太平洋年代际振荡的研究进展

作者以太平洋年代际振荡 (PDO)现象为重点 ,系统地回顾了太平洋年代际变率观测、模拟和理论研究的国内外进展。在PDO时空结构方面 ,总结了PDO的基本观测事实 ,在PDO成因方面 ,从海洋大气相互作用观点出发比较了三类PDO形成机制的理论或假说 ,讨论了现有理论或假说中存在的若干问题 ,并提出了未来研究的方向和需要解决的关键科学问题。作者也简要介绍了东亚及中国气候年代际变化的特征及其和太平洋海表温度异常的联系 ,并讨论了东亚大气环流异常在PDO形成中的可能作用。

太平洋年代际振荡冷、暖背景下ENSO循环的特征

利用英国气象局哈德莱中心的月平均海温距平资料、美国Scripps海洋研究所联合环境分析中心(JEDAC)的海表和次表层海温观测资料以及NCEP/NCAR再分析资料,研究了太平洋年代际振荡(PDO)不同背景下ENSO循环的特征。结果表明,PDO为ENSO循环提供了一个年代际气候背景,在PDO的暖位相时期,ElNino事件发生的频率较高,强度较强;反之,在PDO的冷位相时期,LaNina事件发生的频率较高,强度较强。而且在不同的太平洋年代际振荡背景下,ENSO循环表现出不同的特征。在PDO冷位相时期,发生ElNino(LaNina)事件时,正(负)的SOTA从西太平洋沿温跃层向东传播,正(负)的SSTA从赤道东太平洋向西扩展到中太平洋,ENSO事件先在赤道东太平洋爆发。在PDO的暖位相时期,发生ElNino(LaNina)事件时,正(负)的SOTA首先出现在赤道中太平洋,然后沿温跃层向东传播,正(负)的SSTA从赤道中太平洋向东扩展到东太平洋,ENSO事件首先在中太平洋爆发。这为ENSO预测提供了新的线索。

太平洋年代际振荡与南北半球际大气质量振荡及东亚季风的联系

众多研究表明,太平洋年代际振荡(PDO)与东亚季风以及我国气候的年代际异常存在显著影响,然而其影响途径及机制仍不明确.本文分别分析了年代际尺度上的太平洋年代际振荡(PDO)、南北半球际大气质量振荡(IHO)以及东亚季风的变化特征,据此建立了三者之间的关系,并进一步分析了它们对我国东部冬夏两季年代际气候异常的影响,所得主要结果包括:(1)PDO与IHO以及东亚季风强度具有明显的年代际波动特征,三者之间存在较好联系,其中它们在70年代和90年代后期处于负位相,而在80年代至90年代中期均处于正位相期.PDO和IHO对全球大范围的低层气温异常,以及大气质量迁移尤其是东半球30°S—50°N区域的质量变化具有显著并且空间一致的影响;(2)当PDO为正位相时,整层大气质量年代际异常呈偶极型的自东半球向西半球太平洋区域输出,造成了南北半球际以及海陆间大气质量迁移,同时引起Walker环流的上升和下沉支位置变化,以及越赤道大气质量流的向北异常输送,并由此建立起东亚季风与PDO和IHO之间的联系;(3)PDO年代际异常与冬夏季节蒙古地区地表气压变动存在密切联系.当PDO指数增强时,冬夏季850hPa均出现显著反气旋风场异常,并在我国东部形成异常北风,从而显著影响东亚冬夏季风强度变化.与之对应,PDO指数与我国东部大部分地区的站点气温、降水的年代际分量保持显著的同期相关.

