ENSO知识讲座 第四讲 ENSO与大气遥相关

1 大气遥相关瓦克环流和哈得莱环流都是对热带海洋热源强迫的响应，为热力直接环流，属于准静止斜压运动。南方涛动正是反映了热带地区直接热力环流的年际变化。热带地区直接热力环流的年际变化使热带地区大气环流发生明显的年际变化，特别是反映在气压场和风场的变化上，从而影响了热带地区的气候变化，主要特征是降水、气温以及风的异常。     

大气热源及其中期振荡对季风环流影响的一个数值试验

关于东亚季风的形成机制,一般认为主要是海陆分布的热力差异造成的[1],而海陆热力差异要通过大气本身的热力差异来影响环流。因此,大气热源如何影响季风环流过程,季风环流又是如何响应大气热源振荡的,是季风研究中很重要的问题[2,3]。为了研究大气热源对季风环流的影响,我们设计了一个两维五层原始方程模式[4],用以试验在各种不同大气热源分布和作周期振荡时季风环流的响应。     

夏季赤道中东太平洋海温和北极海冰异常对大气环流影响的数值模拟

利用菱形截断15波的9层全球大气环流谱模式设计了若干数值试验,分别研究了赤道中东太平洋海温偏暖、北极不同区域海冰偏多以及海温偏暖同时海冰偏多对夏季北半球大气环流的影响,结果表明北极海冰偏多和赤道中东太平洋海温偏暖,对夏季北半球大气环流具有同等效应,海冰和赤道海温任何一方的变异均可显着影响大气环流,其中亚洲-北美型和欧亚型遥相关是极冰和赤道海温影响北半球夏季大气环流异常的主要动力学途径。本文结果再一次证实了赤道和极地之间的热力差是决定大气环流的最基本因子。     

北欧海大气低空辐合辐散的东西振荡模态及其相应的大气遥相关异常环流

北欧海作为连接北冰洋和北大西洋的重要海域,其由热效应产生的辐合场值得关注。本文利用NECP/NCAR的速度势函数(Velocity Potential,VP)数据表征北欧海辐合辐散场,发现在秋冬季北欧海上空大气低层存在一个独立的辐合区域。经验正交函数分解结果表明,北欧海上空的VP显示出除了表征北极涛动的全区一致型模态外,还表现出一个东西向辐合辐散反位相的东西振荡型模态。该模态与一支连接北大西洋涛动(NAO)和欧亚遥相关(EU)的复合型大气遥相关波列有关,北欧海表层潜热和感热异常加热通过影响低空大气的异常辐合辐散,与北大西洋偶极子型海温异常加热共同作用,加强了NAO异常环流;同时高空急流波导作用加强了从北欧海到东亚的EU波列,使得位于NAO和EU之间的北欧海成为连接NAO和EU大气遥相关波列的“中继站”,进而通过这种复合型大气遥相关波列将北大西洋与东亚大气环流联系起来,形成对东亚地区天气气候的远程影响。     

基于遥相关的NAO位相转换影响机理研究分析

利用NCEP-NCAR再分析位势高度、风矢量、海表面热通量数据,HadSST1再分析海温资料、CPC逐月北大西洋涛动(NAO)指数等,通过滞后回归分析了北大西洋海温异常对NAO的影响。结果显示,夏秋季北大西洋马蹄型海温通过海洋-大气相互作用导致冬季大气呈现NAO型气压场特征;与此同时,秋季大气场表现出反位相的NAO型环流形势突变,ECHAM4大气环流模型数值试验和观测资料统计分析均发现:热带大西洋海温异常(对流异常)可激发向中高纬度传播的遥相关波列,且具有秋季锁相的特征。马蹄型海温对大气的局地强迫联合热带大西洋异常海温的遥相关作用使得秋季NAO完成一次正负位相转换。     

热带环境场与副热带高压活动的遥相关分析

论证了夏季南海及热带西太平洋地区的积云对流活动与东亚上空副热带高压活动之间遥相关关系。结果表明，这种遥相关作用是通过上述热带地区积云对流活动激发出的天气尺度以上的准定常波列向东亚副热带上空的传播过程来实现的。通过这种机制，上述热带地区的热力强迫和环流构型等环境场因子的变化将导致东亚上空副热带高压强度和位置的差异。     

