热带大气季节内振荡对东亚季风区的影响及不同时间尺度变化研究进展

在引证论述大气ISO对东亚季风区天气气候重要作用的基础上,概括性地回顾大气ISO基本特征及其形成机制的主要成果,重点针对热带大气ISO的季节变化、年际变化甚至年代际变化方面的研究工作进行总结评述.     

大气季节内振荡在华南降水预报中的应用

大气季节内振荡(ISO)在天气气候演变中扮演着重要角色,是中期和延伸期预报可预报性来源之一,同时大气ISO的年际变化与区域季节降水量的年际变化密切联系,对短期气候预测有指示意义。对热带大气ISO的年际变化研究做了简要回顾;重点介绍了ISO对华南降水的影响及其业务应用情况,主要包括赤道MJO对华南降水的影响、基于准两周振荡的汛期暴雨过程预报、热带ISO与热带外系统多尺度相互作用对强降水的影响、ISO对季节降水的影响、基于ISO建立的降水延伸期定量预测模型;最后对进一步加强ISO应用研究提出了几点思考。     

华南春季降水及其季节内振荡强度的年代际变化特征

利用NCEP和中国台站资料,探讨了华南春季降水和降水季节内振荡(Intraseasonal oscillation,ISO)强度的年代际变化特征。经验正交函数EOF分析结果显示,第一模态显示全国春季降水量以及降水ISO强度较大区域均分布在华南地区。两者间的相关关系比较显著,分别经历了3段年代际变化,即1958—1973年偏少(偏弱)、1974—1990年偏多(偏强)以及1991—2007年偏少(偏弱)。并且,强降水和强降水ISO事件天数和强度也经历了偏少(偏弱)、偏多(偏强)和偏少(偏弱)的变化。但强降水ISO事件天数和强度占总强降水的比率呈现减少的趋势。在不同的年代,大气环流和海温异常对降水和降水ISO强度的变化起了主要作用,但其中的作用又各有不同。在1958—1973年,周边海温、北太平洋年代际振荡(PDO)与大气环流起了共同作用;在1974—1990年,周边海温影响不大,PDO和大气环流起了主要作用;在1991—2007年,PDO和大气环流的相互配置抑制了周边海温的影响。     

热带低层大气30～60天低频动能的年际变化与ENSO循环

利用NCEP再分析资料,通过统计相关及合成分析研究了热带大气季节内振荡(ISO)的年际变化与ENSO循环之间的关系.结果表明,热带大气季节内振荡(也称30～60天低频振荡)的年际变化在热带中西太平洋地区最强.在ElNino成熟之前的春夏季,热带西太平洋的30～60天振荡异常活跃,其动能明显增加且逐渐东移;在E1Nino成熟以后,热带西太平洋大气30～60天低频振荡迅速减弱.与这种加强的30～60天振荡相伴随,在赤道北侧为异常的气旋式环流,赤道地区出现偏西风异常.相反,在LaNina成熟之前的春夏季,热带西太平洋大气30～60天振荡偏弱.进一步的分析还发现,东亚冬季风的年际变化是引起热带大气30～60天振荡的年际变化的主要机制:强东亚冬季风导致热带西太平洋积云对流加强,从而引起热带西太平洋大气30～60天振荡加强;相反,对应于弱的东亚冬季风,热带西太平洋地区积云对流偏弱,大气30～60天振荡偏弱.作者的资料分析还证实,热带大气30～60天低频振荡的年际变化,作为一种外强迫,对ElNino的形成起着十分重要的作用.     

热带印度洋和太平洋ISO活动特征的异同

基于再分析资料,对比分析了热带印度洋和太平洋地区大气季节内振荡（ISO）活动特征的异同。结果表明:印度洋和西太平洋地区ISO活动中心在4月和10月存在季节性跳跃,并且ISO在西太平洋地区活动中心位置南北跳跃的经向距离较印度洋偏大。ISO较强的活动中心也是ISO强度年较差较大的地区,并且各个活动中心ISO强度达到最强的时间存在明显的差异。ISO活动存在显著的年际和年代际变化,在20世纪80年代ISO的活动强度和变化趋势都存在一个明显的转折。夏季印度洋和西太平洋地区ISO都存在较强的北传,赤道地区印度洋ISO强度较强,而赤道以外地区西太平洋ISO强度较强;并且ISO在西太平洋地区北传的速度较印度洋偏慢。无论是冬季还是夏季,当ISO活跃于印度洋和西太平洋时,ISO的空间分布和垂直结构特征都有着明显的差异。     

