FGOALS-s2海洋同化系统中东亚夏季风和前冬厄尔尼诺—南方涛动关系的年代际变化

海洋同化系统为年代际预测试验提供初值,其性能可能会影响年代际预测技巧,因此评估其对重要年代际变化现象的模拟能力非常必要。观测发现,东亚夏季风(EASM)和前冬厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的关系在1970s末加强,随后在1990s中期后减弱。基于FGOALS-s2耦合气候模式的海洋同化系统评估了其对这2次年代际变化的模拟能力。结果表明,决定模式能否再现EASM和前冬ENSO关系的年代际变化有2个重要因素:(1)与前冬ENSO有关的夏季印度洋—太平洋海温型的年代际变化;(2)模式西北太平洋反气旋对热带海温的响应偏差。模式中西北太平洋反气旋与东北印度洋的暖海温关系稳定,当1970s末前冬ENSO对夏季印度洋海温影响显著增强时,模式能够模拟出北印度洋降水以及赤道东印度洋至海洋大陆上空Kelvin波的增强,从而可再现EASM与前冬ENSO关系的增强;而1990s中期后模式中与前冬ENSO有关的东北印度洋海温异常进一步增强,与观测相反,使得模式未能再现观测中EASM与前冬ENSO关系的减弱。此外,1990s中期后模式对夏季中太平洋冷海温异常的Rossby波响应存在较大偏差,是其未能再现此次年代际变化的另一个原因。研究表明,与ENSO有关的热带印太海温的年代际变化预测水平和模式对海温的响应偏差将在一定程度上制约模式对EASM与ENSO关系的年代际预测能力。     

BCC_CSM1.1气候模式对全球海表温度年代际变化的回报能力评估

通过与观测资料和20世纪历史气候模拟试验结果(NoINT)的对比分析,评估了BCC_CSM1.1年代际预测试验(INT)中对全球海表温度(SST)年代际变化的回报能力。分析结果显示:(1)INT试验模拟的全球平均SST增暖趋势比NoINT的更加接近观测;(2)其在热带大西洋、热带西太平洋和热带印度洋有较高的预测技巧;(3)对于太平洋年代际振荡2个关键区——北太平洋和热带中东太平洋,模式的预测技巧较低,且海洋初始化的作用也很小;(4)在热带南印度洋,INT的预测技巧普遍高于NoINT,在提前3~6年和4~7年时技巧最高。这些结论与基于其他模式得到的已有研究结果类似,但是BCC模式对北大西洋,特别是其副极地区域的预测技巧明显低于其他模式。BCC模式无法合理模拟出北大西洋SST与热盐环流间的交替变化规律,可能是其预测技巧偏低的原因。     

CMIP5和CMIP6模式在历史试验下对AMO和PDO的模拟评估

利用Hadley中心的观测海温资料,以及耦合模式比较计划的第五阶段和耦合模式比较计划的第六阶段历史试验的模式资料,分析和评估了2个最为重要的年代际尺度模态,北大西洋年代际振荡、太平洋年代际振荡在耦合模式比较计划的第五阶段和耦合模式比较计划的第六阶段中的模拟能力。通过对比多模式集合发现,在空间模态方面,耦合模式比较计划的第五阶段和耦合模式比较计划的第六阶段都能模拟出北大西洋年代际振荡在北大西洋地区的信号,但耦合模式比较计划的第六阶段的模拟更好,对于太平洋年代际振荡模态而言,都能模拟出在北太平洋地区的信号,而太平洋年代际振荡在热带太平洋地区的信号,耦合模式比较计划的第六阶段模拟的振幅明显更接近观测。在周期的模拟方面,耦合模式比较计划的第五阶段和耦合模式比较计划的第六阶段结果相似,都能模拟出北大西洋年代际振荡存在60~70年的周期,以及太平洋年代际振荡存在20年和60~70年的双周期。整体而言,耦合模式比较计划的第六阶段相比于耦合模式比较计划的第五阶段在空间特征模拟方面有一定进步,但是对于周期的模拟能力,没有明显进步。     

