全球变暖背景下热带太平洋海温长期趋势研究

热带太平洋对全球的气候有重要作用。然而,关于全球变暖背景下热带太平洋海温长期趋势的研究,迄今为止仍有争议。本文利用多套海表温度资料和次表层海温资料,基于无参的趋势估计方法（Theil-Sen趋势）,分析了热带太平洋海表温度长期趋势及赤道太平洋次表层海温长期趋势。多套资料的结果均表明在全球变暖背景下,热带太平洋冷舌区为长期冷趋势,而冷舌区之外的热带太平洋区域为长期暖趋势,即似La Ni?a（La Ni?a-like）海温长期趋势。此海温长期趋势是由热带太平洋冷舌模态所引起。当冷舌模态为正位相时,对应热带太平洋冷舌区为冷海温异常,而冷舌区之外的热带太平洋为暖海温异常。冷舌模态时间序列主要为长期趋势,而造成冷舌模态长期趋势的机制是全球变暖强迫下的海洋动力反馈过程。赤道太平洋的表层和次表层海温似La Ni?a型的长期趋势,是冷舌模态在表层海温和次表层海温上的不同体现。     

全球增暖对ENSO影响的数值模拟研究

利用日本东京大学气候系统研究所、日本环境研究所和日本地球环境研究中心联合开发的海气耦合模式MIROC3.2,研究了全球变暖对ENSO年际变率的影响。该模式较好地模拟了ENSO循环的不同阶段表层和次表层海水温度变化,海表温度最大振幅出现在120°W以东,与观测一致,表明模式可以较好反映热带地区大气、海洋的动力、热力特征。研究还比较了控制试验和CO2浓度年增长1%的瞬时试验,结果表明,在全球变暖的大环境下ENSO事件发生频率没有显著变化,但ENSO事件强度增大,年际变率变大;热带太平洋呈现整体增暖趋势,表层温度尤其是热带中太平洋地区温度升高显著。敏感性分析表明,年际ENSO变率的振幅增大的主要贡献来自于海洋。海水增温导致热带太平洋海温垂直梯度增大,在热带西太平洋海温垂直温度梯度变化最为明显;次表层海温对单位大气风应力变化的响应大于表层海温响应。当这种响应与热带太平洋赤道地区径向温度梯度变化的共同作用导致温室效应下ENSO振幅增大。     

两类ENSO事件前期的热带太平洋海温距平场

分析了１９５６年以来两类ＥＮＳＯ事件热带太平洋海温距平场的特征。结果指出,东部型ＥｌＮｉｎｏ事件前期为ＬａＮｉｎａ事件年,热带中东太平洋为强的海温负距平,东部型ＬａＮｉｎａ事件前期为ＥｌＮｉｎｏ事件年,热带中不太平洋为强的海温正距平,中部型ＥｌＮｉｎｏ事件前期热带中西太平洋多为明显的海温正距平,中部型ＬａＮｉｎａ事件前期热带东太平洋多为明显的海渐负距平。两类ＥＮＳＯ事件前期海温距平场特殊基本相反。     

A multidecadal oscillation in the northeastern Pacific

研究表明北太平洋海洋内部模态能够通过海气相互作用导致气候系统振荡和全球气候响应。最好的例子就是太平洋年代际振荡(PDO),但是以往的研究中发现很多气候年代际变化现象用PDO没法给与很好的解释。本研究通过分析过去140年的资料发现北太平洋区域另外一个多年代际振荡模态,并将其定义为太平洋多年代际振荡(以下简称PMO),其表现为北太平洋白令海峡以南和阿拉斯加湾流区域海表面温度存在60年左右周期的异常偏高或者异常偏低。随着海温这一低频振荡的发生,全球气温、降水都表现出显著的年代际异常。更重要的是,PMO超前全球气温2–3年和海温3–7年发生转变。与此同时,北极涛动形态和大气环流随着PMO正负位相的转变也发生改变。由于PMO与全球温度有着很好的关系,因此PMO的发现对全球变暖趋势长时间尺度预报的改进有着重要作用。     