春夏东亚大气环流年代际转折的影响及其可能机理

本文通过多变量联合经验正交分解(MV-EOF)方法揭示了近30年(1979~2010年) 春季和夏季东亚大气环流所发生的年代际转折及其与中国南方降水年代际季节反相变化的内在联系,探讨了局地性大气热源年代际变化影响东亚大气环流年代际转折的可能机理.结果表明:(1)东亚大气环流春季第一模态和夏季第二模态在90年代中期都发生了明显的年代际转折;(2)与春季大气环流第一模态和夏季大气环流第二模态年代际转折相对应的是中国南方降水明显的年代际季节反相变化,即春季降水年代际减少,夏季降水年代际增多;(3)春季青藏高原和夏季贝加尔湖地区大气热源年代际变化对东亚大气环流年代际转折有一定贡献,是造成中国南方降水年代际季节反相变化的直接原因;(4)春季青藏高原大气热源的年代际减弱,使得高原东南侧的西南风减弱,导致中国南方上空水汽输送不足,春季降水减少.夏季贝加尔湖大气热源偶极型分布由“南负北正”转变为“南正北负”,由此在贝湖上空激发高压异常,使得夏季雨带北进受阻而停滞南方,造成中国南方夏季降水增多.     

热带大气季节内振荡的季节性特征及其在SAMIL-R42L9中的表现

分析了NCEP资料和SAMIL-R42L9中热带大气季节内（30～60天）振荡（ISO）的季节变化特征及其与平均气候场季节变化的关系。NCEP资料的分析表明：热带地区大气ISO在空间分布上存在明显的季节变化,大气ISO的季节变化与平均背景场的季节变化有明显的一致性。在空间分布上,热带大气ISO的活动对暖的SST、强的对流活动、西风、强的降水和低层水汽辐合有很强的依赖性。大气环流模式SAMIL-R42L9基本能够再现热带大气ISO空间分布上的季节转换特征,尤其在动力场（纬向风）上表现得最为明显。但对基本气候态季节变化的模拟,对不同的物理量有明显的差异。模式结果表明：热带大气ISO动力因子的季节性比热力因子的季节性对平均背景场的依赖性更大,模式不能很好地反映NCEP资料表现出来的ISO对平均背景场的强依赖性,同时也说明热带大气ISO的季节性可能并不完全依赖于平均背景场的季节变化。     

华北汛期降水量变化中年代际和年际尺度的分离

华北地区汛期(7月和8月)降水量的变化中,不仅具有年际变化的特征,同时还具有明显的年代际变化特征.我们将这两种时间尺度进行分离,即将降水量的变化进行5年滑动平均,以滑动平均值代表年代际变化,并以每年的汛期降水量与滑动平均值的差代表去除了年代际变化后的年际变化.然后,利用NCAR/NCEP再分析资料对与这两种不同时间尺度相关联的大气环流异常进行了分析,发现两者具有不同的表现,说明影响这两种不同时间尺度的物理原因可能是不同的.与年代际变化相对应的大气环流异常主要表现为出现在我国东部地区的南北风异常以及欧亚大陆上空的位势高度异常.若对这两种时间尺度不进行分离,而直接按讨论年际变化的一般方法简单地分析与年际变化相关联的大气环流异常时,所得到的分析结果中既包含与华北降水年代际变化相关联的大气环流异常,又包含与去除年代际变化后的年际变化相关联的大气环流异常.而除去年代际变化后,与华北汛期降水年际变化相关联的大气环流异常主要表现为在东亚上空位势高度和纬向风的异常,意味着急流在涝年位置偏北.     

南海大气季节内振荡特征及其与ENSO循环的关系

采用1979—2009年NCEP/NCAR再分析资料、NOAA向外长波辐射(outgoing long-wave radiation,简称OLR)及扩展重建海表面温度资料,对南海大气季节内振荡(Intra-seasonal Oscillation,简称ISO)特征及其与ENSO循环的关系进行了诊断分析。结果表明:1)南海大气ISO的30~60 d周期在5—10月均显著。一般年南海大气ISO的对流传播在纬向上存在东传和西传,在经向上具有南北半球季节性摆动的特征。以低频动能表征的南海大气ISO强度年代际变化特征明显,近31 a来趋势增强,年变化呈单峰结构,峰值在7—8月。2)南海大气ISO的对流与ENSO循环显著相关,其强度在El Nio(La Nia)年减弱(增强)。与一般年对比,南海大气ISO对流在El Nio和La Nia年均表现为西传减弱、北传显著。北传特征表现为强对流活跃带于春季(4—5月)北跳至北半球(在La Nia年最北可至35°N),但在北半球的传播方向与一般年相比存在显著差异。3)南海大气ISO强度与ENSO循环关系密切,在El Nio(La Nia)年减弱(增强),两者表现为约半年(6~8个月)的滞后相关。Nio3区海表面温度异常序列与南海大气ISO强度的相关在中西太平洋地区和El Nio成熟前的春、秋季最显著,同时相关中心伴随低频动能高值区东移。     

