长江流域夏季极端高温的年代际变化特征及其与大西洋多年代际振荡的关系

本文基于地面观测资料和NCEP/NCAR再分析数据,利用经验正交函数分析、线性回归分析等方法对1960—2016年夏季(6—8月)长江流域的极端高温(Extreme High Temperature,EHT)事件的强度、暖昼、暖夜发生日数的年代际特征及其对应大气环流进行分析,并探讨了EHT事件与大西洋多年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO)的关系。结果表明,中国夏季长江流域的极端高温事件存在明显的年代际变化特征,其中1960—1970年和2002—2016年为暖时期,1971—2001年为冷时期。相较于冷时期,暖时期在高温强度、暖昼和暖夜的发生日数方面均明显偏暖。针对于该极端高温年代际特征的成因,研究结果表明,暖时期位于长江流域北部的对流层中高层异常反气旋和偏北偏西的西太平洋副高有利于该地区下沉运动的增强,进而有利于极端高温的出现。同时,在对流层低层,位于中国东部的异常反气旋将低纬地区的暖湿气流携带至长江流域,这也有利于长江流域EHT事件的发生。此外,进一步分析表明,AMO与长江流域夏季EHT事件在年代际尺度上存在明显的关系,AMO超前中国夏季长江流域的EHT事件6~8 a,这对预测中国长江流域极端高温事件具有一定的指示作用。     

东亚冬季风的年代际变化及其与全球气候变化的可能联系

对近年来中外关于东亚冬季风(EAWM)年代际变化问题研究进展做了回顾和评述,主要包括以下3个方面内容:(1)东亚冬季风明显受到全球气候变化的影响,从20世纪50年代开始,中国冬季气温经历了一次冷期(从20世纪50年代延续到80年代初中期),一次暖期(从20世纪80年代初中后期延续到21世纪初)和近10-15年(约从1998年开始)出现的气候变暖趋缓期(也称气候变暖停顿期)。(2)东亚冬季风主要表现出强-弱-强3阶段的特征,即从1950年到1986/1987年,明显偏强;从1986/1987年冬季开始,东亚冬季风减弱;约2005年之后,东亚冬季风开始由弱转强。与东亚冬季风的年代际变化特征相对应,东亚冬季大气环流以及中国冬季气温和寒潮都表现出一致的年代际变化。(3)东亚冬季风的年代际变化与大气环流和太平洋海表温度(SST)的区域模态变化密切相关。当北半球环状模/北极涛动(NAM/AO)和太平洋年代际振荡(PDO)处于负(正)位相,东亚冬季风偏强(弱),中国冬季气温偏低(高)。此外,北大西洋年代尺度振荡(AMO)对东亚冬季风也有重要影响,在AMO负位相时,对应东亚冷期(强冬季风),正位相对应暖期(弱冬季风)。因而海洋的年代际变化是造成东亚冬季风气候脉动的主要自然原因,而全球气候变暖对东亚冬季风强度的减弱也有明显影响。     

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。     

Atlantic multidecadal oceanic variability and its influence on the atmosphere in a climate model

The mechanisms controlling the decadal to multidecadal variability of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (MOC) and its influence on the atmosphere are investigated using a control simulation with the IPSL-CM4 climate model. The multidecadal fluctuations of the MOC are mostly driven by deep convection in the subpolar gyre, which occurs south of Iceland in the model. The latter is primarily influenced by the anomalous advection of salinity due to changes in the East Atlantic Pattern (EAP), which is the second mode of atmospheric variability in the North Atlantic region. The North Atlantic Oscillation is the dominant mode, but it plays a secondary role in the MOC fluctuations. During summer, the MOC variability is shown to have a significant impact on the atmosphere in the North Atlantic–European sector. The MOC influence is due to an interhemispheric sea surface temperature (SST) anomaly with opposite signs in the two hemispheres but largest amplitude in the northern one. The SST pattern driven by the MOC mostly resembles the model Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) and bears some similarity with the observed one. It is shown that the AMO reflects both the MOC influence and the local atmospheric forcing. Hence, the MOC influence on climate is best detected using lagged relations between climatic fields. The atmospheric response resembles the EAP, in a phase that might induce a weak positive feedback on the MOC.     

