基于多源数据的西北印度洋涡旋时空分布及大气响应

【目的】基于多数据集研究西北印度洋涡旋的统计分布规律及其大气响应。【方法】通过高度计数据以及漂流浮标数据对西北印度洋从1993-2012年以来中尺度涡旋进行探测识别及统计分析。【结果】用高度计数据共探测到84551个中尺度涡旋,其中气旋涡44120个,反气旋涡40431个。其数量大概是海洋浮标探测到的涡旋数量的20倍,且涡旋大小、涡旋生命时长均比海洋漂流浮标探测到的要大。由高度计探测到的中尺度涡旋没有明显季节以及年度变化趋势,但由海洋漂流浮标探测到的中尺度以及次中尺度涡旋则表现出一定的季节性变化趋势。另外,通过比对探测到的涡旋与其上空大气场发现,反气旋涡上空对应正的风应力旋度异常,气旋涡上空对应负的风应力旋度异常。【结论】西北印度洋的次中尺度涡旋应该存在季节性变化趋势;反气旋涡使上空风速加快,而气旋涡则使上空风速减慢。

印度洋—太平洋暖池年代际变化及其大气响应

定义了印度洋—太平洋暖池的强度变化指数和面积变化指数,分析了其年代际变化的特征。结果表明:20世纪40年代以前,暖池强度和面积基本没有明显的变化趋势;40-80年代,有一个相对较小的增加趋势;80年代以后至2000年增加的趋势加大。将水平风速分解为无辐散分量和无旋分量,分析了暖池上空大气环流对该暖池年代际变化的响应,发现尽管暖池上空大气环流对该暖池年代际变化的响应并不十分明显,但在特定的季节和特定的对流层高度上这种响应也是明显的。

阿拉斯加三月冻土和积雪的大气响应

从当年10月至翌年5月中旬，在北极和亚北极地区，冻土层和积雪层是最常见的陆地表面条件。积雪融冻和积雪深度通过对土壤的水分状况分布、过冬植物的生长及土壤水分向大气蒸发的影响从而控制着土壤的冻结过程。积雪可以使大气边界层（ABL）较为稳定，使痕量气体的纵向变化降低。被积雪覆盖的孤立土壤表面会产生大量的热交换、对流，特别是在太阳辐射显著时，会增强大气边界层的垂直交换混合。积雪覆盖区和无雪地区在能量收支方面的强烈空间反差，会产生湿气与热量的水平对流。因此，季节性积雪的存在时间和期限显著影响了大气候和小气候条件和空气质量。

春夏季热带东印度洋海温的季节内振荡及大气响应

基于1982—2020年OISSTv2.1数据集、NOAA Interpolated OLR数据集和NCEP/DOE II再分析数据资料,通过功率谱分析、位相合成法等方法研究了春夏季(3—8月)热带东印度洋海温季节内振荡的特征及大气的响应。结果发现春夏季热带东印度洋海温季节内振荡的显著周期主要集中在20~50天,强海温振荡事件主要分布在4—7月,关键区内对流抑制超前暖海温异常1/8周期,滞后冷海温异常3/8周期,反之亦然。春夏季海温异常激发的对流异常呈经向偶极子分布,且有明显的北移演变特征,但北侧的对流中心较南侧弱,即对流在北移过程中迅速衰减。使用K-means聚类法提取了两种具有显著差异的环流响应类型:北移型和局地型。北移型主要分布在夏季,表现为更有组织性的对流偶极子对,南北中心的强度和影响范围相当且北移特征更为清晰。在对流偶极子北移的过程中显著影响阿拉伯海上西南季风的强弱,对印度半岛夏季风季节内变化的影响较大。局地型主要分布在春夏转换季节,对流异常呈单一中心结构,移动性较弱,主要在热带东印度洋上空发展和消亡。热带东印度洋海温季节内振荡耦合的大气环流异常主要影响赤道印度洋地区,对热带外的影响较弱。进一步探究发现,背景东风切变的差异是导致两种对流响应差异的原因。夏季,北印度洋东风切变强,垂直风切变机制导致对流明显北移,春夏转换季节,东风切变弱,垂直风切变机制不成立,较弱的正压涡度平流机制引起对流微弱的北移,但主要在局地生消。