北极海冰与赤道东太平洋海温的相互影响及其与El Nino的联系

对北极海冰面积与赤道东太平洋海温作了交叉相关分析，揭示了北极海冰与赤道东太平洋海温间相互影响的关系及其时空特点，并讨论了Ｅｌ Ｎｉｎｏ与北极海冰间的联系。结果表明，北极Ⅴ－Ⅵ区冬季海冰面积能够对以后冬季的赤道东太平洋海温产生持续的影响，而北极Ⅶ区夏秋季的海冰面积能够影响来年夏秋季的海温；赤道东太平洋海温对海冰的影响表现为前期海温能够影响北极Ｉ区春季海冰的消融。此外，前期北极海冰状况对Ｅｌ Ｎｉｎｏ     

Study of El Ni(n)o events of different types and their potential impact on the following summer precipitation in China

利用1951-2009年线性最优插值全球海温资料,NCEP/NCAR再分析大气资料,以及中国160个站的降水资料等,重点分析了不同分布型厄尔尼诺事件的海温演变特征及对应的热带大气的响应情况,并进一步探讨了不同分布型厄尔尼诺事件对次年夏季中国降水的可能影响.根据厄尔尼诺事件发展达到盛期时海温距平的分布特点,将1950年以来的厄尔尼诺事件分为东部型、中部型和混合型.不同分布型厄尔尼诺事件的海温演变及后期的发展都表现出较为明显的差异,对应的热带太平洋上空向外长波辐射距平分布及热带印度洋-太平洋上空的沃克环流异常也表现出明显的不同.在厄尔尼诺的次年夏季,通过影响850hPa风场、水汽输送及500hPa西太平洋副热带高压系统,东部型、中部型及混合型厄尔尼诺事件可能分别导致中国雨带呈现南方型(Ⅲ类)、中间型(Ⅱ类)和北方型(Ⅰ类)的分布特点.     

Contribution of the tropical sea surface temperature in the Arctic tropospheric warming during 1979-2013

本文通过CAM6-Nor大气环流模式模拟实验研究热带海表温度在1979-2013年北极对流层增温中的贡献.分析结果表明热带海表温度变化可以解释历史模拟实验中的秋季和1月增温的30%-40%.这意味着热带海表温度可能是1979年至2013年间北极冬季对流层变暖的主要驱动因素之一.除了1月份850 hPa以下的北极增温,热带海表温度的影响通常来自热带中东部太平洋,热带印度-西太平洋和热带大西洋的联合作用.对1月份850 hPa以下的北极增温的影响主要来自热带印度-西太平洋.     

海洋环流对全球增暖趋势的调制：基于FGOALS-s2的数值模拟研究

在工业革命以来全球长期增暖趋势背景下,全球平均表面气温还同时表现出年代际变化特征,二者叠加在一起使得全球平均气温在某些年份增暖相对停滞(如1999～2008年)或者增暖相对较快(如1980～1998年).利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)发展的耦合气候模式FGOALS-s2历史气候和典型路径浓度(RCPs)模拟试验结果研究了可能造成全球增暖的年代际停滞及加速现象的原因,特别是海洋环流对全球变暖趋势的调制作用.该模式模拟的全球平均气温与观测类似,即在长期增暖趋势之上,还叠加了显著的年代际变化.对全球平均能量收支分析表明,模拟的气温年代际变化与大气顶净辐射通量无关,意味着年代际表面气温变化可能与能量在气候系统内部的重新分配有关.通过对全球增暖加速和停滞时期大气和海洋环流变化的合成分析及回归分析,发现全球表面气温与大部分海区海表温度(SST)均表现出几乎一致的变化特征.在增暖停滞时期,SST降低,更多热量进入海洋次表层和深层,使其温度增加;而在增暖加速时期,更多热量停留在表层,使得大部分海区SST显著增加,次表层海水和深海相对冷却.进一步分析表明,热带太平洋表层和次表层海温年代际变化主要是由于副热带—热带经圈环流(STC)的年代际变化所致,然后热带太平洋海温异常可以通过风应力和热通量强迫作用引起印度洋、大西洋海温的年代际变化.在此过程中,海洋环流变化起到了重要作用,例如印度尼西亚贯穿流(ITF)年代际异常对南印度洋次表层海温变化起到关键作用,而大西洋经圈翻转环流(AMOC)则能直接影响到北大西洋深层海温变化.     

