北太平洋海温年代际变化与大气环流和气候的异常

对应北太平洋海表温度(SST)年代际变化的两个基本模态,即25～35年模和7～10年模,分析研究了北半球大气环流和气候异常的形势.其结果极为清楚地表明,对应北太平洋SST的年代际模的正、负位相,大气环流和气候异常的形势都近乎相反,充分说明SST年代际模的重要作用;由于北太平洋SST的两个年代际模有十分相近的水平结构特征,它们对大气环流和气候的影响也有十分相似的特征;北太平洋海温年代际模对大气环流的影响在中高纬度地区呈正压结构特征,而在热带地区的响应主要有斜压结构特征.     

山东夏季降水与北太平洋SST和大气环流的关系

计算发现赤道东太平洋和北太平洋流区海温与山东夏季降水相关性好，在此基础上，讨论了山东夏季旱涝年同期，前期ＳＳＴ异常的特征及其与大气环流的相互关系，发现同期ＳＳＴ异常显著，前期赤道东太平洋ＳＳＴ负异常与５００ｈＰａ，大气环流负ＷＰ相关型关系密切，北太平洋流区海温异常很可能受环流异常的调制，利用２－４月高相关区ＳＳＴＡ做当年夏季降水趋势预测的试验和利用赤道东太平洋区３月、北太平洋流区７月海温做长期夏季     

中国东部夏季降水型的年代际变化及其与北太平洋海温的关系

采用中国160站降水资料、NOAA ERSST海温资料以及ERA－40大气再分析资料, 分析了中国东部夏季降水型的年代际变化特征及其与北太平洋海温的可能联系。结果表明: 中国东部夏季降水型在近50年中经历了两次年代际变化, 第1次发生在20世纪70年代中后期, 北太平洋中纬度地区冬季海温由正距平向负距平转变, 太平洋年代际振荡(PDO, Pacific decadal oscillation) 由负位相向正位相转变, 通过影响东亚夏季风环流, 使东亚夏季风减弱, 中国东部夏季降水从北到南呈现出“＋－＋” 转变为“－＋－”的三极分布形态, 这次年代际变化体现了同一模态正负位相的转变; 第2次发生在20世纪80年代末90年代初, 北太平洋海温转变为日本以南西北太平洋的正距平分布, 同时菲律宾群岛附近海温偏暖, 西太平洋副热带高压偏南偏西, 使得中国东部夏季降水由北至南转变成“－＋”的偶极分布形态, 这次年代际变化体现了一种模态向另一种模态的转变。     

华北夏季旱涝的前期环流异常及其与北太平洋海温的关系

文章分析了华北地区夏季旱涝的前期春季大气环流和北太平洋海温异常（SSTA）分布特征,探讨SSTA与异常环流的关系,并用OSU-AGCM进行黑潮地区热源异常强迫的数值试验。结果表明,当春季北极低涡明显减弱,欧亚大陆中高纬度地区纬向环流加强,西太平洋副高位置偏北偏西,且存在负PNA型异常环流时,华北地区夏季多雨涝;反之则少雨干旱。此时,西北太平洋和赤道东太平洋SST分别存在较大的正、负异常,它们与春季环流异常密切相关,黑潮区SSTA对北半球副热带及其以北的大气环流产生显著影响,正的SSTA是造成华北夏涝年的前期春季异常环流形势的重要因素。     

北太平洋海温变化的年代际模及其演变特征

用近百年的海温(SST)资料,分析研究了北太平洋海温的年代际变化特征及其基本形势(模态).结果表明,它主要存在准7～10年周期和准25～35年周期两类年代际变化;这两类年代际变化又都有类似的形势(模态),但却与所谓"类ENSO模"明显不同.同时,两个年代际模都有呈西北一东南向振荡和沿海盆作顺时针旋转的共存活动(演变)特征.     

