IAP年代际预测试验中火山活动对太平洋海温预测技巧的影响

火山活动是影响全球气候变化的重要自然因子。在年代际预测试验中加入火山气溶胶强迫会带来火山爆发后短期内气候响应回报技巧的改变。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年代际气候预测试验(DP-EnOI-IAU试验)结果,分析了火山活动对太平洋海温年代际预测技巧的影响。DP-EnOI-IAU试验引入了平流层火山气溶胶的辐射外强迫变化,在模拟的1960—2005年共发生4次强的热带火山爆发事件。结果表明,DP-EnOI-IAU试验在多数年份对太平洋海温具有显著的预测技巧,但预测技巧在1982年El Chichon火山爆发和1991年Pinatubo火山爆发后显著下降。模式对火山爆发后ENSO位相的模拟偏差导致了其对太平洋海温年代际预测技巧的下降。对于1982年El Chichon火山爆发,在火山爆发峰值时期和第3年冬季,赤道中东太平洋均表现出与观测相反的海温型响应,使得DP-EnOI-IAU试验对太平洋海温的年代际预测技巧显著下降。在1991年Pinatubo火山爆发后的秋冬季和第3年冬季,观测和模拟的热带海温型亦相反,模式对1991年火山爆发后太平洋海温的预测技巧降低。相对于1982年El Chichon和1991年Pinatubo火山爆发,模式对1963年Agung火山爆发后热带海温型响应的模拟与观测较为一致,此次火山爆发没有带来太平洋海温预测技巧的显著下降。     

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。     

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。     

巴伦支-喀拉海海温和青藏高原冬季地表气温的年代际联系

基于1961—2017年中国气象局地表气温数据、JRA-55大气再分析数据以及美国国家海洋和大气管理局延伸重建的海温资料,研究了青藏高原冬季地表气温的年代际变化特征及其与海温的可能联系。结果表明：巴伦支-喀拉海冬季海温年代际变化可以激发出向东传播的Rossby波,在西伯利亚对流层高层产生异常的气旋或反气旋性环流,通过影响副极地以及副热带西风急流强度,在青藏高原的南侧产生异常的反气旋或气旋性环流,从而使得青藏高原上空的垂直运动发生变化,导致青藏高原冬季地表气温异常。     

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     

近百年全球温度变化中的ENSO分量

首先利用Nin~o C区海温、Nin~o 3区海温及两个不同的SOI序列,建立了1867年春到1998年春期间的ENSO指数序列。近百年来ENSO对热带、热带外地区年际尺度的温度变化有显著影响,热带地区温度变化滞后ENSO约1个季,热带外地区滞后约2～3个季。ENSO能解释同期全球年平均温度方差的14%～16%左右;如果考虑ENSO对温度影响的滞后特征,则能解释的部分提高到20.6%。ENSO对温度的影响主要是在年际时间尺度上,对近百年来全球温度变化的长期趋势和年代际变率贡献不大。     

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。     

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。     

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。     

广东省各大江河年最大流量的预测研究

海洋、大气、地表径流是地球圈内水汽循环的一个整体。把北半球高空等压面高度场和太平洋海温场当作影响广东长期洪水变化的重要因子，是符合气候学和水文学原理的。通过主分量的分析方法，建立北半球500hPa高度场、北太平洋海温场与广东西江、北江、东江、韩江各大江河年最大流量长期变化的统计关系，从而作出翌年的年最大流量预测，取得了比较满意的成果。     

ENSO循环过程与南极海冰变化

应用1951-2001年ENSO特征指数(NINO1+2、NINO3、NINO4、NINO3.4、SOI)和1973-1998年南极海冰北界范围以及1950-2001年SODA海洋温度资料,分析探讨了ENSO循环过程与南极海冰之间的关系,研究了南大洋和太平洋海表温度与南极海冰之间的内在联系。结果表明,南极海冰变化与ENSO循环过程存在一定联系,特别是东南极海冰的变化与ENSO循环过程较为密切。这种遥相关关系表明,ENSO循环过程不仅与热带海洋自身的海 气相互作用存在密切关系,而且与南极海冰之间也存在一定的联系。当东南极海冰范围出现异常增大和减小时,在时滞一年之后,NINO循环指数将出现减弱和加强,而南方涛动指数将出现加强和减弱。这种相关关系的机制是通过大洋环流这一载体将异常海温向北输送来实现的。南极海冰范围的异常增加或减少,会直接影响南极绕极流的冷暖结构进而影响经向水体输送的异常,从而导致热带和副热带太平洋上层海温场的异常变化,对ElNino和LaNina事件的发生起到推动作用。     

