近百年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,20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。     

冬／夏季热带太平洋～印度洋海温年际异常的年代际变化

用Nino3指数、印度洋单极、偶极子指数表示热带两洋SST的年际异常，分季节分析表明：冬季Nino3区与热带印度洋SSTA相互关系表现为单极，且1976年以后两者的相互关系减弱，其可能原因，一是冬季是ENSO事件的盛期；二是冬季西太平洋暖水区东移，造成两洋的垂直纬向环流耦合减弱。夏季两者相互关系表现为偶极，1976年以后两者的相互关系加强，其可能原因，一是夏季是偶极子盛期，ENSO事件的发展期；二是夏季西太平洋暖水区虽然东移，但暖水区位置偏北，且东南印度洋的上升支强度增大，造成两洋的纬向环流耦合更强烈。     

热带太平洋和印度洋海温年际变化的均方差分析

运用1951～1997年热带（20°N～20°S,50°E～80°W）海温（SST）资料求出其各月的均方差,结果表明:太平洋海温变化相对印度洋海温变化要明显,特别是赤道中东太平洋附近 （165～90°W,6°N～6°S）的海温变化比较显著,其海温的变化范围在2～4°C左右,3～4月份海温年际变化小,11～12月海温年际变化大;“暖池”附近洋面海温年际变化也小。而印度洋海域的海温变化范围在1～2°C左右,在印度洋南半球洋面海温变化比北半球洋面海温变化相对较大。同时,根据上述海温变化特征确定了几个海温年际变化最大的关键区。     

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.     

夏季西北太平洋热带气旋生成频次与热带海温关系的年代际变化

探讨了夏季(6—8月)西北太平洋(Western North Pacific,WNP)热带气旋生成频次(Tropical Cyclone Genesis Frequency,TCGF)与热带海温关系的年代际变化,发现影响WNP TCGF的热带海温型在1991/1992年发生了年代际变化。在1990年代初之前,TCGF正异常对应的热带海温异常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)呈现东部型La Ni?a衰减位相,前冬至春季WNP局地暖SSTA在其西北侧激发气旋异常,夏季时由热带印度洋冷SSTA继续维持。在1990年代初之后,TCGF正异常对应的热带SSTA呈现东部型La Ni?a向中部型El Ni?o快速转换的位相,夏季中太平洋暖SSTA在其西北侧激发气旋异常,同时热带东印度洋至海洋性大陆以及热带大西洋的冷SSTA通过垂直环流圈加强中太平洋的辐合上升运动,进一步维持其西北侧气旋异常。由于激发气旋异常的暖SSTA在第二个年代相较第一个年代明显偏南偏东,气旋异常和TCGF正异常在第二个年代也整体偏南且向东扩展至更远的区域。WNP TCGF与热带海温关系的年代际变化与1990年代初之后厄尔尼诺-南方涛动演变速率加快有关。      

热带海温影响我国南方冬季降水年际变化的年代际差异及其成因

利用中国740个站逐月降水资料、NOAA月平均海表温度资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用统计学方法分析了近50 a(1961/1962至2010/2011年冬季)海温异常对我国南方冬季降水年际变化影响的年代际差异及其成因。结果表明:(1)中国冬季降水大致位于长江以南的我国南方地区,降水年际变化较强。1987年后,在El Niňo年中国南方冬季降水偏多。(2)中国南方冬季降水与赤道中东太平洋海温异常以及海洋性大陆西部海温异常密切相关。但相关性存在年代际差异:1987年之前,主要与海洋性大陆西部海温异常相关;1987年之后,主要与赤道中东太平洋海温异常密切相关,海洋性大陆西部海温异常次之。(3)1987年之前,海洋性大陆西部海温通过影响东亚环流形势和水汽条件影响我国南方降水;在1988年之后,海洋性大陆的影响趋于减弱,而赤道中东太平洋海温异常通过改变水汽条件影响我国南方冬季降水强度。     