北太平洋浅层海温时空特征及区域海气相互作用的诊断分析

采用EOF(Empirical Orthogonal Function)、SVD(Singular Value Decompo—sition)、相似、相关以及合成分析等方法,探讨了北太平洋浅层海温(ST)层际间时空结构的差异,据此对浅层海温场进行分层,并研究其与海平面气压场的相互作用。结果表明：北太平洋浅层海温距平场第1模态及其时间系数基本上反映了该海区浅层海温场的时空特征。1月浅层海温场可划分为两层,7月可划分为4层,说明7月的浅层海温分布较1月复杂。海气相互作用的主要时域特征为明显的年代际变化,正负值转变主要发生在中后期。海气相互作用分析表明,当北太平洋中部ST持续偏高时,相应的1(7)月阿留中低压(北太平洋副高)偏弱,位置偏西,其西侧冬(夏)季风偏弱;反之亦然。     

冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温异常的联系

利用1979—2015年ECMWF逐日再分析资料,通过EOF分解和回归分析研究了冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与海表面温度异常(SSTA)和大气环流异常之间的联系。研究结果表明:冬季中纬度北太平洋地区850 h Pa低频尺度环流存在3个明显的变化模态:第一模态为海盆尺度的单极型异常气旋(反气旋)式环流,同期太平洋SSTA呈现El Ni1o(La Ni1a)以及PDO暖位相(冷位相)空间分布,阿留申低压强度增强(减弱),对流层中高层是正位相(负位相)的PNA型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴中东部南压(北抬);第二模态为在白令海峡和副热带地区呈气旋式与反气旋式环流南北向偶极型变化,同时中纬度北太平洋SSTA呈现NPGO(North Pacific Gyre Oscillation)正位相(负位相)的空间分布,黑潮区域SSTA偏暖(偏冷),北太平洋SSTA经向梯度加大(减小),对流层中高层为负位相(正位相)的WP型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴整体偏北(偏南),强度增强(减弱);第三模态为北太平洋中西部和北美西岸呈气旋式与反气旋式环流东西向偶极型异常,黑潮区域SSTA偏冷(偏暖)而北太平洋东部SSTA偏暖(偏冷),SSTA纬向梯度加大(减弱),同时赤道东太平洋出现类似La Ni1a(El Ni1o)的SSTA分布,北太平洋天气尺度风暴轴中东部明显减弱(加强)而西部略有加强(减弱)。     

Joint Propagating Patterns of SST and SLP Anomalies in the North Pacific on Bidecadal and Pentadecadal Timescales

Wavelet analyses are applied to the Pacific Decadal Oscillation index and North Pacific index for the period 1900-2000, which identifies two dominant interdecadal components, the bidecadal (15-25-yr) and pentadecadal (50-70-yr) modes. Joint propagating patterns of sea surface temperature (SST) and sea level pressure (SLP) anomalies in the North Pacific for the two modes are revealed by using the techniques of multi-channel singular spectrum analysis (MSSA) and linear regression analysis with the global sea surface temperature (GISST) data and the northern hemispheric SLP data for the common period 1903-1998. Significant differences in spatio-temporal structures are found between the two modes.For the bidecadal mode, SST anomalies originating from the Gulf of Alaska appear to slowly spread southwestward, inducing a reversal of early SST anomalies in the central North Pacific. Due to further westward spreading, the SST variation of the central North Pacific leads that of the Kuroshio-Oyashio Extension (KOE) region by approximately 4 to 5 years. Concomitantly, SLP anomalies spread over most parts of the North Pacific during the mature phase and then change into an NPO(North Pacific Oscillation)-like pattern during the transition phase. For the pentadecadal mode, SST anomalies develop in the southeast tropical Pacific and propagate along the North American coast to the mid-latitudes; meanwhile,SST anomalies with the same polarity in the western tropical Pacific expand northward to Kuroshio and its extension region; both merge into the central North Pacific reversing the sign of early SST anomalies there.Accompanying SLP anomalies are characterized by an NPO-like pattern during the mature phase while they are dominant over the North Pacific during the transitional phase. The bidecadal and pentadecadal modes have different propagating Patterns, suggesting that the two interdecadal modes may arise from different physical mechanisms.     

夏季热带北大西洋海温异常对西北太平洋热带气旋生成的影响

利用1979—2012年西北太平洋热带气旋最佳路径资料,Hadley中心的海温资料和NCEP/NCAR再分析资料等,研究了夏季(6—10月)热带北大西洋海温异常与西北太平洋热带气旋(Tropical Cyclone,TC)生成的关系及其可能机制。结果表明,夏季热带北大西洋海温异常与同期西北太平洋TC生成频次之间存在显著的负相关关系。热带北大西洋海温的异常增暖可产生一对东—西向分布的偶极型低层异常环流,其中气旋性异常环流位于北大西洋/东太平洋地区,反气旋异常环流位于西北太平洋地区。该反气旋环流异常使得TC主要生成区的对流活动受到抑制、低层涡度正异常、中低层相对湿度负异常、中层下沉气流异常,这些动力/热力条件均不利于TC生成。此外,西北太平洋地区低层涡旋动能负异常,同时来自大尺度环流的涡旋动能的正压转换也受到抑制,不能为TC的生成和发展提供额外能量源。反之亦然。     