全球变暖的模拟研究及与自然变率的比较

用NCAR 公共气候模式CCM3.6进行了1872～1999年共128 a的给定月平均海温强迫下的全球气候变化模拟研究,以及给定月平均气候海温强迫下积分100 a的全球气候自然变化模拟研究,对模拟的全球气温的变化进行了分析,发现模式能很好地模拟全球年平均气温的年际变化和年代际变化.模拟的结果可以弥补早期气候观测资料的不足,这样,就可以用来估算覆盖面完整情况下的全球平均气候变暖趋势.把经过模拟补充的完整覆盖面情况下的百年全球年平均气温变化序列称为第一近似,其1900～1999年增暖趋势为0.87 ℃/100a,比用Jones序列不完整覆盖面得到的气候增暖趋势0.66 ℃/100a要大,更接近于IPCC报告的上限.实测海温强迫下模拟的气温,其EOF1为全球一致的趋势,其时间系数为向上的变暖趋势,反映全球一致性的变暖;EOF2类似于ENSO的模态;EOF3类似于PDO的模态;而气候海温强迫的积分结果,则没有全球一致的温度变化.     

14MaB.P.澳大利亚板块对赤道太平洋影响的数值模拟

文章利用美国NASA的GISS海气耦合模式,研究了14MaB.P.时期与现代情景下的澳大利亚板块不同位置对赤道太平洋的影响。结果表明:14MaB.P.澳大利亚板块位置较现代偏南时,海洋次表层南赤道海水穿过印度尼西亚通道直接进入印度洋,注入赤道潜流的南赤道海水减少,使得赤道潜流主要来源于北赤道海水,造成赤道太平洋海温比现在冷,其中以赤道西太平洋海温降低幅度最大。而在海洋近表层赤道中东太平洋地区,由于进入海洋的净能量增加和西向风应力加强的共同作用,使得14MaB.P.时海温较之现代情景下要低0.2℃左右。此外,14MaB.P.澳大利亚板块较现代偏南时,赤道太平洋地区的降水量少于现代。     

东亚夏季降水与全球海温异常的年代际变化关系

利用1901—2010年GPCC逐月降水、Had ISST月平均海表温度、NOAA 20世纪再分析等资料,采用最大协方差分析(Maximum Covariance Analysis,MCA)、相关、回归等方法研究了东亚地区夏季降水与全球海表温度异常之间的年代际时空变化关系。MCA分析结果表明,东亚地区夏季降水与全球海温异常耦合关系在年代际尺度上主要表现为4个模态,分别受全球变暖、太平洋年代际涛动PDO、大西洋多年代际涛动AMO和北太平洋涡旋振荡NPGO影响,各自解释了27.7%,12.5%,8.9%和7.3%的方差。第一模态由于受全球变暖影响,东亚大部分地区水汽充足,因此东亚大部分地区降水均偏多。第二模态的降水异常表现为东亚中部地区降水偏多而南部和北部偏少的"南北旱中间涝"的三极型分布,其可能原因是太平洋年代际涛动使得东亚夏季风减弱,不利于水汽往北输送,引起水汽在东亚中部聚集,导致该地区降水偏多;同时西风带往南偏移,使得东亚中部地区对流增强,也引起该地区降水偏多。第三模态的降水异常则主要为"南涝北旱"的偶极分布型,可能原因是东亚大槽向东南方向偏移,东亚北部西风带减弱,使得东亚北部对流减弱、降水偏少,而东亚南部地区则对流增强、降水偏多。第四模态降水异常呈现出"南北涝中间旱"的三极型分布特征,其原因是东亚中部地区高层出现异常东风,对流活动减弱,导致东亚中部降水偏少,而南部和北部地区降水偏多。     

