NCEP/CFSR再分析耦合资料中MJO对ENSO的影响研究

基于1979—2008年NCEP/CFSR再分析耦合数据集,研究了冬季MJO对ENSO事件的影响。结果表明,在年际时间尺度以及长期的年代际时间尺度上,热带印度洋MJO活动的强弱性都可以影响热带中东太平洋ENSO事件的发生和发展。在年际时间尺度上,ENSO发生前期征兆的赤道中东太平洋的西风爆发事件(Westerly Wind Burst,WWB),作为MJO影响ENSO的主要途径,存在着显著的次季节时间尺度的变化。相对于气候平均的赤道太平洋西部暖池区上升而东部下沉的Walker环流,MJO正位相东传后的西风异常,减弱了低层东风和赤道东太平洋海水上翻。这一上升海流的减弱导致了中东赤道太平洋的海温升高,从而有利于ENSO暖海温事件的发生。而在年代际时间尺度上,MJO范围和强度在1998年前后出现了明显的转变,1998年之前MJO的东移范围更东,强度更强,从而导致了西太平洋西风爆发区的次季节西风异常事件更加显著,在Bjeknes正反馈机制下对应了年代际时间尺度下的强尼诺事件出现,1998年之后则与之相反。冬季MJO对ENSO影响的这一年代际特征主要体现在晚冬季节,而在早冬伴随着印度洋的增暖,MJO强度一直在逐年增加。     

全球海气系统年际和年代际变化的时空特征分析

本文利用从1950－1998年共计49年的马里兰（Maryland）大学全球海洋同化分析资料和NCEP全球大气再分析资料，分析了全球海气系统年际和年代际变化的主要时空特征，结果表明：1）全球上层海洋年际变化的主要模态是位于热带太平洋的ENSO模态，海洋年代际变化的最显著区域为南半球高纬度及中纬度海洋特别是赤道以外区域的热带东太平洋和大西洋；2）全球大气年际和年代际变化都主要位于中高纬度地区尤其是两极地区，在年际时间尺度上，气温异常和气压异常没有明显的对应关系，但在年代际时间尺度上，气温增暖（变冷）常常伴随着气压的降低（升高）；3）在年际时间尺度上，发生在中高纬度陆地地区的大气年际变化和主要发生热带海洋上层海洋年际变化没有一致性的内在联系，前者主要表现为大气的内部（浑沌）变化，而后者主要为热带海气相互作用产生的ENSO变化；4）在年代际时间尺度上，全球海洋大气系统大约在70年代前后，均一致性地经历了一次跃变，其结果是导致80年代以来，全球大范围地区（尤其是两极和西伯利亚地区）气温明显偏暖，赤道两侧的热带东太平洋、北美和南美西海岸、及非洲西海岸等海域海表面温度偏高，伴随着这种全球大范围背景增暖现象，青藏高原北部和格陵兰岛区域气温具有变冷的趋势，而南半球高纬度海域海表温度也表现为降低。     

北半球冬季南北半球环流同时变化的主要模态及其与ENSO的联系

采用NCEP/NCAR再分析资料、NOAA全球海温重建资料及CPC的ENSO指数和CMAP降水资料,从南北半球环流协同变化的角度,利用SVD(Singular Value Decomposition)方法揭示了南北半球环流同时变化的主要模态及其与ENSO的联系。结果表明:存在南北半球的同时变化模态(BHCM),其可由海平面气压场(SLP)的SVD分析的第一模态(SVD1)表示。BHCM可解释南北半球SLP总协方差的57.36%,且其存在显著的3～5年变化周期及长期趋势。SVD1揭示的长期趋势显示出海表气压异常在赤道中东太平洋升高而在西太平洋及热带印度洋地区下降,利于1998年后异常东风加强,不利于El Ni?o事件的频繁发生。BHCM的空间分布在热带地区关于赤道大致对称,而在北半球中纬度纬向扰动非常明显,在南半球则与AAO密切相关。在年际时间尺度上,此模态与ENSO存在紧密联系。赤道海温异常可强迫南北半球大气作出响应,反过来,南北半球环流的共同变化亦可能对El Ni?o/La Ni?a事件产生影响。北半球冬季时,与BHCM相关的全球降水和气温存在显著异常,当BHCM处于正位相,中国东部及东亚其他区域降水偏少、气温偏低。这些结果有助于人们进一步加深对南北半球环流相互作用变化规律和机理的认识。      

