5月热带印度洋大气大洋耦合环流的统计动力分析

对大气大洋耦合环流作直接的统计动力分析, 即将大气环流风场和大洋上层环流场看作一个整体, 作经验正交函数(矢量)展开, 从而可以得到在统计意义上的海气耦合模态和分析耦合的特征. 应用该方法对5月份热带印度洋区域(含南海)的大气大洋耦合环流进行联合统计动力分析, 得到以下结论: 第1模态是南海夏季风模态, 该模态时间系数序列有明显的两个态, 分别代表季风爆发前、后的大气、大洋环流并与南海夏季风爆发的迟早有密切关系; 在南海夏季风爆发偏早(晚)的年份, 印度洋表层到次表层的海温距平大多呈正(负)IOD形态, 印度洋赤道辐合带的上升运动和在该带南北两侧的动力性补偿下沉运动均偏强(弱); 总的说来该模态中大洋次表层到表层的流与地面风方向一致, 这表明该流是风生流. 第2模态反映ENSO在印度洋的延伸, 其时间系数序列也有两个态, 分别与Niño 3, 4区的海温异常相关较好.     

热带印度洋Dipole事件的两种模态

研究了印度洋Dipole事件期间热带太平洋．印度洋海洋次表层海温异常和海面风应力异常分布主要型,揭示了Dipole事件的两种模态,探讨了其形成机制,得到如下结果：（1）印度洋Dipole事件在热带印度洋次表层海温异常表现为“〈”型的东西向偶极子分布,“〈”以东的热带东印度洋为沿赤道呈舌状西伸的显著海温异常中心,“〈”以西的热带中西印度洋为反号的、以赤道为准对称的南强北弱显著海温异常中心．（2）印度洋Dipole事件由两种模态构成,二者具相同空间分布但具不同的时间变率,它们是两个独立的大尺度海气相互作用的结果．Dipole事件第一模态源于热带太平洋一印度洋尺度海气相互作用,它与ENSO事件共存．Dipole事件第二模态起因于热带印度洋尺度海气相互作用,它与Mascarene高压位置和强度变化紧密联系．当二者位相一致时,产生强Dipole事件,二者位相相反时,Dipole事件很弱或消失,一者较强时,Dipole事件一般也较强．（3）印度洋Dipole事件是热带印度洋海面异常风应力强迫的结果,海面异常风应力作用下产生的垂直输送导致海水堆积和涌升是造成次表层海温异常的主要动力过程．当赤道印度洋为异常东风时,热带东印度洋冷海水上升,热带西印度洋暖海水堆积,热带印度洋温跃层东浅西深;由于Coriolis力的作用,赤道海域离赤道流造成冷海水上升,赤道印度洋温跃层变浅;赤道两侧热带印度洋异常反气旋环流及旋度场,造成该异常旋度中心区域暖海水堆积,赤道外热带印度洋温跃层加深．三者共同作用产生正位相Dipole事件．热带印度洋为异常西风时,动力过程相反,产生负位相Dipole事件．     

南海中深层动力格局与演变机制研究进展

南海是连接印度洋-太平洋的最大边缘海,在季风、海峡水交换以及复杂地形影响下,南海环流呈现出独特的三层结构以及远强于大洋的混合特征.理论与观测表明,南海内潮、内孤立波以及强风等过程是强混合的动力来源.在南海强混合作用下,南海发育了活跃的中深层动力系统,一方面促进了南海与大洋之间的水体交换,另一方面调控上层风生环流,使得南海环流显著区别于其他热带与副热带海盆.南海活跃的中深层环流所具有的物质搬运能力又显著影响着南海的地质沉积、生物地球化学循环等过程.中国对深海研究持续投入,在南海中深层环流动力学研究方面取得了显著的成果,文章就该方面进行总结,并对南海深海环流未来研究设想进行初步探讨.     

