热带大气的主要振荡形式及其与厄尔尼诺现象的联系

二十年代初和八十年代初Walker和陈烈庭分别提出南方涛动(SO)和北方涛动(NO)的概念。八十年代末,符淙斌等从全球热带角度考察所谓北方涛动的存在及其与经典南方涛动的关系,结果证实了赤道两c侧反相气压振荡现象的存在,还发现低层大气中湿度、稳定度、云量、海面温度和海流等方面也存在类似于SO、NO的甚低频振荡现象,并把这种现象看作是热带海洋—大气系统的一个整体。除气压场外并不存在以赤道为对称的分支现象,从而提出了“低纬度涛动(LLO)”的概念。本文通过对全球热带地区几个主要等压面高度场及海温场EOF展开的头几个主要特征向量场的分析,发现热带低空大气具有东、西向振荡的特点(即低纬度涛动现象),而高空大气则以高低纬度之间的振荡为主,显示出与低空大气不同的特征。此外,E1Nino现象对高低空大气的影响程序和强度也不尽相同。     

赤道太平洋高低频纬向环流差异及其物理机制

利用1982—2017年欧洲中期天气预报中心再分析资料和美国国家大气海洋管理局的观测资料,分析了赤道太平洋高、低频海平面气压距平场的特征及差异,并通过诊断赤道太平洋海-气耦合的时间尺度,探讨了导致赤道太平洋高、低频纬向环流差异的原因。结果表明,南方涛动海平面气压东西跷跷板耦合现象只是在低频场中才存在,在高频场中并不存在。低频场上,主要受到热带最明显的年际信号(ENSO)的调控,海平面气压场和海表温度场呈现出东西振荡型。相比而言,在高频场上由于时间短,海、气异常还没有发生较好的耦合,气压场和风场呈现出全海域一致型。高频纬向环流与热带季节内振荡(MJO)紧密联系,具有明显的东传特征,传播速度大约为5 m/s,其变率方差的34%可以由MJO线性解释。相干谱分析表明海-气耦合具有时间依赖性,南方涛动通常只在20候以上的时间尺度才能存在,这与赤道海洋开尔文波横穿太平洋时间相当。     

90°E—170°W热带地区云量的低频变化

使用日本静止气象卫星(GMS)观测的候平均云量资料,分析了1978年5月—1984年12月和1978年5月—1981年12月两个时期内,印度洋中部(90°E)至太平洋(170°W)热带地区云量的低频变化特征。主要结果如下: 1.考查地区的云量存在两类低频振荡:30—60天的季节内振荡和周期为2—4年的年际振荡(可称之为甚低频振荡)。 2.在非厄尼诺时期,30—60天的低频振荡较明显,可以一直东传到中太平洋;有厄尼诺影响时,它的东传过程将受到抑制,主要限于130°E从西地区。 3.130°E以西地区的2—4年振荡,主要与厄尼诺/南方涛动的信息有关;在非厄尼诺时期,这一类振荡消失。     

大气涛动对全球低层大气环流的贡献

人们通常用海平面气压场的状况来反映低层大气环流的状态,而全球海平面气压场的变化最突出的特征表现为大气涛动的形式,即北大西洋涛动、北太平洋涛动、南方涛动和南极涛动。这四个大气涛动控制的区域范围大体覆盖了全球,能解释全球低层大气环流方差的３８．６％（６－８月）到４５．９％（１２－２月）。而各个涛动的独立贡献有显著的区域性,仅仅用四个大气涛动不能完整代表低层大气环流的结构。对于东亚、北美大陆等地的气候,     

西北太平洋热带气旋气候变化的若干研究进展

简要回顾了近年来国内外在西北太平洋热带气旋活动的季节、年际和年代际变化方面的研究,涉及到热带低频振荡、厄尔尼诺—南方涛动(EI Ni(n)o-Southern oscillation,ENSO)、印度洋海盆增暖、准两年振荡(quasi-biennial oscillation,QBO)等对西北太平洋热带气旋活动气候变化的影响,以及ENSO与热带气旋活动年际相关的年代际变化,展望了该领域的研究前景,并提出当前此研究领域中一些亟需研究的科学问题.     

