冬季和春季印度洋海温异常年际变率模态对中国东部夏季降水的可能影响过程

印度洋热力状况是影响全球气候变化和亚洲季风变异的一个重要的因素,但以往研究更多关注热带印度洋海温的变化,对南印度洋中高纬地区海温变化关注不够,由此限制了我们对印度洋的全面认识.本文研究了年际尺度上整个印度洋海温异常主导模态的特征及其对我国东部地区夏季降水的可能影响过程,以期望为气候变异研究及预测提供理论依据.研究结果表明:全印度洋海温异常年际变率的主导模态特征是在南印度洋副热带地区海温异常呈现西南—东北反向变化的偶极子模态,西极子位于马达加斯加以东南洋面,东极子位于澳大利亚以西洋面;同时,热带印度洋海温异常与东极子一致.当西极子为正的海温异常,东极子、热带印度洋为负异常时定义为正的印度洋海温异常年际变率模态;反之,则为负的印度洋海温异常年际变率模态.从冬至春,印度洋海温异常年际变率模态具有较好的季节持续性;与我国长江中游地区夏季降水显著负相关,而与我国华南地区夏季降水显著正相关.其可能的影响过程为:对于正的冬、春季印度洋海温异常年际变率模态事件,印度洋地区异常纬向风的经向大气遥相关使得热带印度洋盛行西风异常,导致春、夏季海洋性大陆对流减弱,使夏季西太平洋副热带高压强度偏弱、位置偏东偏北,造成华南地区夏季降水增多,长江中游地区降水减少;反之亦然.同时,印度洋海温异常年际变率模态可通过改变印度洋和孟加拉湾向长江中游地区的水汽输送而影响其夏季降水.     

亚洲夏季风环流结构与热带印度洋偶极型海温异常

使用T42L28大气环流模式就夏季风时期大气对印度洋海温偶极子型异常的响应进行了数值试验研究,结果表明,印度洋偶极子型海温异常可以引起感热和潜热加热异常并进而形成异常辐合辐散,导致热带印度洋及其邻近地区夏季降水异常。同时此热带扰动可激发或造成中纬度异常波列。通过改变季风区温度场分布,偶极子型海温强迫可以影响大气的正／斜压环流结构和斜压性强弱。强的纬向风垂直切变趋向于靠近海洋异常偏暖的地区。不论是正偶极子型强迫或负偶极子型强迫,西太平洋暖池和东亚地区的大气环流均出现异常并激发出中纬度的异常波列,但异常类型并未显著反相。     

印度洋海温异常年际变率模态对中国东部地区夏季降水影响机制的数值试验

利用ECHAM5全球大气环流模式研究了印度洋海温异常年际变率模态从冬至夏的演变对我国东部地区夏季降水影响的机制。观测资料研究表明:对于正的印度洋海温异常年际变率模态,春、夏季热带印度洋和澳大利亚以西洋面(东极子)均为水汽的异常源区,向马达加斯加以东南洋面(西极子)及印度洋邻近大陆提供水汽。夏季,印度洋地区南极涛动、马斯克林高压加强;而印度季风低压和南亚高压均减弱,对应于印度夏季风减弱。夏季印度洋地区正压性的纬向风异常经向遥相关使热带印度洋地区出现西风异常,导致海洋性大陆地区对流活动减弱,而菲律宾海地区对流活动加强,进而导致西太平洋副热带高压偏弱、位置偏东北。对于负的印度洋海温异常年际变率模态,则反之。模式结果基本支持了已有的观测资料诊断结果。     

