东亚季风环流演变的主要模态及其与中国东部降水异常的联系

利用美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析环流资料、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)重构的海温资料和中国国家气象信息中心(NMIC)整理的752个测站降水资料,对东亚地区季风环流季节演变主要模态及其与中国东部降水异常的关系进行了分析。结果表明,东亚地区850hPa季风环流季节演变存在两个主要模态,第一模态主要受热带印度洋海温和赤道东太平洋海温偏低背景下印度洋偶极(IOD)演变过程控制;第二模态主要受赤道东太平洋ENSO循环和IOD演变控制。对应第一模态,夏季华北多雨,长江流域少雨;对应第二模态,夏季华北、长江流域多雨,淮河、华南少雨。近50年两模态发生了明显改变,与降水变化有很好的对应关系。     

东印度洋海温对中国南方冬季降水的影响

利用NCEP再分析的大气环流资料、海表温度资料和全国160 站降水资料,研究了冬季东印度洋海温对我国江南-华南地区同期降水的影响。结果指出,冬季东印度洋海温(Sea Surface Temperature in the Eastern Indian Ocean,EIOSST)和同期的江南-华南降水呈显著的正相关关系。当EIOSST偏高时,江南-华南的冬季降水偏多。而当EIOSST偏低时,江南-华南的冬季降水偏少。这种影响的可能机制是:冬季东印度洋海温异常通过影响南支槽上的扰动活动和水汽输送来影响同期的江南-华南降水。当东印度洋海温偏高时,局地对流加强,引起南支槽地区的上升运动加强,南支槽活跃。活跃的南支扰动向下游传播,南支槽前的西南气流将水汽从孟加拉湾向华南和江南输送,引起华南和江南的降水偏多。进一步的分析显示,东印度洋海温对南支槽和江南-华南的降水的影响独立于ENSO的影响。二者对南支槽和江南-华南地区冬季降水的影响过程一致,只是东印度洋海温的影响较弱。当东印度洋海温和ENSO的作用相叠加时,江南-华南可能会出现较异常的冬季降水。       

BCC_CSM模式夏季关键区海温回报评估

利用国家气候中心气候系统模式(Beijing Climate Center Climate System Model, BCC_CSM)的汛期回报试验数据集, 评估了夏季中低纬度海表面温度(Sea Surface Temperature, SST)的预测能力。结果表明:该模式对夏季中低纬海温具有一定的预测能力, 且在低纬地区的预测技巧尤为出色。对太平洋、热带印度洋和北大西洋这三个关键区进一步分析发现, 该模式对不同海区海温的预测能力有所不同。其中, 模式对夏季北太平洋海温及Ni?o 3.4指数表现出显著的预测技巧, 对热带印度洋、北大西洋海温及热带印度洋全区一致海温模态(Indian Ocean Basin-wide Warming, IOBW)也表现出一定的预测技巧, 而对北大西洋海温三极子模态(North Atlantic Tripole, NAT)的技巧相对较低。研究发现, 预测技巧与前冬的ENSO状态密切相关, 当前冬位于ENSO异常位相时, BCC_CSM模式对于三大海区夏季海温的预测技巧要高于前冬位于ENSO正常位相时, 且对NAT指数也具有更高的预测技巧。前冬ENSO所处的位相对于该模式对夏季Ni?o 3.4指数及IOBW指数的预测技巧影响不明显。此外, 该模式对夏季海温的预测技巧依赖于超前时间, 预测技巧在大部分情形下超前1个月的预测技巧相对更高。     

中国南方夏季降水与热带印度洋偶极型海温异常的联系

利用1979-1999年GISST和CMAP月平均资料,用线性回归滤除印度洋偶极子(IOD)指数和ENSO的相互干扰,定义纯IOD指数和纯Nino3指数,将海温距平处理为相对独立的3个部分,通过相关和合成分析得到:6-8月印度洋偶极型海温及热带中印度洋海温异常与中国南方夏季降水都有很好的正相关关系,并且二者对南方夏季降水序列的拟合方差贡献显著,表明热带印度洋海温异常与中国南方夏季降水的关系密切;5月份热带印度洋海温年际变化可以解释60 %左右的南方夏季降水异常,这对南方降水的预测具有非常好的指导意义.在正(负)IOD年,热带印度洋SSTA引起我国南方地区大气异常上升(下沉)运动,中国南方为整层水汽的异常辐合(辐散)区,从而使中国南方夏季降水异常偏多(偏少).     

