主编语

正北极涛动(AO)是指北半球中纬度地区与北极地区气压形势出现此消彼长的"跷跷板"式变化,是北半球中高纬地区大气环流年际变率的第一主导模态。而厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)则是热带太平洋地区年际变化的最强信号,同时也是整个气候系统年际变化尺度上的最强信号。这两个气候系统对全球大范围的天气和气候都能产生显著的影响。本期主打文章(P6)总结了近年来关于AO影响ENSO的最新研究进展,旨     

与北极涛动或北半球环状模相关的纬向对称的正规模态

作为一个全球气候变率的重要模态,北极涛动或北半球环状模态(AO/NAM)一般由北半球海平面气压变率的EOF1来表示。但是通常认为EOF1仅有统计学意义而并不能够表明它是否是一种实际的物理模态。另一方面,现有的波-流相互作用理论也仅能给出纬向风的纬向平均状况,而不能够保证沿着某一纬圈的变化,所以它并不意味着一个具有半球尺度的纬向对称的相干结构能够组织起来。因此AO/NAM的形成机制仍然是一个具有争议的问题。文章提出纬向对称的或环状的正规模态与基本气候态附近的线性(进而非线性)动力学之间有着最直接的联系,因而可能在AO/NAM动力学的理解中扮演重要角色。为了深入探讨AO/NAM的动力学本质,使用p-坐标球面原始方程计算了冬季北半球及全球气候基本态附近的线性动力系统纬向对称的正规模态,发现在半球尺度上的纬向对称正规模态具有AO/NAM的经向偶极子及垂直方向近似正压的空间结构特征。而这些纬向对称正规模的时间变化尺度取决于与其他非纬向对称正规模间的相互作用。从而说明了AO/NAM可能是半球尺度上纬向对称正规模态的动力学行为的反映。     

北极涛动和南极涛动的年变化特征

北极涛动(Arctic Oscillation,简称AO)和南极涛动(Antarctic Oscillation,简称AAO)分别用于描述北半球和南半球热带外气候变率的主要模态,它们分别是北半球和南半球中纬度和高纬度之间气压变化的跷跷板结构.作者利用1958年1月～1999年12月的NCEP/NCAR全球再分析月平均资料、北极涛动指数IAO和南极涛动指数IAAO来研究AO和AAO的年变化特征以及AO和AAO与纬向平均的月平均各要素场的相关系数随纬度和月份的变化规律.     

北极涛动对ENSO影响的研究进展

北极涛动(AO)是北半球中高纬地区大气环流年际变率的第一主导模态,厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)则是热带太平洋地区年际变化的最强信号。这两个气候系统对全球大范围的天气和气候都能产生显著的影响。总结了近年来关于AO影响ENSO的最新研究进展,试图促进对中高纬度大气系统影响热带系统物理过程的理解。研究表明,春季AO对随后冬季ENSO的爆发存在显著的影响,其中北太平洋中纬度地区的天气尺度波与平均流之间的相互作用及其相关的涡度输送对赤道西太平洋异常西风的形成起着重要的作用。在年代际时间尺度上,研究发现,春季AO对随后冬季ENSO的影响在20世纪70年代初发生了一次显著的年代际变化,该年代际变化与北太平洋地区风暴轴强度的年代际变化紧密相联。研究还揭示了春季AO对ENSO影响的不对称性,即只有当春季AO处于正位相时,才能对随后冬季赤道中东太平洋海温产生显著影响。研究发现春季AO位相变化对前冬NPO与后一个冬季ENSO之间的关系具有显著的调制作用。此外,研究还发现,除春季AO外,11月AO对随后春季和夏季赤道中东太平洋海温也存在显著的影响,这主要和北太平洋地区风暴轴气候态强度的年循环有关。     

基于CCM算法的北半球环状模与东北亚冬季 地面气温因果关系的年际变化特征研究

北半球环状模(NorthernHemisphereAnnularMode,NAM)是北半球冬季最主要的环流系统,其变化对北半球的冬季气候变率具有重要的影响.现有研究多采用相关、合成等统计方法对NAM及气候要素进行研究,鲜少从因果关系的角度来进行分析.本文基于收敛交叉映射(Convergent Cross Mapping...     

