热带大气动力学研究进展

自80年代以来,热带大气动力学的研究继60年代之后又掀起了一个高潮,国内外科学家进行了一系列研究工作,近四年来成果十分喜人,如果我们把60年代的工作看成是热带大气动力学的奠基,因为当时的三个主要工作(第二类条件不稳定理论,热带大气波动和积云对流参数化理论)都是热带大气运动的最基本理论,那么80年代的研究则是在上述基本理论基础上,联系大气环流和气候变化问题,进行深入的探讨,为大气环流的一些异常变化提出新的理论。

海洋性大陆地区季节内对流活动对中国东南地区冬季降水的影响

分析了海洋性大陆地区季节内对流活动对北半球冬季中国东南地区降水的影响。根据这些对流活动是否具有东传特征,进一步将它们分为连续东传的MJO(Madden-Julian Oscillation)对流事件和准静止的非MJO对流事件。结果表明,这两类季节内对流活动对中国降水的影响存在明显差异。MJO对流对中国降水影响的空间范围较大,并且降水在MJO东传过程中呈现连续南传特征;非MJO对流的影响范围较小,并且其影响的关键区域随时间由北向南跳变。当对流在海洋性大陆地区处于活跃(抑制)位相时,MJO对流会导致中国东南地区降水呈现南正北负(南负北正)的偶极型分布,而非MJO对流仅仅会导致广东和福建一带降水偏少(偏多)。当对流在海洋性大陆地区由抑制(活跃)位相向活跃(抑制)位相转换时,MJO对流会引起中国东南大部分地区降水偏多(偏少),非MJO对流则引起江西北部、福建西北和浙江西部一带降水偏少(偏多)。水汽通量诊断结果表明,两类对流事件影响中国降水都主要受到季节内尺度风场异常的调控。具体来说,季节内尺度上低层经向风的差异,进而导致其经向梯度对水汽的输送存在明显差异,最终导致两类不同的季节内对流对中国东南地区降水的影响存在差异。

ENSO机理及其预测研究

资料分析研究表明ENSO(ElNio和LaNia)实际上是热带太平洋次表层海温距平的循环,而次表层海温距平的循环是赤道西太平洋异常纬向风所驱动的,赤道西太平洋的异常纬向风又主要由异常东亚冬季风所激发。因此可以将ENSO的机理视为主要是由东亚季风异常造成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循环。同时分析还表明,热带西太平洋大气季节内振荡(ISO)的明显年际变化,作为一种外部强迫,对ENSO循环起着十分重要的作用;ElNio的发生同大气ISO的明显系统性东传有关。资料分析也表明,ElNio持续时间的长短与大气环流异常有密切关系。用非线性最优化方法研究ElNi～no-南方涛动(ENSO)事件的可预报性问题,揭示了最容易发展成ENSO事件的初始距平模态,即条件非线性最优扰动(CNOP)型初始距平;找出能够导致显著春季可预报性障碍(SPB),且对ENSO预报结果有最大影响的一类初始误差——CNOP型初始误差,进而探讨耦合过程的非线性在SPB研究中的重要作用,提出了关于ENSO事件发生SPB的一种可能机制;用CNOP方法揭示了ENSO强度的不对称现象,探讨ENSO不对称性的年代际变化问题,提出ENSO不对称性年代际变化的一种机制;建立了关于ENSO可预报性的最大可预报时间下界、最大预报误差上界和最大允许初始误差下界的三类可预报性问题,分别从三个方面揭示ENSO事件的春季可预报性障碍现象,比较有效地量化了模式ENSO事件的可预报性。利用中国科学院大气物理研究所地球流体力学数值模拟国家重点实验室的ENSO预测系统,研究了海洋资料同化在ENSO预测中的应用,该系统可以同时对温、盐剖面资料和卫星高度计资料进行同化。并且在模式中采用次表层上卷海温的非局地参数化方法,可有效地改进ENSO模拟水平。采用集合卡曼滤波(Ensemble Kalman Filter,EnKF)同化方法以及在集合资料同化中"平衡的"多变量模式误差扰动方法为集合预报提供更加精确和协调的初始场,ENSO预报技巧得到提高。

