扰动位能与大气环流异常的耦合关系及机理研究

本文在前期局地扰动位能理论工作基础上,进一步着眼于扰动位能与大气环流异常的关系和机理问题,采用奇异值分解(SVD)方法分析了扰动位能与高、中、低层大气动能的耦合相关模态以及年际变率情况,同时考察它与作为大气质量分布的海平面气压之间的相关关系,并从物理上初步探讨了扰动位能与大气动能以及质量的相关机理问题.结果表明,扰动位能自身变率的第一模态同时也是与大气环流异常场耦合变化的主要模态,与之相对应的大气动能和质量场的主模态也是其自身变率的支配模态,说明它们之间存在相互制约的物理机制.而且,热带外地区大气环流主模态特征的形成,与扰动位能兼具全球尺度纬向对称结构和局地尺度纬向非对称性密不可分.另外,冬季南北半球环状模指数与扰动位能的前两阶矩存在非常好的相关关系,而在夏季这种关系明显削弱,仅存在于南半球.     

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.     

平流层准两年变化对南海夏季风影响机制的探讨

利用美国大气研究中心(the National Center for Atmospheric Research, NCAR)的中层大气模式模拟了平流层准两年振荡(Quasi-Biennial Oscillation, QBO)过程对对流层顶和对流层上层的影响, 并结合NCEP(the National Centers for Environmental Prediction)/NCAR、欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)月平均的风场资料和实际的探空观测资料, 分析了平流层QBO对南海夏季风的影响作用. 结果表明: 平流层QBO会引起平流层的异常经向环流并向下传播, 在QBO位相的中后期和位相转换期影响到对流层顶和对流层上层, 使热带和低纬度的对流层上层形成异常的经向气压梯度, 最终在夏季的对流层热带地区激发出不同类型的异常环流—西风位相时, 激发出与南海夏季风环流相反的异常环流, 在南海地区有显著的异常下沉运动, 对南海夏季风有削弱作用; 东风位相时, 激发出反Hadley环流型的异常环流, 在南海地区有明显的异常上升气流, 对南海夏季风有加强的效果. 虽然QBO对南海夏季风经向环流有影响, 但它并不是决定南海夏季风准两年变化的唯一因子.     

重力位能同震变化及其构造意义——以青藏高原地区为例

地震除了以地震波的形式释放能量之外,地震还会使地球产生永久变形,该变形将使重力位能产生变化.研究表明,地壳的重力位能的同震变化能够很好地揭示构造活动的拉张或挤压状态.本文首先基于球对称、非自转、弹性和各向同性（SNREI）地球的点源位错理论,提出了一种有效的计算重力位能的同震变化的方法,该方法不仅适用于剪切型地震,而且适用于拉张型地震;然后研究了青藏高原地区在1976—2013年间发生的地震对地壳重力位能的同震变化的影响.结果表明,青藏高原中部和西部的地震使得整个地壳的位能减小,而东部的地震使位能增大;位能的减小和增大对应了该地区构造活动的拉张和挤压状态;并且1999—2013年期间较1976—1998年期间地震对地壳重力位能的影响加剧.

     

