Monsoon Circulation Related to ENSO Phase-Locking

ＭｏｎｓｏｏｎＣｉｒｃｕｌａｔｉｏｎＲｅｌａｔｅｄｔｏＥＮＳＯＰｈａｓｅ－Ｌｏｃｋｉｎｇ①①ＴｈｉｓｗｏｒｋｉｓｓｐｏｎｓｏｒｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａｕｎｄｅｒＧｒａｎｔＡＴＭ４９７...     

The 1997/ 98 enso cycle and its impact on summer climate anomalies in east asia

l.IntroductionTheENSOeventcanbeconsideredasthemostimp0rtantphenomenonoftheair-seainteractionintheequatoria1Pacific.WhenanENSOeventoccursintheequatorialPacific,severeclimateanomalieswillbecausedinmanyregionsoftheworld(Namias,l976;HorelandWallace,l98l;RasmussonandCarpenter,l982;RasmussonandWallace,l983).Similar-ly,theENS0eventalsohasalargeimpactonclimateanomaliesinEastAsia(WangandZhu,l986;FuandYe,l988).lnrespectoftheimpactofENSOeventonclimateanomaliesinChina,theinvestigationofHuanga…     

关于季风动力学以及季风与ENSO循环相互作用的研究

季风和ENSO是影响亚洲和中国气候变化的两大系统,随着气候动力学研究的深入,国内外学者对季风及其与ENSO循环相互作用的研究取得了很大进展.作者回顾了近年来国内外关于季风动力学以及季风与ENSO循环相互作用的研究进展,主要综述了中国学者关于亚洲季风的认识与表述的深化,特别是对于季风的特征、系统性和年循环现象的认识.还回顾了中国关于亚洲季风的季内、年际和年代际变化、亚洲季风与ENSO循环相互作用等方面的研究进展.此外,还提出在季风动力学以及季风与ENSO循环相互作用方面需进一步研究的问题.     

东亚夏季风环流与ENSO循环的关系

采用NCEP/NCAR再分析资料和NCAR海温资料 ,对ENSO循环不同阶段东亚夏季风环流的变化进行了分析。计算了各年夏季风环流的强度系数及其与多年平均夏季风环流的相似系数和差异系数 ,分析它们与海温变化的关系。结果表明 :东亚夏季风环流强度有明显的年际变化和年代际变化 ,且与赤道东太平洋SST有较好的负相关关系 ,其中又以与三个月前的海温变化关系最好。在春季 (3～4月 )Nino 1+2区为冷、暖水时 ,当年夏季 (6～ 7月 )东亚季风区中 85 0hPa等压面上 >2m·s-1的经向风北伸纬度和东亚季风区的垂直经圈环流都有明显差异 ,在冷水期 >2m·s-1的经向风北伸纬度比暖水期高 ,季风环流圈的上升支北移 ,东亚夏季风环流较暖水期强。     

中国东部夏季风雨带季内变化各模态的环流及海温特征

本文根据中国气象局国家气候中心提供的中国160站月平均降水量,NCEP/NCAR再分析的850 hPa风场,及NOAA扩展重建的海温场资料,用合成分析和相关分析,研究了1951～2005年间中国夏季风雨带季内变化各模态的西太平洋副高夏季各月活动特点的差异,及其与前期冬季东亚季风和太平洋海温异常的联系,并分析了我国夏季风雨带季内变化各模态与夏季雨型的关系。结果表明,不仅不同模态对应的西太平洋副高自春至夏的两次北跳有明显不同的过程,而且两次北跳还具有相对独立性。第一次北跳主要对6月的雨带特征有重要影响,第二次北跳对7、8两月的雨带分布有决定性意义。太平洋海温异常对我国夏季风雨带季内变化的影响是多态的,在不同季风—ENSO循环的位相有不同的表现。第一模态主要出现在El Ni?o减弱位相,第二模态在La Ni?a发展位相,第三模态在El Ni?o发展位相,第四模态在La Ni?a减弱位相,第五模态ENSO的信号较弱,第六模态在La Ni?a持续位相。此外,不同海洋关键区的海温异常对我国雨带季内变化也有不同的调控作用。黑潮区的海温与6月的雨带活动关系密切,而赤道东太平洋的ENSO循环对7、8两月的雨带有重要影响。对我国夏季风雨带季内变化模态与夏季雨型关系的分析则表明,它们之间存在某些联系,但这并不意味着可以相互取代。     