HHT新技术及其对ENSO的诊断

年际及年代际时间变率是当代气候研究的重要问题之一。通过对近百年Nino3区月平均海面温度（SST）资料做HHT多时间尺度分析，结果表明：SST的变化包含了7个不同时间尺度的准周期振荡和一个世纪尺度的气候态，SST的主周期发生了一次显著的变化：1891-1943年主周期是准2a，1944-2002年的主周期是3～4a；分析不同模态对ENSO事件的作用表明：3～4a和6～8a分量决定了ENSO事件发生，具有相位锁定的作用，而其余尺度上的分量起着振幅和持续时间的调制作用；近百年来，冷、暖气候态变化对ENSO的冷、暖事件的影响并不显著；一些研究认为的1977年以来的“暖态有利于ENSO暖事件发生”的主要原因是：准18～20a、40a和平均气候态三个时间尺度振荡的共同作用在1977-2002年期间呈强暖相位的缘故。自20世纪90年代末期，这三个尺度的共同作用在暖相位的振幅显著的减弱，对ENSO暖事件的影响可能会减小，这在ENSO的预报中应该引起注意。     

热带太平洋海表面高度特征及其与ENSO事件的关系分析

利用1980--2008年Godas的逐月海表面高度（SSH）资料,分析了热带太平洋不同季节海表面高度季节及年际变化特征,并初步探讨了海表面高度异常与ENSO事件的关系。结果表明：1）就赤道地区而言,东太平洋区域海表面最低,西北太平洋和西南太平洋海表面最高,中太平洋区域较低。2）西北太平洋和西南太平洋海表面高度年际异常大,赤道中东太平洋区域在秋季和冬季的异常较大。3）1、4、10月热带太平洋海表面高度年际异常与ENSO事件有良好的对应关系：在E1Nifio事件期问,热带太平洋东部海表面高度增加,西部和西南部减小,不同季节异常区略有区别;7月海表面高度异常与ENSO事件关系不密切。     

ENSO与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化

利用热带太平洋海表温度和中国降水和气温站点观测资料,通过滑动相关分析,揭示了ENSO与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化事实。结果表明:ENSO与中国夏季年际气候异常的关系既有稳定的方面,又存在年代际变化特征。稳定的关系表现在:处于发展阶段的ENSO事件往往造成华北夏季降水偏少;处于衰减阶段的ENSO事件则易引起长江流域及江南地区夏季降水偏多。而二者关系的年代际变化表现在:1970年代中后期,处于发展阶段的ENSO事件引起的夏季降水异常在华南地区由偏少变为偏多,东北地区则由偏多变为偏少,而江淮地区偏多的现象不再明显,华北和东北夏季气温异常也由偏冷转变为偏暖,而华南则有偏冷趋势;处于衰减阶段的ENSO事件引起的夏季降水异常在华北地区由偏多变为偏少,江淮地区降水由偏少变为正常甚至偏多,华北夏季气温异常则由偏冷变为偏暖,长江流域和华南也有偏暖趋势。利用NCEP/NCAR再分析资料合成分析表明,在不同的年代际背景下ENSO引起的东亚中高纬度大气环流异常型发生了明显改变是ENSO和降水气温关系发生年代际变化的原因。     

The Tibetan Plateau bridge:Influence of remote teleconnections from extratropical and tropical forcings on climate anomalies

本文回顾了青藏高原桥梁作用方面的最新研究进展,涉及北大西洋气候异常对春,夏亚洲季风和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件的遥相关影响,热带海洋异常和中国东部极端气候异常之间的联系以及华南春雨的季节内变化等.介绍了年际时间尺度上,冬-春季北大西洋海表温度强迫如何影响南亚季风的季节性转变以及随后ENSO事件的触发.5月份青藏高原上空显著的负感热斜压结构,为北大西洋影响亚洲季风和ENSO提供了桥梁效应.夏季北大西洋涛动与华东夏季降水变化显著相关,高原潜热在这一关系中起着桥梁作用.另一方面,这种高原桥梁效应也存在于从热带海洋异常到东亚夏季极端降水事件的连接中,以及从中纬度波列到华南春雨准双周振荡的联系中.     

