异常东亚冬季风激发ENSO的数值模拟研究

利用中国科学院大气物理研究所发展的热带太平洋环流模式（OGCM）和海－气耦合模式（CGCM）分别就冬半年东亚冬季风异常对赤道太平洋的作用进行了数值模拟研究。结果清楚地表明,无论在 OGCM 中还是在 CGCM 中,持续的冬季风强异常将引起赤道中东太平洋海表水温（SST）的明显正异常,其分布类似观测到的El Ni?o事件;而持续的冬季风弱异常将引起赤道中东太平洋SST的明显负异常,其分布十分类似观测到的La Ni?a事件。因此,数值模拟进一步证实了我们过去从资料诊断和理论分析中得到的结论,即东亚冬季风异常是激发产生 ENSO 的重要机制。对模式资料的分析还清楚表明,异常东亚冬季风将激发异常海洋Kelvin波和使热带大气季节内振荡出现强异常,它们是激发ENSO的重要物理因素,这与观测资料的分析结果相一致。     

ENSO与东亚冬季风的非线性关系

通过非线性典型相关分析(NLCCA)方法,用赤道太平洋海表温度异常(SSTA)与北半球冬季500 hPa高度场异常间的非线性分析,反映ENSO与东亚冬季风之间的非线性关系。在极冷和极暖ENSO期东亚大槽和极涡的强弱进退不对称,说明冬季风的活动和强度不对称。NLCCA结果显示:冬季风对ENSO的响应分为线性和非线性部分,非线性投影是一条二次抛物线。冬季风异常线性空间型为冬季风减弱形势,非线性空间型则显示东亚大槽加强东进和冬季风加强,非线性和线性空间型的差异说明东亚冬季风对于ENSO信号确有非线性响应。     

东亚冬季风的时空变化及其与ENSO、AO相互关系的研究进展

作为亚洲季风系统中的一个重要组成部分, 东亚冬季风的变化对北半球甚至全球的天气气候都有重要的影响。本文回顾了近些年国内外关于东亚冬季风变化特征, 主要包括其时间和空间演变及其与ENSO、AO之间相互作用等研究的主要进展。目前已有的研究结果表明, 东亚冬季风系统是一个贯穿于整个大气对流层的深厚型环流系统, 其异常表现为东亚区域整层环流系统的异常;东亚冬季风具有2a, 5~7a的年际变化和10a以上的年代际变化, 有空间分布的不均匀性及爆发与撤退日期的突变性;强弱冬季风年的异常环流形势在对流层各层以及高纬度、中纬度和低纬度地区都有所表现;在年际尺度上, ENSO、AO与东亚冬季风有一定的相关性, 但是在年代际上, 东亚冬季风同两者之间有着更显著的联系, 通过大气动力和热力过程, 它们之间相互影响、相互作用, 共同影响我国、东亚甚至于全球天气气候的变化。     

近百年东亚冬季风与ENSO循环的相互关系及其年代际异常

运用相关及滑动相关的计算技术，讨论了近百年东亚冬季风与ENSO循环的相互关系及其年代际异常。研究指出，东亚冬季风与赤道东太平洋海温的年际关系具有年代际的变化特征；季风与ENSO循环的关系受到季风的QBO以及季风-海洋的年代际背景场配置关系的共同作用；当季风与海洋的背景场处于同样状态时，强冬季风有利于第二年冬季赤道东太平洋的升温，产生El Ni?o事件；当两者的背景场处于反位相状态时，强冬季风对应于第二年冬季的La Ni?a位相。     