重庆春播期间降水特征及其与北太平洋海温的关系

运用NCEP/NCAR全球高度场再分析资料、美国NOAA全球海温资料以及重庆34个站春播期间降水资料,对重庆春播期间降水特征及其与前期秋季海温场的关系进行分析。结果表明：重庆春播期间降水与前期秋季北太平洋暖流附近（20°～40°N、165°E～140°W）的海温有显著负相关关系,而与北太平洋阿拉斯加暖流附近（40°～60°N、165°E～140°W）的海温则有显著正相关关系,即南、北海温呈现相反的相关性。当前期秋季北太平洋副热带地区海温异常偏高,中高纬度地区海温异常偏低时,后期重庆春播期间降水将异常偏多;反之,北太平洋副热带地区海温异常偏低,中高纬度地区海温异常偏高时,重庆春播期间降水将异常偏少。针对秋季北太平洋南、北海温异常的反相分布特征定义了用于诊断和预测重庆春播期间降水的判别指数,该指数代表了北太平洋海温异常南北反相的分布特征。该前期判别指数具有重要的天气气候学意义和一定的指示和预测能力。其代表的北太平洋海温异常与西太平洋区域500 hPa高度场有密切联系,其可使大气环流场产生持续性的异常,大气环流的异常特征能一直持续到春播期间,将影响重庆春播期间降水变化。     

北半球夏季亚洲—北太平洋间大气质量迁移规律及其与气候异常的联系

通过构建海陆间大气质量迁移(MAMLO,Migration of Atmospheric Mass over regions between Lands and Oceans)指数,对北半球夏季亚洲—北太平洋上空大气质量的迁移规律及其与气候异常的联系进行了研究。结果表明:在北半球中高纬亚洲大陆和中低纬北太平洋上空异常大气质量呈现反相变化。夏季MAMLO指数总体呈缓慢下降的趋势,同时还具有准3 a振荡周期以及显著的年代际变化特征。亚洲大陆中高纬地表气压变化与北太平洋低纬气压变化的反相关关系主要归因于:异常大气质量环流;海陆异常加热对比;Rossby波能传播。MAMLO与欧亚、太平洋地区夏季气候异常关系密切,尤其在中国地区。MAMLO为正(负)时,中国大体呈现出北方降水偏多(偏少)南方降水偏少(偏多)、北方偏冷(偏暖)南方偏暖(偏冷)的空间分布。     

2008年海洋和大气环流异常及对中国气候的影响

2008年,尽管总体来看,全国天气气候的持续异常较弱,未发生大范围持续干旱和严重洪涝灾害,但依然出现了非常显著的天气气候异常特征,如全国平均年降水量比常年偏多,为近10年来降水最多的年份;夏季华南降水异常偏多,黄淮降水偏多;年平均气温偏高,但冬季气温偏低,年初南方遭遇罕见低温雨雪冰冻灾害;在南海和西太平洋生成的台风个数明显偏少,但是登陆台风偏多,初台异常偏早.分析发现,2008年赤道中东太平洋总体处在冷水位相,受海洋异常强迫和海气相互作用的影响,北半球大气环流表现出的主要特征是:500hPa西太平洋副高强度和位置变化较大;冬夏季风均偏强;冬春季西太平洋暖池区热带对流活动偏强,夏秋季则偏弱;1月份,亚洲中高纬度经向环流异常发展,2至4月份则以纬向环流为主,春季后期至秋季,经纬向环流的转换较快,环流的持续性较弱.这些环流异常是影响2008年中国气候异常的主要原因.     

