热带印度洋SST海盆模态的“充电/放电”作用——对夏季南亚高压的影响

根据观测资料和海气耦合模式初值试验结果,通过比较分析热带太平洋SST主模态(ENSO模)和热带印度洋SST主模态(海盆模)对夏季南亚高压的影响,揭示了印度洋海盆模的"充电/放电"作用:赤道中东太平洋海温异常首先对印度洋进行"充电",形成热带印度洋SST对太平洋EN-SO的响应模态——海盆模。该模态在ENSO发生翌年春季达到峰值位相,而且有很好的持续性,可以从春季持续到夏季,该暖(冷)模态可以引起大气的"Matsuno-Gillpattern"响应,并通过亚洲夏季平均西南季风的异常水汽输送等使得夏季南亚高压偏强(弱),即为"放电"过程。而赤道中东太平洋海温异常对夏季南亚高压的直接影响并不显著,并指出了夏季南亚高压和超前3~12个月Nio3指数之间高的显著正相关关系只是一个表象,并不是太平洋海温异常对南亚高压的直接影响结果,而是通过印度洋海盆模态的"充电/放电"作用引起的。     

El Niño对东亚气候年际异常影响的数值模拟

根据1949~1998年期间8次显著El Niño事件合成的24个月年际海温异常(SSTAs)和气候平均的海温(SST),利用CCM3分别进行了3个包含10次积分的集合试验,即控制试验(CTRL),热带太平洋海洋全球大气试验(TOGA)以及整个太平洋海洋全球大气试验(TOGA-NP),通过对比分析这3个试验之间的集合模拟结果,揭示了在El Niño不同演变阶段东亚气候年际异常响应结构以及北太平洋年际SSTAs在此过程中的调制作用.结果表明:El Niño发展阶段夏季,东亚地区大气环流异常呈显著的负PJ波列,副热带高压减弱、偏东,东亚夏季风增强,东北和江淮流域降水偏多,华北和长江流域及其以南地区降水偏少;El Niño成熟阶段冬季,东亚大槽加强,东亚北部冬季风加强,西太平洋副热带地区低层有显著的反气旋式异常风场,华南地区降水显著增多;El Niño衰亡阶段夏季东亚气候年际异常型与其发展阶段夏季几乎相反.同时,北太平洋年际SSTAs对El Niño影响东亚气候年际异常有一定的调制作用,使模拟的我国降水异常分布更符合观测.     

对西太平洋副高脊加强、西伸的初步分析

本文主要利用1973年以来,全球热带历年逐月各标准等压面月平均风场(ECMWF,KWBC),OLR(CAC)资料及西太平洋副高各种指数(国家气象局),分析了热带风场变异对印度洋-西太平洋反沃克环流、赤道西风、越赤道气流的影响,及其对西太平洋副高脊加强、西伸的影响过程。     

北太平洋副热带海洋环流强度异常对长江中下游夏季降水的影响

利用SODA资料和ECCO资料计算得到的北太平洋副热带海洋环流强度,和国家气候中心整编的中国160站逐月降水资料,结合NCEP/NCAR再分析资料和Hadley中心海表面温度资料,分析了1970－2007年海洋环流强度异常同期的大尺度大气环流异常特征及对中国东部夏季降水的影响。结果表明:海洋环流强度变化与长江中下游地区降水存在密切的反相关。环流强度异常可以通过影响西太平洋副热带高压的南北位置异常进而影响长江中下游降水。海洋环流偏弱时,副高位置偏南,长江中下游地区受气旋性环流异常影响,来自副高西北侧的强西南水汽输送至此,在该地区形成强水汽辐合中心,同时伴随上升运动加强和对流的加强,进一步导致该地区降水偏多;当海洋环流偏强时,西太平洋副高位置偏北,长江中下游地区受反气旋性环流异常影响,伴随辐散下沉及水汽辐散,导致该地区降水偏少;海洋环流强度异常导致的中纬度海区海表面温度异常,可能是导致副高南北位置异常的主要原因。     