全球增暖的另一可能原因初探

太阳是地球流体 (大气和海洋等 )运动的最终能量源 ,地球环境 ,尤其是气候的变化不能不与太阳活动有关。目前 ,普遍将全球增暖归结为温室气体含量增加所导致的温室效应的加剧 ,这无疑是有一定依据和有道理的。但从科学上来讲 ,人类活动所引起温室气体增加的影响 ,并非是唯一原因。基于已有的一些研究结果 ,从太阳活动的观点所进行的初步分析表明 ,太阳活动也可能是引起近世纪全球增暖的另一个重要原因。太阳活动的影响主要包括太阳辐射的直接影响和引发地磁场变化的间接影响两个方面 。

西北太平洋台风活动与大气季节内振荡

本文综合介绍了大气季节内振荡与西北太平洋台风活动关系的最新研究结果。主要内容是:大气MJO的活动对西北太平洋台风的生成有比较明显的调制作用,在MJO的活跃期与非活跃期西北太平洋生成台风数的比例为2:1;而在MJO活跃期,对流中心位于赤道东印度洋(即MJO第2～3位相)与对流中心在西太平洋地区(即MJO第5～6位相)时的比例也为2:1。在MJO的不同位相,西太平洋地区的动力因子和热源分布形势有很明显不同。在第2～3位相,各种因子均呈现出抑制西太平洋地区对流及台风发展的态势;而在第5～6位相则明显促进对流的发生发展。这说明MJO在不断东移的过程中,将影响和改变大气环流形势,最终影响台风的生成。对多台风年与少台风年850 hPa的30～60 d低频动能距平合成分析表明,在多台风年有两个低频动能的大值区,其中最显著的是低频动能正异常位于菲律宾以东15°N以南的西北太平洋地区,此区域正好为季风槽所在的位置。而少台风年的情况与多台风年相反,从阿拉伯海东部经印度半岛、孟加拉湾一直到我国南海地区,都是低频动能的大值区,最大的低频动能中心位于印度半岛和我国南海南部;而菲律宾以东的西北太平洋是低频动能的负距平区,季风槽偏弱,对台风生成发展不利。200 hPa速度势场清楚表明,多台风年(少台风年)在菲律宾以东的西北太平洋上表现为高层辐散(辐合),增强(减弱)该地区的上升气流,有利于(不利于)台风的生成。大气季节内振荡(ISO)对西北太平洋台风路径影响的研究表明,大气ISO)流场对台风路径预报有重要参考意义。其结果表明,台风生成时850 hPa低频气旋(LFC)的正涡度带(特别是最大正涡度线)走向往往预示着台风的未来走向;200 hPa的低频环流形势对台风的路径也有一定的指示作用,与200 hPa低频反气旋(LFAC)相联系的200 hPa强低频气流对台风起着引导气流的作用。

大气季节内振荡及其重要作用

大气季节内振荡(ISO)是上世纪80年代以来大气科学的重要前沿研究课题。作者系统地回顾和总结了十多年来在大气季节内振荡(ISO)及其对其他气候系统的重要作用方面的主要研究工作和成果,尤其是新近的研究成果。主要包括热带大气ISO的基本特征和主要活动规律;中高纬度大气ISO的基本特征和活动规律,以及与热带大气ISO的主要差别;全球大气低频(30～60天)遥相关特征;大气季节内振荡的动力学机制;大气季节内振荡对南海(亚洲)夏季风爆发,以及对南海(东亚)夏季风异常的重要作用;热带大气季节内振荡与EI Nino(La Nina)的相互作用关系。