冬季海温异常影响北太平洋东部型风暴轴的数值试验

最强中心出现在160°W以东地区的北太平洋风暴轴定义为东部型风暴轴,针对这种短期气候异常现象,利用大气环流模式CAM 3.0对其可能的外部强迫机制进行探究,主要关注赤道中东部和黑潮海区正、负海温异常的影响。结果表明:赤道海区负海温异常对风暴轴东部型的出现有重要意义,当该海区海温为负(正)异常且黑潮海区海温正(负)异常时,风暴轴表现为东(西)部型。风暴轴在中、东太平洋地区低层斜压性的增强,是太平洋风暴轴中、东端天气尺度涡动活动增强的主要原因。当出现东部型时,北太平洋东部区域急流强度增强,涡动斜压增长偏强,涡动的热量和动量输送加强,风暴轴和急流的反馈也加强;反之亦然。冬季赤道海区引起的大气响应范围较广,而黑潮海区的影响较为局地,尤其是黑潮海区的负异常主要影响风暴轴入口区域,表现为关于海温异常强迫的符号非对称性。     

北太平洋次表层海温异常对中国夏季降水影响的可能途径

利用Godas月平均次表层海温资料, 分析了冬、春季和夏季北太平洋次表层海温层际相似性特征, 据此对次表层海温进行分层。在此基础上研究了500 hPa位势高度场、北太平洋次表层海温、中国夏季降水三者之间的时滞相关关系, 发现春季北太平洋次表层海温场是联系前、后期大气环流的关键因素。前期冬季大气环流对春季北太平洋次表层海温场影响最显著, 春季北太平洋次表层海温场又持续影响同期及后期夏季大气环流异常。异常的夏季大气环流与同期表层、次表层海温相互作用, 共同造成夏季长江流域与华北、华南降水出现相反异常的分布型式。     

辽宁春末霜冻年代际变化特征及其与海温的关系

中国东北地处高纬度地区，春季霜冻频繁发生，对农业生产有严重威胁，分析东北春末霜冻的气候特征及影响因子可以为其中长期预测提供可靠科学依据。该研究以辽宁省为例，利用近60年气象台站观测资料和气象再分析资料，采用诊断分析方法，根据辽宁作物生育期，定义4月20日-5月31日辽宁地区春末霜冻指数（LSFI），研究其年代际尺度变化特征及对应的大尺度环流和前期海温关键区。结果如下：LSFI存在周期为14.25 a的年代际变化。辽宁地区春末霜冻事件的增强在年代际尺度上对应大气环流特征为中高纬度有明显波列，东北亚上空为深厚气旋性异常，东北冷涡偏强，与西伯利亚附近的反气旋性异常结合，伴随副高偏南，有利于冷空气持续影响辽宁。此外，LSFI的年代际变化与海温显著相关，相关联的海温关键区在1997年前后出现变化，1997年以前与春季（3、4月）北大西洋“三极子”海温模态显著相关，而1997年之后则与前冬北太平洋年代际振荡联系密切，转变原因可能为海温模态的年代际转变。以上结果可以提高霜冻灾害的预测能力，为辽宁地区春末霜冻长期风险预报提供有效预测因子。     

与冬季北太平洋大范围海温异常相联系的海气特征

采用1948—2014年NCEP/NCAR大气再分析资料以及延伸重建海温资料,基于大气海洋间不同的主导关系对冬季北太平洋大范围海温异常进行分类,探究其相应的海气结构特征。结果表明:1)大气影响海洋的个例多于海洋影响大气的个例,即在冬季北太平洋大气强迫海洋占主要地位,但也存在海洋对大气的反馈作用。2)对于大气影响海洋而言,SST(Sea Surface Temperature)暖异常区上空主要伴随着东北—西南走向的相当正压高低压异常(东北高西南低),对应东南风异常以及显著的深厚暖异常,表现出相当正压暖/脊结构,冷异常情况与此相反。SST异常为净热通量异常与风速异常共同作用引起。3)对于海洋影响大气而言,在SST暖异常区上空西部为南北向高低压异常(北高南低),东部为低压异常,对应偏东风异常。在SST冷异常区上空为偶极型的南北向高低压异常(南高北低),对应偏西风异常;位势高度异常表现出相当正压结构且较大气影响海洋时相对偏弱,大气暖(冷)温度异常比较浅薄且主要局限于对流层低层。4)海洋温度结构异常主要表现为,在大气影响海洋时海温异常由表层下传,海洋影响大气时为上下一致的温度异常。     

