Characteristics of the Asian–Pacific Oscillation in Boreal Summer Simulated by BCC_CSM with Different Horizontal Resolutions

The summer Asian–Pacific Oscillation(APO) is a major teleconnection pattern that reflects the zonal thermal contrast between East Asia and the North Pacific in the upper troposphere. The performance of Beijing Climate Center Climate System Models(BCC CSMs) with different horizontal resolutions, i.e., BCC CSM1.1 and BCC CSM1.1(m), in reproducing APO interannual variability, APO-related precipitation anomalies, and associated atmospheric circulation anomalies, is evaluated.The results show that BCC CSM1.1(m) can successfully capture the interannual variability of the summer APO index. It is also more capable in reproducing the APO's spatial pattern, compared to BCC CSM1.1, due to its higher horizontal resolution. Associated with a positive APO index, the northward-shifted and intensified South Asian high, strengthened extratropical westerly jet, and tropical easterly jet in the upper troposphere, as well as the southwesterly monsoonal flow over North Africa and the Indian Ocean in the lower troposphere, are realistically represented by BCC CSM1.1(m), leading to an improvement in reproducing the increased precipitation over tropical North Africa, South Asia, and East Asia, as well as the decreased precipitation over subtropical North Africa, Japan, and North America. In contrast, these features are less consistent with observations when simulated by BCC CSM1.1. Regression analysis further indicates that surface temperature anomalies over the North Pacific and the southern and western flanks of the Tibetan Plateau are reasonably reproduced by BCC CSM1.1(m), which contributes to the substantial improvement in the simulation of the characteristics of summer APO compared to that of BCC CSM1.1.     

Impacts of the leading modes of tropical Indian Ocean sea surface temperature anomaly on sub-seasonal evolution of the circulation and rainfall over East Asia during boreal spring and summer

The two leading modes of the interannual variability of the tropical Indian Ocean (TIO) sea surface temperature (SST) anomaly are the Indian Ocean basin mode (IOBM) and the Indian Ocean dipole mode (IODM) from March to August. In this paper, the relationship between the TIO SST anomaly and the sub-seasonal evolution of the circulation and rainfall over East Asia during boreal spring and summer is investigated by using correlation analysis and composite analysis based on multi-source observation data from 1979 to 2013, together with numerical simulations from an atmospheric general circulation model. The results indicate that the impacts of the IOBM on the circulation and rainfall over East Asia vary remarkably from spring to summer. The anomalous anticyclone over the tropical Northwest Pacific induced by the warm IOBM is closely linked with the Pacific–Japan or East Asia–Pacific teleconnection pattern, which persists from March to August. In the upper troposphere over East Asia, the warm phase of the IOBM generates a significant anticyclonic response from March to May. In June and July, however, the circulation response is characterized by enhanced subtropical westerly flow. A distinct anomalous cyclone is found in August. Overall, the IOBM can exert significant influence on the western North Pacific subtropical high, the South Asian high, and the East Asian jet, which collectively modulate the precipitation anomaly over East Asia. In contrast, the effects of the IODM on the climate anomaly over East Asia are relatively weak in boreal spring and summer. Therefore, studying the impacts of the TIO SST anomaly on the climate anomaly in East Asia should take full account of the different sub-seasonal response during boreal spring and summer.     

