亚非夏季风的年代际变化:大西洋多年代际振荡与太平洋年代际振荡的协同作用

亚非夏季风系统包括非洲夏季风、南亚夏季风和东亚夏季风。它是全球季风系统中具有高度整体一致性变化的系统,其主要原因是亚非夏季风系统具有相同的主要驱动力:AMO(Atlantic Multidecadal Oscillation,大西洋多年代际振荡)和PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代际振荡)海洋年代际变化模态。在此前提下,本文首先阐述了AMO对亚非夏季风的强迫作用与遥相关作用,特别强调了它在亚非夏季风及其降水年代际转型中的作用;其次讨论了PDO与冬春积雪的年代际变化对东亚夏季风雨带的协同作用;最后综合分析了AMO、PDO与IOBM(Indian Ocean Basin Mode,印度洋海盆一致模态)的协同作用,指出印度洋海洋模态在年代尺度上独立于AMO与PDO的相关组合,主要起着加强东亚夏季风活动的作用。     

北大西洋年代际振荡（AMO）气候影响的研究评述

北大西洋年代际振荡（theAtlantic Multidecadal Oscillation,AMO）是发生在北大西洋区域空间上具有海盆尺度、时间上具有多十年尺度的海表温度（sea surface temperature,SST）准周期性暖冷异常变化。它具有65～80a周期,振幅为0.4℃。AMO的形成与热盐环流的准周期性振荡有关,它是气候系统的一种自然变率。诸多研究表明,AMO在北大西洋局地气候及全球其他区域气候演变中发挥了重要影响。欧亚大陆的表面气温,美国大陆、巴西东北部、西非以及南亚的降水,北大西洋飓风等都与之密切相关。AMO对东亚季风气候的年代际变化有显著的调制作用,暖位相AMO增强东亚夏季风,减弱冬季风,冷位相则相反。本文总结了这方面的研究进展,讨论了AMO对未来气候预测的意义,认为最近20多年来我国冬季的显著增暖与AMO处于暖位相有关,是人类温室气体强迫与暖位相AMO（自然因子）两种增暖影响相叠加的结果。随着AMO逐渐转入冷位相,我国冬季变暖趋势将放慢,并有望于21世纪20年代中期逆转。     

1953～2017年黄河源区气温变化的多尺度特征

基于黄河源区8个站点的年平均气温序列,利用集合经验模态分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD）方法,揭示了以玛多站为代表的黄河源区1953~2017年气温演变的多时间尺度特征,探讨不同时间尺度上的周期振荡对气温变化总体特征的影响程度,分析了黄河源区不同时间尺度的气温变化与海温指数,尤其是与北大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）间的关系。结果表明:（1）1953年以来黄河源区玛多站年平均气温以0.31 ℃/10 a的变化率表现为明显的增暖趋势,20世纪80年代后期开始转暖,尤其是进入20世纪90年代后期变暖更加明显。（2）1953~2017年,黄河源区年平均气温呈现3 a、6 a、11 a、25 a、64 a及65 a以上时间尺度的准周期变化,其中以准3 a和65 a以上时间尺度的振荡最显著,准3 a的年际振荡在21世纪以前振幅较大,而进入21世纪后年际振荡振幅减弱,65 a以上时间尺度的年代际振荡振幅明显加大。（3）1998年气候显著变暖以前,以准3 a周期为代表的年际振荡在气温演变过程中占据主导地位,1998年气候显著变暖以后,65 a以上时间尺度周期振荡的贡献率增加近5倍,与准3 a周期振荡的贡献相当。（4）气温与Nino3.4指数和PDO（Pacific Decadal Oscillation）指数的同期相关均不显著,但当气温领先PDO指数22 a时正相关最大且显著,不同于PDO指数,气温原始序列及其3个年代际尺度分量滞后AMO指数3~7 a或二者同期时相关性最高,这就意味着AMO对黄河源区气温具有显著影响。（5）AMO的正暖位相对应着包括中国的整个东亚地区偏暖,黄河源区只是受影响区域的一部分,20世纪60年代至90年代初期AMO的负冷位相期、20世纪90年代中后期至今AMO的正暖位相与黄河源区气温距平序列的负距平、正距平相对应,气温在65 a以上时间尺度的变化与AMO指数相关性更高,可见,AMO是影响黄河源区气温变化的一个重要的气候振荡,这种影响主要表现在年代际时间尺度上。     

