热带海洋-大气耦合的主模态

依据1948年1月～2005年12月NCEP的海表温度(SST)和大气再分析的月平均资料,利用MCA方法,首次确定了代表全球热带海洋-大气相互作用的最主要信号的热带海洋-大气耦合主模态,该主模态随时间的变化与热带太平洋埃尔尼诺-南方涛动(ENSO)模态非常一致,揭示了该主模态包含以下海洋-大气相互作用物理过程:秋季印度尼西亚海洋-大陆区上空850 hPa出现异常的纬向风辐散和经向风辐合导致赤道东、中太平洋海温正异常,热带印度洋海温则出现东冷-西暖的—"偶极子"型异常;冬季热带太平洋出现典型的ENSO盛期对应的海洋-大气耦合型,在南海和热带远西太平洋出现低空反气旋环流异常,热带印度洋出现海盆一致增暖,而热带大西洋海温异常不明显;冬季热带太平洋和热带印度洋的SST异常可以导致春季赤道中太平洋西风异常,南海冬季风减弱,热带西北太平洋出现更明显的低空反气旋环流异常和赤道东风异常,热带西北大西洋出现西南风异常;该模态对夏季大气环流的影响主要表现为热带印度洋海盆一致模态对东亚季风的影响。     

两极冷源和热带海洋热源的相互作用

两极海冰和热带海洋SST的异常变化对全球气候监测和预报都是极为重要的指标.本文使用了南极、北极海冰月平均距平资料和ENSO事件五要素,即SOI和4个Nino海区的SST月平均距平值,计算了各区海冰之间以及与ENSO事件的逐月移动交叉相关时间序列,分析其变化特征,寻找两个波发生相互作用最强的时期.(1)发现北极海冰在两极海冰相互作用过程中起主导作用.北极海冰异常影响到后期南极海冰的异常变化.(2)赤道中太平洋的海温(SST)与南极威德尔海区的海冰(SPI3)和罗斯海区的海冰(SPI2)有强的相互作用,并且具有明显的周期性变化.SST与SPI3的周期是5～6a,与SPI2的周期是准11a,这些周期变化尺度与它们自身变化的周期有关.当两者周期相近时,在位相差一定的时期发生共振,产生强烈的相互作用最佳时期.     

盛夏北极边缘海冰与来年冬季NAO之联系

许多研究认为,只有北大西洋涛动(NAO)是一种具有物理意义的模态,而北极涛动(AO)则是EOF分解得到的一种统计假象模态。为了从一个新的角度进一步探讨二者的差别,我们运用附条件的最大协方差分析(CMCA)统计了前期北极边缘海冰密集度(MSCI)与来年冬季NAO之间的跨季节遥相关关系,其中的ENSO信号和线性趋势已经在分析之前被去除。统计显著性结果表明:冬季负位相的NAO信号可以追溯到6个月前自盛夏开始至早冬季节北极MSCI异常的逐步演变。然而根据先前的研究,北极海冰异常仅可以超前冬季AO 大概4个月表现出显著信号。这表明盛夏北极MSCI的持续异常对来年冬季NAO的影响比对AO更强,同时也从另一个角度证实了AO与NAO确实存在差异。进一步分析还表明,前期MSCI异常的逐步演变主要与海表面热通量及气温异常有关。此外,我们还重新审视了负位相的NAO对北半球冬季气候异常的影响以及可能的物理机制。     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整Ⅰ.年际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS 1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟试验,研究了全球热带海洋(主要是热带太平洋)海温和环流场的年际变化特征及模式ENSO冷暖事件演变的控制机理.结果表明,模式成功地再现了和观测一致的海温和环流的年际变化以及ENSO演变特征.其中热带印度洋年际SST变率的主要模态表现为与ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷现象,次级模态为热带印度洋偶极子模态;热带大西洋的SST年际变率表现为类ENSO的年际振荡现象.在热带太平洋,SST年际变化主要表现为ENSO型,环流的年际变率表现为与ENSO相对应的热带海洋质量循环圈的年际异常.对应于暖(冷)事件,前期赤道海洋垂直环流圈显示出减弱(增强)的特征.其中南赤道流异常的位相较Nino3区海温总体要超前5个月左右的时间;赤道上翻流异常的位相在表层要超前4个月,并随时间由上至下扩展;赤道潜流的异常则显示出东传特征,其中最早的较为显著的异常发生ENSO成熟前3个月180°附近.在模式ENSO冷暖事件的演变过程中,次表层海温异常沿赤道的东传起了关键作用,模式的ENSO模态主要表现为"时滞振子"模态.     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整 I. 年际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟试验,研究了全球热带海洋(主要是热带太平洋)海温和环流场的年际变化特征及模式ENSO冷暖事件演变的控制机理.结果表明,模式成功地再现了和观测一致的海温和环流的年际变化以及ENSO演变特征.其中热带印度洋年际SST变率的主要模态表现为与ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷现象,次级模态为热带印度洋偶极子模态;热带大西洋的SST年际变率表现为类ENSO的年际振荡现象.在热带太平洋,SST年际变化主要表现为ENSO型,环流的年际变率表现为与ENSO相对应的热带海洋质量循环圈的年际异常.对应于暖(冷)事件,前期赤道海洋垂直环流圈显示出减弱(增强)的特征.其中南赤道流异常的位相较Nino3区海温总体要超前5个月左右的时间;赤道上翻流异常的位相在表层要超前4个月,并随时间由上至下扩展;赤道潜流的异常则显示出东传特征,其中最早的较为显著的异常发生ENSO成熟前3个月180°附近.在模式ENSO冷暖事件的演变过程中,次表层海温异常沿赤道的东传起了关键作用,模式的ENSO模态主要表现为"时滞振子"模态.     