夏季亚洲对流层中上层温度年际变率的预测水平评估及其在我国东部降水预测中的应用

夏季亚洲对流层温度异常与中国东部夏季降水紧密相关并可能作为降水的有效预报因子。基于欧盟ENSEMBLES计划的季节预测试验耦合模式每年5月1日开始的回报试验，分析了其对1960～2005年夏季亚洲对流层中上层温度（以200～500 hPa厚度替代，简称对流层温度）年际变率的预测结果，发现模式集合平均对夏季亚洲对流层温度年际变率具有较高的预报技巧，可以合理回报其前两个EOF（Empirical Orthogonal Function）主导模态（EOF1、EOF2），只是未能回报出EOF2高纬度的温度异常，模式集合平均预测的第一模态主成分（PC1）和第二模态主成分（PC2）与再分析资料的时间相关系数分别达到0.63和0.77。再分析资料中前两个EOF模态分别由ENSO（El Ni?o–Southern Oscillation）发展年印度夏季降水异常所激发的丝绸之路遥相关波列和ENSO衰减年西北太平洋夏季降水异常对应的太平洋—日本遥相关波列导致。ENSEMBLES计划可以合理预测出相应的海温异常及遥相关波列，进而合理预测出前两个EOF模态。对流层温度PC1和PC2分别表征了欧亚大陆与周围海洋之间的纬向和经向热力对比异常，模式对由PC1的预报技巧远高于前人定义的纬向热力对比的东亚夏季风指数，对前人定义的经向热力对比指数的预测技巧与PC2相当。将PC1和前人定义的经向热力对比指数作为预报因子，建立了中国夏季降水的动力—统计降尺度预测模型，交叉检验的结果表明该预报模型显著提高了东北和长江流域上游夏季降水的预报技巧。本文提出的亚洲对流层温度年际变率的EOF1及PC1，既能较好表征纬向热力对比与中国东部夏季降水显著相关，又能被模式合理预测，可以作为我国中高纬度地区，特别是东北地区降水的重要预测因子之一。     

ASIAN-PACIFIC OSCILLATION IN AUTUMN AND ITS RELATIONSHIPS WITH THE SUBTROPICAL MONSOON IN EAST ASIA

Based on the 1961-2010 NCEP/NCAR reanalysis, this work uses empirical orthogonal function(EOF) and composite analysis to study the distributions of zonal land-sea thermal contrast between Asia and the Pacific during transitions from the summer monsoon to the winter monsoon in East Asian subtropics, and investigates the interannual variations of the thermal contrast and their relationships with circulation systems over the East Asian subtropics. The findings are as follows. 1) In autumn, the interannual variations of the temperature deviation in the middle and upper troposphere show significant east-west out-of-phase teleconnection over Asia and the central and eastern Pacific, i.e. the Asian-Pacific Oscillation, or APO. 2) While not as significant as in summer with regard to coverage and intensity, the APO shows interannual variations in autumn that well depicts the change in the intensity of the subtropical monsoon. In the high(low) APO year, the current subtropical summer monsoon is strong(weak) and the winter monsoon is weak(strong) in East Asia as derived from the general circulation and wind field of the East Asian-Pacific region.     

Interannual variation of the Asian-Pacific oscillation

Previous studies have identified an Asian-Pacific Oscillation (APO) teleconnection pattern, which exhibits an out-of-phase relationship in the summer tropospheric temperature with warming over the Eurasia and cooling over the Northern Pacific and the Northern America, and vice versa. But the interannual variation of this teleconnection remains obscure. This study points out that interannual variation of the APO teleconnection is associated with the second empirical orthogonal function (EOF) mode of the northern-hemisphere upper tropospheric temperature during boreal summer, which accounts for 14% of the variance. A heat budget analysis is conducted for the Eurasian region and the North Pacific region respectively to reveal the cause of the zonal dipole mode temperature structure. For the Eurasia region, the warming is contributed by the adiabatic heating process due to downward vertical motion anomalies. For the Northern Pacific region, the temperature variation is mainly contributed by zonal advection associated with interannual zonal wind perturbation acting on the climatological temperature gradient. Composite analysis and numerical experiments with an atmospheric general circulation model (AGCM) shows the interannual zonal wind perturbation is related to the sea surface temperature anomalies over the equatorial eastern Pacific.     

