PDO的三维空间结构和时间演变特征

利用再分析次表层海温资料和CCSM3模式的1870-1999年130 a模拟试验的结果,分析了北太平洋年代际变化(PDO)的三维空间结构和时间演变特征.结果表明,CCSM3模式较好的模拟了北太平洋年代际变化的主要特征,对再分析资料和模式结果的分析都表明从北太平洋表层至次表层的中层,年代际变化是非常显著的,PDO不仅仅局...     

热带西北太平洋0~300 m热含量的年代际变化

太平洋是海表温度年际变化和年代际变化发生的主要区域,但对太平洋海洋热含量变化的研究相对较少。为此, 本文分析了1980—2020年太平洋上层(0~300 m)热含量的时空变化特征。基于IAP数据,本文首先利用集合经验模态分解法(EEMD)提取不同时间尺度的海洋热含量信号,并利用正交经验分解法(EOF)对不同时间尺度的海洋热含量进行时空特征分析,得到了太平洋0~300 m海洋热含量的年际变化、年代际变化以及长期变暖的时空特征。结果表明,除了年际变化之外,热带西北太平洋上层热含量还存在明显的年代际变化和长期变暖趋势。在东太平洋和高纬度西太平洋,热含量的年代际变化特征并不突出。热带西北太平洋热含量的年代际变化在1980—1988年和1999—2013年较高,而在1989—1998年和2014—2020年期间较低。此外,针对热带西北太平洋热含量的经向、纬向和垂向特征分析,发现这种年代际变化主要发生在5°N—20°N,120°E—180°E,次表层50~200 m范围内。热带西北太平洋热含量的年代际变化对全球海表温度的年代际变化有着重要作用。     

西北太平洋热带气旋与上层海洋热含量的关系

利用SODA(Simple Ocean Data Assimilation)的海温资料和Unisys Weather的热带气旋资料,研究了1960-2008年期间北太平洋上层150 m的热含量分布特征及其与西北太平洋热带气旋发生频次的关系。考虑了纬度的变化对热含量的影响后,北太平洋热含量的高值中心位于10°N左右,与上层海温结构相符,计算结果更加符合物理意义。北太平洋热含量与西北太平洋热带气旋频数年际相关性研究表明在北太平洋中高纬度大洋内区和赤道东太平洋热带不稳定波发生区呈现出前期冬季正相关性。此相关性存在显著年代际的变化,在1970-1975年和1984-2008年期间最强,1976-1983年期间较弱。在北太平洋中高纬度大洋内区,同期春夏秋季同样存在强正相关。在西太平洋暖池区,同期秋季负相关最为显著。赤道中太平洋区域在夏季呈显著的正相关,秋季减弱。赤道东太平洋海域的相关性前期冬季负相关最为显著,春季负相关性减弱,夏季和秋季无显著相关。     

赤道外北太平洋冬夏海温场的EOF分析

利用较高分辨率的SODA资料,对赤道外北太平洋海洋上层各层的海温,特别是对中纬度北太平洋海温明显异常的海域(其被定义为关键区)做了海温的EOF分析,得到以下结论:北太平洋第一模态空间场上,冬、夏在中纬度北太平洋中西部均有较强正值带出现。在关键区第一模态空间场上,冬、夏两季近表层在日本本州岛的东、西面海域均分别有较强正值区,而次表层则仅存前者;这表明近表层海温(前者)受辐射、蒸发等影响明显,而次表层海温(后者)则其主要受流场垂直运动的影响,前者属海温的热力变化而后者则属海温的动力变化,两者性质不同。北太平洋和关键区的第一模态冬、夏海温变化的趋势均相近,两者在年尺度上均有持续性;两者的年际变化冬、夏均不明显,但均有明显的约20年的年代际变化;两者时间系数的演变均与太平洋年代际振荡(PDO)中的冷、暖位相期有较好的对应;这两个模态均可称为PDO模态。     