印度洋海温异常对西北太平洋台风的影响及机制研究

基于近40 a NCEP/NCAR再分析月平均高度场、风场、涡度场、垂直速度场以及NOAA重构的海面温度(sea surface temperature,SST)资料和美国联合台风预警中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)热带气旋最佳路径资料,利用合成分析方法,研究了前期春季及同期夏季印度洋海面温度同夏季西北太平洋台风活动的关系。结果表明:1)前期春季印度洋海温异常(sea surface temperature anomaly,SSTA)尤其是关键区位于赤道偏北印度洋和西南印度洋地区对西北太平洋台风活动具有显著的影响,春季印度洋海温异常偏暖年,后期夏季,110°～180°E的经向垂直环流表现为异常下沉气流,对应风场的低层低频风辐散、高层辐合的形势,这种环流形势使得低层水汽无法向上输送,对流层中层水汽异常偏少,纬向风垂直切变偏大,从而夏季西北太平洋台风频数偏少、强度偏弱,而异常偏冷年份则正好相反。2)春季印度洋异常暖年,西北太平洋副热带高压加强、西伸;而春季印度洋异常冷年,后期夏季西北太平洋副热带高压减弱、东退,这可能是引起夏季西北太平洋台风变化的另一原因。     

热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响

本文利用1950-2015年间Hadley环流中心海冰和海温资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响,并从大气环流和净表面热通量两个角度探讨了可能的物理机制。结果表明,在ENSO事件发展年的夏、秋季节,EP型与CP型El Niño事件与北极海冰异常的联系无明显信号。而La Niña事件期间北极海冰出现显著异常,并且EP型与CP型La Niña之间存在明显差异。EP型La Niña发生时,北极地区巴伦支海、喀拉海关键区海冰异常减少,CP型La Niña事件则对应着东西伯利亚海、楚科奇海地区海冰异常增加。在EP型La Niña发展年的夏、秋季节,热带太平洋海温异常通过遥相关波列,使得巴伦支海、喀拉海海平面气压为负异常并与中纬度气压正异常共同构成类似AO正位相的结构,形成的风场异常有利于北大西洋暖水的输入,同时造成暖平流,偏高的水汽含量进一步加强了净表面热通量收入,使得巴伦支海、喀拉海海冰异常减少。而在CP型La Niña发展年的夏季,东西伯利亚海、楚科奇海关键区受其东侧气旋式环流的影响,以异常北风分量占主导,将海冰从极点附近由北向南输送到关键区,海冰异常增加,而净表面热通量的作用较小。     

夏季西太平洋副高的年际变化及异常特征分析

利用NCEP/NCAR Reanalysis Ⅱ资料计算1979—2014年3项副高指数,并根据异常副高指数筛选副高异常年份发现副高在正位相年期间较气候态面积更大,西伸脊点偏西,脊线偏南;负位相年情况相反。此外,通过对副高异常年份海温异常场水汽通量场及环流形势分析得出结论:正位相年年间前冬热带太平洋海温异常偏高,水汽通量在长江中下游集聚,东亚副热带季风环流偏弱、梅雨锋区环流加强并且500 hPa鄂霍茨克海阻塞高压发展、200 hPa南亚高压东伸偏东均有利于副高位置偏南,西伸加强;负位相年与正位相年环流形势相反。结果表明:西太副高异常不仅受前期海温影响,同期水汽通量、大气环流形势等对副高影响的同样不可忽视,这为副高预测提供了一定思路。     