BCC_CSM1.1气候模式年代际试验对北极涛动季节回报能力的初步评估

本文基于国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1自1960—2004年每年起报的年代际预测试验结果,初步评估了该模式对北极涛动（AO）的预报技巧。同时,把该模式年代际预测结果与历史试验模拟比较,分析了气候模式初始化对年代际试验预测季节尺度AO及其年际变化的贡献。结果表明,年代际试验和历史试验均能反映出AO模态是北半球中高纬大气变率第一模态的特征,其中年代际预测试验回报的AO模态与观测的空间相关系数高于历史试验。两组试验基本能再现AO指数冬季最强、夏季最弱的特征。与历史试验相比,年代际预测试验回报月和冬季AO指数与观测的相关系数更高,特别是年代际试验与观测的月AO指数相关系数达到了0.1的显著性水平。年代际试验回报月、春季AO指数的变化周期更接近观测结果。因此,年代际试验中初始状态使用海温资料进行初始化,在一定程度上可以提高AO的回报能力。     

北极涛动、极涡活动异常对北半球欧亚大陆冬季气温的影响

利用1951-2012年NCEP/NCAR全球月平均500 hPa高度场、气温场等再分析资料,北极涛动（AO）指数,北半球及其4个分区的极涡指数等资料,分析极涡和AO对北半球特别是欧亚大陆冬季气温异常分布的影响。北半球极涡面积指数与北半球气温相关场呈由北向南的“+、-”分布,显著正相关中心位于极区,显著负相关中心位于欧亚大陆中高纬度地区;AO指数与气温的相关场分布与此反位相。极涡各分区面积指数体现与各大洲气温显著相关的地域特征,尤其是亚洲极涡面积指数比AO的相关区域更偏向亚洲和中国东部及沿海地区,能表征亚洲大陆冬季风向中低纬度爆发的某些特征。2006年以来AO指数呈较明显的下降趋势,北半球、亚洲区极涡面积指数呈显著的上升趋势,这是有利于欧亚大陆近几年连续冬季气温异常偏低的年代际背景;2009-2011年北半球欧亚大陆冬季大范围低温事件,不仅与冬季AO负位相明显变强有关（2011年除外）,与北半球以及亚洲区极涡面积指数偏大联系更为密切,亦表明该区域冬季变冷的自然变率明显增强。     

全球增温减缓期间北半球暖季气温的变化特征

利用CRU提供的1901-2015年北半球格点月平均气温数据,借助线性趋势和集合经验模态分解方法对全球增温减缓期间北半球陆地暖季气温的时空特征进行分析。结果表明,在全球增温减缓时期,北半球陆地暖季的气温持续上升,与冷季呈相反的变化趋势。暖季气温变化存在区域性差异,北美北部和欧洲东南部增温显著,而欧亚大陆中部为大范围降温区。尺度分析表明,上述三个区域暖季气温的变化差异是长期趋势和不同冷暖位相的多年代际变率协同作用的结果。多年代际变率与大气环流场密切相关,同一时期,北美北部和欧洲东南部的位势高度升高,相应的阻塞事件增多,引发极端高温事件导致局地气温加速升高,欧亚大陆中部则相反。因而,大气环流场的变化特征可能造成了增温减缓时期北半球暖季气温的区域性差异。     

