南半球环状模气候影响的若干研究进展

南半球环状模是南半球热带外地区环流变率的主导模态。由于南半球环状模在空间上的大尺度特征,全球多个地区的气候均与南半球环状模的变化有关。探讨南半球环状模的气候影响,是近几十年来得到广泛关注并迅速发展的新方向。围绕这个方向,分别回顾了南半球环状模对南半球和北半球气候影响的研究进展,重点阐述了南半球环状模对中国气候影响的相关工作,并从长期变化尺度上,列举了南半球环状模与气候变化方面的研究成果。纵观近几十年的研究发现,针对南半球环状模对南半球的气候影响,目前已有比较系统的认识。总体而言,在年际尺度上,南半球环状模可以通过影响垂直环流和风暴轴的位置,改变表面风速对下垫面的热力和动力驱动作用,进而对南半球的海-气-冰耦合系统产生调控。这种调控多表现出纬向对称性,同时也存在纬向非对称的局地特征。在气候变化的尺度上,南半球环状模是过去半个世纪里南半球气候变化的主要驱动力之一。关于南半球环状模对北半球尤其是中国气候的影响问题,目前也取得了许多有意义的结果。例如,南半球环状模对东亚、西非、北美的夏季风和东亚冬季风均有作用,并且可以调控中国春季华南降水等。海-气耦合过程在南半球环状模对北半球气候的影响中扮演着重要角色,与南半球环状模信号的跨季节存储和由南半球向北半球的传播均有密切关系。但是,与南半球相比,南半球环状模对北半球气候影响的研究,还有许多问题值得深入讨论和研究:一是体现在对南半球环状模信号向北传播机制上的深入认识,二是将南半球环状模的信号作为因子在季节气候预测中的实践。

春季南半球环状模与长江流域夏季降水的关系:Ⅱ印度洋和南海海温的“海洋桥”作用

用回归、合成、相关、ESVD等方法分析了春夏季印度洋、南海海温异常在春季南半球环状模(SAM)与夏季长江中下游降水关系中的作用。研究发现春季南半球环状模指数(SAMI)正(负)异常时,同期南印度洋中高纬、北印度洋海域海温出现了明显正(负)异常,这种海温的正(负)异常在夏季依然存在,并且北印度洋的海温异常得到加强。对印度洋和南海海域详细划分区域后的进一步分析表明春季南半球热带外大气环流(SAM)异常可以强迫南印度洋中高纬海域海温发生明显异常。这种异常可以持续到夏季,而且表现出传播特性,即:南印度洋中高纬海温异常可以传播到北印度洋(包括阿拉伯海和孟加拉湾)和南海海域,加强这些海域的海温异常。对东亚夏季风与夏季海温关系的分析表明:东亚夏季风异常对应的夏季北印度洋、南海海温异常与春季SAM异常对应的夏季北印度洋、南海海温异常的形势相似,符号相反。说明印度洋、南海海温是春季SAM影响夏季长江中下游降水的一个“桥梁”。基本思路为:强(弱)春季SAM可以引起南印度洋中高纬海域海温的偏高(偏低);南印度洋中高纬海域偏高(偏低)的海温从春季持续到夏季并且传播到阿拉伯海、孟加拉湾、南海海域;这些海区偏高(偏低)的海温可以导致东亚夏季风减弱(加强),而东亚夏季风减弱(加强)是长江中下游降水偏多(偏少)的一种有利条件。

