2022年夏季热带印度洋-太平洋海温异常对长江中下游高温异常的影响

利用NCEP/NCAR再分析资料、ERSST v5海表温度资料和大气环流模式,分析了2022年夏季热带印度洋-太平洋海温异常对长江中下游地区高温事件的影响机理及相对贡献。研究表明,此次高温异常事件受La Ni a事件和负位相IOD事件的共同影响,长江中下游地区的温度异常为1.52℃、为近40年来最高,温度正异常的极大值位于河南和湖北两省交界处的西侧。热带印度洋和太平洋海温异常引起了长江中下游约0.39℃的增温,对长江中下游地区此次高温异常的贡献为25.66%。La Ni a事件和负位相IOD事件可通过增强西太平洋副热带高压,进而有利于维持长江中下游地区的异常下沉运动,为高温事件的发生提供了有利条件。

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。

热带印度洋--太平洋热力异常联合模及其指数定义研究

根据1955-2003年的全球海洋上层热含量资料,利用经验正交函数(EOF)分解法分析了热带印度洋—太平洋上层热含量距平场的时空变化。结果表明,无论在印度洋还是在太平洋,上层热含量距平场都存在着一种显著的东西向偶极型振荡,其年际变化与ENSO循环有密切的联系。据此定义了热带印度洋-太平洋热力异常联合模指数,功率谱分析和10 a滑动的t检验结果表明,该联合模具有显著的年际和年代际变化,并在1976年前后经历了一次由冷到暖的气候跃变。进一步分析还发现,该联合模的变化特征能较好地反映太平洋ENSO事件和印度洋偶极子事件的基本信息。

印度洋-太平洋海表温度异常的持续性特征

用Reynolds＆Smith重构的1950-1998年月平均SST资料分析了印度洋-太平洋海表温度距平SSTA的持续性特征。结果表明:SSTA的持续性在空间上分布不均匀,可将有明显差异的SSTA持续性特征的海区分为3类:全年各月持续性好的区域,主要包括热带中东太平洋马蹄形海域、赤道中东印度洋、热带西太平洋,持续时间一般在10个月以上;全年各月持续性差的区域,主要包括西北太平洋、东亚沿海和东南太平洋,持续时间一般为3个月左右;各月持续性有季节性变化的区域,主要包括赤道东太平洋,南海。SSTA持续性的整体空间分布存在冬夏两种主要分布型,夏季型SSTA的持续性要比冬季好。冬夏间SSTA持续性最明显的差异出现在赤道东太平洋和东亚沿海、南海区域,由冬季转入夏季时,赤道东太平洋SSTA的持续性由差变好,东亚沿海、南海地区的情况则与之相反。

热带印度洋-太平洋热力异常联合模对我国夏季降水的影响

基于我国160个台站的降水资料和西太平洋副热带高压指数,利用典型相关分析和合成分析等方法,研究了热带印度洋-太平洋热力异常联合模对我国夏季降水的影响,并探讨了该联合模与西太平洋副热带高压的关系。结果表明,该联合模对我国夏季降水有一年到半年的超前影响,且以冬季联合模对次年夏季降水的影响最显著。当冬季联合模出现正异常时,次年夏季我国四川地区、长江流域、华北南部降水偏多,而华北北部和江南大部分地区降水偏少;反之亦然。进一步分析表明,冬季热带印度洋-太平洋热力异常联合模对我国夏季降水的影响可能是通过夏季西太平洋副热带高压的变动来实现的。

印尼贯穿流对热带太平洋-印度洋海温异常综合模影响的初步模拟研究

印尼海域是联系热带太平洋和印度洋的纽带,为了讨论印度尼西亚贯穿流对热带太平洋-印度洋海温异常综合模的影响,利用一个准全球海洋环流模式,设计了打开、关闭印度尼西亚通道的数值试验对该问题进行初步探讨。试验结果表明,印尼贯穿流对热带太平洋、印度洋海温和海流的模拟有重要影响。在海洋表层,印尼贯穿流对热带太平洋-印度洋海温异常综合模所起作用不大,这时海洋的外强迫(大气风场、太阳辐射等)起主要作用;而在次表层,印尼贯穿流对热带太平洋-印度洋海温异常综合模起着重要的作用。