太平洋海温场两种不同时间尺度气候模态的分析

利用经验正交函数分解、多元线性回归分析、小波分析和离散功率谱等方法,对太平洋年代际振荡(PDO)和ENSO的关系进行研究,发现太平洋海温场中主要存在着PDO和ENSO两种气候模态.用线性回归分析方法对这两种模态进行分离,结果表明,去除ENSO信息后,太平洋海温变化的关键区出现于北太平洋中纬度地区,PDO的信号很明显;而去除PDO信息后,海温变化的关键区位于赤道中、东太平洋地区,ENSO的信号较明显,此时ENSO循环不具有年代际振荡的特征,表明PDO对ENSO的调制作用是ENSO事件具有年代际变化特征的重要原因.     

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.     

基于再分析数据的南大西洋上层海洋热含量变化研究

南大西洋在地理上连接着北大西洋、南大洋和印度洋。通过环流输运或海表温度变化,该海域的上层海洋热含量(OHC)的变化可能对与之相连的各个洋盆间的再分布产生影响。本文基于1958—2015年的ORAS4全球海洋再分析数据和中国科学院大气物理研究所的格点海温数据集,利用经验正交函数(EOF)分析、相关分析等方法,分析了南大西洋上层海洋不同积分深度(0~100 m,0~300 m,0~500 m,0~700 m)OHC的时空变化特征。EOF第一模态显示,过去60 a来,南大西洋上层700 m存在一个洋盆尺度的变暖趋势,而且随着热含量积分深度的增加,第一模态所解释的方差占比也明显增加。OHC变化EOF第一模态与以年际变化为主的NAO和ENSO指数相关性很低,而与代表较长时间变率的AMO和PDO指数却有较好相关性,且与AMO的相关性随着积分深度的增加而提高。超前滞后相关分析显示AMO滞后南大西洋OHC变化9~12 a,显示南大西洋OHC变化对北大西洋气候变化的潜在影响。南大西洋OHC变化EOF第一模态与PDO之间相关性随着积分深度的增加而降低,显示PDO对OHC的影响主要在表层。另外发现整个洋盆的热含量变化与温跃层变化呈正相关,热含量的变化反映温跃层的动态波动。     

北太平洋热含量的年代际变化特征及其与阿留申低压的关系

使用经验正交函数(EOF)等方法,分析了北太平洋(20°～60°N,120°E～120°W)上层海洋热含量(HST)、海表面气压(SLP)、海表感热和潜热通量的年代际变化特征,并探讨了北太平洋HST与阿留申低压在年代际时间尺度上的关系。研究表明:第1特征向量能很好地代表北太平洋HST年代际尺度上的时间和空间变化特征。在近50a中,北太平洋HST具有明显的年代际变化特征,周期约为25a,其中在20世纪60年代中后期到90年代初存在一个较强的完整周期震荡。变化中心位于38°N左右的西北太平洋,且在155°W处向南延伸。根据北太平洋上层海洋HST的冷、暖异常和增、减热趋势,年代际背景场可分为冷态和暖态以及增热期和减热期。对比研究发现,在年代际尺度上,北太平洋上层海洋热含量的增、减热过程通过影响以西北太平洋为中心的海表热通量,进而对阿留申低压有一定的控制作用。热含量增热过程对应于弱的阿留申低压,减热过程对应于强的阿留申低压,阿留申低压的响应一般滞后热含量增、减热趋势变化1～2a。北太平洋年代际背景场对其年际变化有较强的调制作用,且这种年际变化跟ENSO事件有一定的对应关系。     

