FOAM海气耦合模式中印度洋海温年际变化在厄尔尼诺不同发展阶段的影响

热带印度洋与热带太平洋是全球海气耦合最活跃的区域之一,两者的海温场中均存在着显著的年际变化模态,而且这两个洋盆间的海温异常模态间是相互联系的.本文采用一个复杂的全球海气耦合模式,模拟了两组分别包含和不包含热带印度洋海温年际变化对热带大气强迫的耦合试验,对比研究印度洋海温年际变化在厄尔尼诺事件演变中的贡献.结果表明,热带印度洋海温年际变化的存在使得厄尔尼诺事件的成熟期强度增加,且在厄尔尼诺的发展年秋季出现明显的快速增长.但在厄尔尼诺衰亡年,热带印度洋海温年际变化却使得热带太平洋暖海温减弱甚至转变为冷海温,使得厄尔尼诺事件的演变周期减短.具体来讲,发生于厄尔尼诺发展年的印度洋偶极子正异常事件能够在热带印度洋东部到热带西太平洋之间强迫出一支异常的下沉气流及异常Walker环流,加强原有的西太平洋低层西风异常,通过海洋平流及波动调整过程增强厄尔尼诺期间太平洋的暖海温异常;而在厄尔尼诺衰亡年出现的印度洋全洋盆增暖则在南亚季风爆发的背景下,在印度大陆上空产生一支明显的异常上升气流,激发西太平洋东传的Kelvin波及低层大气的东风异常,削弱了热带太平洋洋面的西风异常,促使厄尔尼诺从暖位相向冷位相转化,并使得西北太平洋出现反气旋式大气环流和降水的减少.因此,印度洋海温偶极子模态主要影响厄尔尼诺事件的发展阶段,而印度洋海温洋盆一致变化模态显著影响厄尔尼诺事件的衰亡阶段,两者均可通过改变大气环流而遥强迫太平洋海域.     

厄尔尼诺对东亚大气环流和中国降水年际变异的影响:西北太平洋异常反气旋的作用

就有关厄尔尼诺通过西北太平洋异常反气旋影响东亚大气环流和中国降水年际变异的研究进展作了系统回顾,说明了与厄尔尼诺相关联的西北太平洋异常反气旋的形成机理以及对东亚大气环流和中国降水影响的物理过程.厄尔尼诺盛期时,热带西太平洋对流异常减弱造成的冷却异常,激发出大气Rossby波响应,导致了西北太平洋异常反气旋的产生.而热带西太平洋对流异常冷却的持续、西北太平洋局地海气相互作用以及热带印度洋和大西洋海温异常的持续等多种因子,导致了西北太平洋异常反气旋从厄尔尼诺盛期时的冬季持续到次年夏季.西北太平洋异常反气旋不仅对中国降水产生同期影响,也对厄尔尼诺次年夏季的中国降水产生滞后影响,导致中国南方降水异常偏多.本文也指出东亚大气环流和中国降水在拉尼娜冬半年不存在与厄尔尼诺相反的显著异常,说明了厄尔尼诺和拉尼娜对冬半年东亚大气环流和中国降水具有不对称影响.文中还讨论了厄尔尼诺的多样性及其影响、影响西北太平洋异常反气旋持续性的各因子与中国夏季降水异常的联系,并提出了一些需要进一步研究的问题.     

热带气旋与多尺度气候变异:2018年西北太平洋台风季概况

2018年是西北太平洋热带气旋异常活跃的一年,该年台风季(6~11月)共有26个热带气旋生成,远超气候平均的22个,是近20年来第二活跃的台风季.2018年,热带气旋多形成于西北太平洋东部和南海北部,台风活动区域偏东北,移动路径多由西北行转为偏北行登陆,造成了中国大陆重大经济损失(约697.3亿元).这一年,多尺度气候变异共同作用引起了西北太平洋季风槽的增强和副热带高压减弱,从而导致了热带气旋异常活跃.在此过程中,年际气候背景条件起了主导作用,而年代际气候变异仅起到了弱的抑制作用.在年际尺度上,一个发展的中太平洋厄尔尼诺事件和正相位的太平洋经向模态(PMM)共同作用形成了2018年有利于热带气旋活动的大尺度环流背景条件.进一步研究表明,中太平洋海温强迫在西北太平洋热带气旋活动中起到了关键调节作用,而PMM通过中太平洋海温间接影响西北太平洋热带气旋活动.在中太平洋厄尔尼诺年,中太平洋海温增暖引起的对流异常通过大气的Gill型-罗斯贝波响应导致了西北太平洋上异常气旋性环流,这使得西北太平洋上副热带高压减弱、季风槽增强东北移,有利于热带气旋在此形成和发展.短期气候及天气变化,如季节内振荡(ISO)和天气尺度扰动(SSD)的活动,与增强的季风槽相互作用,加剧了2018年异常的西北太平洋热带气旋的活动.     

