冬季北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴的协同变化及其与同期海气系统的空间耦合关系

基于1960~2014年NCEP/NCAR(美国环境预报中心和国家大气研究中心)的逐日再分析资料以及NCPC(美国气候预报中心)的海温资料和大气环流及海洋指数,通过风暴轴指数、经验证交分解(EOF)等方法,研究了冬季北半球北太平洋风暴轴(PST)和北大西洋风暴轴(AST)之间不同时间尺度下的协同变化特征,并利用回归和相关分析对风暴轴的年际和年代际协同变化特征与同期海气系统的空间耦合关系进行了探讨。主要结论概括如下:(1)从所定义的冬季北半球两大洋风暴轴的纬度、经度和强度指数来看:三个指数均存在明显的年际变化和年代际变化,其中年际分量的方差贡献远大于年代际分量;对于单个风暴轴来讲,无论是滤波方差场原始序列还是其年际分量和年代际分量序列,每个风暴轴各自的纬度指数和经度指数均呈显著正相关,表明每个风暴轴各自的南北位移和东西位移具有很好的协同性;虽然从原始序列来看,两个风暴轴之间各指数之间的相关关系均并不显著,但是对于年际分量序列和年代际分量序列,两个风暴轴之间均具有显著的协同性变化,其中,在年际尺度上,两者仅强度变化之间具有显著的正相关,而在年代际尺度上,AST的经度(纬度)变化与PST的强度(纬度及强度)变化均具有显著的负相关。(2)EOF结果表明,两个风暴轴之间协同变化的空间结构在年际尺度上反映的主要是强度的变化,第一模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱(增强)并伴随AST整体和PST东部均略有北抬(南压),第二模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱(增强)并仅伴随AST整体略有南压(北抬);而在年代际尺度上,第一模态为AST整体偏北(南)中东部偏强(弱)与PST整体偏南(北)中东部偏弱(强)的反位相协同变化;第二模态为两个风暴轴的强度在其气候平均位置附近同时增强(减弱)的一致性协同变化。(3)进一步分析表明,两个风暴轴之间以不同模态协同变化时,与同期海温、遥相关型及环流异常等海气系统之间均呈现出很好的空间耦合关系,但具有不同的特点。

太平洋地区海气系统年代际变率研究的若干进展

系统回顾了近年来太平洋地区海气系统年代际变率的研究进展 ,涉及大气环流、海洋状况及海气相互作用的年代际变化 ,以及产生这种年代际变率的主要机制 。

海气系统异常与广东夏季旱涝的关系

利用广东境内分布较均匀的15个测站的降水资料,分析了热带东太平洋地区的海温和南海海温的变化对广东夏季(5～8月,下同)降水的影响,旱(涝)年的前期和同期的大气环流差异,以及广东夏季降水的周期性。结果表明,在ENSO年广东偏涝,而在ENSO次年则偏旱;热带东太平洋年平均△SST与广东夏季降水存在显著的反相关关系;旱年的前期(当年的2～3月)南海海温较涝年偏低;亚洲主要大气环流系统的位置和强度的变化趋势在旱年和涝年的前冬以及同期几乎是相反的;广东夏季降水存在准2～3年、6～7年、34年和11年振荡周期。

