5月南极涛动对青藏高原西部夏季气温影响的诊断分析

青藏高原是全球气候变暖最敏感的地区之一,是北半球夏季最大的热源,其气候响应受到广泛关注。然而,有关南极涛动与青藏高原夏季气温的关系和机理知之甚少。为了研究南极涛动与青藏高原夏季气温的关系,基于1979—2020年英国东安哥拉大学气候研究中心(CRU)的逐月气温、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的逐月海表面温度和大气环流再分析数据以及南极涛动指数等数据,采用相关、回归、合成分析等方法进行研究。结果表明,北半球夏季青藏高原西部气温与5月南极涛动存在显著负相关,即当5月南极涛动异常偏弱时,夏季青藏高原西部气温异常偏高。其影响过程为,南极涛动为正位相时,在南印度洋中高纬地区出现“负-正-负”的经向“三极子”海温模态,该模态可持续到夏季,在印度洋形成异常的纬向-垂直环流,相应在热带西印度洋和东印度洋-海洋性大陆之间的降水异常导致热带正“偶极子”降水模态,通过该降水模态在青藏高原西部引起异常反气旋环流和下沉运动,有利于高原西部气温偏高。研究结果显示,海洋的热惯性在“延长”南极涛动影响过程中起着重要的桥梁作用,可为青藏高原夏季气温预测提供科学依据。

MEPM模型:基于深度学习的多变量厄尔尼诺-南方涛动预测模型

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是发生在热带太平洋年际时间尺度的海-气相互作用的异常现象,并由Nino3.4指数表征其发生情况;除此之外,ENSO与众多极端气候事件密切相关。因此,有效的ENSO预测对于预防极端气候事件和深入研究全球气候变化具有重要意义。然而,目前基于深度学习的ENSO预测大多数是预测一个指数或者单一变量,对于模拟多气候要素下的ENSO预测研究较少。通过提出一种利用多气候变量的ENSO预测模型——MEPM模型,其中包括多变量信息提取模块(MIEM)和时空融合模块(STFM),捕获不同气候变量在时空上的相互依赖性,进而提高ENSO预测的准确性。选取了纬向风应力异常(τ_(x))、经向风应力异常(τ_(y))、海表温度异常(SSTA)和海表下150 m温度异常(SSTA150)4个变量的距平值进行ENSO预测。结果表明:MEPM模型在提前11个月的Nino3.4指数相关技巧上分别比北美多模型集合中的动力预报系统CanCM4、CCSM3和GFDL-aer04高10%、20%和14%。此外,MEPM模型在中期Nino3.4指数相关技巧上显著优于其他深度学习模型,并可提供长达17个月的有效预测。

季节内印度洋-西太平洋对流涛动对次季节-季节尺度大气可预报性的影响

利用非线性局部Lyapunov指数和条件非线性局部Lyapunov指数定量估计了季节内印度洋-西太平洋对流涛动(IPCO)和实时多变量Madden-Julian指数(RMM指数)可预报期限,量化了季节内IPCO对S2S尺度大气可预报性的贡献,深入研究了季节内IPCO演变下S2S尺度可预报期限空间分布的变化规律。结果表明:(1)与RMM指数相比,季节内IPCO指数可预报性更强,可预报期限达到31天左右,比RMM指数高出2周以上;(2)印度洋-西太平洋区域S2S尺度大气可预报性最强,可预报期限达到30天以上,其中季节内IPCO是该地区的主要可预报性来源之一,其贡献达到6天,占总可预报期限的25%以上;(3)随着季节内IPCO的演变,印度洋-西太平洋地区S2S尺度大气可预报性有空间结构变化,表现为可预报期限异常的传播和振荡。S2S尺度大气可预报期限正负异常沿季节内IPCO传播路径,一支以赤道中西印度洋为起点北传至印度半岛,一支向东传播,经过海洋性大陆到赤道西太平洋后向北传播,到达日本南部。同时,可预报性异常的传播在在东印度洋和西太平洋表现出反向变化的特征,形成东西两极振荡,当季节内IPCO向正位相发展时,东印度洋具有更强的可预报性,西太平洋具有更弱的可预报性,反之亦然。季节内IPCO的发展(衰退)可使东印度洋(西太平洋)S2S尺度大气可预报性更强,表明模式预报技巧对此具有更大的提升空间。