BCC_CSM1.1(m)模式对于夏季亚洲-太平洋涛动的模拟

亚洲-太平洋涛动是北半球夏季亚洲大陆和北太平洋副热带地区对流层中高层扰动温度场上大尺度的东西反相的遥相关现象,其异常变化与亚洲-太平洋地区夏季风气候有着密切的联系.基于欧洲中心的ERA-40再分析资料和国家气候中心BCC_CSM1.1（m）气候系统模式多年的数值模拟结果,本文主要评估了BCC_CSM1.1（m）模式对于夏季亚洲-太平洋涛动的空间分布、指数的时间演变及与其变化所对应的亚洲地区夏季环流异常等方面的模拟能力,结果表明：BCC_CSM1.1（m）模式能够较好地模拟出北半球夏季对流层中高层扰动温度在亚-太地区中纬度存在的西高东低"跷跷板"现象;模式能够模拟出夏季亚洲-太平洋涛动指数的年际变率,但是不能模拟出该指数在20世纪60-70年代明显下降的年代际趋势;模式还能较好地模拟出亚洲-太平洋涛动高低指数年亚洲-太平洋地区夏季环流的异常：指数偏高年份,南亚高压增强,高空西风急流带和热带东风急流均加强,索马里越赤道气流增强,南亚热带季风和东亚副热带季风均增强,东亚季风低压槽加强,西北太平洋副热带高压增强,南亚和东亚北部降水增加,菲律宾地区、中国长江流域-朝鲜半岛-日本一带地区降水减少,反之亦然.     

夏季西北太平洋大气环流异常及其与热带印度洋-太平洋海温变化的关系

本文分析了夏季西北太平洋大气环流异常特征及其与海温变化的关系,发现夏季西北太平洋异常反气旋/气旋(WNPAC/WNPC)是西北太平洋地区对流层中低层存在的重要大气环流异常现象,与东亚-西北太平洋低纬度至高纬度的经向PJ波列及欧亚中高纬度东西纬向波列的变化有关,通过与中高纬度环流变化的联系,对东亚及欧亚中高纬度气候有重要影响.夏季WNPAC/WNPC与热带海温变化的关系存在明显的不对称性,显著的WNPAC一般出现在El Niño衰减年夏季,与前期El Niño成熟年冬季的赤道东太平洋暖海温异常和El Niño衰减年春夏季印度洋海盆尺度的暖海温异常有明显的正相关关系,进一步表明了WNPAC在El Niño事件影响夏季气候中的重要桥梁作用;而夏季显著的WNPC与前期和同期热带海温变化的关系存在明显的不确定性,主要与夏季热带印度洋和赤道中东太平洋之间东暖西冷的热力差异异常引起的孟加拉湾-赤道西太平洋西风异常有关.进一步分析WNPAC/WNPC与海温变化关系不对称的可能原因,发现El Niño和La Niña衰减年夏季热带印度洋和太平洋海温变化所引起的印-太之间海温(热力)差异的一致性特征可能是导致WNPAC/WNPC与海温变化关系不对称的主要原因.     