赤道MJO活动对南海夏季风爆发的影响

利用1979—2013年NCEP/DOE再分析资料的大气多要素日平均资料、美国NOAA日平均向外长波辐射资料和ERSST月平均海温资料,分析赤道大气季节内振荡(简称MJO)活动对南海夏季风爆发的影响及其与热带海温信号等的协同作用.结果表明,赤道MJO活动与南海夏季风爆发密切联系,MJO的湿位相(即对流活跃位相)处于西太平洋位相时,有利于南海夏季风爆发,而MJO湿位相处于印度洋位相时,则不利于南海夏季风爆发.赤道MJO活动影响南海夏季风爆发的物理过程主要是大气对热源响应的结果,当MJO湿位相处于西太平洋位相时,一方面热带西太平洋对流加强使潜热释放增加,导致处于热源西北侧的南海—西北太平洋地区对流层低层由于Rossby响应产生气旋性环流异常,气旋性环流异常则有利于西太平洋副热带高压的东退,另一方面菲律宾附近热源促进对流层高层南亚高压在中南半岛和南海北部的建立,使南海地区高层为偏东风,从而有利于南海夏季风建立;当湿位相MJO处于印度洋位相时,热带西太平洋对流减弱转为大气冷源,情况基本相反,不利于南海夏季风建立.MJO活动、孟加拉湾气旋性环流与年际尺度海温变化协同作用,共同对南海夏季风爆发迟早产生影响,近35年南海夏季风爆发时间与海温信号不一致的年份,基本上是由于季节转换期间的MJO活动特征及孟加拉湾气旋性环流是否形成而造成,因此三者综合考虑对于提高季风爆发时间预测水平具有重要意义.     

热带太平洋-印度洋温跃层海温异常联合模及其演变

利用SODA次表层海温再分析资料和卫星遥感海面高度异常数据,分析了热带太平洋和印度洋温跃层海温之间的联系,提出了太平洋-印度洋温跃层海温异常联合模(PITM)的概念、并定义了该联合模指数.结果表明,联合模指数具有准两年和3~5年的年际变化周期以及2011-2012年的年际变化周期,并具有季节锁相和振幅不对称等特征.联合模的演变过程与温跃层海温异常(TOTA)的发展和传播过程紧密相联:在太平洋,TOTA一般从西太平洋出发沿赤道(5°S-5°N)向东传播,到达东太平洋之后折向北,再沿10°N-14°N纬度带向西传播到达太平洋西岸并向赤道西太平洋扩展,形成一条回路;南太平洋也有类似回路但信号较弱;在印度洋,则主要沿8°S-12°S纬度带向西传播,到达西岸后折向北,然后迅速沿赤道(1.25°S-1.25°N)向东扩展,也形成一条回路.对NCEP/NCAR再分析风场资料的合成分析则表明,联合模的演变过程与大气环流尤其是纬向垂直环流(Walker环流)的变化密切相关,联合模的正位相对应着赤道印度洋区域顺时针的Walker环流以及赤道太平洋区域逆时针的Walker环流;而联合模的负相位则有相反的情况.此外,联合模演变过程中,TOTA的传播发展与850 hPa异常纬向风的传播发展有很好的相关.     

热带西太平洋和南印度洋近20年来的海面高度变化及其动力联系

利用卫星遥感和现场观测资料,结合线性Rossby波诊断解,研究了近20年热带太平洋和印度洋暖池区海面高度的快速升高趋势.结果表明,两大洋热带区域同步的海面上升趋势通过印度尼西亚海的海洋波导通道联系在一起,其动力关联主要发生在温跃层深度,表现为热带太平洋的海面高度低频波动信号通过印度尼西亚海传至印度洋,并影响到南印度洋的东部海区,而南印度洋西部的海面变化主要受印度洋内区局地风场的调制.超前-滞后相关分析的结果表明,东南印度洋海面高度的年际和年代际变化信号分别源自太平洋赤道和近赤道海区,分别受到了太平洋赤道风应力异常和近赤道风应力旋度异常的调控,并且分别与ENSO的年际过程和PDO的年代际过程密切相关.     

