冬季Hadley环流与热带海表面温度的关系及其对中国气候的影响

利用1979-2021年全球海表面温度(SST)、气象再分析资料等数据,探讨冬季Hadley环流(HC)的变率及其与热带SST异常的关系,研究其对中国同期降水量和气温的影响.结果表明,HC的EOF_(1)模态(46.2%)是上升支在10°S左右的主体位于北半球的非对称模态,包含年代际和年际变率.年代际变率与印度洋(20°S~20°N,50°~90°E)SST南北不均匀增暖趋势有关(南半球大于北半球);年际变率与El Ni?o事件下印度洋(10°S~10°N,50°~90°E)异常SST经向梯度沿正方向为0的位置出现在南半球有关.EOF_(2)模态(16.7%)是关于赤道对称模态,仅体现年际变率,与El Ni?o事件下热带东太平洋(180°E~90°W)异常对称的经向热力结构有关.两个主模态与中国同期降水量和气温均呈正相关.在EOF_(1)(EOF_(2))模态影响下,中国东南沿海地区(南方地区东南部)降水偏多,与110°~120°E异常反环流有关.EOF_(1)模态下,中国西北-中部地区存在气温正距平,与下沉运动的绝热加热效应关系密切.EOF_(2)模态下,中国气温也为正距平,但温度异常不显著.

东亚低纬地区局地Hadley环流特征及其与大气臭氧的关系

利用1975—2008年NCEP/NCAR的逐月平均风场资料及1975—2001年ECMWF的逐月多层臭氧质量混合比资料,用大气环流三维分解方法研究了东亚低纬度地区之局地Hadley环流的结构及年代际演变特征,分析了该区域局地Hadley环流异常时对应大气臭氧的空间距平分布。研究结果表明:(1)东亚低纬度地区局地Hadley环流既与纬圈平均Hadley环流具有明显的季节变化,但又具有明显区别于纬圈平均Hadley环流的自身结构特征:除冬季存在明显向南、向北输送的两闭合环流圈外,局地Hadley环流在其余季节均以向南输送为主;(2)该局地Hadley环流具有不同于纬圈平均Hadley环流的年代际演变特征,在整个研究时段上以振荡变化为主,并没有表现出象纬圈平均值那样明显的增强趋势;(3)区域赤道上空平流层20～50 hPa大气臭氧的正负距平异常中包含有局地Hadley环流的异常信息:当局地Hadley环流异常强时,区域赤道上空20～50 hPa大气臭氧有一显著负距平异常中心,反之亦然。

Hadley环流与北太平洋涛动的显著关系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析了冬季(11～4月)Hadley环流与北太平洋涛动(NPO)的变化特征以及它们之间的关系.本文选取0°～30°N区域里最大质量流函数来描述北半球Hadley环流强度随时间的演变,利用(20°N,180°～160°W)和(60°N,180°～160°W)区域平均的标准化海平面气压差代表NPO强度.结果表明,冬季北半球Hadley环流与NPO的变化形势非常一致,两者都具有显著的年际和年代际变化(70年代前处于负位相,80年代之后处于正位相),同时还呈现出明显的增强趋势.Hadley环流变化与NPO异常的关系非常密切,在年际和年代际时间尺度上都具有显著的正相关.这种强相关性在大气环流场上可以得到很好的印证.研究还揭示,太平洋地区10°～30°N下沉支和40°～60°N上升支的异常运动可能是这种关系存在的主要内在原因.

Hadley环流的年际和年代际变化特征及其与热带海温的关系

利用NCEP/NCAR再分析风场资料和NOAA海表温度(SST)资料,分析了冬、夏季Hadley环流的变化特征及其与热带海温在年际、年代际尺度上的关系.结果表明,冬季北半球Hadley环流强度具有明显的年际和年代际变化,同时还呈现出明显的增强趋势.伴随着Hadley环流的加强,环流中心位置南移,高度上升;夏季南半球Hadley环流变化主要表现为强、弱、强的年代际振动,没有明显的线性趋势.研究还显示冬季Hadley环流与Nino3区SST正相关,这种相关性具有年代际变化特征.年际尺度上,冬季北半球Hadley环流与Nino3区SST正相关;夏季南半球Hadley环流与Nino3区SST负相关,即当赤道中东太平洋SST异常偏暖(冷)时,冬、夏季Hadley环流变强(弱).