用于厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)研究的海气耦合模式综述:中间型和混合型模式

厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)是地球气候系统中最强的年际变率信号,起源于热带太平洋海气相互作用过程,并对全球的天气和气候等产生显著的影响。过去几十年来,广泛、深入而细致的海气相互作用研究致力于发展和改进海气耦合模式以用于ENSO模拟和预测,各种类型的海气耦合模式应运而生。经过半个多世纪的努力,ENSO数值模式及其应用已经取得了巨大进展,包括已发展了一些高度理想化的概念(concept)模型来解释ENSO准周期性循环(包括正负反馈机制等);同时也已发展了几类复杂程度不同的海气耦合模式并用于对ENSO的真实模拟和实时预测等研究,尤其是已能提前6个月或更长时间对ENSO事件的发生和发展等进行有效的实时预测。其中最为复杂的模式是基于原始方程组的大气环流模式(Atmospheric General Circulation Models,AGCMs)与海洋环流模式(Oceanic General Circulation Models,OGCMs)等所组成的环流型耦合模式(Coupled General Circulation Models,CGCMs),这类模式变量取为完全变量的形式(如总的海表温度场,其可以分解为气候态部分和年际异常部分),还考虑了尽可能详尽的物理过程及其参数化方案。中间型耦合模式(Intermediate Coupled Models,ICMs)是一类介于高度理想化概念模型与复杂的环流型耦合模式之间的简化模式,其对应的控制方程组采用距平形式,直接取大气和海洋年际异常场作为预报变量(如海表温度年际异常),而相应的气候平均态部分则由对应的观测资料来给定;大气与海洋模式间的耦合采用异常耦合(anomaly coupling)。混合型耦合模式(Hybrid Coupled Models,HCMs)是另一类简化的海气耦合模式,其中海洋或大气模式有一个分量模式采用了简化的距平类模式(类似于ICMs),而另一个分量模式则采用环流型模式(General Circulation Models,GCMs);如可采用统计的大气风应力年际异常模式与OGCM间的耦合而构建一种HCMOGCM,也可采用简化的海洋距平类模式(如ICM中的海洋分量模式)与AGCM间的耦合而构建另一种HCMAGCM。历史上,ICMs、HCMs和CGCMs等这几类耦合模式都在ENSO理论体系的发展、数值模拟和实时预测等方面都起到了重要作用。本文主要回顾作者与合作者所研发的ICMs和HCMs的构建、特点和应用例子等。

近三十年冬春季北极涛动在北太平洋和北大西洋的型态特征分析

北极涛动是北半球中高纬度行星尺度大气环流变率的第一模态,它影响着北半球大部分地区的温度和降水,与极端天气事件的频率和强度密切相关。本文分析了北极涛动(AO指数)的时间序列,基于1979年-2008年1-3月的NCEP位势高度场数据,分析AO指数强正位相和强负位相年份在北太平洋和北大西洋地区对流层低层到高层的大气环流特征。分析结果表明:北极涛动是在正负相之间交替出现的,正位相与负位相年份数大致相当,在20世纪70年代到90年代中期,北极涛动以正位相为主;此后呈现正位相和负位相交替分布。当北极地区为正距平时,通常情况下该年为负位相年;反之为正位相年。北太平洋、北大西洋两个中心在和北极地区对比时,多数情况下位相表现是相同的,即同正或同负。强北极涛动年份的出现往往是两个甚至三个中心气压场同时变化、共同作用造成的。随着大气层的升高,北极、北太平洋和北大西洋中心的气压场距平值增大。

南北涛动与南极涛动及北极涛动的相互作用

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了南北涛动(Interhemispheric Oscillation,IHO)与北极涛动(Arctic Oscillation,AO)和南极涛动(Antarctic Oscillation,AAO)的联系。分析表明:1)北极涛动(AO)、南极涛动(AAO)与全年各自半球中高纬度地表气压变化密切联系。其中,AO冬季强度最强,且在春季、冬季的影响范围大。而AAO对南半球中高纬的地表气压变动影响更为明显,其在夏季影响范围最大。2)南极涛动(AAO)与南北涛动(IHO)有很好的同期相关性,南极涛动可部分解释南北涛动的形成。IHO与AO存在不显著的负相关,南北半球中高纬大气运动具有相对独立性。3)南北涛动(IHO)与全球较大范围内的地面气压变化有关,而去除AAO信号后,夏季在南极地区原显著相关区显著减少,夏季AAO与IHO存在密切联系。4)南北涛动(IHO)主要与春季、秋季和冬季亚洲、欧洲北部地面气温关系密切。秋季最强,春季次之,冬季最弱。夏季IHO与全球地面气温没有较好的联系。亚欧大陆北部的热力作用可能部分地解释了南北涛动的形成。