夏季风期间长江流域的水汽输送状态及其年际变化

本文利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了长江流域夏季风期间的水汽收支和循环,着重研究了不同月份与水汽收支的年际变化显著相关的大尺度水汽输送和环流异常.流域范围的西南夏季风水汽输送以6、7月最为强烈,经向输送在5～8月造成流域水汽辐合,9月造成辐散;纬向输送在5～7月造成流域水汽辐散,8、9月造成辐合.研究表明,在不同月份,流域的南北边界处的水汽输送在流域水汽收支的年际变化中起着不同的作用.这种变化与大气环流的异常密切相关.在夏季风相对较弱月份（5、8、9月）,流域水汽收支的年际变化极大地受到流域南边界南风水汽输入通道的影响,对应于水汽收入偏丰年,该3个月500 hPa高空在青藏高原东部都存在显著异常低压区,而且,8、9月在中南半岛及其以东洋面存在显著异常反气旋环流,与8月西太副高的向西向南异常伸展,以及9月副高的西伸较弱和南北范围较宽有关,这些异常环流均造成南边界的大量异常水汽输入.而在夏季风十分强盛的6、7月,流域北边界南风水汽输出极大增加,成为流域水汽收入年际变化的关键敏感通道,对应于水汽收入偏丰年,6月500 hPa高空主要受中纬度以黄海和东海为中心的异常低压系统和气旋性异常环流影响,与该区域副高偏南、偏弱有关,而7月则主要受中高纬以外兴安岭为中心的异常高压和反气旋性异常环流影响,应该是由于该区域大陆高压的频繁生成造成的,它们均造成流域北边界水汽输出的异常减少.     

基于卫星高度计资料分析南海热含量的年际变化特征

本文从海面高度异常与海洋热含量变化的线性关系出发,利用1992～2004年多颗卫星融合海面高度资料,对南海海域的热含量异常进行了计算.这一计算结果与基于气候态温盐资料计算的热含量季节变化具有很好的一致性.本文得到的结果还显示南海热含量异常具有明显的长周期变化,表现为:1992～1998年基本保持比较稳定的年际变化特征,1998年之后,热含量出现明显的跃变,这一跃变一直维持到2001年,在2002年开始出现热含量的递减趋势.对此时间序列进行谐波分析可以看出,南海热含量异常除了具有显著的年变化周期外,还存在明显的0.5、1.5、2.4、4年和6年的变化周期.进一步分析还发现,南海12月份热含量异常可以作为南海夏季风爆发的一种预报指标.     

公元1840年以来东亚夏季风降水变化—— 以中国和韩国的树轮记录为例

根据中国和韩国3条树木年轮降水记录, 本文分析了过去160 a以来东亚夏季风降水的变迁历史. 统计分析表明, 年际间中国和韩国季风降水不存在线性相关, 而在10 a尺度上则表现出同步变化的趋势. 1860~1890, 1910~1925, 1940~1960年是3个降水量较多的时段; 1890~1910, 1925~1940, 1960~1998年, 则是3个降水量较少的时段. 3条降水重建序列均揭示1920年代中期东亚夏季风降水快速由多转少. 同时树木年轮季风降水重建序列也被基于中国历史文献记载所划分的旱涝指数和韩国雨量记录所证实.     

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.     

欧亚地区夏季大气环流年际变化的关键区及亚洲夏季风的关联信号

本文利用资料分析和数值模拟方法研究了欧亚地区夏季大气环流的相关性及其与亚洲夏季风的关联信号,以期为欧亚地区的气候变异及可预测性研究提供科学依据.结果表明:欧亚区域同期(JJA)500 hPa高度场年际变化的关键区包括热带区、中纬度的贝加尔湖和巴尔喀什湖之间以及欧洲地中海附近地区;表面气温的关键区主要位于热带海洋;海平面气压的关键区包括热带的海洋性大陆区域、印度洋和非洲大陆赤道附近部分区域、中高纬的贝加尔湖与巴尔喀什湖之间的地区.另外,夏季大气环流年际变化的春季关键区明显西移/南退,特别是表面气温(其西太平洋区不再是关键区).公用气候系统模式CCSM4.0的大气模式在给定海温年际变化的情况下对于上述大气环流相关场及其关键区的模拟基本合理,其中500 hPa高度场的模拟结果较好,海平面气压场的结果逊之;对于同期和前期的结果,模式都有夸大西太平洋海温影响的倾向.对于东亚夏季风指数与大气环流的同期年际变化信号而言,其空间分布基本表现为以30°N为界呈西南东北向的波列状分布;其春季前期信号中,30°N以南的显著区几乎都位于海洋,30°N以北主要位于欧洲、巴尔喀什湖与贝加尔湖之间的地区.南亚夏季风指数的前期显著相关区比同期明显西移/南退.总之,模式的模拟结果和观测结果相当吻合,但其同期模拟结果比前期的更好一些.这些结果说明:模式对于大气环流年际变化的耦合变化信息的刻画是基本合理的,这为利用气候模式进行有关可预测性研究和降尺度预测研究奠定了基础.     