孟加拉湾西南季风与南海热带季风的气候特征比较

本文运用NCAR/NCEP再分析数据和APHRO_MA_V1003R1降水数据,对比分析了孟加拉湾西南季风和南海热带季风的气候特征异同以及对降水分布的影响,得到如下结论:(1)孟加拉湾西南季风比南海热带季风爆发更早、强度更强、持续时间更久、向北推进更北.(2)孟加拉湾西南季风建立过程缓慢,主要是索马里越赤道西南气流的逐渐加强和热带印度洋ITCZ(赤道辐合带)的逐渐北移;而南海热带季风建立过程迅速,主要是东亚大槽的一次替换过程伴随西太平洋副热带高压的突然东撤和热带西太平洋ITCZ的突然北跳.(3)孟加拉湾西南风纬向分量较强,季风建立前后主要变化在于偏西风的强度;而南海西南风经向分量较强,季风建立后风向突然逆转,东南风由于副高东撤而迅速被西南风取代.(4)孟加拉湾西南季风撤退较快,而南海季风则撤退较慢.(5)根据季风进程将夏季风期划分为季风发展期(5月)、强盛期(6-8月)和减退期(9-10月).其间对流活跃区的发展和推进、季风槽的位置以及对应降水区域均有明显差异.(6)在夏季风期,孟加拉湾和南海经度上分别存在着由ITCZ北抬引起的、在季风槽对流活跃区上升而在南北两侧下沉的、南北对称分布的季风经向次级环流.由于孟加拉湾和青藏高原强大热源的存在,孟加拉湾上升区南北跨度比南海的更大;孟加拉湾经圈环流更加稳定,而南海经圈环流的南北摆动更明显;孟加拉湾上升中心区比南海的偏北;在季风减退期,由于南海ITCZ撤退较慢,其上升区比孟加拉湾上升区偏北.     

利用多年卫星测高资料研究南海上层环流季节特征

利用10年高精度卫星测高海面高异常网格资料,联合EGM96稳态海面地形模型,构成南海海域合成海面地形的时间序列,并计算了各个时期的南海表层地转流场. 利用卫星跟踪漂流浮标观测结果与相应时期南海地转流场进行对比验证,结果显示本文结果可以很好地反映南海海域一些中小尺度的环流特征. 根据南海各季节多年平均表层环流场结构,对南海环流周年变化规律和季节特征进行了初步的探讨. 研究结果表明,南海表层环流始终处在不断演变过程之中,在时间和空间上都表现出明显的多尺度特征.     

夏季西北太平洋大气环流异常及其与热带印度洋-太平洋海温变化的关系

本文分析了夏季西北太平洋大气环流异常特征及其与海温变化的关系,发现夏季西北太平洋异常反气旋/气旋(WNPAC/WNPC)是西北太平洋地区对流层中低层存在的重要大气环流异常现象,与东亚-西北太平洋低纬度至高纬度的经向PJ波列及欧亚中高纬度东西纬向波列的变化有关,通过与中高纬度环流变化的联系,对东亚及欧亚中高纬度气候有重要影响.夏季WNPAC/WNPC与热带海温变化的关系存在明显的不对称性,显著的WNPAC一般出现在El Niño衰减年夏季,与前期El Niño成熟年冬季的赤道东太平洋暖海温异常和El Niño衰减年春夏季印度洋海盆尺度的暖海温异常有明显的正相关关系,进一步表明了WNPAC在El Niño事件影响夏季气候中的重要桥梁作用;而夏季显著的WNPC与前期和同期热带海温变化的关系存在明显的不确定性,主要与夏季热带印度洋和赤道中东太平洋之间东暖西冷的热力差异异常引起的孟加拉湾-赤道西太平洋西风异常有关.进一步分析WNPAC/WNPC与海温变化关系不对称的可能原因,发现El Niño和La Niña衰减年夏季热带印度洋和太平洋海温变化所引起的印-太之间海温(热力)差异的一致性特征可能是导致WNPAC/WNPC与海温变化关系不对称的主要原因.     