Seasonal Phase-Locking of Peak Events in the Eastern Indian Ocean

The sea surface temperature （SST） anomaly of the eastern Indian Ocean （EIO） exhibits cold anomalies in the boreal summer or fall during E1 Nino development years and warm anomalies in winter or spring following the E1 Nino events. There also tend to be warm anomalies in the boreal summer or fall during La Nina development years and cold anomalies in winter or spring following the La Nina events. The seasonal phase-locking of SST change in the EIO associated with E1 Nino/Southern Oscillation is linked to the variability of convection over the maritime continent, which induces an atmospheric Rossby wave over the EIO. Local air-sea interaction exerts different effects on SST anomalies, depending on the relationship between the Rossby wave and the mean flow related to the seasonal migration of the buffer zone, which shifts across the equator between summer and winter. The summer cold events start with cooling in the Timor Sea, together with increasing easterly flow along the equator. Negative SST anomalies develop near Sumatra, through the interaction between the atmospheric Rossby wave and the underneath sea surface. These SST anomalies are also contributed to by the increased upwelling of the mixed layer and the equatorward temperature advection in the boreal fall. As the buffer zone shifts across the equator towards boreal winter, the anomalous easterly flow tends to weaken the mean flow near the equator, and the EIO SST increases due to the reduction of latent heat flux from the sea surface. As a result, wintertime SST anomalies appear with a uniform and nearly basin-wide pattern beneath the easterly anomalies. These SST anomalies are also caused by the increase in solar radiation associated with the anticyclonic atmospheric Rossby wave over the EIO. Similarly, the physical processes of the summer warm events, which are followed by wintertime cold SST anomalies, can be explained by the changes in atmospheric and oceanic fields with opposite signs to those anomalies described above.     

基于海气耦合环流模式的ENSO预测

Predictions of ENSO are described by using a coupled atmosphere-ocean general circulation model. The initial conditions are created by forcing the coupled system using SST anomalies in the tropical Pacific at the background of the coupled model climatology. A series of 24-month hindcasts for the period from November 1981 to December 1997 are carried out to validate the performance of the coupled system. Correlations of SST anomalies in the Nino3 region exceed 0.54 up to 15 months in advance and the rms errors are less than 0.9℃. The system is more skillful in predicting SST anomalies in the 1980s and less in the 1990s. The model skills are also seasonal-dependent, which are lower for the predictions starting from late autumn to winter and higher for those from spring to autumn in a year-time forecast length. The prediction, beginning from March, persists 8 months long with the correlation skill exceeding 0.6, which is important in predictions of summer rainfall in China. The predictions are succesful in many aspects for the 1997-2000 ENSO events.     

Resonance Effect in Interaction Between South Asian Summer Monsoon and ENSO During 1958–2018