全球海气系统年代际突变时空特征的模拟评估

文中评估了5个耦合模式对1880年至今全球海气系统的年平均年代际突变时空特征的模拟能力。19世纪80年代—20世纪90年代,评估了耦合模式对海表温度(SST)和海平面气压(SLP)的年代际突变水平分布的模拟能力;20世纪70—90年代,评估了耦合模式对70、80和90年代这3次年代际突变大气的四维时空特征的模拟。结果表明,在上述2个时段中,5个耦合模式对SST场中年代际突变分布最主要的空间分布型——太平洋年代际振荡(PDO)没有抓住,可能导致了对SST年代际突变的空间分布的模拟能力较差,也没有模拟出SLP年代际突变的行星及其以上尺度的空间结构。20世纪70—90年代,在对流层中,UKMO-HadGEM1模式较好地模拟出了70年代的热带地区500 hPa气温和位势高度,80年代极地SLP,90年代南、北副热带气温和500 hPa气温的年代际突变的空间分布。GFDL-CM2.1模式部分模拟出了90年代的SST和500 hPa温度场突变的水平分布。其余模式中也有行星及以上尺度的年代际突变发生,虽然所模拟出来的突变的时间和空间分布与实际差异都较大,但说明这些模式可以模拟出大尺度气候系统年代际突变,其中包含的物理过程还有待于进一步的研究。在平流层,肖栋(2008年)指出1994年平流层的降温突变可能是1991年Pinatubo火山爆发所造成的臭氧减少导致的。其中,GFDL-CM2.1和ECHAM5/MPI-OM模式较好地模拟出了平流层在1994年的降温突变,CCSM3和UKMO-HadGEM1模式部分模拟出了平流层的变冷突变,而FGC)ALS-g1.0模式没有模拟出来。分析表明,这可能是FGOALS-g1.0模式没有考虑火山灰或者臭氧的作用所致。

热带太平洋海气系统内部联系的年代际变化

利用 NCEP/ NCAR再分析资料和全球海温海冰 GISST2 .3 b资料以及英国CRU提供的南方涛动指数 ,分析了热带太平洋区域海气系统内部联系的年代际变化特征。结果表明 :热带太平洋地区海气年际变化间的相关关系具有显著的年代际变迁 ;最近 50 a中 ,西太平洋地区海温变化与南方涛动的联系存在更为明显的年代际变化 ,且在 IWP与 ISO相关关系微弱时 ,在西太平洋赤道北侧的对流层低层 ,西太平洋海温较暖 (冷 )时存在反气旋 (气旋 )环流。这样的高海温—反气旋系统与 ENSO时期典型的低海温—反气旋的系统相反 ,其动力学作用将不利于维持

热带大气和海洋运动的频率差异在海气系统演变中的作用

对热带太平洋地区８５０ｈＰａ纬向风场、海表温度场月平均距平进行了谱分析。结果表明：纬向风距平与海表温度距平的振幅在ＥｌＮｉｏ或ＬａＮｉａ期间同时增长。而在其他期间，波振幅随时间呈相反变化趋势。在ＥｌＮｉｏ或ＬａＮｉａ事件发展期间，纬向风距平的位相角与海表温度距平位相角的差值在９０°左右，而在事件的衰减期间，它们的位相角的差值在０°左右。本文还利用长波近似、海洋对大气加热取局地热力平衡近似时的简单热带海气耦合模式，研究了大气变量和海洋变量位相差随时间变化对海气耦合解的影响。在海气耦合模式中，当大气模式取为非定常时，大气和海洋Ｋｅｌｖｉｎ波之间以及Ｒｏｓｂｙ波之间存在着能量转换，使大气和海洋波振幅呈相反变化趋势。此时，耦合波振幅随位相角差的变化没有共同的增长或衰减区间。大气Ｋｅｌｖｉｎ波与海洋Ｒｏｓｂｙ波或大气Ｒｏｓｂｙ波与海洋Ｋｅｌｖｉｎ波相互作用时，波振幅随位相差的变化存在着相同增长和衰减区间，它们的振幅要么同时增长，要么同时减少。当大气模式取定常时，因为相互作用波之间的位相差是一常数，波振幅随时间无限制增长。本文还在大气模式取为非定常和定常两种情况下，对海气耦合模式进行了数值求解。结果表明，当大气模式取为?

