表层海温(前者)受辐射、蒸发等影响明显,而次表层海温(后者)则其主要受流场垂直运动的影响,前者属海温的热力变化而后者则属海温的动力变化,两者性质不同。北太平洋和关键区的第一模态冬、夏海温变化的趋势均相近,两者在年尺度上均有持续性;两者的年际变化冬、夏均不明显,但均有明显的约20年的年代际变化;两者时间系数的演变均与太平洋年代际振荡(PDO)中的冷、暖位相期有较好的对应;这两个模态均可称为PDO模态。     

热带太平洋次表层三维海温距平场的EOF分析

应用太平洋次表层海温距平资料构造了一个立体的西低东高的四级阶梯模型,使用EOF方法对此模型进行时空分解,重点讨论了分解结果与ENSO循环的关系,并对Nino 3距平指数进行试预报,结果表明,用 EOF分解的第一主分量代表暖池-厄尔尼诺(拉尼娜)模态,第二主分量代表次表层温度距平的东西运移模态,厄尔尼诺事件正是东西运移模态突变的结果.时滞相关分析估算,一次ENSO循环的平均周期约为41个月,厄尔尼诺、拉尼娜模态与温度距平的东西运移模态的位相差平均约为9.7个月.应用逐步回归方法得到超前Nino 3距平指数3、6和12个月的3个预报方程.预报结果表明,第一、第二时间系数对Nino 3距平指数均具有一定的预报价值,预报时效可达1 a左右.     

地球系统模式FIO-ESM v2.0对北太平洋年代际气候变化的模拟评估

数值模拟方法在研究长时间的气候变化上扮演着重要角色。一直以来,数值模式模拟年代际气候变化如太平洋年代际震荡（PDO）的位相转换存在巨大挑战。本文利用自然资源部第一海洋研究所研发的地球系统模式（First Institute of Oceanography-Earth System Model Version 2,FIO-ESM v2.0）145年（1870–2014年）历史气候模拟试验结果,结合再分析资料和另外两个地球系统模式结果,分析评估了该模式对太平洋年代际振荡的模拟能力。研究发现,FIO-ESM v2.0能够再现历史时期PDO的空间模态分布特征,其PDO指数具有10～30年的周期变化特征,同时于1960年以后能刻画出与再分析数据结果相近的PDO位相转变特征。研究表明,FIO-ESM v2.0能够较为准确地模拟出PDO的位相转变特征。另外,本文还评估了该模式对大气环流模态的模拟能力及其与PDO之间的关系,以及该模式模拟PDO的可能机制。该模式的PDO与大气环流的阿留申低压模态相关。进一步的分析表明,平流作用和热通量是关键年代际海域海温异常振幅的主要因素,而罗斯贝波西传时间则可能是影响PDO位相转变的关键因素。     

Decadal modes of sea surface salinity and the water cycle in the tropical Pacific Ocean: The anomalous late 1990s

Limitations in sea surface salinity (SSS) observations and timescale separation methods have led to an incomplete picture of the mechanisms of SSS decadal variability in the tropical Pacific Ocean, where the El Niño Southern Oscillation (ENSO) dominates. Little is known regarding the roles of the North Pacific Gyre Oscillation (NPGO) and the Pacific Decadal Oscillation (PDO) in the large-scale SSS variability over the tropical basin. A self-organizing map (SOM) clustering analysis is performed on the intrinsic mode function (IMF) maps, which are decomposed from SSS and other hydrological fields by ensemble empirical mode decomposition (EEMD), to extract their asymmetric features on decadal timescales over the tropical Pacific. For SSS, an anomalous pattern appeared during 1997 to 2004, a period referred to as the anomalous late 1990s, when strong freshening prevailed in large areas over the southwestern basin and moderate salinization occurred in the western equatorial Pacific. During this period, the precipitation and surface currents were simultaneously subjected to anomalous fluctuations: the precipitation dipole and zonal current divergence along the equator coincided with the SSS increase in the far western equatorial Pacific, while the weak zonal current convergence in the southwestern basin and large-scale southward meridional currents tended to induce SSS decreases there. The dominant decadal modes of SSS and sea surface temperature (SST) in the tropical Pacific both resemble the NPGO but occur predominantly during the negative and positive NPGO phases, respectively. The similarities between the NPGO and Central Pacific ENSO (CP-ENSO) in their power spectra and associated spatial patterns in the tropics imply their dynamical links; the correspondence between the NPGO-like patterns during negative (positive) phases and the CP La Niña (CP El Niño) patterns for SSS is also discussed.     

