Twentieth-century Pacific Decadal Oscillation simulated by CMIP5 coupled models

太平洋年代际振荡(PDO)是影响亚洲—太平洋气候,乃至全球气候变化非常重要的海洋模态之一。目前为止,有关PDO形成的动力根源及机制仍不清楚。本文聚焦20世纪PDO的空间模态和时间序列演变,系统分析了CMIP5框架下25个耦合模式开展的109个历史时期模拟试验的结果。结果显示,大多数耦合模式可以成功模拟出20世纪PDO"马蹄形"海表温度距平,其中BNUESM,CanESM2,CCSM4,CESM1-FASTCHEM,GFDL CM3,MIROC5,NorESM1-M等模式和中国科学院大气物理研究所的FGOALS-g2模拟的PDO太平洋海表温度遥相关型空间分布与观测相似度较高;耦合模式模拟的PDO时间序列与观测相差较大,表明现有的耦合模式几乎不能模拟出20世纪PDO的位相演变特征。     

CMIP5气候模式对中国东部夏季降水年代际变化的模拟性能评估

使用分类集合的方法评估了第五次耦合模式比较计划(CMIP5)多个耦合模式对中国东部夏季降水年代际变化的模拟性能.结果表明,在评估的38个模式中,仅有6个模式(第1类模式)可以成功再现1970年代末中国东部夏季降水年代际变化的主要特征,即长江流域降水偏多、而华北和华南偏少.这些模式模拟的成功归因于它们能较好再现1970年代末东亚夏季风的年代际减弱及相关的环流场的变化,包括东亚沿海的偏北风异常以及西太平洋副热带高压的偏向西南、强度增强等.而对降水年代际变化模拟很差的第2类模式,则模拟出不出东亚夏季风的这种减弱特征.进一步的分析表明,两类CMIP5模式对太平洋年代际振荡(PDO)空间分布特征都有较好的再现能力,但对PDO年代际转变特征的模拟能力则差异较大.第1类模式能很好地模拟出1970年代末热带海洋的增暖和相关的PDO位相由负到正的转换,而第2类模式所模拟的PDO位相转变与观测完全相反,且也不能模拟出热带中东太平洋海洋的年代际增暖及江淮流域夏季的变冷,因此导致该类模式对1970年代末东亚夏季风的减弱和中国东部夏季雨型的年代际转变没有模拟能力.由此也表明,对耦合模式来说,中国夏季降水年代际变化的模拟能力在很大程度上取决于模式对海洋年代际变化信号的模拟.     

CMIP5 analysis of the interannual variability of the Pacific SST and its association with the Asian-Pacific oscillation

基于27个CMIP5模式的模拟数据,评估了模式对太平洋海表温度年际变率及其与亚洲-太平洋涛动关系的模拟能力,并预估了其在RCP4.5和RCP8.5情景下的未来变化。评估结果表明,大多数模式和多模式集合能很好的再现观测中北太平洋和热带东太平洋海表温度的强年际变率,其与亚洲-太平洋涛动的同位相和反位相变化关系也能成功模拟出。多模式集合预估显示,与1950-99年相比,2050-99年期间北太平洋和热带东太平洋海表温度的年际变率在RCP4.5和RCP8.5情景下将减弱。大多数模式的预估结果与此相一致。此外,多模式集合预估还表明,当今亚洲-太平洋涛动与北太平洋和热带东太平洋海表温度的年际关系在RCP4.5和RCP8.5情景下仍存在,不过单模式的预估结果具有明显差异。     

夏季亚洲-太平洋涛动的耦合模式模拟

亚洲-太平洋涛动是夏季欧亚大陆东部(15°—50°N,60°—120°E)与北太平洋上空(15°—50°N,180°—120°W)温度场反相变化的现象。亚洲-太平洋涛动指数由对流层上层(500—200 hPa)温度定义,反映了亚洲-太平洋纬向热力差异。基于一个全球海-气耦合模式FGOALS_gl的20世纪气候模拟试验结果,讨论了其对20世纪亚洲-太平洋涛动指数变化的模拟能力。结果表明,较之ERA-40再分析资料(1960—1999年),模式很好地刻画出上层温度场的平均态和主导模态的空间型。从趋势上看,模式对北太平洋上空温度的年代际变化和趋势模拟较好,但未能模拟出亚洲东部陆地上空的降温趋势。从频谱分析结果看,模拟的亚洲-太平洋涛动指数2—3,a的年际变率与再分析资料相当,5-7 a周期的变率较弱。模式能够较好地模拟出与亚洲-太平洋涛动指数相关的亚洲季风区气候异常。在20世纪模拟中,外强迫因子会改变耦合系统的年际变率,在自然因子强迫下亚洲-太平洋涛动指数的功率谱向低频方向增强,人为强迫因子的作用则相反。自然强迫因子和人为强迫因子在不同时期对亚洲-太平洋涛动年际和年代际变率的作用不同。在年际变率中人为强迫因子能够控制亚洲-太平洋涛动的变率使其不致过大;在年代际变率中人为强迫因子会增强自然强迫下亚洲-太平洋涛动的变率。模式上层温度的主导模态受ENSO调制,可能影响亚洲-太平洋涛动的年际变率。因此,模式对ENSO模拟能力的缺陷是制约模式对流层上层温度及亚洲-太平洋涛动指数变率的重要因素。     

