CMIP5/6模式对PDO调制ENSO爆发频率不对称的模拟评估

利用第五次和第六次国际间耦合模式比较计划(CMIP)中piControl情景下的模拟结果,结合观测资料,对比评估了19个CMIP5模式和23个CMIP6模式对太平洋年代际振荡(PDO)调制厄尔尼诺-南方涛动事件爆发频率不对称的模拟能力,并进一步揭示了PDO的调制过程。结果表明:在观测中,PDO正(负)位相下厄尔尼诺(El Niño)的爆发频率比拉尼娜(La Niña)多300%(少73%),53%(78%)的CMIP5(6)模式模拟出这一特征;尽管两个模式整体都低(高)估了PDO正(负)位相的调制能力,但CMIP6模式对PDO调制能力的模拟有所改进。进一步研究发现,在PDO正(负)位相下,赤道太平洋中西部会产生较强的西(东)风异常,风场通过平流的作用使得暖水向东流动,从而在太平洋中东部的海表面温度背景场中出现正(负)异常变化,而这有利于PDO正(负)位相下El Niño(La Niña)事件的发生。

近40年全球海洋热浪的时空特征和机制

基于1982—2021年美国国家海洋和大气管理局日最优插值海表温度资料,采用最小二乘回归、经验正交函数和相关分析等统计方法,分析了全球海洋热浪的时空特征和机制。结果表明:在过去的40年里,伴随平均海表温度的逐年上升,海洋热浪的发生频率、平均强度、最大强度、累积强度、持续时间和总天数都呈现上升趋势。基于对海洋热浪强度分类的分析进一步发现,不同强度类别的年平均海洋热浪日呈非均匀区域性分布特征,且中等强度的海洋热浪天数最多。历史基准期的选择会影响海洋热浪的气候态和阈值,是海洋热浪检测的一个重要问题。我们对去倾(全球变暖趋势)后的海洋热浪总天数进行经验正交函数分析发现,除全球变暖外,太平洋年代际振荡和厄尔尼诺-南方涛动对海洋热浪的年际特征起着主导作用。

西风爆发、次表层暖水东移与厄尔尼诺现象

利用最近20 a的大气海洋资料,分析了厄尔尼诺事件与赤道太平洋西风异常以及赤道太平洋次表层海温之间的关系.结果表明,赤道西太平洋(5°S～5°N,120°～160°E)和赤道中东太平洋(5°S～5°N,160°E～160°W)西风异常都存在着与厄尔尼诺周期一致的年际变化,但前者还包含有显著的2～3个月季节内振荡.赤道西太平洋次表层冷暖水东移也呈现年和年际时间尺度的振荡周期.在厄尔尼诺发生前,赤道西太平洋次表层海水出现持续性增暖,赤道西太平洋西风异常频率加快,强度增强.随后赤道中太平洋(160°E～160°W)出现持续性(3个月以上)强西风异常(即西风爆发),并进一步向东扩展,同时次表层暖水沿着赤道波导东移到赤道东太平洋混合层,导致赤道东太平洋海表大面积异常增暖,形成一次厄尔尼诺现象.最后,模式模拟了1980～1984年赤道太平洋海温的变化,进一步证实了赤道纬向西风异常对暖水东移起着重要的作用.

CCSM3对太平洋年代际振荡的敏感性试验

利用NCAR的CCSM3模式进行控制试验和1870—1999年的130 a模拟试验(敏感性试验),与相应的再分析资料进行对比,分析了太平洋海区的海温变化趋势和北太平洋年代际变率的时空结构,并且讨论了CO2对于北太平洋年代际变率的影响。结果表明:CCSM3模式能够模拟出北太平洋年代际变率的主要特征,其空间分布类似于典型的PDO海温异常分布型。特别是考虑了CO2增长变化以后,模式的结果更加接近再分析资料,其时间变化反映了20世纪北太平洋海温异常所经历的3次位相的转变。CO2增长变化,可以使这种太平洋年代际变化的周期增长,并且太平洋这种年代际位相转变也与CO2的变化增长有关。模式在考虑了CO2增长变化以后,双核的位置会偏东偏深,东西方向的温差将减少,也就是说CO2的增长变化,对PDO的位置和强度都有影响。

