1月份两类ENSO的海气环流模态分析

本文对1950～2001年1月份的大气风场和大洋流场做了联合复EOF（Empirical Orthogonal Function）分解,用以探讨1月份两类ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）的海气环流及耦合情况,所得结果主要有:该分解第1、2模态空间场分别相应于东部型、中部型ENSO,前者在赤道太平洋东部和中部都有海温动力异常,并以东部异常最强,后者仅在中部存在此异常,两模态的时间系数都与ENSO有很好相关,为此第1、2模态可分别称为东部型、中部型ENSO的风场流场（异常）模态。东部型ENSO模态具有3～6年的年际变化和13～14年的年代际变化,中部型则有明显的7年年际变化和12、17年的年代际变化,两者中约13年的周期与冬季北太平洋NPGO（North Pacific Gyre Oscillation）的周期相同。东、中部型El Ni?o期间,沃克环流上升支分别从印尼东移至赤道西、中太平洋,并有所减弱;南、北支哈得莱环流则分别位于日界线以东及该线附近,且均有所加强,从而使南、北太平洋副热带高压偏强;而在5°S的南美沿岸则分别有垂直运动上升和下沉异常。在海气耦合上,两类ENSO模态在赤道中太平洋均存在西风异常与海洋赤道Kelvin波和Rossby波的波包解耦合,而海温动力异常对大气的影响则都起到负反馈作用,从而有利于ENSO的维持和稳定。     

冬季热带印度洋上层流场异常模态分析

利用复经验正交函数(CEOF)分解对冬季热带印度洋海洋上层流场异常做了模态分析和结果讨论,得到以下主要结果:该流场异常前两个模态均呈现赤道俘获波形式,其异常在赤道上最大,向南北两侧迅速衰减,呈现纬向流的形态;第一、二模态的性质分别是大洋赤道波动的半波和1波形态,这表明此时赤道波动异常在大洋流场异常中占有重要地位。冬季第一模态大洋垂直运动所导致的近表层海温异常与春、秋季不同,此时在赤道印度洋呈现正—负—正的经向分布态势,这与印度洋耦极子(Indian Ocean Dipole,IOD)的不同,并是IOD在冬季衰亡的直接原因。第二模态相应的海温异常则在赤道东印度洋呈现北负南正的分布态势。第一模态与南亚冬季风异常密切有关,为印度洋冬季风环流模态。第一、二模态都有明显的年际变化和年代际变化,年际变化均为3~5年,主要的年代际变化则分别为约18、22年,此外两者还均有约13年的年代际变化。本文第一、二模态年代际变化的主周期也是冬季北太平洋和冬季热带太平洋流场异常第二、一模态的主周期。     

冬季北太平洋海气环流年代际异常的统计动力诊断

本文对冬季北太平洋大气和大洋环流做了联合复经验正交函数(CEOF)分解和小波分析, 并分别讨论了第一、二模态的年代际变化及其与海表温度异常(SSTA)年代际变化(PDO、NPGO模态)的关系, 得到以下主要结论:第一、二模态对时间系数的分析显示, 其与PDO、NPGO指数的相关性较高, 且小波分析表明其分别具有明显的准22、12年的年代际变化周期, 这与PDO、NPGO模态的周期相同;第一、二模态时间系数对北太平洋SSTA的回归分析表明, 其回归系数场的空间分布分别与PDO、NPGO的十分接近。第一、二模态空间场中大气环流异常分别类似于海平面气压异常(SLPA)的AL、NPO模态, 可分称其为AL、NPO的风场模;而大洋环流异常则分别相应于SSTA的PDO、NPGO模态, 可称其为PDO、NPGO的流场模。由第一、二模态近表层流场异常得到的垂直运动空间分布分别与PDO、NPGO的空间结构相似, 说明海洋上层海盆尺度大洋环流引起的垂直运动所导致的海温动力变化是形成PDO、NPGO的重要原因, 而大洋环流异常扮演着中介角色。     