中部型El Nio与北极海冰变化的联系

采用统计方法,分析了热带太平洋SSTA与北极海冰之间的联系。结果表明:北极海冰从上世纪80年代初由正距平转换为负距平,以-1.5%速率/10a快速消融。尽管冬季海冰也出现减少趋势,但最大海冰减少出现在夏秋季,9月为1年中海冰减少最快的月份。相关分析发现,北极海冰的快速减少与热带太平洋海温变化存在密切联系,赤道中西部SSTA与北极海冰的关系更明显。Nio4区域SSTA变化与北极海冰存在时滞3a左右的最佳相关,6~10月SSTA对北极海冰影响最显著。通过分析,初步认为Nio4区域SSTA主要通过影响北半球中纬度气压场和经向环流场,进而影响AO变化,最终对北极海冰产生影响。     

夏季赤道中东太平洋海温和北极海冰异常对大气环流影响的数值模拟

利用菱形截断15波的9层全球大气环流谱模式设计了若干数值试验,分别研究了赤道中东太平洋海温偏暖、北极不同区域海冰偏多以及海温偏暖同时海冰偏多对夏季北半球大气环流的影响,结果表明北极海冰偏多和赤道中东太平洋海温偏暖,对夏季北半球大气环流具有同等效应,海冰和赤道海温任何一方的变异均可显着影响大气环流,其中亚洲-北美型和欧亚型遥相关是极冰和赤道海温影响北半球夏季大气环流异常的主要动力学途径。本文结果再一次证实了赤道和极地之间的热力差是决定大气环流的最基本因子。     

北极海冰与南方涛动的相关分析

本文根据1953～1984年的北极海冰覆盖面积指数和南方涛动指数资料,分析了北极各海区海冰覆盖量与南方涛动的时滞相关关系,统计了北极海冰正距平年和负距平年南方涛动指数的平均情况。初步结果表明,北极各区海冰与南方涛动之间均存在明显的相关关系,时滞相关的最大值从南方涛动早于海冰7个月(Ⅰ区,+0.48)到晚于海冰39个月(整个北极,+0.38)不等,对北极海冰正距平年和负距平年的统计结果也证实了这些相关特点。     

北极海冰对大气环流与气候影响的观测分析和数值试验研究

本文主要根据1953～1977年资料,从观测分析和数值试验两方面研究了北极海冰覆盖面积异常对全球的大气环流和气候、特别是对中国气候的影响,发现北极海冰的影响可与中东赤道太平洋海温异常的影响相比拟,甚或可以超过,指出在气候和长期天气预报研究工作中,极冰变异及其影响需要很好重视。     