西太平洋暖池海温异常年夏季东亚大气环流特征

利用NCEP/NCAR逐月再分析资料对西太平洋暖池区海表水温冷、暖异常年夏季东亚大气环流作了合成分析,与气候平均比较后发现:夏季暖池区暖异常时,在西太平洋上空的对流层低层产生一个强的反气旋偏差环流,因而不利于南海南部和赤道太平洋地区的西风发展,使热带夏季风强度减弱;在南海西部和中南半岛东部有偏差气流转向大陆,因而增强了偏南风,使副热带夏季风强度增强;在对流层中、下层副高脊线位置偏南,大约以400hPa为分界线,低层副高强度增强,高层副高强度减弱。西太平洋暖池冷异常年夏季东亚大气环流特征大致与上述情况相反,且强度或变化幅度小于暖异常年夏季。另外,与气候平均比较,暖异常年纬向Walker环流上升支大幅西移,而冷异常年该环流上升支则东移。     

ENSO循环相联系的北太平洋低纬度异常西边界流

用SODA海洋同化和NCEP大气再分析资料,分析了热带太平洋次表层海温异常主要模态与北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流和亚洲-北太平洋地区大气垂直和水平流场变化之间的关系,得到以下结果:（1） 在热带太平洋海洋次表层ENSO事件具有两种模态,二者组合构成ENSO循环。第一模态为ENSO成熟期,主要出现在冬季,第二模态为ENSO过渡期,主要出现夏季。（2） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流区上层海洋环流有重要影响。在El Niño发展期或La Niña 衰退期,该区出现气旋性异常环流,北赤道流（NEC）加强,NEC分叉位置北移,棉兰老海流（MC）加大,菲律宾以东黑潮（KC）减小,北赤道逆流（NECC）最强。在El Niño（La Niña）成熟期,该区气旋性（反气旋性）异常环流达最强,NEC最强（最弱）,NEC分叉位置最北（最南）,MC最大（最小）,KC最小（最大）,NECC减弱（加强）。在El Niño衰退期或La Niña发展期与El Niño发展期相反,该区出现反气旋性异常环流,由此导致相应流系异常发生反位相变化。（3） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流的影响是通过ENSO事件期间热带太平洋热力状况异常改变上空大气环流来实现的。ENSO事件首先造成热带太平洋海洋热力状况异常,导致其上空对流活动异常,后者直接或间接通过“大气桥”能量传输引起相关地区大气环流场的变化,致使海面风应力场异常,进而强迫上层海洋环流场的相应变化。文章最后还分析了ENSO事件期间菲律宾附近异常反气旋或异常气旋性风场的产生和持续原因,讨论了北太平洋低纬度西边界流海域海气相互作用在ENSO循环中的贡献。     

赤道印度洋偶极子对重庆夏季降水的影响分析

利用重庆34个气象台站1961—2017年夏季降水量、NCEP/NCAR的再分析月平均高度场资料和海面温度资料,分析发现,上年秋季尤其是11月的赤道(热带)印度洋偶极子(tropical Indian Ocean dipole,TIOD)模态与重庆夏季降水存在正相关关系。通过前期海面温度对大气环流的影响分析,结果表明:上年11月TIOD和夏季500 hPa高度场的相关与重庆夏季降水和高度场的相关一致,显示出从高纬度到低纬度"+、-、+"的相关分布,反映出当上年11月TIOD正位相(负位相)时,次年夏季环流场表现出乌拉尔山阻塞高压明显(不明显)、中纬度30°～37°N低值系统活跃(不活跃),西太平洋副热带高压偏强(弱)、位置偏南(北)的重庆夏季典型的降水偏多环流特征;前期赤道太平洋ENSO暖事件和前期TIOD事件同时发生时,两个事件的作用相互叠加,使得西太平洋副热带高压加强西伸并且位置偏南,造成重庆夏季降水的异常偏多。     

