与印度洋偶极子模态有关的西太平洋海温异常型及其对东亚冬季气候的影响

利用NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）海温、GPCP（Global Precipitation Climatology Project）降水和ERA-20C（ECMWF's first atmospheric reanalysis of the 20th century）再分析大气环流资料,结合大气环流模式ECHAM5敏感性试验,研究了与秋季印度洋海温偶极子模态（IOD）相联系的冬季热带西太平洋海温异常型及其对东亚冬季气候的影响。发现在秋季发生IOD背景下,冬季西太平洋存在两类海温异常的变化型:一类是西太平洋区域一致偏暖/冷的模态,另一类是区域西冷东暖/西暖东冷的模态。尽管西太平洋海温一致偏暖和西冷东暖这两类海温变化型均有利于华南冬季少降水,但影响的范围有所不同。一致偏暖型引起的少降水范围较大,从华南扩展到长江中下游地区。西冷东暖型引起少降水范围主要限于华南,而在长江中下游到华北则降水偏多。相应地,在大气环流上,尽管两类海温异常型均有利于在西北太平洋菲律宾海附近出现气旋式环流异常,但气旋的强度和中心位置有差异。一致偏暖型引起的气旋偏强,中心位置偏西,其后部异常东北风控制的范围更大,导致少降水范围更大,而西冷东暖型引起的气旋偏弱,中心位置偏东,其后部异常东北风控制的范围小,导致少降水区域主要在华南沿海。本文结果对认识IOD调制随后冬季东亚降水异常的机理有重要意义。     

中东太平洋ITCZ对两类厄尔尼诺SST异常的敏感性试验

利用MPAS-A(The Model for Prediction Across Scales-Atmosphere)模式设计了中东太平洋热带辐合带CEP-ITCZ(Intertropical Convergence Zone over Central and Eastern Pacific)对两类厄尔尼诺SST(Sea Surface Temperature)异常的敏感性试验,通过试验结果与两类厄尔尼诺年实际大气异常的对比,初步解释了CEP-ITCZ在两类厄尔尼诺年产生不同异常的可能原因。通过CP-EL试验发现,热带太平洋SST异常的第一模态会使中东太平洋低层风场辐合增强,但对辐合带的位置影响不大,与中部型厄尔尼诺对CEP-ITCZ的影响基本一致。通过EP-EL试验发现,热带太平洋SST异常的第二模态会使中东太平洋低层风场产生较大异常,辐合带中心向南移动,辐合带明显减弱增宽,与东部型厄尔尼诺对CEP-ITCZ的影响基本一致。     

有无El Ni?o情况下印度洋偶极子演变特征及机理研究

基于NCEP、SODA等再分析资料,采用合成分析和2.5层简化海洋模型数值模拟等方法,分析了El Ni?o和正印度洋偶极子(IOD)事件不同配置情形下印度洋海温异常的演变特征,并重点探讨了联合IOD和独立IOD事件中,关键海区海温异常的发展演变及其可能机制。对于联合IOD事件,初期马里沿岸的增暖可能对其发生起主要的激发作用;而对于独立IOD事件的发生,则可能是赤道东南印度洋的降温起主导作用。不同类型IOD事件中,热带印度洋海表温度异常(SSTA)和海面高度异常(SSHA)的演变特征有明显差别,孟加拉湾上空降水异常所起的作用也不一样,印度洋不同海区混合层温度异常的演变机制也有显著不同。基于2.5层简化海洋模式结果的分析表明,各个海区的热力、动力过程在不同IOD事件有着不同的作用。例如在索马里沿岸海区:对于联合IOD事件,西印度洋赤道东风异常和索马里沿岸东北风异常,有利于该海区出现纬向平流热输送和海表热通量正异常,从而增暖。而对于独立IOD事件,阿拉伯海上空的强西南风异常,加强了索马里沿岸底层冷水的上翻和海表的热通量损失,导致前期纬向平流和夹卷混合的负异常以及后期海表热通量的负异常,使得该海区变冷。      