CMIP5西北太平洋气候变率的模拟评估

利用观测海温资料和CMIP5模式模拟结果分析西北太平洋(120°E~120°W,20~60°N)海表温度的气候态和年代际变化特征。结果表明,所选22个模式可以较好地模拟出西北太平洋海表温度的气候特征及其年际、年代际变化特征;模式模拟的海表温度总体标准偏差在黑潮延伸体区域最大;绝大多数模式能模拟出海表温度的第一EOF模态;西北太平洋海表温度具有较明显的年代际振荡现象,13/22的模式模拟的海表温度存在明显的年代际振荡,同时海表温度气候态的模拟偏差对其周期振荡模拟的影响较大,尤其在黑潮延伸体区域。     

太平洋年代际振荡的年代际预测方法

太平洋年代际振荡（PDO）是北太平洋海表温度年代际变率的主模态。由于太平洋年代际振荡对区域乃至全球气候的显著影响,其合理的预测结果可以带来多方面收益。然而,针对太平洋年代际振荡及其有关的海表温度的年代际预测,目前气候模式的预测水平还十分有限,因此,提出了一个新的增量方法。一系列的验证结果表明,增量方法可以有效预测太平洋年代际振荡,其中包括成功预测出其振荡的年代际转折。增量方法的预测过程主要包括3个步骤:（1）采用5 a滑动平均得到太平洋年代际振荡的年代际变率;（2）利用3 a增量形式的预测因子构建预测模型,预测3 a增量的太平洋年代际振荡（DI_PDO）;（3）将预测得到的DI_PDO加上3 a前的观测PDO,得到最后预测的PDO。增量方法亦可以应用到气候系统年代际内部变率的其他模态（如:北大西洋年代际振荡）和其他气候变量的年代际预测（如:海表温度）。      

IPCC AR4中海气耦合模式对中国东部夏季降水及PDO、NAO年代际变化的模拟能力分析

利用1880—1999年中国东部35站的观测降水资料、英国Hadley中心的海温和海平面气压资料以及IPCC第4次评估报告（AR4）中20世纪气候模拟试验（20C3M）的模式输出结果,对IPCCAR4中22个耦合模式所模拟的我国东部夏季降水的年代际变化情况以及太平洋年代际涛动（PDO）和北大西洋涛动（NAO）的年代际变化情况进行了分析。结果显示,这些模式对20世纪我国东部夏季降水年代际变化的模拟结果并不理想,但对降水在20世纪70年代中期前后的突变具有一定的模拟能力。其中IAP_FGOALSL_0_G可以大致模拟出20世纪70年代中期前后降水型的突变特征,而BCCR_BCM2_0和UKMO_HadGEM1则可以模拟出华北地区降水在20世纪70年代中期之后减少的现象。对于引起我国东部夏季降水年代际变化的重要因子PDO和NAO,模式对它们年代际变化的模拟效果略好于降水。多数模式都可以模拟出PDO和NAO的空间模态,其中CNRM_CM3和UKMO_HadGEM1对PDO年代际变化（8 a以上）的模拟与实际情况比较相似,并可以模拟出20世纪70年代中期之后PDO由负位相转变为正位相的情况,而模式UKMO_HadGEM1也对NAO的年代际变化以及1980年以来不断加强的趋势模拟较好。     