海表面盛行风背景下大气对黑潮海洋锋的响应特征

采用一系列高分辨率的卫星资料,应用高通滤波等方法,研究了春季不同海表面盛行风背景下,东海黑潮海洋锋区附近的海气关系。观测分析表明:在东海,春季3种不同海表面盛行风条件下海表面温度与海表面风速之间都存在明显的正相关关系,表现为海洋对大气的强迫作用。大气对海洋锋的响应在3种不同盛行风条件下也存在明显的差异。在西北盛行风和东南盛行风背景下,即当风向垂直于海洋锋由冷侧(暖侧)吹向暖侧(冷侧)时,海表面风的辐散(辐合)出现在海洋锋上空。同时,海洋锋对海平面气压(SLP)、降水和对流活动的影响较弱,表明大气对海洋锋的响应主要局限在大气边界层内。在东北盛行风背景下,即当风平行于海洋锋时,在海洋锋的暖(冷)水侧上空为海表面风的辐合(辐散),并与SLP的异常低(高)值相对应,主要雨带出现在黑潮暖舌上空。无论从总降水还是层云、对流降水频次的空间分布来看,盛行东北风时,海表面温度对其上雨带的影响最为明显。分析结果还表明,在不同盛行风背景下,海洋锋附近的海气关系由不同的物理机制在起主导作用。当盛行平行于海洋锋的东北风时,主要由SLP调整机制起作用;而盛行垂直于海洋锋的西北风时则主要由垂直混合机制起作用。

热带积云对流加热在全球大气遥响应中的重要作用──数值试验结果

利用ＩＡＰ两层大气环流模式模拟研究了热带地区积云对流加热在大气对赤道东太平洋海温正异常响应中的作用。通过对积分结果进行分析发现：热带地区积云对流在大气对赤道东太平洋海温正异常的响应过程中起着非常重要的作用。若热带地区的积云对流加热减弱则大气中的遥响应（相关）型也减弱。同时我们还发现，热带地区的积云对流加热加强则响应场的３０—６０ｄ低频振荡也得到加强。

亚洲夏季风对偶极子型人为气溶胶排放变化的响应特征与机理

利用第六次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)中的两组子试验,结合线性斜压模式模拟的结果,研究了近年来亚洲内部出现的东亚减少、南亚增加的偶极子型人为气溶胶排放变化调控亚洲夏季风响应的特征及物理机制。对东亚夏季风而言,在考虑海洋-大气耦合作用的气候系统总响应中,东亚夏季风环流和降水显著地加强;在不考虑海洋调控作用的大气直接响应过程中,东亚人为气溶胶排放减少导致的陆地升温使得海陆温差增大,进而通过引起东亚陆地上的气旋式环流异常加强东亚夏季风环流和降水。对南亚夏季风而言,其在偶极子型人为气溶胶强迫下呈现出更为复杂的变化特征。在大气直接响应过程中,人为气溶胶强迫引起的海陆热力差异变化导致南亚夏季风环流减弱、降水减少。在考虑海洋-大气耦合过程的总响应中,南亚夏季风环流表现出微弱增强,同时印度次大陆的南亚夏季风降水也出现增多的异常变化。这表明,局地和海洋-大气动力耦合过程在区域气候对人为气溶胶强迫的响应中扮演着非常重要的角色。此外,通过线性斜压模式发现,东亚和南亚局地的人为气溶胶强迫导致的大气加热场异常不仅能影响局地的夏季风环流,还可以通过引起大范围的表面气压异常进而调控整个亚洲夏季风环流的变化。

南极冰夏季消退大气季节内振荡的数值试验

利用 IAP- GCM数值模式模拟了南极冰消退时大气响应的候平均时间序列场 ,经带通滤波研究了大气季节内振荡的特征。得到了大气对南极冰消退的响应是一种具有 30～ 60天周期的低频遥响应。它在南半球高纬的传播基本上为西传 ,而在赤道附近有东传趋势 ,南半球中纬地区呈明显的东传现象。在纬向季节内振荡最大动能区位于大洋内 ,其扰动能量在波列路径上的传播具有很明显的一致性和系统性。

热带西太平洋海温异常对大气影响的数值模拟

用IAP-GCM二层楼式,模拟1月份西太平洋暖池区海温增暖对1-8月份大气环流的影响,初步探讨暖池区海温异常对我国夏季降水的影响过程。指出北半球500hPa环流场对暖地区1月份海温增暖的响应存在着PNA和EAP波列,在冬季较为明显。其能量传播特征表示为南北半球的中纬度地区基本上是向东传播,在热带低纬度地区存在着准2个月的低频振荡。