1951—2013年我国冬季气温年代际变化与PDO的关系

利用我国160个测站1951—2013年冬季月平均气温资料和1951—2016年间冬季太平洋年代际振荡(PDO：Pacific Decadal Oscillation)指数资料,分析了两者在年际和年代际时间尺度上的相关关系,探讨了PDO对我国冬季气温影响的可能物理过程。结果发现：PDO与我国冬季气温年际变化不显著;在冬季期间,PDO对我国气温的影响是滞后的;PDO与我国冬季气温年代际变化存在密切关系,当PDO处于年代际正(负)位相时,我国气温普遍偏高(低);PDO年代际分量对我国的影响机制为：当PDO指数位于年代际正(负)位相时段,海平面气压场上西伯利亚高压减弱(增强),500 hPa高度场东亚大槽强度减弱(增强),200 hPa纬向风场东亚北支急流减弱(增强),这些都有利于我国冬季气温偏高(低)。     

北大西洋多年代际振荡（AMO）对南海夏季风撤退年代际变率的影响及可能机理

基于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）物理科学实验室（PSL）和科罗拉多大学环境科学研究所（CIRES）重建的NOAA-CIRES 20th再分析数据和国际综合海洋大气数据集（ICOADS）的全球月海表温度数据（ERSST）,并结合数值试验分析了南海夏季风撤退的年代际变率特征及北大西洋多年代际振荡（AMO）对其产生的影响。结果表明,南海夏季风撤退时间具有明显的年代际变率,南海夏季风撤退偏晚（早）年代中国南海及其附近区域上空有显著的气旋性（反气旋性）环流异常,降水偏多（少）。进一步研究发现,AMO与南海夏季风撤退年代际变率呈显著正相关,即AMO为正位相时,南海夏季风撤退偏晚;AMO为负位相时,南海夏季风撤退偏早。北大西洋海温升高（即AMO位于正位相）,从海洋释放更多的热通量到大气,导致北大西洋上空对流层的对流活动明显增强,通过海-气相互作用激发北大西洋上空的波活动异常,进而影响与东北亚关键区域大气环流变化密切相关的中纬度欧亚遥相关波列的形成和传播,引起东北亚关键区的正位势高度异常和明显的下沉运动,并在其对流层低层产生辐散运动,能量伴随着偏北的辐散风气流传播至中国南海及邻近区域辐合上升,进一步加强了南海区域的气旋性环流异常,使得南海夏季风撤退偏晚。AMO负位相时,异常情况与之大致相反,使得南海夏季风撤退偏早。      

东亚冬季风的年代际变化及其与全球气候变化的可能联系

对近年来中外关于东亚冬季风(EAWM)年代际变化问题研究进展做了回顾和评述,主要包括以下3个方面内容:(1)东亚冬季风明显受到全球气候变化的影响,从20世纪50年代开始,中国冬季气温经历了一次冷期(从20世纪50年代延续到80年代初中期),一次暖期(从20世纪80年代初中后期延续到21世纪初)和近10-15年(约从1998年开始)出现的气候变暖趋缓期(也称气候变暖停顿期)。(2)东亚冬季风主要表现出强-弱-强3阶段的特征,即从1950年到1986/1987年,明显偏强;从1986/1987年冬季开始,东亚冬季风减弱;约2005年之后,东亚冬季风开始由弱转强。与东亚冬季风的年代际变化特征相对应,东亚冬季大气环流以及中国冬季气温和寒潮都表现出一致的年代际变化。(3)东亚冬季风的年代际变化与大气环流和太平洋海表温度(SST)的区域模态变化密切相关。当北半球环状模/北极涛动(NAM/AO)和太平洋年代际振荡(PDO)处于负(正)位相,东亚冬季风偏强(弱),中国冬季气温偏低(高)。此外,北大西洋年代尺度振荡(AMO)对东亚冬季风也有重要影响,在AMO负位相时,对应东亚冷期(强冬季风),正位相对应暖期(弱冬季风)。因而海洋的年代际变化是造成东亚冬季风气候脉动的主要自然原因,而全球气候变暖对东亚冬季风强度的减弱也有明显影响。     