典型气候事件对北极渔业资源的影响

随着北极海冰融化加剧,越来越多的渔船涌入北极海域,促使北极渔业资源得到了更好的开发。在这种情况下,研究气候事件对北极海域的影响变得至关重要。本文选取了北大西洋多年代际涛动（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）、北极涛动（Arctic Oscillation,AO）和北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation,NAO） 这三种典型气候事件,通过超前滞后相关、回归分析等统计方法,探究它们与北极渔区 （以27渔区为代表） 渔业总捕捞量以及4种主要经济鱼种 （大西洋鳕、大西洋鲱、格陵兰大比目鱼和大西洋鲑） 捕捞量之间的联系。研究结果表明：1950－2020年,27渔区的海洋渔业总捕捞量总体呈现出两次上升与两次下降过程;在AMO及AO两种气候事件中,AMO对27渔区的捕捞量影响最为显著,同时海冰范围变化对捕捞资源同期影响很强;其中的1980－2020年,4种主要经济鱼种捕捞量与AO相关性均较低,而与AMO呈现明显正或负相关性;4种主要经济鱼种捕捞量与大西洋海表温度存在显著相关性,尤其是类AMO型的海温变化对这4种鱼种捕捞量波动可能存在显著影响。本研究不仅揭示了气候变化对北极渔业资源的显著影响,还根据研究结果提出相应的对策建议,为进一步研究提供了方向和参考,以期实现北极渔业资源可持续发展。     

北半球热带中太平洋与印度洋海表温度梯度对夏季西北太平洋热带气旋生成频数变化的影响

基于1951—2018年哈德里中心海温资料、美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心再分析资料和第四代欧洲中心汉堡模式, 针对1994年、2018年等西北太平洋热带气旋(TC)生成异常多的年份, 研究了引起TC增加的海表温度异常(SSTA)模态及其影响机制。结果表明, 北半球热带中太平洋增暖与印度洋变冷是夏季西北太平洋TC生成频数增加的主要原因, 北大西洋负三极型式SSTA促使TC生成的进一步增加。热带中太平洋增暖与印度洋冷却在菲律宾以东激发出西风异常和气旋性环流异常。北大西洋负三极型式SSTA在我国南海、菲律宾至东南沿岸激发出气旋性环流异常。前者在西北太平洋中部, 后者在南海产生有利于TC生成的局地环境。1994年和2018年夏季热带中太平洋出现暖SSTA、印度洋为冷SSTA、北大西洋呈现负三极型式SSTA, 西北太平洋TC生成频数极端增多。近30年来, 当出现热带中太平洋增暖和印度洋冷却时, 北大西洋表现出比1989年以前更强的负三极型式SSTA, 使西北太平洋TC生成频数和北半球热带印度洋-太平洋SSTA梯度的线性相关更显著。     

Satellite-observed trends in the Arctic sea ice concentration for the period 1979–2016

Arctic sea ice cover has decreased dramatically over the last three decades. This study quanti?es the sea ice concentration(SIC) trends in the Arctic Ocean over the period of 1979–2016 and analyzes their spatial and temporal variations. During each month the SIC trends are negative over the Arctic Ocean, wherein the largest(smallest) rate of decline found in September(March) is-0.48%/a(-0.10%/a).The summer(-0.42%/a) and autumn(-0.31%/a) seasons show faster decrease rates than those of winter(-0.12%/a) and spring(-0.20%/a) seasons. Regional variability is large in the annual SIC trend. The largest SIC trends are observed for the Kara(-0.60%/a) and Barents Seas(-0.54%/a), followed by the Chukchi Sea(-0.48%/a), East Siberian Sea(-0.43%/a), Laptev Sea(-0.38%/a), and Beaufort Sea(-0.36%/a). The annual SIC trend for the whole Arctic Ocean is-0.26%/a over the same period. Furthermore, the in?uences and feedbacks between the SIC and three climate indexes and three climatic parameters, including the Arctic Oscillation(AO), North Atlantic Oscillation(NAO), Dipole anomaly(DA), sea surface temperature(SST), surface air temperature(SAT), and surface wind(SW), are investigated. Statistically, sea ice provides memory for the Arctic climate system so that changes in SIC driven by the climate indices(AO, NAO and DA) can be felt during the ensuing seasons. Positive SST trends can cause greater SIC reductions, which is observed in the Greenland and Barents Seas during the autumn and winter. In contrast, the removal of sea ice(i.e., loss of the insulating layer) likely contributes to a colder sea surface(i.e., decreased SST), as is observed in northern Barents Sea. Decreasing SIC trends can lead to an in-phase enhancement of SAT, while SAT variations seem to have a lagged in?uence on SIC trends. SW plays an important role in the modulating SIC trends in two ways: by transporting moist and warm air that melts sea ice in peripheral seas(typically evident inthe Barents Sea) and by exporting sea ice out of the Arctic Ocean via passages into the Greenland and Barents Seas, including the Fram Strait, the passage between Svalbard and Franz Josef Land(S-FJL),and the passage between Franz Josef Land and Severnaya Zemlya(FJL-SZ).     