The study has shown that the shear component of the vertical integrated kinetic energy (Ks) over the box (40oE–100oE, 0o–20oN) can be used as a measure of the intensity of the South Asian summer monsoon (SASM). Based on its value averaged between June and August, the SASM can be divided into strong and weak monsoon episodes. Between 1958 and 2018, there existed 16 (16) strong (weak) monsoon episodes. Based on the calendar year, the relationship between the SASM and the ENSO episodes can be grouped into six patterns: weak monsoon - El Ni?o (WM-EN), normal monsoon - El Ni?o (NM-EN), weak monsoon - non ENSO (WM-NE), strong monsoon - La Ni?a (SM-LN), normal monsoon - La Ni?a (NM-LN) and strong monsoon - non ENSO (SM-NE). Previous studies have suggested that the WM-EN and SM-LN patterns reflect the correlated relationship between the SASM and El Ni?o/Southern Oscillation (ENSO) events. Therefore, we name these two strongly coupled categories WM-EN and SM-LN as the resonance effect. Two important circulations, Walker circulation (WC) and zonal Asian monsoon circulation (MC), in the vertical plane are found to be not always correlated. MC is controlled by thermal gradients between the Asian landmass and the tropical Indian Ocean, while the WC associated with the ENSO event is primarily the east-west thermal gradient between the tropical South Pacific and the tropical Indian Ocean. Furthermore, the gradient directions caused by different surface thermal conditions are different. The main factor for the resonance effect is the phenomenon that the symbols of SSTA in the tropical Indian Ocean and the equatorial eastern Pacific are the same, but are opposite to that of the SSTA near the maritime continent.     

ENSO 循环各阶段东亚夏季风特征的诊断研究

利用NCEP／NCAR再分析资料和NCAR海温资料及中国测站地温资料，对ENSO循环不同阶段东亚夏季风强弱变化进行了分析．并从此期间的海陆热力差异和季风低压变化来探讨海温异常对东亚夏季风的影响，结果表明：东亚夏季风指数有明显的年际变化和年代际变化，且与赤道东太平洋SST有较好的负相关关系，其中又以与三个月前的海温变化关系最好．在Ninol 2区为冷、暖水之后的三个月中，冷水期对应的东亚夏季风指数大于暖水期对应的东亚夏季风指数，东亚夏季风比暖水期强。赤道东太平洋SST变化期间亚洲大陆的地面温度和地面气压也有明显变化，这是引起ENSO不同阶段东亚夏季风变化的主要原因。     

Walker环流诊断方程

导出了两个Ｗａｌｋｅｒ环流线性诊断方程,一个适用于数值模拟热带地区某一纬度的Ｗａｌｋ－ｅｒ环流;另一个适用于数值模拟经向平均的Ｗａｌｋｅｒ环流。推导所用的基本方程组中,除了经向运动方程用梯度风平衡方程取代外,其余方程都是球─p坐标系的原始方程。     

印度与东亚夏季风环流对ENSO及其年代际异常响应的数值研究

根据诊断分析结果,利用LAGS改进的L9R15气候谱模式,设计了3个数值试验,讨论了不同的年代际背景下ENSO异常对亚洲夏季风环流的影响。研究表明不同背景的ENSO异常与亚洲夏季风活动存在密切的关系。在冷背景条件下,当ENSO处于发展时,印度夏季风偏弱,风速较小,降水量偏少。而东亚夏季风偏南气流较强,受低气压控制,有利于气流辐合,降水量偏多。在ENSO衰减期,印度夏季风仍偏弱,风速偏小,具有干旱的趋势,而东亚夏季风区大陆仍为低气压控制,风速略有减小,降水量比正常年多,而比ENSO前一年有减少的趋势。在暖背     

东亚季风区夏季陆地生态系统碳循环对东亚夏季风的响应

东亚地区陆地生态系统的时空变率表现出明显的对季风气候的响应特征。使用EOF（经验正交分解）方法分析了AVIM2动态植被陆面模式离线模拟试验模拟的1953～2004年东亚季风区夏季陆地生态系统总初级生产力（GPP）、生态系统净初级生产力（NPP）、净生态系统初级生产力（NEP）、植被呼吸以及土壤呼吸的时空分布特点,探讨了东亚夏季风对陆地生态系统碳循环影响机制。研究发现,在强季风年,江淮地区高温少雨的特点限制了光合作用,造成GPP偏低;而华南地区在强季风年气候温暖湿润,利于植被生长,GPP偏高。季风对于植被呼吸和土壤呼吸影响不明显,使得GPP和植被呼吸之差NPP的变化及NPP和土壤呼吸之差NEP的变化与GPP的变化保持一致。在强季风年江淮流域地区干热的气候条件使得NPP和NEP降低;但是在华南地区温度升高的同时降水增多使得在NPP偏高的基础上NEP也偏高。     