近百年气候变化及可能的自然影响因素研究进展

就国内外关于近百年的气候变化特征进行综述,并对太阳活动、火山爆发以及海气相互作用等自然因素对近百年气候变化的影响作了详细的总结。结果发现最近100年(1906—2005年)全球平均地表温度上升了0.56—0.92℃,中国的平均气温上升了(0.6±0.1)℃,但是20世纪全球和中国年平均降水没有明显的变化趋势。目前关于太阳活动、火山爆发和气候系统内部海气相互作用对于气候变化的影响,还存在很大的不确定性。

PDO的三维空间结构和时间演变特征

利用再分析次表层海温资料和CCSM3模式的1870—1999年130a模拟试验的结果,分析了北太平洋年代际变化(PDO)的三维空间结构和时间演变特征。结果表明,CCSM3模式较好的模拟了北太平洋年代际变化的主要特征,对再分析资料和模式结果的分析都表明从北太平洋表层至次表层的中层,年代际变化是非常显著的,PDO不仅仅局限于表层海洋,而是一个深厚的系统。北太平洋年代际振荡在海洋次表层存在一个信号传播通道,PDO的信号是沿着副热带海洋环流在海洋次表层顺时针传播的,从北太平洋东部沿西南方向传播到热带西太平洋,随后向北到黑潮-亲潮延伸区附近,最后向东传播至北太平洋中部,完成一次位相的转换。在信号传播的过程中深度逐步加深,最后在北太平洋中部达到最深。

普里兹湾附近绕极深层水和底层水及其运动特征

利用中国第 1 5次南极科学考察科学考察队的CTD全深度观测资料 ( 1 998年1 1月至 1 999年 2月 ) ,分析并讨论了普里兹湾以北的南大洋海域内 ,绕极深层水(CDW )和南极底层水 (AABW )的物理特性及其空间分布 .同时还与历史上其他学者的发现进行了比较 .指出了在研究海域内 ,CDW在 1 0 0～ 2 0 0 0m之间从北向南扩展 ,其高温核 (t>1 2℃ )和高盐核 (S >34 7)在 75°E断面上最为深厚 ,向南扩展得最远 ;而AABW则在 2 50 0m以深由陆坡底部向北扩展 ,σθ>2 7 875的高密度水体在 70°E断面上最为深厚 ,向北扩展得最远 .此外还通过实测的CTD资料证实了CDW和AABW的经向环流特征 ,以及它们与迪肯流环 (Deaconcell)、亚极地流环和深层流环的一致性 .

赤道太平洋温度、流场距平EOF分析及与厄尔尼诺的关系

利用EOF分析方法,讨论了最近20a赤道太平洋次表层温度、纬向流距平与厄尔尼诺的关系.结果表明:赤道太平洋海温距平EOF分析第一、二主分量占总量的近80％,其中第一主分量类似于厄尔尼诺模态,第二主分量类似于暖池模态;后一模态存在着突变和渐变两种过程,其中由冷位相变暖位相过程为渐变过程,而暖位相变冷位相过程为突变过程.厄尔尼诺事件是赤道西太平洋暖池突变过程的结果.赤道太平洋纬向流距平EOF的第二主分量代表赤道西太平洋潜流和东太平洋南赤道流的变化,这个模态存在着半年左右的振荡和与厄尔尼诺同位相的年际振荡两种频率.另外,它还存在明显的年代际变化.赤道西太平洋潜流和东太平洋南赤道流减弱是产生厄尔尼诺的必要条件.统计回归分析表明,赤道太平洋海温距平和纬向流距平EOF的第二特征向量的时间系数对厄尔尼诺和拉尼娜均有一定的预报意义.