热带西太平洋、印度洋表层水温的变异特性及其对南极冰面积变化的响应

应用海洋表层水温资料（ＣＯＡＤＳ资料）,分析研究了对全球气候有重要影响的热带西太平洋、印度洋海洋表层水温的年变化和年际变化的特性,探讨了与ＥＮＳＯ和南极冰面积变化之间的联系。结果表明,热带西太平洋及印度洋表层水温具有明显的年变化和年际变化而且它们之间存在不同的变化趋势。这种结果是两大洋的水温振荡周期不同有较大关系。热带印度洋表层水温的年际变化与Ｅ１ Ｎｉ￣／ｎｏ和Ｌａ Ｎｉ￣／ｎａ的发生年份存在较     

Climate teleconnections at monthly time scales in the Ligurian Sea inferred from satellite data

The existence and spatial distribution of possible teleconnections between the South Pacific and North Atlantic oceans and the Ligurian Sea (North-western Mediterranean) are investigated in the present paper. Teleconnections are searched by cross-correlating monthly spatio-temporal time series of 1.1 km resolution sea surface temperature (SST), and a 22.2 km resolution sea level anomaly (SLA), measured from satellite from March 1993 to August 1999, with two indices characterising the South Pacific and the North Atlantic variability: the Southern Oscillation (SO) and the North Atlantic Oscillation (NAO) indices, respectively. Concerning the variability induced by the North Atlantic Ocean, it is shown that it mostly influences the SLA field in the Ligurian Sea. Specifically, relevant anti-correlations between SLA and North Atlantic variability have been found in all the Ligurian sub-basin. As expected by geographical proximity, the effects of North Atlantic on the SLA field in the Ligurian Sea are instantaneous at monthly time scales. Instead, correlations between SST and NAO Index are found at time lag τ = 1 month in the southern part of the basin highlighting the memory of the ocean related to their heat capacity. Significant anti-correlations between SO Index and the SST field in the Ligurian Sea, were obtained at time lag τ = 4 months in the coastal areas of the sub-basin. Results also indicate that the impact of teleconnections in the area studied is not geographically uniform.     

Impact of Arctic Oscillation on cloud radiative forcing and September sea ice retreat

The Arctic Oscillation (AO) has important effects on the sea ice change in terms of the dynamic and thermodynamic processes. However, while the dynamic processes of AO have been widely explored, the thermodynamic processes of AO need to be further discussed. In this paper, we use the fifth state-of-the-art reanalysis at European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ERA5) from 1979 to 2020 to investigate the relationship between AO and the surface springtime longwave (LW) cloud radiative forcing (CRF), summertime shortwave (SW) CRF in the Arctic region (65°?90°N). In addition, the contribution of CRF induced by AO to the sea ice change is also discussed. Results indicate that the positive (negative) anomalies of springtime LW CRF and summertime SW CRF are generally detected over the Arctic Ocean during the enhanced positive (negative) AO phase in spring and summer, respectively. Meanwhile, while the LW (SW) CRF generally has a positive correlation with AO index (AOI) in spring (summer) over the entire Arctic Ocean, this correlation is statistically significant over 70°?85°N and 120°W?90°E (i.e., region of interest (ROI)) in both seasons. Moreover, the response of CRF to the atmospheric conditions varies in spring and summer. We also find that the positive springtime (summertime) AOI tends to decrease (increase) the sea ice in September, and this phenomenon is especially prominent over the ROI. The sensitivity study among sea ice extent, CRF and AOI further reveals that decreases (increases) in September sea ice over the ROI are partly attributed to the springtime LW (summertime SW) CRF during the positive AOI. The present study provides a new pattern of AO affecting sea ice change via cloud radiative effects, which might benefit the sea ice forecast improvement.     