南太平洋和北太平洋年代际振荡与华北盛夏降水的关系及可能物理机制

利用降水、大气环流和海表温度等多种再分析资料和偏相关方法,研究了1951—2007年南太平洋年代际振荡(SPDO)和北太平洋年代际振荡(即PDO,本文称为NPDO)分别与华北盛夏(7—8月)降水在年代际时间尺度上的关系及其可能物理机制.结果表明:在去除SPDO和NPDO的相关性之前,它们与华北盛夏降水的关系均偏弱;但在去除两者相关性之后,SPDO(NPDO)与华北盛夏降水存在显著正(负)相关关系.去除两者相关性之后,当SPDO处于正位相时,热带西北太平洋海温异常显著偏暖,这将在对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸激发出“气旋-反气旋-气旋”的负位相东亚—太平洋型遥相关(EAP)波列,该波列导致东亚夏季风异常增强,有利于低纬地区水汽输送至华北地区,从而使得华北盛夏降水异常偏多,反之,当SPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏少;对NPDO来说,当其处于正位相时,不仅热带西北太平洋异常显著偏冷,而且印度洋大部分海温异常显著偏暖,在两者共同作用下,对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸出现“反气旋-气旋-反气旋”的正位相EAP波列,这将引起东亚夏季风异常减弱,不利于低纬地区水汽输送至华北地区,华北盛夏降水异常因此减少,反之,当NPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏多.

近57年中国北方气候干湿变化及与太平洋年代际振荡的关系

利用中国北方424个气象站点1960—2016年逐日地面观测资料,应用联合国粮农组织(FAO)Penman-Monteith模型计算潜在蒸散(ET0),基于降水量和潜在蒸散计算的湿润指数研究了1960—2016年中国北方干湿气候时空变化特征,分析了太平洋年代际振荡(PDO)对气候干湿变化的影响。结果表明:北方总体干湿变化不显著,空间上表现为西北、青藏高原、内蒙古湿润化而华北干旱化的特征。极端干旱区面积显著缩小,干旱区、半干旱区则明显扩张,表明气候敏感区域在扩张。极端干旱区和干旱区显著变湿润,半干旱区有变湿润的趋势。1960—1990年至1991—2016年,北方经历了变湿润的过程。西北西部、青藏高原湿润化趋势明显,极端干旱—干旱区的界线呈西界东移、南北界线收缩的变化。干旱化趋势主要发生在华北和东北部分地区,华北黄河沿线一带半干旱—半湿润区界线向东南方向扩张。东北中部和西北西部由于降水增加而ET0减少,气候变湿润。华北中西部、内蒙古东部和东北部分地区降水减少、ET0增加,气候变干旱。在PDO暖位相,西北、东北北部及内蒙古东部地区地表气候偏湿润;在PDO冷位相,地表气候偏干旱。而华北则相反。

东亚夏季风降水年代际变异模态及其与太平洋年代际振荡的关系

利用全球陆地月平均降水资料、英国气象局哈德莱中心的月平均海表温度距平(SSTA)资料及NCEP/NCAR再分析大气环流资料,探讨东亚夏季风降水年代际变率及其与太平洋年代际振荡(PDO)的联系。研究指出:东亚夏季风降水年代际变异模态以及PDO均在1976年前后呈现显著的年代际转折,并且东亚夏季风降水与PDO在年代际尺度上具有较好的相关关系。PDO能够在对流层低层激发出与年代际东亚夏季风环流较为相似的大气环流异常特征,表明东亚夏季风环流的年代际变化可能受大气外强迫因子PDO在对流层低层的外源强迫作用影响,最终导致东亚夏季风降水发生年代际变化。