热带印度洋春季海表温度异常与南海夏季风强度变化的关系

利用50年的Reynolds月平均海表温度资料和NCEP/NCAR全球大气再分析资料,分析了热带印度洋春季海温异常对南海夏季风强度变化的影响。结果表明:1)热带印度洋春季海表温度距平(SSTA)的模态主要是全区一致型(USBM)和热带南印度洋偶极型(SIODM),USBM模态既有年际时间尺度的变化特征,又有年际以上时间尺度的变化特征,既包含有对冬季ENSO信号响应的变化特征,又有独立于ENSO的变化特征;SIODM模态主要表现为独立于ENSO的年际时间尺度变化。2)USBM模态与南海夏季风强度变化呈显著负相关关系,且二者都是对冬季ENSO信号的响应,USBM模态的年际变化不能独立于ENSO信号影响南海夏季风的强度变化。3)经(1~8年)带通滤波及去除ENSO信号的热带印度洋春季SSTA的SIODM型分布是影响南海夏季风强度变化的主要模态,表现为热带东南印度洋为负(正)、其他海区为正(负)时,南海夏季风强度增强(减弱),大气环流对热带东南印度洋SSTA热力作用的响应是造成这一关系的直接原因,SIODM型的SSTA分布与南海夏季风年际异常关系在热带印度洋长期变化趋势的暖位相期显著,在长期变化趋势的冷位相期不显著。     

ENSO与印度洋海盆海温多尺度相互作用及其对气候影响的研究进展

系统回顾了近年来有关ENSO与印度洋海盆海温多时间尺度相互作用及其气候效应研究的相关成果。主要包括年际和年代际时间尺度上,ENSO与印度洋海盆海温之间相互联系的基本事实和机制,以及与之相关的气候影响,特别是上述联系对亚洲季风系统及气候异常的影响。在年际尺度上,ENSO通过“大气桥”过程主导着印度洋海温变化,而后者的异常也可通过纬向环流的“齿轮式耦合”对ENSO产生影响。在年代际尺度上,一方面印度洋海盆海温显著的夏季增暖可能来自ENSO暖事件持续时间的年代际延长,另一方面印度洋秋季海温空间分布模态的年代际变化,则对ENSO暖事件强度的年代际增强具有贡献。二者的多时间尺度相互作用进而通过影响大气和海洋环流、辐射反馈、蒸发降水等多种海气耦合过程产生显著的气候效应。研究成果表明印度洋海温变化对亚洲乃至全球气候异常的重要作用。在回顾上述研究成果的基础上,讨论了进一步研究ENSO与印度洋海盆海温多时间尺度变率影响全球气候的前景和重要意义。     

2009年新乡一次短时强降水天气诊断分析

利用1980-2008年Godas的逐月海表面高度（SSH）资料,分析了热带太平洋不同季节海表面高度季节及年际变化特征,并初步探讨了海表面高度异常与ENSO事件的关系。结果表明：1)就赤道地区而言,东太平洋区域海表面最低,西北太平洋和西南太平洋海表面最高,中太平洋区域较浅。2)西北太平洋和西南太平洋海表面高度年际异常大,赤道中东太平洋区域在秋季和冬季的异常较大。3)1、4、10月热带太平洋海表面高度年际异常与ENSO事件有良好对应关系：在El Ni?o事件期间,热带太平洋东部海表面高度增加,西部和西南部减小,不同季节异常区略有区别;7月海表面高度异常与ENSO事件关系不密切。     