FGOALS模式4个版本太平洋年代际气候变率模拟的比较

本文选用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)发展的全球海洋—大气—陆面气候系统模式(FGOALS)的4个版本g2.0、s2.0、g1.1和g1,利用模式的长时间积分结果,结合观测、再分析资料比较、评估模式对太平洋年代际变率的模拟能力,并通过对海气相互作用及其海洋动力过程分析,探讨了模式中太平洋年代际振荡形成机制.研究发现,FGOALS 模式g2.0和s2.0版本对太平洋年代际振荡(PDO/IPO)的模拟能力优于 g1.1和g1.模式中太平洋年代际变率的正反馈过程与Bjerknes(1969)提出的海气相互作用正反馈机制有关,其负反馈则主要与海洋内部动力过程有关.太平洋异常经向热量输送将热带与中纬度海洋联系在一起,可以抑制正反馈作用,但无法使得年代际振荡变化位相发生反转;FGOALS模式中,热带海表温度(SST)暖距平信号通过大气桥影响热带外大气环流,在海气作用下,热带与热带外海洋次表层分别以Kelvin 波和Rossby 波的形式传播,使得冷暖位相反转,4个版本均能再现这种负反馈机制.但不同版本Rossby波所处的纬度不同,太平洋SST异常年代际变化信号最明显的范围越宽,则由此激发的Rossby 波便更为偏北,纬度越高Rossby 波西传的时间也越长,PDO/IPO的周期与其SST异常的经向尺度密切相关.     

CMIP5多模式对阿留申低压气候特征的模拟检验与预估

利用观测的海温资料和海平面气压资料,检验了CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project 5,CMIP5)多模式对阿留申低压(Aleutian Low,AL)特征指数的时空分布和变化的模拟能力;从AL周期及变化趋势等方面,分析了CMIP5模式预估的未来AL的变化特征。结果表明,CMIP5模式及其集合平均能够很好地模拟AL的环流结构,对AL的气候态有着较强的模拟能力,尤其是模式对于东太平洋海表温度的模拟能力直接影响其对于AL的模拟效果。模式的集合平均对变率强度的模拟偏强,且对于变率的模拟效果逊于对气候态的模拟。22个模式中的16个模式能模拟出AL强度指数的年代际变化周期,对年代际周期有着较好的刻画能力。Historical试验下对于AL的变化趋势存在着较大的不确定性,而相对于两种不同排放情景,随着排放的增加,AL更加偏北,强度增强,年际、年代际周期变得更加显著。在两种排放情景下模式的集合平均以及多数模式模拟出AL有着向北和增强的趋势。     

CMIP模式对冬季北半球大气环流与青藏高原冬春季气温相关关系的模拟评估

本文评估了36个CMIP5模式和39个CMIP6模式对近期观测中揭示的北半球冬季大气环流与高原冬春气温之间的相关关系的模拟能力。利用最大协方差(MCA)分析方法,计算并比较了观测和模式中冬季北半球200 hPa位势高度场与同后期青藏高原近地面气温的耦合关系。整体而言,大部分CMIP模式能够模拟出显著的冬季北半球大气环流与青藏高原气温之间的相关关系,且CMIP6模式模拟相关特征和作用机制的能力较CMIP5均有所提升。与观测相比,历史情景下36个CMIP5模式中有26个能够模拟出显著的大气环流与同后期高原气温之间的相关关系,其中对于相关的位势高度场空间模态的模拟明显好于对高原气温异常场空间模态的模拟。同情景下39个CMIP6模式中有37个能模拟出显著相关关系,且CMIP6模式更能模拟出观测中MCA模态的位势高度场上北极涛动(AO)和西太平洋遥相关型(WP)反相位叠加的大气环流特征。在对MCA模态时间变率的模拟上,大部分模式都能重现青藏高原整体变暖的趋势,部分模式能够模拟出观测中位势高度场时间主成分的年际变率,并且CMIP6表现要优于CMIP5。对耦合环流型的动力诊断显示,相比CMIP5模式,CMIP6中有更多模式可以模拟出极地—高原之间的遥相关波列,且对波列结构的模拟更完整。     

North Pacific SST Forcing on the Central United States “Warming Hole” as Simulated in CMIP5 Coupled Historical and Uncoupled AMIP Experiments

The central United States experienced a cooling trend during the twentieth century, called the “warming hole,” most notably in the last quarter of the century when global warming accelerated. The coupled simulations of the models that participated in the Coupled Model Intercomparison Project, Phases 3 and 5 (CMIP3/5), have been unable to reproduce this abnormal cooling phenomenon satisfactorily. An unrealistic representation of the observed phasing of the Pacific Decadal Oscillation (PDO)—one of the proposed forcing mechanisms for the warming hole—in the models is considered to be one of the main causes of this effect. The CMIP5’s uncoupled Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP) experiment, whose duration approximately coincides with the peak warming hole cooling period, provides an opportunity, when compared with the coupled historical experiment, to examine the role of the variation in Pacific Ocean sea surface temperature (SST) in the warming hole’s formation and also to assess the skill of the models in simulating the teleconnection between Pacific SST and the continental climate in North America. Accordingly, this study compared AMIP and historical runs in the CMIP5 suite thereby isolating the role of SST forcing in the formation of the warming hole and its maintenance mechanisms. It was found that, even when SST forcing in the AMIP run was “perfectly” prescribed in the models, the skill of the models in simulating the warming hole cooling in the central United States showed little improvement over the historical run, in which SST is calculated interactively, even though the AMIP run overestimated the anti-correlation between temperature in the central United States and the PDO index. The fact that better simulation of the PDO phasing in the AMIP run did not translate into an improved summer cooling trend in the central United States suggests that the inability of the coupled CMIP5 models to reproduce the warming hole under the historical run is not mainly a result of the mismatch between simulated and observed PDO phasing, as believed.     