欧亚地区夏季大气环流年际变化的关键区及亚洲夏季风的关联信号

本文利用资料分析和数值模拟方法研究了欧亚地区夏季大气环流的相关性及其与亚洲夏季风的关联信号,以期为欧亚地区的气候变异及可预测性研究提供科学依据.结果表明:欧亚区域同期(JJA)500 hPa高度场年际变化的关键区包括热带区、中纬度的贝加尔湖和巴尔喀什湖之间以及欧洲地中海附近地区;表面气温的关键区主要位于热带海洋;海平面气压的关键区包括热带的海洋性大陆区域、印度洋和非洲大陆赤道附近部分区域、中高纬的贝加尔湖与巴尔喀什湖之间的地区.另外,夏季大气环流年际变化的春季关键区明显西移/南退,特别是表面气温(其西太平洋区不再是关键区).公用气候系统模式CCSM4.0的大气模式在给定海温年际变化的情况下对于上述大气环流相关场及其关键区的模拟基本合理,其中500 hPa高度场的模拟结果较好,海平面气压场的结果逊之;对于同期和前期的结果,模式都有夸大西太平洋海温影响的倾向.对于东亚夏季风指数与大气环流的同期年际变化信号而言,其空间分布基本表现为以30°N为界呈西南东北向的波列状分布;其春季前期信号中,30°N以南的显著区几乎都位于海洋,30°N以北主要位于欧洲、巴尔喀什湖与贝加尔湖之间的地区.南亚夏季风指数的前期显著相关区比同期明显西移/南退.总之,模式的模拟结果和观测结果相当吻合,但其同期模拟结果比前期的更好一些.这些结果说明:模式对于大气环流年际变化的耦合变化信息的刻画是基本合理的,这为利用气候模式进行有关可预测性研究和降尺度预测研究奠定了基础.     

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.     

青藏高原春季积雪在南海夏季风爆发过程中的作用

本文应用欧洲中期预报中心（ECMWF,European Centre for Medium\|Range Weather Forecasts—ERA\|40）资料和美国国家环境预测中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR, National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)资料,研究了青藏高原雪深变化对南海夏季风爆发的影响和ENSO对青藏高原降雪的影响.结果表明：（1）ECMWF的雪深资料是可信的,可以用来研究青藏高原雪深变化对南海夏季风爆发的影响;（2）青藏高原的积雪异常影响到500 hPa以上的温度异常和印度洋与大陆间的气温对比,一方面使上层的南亚高压移动速度发生变化,另一方面也影响到低层大气的运动和东西向风异常,在青藏高原少雪年,东印度洋产生西风异常和一个气旋对,而在青藏高原多雪年,东印度洋产生东风异常和一个反气旋对;（3）ENSO与青藏高原春季积雪关系密切.东太平洋SST正异常时,东印度洋和南海气压偏高,从而导致该区海陆经向压强梯度增强和西风异常.另外,此时青藏高原北部气压偏高,北风偏强,副热带锋面增强,同时,印度洋的SST偏高,为青藏高原降雪提供了水汽保障,这些都有利于青藏高原的降雪.     

