热带印度洋偶极子与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化

利用中国站点观测逐月降水和月平均气温资料以及NCEP/NCAR再分析资料,揭示了热带印度洋偶极子(IOD)与中国夏季气候异常关系的年代际变化。结果表明:IOD与中国夏季年际气候异常的关系既有稳定的一面,又存在着年代际变化。较为稳定的关系表现为:IOD与同年夏季长江黄河之间的降水变化存在显著负相关,与四川气温变化存在显著正相关;IOD与次年夏季四川降水存在显著正相关。伴随发生在20世纪70年代末的大尺度环流年代际转型,IOD与中国气候年际异常的联系亦发生变化:IOD正位相年的同年夏季降水异常型,由中国大部分地区偏少变为长江以南(北)偏多(少),气温由西南地区东部偏暖变为长江以南(北)偏冷(暖);次年夏季降水由全国大部分地区偏多变为长江以南(北)偏少(多),气温由全国大部分地区相关不显著变为黄河以南大部分地区显著偏暖。在IOD负位相年,中国夏季气候异常的特征与IOD正位相年相反。在20世纪70年代末的大尺度年代际气候转型前后,与IOD相关的东亚大气环流异常特征明显不同。在IOD发展阶段,在70年代末以前,印度夏季风和南海季风偏强,副热带高压势力偏弱,导致中国华南大部分地区降水偏少,华北西部以及内蒙古中部等地降水偏多;70年代末以后,东亚大陆中纬度为弱的东风距平,导致新疆北部降水偏少,气温偏高,华南降水偏多。在IOD次年夏季,70年代末以前,华南、河套以及四川等地盛行偏南气流,降水偏多;70年代末以后,南亚高压和西太平洋副高偏西偏强,华南、江南降水偏少。

热带印度洋偶极子的季节性位相锁定可能原因

利用1960年1月～1999年12月Hadley气候预测和研究中心的全球海表温度资料和改进的中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的第三代海洋环流模式,以及1949年1月～1999年12月NCEP/NCAR月平均海表面大气距平资料,采用资料合成分析和数值试验相结合的方法,研究了热带印度洋偶极子从发展到成熟的特征。海表温度异常的分析结果表明,正、负热带印度洋偶极子的强度和发生强偶极子事件的次数都在北半球秋季达到最强、最多,与季节循环存在位相锁定。偶极子的数值模拟结果与此分析结果一致,表明海洋表面的大气强迫对激发印度洋偶极子有重要作用。对比试验的结果表明,赤道印度洋上空风应力异常是偶极子形成的主要原因。文中还设计了12个敏感性试验研究在相同大气异常强迫下1～12月大气气候基本态对印度洋偶极子的作用,结果发现大气气候态对偶极子的强度有很大影响,其中9月的大气气候态最有利于印度洋偶极子达到最强。这是由赤道东南印度洋地区东南风和海洋之间的正反馈过程决定的,因此大气基本态是偶极子成熟位相锁定在秋季的一个重要原因。

热带印度洋偶极子发生和演变机制的数值研究

对中国科学院大气物理研究所(IAP)大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)发展的第三代海洋模式(L30T63OGCM)进行了改进。分析了该模式1959年1月—1998年12月的40a积分结果,以此研究热带印度洋偶极子发生、发展和消亡的物理机制。对数值模拟结果的分析表明,赤道印度洋表面异常东风引起的异常环流结构是偶极子发生、发展的主要动力学原因,其表面异常东风转换为异常西风所引起的异常环流结构调整是偶极子消亡的主要动力学原因;海气界面热通量异常的交换对热带印度洋海表温度距平偶极子模态的形成和演变起着重要的作用;垂直输送作用是热带印度洋次表层海温偶极子模态发生和演变的主要物理机制。

1997—1998年热带印度洋偶极子季节性位相锁定可能成因

利用改进的中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的第三代海洋环流模式,以及1949年1月—1999年12月NCEP/NCAR月平均海表面大气距平资料,采用数值试验的方法,研究了1997—1998年热带印度洋偶极子从发展到成熟的特征,以及在相同大气异常强迫下1—12月大气气候基本态对印度洋偶极子的作用。结果表明,海洋表面的大气强迫对激发1997—1998年印度洋偶极子有重要作用;大气气候态对1997—1998年印度洋偶极子的强度有很大影响,其中9月的大气气候态最有利于印度洋偶极子达到最强;赤道印度洋上空风应力异常是1997—1998年印度洋偶极子形成的主要原因。