南半球环状模气候影响的若干研究进展

南半球环状模是南半球热带外地区环流变率的主导模态。由于南半球环状模在空间上的大尺度特征,全球多个地区的气候均与南半球环状模的变化有关。探讨南半球环状模的气候影响,是近几十年来得到广泛关注并迅速发展的新方向。围绕这个方向,分别回顾了南半球环状模对南半球和北半球气候影响的研究进展,重点阐述了南半球环状模对中国气候影响的相关工作,并从长期变化尺度上,列举了南半球环状模与气候变化方面的研究成果。纵观近几十年的研究发现,针对南半球环状模对南半球的气候影响,目前已有比较系统的认识。总体而言,在年际尺度上,南半球环状模可以通过影响垂直环流和风暴轴的位置,改变表面风速对下垫面的热力和动力驱动作用,进而对南半球的海-气-冰耦合系统产生调控。这种调控多表现出纬向对称性,同时也存在纬向非对称的局地特征。在气候变化的尺度上,南半球环状模是过去半个世纪里南半球气候变化的主要驱动力之一。关于南半球环状模对北半球尤其是中国气候的影响问题,目前也取得了许多有意义的结果。例如,南半球环状模对东亚、西非、北美的夏季风和东亚冬季风均有作用,并且可以调控中国春季华南降水等。海-气耦合过程在南半球环状模对北半球气候的影响中扮演着重要角色,与南半球环状模信号的跨季节存储和由南半球向北半球的传播均有密切关系。但是,与南半球相比,南半球环状模对北半球气候影响的研究,还有许多问题值得深入讨论和研究：一是体现在对南半球环状模信号向北传播机制上的深入认识,二是将南半球环状模的信号作为因子在季节气候预测中的实践。     

北半球近地层典型区CO_2体积分数时空分布及成因

利用GEOS-Chem全球三维大气化学传输模式,分析了北半球近地层CO2体积分数的时空变化特征及其成因。2006—2010年的5 a的模拟结果表明:北半球中纬度近地层CO2体积分数存在着两个高值中心,即亚洲东部和北美东北部。在季节尺度上,亚洲东部CO2体积分数最大值出现在春季,而北美东北区域CO2体积分数最大值出现在冬季;而两个地区的CO2体积分数最低值都出现在夏季。在年际尺度上,两个区域CO2体积分数的年际变率增幅明显高于北半球其它区域,且CO2体积分数高值出现时间的年际差异较大。另外,模拟分析发现北半球森林、农田、草原典型区域,所对应的CO2体积分数具有不同的季节变化特点,它们的CO2季节内变幅依次减小。进一步分析发现3种不同典型区域的CO2体积分数与叶面积指数(LAI)季节变化,具有很好的负相关性。可见陆地生态系统作为碳汇,对近地层CO2体积分数的季节变化具有重要的作用。而温度和降水是影响LAI的最重要的两个气象因子,它们与CO2体积分数季节变化存在内在联系,模拟结果表明北半球大部分陆地近地层CO2体积分数与温度、降水呈现显著的负相关。     

下边界条件对北极涛动影响的数值模拟研究

利用NCAR大气模式CAM3.0探讨了包括山脉和海陆分布等下边界条件对北极涛动(AO)或北半球环状模(NAM)形成的影响.主要进行了控制试验和两个地形敏感性数值试验,对比了控制试验结果与资料分析结果.控制试验和NCEP/NCAR资料分析结果对比指出,CAM3.0模式能够较好地模拟出AO的水平环状结构和垂直相当正压结构.在去除山脉的敏感性试验中发现,AO中纬度北太平洋和北大西洋两个活动中心的强度、范围和位置发生变化.在水球敏感性试验中发现,AO两个大洋上的活动中心被环绕极地主活动中心的环状结构代替.两个敏感性试验共同表明,AO是大气内部某种过程作用的结果,它的存在本身不取决于下边界条件的改变.山脉和海陆分布主要影响的是AO的具体形态.通过控制试验和两个敏感性试验对比,又分析了准定常波和瞬变波对AO的影响.去除山脉和海陆分布热力差异共同强迫的准定常波,AO纬向平均纬向风高纬地区平流层异常最大值活动中心消失,这表明在平流层准定常波和纬向平均流的相互作用与AO活动关系密切.在只有对流层瞬变波作用时,AO仍然存在,表明准定常波不是AO存在的必要条件.平流层准定常波与平均流的相互作用和对流层瞬变波与平均流的相互作用与AO形成之间的具体关系有待通过E-P通量诊断进一步确定.     