BCC模式对北半球阻塞高压的模拟偏差评估及原因

基于NCEP/NCAR、日本气象厅的JRA55以及欧洲中期预报中心（ECMWF）最新发布的ERA5三套逐日再分析资料数据,考察国家气候中心中等分辨率（约110 km）的气候系统模式BCC-CSM2-MR和单独大气模式BCC-AGCM3-MR对北半球中高纬度阻塞高压（阻高）的模拟能力。再分析数据分析结果表明:“北大西洋—欧洲地区”以及“北太平洋中部地区”分别为北半球阻高发生的最高频及次高频区域;冬春季为阻高高发季节,夏秋季阻高频率减少至冬春季的一半左右;ERA5再分析资料中各个季节的阻高频率均高于另两套资料结果,尤其在北太平洋地区。模拟评估结果显示,单独大气模式BCC-AGCM3-MR对北半球中高纬度阻高发生频率、空间分布和季节变化特征均有较好的模拟能力,其主要偏差表现为冬春欧亚大陆特别是乌拉尔山地区阻高频率偏高,而北大西洋地区阻高频率偏低;春季北太平洋阻高频率偏低。这与模式北半球高纬度地区500 hPa位势高度场气候态偏差有关。BCC-CSM2-MR耦合模式的阻高模拟偏差总体与大气模式类似。但耦合模式中冬季欧亚大陆特别是乌拉尔山地区阻高频率减小、北太平洋春季阻高频率增大,模拟偏差减小。同时,耦合模式能够再现夏季北太平洋东西阻高频率双峰值特征。因此,海气耦合过程有助于改善对欧亚及北太平洋地区阻高频率模拟。阻高频率年际变率受到气候系统内部变率不确定性的较大影响,这也是制约阻高预测水平的重要因素。     

北太平洋混合层深度异常及其与中国夏季降水的关系

利用GODAS逐月混合层深度(mixed layer depth,MLD)资料和中国160站逐月降水资料,分析了北太平洋MLD多年平均气候及异常特征,进一步研究了其对中国夏季降水年际异常的影响.结果表明:1)北太平洋30 ～ 40°N之间混合层最深,冬、春季明显大于夏、秋季.2)日期线附近的北太平洋中部海域是各季MLD年际异常共同最显著区域;仅夏季MLD年际异常与ENSO存在一定关系;秋、冬和春季MLD还存在明显年代际异常特征.3)当前冬北太平洋西部及中部MLD加深时,次年黄河下游部分地区、黄淮、江淮及长江以南大部分地区(广西南部除外)降水将偏少;河套地区、内蒙东部及东北大部降水可能偏多.     

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟II：热带太平洋强迫

利用一个全球海气耦合模式(BCM),结合观测资料,讨论了热带太平洋强迫对北大西洋年际气候变率的影响。研究表明,BCM能够相对合理地模拟赤道太平洋的年际变率模态及相应的海温距平型和大气遥相关型,尽管其准3年的振荡周期过于规则。来自数值模式和观测上的证据都表明,北大西洋冬季海温的主导性变率模态,即自北而南出现的“- -”的海温距平型,受到来自热带太平洋强迫的显著影响,其正位相与赤道中东太平洋冷事件相对应。换言之,赤道太平洋暖事件的发生,在太平洋-北美沿岸激发出PNA遥相关型,进而通过在北大西洋产生类似NAO负位相的气压距平型,削弱本来与NAO正位相直接联系的三核型海温距平。北大西洋三核型海温距平对热带太平洋强迫的响应,要滞后2—3个月的时间。     

中国东北地区气温变化的模拟评估与未来情景预估

基于RegCM4区域气候模式、CMIP5全球气候模式数据集和中国东北地区162个气象站气温观测资料,采用偏差分析和相关分析评估了RegCM4和CMIP5对东北地区气温的模拟能力,预估了RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5排放情景下东北地区未来气温的变化.结果表明:区域模式和全球模式均能较好地再现气温时空变化特征,模...     

中国华南春季季风及其与大尺度环流特征的关系

定义了中国华南春季季风，并用NCEP／NCAR再分析资料研究了春季风的气候特征以及春季风降水和大尺度环流在年际变化上的关系。结果表明，从降水和大气环流的变化来看，华南春季风在气候上发生于4月和5月；与华南春季风相联系的大气环流特征与夏季风和冬季风所对应的大气环流特征完全不同。华南春季风降水的年际变化主要与太平洋北部的异常环流相关联，而这种异常环流又与亚洲北部的西风急流和极地涡旋有联系；华南春季风降水的年际变化还与太平洋的海表温度异常有关；而亚洲热带大气环流的年际变化与华南春季风降水的变化关系不大。     