海气耦合环流模式的研制及其敏感性

文章介绍了近年来海气耦合模式的进展以及这些模式在气候敏感性试验中的应用。     

热带印度洋海温的年际异常及其海气耦合特征

利用长期观测资料分析了印度洋海温距平的年际变化及其海气耦合特征,结果表明热带印度洋海温距平的变化存在显著的距平符号东西一致的单极型和距平符号东西相反的偶极型,其出现的概率分别为67%和33%.偶极期间在热带印度洋和西太平洋海洋性大陆上空的大气中存在着明显的Walker类型的环流,具有显著的局地海气耦合特征,而单极期间这种特征不明显.大部分偶极子的生命史都非常短暂,其持续发展的主要特征表现为西印度洋正距平的增加、东移和东印度洋负距平的不断加强.单极的发展为整个海盆的不均匀增暖.单极向偶极的转换可以分为两类,第I类表现为赤道西印度洋海表温度距平由负转变成正后逐渐向东扩展,东印度洋的负距平范围逐步缩小;第II类是东南印度洋海表温度的负距平不断加强并略向西发展,而西部保持正距平.这种转换还经历了一个年代际变化,20世纪70年代中后期以前主要是第I类转换,以后则第II类占绝大多数.     

简化的中纬度冬季环流耦合模式中的大尺度海气相互作用

用包括有天气尺度大气变率、海温（ＳＳＴ）平流和海气热交换的简化耦合模式的模拟结果研究了中纬度海气相互作用问题。研究发现将模式ＳＳＴ的强暖型事件合成对显示海洋强迫大气迹象是有用的。还提供了海洋影响大气的其他证据，即海洋平流似乎通过反馈效应增强了模式ＳＳＴ异常的持续性。     

冬季风异常与环流的隔季相关：——东亚冬季风研究之二

用两个强度截然不同的亚洲冬季风年,研究了冬季风异常与全球环流特别是低纬地区环流的关系。指出由于冬季风异常所带来最大的变化发生在热带太平洋地区。强冬季风年中,西太平洋暖池区的对流及上升运动加强。中东太平洋信风也较强。使西太平洋Walker环流远强于弱年。这些主要特征具有明显的季节持续性;与冬季风异常相应的低纬大尺度环流异常一直持续至春季和夏季。从自冬至夏的季节过渡看,它们之间也有较大的差别。强冬季风年所对应的未来夏季的降水及季风强度都与弱冬季风年截然不同。冬夏环流之间存在较好的隔季相关。海温对于冬季风异常有很明显的响应。强冬季风造成的低纬流场异常极有利于太平洋海温西高（暖池区）东低（东太平洋）的异常分布,大体与LaNina的海温型一致。而弱冬季风年则相反,这种特殊的海温型也有持续性,它可以持续至夏季。这必将反过来影响后期的天气和环流。因此,冬季风异常在海气相互作用中起了重要的作用。对多个个例的合成分析所得的结论与个例分析的完全一致。     

东亚冬季风异常与全球大气环流变化：Ⅰ.强弱冬季风影响的对比研究

利用ＥＣＭＷＦ资料挑选出一个强冬季风年（１９８６年）和一个弱冬季风年（１９８０年）,通过个例分析对各种气象要素场及中高纬度大尺度环流在强弱冬季风年的差异特征进行比较。分析结果表明：东亚冬季风是全球大气环流的一个重要组成部分,冬季风异常关联着全球环流的异常;这种异常不仅在中高纬度环流中表现出来,而且在热带地区大尺度流场上尤为显著,强终冬季风所对应的长波槽脊分布,低纬对流特征,三维流场结构都是截然不同     

东亚冬季风异常与全球大气环流变化 I. 强弱冬季风影响的对比研究

利用ECMWF资料挑选出一个强冬季风年（1986年）和一个弱冬季风年（1980年）,通过个例分析对各种气象要素场及中高纬度大尺度环流在强弱冬季风年的差异特征进行比较。分析结果表明：东亚冬季风是全球大气环流的一个重要组成部分,冬季风异常关联着全球环流的异常;这种异常不仅在中高纬度环流中表现出来,而且在热带地区大尺度流场上也尤为显著。强弱冬季风所对应的长波槽脊分布、低纬对流特征、三维流场结构都是截然不同的。冬季风异常不但造成了同期环流形势的差异,而且对后期环流和天气状况也有影响。     

中低纬海气相互作用的耦合模态变化研究

利用1948—2003年的NCEP再分析资料和英国气象局Hadley气候预测和研究中心的海表面温度资料,从整体分析地球中低纬三大洋海气耦合系统的角度出发,使用SVD方法研究中低纬海气相互作用的耦合变化。结果表明,中低纬海气相互作用是一个有机的耦合整体,其变化不管从年际还是年代际上都存在耦合相关性,这一点给我们提出了一个新的研究全球范围海气耦合变化的思路。提取的海气耦合基本模态的正、负异常年份的海温和风场异常合成分析结果显示,当赤道东太平洋的海水偏暖时,热带印度洋和热带大西洋的海水也偏暖,热带西太平洋直至中纬度太平洋的海温总体偏冷。就印度洋而言非洲大陆以南30~50 °S的大片海区存在明显的海温负异常。北美洲大陆的东岸30 °N以北和南美洲大陆的东岸30 °S以南的海区都为明显的海温负异常。当赤道东太平洋的海水偏冷时各大海区的海温分布情况反之。      