云南雨季降水异常的热带海温和大气环流异常分析

利用云南地区32个站日降水量资料、NCEP/NCAR月平均大气环流资料和ERSST V3b的海表温度资料,利用合成分析、相关分析等方法,研究了影响云南雨季降水的太平洋-印度洋海温分布模态,并讨论了ENSO和热带印度洋偶极子(IOD)对云南雨季降水多寡影响的相对重要性,最后讨论了太平洋-印度洋海温分布型对云南雨季降水影响的物理机制。结果表明,热带太平洋ENSO和热带印度洋IOD对云南雨季降水多寡均有影响,但是热带印度洋IOD的影响更为重要。当热带西印度洋海温偏高明显(IOD正位相)时,在热带印度洋上有一偏东风,热带西印度洋上为一气旋性距平环流,其上的印度洋的暖湿气流向北进入大陆,然后经由高原南侧并由北向南进入孟加拉湾,从而抑制了孟加拉湾南支槽的发展和孟加拉湾暖湿空气向我国云南地区的输送,使得云南上空为水汽通量辐散区,降水偏少;当热带印度洋海温偏低且热带印度洋东西海温梯度表现为IOD负位相时,热带印度洋上没有偏东风,孟加拉湾槽偏强,向我国云南地区的水汽输送也偏强,云南上空为水汽通量辐合区,降水偏多。

基于CESM气候模式的ENSO后报试验

基于美国国家大气研究中心(NCAR)开发的通用地球系统模式(CESM),本文设计了nudging次表层海温的同化方案,进行了后报实验。对1982-2011年后报结果的分析表明,通过nudging同化,模式对ENSO现象有一定的模拟和预报能力,对赤道太平洋SST、纬向风、降水等海洋、大气要素等的后报结果与GODAS和NCEP再分析资料较接近,可以较好地重现历次厄尔尼诺和拉尼娜事件中异常东传的过程,超前1、3、6个月时,模式预报的Nio3指数与CPC指数的相关性分别达到0.88、0.81、0.70。但模式同时也表现出一定的春季预报障碍,秋季起报的后报效果最好,春季最差。对1982/1983和1997/1999两个厄尔尼诺事件的分析表明,模式后报的纬向风、热通量、风应力等大气变量的响应较实际滞后,而海洋的变化与实际情况相似,这与我们的同化方案设置有关,即模式只同化了次表层海温,进而强迫大气的响应,从而导致大气的变化较滞后。

基于CCSM3气候模式的同化模拟试验

基于美国NCAR及其他科学家合作发展的共同气候系统模式CCSM3,利用nudging方法开展了把15 m到465 m的次表层海温同化到该模式的研究。1980—2000年的同化试验结果表明,经过同化得到的模拟结果与实际较为一致,较好的再现了中低纬太平洋海洋和大气的平均特征和随时间演变的规律,但仍存在如海表温度偏高、降水偏强等问题。尤其是在大洋的东边界,陆地地形比较陡峭的地区,通常出现较大的偏差。

赤道太平洋西风异常与El Nio的关系

分析了 1 980年以来赤道太平洋西风异常观测资料 ,并利用POM海洋模式模拟了赤道太平洋海温对不同类型西风异常的响应。分析和数值模拟试验结果都表明 ,赤道太平洋上的西风异常可以引起赤道中东太平洋海温升高 ,但是ElNi no事件是否能发生 ,则与西风异常的位置、强度和东移有关。只有当赤道中太平洋 ( 1 60°E～ 1 60°W )出现一定强度的西风异常并较快东移 ,才有利于ElNi no发生。