太平洋年代际振荡对中国冬季最低气温年代际变化的贡献

基于1961—2013年中国台站的均一化气温数据、NOAA月平均海温资料和CMIP5气候模式数据,利用气候统计手段,定量分析太平洋年代际振荡（PDO）对中国冬季最低气温年代际变化的贡献。结果表明：PDO的年代际序列与年代际滤波后的最低气温场在全国大部分地区呈显著正相关,即PDO负位相时中国冬季最低气温偏低,反之偏高。2006年后中国冬季最低气温变暖减缓,造成这一现象的主要原因是自然变率起到的降温作用,而自然变率又主要由PDO起主导作用,约占自然变率贡献的40%左右。PDO对温度的贡献呈现出明显的年代际变化,在变暖减缓期对升温有明显的负贡献,且负贡献逐渐增大至超过50%。     

北半球冬季阿留申低压－冰岛低压相关关系的年代际变化及其模拟

使用多种长期观测和再分析资料,分析了北半球冬季阿留申低压和冰岛低压相关关系的年代际变化。结果表明,两低压存在显著的负相关关系,使北太平洋和北大西洋海平面气压形成跷跷板式的变化(Aleutian Low-Icelandic Low Seesaw,AIS)。此外,AIS还存在显著的年代际变化,在1935~1949年和1980年后较为显著,其余时期并不显著。对1980年代的年代际转变分析表明,太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)在1970年代末的位相转变是AIS这次年代际转变的主要原因。PDO由负位相转变为正位相,使全球大部分大洋海表温度升高,而北太平洋海表温度降低,两低压显著变深,低压南部西风增强,从而通过Rossby波的频散效应使两低压强度形成显著负相关。1930年代中期的年代际转变与此类似,但强度较弱。同时,年代际背景的变化也影响到两低压的年际变化。在给定海表温度和海冰分布的驱动下,大气环流模式IAP AGCM4能基本模拟出AIS年代际转变的过程和机理,但仍存在一些偏差。     

中国北方近百年干湿变化与太平洋年代际振荡的关系

利用CRU(Climate Research Unit)1901～2002年全球0.5°×0.5°网格点月降水和月平均气温资料,利用一个能够用于检测地表干湿变化的湿润指数,对中国北方四个典型地区干湿演变特征及与北太平洋年代际振荡的关系进行了初步的分析.结果发现:降水和湿润指数在表征干湿变化的特征时有明显的差别,特别是在干旱和半干旱地区,增暖也是影响干湿变化的一个重要因素.相关分析表明,华北和西北东部的年干湿变化与同期太平洋年代际振荡(简称PDO)指数有密切的关系,PDO指数的正位相对应两个地区的干旱时段,负位相则对应两个地区的湿润时段,而新疆南部与PDO指数同期呈显著的正相关关系,即当PDO为正位相时,该地区为湿的时段,负位相对应干的时段.以100°E为界,北方的东部干湿变化与太平洋年代际振荡指数呈反相关,而西部则相反,与PDO呈正相关关系.     