区域海气耦合模式模拟的2003年东亚夏季风季节内振荡

评估了一个区域海气耦合模式(由区域环境系统集成模式RIEMS和普林斯顿海洋模式POM组成)对2003年东亚夏季风季节内振荡(ISO)的模拟性能。通过与观测海温驱动单独大气模式结果的比较,分析了海气耦合过程对东亚夏季大气ISO模拟性能的影响。结果表明:耦合模式能够模拟出2003年中国东部地区夏季降水的气候态分布,模拟的中国东部尤其是江淮地区大气ISO活动较单独大气模式更为显著。同时,耦合模式能够较好地再现大气ISO经向上北传的传播特征,模拟的江淮流域降水处于活跃和中断期时西北太平洋地区低频降水和环流异常在强度和空间分布上较单独大气模式都更为合理。相比于单独大气模式,耦合模式对大气ISO模拟的改善,一方面与其对气候态西北太平洋副热带高压和相关对流层底层风场模拟的改善有关,另一方面与其包含海气相互作用,因而对低频降水与海温和水汽辐合位相关系模拟的改善有关。     

印度洋对ENSO事件的响应:观测与模拟

观测事实显示,在El Ni(n～)o期间,伴随着赤道中东太平洋表层海温(SST)的升高,热带印度洋SST出现正距平.作者利用海气耦合模式模拟了印度洋对ENSO事件的上述响应,并进而讨论了其物理机制.所用模式为法国国家科研中心Pierre-Simon-Laplace 全球环境科学联合实验室(IPSL)发展的全球海气耦合模式.该模式成功地控制了气候漂移,能够合理再现印度洋的基本气候态.观测中与ENSO相关的热带印度洋SST变化,表现为全海盆一致的正距平,并且这种变化要滞后赤道中东太平洋SST变化大约一个季度,意味着它主要是对东太平洋SST强迫的一种遥响应,模式结果也支持这一机制,尽管模式中的南方涛动现象被夸大了,使得模拟的与ENSO相关联的SST正距平的位置南移,阿拉伯海和孟加拉湾被负距平(而不是正距平)所控制.研究表明,东太平洋主要通过大气桥影响潜热释放来影响印度洋SST变化.赤道东太平洋El Ni(n～)o事件的发展,导致印度洋上空风场异常自东而西传播;伴随着风场的变化,潜热发生相应变化,并最终导致SST异常的发生.非洲东海岸受索马里急流控制的海域,其SST的变化不能简单地利用热通量的变化来解释.证据显示,印度洋的增暖是ENSO事件发生的结果而不是其前期信号.     

亚洲和南半球大气冷(热)源对亚洲冬季风影响的数值试验

利用NCAR CAM3.1模式及NCEP/NCAR(version 1)再分析资料计算了几种现实大气热源分布情况,讨论了亚洲各地区和南半球上空冬季1月大气冷(热)源对东亚冬季风环流系统和印度冬季风环流系统形成的影响.结果表明:(1)冬季1月东亚地区和澳大利亚上空大气冷(热)源与东亚冬季风环流关系密切,南半球澳大利亚附近的非绝热加热可以激发出澳大利亚北部的热低压系统,东亚大陆东部的大气冷源可以使东亚大陆低空出现冷高压,基本上模拟出东亚季风系统冬季主要环流成员;(2)亚洲地区西部及其对应的南半球印度洋非绝热加热与印度冬季风环流关系密切,同样对东亚冬季风也有一定的影响,特别是亚洲大陆西部副热带地区的非绝热加热可以加强冬季南海的越赤道气流并能调整阿留申低压的位置.     