北大西洋年际变率的海气耦合模式模拟Ⅱ:热带太平洋强迫

利用一个全球海气耦合模式(BCM),结合观测资料,讨论了热带太平洋强迫对北大西洋年际气候变率的影响.研究表明,BCM能够相对合理地模拟赤道太平洋的年际变率模态及相应的海温距平型和大气遥相关型,尽管其准3年的振荡周期过于规则.来自数值模式和观测上的证据都表明,北大西洋冬季海温的主导性变率模态,即自北而南出现的"-+-"的海温距平型,受到来自热带太平洋强迫的显著影响,其正位相与赤道中东太平洋冷事件相对应.换言之,赤道太平洋暖事件的发生,在太平洋-北美沿岸激发出PNA遥相关型,进而通过在北大西洋产生类似NAO负位相的气压距平型,削弱本来与NAO正位相直接联系的三核型海温距平.北大西洋三核型海温距平对热带太平洋强迫的响应,要滞后2-3个月的时间.     

1—3月北极涛动对北半球热带太平洋和大西洋对流活动的可能影响

利用1979—2008年日分辨率的向外长波辐射资料以及NCEP再分析资料,去除ENSO影响后,分析了1—3月北极涛动对热带太平洋和热带大西洋对流活动及降水的可能影响。结果表明北极涛动偏强(弱)时,热带太平洋和大西洋对流活动显著偏强(弱)。北半球热带大洋冬季平均向外长波辐射与北极涛动指数的相关系数存在两个显著负相关区:一个位于中太平洋区,大致包括13°—20°N、160°E—170°W;另外一个位于热带大西洋,显著区覆盖的范围大体包括5°—20°N、15°—70°W。这些区域的降水量也表现出显著的正相关。向外长波辐射、强对流面积指数、强对流强度指数、平均降水量等指标与北极涛动指数的相关均以冬季同期最高,随时间滞后相关迅速减弱。与此对应的对流层低层大气环流也有显著变化,850hPa风场的变化表现为热带太平洋有异常的气旋性环流,气旋中心区与显著强对流和降水异常区一致。而热带大西洋有显著的经向环流辐合和风切变,与异常对流和降水区吻合。海洋模式的模拟结果表明,与北极涛动有关联的海温分布,很大程度上与大气强迫有关,说明热带1—3月降水和对流活动与海温的关联较弱。北极涛动与热带太平洋、大西洋对流和降水活动之间主要是通过大气环流的变动产生联系的。     

太平洋—日本遥相关型的年代际变化特征及其成因

本文首先利用NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料以及中国753站降水资料对太平洋—日本(Pacific-Japan,简称P-J)遥相关型在上世纪70年代末期气候突变前后的年代际变化特征进行了分析研究。结果表明,在气候突变前后,P-J遥相关型的位置发生了显著的变化,气候突变以后其位置明显向西向南偏移。这种位置的变化同样也反映在纬向风场、高度场上。研究结果还表明,气候突变前后P-J遥相关型的年代际变化与热带太平洋和印度洋海温变化有关。气候突变之前,P-J遥相关型的变化与前期热带太平洋和印度洋海温不存在显著的相关;但在气候突变之后,P-J遥相关型与前期冬春季的热带太平洋、印度洋海温之间存在大范围的显著相关区。这种P-J遥相关型与热带太平洋、印度洋海温相关关系的年代改变可能与1970年代中期以后赤道中东太平洋海温变化振幅明显增强有关。随后,本文采用一个高分辨率的大气环流模式,通过一系列的数值试验也进一步证实了1970年代末期热带太平洋和印度洋海温的年代际变化确实可致使P-J遥相关型位置发生相应的改变。     

Atmospheric bridge on orbital time scales

Large-scale atmospheric patterns are examined on orbital timescales using a climate model which explicitly resolves the atmosphere–ocean–sea ice dynamics. It is shown that, in contrast to boreal summer where the climate mainly follows the local radiative forcing, the boreal winter climate is strongly determined by modulation of circulation modes linked to the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation (AO/NAO) and the Northern/Southern Annular Modes. We find that during a positive phase of the AO/NAO the convection in the tropical Pacific is below normal. The related atmospheric circulation provides an atmospheric bridge for the precessional forcing inducing a non-uniform temperature anomalies with large amplitudes over the continents. We argue that this is important for mechanisms responsible for multi-millennial climate variability and glacial inception.     