耦合模式长期积分中东亚夏季风与ENSO联系的不稳定性

通过对挪威卑尔根全球大气-海洋-海冰耦合模式300a控制积分结果进行交叉子波分析,揭示了东亚夏季风（EASM）与同期Nio3区（90°W～150°W,5°S～5°N）海洋表面温度异常的相关关系在长期变化中是不稳定的,呈现出明显的阶段性特征.气候要素场在二者联系的紧密（HCP）和微弱（LCP）时期差别显著,在HCP时期,西北太平洋对流层低层出现一对耦合的异常气旋和反气旋性环流系统;东南亚地区对流层低层表现为强东风异常,风速的年际变率加大;热带西太平洋对流层温度和位势高度场的年际变率普遍加强.此外,中国夏季降水与同期Nio3区海洋表面温度异常的相关关系在上述两种时期也存在较大差别.     

2014～2016厄尔尼诺事件的机制分析

2015~2016厄尔尼诺是有记录以来最强的厄尔尼诺事件之一.在此之前的2014年还发生了一次较弱的厄尔尼诺事件.本文系统地分析了形成这两次事件的动力机制.结果表明,2014年的弱厄尔尼诺有两个增暖阶段,春夏季的增暖主要来源于西风爆发驱动的异常东向热平流和东传的下沉开尔文波,而秋冬季的增暖主要来源于异常经向平流、净热通量和下沉开尔文波.2015~2016年的极端厄尔尼诺事件则主要是在一系列西风爆发的驱动下,通过持续的中太平洋东向热输运异常、东太平洋垂向热输运异常以及Bjerknes正反馈而形成.西风爆发的多寡是造成这两次厄尔尼诺事件强度大相庭径的主因.相比于1982~1983和1997~1998极端厄尔尼诺事件,2015~2016极端厄尔尼诺在发生机制和空间形态上具有相当不同的特点.只有在经典的厄尔尼诺理论框架中加入西风爆发的作用,才能从一个统一的视角解释这些特点,也才能进一步改进我们认识和预测厄尔尼诺的能力.     

2022年中国南方破纪录的夏秋连旱:热带海温和欧亚加热的作用

2022年夏季至秋季,中国南方遭遇了一次持续的极端干旱事件,并对南方地区的经济发展和生态系统都造成了严重的影响.本文探究了引起这一持续性干旱事件发生的大气环流异常.研究结果表明, 2022年夏季中国南方极端干旱的发生与西北太平洋异常反气旋及东亚副热带急流北移所共同导致的水汽通量辐散和异常下沉运动密切相关.不同的是,后续造成秋季干旱持续维持的大气环流异常主要是位于孟加拉湾至中国南海地区上空的气旋性环流异常,该系统导致了中国南方的水汽减少和异常下沉运动.进一步的研究表明, 2022年夏季欧亚大陆北部罕见的强地表加热和热带太平洋的极端拉尼娜型海温异常共同导致在同期出现了西北太平洋异常反气旋和东亚副热带急流的北移,而秋季在孟加拉湾至中国南海地区上空形成的气旋性环流异常很大程度上是由热带印度洋海温的极端负异常导致的.     

热带西印度洋年代际增暖对2020年超强梅雨的可能贡献

2020年6～7月我国长江中下游地区遭受了超强持续性梅雨的侵袭,其累积降水量打破了1961年以来的历史记录.通过分析1979～2020年长江流域梅雨期降水,发现相比于7月而言, 6月长江流域梅雨呈现出更加显著的年代际变化特征. 21世纪初期以来,热带西印度洋海温经历了明显的年代际增暖.观测分析和模式试验均表明, 5～6月热带西印度洋海温异常与6月长江流域降水存在显著的年代际相关.热带西印度洋异常增暖可以有效调制并加强西北太平洋反气旋,其西北侧异常强的西南风将大量水汽输送至长江流域,为超强梅雨的发生提供有利的大尺度环流条件. 21世纪初热带西印度洋海温异常由冷位相转为暖位相,使2020年5月的海温异常高达0.7℃,约为1.8倍标准差,显著提高了2020年梅雨期内强降水过程的发生概率.     