南印度洋偶极子的变化特征及其与ENSO事件的联系

利用Hadley Center逐月海温资料以及NCEP/NCAR逐月风场、海平面气压场等资料探讨了南印度洋偶极子(Southern Indian Ocean Dipole,SIOD)的变化特征及其与ENSO事件的联系。结果表明:1)发生在南半球副热带印度洋地区的海温异常西南—东北反相的南印度洋偶极子现象,具有明显的季节锁相特征:10—12月发生发展,次年1—3月发展成熟达到盛期,4—6月减弱消亡;SIOD的形成主要受大尺度大气环流的影响,马斯克林高压以及澳大利亚低(高)压位置和强度的变化引起的副热带印度洋海表面风场的异常,影响了海温的变化,进而形成SIOD。2)南半球副热带印度洋地区的海温变化与赤道中东太平洋地区海温异常密切联系,前冬ENSO事件与SIOD有显著的负相关关系,大多数正SIOD发生在La Ni?a事件之后,大多数负SIOD发生在El Ni?o事件之后;也存在部分SIOD事件的发生既不伴随La Ni?a现象,也不伴随El Ni?o现象。3)ENSO事件产生的异常垂直运动和赤道异常纬向风对南半球副热带印度洋地区的海平面气压以及海表面风场的强度和位置的变化有重要作用,可以分别影响SIOD东西极子的演变,进而对SIOD产生影响。4)SIOD事件也可单独发生,一般负事件比正事件早一个月发生,同时由于没有ENSO事件的作用,海温异常反相的现象不能持续,单独发生的SIOD事件生命期较短。     

热带太平洋、印度洋海温异常在菲律宾海异常反气旋建立过程中的作用

利用NCEP/NCAR的1948—2000年逐月再分析资料、NOAA气候诊断中心的1948年1月—2000年1月的海表温度扩展重建资料、美国NOAA2-CIRES气候诊断中心提供的1974年6月—2008年1月向外长波辐射资料,采用诊断分析方法主要探讨了热带太平洋、印度洋海温异常事件在热带低层异常反气旋东移发展最后到达菲律宾海成为菲律宾反气旋过程中的作用。结果表明:(1)初秋南亚印度洋上发展起来的低层异常反气旋在东部干冷西部湿热的水平不对称分布和热带西太平洋海洋性大陆上存在的大尺度辐散异常条件下都会向东移动发展,而上述条件与热带海表温度异常及其演变特征有着密切联系。(2)单纯厄尔尼诺事件,单纯印度洋正偶极子事件下的海温异常分布特征有利于形成东部干冷西部湿热的水平不对称分布和热带海洋大陆上的大尺度辐散异常。相对于厄尔尼诺事件,印度洋正偶极子事件是一个较弱且短暂的海洋事件,因此单纯印度洋正偶极子事件下到达菲律宾海地区的低层异常反气旋(即菲律宾异常反气旋)相对较弱,持续时间短。(3)在有印度洋正偶极子发生的厄尔尼诺事件中,两大洋的海温异常分布和显著的大尺度辐散异常更加有利于低层异常反气旋东移发展,在两大洋共同作用下使到达菲律宾海的低层异常反气旋(即菲律宾异常反气旋)相对于在单纯的某种海温异常事件作用的菲律宾异常反气旋强度更大,持续时间更长。     

两类El Ni?o对应的印度洋偶极子事件的比较研究

利用多种大气和海洋再分析资料,采用合成分析及2.5层简化海洋模型数值模拟等方法,研究了1951—2012年期间,与东部和中部型El Ni?o事件相伴随的热带印度洋海温偶极子(Indian Ocean Dipole,IOD)出现时,热带印度洋海温异常增暖及其上空海气耦合特征的物理机制。结果表明:夏秋季节,伴随东部型El Ni?o而发生的IOD事件(EP-IOD)和伴随中部型El Ni?o而发生的IOD事件(CP-IOD)中,热带印度洋海温正异常的强度与空间分布具有很大差异。对于EP-IOD事件,夏季,海温正异常中心最先出现在热带西北印度洋;随后秋季,海温正异常向东南发展并扩大至热带中南印度洋,强度较强。对于CP-IOD事件,夏季和秋季,海温正异常中心都位于热带中南印度洋,呈东西向带状分布,但海温正异常强度较EP-IOD事件中弱。进一步分析表明,在EP-IOD事件中,夏季,热带西北印度洋海区西南季风偏弱,通过影响夹卷混合过程导致热带西北印度洋海温上升;秋季,热带西北印度洋上空的异常偏东风导致垂向夹卷混合的正异常,对热带西北印度洋增暖的维持起到重要作用;热带中南印度洋的增暖主要受赤道东南印度洋西传的暖性Rossby波影响。而在CP-IOD事件中,夏秋两季,热带中南印度洋海区出现显著的西北风异常,其上空风速的负异常是增温的主要原因;同时赤道东南印度洋西传的暖性Rossby波对热带中南印度洋的增暖也起到重要作用。      