热带印度洋-太平洋三极模态的理论探讨

热带太平洋的厄尔尼诺-南方涛动(El Ni o-Southern Oscillation,ENSO)现象是过去几十年里海洋与气候研究的重点.随着近年来印度洋偶极子模态(Indian Ocean Dipole,IOD)的提出,热带印度洋中的短期气候变化也逐步被重视.然而,人们对这些现象的研究更多的是局限在单个的海盆之内,而不是将其作为一个整体来思考.观测表明,在年际间尺度上,热带印度洋和热带太平洋的海表温度异常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)和海表高度异常(Sea Surface Height Anomaly,SSHA)等物理量的有着很明显的反向变化趋势.对这种反向变化可以给出一个简单的解释:由于双圈沃克环流在暖池区幅聚上升,海表风场在热带印度洋为西风,在热带太平洋为东风;它们通过驱动海水的上翻使得热带西印度洋与东太平洋SSTA变冷,SSHA变低,同时也通过暖水的堆积使得暖池区SSTA升高,SSHA增加.这样就在整个热带印度洋-太平洋地区形成了一个SSTA和SSHA的三极子结构.随着热带印度洋-太平洋上空沃克环流圈的增强或减弱,两个海洋之间的反向梯度关系也会随之做相应的调整,并通过梯度与沃克环流之间的正反馈作用得以维持.这一振荡模态被称为印-太三极子(Indo-Pacific Tripole,IPT).本文将通过资料分析和一个简单的概念模型来讨论IPT模态的发展和变化机制,并着重考虑ENSO与IOD对IPT模态的影响.该模型包含了最基本的海洋与大气的物理变量和他们之间的相互作用,可以为更深层次地理解和研究热带地区短期气候变化提供重要参考.     

南海海面高度、动力地形和环流的周年变化——TOPEX/Poseidon卫星测高应用研究

用1993~1999年的TOPEX/Poseidon卫星测高资料, 分析了南海海面高度距平场(SSHA)的平均周年变化; 结合历史水文资料, 反演了多年平均的逐月海面动力地形; 探讨了南海动力地形及其所反映的上层环流季节特征和演变规律. 分析表明, 南海大尺度环流的周年演替可分为4个阶段. 冬季(11~2月)南海环流表现为以北部气旋环流为主的气旋型双圈结构, 相关的特征还包括吕宋海峡的黑潮入侵和加里曼丹岛西北外海的东北向离岸流. 春季(3~4 月)气旋型双圈结构解体, 北部的气旋型环流依然维持, 南部环流则向反气旋型演变, 大尺度环流结构呈现偶极子特征. 夏季(5~7 月)和秋季(8~10月)海盆内部不存在明显封闭的大尺度环流, 环流以西南-东北流向的季风急流为主要特征, 但夏、秋流态有较大差别. 5~7 月季风急流贴中南半岛北上, 在海南岛东南18°N附近沿地形折向东形成反气旋型弯曲, 穿越南海后再折向东北. 8~10 月季风急流在13°N附近即离开中南半岛海岸进入海盆中部, 其流态转变为气旋型. 在春、夏、秋三季, 黑潮的入侵都不明显. 上述变化规律显示南海环流的动力调整在季风盛期过后就已经开始.     

印度洋偶极子对北印度洋热带气旋活动的影响研究

利用JTWC提供的1981～2010年北印度洋热带气旋路径资料,NECP提供的风场、OLR场等资料,以及NOAA提供的SST资料,使用统计诊断方法研究了北印度洋热带气旋活动时空分布特征及其与印度洋海温的关系.结果表明：北印度洋热带气旋活动频次EOF1占总方差贡献的比例为16%,反映了北印度洋整个海盆尺度热带气旋活动频次变化基本一致的分布形态,但是其空间分布具有不均匀性,表现为以孟加拉湾热带气旋偏西路径变化为主的特征;小波分析表明EOF1模态有显著的准5年变化周期.印度洋偶极子对北印度洋热带气旋活动年际变化影响显著,其影响机制概念模型为：印度洋偶极子处于正（负）位相模态时,印度洋海温异常呈显著的西暖东冷（西冷东暖）型分布,造成北印度洋上空对流减弱（加强）、低层有反气旋（气旋）式环流异常,不利（有利）于热带气旋在北印度洋生成,北印度洋热带气旋活动频次偏少（多）;且可造成孟加拉湾上空西风引导气流加强（减弱）,进一步使得出现在孟加拉湾90°E以西的偏西路径热带气旋偏少（多）.     