热带印度洋偶极子事件期间印度洋大气的变化——大气流函数场和势函数场的分析

大气环流的变异是热带印度洋偶极子（IOD）事件研究中的一个重要问题。本文从风场旋度分量和散度分量角度出发,利用观测资料和大气环流模式,对IOD事件发生时热带印度洋海区上空的大气环流变化进行了分析,揭示出风场不同分量在IOD事件期间的变化特征。研究结果表明,热带印度洋大气环流系统在IOD事件期间,旋度分量和散度分量在垂直方向上呈现明显的一阶斜压形式,而在水平方向上呈现明显的对称分布特征。对低空（850 hPa）来说,无辐散流函数距平场在IOD事件正位相期间表现为关于赤道对称的一对反气旋式环流;无旋度分量在IOD事件正位相期间的响应表现为东印度洋辐散、西印度洋辐合;大气环流的两种分量场均可以在赤道印度洋地区产生距平意义下的纬向东风,正是这种形式的距平东风使得IOD事件依靠海气系统正反馈机制得以维持和发展。而高空（200 hPa）大气环流形式刚好与850 hPa相反。     

一种东亚冬季风指数的环流意义及优化

论证了东亚冬季风环流指数IG与冬季蒙古高压强度和南北位置存在显著的同时相关,故IG本质上也是蒙古高压指数。在此基础上,构造了与IG结构相同的环流指数,从中筛选出一批优化的东亚冬季风指数IM。IM保持了IG结构简单、环流意义清晰的优点,且其格点选择更为合理,与中国同期气温负相关联系更强。因为定义IM的格点与蒙古高压关系密切,故IM也可称为蒙古高压指数。     

南海夏季风爆发与前期东亚冬季风异常的关系以及ENSO的作用

基于ERA-interim再分析资料采用相关分析研究了东亚冬季风和南海夏季风爆发的关系,并探讨了ENSO在其中的作用。结果表明,弱冬季风之后的南海地区5月有异常东风、降水偏少,对应于夏季风爆发偏晚;强冬季风之后则相反;但上述关系并不十分显著。进一步利用线性回归将东亚冬季风分为与ENSO有关和无关的部分,对于与ENSO有关的冬季风,上述冬季风-夏季风爆发的关系的显著性有明显提高;但与ENSO无关的冬季风和夏季风爆发并无显著联系。这说明冬季风-南海夏季风爆发的关系主要是由与ENSO有关的冬季风造成的。这一关系可以用ENSO激发的菲律宾异常反气旋或气旋来解释,以弱冬季风之后夏季风爆发偏晚为例:El Ni?o事件一方面激发出菲律宾异常反气旋,使得冬季风偏弱;另一方面又引起热带印度洋增暖,由于局地海气相互作用正反馈和印度洋电容器效应,菲律宾异常反气旋得以维持到晚春。该异常反气旋及其南侧的异常东风不利于南海夏季风的爆发,从而导致夏季风爆发偏晚。     

Strengthened Regulation of the Onset of the South China Sea Summer Monsoon by the Northwest Indian Ocean Warming in the Past Decade

Traditionally,a delayed(early)onset of the South China Sea summer monsoon(SCSSM)has been observed to follow a warm(cold)El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO)event in winter,supporting high seasonal predictability of SCSSM onset.However,the empirical seasonal forecasting skill of the SCSSM onset,solely based on ENSO,has deteriorated since 2010.Meanwhile,unexpected delayed onsets of the SCSSM have also occurred in the past decade.We attribute these changes to the Northwest Indian Ocean(NWIO)warming of the sea surface.The NWIO warming has teleconnections related to(1)suppressing the seasonal convection over the South China Sea,which weakens the impacts of ENSO on SCSSM onset and delays the start of SCSSM,and(2)favoring more high-frequency,propagating moist convective activities,which enhances the uncertainty of the seasonal prediction of SCSSM onset date.Our results yield insight into the predictability of the SCSSM onset under the context of uneven ocean warming operating within the larger-scale background state of global climate change.     

冬季赤道西太平洋环流状况与后期亚洲季风

基于月平均NCEP再分析资料(1958～1997年)以及中国336个台站月降水总量(195l～1994年),通过合成、相关以及统计显著性检验方法,研究了赤道西太平洋区域冬季环流状况与后期春夏季亚洲(东亚和南亚)季风环流变化的关系.研究结果表明,冬季赤道西太平洋环流状况对后期南亚季风和东亚季风以及我国夏季降水均有显著的滞后影响.冬季赤道西太平洋海域海平面气压偏高(低),对应反气旋(气旋)性环流异常,致使后期东亚和南亚夏季风均偏弱(强)以及我国长江流域夏季降水偏多(少),揭示了实施这种滞后影响的一般特征.