热带印度洋偶极子模态的不对称性及其成因的数值研究

热带印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole)是印度洋海域内海洋和大气环流年际变化的主要特征模态之一,在热带海气耦合系统中起到非常重要的作用。同热带太平洋的ENSO现象类似,热带印度洋偶极子也呈现出显著的不对称性。本文利用中国科学院大气物理研究所发展的全球海洋环流模式,在观测风应力距平的强迫下,评估了模式对热带印度洋季节变化、热带印度洋偶极子(IOD)模态及其不对称性的模拟能力,并且通过数值试验分析了IOD模态不对称性特征及其对气候平均态的影响。对照观测资料,模式较好地再现了热带印度洋SST在季风驱动下的季节变化特征。在年际时间尺度上,模式不仅能够再现IOD指数的变化趋势,而且可以成功模拟出IOD模态的空间分布特征,即表层和次表层海温在西印度洋表现为正异常,在东印度洋表现为负异常。可见,对于热带印度洋而言,IOD模态主要是对风应力异常的响应。热带印度洋海温与Nino3.4指数的相关性分析表明,模式能够模拟出超前热带太平洋ENSO现象2～4个月时海温的偶极子型分布,但是不能模拟出滞后ENSO现象2个月左右的全海盆增暖模态,可能是因为模式试验中没有考虑热通量年际异常的强迫。同时,模式模拟的IOD模态具有同观测结果相类似的不对称性,进一步的敏感性试验表明风应力的不对称性对偶极子指数的不对称性贡献较小,次表层及以下海温的不对称性可能主要受到海洋内部非线性动力过程的影响。通过数值试验,本文还发现热带印度洋海温的不对称性对气候平均态会有影响,而这种不对称性长期积累后,会导致上层热带印度洋温度层结趋于稳定状态。

南印度洋副热带偶极子的年代际转变特征

为了增进对南印度洋副热带偶极子(Subtropical Indian Ocean Dipole,SIOD)年代际变化的认识,基于Hadley中心的海表面温度(sea surface temperature,SST)、美国国家环境预报中心的大气再分析数据集Ⅰ(NCEP-NCAR Reanalysis1,NCEP)的大气再分析数据和欧洲中期天气预报中心的海洋再分析数据(Ocean Reanalysis System 4,ORAS4)等,本文分析了1958~2020年SIOD年代际转变的特征和物理机制。结果显示,2000年之前,SIOD存在2~4 a和4~6 a两个年际主周期,但近20 a(2000~2020年)其年际变化周期以1.5~2.0 a为主。与此同时,SIOD的空间特征及其强度在1987年和2004年左右出现了两次显著的年代际转变:1958~1986年(P1)期间强度最大,1987~2003年(P2)期间最弱,2004~2020年(P3)期间居中;P1期间SIOD的最大正SST异常(sea surface temperature anomalies,SSTA)中心位于(46°~80°E,44°~28°S),P2期间向西南移动到(35°~65°E,48°~34°S),同时负SSTA中心较P1期间向南北方向延伸,P3期间正、负SSTA中心又回到P1时期的位置。相关分析结果表明,SIOD的年代际变化受南极涛动(Antarctic Oscillation,AAO)和厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)的影响。P1期间,SIOD与AAO存在较强正相关。在研究时段,除1982~1993年期间ENSO与SIOD的关系不显著外,其他时段均呈显著负相关。海洋混合层热收支分析进一步研究发现,AAO与ENSO主要通过调制马斯克林高压(Mascarene high,MH)而影响海表面热通量(特别是潜热通量)的变化,进而影响SIOD。

热带印度洋偶极子与ENSO事件关系的年代际变化

利用3种百年尺度的海温资料以及来自NCEP/NCAR的大气场资料,本文探讨了热带印度偶极子和太平洋ENSO事件关系的年代际变化.在1948-1969阶段,正（负）位相的偶极子与暖（冷）ENSO事件表现出较多的相对独立性,但是1970年之后,它们经常同时发生.ENSO影响偶极子事件的整个生命史,而偶极子主要影响ENSO事件的发展阶段.通过分析海温背景场、低层风场以及沿赤道的垂直速度的年代际变化,本文揭示出偶极子与ENSO关系的年代际变化可能是1970年以后与增强的Walker环流相伴随的海洋性大陆上空加强的垂直运动所导致的.1970年以后异常增暖的海洋性大陆周围的海水导致了低层风场的异常辐合以及上空对流活动的加强,从而使得热带东印度洋和西太平洋之间的海水交融加强,由此,热带印度洋偶极子事件和太平洋ENSO事件的相互影响相互联系变得更加紧密.

东印度洋热带偶极子对声会聚区影响分析

大洋中的物理海洋现象影响着水体的变化,从而对其中的声波传播产生重要的影响.首次在东印度洋海域进行的声学调查实验,发现了印度洋热带偶极子物理海洋现象对声传播的影响,利用穿越热带偶极子的声传播实验数据,分析了声源深度和水体起伏对深海会聚区的影响,并对实验中的声传播现象形成机理进行了理论解释.结果表明:东印度洋深海非完全声道环境下,受热带偶极子形成暖水团和声源深度起伏的影响,第2会聚区没有形成,声源深度变深时,更容易形成深海会聚区;印度洋热带偶极子影响下第2会聚区位置处的水体跃层起伏会对下一个会聚区的形成及位置产生重要影响,使得第3会聚区提前形成,会聚区位置向声源方向偏移2—3 km.研究结果对探测及通信声纳在深海复杂环境下应用具有重要指导意义.