太平洋年代际振荡与江苏夏季雷暴日数年代际变化的联系

利用1961年1月至2012年12月太平洋年代际振荡指数(Pacific Decadal Oscillation Index,PDOI)、NCEP/NCAR再分析环流数据集和江苏13个市级观测站点的夏季雷暴日数观测资料,分析了PDO与江苏夏季雷暴日数年代际变化的联系及其可能原因。结果表明,春季PDOI与江苏夏季雷暴日数均具有明显的年代际波动,两者年代际变化的趋势几乎相反:20世纪70年代中期以前和2006年以来,均对应PDO的冷位相和江苏夏季雷暴的多发时期,而20世纪70年代中后期至21世纪初,PDO处于暖位相期,江苏夏季雷暴频数明显偏少。PDO冷期,欧亚大陆和西太平洋地区夏季海平面气压和500 h Pa位势高度呈现大范围的负距平环流异常,近地面亚洲热低压显著增强,对流层中层极涡易于偏向亚洲区,青藏高原北部亚洲中部大槽加深,西太平洋副热带高压偏弱偏东,印缅槽偏强。在此环流形势下,夏季江淮流域上空低层有较强的异常西南水汽输送,江苏上空低层偏湿、中层偏干,上干下湿的垂直分布有利于对流不稳定的产生。同时,PDO冷期,江苏上空低层辐合、高层辐散,有明显的上升运动,并具有较强的低层垂直风切变,为夏季雷暴的发生、发展提供了有利的气象条件;PDO暖期,则情况相反。PDO作为一种比较稳定的年代际尺度的气候变率强信号,其对应的环流异常为雷暴现象这类中小尺度天气现象的发生、发展提供了重要的环境背景和气象条件。

北太平洋的年代际振荡与全球变暖

通过回顾和总结前人工作,特别是有关北太平洋年代际振荡的研究,针对近50年来北太平洋中纬度海温变冷的现象进行了分析与讨论。从全球气候变化的角度,总结了影响北太平洋中纬度海温变冷现象的几种可能机制,推测了全球气温变暖可能会对北太平洋的直接或间接影响,归纳指出了研究该问题的复杂性与目前面临的困难。

北极涛动与北太平洋和北大西洋多年代际振荡的关系研究

利用小波变换和小波互相关分析法对1901—2000年的北极涛动（Arctic Oscillation,AO）、北大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）和北太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation,PDO）的年代际振荡关系进行研究,并利用1 000 h Pa高度场合成分析进行验证。结果表明,三个气候模态均有明显的多年代际尺度的振荡特征,且它们在各特征时间尺度上的振荡相关性存在显著区别,主要表现为：在60 a尺度上,AO超前PDO约4 a正相关,AO滞后AMO约12 a负相关;在20~30 a尺度上,AO超前PDO约12 a正相关;在30 a尺度上,AO超前AMO约8 a正相关。在60 a尺度上,超前PDO负位相4 a和滞后AMO正位相12 a的高度场合成结果为AO负位相;在20~30 a尺度上,超前PDO正位相12 a和超前AMO正位相8 a的高度场合成结果为AO正位相。合成分析结果进一步验证了三个模态的相关性。

中国北方近百年干湿变化与太平洋年代际振荡的关系

利用CRU（Climate Research Unit）1901～2002年全球0.5°×0.5°网格点月降水和月平均气温资料,利用一个能够用于检测地表干湿变化的湿润指数,对中国北方四个典型地区干湿演变特征及与北太平洋年代际振荡的关系进行了初步的分析.结果发现：降水和湿润指数在表征干湿变化的特征时有明显的差别,特别是在干旱和半干旱地区,增暖也是影响干湿变化的一个重要因素.相关分析表明,华北和西北东部的年干湿变化与同期太平洋年代际振荡（简称PDO）指数有密切的关系,PDO指数的正位相对应两个地区的干旱时段,负位相则对应两个地区的湿润时段,而新疆南部与PDO指数同期呈显著的正相关关系,即当PDO为正位相时,该地区为湿的时段,负位相对应干的时段.以100°E为界,北方的东部干湿变化与太平洋年代际振荡指数呈反相关,而西部则相反,与PDO呈正相关关系.