ENSO与火山活动的共同作用对大气CO_2浓度年际变化的影响

利用Mauna Loa和南极站点月均观测大气CO_2和δ~(13)C资料分析了大气CO_2浓度的年际变化特征,发现大气CO_2浓度年际变化与ENSO呈正相关而与火山喷发指数呈负相关。大规模火山喷发能够降低强ENSO对大气CO_2浓度的年际变化的影响,不仅与喷发强度有关,还与持续作用时间有关。ENSO与火山喷发共同影响大气CO_2浓度年际变化,而分析期间内的El Chichon和Pinatubo喷发后大气CO_2和δ~(13)C年际变化的差异则受ENSO和火山喷发的强度以及两者的相对起始时间的影响。δ~(13)C分析结合Keeling Plot计算表明,ENSO对大气CO_2浓度年际变化的影响主要通过影响陆地生态系统生产量的变化,而火山喷发对其影响则通过因温度降低和海洋施肥效应所引起的海洋吸收增加。     

江淮夏季降水季节内振荡和海气背景场的关系

本文利用1954～2005年中国740站逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析江淮夏季降水季节内振荡(ISO)的年际变化,并讨论了异常年的海气背景特征.诊断分析的结果表明:(1)当江淮夏季降水ISO活跃时,江淮流域、孟加拉湾、南海及其以东海域和日本南部海区上空大气都表现出显著的季节内振荡特征.在江淮夏季降水不...     

大气环流的年代际变化 II.GCM数值模拟研究

类似大气环流模式比较计划（AMIP）的数值模拟,将实际观测的海表水温（SST）资料引入模式进行40多年的数值积分,得到长时间的大气环流模拟结果。分析数值模拟结果发现,无论是大气中的主要涛动和遥相关型,还是重要大气环流系统都极为清楚地存在着年代际变化特征,包括10～20年准周期振荡和可能的30年以上的准周期振荡;而且上述主要环流系统的形势及其年代际变化大都与实际观测资料所给出的结果相一致。顺便分析中国东部气候的模拟结果,年代际变化特征（包括60年代的气候突变）也很清楚,并同大气环流变化配合十分合理。结果也表明,同研究季节和年际变化一样,大气环流模式（AGCM）数值模拟也是研究大气环流和气候年代际变化的有效方法。     

大气季节内振荡：其全球同步性及其与ENSO的关系

利用美国国家环境预报中心和大气研究中心的大气再分析资料，分析研究了大气季节内振荡的年际变化及其与ＥＮＳＯ的关系。揭示了全球不同纬度带之间存在着的大气季节内振荡年际变化的同步性，以及大气季节内振荡与海温和大气向外长波辐射之关系的复杂性。我们还发现大气季节内振荡与Ｎｉｎｏ３指数的关系存在年代际尺度的变化，即，这种关系有时强时弱的现象。     

季节内振荡的数值模拟Ⅰ.模拟的自然变率

利用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) 发展的耦合气候系统模式FGOALS 1.0_g控制试验 (二氧化碳浓度保持工业革命前的浓度不变, 代表无人类活动影响的自然变率) 模拟结果, 研究了模拟的自然变率下热带季节内振荡 (Intraseasonal Oscillation, 简称ISO) 的基本特征与年际、年代际变化.研究发现, 模拟的自然变率下全球ISO主要活跃区与近六十年的实测结果基本接近; ISO主要活跃区的季节变动特征与实际结果基本一致; 全球ISO强度冬强、夏弱的季节变化也与实际结果一致; 但模拟的ISO强度偏弱与ISO周期不明显.进一步利用控制试验模拟结果研究了模拟的自然变率下热带ISO特征的年际与年代际变化, 得出: 第一, 模拟的自然变率下的热带ISO强度存在明显的年际与年代际变化, 低强度指数阶段, 全球ISO强度减弱, 活跃区范围缩小, 高强度指数阶段则相反; 并存在季节性差异, 冬季不明显, 春秋季明显, 实测结果有类似结论, 但高、低指数似乎与增暖有关.第二, 模拟的自然变率下的热带东传或西传ISO能量比值总体来看基本上维持一种平衡状态, 不存在上升或下降趋势; 与实际状况下的东传相对能量增强、西传相对能量减弱趋势明显不同.     