埃尔尼诺事件与北半球大气环流遥相关

埃尔尼诺事件与北半球大气环流有密切的遥相关.本文将事件定义为三级.即1级——反埃尔尼诺年,2级——正常年,3级——埃尔尼诺年.以此与前期(前二年1月起)到后期(后二年3月止)总共51个月的月平均500hPa和100hPa高度场求点相关,取相关系数r≥0.40为显著性相关.结论为:(1)埃尔尼诺事件对北半球大气环流有肯定的影响.(2)埃尔尼诺对低纬环流有最显著的大范围持续性正相关,持续期长达1年3个月,最佳正相关期为同年冬季～次年春季,最佳正相关区为中-西太平洋和东大西洋.(3)这种影响首先通过Walker环流在低纬度纬向扩展传播,冬春季环绕整个北半球成一显著性正相关环带.其次,冬季达峰值后,即通过Hadlley环流和二维Rossby波列作经向频散传播,对中高纬影响主要集中在几个关键区,即大气活动中心.最后于次年春季中纬峰值向高纬扩展传播,加上环流季节性变迁和隔季相关效应,次年夏季出现埃尔尼诺事件对中高纬环流影响的第二个峰值.表现出埃尔尼诺事件对海洋-气象灾害施加了重要影响.     

赤道印度洋上层环流辐合辐散的年际变异成因分析

印度洋上层海气相互作用对印度洋和太平洋气候系统有重要影响。目前针对印度洋气候态环流特征已有较为全面的研究,但针对印度洋环流的年际变化及其季节性差异的特征分析和具体作用机制,仍缺乏深入的研究。本文利用1979—2007年Simple Ocean Data Assimilation(SODA)再分析资料研究了赤道印度洋表层辐合辐散的年际变异及其季节依赖性。结果表明,以赤道为中心,印度洋上层异常海流,在经向上形成显著的辐合(辐散)现象,究其原因主要是赤道纬向风异常形成的Ekman流所导致。进一步分析表明,热带印度洋异常纬向风的成因与太平洋-印度洋的热力强迫过程作用有关,并且不同的热力强迫过程呈现出显著的季节差异性。此热力强迫过程,具体可分为3种类型:第一类是太平洋纬向海表热力差异的遥强迫作用,主要发生在冬末春初,热带太平洋的纬向热力差异通过调节Walker环流,在印度洋激发出一个异常的次级环流,对应的大气低层形成纬向风异常;第二类是东-西印度洋海表热力差异的局地强迫作用导致的局地环流,使赤道印度洋上空形成纬向风异常,此过程在春末夏初较为显著;第三类是太平洋-印度洋热力差协同作用的结果,使赤道印度洋盛行异常的纬向风,此过程在秋季起主导作用。     

北太平洋西部海洋环流与大气环流的对应关系

本文从三方面探讨海洋环流与大气环流之间的对应关系。 1.海洋对于大气的热效应:通过北太平洋西部黑潮区水温分布及海洋与大气的热交换量,说明海洋可以影响到的大气高度;通过水温梯度分布找出其与1000—500mb厚度梯度分布的对应关系。 2.大气环流对于海洋环流的影响:根据黑潮轴线的季节变化,找出其与500mb西风急流和付热带高压轴线的活动是一致的协调的。黑潮强度与大气环流的对应关系并不明显。 3.西北太平洋海洋环流与天气系统:黑潮和亲潮邻接海区水温梯度最大,因而其上正是大气锋区所在,气旋最大频率区和海霧最大频率区均与海洋环流的活动息息相关。 从海洋环流与大气环流的对应关系中,指出海洋影响大气在温湿效应上,大气影响海洋在运动方面。但大气温湿属性改变了,必然引起空气运动。而海水运动产生了,也要引起温盐度的再分布。因而总的说来,海洋影响大气的直接作用为温湿效应,间接作用为空气运动。大气影响海洋的直接作用为海水运动,间接作用为温盐效应。     

