北太平洋冬季大气年代际振荡及其相关的SST变化

20世纪60年代， Namias(1969)就发现北太平洋海平面气压(SLP)存在10a以上长周期的变化，这种变化与北美冬季气温异常密切相关。70年代以后，又有人(White et al.，1972； Trenberth，1990； Trenberth et al.，1994)对上述变化作了进一步的验证，并指出1976年以后北太平洋的SLP异常偏低，即阿留申低压异常偏强。以阿留申低压为主要活动中心的大气年代际振荡被称为北太平洋涛动(NPDO)，它与北大西洋涛动(NAO)一起构成年代际气候变动最重要的观测依据，北太平洋年代际振荡的机制也引起了人们的广泛兴趣。作为大气运动的缓变下垫面强迫之一的海表面温度(SST)，它的异常变化对年际气候的显著影响已被公认(Wallace et al.，1981，1998)，由此推断，其对年代际时间尺度气候变化的影响可能也不可忽视。众所周知，SST年际变化最显著区位于赤道中东太平洋(如Nino 3区)，而与北太平洋年代际振荡显著相关的SST变化(时间变化和空间分布)又如何呢?作者就这一问题，分析了北太平洋大气环流年代际振荡的时、空变化特征，并揭示了与之相关的SST变化的时间变化和空间分布。     

大西洋热盐环流年代际变化机制研究Ⅲ.北大西洋海气要素对热盐环流年代际振荡的影响

基于该系列文章前文研究中构建的海气耦合气候模式和所揭示的北大西洋热盐环流年代际振荡机制,针对海气要素对该振荡机制的影响问题进行了重点的探讨。为细致准确的研究北大西洋海洋要素同北大西洋热盐环流年代际振荡的关系,有针对性的定义了副极地海区表层密度指数和北大西洋暖流强度指数并对模式结果进行了全面分析。分析结果表明副极地海区表层密度变化领先大西洋径向翻转环流(MOC)变化7 a,北大西洋暖流的变化领先 MOC变化4 a,格陵兰－苏格兰海脊溢流水强度(包括丹麦海峡溢流水和法鲁海峡溢流水,是北大西洋深层水的重要来源)的变化领先 MOC的变化3 a;北大西洋大气要素变化对北大西洋热盐环流年代际振荡有非常重要的调制作用,当副极地流环和北大西洋暖流(NAC)达到最强的2 a之前,高纬度地区大气为气旋式环流异常,中纬度地区大气为反气旋式环流异常,海表热通量在大西洋副极地海区是负异常,这都有利于副极地流环和NAC的加强,更多高盐度的北大西洋水进入格陵兰-冰岛-挪威海(GIN)海域,由此可以导致GIN海域表层密度上升,使水体的层结稳定性减弱,有利于深层对流的发生,同时大气变化通过风应力旋度和海表热通量也直接影响GIN海域深层水的生成,进而导致格陵兰－苏格兰海脊溢流水的强度增加。     

21世纪海上丝绸之路海洋上层热含量及热比容海平面异常变化

气候变暖背景下,全球平均海洋变暖和海平面上升显著,为人类社会的可持续发展带来巨大挑战。上层海洋热力状况是海平面变化的主导因子之一。本文围绕"21世纪海上丝绸之路"途经海区（文中简称为丝路海区）上层海洋热含量异常的区域性时空特征,分析探讨了丝路海区热比容海平面异常的时空变化、演变特征及可能影响,以期为"21世纪海上丝绸之路"海洋环境安全保障提供服务支撑。结果表明,自20世纪70年代中后期,丝路海区上层（0~700 m）海洋已明显变暖,尤其20世纪90年代中后期增暖幅度显著加大。近60年来,在丝路海区热带海洋中,西太平洋的北赤道流区及以北海域、东海黑潮流域以及南海北部和南部海区、阿拉伯海西北部海域、马来西亚西北部海域及南印度洋部分海域具有长期增暖趋势。热带西太平洋暖池区整体增暖不明显,主要与印度洋中部海域呈反位相变化,且明显受到季节和年际变化的调制。长江口附近沿岸、南海北部沿岸、中南半岛南部沿岸以及阿拉伯海西北部沿岸的近岸海域长期增暖明显,自20世纪90年代中后期,中南半岛东部和西部沿海、澳大利亚西部沿海以及我国东南沿海热比容海平面上升明显。近岸热比容海平面的季节演变对沿海地区社会和经济发展会造成一定影响。此外,东亚夏季风与东海、黄海和渤海热比容海平面的上升显著相关,同时,ENSO、太平洋年代际振荡和印度洋偶极子的发生也均与我国东南沿海和印度洋西部沿海热比容海平面上升明显关联。特别是,气候变暖情形下,各种区域性致灾因子和气候变率的协同影响会对丝路海区海岸带和沿海地区的防灾减灾与社会经济发展带来较大挑战,开展海岸带和沿海地区全球变化综合风险研究成为当前首要任务。     