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。     

东太平洋暖池

利用1950-2002年间的海面温度(SST)资料,研究了东太平洋暖池的形态和热状态特征,并探讨了暖池变异与恩索(ENSO)的关系。结果表明,暖池形态和热状态均有明显的季节特征和年际变化,其年际变化与ENSO循环相联系;暖池热含量、面积和南界与ENSO有着十分密切的相关关系。合成分析结果显示,在厄尔尼诺(El Nino)事件爆发的前一年,暖池热含量偏少,面积偏小,南界偏北,而在事件爆发后,暖池热含量增多,面积增大,南界南移;在拉尼娜(La Ni?a)事件期间,暖池热含量、面积和南界的演变趋势基本与El Nino事件期间的情况相反。东太平洋暖池的经向变异可能对ENSO暖(El Nino)、冷(La Nina)事件的发展有重要作用。     

印度洋偶极子研究进展回顾

印度洋偶极子是热带印度洋中重要的年际变率之一,对印度洋周边国家乃至全球的气候有着重要的影响,关于其形成机制及气候影响的研究对于气候预测具有重要意义.主要回顾了近10年印度洋偶极子的相关研究进展,包括印度洋偶极子的基本特征、与热带太平洋中厄尔尼诺—南方涛动之间的关系、与亚洲夏季风之间的关系、对全球气候的影响以及全球变暖背景下的变化等.印度洋偶极子与热带太平洋中厄尔尼诺—南方涛动之间的关系体现为二者之间是相互影响的,但不同类型的印度洋偶极子对热带太平洋中厄尔尼诺—南方涛动的影响机制尚不明确,还需进一步的研究.印度洋偶极子与亚洲夏季风之间的关系体现为二者之间存在强烈的相互作用,印度洋偶极子与印度洋东部夏季风环流之间存在相互促进作用,而印度洋偶极子与印度夏季风环流之间的相互作用尚需进一步研究.此外,研究表明全球变暖背景下极端正印度洋偶极子的发生将增多,同时极端印度洋偶极子对我国极端气候事件的发生有着重要影响.以往的研究主要集中于单独的印度洋偶极子或印度洋偶极子和热带太平洋中厄尔尼诺—南方涛动的结合对我国极端气候的影响,而印度洋偶极子与中高纬环流系统或泛热带海洋之间的协同作用对我国极端气候事件的影响还亟需相关研究.对印度洋偶极子的系统性回顾可为未来印度洋偶极子的研究提供一定的科学基础.     

大西洋多年代际变化的研究进展

大西洋多年代际变化或称大西洋多年代际变率,是指发生在北大西洋区域海表温度周期性冷暖的变化,其周期为60～80年。虽然大西洋多年代际变化对全球和区域气候的影响十分显著,但是目前有关大西洋多年代际变化的形成机制一直是科学界关注的焦点,包括海洋内部动力过程、大气随机扰动以及人为和自然强迫均被证实会对大西洋多年代际变化有重要贡献。因此,更加全面地认识大西洋多年代际变化,对于理解全球气候变化的原因以及年代际气候预测都有重要的科学意义。研究回顾了有关大西洋多年代际变化的定义和主要特征、形成机制和原因,以及对全球和区域气候的影响等;然后讨论了大西洋多年代际变化的相关研究要点和存在问题。     

全球海表温度在不同时间尺度的主模态对比分析

利用1880—2009年HadISST资料,去掉百年全球变暖的信号,研究发现东太平洋、北太平洋和北大西洋都有较强的年际和年代际振荡信号,特别是赤道东太平洋南侧的年代际振荡是不容忽视的。对全球范围的海表温度资料做EOF分析发现,存在3种主要的全球尺度信号,第一模态为太平洋型、第二模态为北大西洋型以及第三模态为赤道中太平洋型。特别指出,第三模态是CP ENSO在全球模态中的表现。这3种模态在年际和年代际尺度都有显著的信号,在无滤波的情况下,3种模态方差贡献之和为34%。在年代际以上时间尺度范围,3种模态方差贡献之和为61%。在各种时间尺度中,这3种信号与全球平均温度都有一定的联系,尤其第一、二模态的影响最为重要,在年代际尺度中,第一、二模态方差贡献之和达到50%。2005年以后全球并没有明显增温,可能与前2个模态同时下降有关。