过去60年中3—5年时间尺度的强ENSO过程与平流层环流异常的滞后耦合及其机理

基于1950—2009年60a月平均Nino3指数和NCEP/NCAR第一套等压面再分析资料,关注3—5a时间尺度的强ENSO过程与平流层环流年际异常的时空联系及其机理,通过对此期间出现在3次持续强ENSO阶段中的11次3—5a时间尺度的强ENSO过程的诊断表明,平流层环流的年际尺度异常与3—5a时间尺度的强ENSO循环过程密切耦合。极夜急流强度趋于在ENSO暖/冷峰值之后减弱/加强,最大异常值多滞后ENSO峰值约1/4周期(接近1a),出现在ENSO峰值之后的下一年冬季;且3—5a时间尺度的ENSO峰值愈强,滞后约1/4周期出现的热带外平流层纬向风的年际异常也愈强;平均而言,这种年际时间尺度的耦合关系,也对实际的季节尺度平流层极涡振荡的强度和性质有显著的调制作用。进一步研究这种滞后耦合关系与年际时间尺度的行星波活动异常的联系发现,在暖ENSO峰值所在的当年冬季,对流层高层被强迫出年际时间尺度的太平洋-北美(PNA)型异常环流,而与冷ENSO峰值相对应的是相反的太平洋-北美异常型;这种太平洋-北美型与平流层热带外地区的行星波1波的发展相联系;在ENSO峰值之后的下一年冬季,太平洋-北美型环流减弱但对流层高层的主要异常分布在中高纬度,多对应着平流层行星波2波的显著增强,与平流层极区最强的高度异常相联系。行星波活动所引起的经向动量通量和经向热量通量的辐合、辐散异常对平流层滞后异常响应的贡献,存在显著的阶段性差异,在不同的阶段两者可以共同起作用,也可以分别起作用。     

夏季北大西洋涛动与我国天气气候的关系

利用1873-1995年北半球月平均海平面气压（SLP）资料，计算了夏季北大西洋涛动指数（NAOI）。通过NAOI与我国降水、气温和北半球球流5的相关计算以及强、弱小涛动年北半球环流异常的合成分析，发现，夏季强NAOI年，副高偏强，我国西南地区降水偏少，易出现一类和二类雨型；我国大部分地区气温明显偏高，此外，还研究了多时间尺度上，NAOI与东亚夏季风的关系，结果表明，夏季NAOI与东亚夏季风在年际、年代际、基本态尺度上都存在显著相关，强NAOI年，对应是强东亚夏季风特征，当NAOI处高（低）基本态时，夏季风处于高（低）基本态。     

全球海洋蒸发量年代际变化归因：动力因子分析

本文基于动力调整方法,利用客观分析海气通量（OAFlux）资料研究了1958～2016年全球海洋蒸发量变化及其动力作用和辐射强迫分量的变化,发现海洋蒸发量及其动力作用分量具有一致性年代际变化特征,特别是在20世纪70年代及90年代末期存在明显的年代际转折。进一步分析发现:主要动力因子有太平洋—北美遥相关型（PNA）、北极涛动（AO）、北大西洋涛动（NAO）、厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）和阿留申低压（AL）,并受到太平洋年代际振荡（PDO）的影响,其中,1970年代末期的转折与PNA、PDO、ENSO和AL密切相关,而1990年代末期的转折还与NAO变化有关。动力作用分量的前六个模态解释方差达到67.5%,其中,低纬北太平洋和印度洋蒸发异常主要与海表温度（SST）及其引起的环流异常有关,南太平洋、中纬北太平洋和北大西洋蒸发异常与环流异常直接相关。ENSO与PDO在全球海洋蒸发量上的影响要大于NAO。单因子相关分析发现南方涛动指数（SOI）、NAO和PDO与海洋蒸发年代际变化密切相关。总体来说,动力作用分量在海洋蒸发的年代际变化中起主导作用,其中,以ENSO、NAO和PDO的影响最大。     

索马里急流变异及其与东亚夏季风和中国降水异常的关系

利用近50 a大气再分析资料、海表温度分析资料和我国降水观测资料,分析揭示了索马里急流的年际和年代际变异及其与东亚夏季风和我国夏季降水异常的关系.结果表明:在年际时间尺度上,夏季索马里急流增强,对应ENSO冷事件,马斯克林高压增强,澳大利亚高压减弱,东部越赤道气流减弱,东亚夏季风增强,我国夏季北方降水偏多,南方降水偏少;反之亦然.然而,在年代际时间尺度上,夏季索马里急流增强,对应PDO暖位相,马斯克林高压和澳大利亚高压均增强,东部越赤道气流增强,而东亚夏季风减弱,我国夏季东北、西北和长江流域降水偏多,而华北、华南和西南地区降水偏少;反之亦然.     