北极海冰的年代际转型与中国冻雨年代际变化的关系

基于1961-2013年HadISST海冰密集度资料,定义了北极海冰的季节性融冰指数,结果显示近几十年来北极季节性融冰范围呈显著的上升趋势,并分别在20世纪70年代末和90年代中期存在显著的年代际转型,相应地,中国冻雨发生频数总体上呈现出显著的减少趋势,但也存在显著的年代际转型。在20世纪70年代末之前,北极季节性融冰范围较小但显著增长,中国冻雨频数年际变化振幅较大,且主要受巴伦支海、喀拉海海冰的影响;20世纪70年代末至90年代中期北极季节性融冰范围维持振荡特征,没有显著的线性趋势,中国冻雨频数变化振幅减小,与北极海冰相关较弱,主要相关因子为北大西洋及北太平洋海表温度变化;而90年代中期以后,北极海冰融化加快,特别是2007年以后,季节性融冰范围大大增加,而中国冻雨频数处于低发时段,其变化与太平洋扇区海冰及堪察加半岛附近海温呈显著负相关,季节性融冰的显著区域也从东西伯利亚海逆时针旋转向波弗特海-加拿大群岛北部扩张,同时向北极中央区扩张。不同年代影响冻雨的海温或海冰关键海区不同,产生特定的大气环流异常响应,进而影响到我国冻雨。     

大西洋热盐环流年代际变化机制研究Ⅱ．热盐环流年际和年代际变化机制研究

基于德国Max-Planck气象研究所的最新大气海洋环流模式(ECHAM5/MPI-OM),对控制试验(control run)下热盐环流(THC)年际及年代际变化进行了分析,揭示了年代际变率的产生机制。研究表明:(1)THC年际振荡的主导周期是4 a,年代际振荡的主导周期是24 a,THC的年代际振荡信号最强,是第一主成分。(2)THC的年代际振荡机制为:首先从大西洋径向翻转环流(MOC)强度最小开始,由于MOC强度处于较弱状态,从低纬度向高纬度输送的热量偏少,副极地海区海表温度出现负异常,持续5 a之后,北大西洋副极地海区海表温度达到最大负异常。此时副极地流环中心(北大西洋)的表层海水变冷,密度增加,海表面下降,产生从副极地流环边缘指向副极地流环的中心的压强梯度力,根据地转平衡关系,北大西洋副极地海区的上层海洋会出现一个气旋式的环流异常(副极地流环得到加强),北大西洋暖流(NAC)同时得到加强。在副极地海区海表温度达到最大负异常的3 a之后,副极地流环和NAC达到最强。由此,作为NAC延伸的法鲁海峡入流水增强,更多的高盐法鲁海峡入流水进入格陵兰-冰岛-挪威海(GIN)海域,使GIN海域层结稳定性减弱。1 a后,GIN海域深层对流增强,格陵兰-苏格兰海脊溢流水增加。在GIN海域深层对流达到最强的3 a之后,MOC强度达到最大。整个状态翻转过程完成的时间大约为12 a,THC年代际振荡的整个周期大约是24 a。     

