太平洋年代际振荡的研究进展

作者以太平洋年代际振荡 (PDO)现象为重点 ,系统地回顾了太平洋年代际变率观测、模拟和理论研究的国内外进展。在PDO时空结构方面 ,总结了PDO的基本观测事实 ,在PDO成因方面 ,从海洋大气相互作用观点出发比较了三类PDO形成机制的理论或假说 ,讨论了现有理论或假说中存在的若干问题 ,并提出了未来研究的方向和需要解决的关键科学问题。作者也简要介绍了东亚及中国气候年代际变化的特征及其和太平洋海表温度异常的联系 ,并讨论了东亚大气环流异常在PDO形成中的可能作用。

亚洲热带夏季风的首发地区和机理研究

文中分析了多年逐候平均 85 0hPa风场和黑体辐射温度等物理量的时空演变 ,结果表明 ,90°E以东的孟加拉湾、中南半岛和南海是亚洲热带夏季风首先爆发的地区 ,爆发时间在 2 7～ 2 8候 ,具有突发性和同时性。 90°E以西的印度半岛和阿拉伯海是热带夏季风爆发较晚的地区 ,季风首先在该区 10°N以南爆发 ,时间约在 30～ 31候 ,然后向北推进 ,6月末在全区建立 ,爆发过程具有渐进性。机制分析表明 ,由于 110～ 12 0°E的中高纬东亚大陆在春季和初夏地面感热通量、温度和气压的迅速变化 ,使热带低压带首先在该处冲破高压带 ,生成大陆低压 ,并引导西南气流在 90°E以东地区首先建立。在 90°E以西的印度半岛地区 ,地面感热通量在 4～ 5月间几乎没有明显变化 ,因而印度季风比南海季风晚爆发约 1个月。由此得出 ,90°E是东亚夏季风和南亚夏季风的分界线。此外 ,还着重探讨了南亚高压的季节变化与亚洲热带夏季风爆发的时间联系。发现南亚高压中心位置与亚洲热带夏季风爆发时间有较好的对应关系。南亚高压中心跳过 2 0°N时 ,南海夏季风爆发 ,跳过 2 5°N时 ,印度夏季风在其南部爆发。将用上述方法确定的爆发时间与用其他方法确定的爆发时间相比较 ,发现它们在南海地区有较好的一致性 ,在印度地区略有差异。

ENSO与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化

利用热带太平洋海表温度和中国降水和气温站点观测资料,通过滑动相关分析,揭示了ENSO与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化事实。结果表明:ENSO与中国夏季年际气候异常的关系既有稳定的方面,又存在年代际变化特征。稳定的关系表现在:处于发展阶段的ENSO事件往往造成华北夏季降水偏少;处于衰减阶段的ENSO事件则易引起长江流域及江南地区夏季降水偏多。而二者关系的年代际变化表现在:1970年代中后期,处于发展阶段的ENSO事件引起的夏季降水异常在华南地区由偏少变为偏多,东北地区则由偏多变为偏少,而江淮地区偏多的现象不再明显,华北和东北夏季气温异常也由偏冷转变为偏暖,而华南则有偏冷趋势;处于衰减阶段的ENSO事件引起的夏季降水异常在华北地区由偏多变为偏少,江淮地区降水由偏少变为正常甚至偏多,华北夏季气温异常则由偏冷变为偏暖,长江流域和华南也有偏暖趋势。利用NCEP/NCAR再分析资料合成分析表明,在不同的年代际背景下ENSO引起的东亚中高纬度大气环流异常型发生了明显改变是ENSO和降水气温关系发生年代际变化的原因。