The effects of asymmetric potential vorticity forcing on the instability of South Asia High and Indian summer monsoon onset

Based on the theory of potential vorticity(PV),the unstable development of the South Asia High(SAH)due to diabatic heating and its impacts on the Indian Summer Monsoon(ISM)onset are studied via a case diagnosis of 1998.The Indian Summer Monsoon onset in 1998 is related to the rapidly strengthening and northward moving of a tropical cyclone originally located in the south of Arabian Sea.It is demonstrated that the rapid enhancement of the cyclone is a consequence of a baroclinic development characterized by the phase-lock of high PV systems in the upper and lower troposphere.Both the intensification of the SAH and the development of the zonal asymmetric PV forcing are forced by the rapidly increasing latent heat released from the heavy rainfall in East Asia and South East Asia after the onsets of the Bay of Bengal(BOB)monsoon and the South China Sea(SCS)monsoon.High PV moves southwards along the intensified northerlies on the eastern side of the SAH and travels westwards on its south side,which can reach its northwest.Such a series of high PV eddies are transported to the west of the SAH continuously,which is the main source of PV anomalies in the upper troposphere over the Arabian Sea from late spring to early summer.A cyclonic curvature on the southwest of the SAH associated with increasing divergence,which forms a strong upper tropospheric pumping,is generated by the anomalous positive PV over the Arabian Sea on 355 K.The cyclone in the lower troposphere moves northwards from low latitudes of the Arabian Sea,and the upper-layer high PV extends downwards and southwards.Baroclinic development thus occurs and the tropical low-pressure system develops into an explosive vortex of the ISM,which leads to the onset of the ISM.In addition,evolution of subtropical anticyclone over the Arabian Peninsula is another important factor contributing to the onset of the ISM.Before the onset,the surface sensible heating on the Arabian Peninsula is very strong.Consequently the subtropical anticyclone which dominated the Arabian Sea in spring retreats westwards to the Arabian Peninsula and intensifies rapidly.The zonal asymmetric PV forcing develops gradually with high PV eddies moving southwards along northerlies on the eastern side of the anticyclone,and a high PV trough is formed in the middle troposphere over the Arabian Sea,which is favorable to the explosive barotropic development of the tropical cyclone into the vortex.Results from this study demonstrate that the ISM onset,which is different from the BOB and the SCS monsoon onset,is a special dynamical as well as thermodynamic process occurring under the condition of fully coupling of the upper,middle,and lower tropospheric circulations.     

A model study of the summer Southeast Vietnam Offshore Current in the southern South China Sea

The western boundary current in the southern South China Sea (SCS) in summer does not always flow northward along the Indo-China Peninsula, it leaves the southeast coast of peninsula around 10–14°N, forming a strong eastward jet called “Vietnam Coastal Current” or “Southeast Vietnam Offshore Current” (SVOC). It is known that the wind stress curl is the major driving factor responsible for this current. In this paper, we carry on the study of the separation position, strength and forming time of this current. A connected single-layer/two-layer model is employed here to study these problems. According to the numerical experiments and analyses of the vorticity dynamics, it is found that, the local wind stress curl (including the northern cyclonic and the southern anticyclonic wind forcing curl), the nonlinear term, the topographic effect, the planetary vorticity advection and the water exchange between the SCS and Java Sea via the Sunda Shelf have an important effect on both the position where this current leaves the coast and its strength; when there is an inflow via the Sunda Shelf, the current is stronger and the separation position is more northward; whereas the water stratification, the coastline and the inflow of Kuroshio have little effect on its separation. In fact, two opposite flowing currents, the northward SVOC and the southward western branch of the cyclonic eddy to its north near the Indo-China Peninsula, collide with each other, and the strength of these two currents determine the separation position of the SVOC. Origin of the SVOC may be driven by the local negative wind stress curl in the middle SCS in mid-spring, this current flows along the coast of the Indo-China Peninsula and leaves the coast at high latitude, flowing northeastward; once the local positive wind stress curl near the northern Indo-China Peninsula or the negative one near the southern Indo-China Peninsula is large enough, this current will begin to leave the coast at low latitude.     