1991和1994年南京夏季降水异常与副热带东北太平洋海温异常的联系及成因

利用1979-2015年降水观测资料、海表温度资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了南京夏季降水的时间变化规律,发现南京夏季降水具有明显的年际和年代际变化特征,且总体呈增多趋势。1991年南京夏季降水为极端正异常年份,距平为343.92 mm;1994年南京夏季降水为负异常年份,距平为-273.78 mm。南京夏季降水与副热带东北太平洋（美国加利福尼亚地区西海岸）海温异常存在显著的负相关关系,1991年副热带东北太平洋海温负异常,1994年副热带东北太平洋海温无显著异常。1991年副热带东北太平洋海温负异常,引起该地区上空低层辐散、高层辐合,热带中东太平洋上空低层辐合、高层辐散,这样的环流异常引起中东太平洋上空存在异常上升运动,该异常上升运动则通过纬向垂直环流引起菲律宾附近产生下沉运动并抑制该地区对流活动,激发出负位相的EAP/PJ型遥相关波列,引起了包括南京在内的长江流域降水正异常;同时,水汽由菲律宾地区向南京地区输送并辐合,有利于南京地区1991年夏季降水偏多。1994年副热带东北太平洋海温无显著异常,菲律宾附近对流活动活跃,激发出正异常的EAP/PJ型遥相关波列;同时,水汽由黑潮延伸区经日本列岛向西输送,南京地区为水汽辐散区域,使得1994年南京夏季降水负异常。     

印度洋海盆模影响西北东部降水的大气环流分析

利用回归统计方法分析了热带印度洋海盆模影响西北地区东部5月降水异常的大气环流异常分布及可能的物理机制。结果表明:印度洋暖海盆模可以在亚欧地区大气中引起类似"Matsuno-Gill Pattern"的大气响应,在对流层中上层形成异常波列,西北地区东部正好位于新疆—巴尔喀什湖负异常中心和东亚地区正异常中心之间,处在明显西低东高的高度场异常形势下,这正是西北地区东部5月降水异常偏多的典型环流形势。对应波列分布,欧亚范围存在3个明显异常气旋、反气旋,对流层高层200 h Pa华北到西北地区东部为大片气流异常辐散区,低层850 h Pa为气流辐合,形成异常垂直上升运动,有利于西北区东部降水异常偏多。因此印度洋海盆模是通过引起遥相关波列,在西北地区东部上空形成西低东高的异常环流,从而影响该地区的降水异常。     

印度洋海温偶极振荡对东亚环流及降水影响

利用NCEP／NCAR提供的50a再分析资料、英国气象局全球海温资料、中国气象局整编的160站降水资料，采用相关、合成、奇异值分解等方法讨论了印度洋海温异常偶极振荡对东亚夏季大气环流及降水的影响。结果表明：印度洋海温偶极振荡异常，引起了大气环流的异常，影响了季风强度和雨带分布。印度洋海温偶极振荡正位相年时，印度洋上为东风异常，西太平洋副高偏西、偏南、偏强，菲律宾附近对流活动减弱，东亚夏季风偏强，华南夏季降水偏多；印度洋海温偶极振荡负位相年时，西太平洋副高偏东、偏北，东亚夏季风偏弱，长江黄河之间有异常辐合，降水偏多。     

东亚南亚夏季降水对海温异常响应的数值模拟

利用IAP AGCM-Ⅱ大气环流模式，模拟了赤道中太平洋地区海温异常对东亚和南亚夏季（6～8月）降水的影响。结果表明：当1～4月该海温呈正异常时，中南半岛和我国东部降水将明显偏多，孟加拉湾附近降水偏少；而该海温呈负异常时，则我国华中和孟加拉湾附近降水偏多；对以上海温异常最敏感处为中南半岛和孟加拉湾附近地区，其中前者降水与该海温异常呈正相关，后者则呈负相关；该海温异常还会在中高纬地区激发出强迫波列。     

中国南方夏季降水与热带印度洋偶极型海温异常的联系

利用1979-1999年GISST和CMAP月平均资料,用线性回归滤除印度洋偶极子(IOD)指数和ENSO的相互干扰,定义纯IOD指数和纯Nino3指数,将海温距平处理为相对独立的3个部分,通过相关和合成分析得到:6-8月印度洋偶极型海温及热带中印度洋海温异常与中国南方夏季降水都有很好的正相关关系,并且二者对南方夏季降水序列的拟合方差贡献显著,表明热带印度洋海温异常与中国南方夏季降水的关系密切;5月份热带印度洋海温年际变化可以解释60 %左右的南方夏季降水异常,这对南方降水的预测具有非常好的指导意义.在正(负)IOD年,热带印度洋SSTA引起我国南方地区大气异常上升(下沉)运动,中国南方为整层水汽的异常辐合(辐散)区,从而使中国南方夏季降水异常偏多(偏少).     