印度洋海盆模对南北半球太平洋副热带高压非对称的影响及机制

副热带高压对于我国天气气候具有重要影响,它的形成受到印度洋海温异常的影响,但其中的影响机制并不十分清楚。因此,本文利用1980-2020年NCEP/NCAR再分析资料,研究了印度洋海盆模(Indian Ocean Basin Model,IOBM)异常偏强对于太平洋副热带高压的影响;然后从能量角度分析IOBM引起南北半球太平洋海域副热带高压不对称性的物理机制;最后利用GFDL AM2.1模式进行模拟验证。为了说明印度洋海温异常对副热带高压的独立作用,对ENSO信号进行了滤除。结果表明:(1)夏季的印度洋暖海温暖异常会激发东传的Kelvin波,在西北太平洋地区低层出现反气旋异常,使西太副高较常年偏强,我国南海到菲律宾东部降水偏少;冬季IOBM正位相时,澳洲地区东风异常,热带西太平洋地区有大范围的降水负异常。印度洋海盆模对太平洋副热带高压非对称结构的影响在环流和降水场上均有体现。(2)根据能量诊断结果发现IOBM正位相时,夏季西北太平洋低层季风风场辐合区与扰动动能增长区相重合,有利于该地反气旋异常发展,从而使得副高偏强;冬季澳洲地区季风的风场辐合区与扰动动能增长区不能很好地配合,没有明显的反气旋异常。(3)利用数值模式模拟得到的结果能够验证沿赤道对称的印度洋海温异常在西太平洋地区引起的反气旋性环流和降水异常,无论位置还是强度都表现出极强的不对称性。因此,印度洋海盆模(IOBM)对于太平洋副热带高压南北半球非对称结构的形成具有重要作用,并进而对东亚及澳洲地区降水的异常分布产生影响,这为印度洋海盆模对西太副高的影响提供了理论基础。

印度洋海温异常对西太平洋副热带高压的影响——大气中的两级热力适应

利用热力适应理论讨论了印度洋海温异常影响中国天气和西太平洋副热带高压异常的物理机制。结果表明 :通过第一级热力适应 ,印度洋上的海温异常形成低层气旋式环流 ,并在其东侧的偏南气流中产生对流性降水 ;然后通过第二级热力适应 ,在 50 0 h Pa上导致西太平洋副热带高压加强西伸、2 0 0 h Pa上南亚高压异常增强。从而证明两级热力适应是导致印度洋海温异常影响中国天气气候异常的重要物理机制。

热带太平洋—印度洋海温异常综合模对南亚高压的影响

从综合考虑热带太平洋和印度洋海温异常特征出发 ,研究了热带太平洋—印度洋海温异常综合模对南亚高压的影响。当热带太平洋—印度洋海温异常综合模为正位相 (西印度洋和东太平洋海温距平为正 ,东印度洋—西太平洋海温距平为负 ) ,南亚高压偏弱 ,位置偏东偏南 ;当热带太平洋—印度洋海温异常综合模为负位相 (西印度洋和东太平洋海温距平为负 ,东印度洋—西太平洋海温距平为正 ) ,南亚高压偏强 ,位置偏西偏北。热带太平洋—印度洋海温异常综合模影响南亚高压主要通过三种机制 :一是通过影响亚洲季风从而影响了降水潜热形成的大气加热场分布 ,在正 (负 )位相年 ,青藏高原大气热源为负 (正 )异常 ,因此青藏高原上空空气上升减弱 (加强 ) ,南亚高压偏弱 (偏强 ) ;南海季风和热带辐合带加强 (减弱 ) ,菲律宾附近的大气热源加强 (减弱 ) ,有利于上空青藏高原东南侧反气旋 (气旋 )式的距平环流 ,因此南亚高压偏东偏南 (偏西偏北 )。二是热带太平洋—印度洋海温的纬向热力对比引起赤道纬向垂直 (Walker)环流异常 ,必将引起高空纬向风异常 ,在正 (负 )位相年 ,南亚高压南部的印度洋高空会出现西 (东 )风异常 ,导致南亚高压偏弱 (偏强 )。三是综合模的正 (负 )异常加强 (减小 )西印度洋经度范围的区域Hadley环流 ,