北半球夏季Hadley环流的主导模态及其变率

本文分析了1948~2007年北半球夏季Hadley环流的主导模态及其变率,结果表明:北半球夏季Hadley环流变率的主导模态包括两个赤道非对称模态,其主体分别位于北半球(简称为AMN)和南半球(简称AMS)和一个赤道准对称的模态(简称QSM),AMN和AMS主要表征Hadley环流的年代际变率部分,而QSM主要表征Hadley环流的年际变率部分。AMN的时间系数呈现明显的减弱趋势,AMS的时间系数则表现为明显的增强趋势,两个模态的年代际变率表明:北半球夏季Hadley环流发生了显著的年代际转型,在1970年代以前呈现"北强南弱"型,之后转变为"南强北弱"型。印度洋—西太平洋暖池和热带大西洋赤道带海温的异常增暖以及由热带大西洋和印度洋海温非均匀增暖形成的减弱的北半球大尺度经向海温梯度和加强的南半球大尺度经向海温梯度可能是导致上述Hadley环流变率的重要影响因子。不同于两个非对称模态,QSM模态的变率主要与热带东太平洋的海温以及Ni^no3.4指数有明显的线性关系,说明ENSO对夏季Hadley环流的影响主要是在年际尺度上。对Hadley环流年代际转型的进一步分析发现,其越赤道部分的减弱与东半球热带季风区经向越赤道环流的减弱有密切联系。相关和合成分析的结果显示,南海季风、南亚东区季风以及西非季风的强弱与越赤道环流异常有显著相关,热带季风在这些区域的减弱趋势很可能共同受到北半球夏季Hadley环流年代际转型中越赤道环流减弱的影响。然而,南亚西区季风与经向环流没有明显相关,同时也未呈现显著的年代际趋势,这一结果从环流的角度验证了Li and Zeng(2002)将南亚季风区划分为东区和西区的合理性。

两种再分析资料间Hadley环流双层结构的差异

采用NCEP/NCAR、ECMWF两种再分析资料,分析了1979—1989年纬向平均经向风([-υ])及质量流函数(-ψ)的差异。结果表明,ECMWF资料存在明显的Hadley双层结构,NCEP/NCAR资料则未见明显的Hadley双层结构。此项研究结果虽不能证明Hadley双层结构是否客观存在,但表明低纬大气环流研究中资料选用直接影响研究结果。

春季Hadley环流异常对夏季西北太平洋热带气旋频数影响的数值模拟试验

观测事实揭示出春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数之间存在显著的负相关关系.由春季Hadley环流异常引起的西北太平洋地区夏季纬向风垂直切变、大气辐合辐散等的异常变化是这一关系存在的内在原因.本文通过数值试验对这一关系的真实性进行了验证,即利用中国科学院大气物理研究所发展的9层大气环流模式(IAP9L-AGCM)模拟了春季Hadley环流异常偏强情景,并分析了该情景下影响西北太平洋热带气旋生成的环境场的响应.结果表明,在春季Hadley环流偏强情景下,夏季西北太平洋地区纬向风垂直切变幅度加大,低空大气异常辐散,高空大气异常辐合,东亚夏季风减弱,这种环流背景不利于热带气旋生成和发展,因此,西北太平洋热带气旋频数异常偏少.数值模拟结果与已有的诊断结果相吻合,进而证实了春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数负相关关系的存在.因此,春季Hadley环流信号可以用于西北太平洋热带气旋活动的气候预测。

1948—2004年全球平均Hadley环流强度指数与特征

利用NCEP/NCAR逐月平均风场资料,研究了全球平均Hadley环流特征。利用3层4个关键区的风定义并计算了1948年1月—2004年12月的全球纬向平均的南/北半球和全球Hadley环流逐月强度指数。结果表明:计算的Hadley环流指数可以合理地表示Hadley环流的强度;北半球Hadley环流除7—9月(南半球除5月)外都呈增强趋势;南/北半球的年平均Hadley环流也是增强的。年际相关分析表明:Hadley环流指数与SOI有非常高的负相关,Hadley环流强度的年际变化与ENSO关系密切。

局域Hadley环流及其与太平洋SST异常的联系

使用1979—2001年ERA-40月平均经向风计算了季风区(60～140°E)及Nio区(160°E～120°W)的质量流函数,并分析了两区Hadley环流的气候特征和强度变化,研究了Hadley环流强度与太平洋海表温度的联系。结果表明:(1)季风区气候态Hadley环流强于Nio区,环流位置偏北,夏半年尤为明显,造成差异的主要原因是海陆分布不均和赤道东太平洋冷水区的存在;(2)局域Hadley环流强度有明显的年际变化,23年来两区强度大致呈反相变化;(3)局域Hadley环流强度与太平洋海表温度关系密切,1月季风区(Nio区)环流强度与赤道中、东太平洋的Nio综合区海表温度负(正)相关,而与围绕着Nio综合区的c型区域海表温度正(负)相关,7月与1月的相关型基本一致,负相关比1月弱,特别是季风区;(4)ENSO事件对两区Hadley环流强度有不同影响,El Nio事件时季风区Hadley环流减弱、Nio区Hadley环流增强;La Nia时刚好相反,且Nio区的异常更明显。

