热带大气季节内振荡和ENSO的相互关系

通过观测资料的分析和数值模拟，研究了热带大气季节内振荡与ＥＮＳＯ的相互关系．一方面，在Ｅ１Ｎｉｎｏ事件发生之前，热带大气季节内振荡（尤其是在赤道中西太平洋地区）异常偏强，通过海一气相互作用它可能是Ｅ１Ｎｉｎｏ的一种重要激发机制．同时，赤道中西太平洋地区大气季节内振荡的异常加强同东亚中高纬度地区３０-６０天振荡的加强和强东亚冬季风有关．另一方面，ＥＮＳＯ对热带大气季节内振荡也有重要影响，在Ｅ１Ｎｉｎｏ期间，热带大气季节内振荡明显减弱；其结构明显趋于正压性．     

积云对流参数化方案对热带大气季节内振荡模拟的影响

本文利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）的大气环流谱模式的最新版本SAMIL2.2.3系统分析了积云对流参数化方案对热带大气季节内振荡（ISO）模拟的影响.结果表明该模式的三种积云对流参数化方案都能模拟出热带地区气候平均季节内振荡（CISO）时空演变的基本特征;其中Tiedtke方案相比于Manabe方案和Zhang-McFarlane方案,模拟出的CISO与观测更为接近.而SAMIL2.2.3模式对ISO年际变化部分（TISO）的模拟结果显示尽管SAMIL2.2.3相对于之前的版本对Tiedtke方案和Zhang-McFarlane方案针对不同问题做了必要调整,但三种积云参数化方案中只有Zhang-McFarlane方案能够模拟出27～50天TISO模态的东传特征.另外,SAMIL2.2.3与其较早版本SAMIL2.08中的Manabe方案完全相同,物理过程的其他部分如辐射方案和气溶胶条件有所调整,但仅后者能模拟出100E以西热带27～50天TISO模态的东传特征.因此,模式发展过程中物理参数化方案的改进并非在每一方面上都产生正面效果.动力框架和物理过程,以及不同物理过程之间的协调发展是改进模式的重要途径.     

外热带大气扰动对ENSO的影响

合成分析了20世纪80年代以来5次主要的ENSO事件,发现外热带大气扰动通过经向风异常不仅对ENSO的发生起到重要的触发作用,而且影响到ENSO的发展和衰减. 因此,尽管ENSO对外热带大气扰动有影响,但同时外热带大气扰动又与ENSO有相互作用. 在ENSO发生前,南印度洋中纬度为反气旋异常,并通过Rossby波的频散作用加强了澳大利亚附近的反气旋异常;同时,澳大利亚东部沿海的南风异常与菲律宾附近的北风异常在赤道辐合,促进了赤道西太平洋西风异常的爆发和其后ENSO的发生. 在ENSO发生之后,东南太平洋上的气旋异常及相关的南风异常进一步增强了赤道中东太平洋的西风异常和ENSO的发展. 当ENSO达到成熟时,澳大利亚东部的反气旋异常东移,使东南太平洋的气旋异常减弱,南方涛动型环流异常亦随之减弱;同时,阿留申气旋异常加强,尤其是副热带北太平洋的风场异常可加强赤道中东太平洋海水的涌升,使该地区海表温度降低,加速ENSO的消亡.     

大气季节内振荡的活动与江淮流域夏季旱涝

观测资料的分析极为清楚地表明,江淮流域的夏季降水有着极为明显的低频变化,周期为30-60d和近20d的振荡是其最基本的特征,尤其是在多雨的年份.对应江淮夏季多雨(涝)年和少雨(旱)年,大气环流的分析表明其大气季节内振荡(IS0)的形势有着显著的差异.例如在多雨(少雨)年,在长江以南的850hPa上为一个低频(IS0)反气旋(气旋)性环流控制,而中国北部和日本一带为气旋(反气旋)性环流,从而在江淮流域形成较强的低频辐合(辐散)气流;在200hPa的青藏高原上却为一个低频气旋(反气旋)性环流所控制.分析还表明,对应多雨年,在江淮流域有明显的由中高讳度向南传播和由低玮度向北传播的大气低频振荡的汇合情况;而对应于少雨年,由中高纬度向南传播的低频系统较不明显,在江淮流域低频系统的汇合也较为不清楚.     