春季南半球环状模与长江流域夏季降水的关系：Ⅱ 印度洋和南海海温的“海洋桥”作用

用回归、合成、相关、ESVD等方法分析了春夏季印度洋、南海海温异常在春季南半球环状模(SAM)与夏季长江中下游降水关系中的作用.研究发现春季南半球环状模指数(SAMI)正(负)异常时,同期南印度洋中高纬、北印度洋海域海温出现了明显正(负)异常,这种海温的正(负)异常在夏季依然存在,并且北印度洋的海温异常得到加强.对印度洋和南海海域详细划分区域后的进一步分析表明春季南半球热带外大气环流(SAM)异常可以强迫南印度洋中高纬海域海温发生明显异常.这种异常可以持续到夏季,而且表现出传播特性,即南印度洋中高纬海温异常可以传播到北印度洋(包括阿拉伯海和孟加拉湾)和南海海域,加强这些海域的海温异常.对东亚夏季风与夏季海温关系的分析表明东亚夏季风异常对应的夏季北印度洋、南海海温异常与春季SAM异常对应的夏季北印度洋、南海海温异常的形势相似,符号相反.说明印度洋、南海海温是春季SAM影响夏季长江中下游降水的一个"桥梁".基本思路为强(弱)春季SAM可以引起南印度洋中高纬海域海温的偏高(偏低);南印度洋中高纬海域偏高(偏低)的海温从春季持续到夏季并且传播到阿拉伯海、孟加拉湾、南海海域;这些海区偏高(偏低)的海温可以导致东亚夏季风减弱(加强),而东亚夏季风减弱(加强)是长江中下游降水偏多(偏少)的一种有利条件.     

降水对热带西南太平洋海温异常响应的数值试验

本文应用IAP9-AGCMⅡ九层大气环流数值模式，通过数值试验，研究了降水对热带西南太平洋SSTA(海温异常)的响应。结果表明：海温正异常下，夏季北半球热带中太平洋降水明显偏多；我国东部地区降水正常或偏多。海温负异常下，夏季赤道中太平洋降水偏少，我国大部地区降水正常或略偏少。当该区域SST异常时，从总体看降水对该异常响应最敏感的地区为北半球热带中太平洋、我国华中和西南、孟加拉湾和中南半岛。     

春季热带南大西洋海表温度异常与夏季亚澳季风区降水异常的联系

利用1979—2019年Hadley中心的海表温度资料、GPCP的降水资料以及NCEP-DOE的再分析资料等,分析了北半球春季热带南大西洋海表温度异常与北半球夏季亚澳季风区降水异常的联系。研究表明,北半球春季热带南大西洋海表温度异常与随后夏季热带西太平洋到南海（澳大利亚东侧海域到热带东印度洋）地区的降水异常为显著负相关（正相关）关系。北半球春季热带南大西洋的海表温度正异常可以引起热带大西洋和热带太平洋间的异常垂直环流,其中异常上升支（下沉支）位于热带大西洋（热带中太平洋）。热带中太平洋的异常下沉气流和低层辐散气流引起热带中西太平洋低层的异常东风,后者有利于热带中东太平洋海表温度出现负异常。通过Bjerknes正反馈机制,热带中东太平洋海表温度异常从北半球春季到夏季得到发展。热带中东太平洋海表温度负异常激发的Rossby波使得北半球夏季热带西太平洋低层出现一对异常反气旋。此时,850 hPa上热带西太平洋到海洋性大陆地区为显著的异常东风,有利于热带西太平洋到南海（澳大利亚东侧海域到热带东印度洋）地区出现异常的水汽辐散（辐合）,导致该地区降水减少（增加）。     