厄尔尼诺-南方涛动影响下月尺度水文模型参数可移植性

以浙江省3个流域作为研究对象,采用两参数月水量平衡模型(XM模型)和四参数月水量平衡模型(ABCD模型),结合极大似然不确定性估计方法(GLUE)对水文模拟的不确定性区间进行估计,在此基础上,研究不同模型在ENSO(厄尔尼诺-南方涛动)和不同流域地理情况下的参数移植能力。结果表明,厄尔尼诺时期的参数移植至拉尼娜时期,模型模拟效果要略好于拉尼娜时期的参数移植至厄尔尼诺时期;参数少的模型(XM模型)参数移植合格率要优于参数多的模型(ABCD模型);相邻流域间的参数移植效果要明显优于距离较远的流域;ABCD模型具有更好的空间可参数移植能力。

2015—2020年中国臭氧污染时空演化及其与厄尔尼诺-南方涛动的关系研究

为研究2015—2020年我国近地面臭氧(O_(3))污染时空演化特征以及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)对我国O_(3)污染的影响,本文基于2015—2020年我国近1500个监测站点的O_(3)浓度数据(不包括港澳台地区数据),综合运用空间自相关、热点分析、异常值分析及回归分析,研究2015—2020年我国O_(3)污染的时空演化、浓度异常特征及其与ENSO事件和气象因素的关系.结果表明:(1)2015—2019年我国O_(3)污染集聚效应不断增强,但2020年显著降低.(2)我国O_(3)浓度呈先升高(2015—2018年)后下降(2018—2020年)的特征,2017年、2018年O_(3)年均浓度分别较上一年升高8.72%、1.76%,2019年、2020年O_(3)年均浓度分别较上一年下降3.60%、3.66%.除2019年、2020年外,O_(3)浓度高值聚集区站点的O_(3)浓度峰值和高值天数(日均值大于120μg/m^(3)的天数)均大于O_(3)浓度低值聚集区站点.(3)O_(3)高浓度时期为每年的4—10月.O_(3)高浓度区域春、夏两季以华北为核心,秋季向华南和东南地区转移.(4)回归分析表明,我国O_(3)浓度正异常与ENSO负相拉尼娜相关,O_(3)浓度负异常与ENSO正相厄尔尼诺相关.我国东南部O_(3)浓度异常主要受ENSO期间太阳辐射异常和降水异常的影响,而西部和北部地区O_(3)浓度异常主要受ENSO期间风速异常的影响.研究显示,2015—2020年我国O_(3)平均浓度呈先升高后降低的变化趋势,O_(3)高浓度时期以春、夏两季为主,O_(3)高浓度区域随季节而发生变化,且不同区域O_(3)污染变化特征不同,ENSO对我国不同区域O_(3)污染的影响机制不同.

厄尔尼诺/南方涛动事件对云南秋季气象干旱的不同影响分析

云南是我国干旱灾害高发区,为增进厄尔尼诺/南方涛动(El Niño/Southern Oscillation,ENSO)对云南干旱影响的认知,提升云南秋季气象干旱预测能力,采用1979—2022年云南125个气象站逐日降水资料、英国国家气象局哈德莱中心(Hadley Center)逐月海表温度(Sea Surface Temperature,SST)资料及欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)第五代再分析资料(the Fifth Generation of European Reanalysis,ERA5),揭示两类ENSO事件对导致云南秋季气象干旱的降水异常影响及相应的物理过程。结果表明:(1)中部(Central Pacific,CP)型El Niño或La Niña事件同期,云南秋季降水以偏少为主;东部(Eastern Pacific,EP)型El Niño或La Niña事件同期,云南秋季降水则以偏多为主,且EP型El Niño是云南秋季降水偏多的强信号。(2)EP型El Niño年和La Niña年,500 hPa位势高度场在欧亚大陆中低纬呈负距平,西太平洋副热带高压偏西,西南暖湿气流与冷空气在云南交汇,中低层以上升运动为主,有利于降水产生。CP型El Niño年和La Niña年,500 hPa位势高度在云南附近为正距平,加之向外长波辐射正异常,对流活动较弱,不利于云南地区的降水。(3)ENSO事件SST异常激发的赤道西北太平洋气旋(反气旋)环流的位置东西偏移是导致云南秋季降水异常的重要因素。