高低层纬向风切变的年际变率及气候学意义

用1959～1998共40年全球格点风场资料计算了200 hPa与850 hPa的纬向风速差, 即对流层纬向风切变(简称TZWS),并在此基础上得到其距平值。为了全面考察对流层中环流异常的年际变率特征, 根据TZWS的标准差分布, 文中选出了7个TZWS标准差数值大于5 m/s的代表性区域。这7个区域分别位于赤道中太平洋、赤道东太平洋、北太平洋亚热带地区、南太平洋亚热带地区、赤道大西洋、亚洲西南部以及东北部。前5个分别位于赤道、亚热带太平洋和大西洋的区域TZWS指数, 其年际变率与ENSO循环有密切联系, 反映了热带海洋温度异常对低纬度地区对流层环流的影响; 后2个区域的TZWS指数反映的是亚洲西南部和东北部的气候统变率, 在年际时间尺度上与ENSO循环有着明显的区别。通过对全球陆地降水和温度场的分析, 比较了热带、副热带的TZWS指数以及北极涛动指数的异同, 发现后2个区域TZWS指数能很好且能独立反映出北半球中高纬度地区陆地降水及陆地温度的异常模态。     

热带太平洋地区海气系统的耦合振荡

本文讨论了东太平洋赤道海温和太平洋月平均云量距平的关系,结果表明:(1)东太平洋赤道海温距平和中太平洋赤道云量距平有很好的正相关,而与东、西太平洋赤道云量距平有很好负相关。所以太平洋赤道上空应该存在二个距平的东西向环流。(2)云和海温存在周期为34—38个月的耦合振荡,我们提出了云-辐射-海温机制来作解释。(3)在东太平洋海温暖水月的前12个月到后6个月期间,东太平洋赤道云量是负距平的(即偏少),这表明此期间可能是大气在影响海洋,亦即Walker环流影响海温变化,而不是海温影响了Walker 环流。海温和Walker环流是相互作用的,这种相互作用组成了大气和海洋之间的一种耦合振荡。(4)东太平洋海温、中太平洋云和北半球中、西太平洋信风亦有很好的相关。     

第三讲 OLR对低频振荡及ENSO过程的分析应用

热带大气运动有明显的时空尺度特征,其中的低频范围(>20天)以40—50天振荡及ENSO(厄尔尼诺/南方涛动)最为显著。40—50天的低频振荡最早由Madden和Julian提出。他们根据坎顿岛的探空及地面气压场资料,用谱分析的方法发现热带大气的风场和气压场的变化有明显的40—50天周     

气候模式CAS-ESM-C对1月热带太平洋流场模态的模拟评估

利用气候模式CAS-ESM-C从1922年起84年的模拟资料,对1月份热带太平洋上层流场作复EOF分解及小波分析,并与实况以及理论解析解作对比讨论,以考察模式对赤道大洋上层流场的模拟能力,得到主要结论：（1）复EOF分解前3个模态的方差贡献为53.5%、12.9%、9.5%,累积方差贡献为75.9%,累积方差贡献比实况更高。（2）第一、二模态空间场与实况相比总体相像,流场都为赤道所俘获,在俘获区内的流场均以偏纬向流为主;差异在于模拟资料分析的赤道俘获区范围较实况要大,流场的经向流分量及越赤道流也较实况明显。（3）第一、二模态实时间系数序列无线性变化趋势,而实况则有。复EOF模态年际及年代际变化与实况相同或相近;第一、二模态中3～7年的年际变化是厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）的反映;第一模态22～23年的年代际变化受北太平洋主要气候模态北太平洋年代际振荡（PDO）对热带太平洋的影响,而第二模态13年的年代际变化是受北太平洋次要气候模态北太平洋环流振荡（NPGO）对热带太平洋的影响;第一、二模态还都有峰值16年的年代际变化,这可能与印尼穿越流有关。（4）模拟资料分析的结果具有理论解析解中流...     

