亚洲和北美干湿变化及其与海表温度异常的关系

利用多通道奇异谱方法（MSSA）分析了1953~2003年亚洲和北美Palmer干旱指数（PDSI）与热带和北半球温带海洋海表面温度异常（SSTA）的主要周期振荡特征及其相互联系.结果表明：亚洲和北美PDSI以及SSTA均存在明显的3~6年的年际以及10年左右的年代尺度振荡;此外,亚洲PDSI还存在显著的6~8年的年际振荡.SSTA的年际振荡主要体现了ENSO的变化特征,而其年代尺度振荡的空间分布具有热带太平洋和北太平洋共同作用的类ENSO型.同时,MSSA的分析结果给出了亚洲和北美主要振荡信号的时间和空间演变特征.相关性分析表明,亚洲和北美PDSI的年际及年代尺度振荡均显示明显的对SSTA强迫信号的响应.对于年际振荡,亚洲PDSI对SSTA响应强于北美,但年代尺度振荡则反之.此外,亚洲和北美PDSI对于SSTA信号响应的关键区域也随时间尺度的不同而发生变化.亚洲的西西伯利亚、青藏高原东西两侧以及中西伯利亚东部在年际和年代尺度上均为受SSTA影响最显著的区域;在年际尺度上,北美中部地区的干湿变化与SSTA存在显著相关,而在年代尺度上,美国西部更易受SSTA年代尺度振荡的影响.     

平流层爆发性增温对中国天气气候的影响及其在ENSO影响中的作用

本文通过分析1957~2002年平流层爆发性增温(SSW)的环流特征,研究平流层爆发性增温可能对我国天气气候的影响.平流层爆发性增温发生后平流层高纬地区有异常的环流变化,但是这种变化并不仅局限于平流层内部,其产生的环流异常能够向下传播,并对对流层的天气和气候产生影响.研究发现,平流层出现强爆发性增温后,平流层异常温度场和位势高度场在中、高纬度形成AO型振荡并向下传播,使得对流层低层西伯利亚高压增强、阿留申低压加深,500 hPa东亚大槽加深且偏西,导致东亚冬季风增强,我国北部大部分地区气温偏低.而在爆发性增温前,强行星波扰动使得东亚大槽加深,西伯利亚高压和阿留申低压同时增强,也可能导致东亚冬季风偏强.El Nio可能激发出强行星波,有利于强SSW事件的发生.通过上述的两个过程可能造成东亚冬季风的加强,这将会对El Nio事件通过对流层过程而引起东亚冬季风减弱的结论有一定影响. 因此,ENSO事件影响东亚冬季风及中国的天气气候存在不止一种途径,具体影响情况应该是几种途径的综合结果.     

新疆北部降水的气候分布特片及其对ENSO的响应

分析研究了新疆北部地区近50年（1951-2000年）全年各月降水的气候分布特征和各季降水的年际变化规律，重点揭示了北疆多雨季节（4-7月）及其各月降水量对赤道东太平洋的海温SST和南方涛动指数SOI的显著响应关系，并用前期SST和SOI作为预报因子，建立了北疆地区雨季水量的预报方程。该方程可用于北疆地区雨季降水量的长期预报。     

新疆北部降水的气候分布特征及其对ENSO的响应

分析研究了新疆北部地区近50年(1951～2000年)全年各月降水的气候分布特征和各季降水的年际变化规律,重点揭示了北疆多雨季节(4～7月)及其各月降水量对赤道东太平洋的海温SST和南方涛动指数SOI的显著响应关系,并用前期SST和SOI作为预报因子,建立了北疆地区雨季降水量的预报方程.该方程可用于北疆地区雨季降水量的长期预报.     

过去2000年重大火山喷发对全球和中国气候的影响

重大火山喷发(MVEs)越来越受到科学界的关注.已有很多工作研究了过去2000年MVEs对气候的影响,但古气候重建资料和气候模拟资料显示的全球和中国气候对MVEs的响应存在较大差异.本文汇总了观测、重建、模拟和同化数据,系统地总结了MVEs的史实、对气候的影响和机制以及未来的研究方向.主要结论是:过去2000年MVEs密集时期发生在公元530～700、1200～1460和1600～1840年.对温度影响上, MVEs会引起年际-年代际尺度全球和中国的显著降温,但模拟的年际尺度降温幅度明显大于重建结果.对降水影响上,热带MVEs会导致全球季风降水显著减少;在中国区域,长江流域的降水有所增加,但在华北、东北以及青藏高原南部区域,不同数据所反映的结果存在较大差异.频繁的强火山爆发、火山叠加太阳活动极小期、气候系统内部变率叠加火山的作用都可能引起北半球季风区和中国东部的年代际干旱事件.在机制上, MVEs既通过直接辐射效应影响气候,也通过调制气候系统内部变率来间接影响气候,如火山喷发会影响厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和大西洋多年代际振荡(AMO)的变化.然而, MVEs调制ENSO和AMO等...     

