北太平洋年代际涛动与太阳活动的联系

采用逐次滤波法分析了北太平洋海洋大气系统年代际振荡特征及其主要影响因子,探索太阳活动对于北太平洋海洋大气系统年代际变化的影响。结果表明,太阳活动是北太平洋海洋大气系统周期性年代际振荡的重要影响因子,具体反映在:1)北太平洋年代际涛动(PDO,Pacific Decadal Oscillation)存在与太阳活动密切相关的22年周期和11年周期,是PDO仅次于趋势项最重要的周期成分,其方差贡献率分别为20.9%和6.7%。研究发现北太平洋年代际涛动变化对于太阳活动的响应方式与太阳活动强弱程度有联系,太阳活动水平强时PDO与太阳磁场变化符号相同并且振荡幅度大;太阳活动水平弱时PDO与太阳磁场变化符号相反并且振荡幅度小。2)滤除持续下降趋势之后,北太平洋冬季阿留申低压活动区海平面气压(SLP,Sea Level Pressure)表现出与太阳磁场磁性指数(MI,Magnetic index)基本反相的周期性振荡,滤除22年周期之后11年周期也比较清楚,其方差贡献率分别为13.4%和1.1%。3)滤除持续升温趋势以后北太平洋100hPa冬季大气温度距平场表现出与太阳磁场磁性指数基本一致的周期性振荡,滤除22年周期之后11年周期也比较清楚,其方差贡献率分别为15.1%和1.1%。研究结果说明,在太阳活动对于大气温度场的影响过程中,黑子磁场磁性变化是决定性的,即决定了温度变化符号,MI绝对值的变化即太阳磁场强度变化影响其量变。

广西大范围暴雨气候异常对太平洋年代际涛动的响应

使用1961—2016年广西79个地面气象观测站逐日降水资料、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)逐月太平洋年代际振荡(PDO)指数资料、NCEP/NCAR再分析资料、国家气候中心西太平洋副热带高压指数资料,利用相关和合成分析等方法研究广西大范围暴雨气候异常对PDO的响应。结果表明:广西大范围暴雨日数存在显著增多的突变新特征,对PDO有反位相变化的响应。当PDO处于冷位相时,对应着5—8月贝加尔湖阻塞高压和澳大利亚高压显著性偏强;索马里越赤道气流明显增强,与西太平洋副热带高压西侧边沿的东南风容易形成季风槽;形成从新几内亚岛东北部沿海到华南地区的低空风场为“反气旋-气旋-反气旋-气旋”波列传播,使广西大范围暴雨日数偏多。当PDO处于暖位相时,大气环流异常特征相反,广西大范围暴雨日数偏少。

太平洋年代际涛动对ENSO与华南冬季降水关系的可能影响

基于中国160站冬季降水资料、NCEP/NCAR再分析资料以及NOAA SST资料,本文分析了太平洋年代际涛动(PDO)不同位相时期ENSO事件对华南冬季降水影响的差异。结果表明:在PDO正位相时期,El Nio年华南冬季降水显著增加,而La Nia年华南冬季降水没有明显变化;在PDO负位相时期,El Nio年华南冬季降水增加虽然显著,但仅是PDO正位相时期的一半,而La Nia年华南冬季降水显著减少,这说明PDO对ENSO事件影响华南冬季降水具有调制作用,且El Nio(La Nia)事件对华南冬季降水的影响在PDO不同位相时期具有不对称性。前人研究指出,El Nio(La Nia)事件主要通过西北太平洋异常反气旋(气旋)影响华南冬季降水。本文分析发现,在PDO正位相时期,El Nio年西北太平洋异常反气旋北侧西南气流影响华南,造成降水增加,而La Nia年西北太平洋异常气旋位置向南推,对华南地区影响很小;在PDO负位相时期,El Nio年西北太平洋异常反气旋位置东移,对华南影响不大,而La Nia年华南地区基本为西北太平洋异常气旋北侧东北风异常所控制,从而使降水减少。由此可见,PDO不同位相时期El Nio(La Nia)事件影响华南冬季降水异常差异的主要原因是西北太平洋异常反气旋(气旋)的差异造成的。此外,源自孟加拉湾低槽南侧的西风水汽输送异常在PDO不同位相时期El Nio(La Nia)年份也存在非对称性的差异。