青藏高原春季积雪在南海夏季风爆发过程中的作用

本文应用欧洲中期预报中心（ECMWF,European Centre for Medium\|Range Weather Forecasts—ERA\|40）资料和美国国家环境预测中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR, National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)资料,研究了青藏高原雪深变化对南海夏季风爆发的影响和ENSO对青藏高原降雪的影响.结果表明：（1）ECMWF的雪深资料是可信的,可以用来研究青藏高原雪深变化对南海夏季风爆发的影响;（2）青藏高原的积雪异常影响到500 hPa以上的温度异常和印度洋与大陆间的气温对比,一方面使上层的南亚高压移动速度发生变化,另一方面也影响到低层大气的运动和东西向风异常,在青藏高原少雪年,东印度洋产生西风异常和一个气旋对,而在青藏高原多雪年,东印度洋产生东风异常和一个反气旋对;（3）ENSO与青藏高原春季积雪关系密切.东太平洋SST正异常时,东印度洋和南海气压偏高,从而导致该区海陆经向压强梯度增强和西风异常.另外,此时青藏高原北部气压偏高,北风偏强,副热带锋面增强,同时,印度洋的SST偏高,为青藏高原降雪提供了水汽保障,这些都有利于青藏高原的降雪.     

春季Hadley环流异常对夏季西北太平洋热带气旋频数影响的数值模拟试验

观测事实揭示出春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数之间存在显著的负相关关系.由春季Hadley环流异常引起的西北太平洋地区夏季纬向风垂直切变、大气辐合辐散等的异常变化是这一关系存在的内在原因.本文通过数值试验对这一关系的真实性进行了验证,即利用中国科学院大气物理研究所发展的9层大气环流模式（IAP9L-AGCM）模拟了春季Hadley环流异常偏强情景,并分析了该情景下影响西北太平洋热带气旋生成的环境场的响应.结果表明,在春季Hadley环流偏强情景下,夏季西北太平洋地区纬向风垂直切变幅度加大,低空大气异常辐散,高空大气异常辐合,东亚夏季风减弱,这种环流背景不利于热带气旋生成和发展,因此,西北太平洋热带气旋频数异常偏少.数值模拟结果与已有的诊断结果相吻合,进而证实了春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数负相关关系的存在.因此,春季Hadley环流信号可以用于西北太平洋热带气旋活动的气候预测.     

南太平洋和北太平洋年代际振荡与华北盛夏降水的关系及可能物理机制

利用降水、大气环流和海表温度等多种再分析资料和偏相关方法,研究了1951—2007年南太平洋年代际振荡（SPDO）和北太平洋年代际振荡（即PDO,本文称为NPDO）分别与华北盛夏（7—8月）降水在年代际时间尺度上的关系及其可能物理机制.结果表明：在去除SPDO和NPDO的相关性之前,它们与华北盛夏降水的关系均偏弱;但在去除两者相关性之后,SPDO（NPDO）与华北盛夏降水存在显著正（负）相关关系.去除两者相关性之后,当SPDO处于正位相时,热带西北太平洋海温异常显著偏暖,这将在对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸激发出"气旋-反气旋-气旋"的负位相东亚—太平洋型遥相关（EAP）波列,该波列导致东亚夏季风异常增强,有利于低纬地区水汽输送至华北地区,从而使得华北盛夏降水异常偏多,反之,当SPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏少;对NPDO来说,当其处于正位相时,不仅热带西北太平洋异常显著偏冷,而且印度洋大部分海温异常显著偏暖,在两者共同作用下,对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸出现"反气旋-气旋-反气旋"的正位相EAP波列,这将引起东亚夏季风异常减弱,不利于低纬地区水汽输送至华北地区,华北盛夏降水异常因此减少,反之,当NPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏多.     

降雨非绝热加热对2023年2月上旬中国东部“南雨-北霾”事件的影响

2023年2月上旬,华南地区经历了持续性降雨过程,而同期华北平原出现了持续性PM2.5污染天气,即中国东部出现了“南雨-北霾”现象.本研究基于观测和再分析资料,利用相关分析、动力诊断分析和数值模式试验等方法,深入分析了此次“南雨-北霾”事件的气象成因.结果表明:西北太平洋异常反气旋(或称东北亚异常反气旋)是此次“南雨-北霾”事件的主导因子.一方面,该异常反气旋引导西南气流为华南地区输送了大量水汽,并与中国大陆对流层高层异常气旋配合引起强上升运动,导致华南地区出现大范围降雨过程.另一方面,该异常反气旋西侧的东南气流削弱了华北平原气候态北风,使得污染物的水平扩散条件变差,同时与该异常反气旋有关的华北平原大气边界层高度降低和相对湿度增加,使得华北平原PM2.5浓度升高.进一步研究发现,该异常反气旋的发展与华南降雨潜热释放对应的非绝热加热有关.华南降雨通过非绝热加热不仅加强了华南地区的降雨过程(贡献约为11.5%),还在西北太平洋对流层高层(如200h Pa)激发出反气旋异常,该反气旋异常加强了背景环流引起的西北太平洋异常反气旋(贡献约为27%),进而影响“北霾”的发展.本研究为理解中国南方降...     