MJO研究新进展

MJO与ENSO的关系、MJO的数值模拟(预报)以及MJO对天气气候的影响是近些年来国内外大气科学研究的重要前沿问题。本文将综合介绍国内有关MJO对天气气候的影响以及MJO的数值模拟(预报)方面的近期研究进展,因为过去已介绍过MJO与ENSO相互作用的研究结果。利用澳大利亚气象局的RMM-MJO指数研究MJO与西北太平洋台风活动的关系,结果表明大气MJO对西北太平洋台风的生成有比较明显的调制作用,在MJO的活跃期与非活跃期西北太平洋生成台风数的比例为2:1;而在MJO活跃期,对流中心位于赤道东印度洋(即MJO第2、3位相)与对流中心在西太平洋地区(即MJO第5、6位相)时的比例也为2:1。对大气环流的合成分析显示,在MJO的不同位相西太平洋地区的动力因子和热源分布形势有极其明显不同。在第2、3位相,各种因子均呈现出抑制西太平洋地区对流及台风发展的态势;而在第5、6位相则明显有促进对流发生发展,并为台风生成和发展创造了有利的大尺度环流动力场。对多台风年与少台风年850hPa的30～60d低频动能距平的合成分析表明,在多台风年最显著的是低频动能正异常位于菲律宾以东15?N以南的西北太平洋地区,表明那里有强MJO的活动;而少台风年的情况与多台风年相反,菲律宾以东的西北太平洋上与季风槽位置对应区域是低频动能的负距平区,那里MJO偏弱。即赤道西北太平洋上MJO活动的强(弱)年对应西北太平洋的台风偏多(偏少)。对应MJO的不同活动位相,无论冬季、春季或夏季,中国东部的降水都将出现特殊的异常形势。在春季,MJO的第2、3位相有利我国东部长江中下游地区多雨、华南地区少雨;MJO的第4、5位相有利我国华南地区多雨而长江中下游地区少雨;在MJO的其它位相,我国东部地区都为降水负异常。在冬季,对应MJO的第1～3位相(特别是第2、3位相)中国华南降水偏多;而对应MJO的第6～8位相(特别是第6、7位相)中国华南降水偏少。在夏季,MJO位于印度洋时,MJO可以通过低层西风急流的波导效应影响到中国东南部地区,造成该地区降水偏多;当MJO位于西太平洋地区时,可以造成经向环流的上升支向北偏移,导致西北太平洋副高的东撤、以及中国东南部地区水汽输送减弱,降水减少。资料分析还表明,在年际变化尺度上,热带中、东印度洋MJO指数的持续异常对云南夏季降水有明显的影响。大气环流和数值模拟都表明,MJO活动不同位相的强对流会在东亚/西北太平洋地区激发产生不同形势的遥响应(Rossby波列),导致在中国不同地区出现有利(或不利)降水的环流形势和条件,是MJO活动影响中国降水的主要机制。用数值模式对MJO进行数值模拟(预报)是尚未很好解决的困难问题,原因也没有完全搞清楚。我们的一系列数值模拟清楚表明,MJO的模拟(预报)效果对模式所用对流参数化方案有很强的依赖关系;模式能否很好描写(再现)热带大气非绝热加热廓线,是极其关键的问题,只有当加热廓线在对流层中低层有最大加热时,模式才能得到同实际观测大体一致的MJO及其活动特征。这些数值模拟结果与我们过去从理论研究得到的结论相吻合,彼此得到应证。

梅雨与北极涛动及平流层环流异常的关联

平流层过程如何影响气候变化是一个大家关注的科学问题,在WCRP中专门设置了一个研究子计划SPARC.本文的分析研究表明,中国的梅雨异常可能受到平流层大气环流异常的影响,而这种影响是通过北极涛动(AO)的变化来实现的.从分析和计算结果可以看到,二月份北半球30 hPa位势高度的EOF第一主分量对应着副热带和高纬度地区的显著下传异常波作用量,其第三主分量对应着极地地区的显著下传异常波作用量,这些下传的异常波作用量都对三月份AO形势的形成有明显的贡献.三月份的AO则会通过影响东亚地区夏季对流层大气的冷暖状况和环流,在长江中下游地区导致异常垂直运动和辐散辐合形势,从而影响夏季的梅雨降水.