20世纪90年代末东亚冬季风年代际变化的外强迫因子分析

使用NCEP/NCAR、英国气象局哈德莱中心(Met Office Hadley Center)Had ISST以及NOAA提供的再分析资料分析了海温、海冰及雪盖异常对20世纪90年代末我国冬季气温和东亚冬季风(EAWM)年代际跃变的外部强迫作用,同时也对比分析了20世纪90年代EAWM年代际跃变与20世纪80年代EAWM年代际跃变特征和成因的一些差异。结果表明:20世纪80年代中期EAWM的年代际变化特征主要表现为全国一致偏冷型,同时中国近海的海温也偏低;该年代际变化的主要原因来自大气内部动力过程,而海温和海冰的作用不显著。20世纪90年代末EAWM年代际变化的特征表现为东亚北方气温显著偏冷而南方偏暖的南北反相变化分布;EAWM在20世纪90年代末的年代际变化受北大西洋海温和热带太平洋海温的共同影响。北大西洋显著的异常暖海温,激发一个向下游传播的波列,使得西伯利亚高压加强,EAWM加强,从而导致我国北方气温下降;同时,秋冬季北极海冰异常偏少和秋季欧亚雪盖偏多对东亚冬季风的增强也有一定的作用。此外,热带西太平洋的暖海温异常会导致在海洋性大陆地区有异常的辐合和对流增强,引起大气环流的Gill型响应,对流西侧的异常气旋在孟加拉湾至我国西南地区出现南风异常,使得东亚南部地区温度偏高。因此,20世纪90年代末之后东亚温度呈现南暖北冷的分布特征。     

Pacific decadal oscillation and variability of the Indian summer monsoon rainfall

Recent studies have furnished evidence for interdecadal variability in the tropical Pacific Ocean. The importance of this phenomenon in causing persistent anomalies over different regions of the globe has drawn considerable attention in view of its relevance in climate assessment. Here, we examine multi-source climate records in order to identify possible signatures of this longer time scale variability on the Indian summer monsoon. The findings indicate a coherent inverse relationship between the inter-decadal fluctuations of Pacific Ocean sea surface temperature (SST) and the Indian monsoon rainfall during the last century. A warm (cold) phase of the Pacific interdecadal variability is characterized by a decrease (increase) in the monsoon rainfall and a corresponding increase (decrease) in the surface air temperature over the Indian subcontinent. This interdecadal relationship can also be confirmed from the teleconnection patterns evident from long-period sea level pressure (SLP) dataset. The SLP anomalies over South and Southeast Asia and the equatorial west Pacific are dynamically consistent in showing an out-of-phase pattern with the SLP anomalies over the tropical central-eastern Pacific. The remote influence of the Pacific interdecadal variability on the monsoon is shown to be associated with prominent signals in the tropical and southern Indian Ocean indicative of coherent inter-basin variability on decadal time scales. If indeed, the atmosphere–ocean coupling associated with the Pacific interdecadal variability is independent from that of the interannual El Niño-Southern Oscillation (ENSO), then the climate response should depend on the evolutionary characteristics of both the time scales. It is seen from our analysis that the Indian monsoon is more vulnerable to drought situations, when El Niño events occur during warm phases of the Pacific interdecadal variability. Conversely, wet monsoons are more likely to prevail, when La Niña events coincide during cold phases of the Pacific interdecadal variability.     