前冬南半球环状模对春季华南降水的影响及其机理

利用相关、合成、奇异值分解等统计诊断和数值模拟方法,分析了前冬(12—2月)南半球环状模(SAM)对春季(3—5月)中国华南降水的可能影响及其机理.诊断分析的结果表明,前冬南半球环状模与春季华南降水存在显著的负相关关系,也即前冬SAM偏强(弱),对应春季华南降水偏少(多).为了探讨这种南半球中高纬信号影响滞后一个季节的华南降水的物理机制,需要考虑下垫面海洋的桥梁作用.诊断分析的结果表明,当前冬SAM偏强时,南半球中高纬海洋的潜热释放受到海表风速影响发生变化,导致30°S—45°S海温偏高,45°S—70°S海温偏低,并且异常的海温信号可以持续到次年春季.这种前冬SAM偏强时的春季海温异常信号,对应着春季西北太平洋副热带高压位置偏东且强度偏弱,西北太平洋上盛行异常气旋式环流,华南地区上空对流层低层有异常东北风和风场辐散,西南水汽输送较常年减弱,为春季降水偏少提供了有利的条件.前冬SAM偏弱时,南半球中高纬的海温异常及其引起的华南区域大气环流异常相反,有利于华南降水偏多.利用CAM3进行海温敏感性试验,也证明了上述南半球中高纬海温异常对应的环流异常.模拟结果表明,SAM偏强时的海温异常,对应着华南上空对流层低层的东北风异常、风场辐散、以及下沉运动,不利于华南降水生成;SAM偏弱时的海温异常,对应的环流异常相反,有利于华南降水增多,验证了资料诊断的结论.综上,在前冬SAM影响春季华南降水的过程中,体现了海气耦合桥的作用,即:海洋储存了冬季SAM的异常信号并在春季释放,通过影响春季大气环流,进一步影响华南春季降水.因此,前冬SAM为华南春季降水预测提供了一个有意义的前期信号.

春季南半球环状模与长江流域夏季降水的关系:Ⅰ基本事实

利用统计方法对春季(4～5月)南半球环状模(SAM)与夏季(6～8月)中国降水的关系作了分析,发现春季南半球环状模指数(SAMI)与夏季长江中下游降水之间存在显著的正相关关系.春季SAM偏强的同期对流层下层在欧亚大陆存在-以蒙古高原和天山山脉为中心的异常反气旋对,从中国东北到华南中纬度地区均为异常的偏北气流控制.这种环流异常形式可以持续到夏季并加强,致使东亚夏季风减弱;春季SAM偏强,夏季西太平洋副热带高压西部脊强度加强,位置偏西,这些异常环流都有利于长江中下游地区降水偏多.另外,春季SAM偏强,夏季长江中下游地区水汽含量增大,向上的垂直运动得到加强,为该地区降水偏多提供了基本的水汽条件.春季SAM偏弱时,夏季东亚大气环流和水汽条件相反.因此,春季SAM为夏季长江中下游汛期降水提供了一有用的前期信号.

月内尺度南半球环状模对应的大气环流异常传播特征

本文利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,分析了南半球环状模(Southern Hemisphere Annular Mode,简称SAM)在月内时间尺度(sub-monthly timescales,5～30天)上相关环流的垂直和水平传播特征。结果表明,月内SAM对应的纬向风异常和温度异常具有明显自南极地区向南半球中纬度地区水平传播特征;在垂直方向上,纬向风异常为明显上传特征,温度异常则具有在极地和高纬度地区明显上升、低纬度地区下沉的特点。月内SAM对应的南半球中高纬度地区上传信号表明,在较短的月内时间尺度上,对流层信号可以突破对流层顶,上传达到平流层;而月内SAM对应的整层南传信号表明,南极地区环流变化超前于中高纬度地区,因此在1～3周的月内时间尺度上,极区信号可能对中高纬地区信号具有指示意义。

南半球环状模事件的准地转调整过程分析

本文利用NCEP/NCAR逐日再分析资料,分析了南半球环状模(SAM)事件生命过程中的准地转调整过程。由于SAM沿纬圈的水平尺度远远大于临界尺度罗斯贝变形半径,因此要求纬向风场在地转调整过程向气压场适应以达到地转平衡。研究结果表明,在纬向平均环流中,异常Ferrel环流强度的变化超前于SAM强度变化约2/16位相,异常Ferrel环流能够通过超前的整层大气质量的经向输运,改变中高纬度的质量分布装状况,导致中、高纬度地区间的位势高度梯度异常变化,而中、高纬度地区间的位势高度梯度异常发生变化就意味着SAM强度和位相发生变化;而当SAM强度和位相发生改变后,即中、高纬度地区南北方向上的位势高度梯度发生变化后,可破坏中纬度地区纬向风场与位势高度场之间的地转平衡,产生地转偏差;地转偏差产生后,又可驱动经向散度风场,造成Ferrel环流异常的变化,由此形成一个自我内部循环调整过程。