两次超强厄尔尼诺事件海温异常与次年中国东部夏季降水特征对比

利用NOAA逐月海表温度(SST)资料,NCEP/NCAR风场、高度场和比湿再分析资料和国家信息中心提供的753站逐日降水资料,对比分析了1997/1998年和2015/2016年两次强厄尔尼诺事件的海温异常分布特征、次年中国东部夏季降水以及环流异常特征,结果表明:1)2015/2016的厄尔尼诺事件是自1950年以来持续时间最长,强度最强的一次事件,日界线附近的海温较1997/1998年的偏高。2)1997/1998年厄尔尼诺事件次年华南西部、江南北部到长江流域、黄淮北部到华北南部以及我国东北地区降水较常年偏多。而2015/2016年厄尔尼诺事件次年降水范围和强度相对较小,强雨带主要分布在长江流域一带、黄淮地区和华北一带及河套北部。3)1997/1998年事件次年夏季西北太平洋副热带高压强盛,位置偏西,脊线偏南,向上垂直质量输送异常偏强、高低层水平风场配合以及水汽通量异常辐合偏强均有利于长江流域一带以及我国东北地区降水产生,而2015/2016年事件次年的副高相对偏弱,且脊线位置偏北、偏东,水平、垂直异常环流和水汽偏弱,因此降水范围和程度较1997/1998年的偏弱。从海温分布型和次年对我国东部夏季降水造成的影响上看,2015/2016年的超强厄尔尼诺事件有别于传统东部型事件。     

ENSO对印度洋偶极子非对称性的影响及机制研究北大核心

利用海表温度再分析资料、NCEP/NCAR大气环流再分析资料以及MPI-ESM1-2-LR气候模式PI-Control试验输出数据等,通过对不同强度的厄尔尼诺-南方涛动(El Nino-Southern Oscillation, ENSO)事件所对应的印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole, IOD)事件的分析,探讨了ENSO对IOD偏度的调制作用。结果表明,伴随着赤道中东太平洋明显的正海温偏度,秋季印度洋海表温度存在西正东负的偏度。IOD与ENSO之间呈现出较强的非线性关系,且大部分强的正IOD事件对应着强El Nino事件。强El Nino位相下,IOD事件相关的海温与风场表现出很强的响应,强于La Nina事件产生的响应,表现为强的非对称性;相比较而言,弱El Nino事件与La Nina事件下引起的印度洋海温和风场的强度相当,并没有显著的非对称性。因此,ENSO可通过激发非对称的大气遥相关对IOD强度非对称性产生调制作用,印度洋海表温度偏度很大程度上是由强El Nino事件导致的强正IOD事件所贡献。     

两类厄尔尼诺事件对中国东部冬季气溶胶的影响

利用MERRA-2再分析气溶胶光学厚度及气象观测资料,在剔除人为排放长期变化产生的气溶胶光学厚度扰动的基础上,从气候学角度探讨了两类厄尔尼诺事件对中国东部冬季气溶胶的影响。结果表明,东部型厄尔尼诺事件使绝大部分区域气溶胶光学厚度呈正异常分布,尤其对华北至东北的气溶胶污染加剧作用显著;而中部型厄尔尼诺事件使气溶胶光学厚度异常由南至北呈显著的“+-”双极型分布。进一步成因分析发现,虽然两类厄尔尼诺事件都具有削弱冬季风从而减弱北方气溶胶向南传输的作用,但中部型对水平流场的削弱作用不显著,尤其是东北地区没有通过90%的显著性检验。同时二者对北方大气垂直扰动和气溶胶的湿清除作用相反,其中东部型表现为大气垂直扰动和对流有效位能减弱,降水减少,湿清除减弱;而中部型则表现为垂直扰动和对流有效位能增强,降水增多,湿清除增强。对于南方,强东部型事件引发的强降水可能是产生该区域气溶胶污染影响不稳定的主因,而中部型则主要通过气流削弱作用加剧长江中下游地区气溶胶的局地污染。      

厄尔尼诺的发生与赤道西太平洋暖池次表层海温异常

通过资料分析研究了厄尔尼诺事件的爆发与西太平洋暖池次表层海温正异常的重要关系。结果表明，El Ni?o事件之前暖池次表层海温都有明显的持续升高；这种暖池次表层海温正距平的出现，尤其是它向赤道中东太平洋的传播对 El Ni?o事件的爆发有直接关系，是导致El Ni?o事件的重要原因。分析还表明，暖池次表层海温正距平的东移原因在于赤道西太平洋地区西风异常的发生和向东扩展。     