ENSO对印度洋偶极子非对称性的影响及机制研究

利用海表温度再分析资料、NCEP/NCAR大气环流再分析资料以及MPI-ESM1-2-LR气候模式PI-Control试验输出数据等,通过对不同强度的厄尔尼诺-南方涛动(El Nino-Southern Oscillation, ENSO)事件所对应的印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole, IOD)事件的分析,探讨了ENSO对IOD偏度的调制作用。结果表明,伴随着赤道中东太平洋明显的正海温偏度,秋季印度洋海表温度存在西正东负的偏度。IOD与ENSO之间呈现出较强的非线性关系,且大部分强的正IOD事件对应着强El Nino事件。强El Nino位相下,IOD事件相关的海温与风场表现出很强的响应,强于La Nina事件产生的响应,表现为强的非对称性;相比较而言,弱El Nino事件与La Nina事件下引起的印度洋海温和风场的强度相当,并没有显著的非对称性。因此,ENSO可通过激发非对称的大气遥相关对IOD强度非对称性产生调制作用,印度洋海表温度偏度很大程度上是由强El Nino事件导致的强正IOD事件所贡献。

2014-2016年超强厄尔尼诺事件的气候影响

2014-2016年,赤道中东太平洋发生了一次超强厄尔尼诺事件,此次事件于2015年11月达到峰值,12月开始衰减。其峰值强度超过了1951年以来另外两次超强厄尔尼诺事件(1982/1983年和1997/1998年)的强度,成为了1951年以来最强的事件。截至2016年4月,事件已持续20个月,也成为了1951年以来持续时间最长的厄尔尼诺事件。在这次事件的发展过程中,热带太平洋至东亚副热带地区的大气环流表现出了显著的响应特征:赤道中东太平洋对流活动加强,异常上升运动发展,而赤道西太平洋对流活动受抑制,异常下沉运动控制;菲律宾附近异常反气旋生成并发展加强,西太平洋副热带高压强度偏强、西伸脊点异常偏西,尤其2015年冬季副热带高压强度为1980年以来最强。与此同时,2015年秋、冬季,我国长江以南大部降水偏多,尤其冬季华南地区(广东、广西、海南三省区)平均降水量达历史第一,较常年偏多1.6倍以上。近期,超强厄尔尼诺正处于衰减阶段,但是考虑到热带印度洋暖海温的"接力"作用,厄尔尼诺事件对2016年春、夏季我国气候异常的影响可能仍将持续。

SST年循环对ElNio事件局地海气过程的影响

利用Hadley中心逐月海表温度、欧洲中心ERA-40的10m风场及CMAP降水资料探讨了年循环对热带太平洋El Nio海气相互作用过程的影响。尽管El Nio对应的海表温度异常主要出现在赤道东太平洋,经向上呈南北对称分布,然而其对应的大气响应在El Nio年衰减阶段却有着强的向南移动特征。在El Nio发展年的11月之前,强的西风和降水异常主要出现在赤道中太平洋;在12月份之后,赤道上的西风和降水异常迅速南移至5°S,随后西风一直维持在该位置直至衰亡。同时,西太平洋负降水和反气旋异常向北移动。这种SST异常与其大气响应的经向移动不一致,主要是由热带中太平洋气候态SST的季节性南移导致的。由于对流与海温之间存在非线性关系,即当总SST超过一定的阈值,对流降水才会迅速增强;因此相应的对流响应也随着总海温的南移而南移,风场响应也同时南移。此外,南半球增强的对流会通过经向环流进一步抑制北半球的降水,从而使西太平洋负降水和反气旋异常增强并北移。通过分析有/无年循环的两组数值试验结果验证了上述结论,即有年循环的试验较真实地模拟出了观测中异常西风南移和西北太平洋反气旋异常的出现;无年循环试验尽管能模拟出El Nio年赤道中太平洋的西风异常,但其却没有南北向的移动,西北太平洋的反气旋也没有出现。因此,热带中太平洋气候态暖海温的季节循环对El Nio事件大气响应有着至关重要的作用。