南海夏季风爆发与前期东亚冬季风异常的关系以及ENSO的作用

基于ERA-interim再分析资料采用相关分析研究了东亚冬季风和南海夏季风爆发的关系,并探讨了ENSO在其中的作用。结果表明,弱冬季风之后的南海地区5月有异常东风、降水偏少,对应于夏季风爆发偏晚;强冬季风之后则相反;但上述关系并不十分显著。进一步利用线性回归将东亚冬季风分为与ENSO有关和无关的部分,对于与ENSO有关的冬季风,上述冬季风-夏季风爆发的关系的显著性有明显提高;但与ENSO无关的冬季风和夏季风爆发并无显著联系。这说明冬季风-南海夏季风爆发的关系主要是由与ENSO有关的冬季风造成的。这一关系可以用ENSO激发的菲律宾异常反气旋或气旋来解释,以弱冬季风之后夏季风爆发偏晚为例:El Ni?o事件一方面激发出菲律宾异常反气旋,使得冬季风偏弱;另一方面又引起热带印度洋增暖,由于局地海气相互作用正反馈和印度洋电容器效应,菲律宾异常反气旋得以维持到晚春。该异常反气旋及其南侧的异常东风不利于南海夏季风的爆发,从而导致夏季风爆发偏晚。     

TBO的原因－异常东亚冬季风与ENSO循环的相互作用

基于对 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料以及其他资料（ＯＬＲ，降水和气温等）的分析研究，结果表明东亚和西北太平洋地区的对流层环流和气候变化都有明显的准两年振荡（ＴＢＯ）特征。同时，异常东亚冬季风可以影响次年夏季的大气环流和气候变化，特别是在东亚地区；而异常东亚冬季风和ＥＮＳＯ循环间又有明显相互作用：持续的强（弱）东亚冬季风通过海─气相互作用可以激发 Ｅｌ Ｎｉ　ｏ（Ｌａ Ｎｉ　ａ）， Ｅｌ Ｎｉ　ｏ（Ｌａ Ｎｉ　ａ）反过来又可通过遥相关或遥响应而导致东亚冬季风偏弱（强）。强或弱的冬季风和ＥＮＳＯ循环是相互衔接在一起的，因此可以认为异常东亚冬季风与ＥＮＳＯ循环的相互作用是ＴＢＯ对流层准两年振荡）的基本原因。     

ENSO冷暖位相影响东亚冬季风与东亚夏季风联系的非对称性

东亚冬季风（East Asian Winter Monsoon,简称EAWM）和东亚夏季风（East Asian Summer Monsoon,简称EASM）作为东亚季风系统的两个组成部分,他们之间存在显著的转换关系。前人的研究表明EAWM与次年EASM的转换关系只有在ENSO事件发生时才显著,然而这些研究都是基于ENSO对大气环流的影响是对称的这一假设下进行的。本文的研究表明EAWM和次年EASM的转换关系在ENSO冷暖事件中存在着明显的不对称性。通过将EAWM分为与ENSO有关的部分（EAWM_EN）和与ENSO无关的部分（EAWM_RES）,我们发现在强EAWM_EN年（即La Ni?a年）,在西北太平洋会存在一个从冬季维持到次年夏季的气旋性环流异常（the anomalous western North Pacific Cyclone,WNPC）,从而造成EASM偏弱;而在弱EAWM_EN年（即El Ni?o年时）,在西北太平洋会存在一个从冬季维持到次年夏季的反气旋性环流异常（the anomalous western North Pacific anticyclone,WNPAC）,从而引起次年EASM偏强。比较而言,WNPAC的位置比WNPC的位置偏南,且强度更强,因而在El Ni?o年能够引起次年EASM更大幅度的增强。造成这一不对称联系的主要原因是热带太平洋和印度洋异常海温的演变差异。在强EAWM_EN年,热带太平洋的负海温异常衰减地较慢,使得在次年夏季仍然维持着显著的负异常海温;相反,在弱EAWM_EN年,热带太平洋的正海温异常衰减地较快,以至于在次年夏季的异常海温信号已经基本消失,但此时印度洋却有着显著的暖海温异常。海温演变的差异进一步造成了大气环流的差异,从而导致EAWM与次年EASM联系的不对称性。     