20世纪90年代末东亚冬季风年代际变化特征及其内动力成因

为纪念陶诗言先生对东亚冬季风研究的杰出贡献,本文利用我国测站、NCEP/NCAR和ERA-40/ERA-Interim再分析资料分析了我国冬季气温和东亚冬季风在20世纪90年代末所发生的年代际跃变特征及其内动力成因。分析结果表明:从20世纪90年代末之后,我国冬季气温和东亚冬季风发生了明显的年代际跃变。从1999年之后,随着东亚冬季风从偏弱变偏强,我国冬季气温变化从全国一致变化型变成南北振荡型（即北冷南暖型）,并由于从1999年之后我国北方冬季气温从偏高变成偏低,故冬季低温雪暴冰冻灾害频繁发生,同时,我国冬季气温和东亚冬季风年际变化在此时期从以往3～4 a周期年际变化变成2～8 a周期;并且,结果还表明了东亚冬季风此次年代际变化是由于西伯利亚高压和阿留申低压的加强所致。本文还从北极涛动（AO）和北半球准定常行星波活动的动力理论进一步讨论了此次东亚冬季风年代际跃变的内动力成因及其机理,结果表明:从20世纪90年代末之后,北半球冬季准定常行星波在高纬地区沿极地波导传播到平流层加强,而沿低纬波导传播到副热带对流层上层减弱,这造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层和平流层辐合加强,而在副热带地区对流层中、上层辐散加强,因而导致了北半球高纬度地区从对流层到平流层纬向平均纬向流和欧亚上空极锋急流减弱,而副热带急流加强,这造成了AO减弱和东亚冬季风加强。     

关于年代际气候变化可能机制的研究

年代际气候变化作为年际和月季气候变化的重要背景,往往影响着年际和月季时间尺度的气候及特征。随着科学的发展进步和社会需求的提高,年代际气候变化已成为人们关注的重要问题。作为气候动力学和气候预测研究的重要内容之一,年代际气候变化及其动力学机制的研究在国内外都在蓬勃开展,并取得了不少的成果。本文除简要介绍了中国气候的年代际变化特征,将着重就年代际气候变化的可能机制作一个系统的综合性讨论,内容主要包括全球主要海温变化模态的影响、气候系统相互关系年代际变化的影响、大气行星尺度系统年代际变化的影响,以及太阳活动及火山爆发的影响等。大家知道,年代际气候变化研究十分重要,但也可以看到年代际气候变化的动力学机制却十分复杂,不少问题还没有搞的十分清楚,需要加大力量进行深入研究;我们相信,深入的研究结果必将对年代际气候变化的预测提供可靠的科学依据,进而推动年代际气候变化的业务预测及其能力的提高。     