中国热带大气季节内振荡研究进展

热带大气季节内振荡(包括MJO)是大气环流的重要系统,它的活动及异常既对其他系统有一定的作用,也对长期天气和短期气候有明显影响。因此,热带大气季节内振荡一直是大气科学的前沿研究课题之一。文中对近5—10年中国学者的有关研究工作及其进展做了简要回顾和综合,主要包括:(1)热带大气季节内振荡特别是MJO的动力学机制;(2)热带大气季节内振荡以及MJO的数值模拟问题,特别是大气非绝热加热廓线对模式模拟MJO的重要作用;(3)热带大气季节内振荡和MJO,特别是在赤道西太平洋地区,与ENSO的相互作用关系;(4)热带大气季节内振荡(包括MJO)及其流场形势对西太平洋台风活动的重要影响,即MJO对西北太平洋台风生成数的调制作用,以及热带大气季节内低频气旋性(LFC)和反气旋性(LFAC)流场对西太平洋台风路径的影响;(5)热带大气季节内振荡(包括MJO)的活动及异常对东亚和南亚夏季风建立、活动异常的影响,以及它们与中国降水异常的密切关系。

赤道印度洋海温偶极子型振荡及其气候影响

对近百年观测资料的分析表明赤道印度洋海温（ＳＳＴ）确实存在着偶极子型振荡的变化特征，它在９～１１月最强，而在１～４月最弱；年际变化（４～５年周期）和年代际变化（主要为２０～２５年周期）也十分清楚。这个偶极子主要有正位相型（海温西高东低）和负位相型（海温东高西低）；一般正位相型的振幅强于负位相型。尽管在极个别年赤道印度洋海温偶极子似乎与太平洋ＥＮＳＯ无关，但总体而论，赤道印度洋海温偶极子与赤道太平洋海温偶极子（类似ＥＮＳＯ）有很好负相关。它们的联系主要是赤道大气纬向（Ｗａｌｋｅｒ）环流。资料分析表明，赤道印度洋海温偶极子与亚洲南部流场、青藏高压和西太平洋副高都有明显关系，表明它对亚洲季风活动有重要影响。

年代际气候变化研究

概括的介绍了中国科学家近几年在年代际气候变化方面的研究进展,包括中国气候的年代际变化特征,北大西洋涛动(NAO)和北太平洋涛动(NPO)与中国年代际气候变化的关系,北太平洋海面温度(SST)年代际模及其影响,大气环流系统的年代际变化以及气候突变问题。

中国气候年代际变化的大气环流形势对比分析

该文通过５０年代和８０年代大气环流形势异常的对比，分析了中国气候年代际变化的特征．其主要结果是：中国气候变化存在明显的年代际变化特征；在中国气候年代际变化的不同气候阶段，北半球大气环流也有明显的不同异常形势，尤其是西北太平洋和中国大陆一带地区的环流异常非常不一样；同时，与空间分布的明显差异相类似，子波分析表明对于不同的气候阶段，也有不同的时间变化型与之相对应．

热带太平洋—印度洋海温联合模及其气候影响

本文基于观测资料和LICOM2.0模拟结果的分析研究,简要介绍讨论了太平洋—印度洋海温(异常)联合模(PIOAM)的存在、特征、演变及其影响等问题。热带太平洋—印度洋区域乃至全球范围的海表温度异常(SSTA)资料进行EOF分解,都清楚表明其第一分量在热带太平洋—印度洋的空间形态与太平洋—印度洋海温(异常)联合模(PIOAM)非常相似,说明PIOAM是热带太平洋—印度洋实实在在存在的一种海温异常模态。对应PIOAM的正、负位相,热带印度洋和西太平洋地区的夏季(JJA)850 h Pa距平风场有近乎相反的异常流场形势;对流层低层的Walker环流支和亚洲夏季风都出现了不同特征的(近乎相反)异常;在PIOAM正(负)位相将使得100 h Pa的南亚高压位置偏东(西)。对热带太平洋和印度洋温跃层曲面上的海温异常(为了方便将其称为SOTA)进行EOF分解,发现其第一模态也是一个三极子模态,即当赤道中西印度洋大部分海域与赤道中东太平洋大部分海域偏暖(偏冷)时,赤道东印度洋和赤道西太平洋大部分海域则偏冷(偏暖);它与太平洋—印度洋表层的PIOAM十分类似,也表明PIOAM在海洋次表层也是存在的。高分辨海洋环流模式LICOM2.0的模拟结果,无论是对太平洋—印度洋表层还是次表层的PIOAM的特征和演变都刻画得很好,这从另一个角度进一步说明PIOAM是热带太平洋—印度洋实际存在的一种海温变化模态。PIOAM正、负位相不仅对亚洲及西太平洋地区的天气气候有非常不一样的影响(不少地方有反向的特征),还会对南北美洲和非洲一些地区产生不同影响;而且其影响与单独的厄尔尼诺(El Ni?o)及印度洋偶极子(IOD)都不尽相同。