南半球环状模对中国气候的影响研究进展

南半球环状模是南半球大气环流年际变异的主导模态。按照逻辑脉络梳理了半个多世纪以来南半球环状模对中国气候影响的研究进展。中国科学家很早就注意到南北半球之间存在相互作用,南半球环流能够通过越赤道气流调控东亚夏季风、进一步影响到中国气候。近年来,对南半球环状模遥相关效应的研究愈加深入,已有工作侧重于从太平洋通道和印度洋通道两个角度剖析环状模对中国气候的影响。环状模变异能够引发太平洋大气经圈环流调整、激发经向遥相关波列,从而引起西太平洋暖池和西太平洋副热带高压异常,最终导致中国气候变异,从而构建了太平洋路径;另一方面,环状模异常也能够借助"海洋桥"传播到热带印度洋和南海地区、再通过局地海洋-大气相互作用调控中国气候,从而构建了印度洋路径。两大路径之间存在相互调制。除此之外,南半球环状模对中国区域气候也有显著的影响。在总结前人研究的基础上,提出了今后值得深入探讨的几个问题,以期推动南半球环状模遥相关效应研究不断走向深入。

南半球环状模与南极冰芯中气候信息关联研究综述

冰芯作为气候环境信息的良好载体,在研究过去大气环流异常中具有其他气候代用指标难以比拟的优势。本文重点综述了南极冰芯气候记录与南半球环状模(SAM-Southern Annular Mode)的关联特征:SAM与冰芯记录为同期变化,冰芯中NO-3、海盐组分(以Na+为代表)和水同位素比值δ18O同SAM指数具有较好的关联性;冰芯中SO2-4和MSA同SAM存在一定的关联,但相关性不显著;西南极冰芯记录的积累率同SAM具有较强的关联。需要说明的是,冰芯中各参数与SAM的相关性存在较大的空间差异。

南大洋淡水强迫对南半球环状模的影响分析

南半球环状模是南半球热带外大气环流变异的主导模态,对南半球海洋—大气—海冰耦合系统有重要的影响。冰川融化激发的淡水强迫是南大洋的一种重要外强迫。在历史气候记录中,南大洋淡水通量异常曾引发数次全球性气候异常事件。基于海—气完全耦合模式FOAM,在60°S以南的海洋中施加强度为1.0 Sv的理想化淡水通量异常,分析南半球环状模的响应。结果表明:南大洋淡水通量异常可使局地西风增强,且西风的增强在垂向各个层次上均有体现。西风强度的变化导致对流层中大气斜压性增强,平流层中大气斜压性减弱。此外,淡水强迫使环状模的年际变率振幅显著减弱,而年代际变率开始增强,谱能量的变化具有垂向一致性。海温和海冰等外强迫因子的变化对环状模年代际振幅的增强具有重要意义。

春季西南极洲云相态的分布特征及其与南半球环状模的关系

基于星载激光雷达资料、再分析资料以及云与地球辐射能系统提供的云辐射资料,对2006—2017年春季云相态在西南极洲上空的分布和云相态随南半球环状模(Southern Hemisphere Annual Mode,SAM)指数的年际变化进行研究。研究显示,冰云主要分布于南极大陆2~10 km的高空,而含液水云主要分布于南极冰架或南大洋1~4 km的低空。两种云相态频率受地形抬升和水汽输运影响较大,使其在迎风坡的云相态频率远高于背风坡。利用SAM指数与云相态频率进行回归分析,发现云相态频率的年际变化在水平和垂直方向上表现出了明显的空间分布特征。这些特征是由SAM变化所引起的风场变化所驱动,使风场与水汽的经向输运以阿蒙森低压为中心呈现东-西偶极子分布,并在南极半岛东侧低层大气产生焚风效应。云相态频率随SAM的时空变化使云辐射强迫在年际尺度上也发生了明显的变化,并通过云辐射强迫显著影响着西南极洲的地表能量收支平衡。

南极海冰异常对南半球冬春季大气环流影响的年代际变化

南极海冰异常是影响南半球大气环流变化的一个重要因素。南极海冰变率的主要模态被称为南极海冰偶极子(Antarctic Dipole,ADP),具体表现为南极半岛两侧海冰的反相变化。ADP的出现受到厄尔尼诺-南方涛动事件的强烈影响,而过去的研究显示,厄尔尼诺在2000年后由东部型转到中部型,伴随着该转变,南极海冰的异常模态及其对南半球大气环流的影响也发生了年代际变化。通过对前期的南极海冰异常与滞后的南半球冬春季位势高度异常进行最大协方差分析,发现南半球冬季至春季持续性的正位相ADP,在1979—1999年间与南半球春季的负位相南半球环状模(Southern Hemisphere Annular Mode,SAM)显著关联,但在2000—2021年间该相关性较弱,转变为南半球秋季的三极型海冰异常与后期冬季的SAM显著相关。动力诊断证明,ADP及三极型海冰异常均能通过引发高频瞬变涡旋的变化,激发并维持SAM型大气环流异常。