一个基于耦合气候系统模式的气候预测系统的研制

基于美国通用气候系统模式CCSM4和自行设计的一套初始化方案,建立了一个全球气候预测系统(PCCSM4),并使用该预测系统对夏季气候进行了30年(1981~2010)系统性的超前一个月的集合回报试验.回报结果表明,PCCSM4基本可以把握观测中夏季(JJA)平均海表面温度(SST)、海平面气压(SLP)和降水的主要分布特征;PCCSM4对SST,尤其是赤道中东太平洋关键区SST具有较高的回报能力,30年的相关系数最高可达0.7;PCCSM4对500 hPa位势高度场、850hPa纬向风场和海平面气压场的回报性能高于降水;总的来看,热带地区的可预测性高于全球,更高于东亚地区;PCCSM4对于典型ENSO年的夏季气候和亚洲夏季风的年际变化具有较好的回报能力,经过进一步的检验和完善可以应用于全球和我国短期气候预测业务.     

交互集合耦合模式系统对北太平洋SST变率和ENSO的模拟检验

清华大学地球系统科学研究中心在一个标准耦合模式（SC）的基础上建立了交互集合耦合模式系统（IE）,该系统可以实现多个不同大气模式或者同一大气模式采取不同初值组成的多个分量集合之后与海、陆、冰模式进行耦合.本文利用同一大气模式七个不同初值分量与其它模式分量开展在线集合耦合试验,利用积分稳定之后100年的试验结果,分析了IE在减小海-气界面大气噪音的情况下,对北太平洋海表面温度（SST）变率和ENSO的模拟,并与SC模拟结果进行了对比.分析表明,IE减小了北太平洋中高纬度SST方差的85%以上,表明该区域SST变率主要受大气的影响,且主要是通过改变海表湍流热通量实现的.黑潮延伸体区和北太平洋中部副热带涡旋区域平均SST 8年左右的低频周期主要受来自大气内部动力过程的驱动.在集合耦合模拟中,无论是副热带涡旋区SST与ENSO的联系,还是ENSO与北太平洋中高纬度SST的联系都能模拟出来,而标准模式未能模拟出这些现象,意味着大气噪音过强将掩盖ENSO与太平洋热带外SST的联系.IE对与ENSO关联的“太平洋—北美”（PNA）遥相关型的合理模拟,并通过湍流热通量对海表温度的影响,是其能够更好模拟ENSO与北太平洋中高纬度SST关系的重要原因.本文通过分析验证了所建立的交互集合耦合模式系统的合理性,揭示了该系统在海-气相互作用研究领域方面具有一定应用前景.     

热带太平洋年际尺度和热带不稳定波引起的叶绿素变率对ENSO调制的互补效应

在热带太平洋,观测数据表明海表叶绿素(Chl)表现出年际尺度变率和由热带不稳定波(TIW)引发的中小尺度扰动这两者的共存现象;两者通过海洋生物引发的加热(OBH)反馈对ENSO造成的联合影响尚未得到充分的表征和理解.本文利用一个混合型大气-海洋物理-生物地球化学耦合模式(HCM AOPB)来量化年际和TIW尺度上Chl扰动对ENSO的单独以及联合调制影响. HCM敏感性试验结果证实了两者对ENSO振幅存在相反的作用,其中大尺度Chl年际变率造成的海洋生物-气候反馈效应通过其对上层海洋层结和垂向混合的影响来减弱ENSO,而TIW尺度的Chl扰动则倾向于增强ENSO.气候模式中ENSO的模拟敏感地依赖于对不同尺度上Chl效应的表征方式,因此有必要在气候模式模拟中充分地考虑不同尺度上Chl引发的气候效应.本文揭示了热带太平洋Chl效应是气候模式中ENSO模拟的一个偏差源,可为不同尺度上热带太平洋气候系统与海洋生态系统间相互作用提供新的见解.这些结果也揭示了ENSO调制的复杂性:即热带太平洋海洋生物地球化学过程相关的年际和TIW尺度上的Chl扰动与物理过程间的相互作用可对ENSO产生协同效应.     

雁荡山湖泊沉积物记录的中国东部季风区小冰期以来气候干湿变化

中国东部季风区过去千年降水变化特征已有大量研究并取得重要进展,但多数研究集中在中国北方和中部地区,南方地区重建记录相对较少.本文对浙江雁荡山雁湖沉积物的总有机碳、色度和粒度等多指标进行分析,重点探讨小冰期以来研究区域的降水变化,结果显示:1)1400-1600 AD,湖区集水发育,研究区气候偏湿润;2)1600-165...     