季风与ENSO的选择性相互作用:年循环和春季预报障碍的影响

本文主要基于对Webster and Yang（1992）一文的回顾,讨论了年循环在季风和ENSO相互作用中的作用、春季预报障碍（SPB）、Webster-Yang指数（WYI）、以及亚洲夏季风的前期讯号等内容。亚洲季风和ENSO作为全球天气和气候变率的主要来源,它们之间的相互作用存在明显的年变化和季节“锁相”特征:在北半球秋冬季,亚洲季风对流活动最弱,此时ENSO的信号最强;但是到了北半球春季,亚洲季风对流快速爆发,而此时的ENSO信号却迅速衰减。亚洲季风和ENSO位相的错位变化使得热带海—气系统的不稳定性在北半球春季达到最大,此时任意一个微小的扰动都容易快速增长,最终导致基于ENSO的预报技巧减小。亚洲夏季风环流本质上可以看成是大气对副热带地区潜热加热的低频罗斯贝波响应,它具有很强的垂直风切变,这是WYI定义的物理基础。WYI数值越大,代表垂直东风切变越大,即亚洲季风环流增强,反之亦然。利用WYI与前期大气环流场、欧亚雪盖、土壤湿度等物理量进行回归分析,结果表明:当亚洲夏季风增强时,前期冬季和春季,在北印度洋和亚洲副热带地区上空出现东风异常,同时在更高纬度地区伴随出现西风的异常;此外,副热带地区如印度次大陆、中南半岛和东亚的土壤湿度增大;中纬度地区尤其是青藏高原中西部的积雪密度明显减小。这些前期讯号的发现有助于我们构建动力统计模型,进而提高对亚洲夏季风的季节预报水平。     

东亚季风指数及其与大尺度热力环流年际变化关系

将东西向海平面气压差与低纬度高、低层纬向风切变相结合 ,定义了东亚季风指数 ,该季风指数较好地反映了东亚冬、夏季风变化。其中 ,夏季风指数年际异常对西太平洋副热带高压南北位置变化和长江中下游旱涝具有较强的反映能力。分析表明 :东亚夏季风年际变化与印度洋 -西太平洋上空反 Walker环流及夏季越赤道南北半球间的季风环流呈显著正相关关系。在强、弱异常东亚夏季风年份 ,异常的 Walker环流在西太平洋上的辐合 (辐散 )中心在垂直方向不重合 ,高层 ( 2 0 0 h Pa)速度势与东亚夏季风显著相关区域位于西北太平洋上 ,该异常环流的高层的辐合 (辐散 )通过改变低层空气质量而影响夏季 50 0 h Pa西北太平洋副热带高压。采用 SVD分析进一步发现 :与海温耦合的异常 Walker环流在西太平洋上空的上升支表现出南北半球关于赤道非对称结构 ,亚澳季风区受该异常 Walker环流控制。因而 ,东亚季风与热带海气相互作用可直接通过这种纬向非对称的 Walker环流发生联系。     

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。     

海-气耦合系统的非线性不稳定行为与年际气候变率

文中从理论上论述了气候系统的基本态—季节循环的非线性不稳定特征 ,研究了年际气候变率特别是ENSO与季节循环间非线性相互作用 ,并通过Oxford海 气耦合模式数值实验具体展示了上述理论分析。理论与数值实验表明 ,海 气耦合系统可经过年周期态失稳→新周期产生→与季节循环锁相→混沌这一系列分岔过程产生类似ENSO的无规则运动。这一规律为正确认识ENSO的动力机制及客观确定简化海 气耦合模式中的参数提供了理论依据     