夏半年热带太平洋中部型海温异常与热带印度洋海盆模对同期中国东部降水的共同影响

利用1961—2013年NCEP/NCAR再分析资料和Had ISST月平均海表面温度资料,分析了夏半年热带太平洋中部型海温异常与热带印度洋海盆模(Indian Ocean Basin M ode,IOBM)的特征,并研究了不同位相配置时二者对同期中国东部气候的共同影响。结果表明:1)太平洋中部型海温异常指数与印度洋海盆模指数几乎相互独立。太平洋中部型海温异常与IOBM同位相变化(记为PPNN事件)和反位相变化(记为PNNP事件)时,热带印太地区海温异常分别呈三级型和偶极型分布。2)不同位相配置对中国东部地区降水异常的影响及其影响机制存在显著差异:当发生PPNN事件时,水汽从海洋性大陆(Maritime Continent,MC)地区向江淮流域输送;热带海温异常引起大气产生Gill型响应,维持了中国东部的环流异常;M C地区通过经向三圈异常垂直环流引起江淮流域降水异常增多。发生PNNP事件时,Gill型环流响应中心西移,长江流域降水偏少,水汽辐散;同时MC地区对流层低层准定常Rossby波能传播也有利于长江流域扰动的维持。这些结果对深刻认识中国东部地区夏半年降水异常成因和印度洋/太平洋海温异常不同分布的作用具有重要意义。     

我国夏季降水与全球海温的耦合关系分析

利用我国160个台站从1951~2000年的月降水观测资料和NCEP/NCAR的全球海表温度(SST)资料,分析了我国夏季(6、7、8月)降水的时空变化特征及其与海温的相关,并应用奇异值分解(SVD)方法研究了我国夏季降水分布异常与海温变化的耦合关系。结果表明,我国夏季降水异常的雨型分布主要有3种,这些雨型的时间变化除了有明显的年际变化外,还存在显著的年代际变化。尤其是华北地区的降水从1965年左右开始减少,特别是大约1976年后有显著的减少。SVD分析揭示的我国夏季降水和全球海温异常的耦合关系表明,这种耦合关系最主要的时空变化特征表现在年代际变化的时间尺度上。我国华北和东北南部的夏季降水从1976年前后明显减少,与之显著关联的海温异常的关键区包括太平洋、印度洋以及热带和南大西洋。特别是热带中、东太平洋,印度洋,以及热带和南大西洋海水,从1976年前后也明显增暖。本研究揭示的华北持续干旱与印度洋和大西洋海温的年代际变化的耦合关系,在以往的研究中还未见到,因而有必要在今后的研究中加以重视。我国夏季降水和海温的耦合关系,还表现在长江中下游地区的降水异常与太平洋和大西洋海温异常的显著相关上。当南海和黑潮区域以及相邻的热带西太平洋海区海温为正异常时,热带和北大西洋海温也为正异常;而热带中、东太平洋海温为负异常时,长江中下游地区往往偏涝;反之,该地区则偏旱。     

Response of the tropical Indian Ocean SST to decay phase of La Niña and associated processes

Delayed impact of El Niño on Tropical Indian Ocean (TIO) Sea Surface Temperature (SST) variations and associated physical mechanisms are well documented by several studies. However, TIO SST evolution during the decay phase of La Niña and related processes are not adequately addressed before. Strong cooling associated with La Niña decay over the TIO could influence climate over the Indian Oceanic rim including Indian summer monsoon circulation and remotely northwest Pacific circulation. Thus understanding the TIO basin-wide cooling and related physical mechanisms during decaying La Niña years is important. Composite analyses revealed that negative SST anomalies allied to La Niña gradually dissipate from its mature phase (winter) till subsequent summer in central and eastern Pacific. In contrast, magnitude of negative SST anomalies in TIO, induced by La Niña, starts increasing from winter and attains their peak values in early summer. It is found that variations in heat flux play an important role in SST cooling over the central and eastern equatorial Indian Ocean, Bay of Bengal and part of Arabian Sea from late winter to early summer during the decay phase of La Niña. Ocean dynamical processes are mainly responsible for the evolution of southern TIO SST cooling. Strong signals of westward propagating upwelling Rossby waves between 10°S to 20°S are noted throughout (the decaying phase of La Niña) spring and summer. Anomalous cyclonic wind stress curl to the south of the equator is responsible for triggering upwelling Rossby waves over the southeastern TIO. Further, upwelling Rossby waves are also apparent in the Arabian Sea from spring to summer and partly contributing to the SST cooling. Heat budget analysis reveals that negative SST/MLT (mixed layer temperature) anomalies over the Arabian Sea are mostly controlled by heat flux from winter to spring and vertical advection plays an important role during early summer. Vertical and horizontal advection terms primarily contribute to the SST cooling anomalies over southern TIO and the Bay of Bengal cooling is primarily dominated by heat flux. Further we have discussed influence of TIO cooling on local rainfall variations.     

