Effects of air-sea coupling on the eastward propagating boreal winter intraseasonal oscillation over the tropical Indian Ocean

本文通过分析比较SINTEX-F海气耦合模式两组试验(一组是热带海洋大气和海洋完全耦合,一组是除了印度洋外,其它海洋有海气耦合)模拟结果,研究冬季印度洋海气耦合对季节内振荡(MJO)向东传播的影响。当冬季印度洋有海气耦合时,海温异常的非对称分布会加强沿着5°S-10°S纬带上的向东传播的MJO。当暖的海温总是出现在对流的东侧时,其会导致边界层异常辐合,使得水汽增加,有利于对流向东传播。另外,冬季印度洋海温的年际变化可以调制海气耦合对东传MJO的影响效果,负(正)印度洋偶极子年和正(负)印度洋海盆年海气耦合对MJO起了增强(减弱)的作用。这主要是印度洋海温的年际变化可以导致背景风场的变化,通过风-海温-蒸发反馈机制,增加或减少水汽的纬向非对称性,进而增强或减弱MJO的向东传播。     

秋季热带印度洋偶极子年际振荡对长江上游径流量多寡的影响分析

利用年际增量、小波分析和回归分析等方法深入分析了秋季热带印度洋偶极子(Tropical Indian Ocean Dipole,TIOD)年际振荡对次年长江上游年径流量的影响特征及其物理机理。结果表明,长江上游年径流量和秋季TIOD均具有显著的年际振荡特征,在20世纪80年代以前和90年代之后尤为明显。两者的滞后相关系数为0.42,通过了99.9%的显著性检验,即秋季TIOD较前一年增强(减弱),有利于次年长江上游径流量较前一年偏多(少)。秋季TIOD对次年长江上游年径流量多寡的影响,是通过调制降水,尤其是夏季降水来实现的。当秋季TIOD增强时,赤道印度洋海温呈东西"-+"分布,其中偏暖区延伸至南北纬20°,偏冷区与西太平洋的偏冷区相通。赤道印度洋至西太平洋上空激发出增强的Walker型环流,中心位于印度洋正上方。随着时间的发展,暖性Kelvin波产生并向东传播,印度洋偏暖区以及冷暖海温差异中心东移。至次年夏季,西印度洋暖海温中心移动至东印度洋边缘至南海区域,偏冷海区东退至日界线附近。印度洋上空增强的Walker型环流消失,高层转为偏东气流与105°E附近加强爬升的气流相连。与此同时,105°E以东的Walker环流加强,高层为西风,400 hPa以下为深厚的东风区。高低空环流相互耦合并配合科氏力的影响,赤道以北副热带地区负涡度增强,西太平洋副热带高压偏大偏强,异常反气旋北扩,系统外围的西南气流加强南海和孟湾水汽的输送,使得次年夏季长江上游全流域处于水汽辐合上升区,降水显著偏多,从而影响了长江上游年径流量的多寡。     

印度洋海温异常年际变率模态对中国东部地区夏季降水影响机制的数值试验

利用ECHAM5全球大气环流模式研究了印度洋海温异常年际变率模态从冬至夏的演变对我国东部地区夏季降水影响的机制。观测资料研究表明:对于正的印度洋海温异常年际变率模态,春、夏季热带印度洋和澳大利亚以西洋面(东极子)均为水汽的异常源区,向马达加斯加以东南洋面(西极子)及印度洋邻近大陆提供水汽。夏季,印度洋地区南极涛动、马斯克林高压加强;而印度季风低压和南亚高压均减弱,对应于印度夏季风减弱。夏季印度洋地区正压性的纬向风异常经向遥相关使热带印度洋地区出现西风异常,导致海洋性大陆地区对流活动减弱,而菲律宾海地区对流活动加强,进而导致西太平洋副热带高压偏弱、位置偏东北。对于负的印度洋海温异常年际变率模态,则反之。模式结果基本支持了已有的观测资料诊断结果。     

印度洋冬季风异常海气环流耦合模态分析

本文对印度洋冬季风异常海气环流耦合主要模态做了分析和讨论,得到以下结果:第一模态海面和低空大气环流的异常主要发生在东印度洋海域上空,而上层大洋环流的异常则主要反映了印度洋冬季风环流的异常,并主要体现在西向赤道暖流和东向赤道逆流上。第二模态的大气环流相应异常主要发生在孟加拉湾、阿拉伯海和赤道印度洋上空,而上层大洋环流异常除与第一模态类似外,还包括索马里暖流的明显异常。第一、二模态分别是印度洋冬季风的偏东、偏西模态,也是其主、次模态;均有约4年的年际变化,还分别有约18、22年的年代际变化;该主、次模态分别在1976年及1976、1986年有突变发生;这样印度洋冬季风有约4年的年际变化,并在1976年出现明显突变。该主、次模态的年代际变化周期也是冬季北太平洋海气联合复EOF分解第二、第一模态的年代际变化周期,这反映两大洋之间有密切联系,这是因冬季蒙古西伯利亚高压是南亚、东亚冬季风的共同源头,对两大洋的大气环流异常都有明显影响。南亚冬季风偏强时印度洋的Hadley环流和赤道辐合带上的对流均偏强,反之亦然;且该冬季风的主、次模态都如此;这也反映了南亚冬季风大气环流异常与冬季热带大气环流异常之间的耦合关系。当该主、次模态发生正、负异常变化时,近表层热带印度洋海温异常分别呈现横贯大洋的南北向跷跷板变化以及大洋东、西向的跷跷板变化;但前者是主要的。印度洋冬季风对印度洋偶极子起着抑制作用,这是该偶极子在冬季最弱的原因。在热带印度洋,大气低空垂直运动下沉、上升区域都分别大致位于该大洋近表层的下沉、上升运动区域之上,这构成了海气相互作用的负反馈机制,并有助于南亚冬季风、Hadley环流、赤道辐合带以及印度洋中冬季风环流的维持和稳定。     