基于非参数回归模型的局部线性估计云量预报方法研究

为研究云量的分布特点,本文利用历史观测资料,对新义州、定海、隆子3站的总云量和低云量进行了正态性检验,结果显示:总云量和低云量均未达到正态指标,具有一定的随机性.因此,在2004-2007年逐年1月T106L19模式产品和单站地面观测资料的基础上,采用适合被解释对象呈非未知分布的非参数方法——局部线性估计方法,选择合适的窗宽和核函数,创建了上述3站总云量和低云量的短期预报模型,包括不同的长度样本序列.同时,为了比较预报效果,还采用适合被解释对象呈正态分布的参数方法——逐步回归法,建立了相应的预报模型,并利用2003年1月1～31日的逐日T106L19模式产品和3站的云量历史观测资料,对各种预报模型进行了试报和效果的检验,结果表明:在3站的总云量、低云量的月平均准确率和月平均平均绝对误差的检验指标中,非参数局部线性估计的预报精度均高于逐步回归方法;使用短样本序列建立的自适应非参数局部线性估计预报模型与采用长样本序列建立的预报模型相比,效果相当.这意味着,在数值预报产品解释应用的云量预报中,非参数局部线性估计方法可以更合理地考虑其时间分布特征,尤其在缺乏较长时间的历史建模样本时,具有良好的应用前景.

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。

中国极端降水事件的区域性和持续性研究

利用中国542个站1960-2003年逐日降水资料,分析中国极端降水事件的区域性和持续性,研究发现:滇西藏东一带极端降水的持续性较好,但该地区极端降水的区域性较差;长江以南地区夏季极端降水的区域性与持续性均较好,容易导致区域性洪涝灾害的发生;东南沿海冬季极端降水的区域性与持续性均较好,易形成成片且持续时间在3d或3d以上的极端(较强)降水事件;黄河中下游秋季极端降水的区域性与持续性均较好,该地区秋季发生洪涝的可能性较大;除新疆以外,东北、华北以及西北等大部分北方地区极端降水的持续性以及区域性均较差。

北半球绕极涡的变异及其与我国气候异常的关系

本文利用近50a大气再分析资料和中国站点观测资料，通过定义绕极涡的总体面积指数，分析了北半球绕极涡的变异特征及其与我国气候异常的关系，通过考虑绕极涡的局地变异和利用SVD分析方法揭示了绕极涡的局地变异与我国气候变异的关系。结果表明：北半球绕极涡的总体面积变异表现为一致性的扩张或收缩变化特征，近50a来其总体面积具有收缩的趋势，这与全球增暖尤其是极区增暖有密切关系；叠加在这种趋势之上的既有年际变化又有年代际变化，主要周期大约是3～5a和8～12a。因此，研究绕极涡与我国气候的相关时分时间尺度来考虑更合理。北半球绕极涡的总体面积变异与我国气候异常的关系主要体现在年代际时间尺度上，当北半球绕极涡总体一致性收缩时，冬季我国大部分地区的气温都会随之变高，而降水偏多；夏季东北、华北、西南和华南地区气温偏高，降水偏少，而江淮流域气温偏低，降水偏多。反之亦然。北半球绕极涡的局地变异主要体现在西风带长波振幅的变异上，而其与我国气候异常的联系主要表现在年际时间尺度上，当东亚大槽减弱时，冬季我国中、东部大部分地区气温偏高，降水偏多；夏季江淮流域和四川盆地气温偏低，其它地区气温偏高，降水变化不明显。反之亦然。

El Nio对东亚气候年际异常影响的数值模拟

根据1949-1998年期间8次显著El Nino事件合成的24个月年际海温异常（SSTAs）和气候平均的海温（SST）,利用CCM3分别进行了3个包含10次积分的集合试验,即控制试验（CTRL）,热带太平洋海洋全球大气试验（TOGA）以及整个太平洋海洋全球大气试验（TOGA-NP）,通过对比分析这3个试验之间的集合模拟结果,揭示了在El Nino不同演变阶段东亚气候年际异常响应结构以及北太平洋年际SSTAs在此过程中的调制作用.结果表明：El Nino发展阶段夏季,东亚地区大气环流异常呈显著的负PJ波列,副热带高压减弱、偏东,东亚夏季风增强,东北和江淮流域降水偏多,华北和长江流域及其以南地区降水偏少;El Nino成熟阶段冬季,东亚大槽加强,东亚北部冬季风加强,西太平洋副热带地区低层有显著的反气旋式异常风场,华南地区降水显著增多;El Nino衰亡阶段夏季东亚气候年际异常型与其发展阶段夏季几乎相反.同时,北太平洋年际SSTAs对El Nino影响东亚气候年际异常有一定的调制作用,使模拟的我国降水异常分布更符合观测.