热带太平洋和印度洋海温异常对东亚冬季风影响的一个物理机制

本文利用NCEP/NCAR提供的大气环流资料和海表温度异常资料,在分析热带太平洋和印度洋海温异常与冬季大气环流之间关系的基础上提出了一个综合反映热带太平洋和印度洋海温异常的综合指数。分析表明,冬季太平洋和印度洋海温异常指数的值越大(小),东亚冬季风指数的值越大(小),东亚地区将出现异常的南(北)风的响应,东亚冬季风将越弱(强)。应用加热强迫影响热带环流的简单模式研究了热带太平洋印度洋异常海温对东亚冬季风影响的物理机制。结果表明,当冬季热带太平洋和印度洋海温异常指数处于正(负)位相时,西太平洋区域强迫出异常南(北)风。这是使得东亚冬季风偏弱(强)的重要原因之一。冬季热带太平洋和印度洋海温异常对东亚冬季风影响最为显著的关键区是赤道西太平洋。

热带太平洋和热带印度洋次表层海温异常信号的传播与联系

利用太平洋和印度洋表层与次表层月海温距平信号沿不同纬向-时间剖面的传播分析,发现赤道东太平洋海温异常的El Nino事件和赤道印度洋海温异常的Dipole事件分别与沿赤道太平洋东传的次表层海温异常信号和沿赤道外印度洋西传的次表层海温异常信号同期到达东太平洋和西印度洋有着内在的联系.在赤道和赤道外16°N之间的热带北太平洋,次表层海洋中存在着海温异常信号传播的一条回路,El Nino事件就发生在暖信号到达赤道东太平洋的时候.次表层海温异常沿赤道太平洋的东传和沿赤道外印度洋的西传分别是El Nino事件和Dipole事件发生的海洋学早期信号.

北半球热带中太平洋与印度洋海表温度梯度对夏季西北太平洋热带气旋生成频数变化的影响

基于1951-2018年哈德里中心海温资料、美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心再分析资料和第四代欧洲中心汉堡模式,针对1994年、2018年等西北太平洋热带气旋(TC)生成异常多的年份,研究了引起TC增加的海表温度异常(SSTA)模态及其影响机制。结果表明,北半球热带中太平洋增暖与印度洋变冷是夏季西北太平洋TC生成频数增加的主要原因,北大西洋负三极型式SSTA促使TC生成的进一步增加。热带中太平洋增暖与印度洋冷却在菲律宾以东激发出西风异常和气旋性环流异常。北大西洋负三极型式SSTA在我国南海、菲律宾至东南沿岸激发出气旋性环流异常。前者在西北太平洋中部,后者在南海产生有利于TC生成的局地环境。1994年和2018年夏季热带中太平洋出现暖SSTA、印度洋为冷SSTA、北大西洋呈现负三极型式SSTA,西北太平洋TC生成频数极端增多。近30年来,当出现热带中太平洋增暖和印度洋冷却时,北大西洋表现出比1989年以前更强的负三极型式SSTA,使西北太平洋TC生成频数和北半球热带印度洋–太平洋SSTA梯度的线性相关更显著。

南半球对流层大气对热带太平洋—印度洋海温异常综合模的响应及其机制解释

利用NOAA SST及NCEP/NCAR再分析资料,研究了热带太平洋—印度洋海温异常综合模和南半球对流层大气之间的遥相关模态并对其进行了机制解释。首先通过相关和合成分析,给出了遥相关的空间模态,结果表明：北半球秋、冬季,在南半球对流层大气存在和热带太平洋—印度洋海温异常综合模密切联系的遥相关作用中心,该中心的分布构成一列明显的从赤道中太平洋出发,最终到达非洲中南部及赤道印度洋的Rossby波列,将赤道太平洋、印度洋与南半球中高纬度大气连接起来,起到了类似＂大气桥＂的作用。而单纯IOD和单纯EN-SO均难以在南半球对流层激发出遥相关波列,进一步证实了两者共同作用的影响。其次,利用行星波能量传播理论对两者之间的遥相关进行了机制分析,发现纬向波数为1~3的大气行星波的能量传播是热带太平洋—印度洋海温异常综合模与南半球对流层大气之间遥相关的一种可能的联系方式。