南极海冰涛动对北半球夏季大气环流的影响

南极海冰首要模态呈现偶极子型异常,正负异常中心分别位于别林斯高晋海/阿蒙森海和威德尔海。过去研究表明冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）型大气环流有显著影响,而AAO可以通过经向遥相关等机制影响北半球大气环流和东亚气候。本文中我们利用观测分析发现南极海冰涛动从5～7月（May–July,MJJ）到8～10月（August–October, ASO）有很好的持续性,并进一步分析其对北半球夏季大气环流的可能影响及其物理过程。结果表明,MJJ南极海冰涛动首先通过冰气相互作用在南半球激发持续性的AAO型大气环流异常,使得南半球中纬度和极地及热带之间的气压梯度加大,在MJJ至JAS,纬向平均纬向风呈现显著的正负相间的从南极到北极的经向遥相关型分布。对流层中层位势高度场上,在澳大利亚北部到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,在东亚沿岸从低纬到高纬呈现南北走向的“? + ?”太平洋—日本（Pacific–Japan,PJ）遥相关波列,其对应赤道中部太平洋及赤道印度洋存在显著的降水和海温负异常,西北太平洋至我国东部沿海地区存在显著降水正异常和温度负异常;低纬度北美洲到大西洋一带存在的负位势高度异常和北大西洋附近存在的正位势高度异常中心,构成一个类似于西大西洋型遥相关（Western Atlantic,WA）的结构,对应赤道南大西洋降水增加和南撒哈拉地区降水减少。从物理过程来看,南极海冰涛动首先通过局地效应影响Ferrel环流,进而通过经圈环流调整使得海洋性大陆区域和热带大西洋上方的Hadley环流上升支得到增强,海洋性大陆区域特别是菲律宾附近的热带对流活动偏强,激发类似于负位相的PJ波列,影响东亚北太平洋地区的大气环流,而热带大西洋对流增强和北传特征,则通过激发WA遥相关影响大西洋和欧洲地区的大气环流。以上两种通道将持续性MJJ至ASO南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球中高纬度经热带地区传递到北半球中高纬地区,从而对热带和北半球夏季大气环流产生显著影响。     

热带和中高纬地区季节内振荡的特征及其动力学诊断

使用5年低阶全球谱模式资料,对中高纬大气和热带大气季节内振荡的动力学性质和传播特征进行了诊断研究。分析发现模式再现了大气中季节内振荡在热带和中高纬地区的传播特性以及它们之间的差异。热带大气30—60天振荡在速度势场上表现为纬向—波结构和行波特性,而在散度风场上反映了赤道西太平洋—印度洋东西向偶极子型的振荡。中高纬大气30—60天振荡表现为定常波位相和振幅的变化,即波包络的传播特征。它与中高纬地区遥相关型的转换有关,通过遥相关位相和振幅的变化,不仅完成了热带和中高纬地区之间以及热带不同区域之间的能量输送,而且通过这种能量输送过程把南、北半球中高纬地区季节内振荡联系起来。      

东亚夏季风强度的多尺度统计预测模型

东亚夏季风强度的变化与中国雨带和旱涝分布密切相关。为了做好东亚夏季风强度的短期气候预测,采用小波分析、Lanczos滤波器、交叉检验等方法,研究了东亚夏季风强度的多尺度变化特征,在年际与年代际尺度上分别寻找了它在前冬海温场、200 hPa纬向风场上的前兆信号,并利用最优子集回归建立了东亚夏季风强度的多尺度统计物理预测模型。结果表明:东亚夏季风强度存在准4年、准13年和准43年的周期振荡。年际尺度上,前冬赤道东太平洋(10°N~10°S,160°W~80°W)海温与东亚夏季风强度有最强的显著负相关,且它与东亚夏季风强度在200 hPa纬向风场上的前兆信号有较强的负相关;年代际尺度上,南半球60°S与35°S附近200 hPa纬向风之差与东亚夏季风强度有最强的显著正相关,且它与东亚夏季风强度在热带印度洋、低纬度东南太平洋、低纬度南大西洋的海温及亚洲副热带200 hPa纬向风等前兆信号有强的正相关。通过探讨这两个前兆因子对东亚夏季风强度的预测意义,揭示了他们影响东亚夏季风强度年际和年代际变化的可能物理过程。所建立的东亚夏季风强度多尺度最优子集回归预测模型,不仅对东亚夏季风强度的年际变化具有较好的预测能力,而且对异常极值年份也具有一定的预测能力。     