北极海冰及其与气象要素年际关系的年代际变化

利用Hadley海冰密集度资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系的年代际变化。结果表明,北极海冰存在显著的年代际变化,且有较强的区域性。东西伯利亚海和波弗特海海冰融冰量的平均值变大且方差增大,格陵兰岛以东洋面海冰融冰量的量值和变率均在减弱。对3个不同气候时段内北极海冰融冰量进行EOF分解,前两个模态均在3个气候时段发生显著的年代际变化,东西伯利亚海海冰融冰量的增加与EOF第一模态年代际变化相关,而EOF第二模态则明显造成了波弗特海海冰的年代际消融。并且,与之相应的大气环流也出现了明显的年代际变化,它们与AO/NAO的年际关系也存在年代际转折,融冰量第二模态与AO的年际关系更为紧密,1960—1990年第二模态与AO的相关系数仅为0.186,而1980—2010年相关系数已升高至0.367。整个北冰洋的海冰融冰量与AO的年际关系也出现了年代际增强,尤其是东西伯利亚地区海冰融冰量与AO的年际关系发生了年代际增强,1980—2010年两者相关达到了0.4以上。而波弗特海融冰量与AO相关系数变化较大,1960—1990年其的相关系数高达-0.488,1980年后却减少至0.161。然而AO却未发生明显的年代际变化。造成北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系发生年代际变化的主要因子之一是波弗特高压,其年代际减弱使得极区向东西伯利亚海和波弗特海的海冰输送减弱,导致这两个区域海冰减少,使得AO与北极海冰的年际关系发生了年代际转折。     

Quantifying Arctic contributions to climate predictability in a regional coupled ocean-ice-atmosphere model

The relative importance of regional processes inside the Arctic climate system and the large scale atmospheric circulation for Arctic interannual climate variability has been estimated with the help of a regional Arctic coupled ocean-ice-atmosphere model. The study focuses on sea ice and surface climate during the 1980s and 1990s. Simulations agree reasonably well with observations. Correlations between the winter North Atlantic Oscillation index and the summer Arctic sea ice thickness and summer sea ice extent are found. Spread of sea ice extent within an ensemble of model runs can be associated with a surface pressure gradient between the Nordic Seas and the Kara Sea. Trends in the sea ice thickness field are widely significant and can formally be attributed to large scale forcing outside the Arctic model domain. Concerning predictability, results indicate that the variability generated by the external forcing is more important in most regions than the internally generated variability. However, both are in the same order of magnitude. Local areas such as the Northern Greenland coast together with Fram Straits and parts of the Greenland Sea show a strong importance of internally generated variability, which is associated with wind direction variability due to interaction with atmospheric dynamics on the Greenland ice sheet. High predictability of sea ice extent is supported by north-easterly winds from the Arctic Ocean to Scandinavia.     

The interdecadal variation characteristics of arctic sea ice cover-Enso-East asian monsoon and their interrelationship at quasi-Four years time scale

l.Introducti0nTheclimateformationandvariabilityisnotonlythereflectionofatmosphericinternalbe-havi0rbutalsotheinnuencefromtheinteractionexistSintheclimatesystem.Becausetherela-tivecooIingandheatingsourcesofatmospherearelocatedinthePOlarandtropicalregionrespectively,itiseasytounderstandthattheArcticseaicecoverandSSTanomalieswhichim-pocttheatmosphericheatingtosomeextentcanexerttheirinfluenceontheremotCatmosphericcirculation-Inthisregard,thefocusrelatedtheinflueneeofArcticseaicecoverandtropica…     