热带太平洋海洋混合层水体振荡与ENSO循环

研究了热带太平洋温跃层和海面风应力年际变率主要模态及它们之间的相互作用, 探讨了ENSO循环的可能形成机制, 得到如下结果: (1)热带太平洋温跃层异常具以160°W为纵轴的东西向偶极子分布和以6~8°N为横轴的南北向跷跷板分布等两种主要模态, 两者(相位差90°)组合构成El Niño/La Niña循环, 表现为混合层水体(指温跃层界面之上海温垂直分布较均匀的上层海洋)在赤道与12°N之间的热带太平洋海盆内反时针三维振荡; (2)热带太平洋风应力异常具两种主要分布型, 第一特征向量场反映了热带太平洋信风异常导致的赤道太平洋异常纬向风应力及散度场与离赤道北太平洋异常越赤道风应力及反相散度场, 第二特征向量场反映了热带辐合带(ITCZ)异常导致的异常风应力及相应散度场; (3)信风异常对ENSO事件的形成、强度和相变都有决定性的作用, 它导致海面倾斜, 提供了混合层水体振荡初始位能, 同时造成赤道太平洋西部与东部之间和赤道太平洋与12°N北太平洋海盆之间温跃层同步反相位移, 限定了热带太平洋混合层水体振荡的振幅和路线. ITCZ异常主要对ENSO相变过程有一定影响; (4)热带西太平洋海洋热力异常导致海面风应力异常, 它伴随热带太平洋混合层水体振荡沿赤道由西向东扩展, 造成热带太平洋信风异常, 产生有利于水体振荡的异常风应力及散度场, 反过来进一步加强混合层水体振荡. 这一海气耦合过程与混合层水体振荡一起为ENSO循环提供了相变和年际记忆机制. 研究指出, ENSO循环实质上是由信风异常和海气耦合过程共同作用下产生的热带太平洋海洋混合层水体在赤道与12°N之间热带太平洋海盆内的惯性振荡. 海气耦合过程产生的作用力大于或等于水体运动阻力时, ENSO循环将加强或维持, 不足以克服水体运动阻力时, 水体振荡减小, ENSO循环将逐渐减弱, 直至中断.     

1998年长江流域洪水期大气季节内振荡特征及机理研究

1998年夏季长江流域洪涝灾害的发生与低纬和中高纬低频气旋在长江流域附近地区的汇合过程有关. 用包含18个动力热力因子及南北边界效应的局地经向环流线性诊断模式将各因子作用分解开来, 并根据1998年的NCEP再分析资料找到造成不同纬度低频气旋的产生、经向传播及相互作用的主要过程. 基于数值模式的定量分析结果, 表明低纬地区低频气旋的产生和传播主要与强积云对流有关的潜热加热、反映越赤道气流影响的边界效应及热量垂直输送作用有关; 而中高纬地区低频气旋的产生和传播则主要与反映西风带扰动的西风动量水平输送和温度平流作用有关, 西风带扰动主要体现为鄂霍次克海阻塞高压及东南侧的切断低压. 高低纬低频气旋在长江流域附近地区的合并, 不但为长江流域发生洪涝提供所需的抬升条件, 也为南海地区低层低频反气旋的形成创造了有利条件. 在来自南海低频反气旋西北侧的暖湿气流和位于长江流域的低频气旋上升运动的共同影响下, 长江流域发生了百年一遇的特大洪水.     

南海夏季风季节内振荡特征及其对热带印度洋MJO活动异常的响应

本文采用OLR和风场等NCEP再分析资料、日本APHRO_MA_V1003R1降水资料和CPC提供的MJO指数,分析了1979～2008年南海夏季风的季节内振荡特征和年际差异、对应的低频环流和对流场及降水分布、夏季风ISO的传播路径以及热带印度洋MJO对南海夏季风ISO的影响,发现：（1）气候均态下的南海夏季风在夏季（5～8月）共有3次ISO波动.每一次完整波动中经历发展-最强-减弱-抑制-最弱-恢复的6个位相（弱位相除外）.由于热带低频对流的东传和北传,在阿拉伯海-西太平洋纬带上,1～3位相和4～6位相的低频对流场和环流场呈反位相特征.对应雨带分布在1～3位相和4～6位相也大致呈反位相特征,20°N以南的热带地区主要是雨带随着低频对流的东移而东移,而20°N以北的东亚副热带地区则主要是雨带随着南海低频对流的北移而北移.（2）南海夏季风ISO强度具有显著年际变化特征.在南海夏季风ISO强年,夏季共有3次较强的ISO波动,前两次均来自于热带印度洋ISO先北传到孟加拉湾、再沿10°～20°N纬带东传到南海、在南海加强并激发ISO的北传,构成热带印度洋ISO向我国华南的经纬向接力传播;而在南海夏季风ISO弱年,其振荡强度大为减小且很不规律,ISO的经纬向传播也较弱;在平均状况下,热带印度洋ISO向南海的传播需要约20d左右（1/2个ISO周期）的时间.（3）MJO1（CPC提供的MJO指数第一模态）在4月第1～2候的平均值与南海夏季风ISO强度呈显著负相关,当热带印度洋MJO在4月第1～2候较活跃时,在随后5～8月中也大致偏强,ISO向南海地区的传播也较强,使得南海夏季风ISO加强;反之,则南海夏季风ISO将减弱.MJO在4月第1～2候的异常状况可以为我们预测随后的南海夏季风ISO强度以及分析相关地区的降水异常提供一定的理论依据.     