海温异常对山东夏季降水的影响分析

讨论了前期全球海温异常对山东夏季降水不同分布型的影响,找到了对汛期降水预测有指示意义的异常信号,并将这些异常信号与2016年的降水分布特征进行了验证。前期恩索(ENSO)处于发展状态时,易造成全省夏季降水一致的分布形势;前期ENSO处于衰减状态时,山东夏季降水易出现东西反向的分布形势。太平洋十年际振荡和热带印度洋全区一致海温模态位相与鲁东南和半岛的夏季降水存在高相关,而副热带南印度洋偶极子和热带印度洋偶极子位相对山东夏季降水的高影响区位于鲁西北。这些异常信号对山东夏季降水预测具有一定的指示意义。     

前期热带海温分布型对6月西北太平洋异常反气旋环流的影响

研究了前期热带海温分布型对6月西北太平洋异常环流的影响。结果表明,奇异值分解(SVD)的前期夏季、秋季至冬季热带海洋第一模态呈现出印度洋全海盆一致型海温异常和东太平洋西伸显著的ENSO事件,该模态与6月西北太平洋反气旋(气旋)环流场没有明显的关联。在第二模态中,前期热带太平洋海表温度呈现为ENSO正位相向负位相转换特征,印度洋海表温度变化呈现出赤道东南印度洋（90～110 °E,10 °S～0 °）显著的准IOD事件的变化特征。而这一联合模态与6月西北太平洋异常反气旋(气旋)环流场有显著关联。关联的可能原因是前期海温为El Ni?o和正IOD时,横跨热带印度洋-太平洋的沃克环流的减弱导致在西太平洋-海洋大陆的负降水异常,在Matsuno-Gill效应下西北太平洋形成反气旋异常环流。同时由于两大洋的共同作用和局地海气相互作用使得该环流加强并维持到6月。      

ENSO与印度洋海盆海温多尺度相互作用及其对气候影响的研究进展

系统回顾了近年来有关ENSO与印度洋海盆海温多时间尺度相互作用及其气候效应研究的相关成果。主要包括年际和年代际时间尺度上,ENSO与印度洋海盆海温之间相互联系的基本事实和机制,以及与之相关的气候影响,特别是上述联系对亚洲季风系统及气候异常的影响。在年际尺度上,ENSO通过“大气桥”过程主导着印度洋海温变化,而后者的异常也可通过纬向环流的“齿轮式耦合”对ENSO产生影响。在年代际尺度上,一方面印度洋海盆海温显著的夏季增暖可能来自ENSO暖事件持续时间的年代际延长,另一方面印度洋秋季海温空间分布模态的年代际变化,则对ENSO暖事件强度的年代际增强具有贡献。二者的多时间尺度相互作用进而通过影响大气和海洋环流、辐射反馈、蒸发降水等多种海气耦合过程产生显著的气候效应。研究成果表明印度洋海温变化对亚洲乃至全球气候异常的重要作用。在回顾上述研究成果的基础上,讨论了进一步研究ENSO与印度洋海盆海温多时间尺度变率影响全球气候的前景和重要意义。     

冬季和春季印度洋海温异常年际变率模态对中国东部夏季降水的可能影响过程

印度洋热力状况是影响全球气候变化和亚洲季风变异的一个重要的因素,但以往研究更多关注热带印度洋海温的变化,对南印度洋中高纬地区海温变化关注不够,由此限制了我们对印度洋的全面认识.本文研究了年际尺度上整个印度洋海温异常主导模态的特征及其对我国东部地区夏季降水的可能影响过程,以期望为气候变异研究及预测提供理论依据.研究结果表明:全印度洋海温异常年际变率的主导模态特征是在南印度洋副热带地区海温异常呈现西南—东北反向变化的偶极子模态,西极子位于马达加斯加以东南洋面,东极子位于澳大利亚以西洋面;同时,热带印度洋海温异常与东极子一致.当西极子为正的海温异常,东极子、热带印度洋为负异常时定义为正的印度洋海温异常年际变率模态;反之,则为负的印度洋海温异常年际变率模态.从冬至春,印度洋海温异常年际变率模态具有较好的季节持续性;与我国长江中游地区夏季降水显著负相关,而与我国华南地区夏季降水显著正相关.其可能的影响过程为:对于正的冬、春季印度洋海温异常年际变率模态事件,印度洋地区异常纬向风的经向大气遥相关使得热带印度洋盛行西风异常,导致春、夏季海洋性大陆对流减弱,使夏季西太平洋副热带高压强度偏弱、位置偏东偏北,造成华南地区夏季降水增多,长江中游地区降水减少;反之亦然.同时,印度洋海温异常年际变率模态可通过改变印度洋和孟加拉湾向长江中游地区的水汽输送而影响其夏季降水.     