北极径流增加对大西洋经向翻转环流影响的模拟研究

观测显示过去几十年间北极入海径流呈现增加趋势,CMIP5耦合模式预测表明21世纪北极入海径流仍会增加,在RCP8.5路径下,21世纪末北极入海径流量将会是1950年的1.4倍。本文利用冰-海耦合数值模式研究了北极径流增加对大西洋经向翻转环流的影响。基于两个数值实验的结果表明,如果北极入海径流按每年0.22%的速度（与RCP8.5路径下的速度相当）增加,大西洋经向翻转环流的强度在100、150和200年后将会分别减弱0.6（3%）、1.2（7%）和1.8（11%） Sv。北极入海径流增加导致大西洋经向翻转环流减弱的主要原因是,北极入海径流增加的淡水被输运到北大西洋后,会抑制北大西洋深层水的生成,这也会导致北大西洋深层水海水年龄的增加。     

20世纪太平洋海温变化中人为因子与自然因子贡献的模拟研究

基于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室(LASG/IAP)发展的气候系统模式FGOALS_gl对20世纪太平洋海温变化的模拟,讨论了自然因子和人为因子对20世纪太平洋海温变化的相对贡献。观测资料表明,20世纪太平洋平均的SST变化主要分为3个时段:20世纪上半叶的增暖,40—70年代的微弱变冷,70年代之后的迅速增暖。20世纪太平洋SST变化的主导模态是全海盆尺度的振荡上升模态,其次为PDO振荡型,在70年代末PDO存在明显的年代际转型。通过全强迫试验、自然强迫试验、控制试验对上述现象进行归因分析,结果表明,人为因子和内部变率都对第一次增暖有贡献,而人类活动(主要是温室气体的增加)是70年代之后太平洋SST迅速增暖的主要原因。分区域来看,在两个增暖时段中,影响黑潮延伸体区SST变化的主要是自然因子和内部变率,影响其它海域SST变化的则主要是人为因子。全强迫试验可以较好的模拟出前两个模态的空间分布及时间序列。在没有人为因子的影响下,PDO成为太平洋海温变化的主导模态,其年代际转变发生在60年代中期,意味着人为因子是全海盆振荡增暖的主导原因,并且它使得年代际转型滞后了10a。因此,自然因子是导致SST年代际转型中的主导因子,人为因子有"调谐"作用。     

全球热带海洋海表温度场异常对北极海冰的影响

本文利用1951?2021年哈德莱中心提供的海冰和海温最新资料以及美国国家海洋和大气管理局气候预报中心提供的NCEP/NCAR再分析资料,分析探讨了北极海冰70余年的长期变化特征,进而研究了其快速减少与热带海温场异常变化之间的联系,揭示了在全球热带海洋海温场变化与北极海冰之间存在密切联系的事实。结果表明,北极海冰异常变化最显著区域出现在格陵兰海、卡拉海和巴伦支海。热带不同海区对北极海冰的影响存在明显时滞时间和强度差异,热带大西洋的影响相比偏早,印度洋次之,太平洋偏晚。热带大西洋、印度洋和中东太平洋海温异常影响北极海冰的最佳时间分别是后者滞后26个月、30个月和34个月,全球热带海洋影响北极海冰的时滞时间为33个月。印度洋SST对北极海冰的影响程度最强,其次是太平洋,最弱是大西洋。全球热带海洋对北极海冰的影响过程中,热带东太平洋和印度洋起主导作用。当全球热带海洋SST出现正（负）距平时,北极海冰会出现偏少（多）的趋势,而AO、PNA、NAO对北极海冰变化起重要作用,是热带海洋与北极海冰相系数的重要“纽带”。而AO、PNA和NAO不仅受热带海洋SST的影响,同时也受太平洋年代际振荡PDO和大西洋多年代际AMO的影响,这一研究为未来北极海冰快速减少和全球气候变暖机理的深入研究提供理论支撑。     