京津冀地区GNSS ZTD时序分析及对厄尔尼诺事件的响应

京津冀地区夏季暴雨频发,水汽是影响暴雨形成的关键要素之一.本文利用中国大陆构造环境监测网络（CMONOC）京津冀地区GNSS（全球导航卫星系统）观测资料,开展GNSS天顶对流层总延迟（ZTD）时序分析及对厄尔尼诺事件的响应研究.利用快速傅里叶变换与小波变换方法从频域和时域开展GNSS ZTD时序分析,并对GNSS ZTD不同周期时序与东部型指数（I_EP）、中部型指数（I_CP）进行比较,分析I_EP、I_CP对GNSS ZTD周期变化的影响.研究发现：GNSS ZTD异常时段与厄尔尼诺事件存在对应关系.东部型指数（I_EP）与GNSS ZTD呈正相关;中部型指数（I_CP）与GNSS ZTD呈显著负相关.在东部型厄尔尼诺事件的影响下,GNSS ZTD的季节性周期增大,月周期和半月周期减小;在中部型厄尔尼诺事件的影响下,GNSS ZTD的季节性周期、月周期、半月周期都减小.研究结果可为掌握区域GNSS ZTD预测变化规律提供参考,并为利用水汽感知厄尔尼诺事件提供可行性基础.     

两类El Ni?o事件对我国西南地区冬季降水的影响

采用1960~2014年西南地区93个站的逐月降水资料以及NCEP/NCAR再分析月平均资料,分析了东部型El Ni?o（EP El Ni?o）和中部型El Ni?o（CP El Ni?o）对我国西南地区冬季降水的不同影响。结果表明,EP ElNi?o年冬季和CP El Ni?o事件中1994/1995年、2002/2003年冬季,我国西南地区受异常偏东风影响,获得来自孟加拉湾和南海的水汽供应。同时,西南地区存在明显的幅合上升运动,上升运动异常增强,对流加强,导致西南地区冬季降水偏多;而CP El Ni?o事件中1968/1969年、1977/1978年,2004/2005年、2009/2010年冬季,我国西南地区受异常西北风影响,来自孟加拉湾和南海的水汽减少。同时,西南地区存在明显的幅散下沉运动,上升运动异常减弱,对流减弱,导致西南地区冬季降水偏少。     

2015/2016超强El Nio对中国南方冬春季降水的影响分析

利用1981—2016年的中国160站降水资料、OISST海温资料和NCEP/NCAR大气环流资料,对比分析了中等强度El Nio和2015/2016超强El Nio对中国东南部、江淮流域和西南地区冬春季降水影响的异同。结果表明:在中等强度El Nio的冬季,偏暖的赤道中东太平洋海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)所激发的西北太平洋和日本附近的异常反气旋环流,其异常的西南风会加强南海—西北太平洋的水汽向中国东部输送,造成中国东南部和江淮流域的降水一致偏多。2015/2016超强El Nio的冬季,赤道中东太平洋SST的强度异常偏强,中国东部异常偏冷的表面气温和对流层低层温度加强大陆冷高压,长江流域及其以北地区受异常强的北风控制,从而造成中国东南部降水增多、江淮流域降水减少。在2015/2016超强El Nio事件衰减位相的春季,中国东南部和西南部降水的增加主要归因于异常偏暖的西北印度洋和东南印度洋SST的作用。经CAM5模式试验证明,西北印度洋异常偏暖的SST引起了北印度洋的异常西南风,激发了孟加拉湾—西北太平洋的异常反气旋,加强了印度洋和南海—西北太平洋的水汽向中国西南和东南部输送。此外,东南印度洋异常偏暖的SST还会激发局地异常上升运动,通过经向垂直环流加强南海—西北太平洋异常下沉运动,诱使中国东南部的上升运动加强,导致降水增多。     