海洋模式初始化同化方案对IAP近期气候预测系统回报试验技巧的影响

基于耦合气候系统模式FGOALS-s2的中国科学院大气物理研究所(IAP)近期气候预测系统(以下简称IAP Dec Pre S系统)发展了2种初始化方法:第一种采用Incremental Analysis Update(IAU)方案同化格点化的海洋温度和盐度客观分析资料EN3;第二种采用集合最优差值(EnOI)结合IAU(EnOI-IAU)的方案同化原始海洋温度和盐度观测廓线资料EN4。主要目的是比较基于2种初始化方案开展的年代际预测试验的技巧。时间相关系数、均方根技巧评分等指标均表明,基于EnOI-IAU方案的回报试验对与太平洋年代际振荡(PDO)有关的北太平洋海表面温度(SST)的回报技巧显著高于基于IAU方案的回报试验。而对于大西洋多年代际振荡(AMO),EnOI-IAU方案回报试验的技巧低于IAU方案回报试验。AMO存在副极地和热带北大西洋2个活动中心,EnOIIAU方案在热带中心的技巧仅略低于IAU方案,但是它在热带外区域模拟出了虚假的降温趋势,因此技巧远低于后者。     

火山活动的气候影响及其冰芯记录研究进展

系统地总结了不同时间尺度内火山活动影响气候的机理,回顾了不同区域冰芯记录火山喷发物质沉积信号的研究历史,阐述了不同气候模式对火山活动影响气候的数值模拟结果,并指出了相关研究中存在的不确定性.结果表明:火山活动通过释放大量的火山物质气溶胶影响气候波动,在年际至年代际时间尺度上,这种影响是显著的;然而,在更长的时间尺度上这种影响是否仍然存在,尚需更多研究的证实.冰芯中火山喷发物质沉积记录为研究历史时期火山活动及其气候影响提供了必要的参考资料,相关的气候模式利用该沉积记录较好地模拟了火山活动对区域乃至全球尺度气候的影响,为我们认识火山活动影响气候变化的机理提供了重要的理论支持,同时也为研究未来火山活动对气候的可能影响提供了参照.但是,冰芯中火山喷发物质沉积记录研究及数值模式模拟结果中尚存在诸多的问题和不确定性.     

全球变化背景下热带气旋主要变化特征及影响因素

热带气旋是可以影响全球中低纬度海域的气象现象。系统总结和回顾了国内外热带气旋的主要特征、潜在影响因素及影响机制的相关研究进展,并对其在全球变化背景下的变化趋势进行了总结和剖析。全球变暖以来,热带气旋的源地和路径都出现极移的趋势,移动速度略有增加,频率减小并且强度增大,但各大洋存在显著差异。重点回顾了火山活动、厄尔尼诺—南方涛动和太平洋年代际振荡、太阳辐射、热带辐合带以及气溶胶等因素对热带气旋的影响。其中,火山喷发导致平流层存在大量气溶胶,通过降低海表温度对热带气旋产生消极影响,但这种机制存在地域性差异;厄尔尼诺—南方涛动和太平洋年代际振荡以遥相关的方式调制全球热带气旋活动;太阳辐射和热带辐合带的变化与热带气旋频数存在相关性;气溶胶对不同发展阶段的热带气旋存在相反的影响机制。由于器测热带气旋数据在时间长度上和大部分替代指标在分辨率上的不足,严重制约了全球变化背景下热带气旋潜在影响因素的研究。未来可以通过寻找高分辨率记录载体来量化热带气旋活动历史,进一步解析热带气旋与潜在影响因素的关系,完善在气候波动影响下热带气旋活动的变化机制。     

ENSO-7赤道西太平洋异常纬向风所驱动的热带太平洋次表层海温距平的循环

近几年的一系列分析研究表明，ENSO与异常东亚冬季风之间有相互影响，持续的强（弱）东亚冬季风通过引起赤道西太平洋地区的西（东）风异常对El Niño/La Niña的发生起着重要作用；赤道太平洋次表层海温异常（SOTA）的年际变化（循环）与ENSO发生有密切关系；ENSO的真正源在西太平洋暖池，暖池正（负）SOTA沿赤道温跃层东传到东太平洋，便导致El Niño/La Niña的爆发；在暖池正（负）SOTA沿赤道东传的同时，有负（正）SOTA沿10°N和10°S纬度带向西传播，从而构成SOTA的循环；热带太平洋SOTA循环的驱动者是赤道西太平洋的异常纬向风。进而可以认为：ENSO实质上是主要由异常东亚季风引起的赤道西太平洋异常纬向风所驱动的热带太平洋次表层海温距平的年际循环。     