热带印度洋—西太平洋水汽输送异常对中国东部夏季降水的影响

利用1979~2015年NCEP/NCAR发布的月平均全球再分析资料,分析了热带印度洋—西太平洋水汽输送异常对中国东部夏季降水的影响及其形成机理。研究结果表明:热带印度洋—西太平洋地区(10°S^30°N,60°~140°E)夏季异常水汽输送主要包括两个模态,他们可以解释总的水汽输送异常34%的方差。其中,第一模态(EOF1)表现为异常水汽沿反气旋从热带西太平洋经过南海及孟加拉湾输送到中国东部上空,对应南海、孟加拉湾水汽路径输送均偏多,此时西太平洋副热带高压显著偏强,异常水汽在长江中下游地区辐合并伴随显著上升运动,有利于长江中下游降水偏多;第二模态(EOF2)表现为异常水汽从热带印度洋沿阿拉伯海、印度半岛、中南半岛等呈反气旋式输送,华南上空相应出现气旋式水汽输送异常,并对应异常水汽辐合和上升运动,有利于华南降水偏多。就可能的外部成因而言,EOF1与ENSO关系密切,表现为前冬热带中东太平洋显著偏暖,夏季同期热带北印度洋、南海上空显著偏暖,造成西太平洋副热带高压显著偏强,异常水汽主要来源于热带西太平洋和南海;EOF2与同期热带印度洋偶极子(TIOD)异常有关,TIOD为正位相时热带印度洋上空出现异常东风,华南上空出现异常气旋并伴随水汽异常辐合,异常水汽主要来源于热带南印度洋。

夏半年热带太平洋中部型海温异常与热带印度洋海盆模对同期中国东部降水的共同影响

利用1961—2013年NCEP/NCAR再分析资料和Had ISST月平均海表面温度资料,分析了夏半年热带太平洋中部型海温异常与热带印度洋海盆模(Indian Ocean Basin M ode,IOBM)的特征,并研究了不同位相配置时二者对同期中国东部气候的共同影响。结果表明:1)太平洋中部型海温异常指数与印度洋海盆模指数几乎相互独立。太平洋中部型海温异常与IOBM同位相变化(记为PPNN事件)和反位相变化(记为PNNP事件)时,热带印太地区海温异常分别呈三级型和偶极型分布。2)不同位相配置对中国东部地区降水异常的影响及其影响机制存在显著差异:当发生PPNN事件时,水汽从海洋性大陆(Maritime Continent,MC)地区向江淮流域输送;热带海温异常引起大气产生Gill型响应,维持了中国东部的环流异常;M C地区通过经向三圈异常垂直环流引起江淮流域降水异常增多。发生PNNP事件时,Gill型环流响应中心西移,长江流域降水偏少,水汽辐散;同时MC地区对流层低层准定常Rossby波能传播也有利于长江流域扰动的维持。这些结果对深刻认识中国东部地区夏半年降水异常成因和印度洋/太平洋海温异常不同分布的作用具有重要意义。

冬／夏季热带太平洋～印度洋海温年际异常的年代际变化

用N ino3指数、印度洋单极、偶极子指数表示热带两洋SST的年际异常,分季节分析表明:冬季N ino3区与热带印度洋SSTA相互关系表现为单极,且1976年以后两者的相互关系减弱,其可能原因,一是冬季是EN SO事件的盛期;二是冬季西太平洋暖水区东移,造成两洋的垂直纬向环流耦合减弱。夏季两者相互关系表现为偶极,1976年以后两者的相互关系加强,其可能原因,一是夏季是偶极子盛期,EN SO事件的发展期;二是夏季西太平洋暖水区虽然东移,但暖水区位置偏北,且东南印度洋的上升支强度增大,造成两洋的纬向环流耦合更强烈。

赤道太平洋-印度洋海温异常综合模与次表层海温异常

通过对1958—2001年的SODA海温资料进行经验正交函数分解,得到了太平洋-印度洋海温异常综合模态,该模态在海表及次表层的时空演变特征的分析表明,在赤道西印度洋、中东太平洋的海温偏高(低)时,赤道西太平洋、东印度洋的海温偏低(高)。该综合模态既有年际变化特征,还有年代际变化特征,在20世纪70年代中后期由以负指数为主转变为以正指数为主。对1958—2001年强正、负指数事件合成分析结果得知,综合模也存在着显著的年变化特征,在2—4月份偏弱,最强出现在10月份。西太平洋暖池次表层与赤道东太平洋次表层、赤道东印度洋次表层与西印度洋次表层有一种反位相的变化。次表层海温异常在东太平洋、西印度洋分别沿着南北纬10°左右向西太平洋、东印度洋传播并向赤道扩展,西太平洋、东印度洋的次表层海温异常则分别沿赤道向东太平洋、西印度洋传播汇聚。