Hadley环流的年际和年代际变化特征及其与热带海温的关系

利用NCEP/NCAR再分析风场资料和NOAA海表温度(SST)资料,分析了冬、夏季Hadley环流的变化特征及其与热带海温在年际、年代际尺度上的关系. 结果表明,冬季北半球Hadley环流强度具有明显的年际和年代际变化,同时还呈现出明显的增强趋势. 伴随着Hadley环流的加强,环流中心位置南移,高度上升;夏季南半球Hadley环流变化主要表现为强、弱、强的年代际振动,没有明显的线性趋势. 研究还显示冬季Hadley环流与Nino3区SST正相关,这种相关性具有年代际变化特征. 年际尺度上,冬季北半球Hadley环流与Nino3区SST正相关;夏季南半球Hadley环流与Nino3区SST负相关,即当赤道中东太平洋SST异常偏暖(冷)时,冬、夏季Hadley环流变强(弱).     

南海季风性海流的建立与调整

通过一个高分辨(1/6度×1/6度)南海环流模式, 在旋转加快(spin-up)过程中分析了南海上层海洋季风驱动下海盆尺度环流特征建立的方式与内在机制, 分析了南海自静止态至海盆尺度环流特征初步形成的过程, 揭示了此过程中边界截获Kelvin波和西传斜压Rossby波的重要作用, 由此估算了南海上层海洋季风性海流调整的特征时间尺度.     

南海夏季风爆发与南大洋海温变化之间的联系

利用1979-2009年NCEP第二套大气再分析资料和ERSST海温资料,分析南海夏季风爆发时间的年际和年代际变化特征,考察南海夏季风爆发早晚与南大洋海温之间的联系.主要结果为:(1)南海夏季风爆发时间年际和年代际变化明显,1979-1993年与1994-2009年前后两个阶段爆发时间存在阶段性突变;(2)南海夏季风爆发时间与前期冬季(12-1月)印度洋-南大洋(0-80°E,75°S-50°S)海温、春季(2-3月)太平洋-南大洋(170°E -80°W,75°S-50°S)海温都存在正相关关系,当前期冬、春季南大洋海温偏低(高)时,南海夏季风爆发偏早(晚).南大洋海温信号,无论是年际还是年代际变化,都对南海夏季风爆发具有一定的预测指示作用;(3)南大洋海温异常通过海气相互作用和大气遥相关影响南海夏季风爆发的迟早.当南大洋海温异常偏低(偏高)时,冬季南极涛动偏强(偏弱),同时通过遥相关作用使热带印度洋-西太平洋地区位势高度偏低(偏高)、纬向风加强(减弱),热带大气这种环流异常一直维持到春季4、5月份,位势高度和纬向风异常范围逐步向北扩展并伴随索马里越赤道气流的加强(减弱),从而为南海夏季风爆发偏早(偏晚)提供有利的环流条件.初步分析认为,热带大气环流对南大洋海气相互作用的遥响应与半球际大气质量重新分布引起的南北涛动有关.     

FOAM海气耦合模式中印度洋海温年际变化在厄尔尼诺不同发展阶段的影响

热带印度洋与热带太平洋是全球海气耦合最活跃的区域之一,两者的海温场中均存在着显著的年际变化模态,而且这两个洋盆间的海温异常模态间是相互联系的.本文采用一个复杂的全球海气耦合模式,模拟了两组分别包含和不包含热带印度洋海温年际变化对热带大气强迫的耦合试验,对比研究印度洋海温年际变化在厄尔尼诺事件演变中的贡献.结果表明,热带印度洋海温年际变化的存在使得厄尔尼诺事件的成熟期强度增加,且在厄尔尼诺的发展年秋季出现明显的快速增长.但在厄尔尼诺衰亡年,热带印度洋海温年际变化却使得热带太平洋暖海温减弱甚至转变为冷海温,使得厄尔尼诺事件的演变周期减短.具体来讲,发生于厄尔尼诺发展年的印度洋偶极子正异常事件能够在热带印度洋东部到热带西太平洋之间强迫出一支异常的下沉气流及异常Walker环流,加强原有的西太平洋低层西风异常,通过海洋平流及波动调整过程增强厄尔尼诺期间太平洋的暖海温异常;而在厄尔尼诺衰亡年出现的印度洋全洋盆增暖则在南亚季风爆发的背景下,在印度大陆上空产生一支明显的异常上升气流,激发西太平洋东传的Kelvin波及低层大气的东风异常,削弱了热带太平洋洋面的西风异常,促使厄尔尼诺从暖位相向冷位相转化,并使得西北太平洋出现反气旋式大气环流和降水的减少.因此,印度洋海温偶极子模态主要影响厄尔尼诺事件的发展阶段,而印度洋海温洋盆一致变化模态显著影响厄尔尼诺事件的衰亡阶段,两者均可通过改变大气环流而遥强迫太平洋海域.     