冬季北大西洋涛动和乌拉尔山阻塞环流对欧亚大陆变冷的协同影响

虽然全球平均表面气温不断升高,但在冬季欧亚大陆经常出现年际-年代际尺度上的变冷趋势。利用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析资料,指出冬季影响欧亚大陆变冷的大气环流主要是北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)和乌拉尔山阻塞(Ural blocking,UB)的环流组合。其中,NAO环流可以在年际尺度上作为背景环流影响UB过程对欧亚低温天气的作用。统计分析发现,在NAO正(负)位相(NAO+/NAO-)环流背景下UB的发生频率可以解释冬季平均UB发生频率的52%(13%),表明NAO+环流有利于下游阻塞形势出现。尽管如此,研究发现在NAO-环流背景下的UB事件平均给欧亚地区带来的降温幅度更强,约是NAO+环流背景下的2倍,而且亚洲降温区的位置偏北约5°、偏东约13.5°。中等强度的NAO+环流背景下UB事件对欧亚降温的贡献更显著,强的NAO+环流背景下,UB过程在欧亚大陆中纬度地区产生的冷异常较弱,这与NAO+环流在欧亚大陆北部产生的明显增温有关。而在NAO-环流背景下,欧亚大陆北部有明显的降温,UB环流的出现会进一步将冷空气向南输送影响我国,这种情况主要反映的是NAO-环流异常对欧亚地区降温的作用,因此NAO-环流越强降温越强烈。

基于弱耦合资料同化的冬季北大西洋涛动年际变率预测

北大西洋涛动作为冬季北大西洋地区大气环流的主模态之一,其年际变率对全球许多地区气候变率具有重要影响,但目前其预测技巧并不高。采用降维投影四维变分同化方法,在耦合模式中建立了基于全球大气资料的弱耦合资料同化系统,直接同化月平均再分析资料,并进行了年代际后报试验。结果表明,通过耦合资料同化的手段,可以显著提升耦合模式对冬季北大西洋涛动年际变率及其相关的欧洲北部、美国东部、欧亚大陆北部的冬季近地面温度年际变率的后报效果,相关系数均超过0.05显著水平t检验。该后报效果的改进主要与在耦合同化过程中通过耦合模式中自由发展的海-气相互作用将大气的观测信息储存在耦合模式的海洋分量中,改进了冬季北大西洋地区海表温度“三极”型分布的时空变率及其时间序列的后报效果有关。该研究强调了耦合模式初始状态的准确度对提升冬季北大西洋涛动年际变率的后报技巧具有重要作用。

冬季北极涛动和北极海冰变化对东亚气候变化的影响

本文简要回顾了冬季北极涛动 (北大西洋涛动 )和北极海冰面积变化对东亚气候变化的影响、研究中存在的问题以及目前亟待解决的科学问题。

北极涛动和南极涛动的年变化特征

北极涛动 (ArcticOscillation ,简称AO)和南极涛动 (AntarcticOscillation ,简称AAO)分别用于描述北半球和南半球热带外气候变率的主要模态 ,它们分别是北半球和南半球中纬度和高纬度之间气压变化的跷跷板结构。作者利用 1 95 8年 1月～ 1 999年 1 2月的NCEP/NCAR全球再分析月平均资料、北极涛动指数IAO和南极涛动指数IAAO来研究AO和AAO的年变化特征以及AO和AAO与纬向平均的月平均各要素场的相关系数随纬度和月份的变化规律。

北大西洋涛动和北极涛动与新疆河川径流变化

分析了冬季北大西洋涛动(NAO)和北极涛动(AO)与新疆天山南北不同流域河川径流变化的关系.结果表明:影响北半球气温、降水等气候驱动因子的NAO和AO同样与新疆河川径流的变化具有显著的遥相关.在年际变化上,NAO和AO的强弱分别与径流变化的相关性具有明显的区域性差异;在年代际尺度上,NAO和AO有超前于新疆河流年径流5 a的显著相关,相关关系分别超过了95%和99%置信水平.NAO和AO变化对预测新疆河川径流的变化有很好的实际意义.

南方涛动(SO)与北大西洋涛动(NAO)百年变化特征的正交小波分析

用正交小波变换方法分析了近121年来季节的南方涛动指数与北大西洋涛动指数的演变特征，结果表明南方涛动指数(SOI)最显著的变化是周期约为2～7年的年际变化，它们的方差贡献率为55.1 %。1920年以前和1960年以后SO年际及年代际变化较强，其余时段较弱。而NAOI最明显的变化是周期在2年以下的变化，方差贡献率为64.3%。近百年NAOI年际及年代际变化有减弱趋势。近百年来SOI有-0.52/百年的减小趋势，而NAOI有0.25/百年的增大趋势。SOI与NAOI的气候基本态之间有显著的负相关，在年代际和年尺度变化上它们相关不明显。近期北半球处于SOI低基本态高年际及年代际变率，NAOI高基本态低年际及年代际变率的慢变过程下。