近148年塞舌尔珊瑚氧同位素记录的热带印度洋海盆模态

在厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件的后期,热带印度洋海表温度(SST)会呈现海盆尺度一致增暖或冷却的分布,被称为印度洋海盆模态(IOBM).近几年的研究表明,IOBM是热带印度洋SST年际变化最主要的模态,影响了从印度洋到西太平洋及周边区域的气候.对西印度洋塞舌尔群岛(Seychelles)近148年的珊瑚氧同位素(δ18O)资料的再研究表明,该珊瑚δ18O能非常好地指示西印度洋局地SST的季节变化和长期变化,且能够表征热带印度洋海盆尺度SST的年际变化.进一步的研究显示δ18O所表征的IOBM具有3~7年的年际变化周期,并受年代际变化的调制.通过与全球海温资料的相关分析发现,该珊瑚δ18O信号滞后热带太平洋SST变化约5个月,在ENSO盛期次年春季相关达到最大.其空间分布显示塞舌尔群岛位于IOBM模态的关键海区,能够用来表征IOBM以及ENSO对印度洋的大气遥相关效应.这表明塞舌尔群岛的珊瑚氧同位素序列可以作为IOBM代用指数,用以研究印度洋气候的长期变化.     

西北太平洋热带气旋活动影响区域大尺度环流的数值模拟研究

本文利用"模式手术"方法研究了西北太平洋热带气旋(TC)对东亚—西北太平洋区域大尺度环流的影响.结果表明,夏季频繁的西北太平洋TC活动导致东亚夏季风增强,季风槽加深;西太平洋副热带高压东退,位置偏北;东亚副热带高空急流强度增强,北太平洋(东亚大陆)上急流轴偏北(偏南);热带地区(副热带地区)的对流层中低层出现异常上升气流(下沉气流),并且从低纬向高纬呈现异常上升气流和异常下沉气流交替分布特征.在中国东南沿海,TC降水导致夏季降水量明显增加;而在长江中下游和华北地区,TC活动引起的异常下沉气流使夏季降水量显著减少.因此,夏季西北太平洋TC活动对东亚—西北太平洋区域气候有显著影响.     

三大洋对2020年6月长江流域破纪录强降水的影响

2020年6月长江流域的降水量破了1979年以来的纪录.研究表明三个大洋(太平洋、印度洋和大西洋)都有贡献,但是大西洋起到主导作用.三大洋的海温异常可以影响两个区域的相对涡度异常:一个是位于华北地区的200-hPa相对涡度(华北涡度)负异常,另一个是位于南海的850-hPa相对涡度(南海涡度)负异常.长江流域的降水异常主要受到华北涡度相关的大气过程控制. 5月西北大西洋的海温正异常可以引起6月中纬度北大西洋的位势高度正异常,进而通过横跨欧亚大陆的大气波列影响华北涡度,从而造成长江流域的降水正异常.而印度洋和热带北大西洋,作为前一年冬季太平洋El Ni?o事件的电容器,可以引起南海涡度负异常(反气旋性环流异常),通过进一步加强水汽输送增强长江流域的降水.本研究表明5月西北大西洋海温是6月长江流域降水很好的预测因子,并且强调三大洋海温对中国极端天气和气候事件的重要作用.     