不同海域海表温度异常对西北太平洋副热带高压年代际变化影响的数值模拟研究

采用1950～2000年逐月观测的不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋、热带印度洋及热带太平洋)海表温度分别驱动NCARCAM3全球大气环流模式,进行了多组长时间积分试验,对比观测资料,讨论了这些海域海表温度异常(SSTA)对西北太平洋副热带高压年代际变化的影响。结果表明:全球、热带、热带印度洋-太平洋和热带印度洋海表温度变化均对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化有重要作用,即在这些海域的海表温度变化影响下,西北太平洋副热带高压均在1970年代中后期发生了年代际变化,其后副高面积增大、强度增强、位置偏西、偏南,这与观测结果较一致;热带太平洋海表温度变化对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化也有重要作用,在其作用下,夏季西北太平洋副热带高压的强度、面积在1960年代后期发生年代际变化,南界在1970年代中后期发生年代际变化,这些时段以后副高强度增强、面积增大、偏南;热带印度洋海表温度驱动模拟的西北太平洋副热带高压变化比热带太平洋海表温度驱动模拟的副高更接近于观测结果,且年代际变化更显著,其差异的可能原因在于两区海表温度在1970年代中后期以后的年代际变化能在孟加拉湾-中国东南沿海区域强迫产生的异常环流不同,前者强迫产生出反气旋性环流异常,有利于副高的增强、面积增大和西伸,而后者强迫产生出气旋性环流异常,不利于副高的西伸;热带太平洋和热带印度洋海表温度在1970年代中后期的冷、暖年代际背景变化对夏季西北太平洋副热带高压年代际变化有重要作用;热带外海表温度变化对西北太平洋副热带高压年代际变化作用较小。

ENSO事件期间热带印度洋和太平洋地区大尺度海气相互作用联系的研究

利用大气环流三维分解方法研究了1979—2008年ENSO事件期间热带印度洋和太平洋地区海气相互作用的机制。研究表明ENSO事件期间存在明显的三维"齿轮式"耦合特征;在ENSO事件盛期,与NCEP再分析资料的垂直运动相比,大气环流三维分解方法揭示的东印度洋-西太平洋地区的下沉运动更强,范围更宽。大气环流三维分解方法把垂直速度分解为纬向分量和经向分量两部分,纬向分量表现为很强的下沉运动,而经向分量表现为上升运动,垂直速度的纬向分量和经向分量相互抵消了一部分,综合的结果表现为很强的下沉运动。在热带地区,垂直速度ω*的纬向分量ωW要大于其经向分量ωH,ωW反映了ω*的主要特征;在分析垂直运动方面,与NCEP再分析资料中的垂直速度相比,大气环流三维分解方法具有一定的优点。

夏季北印度洋海温异常对西北太平洋低层反气旋异常的影响

采用1957—2002年850 hPa风场的ERA-40再分析资料,分析得知西北太平洋低层环流存在着明显的年际变化。这种年际变化表征了西北太平洋夏季风的年际变化,并且会影响东亚夏季风的变化。用Hadley海表面气压以及海表温度资料诊断得到,这种夏季西北太平洋反气旋异常(WPAC,northwest Pacific anomalous anticyclone)的年际变化与北印度洋同期海表温度变化存在很好的相关。用偏相关方法消除N ino3.4信号的同期线性影响,这种同期相关更加显著,而西南热带印度洋的同期海温与WPAC的相关并不显著。数值试验结果表明,北印度洋存在正海温异常时,北印度洋降水偏多,同时伴随着西北太平洋反气旋异常。当只有西南热带印度洋有正海温异常时,北印度洋会出现东风异常且降水减少,而西北太平洋有弱的气旋异常。数值模式结果与观测数据的诊断结果相吻合,说明当夏季北印度洋海表温度为正异常时,可能会产生西北太平洋反气旋异常。