Slowing down of the summer Southern Hemisphere Annular Mode trend against the background of ozone recovery

20世纪末期,南半球热带外地区经历了显著的气候变化,包括夏季南半球环状模(SAM)的显著上升趋势,伴随着南极半岛的增暖和别林斯高晋海的海冰融化.这些趋势主要是由20世纪末期南极平流层臭氧消耗所驱动的.本文发现,自2001年左右以来,在南极平流层臭氧恢复的背景下,观测到的夏季SAM的上升趋势已经趋于平缓,验证了前人利用数值模拟预测的夏季SAM上升趋势减缓现象,与SAM在臭氧恢复后趋势只减缓但没有逆转不同,南极地表气温和海冰的趋势发生了逆转.南极半岛由变暖趋势转为降温趋势,别林斯高晋海域的海冰由融化趋势转为增多趋势.

Causes of the record-low Antarctic sea-ice in austral summer 2022

2022年夏季(2021年12月至2022年2月)南极海冰面积达到历史新低,西南极减少最显著.2021年8~10月南半球环状模接近历史最强和7~9月海洋性大陆附近海温显著增暖是两个关键因素.由于平流层臭氧破纪录减少使得前者维持历史最强或接近最强,导致阿蒙森低压(ASL)加深并向西南移动,有利于海冰减少.后者持续到夏季,有利于拉尼娜的发展,通过激发罗斯贝波列加深ASL.在热力上,臭氧减少导致向下净短波辐射增加,引起西南极增暖.此外,净短波辐射-海温-云形成正反馈,与埃克曼输送一起,放大表面增暖,从而促进海冰融化.

南澳大利亚海盆表层涡动能的时空特征研究

基于1993—2019年海面高度异常数据分析了南澳大利亚海盆表层涡动能的时空变化特征。结果表明,表层涡动能在空间上存在两个高值区,分别位于海盆的西部和东部;在季节尺度上表现为南半球的冬季强,秋季弱,最大值出现在7月(57±9 cm^(2)s^(2)),最小值出现在3月(40±5 cm^(2)s^(2))。涡动能在年际尺度上与ENSO呈显著负相关关系,即在厄尔尼诺(拉尼娜)衰退年,涡动能显著减弱(增强),滞后Nino3.4指数9个月;与SAM呈显著正相关关系,滞后SAM指数14个月,即在SAM正(负)位相的次年,涡动能显著增强(减弱)。

与西澳州西南部冬季降水相联系的大气环流特征分析

西澳大利亚州西南部(SWWA)是西澳大利亚州首府Perth的所在地,也是西澳州政治、经济、文化、教育和旅游的中心。自20世纪中期以来,SWWA地区雨季降水持续减少。本文利用近60年的观测及再分析数据,分析了已知的影响澳大利亚降水的热带海洋模态:厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)、印度洋偶极子(IOD)和ENSOModoki(EM)对SWWA地区降水的影响,发现它们均不能解释SWWA地区前冬(5~7月)(全文季节均指南半球)和后冬(8~10月)降水的长期变化趋势。特别地澄清了南半球环状模(SAM)对SWWA地区冬季降水的影响,揭示了前人所指出的两者之间的显著关系是由于极端事件造成的。这表明,已知的影响澳大利亚降水的气候模态并不能解释SWWA地区冬季降水的长期变化趋势。通过对SWWA地区降水、大尺度大气环流的动力、热力结构和季节循环特征的分析,发现其表现出类似季风环流的特征,也即干湿季节的交替出现、风向的季节性反转和明显的海陆热力差异。基于此提出了SWWA地区类季风环流(SWAC)的概念,并分析了其与SWWA地区冬季降水之间的关系,指出SWAC环流的减弱是SWWA地区降水减少的可能原因。