2017年中国近海海表温度特征

通过对OISST资料1982—2017年中国近海海表面温度(SST)分析,发现2017年中国渤、黄、东海海表温度较常年偏高0～1.5℃,南海海表温度接近常年。2017年渤海海表温度是近36 a来最热的一年,达到14.4℃,黄海第二以及东海第三热的年份,整个中国近海海表温度的平均是历史第二高的年份。渤、黄、东海海表温度1—8月份达到或接近极端高温情况,之后海表温度降低并达到常年同期以下。对中国近海不同海区海表温度和陆地气温相关分析表明:不同海区受陆地气温影响区域不同,同时海表温度与陆地相关区域随着季节而变化。从2017年平流输运、净热通量、热含量和陆地大气温度影响等方面来看,造成渤、黄、东海海表温度偏高的主要原因是黑潮流速增强导致平流热输送增加,0～700 m热含量增加以及我国陆地区域气温的异常偏高,净热通量对其海表温度升高起抑制作用。

渤黄海冬季海温异常的时空分布特征及影响因子分析

基于Hadley中心提供的海表温度数据,分析了我国渤黄海冬季海温的时空分布特征,探讨了同期东亚环流场及前期太平洋海温场与渤、黄海冬季海温典型空间分布型态的相关关系。分析结果表明,渤黄海冬季海温具有4类典型的空间分布型式,且均具有显著的准2a振荡周期。东亚地区冬季高、中、低纬位势高度场的异常分布型态及我国近海低层环流系统之间的相互配置对渤黄海冬季海温分布型有显著影响;同时,前期太平洋关键海域海温异常的不同配置是渤黄海冬季4类典型海温异常型态的前兆强信号。

基于CESM气候模式的同化模拟实验

利用nudging方法将GODAS次表层海温资料同化到"通用地球系统模式"(CESM)中,并分析了同化后的海温、降水、海表面气压等海洋、气象要素。结果表明,同化后的模拟结果与GODAS、NCEP、GPCP等资料的结果较为一致,较好的再现了中低纬海洋和大气的平均特征和随时间演变的规律,NINO3指数的相关系数达到0.90。但模拟结果仍存在一些问题,如大西洋西边界流偏强,赤道辐合带降水偏多等。

厄尔尼诺现象及预测现状

厄尔尼诺现象是目前发现的最明显气候异常信号。本文简短地介绍了厄尔尼诺的研究和预测现状,指出厄尔尼诺的预测水平还很低,其主要因素是:一、没有建立起全球立体的厄尔尼诺监测网;二、研究局限于热带太平洋或热带印度洋-太平洋;三、缺乏多尺度相互作用的深入研究。另外,本文描述了厄尔尼诺发生前热带太平洋大气-海洋环流异常的几个特征。

热带西南印度洋上升流区季节和年际变化研究及与印太系统海气相互作用

用59年Ishii再分析温度资料,讨论了热带西南印度洋(SWTIO)上升流区的季节和年际变化以及与上升流区有关的温度距平的变化,同时分析了其与热带印太海气系统的关系,结果显示SWTIO上升流在南半球冬、夏季比较强,春季最弱。它的范围在5°～1°S,在东西向从50°E可以伸展到90°E。该上升流区的变化与温跃层的温度距平有密切的关系,并存在明显的5a振荡周期。SWTIO上升流区温度距平的5a周期振荡是由热带东印度洋温度距平在最大垂直温度距平曲面(MTAL)上向西沿着11.5°～6.5°S传播过来的,它与热带太平洋的温度距平传播方式不同。SWTIO上升流是热带印太海气系统的一个重要组成部分,印度洋偶极子超前SWTIO上升流区温度变化5个月,最大相关系数达到0.57,NINO3区指数超前SWTIO上升流区指数2个月达到0.49。当热带印太区域的大气风场改变,影响热带太平洋和印度洋表层SSTA,出现ENSO和DI-POLE,进一步向西传播到SWTIO次表层,导致SWTIO上升流区出现改变。