热带北太平洋海温异常对2018年华南前汛期降水负异常事件的影响

本文利用1979—2018年中国地面气象台站1 767个站点降水资料、HadISST海温数据及NCEP/NCAR再分析资料,滤除同期ENSO影响后,分析了2018年华南前汛期降水负异常与热带北太平洋海温异常之间的联系。研究结果显示,2018年华南前汛期降水负异常事件和热带北太平洋(Tropical Northern Pacific,TNP)海温偏暖有关。热带北太平洋海温正异常,通过Mastuno-Gill响应引起西北太平洋气旋式环流异常,中国南海东风异常,减弱了南海夏季风,华南至中国南海地区对流层低层存在异常反气旋环流。水汽存在由中纬度北太平洋经黑潮海区-华南地区-中国南海-菲律宾群岛向热带太平洋的异常输送,且华南地区为水汽的异常辐散区域。另一方面,TNP区域暖海温异常引起了该区域低层异常辐合、高层异常辐散、异常上升运动,使得华南地区高层异常辐合、低层异常辐散、异常下沉运动。这样的环流配置对华南地区降水的产生有不利影响,引起了2018年华南前汛期降水异常偏少。2018年TNP区域暖海温异常引起华南前汛期降水负异常的物理机制还在ECHAM5模式30个成员集合平均的试验结果中得以验证。     

A Review of Decadal／Interdecadal Climate Variation Studies in China

Decadal/interdecadal climate variability is an important element in the CLIVAR (Climate Variability and Predictability) and has received much attention in the world. Many studies in relation to interdecadal variation have also been completed by Chinese scientists in recent years. In this paper, an introduction in outline for interdecadal climate variation research in China is presented. The content includes the features of interdecadal climate variability in China, global warming and interdecadal temperature variability,the NAO (the North Atlantic Oscillation)/NPO (the North Pacific Oscillation) and interdecadal climate variation in China, the interdecadal variation of the East Asian monsoon, the interdecadal mode of SSTA(Sea Surface Temperature Anomaly) in the North Pacific and its climate impact, and abrupt change feature of the climate.     

中纬度北太平洋依赖于ENSO事件及独立于ENSO事件的变率特征:观测事实与海气耦合模式模拟

观测事实显示,在E1 Ni(?)o发生期间,伴随着赤道中东太平洋的增暖,中纬度北大平洋中部表层海温（SST）常出现冷距平,而北美大陆西海岸SST则出现暖距平。借助观测资料分析和海气耦合模式模拟两种手段,检验了北太平洋对ENSO事件的上述响应。观测证据和数值模拟都支持有关学者提出的“大气桥”概念,即大气对赤道中东太平洋SST异常增暖的响应,随后强迫中纬度北太平洋,并导致那里SST的变冷,从而起到了连接热带和热带外特别是中纬度北太平洋的“桥梁”的作用。关于其机制,本文认为主要是海洋对大气强迫的动力响应导致那里的SST变冷,尽管潜热通量的贡献也很显著。至少模式结果证明短波辐射、长波辐射和感热通量的贡献都是次要的。进一步的分析揭示,北太平洋存在着线性独立于ENSO事件的所谓“北太平洋模态”,在空间型上,它和线性地依赖于ENSO事件的模态非常相近,即它们的纬向结构都呈现出扁平的“双极”型,只是彼此间SST距平极大值的中心位置不同。模拟结果表明,北太平洋模态与大气的耦合作用,主要是通过海气热通量交换实现的,其中短波辐射和长波辐射的作用居主导地位,而潜热通量的贡献则基本可以忽略。     

华北夏季降水异常与南太平洋夏季海表温度变化主要模态的可能联系

利用1951—2006年NCEP/NCAR再分析资料,采用EOF（empirical orthogonal function,经验正交函数）展开方法提取了南太平洋12—2月海表温度变化的主要模态,其第一模态反映了ENSO（El Nino-Southern Oscillation）的信号,周期为3～5a;第二模态与南半球环状模（Southern-Hemi-sphere annual mode,SAM）相联系,周期为准两年。结果表明,南太平洋EOF1时间序列处于正（负）相位时华北地区后期5月多（少）雨,同时注意到南、北太平洋EOF1对中国5月降水的影响区域基本一致。南太平洋EOF2时间序列处于正（负）相位时江南地区的夏季平均降水减少（增多）。去掉EOF1和EOF2的线性趋势后,这种显著相关仍然存在,只是显著相关区域有所缩小。利用南、北太平洋EOF1时间序列作为预报因子,建立回归预报方程,可为预测中国华北地区5月降水提供依据