1880—2010年中国东部夏季降水年代际变化特征

利用1880—2010年中国东部66站夏季降水数据,开展夏季长序列降水的年代际变化特征研究。结果表明,中国东部夏季降水年代际变化特征显著,华北、江淮和华南地区存在明显的差异。经验正交分解结果表明,偶极型("-+"和"+-")和三极型("+-+"和"-+-")分布是中国东部夏季的两种主要降水模态。夏季500 h Pa高度场年代际分量与同期太平洋SST典型相关分析(BP-CCA)得出,太平洋年代际振荡(PDO,Pacific Decadal Oscillation)正位相可以激发出负的PJ型遥相关波列,导致长江中下游地区降水偏多,华北降水偏少;反之亦然。同时,通过滑动相关分析发现,中国东部不同区域的夏季降水对PDO不同位相的响应特征存在差异。     

我国华南3月份降水年代际变化的特征

利用1951～2005年华南3月份降水资料、太平洋年代际振荡(PDO)指数以及NCEP再分析资料,对华南3月份降水年代际变化特征、及其对应的大尺度环流以及与PDO的关系进行了分析。结果表明,华南3月份降水存在显著的年代际变化特征,并且Mann-Kendal突变检验表明华南3月份降水在1978年左右发生年代际突变,从之前的降水偏少转变为降水偏多。我国华南3月份降水与PDO有着显著的相关。进一步研究表明,在年代际降水偏少时期,PDO处于负位相(北太平洋海温偏高,中东太平洋海温偏低),北太平洋海平面气压场和高度场偏高,亚洲大陆海平面气压场和高度场偏低,赤道西太平洋到赤道东印度洋附近的海平面气压场偏低,赤道辐合带附近地区的高度场偏低,东亚对流层大气偏暖,西太平洋副热带高压偏东,东亚高空急流偏北,东亚Hadley环流偏弱。在年代际降水偏多时期,PDO处于正位相,情况则与降水偏少时期相反。     

冬季北太平洋海温主模态在1990年前后调整及其成因初探?

太平洋年代际振荡(PDO)和北太平洋涡旋振荡(NPGO)是北太平洋(20°~60°N,120°E~120°W)海温(SST)的EOF前两个模态,本文通过比较1990年前后北太平洋冬季SST EOF前两个模态,揭示了PDO和NPGO在1990年前后特征,并从关键区海温变化、北太平洋涛动(NPO)、赤道太平洋中部变暖(CPW)和北极涛动(AO)的影响,揭示了北太平洋主模态在1990年之后调整的成因。我们发现,1990年之前,北太平洋SST场的EOF前两个模态与PDO和NPGO的空间结构类似,但是在1990年之后,SST的EOF第一模态的最大荷载中心向日界线移动,40°N以北的太平洋被正的SST异常控制,表现出与NPGO模态的负位相相似的空间分布特征,而EOF第二模态由偶极子演变成了三极子结构。北太平洋中部(28°~36°N,152°~178°W)和北太平洋北部(44°~49°N,151°~177°W)海温距平在1990年之后呈显著的负相关变化,是导致在1990年之后冬季NPGO成为主模态的内部原因,而NPO在1990年之后的显著增强则是重要的外部原因。分析显示,NPO在1980年开始表现出增强趋势,通过风生流机制,NPO可以增强北太平洋45°N附近的气压梯度和西风异常幅度,从而导致了1990年之后NPGO海温模态的加强。虽然CPW和AO对NPO的南支(夏威夷)和北支(阿拉斯加)的海平面气压异常中心加强有贡献,但是上述两个因子与NPGO之间的关系在1990年之前并不明显。因此,CPW和AO与NPGO之间并不存在稳定的物理联系。     

中国东部夏季降水型的年代际变化及其与北太平洋海温的关系

采用中国160站降水资料、NOAA ERSST海温资料以及ERA－40大气再分析资料, 分析了中国东部夏季降水型的年代际变化特征及其与北太平洋海温的可能联系。结果表明: 中国东部夏季降水型在近50年中经历了两次年代际变化, 第1次发生在20世纪70年代中后期, 北太平洋中纬度地区冬季海温由正距平向负距平转变, 太平洋年代际振荡(PDO, Pacific decadal oscillation) 由负位相向正位相转变, 通过影响东亚夏季风环流, 使东亚夏季风减弱, 中国东部夏季降水从北到南呈现出“＋－＋” 转变为“－＋－”的三极分布形态, 这次年代际变化体现了同一模态正负位相的转变; 第2次发生在20世纪80年代末90年代初, 北太平洋海温转变为日本以南西北太平洋的正距平分布, 同时菲律宾群岛附近海温偏暖, 西太平洋副热带高压偏南偏西, 使得中国东部夏季降水由北至南转变成“－＋”的偶极分布形态, 这次年代际变化体现了一种模态向另一种模态的转变。     