与全新世北半球高纬气候有关的热带西大西洋表层和深水水流的千年尺度变化

末次冰期千年尺度气候变化的全球性已被广泛认同。除了极不规则的Ｄａｎｓ ｇａａｒｄ＿Ｏｅｓｃｈｇｅｒ＿Ｂｏｎｄ旋回和相关的Ｈｅｉｎ ｒｉｃｈ事件之外 ,最近发现北大西洋冰携碎屑记录中普遍存在１～２ｋａ旋回。冰心（格陵兰的ＧＩＳＰ２，Ｏ＇Ｂｒｉｅｎ等 ,１９９５）和海洋沉积物岩心（北大西洋 ,Ｂｏｎｄ等 ,１９９７）的各种高分辨率古气候研究表明整个全新世变化具有连续性 ,但是不太突出。这些气候记录的准周期变化范围为几百年至几千年 ,引发了各种可能的强迫机制 ,如天文学变化（约９００ａ）、海洋—大气系统的内部振荡（１…     

春季东海黑潮海表温度与风场的年代际变化特征

利用高分辨率遥感海表温度和海表面风场数据,通过经验正交分解(EOF)和合成分析等方法对春季(3—5月)东海黑潮海温暖舌和海表面风场的年代际变化特征进行分析。结果表明:春季黑潮海温暖舌存在明显的年代际变化特征,在1996/1997年发生由弱到强的位相转换,该年代际变化主要受到北太平洋涡旋振荡(NPGO)的调制。进一步研究表明,与气候态相反,春季黑潮海表温度和风场散度在年代际尺度上表现出显著的负相关关系,合成分析表明,该现象主要是由黑潮西侧东海陆架海域海温的异常增暖所造成。     

北极河流径流量变化及影响因子分析

利用最新的北极径流资料(R-arcticNET V3.0和Arctic RIMS),对进入北冰洋的4条主要河流的季节及年代际变化进行诊断分析。结果表明:入海径流在4-6月的大幅增加主要是由气温达到融点后积雪融化造成的,降水的作用次之。总的来说,欧亚区域在过去的70年里入海径流量是增加的,而北美区域在近30年里入海径流量是减小的,但注入北冰洋的径流总量是增大的。值得注意的是入海径流的年代际变化在不同季节增减趋势显著不同,夏季和秋季径流量减小,而其他两个季节径流量增大。进一步分析了影响入海径流变化的一些气候因子,结果表明:北大西洋涛动(北太平洋指数)与欧亚(北美)区域的冬、春季径流量存在正相关。春季气温与春季径流量呈正相关,而与夏季径流量呈负相关。降水与径流量基本上为同步正相关。春季积雪覆盖面积与春季径流量为负相关,而与夏季径流量为正相关,夏季积雪覆盖面积与夏季的径流量为正相关。     

AAA—01北极地区显生宙古地理演化（二）：北格陵兰、斯瓦尔巴特群岛和加拿大北极区晚白垩世沉积的碎屑锆石研究

晚侏罗世-早白垩世期间,北极盆地（包括巴伦支海、北格陵兰Wandel海盆地和加拿大北极区）是一个宽广的陆缘海,从东部Novaya Zemlya一直延伸到西部Sverdmp盆地。斯瓦尔巴特群岛晚白垩世Helvetiafjellet组、加拿大北极区Isachsen组、北格陵兰LichenRyg和Ladegrdsell组均沿该陆缘海西侧沉积。     

观测资料中大西洋和青藏高原东部地区冷暖波动的同步性

利用观测及模式模拟研究了大西洋多年代际振荡(AMO)对青藏高原(TP)夏季气温的影响。观测资料的分析表明:大西洋多年代际振荡(AMO)是TP夏季气温年代际变化的重要远程驱动因子。AMO与TP东部地区夏季气温存在显著的同步变化关系并且TP气温的年代际变率可以在很大程度上由AMO所解释。基于观测和大气环流模型(AGCM)模拟,进一步确定了从北大西洋到TP远程影响的物理机制。观测和AGCM模拟都表明:AMO暖位相会引起海平面气压在大西洋-欧亚大陆地区形成纬向偶极子型,导致TP局地气压异常升高和异常的下沉运动,进一步引起TP东部地区在夏季出现异常的干旱和高温。     