Decadal and interannual variability of the Indian Ocean SST

The variability of the Indian Ocean on interannual and decadal timescales is investigated in observations, coupled model simulation and model experiment. The Indian Ocean Dipole (IOD) mode was specifically analyzed using a data-adaptive method. This study reveals one decadal mode and two interannual modes in the sea surface temperature (SST) of the IOD. The decadal mode in the IOD is associated with the Pacific Decadal Oscillation (PDO) of the North Pacific SST. The two interannual modes are related to the biennial and canonical components of El Niño-Southern Oscillation (ENSO), consistent with previous studies. This study hypothesizes that the relation between the Indian Ocean and the North Pacific on decadal scale may be through the northerly winds from the western North Pacific. The long simulation of Community Climate System Model version 4 also indicates the presence of IOD modes associated with the decadal PDO and canonical ENSO modes. However, the model fails to simulate the biennial ENSO mode in the Indian Ocean. The relation between the Indian Ocean and North Pacific Ocean is further supported by the regionally de-coupled model experiment.     

东亚夏季经向水汽输送的变异及其对极端降水的影响

东亚夏季降水的异常与水汽输送的变异密切相关。基于1958—2016年资料,研究了夏季东亚季风区经向水汽输送的主要变异特征及其对东亚夏季极端降水的影响。经向水汽输送的第一主变异模态表现出中国东部和西北太平洋上的水汽经向输送呈现反向异常,以年际变化为主。当中国东部向北输送的水汽增强(减弱)而西北太平洋向北输送减弱(增强),则中国东部大范围的极端降水量及频次增加(减少)。该模态与西太(西太平洋)副高西伸(东撤)有关,并主要受到热带中东印度洋海温的影响。第二变异模态以年代际变化为主兼有年际变化,表现在1980年后中国东部及邻近海域上空的经向水汽输送减弱,使得环渤海地区和华南沿海的极端降水量及频次减少而长江上、下游和贵州的极端降水量及频次增加。该模态与西太副高的减弱有关,并受到热带西太海温年代际增温的影响。第三变异模态以年际变化为主兼有年代际变化,反映中国长江以北地区和日本南部及附近区域的经向水汽输送的反相变化结构。长江以北水汽输送减弱(增强),可导致华北、东北的极端降水量及频次减少(增加)和长江下游及江南地区的极端降水量及频次的减少(增加)。该模态主要受欧亚大陆上空中高纬度纬向遥相关波列和热带印太（印度洋太平洋）海温异常的影响。      

东亚季风指数及其与大尺度热力环流年际变化关系

将东西向海平面气压差与低纬度高、低层纬向风切变相结合 ,定义了东亚季风指数 ,该季风指数较好地反映了东亚冬、夏季风变化。其中 ,夏季风指数年际异常对西太平洋副热带高压南北位置变化和长江中下游旱涝具有较强的反映能力。分析表明 :东亚夏季风年际变化与印度洋 -西太平洋上空反 Walker环流及夏季越赤道南北半球间的季风环流呈显著正相关关系。在强、弱异常东亚夏季风年份 ,异常的 Walker环流在西太平洋上的辐合 (辐散 )中心在垂直方向不重合 ,高层 ( 2 0 0 h Pa)速度势与东亚夏季风显著相关区域位于西北太平洋上 ,该异常环流的高层的辐合 (辐散 )通过改变低层空气质量而影响夏季 50 0 h Pa西北太平洋副热带高压。采用 SVD分析进一步发现 :与海温耦合的异常 Walker环流在西太平洋上空的上升支表现出南北半球关于赤道非对称结构 ,亚澳季风区受该异常 Walker环流控制。因而 ,东亚季风与热带海气相互作用可直接通过这种纬向非对称的 Walker环流发生联系。     

亚澳季风异常与ENSO准四年变化的联系分析

分析了赤道地区纬向风的年际变化特征，以及亚澳季风与ENSO在各个位相的联系。结果表明：赤道纬向风变化与中东太平洋海温变化在准四年周期上是强烈耦合的；在El Eino期间东亚冬季风弱，夏季风强，而南亚夏季风弱，反之，在La Nina期间东亚冬季风强，夏季风弱，而南亚夏季风强；东亚地区的异常北风有利于西太平洋西风异常爆发，使得东太平洋海温升高，但只有随后在中东太平洋出现持续性西风异常，El Nino才能发展，其中来自太平洋中部的异常北风（并不是来自东亚大陆地区）和南太平洋中部的异常南风的辐合对中东太平洋出现持续性西风异常起重要的作用，尤其是澳大利亚东北部的季风异常的影响更为显。     