江淮梅雨分区特征的比较研究

对江淮地区63站1957—2003年6—7月平均的月降水、梅雨期降水量和入梅期进行旋转经验正交展开,将江淮梅雨区分为中心区、东南区和西北区。三子区入梅出梅的早晚顺序依次为东南区、中心区、西北区,与雨带地理位置的时间变化一致。三子区梅雨参数存在不同的年际、年代际变化特征。在趋势变化上,西北区与其他两区的差异很明显。中心区和东南区的梅雨长度和梅雨量存在上升趋势,出梅期推迟;西北区梅雨参数的变化与中心区、东南区相反。分析江淮各子区梅雨异常所对应的环流形势结果表明:北半球500hPa高度场各区多雨年减少雨年的差值图上都呈现正负相间的波状结构,东南区与中心区的正负差值分布型类似,但比中心区的略偏东和偏南;西北区与中心区、东南区呈现出相反的形势。各区早入梅年减晚入梅年北半球的500hPa高度场正负差值分布形势基本类似,但东南区较中心区偏东,西北区较之偏西。

大尺度凝结水在下落过程中的蒸发对模拟气候特征的影响

将新的大尺度凝结水在降落过程中蒸发量计算的方案引人p-σ混合坐标系初始方程九层模式中，运用1979-1995年NCEP／NCAR再分析资料月平均场作为初始场和侧边界强迫，模拟得到1月和7月气候特征，并用F检验和t检验方法检验了原大尺度凝结方案与新方案模拟结果差异的显著性。结果表明，在大尺度凝结降水中出现蒸发的大部分地区为我国东部和南部的沿海地区以及相应的海洋上。模拟的气候特征的差异主要集中在我国东部以及东南沿海一带的大陆和海洋，其中在总降水场的模拟结果中，较好地消除了原模式在华北地区的虚假大值区。检验结果表明，7月的差异比1月的显著，而且各要素平均值的差异不大，方差的差异比较显著。

坡地坡向短波辐射参数化对不同天气过程的影响

为了改进太阳短波辐射参数化,运用考虑了坡地坡向短波辐射效应(SLOPE)的非静力中尺度模式GRAPES(全球/区域同化和预报系统),模拟和讨论了坡地坡向短波辐射效应在不同模式分辨率情况下对中国不同天气过程的影响。数值试验表明:(1)当水平分辨率较低且坡地平缓时,通常可忽略坡地辐射效应,但当水平分辨率较高且地形陡峭起伏时,则不能忽略;(2)在高分辨率(3或6km格距,下同)的情况下,降水的增加和减少与坡地坡向引起的地表短波辐射(GSW)的减少和增加相对应,降水量的增减量大部分均为-5—5mm;(3)在高分辨率的情况下,地表温度与地表热通量之间有较好的相关性,且大都发生在地形复杂的多山地区;(4)坡地坡向短波辐射效应引起的GSW、降水量、地表温度和地表热通量等要素的变化除了在地形复杂的多山地区比较明显之外,在其他地区也存在。这是由于考虑了坡度和坡向的作用后,影响了大气环流的变化,随着积分时间的增加,其他地区上述物理量也相应地存在一定的变化;(5)坡地坡向对短波辐射的作用,在降水量较小,云量较少的天气过程中,可以更真实地得到反映。因此,在地形复杂和水平分辨率较高情况下,需要考虑坡度坡向作用。

干对流调整对区域气候模拟效果的影响

利用干对流发生时大气层之间质量交换应满足守恒性原理,改进了pσ区域气候模式中的干对流调整方案。该方案同时调整温度、比湿和风场。利用1979~1995年NCEP/NCAR再分析资料月平均场作为初始场和侧边界强迫,模拟1月和7月的气候特征,并用t检验和F检验方法检验敏感试验和控制试验模拟结果差异的显著性。结果表明,无论是1月还是7月,敏感试验与控制试验出现干对流调整的区域均一致,但敏感试验各区域发生干对流调整的次数均比控制试验多。7月各个物理量场的差异均比1月显著。两试验模拟7月比湿场和降水量场的均值差异不明显,而方差差异比较显著;温度场和风场的均值差异和方差差异均比较显著。敏感试验在20°N^35°N纬度带内对7月500 hPa风场的模拟有了比较明显的改进。在对7月总降水量场的模拟方面,敏感试验在新疆北部、内蒙古中部呼和浩特一带、吉林东部以及湖北和广东地区有比较好的模拟效果,基本消除了控制试验中的虚假大值区。