北太平洋海气系统主要模态的年代际变化

结合北太平洋各种指数、海表温度和高度场,分析了北太平洋海气系统的突变特征及其与时间尺度分量的联系.研究结果表明:各种指数、海表温度和高度场在20世纪60年代、70年代和90年代末期均存在显著突变;海表温度60年代的突变主要分布于北太平洋北部,70年代的突变主要分布于北太平洋北部、中部和东南部,90年代突变则主要分布于北太平洋东南部和西南部;高度场突变主要分布于北太平洋北部、西北部和东南部,且突变范围从高层向低层递减.各种指数中60年代突变1～8a尺度分量的贡献较大,70年代突变是20～30a尺度分量的贡献较大,90年代的突变则是1～8a尺度和20～30a尺度分量作用相当.在3个突变时期中,海表温度和高度场的空间分布及相关性分析验证了这种联系的可能性.

积云参数化方案对夏季东亚季风区海气系统位相关系模拟的影响

本文利用区域海气耦合模式RegCM-POM,分别选取Grell积云参数化方案和Emanuel积云参数化方案对北半球夏季(5—10月)的东亚气候进行模拟,研究不同积云对流参数化方案(CPS)对东亚夏季季风区海气系统位相关系模拟的影响。结果表明:不同CPS模拟的陆地降水具有一定的不确定性,而海洋降水和海温的模拟受CPS选择的影响更大。其中,Emanuel方案对海洋降水和海温的分布形势模拟总体上要好于Grell方案,且可以更好的模拟中国近海各海区的海气系统位相关系,特别是大气对海温的负反馈过程。原因在于Emanuel方案模拟的对流降水与海温的位相关系更接近观测总降水与海温的位相关系;而Grell方案对南海和孟加拉湾的对流降水模拟偏少,对黑潮对流降水的模拟偏多,错误地模拟了这几个海区积云对流过程发挥的作用,故其模拟的海气系统位相关系不如Emanuel方案。

赤道印度洋—太平洋地区海气系统的齿轮式耦合和ENSO事件 II.数值模拟

首先应用ＩＡＰ／ＬＡＳＧ ＧＯＡＬＳ气候模式的多年积分的结果，对赤道中西太平洋和印度洋的ＳＳＴ和纬向风场进行分析， 发现在模式中也同样存在与观测资料分析结果相似的“印太齿轮式耦合”。基于此， 设计了赤道太平洋和印度洋海域纬向风应力异常的４ 组敏感性试验， 去研究太平洋和印度洋海气相互作用的联系。结果表明， 在太平洋或印度洋上的大气异常信号通过印－ 太齿轮组合（ＧＩＰ） 作为桥梁（ａｔｍ ｏｓｐｈｅｒｉｃ ｂｒｉｄｇｅ）， 影响到另一地的海气相互作用， 从而将太平洋上的ＥＮＳＯ 类年际变率信号与印度洋环流和亚洲季风纬向分量的变化联系起来。

热带海气系统和澳大利亚冷高压年际变化的关联

本文分析了北半球盛夏期间澳大利亚冷高压强度与同期西太平洋低纬大气环流的关联,指出冷高压强度具有与南方涛动相联的准3—4年振荡,阐明了冷高压活动的年际变化对北半球低纬环流的影响与中短期冷空气爆发过程的区别。进而概括出冷高压强度与海气系统变化的相互关系。

海气系统年际异常中欧亚环流的作用及其与华南沿海降水的关系

本文利用通过周期分析提取主要信息的方法,分析了赤道东太平洋海温、欧亚西风环流经向指数、西太平洋副高面积指数和广州降水量之间的关系。发现它们之间有着密切的联系。主要表现为:欧亚西风环流经向度的变化早于赤道东太平洋的海温;赤道东太平洋的海温变化先于西太平洋副高;副高的变化又先于降水;同时,还有副高的变化先于欧亚环流的迹象。此外,本文进一步证实了欧亚环流对El Nino事件的作用,并且这种作用有可能是低纬普遍存在的准2年振荡的原因。最后,本文还指出了利用环流、海温等的变化进行El Nino预报和华南沿海降水预报的可能性。