大气环流优势模态对北极海冰变化的响应Ⅰ.北极涛动

利用美国冰雪中心海冰密集度数据,分析了1979-2012年北极海冰面积的时间变化特征,发现北极海冰具有显著的年代际变化特征,分别在1997和2007年前后存在两次年代际转型突变点,相应的大气环流优势模态——北极涛动(AO)也存在显著的时空变化。1979-1996年阶段海冰下降趋势较弱并以较强的年际振荡为主,AO模态较强且显示出低频振荡特征;1997-2006年阶段北极海冰快速减退趋势占优,同时伴随着较弱的年际振荡,AO模态减弱且振荡周期缩短;2007-2012年阶段海冰范围较快下降同时具有极强的年际振荡,方差变化是前两个阶段的2~3倍,AO不仅强度加强,空间结构也发生了变化,极涡中心分别向格陵兰岛和白令海峡一侧延伸,这种结构有利于极地冷空气入侵欧洲和北美。利用ECHAM5大气模式进行的数值试验结果也证实了较强振荡的海冰强迫对AO模态的改变具有决定作用。     

东亚冬季气温的年际变化特征及其与海温和海冰异常的关系

通过谐波分析的方法,对东亚31个冬季(1980—2010年)的气温提取年际变化分量(周期小于8a部分)进行EOF分析。结果发现:在年际变化的时间尺度上,东亚冬季气温表现为高纬模态和低纬模态2个主要模态,它们一起可以解释总方差73%的变化。进一步分析表明,在年际变化尺度上,与气温变化的高纬模态相联系的大气环流表现为显著的北极涛动(AO)负位相分布,海平面气压场上西伯利亚高压和阿留申低压北移,对流层中层东亚大槽西移,高层西风急流向西北方向移动;副热带北太平洋和阿拉斯加湾的海表面温度(SST)变化呈偶极子振荡分布,这种准两年的周期振荡对这一模态的出现有一定的预示意义。而与气温变化的低纬模态相联系的大气环流表现为类AO正位相分布,与之相关的西伯利亚高压和阿留申低压南移,对流层中层东亚大槽东移,高层的西风急流则是向东南方向移动;赤道东太平洋的SST异常可能对这一模态的形成有一定的作用,而东亚近海的SST则更多是被动地改变。此外,海冰异常变化与东亚冬季气温变化的联系主要体现在:在前夏和前秋,东西伯利亚海-波弗特海海冰异常减少(增加)对应着随后东亚冬季气温变化的高纬模态(低纬模态),而冬季东亚气温变化的高纬模态(低纬模态)又与后期春季北极东半球的海冰异常增加(减少)具有较好的相关性,此外白令海和鄂霍次克海的海冰异常变化是伴随东亚冬季气温变化产生的。     

近40年北极海冰范围变化特征分析

随着全球变暖,北极海冰正在发生快速变化。文中使用北极地区1972年1月—2012年12月海冰密集度卫星遥感资料,计算了北极海冰范围,讨论了北极海冰范围的各月年变化趋势,并分析了北极海冰范围与北半球温度异常、大气中CO2浓度的关系。分析结果表明:近40年北极海冰呈显著减少趋势,9月份减少最快;北极海冰的减少滞后于北半球2—4月的异常高温;北极年海冰范围与大气中CO2浓度为负相关,相关系数r为-0.94,说明大气中CO2浓度的增长影响了包括气温在内的气候变化要素,而导致北极海冰消退。     