太平洋海温年代际变化的垂直结构及传播特征

利用1950—2000年马里兰大学全球海洋同化分析资料分析了太平洋海温年代际变化的垂直结构和传播特征,结果表明,太平洋上层海温存在显著的年代际变化,其最强区为北太平洋中部偏西地区100 m层次,热带东太平洋50 m层次,热带西太平洋150 m层次,热带西南太平洋190 m层次,日本东南沿海443.5 m以上层次;年代际变化的垂直结构与温度层结有关,年代际变化的显著层都对应于温度随深度变化的极大值处;源自北太平洋中部海表的信号向深层延伸,并由窗口地区向西南潜沉,热带西南太平洋的信号越过赤道向东北挺进,在传播过程中,两处信号的走向都是沿着温度随深度变化的极大值即20℃等温线处,并于副热带20℃等温线转折处汇合;北太平洋40°N附近的年代际变化起源于海表,并向深层传播,而低纬度的信号多起源于150~250 m处的系统加深,故其海表和深层的位相往往不一致。     

北太平洋海温变化的年代际模及其演变特征

用近百年的海温(SST)资料,分析研究了北太平洋海温的年代际变化特征及其基本形势(模态).结果表明,它主要存在准7～10年周期和准25～35年周期两类年代际变化;这两类年代际变化又都有类似的形势(模态),但却与所谓"类ENSO模"明显不同.同时,两个年代际模都有呈西北一东南向振荡和沿海盆作顺时针旋转的共存活动(演变)特征.     

上海气温与太平洋海温的相关关系及年代际差异

利用上海1873—2001年的冬、夏季平均温度和太平洋海温资料，通过计算两者之间的同期和超前相关以及滑动相关系数，讨论了上海冬（夏）季温度与太平洋海温场相关关系的年代际差异。结果发现，上海冬（夏）季温度存在明显的年代际变化的阶段性特征和总体增暖的趋势，而且与太平洋海温场在不同时间尺度和空间区域的相关关系差异显著，这种相关关系的差异可能是造成用统计方法做短期气候预测产生不确定性的主要原因之一，因此应用太平洋海温场进行统计预报的过程中，适当考虑不同时间尺度上的相关差异，将有利于提高预测的准确性和减少统计预测方法中的不确定性。     

用赤道东太平洋海温预报西太平洋热带气旋年际变化的探讨

根据实际应用中统计预报对相关系数的基本要求,利用相关分析探讨了用赤道东太平洋海温预测西太平洋热带气旋年际变化的可行性。同时,利用谱分析方法探讨了这种预报的有效性和局限性。主要结论是:用区域(5°N—5°S,90—150°W)的平均海温预测西太平洋热带气旋的年际变化,效果比使用赤道东太平洋海温好,用前者可预测西太平洋中区各类热带气旋的年际变化,用后者只能预测西太平洋全区及中区热带气旋总体的年际变化,对达到热带风暴或台风的热带气旋的年际变化则分别是勉强能或不能预测;用赤道东太平洋海温无法预测南海热带气旋的年际变化;用赤道东太平洋海温预测西太平洋热带气旋活动实际上只对年际变化中的ENSO(3—5年)周期及准二年周期有效。     

用赤道东太平洋海温预报西太平洋热带气旋年际变化的探讨

根据实际应用中统计预报对相关系数的基本要求,利用相关分析探讨了用赤道东太平洋海温预测西太平洋热带气旋年际变化的可行性。同时,利用谱分析方法探讨了这种预报的有效性和局限性。主要结论是:用区域(5°N—5°S,90—150°W)的平均海温预测西太平洋热带气旋的年际变化,效果比使用赤道东太平洋海温好,用前者可预测西太平洋中区各类热带气旋的年际变化,用后者只能预测西太平洋全区及中区热带气旋总体的年际变化,对达到热带风暴或台风的热带气旋的年际变化则分别是勉强能或不能预测;用赤道东太平洋海温无法预测南海热带气旋的年际变化;用赤道东太平洋海温预测西太平洋热带气旋活动实际上只对年际变化中的ENSO(3—5年)周期及准二年周期有效。     