中国南方雨雪冰冻异常天气原因的分析

2008年1月我国南方发生了罕见的持续严重雨雪冰冻灾害,对于这次小概率极端天气气候事件的初步分析表明,虽然这个冬季在赤道东太平洋存在明显的La Nia事件,但2008年1月无论是我国的异常降水场和温度场,还是亚洲和西太平洋地区的大气环流异常场都与历史上11个La Nia事件盛期1月的合成场有显著的差别,因此La Nia事件不是造成持续雨雪冰冻天气的直接罪魁祸首。进一步的分析发现这次持续严重雨雪冰冻天气的发生与多个大气环流系统的异常有关,而且更为重要的是它们的异常形成了某种形式的配合,我们称其为组合性异常。其中,乌拉尔山阻塞高压和贝加尔湖-巴尔喀什湖的横槽,为不断有冷空气从西路向南爆发提供了条件;东亚和日本地区的高度正异常使得北方冷空气的势力不是很强,适于锋面在我国南岭及其以北地区较长时间停留,为持续降水确立了背景;西太平洋副高偏强和偏西也对冷空气的向南推进起了阻挡作用;印缅槽的持续偏强和西太平洋副高的偏强一起使暖湿空气源源不断地输送到华南地区,有利持续降水的发生;持续的冷空气活动和持续的降水,导致持续的低温,为冰冻创造了条件。可以认为,大气环流的组合性异常是造成持续雨雪冰冻天气的直接原因。

大气环流系统组合性异常与极端天气气候事件发生

根据2008年1月我国南方发生的持续严重雨雪冰冻灾害、1998年长江流域的特大洪涝灾害和2009/2010年冬季云南的极端干旱灾害的分析结果,再次强调指出,对于一些小概率的极端天气气候事件的发生,大气环流系统的组合性异常起着极其重要的作用。对于2008年的严重雨雪冰冻灾害的发生,多个大气环流系统的组合性异常包括:乌拉尔山阻塞高压和贝加尔湖-巴尔喀什湖的横槽,这为不断有冷空气从西路向南爆发提供了条件;东亚和日本地区的高度正异常使得北方冷空气的势力不是很强,适于锋面在我国南岭及其以北地区较长时间停留,为持续降水确立了背景;西太平洋副高偏强和偏西也对冷空气的向南推进起了阻挡作用;印-缅槽的持续偏强和西太平洋副高的偏强共同使暖湿空气源源不断地输送到华南地区,有利持续降水的发生,为冰冻造成了条件。对于1998年夏季长江流域的特大洪涝的发生,多个环流系统的异常包括:夏季西南季风涌的活动,西太平洋副热带高压活动,北方冷空气活动和青藏高原对流系统东传的共同作用。对于2009/2010年冬季云南的极端干旱灾害的发生,多个环流系统的异常包括:对流层高层中东地区副热带西风急流减弱,影响Rossby波的活动,不利于青藏高原-孟加拉湾槽的建立;西太平洋副热带高压偏强、位置略为偏南,对低层水汽输入云南起到抑制作用;NAO的负异常所导致的遥相关波列异常,使得东亚北方冷空气活动偏东,不易到达云南地区,还使得南支槽偏弱,暖湿气流也不易到达云南地区。ENSO虽然对中国天气气候变化有相当重要的影响,但并非每次异常天气气候事件的发生都是它的直接影响。对于ENSO影响必须具体分析,才能决定它在异常事件、特别是极端天气气候事件中的确切作用。