印度洋海气相互作用对热带夏季大气环流气候态的影响

利用分辨率较高的SINTEX-F(Scale INTeraction EXperiment-FRCGC) 海气耦合模式, 进行多组长时间积分模拟和理想试验, 分析研究热带印度洋海气耦合对夏季大气环流气候态的影响。主要结果有: (1) 热带印度洋海气相互作用使热带东印度洋产生明显的东风变化, 使热带中西太平洋赤道北部产生气旋性切变变化。 (2) 印度洋海气相互作用对大气环流气候态的影响绝大部分由于大气对海气相互作用的响应存在年际变化正负距平不对称性造成, 这种年际变化不对称性包括正偶极子与负偶极子的不对称、 海盆宽度正异常与海盆宽度负异常的不对称。 (3) 年际和季节内两种时间尺度海气相互作用对印度洋关键区大气环流平均态都有影响, 约各占60%、 40%; 季节内尺度海气相互作用对太平洋近赤道区大气环流平均态有重要影响; 年际尺度海气相互作用对太平洋赤道外地区大气环流平均态有重要影响。热带印度洋年际尺度、 季节内尺度海气相互作用对大气环流气候态的影响, 都存在年际变化以及年际变化正负距平不对称性。这两种尺度海气相互作用主要通过年际变化正负距平不对称性而对大气环流平均态产生影响。     

季节内振荡的数值模拟 I. 模拟的自然变率

利用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)发展的耦合气候系统模式FGOALS 1.0_g控制试验(二氧化碳浓度保持工业革命前的浓度不变,代表无人类活动影响的自然变率)模拟结果,研究了模拟的自然变率下热带季节内振荡(Intraseasonal Oscillation,简称ISO)的基本特征与年际、年代际变化。研究发现,模拟的自然变率下全球ISO主要活跃区与近六十年的实测结果基本接近;ISO主要活跃区的季节变动特征与实际结果基本一致;全球ISO强度冬强、夏弱的季节变化也与实际结果一致;但模拟的ISO强度偏弱与ISO周期不明显。进一步利用控制试验模拟结果研究了模拟的自然变率下热带ISO特征的年际与年代际变化,得出:第一,模拟的自然变率下的热带ISO强度存在明显的年际与年代际变化,低强度指数阶段,全球ISO强度减弱,活跃区范围缩小,高强度指数阶段则相反;并存在季节性差异,冬季不明显,春秋季明显,实测结果有类似结论,但高、低指数似乎与增暖有关。第二,模拟的自然变率下的热带东传或西传ISO能量比值总体来看基本上维持一种平衡状态,不存在上升或下降趋势;与实际状况下的东传相对能量增强、西传相对能量减弱趋势明显不同。     

混合海气耦合模式中与ENSO相关的大气年际变化性

利用混合海气耦合模式45年模拟积分的结果,对模式大气的年际变化性进行了分析。结果表明,在这样的海气耦合系统中,大气分量表现出显著的年际变化,冬、夏季异常环流型的分布与观测资料的分析结果基本相符。因此,该模式不仅能较好地再现热带太平洋的ENSO变化性,而且能较好地再现ENSO引起的全球大气环流的年际变化性。     

夏季东亚环流年际和年代际变化对登陆中国台风的影响

利用NCEP/NCAR再分析资料,探讨夏季东亚大气环流、大气视热源和视水汽汇的年际及年代际变化与登陆中国台风频数的关系.研究表明:夏季200 hPa风场上南亚高压中心位置偏北(南)其形态表现向东北(东南)伸展,西太平洋热带地区上空(200 hPa)的东风急流加强(减弱),中层(500 hPa)西太平洋副热带高压脊线位置偏北(南),低层(850 hPa)东亚夏季风环流偏强(弱),登陆中国台风数偏多(少).夏季东亚-西太平洋热带大气视热源和视水汽汇为正(负)距平, 即东亚热带大气出现辐射加热(冷却)和变湿(变干),登陆中国台风数偏多(少).20世纪50～60年代登陆中国台风频数处于年代际变化相对偏少期,70～90年代中期登陆中国台风频数处于年代际变化相对偏多期.夏季登陆中国台风频数的年代际变化与西太平洋热带大气视热源、视水汽汇及西太平洋热带海温的年代际变化一致,西太平洋热带大气视热源、视水汽汇及西太平洋热带海温处在年代际变化的低(高)值阶段时,夏季登陆中国台风频数也处在年代际变化的偏少(多)期.     

亚洲两个季风区大气季节内振荡的比较分析

本文利用ECMWF逐日再分析资料(1961～2000年),主要从结构和水平传播包括经向传播和纬向传播方面对南海和南亚两个季风区的30～60天振荡进行了比较分析.研究结果发现,两个季风区的大气季节内振荡都存在明显的年际变化,但并没有出现同相或反相的变化关系.两个季风区ISO在结构上既有相似的地方也有不同点,在垂直结构上都...     

ENSO,火山活动与大气CO2的年际变化

利用大气CO2及其δ13C的观测数据分析了不同区域大气CO2的季节和年际变化特征,并结合δ13C的变化趋势判断大气CO2变化的主要影响因素是来自陆地还是海洋.结果表明:大气CO2的年际变化主要受ENSO引起的陆地植被初级生产量而不是海洋吸收变化的影响,且La Ni(n)a对大气CO2的影响大于El Ni(n)o.火山活...