冬季北大西洋涛动对青藏高原水汽输送的影响

基于1979—2014年欧洲中期天气预报中心全球大气再分析数据集(ERA-Interim)资料,分析冬季青藏高原(以下简称高原)水汽分布及输送特点,并探讨北大西洋涛动(NAO)对冬季高原水汽输送的影响。结果表明,冬季高原主体水汽分布特征呈南湿北干的形势,且高原主体区域东、西边界的水汽输送量与北大西洋涛动密切相关,NAO指数与西边界呈现正相关,与东边界呈现负相关。NAO对高原边界地区水汽输送的影响要强于高原主体区域,尤其NAO与高原西南及东南两区域的四个边界的水汽输送均有显著相关关系。

高空大气涛动现象与太阳活动的联系

本文根据全球高空10 hPa位势高度距平场EOF分析得知,存在于地面层大气中的南北向涛动现象~北极高空大气涛动和南极涛动,在高空大气中更为清楚,而且这种高空南北向涛动现象是波及全球的;存在于地面层大气中著名的纬向涛动现象~南方涛动（Southern Oscillation,SO）和北方涛动（North Oscillation,NO）,在高空大气中则变得不甚清楚.表征北极高空大气涛动的第一模态与表征南极涛动的第二模态的方差贡献率分别为41.47%和27.04%,二者累积方差贡献率达到68.51%,构成了平流层高空大气年代际振荡的主要形式;另外还存在两半球对称性中高纬度南极涛动模态和两半球不对称性中高纬度南极涛动模态,是高空大气中出现概率比较小的振荡形式.谱分析表明,无论北极高空大气涛动模态、南极涛动模态还是中高纬度纬向涛动模态,都存在与太阳磁场磁性指数相一致的22年准周期变化以及与太阳黑子相对数相一致的11年准周期变化;采用逐次滤波法的滤波分析和对比分析表明,高空大气涛动现象的重要影响因子乃太阳活动,其中太阳磁场的大幅度涨落及其磁性变化是主要因素,太阳黑子相对数的变化为次要因素.

基于IPCC AR4耦合模式的南极涛动和北极涛动的模拟及未来变化预估

评估了参加政府间气候变化委员会第4次评估报告(IPCCAR4)的耦合模式对南极涛动和北极涛动的模拟能力。分析了24个模式对1970—1999年南极涛动和北极涛动的模拟效能,并与两套再分析资料ERA-40和NCEP-1进行了对比分析。结果表明,模式的模拟能力具有一定的季节依赖性,冬季模拟能力最好。大多数模式对南极涛动空间结构和时间序列趋势的模拟好于北极涛动。根据Taylor图选出具有较好模拟能力的模式并做集合分析,发现经过选取的模式集合可以明显改善模式的模拟能力。分析SRESA1B情景下的南极涛动和北极涛动的模拟、预估结果表明:1970—2099年,南极涛动和北极涛动指数均呈持续上升趋势,北极涛动指数增长略显平稳。相对于1970—1999年、2060—2089年两半球的海平面气压场均呈现极区气压降低、中纬度气压升高的形态,同样表明南、北极涛动在后一时段更强。因此,在气候变暖背景下,南、北极涛动将持续增强,21世纪中期的臭氧恢复可能不会显著影响这种趋势。

ENSO循环与亚、澳季风和南、北方涛动的关系

文中从研究 ENSO循环的成因出发 ,分析了厄尔尼诺 ( El Nino)和拉尼娜 ( La Nina)的产生与西太平洋暖池地区西风异常的关系 ;在此基础上 ,探讨了西太平洋西风异常的形成和变化与亚洲和澳大利亚冬季风的关系 ;最后 ,分析了亚、澳冬季风的活动 ,西太平洋西风异常的形成和东传 ,以及厄尔尼诺和拉尼娜的交替出现等现象与南方涛动和北方涛动传播波的联系。

耦合模式对冬春季节南、北极涛动的季节气候预测能力研究

研究评估了耦合气候模式对冬、春季北极涛动(AO)和南极涛动(AAO)的预测效能。结果表明,模式对于北极涛动和南极涛动的模拟能力都是比较强的,其中,对冬季的模拟能力要强于春季。冬季,几乎所有的模式都能很好地模拟出对流层内北极涛动的空间分布形态特点,空间相关系数很高。春季,大部分模式的模拟结果仍然是比较好,与再分析资料结果的空间相关性比较高。对于南极涛动,模式在全年对流层各个层次上都能比较好地刻画其空间分布,且模式在850hPa等压面上的空间模拟效能要稍强于海平面。相对来说,冬季的模拟效果也稍强于其他季节,但是,差异不显著,模式与模式的差别也比较小。另外,模式对于北极涛动和南极涛动的时间序列模拟能力有限,时间序列相关系数只有少数几个模式达到显著性水平。