我国冬季气温的趋势变化特征及其影响因子分析

利用国家气候中心提供的中国160站逐月气温数据集、NCEP/NCAR再分析数据中心提供的大气环流数据、NOAA提供的全球海表温度数据及美国冰雪中心的海冰数据,分析了1951—2011年我国冬季气温异常的时空变化特征。应用经验正交函数分解得到中国冬季气温变化的两种典型空间分布型态-全国一致型和南北相反型,三次样条函数拟合结果表明这两种分布型态均具有显著的趋势变化特征。同时,分别探讨了大气环流及外强迫因子的趋势变化及其对中国冬季气温变化趋势的影响,并综合分析了影响我国冬季气温趋势变化的海温(冰)等外强迫因子与东亚大气环流系统之间的相互配置及贡献。结果表明,强的热带海温异常变化是影响东亚大气环流及冬季气温变化的最主要外强迫因子。当热带印度洋与赤道中东太平洋海温同时偏高(低)时,冬季西伯利亚高压强度偏弱(强),AO处于正(负)位相,东亚冬季风强度偏弱(强),冬季气温呈一致偏高(低)变化;当热带印度洋海温偏高(低),赤道中东太平洋海温偏低(高)时,东亚冬季风强度偏弱(强),AO指数为负(正)位相,西伯利亚高压偏弱(强)的配置时,冬季气温易呈北冷(暖)南暖(冷)趋势变化。

大西洋热盐环流年代际变化机制研究 Ⅲ.北大西洋海气要素对热盐环流年代际振荡的影响

基于该系列文章前文研究中构建的海气耦合气候模式和所揭示的北大西洋热盐环流年代际振荡机制,针对海气要素对该振荡机制的影响问题进行了重点的探讨。为细致准确的研究北大西洋海洋要素同北大西洋热盐环流年代际振荡的关系,有针对性的定义了副极地海区表层密度指数和北大西洋暖流强度指数并对模式结果进行了全面分析。分析结果表明副极地海区表层密度变化领先大西洋径向翻转环流(MOC)变化7 a,北大西洋暖流的变化领先MOC变化4 a,格陵兰-苏格兰海脊溢流水强度(包括丹麦海峡溢流水和法鲁海峡溢流水,是北大西洋深层水的重要来源)的变化领先MOC的变化3 a;北大西洋大气要素变化对北大西洋热盐环流年代际振荡有非常重要的调制作用,当副极地流环和北大西洋暖流(NAC)达到最强的2 a之前,高纬度地区大气为气旋式环流异常,中纬度地区大气为反气旋式环流异常,海表热通量在大西洋副极地海区是负异常,这都有利于副极地流环和NAC的加强,更多高盐度的北大西洋水进入格陵兰-冰岛-挪威海(GIN)海域,由此可以导致GIN海域表层密度上升,使水体的层结稳定性减弱,有利于深层对流的发生,同时大气变化通过风应力旋度和海表热通量也直接影响GIN海域深层水的生成,进而导致格陵兰-苏格兰海脊溢流水的强度增加。

中国近海海温年际年代际振荡关键海区分析研究

用HADLEY中心的HadISST的海温资料、NCEP的大气资料、国家气象局发布的74个月平均环流指数和美国华盛顿大学的PDO指数,讨论研究了中国近海海温的年际年代际振荡。通过对我国近海海温的EOF分析,可以发现我国近海30 N附近是海温年际年代际振荡信号最强的关键区,它占了总量的58.2%,与澳大利亚东北沿海海温年代际振荡有相同的周期,最明显周期是44—45年,滞后PDO信号近15年左右。该关键区海温与澳大利亚东北沿海海温都还存在1年、5年和15年的振荡,它们的相关系数达到0.604,属于同一个模态。另外,1年的海温振荡信号除了澳大利亚东北沿岸以外,还沿着西太平洋海岸线分布,因此中国近海海温年际年代际振荡不是一种局地现象,而与太平洋海温变化有关。另外,它是海气相互作用的结果,与中高纬度的东亚大槽和低纬度太平洋印度洋的风场、西太平洋副高和南海副高、大气温度场甚至南半球环流有明显的关系。