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。

热带太平洋线性海气耦合系统的主模与ENSO

本文利用包含海洋表面边界层、线性海洋大气动力学以及完整的关于不均匀气候态线性化ＳＳＴ预报方程的热带太平洋海气耦合模式，在真实的气候背景态和参数域内，研究了海气耦合系统的特征值问题，确定了线性耦合系统主模的特征周期及其稳定性特征，进而揭示了主模和ＥＮＳＯ的关系。结果表明：准两年振荡是线性海气耦合系统中的最不稳定模态，且只有该模态类似于ＥＮＳＯ水平结构。因此，准两年振荡很可能是海气耦合系统固有的最根本性的振荡过程。本文也对准两年振荡的形成与年循环的关系以及它在ＥＮＳＯ时间尺度形成中的作用进行了讨论。

区域海气耦合模式对我国极端降水模拟分析

使用区域海气耦合模式40年的降水模拟结果,采用百分位的方法定义极端降水事件,分析了耦合模式模拟的夏季中国极端降水事件的特征。结果表明,区域海气耦合模式基本能够模拟出气候平均极端降水阈值的空间分布型及极端降水事件在长江中游、西南部分地区和长江下游局部地区的显著增加、增强趋势,在中西部、华北北部和东北局部的显著减少、减弱趋势。EOF分析发现,模式模拟的极端降水事件几个特征量在我国江南地区长江以南与华南沿海及长江以北的呈反位相变化,这一变化以年代际为主要特征。区域耦合模式基本能够模拟出极端降水量、夏季总降水量、极端降水日数两两间的高时空相关关系。

热带东印度洋海表温度持续性的秋季障碍

利用全球海表海温资料(GISST)和NCEP/NCAR再分析风场、海平面气压场资料,研究了热带东印度洋海表温度持续性的季节差异,发现东印度洋海温持续性存在"秋季障碍"现象。进一步分析了东印度洋"秋季障碍"后冬季海温与中东太平洋海温、海平面气压及850hPa风场的关系,并讨论了热带印度洋—太平洋地区海气系统的季节变化与东印度洋"秋季障碍"的关系,结果表明,秋季热带印度洋—太平洋地区海气系统由以印度洋季风环流为主导转向以太平洋海气系统为主导,太平洋海气系统处于急剧加强期,增强的太平洋海气系统对东印度洋海温持续性"秋季障碍"起着重要的作用。

热带太平洋要素场与ENSO的非线性相关特征分析

为进一步揭示热带太平洋海气系统要素场之间的非线性相关特征,基于Hadley提供的海温场资料和美国国家环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)提供的海面风场和海面气压场资料,采用经验正交(EOF)分解和非线性典型相关分析法(NLCCA),分析了海温、海面风场和海面气压场三要素场之间的非线性相关性。结果表明,西太平洋暖池的异常暖状态和热带太平洋的西风异常与ENSO的非线性之间存在着密切关联。进一步引入奇异值分解方法(SVD),将其与NLCCA方法相结合,分析了热带太平洋海温场与海面风场、海面气压场耦合变化的关键影响区及其异性相关的分布特征。分析表明,热带太平洋西风异常和西太副高与ENSO循环之间存在较好的相关性。具体表现在:海温在中东太平洋地区出现异常增暖时,有助于加强东南亚地区的对流发展,促使东南亚地区季风的提前爆发;而东北太平洋副热带高压强度变化对北太平洋中部Nam ias海区海温距平的东西向振荡具有重要作用。研究为ENSO循环的非线性特性提供了有力的证明,也为ENSO的预测研究奠定了相关基础。

海气耦合系统相似韵律现象的研究

本文首先利用一个相似离差形式的海气耦合模式,探讨了相似韵律现象形成的动力学机制,指出相似韵律现象的产生是由于在月平均环流季节变化的强迫下,海气系统非线性耦合相互作用造成的相似离差扰动的不均匀振荡。文中进一步利用一个全球海气耦合的动力-统计季节长期数值预报模式,对相似韵律现象进行了数值模拟和各种敏感性实验,结果不仅证实了理论分析结果,也为进一步利用该模式进行季节长期数值预报提供了依据。