热带、副热带海陆分布与青藏高原在亚洲夏季风形成中的作用

通过一系列的理想数值试验,研究了亚、非地区热带次尺度的海陆分布和青藏高原大地形在亚洲夏季风形成中的作用.试验结果显示：海陆分布的存在以及海陆分布的几何形状对亚洲夏季风的形成有非常重要的影响.下垫面全是海洋,没有陆地时,无季风现象的存在.当仅有副热带大尺度陆地,而缺乏南亚次尺度陆地和非洲大陆热带陆地时,夏季无明显的越赤道气流,仅在欧亚副热带陆地的东南部有弱的季风,无印度、孟加拉湾和南海夏季风.中南半岛、印度半岛和非洲大陆热带陆地的存在,在夏季引导南半球的东南信风越赤道转向为西南气流,使得南海的北部、中南半岛、孟加拉湾和印度半岛、阿拉伯海上空的低层为强西南气流控制,印度、孟加拉湾和南海夏季风产生.副热带陆地向热带的深入对副热带陆上产生夏季强对流性降水起着至关重要的作用.青藏高原的存在加强了高原东侧的季风,使得季风区向北发展,青藏高原对东亚季风起放大器的作用;减弱了高原西侧的季风,使得季风区向南收缩.     

Clay mineral records of East Asian monsoon evolution during late Quaternary in the southern South China Sea

High-resolution clay mineral records combined with oxygen isotopic stratigraphy over the past 190 ka during late Quaternary from core MD01-2393 off the Mekong River in the southern South China Sea are reported to reconstruct a history of East Asian monsoon evolution. The dominating clay mineral components indicate a strong glacial-interglacial cyclicity, with high glacial illite, chlorite, and kaolinite contents and high interglacial smectites content. The provenance analysis indicates the direct input of clay minerals via the Mekong River drainage basin. Illite and chlorite derived mainly from the upper reach of the Mekong River, where physical erosion of meta-sedimentary rocks is dominant. Kaolinite derived mainly from active erosion of inhered clays from reworked sediments in the middle reaches. Smectites originated mainly through bisiallitic soils in the middle to lower reaches of the Mekong River. The smectites/(illite+chlorite) and smectites/kaolinite ratios are determined as mineralogical indicato     

Grain-size records at ODP Site 1146 from the northern South China Sea: Implications on the East Asian monsoon evolution since 20 Ma

273 samples from Ocean Drilling Program (ODP) Site 1146 in the northern South China Sea (SCS) were analyzed for grain-size distributions using grain-size class vs. standard deviation method and end-member modeling algorithm (EMMA) in order to investigate the evolution of the East Asian monsoon since about 20 Ma. 10–19 μm/1.3–2.4 μm, the ratio of two grain-size populations with the highest variability through time was used to indicate East Asian winter monsoon intensity relative to summer monsoon. The mass accumulation rate of the coarsest end member EM1 (eolian), resulting from EMMA, can be used as a proxy of winter monsoon strength and Asian inland aridity, and the ratio of EM1/(EM2 EM3) as a proxy of winter monsoon intensity relative to summer monsoon. The combined proxies show that a profound enhancement of East Asian winter monsoon strength and winter monsoon intensity relative to summer monsoon occurred at about 8 Ma, and it is possible that the summer monsoon simultaneously intensified with winter monsoon at 3 Ma. Our results are well consistent with the previous studies in loess, eolian deposion in the Pacifc, radiolarians and planktonic foraminifera in the SCS. The phased uplift of the Himalaya-Tibetan Plateau may have played a significant role in strengthening the Asian monsoon at 8 Ma and 3 Ma.     

Zonal propagation of kinetic energy and convection in the South China Sea and Indian monsoon regions in boreal summer

As early as in the 1980s, Chinese scientists hadfirst proposed that there exits two summer monsoonsystems in Asia, namely the East Asian summer mon-soon (EASM) and the Indian summer monsoon(ISM)[1-4]. The two monsoon systems are quite dif-ferent in characteristics. Since then, such issue andconclusion had been documented and approved by alot of studies in the past two decades, and was appliedin the guideline of the South China Sea summer mon-soon experiment (SCSMEX), which was undertak…