ENSO对华东地区春季降水影响的不对称性

利用1958—2019年的观测和再分析数据集,对冷、暖两类厄尔尼诺-南方涛动（El Niño-Southern Oscillation,ENSO）事件与后期华东地区春季降水之间的关系进行了分析。结果表明：（1）在暖ENSO事件中,华东春季降水量与前冬季ENSO海面温度异常存在较强的正相关关系。在冷ENSO事件中,这种强正相关向内陆地区西移,主要集中在江西和湖南。（2）暖ENSO事件通常会导致浙江、江苏和福建等沿海省份春季降水量过剩,而冷ENSO事件往往导致江西和湖南降水偏少。这归因于ENSO对大气环流的非线性影响。（3）与暖ENSO事件相比,冷ENSO事件引起的海面温度异常中心明显西移,造成异常低层大气环流的西移,最终导致华东降水的西移效应。（4）通过分析和发现,强调了华东春季降水对ENSO的非线性响应,这对华东地区的季节性气候预测具有重要意义。     

热带太平洋第二类El Nio事件及其对中国气候的影响

基于热带太平洋次表层海温资料,分析了热带太平洋第二类El Nio事件海温异常的分布特征及其形成机制,讨论了与经典El Nio事件、El Nio Modoki、WP(西太平洋暖池)及CT(冷舌)El Nio事件之间的关系,揭示了第二类El Nio事件对中国降水的影响,得到以下结论。(1)第二类El Nio事件表征为热带太平洋次表层海温异常第三模态,占总方差贡献的4.7%。在海洋表面层,第二类El Nio事件暖期赤道东太平洋为沿赤道西伸的冷舌,热带中西太平洋为环绕冷舌的马蹄型大范围暖区。该型具11a和30~40a年代际振荡及3~4a年际变率,峰值多出现在春季。第二类El Nio事件是热带太平洋异常海面风应力场和赤道两侧的风应力旋度共同作用的结果,在赤道东印度洋-中西太平洋与赤道东太平洋-南美洲上空出现以反号垂直运动为特征的异常Walker环流。(2)El Nio Modoki与第二类El Nio事件有密切关系,它实质上是第二类El Nio事件次表层海温与近海面大气相互作用的结果,捕捉了第二类El Nio事件的主要信息。(3)第二类El Nio事件对中国春季及夏初降水有一定影响。在事件暖期,东海地区存在一个显著的异常反气旋性环流,其南侧的中国南方地区盛行异常东北气流,水汽来源减少,导致该地区少雨,其西侧的异常偏南气流北上直达华北地区,异常多水汽向北输送,并与北方的偏北流场相遇,导致该地区降水偏多。在第二类El Nio事件冷期相反。本文结果还指出,WP与CT El Nio事件是由经典El Nio事件第一模态与El Nio Modoki事件组合而成,它们不是独立的El Nio类型。此外,还讨论了夏半年El Nio事件对大气环流影响的物理过程。     

Relationships between interannual variations in stratospheric warmings, tropospheric circulation, and sea surface temperature in the Northern Hemisphere

The leading modes of interannual and long-term variations in the stratospheric and tropospheric circulation and total ozone (TOMS data) and their relations to Northern Hemisphere sea surface temperature (SST) anomalies are investigated using the monthly mean NCEP/NCAR reanalysis data for the winter months of 1958–2003. Strong correlations are indicated between the interannual total ozone variations over Labrador and the North Atlantic and changes in the stratospheric polar vortex. The onset of major stratospheric warmings is connected not only with the strengthening of westerlies at the 500-hPa level in the midlatitude Atlantic, but also with the weakening of tropospheric winds over the north of eastern Siberia and strengthening over the Far East. In years with major stratospheric warmings, abnormally cold winters are observed in Eurasia, especially in eastern Siberia and northeastern China. The calculated simultaneous (with no time lags) correlations of the stratospheric circulation changes with El Niño/La Niña events give evidence of low correlations between the tropical Pacific SST anomalies and the stratospheric dynamics in the Arctic. However, there are high correlations of the extratropical Pacific and Atlantic SST anomalies with interannual tropospheric and stratospheric circulation variations, the stratospheric dynamics being more strongly connected with Pacific SST than with Atlantic SST anomalies. The interannual changes in tropospheric circulation are coupled to SST anomalies in both the Pacific and the Atlantic. Mechanisms of long-term changes in the interactive ocean-atmosphere-ozone layer system are discussed.     