北极海冰融化影响东亚冬季天气和气候的研究进展以及学术争论焦点问题

北极历来是影响东亚冬季天气、气候的关键区域之一。北极表面增暖要比全球平均快2~3倍,即所谓北极的放大效应。随着全球增暖的持续以及北极海冰的持续融化,北极的生态环境正在发生显著的变化,进而可能对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。本文概述了有关北极海冰融化影响冬季东亚天气、气候的主要研究进展,特别是自2000年以来,北极海冰异常偏少影响东亚冬季气候变率以及极端严寒事件的可能途径、存在的科学问题,以及学术界的争论焦点。秋、冬季节是北极海冰快速形成时期,此时北极海冰对大气环流的影响要强于大气对海冰的影响。近二十年来的研究结果表明,北极海冰异常偏少,不仅影响北冰洋局地的气温和降水变化,而且通过复杂的相互作用和反馈过程,对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。北极海冰通过以下两个可能机制来影响东亚冬季的天气、气候:（1）北极海冰的负反馈机制;（2）由海冰异常偏少引起的平流层-对流层相互作用机制。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,特别是,巴伦支海-喀拉海海冰异常偏少,既可以加强冬季西伯利亚高压（东亚冬季风偏强）,也可以导致冬季风偏弱。导致海冰影响不确定性的部分原因是:（1）夏季北极大气环流状态影响北极海冰异常偏少对冬季大气环流的反馈效果;（2）冬季大气环流对北极海冰异常偏少响应的位置、强度不同造成的。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,在适宜的条件下（例如,前期夏季北极大气环流的热力和动力条件,有利于加强北极海冰偏少对冬季大气的反馈作用）,可以激发出有利于冬季亚洲大陆极端严寒过程的大气环流异常。目前学术界争论焦点主要集中在以下两个方面:（1）关于北极增暖、北极海冰融化对中纬度区域影响的争论;（2）关于1980年代后期以来,冬季欧亚大陆表面气温呈现降温趋势的原因。目前,有关北极海冰融化影响冬季欧亚大陆次季节变化以及极端天气、气候事件的过程和机制,我们认知非常有限,亟需开展深入细致的研究。     

1999年与2003年我国北方地区夏季气温异常原因初探

分析了1999年与2003年我国北方地区夏季气温的变化特点和同期大气环流主要特征。结果表明:中国夏季气温变化有明显的年代际特征,这一特征与亚洲上空大气环流的年代际变化紧密相关,表明我国北方地区夏季气温异常一个很重要的原因或许是缘于气候年代际变化。2003年夏季中高纬环流形势呈两槽两脊的配置,与近十几年气候态分布刚好相反,因而从气候年代际变化的特征来看,2003年为预示年代际气候转型的征兆。     

Modal aspects of the Northern Hemisphere annular mode as identified from the results of a GCM run

In order to study the physical nature of the Arctic Oscillation (AO) or the Northern Hemisphere annular mode (NAM), the linear stochastic model, constructed empirically from the output of a GCM run, is used to investigate the modal aspects of this climate variability mode. Theoretical analysis on the dominant modal response to the stochastic forcing is performed in terms of the maximum variance contribution. As the modal aspect of AO/NAM, two dominant normal modes are found to resemble the spatial structure of the AO/NAM represented by the leading EOF. These stochastically forced normal modes are regarded to be physical modes and thus can explain many fundamental features of the AO/NAM such as the barotropic annular dipole, tropospher–stratosphere coupling, and its dominance over the wintertime Northern Hemisphere. It then follows that the origin or physical nature of the AO/NAM can be attributed to the behaviors of the dominant annular normal modes. A key distinction of this study from previous eddy driving theories is that, to drive the variability, eddy forcing needs not to have a spatial structure completely coinciding with the pattern of the NAM, since the latter is mainly decided by the linear normal modes.     

东亚冬季风的年代际变化及其与全球气候变化的可能联系

对近年来中外关于东亚冬季风(EAWM)年代际变化问题研究进展做了回顾和评述,主要包括以下3个方面内容:(1)东亚冬季风明显受到全球气候变化的影响,从20世纪50年代开始,中国冬季气温经历了一次冷期(从20世纪50年代延续到80年代初中期),一次暖期(从20世纪80年代初中后期延续到21世纪初)和近10-15年(约从1998年开始)出现的气候变暖趋缓期(也称气候变暖停顿期)。(2)东亚冬季风主要表现出强-弱-强3阶段的特征,即从1950年到1986/1987年,明显偏强;从1986/1987年冬季开始,东亚冬季风减弱;约2005年之后,东亚冬季风开始由弱转强。与东亚冬季风的年代际变化特征相对应,东亚冬季大气环流以及中国冬季气温和寒潮都表现出一致的年代际变化。(3)东亚冬季风的年代际变化与大气环流和太平洋海表温度(SST)的区域模态变化密切相关。当北半球环状模/北极涛动(NAM/AO)和太平洋年代际振荡(PDO)处于负(正)位相,东亚冬季风偏强(弱),中国冬季气温偏低(高)。此外,北大西洋年代尺度振荡(AMO)对东亚冬季风也有重要影响,在AMO负位相时,对应东亚冷期(强冬季风),正位相对应暖期(弱冬季风)。因而海洋的年代际变化是造成东亚冬季风气候脉动的主要自然原因,而全球气候变暖对东亚冬季风强度的减弱也有明显影响。     