东亚夏季低层大气环流对东海及其邻近海域海温异常响应的数值试验

利用NCEP/NCAR的再分析资料、全球海温资料(OISST)及区域气候模式(RegCM3)研究了东亚夏季低层(925hPa)大气环流对东海及其邻近海域热力异常的响应.结果表明,夏季,当东海及其邻近海域的海温升高0.5和1.0℃时,在中国东部和东海及其邻近海域上空均会出现一个异常的气旋性环流,而且海温越高,气旋性环流越明显,并在海面上空形成辐合中心;反之,当东海及其邻近海域海温降低时,中国东部和东海及其邻近海域上空将出现一个异常的反气旋性环流,并在海面上空形成辐散中心.东海及其邻近海域夏季海温的异常可通过热力作用影响低层大气的辐合(散)和垂向运动,并影响局地低层大气和上层海洋的相互作用,从而使得东亚大气环流发生改变,进而可能对中国大陆东部气候和近海环境的变化产生重要作用.     

ENSO循环相联系的北太平洋低纬度异常西边界流

用SODA海洋同化和NCEP大气再分析资料,分析了热带太平洋次表层海温异常主要模态与北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流和亚洲-北太平洋地区大气垂直和水平流场变化之间的关系,得到以下结果:（1） 在热带太平洋海洋次表层ENSO事件具有两种模态,二者组合构成ENSO循环。第一模态为ENSO成熟期,主要出现在冬季,第二模态为ENSO过渡期,主要出现夏季。（2） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流区上层海洋环流有重要影响。在El Niño发展期或La Niña 衰退期,该区出现气旋性异常环流,北赤道流（NEC）加强,NEC分叉位置北移,棉兰老海流（MC）加大,菲律宾以东黑潮（KC）减小,北赤道逆流（NECC）最强。在El Niño（La Niña）成熟期,该区气旋性（反气旋性）异常环流达最强,NEC最强（最弱）,NEC分叉位置最北（最南）,MC最大（最小）,KC最小（最大）,NECC减弱（加强）。在El Niño衰退期或La Niña发展期与El Niño发展期相反,该区出现反气旋性异常环流,由此导致相应流系异常发生反位相变化。（3） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流的影响是通过ENSO事件期间热带太平洋热力状况异常改变上空大气环流来实现的。ENSO事件首先造成热带太平洋海洋热力状况异常,导致其上空对流活动异常,后者直接或间接通过“大气桥”能量传输引起相关地区大气环流场的变化,致使海面风应力场异常,进而强迫上层海洋环流场的相应变化。文章最后还分析了ENSO事件期间菲律宾附近异常反气旋或异常气旋性风场的产生和持续原因,讨论了北太平洋低纬度西边界流海域海气相互作用在ENSO循环中的贡献。     

中国近50年寒潮冷空气的时空特征及其与北极海冰的关系

利用中国具有较长时间序列的527个站点1961—2010年的日平均温度观测资料,美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料以及伊利莱诺斯大学的海冰密集度资料,分析了我国近50年来寒潮的时空变化及与其相联系的海冰和大气环流异常的关系。结果表明,中国寒潮冷空气活动频数存在两个主要模态,第一模态表现在中国北方冷空气活动频数呈年代际减少趋势,1980年之前寒潮冷空气频数偏多,1990年后寒潮冷空气频数偏少;第二模态表现为我国南方冷空气频数的年际振荡特征。第一模态寒潮冷空气频数的减少主要与全球变暖有关,北极海冰的减少使得1980年代后期北极涛动加强,并激发出欧亚遥相关波列进而影响我国的寒潮冷空气活动。第二模态则与近些年来夏季北极海冰的快速融化以及北极大气出现偶极子型环流异常有关,通过激发跨极型和类欧亚遥相关波列影响到后冬的中国南方寒潮冷空气活动增多。     