春夏季赤道中东太平洋海温异常变化与东亚夏季风关系的研究

利用1951—2003年的Ni?o1+2, 3, 4和3.4区的海温异常指数, 分析了各个海区3—8月海温异常随时间的变化与我国夏季降水的关系。研究发现4个海区海温异常变化与我国长江流域、江南地区、华北地区以及西北东部地区的夏季降水都有较高的相关性。合成分析表明:在海温异常随时间变化为正的年份, 上述地区的夏季降水偏少; 在海温异常随时间变化为负的年份, 情况正好相反。在此基础上, 分析了Ni?o3.4区的海温异常变化和高低空纬向风垂直切变之间的关系, 发现海温异常变化与东亚夏季风的环流场之间也有很好的关系。由合成分析结果发现, 在海温异常变化分别为正和负的年份, 500 hPa高度距平场、850 hPa纬向风距平场、850 hPa流场距平场, 200 hPa纬向风距平场及高低空纬向风距平切变均具有显著的差异, 尤其是在长江流域以南、南海及我国的东北地区都呈相反的分布形势。因此, Ni?o3.4区的海温异常随时间的变化可以为东亚夏季风和我国夏季降水的预报提供一定的依据。     

有关南半球大气环流与东亚气候的关系研究的若干新进展

南半球大气环流是全球大气环流的重要组成部分,也是影响气候变化和亚洲季风系统的一个重要因素.中国气象学家很早就注意到南半球大气环流对东亚夏季风降水的影响.近年来,有关南半球气候变率的研究目前正受到世界气象学家越来越多的关注.南半球中高纬大气资料的丰富及南极涛动的确定,使得认识南半球高中纬环流的年际变动规律及其与东亚气候关系成为可能.本文主要介绍近年来有关南极涛动的年际变化与沙尘天气发生频次及东亚冬春季气候的关系,古气候资料揭示的南极涛动与华北降水的关系,以及南半球大气环流与长江中下游夏季降水的关系和南极涛动变率的可预测性等方面的研究进展.并对未来研究方向作了初步的展望.     

Interannual variability of the South Pacific Ocean in observations and simulated by the NCEP Climate Forecast System,version 2

The mechanism of the South Pacific Ocean Dipole (SPOD) mode is examined, using a 50-year simulation of the Climate Forecast System, version 2 (CFSv2) and 50-year observation-based ocean–atmosphere analyses (1961–2010). It is shown that the SPOD, a sea surface temperatures (SST) seesaw between the subtropics and extratropics, is the dominant mode of the interannual variability in the South Pacific in both observations and CFSv2 simulation. CFSv2 also reproduces the seasonal phase-locking of the observed SPOD, with the anomaly pattern developing in austral spring, peaking in summer, and decaying in autumn. Composite analyses based on both observational and model data suggest that in the warm phase of SPOD, positive SST anomaly (SSTA) is initiated by weakened westerly winds over the central South Pacific in austral spring, which suppress the surface evaporative heat loss and reduce the oceanic mixed layer depth, both contributing to the SST warming. The wind-SST-mixed layer anomalies then evolve coherently over the next two seasons while the cold SSTA develops to the north. The wind perturbations are in turn a response to El Niño-Southern Oscillation (ENSO), which forces an atmospheric planetary wave train, the Pacific-South American pattern, emanating from an anomalous heat source in the tropical western Pacific. Moreover, SPOD is significantly correlated with the southern annular mode (SAM) while the latter is also significantly correlated with the ENSO index. This suggests that ENSO’s influence on the SPOD may be partially conveyed through SAM.     