太平洋年代际涛动对南海夏季季节内振荡的调制作用

【目的】探讨太平洋年代际涛动(PDO)不同位相下其对BSISO时空特征、强度等产生的影响。【方法】利用NOAA云顶向外长波辐射和NCEP-DOE再分析资料研究PDO不同位相下夏季(5-10月)BSISO的活动特征和PDO影响BSISO的可能机制。【结果与结论】PDO影响BSISO的周期:暖位相下BSISO活动周期较冷位相下活动周期短,暖位相周期主要是10~50 d,而冷位相周期主要是10~40 d和60~70 d。冷暖位相周期均在10~40 d显著,而PDO暖冷位相分别在40~50 d、60~70 d相对显著。PDO影响BSISO的活动轨迹:PDO暖位相下对流活动在西太平洋上呈东南-西北向的移动趋势,而PDO冷位相时对流从印度洋向东北移动,对流中心可延伸至热带西太平洋,后转向西北移动直至南海上空。PDO影响BSISO的原因:PDO暖位相时,西太平洋有强的东风剪切异常,有利于对流的向北移动。而冷位相下,孟加拉湾至南海及以南区域东风垂直剪切异常、比湿正异常以及比湿的经向梯度共同作用驱动对流向北移动。此外,PDO暖位相较冷位相位势高度偏高,因而对BSISO活动强度起到抑制作用。

太平洋年代际涛动对中国东部季风区夏季降水的影响

利用1951-2013年全国160个基准气象观测台站夏季(6-8月)月降水资料和太平洋年代际涛动(PDO)指数等资料,分析中国东部季风区夏季降水的时空分布及其与太平洋年代际涛动(PDO)的关系。结果表明,中国东部季风区夏季降水的空间分布模态是南、北部与中部的降水呈明显的相反趋势,且太平洋年代际涛动(PDO)与中国东部季风区夏季降水的时空分布关系密切。太平洋年代际涛动(PDO)处于暖位相时,东部季风区北部(华北、西北地区)、南部(华南、东南地区)降水量异常偏少,而中部(华东、长江中下游地区)降水量异常偏多;太平洋年代际涛动(PDO)处于冷位相时,则与上述情况相反。

气候变化对中国近海捕捞渔业的影响——以太平洋年代际涛动为例

太平洋年代际涛动(Pacific Decadal Oscillation,PDO)是气候年代际变化的主要模态之一,不仅对欧亚及北美大陆气候有重要的调节作用,对海洋生态系统及渔业资源也产生重要影响。本文以影响中国近海环境最主要的气候年代际事件PDO为切入点,采用经验正交函数分解(EOF)、超前滞后相关、一元回归分析和经验模态分解(EMD)等方法,分析了1950—2018年中国近海4种主要经济鱼种(小黄鱼(Larimichthys polyactis)、带鱼(Trichiurus lepturus)、银鲳(Pampus argenteus)及蓝点马鲛(Scomberomorus niphonius))渔获量波动与PDO变化的关系。结果表明:①渤黄东海4种渔获量与PDO的关系变化一致,存在显著的同期负相关;而南海4种渔获量与其他海区不同,与PDO相关性较差。②PDO变化对渔获量的影响主要集中在年代际尺度,并且在PDO位相转换期间的影响更为显著。③PDO变化通过引起渤黄东海的海温和初级生产力(以叶绿素为表征)显著变化,对渔获量波动产生影响。具体表现为当PDO处于负位相时,中国近海会出现海水增暖、叶绿素增加现象,适宜海温和初级生产力提升,使得渔获量增加。本文结合中国海洋渔业发展现状和特点,对中国海洋渔业发展方面提出相应对策建议,以期为气候变化背景下中国渔业资源的开发利用提供理论指导。