1979—2017年南海SSTA时空特征及其与沃克环流异常的相关

利用1979—2017年HadISST月平均海面温度资料、ERA-Interim大气资料以及GPCP Version 2.3集合降水资料,分析了南海海面温度距平（SSTA）场的时空分布特征,并从南海降水异常的角度探讨了在ENSO期间,沃克（Walker）环流异常对南海海面温度异常（SSTA）的影响过程。结果表明,南海SSTA场分别存在全海域一致模态、东西反位相的偶极子模态以及纬向三级子正负位相三个主要模态,且三个模态都具有显著的准2 a及4 a左右的年际振荡周期,反映了南海SSTA与ENSO现象的高度相关性。对Walker环流异常的分析表明,Walker环流异常与ENSO事件及南海SSTA存在较好的相关。ENSO事件发生时,Walker环流异常移动通过“云辐射反馈过程”,使得南海海面温度（SST）发生改变,因此Walker环流在ENSO影响南海SST异常过程中起到“大气桥”的作用。     

ENSO空间形态变异对ENSO-IOD关系年代际减弱的可能作用

基于1979—2017年哈得来中心的逐月海表温度资料（HadISST）和美国环境预报中心/美国大气研究中心（NCEP/NCAR）提供的大气环流再分析数据,研究了北半球秋季厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）与印度洋偶极子（IOD）关系的年代际变化特征及其可能原因。结果显示,ENSO-IOD关系存在显著的年代际变化:21世纪初期前,二者呈显著正相关,厄尔尼诺（拉尼娜）年秋季常对应显著的印度洋偶极子正（负）异常;21世纪初期以后,ENSO-IOD关系显著减弱,统计上不显著。进一步研究表明,ENSO空间型态的变异对于该关系的年代际减弱起重要作用。在第二时段（2004—2017年）,中部型厄尔尼诺事件和东部型拉尼娜事件频发,中部型厄尔尼诺事件与印度洋偶极子强度的关系与其纬向位置密切相关,与其强度的线性关系较弱;而东部型拉尼娜事件,由于海温距平位置偏东（位于赤道东太平洋冷舌区）,在偏低的气候态海温作用下,其引起的大气局地响应很弱,对印度洋的遥强迫作用较弱,因而对印度洋偶极子强度的影响也较弱。在二者的共同作用下,ENSO-IOD的关系发生了年代际减弱。      

南海夏季风活动的年际和年代际特征

利用NCEP风场资料和候平均向外长波辐射（OLR）资料分析了南海区域低层风场与对流活动的关系,在此基础上,采用南海中南部的纬向风平均值来定义南海夏季风的爆发,确定了长序列（1949～1998）的南海夏季风爆发日期和强度指数,并研究南海夏季风活动的年际和年代际变化特征。结果表明：南海夏季风爆发日期和强度指数呈显著的反相关;50年来的气候趋势是,爆发日期逐渐偏晚,强度指数逐渐减弱。二者都存在着明显的年际和年代际变化,它们在不同阶段上的波动是各种时间尺度振荡叠加的结果,而年代际尺度具有非常重要的作用。东印度洋海温异常在南海夏季风爆发前后,均与南海夏季风强度指数呈显著的反相关。东太平洋海温异常在南海夏季风爆发之前,与强度指数反相关,而爆发之后,与强度指数正相关。这体现了南海夏季风活动与ENSO事件的密切关系。     