近千年中国东部夏季降水的模拟研究

利用ECHO­G海气耦合气候模式模拟的中国东部过去近1000年的降水资料,通过经验正交函数分解方法得到了中国东部夏季降水分布的主要空间型态： 华北和华南地区与长江中下游地区反位相,即华北和华南地区降水多(少)时长江中下游地区降水少(多)。对31年滑动平均后3种空间分布型的时间系数进行Morlet小波分析和功率谱分析发现,3个地区均存在准60年的年代际振荡周期,长江中下游和华南地区均存在准200年的百年际振荡周期,华南地区还存在120年和80年的变化周期。全球海温场与3个地区夏季降水31年滑动平均后的相关分析表明,在40°～70°S,170°～60°W海域海温与华北和长江中下游地区夏季降水负相关,与华南地区夏季降水正相关除该区外的南北半球(30°～60°)中高纬海域海温与华北和长江中下游地区夏季降水正相关、与华南地区夏季降水负相关,说明在年代际和百年际时间尺度上,中高纬海域海温是影响长江中下游地区和华南地区夏季降水反相的主要因子之一。最后通过对太阳常数、火山活动等外强迫因子与中国东部夏季降水的功率谱分析发现： 中国东部夏季降水的年代际与百年际变化周期大都与外强迫因子的变化周期一致,说明外强迫因子,尤其是太阳常数和火山活动的变化是影响中国东部夏季降水年代际和百年际振荡的主要原因。     

中国水汽输送年际和年代际变化研究进展

大气中的水汽输送对于全球的水分循环、气候系统、生态环境等具有重要意义。水汽输送是影响中国旱涝空间分布的重要因素，其年际和年代际变化与厄尔尼诺-南方涛动、海温、北大西洋涛动、太平洋年代际涛动等因素对东亚大气环流的调控作用有关。本文就近期关于中国地区水汽输送年际和年代际变化的部分研究工作进行了回顾和评述，包括影响中国东部降水年际和年代际变化的水汽输送机制、影响梅雨特征年代际变化的水汽输送机制、热带海温对中国上空水汽输送的影响机制等问题。此外，本文回顾了近期与青藏高原地区水汽输送机制有关的研究进展。     

公元1500—2000年印度尼西亚—菲律宾强火山喷发对中国中东部旱涝格局的影响*

强火山活动是气候变化的重要自然驱动因素,可导致中国降水出现年际或年代际变化,甚至极端的旱涝现象。探究位于中国邻域的印度尼西亚—菲律宾一带的强火山喷发与中国旱涝分布格局的关系,有助于阐释中国旱涝发生的时空规律及机制,为预测未来火山爆发可能导致的降水异常提供借鉴。本文基于1500—2000年期间世界强火山活动和中国旱涝资料,运用时序叠加分析的方法辨识了印度尼西亚—菲律宾一带的强火山喷发后中国旱涝在年际尺度上的时空变化特征,并对1815年Tambora火山喷发进行案例分析。结果表明印度尼西亚—菲律宾一带的强火山喷发对中国的旱涝格局有一定的影响:强火山喷发后第0年至第2年,中国中东部各站点的整体变化为偏涝;在第3年,整体出现了偏旱的转变,且变化幅度相比其他年份较大;就地区而言,喷发后华北、华南地区分别出现了由旱转涝、由涝转旱的变化,并且这些变化大概持续了2~3年,随后2个区域均恢复了喷发前的旱涝趋势;印度尼西亚1815年Tambora火山喷发后0~3年,中国以涝情为主,但发生涝情的区域逐年在发生变化。     

中国水汽输送年际和年代际变化研究进展

大气中的水汽输送对于全球的水分循环、气候系统、生态环境等具有重要意义。水汽输送是影响中国旱涝空间分布的重要因素，其年际和年代际变化与厄尔尼诺-南方涛动、海温、北大西洋涛动、太平洋年代际涛动等因素对东亚大气环流的调控作用有关。本文就近期关于中国地区水汽输送年际和年代际变化的部分研究工作进行了回顾和评述，包括影响中国东部降水年际和年代际变化的水汽输送机制、影响梅雨特征年代际变化的水汽输送机制、热带海温对中国上空水汽输送的影响机制等问题。此外，本文回顾了近期与青藏高原地区水汽输送机制有关的研究进展。     