El Nio事件成熟位相锁定在年底的物理过程研究

用一个中等复杂程度的热带海气耦合模式研究了气候基本态的季节变化在ElNi o事件成熟位相锁定中的作用。结果表明 ,模式模拟出了ElNi o事件成熟位相锁定在年底左右的基本特征。由海洋气候基本态的季节变化所引起的平流的季节变化是ElNi o事件成熟位相锁定在年底的机制。在ElNi o事件期间 ,1～ 5月份 ,赤道中东太平洋地区的海洋气候基本态所引起的暖平流较弱 ,较弱暖平流造成海表温度异常降低 ,使海气耦合不稳定度较弱 ,从而使ElNi o事件衰减。 6～ 1 2月份 ,赤道中东太平洋地区的海洋气候基本态所引起的暖平流较强 ,较强暖平流造成海表温度异常升高 ,使海气耦合不稳定度加强 ,从而使ElNi o事件发展。这样 ,在年底左右 ,赤道中东太平洋地区形成海表温度异常的一个极值点 ,形成ElNi o事件成熟位相。海洋垂直 (经向 )平均流的季节变化产生的平流的季节变化最 (次 )强 ,因此 ,海洋垂直 (经向 )平均流是ElNi o事件成熟位相锁定在年底的主 (次 )要因子。     

Projected Changes in Asian Summer Monsoon in RCP Scenarios of CMIP5

Responses of the Asian Summer Monsoon(ASM) in future projections have been studied based on two core future projections of phase five of the Coupled Model Intercomparison Project(CMIP5) coordinated experiments with the IAP-coupled model FGOALS_s2(the Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System Model).The projected changes of the ASM in climatological mean and interannual variability were respectively reported.Both the South Asian Summer Monsoon(SASM) and the East Asian Summer Monsoon(EASM) were intensified in their climatology,featuring increased monsoon precipitation and an enhanced monsoon lower-level westerly jet flow.Accordingly,the amplitude of the annual cycle of rainfall over East Asia(EA) is enhanced,thereby indicating a more abrupt monsoon onset.After the EA monsoon onset,the EASM marched farther northward in the future scenarios than in the historical runs.In the interannual variability,the leading pattern of the EASM,defined by the first multi-variable EOF analysis over EA,explains more of the total variances in the warmest future scenario,specifically,Representative Concentration Pathway(RCP8.5).Also,the correlation coefficients analysis suggests that the relationship between the EASM interannual variations and ENSO was significantly strengthened in the future projections,which may indicate improved predictability of the EASM interannual variations.     

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。     

海洋平流的季节变化对La Nia事件成熟位相锁定的作用

用一个中等复杂程度的热带海气耦合模式模拟LaNi na事件成熟位相锁定在年底左右的特征并研究其形成的机制。结果表明 ,模式能很好地模拟观测到的LaNi na事件成熟位相锁定在年底左右的特征。LaNi na事件成熟位相锁定在年底主要由海洋气候基本态引起。海洋垂直平均流是LaNi na事件成熟位相锁定在年底左右的最主要因子。由海洋气候基本态的季节变化所引起的冷平流的季节变化是LaNi na事件成熟位相锁定在年底的机制。在LaNi na事件期间 ,1～ 5月份 ,赤道中东太平洋地区的冷平流较弱 ,它不能平衡海气热量交换过程的影响 ,因而海洋表面温度增加。这一过程使海气耦合不稳定度减弱 ,从而使LaNi na事件衰减。 6～ 12月份 ,赤道中东太平洋地区的冷平流较强。海气热量交换过程的影响不能平衡较强冷平流的影响 ,因而海洋表面温度减小。这一过程使海气耦合不稳定度加强 ,从而使LaNi na事件发展。这样 ,LaNi na事件成熟位相容易出现在年底左右。