影响吕宋海峡水体输运量年代际变化的局地因子

一般认为,吕宋海峡北南两端压力梯度或深度积分的动力高度差是太平洋水通过吕宋海峡西侵南海最直接的动力学。这一动力高度差与吕宋岛西部外海气旋式中尺度涡(即吕宋冷涡,Luzon cold eddy,LCE)的季节性出现有关,而LCE活跃区上空正的风应力旋度(wind stress curl,WSC)在LCE的产生中起主要作用。基于上述思路,利用涡分辨力海洋环流模式OFES[oceanic general circulation model(OGCM)for the Earth Simulator]的62年(1950—2011)后报结果首先得出吕宋海峡水体输运量(Luzon Strait transport,LST)不仅有约3年和7年显著的年际振荡,而且有约14年显著的年代际变化。然后分析LCE活跃区上空WSC异常场主要模态低频振荡特征以寻找影响LST年际和年代际变化的局地因子。结果表明,对LCE活跃区上空WSC去除季节性信号的异常场做经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)分析取得了典型的年际以上尺度的主要模态特征,其第一模态时空变化表现为约14年显著的年代际振荡和WSC异常场正位相区年代际尺度上的南移,而第二模态表现为约3年显著的年际振荡和WSC异常场正位相区年际尺度上的北移。另一方面,LST约7年的变化特征可视为源区黑潮水体输运量低频变化在该尺度上的印记。     

南海海表面温度年代际异常变化特征及其与PDO的联系

利用奇异谱分析和小波分析的方法,分析了南海海表面温度异常(SSTA)在年代际尺度上的变化特征及其与太平洋年代际涛动(PDO)之间的关系.发现南海 SSTA 年代际振荡与年循环之间存在一定程度上的锁相:在冬、春季较强,而夏、秋季则较弱.此外,在过去的140多年,南海 SSTA 年代际振荡显著衰弱.通过与 PDO 指数进行相关分析发现,在年代际尺度上 PDO 与南海 SSTA 具有一定的相关性.一方面这种相关性只在20世纪前50年比较显著,这在一定程度上解释了为何南海 SSTA 的年代际振荡表现出衰减的趋势;另一方面,当 PDO 位相超前南海 SSTA 位相3到6个月时,两者表现出较强的相关性.进一步分析表明,PDO 可能通过调控赤道东太平洋 SST,从而影响南海 SSTA 的年代际变化.     

2000-2008年期间南海海面温度的年际与空间变异

通过对2000-2008年更高空间分辨率的南海海面温度(SST)的卫星遥感数据进行经验正交函数(EOF)分析,着重研究21世纪以来整个南海海域SST年际变化的时空变异,并探讨了其与南海海面风场和海面高度的关系,以及期间南海发生的两次负异常事件的特点和成因.SST年际变化的第一模态表现为全海盆同相变化,年际振荡主要发生在...     

北太平洋年代际涛动与太阳活动的联系

采用逐次滤波法分析了北太平洋海洋大气系统年代际振荡特征及其主要影响因子,探索太阳活动对于北太平洋海洋大气系统年代际变化的影响。结果表明,太阳活动是北太平洋海洋大气系统周期性年代际振荡的重要影响因子,具体反映在：1）北太平洋年代际涛动（PDO,Pacific Decadal Oscillation）存在与太阳活动密切相关的22年周期和11年周期,是PDO仅次于趋势项最重要的周期成分,其方差贡献率分别为20．9％和6．7％。研究发现北太平洋年代际涛动变化对于太阳活动的响应方式与太阳活动强弱程度有联系,太阳活动水平强时PDO与太阳磁场变化符号相同并且振荡幅度大;太阳活动水平弱时PDO与太阳磁场变化符号相反并且振荡幅度小。2）滤除持续下降趋势之后,北太平洋冬季阿留申低压活动区海平面气压（SLP,Sea Level Pressure）表现出与太阳磁场磁性指数（MI,Magnetic index）基本反相的周期性振荡,滤除22年周期之后11年周期也比较清楚,其方差贡献率分别为13．4％和1．1％。3）滤除持续升温趋势以后北太平洋100hPa冬季大气温度距平场表现出与太阳磁场磁性指数基本一致的周期性振荡,滤除22年周期之后11年周期也比较清楚,其方差贡献率分别为15．1％和1．1％。研究结果说明,在太阳活动对于大气温度场的影响过程中,黑子磁场磁性变化是决定性的,即决定了温度变化符号,MI绝对值的变化即太阳磁场强度变化影响其量变。