Oceanic Rossby waves induced by the meridional shift of the ITCZ in association with ENSO events

This study investigated the eastern Pacific Intertropical Convergence Zone (ITCZ) as an atmospheric forcing to the ocean by using various observed and reanalysis data sets over 29 years. Climatologically, a zonal band of positive wind stress curl (WSC) with a 10° meridional width was exhibited along the ITCZ. A southward shift of the positive WSC band during the El Niño phase induced a negative (positive) WSC anomaly along the northern (southern) portion of the ITCZ, and vice versa during the La Niña phase. This meridional dipole accounted for more than 25 % of interannual variances of the WSC anomalies (WSCAs), based on analysis of the period 1993–2008. The negative (positive) WSCA in the northern portion of the ITCZ during the El Niño (La Niña) phase was collocated with a positive (negative) sea surface height anomaly (SSHA) that propagated westward as a Rossby wave all the way to the western North Pacific. This finding indicates that this off-equatorial Rossby wave is induced by the WSCA around the ITCZ. Our analysis of a 1.5-layer reduced gravity model revealed that the Rossby waves are mostly explained by wind stress forcing, rather than by reflection of an equatorial Kelvin wave on the eastern coastal boundary. The off-equatorial Rossby wave had the same SSHA polarity as the equatorial Kelvin wave, and generation of a phase-preserving Rossby wave without the Kelvin wave reflection was explained by meridional movement of the ITCZ. Thus, the ITCZ acts as an atmospheric bridge that connects the equatorial and off-equatorial oceanic waves.     

Impact of quasi-decadal variability in the tropical Pacific on ENSO modulations

The impact of quasi-decadal (QD: 8 to 18 years) variability in the tropical Pacific on ENSO events is investigated. It is found that there is a significant difference in the behavior of ENSO events between the phases of positive and negative anomalies of the QD Niño-3.4 index. During the period of negative QD-scale Niño-3.4 index, ENSO events, especially La Niña events, occur more frequently, and larger amplitudes of thermal anomalies related to El Niño events appear over the central to eastern equatorial Pacific. Furthermore, propagations of upper ocean heat content anomaly and a phase relationship between upper ocean heat content and Niño-3 index in the equatorial Pacific, which have been pointed out by previous studies, are clearly detected during the period of negative QD Niño-3.4 index.     

两类La Nia季节演变过程的海气耦合特征对比

利用1951—2010年逐月的HadISST海表温度资料、SODA次表层海温资料和NCEP/NCAR再分析资料等,对比分析了东太平洋(EP型)La Nia和中太平洋(CP型)La Nia的海气耦合特征在季节演变过程中的差异。EP La Nia海表温度异常中心在发展年夏季出现于南美沿岸,随后向西移动,盛期最大海表温度异常中心位于赤道东太平洋,而CP La Nia海温异常中心少动,基本维持在160°W附近,其强度更强,持续时间更长。受海温分布形态影响,热带大气对两类La Nia的响应非常不同,成熟期间CP型在中太平洋偏旱的强度和范围比EP型大,且略偏西。发展年夏、秋季,北半球位势高度响应较弱;冬季,负PNA位相易伴随两类La Nia出现,但异常活动中心的位置和强度不同,在北大西洋其大气响应几乎相反,这些差异会引起显著不同的区域气候异常。     