Tropical Pacific Decadal Oscillation in Subsurface Ocean Temperature

This study utilizes a new monthly-assimilated sea temperature and analyzes trend and decadal oscillations in tropical Pacific 100-200 m subsurface ocean temperature (SOT) from 1945 to 2005 on the basis of the harmonic analysis and Empirical Orthogonal Function (EOF) methods. Significant cooling trends in the SOT in the tropical western Pacific were found over this 60-year period. The first EOF of the SOT in tropical Pacific displays an ENSO-like zonal dipole pattern on decadal time scale, and we considered this pattern in subsurface ocean temperature the tropical Pacific decadal oscillation (TPDO). Our analysis suggests that TPDO is closely correlated with the Pacific decadal oscillation (PDO) in the surface sea temperature (SST). The correlation coefficient between the indices of TPDO and PDO is +0.81 and reaches a maximum of +0.84 when TPDO lags behind PDO by 2 months. Therefore, a change of TPDO is likely related to the variation of PDO. The long-term change in TPDO best explains decadal warming in the tropical eastern Pacific SST and implies potential impact on the weakening of East Asian summer monsoons after the late 1970s.     

Temporal Characteristics of Pacific Decadal Oscillation (PDO) and ENSO and Their Relationship Analyzed with Method of Empirical Mode Decomposition (EMD)

1. IntroductionPacific Decadal Oscillation (PDO) is a long-termENSO-like variability of the North Pacific. It can becharacterized by the first principal component of EOFof the North Pacific SST (Zhu and Yang, 2003; Tren-berth, 1990; Yang and Zhang, 2003). ENSO is thestrongest signal of annular change of global climatesystem (Trenberth, 1997). The spatial pattern of PDOis a wedge similar to El Nino. In the cool (warm)phases of PDO, the central and northwest Pacific is ofwarm (co…     

北太平洋阻塞的年际年代际变化及其与SST、遥相关及风暴路径的关系

利用NCEP／NCAR再分析资料，对1948／1949－1999／2000共52个冬季的北太平洋上空中纬度阻塞异常的气修特征进行了统计分析，小波分析和功率谱分析结果表明该区域阻塞发生的频数具有很明显的3－7年的年际振荡和年代际变化特征。同时2－7年带通平均的小波方差谱分析结果表明阻塞的这种年际变化的振幅存在着缓慢下降的趋势，且气候突变在20世纪70年代，这进一步证明了北太平洋上空的阻塞活动具有年代际变化特征。对强阻塞异常的冬季和弱阻塞异常的冬季分别进行合成分析，结果表明，对于阻塞异常强的冬季，北太平洋西向东北方向加强并分裂成两个中心，而SST异常在中纬度太平洋则对应着典型的PDO型，在赤道地区则为类La Nina型的海温分布。而对于阻塞异常弱的冬季则对应截然不同甚至相反的分布特征，即500hPa高度异常场表现为符号相反的PNA型，风暴路径中心在日界线附近呈纬向型分布。同时SST异常在赤道地区则为典型的El Nino型的海温分布。以上结果揭示出北太平洋阻塞活动的年际变化可能主要与热带海温的遥响应相联系，而年代际变化则主要与中纬度局地的PDO型海温及其通过斜压瞬变波的海－气相互作用有关。     

The Impact of Global Warming on the Pacific Decadal Oscillation and the Possible Mechanism简

The response of the Pacific Decadal Oscillation （PDO） to global warming according to the Fast Ocean Atmosphere Model （FOAM） and global warming comparison experiments of 11 IPCC AR4 models is investigated. The results show that North Pacific ocean decadal variability, its dominant mode （i.e., PDO）, and atmospheric decadal variability, have become weaker under global warming, but with PDO shifting to a higher frequency. The SST decadal variability reduction maximum is shown to be in the subpolar North Pacific Ocean and western North Pacific （PDO center）. The atmospheric decadal variability reduction maximum is over the PDO center. It was also found that oceanic baroclinic Rossby waves play a key role in PDO dynamics, especially those in the subpolar ocean. As the frequency of ocean buoyancy increases under a warmer climate, oceanic baroclinic Rossby waves become faster, and the increase in their speed ratio in the high latitudes is much larger than in the low latitudes. The faster baroclinic Rossby waves can cause the PDO to shift to a higher frequency, and North Pacific decadal variability and PDO to become weaker.     