ENSEMBLES耦合模式对全球陆地季风区夏季降水的年代际预测能力评估

全球季风区降水对当地社会经济、全球大尺度环流及能量循环至关重要。采用欧洲联盟ENSEMBLES计划Stream 2的年代际回报试验,评估了其对1960—2015年全球陆地季风夏季降水年代际变化的回报能力,并探讨了北半球陆地季风区夏季(NHSM)降水年代际变化可预报性的可能来源。分析发现ENSEMBLES对全球及南球陆地季风区夏季降水的年代际回报技巧不高,但其对NHSM降水具有一定的预报能力,能合理回报出观测中NHSM降水在1960年至1970s末期的减弱趋势和1990s之后的增强趋势,其缺陷在于模式中NHSM降水最小值出现在1970s末期,较之观测提前了近10年,未能回报出1980s中期至1990s初期NHSM的干旱期。mega-ENSO与大西洋多年代际振荡(AMO)是影响NHSM降水年代际变化的2个重要驱动因子。分析发现模式回报的NHSM降水与mega-ENSO、大西洋多年代际振荡(AMO)的正相关明显大于观测,能合理再现2个指数在1960年至1970s末期和1990s后的变化趋势,是模式对这2个时段内NHSM降水回报技巧的重要来源。虽然ENSEMBLES对AMO的年代际变化具有较高的回报能力(与观测的最大相关系数高达0.85),但是对mega-ENSO的回报技巧较弱,进而限制了模式1980s中期至1990s初NHSM的年代际预报技巧。因此,提高模式对mega-ENSO的预报能力,是提升NHSM降水年代际预报水平的重要途径。     

耦合模式中北太平洋和北大西洋海表面温度年代际可预报性和预报技巧的季节依赖性

利用一个全球耦合环流模式在理想模式框架下进行了3组动力预报试验,研究了北太平洋和北大西洋海表面温度异常(SSTA)的年代际可预报性和预报技巧。结果表明北太平洋年平均SSTA在年代际尺度上可预报性和预报技巧表现较低,明显弱于北大西洋。通过分析不同季节平均SSTA的可预报性与预报技巧,发现北太平洋中西部区域冬季平均SSTA的年代际可预报性和预报技巧显著高于其他季节,其量值和北大西洋相当,表现为明显的季节依赖性;北大西洋SSTA的可预报性和预报技巧也显示了随季节变化的特征。进一步分析表明,北太平洋SSTA年代际可预报性和预报技巧的季节依赖性归因于北太平洋冬季SSTA的年与年之间再现机制,这一再现机制源于北太平洋混合层显著的季节变化;而北大西洋SSTA的可预报性和预报技巧的季节依赖性则可能与其他过程(如大西洋年代际涛动)的季节变化有关。研究结果表明,对于年代际气候预报,如果考虑所关注指标的季节平均,则可能在某些季节获得比年平均更高的预报技巧。     

第三极地区气温和积雪的季节—年际气候预测研究

第三极地区气候多样、灾害频发,是影响全球和亚洲气候异常的关键区域,针对此地区开展季节—年际气候预测研究对于提高区域预报技巧以及减少灾害造成的影响具有重要的科学和指导意义.基于国家气候中心气候预测业务模式(BCC CSM1.1m)的历史回报和预测数据,对第三极地区2m气温和积雪的预测结果进行了确定性技巧评估,并分析了海洋因子对于预测技巧的调制作用.研究表明:该模式对于青藏高原及其周边地区气温和积雪的季节—年际气候预测具有一定的预测能力,对夏季气温的预测效果整体上好于冬季气温和积雪深度预测;预测技巧随着模式起报时间的提前而下降,但是存在技巧回升现象.研究也发现,海温异常因子对第三极地区的气候预测技巧具有不同程度的调制作用,厄尔尼诺等海洋信号能够通过直接和间接作用影响第三极地区的气候预测.     

深海温度变化对太阳活动的响应

通过太平洋、大西洋深海温度场谱分析发现,地球海洋温度变化广泛盛行着22年尺度的年代际周期性变化,这种22年变化周期在深层海洋中更为清楚。分析认为,这是地球海洋温度场对太阳磁场周期性变化的响应。世界海洋不同海域深海温度对于太阳磁场磁性22年周期响应的相位存在显著不同,南北大西洋海温变化相位相差115度,即变化趋势接近相反;南北太平洋海温变化相位相差19度,南太平洋变化超前。另外,太阳活动所激发的海温变化的振荡幅度在不同海域也有显著差异,北大西洋海温22年周期振幅为0.07℃,而南大西洋则高达018℃,是北大西洋的2.5倍之多!在太平洋中,北太平洋深海温度22年周期振幅最大,南太平洋次之,赤道中太平洋最小     