北大西洋多年代际振荡正、负位相期间欧亚夏季副热带波列季节内活动特征及与印度降水的联系

利用美国国家环境预测中心与国家大气研究中心（NCEP/NCAR）逐日再分析资料,针对北大西洋多年代际振荡（AMO）两个不同位相,对逐候200 hPa经向风异常进行EOF分析,发现在AMO正、负位相期间,欧亚副热带波列的季节内活动存在明显差异。利用超前—滞后回归,对比了不同AMO位相下副热带波列及其相联系的印度夏季降水的季节内活动演变特征,分析有关的大气环流,探究波列影响降水的机制。结果表明:在AMO负位相期间,由格陵兰岛以南北大西洋经大不列颠岛、地中海、黑海—里海向南亚北部传播的副热带波列的季节内演变,在印度中部引起下沉,导致中部及西北部季节内降水减少,波列负位相相反;在AMO正位相期间,副热带波列西起冰岛以南北大西洋经丹麦南部、俄罗斯西部、中亚向南亚东北部传播,对应该波列的季节内演变,辐合上升区在印度中部和东西两侧,使得该区域季节内降水增加,波列负位相相反。于是,AMO通过调制夏季欧亚副热带波列的季节内活动,可以对印度夏季降水的季节内变化空间型及演变发挥显著影响。     

大西洋多年代际振荡对东亚气候影响的综述

本文综述了近年来有关大西洋多年代际振荡（AMO）及其对东亚气候影响的研究进展,主要包括AMO的形成机制与指数定义、AMO对东亚夏季和冬季气候的影响、AMO与其他大洋的协同作用。目前,关于AMO的形成机制仍有不同意见,传统观点认为AMO是气候系统内部过程尤其是大西洋经向翻转流造成的,但近期有工作指出AMO是气溶胶、火山喷发等外强迫驱动产生或是海洋对大气随机强迫的一种响应。AMO可以通过三种途径调制东亚夏季气候,当AMO处于正位相时,东亚夏季风加强、降水增多、气温升高,反之亦然。同时,AMO正位相有利于东亚冬季风偏强,欧亚大陆中纬度及中国北方偏冷;负位相时则大体相反。鉴于AMO的重要作用,加深理解AMO形成机制及其对东亚气候影响有益于提升东亚气候的年代际预测水平。     

冬季太平洋海温的年代际变化对亚洲地表气温异常的影响

本文利用1951年～1999年冬季海温场(SST)再分析资料，分析得到20世纪70年代中期太平洋年代际振荡(PDO)由负(冷)位相转为正(暖)位相，发生了显著的年代际变化。SVD分析冬季北太平洋SST与亚洲地表温度(SAT)的结果表明，PDO的年代际变化对亚洲SAT北部的增暖有显著的影响。这种影响主要是通过海气间的相互作用间接对亚洲SAT产生作用。当PDO模态进入暖位相的时候，北半球SLP场主要表现出强阿留申低压，弱西伯利亚高压和中低纬气压加强的特征，SLP场的这种变化有利于中纬度西风带的加强，使得亚洲北部大部分区域冬季增暖明显。     