Decadal/interdecadal variations of the ocean temperature and its impacts on climate

Decadal/interdecadal climate variability is an important research focus of the CLIVAR Program and has been paid more attention. Over recent years, a lot of studies in relation to interdecadal climate variations have been also completed by Chinese scientists. This paper presents an overview of some advances in the study of decadal/interdecadal variations of the ocean temperature and its climate impacts, which includes interdecadal climate variability in China, the interdecadal modes of sea surface temperature (SST) anomalies in the North Pacific, and in particular, the impacts of interdecadal SST variations on the Asian monsoon rainfall. As summarized in this paper, some results have been achieved by using climate diagnostic studies of historical climatic datasets. Two fundamental interdecadal SST variability modes (7– 10-years mode and 25–35-years mode) have been identified over the North Pacific associated with different anomalous patterns of atmospheric circulation. The southern Indian Ocean dipole (SIOD) shows a major feature of interdecadal variation, with a positive (negative) phase favoring a weakened (enhanced) Asian summer monsoon in the following summer. It is also found that the China monsoon rainfall exhibits interdecadal variations with more wet (dry) monsoon years in the Yangtze River (South China and North China) before 1976, but vice versa after 1976. The weakened relationship between the Indian summer rainfall and ENSO is a feature of interdecadal variations, suggesting an important role of the interdecadal variation of the SIOD in the climate over the south Asia and southeast Asia. In addition, evidence indicates that the climate shift in the 1960s may be related to the anomalies of the North Atlantic Oscillation (NAO) and North Pacific Oscillation (NPO). Overall, the present research has improved our understanding of the decadal/interdecadal variations of SST and their impacts on the Asian monsoon rainfall. However, the research also highlights a number of problems for future research, in particular the mechanisms responsible for the monsoon long-term predictability, which is a great challenge in climate research.     

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。      

Interdecadal Variability of the East Asian Winter Monsoon and Its Possible Links to Global Climate Change

This paper presents a concise summary of the studies on interdecadal variability of the East Asian winter monsoon (EAWM) from three main perspectives. (1) The EAWM has been significantly affected by global climate change. Winter temperature in China has experienced three stages of variations from the beginning of the 1950s: a cold period (from the beginning of the 1950s to the early or mid 1980s), a warm period (from the early or mid 1980s to the early 2000s), and a hiatus period in recent 10 years (starting from 1998). The strength of the EAWM has also varied in three stages: a stronger winter monsoon period (1950 to 1986/87), a weaker period (1986/87 to 2004/05), and a strengthening period (from 2005). (2) Corresponding to the interdecadal variations of the EAWM, the East Asian atmospheric circulation, winter temperature of China, and the occurrence of cold waves over China have all exhibited coherent interdecadal variability. The upper-level zonal circulation was stronger, the mid-tropospheric trough over East Asia was deeper with stronger downdrafts behind the trough, and the Siberian high was stronger during the cold period than during the warm period. (3) The interdecadal variations of the EAWM seem closely related to major modes of variability in the atmospheric circulation and the Pacific sea surface temperature. When the Northern Hemisphere annular mode/Arctic Oscillation and the Pacific decadal oscillation were in negative (positive) phase, the EAWM was stronger (weaker), leading to colder (warmer) temperatures in China. In addition, the negative (positive) phase of the Atlantic multi decadal oscillation coincided with relatively cold (warm) temperatures and stronger (weaker) EAWMs. It is thus inferred that the interdecadal variations in the ocean may be one of the most important natural factors influencing long-term variability in the EAWM, although global warming may have also played a significant role in weakening the EAWM.