ENSO相联系的热带太平洋上层海洋异常环流

本文使用SODA(simple ocean data assimilation)海洋同化资料,系统分析了厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)循环中冷暖位相期间热带太平洋上层海洋环流的演变规律,探讨了形成海洋环流异常的新机制。结果表明,在厄尔尼诺成熟期,热带中东太平洋赤道潜流最弱,赤道两侧出现反气旋性环流异常;西太平洋赤道外热带海域出现气旋性环流异常,该区南、北赤道流、棉兰老流、黑潮、新几内亚沿岸潜流及南赤道逆流增强;北赤道逆流区出现异常气旋性环流串,北赤道逆流接近正常。在厄尔尼诺衰退期和拉尼娜发展期,热带中西太平洋赤道潜流达到极强,赤道两侧出现气旋性环流异常;西太平洋赤道外热带海域异常环流减弱,该处主要流场的强度减弱或处于正常状态;北赤道逆流区反转为异常西向流。结果表明, ENSO循环期间的上层海洋环流异常受到热带太平洋温跃层深度异常产生的压强梯度力异常调控,在赤道外热带海洋温跃层深度异常和科里奥利力共同作用产生大尺度海洋环流异常,而在赤道海域,海洋温跃层深度异常和Gill效应造成赤道潜流异常以及关于赤道对称的气旋或反气旋性环流异常。     

El Niño/Southern Oscillation (ENSO) Related Variations in Particulate Export Fluxes in the Western and Central Equatorial Pacific

Time-series data from sediment trap moorings intermittently deployed during 1991–1999 show that the fluxes of biogenic material (carbonate, opal and organic matter, including amino acids) and other related parameters are temporally and spatially distinct across the Western Pacific Warm Pool (WPWP). These variations resulted from the El Niño and La Niña conditions, which alternately prevailed over the equatorial Pacific Ocean during the mooring deployments. The westernmost WPWP (a hemipelagic region) recorded relatively high average total mass and amino acid fluxes during the El Niño event. This was in sharp contrast to the eastern part of the WPWP (oligotrophic and weak upwelling regions) which recorded higher flux values during the La Niña event. Settling particulate organic matter was rich in labile components (amino acids) during La Niña throughout the study area. Relative molar ratios of aspartic acid to β-alanine together with relative molar content of non-protein amino acids β-alanine and γ-aminobutyric acid) suggested that organic matter degradation was more intense during La Niña relative to that during El Niño in the WPWP. This study clearly shows that during an El Niño event the well documented decrease in export flux in the easternmost equatorial Pacific is accompanied by a significant increase in export flux in the westernmost equatorial Pacific Ocean.     

Spatial classification of La Niña events

Thirty La Niña events have been selected from monthly mean sea surface temperature (SST) data of the Hadley Centre Global Sea Ice and Sea Surface Temperature (HadISST) and Centennial Observation-Based Estimates (COBE SST2) datasets from 1870 to 2013 based on a criterion of –0.5°С for a cold anomaly in the Niño 3.4 region (5° N–5° S, 170°–120° W) and its minimum duration of 5 months. The selected events are classified by hierarchical clustering analysis according to two characteristics: geographic coordinates and SST anomalies during the mature phase of La Niña. The objective classification method identifies two types of La Niña differing by the evolution of negative SST anomalies in the equatorial Pacific and by the Southern Oscillation Index.     

The Indian Ocean’s asymmetric effect on the coupling of the Northwest Pacific SST and anticyclone anomalies during its spring–summer transition after El Niño

By comparing different climatologies in El Niño decaying summer with regard to the presence of Indian Ocean Basin (IOB) warming, we studied the effect of IOB warming on the Northwest Pacific sea surface temperature (SST) anomalies and the coupling process with the surface wind. Zonal asymmetric coupling feedback in the west and east of the Northwest Pacific were caused by the asymmetric spring–summer transition of the background tropical atmospheric circulation. Although the westward wind anomaly caused by the remote effect of IOB warming is found in the whole Northwest Pacific, reversal of the mean background surface winds in the western part leads to negative wind-evaporation SST (WES), whereas sustained trade winds lead to positive WES in the eastern part. The east–west SST gradient resulting from this zonal asymmetric evolution of SST sets off more positive feedback that strengthens the local anticyclone easterly anomalies.