海温距平的ENSO模和类ENSO模的三维结构

用美国马里兰大学提供的海洋同化(SODA)月平均资料,深入揭示了ENSO模的海洋三维结构及其年际和年代际变率。研究结果指出,ENSO海洋模随深度呈明显规律变化。在热带太平洋,它由热带中东太平洋表层显著海温异常分布型随深度增加逐渐过渡为热带西太平洋次表层显著反号海温异常分布型;在赤道太平洋以赤道西太平洋暖池次表层海温显著异常与赤道中东太平洋表层海温反号显著异常为主要特征。El Nino期间,热带中东太平洋表层为强海温正距平中心,西太平洋暖池次表层为强海温负距平中心,在年际尺度上,160°E以西的西北太平洋副热带海域还存在一个与西太平洋海温异常变化反号、与热带东太平洋同号的区域;La Nina期间正好相反。ENSO循环主要由ENSO年际变率所决定,年际ENSO模具有东部型ENSO事件的海温异常分布特征,其循环是东部型冷暖事件之间的转换,在200m以浅,它具ENSO模相同的三维结构和3-5年的显著年际变化周期;年代际类ENSO模具有中部型ENSO事件的海温异常分布特征,年代际ENSO循环是中部型冷暖事件之间的转换,其影响主要限制在200m以浅的海洋上层,具有ENSO模相似的三维结构和9-23年的显著周期。     

北太平洋副热带中部模态水潜沉区的热收支———个全球海洋模式数据的结果

使用一个全球海洋环流模式的18 a(1993～2010 年)数据, 对北太平洋副热带中部模态水(CMW)潜沉区混合层内热收支的空间分布状况及其季节和年际变率特征进行了分析, 并重点讨论了热收支与太平洋年代际震荡(PDO)之间的相互关联。结果表明, CMW 潜沉区的热收支是海表热力强迫与海洋动力过程之间的平衡。其中混合作用, 特别是湍流扩散是海洋动力过程的主要分量, 对该海区混合层内部的热量耗散起到关键的作用。该海区的热收支具有显著的季节变化信号, 在春夏季与秋冬季存在明显的差异。热收支的年际变化与PDO 的超前滞后相关性分析表明, 该海区的混合层温度(MLT)具有显著的PDO 信号, 同时 PDO 与 MLT 两者随时间的变化信号( ?[P]/?t 与?[T]/?t )之间也有强相关性。?[P]/?t与海表热力强迫项(SEF)显著的相关性表明, SEF 可能会对PDO信号的产生及变化过程产生重要的影响;?[P]/?t 与夹卷项的高相关性则间接证明潜沉的 CMW 的温度存在 PDO 信号; 作为海洋动力过程的主体, 扩散项和平流项均会对PDO 信号变化做出滞后响应。本研究增进了对CMW 潜沉区混合层内海水温度变化特征的认识。     

Decadal variations of the transport and bifurcation of the Pacific North Equatorial Current

Decadal variations of the transport and bifurcation latitude of the North Equatorial Current (NEC) in the northwestern tropical Pacific Ocean over 1959–2011 are investigated using outputs of the Ocean Analysis/Reanalysis System 3 prepared by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts. The results indicate that the NEC transports at different longitudes have different decadal fluctuations, which are strongest around 139°E. The NEC bifurcation latitude (NBL) has its largest decadal variations around 150 m. Extremes of the decadal NEC transport and NBL before 1975 correspond to different circulation anomalies from those after 1975. The regression map against decadal NBL exhibits negative sea surface height (SSH) anomalies and a cyclonic gyre anomaly over the northwestern tropical Pacific Ocean, while that against the decadal NEC transport exhibits a dipole structure, with positive/negative SSH anomalies to the north/south of about 13°N. Furthermore, decadal variations of the NEC transport and NBL over the whole period have different correlations with Pacific Decadal Oscillation (PDO) and Tropical Pacific Decadal Variability (TPDV). Generally, the decadal NEC transport shows higher correlations with PDO than with TPDV, while the NBL has higher correlations with TPDV than with PDO. The high correlation of decadal NEC transport with PDO mainly comes from that of its northern branch with PDO, while its southern branch shows higher correlation with TPDV.     