山东夏季降水与热带海气相互作用区域特性的相关分析

采用一种能够反映热带海气相互作用区域特性的指数,分析了热带５个洋区（西太平洋、中太平洋、东太平洋、大西洋、印度洋）的海气相互作用指数与山东夏季（６～８月）降水的相互联系。结果表明,只有热带印度洋的海气相互作用的第１模态与山东夏季降水存在的显著相关。热带印度洋海温偏高时山东夏季降水偏少,反之偏多。热带西印度洋区域１０００ｈＰａ风向赤道区域异常辐合,并伴随出现正海表温度异常的年份,山东夏季降水往往偏少     

Spring Indian Ocean-western Pacific SST contrast and the East Asian summer rainfall anomaly

studying the relationship between SST in the tropical Indian Ocean （TIO）, tropical western Pacific （TWP）, and tropical eastern Pacific （TEP） and East Asian summer rainfall （EASR）, using data provided by NOAA/OAR/ESRL PSD and the National Climate Center of China for the period 1979-2008, an index, SSTDI, was defined to describe the SST difference between the TIO and TWP. In comparison with the winter ENSO, the spring SST contrast between the TIO and TWP was found to be more significantly associated with summer rainfall in East Asia, especially along the EASR band and in Northeast China. This spring SST contrast can persist into summer, resulting in a more significant meridional teleconnection pattern of lower-tropospheric circulation anomalies over the western North Pacific and East Asia. These circulation anomalies are dynamically consistent with the summer rainfall anomaly along the EASR band. When the SSTDI is higher （lower） than normal, the EASR over the Yangtze River valley, Korea, and central and southern Japan is heavier （less） than normal. The present results suggest that this spring SST contrast can be used as a new and better predictor of EASR anomalies.     

赤道东太平洋海温正异常对西太平洋副高影响的数值模拟研究

利用LASG九层大气环流谱模式及IAP两层大气环流模式，模拟研究了不同持续时间的赤道东太平洋海表温度正异常(海表温度异常的持续时间分别为1月份，1～2月份，1～4月份及1～8月份，其他月份为气候SST)对西太平洋副高的影响。结果表明，尽管海表温度异常的持续时间不同，但其引起的西太平洋副高的异常演变及其分布却十分相似；同时，季风区的异常降水(进而异常潜热释放)随时间的演变及其分布也存在一定的相似性(对应于不同持续时间的赤道东太平洋的海表温度正异常，5月份印度洋至西太平洋地区都表现出赤道辐合带北移偏晚的特征)；季风区降水的这种变化同西太平副高的异常是一致的，从而揭示出这两种现象有可能存在着某种联系。结果还表明，导致这种大气响应场对赤道东太平洋海表温度异常持续时间不敏感的一个重要原因是大气内部过程的影响:中纬大气的内部Rossby波源维持了热带地区激发的扰动在中高纬的存在，同时大气内部Rossby波源对赤道太平洋地区的海表温度异常持续时间表现出不敏感性，正是由于这种不敏感性才导致了响应场对赤道太平洋地区海表温度异常持续时间的不敏感性。模拟结果还表明，在夏季赤道东太平洋存在海表温度正异常的情况，尽管大气内部动力过程的作用十分重要，但夏季赤道东太平洋海表温度正异常对夏季西太平洋副高的影响却明显存在，因此，基于赤道太平洋地区海表温度异常的夏季西太平洋副高的可预报性受到赤道东太平洋海表温度正异常及大气内部动力过程的双重影响。模式的依赖性研究表明，模拟结果具有一定的普遍性。     