冬季蒙古高压与北太平洋海温异常的年际尺度关系

蒙古高压和北太平洋海区的气压差被认为是造成东亚冬季风及其变化的重要原因,而过去有关的研究以其年代际时间尺度为多,本文的研究揭示了冬季蒙古高压和北太平洋海温异常(SSTA)在年际时间尺度上的相互关系。冬季蒙古高压的活动与太平洋年代际振荡(PDO)之间在年际时间尺度上也存在明显的负相关,冬季的强(弱)蒙古冷高压活动往往对应着北太平洋PDO的负(正)位相;这种年际时间尺度的负相关存在着年代际变化,它基本上出现在年代际尺度相关不明显的时期。分析还表明从东北太平洋到热带西太平洋存在一条冬季蒙古高压指数与海温间的高相关带,它的位置和形势与过去所研究的年代际通道(IP)十分一致,而且从前春到同期冬季的海温都与蒙古冷高压有显著的相关,表明亚洲大陆和北太平洋海气相互作用的一定特征,我们称其为北太平洋中纬度"海气相互作用桥(SAIB)"。同时也可以看到,SAIB所显示的最大相关区有季节移动性,在一定程度上反映了年际海气相互作用的季节性变化特征;PDO和SAIB区域的海温变化,尤其是前期(特别是夏季)SAIB区的正海温异常可能对东亚冬季风(蒙古冷高压)的加强活动有指示意义。

南海夏季风活动及其影响

资料分析及其同南亚（印度）夏季风的比较，指出建立的突发性和经向分量的重要性是南海夏季风活动的两个最基本特征。根据南海夏季风经向分量与纬向分量同样重要的特征，并考虑南海地区大气环流的基本形势，提出了用对流层高低层散度差构成季风指数，它可以更好地描写南海夏季风的活动。资料分析和大气环流模式（ＧＣＭ）数值模拟试验都清楚地表明南海夏季风年际异常对大气环流和气候有极为重要的影响，不仅影响东亚地区，而且通过东亚－太平洋－美洲（ＰＪ或称ＥＰＡ）波列影响美国的天气气候变化。

伴随南海夏季风爆发的大尺度大气环流演变

主要基于美国ＮＣＥＰ和ＮＣＡＲ的再分析资料（１９８０～１９９６ 年），针对南海夏季风爆发日期进行合成分析， 研究了伴随南海夏季风爆发的大尺度大气环流演变。其结果清楚地表明伴随南海夏季风爆发， 南亚和东南亚地区的对流层低层风场、对流层高层位势高度场以及大气湿度场和垂直运动场都有极显著的变化。南亚和东南亚８５０ ｈＰａ 上涡旋对的发展和活动以及５００ ｈＰａ 副高从南海地区的东撤对南海季风爆发起着重要作用。伴随南海夏季风的爆发， 在孟加拉湾到南中国海一带整层湿度和５００ ｈＰａ 垂直上升运动都出现了极明显的增加。对流层高层和对流层低层环流演变的特征也清楚表明， 南海夏季风爆发既是全球环流冬夏演变的一个部分， 又有显著的区域性特征。本文还指出南海夏季风在北部比中部和南部早建立的结论依据不足， 进而补充给出了亚洲季风爆发日期示意图。

厄尔尼诺的发生与赤道西太平洋暖池次表层海温异常

通过资料分析研究了厄尔尼诺事件的爆发与西太平洋暖池次表层海温正异常的重要关系。结果表明， Ｅｌ Ｎｉ珘ｎｏ 事件之前暖池次表层海温都有明显的持续升高； 这种暖池次表层海温正距平的出现， 尤其是它向赤道中东太平洋的传播对 Ｅｌ Ｎｉ珘ｎｏ 事件的爆发有直接关系，是导致 Ｅｌ Ｎｉ珘ｎｏ 事件的重要原因。分析还表明， 暖池次表层海温正距平的东移原因在于赤道西太平洋地区西风异常的发生和向东扩展。

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．