西北太平洋波候与大气涛动的联系

利用ECMWF 1958-2001年44 a的ERA-40海浪再分析资料计算了西北太平洋海域(0°~45°N,99°~160°E)月平均有效波高(SWH)、平均周期(T)与北太平洋模态指数(NPI)、太平洋年代际振荡(PDO)和多变量ENSO指数(MEI)等大气涛动之间的时间和空间的相关性,重点探讨了NPI对北半球西太平洋波候(SWH和T)的影响。结果表明:NPI、PDO和MEI均与SWH和T有显著的相关性;NPI与SWH和T呈现正相关性,NPI超前SWH和T半年左右正相关最强,最强的相关海域位于日本和菲律宾以东洋面;NPI还存在3~5 a、8~9 a和13~15 a的年际和年代际周期变化; NPI高指数且PDO负位相或MEI负位相均使得SWH和T 增大; MEI冷位相且叠加PDO负位相时也利于SWH和T增大。NPI影响西北太平洋波候的可能机制是:NPI处于低(高)指数时,阿留申低压加深(减弱)且位置偏东(西),北太平洋西风带海面风速急流出现(消失),太平洋副热带东北信风大值区东移(西移),西北太平洋海域信风减弱(加强),西北太平洋海域有效波高和平均周期随之减小(增大)。中、东太平洋西向传播的涌浪对西北太平洋海域波侯有重要影响。     

Interannual and Decadal Variabilities of NPIW Salinity Minimum Core Observed along JMA’s Hydrographic Repeat Sections

We investigated the variation of the North Pacific Intermediate Water (NPIW) distribution in the western North Pacific, focusing on the intermediate salinity minimum (S < 34.2) core observed along the meridional hydrographic sections including the 137°E repeat section by the Japan Meteorological Agency. This core is a cross-section of a low salinity tongue extending westward along the recirculation in the subtropical gyre. The core size shows remarkable variabilities in interannual and decadal time scales. The salinity change in the density layer during the period of core expansion (shrinking) represents the spatial salinity change in the tongue toward the west (east). Thus, we conclude that the core size variation is associated with the zonal wobble of the tongue having thicker distribution to the east, rather than temporal changes of the water mass itself. The core size at 137°E is well correlated with the meridional gradient of the depth in the isopycnal surface at the salinity minimum representing the recirculation intensity, suggesting a relation with the intensity of the subtropical gyre. A significant lag-correlation between the gradient and the wind forcing over the North Pacific suggests that the first mode baroclinic Rossby waves excited in the central North Pacific propagated westward to change the intensity of the recirculation in interannual time scales. In decadal time scales, it is found that the wind stress curl and heat flux fields in the North Pacific precede the recirculation by about 11 years.     

基于多变量LSTM神经网络模型的PDO指数预测研究

利用1921–2020年的海平面气压、海平面高度、热含量数据以及海冰密集度作为太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation, PDO）指数的预报要素,建立了关于PDO指数时间序列预测的多变量长短期记忆（Long Short Term Memory, LSTM）神经网络模型,对比分析了2011–2020年不同时间序列预测模型的PDO指数预测结果,最后利用多变量LSTM神经网络模型实现了2021–2030年的PDO指数预测。结果显示,多变量LSTM神经网络模型的预测值与观测值经过交叉验证后的平均相关系数和均方根误差分别为0.70和0.62;PDO未来10年将一直处于冷位相,PDO神经网络指数出现两次波动,于2025年出现最小值。相比于其他时间序列预测模型,本文采用的多变量LSTM神经网络模型预测结果误差小、拟合效果好,可以作为一种新型的预测PDO指数的手段。     

太平洋内部副热带-热带经向翻转环流的季节变化特征

太平洋内部副热带-热带经向翻转环流(subtropical-tropical cell,STC)是连接热带和副热带的海洋通道.由于以往海洋观测资料的匮乏,前人多利用海洋模式数据进行研究,且仅限于沿单一纬度上的STC的分析,较少涉及沿不同纬度的STC的季节变异规律.利用地转海洋学实时观测阵(array for real-...     