FGOALS－g快速耦合模式模拟的北太平洋年代际变率

本文分析了由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/IAP）最新发展的FGOALS_－g快速耦合模式300 a积分模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了北太平洋年代际变率的时空结构、主要年代际模态的演变特征以及与ENSO的联系等研究内容. 结果表明：该模式能成功模拟出北太平洋年代际变率的主要空间分布特征;模拟的年代际模态具有多时间尺度性,其中最显著的是周期约为10～20 a左右的准20年振荡模态,该模态上层海洋热容量异常的演变过程主要表现为大致沿副热带海洋涡旋做海盆尺度顺时针旋转的特征,相应的大气异常不仅与阿留申低压的变异有关,而且与太平洋-北美PNA）遥相关型以及上游的欧亚大气环流异常有密切关系;模拟的北太平洋年代际变率对年际ENSO循环的发生频率和强度有明显的调制作用. 但模拟的KOE区和阿拉斯加湾SST异常振幅比观测偏强,这与模式海冰偏多、高纬度SST偏冷的误差有关.     

风场标准化季节变率的显著性及其表征季风的合理性

从理论上探讨风场标准化季节变率的显著性,揭示出它的临界值与季风区定义的内在联系,从而说明用它表征季风区的合理性．据此,利用１９５８～１９９７年ＮＥＣＰ／ＮＣＡＲ再分析资料,分析了风场的显著季节变率的空间结构,证实在垂直方向上大气环流季节变化显著的斜压性,发现热带地区东西半球显著季节变率的反对称分布特征,并指出季风与副热带高压、极夜急流、西风通道等重要系统有密切关系。     

南半球夏季纬向平均环流的垂直结构异常及其与AAO和ENSO的联系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,研究了南半球夏季（12~2月）纬向平均环流的垂直结构异常及其与南极涛动（AAO）和ENSO的联系.结果表明,南半球夏季纬向平均［u］的异常分布的主要模态（EOF1）显示出极区、50°S~70°S、以及50°S以北的区间内“三极”型振荡.EOF1 既反映了AAO的特征又与ENSO有着显著的关系.由于AAO指数与Nino3区指数之间存在着统计相关,为进一步弄清AAO和ENSO在南半球纬向平均气流变动的相关分量及其结构,利用Nino3区指数使用一元回归方法滤除ENSO影响,再对剩下的部分作EOF分解,得到了独立于ENSO的纬向平均［u］的第一模态AEOF1.相关分析表明AEOF1为与AAO相对应的纬向平均［u］异常的分布.用南半球纬向平均［u］去掉其与AAO相联系的模态AEOF1,进行EOF分解得到的第一模SEOF1,其与Nino3 区指数的相关高达0.9.由此给出了纬向平均气流的变动与ENSO无关的模态和与ENSO有关的模态.时间变化分析表明,近30年中,除了年代际变化和3~7年的年际变化外,纬向平均的纬向基本气流尚有极地西风减弱、副极地西风加强、副热带西风减弱、热带东风加强的长期趋势.     

我国北方干湿演变规律及其与区域增暖的可能联系

用中国地区60个站的月平均气温和月降水资料,计算了我国北方地区地表水分收支、蒸发等水分过程.以此为基础,分析了三北地区（西北、东北和华北）地表水分的历史演变规律及其与气温变化的关系,特别分析了和区域增暖的关系.结果指出：在北方地区,地表水分有其显著的演变规律,不同地区其变化规律不同.而实际蒸发和气温的关系存在明显的阶段性,在1965年前与1965年后的相关关系是完全相反的.分析的结果还指出：当前北方地区的普遍增温是干旱化加剧的主要原因.     

FGOALS－g快速耦合模式模拟的北太平洋年代际变率

本文分析了由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/IAP）最新发展的FGOALS_－g快速耦合模式300 a积分模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了北太平洋年代际变率的时空结构、主要年代际模态的演变特征以及与ENSO的联系等研究内容. 结果表明：该模式能成功模拟出北太平洋年代际变率的主要空间分布特征;模拟的年代际模态具有多时间尺度性,其中最显著的是周期约为10～20 a左右的准20年振荡模态,该模态上层海洋热容量异常的演变过程主要表现为大致沿副热带海洋涡旋做海盆尺度顺时针旋转的特征,相应的大气异常不仅与阿留申低压的变异有关,而且与太平洋-北美PNA）遥相关型以及上游的欧亚大气环流异常有密切关系;模拟的北太平洋年代际变率对年际ENSO循环的发生频率和强度有明显的调制作用. 但模拟的KOE区和阿拉斯加湾SST异常振幅比观测偏强,这与模式海冰偏多、高纬度SST偏冷的误差有关.     