温盐环流与全球增暖的数值模拟──（二）温盐环流在全球增暖事件中的作用

本文是用简单海一气耦合模型模拟温盐环流在全球增暖事件中作用的研究工作的第二部分。在研究海－气耦合系统的增暖过程之前，我们先利用单独的大西洋温盐环流模式模拟和分析了海表热异常向深海的传输过程。结果表明温盐环流在海洋对热异常的响应过程中是被削弱的；对各种物理过程在热异常向深海传输过程中的作用的分析表明，对流在热异常由海表向深海的输送过程中起着关键的作用。在这基础上，我们利用本文第一部分中复制的二维海洋温盐环流模式和一个零维的能量平衡大气模式，在大气和海洋表层始终处于热平衡状态的假定下建立了一个高度简化的海气耦合系统，用数值试验方法研究了该系统对于和大气ＣＯ２浓度突然加倍相当的辐射强迫的迁延响应，着重分析了温盐环流在全球增暖过程中的作用。结果表明：１）两大洋的平衡响应结果有显著差别：太平洋是温盐环流的上翻区，热量主要通过扩散过程由海表向深海渗透，因而海表升温较快，深海加热较慢，而且增温幅度几乎是南北均一的；在北大西洋深水形成区。由于对流与垂直平流共同作用，海表吸收的热量迅速下传，使得大西洋平均海表增温速度要比太平洋慢。而其深海增温则要快得多，并且增温幅度在南北方向是不均匀的。（２）北大西洋在增暖过程中由于其温度垂?

冬季赤道中东太平洋海温异常对北半球两大洋风暴轴协同变化的可能影响

利用NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)和NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的再分析资料和CPC(National Climate Prediction Center)提供的Nino3.4指数,研究了与赤道中东太平洋海温异常相对应的ENSO(El Nio-Southern Oscillation)不同位相对同期北半球海气耦合关系及两大洋风暴轴协同关系的影响,具体结论如下:1)赤道中东太平洋海温异常与冬季北半球两大洋风暴轴协同变化关系密切,具体表现为海温正异常时对应北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴同时增强,且大西洋风暴轴整体和太平洋风暴轴东部位置南压,海温负异常时则相反。2)海温正异常(El Nio)年时,对流层中层极涡向北太平洋地区伸展,西北太平洋副热带高压增强西移,东亚大槽减弱,高度场异常对应WP(Western Pacific pattern)、EA(Eastern Atlantic pattern)型遥相关的负位相和PNA(Pacific-North American pattern)型遥相关正位相,对流层低层加拿大高压增强,阿留申低压强度增强并向东南方向移动,东亚急流增强东伸,北美急流强度增强,欧亚大陆50°N附近西风增强,经向环流减弱,北半球的斜压异常分布有利于北太平洋东部风暴轴南侧以及中西部风暴轴的有效位能向扰动动能转换,使得风暴轴增强东部南压,北大西洋风暴轴南部斜压增强,使得风暴轴整体偏南,中、西部强度增强。海温负异常(La Nia)年时,海温和环流异常在两大洋基本与El Nio年相反,对应两大洋风暴轴强度同时减弱,同时北大西洋风暴轴整体和北太平洋风暴轴东部北抬。3)海温正异常(El Nio)年时,北美大陆为北暖南冷的异常分布,60°N以南的东亚地区除我国西南外基本为温度异常升高。海温负异常(La Nia)年时,由于高度场和风场异常在欧亚大陆和北美大陆上的异常分布与El Nio年时并不是完全相反,使得温度场异常主要表现在北美南部和东亚北部异常升高。

2017年中国十大海洋科技进展揭晓

近日，经广泛推荐、专家评议，中国海洋学会、中国太平洋学会、中国海洋湖沼学会及相关单位联合评选出了“2017年中国十大海洋科技进展”。分别是：1．从海气系统角度揭示海洋在全球变暖背景下的响应特征；2．首次揭示气候变化驱动北冰洋快速酸化机理；3．扇贝“化石”基因组发现及重要发育进化机制解析；4．南大洋增暖机制研究取得突破性进展；