北太平洋副热带模态水盐度的年代际变化

副热带模态水(Subtropical Mode Water;STMW)在气候变化中起着重要作用。本文利用全球高分辨率数值模拟结果,研究了北太平洋STMW核心层盐度(Core Layer Salinity;CLS)的年代际变化及其物理机制。结果表明,CLS存在显著的年代际变化,其空间分布则与背景流场分布特征有关。侵蚀区CLS滞后生成区CLS约1~2年,这主要是海流平流输运引起的。生成区内,STMW的季节循环一般可分为生成期(12-4月)、隔离期(5-6月)和侵蚀期(7-11月),生成期混合层盐度(Mixed Layer Salinity;MLS)决定着隔离期和侵蚀期的CLS,而MLS年代际变化则主要由同太平洋年代际涛动存在负相关性的海表面淡水通量的变化引起。

北太平洋副热带西部模态水年代际变化特征及其机制分析

采用来自大洋环流模式ECCO2(the estimating the circulation and climate of the ocean,phase II project)的再分析数据对1992-2019年北太平洋副热带西部模态水(subtropical mode water,STMW)的年代际变化特征及机制进行了分析。结果表明:STMW形成体积具有显著的年代际变化,于1992-1997年、2000-2005年和2011-2017年期间为正异常,而于1998-1999年和2006-2010年期间为负异常,由晚冬生成区混合层体积的年代际变化引起。STMW形成厚度和面积均呈现类似的年代际变化。合成分析表明,STMW形成体积正异常期间,黑潮延伸体上游南侧STMW生成区,海表涡动能相对负异常期间减小,同时预先层结相对负异常期间减弱,并伴随着海表高度异常。通过混合层收支分析发现,混合层形成体积年代际变化与海洋预先层结调控的混合层底卷吸作用变化同步且大小相当,而与海气形成率变化无关。增强(减弱)的海洋预先层结通过调控STMW形成区冬季混合层底卷吸过程,阻碍(促进)冬季混合层加深,最终使得STMW形成体积减少(增加)。进一步分析表明,STMW形成体积年代际变化受与太平洋年代际涛动相关的风应力旋度异常的远场调控。

1950～2010年PDO对北太平洋地区海平面变化影响的量化与评估

本文研究和估计了1950~2010年不同太平洋年代际涛动(Pacific decadal oscillation,PDO)事件对北太平洋地区的海平面上升趋势所造成的影响。研究使用了SODA(Simple Ocean Data Assimilation)的海表面高度(sea surface height,SSH)数据资料,通过多元线性回归方法,分离了由PDO事件所引起的海表面高度变化(PDO-SSH),以此分析PDO事件对海平面变化所造成的影响。结果表明,PDO-SSH所引起的海表面变化趋势的空间分布,及其对区域海平面变化的遮掩效果,和对应时期内PDO信号的振幅和周期有着紧密的关系。进一步的分析表明,PDO事件对北太平洋地区SSH变化所造成的影响是不均匀的,在东西太平洋有着相反的变化趋势。1960~1989年,具有较长数据时间长度的PDO信号对海平面变化的影响,要强于高度计投入使用后的时期的表现,而受其影响最重的海域出现在赤道西太平洋海域、阿留申群岛及北美沿岸地区,PDO-SSH在上述地区SSH的占比甚至高达60%。

秘鲁外海茎柔鱼栖息地适宜性年代际变动

茎柔鱼广泛分布于东南太平洋海域,是我国重要的远洋捕捞对象之一,其种群易受气候和栖息地环境的影响。利用海表面温度(SST)和海表面高度距平(SSHA)两个关键环境因子,计算1950-2015年1-12月秘鲁外海茎柔鱼栖息地适宜性指数(HSI),对比分析太平洋年代际涛动(PDO)位于冷暖位相下茎柔鱼渔场环境以及栖息地质量的变动。结果显示,1950-2015年PDO呈现冷、暖、冷3个位相变化,其中PDO冷位相内的SST距平(SSTA)和SSHA明显低于PDO暖位相。交相关分析结果表明,PDO指数与SSTA和SSHA均呈显著正相关,而HSI与PDO指数、SSTA和SSHA均呈显著负相关。PDO位于冷位相时,茎柔鱼渔场内水温变冷,海面高度下降,适宜的SST和SSHA范围增加,因此茎柔鱼有利的栖息地面积增大;而PDO位于暖位相时,水温增暖,海面高度上升,适宜的SST和SSHA范围缩减,导致茎柔鱼适宜的栖息地面积缩小。研究认为,太平洋年代际涛动调控了茎柔鱼渔场内的环境变化,进而对茎柔鱼栖息地质量及适宜栖息地范围产生显著影响。