热带三大洋海表温度和云水关系的初探

热带太平洋、大西洋和热带印度洋是全球海洋-大气相互作用最显著的海域。为了探讨热带三大洋局地海洋-大气相互作用中的某些特征,利用新的卫星遥感资料对热带三大洋的云水和海表温度(SST)异常变化进行了统计相关分析。研究发现:在赤道太平洋和赤道大西洋云水和SST二者在超前或滞后5周内都呈现明显的正相关关系,表明3个赤道海域云水和SST之间具有明显的相互作用正反馈机制;在热带西印度洋SST异常超前CLW异常一周时,正相关系数最大,SST的变化导致云水的变化;而在以较冷海水为下垫面的赤道外东北太平洋,东南太平洋以及赤道外的南大西洋海域,二者呈明显的负相关关系,云水的变化会引起SST的变化。位于菲律宾以东的热带西北太平洋区,云水量的变化引起SST的变化;而赤道东印度洋暖池区即存在云水量的增加(减少)引起SST降低(升高)的现象,也存在SST降低(升高)引起云水量的减少(增加)的现象。以上结果将为进一步理解海洋-大气相互作用,在数值模式中正确设计海洋-大气边界层参数化方案提供参考。     

大气环流优势模态对北极海冰变化的响应Ⅰ.北极涛动

利用美国冰雪中心海冰密集度数据,分析了1979-2012年北极海冰面积的时间变化特征,发现北极海冰具有显著的年代际变化特征,分别在1997和2007年前后存在两次年代际转型突变点,相应的大气环流优势模态——北极涛动(AO)也存在显著的时空变化。1979-1996年阶段海冰下降趋势较弱并以较强的年际振荡为主,AO模态较强且显示出低频振荡特征;1997-2006年阶段北极海冰快速减退趋势占优,同时伴随着较弱的年际振荡,AO模态减弱且振荡周期缩短;2007-2012年阶段海冰范围较快下降同时具有极强的年际振荡,方差变化是前两个阶段的2~3倍,AO不仅强度加强,空间结构也发生了变化,极涡中心分别向格陵兰岛和白令海峡一侧延伸,这种结构有利于极地冷空气入侵欧洲和北美。利用ECHAM5大气模式进行的数值试验结果也证实了较强振荡的海冰强迫对AO模态的改变具有决定作用。     

北极气旋的季节、年际变化及其与北极海冰、大气遥相关的关系

The seasonal and inter-annual variations of Arctic cyclone are investigated. An automatic cyclone tracking algorithm developed by University of Reading was applied on the basis of European Center for Medium-range Weather Forecasts(ECMWF) ERA-interim mean sea level pressure field with 6 h interval for 34 a period. The maximum number of the Arctic cyclones is counted in winter, and the minimum is in spring not in summer.About 50% of Arctic cyclones in summer generated from south of 70°N, moving into the Arctic. The number of Arctic cyclones has large inter-annual and seasonal variabilities, but no significant linear trend is detected for the period 1979–2012. The spatial distribution and linear trends of the Arctic cyclones track density show that the cyclone activity extent is the widest in summer with significant increasing trend in CRU(central Russia)subregion, and the largest track density is in winter with decreasing trend in the same subregion. The linear regressions between the cyclone track density and large-scale indices for the same period and pre-period sea ice area indices show that Arctic cyclone activities are closely linked to large-scale atmospheric circulations, such as Arctic Oscillation(AO), North Atlantic Oscillation(NAO) and Pacific-North American Pattern(PNA). Moreover,the pre-period sea ice area is significantly associated with the cyclone activities in some regions.     

全球大洋季节内尺度上海-气相互作用特征分析

判定局地海-气相互作用的特征对海-气耦合模式中应用哪种形式的“强迫模拟”具有重要指导作用。本文根据海表热通量异常与海表温度异常及海表温度变率之间的相关关系,对全球大洋季节内尺度上的海-气相互作用特征进行了综合分析。结果表明:(1)南、北半球亚热带地区海-气相互作用的特征主要表现为大气对海洋的强迫,且在夏季(北半球为6—8月,南半球为12—翌年2月)强迫作用的范围最大,冬季强迫作用的范围最小;(2)赤道中、东太平洋及赤道大西洋地区海-气相互作用的特征全年表现为海洋对大气的强迫,印度洋索马里沿岸、阿拉伯海以及孟加拉湾地区仅在6—8月表现出海洋强迫大气的现象,而孟加拉湾则在9—11月表现为大气强迫海洋;(3)45°N(S)以上的高纬度地区海表温度的异常和变率无法用局地热通量的交换来解释,这是因为该区域海表温度的变化主要由平流等海洋内部动力过程决定,因此海-气之间在季节内尺度上的相互作用不明显。在某些海区,季节内尺度上的海-气相互作用关系与季节以上时间尺度的这种关系可能会有明显不同。