地球系统模式FIO-ESM v2.0对北太平洋年代际气候变化的模拟评估

数值模拟方法在研究长时间的气候变化上扮演着重要角色。一直以来,数值模式模拟年代际气候变化如太平洋年代际震荡（PDO）的位相转换存在巨大挑战。本文利用自然资源部第一海洋研究所研发的地球系统模式（First Institute of Oceanography-Earth System Model Version 2,FIO-ESM v2.0）145年（1870–2014年）历史气候模拟试验结果,结合再分析资料和另外两个地球系统模式结果,分析评估了该模式对太平洋年代际振荡的模拟能力。研究发现,FIO-ESM v2.0能够再现历史时期PDO的空间模态分布特征,其PDO指数具有10～30年的周期变化特征,同时于1960年以后能刻画出与再分析数据结果相近的PDO位相转变特征。研究表明,FIO-ESM v2.0能够较为准确地模拟出PDO的位相转变特征。另外,本文还评估了该模式对大气环流模态的模拟能力及其与PDO之间的关系,以及该模式模拟PDO的可能机制。该模式的PDO与大气环流的阿留申低压模态相关。进一步的分析表明,平流作用和热通量是关键年代际海域海温异常振幅的主要因素,而罗斯贝波西传时间则可能是影响PDO位相转变的关键因素。     

中国近海海温年际年代际振荡关键海区分析研究

用HADLEY中心的HadISST的海温资料、NCEP的大气资料、国家气象局发布的74个月平均环流指数和美国华盛顿大学的PDO指数,讨论研究了中国近海海温的年际年代际振荡。通过对我国近海海温的EOF分析,可以发现我国近海30 N附近是海温年际年代际振荡信号最强的关键区,它占了总量的58.2%,与澳大利亚东北沿海海温年代际振荡有相同的周期,最明显周期是44—45年,滞后PDO信号近15年左右。该关键区海温与澳大利亚东北沿海海温都还存在1年、5年和15年的振荡,它们的相关系数达到0.604,属于同一个模态。另外,1年的海温振荡信号除了澳大利亚东北沿岸以外,还沿着西太平洋海岸线分布,因此中国近海海温年际年代际振荡不是一种局地现象,而与太平洋海温变化有关。另外,它是海气相互作用的结果,与中高纬度的东亚大槽和低纬度太平洋印度洋的风场、西太平洋副高和南海副高、大气温度场甚至南半球环流有明显的关系。     

Oceanic Rossby waves induced by the meridional shift of the ITCZ in association with ENSO events

This study investigated the eastern Pacific Intertropical Convergence Zone (ITCZ) as an atmospheric forcing to the ocean by using various observed and reanalysis data sets over 29 years. Climatologically, a zonal band of positive wind stress curl (WSC) with a 10° meridional width was exhibited along the ITCZ. A southward shift of the positive WSC band during the El Niño phase induced a negative (positive) WSC anomaly along the northern (southern) portion of the ITCZ, and vice versa during the La Niña phase. This meridional dipole accounted for more than 25 % of interannual variances of the WSC anomalies (WSCAs), based on analysis of the period 1993–2008. The negative (positive) WSCA in the northern portion of the ITCZ during the El Niño (La Niña) phase was collocated with a positive (negative) sea surface height anomaly (SSHA) that propagated westward as a Rossby wave all the way to the western North Pacific. This finding indicates that this off-equatorial Rossby wave is induced by the WSCA around the ITCZ. Our analysis of a 1.5-layer reduced gravity model revealed that the Rossby waves are mostly explained by wind stress forcing, rather than by reflection of an equatorial Kelvin wave on the eastern coastal boundary. The off-equatorial Rossby wave had the same SSHA polarity as the equatorial Kelvin wave, and generation of a phase-preserving Rossby wave without the Kelvin wave reflection was explained by meridional movement of the ITCZ. Thus, the ITCZ acts as an atmospheric bridge that connects the equatorial and off-equatorial oceanic waves.