南极海冰涛动对北半球夏季大气环流的影响

南极海冰首要模态呈现偶极子型异常,正负异常中心分别位于别林斯高晋海/阿蒙森海和威德尔海。过去研究表明冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）型大气环流有显著影响,而AAO可以通过经向遥相关等机制影响北半球大气环流和东亚气候。本文中我们利用观测分析发现南极海冰涛动从5～7月（May–July,MJJ）到8～10月（August–October, ASO）有很好的持续性,并进一步分析其对北半球夏季大气环流的可能影响及其物理过程。结果表明,MJJ南极海冰涛动首先通过冰气相互作用在南半球激发持续性的AAO型大气环流异常,使得南半球中纬度和极地及热带之间的气压梯度加大,在MJJ至JAS,纬向平均纬向风呈现显著的正负相间的从南极到北极的经向遥相关型分布。对流层中层位势高度场上,在澳大利亚北部到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,在东亚沿岸从低纬到高纬呈现南北走向的“? + ?”太平洋—日本（Pacific–Japan,PJ）遥相关波列,其对应赤道中部太平洋及赤道印度洋存在显著的降水和海温负异常,西北太平洋至我国东部沿海地区存在显著降水正异常和温度负异常;低纬度北美洲到大西洋一带存在的负位势高度异常和北大西洋附近存在的正位势高度异常中心,构成一个类似于西大西洋型遥相关（Western Atlantic,WA）的结构,对应赤道南大西洋降水增加和南撒哈拉地区降水减少。从物理过程来看,南极海冰涛动首先通过局地效应影响Ferrel环流,进而通过经圈环流调整使得海洋性大陆区域和热带大西洋上方的Hadley环流上升支得到增强,海洋性大陆区域特别是菲律宾附近的热带对流活动偏强,激发类似于负位相的PJ波列,影响东亚北太平洋地区的大气环流,而热带大西洋对流增强和北传特征,则通过激发WA遥相关影响大西洋和欧洲地区的大气环流。以上两种通道将持续性MJJ至ASO南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球中高纬度经热带地区传递到北半球中高纬地区,从而对热带和北半球夏季大气环流产生显著影响。     

The influence of tropical Pacific forcing on the Arctic Oscillation

The potential role of tropical Pacific forcing in driving the seasonal variability of the Arctic Oscillation (AO) is explored using both observational data and a simple general circulation model (SGCM). A lead–lag regression technique is first applied to the monthly averaged sea surface temperature (SST) and the AO index. The AO maximum is found to be related to a negative SST anomaly over the tropical Pacific three months earlier. A singular value decomposition (SVD) analysis is then performed on the tropical Pacific SST and the sea level pressure (SLP) over the Northern Hemisphere. An AO-like atmospheric pattern and its associated SST appear as the second pair of SVD modes. Ensemble integrations are carried out with the SGCM to test the atmospheric response to different tropical Pacific forcings. The atmospheric response to the linear fit of the model’s empirical forcing associated with the SST variability in the second SVD modes strongly projects onto the AO. Idealized thermal forcings are then designed based on the regression of the seasonally averaged tropical Pacific precipitation against the AO index. Results indicate that forcing anomalies over the western tropical Pacific are more effective in generating an AO-like response while those over the eastern tropical Pacific tend to produce a Pacific-North American (PNA)-like response. The physical mechanisms responsible for the energy transport from the tropical Pacific to the extratropical North Atlantic are investigated using wave activity flux and vorticity forcing formalisms. The energy from the western tropical Pacific forcing tends to propagate zonally to the North Atlantic because of the jet stream waveguide effect while the transport of the energy from the eastern tropical Pacific forcing mostly concentrates over the PNA area. The linearized SGCM results show that nonlinear processes are involved in the generation of the forced AO-like pattern.     

Multidecadal-to-centennial SST variability in the MPI-ESM simulation ensemble for the last millennium

We assess the responses of North Atlantic, North Pacific, and tropical Indian Ocean Sea Surface Temperatures (SSTs) to natural forcing and their linkage to simulated global surface temperature (GST) variability in the MPI-Earth System Model simulation ensemble for the last millennium. In the simulations, North Atlantic and tropical Indian Ocean SSTs show a strong sensitivity to external forcing and a strong connection to GST. The leading mode of extra-tropical North Pacific SSTs is, on the other hand, rather resilient to natural external perturbations. Strong tropical volcanic eruptions and, to a lesser extent, variability in solar activity emerge as potentially relevant sources for multidecadal SST modes’ phase modulations, possibly through induced changes in the atmospheric teleconnection between North Atlantic and North Pacific that can persist over decadal and multidecadal timescales. Linkages among low-frequency regional modes of SST variability, and among them and GST, can remarkably vary over the integration time. No coherent or constant phasing is found between North Pacific and North Atlantic SST modes over time and among the ensemble members. Based on our assessments of how multidecadal transitions in simulated North Atlantic SSTs compare to reconstructions and of how they contribute characterizing simulated multidecadal regional climate anomalies, past regional climate multidecadal fluctuations seem to be reproducible as simulated ensemble-mean responses only for temporal intervals dominated by major external forcings.