热带印度洋海温异常不同模态对南海夏季风爆发的可能影响

热带印度洋海温异常两种主要的模态分别是春季最强的全区一致型海温变化和秋季发展成熟的东西反位相偶极型模态,本文主要分析了这两种海温模态对当年南海夏季风爆发的不同影响机制。对热带印度洋全区一致增暖和变冷年份的合成分析表明:热带印度洋的增暖(变冷)通过海气相互作用激发印度洋-西太平洋异常的Walker环流圈,加强(减弱)西太平洋副热带高压的强度,进而有利于南海夏季风爆发的推迟(提早)。由于热带印度洋全区一致型海温变化滞后响应于前冬ENSO事件,因此,作者提出热带印度洋的这种海温模态对维持ENSO对第二年南海夏季风爆发的影响起到了重要的传递作用。作者进一步通过1994年个例研究了热带印度洋偶极型海温模态对南海夏季风爆发的可能影响。1994年的热带印度洋偶极子在初夏就表现出很强的强度,显著削弱了印度洋的夏季风环流,尤其是索马里急流和赤道印度洋西风气流的强度。南海上游季风气流的减弱以及热带印度洋异常反气旋的发展阻碍了印度洋西南季风向南海的推进,从而使得这一年南海夏季风爆发偏晚大约2候。

印度洋不同海温模态对两类厄尔尼诺事件与我国南方秋季降水关系的影响

利用1951—2015年NOAA气候预测中心的SST扩展重建资料(ERSST V3b)、国家气候中心提供的我国160站月降水量资料、美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的各气压层的水平风速、垂直速度和比湿资料,研究了印度洋不同海温模态对两类厄尔尼诺事件与我国南方秋季降水关系的影响。结果表明,虽然东部型(中部型)厄尔尼诺年秋季我国长江以南地区降水偏多(少),但当东部型厄尔尼诺与印度洋正偶极子同时发生年秋季,我国长江以南地区降水偏多的程度显著提高;当中部型厄尔尼诺与印度洋正偶极子同时发生年秋季,我国西南地区降水转为偏多,其他南方地区降水仍然偏少;当中部型厄尔尼诺与印度洋一致增暖型海温同时发生年秋季,我国整个长江以南地区降水偏少,且偏少的幅度要显著高于不考虑印度洋海温异常的情况。此外还对印度洋不同海温模态对两类厄尔尼诺事件与我国南方秋季降水关系的影响的环流成因进行了分析。

辽宁省秋季降水对前期海洋和大气信号的遥响应

为了探讨前期海洋和大气的何种信号对辽宁省秋季降水产生影响,为辽宁省秋季气候预测业务提供理论支持.利用1961—2012年辽宁省53个气象站月平均降水资料和NCEP/NCAR再分析月平均位势高度场、海平面气压场资料及由NOAA重构的月平均海温场资料,分析了辽宁省秋季降水的异常特征.通过相关分析方法,寻找海洋和大气中影响辽宁省秋季降水的前期信号;并采用多元回归方法建立了预报方程.结果表明:1961—2012年辽宁省秋季降水EOF第一模态在空间上表现为全省一致的异常特征,且辽宁省秋季降水随时间呈减少的趋势.前期5、7月和8月北大西洋海温三极子、5月热带印度洋偶极子和5月北太平洋涛动对辽宁省秋季降水全区一致的模态具有较好的指示意义,可作为辽宁省秋季降水的预报因子.北大西洋海温三极子、热带印度洋偶极子和北太平洋涛动呈正位相时,辽宁省秋季降水全区一致偏多,反之秋季降水全区一致偏少.

黄土高原4月旱涝环流特征及前期强迫信号分析

基于1961—2015年黄土高原57个基准站逐月降水资料,计算标准化降水指数(SPI),将其作为旱涝指标研究4月黄土高原旱涝异常年环流特征及其前期外强迫信号。结果表明:(1)当500 h Pa乌拉尔山至中国新疆高压脊偏强、东亚大槽偏深,700 h Pa黄土高原及其以东南风偏弱,700 h Pa中国东部至日本温度偏低,中国东部到日本以东洋面西风急流南压加强时,黄土高原易旱,反之易涝。(2) 4月北半球中高纬度150°W—180°E区域异常涝年阻塞出现次数多于异常旱年。(3)南印度洋偶极子(SIOD)或西南印度洋海温可以作为4月旱涝的前期强迫信号,4月SPI与前一年12月SIOD存在显著负相关关系。(4)黄土高原旱涝对SIOD正负位相异常的响应主要反映在500 h Pa乌拉尔山高压脊、东亚大槽以及700 h Pa贝加尔湖至中国东北以及乌拉尔山的环流差异上。