两类厄尔尼诺事件发展年秋季印度洋海温异常特征对比

基于1951—2010年逐月海气多要素观测资料,对比分析了两类厄尔尼诺事件发展年秋季印度洋的海温异常及大气响应特征,探讨了印度洋偶极子的发生与两类厄尔尼诺事件特征的可能联系。结果表明,两类厄尔尼诺事件的发展年均会出现印度洋偶极子,但出现的概率不同:大多数东部型厄尔尼诺事件都会伴有正位相印度洋偶极子发生;而仅一半的中部型厄尔尼诺事件期间会出现正位相印度洋偶极子的异常海温型,且强度较弱。从印度洋偶极子与两类厄尔尼诺事件的物理联系上看,东部型厄尔尼诺事件期间,印度洋偶极子的发生与其强度联系密切:印度洋偶极子发生在东部型厄尔尼诺事件较强期间,两者通过海洋大陆的异常强下沉运动及大范围负异常降水相联系;东部型厄尔尼诺事件偏弱时并无印度洋偶极子出现,海洋大陆异常下沉运动及负异常降水很弱。然而,中部型厄尔尼诺事件期间印度洋偶极子的发生与其强度并无显著的关系,而与太平洋高海温区的位置存在一定的可能联系:在有印度洋偶极子发生的中部型厄尔尼诺事件发展年秋季,热带太平洋异常高海温区的位置相对偏东,海洋大陆出现显著下沉运动和大范围负异常降水,热带东印度洋为大范围强异常东风控制;但无印度洋偶极子发生的中部型厄尔尼诺事件时,热带太平洋高海温区位置相对偏西,极弱的海洋大陆下沉支对热带印度洋异常海温作用非常有限。

1999年东亚夏季风异常活动的物理机制研究

文中从海-气相互作用的角度探讨了1999年东亚夏季风及与其相联系的雨带异常活动的物理机制。结果表明,由于1998年春季至1999年南海-热带西太平洋出现了近20 a最强的异常暧海温,该地强异常海-气相互作用的维持使得这种局地的热力强迫成为1999年东亚夏季风和降水异常的最主要外强迫机制,并使得1999年的季风活动和降水分布有别于一般的统计情形。从1998年秋到1999年,由于热带大气对南海-西太平洋暧海温所诱发的局地强加热的响应,热带西太平洋地区所出现的Gill模态的异常环流分布从冬季一直发展到夏季,并因此在海洋和大气之间形成了局地的强烈正反馈,不仅使得异常环流得以持续发展,而且也使得暖海温得以维持,成为影响1999年环流异常的最强前期信号。随着从冬到夏的季节演变,大气基本态对上述持续性异常环流的影响导致了冬、夏异常环流呈现出不同的纬向非对称,诱发了盛夏期间东亚到北美沿岸的遥相关波列。在东亚沿岸异常气旋性环流的影响下,大尺度异常东风在东亚沿岸的维持形成了极不利于季风西风在南海北部转向的条件,导致了季风在中国东部北进的异常偏弱和低纬西风转向位置的异常偏东。

2015/2016年超强El Nio局地海气特征及其特殊性

利用NOAA海表温度和NCEP/NCAR大气环流等全球再分析资料,讨论了2015/2016年超强El Nio事件局地海气过程的演变特征,并与1982/1983和1997/1998年两次强El Nio事件做了对比分析。结果表明,2015/2016年El Nio在峰值强度、持续时间、累计海温距平等指标上都略强于前两次El Nio,可视为有完整气象观测纪录以来的最强事件;与前两次事件相比,2015/2016年El Nio海温异常中心位置明显偏西,热带东太平洋海温相对较冷而中太平洋更暖,由于热带对流对海温的非线性响应,赤道东太平洋降水相对较弱,中太平洋则显著偏多,这在El Nio当年12月至次年4月尤为明显;此外,在前两次El Nio的成熟期至衰减期,中太平洋大气响应都存在明显的南移特征,西风异常和对流中心都从赤道南移到了5°S以南。而2015/2016年中太平洋大气响应一直位于赤道附近,南移特征相对较弱,ENSO和年循环相互作用的组合模态相比前两次较弱,西北太平洋反气旋的强度也弱于前两次。这主要是由于2015年冬季至2016年春季,热带太平洋暖海温异常位置偏西,中太平洋海温异常明显强于前两次,叠加气候平均态海温之后,赤道南北两侧海温都高于对流阈值,对流旺盛,这大大削弱了大气响应的经向移动和ENSO组合模态的强度。

正压大气有利强迫模及其响应与遥相关型

对线性强迫问题,发展了建立一组完备正交强迫模的动力学方法以研究大气对异常强迫的响应.根据夏季300hPa气候平均流为基本状态线性化的正压涡度方程的计算表明,大气响应只决定于很少几个有利强迫模,并具有很强的局地特征,它们产生的大气响应同实际遥相关型相对应.能量分析表明,对有利强迫基本状态向大气响应转换的动能比强迫本身产生的动能更大.从而提出强迫建立遥相关型是基本状态向大气响应转换动能和强迫产生动能耦合作用的结果.