太平洋褶柔鱼秋生群产卵场环境变化及对资源丰度的影响

根据日本渔业机构提供的2002-2011年太平洋褶柔鱼(Todarodes pacificus)秋生群的生产统计数据,结合产卵场环境数据以及厄尔尼诺指数(Ni1o 3.4区海表温度距平值,NI)和太平洋年代际涛动指数(PDOI),利用交相关函数分析NI和PDOI与太平洋褶柔鱼秋生群资源丰度(CPUE)、产卵场海表温度(SST)、叶绿素a(Chl-a)浓度以及适宜产卵场面积(Ps)之间的关系,检验不同气候条件下太平洋褶柔鱼产卵场环境变化。结果表明,NI与CPUE和Ps均显著正相关,与产卵场SST显著负相关,但与Chl-a浓度相关性不显著;PDOI与CPUE显著正相关,与SST显著负相关,与产卵场Ps和Chl-a浓度相关性均不显著。PDO位于正位相或发生厄尔尼诺事件时,太平洋褶柔鱼秋生群的产卵场SST偏低,Chl-a浓度偏高,Ps增大,提供了有利的资源量补充条件,太平洋褶柔鱼秋生群资源丰度增加;而PDO位于负位相或发生拉尼娜事件时,产卵场SST上升,Chl-a浓度降低,Ps减小,不利于资源量的补充,其资源丰度相应降低。研究表明,PDO模态转换以及厄尔尼诺和拉尼娜事件对太平洋褶柔鱼秋生群产卵场环境和资源丰度具有显著影响。

年代际预测和耦合资料同化研究综述

年代际预测是近年来气候变化研究的一个迅速发展的新兴热点领域,其首要步骤是进行初始化,目的是为年代际预测提供包含观测变率信息的初值.发展效果好且省时的初始化方法是年代际预测的重大挑战之一,目前国际上主流的初始化方法是耦合资料同化,即在耦合模式框架下进行同化.在年代际预测时,由于模式偏差和初始化方法性能的限制会产生初始冲击问题.目前国际上的各模式机构普遍对北大西洋、热带东西太平洋和印度洋海表温度的年代际预测水平高,而对全球平均近地面气温和北太平洋海表温度的年代际预测水平相对较差.本文主要从初始化方法和年代际预测这两方面的研究现状进行全面回顾,指出存在的问题并讨论未来的发展趋势和挑战.

南海海表面温度年代际异常变化特征及其与PDO的联系

利用奇异谱分析和小波分析的方法,分析了南海海表面温度异常(SSTA)在年代际尺度上的变化特征及其与太平洋年代际涛动(PDO)之间的关系。发现南海SSTA年代际振荡与年循环之间存在一定程度上的锁相:在冬、春季较强,而夏、秋季则较弱。此外,在过去的140多年,南海SSTA年代际振荡显著衰弱。通过与PDO指数进行相关分析发现,在年代际尺度上PDO与南海SSTA具有一定的相关性。一方面这种相关性只在20世纪前50年比较显著,这在一定程度上解释了为何南海SSTA的年代际振荡表现出衰减的趋势;另一方面,当PDO位相超前南海SSTA位相3到6个月时,两者表现出较强的相关性。进一步分析表明,PDO可能通过调控赤道东太平洋SST,从而影响南海SSTA的年代际变化。