东亚中纬度干旱/半干旱区降水年际变化及其可能成因

基于NOAA的全球陆地降水资料(PREC/L)1948～2003年56年的月平均降水资料、NCEP/NCAR月平均再分析资料以及英国气象局哈德莱中心的海温(Sea Surface Temperature,SST)资料,并根据多年降水平均图选定了东亚中纬度干旱/半干旱区,对该区域夏季(6～8月)降水进行了经验正交分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)。EOF第一模态呈现出全区一致的变化类型,第二模态则呈现出以100°E为界东西相反的分布类型。通过分析干旱/半干旱区以及以100°E为界的东西两部分降水异常年的环流形势和海温并加以对比,结果表明:在环流场上,对应于东亚中纬度干旱/半干旱区降水偏多年,对流层中下层环流异常在中高纬度呈现为一个东西向波列,乌拉尔山东侧为正的高度异常,贝加尔湖附近乃至以东地区为低压槽所控制;不同的是,对应于100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多年,波列有所东移,并且西太平洋副热带高压有显著北抬;而对应于100°E以东干旱/半干旱区夏季降水偏多年,环流形势异常基本与整个干旱/半干旱区降水偏多年一致,只是在里海附近有一高度负异常。在200hPa纬向风场上可以看到,当西亚副热带急流偏南加强时,对应于100°E以西的干旱/半干旱区降水偏多;而当东亚、西亚风急流都有显著北抬且加强时,对应于100°E以东干旱/半干旱区的夏季降水偏多,这可能与急流所激发的次级环流有关。进一步对SST的分析表明,海温与100°E以东或以西干旱/半干旱区降水异常的关系也不一样。当前冬、前春赤道中东太平洋都有正的海温异常,而到夏季转换为负的海温异常,且南太平洋在前冬和前春呈现显著负海温异常时,整个干旱/半干旱区夏季降水偏多;当赤道中东太平洋海温在前冬、前春有正的海温异常并一直减弱,但能维持到夏季,并且北印度洋海温也存在类似的海温异常时,100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多;而当前冬中东太平洋海温较暖但其南部海域偏冷,到了前春这些异常维持,并发展到同期为大范围弱的异常冷海温时,有利于100°E以东的干旱/半干旱区夏季降水偏多。比较的结果还揭示出,对应于干旱/半干旱区以及100°E以东干旱/半干旱区的降水异常年,海温异常分布大致是一致的;而对应于100°E以西干旱/半干旱区的降水异常年,海温异常分布及时间演变则有较大差异。     

North-East monsoon rainfall extremes over the southern peninsular India and their association with El Niño

The present study investigates the relationship between extreme north-east (NE) monsoon rainfall (NEMR) over the Indian peninsula region and El Niño forcing. This turns out to be a critical science issue especially after the 2015 Chennai flood. The puzzle being while most El Niños favour good NE monsoon, some don’t. In fact some El Niño years witnessed deficit NE monsoon. Therefore two different cases (or classes) of El Niños are considered for analysis based on standardized NEMR index and Niño 3.4 index with case-1 being both Niño-3.4 and NEMR indices greater than +1 and case-2 being Niño-3.4 index greater than +1 and NEMR index less than −1. Composite analysis suggests that SST anomalies in the central and eastern Pacific are strong in both cases but large differences are noted in the spatial distribution of SST over the Indo-western Pacific region. This questions our understanding of NEMR as mirror image of El Niño conditions in the Pacific. It is noted that the favourable excess NEMR in case-1 is due to anomalous moisture transport from Bay of Bengal and equatorial Indian Ocean to southern peninsular India. Strong SST gradient between warm western Indian Ocean (and Bay of Bengal) and cool western Pacific induced strong easterly wind anomalies during NE monsoon season favour moisture transport towards the core NE monsoon region. Further anomalous moisture convergence and convection over the core NE monsoon region supported positive rainfall anomalies in case-1. While in case-2, weak SST gradients over the Indo-western Pacific and absence of local low level convergence over NE monsoon region are mainly responsible for deficit rainfall. The ocean dynamics in the Indian Ocean displayed large differences during case-1 and case-2, suggesting the key role of Rossby wave dynamics in the Indian Ocean on NE monsoon extremes. Apart from the large scale circulation differences the number of cyclonic systems land fall for case-1 and case-2 have also contributed for variations in NE monsoon rainfall extremes during El Niño years. This study indicates that despite having strong warming in the central and eastern Pacific, NE monsoon rainfall variations over the southern peninsular India is mostly determined by SST gradient over the Indo-western Pacific region and number of systems formation in the Bay of Bengal and their land fall. The paper concludes that though the favourable large scale circulation induced by Pacific is important in modulating the NE monsoon rainfall the local air sea interaction plays a key role in modulating or driving rainfall extremes associated with El Niño.