太平洋年代际振荡对冬季北半球两大洋风暴轴协同变化的可能影响

利用NCEP/NCAR提供的再分析资料和NOAA提供的海温资料分析太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)不同位相的年代际背景下北半球海气耦合关系的异常与风暴轴协同变化的联系,主要结果如下:1)冬季太平洋年代际振荡与北半球两大洋风暴轴协同变化之间存在显著的相关关系,当PDO暖位相时,对应两大洋风暴轴南北位置反向的异常变化,其中北太平洋风暴轴偏南且中东部减弱,北大西洋风暴轴偏北且中东部增强,PDO冷位相时相反。2)PDO为暖位相时,对应El Nino型海温异常,北大西洋海温呈三极型,平均槽脊加强,经向环流增强,极涡收缩,北太平洋风暴轴南压,大西洋风暴轴则北抬,此时欧亚大陆北部和北美大陆大部分地区温度异常升高,亚洲南部、非洲北部及巴伦支海以北的高纬温度异常降低,北美西南部和格陵兰岛附近温度也为异常降低,PDO冷位相时相反。

CMIP5耦合模式对太平洋年代际振荡的模拟与预估

利用第五次耦合模式比较计划(CMIP5)40个模式的模拟资料和分类集合的方法,评估了耦合模式对20世纪太平洋年代际振荡(PDO)特征的模拟能力。结果表明,CMIP5多数模式对PDO周期有着较好的刻画能力,能模拟出PDO的年代际变化周期。模式对PDO模态空间特征的模拟能力存在较大差异,小部分模式模拟效果较差。进一步的分析表明,对PDO模态模拟较好的第1类模式,能较好地再现热带太平洋与北太平洋海表温度异常(SSTA)年代际变化间的关系,而且热带太平洋SSTA通过大气遥相关影响北太平样海表温度的过程也模拟的较成功。对PDO模态模拟差的模式,不能合理模拟出热带太平洋SSTA对北太平洋海表温度影响的遥相关过程。以上研究也证实了热带太平洋地区海表温度的年代际变率对北太平洋海表温度年代际变率的重要影响,热带太平洋SSTA对北太平洋SSTA的影响是通过大气遥相关实现的。利用CMIP5中等排放情景模拟结果,分析了第1类模式预估的北太平洋年代际变率的特征,发现21世纪北太平洋年代际变率的主要模态为一致的正异常分布且呈现明显的上升趋势,第二模态则表现为类似于20世纪典型PDO的马蹄型SSTA分布。

太平洋年代际振荡的年代际预测方法

太平洋年代际振荡(PDO)是北太平洋海表温度年代际变率的主模态。由于太平洋年代际振荡对区域乃至全球气候的显著影响,其合理的预测结果可以带来多方面收益。然而,针对太平洋年代际振荡及其有关的海表温度的年代际预测,目前气候模式的预测水平还十分有限,因此,提出了一个新的增量方法。一系列的验证结果表明,增量方法可以有效预测太平洋年代际振荡,其中包括成功预测出其振荡的年代际转折。增量方法的预测过程主要包括3个步骤:(1)采用5 a滑动平均得到太平洋年代际振荡的年代际变率;(2)利用3 a增量形式的预测因子构建预测模型,预测3 a增量的太平洋年代际振荡(DI_PDO);(3)将预测得到的DI_PDO加上3 a前的观测PDO,得到最后预测的PDO。增量方法亦可以应用到气候系统年代际内部变率的其他模态(如:北大西洋年代际振荡)和其他气候变量的年代际预测(如:海表温度)。