亚洲夏季风对偶极子型人为气溶胶排放变化的响应特征与机理

利用第六次国际耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6, CMIP6）中的两组子试验,结合线性斜压模式模拟的结果,研究了近年来亚洲内部出现的东亚减少、南亚增加的偶极子型人为气溶胶排放变化调控亚洲夏季风响应的特征及物理机制。对东亚夏季风而言,在考虑海洋-大气耦合作用的气候系统总响应中,东亚夏季风环流和降水显著地加强;在不考虑海洋调控作用的大气直接响应过程中,东亚人为气溶胶排放减少导致的陆地升温使得海陆温差增大,进而通过引起东亚陆地上的气旋式环流异常加强东亚夏季风环流和降水。对南亚夏季风而言,其在偶极子型人为气溶胶强迫下呈现出更为复杂的变化特征。在大气直接响应过程中,人为气溶胶强迫引起的海陆热力差异变化导致南亚夏季风环流减弱、降水减少。在考虑海洋-大气耦合过程的总响应中,南亚夏季风环流表现出微弱增强,同时印度次大陆的南亚夏季风降水也出现增多的异常变化。这表明,局地和海洋-大气动力耦合过程在区域气候对人为气溶胶强迫的响应中扮演着非常重要的角色。此外,通过线性斜压模式发现,东亚和南亚局地的人为气溶胶强迫导致的大气加热场异常不仅能影响局地的夏季风环流,还可以通过引起大范围的表面气压异常进而调控整个亚洲夏季风环流的变化。     

青藏高原冬春积雪对大气环流的影响及与热带气旋活动的关系

本文从预报服务实际出发，使用１９５１～１９９５年，青海、西藏两地冬春（１１月至翌年３月）积雪资料与中国气象局对１９５１～１９９５年编号的热带气旋（不含热带低压，下同），经过统计分析，分类计算，综合归纳，实际验证，发现青藏高原冬春积雪（包括降雪）与大气环流的改变有着直接关系，与海水温度及热带气旋的活动存在明显的遥相关，从而对热带气旋的长期预报有着一定的指示意义     

一个简单的印-太海气耦合模式

本文基于一层半海洋模式和SVD(Singular Value Decomposition)大气模式构建了一个简单的海气耦合模式, 引入热通量的作用, 分析ENSO影响热带印度洋地区的动力学和热力学耦合过程。其中, 使用统计大气模式, 由给定的SST(Sea Surface Temperature)异常得到风应力异常, 进而驱动海洋环流反馈给SST, 完成海气的动力耦合; 使用块体经验公式由SST异常和风场异常计算热通量异常, 直接作用于SST, 实现海气的热力学耦合。动力耦合实验揭示, 太平洋第一EOF(Empirical Orthogonal Functions) 模态与观测基本吻合。并且模拟Ni?o 3指数存在两年左右的谱峰周期。这说明, 海气动力学耦合是ENSO生成的主要因素。热力耦合的加入是为了考察ENSO影响热带印度洋的热力学效应。同时考虑动力和热力耦合的实验结果表明, 热带太平洋暖异常中心更加接近观测值, 热带印度洋出现海盆尺度海温正异常。这意味着热带太平洋的ENSO信号通过海气界面的热量交换实现对热带印度洋地区的遥强迫, 导致印度洋海盆尺度增暖。     

黑潮海域海洋异常加热对后期北半球大气环流影响的分析

计算了黑潮海域海洋异常加热与后期1—12个月北半球大气环流的时滞相关，分析了二者的相关关系。结果表明，海洋异常加热对后期半年到一年北半球大气环流场有重要影响。当黑潮海域海洋异常多加热时，后期半球范围内大气环流的经向度将趋减小，反之则趋加强。在分析相关场演变的基础上，讨论了上述时滞关系的可能物理过程，指出黑潮海域海洋异常加热对后期下游大气环流型的影响，是通过改变中纬大气与高纬极地大气之间温度和位势高度梯度，进而影响后期下游大气环流型来实现的。     