Impacts of Initialization Schemes of Oceanic States on the Predictive Skills of the IAP Near-Term Climate Prediction System

Based on the near-term climate prediction system of the Institute of Atmospheric Physics (hereafter IAP-DecPreS), we developed two distinct initialization schemes for the Coupled Global Climate Models (CGCM), FGOALS-s2. The first scheme used the Incremental Analysis Update (IAU) to assimilate gridded oceanic temperature and salinity data derived from the EN3 dataset. The second scheme used the merge of the ensemble optimal interpolation (EnOI) and IAU scheme (hereafter EnOI-IAU) to assimilate raw observational oceanic temperature and salinity profiles. The predictive skills of the decadal prediction experiments based on the two schemes were compared. Several metrics including temporal correlation and root mean square skills score indicate that the experiment based on the EnOI-IAU shows significantly higher predictive skills in the Sea Surface Temperature (SST) anomalies in the North Pacific associated with the Pacific Decadal Oscillation (PDO), than the experiment based on the IAU. In contrast, for the Atlantic Multi-Decadal Oscillation (AMO), the predictive skills of the experiment based on the EnOI-IAU are lower than that based on the IAU. The AMO has two activity centers, located in the subpolar and tropical North Atlantic. The skills of the experiment based on the EnOI are close to that based on the IAU in the tropical North Atlantic, while much lower than the latter in the extratropical region due to a false simulation of the warming trend in the region.     

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。     

南海北部琼东南海域HQ-48PC站位地球化学特征及对天然气水合物的指示意义

南海北部陆坡琼东南海域是中国天然气水合物勘探最具潜力的区域之一。对该海域的HQ-48PC站位沉积物样品的顶空气甲烷含量、孔隙水阴、阳离子及微量元素含量等地球化学特征进行综合分析,结果显示:在硫酸盐-甲烷界面(SMI,Sulfate-Methane Interface)(推算深度约为6.05 mbsf)发生了强烈的甲烷厌氧氧化反应(AMO,Anaerobic Meth-ane Oxidation),主要表现为SO24-含量线性降低接近于0、CH4含量发生骤增、有机碳和黄铁矿含量达到最大值及形成一个钡锋等特征。在SMI之上,HCO3-浓度随深度的增加呈明显上升的趋势,Ca2+、Mg2+、Sr2+等离子浓度随深度的增加呈降低的趋势,Mg2+/Ca2+比值随深度的增加呈明显增加的趋势,自生碳酸盐矿物以方解石为主;在SMI之下,HCO3-浓度随深度的增加呈缓慢下降的趋势,Ca2+浓度变化不大,Mg2+、Sr2+浓度和Mg2+/Ca2+比值随深度的增加呈降低的趋势,自生碳酸盐矿物以白云石为主。沉积物孔隙水的PO34-和NH4+含量较高,它们随深度的增加呈明显升高的趋势,且这种变化趋势与SO42-含量的下降趋势大致呈镜像关系。这些地球化学异常特征与国际上已发现有天然气水合物地区的地球化学特征相类似,暗示该采样站位深部沉积物中可能赋存有天然气水合物藏。     

过去2000年北极地区气候变化特征及其对AMO的响应

北极地区对全球变暖十分敏感,分析北极地区过去2000年历史气候对揭示全球气候变化极其重要,也是国际过去全球变化计划（Past Global Changes,简称PAGES）的重要目标。然而,过去2000年北极不同区域的气候随时间变化是否存在一致性仍有待检验。文章基于北极地区及其3个子扇区（北大西洋扇区、阿拉斯加扇区和西伯利亚扇区）的温度序列,对过去2000年北极的气候变化进行了趋势分析与频谱特征分析,初步探讨了大西洋多年代涛动（Atlantic Multi-decadal Oscillation,简称AMO）作为驱动因子对北极地区温度的影响。结果表明,公元1~1800年间北极地区存在着普遍的降温过程（-0.47℃/ka）,但温度变化区域差异显著,其中北大西洋扇区与北极地区整体温度间呈现显著的相关性（0.82）。北大西洋扇区温度呈现"平稳-下降-陡升"的趋势,阿拉斯加扇区温度呈现"下降-缓升-下降-陡升"的趋势,西伯利亚扇区温度呈现"平稳波动-陡升"的趋势。在过去200年间北极地区及其3个子扇区气候均出现了快速变暖。频谱分析表明,北极地区温度存在着准14年、准26年、准62年、准75年和准186年周期,其中北极地区温度的LFV谱在准62年与准75年周期和AMO周期大致吻合。综合交叉谱与小波分析的结果,公元1100年后,AMO以准74年的周期影响北极的气候变化,其中,北大西洋扇区受影响最为明显。阿拉斯加扇区与西伯利亚扇区虽然存在着显著的年代际周期特征,但可能与AMO的关联并不显著,这些区域气候变化的影响机理需要进一步深入研究。