中国降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感性

利用中国740站45年降水资料按5种分辨率分气候区计算了降水年际和年代际变率. 降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感性分析表明,中国各气候区降水年际变率对空间尺度的敏感性都随空间尺度的增加而逐渐减小,且存在明显的季节变化,而年代际变率对空间尺度的敏感性却随空间尺度的增加而增大,但不存在季节变化;由于中国各气候区降水的特殊性,各气候区降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感程度存在不可忽视的差异.在年际和年代际尺度上,西南地区降水变率对空间尺度都是最敏感的,因而该区域降水年际和年代际变率信号的检测最困难.而华南地区在年际尺度上比较敏感,年代际尺度却不敏感,但华南地区在年际和年代际尺度上区域内降水分布的非均匀程度对空间尺度的敏感性都最大.     

20世纪温度变化中自然变率和人为因素的影响:基于耦合气候模式的归因模拟

本文基于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室(LASG/IAP)发展的气候系统模式FGOALS_gl对近百年气温变化的模拟,讨论了自然变率和人为因素对20世纪全球变暖的相对贡献.数值试验结果表明,在自然和人为因子的共同强迫作用下,耦合模式能够合理再现20世纪全球平均气温随时间的演变;仅在自然因子作用下,模式不能再现1970年以后的全球变暖.自然因素对20世纪第一次变暖的作用是显著的,但温室气体是20世纪后期变暖的主要原因.在这一定性结论基础上,进一步对近百年变化中自然和人为因素的相对贡献做定量的归因分析,结果表明,除赤道中东太平洋和北大西洋外,人为因素对近百年的增暖起决定性作用.对全球、半球及大陆尺度而言,外强迫可以解释平均气温变化的70%以上,而内部变率贡献较小;但对于区域尺度而言,多数地区内部变率的贡献大于外强迫,区域尺度气温变化的机制较全球、半球尺度要复杂.对中国地区而言,20世纪早期的气温变化受自然变率影响,但20世纪后期的变暖主要是温室气体增加的结果.中国东部气温变化的空间分布表明,自然因素对近50年及近百年中国地区的变暖趋势贡献较小.在自然和人为因子共同作用下,模式能够再现近50年中国东部气温变化冬春两季增暖的特征、但没有模拟出夏季长江中下游地区及淮河流域的降温趋势;自然因子试验的结果表明,太阳活动对该区域的变冷有贡献,但模式无法再现该地区气温的季节变化特征.     

耦合模式长期积分中东亚夏季风与ENSO联系的不稳定性

通过对挪威卑尔根全球大气-海洋-海冰耦合模式300a控制积分结果进行交叉子波分析,揭示了东亚夏季风（EASM）与同期Nio3区（90°W～150°W,5°S～5°N）海洋表面温度异常的相关关系在长期变化中是不稳定的,呈现出明显的阶段性特征.气候要素场在二者联系的紧密（HCP）和微弱（LCP）时期差别显著,在HCP时期,西北太平洋对流层低层出现一对耦合的异常气旋和反气旋性环流系统;东南亚地区对流层低层表现为强东风异常,风速的年际变率加大;热带西太平洋对流层温度和位势高度场的年际变率普遍加强.此外,中国夏季降水与同期Nio3区海洋表面温度异常的相关关系在上述两种时期也存在较大差别.     

气候多雨与强震发生的延时关系

本文通过建立门限回归模型,研究了华北地区气候变化与强震发生的关系,发现明显有大约12年的延时相关。该延时尺度对中国其它地区和日本、美国的地震活动也同样适合。认为气候多雨是长期地震预报中的一个可用重要因素。     

气候多雨与强震发生的延时关系

本文通过建立门限回归模型,研究了华北地区气候变化与强震发生的关系,发现明显有大约12年的延时相关。该延时尺度对中国其它地区和日本、美国的地震活动也同样适合。认为气候多雨是长期地震预报中的一个可用重要因素。     

地球自转速率变化及其与地球物理现象关系研究的进展

作为地球的基本运动形式之一的地球自转变化表征着地球的整体运动状态和地球系统各圈层之间的相互作用过程,其变化形式非常复杂．研究表明,地球自转速率的变化与众多地球物理现象有密切联系,与地震活动、EN-SO事件等重大自然灾害存在一定的相关性．因此,对地球自转速率变化及其与地球物理现象之间关系的研究长期以来就受到天文学家、地球科学家和从事灾害研究领域专家的重视．本文主要介绍了该研究领域近年来的研究进展,并认为在此基础上开展更深入的研究对天文学和地球科学的发展都是有意义的．