夏季东亚季风区Hadley环流上升支结构异常及其对长江流域降水的影响

利用ECMWF最新发布的Interim再分析资料,计算了东亚季风区Hadley环流质量流函数,并使用EOF分解、相关分析及合成分析等统计方法,分析了夏季东亚季风区Hadley环流上升支结构的异常特征及其对我国长江流域降水的影响。发现夏季东亚季风区Hadley环流上升支具有独特的双上升中心结构,两上升中心的位置分别对应东亚夏季风系统中的两条辐合带——热带季风槽及梅雨锋。上升支的主要异常模态表现为两个上升中心"跷跷板"型的反相异常。与梅雨锋对应的副热带上升中心强度与长江流域降水呈正相关关系,即当其偏强时,长江流域降水偏多,反之亦然。副热带支偏强时,低层西太平洋副热带高压偏南导致气流在长江流域异常辐合,其异常西南风水汽输送使得长江流域有异常水汽辐合,高层气流在长江流域异常辐散。同时鄂霍次克海附近阻塞活动偏强,东亚沿海地区500 h Pa高度场出现"+-+"的经向异常型。这些异常型均有利于长江流域的降水。

两类El Nino事件对Hadley环流及中国气候的影响分析

利用1979-2014年的NCEP/NCAR再分析资料,分析了两类El Ni?o事件对Hadley环流及中国地区降水和气温的影响.结果表明,无论在冷季还是暖季,El Ni?o事件使得Hadley环流增强但并未改变Hadley环流中上升支及下沉支的位置;在暖季El Ni?o Modoki事件使得Hadley环流的上升支和下沉支均发生北移,在冷季则没有这种特征.El Ni?o对Hadley环流的影响较El Ni?o Modoki要大,是由两类El Ni?o事件下海温异常分布型的不同造成的.El Ni?o事件下中国南方易出现低温、洪涝,北方易发生高温、干旱,东北易出现冷夏,且易导致暖冬现象.当发生El Ni?o Modoki事件时,在冷季,中国地区气温分布表现为北部和东部地区偏低,西部及西南部地区较高;在暖季,中国东北地区表现为较强的增温现象,长江以南地区的降水较气候平均态偏少.选择两类El Ni?o事件对Hadley环流影响最大的个例,发现中国气温、降水的异常特征与两类El Ni?o事件影响中国气候变化的统计规律基本相符,表明两类El Ni?o事件对中国气候影响的不同,很大程度上是由于其对Hadley环流的影响不同造成的,其他环流系统的作用使得最终影响更为复杂.

冬季北半球Hadley环流圈的增强及其与ENSO关系

对1948—2005年冬季(12月—次年2月)的质量流函数进行了经验正交分析(EOF),结果显示其主要是由两个空间模态组成,即关于赤道非对称和对称模态.进一步分析表明这两个模态具有明显不同的时间变化特征,它们分别代表了冬季北半球Hadley环流圈在年代际和年际尺度上的变化.非对称模态的时间系数(定义为非对称模态的强度指数AMI)呈现出显著的年代际增强趋势,表明该模态对北半球冬季Hadley环流圈在最近几十年的增强具有显著贡献.同时它还与热带海洋,尤其是印度洋到西太平洋暖池地区的海温相关显著.而对称模态时间系数(定义为对称模态强度指数SMI)主要体现了Hadley环流在年际尺度上的变化,它与ENSO之间的相关系数在整个时段都是显著的.结果还显示:冬季北半球Hadley环流与ENSO之间的相关系数在20世纪70年代中后期发生的年代际突变也很可能是由于非对称模态引起的.

热带太平洋、印度洋海温异常对处于厄尔尼诺事件成熟期的东亚Hadley环流的影响

分析了热带太平洋ElNio事件和热带印度洋海盆一致的暖海温异常事件(记为暖海盆模态)与东亚Hadley环流的关系及海温异常对东亚Hadley环流的影响。结果表明:(1)东亚Hadley环流与ElNio循环的关系密切,ElNio事件从开始到消亡的不同位相期,东亚地区表现为随位相变化的异常经向垂直环流,在El Nin^o成熟期由异常顺时针经向环流圈转换为异常逆时针经向环流圈,意味着东亚Hadley环流圈的显著减弱。(2)冬季Nio3指数、赤道印度洋海盆一致型模态指数(IOBMI)与东亚Hadley环流指数间呈负相关关系,相关系数分别为-0.42、-0.39,远超过0.01信度的显著性检验,表明当ElNio事件和印度洋暖海盆模事件发生时,东亚Hadley环流减弱。模拟结果与诊断分析结果一致。(3)鉴于印度洋海盆模态和太平洋ElNio事件的密切联系,在考虑冬季东亚Hadley环流变化时,应考虑ElNio事件和印度洋海盆一致型海温异常事件的共同作用。数值试验结果表明两大洋的共同作用会产生更强的东亚异常逆时针经向垂直环流,使得东亚Hadley环流显著减弱。