DECADAL VARIABILITY OF SUBSURFACE OCEAN TEMPERATURE ANOMALY IN TROPICAL PACIFIC AND ITS IMPACT ON CLIMATE OF CHINA

In this study,we investigate the decadal variability of subsurface ocean temperature anomaly(SOTA)in the tropical Pacific and associated anomalous atmospheric circulation over Asia-North Pacific-North America by analyzing 50 years of atmosphere-ocean data from the National Center for Environmental Prediction(NCEP)reanalysis project and Simple Ocean Data Assimilation(SODA).Relationship between the ENSO-Like variability and climate of China is also revealed.The results show that the decadal variability of tropical Pacific SOTA has two dominant ENSO-like modes:the primary mode is an ENSO-Like mature phase pattern,and the second mode is associated with the ENSO-like transition(developing or decaying)phase.These two modes consist of a cycle of ENSO-Like variability,which exhibits a quasi-40a fluctuation,superimposed with an oscillation of a 13a period.The ENSO-Like variability in the tropical Pacific influences the atmosphere system at the mid-and higher-latitudes and subtropical regions,resulting in decadal variability of south wind over North China,the East Asian monsoon and climate of China.During the mature phase of El Ni o-Like variability,the anomalous north wind prevails over the north part of China and the East Asian monsoon weakens,with little rain in North China but much rain in the middle-and lower-reaches of the Yangtze River.With El Ni o-Like decaying(La Ni a-Like developing),anomalous northerly wind also prevails over North China,then the East Asian monsoon weakens with drought occurring in North China.The situation during the La Ni a-Like variability is the opposite.The pattern of anomalous climate of China is primarily dominated by the first ENSO-like variability,while the second mode can modulate the contribution of the first one,depending on whether its phase agrees with that of the first mode.The climate shift in China around 1978 and successive occurrence of drought for more than 20 years in North China are primarily induced by the first two ENSO-like variabilities.The latest La Ni a-Like phase starts from 1998 and will presumably end around 2018.It is expected that more rainfall would be in North China and less rainfall would appear in the middle-and lower-reaches of the Yangtze River valley during this period.     

A DIAGNOSIS OF THE INTERANNUAL VARIABILITY OF SEA SURFACE TEMPERATURE AND SURFACE WIND FIELD IN THE TROPICAL OCEANS AND ITS CORRELATIVE CHARACTERS WITH ENSO CYCLE

Utilizing the NCEP/NCAR reanalysis monthly datasets,and based on the filter and standarddeviation calculation,the interannual variability of sea surface temperature(SST)and 1000 hPawind field for the tropical Pacific,Indian and Atlantic Oceans is investigated for the past 20 years(1979—1998).The characters of space-time evolution in SST anomalies(SSTA)for each oceanand corresponding wind anomaly field are acquired by using rotated principal component(RPC)and linear regression analysis methods.Using the method of correlation analysis.the characters ofthree tropical oceans correlated with ENSO are investigated.The contemporary correlationbetween the SSTA in the Indian Ocean and in the equatorial eastern Pacific is positive,and there isa weak negative correlation between the SSTA in the equatorial east Atlantic Ocean and in theequatorial eastern Pacific.The lead-lag correlation analysis indicates that the SSTA in theequatorial Indian Ocean lags the dominant Pacific ENSO mode by 3 months,and the SSTA in theequatorial Atlantic Ocean leads ENSO mode by 6 months.The ENSO-correlated components intropical Indian Ocean and tropical Atlantic Ocean display much the same amount of total variance ineach ocean,i.e..14% in the Indian Ocean and 12% in the Atlantic Ocean and the maximums areall above 40%.     