副热带东太平洋低云对LASG耦合环流模式FGCM-0中"双ITCZ"的影响

与其他耦合环流模式一样,LASG耦合模式FGCM-0也存在虚假的“双ITCZ”。为了认识FGCM-0中“双ITCZ”,首先研究了FGCM-0的大气分量模式,剧INCAR(美国国家大气研究中心)的公用气候模式CCM3对秘鲁和加利福尼亚沿岸低云以及低层大气整体稳定度的模拟能力。发现：尽管CCM3模拟的低层大气整体稳定度与利用NCEP(美国国家环境预报中心)再分析资料分析的结果较一致,但模拟的低云量比ISCCP(国际卫星云气候计划)观测值显偏少。利用ISCCP低云量与由NCEP再分析温度场分析的低层整体稳定度之间的回归关系,修改了CCM3中低云参数化方案,并用于敏感性试验,以研究副热带东太平洋低云对FGCM-0中“双ITCZ”的影响。结果发现,修改的方案能显增强对低云量的模拟,秘鲁沿岸冷海域低云量增加能显减弱赤道以南热带东太平洋海表面温度(SST)的暖偏差,但同时也将使赤道冷舌增强、向西伸展更远;加利福尼亚沿岸低云量增加可以有效减弱赤道以北ITCZ区SST暖偏差。为了检验秘鲁沿岸SST与低云间的正反馈,又实施了一个控制秘鲁沿岸SST的敏感性试验,结果表明：控制秘鲁沿岸SST抑制其增暖,对自东南太平洋向西北至中、西赤道太平洋广大区域产生的影响,与增加秘鲁沿岸低云量产生的影响相似。     

北方涛动同北半球温带大气环流的遥相关(一)——基本结构

本文利用1951—1980年逐季的平均值资料(共120个季)讨论了北方涛动和与其相联系的北太平洋海温与北半球海平面气压场、500hPa位势高度场遥相关的基本结构,并与南方涛动和赤道东太平洋海温的结果进行了对比分析.发现北太平洋Namias海区和加利福尼亚海流区海温的变化与北方涛动具有很密切的联系;北方涛动和这两个海区的海温同北半球中高纬度大气环流特别是PNA型和NAO型环流异常存在明显的遥相关关系;南方涛动和赤道太平洋海温同WP型或NPO型环流异常关系比较密切,而与PNA型和NAO型的关系不如北方涛动和Namias海区及加利福尼亚海流区海温的显著.     

赤道东太平洋海温异常增暖对低频振荡影响的数值试验

为研究海温的异常增暖对３０－６０天低频振荡的影响，利用ＯＳＵ两层大气环流模式作了两组试验：一组使用气候平均海温，另一组包括两个试验，它们分别设正的海温距平（ΔＳＳＴ）中心位于赤道东太平洋的东部（１００°Ｗ）和中部（１４５°Ｗ）。结果表明：赤道东太平洋冬半年的海温异常增暖可改变低频振荡方差贡献的地理分布，其中当正的ΔＳＳＴ中心位于赤道东太平洋的东部时，热带印度洋和西太平洋地区的低频振荡的方差贡献较为显著，而热带东太平洋的低频振荡较为不活跃；当正的ΔＳＳＴ中心位于赤道东太平洋的中部时，情形则相反，即热带东太平洋的低频振荡的方差贡献较显著，而西太平洋地区的则不活跃。在赤道东太平洋海温异常增暖过程中，低频振荡的传播特性对ΔＳＳＴ中心位置的响应是敏感的，即当正的ΔＳＳＴ中心位置偏于该海区的东部或中部时，低频振荡的传播方向和传播速度有明显的差异     

冬夏季节热带副热带OLR场的遥相关分析

本文利用NOAA13年月平均格点资料分析了冬夏热带副热带射出长波辐射(OLR)的气候特征及其遥相关结构。结果表明,OLR场的高低值带有明显的季节变动,低值带中心从冬至夏由赤道西太平洋地区向西北移至孟加拉湾,高值带从冬至夏北移约10—15个纬度,但东南太平洋高值区的位置无明显季节变动。 遥相关结构分析表明,冬夏季节OLR场分别有8个遥相关关键区,它们之间存在着较强的同时性遥相关联系。冬季遥相关型主要由位于赤道低纬度“印度洋—西太平洋—东太平洋—大西洋”的纬向2波式遥相关和在太平洋中部、东亚地区,南北半球副热带与赤道地区的经向负遥相关型组成。夏季OLR遥相关关键区主要分布在孟加拉湾至赤道西太平洋、东太平洋与低纬度大西洋和中纬度东亚沿海与北美大陆,构成低纬度和中纬度两类纬向正遥相关型。进一步分析发现,冬夏OLR遥相关型的年际变化较好地揭示了OLR场异常与ENSO、低纬度Walker、Hadley环流等海—气系统异常的整体联系。      