热带印度洋Dipole事件的两种模态

研究了印度洋Dipole事件期间热带太平洋．印度洋海洋次表层海温异常和海面风应力异常分布主要型,揭示了Dipole事件的两种模态,探讨了其形成机制,得到如下结果：（1）印度洋Dipole事件在热带印度洋次表层海温异常表现为“〈”型的东西向偶极子分布,“〈”以东的热带东印度洋为沿赤道呈舌状西伸的显著海温异常中心,“〈”以西的热带中西印度洋为反号的、以赤道为准对称的南强北弱显著海温异常中心．（2）印度洋Dipole事件由两种模态构成,二者具相同空间分布但具不同的时间变率,它们是两个独立的大尺度海气相互作用的结果．Dipole事件第一模态源于热带太平洋一印度洋尺度海气相互作用,它与ENSO事件共存．Dipole事件第二模态起因于热带印度洋尺度海气相互作用,它与Mascarene高压位置和强度变化紧密联系．当二者位相一致时,产生强Dipole事件,二者位相相反时,Dipole事件很弱或消失,一者较强时,Dipole事件一般也较强．（3）印度洋Dipole事件是热带印度洋海面异常风应力强迫的结果,海面异常风应力作用下产生的垂直输送导致海水堆积和涌升是造成次表层海温异常的主要动力过程．当赤道印度洋为异常东风时,热带东印度洋冷海水上升,热带西印度洋暖海水堆积,热带印度洋温跃层东浅西深;由于Coriolis力的作用,赤道海域离赤道流造成冷海水上升,赤道印度洋温跃层变浅;赤道两侧热带印度洋异常反气旋环流及旋度场,造成该异常旋度中心区域暖海水堆积,赤道外热带印度洋温跃层加深．三者共同作用产生正位相Dipole事件．热带印度洋为异常西风时,动力过程相反,产生负位相Dipole事件．     

青藏高原冬季热状况对赤道太平洋纬向风异常的影响

用经过改进的CCM 1动力气候模式研究了冬季青藏高原上空大气热源汇异常对太平洋纬向风异常的影响, 发现: (1) 当青藏高原1~3月份大气冷源加强时, 在对流层低层出现围绕青藏高原的异常反气旋, 随后的月份在中国大陆沿海出现异常的北风, 西太平洋出现异常气旋. 随后, 西太平洋赤道出现异常西风并向东扩展到东太平洋; (2) 当青藏高原1~3月份大气冷源异常减弱时, 首先在低层出现一个围绕青藏高原的异常气旋, 随后在西太平洋出现异常反气旋, 并向西南移动, 引起赤道太平洋地区的异常东风, 并向东传播. 此外青藏高原冬季和初春冷源强弱还可以引起赤道印度洋的纬向风的异常变化, 因而冬季青藏高原大气冷热源异常可以作为亚洲冬季风和ENSO之间的桥梁.     

青藏高原热力作用对北半球气候影响的研究

总结了近年来关于青藏高原热力作用的气候特征及其对北半球区域气候影响的研究成果,主要包括：青藏高原热力作用不仅对亚洲季风和降水变率有着重要影响,而且还通过激发类似于亚洲．太平洋涛动的大尺度遥相关,影响着北美和欧洲以及南印度洋的大气环流和气候．青藏高原气候不是被动的受热带太平洋海温影响,它也可以通过北太平洋大气环流调制着太平洋热带和中纬度海．气相互作用．春、夏季青藏高原加热异常通过影响北太平洋副热带高压、哈德莱（Hadley）环流和赤道辐合带（ITCZ）,调制着热带ENSO发展,因此研究从青藏高原气候异常来预测ENSO发展的方法是必要的．这体现了北半球海．陆．气相互作用的本质．由于过去的研究更多地集中在青藏高原对亚洲季风区气候的影响方面,因而加强研究青藏高原在北半球乃至全球气候变化中的作用十分必要．     

热带太平洋外海气耦合作用对东亚夏季风年代际变化的可能影响

利用1950—2000年逐月观测的热带太平洋海表温度分别驱动NCAR CCM3全球大气环流模式以及该模式耦合SOM(Slab Ocean Model)混合层海洋模式进行长时间积分试验,将两组试验结果相减来研究热带太平洋外海气耦合作用对20世纪70年代中后期东亚夏季风年代际变化的可能影响.模拟结果表明:热带太平洋外的海气耦合作用使得孟加拉湾、南海附近存在反气旋环流异常,导致我国东部存在偏南风异常,从而引起东亚夏季风年代际增强.其中热带印度洋的年代际增暖对东亚夏季风年代际增强有一定影响.