春季Hadley环流与长江流域夏季降水关系的数值模拟

观测分析表明,春季Hadley环流异常可以导致东亚大气环流异常变化进而影响长江流域夏季降水的发生。利用中国科学院大气物理研究所9层大气环流模式(IAP9L-AGCM),对春季Hadley环流异常偏强情形下东亚夏季大气环流和长江流域夏季降水的响应进行了数值模拟。模拟结果表明当春季Hadley环流异常偏强时,东亚夏季风减弱,夏季西太平洋副热带高压和南亚高压加强,菲律宾以东洋面对流减弱,长江流域降水增多。初步的数值模拟结果与已有的诊断结果相吻合。

Hadley环流低阶模型的动力学分析

研究了大气动力学中Hadley环流的低阶模型,分析了该模型的基本性质及其动力学行为,同时得到了该系统产生Fold分岔和Hopf分岔的条件.

气候系统模式对Hadley环流的模拟和未来变化预估

针对全球变暖背景下未来Hadley环流将如何变化这一问题,评估了气候系统模式对1970～1999年Hadley环流时空特征的模拟效能,并在此基础上选取能合理模拟Hadley环流空间结构、强度指数和边界指数变化的3个模式,通过多模式集合方法预估了未来Hadley环流在A1B排放情景下的可能演变。预估结果表明,在全球变暖背景下,相比于1970～1999年,到本世纪末期(2070～2099年),北半球Hadley环流在4个季节都将减弱,春季变化幅度相对较弱;南半球Hadley环流在冬季和夏季也会减弱,而在春季和秋季的变化不明显。另外,北半球Hadley环流的北边界除在夏季向南收缩外,在其它3个季节均向北伸展;南半球Had-ley环流的南边界在4个季节均向极地方向移动。两个半球的Hadley环流在垂直方向还将向对流层上层伸展。

Hadley环流数模所用的假设之一——简化的经向运动方程精度的估计

利用具有二阶精度的中央差分格式和美国环境预报中心提供的2.5°×2.5°（经纬距）网格资料,对Hadley环流数值模拟中采用的局地和全球纬向平均的简化经向运动方程的精度进行检验。结果表明在热带地区（30°N～30°S）,局地气压梯度力、柯氏力和离心力三者代数和的绝对值（余差）在风速中心和气压梯度力中心重合区比较小,在气压场向风场调整过程中比较大。在所选的冬夏两个时刻余差没多大差别,高低层余差也没有显著差异。全球纬向平均的简化经向运动方程精度检验结果证明中高纬地区以地转风平衡为主,低纬以该简化关系为主。

全球变暖背景下春季Hadley环流与东亚夏季风环流年际对应关系的多模式预估

观测事实揭示,春季Hadley环流在年际时间尺度上与东亚夏季风环流和降水具有密切联系.在未来全球变暖背景下,春季Hadley环流与东亚夏季风环流和降水的这种年际关系是否会发生变化?针对该问题,本文在评估的基础上选取五个气候模式,分析了A1B排放情景下春季北半球Hadley环流年际变率的未来变化及其与东亚夏季风环流和降水的年际关系.多模式集合(MME)预估结果表明,在全球变暖背景下,与20世纪末期(1970—1999年)相比,到21世纪末期(2070—2099年),春季北半球Hadley环流的年际变率强度将减弱,减弱幅度达32%.随着春季Hadley环流年际变率的减弱,其与夏季西太平洋副热带高压和东亚夏季风强度的联系将变弱.MME模拟结果还显示,春季Hadley环流与夏季东亚西风急流和降水的关系也降低,但各单个模式间存在较大差异.

Hadley环流的双层结构及其年代际演变特征

利用1948—2011年NCEP/NCAR月平均水平风场资料,采用全球大气环流的三型分解等方法,研究了Hadley环流的双层结构及其年代际演变特征。结果表明：（1）Hadley环流双层结构客观存在,且4、5、6、10、11月南半球Hadley环流双层结构长期存在;（2）南半球Hadley环流双层结构较北半球更加明显,双层结构在垂直方向上呈现倾斜状,对Hadley环流强度和中心位置的变化进行研究时,应考虑双层结构的影响;（3）4、5、6、10、11月南半球Hadley环流强度随时间都呈现强弱强的年代际演变特征,各个月份环流强度都存在20-30年和40-60年时间尺度的周期;（4）4、5、6、10、11月南半球环流中心位置（双层结构平均位置）随时间一致地表现为向南移动,各个月份环流中心分别向南移动了5.18°、2.11°、2.50°、1.79°、5.76°,平均向南移动了3.47°。