季风指数及其年际变化I·环流强度指数

季风环流可以分解为经向环流和纬向环流。使用NCEP和ECMWF再分析资料,计算亚洲季风区的经向动量环流和纬向动量环流强度的季节内和年际变化,结果表明:对于南亚夏季风和东南亚-西太平洋夏季风,其各自的经向环流和纬向环流的季节内变化和年际变化存在着相当的联系,尤其东南亚-西太平洋夏季风。但南亚夏季风的经向环流和纬向环流的年际变化在不同月份有着不同的关系。对于东亚夏季风,经向环流和纬向环流变化之间的相关在季节内尺度上是线性独立的,而在年际尺度上存在一定的联系。作者指出:这种大尺度上的联系是通过科里奥利力发生作用,并且受热源调节的。同时局地的对流和辐射相互作用则在某种程度上削弱这种联系,导致在不同月份相关程度有所不同。从各季风系统的经向环流之间或纬向环流之间的线性相关看,南亚夏季风,东亚夏季风和东南亚-西太平洋夏季风是相互独立的系统。计算表明,Webster-Yang和Wang-Fan分别提出的南亚夏季风指数在描述纬向环流年际变化上较好,而在经向上勉强令人满意。Wang-Fan提出的描述东南亚-西太平洋夏季风指数,则较好地表示了该区域的经向和纬向环流的年际变化。Goswami提出的季风Hadley环流指数,以及郭其蕴、施能等提出的东亚夏季风指数则较好地描述了相应区域的经向环流圈年际变化,却无法描述相应的纬向环流圈的年际变化。通过计算还表明,NCEP再分析资料和ECMWF再分析资料在1968年以前的南亚季风区和东亚季风区存在着较大的差异。用NCEP再分析资料计算东亚季风区和南亚季风区经向动量环流圈的变率在20世纪60年代较ECMWF的偏大。用NCEP再分析资料计算施能等定义的东亚季风区指数,也较使用ECMWF再分析资料、UCAR的DS010.1及CRU的北半球海平面气压资料计算的偏大。     

冬季蒙古高压与北太平洋海温异常的年际尺度关系

蒙古高压和北太平洋海区的气压差被认为是造成东亚冬季风及其变化的重要原因,而过去有关的研究以其年代际时间尺度为多,本文的研究揭示了冬季蒙古高压和北太平洋海温异常(SSTA)在年际时间尺度上的相互关系.冬季蒙古高压的活动与太平洋年代际振荡(PDO)之间在年际时间尺度上也存在明显的负相关,冬季的强(弱)蒙古冷高压活动往往对应...     

亚洲夏季风的年际和年代际变化及其未来预测

本文是对我们近五年在亚洲夏季风年代际与年际变率及其未来预测方面研究的一个综述.主要包括下列三个问题:(1)根据123年中国夏季降水资料和印度学者的分析,检测出亚洲夏季风具有明显的年代际尺度减弱,这种年代际变化使中国东部(包括东亚)和南亚夏季降水的格局在过去60年中发生了明显变化.在东亚,从1970年代后期开始,主要异常雨带有不断南移的趋势,结果造成了南涝北旱的降水分布,这主要受到60～80年年代际振荡的影响.青藏高原前冬和春季积雪的年代际减少与热带中东太平洋海表温度的年代际增加是东亚降水型改变的主要原因,这是通过减弱亚洲地区夏季海陆温差与夏季风强度而实现的.未来亚洲夏季风的预测表明,东亚夏季风和南亚夏季风对气候变暖有十分不同的响应.东亚夏季风在本世纪将增强,雨带北推,尤其在2040年代之后;而南亚夏季风环流将继续减弱.这种不同的变化是由于两者对高低层海陆热力差异的不同响应造成.(2)年际尺度的变率在亚洲夏季风区主要表现为2年与4～7年的振荡.本文着重分析了2年振荡(TBO)形成的过程、机理及其对东亚降水的影响.对TBO-海洋机理进行了具体的改进,说明了东亚夏季风降水深受TBO影响的原因,尤其是阐明了长江型(YRV) TBO和淮河型(HRV) TBO的特征及其形成的循环过程.(3)在总结亚洲夏季风时期遥相关型的基础上,本文提出了季节内和年际尺度的低空遥相关型:即西北太平洋季风的遥相关型与印度“南支”和“北支”遥相关型.它们基本上反映了沿低空夏季风强风速带Rossby波群速度传播的结果.据此可以根据西北太平洋和印度夏季风的变化分别预测中国梅雨和华北雨季来临和降水异常.最后研究还表明,在本世纪亚洲夏季风可能更显著地受到人类活动造成的全球变暖的影响,未来的亚洲夏季风活动是人类排放的CO2引起的全球变暖与自然变化(海洋和陆面过程(积雪))共同作用的结果.