ENSO事件对西北太平洋热带气旋影响的分级研究

采用1951—2006年联合台风警报中心(JTWC)最佳路径数据集和气候预测中心(CPC)ENSO资料,分析了西北太平洋不同等级热带气旋累积能量(accumulated cyclone energy,ACE)与ENSO指数之间的关系。结果表明:ACE与ENSO指数间存在正相关关系;分级热带气旋中,ENSO事件主要通过超强台风(Super TY)的活动与ACE指数联系起来的,超强台风频数在El Nio期间多于La Nia期间,同时持续时间也更长;ENSO指数和热带气旋活跃季超强台风ACE指数的滞后相关(ENSO指数滞后5个月内)与它们的同时相关大小相当。此外,还研究了分级热带气旋持续时间、强度和频数分别对ACE指数的贡献,结果显示超强台风频数的贡献最大。接下来,利用1951—2006年不同EN-SO位相情况下NCEP再分析资料,分析了ENSO影响超强台风发生发展的物理机制。主要结论为:西北太平洋存在一些SuperTY频数与源地分布在ENSO年与平常年相比有明显差异的关键区;EN-SO事件改变关键区低层相对涡度以及海表温度是其影响SuperTY源地及频数变化的重要途径。

使用ECMWF集合预报数据集估计全球季节平均气候异常的潜在可预报性

利用ECMWFPROVOST项目产生的在给定海表温度强迫下的 15a(1979～ 1993)季节集合预报数据集 ,分析揭示了季节平均气候异常潜在可预报性的全球分布。首先 ,利用可再现的强迫模态重建集合资料场 ,在Kolmogorov Smirnov(K S)检验的基础上定义潜在可预报性指数PUK,然后 ,将重建场的PUK 与重建场贡献于集合平均的方差比结合 ,提出了定量估计局地潜在可预报性的指数PI。以全球 85 0hPa温度季节平均异常场为例 ,对PI进行定量计算表明 :不仅大部分热带地区 ,而且热带外一些地区的季节平均气候异常具有潜在可预报性 ,主要分布在北美、南非和亚洲部分季风区 ;全球大部分潜在可预报地区主要受ENSO型强迫控制 ,而部分温带地区如中国华北、中亚、北美南部主要受非ENSO型强迫控制 ;局地潜在可预报性具有季节性 ,夏季可预报性较强 ,冬季较弱。通过与其他几种估计季节潜在可预报性的方法进行比较表明 。

华北降水年代际变化特征及相关的海气异常型

利用近50年华北地区26个站逐月降水观测资料和全球大气海洋分析资料,分析了华北降水的年代际变化特征及其和全球海气系统年代际变化的关系.对华北降水距平指数变化分析表明,近50年来华北降水具有减少的总体趋势,叠加在该趋势之上的是年代际变化,其中1965年和1980年发生了两次跃变,使得20世纪80年代干旱尤为严重.在对华北地区降水年代际变化特征分析的基础上,揭示了与华北降水年代际异常相伴随的大气环流和上层海洋热力异常型.结果表明,华北降水年代际异常与太平洋上层海洋热力状况异常有显著关系,主要表现为太平洋年代际振荡(PDO)与华北降水异常的相关.在年代际时间尺度上,华北干旱与上层海洋热力及大气环流异常的配置关系如下:当华北地区干旱时,则热带中东太平洋海温偏高,北太平洋中部海温偏低,即太平洋上主要表现为PDO暖位相,全球大部分地区(包括华北地区)气温偏高,青藏高原地区气温偏低,日本北部及东西伯利亚气压异常偏低,华北及其以南大片地区气压偏高,华北地区由异常西北风控制,不利于水汽向华北地区输送.