与厄尔尼诺和拉尼娜相联系的中国南方冬季降水的年代际异常特征

利用NCEP/NCAR再分析大气环流资料、哈得来中心海温资料、中国700多站降水资料以及全球格点降水资料,详细分析了中国南方冬季降水异常的特征,并揭示了其所对应的欧亚大气环流和东亚冬季风异常与ENSO事件的联系,以及ENSO暖/冷位相对其影响的非对称性。研究进一步证明了厄尔尼诺是导致中国南方冬季降水偏多的重要外强迫因子,并指出拉尼娜对中国南方冬季降水的影响表现出明显的年代际变化特征。1980年之前的拉尼娜年冬季,东亚冬季风显著偏强,东亚大槽偏深,西北太平洋副热带高压偏弱偏东,中国南方受一致偏北风影响,气温偏低,降水偏少,多表现为冷干的气候特征。但1980年之后的拉尼娜年冬季,东亚大槽偏弱,印缅槽偏强,同时在菲律宾以西激发出异常气旋性环流,使得异常偏东风控制中国南方,有利于热带水汽输送增强,因此降水偏多。同时,1980年之后的拉尼娜事件还使得东亚副热带西风急流偏强偏北,中国南方处于急流入口区的右侧,通过二级环流使得中国南方上空的上升运动偏强,有利于降水偏多。因此,1980年之后的拉尼娜年冬季,中国南方易表现出冷湿的气候特征,有时也容易发生低温雨雪冰冻灾害。进一步分析表明,1980年以后拉尼娜成熟期海温异常空间分布型的变化,以及北半球大气环流的年代际变化可能是导致拉尼娜对东亚大气环流的影响在1980年之后发生变化的重要原因。     

两类中太平洋El Nio特征的对比分析

利用1979—2012年逐月Hadley中心海表温度、欧洲中期天气预报中心次表层海温、NCEP/NCAR风场再分析资料,对两类中太平洋(CP)El Nio及耦合的大气环流特征进行分析。结果表明,第一类CP El Nio(CP-ⅠEl Nio)增暖中心位于Nio4区且关于赤道对称;第二类CP El Nio(CP-ⅡEl Nio)的Nio4区与热带东北太平洋区域(NEP,130~110°W、15~25°N)同位相变化,冬季成熟后形成关于赤道非对称的带状增暖结构。进一步的研究表明,两类CP El Nio次表层结构存在差异:CP-ⅠEl Nio冬季次表层海温异常(SOTA)在中东太平洋与西太平洋呈显著偶极分布;CP-ⅡEl Nio在中、西太平洋位相相反但东太平洋异常较弱,且经向异常主要在赤道及其以北。两类CP El Nio耦合的大气环流特征不同:CP-ⅠEl Nio冬季异常Walker环流上升中心位于赤道上空,经向风向赤道辐合,低纬地区Hadley环流加强;CP-ⅡEl Nio冬季低层向北越赤道气流加强,Walker环流上升中心移到赤道以北,低纬地区Hadley环流减弱。     

西北太平洋热带云团发展与两类El Nio事件的联系

利用1982—2009年全球热带云团数据集、NCEP/NCAR再分析资料和英国Hadley中心海温资料,并引入热带云团生成率(Genesis Productivity,GP)来分析EP(Eastern Pacific)El Nio和CP(Central Pacific)El Nio事件与西北太平洋热带云团发展的相关性。研究表明,1)夏秋两季GP与Nio3指数在东南区(SE)均为显著正相关,在西南区(SW)仅秋季呈显著正相关;GP与EMI(El Nio Modoki Index)指数在夏季SE区域为显著正相关,在秋季南中国海(South China Sea,SCS)区呈负相关。2)在EP El Nio年,夏季SE区域的GP增大与低层涡度、高层散度以及低层相对湿度的相对增大一致。夏季SW区域与秋季SE区域的GP增大与有利的高低空配置相关,La Nia年则与之相反。3)在CP El Nio年,夏季SE区域的GP增大伴随着低层涡度和高层散度的增加,同时与充足的水汽及弱风切变相吻合;而秋季SCS区域的GP下降源于正涡度带、正散度带以及水汽带的东移。     

El Nio事件次年中国东部夏季气温分布特征研究

利用Had ISST和NCEP/NCAR再分析资料,采用统计学方法分析了1949年以来El Nio事件次年夏季中国东部气温分布特征。结果表明,混合型El Nio次年夏季,中国东部气温距平表现为山东—淮河流域及华南沿海出现负距平,其余地区为正距平;东部型,则表现为中国东部地区整体的负距平气温,且北方降温幅度明显大于长江以南地区;中部型,主要表现为长江以北气温负距平远大于长江以南。结合环流形势分析发现,三类El Nio事件次年夏季的赤道地区(5°S~5°N)异常纬向垂直环流均表现为三圈型,但3类异常Walker环流不仅强度有差异,纬向范围也有所不同。500 h Pa上西太平洋副高的强度和范围,是造成三类El Nio事件次年夏季中国东部地区气温距平分布差异的主要原因之一,850 h Pa上西南暖湿气流的输送对其也存在明显影响。