BCC大气环流模式对亚澳季风年际变率主导模态的模拟

利用观测海温驱动下的北京气候中心大气环流模式(BCC-AGCM)1979-2000年的模拟数据,从亚澳季风(A-AM)年际变率的角度,对该模式的性能进行了分析.通过季节依赖的EOF分析方法(SEOF)得到观测第1模态,与ENSO从暖位相向冷位相的转变相联系,并伴随东南印度洋和西北太平洋的降水异常随季节变化.该模态具有准2a和4-6a周期的谱峰.分析结果显示,BCC模式可以很好地模拟出第1模态的时间变化特征,及其与ENSO位相的同步关系.但是,模式模拟的降水空间型与观测存在偏差,这主要是由于模式对环流场模拟的偏差造成的,具体表现在西北太平洋(WNP)反气旋和南印度洋(SIO)反气旋的季节锁相模拟偏差.前者与模式模拟的环流场整体偏东有关,后者是由于SIO反气旋的发展和衰亡过程受印度洋局地海气相瓦作用影响,而单独大气模式则无法合理地反映这一过程.另外,模式模拟的第一模态降水空间型在夏季效果较差,原因在于模式模拟的夏季平均降水量存在偏差,尤其是东南印度洋的降水量模拟偏少.进一步分析表明,这可能与对流参数化方案的选择有关.     

中国热带海-气相互作用与ENSO动力学及预测研究进展

国际上针对海洋-大气系统的观测、理论和模拟方面已经开展了广泛而深入的研究,为短期气候预测水平的不断提升奠定了坚实基础,这其中中国学者做出了许多重要贡献。文中简要回顾了中国学者70年来在热带海-气相互作用与ENSO动力学及预测方面的研究进展。其中,热带海-气相互作用部分主要涉及4个方面的内容:热带太平洋气候特征与ENSO现象、热带印度洋海温主要模态及其与太平洋相互作用、热带大西洋海温主要模态及与海盆的相互作用、中高纬度海-气系统对ENSO的影响;ENSO动力学包括7个方面的内容:基本理论的相关研究、ENSO相关的诊断与模拟研究、两类ENSO相关研究、ENSO触发机制相关研究、ENSO与其他现象的相互作用、外部强迫与大气遥相关、气候变化与ENSO响应;ENSO预测主要包括2个方面的内容:动力-统计ENSO预测方法、ENSO预测系统与应用。最后,还讨论了上述相关方面亟待解决的问题。      

Coupled Modes of Rainfall over China and the Pacific Sea Surface Temperature in Boreal Summertime

In this study,monthly NCEP/NCAR reanalysis data and NOAA ERSST as well as observed precipitation data from 160 stations in China were used to investigate coupled modes affecting the rainfall over China and sea surface temperature (SST) in the Pacific during boreal summertime based on singular value decomposition (SVD) method.The SVD analysis revealed three remarkable coupled modes:rainfall over North China associated with an ENSO-like SST pattern (ENSO-NC),rainfall over the Yangtze River valley associated with SST anomalies in the western tropical Pacific (WTP-YRV),and rainfall over the Yellow River loop valley associated with tropical Pacific meridional mode-like SST pattern (TPMM-YRLV).These coupled SVD modes appear robust and closely correlated with the single field.Furthermore,the covariabilities among of the three coupled modes have different characteristics at the decadal time scale.In addition,the possible atmospheric teleconnections of the coupled rainfall and SST modes were discussed.For the ENSO-NC mode,anomalous low-pressure and high-pressure over the Asian continent induces moisture divergence over North China and reduces summer rainfall there.For the WTP-YRV mode,East Asia-Pacific teleconnection induces moisture convergence over the Yangtze River valley and enhances the summer rainfall there.The TPMM SST and the summer rainfall anomalies over the YRVL are linked by a circumglobal,wave-train-like,atmospheric teleconnection.     