滤除ENSO信号前后夏季热带印度洋海盆尺度海温距平对西太平洋副热带高压的不同影响

使用NCEP/NCAR再分析资料、哈得来海表温度和中国国家气候中心的西太平洋副热带高压（西太副高）特征指数,对比分析了ENSO背景下的夏季印度洋海盆尺度模（Indian Ocean basin mode,IOBM）与独立于ENSO的纯IOBM（pure Indian Ocean basin mode,IOBM_P）对西太副高的影响机理。结果表明,滤除前期ENSO信号后,西北太平洋上为海温负距平,并在其西北侧强迫出Gill型反气旋。另外,印度洋与海洋性大陆间存在西高东低的海温距平梯度,印度洋正、负海温距平激发出的赤道开尔文波影响至海洋性大陆西部地区,强迫出的异常大气环流关于赤道基本对称。加之此时中国南海至西北太平洋地区降水偏弱,潜热释放偏少,从而非绝热冷却,导致西太副高异常偏强、偏南。而在前期厄尔尼诺的影响下,次年夏季印度洋与海洋性大陆地区均有利于出现海温正距平,开尔文波的影响偏强、偏东,强迫出的异常环流偏向北半球,通过“埃克曼抽吸”和非绝热冷却在对流层低层制造出异常负涡度进而影响西太副高,使其明显偏强、偏西、偏南。由于IOBM_P在2和8年周期上对西太副高的影响最明显,而ENSO信号中主要是3—7 a的短周期振荡,因此,ENSO背景下的印度洋变暖对西太副高的遥强迫实际包含了来自热带中太平洋的3—7 a周期信号的滞后影响和印度洋地区局地变化特别是2和8年周期变化的作用。这些结果为人们深入理解西太副高变化规律和做出有效预报提供了线索。      

近百年来热带太平洋海温年际及年代际时间变率特征的诊断研究

年际及年代际时间变率是当代气候研究的重要问题之一 ,通过对近百年热带太平洋海温资料做子波分析发现 ,2 0世纪 50年代以来的海温升高及频繁发生的 ENSO事件伴随着海温年代际时间尺度背景场的明显改变 ,同时还研究了其年代际及年际时间尺度时间变率特征。     

热带太平洋次表层海温异常年代际变率及其对中国气候异常的影响

利用近50年月平均的SODA海洋同化资料和NCEP大气再分析资料,研究了热带太平洋次表层海温异常(SOTA)年代际变率主要分布型以及与之相关的亚洲-北太平洋-北美地区上空异常大气环流场,并揭示了类ENSO模态与中国气候异常之间的联系.得到主要结果:(1)热带太平洋SOTA年代际变率有两种类ENSO模态.第一模为类ENSO事件成熟期热带太平洋年代际SOTA状态；第二模为类ENSO过渡期热带太平洋年代际SOTA状态.二者组合构成类ENSO事件40年左右及其背景下13年左右的周期振荡.(2)类ENSO事件对亚洲-北太平洋-北美上空中高纬和副热带大气系统年代际变化具有重要影响.类El Ni(n)o成熟期间冬季,中高纬地区大气环流经向型发展,贝加尔湖高压脊加强,西太平洋副高偏强、位置偏西,蒙古高原为较强的异常反气旋环流.类El Ni(n)o衰退期(类La Ni(n)a发展期)夏季,贝加尔湖低压槽加深,乌拉尔山高压脊加强,西太平洋副高偏弱,新疆-河套地区为较强的异常反气旋环流距平.类La Ni(n)a事件时相反.(3)热带太平洋类ENSO事件通过影响中高纬和副热带大气系统,造成中国北部地区上空南风距平的年代际变化,进而导致东亚季风和中国气候异常.类El Ni(n)o事件成熟期,中国北部地区上空多异常偏北风,东亚季风弱,华北少雨,长江中、下游多雨；类El Ni(n)o衰退(类La Ni(n)a发展)期,中国北部地区上空亦为异常偏北气流,东亚季风较弱,华北少雨.中国气候异常型主要取决于类ENSO第一模态,而第二模态主要视位相异同来加强或减弱第一模态.两个类ENSO模态的共同作用导致1978年前后中国气候跃变和华北地区持续20余年的干旱.近期类ENSO模的振荡从1998年左右开始转为类La Ni(n)a模态,大致在2018年左右结束.在此期间,华北降水有望增加,长江中、下游降水可能减少.