阿留申低压与东亚冬季风关系的年代际变化

东亚冬季风系统是北半球冬季最活跃的环流系统,通过与西伯利亚高压、阿留申低压、东亚大槽和东亚西风急流等系统之间的相互作用,对东亚地区的气候产生重要影响。本文主要关注阿留申低压与东亚冬季风关系的年代际变化特征,利用经验正交函数分析方法,提取阿留申低压的强度变化、南北移动、西北-东南传播型和东西移动模态,并研究这4种模态与冬季风的北部型、南部型模态关系。结果表明阿留申低压的强度变化与2种东亚冬季风型的关系都不显著。阿留申低压的南北移动与南部型冬季风的相关性较强且具有年代际变化特征。1995年后南北涛动中心受ENSO(El Niño-Southern Oscillation)影响向东移动,阿留申低压和西伯利亚高压的配置不利于中国东南部气压梯度的形成,导致阿留申低压的南北移动与南部型冬季风的相关性降低。另外,1975年后北大西洋涛动在中西伯利亚地区激发正位势高度异常,扩大传播型模态影响范围,给中高纬地区带来东北风异常,有利于北部型冬季风的形成,此时传播型模态与北部型冬季风显著相关。     

不同类型ENSO对东亚季风的影响和机理研究进展

近十几年来有关热带太平洋存在不同类型的增暖型的研究成为热点课题,其中主要依据海温的空间形态将厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）分为两类:一类为传统的东太平洋型ENSO,另一类为中太平洋型ENSO。该两类ENSO的形成机制、演变过程均有不同,产生的气候影响也有差异。本文简要回顾了国内外有关不同类型ENSO及其气候影响的研究进展,特别综述了近年来关于两类ENSO事件对东亚夏季风、东亚冬季风以及东亚冬夏季风关联的影响和机理方面的主要研究进展。文中侧重讨论了年际和年代际时间尺度上ENSO事件对东亚季风的影响,并提出了今后在该领域一些需要进一步研究的科学问题。     

2014/2015年东亚冬季风活动特征及其可能成因分析

2014/2015年东亚冬季风强度较常年同期略偏弱,季内冬季风强弱转换阶段性特征明显,初冬强度偏强,隆冬和后冬转为偏弱。受其影响,冬季全国大部分地区气温较常年同期偏高,但季内变化显著,初冬冷、隆冬和后冬暖。进一步研究表明,冬季风强度偏弱与2014年9月北极海冰范围偏大（去线性趋势）有关,前期北极海冰偏大不利于西伯利亚高压偏强,进而导致冬季风偏弱和冬季气温偏高。中部型尼尔尼诺(El Ni〖AKn~D〗o)和太平洋十年振荡(PDO)暖位相的配合是造成冬季风强度偏弱的另一个重要外强迫。PDO位相在El Ni〖AKn~D〗o事件对东亚冬季风的影响中起调制作用,赤道中太平洋暖海温有利于偏南风距平控制我国东部及东部沿海地区,东亚冬季风强度偏弱,当PDO暖位相和El Ni〖AKn~D〗o事件协同作用时,东亚地区大气环流对El Ni〖AKn~D〗o事件的响应更加显著。东亚冬季风的季内变化则与大气对中部型El Ni〖AKn~D〗o事件的响应过程有关。     

亚洲冬夏季风对ENSO事件的响应

根据NCEP/NCAR_1980～1995年的再分析资料,分析了1980年以来5个El Ni?o和La Ni?a年冬、春和夏季200、500和850 hPa合成高度场、风场、流函数场及温度场。发现在冬季El Ni?o（La Ni?a）年亚洲上空的环流型不利（有利）于寒潮向南爆发,导致亚洲冬季风和大洋洲夏季风弱（强）。在El Ni?o（La Ni?a）年冬季华南和青藏高原降水或降雪量为正（负）距平,这使得在晚春和初夏南亚的加热慢（快）,导致夏季海陆的热力对比小（大）,因而出现弱（强）夏季风。我们还发现强El Ni?o年冬季,在印度洋-亚洲上空出现类似于东太平洋-北美上空的PNA遥相关,我们称之为印度洋-亚洲遥相关型（IA）,引起亚洲冬夏季风年际变化的物理过程都是由IA遥相关型引起的。     