我国极端降水过程频数时空变化的季节差异

利用我国586个气象测站的逐日降水资料,在对每个站点极端降水过程阈值进行科学界定的基础上,揭示了近45年我国年和各季极端降水过程频数的线性变化趋势及其年际、年代际变化特征.结果表明:我国年和季节极端降水过程频数主要为趋势性变化,不同地区不同季节趋势性变化差异显著,极端降水量在降水总量的趋势变化中占主导地位;长江中下游、西北地区北部和西南地区西部年极端降水过程频数呈现趋势性增加,而我国华北等地区呈现趋势性减少,并且主要反映的是夏季的特征;年和季节极端降水过程频数具有明显不同的年际和年代际变化特征;我国各季极端降水过程时空变化异常型明显不同,但与极端日降水的时空变化是一致的.

华北降水年代际、年际变化特征与北半球大气环流的联系

利用美国NCEP再分析月平均资料及我国华北地区2 6个测站月降水资料,采用奇异值分解(SVD)方法,研究了华北降水的年代际和年际变化特征与北半球大气环流的联系.结果表明,首先对降水和大气变量资料作相应时间尺度的分离是非常必要的,否则所得到的SVD结果不能反映年代际变化特征而只能反映年际变化特征;华北降水年代际和年际变化对应的大气环流异常有明显的差异;对应发生在2 0世纪70年代后期华北降水的一次年代际跃变,环流场均存在明显的跃变,而且有一个从地面向对流层上层传播的过程.

高层大气温度和高度场异常对我国地面气温和降水的影响

用SVD方法分析了NCEP/NCAR1958—1997年再分析资料中月平均的300hPa温度(下称"高层温度")和100hPa高度(下称"高层高度")距平场与中国160个测站的月平均地表气温(下称"我国温度")和月降水距平场的时滞和空间耦合关系,讨论了高层温度和高度距平场的空间分布和时间演变对我国气温和降水异常的影响。结果表明,高层温度和高度距平场的整体空间分布形势对中国气温和降水的影响明显,不同关键区的高层温度和高度距平场对我国不同区域的气温和降水异常有影响,具有明显的区域耦合特征。伊朗高原和青藏高原及其以南的热带低纬地区是高层温度和高度场的关键区。高层温度场对我国气温场和降水场的影响主要表现为年际变化,而高层高度场的影响主要表现为年代际变化。我国长江和黄河流域、华南和江南地区是受高层温度场和高度场异常影响最明显的地区。

西北太平洋热带气旋频数和强度变化趋势初探

利用1951—2006年西北太平洋（含南海）热带气旋资料,研究了不同强度热带气旋的气候变化特征。结果表明：超强台风（近中心最大风速≥58 m/s,简称超强台风Ⅱ）频数、强度和初、终旋日期的变化特征都不同于其他级别热带气旋;西北太平洋热带气旋的总频数有长期减少趋势,主要由热带低压和超强台风Ⅱ的长期减少趋势引起;随着热带气旋强度增强,出现月最大频数的月份逐渐推迟;超强台风月频数最大值发生在秋季;超强台风Ⅱ频数的年变化与除了超强台风Ⅰ（近中心最大风速为51-58 m/s）外的其他级别热带气旋反相关;受超强台风Ⅱ减少影响,热带气旋年平均最大风速有减小的长期趋势;热带气旋的初、终旋日期没有显著的长期变化趋势,但超强台风Ⅱ的初旋日期有推迟趋势,终旋日期有提前趋势,发生时间缩短。

FGOALS_g快速耦合模式模拟的北太平洋年代际变率

本文分析了由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（LASG/IAP）最新发展的FGOALS_g快速耦合模式300a积分模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了北太平洋年代际变率的时空结构、主要年代际模态的演变特征以及与ENSO的联系等研究内容.结果表明：该模式能成功模拟出北太平洋年代际变率的主要空间分布特征;模拟的年代际模态具有多时间尺度性,其中最显著的是周期约为10-20a左右的准20年振荡模态,该模态上层海洋热容量异常的演变过程主要表现为大致沿副热带海洋涡旋做海盆尺度顺时针旋转的特征,相应的大气异常不仅与阿留申低压的变异有关,而且与太平洋-北美（PNA）遥相关型以及上游的欧亚大气环流异常有密切关系;模拟的北太平洋年代际变率对年际ENSO循环的发生频率和强度有明显的调制作用.但模拟的KOE区和阿拉斯加湾SST异常振幅比观测偏强,这与模式海冰偏多、高纬度SST偏冷的误差有关.