第8章 认识大气/海洋变率耦合动力学100年进步

大气和上层海洋状态的实地观测网和再分析产品,显示了明确的从季节到年代际耦合气候变率的大尺度特征。我们通过观测分析、用各种复杂程度的非耦合和耦合大气和海洋模式进行试验及从理论发展视角,总结了这些现象及其物理含义。我们从讨论赤道热带太平洋和大西洋季节循环开始,它无疑受到了大气和海洋之间耦合的影响。之后,我们讨论仅仅因为大气和海洋之间耦合而存在的热带现象:太平洋和大西洋经向模态,太平洋上的厄尔尼诺-南方涛动(ENSO),以及大西洋类似ENSO的现象。对于ENSO,我们进一步讨论ENSO冷暖阶段之间的不规则和不对称的来源,以及ENSO对强迫的响应。北半球中纬度所有尺度变率的基础,首先是不依赖于海洋、陆地或海冰分布状态的任何变化而存在的非耦合大气变率。这些特征包括北大西洋涛动(NAO)、北太平洋涛动(NPO)和太平样北美/阿留申低压(PNA)分布;它们大多在冬季最活跃,时间谱近似于白噪声。NPO、PNA和NAO的随机变率通过湍流交换和Ekman传输在从天到年际时间尺度上驱动海洋,在年代际和更长时间尺度上通过风应力驱动。PNA是导致太平洋年代际涛动的部分原因;NAO是北大西洋类似副极地海洋涡旋现象的成因。模式方面,NAO的随机强迫还使得大西洋经向翻转环流(AMOC)的强度变率增加,它是被称为大西洋多年代涛动(AMO)的北大西洋气候多年代际距平的部分原因;充分确定AMO物理机制的观测尚不存在。我们评述过去50年里我们在认识这些现象中取得的每一个进步,以及惠及的短期(季节到年际)气候预测。最后,简要讨论将要实现的进展暂时性措施和期盼中的进展。

中国近530年干湿变化及其持续性特征研究

采用中国530年旱涝指数序列,并将其划分为华北和西北东部地区(Ⅰ区)、长江流域地区(Ⅱ区)以及中南和东南沿海地区(Ⅲ区)3个区域。应用功率谱、滤波方法、BG算法等研究旱涝指数序列各相对平稳均值段之间的干湿转化特征。结果表明,近130年的干旱时段和历史上的干旱或偏旱时段相比,Ⅰ区干湿转化频率有所加快;Ⅱ区干湿转化频率没有太大变化;Ⅲ区干湿转化频率有所降低。并且重大干湿转折时期大多对应突变点比较集中,即这一时期气候态不稳定,容易发生突变或各种极端气候事件。结合小波系数的周期分析结果发现,Ⅰ区从1920年左右开始的干旱,在经历了20世纪70年代末以来的严重干旱以后,有可能在21世纪再持续50到70年,其后再一次发生由干旱向湿润的转型;Ⅱ区则有可能在接下来的几十年中持续湿润期相对集中的情况。此外,Ⅰ—Ⅲ区干湿变化的特征与北半球的气候变化有一定的对应关系;Ⅰ区的干湿变化与当地温度变化具有较好的正相关;Ⅱ区和Ⅲ区干湿变化与温度变化的联系较Ⅰ区差一些;太平洋年代际涛动可能对3个区域的干湿转化均有不同程度的影响。在此基础上,定义旱(涝)尺度因子,可以定量描述旱涝持续性的区域特征;滑动计算旱(涝)尺度因子,可以检测哪一时段对应有旱涝群发性事件及重大干湿期的转折。

中国东部2012年夏季降水及年代际转型的可能信号分析

针对2012年夏季中国东部降水"南旱北涝"的异常特征,对比分析了近50年不同年代中国东部降水的分布型及海洋和环流等影响因素,并讨论了2012年中国东部夏季降水异常作为中国东部降水年代际转型信号的可能性.研究结果表明:1961—1978年期间,北太平洋年代际涛动(PDO)处于冷位相,东亚夏季风偏强,西太平洋副热带高压(副高)偏弱,北方地区冷空气活动偏弱,从而有利于南方水汽北上,造成中国北方地区夏季降水异常偏多;1979—1992年间则呈相反的特征,造成1970年代末期中国东部夏季降水发生了一次年代际尺度的调整.2010年代后期以来,PDO由暖位相向冷位向转变,2012年北太平洋海温异常偏暖,西太平洋海温由异常偏暖状态转变为正常略偏冷状态,东亚夏季风由弱变强,副高由强变弱,北方冷系统活动减弱,这些特征均与1961—1978年时段的情况类似,支持2012年作为中国东部夏季降水发生年代际调整的前期信号的可能性.近10年PDO,东亚夏季风(EASM),副高(WPSH)和贝湖高压(BH)四种指数夏季平均值的演变则进一步说明了2012年的这种异常特征不仅是年际尺度的振荡,更可能是前期演化基础上的一种量变到质变的调整.