夏季索马里越赤道气流垂直结构的年代际变化

基于1950—2010年美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）再分析月平均资料、哈得来中心月平均海温资料,定义夏季索马里越赤道气流（简称SMJ）垂直结构指数VS₁和VS₂,分别表征索马里越赤道气流全区一致、上下反相两种分布型。接着利用合成分析、奇异值分解方法探讨夏季索马里越赤道气流垂直结构的年代际变化,寻找可能影响其变化的环流因子和海温信号,并进一步分析垂直结构与亚洲夏季风活动的年代际关系,主要结论如下：（1）两个指数在年代际尺度上的阶段性变化特征十分显著,VS₁在20世纪80年代中期发生由负转正的年代际变化;VS₂在70年代初和90年代中期分别发生由负转正、由正转负的年代际变化。（2）合成分析表明,VS₁和VS₂的年代际变化与同期大气环流联系紧密,南极涛动可能是影响VS₁年代际变化的一个重要因子。（3）印度洋海温变化可能对夏季索马里越赤道气流两类垂直结构的年代际变化起调控指示作用。VS₁的年代际变化与夏季全印度洋海温增暖的趋势是一致的,VS₂与夏季南印度洋偶极型振荡事件关系显著。（4）高VS₁年代里,印度半岛至中南半岛夏季风偏弱,纬向水汽供应减少,降水偏少,东亚夏季风亦偏弱,使得华北地区纬向和经向水汽输送均偏弱,同时水汽辐合减弱,华北地区偏旱,而在江南地区由于水汽辐合,降水偏多;反之亦然。高VS₂年代,东亚季风区内中国西南、华南地区夏季风减弱,使得经向和纬向水汽输送均偏弱,水汽供应减少,因此华南、西南地区偏旱,日本地区夏季风偏弱,西风水汽输送亦偏弱,降水亦偏少,反之亦然。     

东亚-北太平洋副热带海气耦合模态及其对降水的影响

利用53年的NCEP/NCAR再分析资料和英国气象局Hadley气候预测和研究中心的海表面温度资料,使用SVD方法研究了东亚-北太平洋地区表层海温(SST)异常与大气环流异常间的主要耦合模态.分析结果表明,中纬度北太平洋地区存在两种主要的海-气耦合模态,第一模态是海温异常分布的纬向型,第二模态主要表现为经向海温差异分布.两种空间耦合模态共同反映出中纬度北太平洋地区大气和海洋的异常中心有很强的局地耦合性.在第一模态的正(负)异常年,东亚-北太平洋地区主要为负(正)的降水异常,在第二模态的正(负)异常年,东亚和北太平洋的大部分地区出现降水正(负)异常,北美西岸及以西的部分区域出现降水的负(正)异常.两个模态所对应的降水差异显示,海气耦合模态的循环变化有利于形成我国降水分布南北差异的改变.     

与EAWM相关的海陆气相互作用及亚洲夏季风

基于观测资料分析，本文讨论了与东亚冬季风（EAWM）异常活动相联系的海－陆－气系统的特征，指出它往往是随后亚洲夏季风异常的一个信号。我们分析并确定了一类重要的海气耦合模态，即EAWM。它所包含的海－气双向相互作用，使该模态的SSTA分布得以发展和持续。特别是在西太平洋和南海等关键地区，SSTA异常将从冬季维持到夏季。在强冬季风年，青藏高原积雪冬季在其东部出现负距平区，春季则延伸到高原西北部。SSTA及高原积雪分布，共同构成调制亚洲季风环流的重要因子，它将有助于1）随后南海季风和季风降水的增强；2）梅雨期西太平洋副高偏北，长江流域少雨；3）夏季我国东北和日本多雨；4）阿拉伯海和印度东北多雨，而印度西南部及孟加拉湾少雨。总之，强EAWM及相联的海气相互作用，一定程度上，预示着亚洲夏季风的活动特征。     

1998年长江流域洪水与海温异常关系的数值模拟研究

用IAP／LASG GOALS模式对1998年长江流域洪水与太平洋和印度洋海表温度异常之间的关系进行了数值模拟研究。利用观测的全年海表温度，模式能再现1998年夏季长江流域的暴雨，模式也能再现观测的1998年夏季西太平洋副高异常的基本特征。设计了一系列不同海区和不同时段的海温异常的敏感性试验。试验结果表明：印度洋海温异常是造成1998年长江流域洪水的主要因子；印度洋和西太平洋海温异常与西太副高的异常有更紧密的关系；夏季海表温度异常对1998年长江流域暴雨和西太副高异常的作用与冬春海温异常的作用相比要大得多。     