热带斜压大气的适应运动和发展运动

研究了热带斜压大气中的适应运动和发展运动 .当以重力惯性波为特征的适应过程基本完成后 ,运动进入缓变的发展或演变阶段 .发展运动可以是纬圈半地转平衡的 (即长波近似的Gill模式 ) ,也可以是经圈半地转平衡的 (短波近似 ) .分析了这两种半地转发展模式的特点后 ,提出了低频近似的发展模式 .在低频动力系统中 ,包括了除重力惯性波外 ,由Mastuno指出的所有热带基本运动 ,即Kelvin波、Rossby波和混合波中的Rossby短波 .因此 ,这个模式能反映热带运动更多的动力学行为 .     

热带太平洋年际尺度和热带不稳定波引起的叶绿素变率对ENSO调制的互补效应

在热带太平洋,观测数据表明海表叶绿素(Chl)表现出年际尺度变率和由热带不稳定波(TIW)引发的中小尺度扰动这两者的共存现象;两者通过海洋生物引发的加热(OBH)反馈对ENSO造成的联合影响尚未得到充分的表征和理解.本文利用一个混合型大气-海洋物理-生物地球化学耦合模式(HCM AOPB)来量化年际和TIW尺度上Chl扰动对ENSO的单独以及联合调制影响. HCM敏感性试验结果证实了两者对ENSO振幅存在相反的作用,其中大尺度Chl年际变率造成的海洋生物-气候反馈效应通过其对上层海洋层结和垂向混合的影响来减弱ENSO,而TIW尺度的Chl扰动则倾向于增强ENSO.气候模式中ENSO的模拟敏感地依赖于对不同尺度上Chl效应的表征方式,因此有必要在气候模式模拟中充分地考虑不同尺度上Chl引发的气候效应.本文揭示了热带太平洋Chl效应是气候模式中ENSO模拟的一个偏差源,可为不同尺度上热带太平洋气候系统与海洋生态系统间相互作用提供新的见解.这些结果也揭示了ENSO调制的复杂性:即热带太平洋海洋生物地球化学过程相关的年际和TIW尺度上的Chl扰动与物理过程间的相互作用可对ENSO产生协同效应.     

西双版纳热带季节雨林的土壤呼吸研究

2003年1月~2004年1月,用静态箱-气相色谱法对西双版纳热带季节雨林的土壤呼吸进行了研究.实验设3个处理,处理A:土壤;处理B:土壤+凋落物层;处理C:土壤+凋落物层+地表低矮植物.研究表明,土壤呼吸速率年变化在12~2月呼吸速率最低,7月出现明显的呼吸高峰,4月和10月还分别存在两个小峰.不同处理的土壤呼吸速率不同,实测平均值C>B>A,分别为14642,12807和9532mgCO2·m?2·h?1,差异达到1%显著水平.因西双版纳温度日变化不大,土壤呼吸速率日变化不明显.土壤呼吸速率与土壤含水量呈凸型抛物线型相关,达1%显著水平,水分含量在35%~40%范围时,土壤呼吸速率较大.土壤呼吸速率与5cm地温呈指数相关,达1%显著水平.根据计算,西双版纳热带季节雨林土壤呼吸的Q10为2.03~2.36,与文献所报道的热带土壤Q10接近.根据模型计算得到2003年的土壤+凋落物层+地表低矮植物的CO2排放量为5.34kgCO2·m?2·a?1,其中土壤为3.48kgCO2·m?2·a?1,占65.2%,凋落物层为1.19kgCO2·m?2·a?1,占22.3%,地表低矮植物为0.67kgCO2·m?2·a?1,占12.5%.