东南极冰盖Princess Elizabeth地区LGB69冰芯化学记录反映的南印度洋过去300 a大气环流变化

利用2002年中国南极考察期间在东南极冰盖Princess Elizabeth地区钻取的LGB69冰芯,对其海盐离子与大气环流的关系进行了分析.结果表明:冰芯主要化学离子的经验正交函数(EOF)分解的第一特征向量(EOF1)可以作为描述海盐气溶胶的传输强度的代用指标,可用于表征南印度洋准定常低压带海平面气压(SLP)的变化.冰芯最近23 a(1979-2001年)的记录与SLP和低层风场的相关模态反映了海平面气压场准半年振荡(SAO)和南极大陆边缘下降风的季节特征.LGB69冰芯很好地记录了1708-2001年间南半球环状模(SAM)的变化特征,Na+时间序列呈现的3.5 a周期变化与SAM的周期变化具有很好地一致性.在1970年SAM转为正位相后,其与Na+的相关关系也由负相关转为正相关.LGB69冰芯的海盐离子可以作为重建过去近300 a海平面气压场和SAM变化的代用指标.

2002—2014年间基于海平面变化的海洋增暖趋势研究

21世纪以来全球变暖进入停滞时期,研究表明,大量热量进入海洋深层是导致全球平均表面温度暂缓上升的主要原因。本文估计和研究了2002.4—2014.12间由热膨胀导致的海平面变化趋势,以此来探测海洋热含量的变化情况。研究使用GRACE重力卫星CSR RL05数据计算了全球海洋的水质量变化,并结合海平面异常数据,计算了由热量变化导致的海平面变化(Net SLA)。将Net SLA与Ishii温度数据计算的海洋热含量进行相关性分析后表明,Net SLA与海洋热含量存在高度相关性,相关系数最大值达0.95。考虑到海洋观测只能表现海洋上层2000m的热含量变化,而除去水质量变化的海平面变化则反映了整层海洋的热含量变化,是估计海洋增暖趋势快慢的有利工具。经计算得出,2002至2014年间南太平洋和南印度洋存在加速增暖趋势,而近年来南半球环状模的增强是导致其增暖的主要原因。

南大洋混合层的时空变化特征

过去对南大洋的研究受限于长期观测的缺乏,而现在地转海洋学实时观测阵(Array for Real-time Geostrophic Oceanography,Argo)项目自开始以来持续提供了高质量的温度盐度观测,使系统地研究南大洋海洋上层结构成为可能。本研究使用2000-2018年的Argo浮标观测数据,分析了南大洋混合层深度(Mixed Layer Depth,MLD)的时空分布特征。结果表明:南大洋混合层存在明显的季节变化,冬春两季MLD在副南极锋面北侧达到最高值并呈带状分布,夏秋两季由于海表加热导致混合层变浅,季节变化幅度达到400m以上;在年际尺度上,MLD受南半球环状模(Southern Hemisphere Annular Mode,SAM)调制,呈现纬向不对称空间分布特征,这与前人结果一致;本文指出在所研究时段,南大洋混合层在90°E以东,180°以西有加深趋势,而在60°W以西,180°以东有变浅趋势,显示出偶极子分布特征,并且这种趋势特征主要是风场的作用。

Distinct patterns of monthly Southern Annular Mode events

南半球环状模(SAM)是南半球中–高纬度地区大气变化的主导模态,表现为气压和极锋急流(PFJ)的大尺度变动,形成强烈的气候影响.当SAM事件发生时,气压场异常可呈现出不同的空间结构.本文利用自组织映射网络方法对月尺度的SAM事件进行分类,可识别出四对具有显著差异的正,负SAM事件类型,包括对称型,中心分裂型,西南极洲型和一种三极型分布.气压异常的空间分布越不对称,调整后的纬向风异常越局地化.PFJ的经向位移和强度变化入口和出口的变化,可能导致了SAM的不同气候影响.

2022年创纪录的南极降雪延缓了全球海平面上升

南极冰盖目前正在向失衡失稳方向发展,显著影响了全球海平面上升.冰架崩解及底部消融导致的物质损失起了重要作用,然而,冰盖极端降雪对这一进程的影响尚不明确.基于全球再分析资料(ERA5和MERRA2)发现2022年南极冰盖发生了创纪录的极端降雪,其降雪量至少在过去40年是前所未有的.极端降雪致使南极冰盖物质平衡为正,进而减缓了大约0.82 mm的全球海平面上升.极端降雪事件发生主要与太平洋年代际振荡负相位以及南半球环状模和大西洋多年代际振荡的正相位等引起的南大洋上空大气环流异常和南极海冰覆盖率异常低有关.登陆冰盖的大气河也是引起这一年极端降雪的关键因子.