气候学研究进展

回顾了80年代到90年代中期，气候学研究在几个方面的重要进展。共分析了五个问题：①20世纪气候变率，重点讨论年代际变率及气候突变；②ENSO模拟与预测，总结比较了各种模式的模拟与预测结果，着重讨论了90年代前半期ENSO发展的特点；③ENSO与季风，指出亚洲夏季风在ENSO循环中的重要作用；④气候可预报性研究，总结了月、季预报试验，介绍了用观测下边界强迫AGCM的研究结果；⑤气候变化成因分析，着重说明温室效应研究的不确定性及自然因子如太阳活动、火山活动在气候变化中的作用。     

黄河上游径流与太平洋海温场关系及其预测应用

根据北太平洋网格点月平均海温资料的统计分析,揭示了海面水温场与黄河上游年径流量丰枯的联系,并探讨了海温异常变化对径流的影响.同时建立了回归方程,利用海温资料对黄河上游年径流量作长期预测试验,效果良好.     

火山喷发和海平面的关系

据英国《自然》杂志的Michael Hopkin报道,较大的火山喷发可以对世界气候产生极大影响,它可以导致全球海平面下降,几年后才得以恢复。以澳大利亚南极气候生态系统合作研究中心的海洋大气学家JohnChurch为首的研究队伍的研究成果显示：1991年,当菲律宾的Pinatubo火山喷发达到高潮时,引起全球平均海平面一年就降下约6mm,引发了一系列的气候事件。     

年代际气候预测问题:科学前沿与挑战

未来10~30年气候状态的预测是当前国际气候领域的研究热点,被包括世界气候研究计划耦合模式比较计划(CMIP)在内的国际科学计划列为核心内容。年代际气候预测已经从最早单纯关注未来10~30年的气候变化拓展为关注未来1~10年或者30年的逐年气候状态。国际上开始尝试基于年代际气候预测系统发布未来1年和5年平均的气候展望。针对年代际气候预测的科学前沿和挑战问题,从年代际气候可预报性的理论认知、当前国际上关于年代际气候预测的主要科学进展2个角度进行了总结,据此提出了该领域亟待解决的前沿科学问题,对提升年代际气候预测技巧的途径进行了讨论。     

基于石笋记录的晚全新世太平洋东西两岸季风区气候事件对比研究

研究晚全新世季风气候演变有助于进一步认识与预测未来季风区气候变化。太平洋东西两岸是全球季风集中分布的地区,已经有大量的古气候记录发表,但是缺乏对各个季风区气候突变事件以及整体变化趋势的对比研究。针对这一问题,选取亚洲季风区、印澳季风区、北美季风区、南美季风区11个洞穴石笋δ18O和1个湖泊Ti含量,对比研究各个记录在3.5~0.5 ka B.P.期间指示的夏季风变化特征。通过对比发现四大季风区的石笋δ18O在晚全新世整体上呈现偏正趋势,指示夏季风减弱;2次重要的气候突变事件1.5 ka B.P.和2.7 ka B.P.弱夏季风事件在各个季风区内均有表现;同时也记录了一系列十年际-百年际尺度的弱夏季风事件,表明太平洋东西两岸和南北半球的夏季风都有减弱的趋势,这与先前研究认为的南北半球呈现"see-saw"模式表现出不一样的特征。晚全新世以来ENSO(El Nino-Southern Oscillation)活动的增强对太平洋东西两岸南北半球夏季风减弱具有重要影响。在El Nino事件发生时,Walker环流减弱,而且它的上升支向东移动远离西太平洋暖池,西太平洋副热带高压增强并向西移动,导致亚洲夏季风减弱。Walker环流的东移也会使得印度尼西亚-太平洋暖池(Indo-Pacific Warm Pool,简称IPWP)海温下降,热带季节内震荡减弱致使印澳夏季风减弱;此外,El Nino事件发生时,赤道东太平洋海水温度上升导致东西太平洋海水温度梯度减弱,在此状态下南美季风区低空急流(Low Level Jet,简称LLJ)减弱,导致南美夏季风减弱;同时,北美洲加勒比海低空急流增强,使得该季风区下沉气流增强,导致北美夏季风减弱。我们的研究表明,在晚全新世ENSO活动增强的状态下,太平洋东西两岸南北半球夏季风变化可能都呈现减弱趋势。