Principal Modes and Related Frequencies of Sea Surface Temperature Variability in the Pacific Coast of North America

We examined monthly time-series (1950 to 1999) of sea surface temperature (SST) anomalies in 47 quadrants (2° × 2°) along the Pacific coast of North America. Correlation, clustering and principal components analyses were applied to identify the spatial structure in coastal SST. The resulting modes and the individual series were investigated using spectral analysis to identify the most significant time-scales of variability, and the propagation of the main signals was explored by computing the wavenumber-frequency spectrum of each spatial mode. Results showed that coastal SST variability in the northeast Pacific conformed to three main geographical modes. A tropical mode extends from the equator to about the entrance to the Gulf of California. This mode appears related to two low frequency components of the El Niño-Southern Oscillation of about 3 and 5 years. The SST anomaly related to these signals propagates poleward, seemingly at low speeds (≈0.08 m s^?1). A temperate (or transitional) mode, which includes the coastal areas along the California Current System, also shows the 5-year signal plus a decadal-scale component (periods between 10–17 years). Finally, a subarctic mode includes the coastal areas along the Gulf of Alaska and is dominated by the interdecadal variability that is characterized by the Pacific Decadal Oscillation.     

Reconstruction of sea surface dimethylsulfide in the North Pacific during 1970s to 2000s

We proposed an empirical equation of sea surface dimethylsulfide (DMS, nM) using sea surface temperature (SST, K), sea surface nitrate (SSN, μM) and latitude (L, °N) to reconstruct the sea surface flux of DMS over the North Pacific between 25°N and 55°N: ln DMS = 0.06346 · SST − 0.1210 · SSN − 14.11 · cos(L) − 6.278 (R² = 0.63, p < 0.0001). Applying our algorithm to climatological hydrographic data in the North Pacific, we reconstructed the climatological distributions of DMS and its flux between 25 °N and 55 °N. DMS generally increased eastward and northward, and DMS in the northeastern region became to 2–5 times as large as that in the southwestern region. DMS in the later half of the year was 2–4 times as large as that in the first half of the year. Moreover, applying our algorithm to hydrographic time series datasets in the western North Pacific from 1971 to 2000, we found that DMS in the last three decades has shown linear increasing trends of 0.03 ± 0.01 nM year^− 1 in the subpolar region, and 0.01 ± 0.001 nM year^− 1 in the subtropical region, indicating that the annual flux of DMS from sea to air has increased by 1.9–4.8 μmol m^− 2 year^− 1. The linear increase was consistent with the annual rate of increase of 1% of the climatological averaged flux in the western North Pacific in the last three decades.     

浪致混合对2016年北太平洋海表温度季节性预测的影响

上层海洋通过海气交换影响大气-海洋耦合系统,海浪引起的垂向混合影响上层海洋结构,从而在气候预测过程中发挥着重要的作用。本文基于国家海洋局第一海洋研究所地球系统模式（FIO-ESM）,以2016年为例,分别开展了耦合和关闭海浪模式情况下的短期气候预测实验,分析浪致混合对北太平洋海表温度（SST）季节性预测的影响。通过对模式预测的SST异常（SSTA）进行定量评估发现,浪致混合能够显著降低北太平洋高纬度海区预测误差,在（45°N,150°E）附近海区SSTA改善可达1℃,气候模式能够更好地预测SSTA的经向分布特征,特别是能够准确地反映25°~45°N海区SSTA分布特征。通过分析有浪和无浪两个实验的热收支贡献发现,垂向混合是导致上层海洋温度差异的主导影响因子。海浪通过改变垂向混合,使2016年北太平洋SST在高纬度海区大幅降低,在低纬度海区略有升高,最终提升了模式对北太平洋SST的季节性预测能力。