海温异常对东亚夏季风影响机理的研究进展

从短期气候预测关注的外强迫信号角度出发,回顾了国内外在海温异常对东亚夏季风和我国汛期降水影响机理方面的主要研究进展,重点评述了热带太平洋ENSO循环、热带印度洋全区一致型海温模态、热带印度洋海温异常偶极子、南印度洋偶极子和北大西洋海温三极子模态的年际变化及其对东亚夏季风年际变率的影响。从研究成果在短期气候预测业务中应用的角度,重点关注海温异常和东亚夏季风年际变率以及我国汛期降水多雨带位置的关系,总结了海温异常作为外强迫信号对我国汛期降水预测的指示意义以及汛期降水预测的难度。最后指出气候预测业务对东亚夏季风影响的机理研究和动力气候模式发展方面的需求。     

影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区及机制初探

利用1958—2011年NCEP/ NCAR再分析资料和ERSST资料,采用Lanczos时间滤波器、相关分析、回归分析、合成分析和交叉检验等方法,研究了影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区海温异常的来源与可能机制。结果表明,前冬(12—2月)热带西南印度洋和热带西北太平洋是影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区。冬季热带西南印度洋(热带西北太平洋)的异常增暖是由前一年夏季El Ni?o早爆发(强印度季风异常驱动的行星尺度东-西向环流)触发、热带印度洋(西北太平洋)局地海气正反馈过程引起并维持到春季。冬季热带西北太平洋反气旋性环流(气旋性环流)及印度洋(热带西北太平洋)的暖海区局地海气相互作用使得印度洋(热带西北太平洋)海温异常维持到春末。春季,逐渐加强北移到10 °N附近的低层大气对北印度洋(热带西北太平洋)暖海温异常响应的东风急流(异常西风)及南海-热带西北太平洋维持的反气旋性环流(气旋性环流)异常,使得南海夏季风晚(早)爆发。      

印度洋海温异常与中国气温异常的可能联系

利用NCEP/NCAR 50 a冬季再分析资料、英国气象局全球海温资料、中国气象局整编的160站气温资料,采用EOF、合成、奇异值分解等方法讨论了印度洋海温异常对东亚冬季大气环流及气温的影响.结果表明,印度洋海温异常,引起了大气环流的异常,影响了东亚冬季风的强度.当印度洋海温一致变化时,中国温度变化也呈一致;当印度洋海温距平偶极振荡时,中国东、西部的冬季气温也出现偶极变化的现象;印度洋海温偶极振荡正位相年时,东亚冬季风偏弱,中国东北部气温偏高.     

热带太平洋-印度洋海表温度变化及其对西南地区东部夏季旱涝的影响

利用1959—2006 年西南地区东部20 个测站逐日降水量资料和NCEP/NCAR 再分析月平均资料,分析了热带太平洋-印度洋海表温度异常特征及其对西南地区东部夏季降水(旱涝)的影响,结果表明:前期赤道东太平洋海表温度偏高,西南地区东部夏季降水偏多的可能性大;当前期春季印度洋海表温度偏高时,西南地区东部夏季降水可能偏多。太平洋区的海表温度距平(SSTA)分布呈“V”字型特征,赤道中东太平洋及南、北美西部沿海的SSTA 与赤道西太平洋、南北太平洋的SSTA 呈反相关分布,与西太平洋的亚洲大陆东部沿海的SSTA 呈正相关,赤道印度洋及南印度洋的大部分地区的SSTA 与赤道中、东太平洋的SSTA 变化是一致的。当春季赤道中东太平洋及印度洋海表温度(SST)偏高(偏低)时,夏季南亚高压位置偏南(偏北),强度偏强(偏弱),面积偏大(偏小),同时西太平洋副高强度偏强(偏弱),面积偏大(偏小),位置偏南(偏北),西伸(东退)明显,东亚夏季风和南亚夏季风偏弱(偏强),我国华北及华南地区盛行下沉(上升)运动,而整个长江流域及青藏高原东部盛行上升(下沉)运动,西南地区东部也盛行弱的上升(下沉)运动,这有利于西南地区东部降水偏多(偏少),出现洪涝(干旱)的可能性大。