太平洋年代际振荡与华北大震活动

巨灾都是多因强化的结果。研究发现,上一个太平洋年代际冷相位期华北7级以上大震频发,且巨洪亦频发,在暖相位期以上两种巨灾几乎没有。

加利福尼亚洋流北区早更新世以来似太平洋年代际振荡的微体化石记录

加利福尼亚洋流系统(CCS)是东北太平洋一股十分重要的边界流,在全球海气交换过程中具有重要地位。CCS的海洋大气变化尤其是涌升流的强弱变化,在年代和多年代时间尺度上的变化主要受太平洋年代际震荡(PDO,20~30年周期)的控制。为了解CCS北区早更新世以来涌升流强弱变化规律及其主要控制机理,本文分析了国际大洋钻探1020B(CCS北区南部41°N)和1245B(北部44°N)钻孔钙质超微化石和硅藻化石等记录。结果显示,多半时间段的记录具有冰期和间冰期旋回的变化;其中超微化石的高含量见于间冰期,而硅藻高含量对应于冰期。这两类化石在沉积物中的含量变化显示出时间尺度长约0.5 Ma的3个阶段:早更新世(1.5~1.1 Ma)两个孔以超微化石含量高为特征;中更新世(1.1~0.65 Ma)两孔中的超微化石和硅藻化石含量相对较高,但它们在两个孔的变化趋势不同;晚更新世(0.65 Ma)以来,南部1020B孔超微化石含量高且出现频率高于硅藻化石,而北部1245B孔以硅藻化石含量较高且持久出现为特征。本文提出了该区涌升流受长周期“似太平洋年代际振荡模式”和“似北太平洋环流振荡模式”控制的假设。早更新世(1.5~1.1 Ma)主要受到持续的似PDO正位相(似+PDO,表层海水温暖)的控制,涌升流弱,海水中碳酸盐离子丰富,利于颗石藻骨骼钙化形成颗石和颗石产量高,沉积物中超微化石含量高。中更新世过渡期(MPT,1.1~0.65 Ma)受到似PDO负位相(似-PDO,海水表层水体冷、涌升流强、海水pH值低,硅藻生产力高,沉积物中硅藻化石含量高)与似+PDO的交替影响。晚更新世(0.65 Ma)以来,南部1020站位受到似-PDO/似-NPGO?的交替控制,但似-NPGO?的强度和出现频率均大于似-PDO,因此超微化石含量和出现时期比硅藻多;北部1245站位则仅受似-PDO的持续性控制,涌升流较强且持续时间长、沉积物中硅藻化石几乎持续出现且含量较高。MPT时期以硅藻化石含量在1.1 Ma突然增加(南部增加3倍,北部5倍)为起始点,以0.65 Ma时超微化石含量突变(南部增加3倍,北部降3倍)为终止点。本文认为MPT起止点化石含量的突变,是古海洋和气候环境突变的结果,也意味着长时间尺度的似PDO的正负位相之间的转换变化可能是突变过程。MPT时期CCS北部区域内出现了南部和北部站位硅质和钙质两类化石含量变化趋势相反的记录,指示着这一时期该区的古海洋和气候条件出现了地理上的南北分异,并且自0.65 Ma以来南北两个站位控制模式不同。本文的这些记录为CCS区现代海洋大气过程和生物地理分区大致以40°N为界的研究提供了早更新世以来的历史记录。

南海次表层盐度的低频变化及与太平洋年代际振荡的关系

南海是西北太平洋最大的边缘海,是联系北太平洋和北印度洋的关键通道。黑潮北上经过吕宋海峡时会将来自西太平洋的信号传入南海,进而影响南海的水动力环境。研究了南海次表层盐度的空间分布特征、低频变化规律及其与太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)的关系,并进一步探究了次表层盐度近年来的变化。结果显示:1)南海次表层高盐水的位势密度主要介于24~26σθ,受次表层气旋式环流所驱动,盐度气候态空间分布北高南低,以吕宋海峡处为起点,呈逆时针自北向南逐渐降低。2)次表层盐度低频变化显著,与PDO呈显著的正相关关系。当PDO处于正位相时,吕宋海峡处西向平流输送加强,次表层盐度升高;当PDO处于负位相时,吕宋海峡处西向平流输送减弱,次表层盐度降低,盐度的变化受到水平环流场的直接影响。3)近年来,南海次表层盐度呈现先降低后升高再降低的趋势,滞后PDO约10个月, 2006—2014年初,盐度呈下降趋势;2014—2017年初,盐度呈上升趋势,且上升速率远大于先前下降的速率;2017年后盐度再次逐渐降低。