热带太平洋与热带大西洋海表温度主模态的相互作用

根据英国Hadley气候中心的海表温度资料和美国NCEP/NCAR中心的大气资料,研究了热带太平洋与热带大西洋海表温度主模态的相互作用。热带太平洋的ENSO可以导致大西洋Nino模态或经向偶极子模态,这主要是通过热带海洋-大气相互作用,或大气的太平洋-北美遥相关过程实现的。大西洋Nino模态的暖(冷)位相会导致赤道中东太平洋的海表温度降低(升高)。这可能是通过两种途径完成的:一种可能是大西洋Nino使印度洋增暖(变冷),进而引起赤道中太平洋的东(西)风异常,通过海洋-大气相互作用正反馈机制能发展成为La Nina(El Nino),使赤道东太平洋海温降低(升高);另一种可能是大西洋Nino直接可以导致太平洋Walker环流增强(减弱),从而使赤道东太平洋海温降低(升高)。     

从全球海平面气压场的变化分析埃尔尼诺形成的大气环流条件

本文根据南北半球(60°N-50°S)月平均海平面气压图,研究了赤道东太平洋(0°-10°S,180°-90°W)海表温度与前期12个月各月大气环流异常的关系,发现无论是南半球还是北半球,均是冬季大气环流对以后的海温变化影响大.又对比了埃尔尼诺年及反埃尔尼诺年前期大气环流的差异,如以接近埃尔尼诺峰值的11月为例,则在此之前的12个月内,大气环流的影响可分为三个阶段.第一个阶段自上一年11月至当年1月,与海温相关最大的地区在北半球的大陆上;第二个阶段自2月至5月,为过渡阶段,相关区不稳定,但大部分显著相关区在南半球;第三个阶段自6月到10月,为加强影响阶段,相关区稳定在南半球,反映出南方涛动的特征.最后对环流异常影响埃尔尼诺的物理过程进行了讨论.     

黑潮海域海洋异常加热时后期北半球大气环流影响的分析

计算了黑潮海域海洋异常加热与后期１－１２个月北半球大气环流的时滞相关，分析了二者的相关关系。结果表明，海洋异常加热对后期半年到一年北半球大气环流场有重要影响，当黑潮海域海洋异常多加热时，后期半球范围内大气环流的经向度将趋减小，反之则趋加强，在分析相关演变的基础上，讨论了上述时滞关系的可能物理过程，指出黑潮海域海洋异常加热对后期下游大气环流型的影响，是通过改变中纬大气与高纬极地大气之间温度和位势高度     

冬季中纬度海气相互作用与长江中下游汛期旱涝预测

中纬度海洋的热力状况对大气环流的维持和变化起着重要的作用,尤其在冬季。汛期的研究表明,冬季黑潮海域海表面水温(SST)与长江中下游和华北平原汛期降水有密切的关系(中国科学院大气物理研究所长期预报组,1978),夏季阿留申海域的SST异常与北太平洋上空大气环流场和后期秋季美国的气温和降水亦存在有意义的关系(Namias,1976)。赵永平(1986a;赵永平, McBean,1996)和Zhao and McBean(1989)曾用北太平洋海洋对大气加热场资料详细地分析了其时空分布特征,揭露了黑潮及邻近海域海洋异常加热对同期和后期半年至一年北半球大气环流的影响事实,并提出用海洋异常加热对同期和后期大气环流作用的反相性假说来进行解释。以上研究表明,冬季中纬度海洋异常加热与大气环流的异常和我国汛期旱涝之间存在一定的联系。 冬季黑潮和湾流海域是中纬度海洋的两个巨大热源,它们对同期和后期大气环流有重要影响。本文研究了冬季中纬度黑潮和湾流海域海洋异常加热对夏季副热带高压和中高纬度西风环流的影响,讨论了长江中下游汛期旱涝前期冬季和同期大气环流型。结果表明,冬季东亚和北美冷空气都强时,黑潮和湾流海域对大气异常多加热,夏季西太副热带高压、乌山和鄂海阻塞高压多趋减弱,中纬环流平直,形成长江中下游偏旱的环流形势；反之,西太副热带高压、乌山和鄂海阻塞高压多趋加强,中纬槽脊系统明显,形成长江中下游偏涝的环流场。本文还对可能的物理过程进行了讨论。