热带海表温度和低层风场的年际变率及与ENSO循环的相关特征研究

采用 NCEP/NCAR的 1 979～ 1 998年逐月平均的海表温度及 1 0 0 0 h Pa风场资料 ,进行滤波和均方差计算 ,得到了热带太平洋、印度洋、大西洋海表温度 (SST)和风场的年际变化特征。用旋转主分量 (RPC)方法和投影法对热带三大洋海表温度距平 (SSTA)进行分析 ,得到了各大洋 SSTA演变的主要时空特征和相应的距平风场特征 ;并用相关分析研究热带三大洋与ENSO相关的特征 ,得到三大洋间的同期相关关系为 :印度洋 SSTA与赤道东太平洋 SSTA成正相关 ,而赤道东大西洋 SSTA与赤道东太平洋 SSTA成弱的负相关 ;赤道印度洋在落后于赤道东太平洋 3个月左右时正相关达到最大 ,赤道大西洋在超前于赤道东太平洋 6个月左右时负相关达到最大 ;热带印度洋和大西洋与 ENSO相关的分量对各自大洋海表温度年际变化的方差贡献数值相近 ,最大在 40 %以上 ,平均解释方差分别为 1 4%和 1 2 %。     

热带印度洋和热带太平洋海温振荡规律的研究

选择1979-1993年间的热带气旋为试验个例，通过扰动热带气旋初始位置和初始结构。构造集合成员，用正压原始方程模式，进行路径集合预报试验，并初步探讨预报成员的集合方法。试验结果表明：热带气旋定位误差影响路径预报，但扰动初始位置的集合平均预报与控制试验的预报水平相接近。扰动热带气旋初始结构的集合预报试验表明，约有60％。70％个例的集合路径预报得到改进：此外，试验结果还表明，当环境引导气流较弱时，进行扰动热带气旋初始结构的集合预报，预报结果的改善较明显。     

A DIAGNOSIS OF THE INTERANNUAL VARIABILITY OF SEA SURFACE TEMPERATURE AND SURFACE WIND FIELD IN THE TROPICAL OCEANS AND ITS CORRELATIVE CHARACTERS WITH ENSO CYCLE*

Utilizing the NCEP/NCAR reanalysis monthly datasets,and based on the filter and standard deviation calculation,the interannual variability of sea surface temperature (SST) and 1000 hPa wind field for the tropical Pacific,Indian and Atlantic Oceans is investigated for the past 20 years (1979-1998).The characters of space-time evolution in SST anomalies (SSTA) for each ocean and corresponding wind anomaly field are acquired by using rotated principal component (RPC) and linear regression analysis methods.Using the method of correlation analysis.the characters of three tropical oceans correlated with ENSO are investigated.The contemporary correlation between the SSTA in the Indian Ocean and in the equatorial eastern Pacific is positive,and there is a weak negative correlation between the SSTA in the equatorial east Atlantic Ocean and in the equatorial eastern Pacific.The lead-lag correlation analysis indicates that the SSTA in the equatorial Indian Ocean lags the dominant Pacific ENSO mode by 3 months,and the SSTA in the equatorial Atlantic Ocean leads ENSO mode by 6 months.The ENSO-correlated components in tropical Indian Ocean and tropical Atlantic Ocean display much the same amount of total variance in each ocean,i.e..14% in the Indian Ocean and 12% in the Atlantic Ocean and the maximums are all above 40%.     

北太平洋风暴轴的气候特征及其变化的初步研究

本文使用ECMWF再分析网格点资料(ERA-40),分析了不同季节和不同高度层上北太平洋风暴轴(天气尺度瞬变扰动活动)的气候特征及其时间演变规律。分析表明,气候平均而言,北太平洋风暴轴冬季强且偏西南,夏季弱且偏东北。在近45 a里,冬季及夏季风暴轴在整个对流层、尤其是对流层中上层具有整体一致的年际和年代际变化特征。在各个高度层上冬季风暴轴于1985年前后一致性地发生了由弱至强的年代际跃变;夏季风暴轴发生年代际由弱至强跃变的时间在各个高度层上略有不同,对流层中高层的跃变时间与北太平洋大气海洋系统1970年代的跃变时间一致。在冬季风暴轴活动偏强年里,中纬度天气尺度瞬变扰动增强的同时,位置也有所北抬,反之亦然。夏季风暴轴活动偏强(弱)年则主要表现为瞬变扰动在气候平均位置上的增强(减弱)。