南海夏季风季节内振荡特征及其对热带印度洋MJO活动异常的响应

本文采用OLR和风场等NCEP再分析资料、日本APHRO_MA_V1003R1降水资料和CPC提供的MJO指数,分析了1979～2008年南海夏季风的季节内振荡特征和年际差异、对应的低频环流和对流场及降水分布、夏季风ISO的传播路径以及热带印度洋MJO对南海夏季风ISO的影响,发现：（1）气候均态下的南海夏季风在夏季（5～8月）共有3次ISO波动.每一次完整波动中经历发展-最强-减弱-抑制-最弱-恢复的6个位相（弱位相除外）.由于热带低频对流的东传和北传,在阿拉伯海-西太平洋纬带上,1～3位相和4～6位相的低频对流场和环流场呈反位相特征.对应雨带分布在1～3位相和4～6位相也大致呈反位相特征,20°N以南的热带地区主要是雨带随着低频对流的东移而东移,而20°N以北的东亚副热带地区则主要是雨带随着南海低频对流的北移而北移.（2）南海夏季风ISO强度具有显著年际变化特征.在南海夏季风ISO强年,夏季共有3次较强的ISO波动,前两次均来自于热带印度洋ISO先北传到孟加拉湾、再沿10°～20°N纬带东传到南海、在南海加强并激发ISO的北传,构成热带印度洋ISO向我国华南的经纬向接力传播;而在南海夏季风ISO弱年,其振荡强度大为减小且很不规律,ISO的经纬向传播也较弱;在平均状况下,热带印度洋ISO向南海的传播需要约20d左右（1/2个ISO周期）的时间.（3）MJO1（CPC提供的MJO指数第一模态）在4月第1～2候的平均值与南海夏季风ISO强度呈显著负相关,当热带印度洋MJO在4月第1～2候较活跃时,在随后5～8月中也大致偏强,ISO向南海地区的传播也较强,使得南海夏季风ISO加强;反之,则南海夏季风ISO将减弱.MJO在4月第1～2候的异常状况可以为我们预测随后的南海夏季风ISO强度以及分析相关地区的降水异常提供一定的理论依据.     

热带太平洋外海气耦合作用对东亚夏季风年代际变化的可能影响

利用1950—2000年逐月观测的热带太平洋海表温度分别驱动NCAR CCM3全球大气环流模式以及该模式耦合SOM(Slab Ocean Model)混合层海洋模式进行长时间积分试验,将两组试验结果相减来研究热带太平洋外海气耦合作用对20世纪70年代中后期东亚夏季风年代际变化的可能影响.模拟结果表明:热带太平洋外的海气耦合作用使得孟加拉湾、南海附近存在反气旋环流异常,导致我国东部存在偏南风异常,从而引起东亚夏季风年代际增强.其中热带印度洋的年代际增暖对东亚夏季风年代际增强有一定影响.     

南海更新世的放射虫生物地层学

根据南海南沙海区 1795 7 2柱的放射虫定量分析 ,发现 6个放射虫事件并据此建立了 5个放射虫带 (NR1～NR5 ) .这 5个放射虫带的绝对年龄和 6个标志种的分布是直接根据古地磁和氧同位素记录的对比而确定的 .南海南沙海区 1795 7 2柱放射虫生物地层资料与赤道太平洋和热带印度洋的放射虫生物地层资料的比较显示 ,它们与赤道太平洋的年龄较接近 .     

热带海盆对热力强迫的线性响应

通过对线性两层海洋模式进行正交模求解,得到了热带矩形海盆在热力强迫下的海洋动力场水平结构.在这个线性两层模式中,没有施加风应力,仅考虑了热力强迫下的Rayleigh摩擦和Newton冷却效应.在一种理想化的经向不均匀加热强迫下,动力场表现出类似于风生环流的特征:窄而强的西边界区,宽而弱的东边界区;具有双涡(double-gyre)结构.线性响应中斜压模态比正压模态大一个量级,在响应中占主要地位.