太平洋年代际振荡与江苏夏季雷暴日数年代际变化的联系

利用1961年1月至2012年12月太平洋年代际振荡指数(Pacific Decadal Oscillation Index,PDOI)、NCEP/NCAR再分析环流数据集和江苏13个市级观测站点的夏季雷暴日数观测资料,分析了PDO与江苏夏季雷暴日数年代际变化的联系及其可能原因。结果表明,春季PDOI与江苏夏季雷暴日数均具有明显的年代际波动,两者年代际变化的趋势几乎相反:20世纪70年代中期以前和2006年以来,均对应PDO的冷位相和江苏夏季雷暴的多发时期,而20世纪70年代中后期至21世纪初,PDO处于暖位相期,江苏夏季雷暴频数明显偏少。PDO冷期,欧亚大陆和西太平洋地区夏季海平面气压和500 h Pa位势高度呈现大范围的负距平环流异常,近地面亚洲热低压显著增强,对流层中层极涡易于偏向亚洲区,青藏高原北部亚洲中部大槽加深,西太平洋副热带高压偏弱偏东,印缅槽偏强。在此环流形势下,夏季江淮流域上空低层有较强的异常西南水汽输送,江苏上空低层偏湿、中层偏干,上干下湿的垂直分布有利于对流不稳定的产生。同时,PDO冷期,江苏上空低层辐合、高层辐散,有明显的上升运动,并具有较强的低层垂直风切变,为夏季雷暴的发生、发展提供了有利的气象条件;PDO暖期,则情况相反。PDO作为一种比较稳定的年代际尺度的气候变率强信号,其对应的环流异常为雷暴现象这类中小尺度天气现象的发生、发展提供了重要的环境背景和气象条件。     

冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温异常的联系

利用1979—2015年ECMWF逐日再分析资料,通过EOF分解和回归分析研究了冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与海表面温度异常(SSTA)和大气环流异常之间的联系。研究结果表明:冬季中纬度北太平洋地区850 h Pa低频尺度环流存在3个明显的变化模态:第一模态为海盆尺度的单极型异常气旋(反气旋)式环流,同期太平洋SSTA呈现El Ni1o(La Ni1a)以及PDO暖位相(冷位相)空间分布,阿留申低压强度增强(减弱),对流层中高层是正位相(负位相)的PNA型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴中东部南压(北抬);第二模态为在白令海峡和副热带地区呈气旋式与反气旋式环流南北向偶极型变化,同时中纬度北太平洋SSTA呈现NPGO(North Pacific Gyre Oscillation)正位相(负位相)的空间分布,黑潮区域SSTA偏暖(偏冷),北太平洋SSTA经向梯度加大(减小),对流层中高层为负位相(正位相)的WP型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴整体偏北(偏南),强度增强(减弱);第三模态为北太平洋中西部和北美西岸呈气旋式与反气旋式环流东西向偶极型异常,黑潮区域SSTA偏冷(偏暖)而北太平洋东部SSTA偏暖(偏冷),SSTA纬向梯度加大(减弱),同时赤道东太平洋出现类似La Ni1a(El Ni1o)的SSTA分布,北太平洋天气尺度风暴轴中东部明显减弱(加强)而西部略有加强(减弱)。     

IPO调节大西洋纬向模对澳大利亚秋季降水年际变动的影响

采用1900-2014年115 a的观测和再分析资料,使用滤波、线性相关等方法,研究太平洋年代际振荡(Interdecadal Pacific Oscillation,IPO)调节大西洋纬向模(Atlantic Zonal Mode,AZM)对澳大利亚秋季降水年际变动的调节作用及机制.结果 表明,当IPO位于正位相时,...     

加利福尼亚附近的海温强迫及其与北太平洋年代际振荡的可能联系

本文利用1958～2018年期间海表面温度（SST）异常和湍流热通量异常变化的关系,探讨了其与北太平洋年代际振荡（PDO）相关的年际和年代际时间尺度上在不同海域的海气相互作用特征。结果表明:在年际尺度上,黑潮—亲潮延伸区（KOE）表现为显著大气强迫海洋,赤道中东太平洋表现为显著海洋强迫大气;在年代际尺度上,PDO北中心表现为大气强迫海洋,加利福尼亚附近则表现为显著海洋强迫大气。进一步分析表明:加利福尼亚附近区域是北太平洋准12年振荡的关键区域之一,与PDO准十年的周期类似,加利福尼亚附近的冷（暖）海温对应其上有反气旋（气旋）型环流,赤道中太平洋海水上翻和北太平洋东部副热带区域经向风应力的变化是北太平洋准12年振荡的另外两个重要环节。