大气对热带热源低频响应的数值研究

本文设计—关于基本气流线性化的二层球面模式研究大气对不同类型赤道热源的低频响应,分析了全球大气40—50天低频振荡的结构和传播特点。结果表明:全球大气对热带热源响应特征是在热带地区表现为东西向非对称的热源东侧的Kelvin响应和西侧的Rossby响应,高低层反位相;在中高纬响应是具有低频振荡的二维Rossby波列,且具有相当正压结构。低频振荡的传播特征表明热带大气对移动性热源的响应更有利于振荡的向东传播,且该振荡可以沿波列路径向中高纬度传播,然后再折向低纬。二维Rossby波列是联系着热带和中高纬度地区低频振荡的基本动力学途径。该波列的形成取决于基本气流的分布,冬半球波列振幅较大。因此本文认为40—50天低频振荡是全球尺度的现象,它是一涉及到热带对流加热、赤道Kelvin波、亦道Rossby波、二维Rossby波列以及基本气流等动力学相互作用的过程。     

西北太平洋区域纬向风垂直切变的气候特征研究

西北太平洋区域纬向风垂直切变的变化是影响西北太平洋热带气旋生成和发展的一个重要的动力因子,弱的纬向风切变有利于热带气旋的发生、发展。文中将西北太平洋区域纬向风垂直切变幅度(MWS)定义为850与200 hPa的纬向风之差的绝对值,以研究MWS的气候特征。结果表明,西北太平洋区域的MWS有两个主要空间模态,第1空间模态表现为在15°N以南的热带西太平洋存在MWS东西向变化相反的两个区域,20°N附近的热带西太平洋MWS的变化与其以北海区的MWS的变化相反。第2空间模态表现为在热带太平洋140°E东、西的变化相反。研究了两个模态相关的大气环流特征,发现去掉强ENSO信号后,第1模态不但与低纬度大气环流有关,而且还与南、北半球中高纬度的大气环流有关,第2模态主要与热带西太平洋和北太平洋局地大气环流有关。另外,第1模态的时间系数与赤道东太平洋海温、西北太平洋台风生成频次有着密切联系;第2模态时间系数与西北太平洋台风活动频次联系密切。     

北半球大气环流的纬向对称模态

运用自然正交分解方法（EOF）提取了北半球冬季热带外地区标准化纬向平均纬向风场的前两个模态。第1模态（方差贡献为34%）表现为中高纬带的西风（东风）异常和中纬带的东风（西风）异常,与之相联系的海平面气压场的异常表现为极区与中高纬度地区海平面气压场的反位相变化,即北极涛动（AO）;第2模态（方差贡献为21%）表现为中纬带的西风（东风）异常和中低纬带的东风（西风）异常,与之相联系的海平面气压场的异常表现为副极地地区与副热带地区海平面气压场的反位相变化,即副热带涛动STO（sub-tropical oscillation）。副热带涛动的水平结构表现出较强的纬向对称性,垂直方向上表现出相当正压性;与副热带涛动正位相相联系的纬向平均温度场表现为中高纬度地区负异常和副热带地区正异常,而且费雷尔环流加强南移。副热带涛动不仅在冬季有所表现,而且在整个冬半年（11月—翌年4月）都有所表现,但在夏半年则不存在。     

Weakened interannual variability of the contrast in rainfall between the eastern equatorial Pacific and equatorial Atlantic since 2000

最近的研究表明与厄尔尼诺相关的热带太平洋的年际变化在2000年之后出现减弱。我们在研究中发现这种2000年之后的年际变化的减弱不仅局限在热带太平洋区域,在整个赤道东太平洋与大西洋耦合气候系统中都可以发现年际变化在2000年之后显著减弱的现象。特别地,赤道东太平洋与赤道大西洋之间降雨差异的年际变化也在2000年之后出现显著的减弱。这种降雨差异年际变化的减弱与赤道东太平洋与大西洋之间纬向海温梯度以及跨越南美洲低空纬向风的年际变化在2000年之后的减弱存在密切的联系。