中国极端干旱事件的年代际变化及其成因

研究了河北山西、黄河中下游、江淮和西北东部地区531年极端干旱事件的概率,采用古里雅冰芯δ18O含量和500年来太平洋年代际涛动指数进行了对比分析.Morlet小波分析发现四个地区的极端干旱事件概率和古里雅冰芯δ18O含量都存在着350年左右的准周期,且四个地区近500年来极端干旱事件概率的变化与古里雅冰芯δ18O含量的变化相反,在δ18O含量较高的时期,发生极端干旱事件的概率较低,反之亦然.对太平洋年代际涛动指数进行小波变换,发现80年尺度的准周期在逐渐衰弱而50年尺度的准周期却在逐渐增强.在80年或50年尺度的准周期处于控制地位时,四个地区处于极端干旱事件多发期,而在二者处于交替时期,即二者周期性均较弱的时期,处于极端干旱事件偏少期.

中国近海海表温度对气候变暖及暂缓的显著响应

基于多套全球海温再分析数据和2种线性趋势分析方法,评估了1958—2014年中国近海海表温度(SST)的变化及其对全球气候变化的响应特征,并与全球平均地表温度特别是与若干重要海区的SST做了比较。研究表明:在全球变暖的显著加速期(1980年代和1990年代),中国近海区域年平均SST表现出更快速的升温特征,其速率达0.60℃/10a,是同期全球平均升温速率的5倍以上;在变暖暂缓期(1998—2014年),中国近海SST出现显著的下降趋势。研究还表明,中国近海区域SST的年代际变化与太平洋年代际涛动(PDO)的位相转换一致,前者SST的快速上升(下降)期与PDO正(负)位相最大值的时期相对应,PDO可能是通过东亚季风和黑潮影响中国近海SST的年代际变化。

一种提取ENSO—东亚冬季风稳定关系的可能方法

很多研究曾指出,厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)与东亚冬季风存在显著的统计关系;且当北太平洋年代际涛动(PDO)处于正位相时,ENSO与东亚冬季风的统计关系不再显著。本文从动力学的角度,探索如何提取ENSO与东亚冬季风之间的稳定关系。结果表明,在剔除ENSO中PDO的线性信号之后,ENSO与东亚冬季气温呈现出持续,稳定的显著统计关系;该结果在多套再分析资料中得到了证实。其中的主要原因是:正位相的PDO能够抑制太平洋—东亚大气遥相关的建立,当剔除ENSO中PDO的线性信号之后,沃克环流对西北太平洋大气环流的影响加强,使得西北太平洋异常的反气旋能够向北延伸至黑潮地区;从而有利于太平洋—东亚大气遥相关的建立,进而有利于ENSO影响东亚冬季气温的变化。

地球三极200hPa温度的协同变化特征

地球的三极,即北极、南极和第三极(即青藏高原及其周围地区),拥有地球上最大储量的淡水资源.地球三极均对气候的变化响应敏感,然而三极气候变化之间的关联,特别是南极和第三极之间的关联却知之甚少.在200hPa高度,夏季气温在地球三极的上空最高,且受地表条件影响较小,可能反映出大尺度的气候动态关联特征.地球三极的温度在年代际时间尺度(10~100年)上表现出同相变化特征,北极和南极上空200hPa处的温度与布鲁尔-多布森环流(BDC)显著相关,这可能是由于布鲁尔-多布森环流将平流层臭氧向南北极输送,并同步加热了南北极200hPa处的空气.我们发现在第三极的对流层顶变暖增强了向两极的,特别是向南极的,布鲁尔-多布森环流输送,由此将第三极的气候与南北极气候联系起来.此外,太平洋年代际涛动(IPO)也显示出与三极200hPa处温度的关联.