东亚经向型气压异常偶极模与冬季北太平洋关键区域海温的关系及其数值模拟试验

进一步从资料分析和大气环流模式的敏感性试验,对西北太平洋海温异常与亚太中高纬度地区冬季海平面气压异常经向偶极模的关系及影响进行了研究。资料分析表明,对应冬季亚太地区海平面气压的经向(ME)型偶极模,西北太平洋中高纬度海温异常的影响存在两个重要关键区。尤其是(40°N～55°N,150°E～160°W)海区的海温异常与冬季东亚经向型气压偶极模指数IME有明显正相关,(20°N～35°N,125°E～170°W)海区的海温异常与指数IME有明显负相关。而上述两个关键海区的SSTA对经向型振荡模的影响,主要是通过热通量异常的作用。敏感性模拟试验清楚表明,西北太平洋关键区的海温异常对亚洲—太平洋地区冬季海平面气压场的经向偶极模有一定影响。区域1(42°N～62°N,145°E～165°W)的负异常相对于其自身的正异常来说,对亚太地区海平面气压场的负经向偶极模贡献更大,而区域2[(22°N～42°N,135°E～175°E)和(26°N～42°N,175°E～170°W)]的正异常相对区域1的负异常来说对负经向偶极模的贡献更大一些。但是,单独区域1的负异常海温和单独区域2的正异常海温影响下的海平面气压场响应的负经向偶极模都会有不同程度的位置偏移。当存在区域1的负异常海温和区域2的正异常海温相互匹配的情况下,亚洲—太平洋地区冬季海平面气压场的负经向偶极模特征更为显著。

冬季黑潮延伸体海域云水含量的年际变化

利用卫星观测的海面高度资料、海表温度资料和再分析大气资料,考察了冬季黑潮延伸体海域云水含量的年际变化。结果表明:尽管大气环流有明显的年际变化,海洋锋对其上云水含量的"锚定"作用(锋面南侧云水含量多,北侧少)始终存在,同时云水量值有明显的年际变化,该变化主要受背景大气环流的影响,当西北风加强(减弱)带来偏冷(暖)偏干(湿)的空气团时,锋面南侧云水少(多)。按照云水含量多少进行合成分析的结果表明:来自大陆的冬季西北风南下,在遇到海洋锋锋南侧的暖水面时,空气抬升导致的大气跨锋面的次级环流和对应锋面南(北)辐合(辐散)在一定程度上(约25%)受背景大气环流变化的影响。在背景大尺度的西北风强(弱)时,大气中水汽含量较少(多),凝结放热较弱(强),黑潮延伸体海洋锋南侧南侧上升,北侧下沉的次级环流偏弱(强)。

东亚冬季风年际变化的ENSO信息 I.模拟资料分析

系统分析了观测海温强迫９层大气环流模式的模拟资料，结果表明该大气环流模式能够对与ＥｌＮｉｎｏ、ＬａＮｉｎａ事件爆发有关的赤道太平洋异常纬向风和对流活动有很好的模拟；模拟中的东亚冬季风具有明显的年际变化特征，这种变化与观测结果有很好的一致性，而且进一步分析发现这种年际变化具有显著的２～７年的周期，即东亚冬季风异常与ＥＮＳＯ密切相关。

2016与1998年春季北大西洋海表温度异常的差异及成因

利用再分析资料以及混合层海温诊断方程,研究1997-1998与20152016年超级厄尔尼诺次年北大西洋海表温度异常(sea surface temperature anomalies,SSTA)的差异及成因。结果显示,北大西洋SSTA在1998年春季呈明显正负正三极型式分布,而在2016年呈弱的负正负型态。诊断热带北大西洋SSTA的影响因素表明,1998年春季暖SSTA除了之前研究强调的海洋表面向大气的潜热输送异常减少,以及吸收太阳辐射的增加外,海洋动力过程即Ekman纬向漂流也起着重要的作用。热力过程与厄尔尼诺峰值后出现的北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)负位相有关,其可引起亚速尔高压减弱,产生西南风异常,通过风-蒸发-海表温度(sea surface temperature,SST)反馈机制使热带北大西洋蒸发减弱,海表增暖,沃克环流下沉支的东移对这一增暖也有贡献。与19971998厄尔尼诺事件不同,2015-2016厄尔尼诺事件没有强迫出负位相NAO,而是出现弱NAO正位相,热带北大西洋为弱的东风异常,使海表发生一定的冷却,形成2016春季北大西洋SSTA与1998年的明显差异。