冬季北太平洋涛动异常与东亚冬季风和我国天气气候的关系

用1948-2000年的北半球海平面气压场月平均资料，计算了北太平洋涛动指数和东亚冬季风指数，并研究了北太平洋涛动与东亚冬季风及我国冬季天气气候的关系。研究表明，北太平洋涛动异常变化与我国冬季天气、气候关系密切。强涛动年，东亚冬季风偏弱，我国气温普遍偏高，长江中下游地区降水偏少，而华南降水偏多；而弱涛动指数年，东亚冬季风偏强，我国气温普遍偏低，降水偏少。此外，还指出，强(弱)INPO年大气环流具有弱(强)WP型和强(弱)EU遥相关型。     

Relationship Between East Asian Winter Monsoon and Summer Monsoon

Using National Centers for Environmental Prediction/National Centre for Atmospheric Research(NCEP/NCAR) reanalysis data and monthly Hadley Center sea surface temperature(SST) data,and selecting a representative East Asian winter monsoon(EAWM) index,this study investigated the relationship between EAWM and East Asian summer monsoon(EASM) using statistical analyses and numerical simulations.Some possible mechanisms regarding this relationship were also explored.Results indicate a close relationship between EAWM and EASM:a strong EAWM led to a strong EASM in the following summer,and a weak EAWM led to a weak EASM in the following summer.Anomalous EAWM has persistent impacts on the variation of SST in the tropical Indian Ocean and the South China Sea,and on the equatorial atmospheric thermal anomalies at both lower and upper levels.Through these impacts,the EAWM influences the land-sea thermal contrast in summer and the low-level atmospheric divergence and convergence over the Indo-Pacific region.It further affects the meridional monsoon circulation and other features of the EASM.Numerical simulations support the results of diagnostic analysis.The study provides useful information for predicting the EASM by analyzing the variations of preceding EAWM and tropical SST.     

秋季黑潮海温与东亚冬季风的相关联系

分析了秋季黑潮区域海表温度异常与东亚冬季风以及我国冬季气候的关系。结果表明：秋季黑潮区域海温与东亚冬季风指数有明显的正相关关系。当秋季黑潮区域海温偏高时，当年的东亚冬季风指数也偏高，即东亚冬季风偏强；反之，则当秋季黑潮区域海温偏低时，当年的东亚冬季风指数也偏低，即东亚冬季风偏弱；秋季黑潮海温升高，我国东北和华北地区气温上升，其他地区冬季气温降低，华南地区降温幅度最大。江淮流域及华南地区降水量明显减少。     

亚洲季风与ENSO循环的相互作用

ＥＮＳＯ事件对亚洲季风有很大影响,特别是对东亚夏季风环流有较大影响。许多观测事实表明,在ＥＮＳＯ事件处于发展阶段的夏季,江淮流域往往发生洪涝,黄河流域往往发生干旱,东北地区往往发生冷夏。本研究利用观测资料分析了亚洲季风对ＥＮＳＯ事件发生的影响。分析结果表明,在ＥＮＳＯ事件发生前,在热带太平洋上空对流层下层有明显的西风异常;这个西风异常将会加强东传暖Ｋｅｌｖｉｎ波和西传冷Ｒｏｓｓｂｙ波,为ＥＮＳＯ循环提供必要的赤道海洋波动条件;并且这个西风异常与东亚季风区西风异常向南传播有密切关系。通过遥相关分析表明,东亚季风西风异常的南传是通过欧亚型遥相关的波列来实现。通过分析,本研究提出一种亚洲季风与ＥＮＳＯ循环相互作用的物理图像。