中国北方干旱半干旱区降水的多年代际变化特征及其与太平洋年代际振荡的关系

基于最新版本的全球降水气候中心(Global Precipitation Climatology Centre Version 7,GPCC_V7)资料与欧洲中期数值预报中心20世纪再分析资料(ERA-20C)融合的百年尺度逐月降水资料(1901~2012年),运用集合经验模态分解方法(EEMD)、合成分析等方法系统分析了我国北方干旱半干旱区降水多年代际变化特征及与太平洋年代际振荡(PDO)之间的相互关系。结果表明:北方干旱半干旱区大多数区域降水都具有50~60年的平均变化周期,而PDO对大多数地区降水多年代际变化特征具有明显的调制作用;其中新疆北部和内蒙古北部的降水与PDO呈现出显著的正相关,而河套东西部地区的降水则与PDO的变化呈现显著负相关。进一步分析表明,当PDO为暖相位时,径向环流增强使得北冰洋水汽南下,当遇到低空北上的阿拉伯海域暖湿气流时,会造成新疆中南部的降水增多;另一方面,PDO暖相位时赤道西太平洋及印度洋区域通过对流加热的作用激发了太平洋—日本/东亚—太平洋(PJ/EAP)遥相关型的产生,这有利于渤海湾暖湿水汽输送至干旱半干旱区北部区域,增大降水概率;同时,当偏北和偏西气流在河套北部区域相遇时会形成降水中心。当PDO位于冷位相时,结论则反之。

太平洋年代际振荡对中国冬季最低气温年代际变化的贡献

基于1961-2013年中国台站的均一化气温数据、NOAA月平均海温资料和CMIP5气候模式数据,利用气候统计手段,定量分析太平洋年代际振荡(PDO)对中国冬季最低气温年代际变化的贡献。结果表明:PDO的年代际序列与年代际滤波后的最低气温场在全国大部分地区呈显著正相关,即PDO负位相时中国冬季最低气温偏低,反之偏高。2006年后中国冬季最低气温变暖减缓,造成这一现象的主要原因是自然变率起到的降温作用,而自然变率又主要由PDO起主导作用,约占自然变率贡献的40%左右。PDO对温度的贡献呈现出明显的年代际变化,在变暖减缓期对升温有明显的负贡献,且负贡献逐渐增大至超过50%。

不同太平洋年代际振荡和ENSO位相下大气水分收支变化对北半球冬季太平洋蒸发量的影响

本文利用OAFlux资料研究了1958~2015年北半球冬季太平洋蒸发量在不同厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)和太平洋年代际振荡(PDO)位相下的分布特征,并从水汽收支的角度分析了蒸发量异常的成因,结果表明:ENSO主要影响热带东太平洋、副热带西北太平洋和中纬度北太平洋中部的蒸发量。El Ni?o(La Ni?a)时水汽在北太平洋中部异常辐散(辐合),有利于当地大气水汽含量减小(增大),造成蒸发量增大(减小);副热带西北太平洋异常的水汽辐合(辐散)有利于蒸发量减小(增大);除此以外,蒸发量在热带东太平洋蒸发量增大(减小)则主要是降水量增大(减小)导致。与此同时,ENSO对上述海区蒸发量的影响还受到PDO的调控,当PDO处于暖(冷)位相时,El Ni?o(La Ni?a)造成蒸发量异常程度在中纬度北太平洋中部显著增大,这主要是由降水量增大(减小)引起的大气水汽含量减小(增大)所致,此时对应着风暴轴异常增大(减小);当PDO处于冷(暖)位相时,El Ni?o(La Ni?a)造成的蒸发量异常程度在副热带西北太平洋和热带东太平洋显著增大,而这与湿度变化引起的水汽平流异常程度增大紧密相关。

太平洋年代际振荡与川中丘陵区气候变化关系研究

基于月降水和月平均气温资料,分析了川中丘陵区近50年降水和气温的变化特征及其与太平洋年代际振荡指数(PDO I)的关系.结果表明,川中丘陵区气候存在明显的年代际趋势和突变特征.相关分析和独立样本T检验表明,川中丘陵区夏季气温、年平均气温和秋季降水量与年PDO I均有显著的相关关系,PDO冷位相(1977年以前)对应着高温、多秋雨,而PDO暖位相(1977年以后)对应着夏季和年均温下降,秋季雨水减少.