冬季北太平洋风暴轴的年代际变化特征及其可能影响机制

利用1958-2002年的ERA-40再分析资料,用谐波变换和EOF方法分析了冬季北太平洋风暴轴在年代际时间尺度上的变化特征,并通过回归分析的方法初步探讨了风暴轴年代际变化的可能影响机制.结果表明,在年代际时间尺度上,北太平洋风暴轴有两种主要模态,第1模态是风暴轴在其气候平均位置增强或减弱的主体一致变化型,其年代际变化受到上游涡旋强迫的影响,北大西洋强(弱)的涡旋活动,使得冬季北太平洋西风急流减弱(增强)、变宽(窄)、北抬(南压),同期北太平洋风暴轴活动偏强(弱),黑潮延续体区海表温度有偏暖(冷)的响应;第2模态是风暴轴中东部在气候平均位置南北两侧振荡的经向异常型,与太平洋年代际振荡(PDO)循环的暖(冷)位相相联系,下垫面海温非绝热加热的作用,激发加强(减弱)大气中类太平洋/北美遥相关型(PNA)的响应,引起大气斜压性异常偏南(北),使得风暴轴整体南压(北抬),且中东部向东南(北)方向移动.因此,冬季北太平洋风暴轴的年代际变化不仅是局地波-流相互作用的结果,还应考虑上游涡旋活动和海温热力强迫的作用.     

CMIP5模式对AMO与PDO模拟评估及未来预估

利用1880-2009年海表温度(Sea Surface Temperature,SST)观测资料以及耦合模式比较计划第五阶段(Coupled Model Intercomparison Project phase 5,CMIP5)中4种情景(piControl、historical、RCP2.6、RCP4.5)下的模...     

中国东部夏季降水型的年代际变化及其与北太平洋海温的关系

采用中国160站降水资料、NOAA ERSST海温资料以及ERA－40大气再分析资料, 分析了中国东部夏季降水型的年代际变化特征及其与北太平洋海温的可能联系。结果表明: 中国东部夏季降水型在近50年中经历了两次年代际变化, 第1次发生在20世纪70年代中后期, 北太平洋中纬度地区冬季海温由正距平向负距平转变, 太平洋年代际振荡(PDO, Pacific decadal oscillation) 由负位相向正位相转变, 通过影响东亚夏季风环流, 使东亚夏季风减弱, 中国东部夏季降水从北到南呈现出“＋－＋” 转变为“－＋－”的三极分布形态, 这次年代际变化体现了同一模态正负位相的转变; 第2次发生在20世纪80年代末90年代初, 北太平洋海温转变为日本以南西北太平洋的正距平分布, 同时菲律宾群岛附近海温偏暖, 西太平洋副热带高压偏南偏西, 使得中国东部夏季降水由北至南转变成“－＋”的偶极分布形态, 这次年代际变化体现了一种模态向另一种模态的转变。     

近70 a北太平洋夏季SST及其与西太副高变化特征的相关

基于1948—2018年美国国家海洋和大气管理局(NOAA)重建海面温度(ERSSTv5)资料集,采用经验正交函数(EOF)分解和交叉小波分析等统计学方法,对北太平洋地区近70 a海表温度(SST)、西太平洋副热带高压(WPSH)的变化特征及其相关性进行分析。第一模态体现了SST显著的年际变化厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)现象和显著的年代际变化北太平洋年代际振荡(PDO)现象。将WPSH强度距平指数和面积距平指数的均值定义为WPSH综合指数。WPSH综合指数总体呈上升趋势; 1977年之前,WPSH强度逐渐减小且振幅较小; 1977年之后,WPSH强度逐渐增大且振幅强度较大。通过合成分析发现,WPSH异常偏强年份对应西北太平洋大部分地区的SST显著偏暖,WPSH异常偏弱年份对应西北太平洋大部分地区的SST显著偏冷。将其与NOAA的月气候指标的Ni?o3.4和PDO指数分别进行交叉小波谱分析,得出:北太平洋SST的年际信号、年代际信号均与WPSH的变化有很明显的相关,WPSH强度和太平洋中部SST存在显著的4~5 a的年际正相关,且随着时间的后移,SST的变化超前于WPSH的变化。