热带印度洋夏季水汽输送特征及对南亚季风区降水的影响

利用NCEP/NCAR再分析环流资料、CMAP降水量和NOAA海温资料研究了热带印度洋夏季水汽输送的时空变化特征,并考察其对南亚季风区夏季降水的影响.热带印度洋夏季异常水汽输送第一模态表现为异常水汽从南海向西到达孟加拉湾后分成两支,其中一支继续往西到达印度次大陆和阿拉伯海,对应印度半岛南端和中南半岛的西风水汽输送减弱,导致这些区域降水减少;第二模态表现为异常水汽从赤道东印度洋沿赤道西印度洋、阿拉伯海、印度半岛、中南半岛的反气旋输送,印度和孟加拉湾南部为反气旋异常水汽输送,水汽辐散、降水减少,而印度东北部为气旋性水汽输送,水汽辐合、降水增多.就水汽输送与局地海温的关系而言,水汽输送第一模态与热带印度洋海温整体增暖关系密切,而第二模态与同期印度洋偶极子关系密切.     

热带夏季风场与对流场季节内振荡传播模比较

利用1979-2007年卫星观测日平均OLR资料以及NCEP/DOE第2套再分析资料中的风场资料,采用有限区域波一频分析、合成分析等方法,分析对比对流层高、低层风场与对流场所表征的热带北半球夏季季节内振荡(BSISO)各种传播模态谱分布气候特征及其年际异常。结果表明:各要素反映的BSISO各种模态的气候特征及其年际变化存在一定差异,总体而言对流层低层风(850hPa纬向风或经向风)与对流比较一致。850hPa经向风(纬向风)所反映的纬向(经向)传播BSISO谱分布气候特征与对流情况最相似。在ENSO发展年,850hPa经向风反映的赤道东传波加强趋势与对流较为一致;850hPa纬向风、经向风反映的北传波变化趋势都与对流相似。在ENSO衰减年,850hPa纬向风(经向风)反映的赤道东传波(赤道外西传波)减弱趋势与对流较为一致;对流以及850hPa经向风、200hPa纬向风和200hPa经向风4种要素都能体现南海及周边地区北传波明显减弱这一特征。对流和850hPa纬向风所反映的北传波与印度洋偶极子模态之间关系一致。     

赤道印度洋海温偶极子型振荡及其气候影响

对近百年观测资料的分析表明赤道印度洋海温(SST)确实存在着偶极子型振荡的变化特征,它在9～11月最强,而在1～4月最弱;年际变化(4～5年周期)和年代际变化(主要为20～25年周期)也十分清楚.这个偶极子主要有正位相型(海温西高东低)和负位相型(海温东高西低);一般正位相型的振幅强于负位相型.尽管在极个别年赤道印度洋海温偶极子似乎与太平洋ENSO无关,但总体而论,赤道印度洋海温偶极子与赤道太平洋海温偶极子(类似ENSO)有很好负相关.它们的联系主要是赤道大气纬向(Walker)环流.资料分析表明,赤道印度洋海温偶极子与亚洲南部流场、青藏高压和西太平洋副高都有明显关系,表明它对亚洲季风活动有重要影响.     

西太平洋副高与ENSO的关系及其对福建雨季降水分布的影响

用低阶大气环流谱模式就前期冬春季南海-热带东印度洋(10 oN～15 oS, 90～120 o E) 海温异常对南海夏季风的影响进行了数值试验。结果表明, 当南海-热带东印度洋海温异常偏暖时,其南北两侧大气低层出现异常气旋性环流,高层出现异常反气旋性环流,其东西两侧, 在南海-热带西太平洋大气低层出现强大的异常辐合,高层出现强大的异常辐散;在热带西印度洋大气低层为明显的辐散,高层为明显的辐合,得到了与Gill理论相一致的结论。此时大气低层赤道两侧异常气旋性环流阻挡了赤道索马里越赤道SW气流进入南海, 加强了赤道西风, 并明显减弱了澳大利亚越赤道SW气流,菲律宾以东的异常反气旋性环流加强了西太平洋副热带高压, 使其位置偏南偏西, 同时大气高层印度洋上空的异常东风加强了南亚高压, 从而导致南海夏季风强度减弱, 爆发可能推迟。在南海-热带东印度洋海温异常偏冷时,大气低层赤道两侧异常反气旋性环流减弱了赤道索马里越赤道SW气流, 加强了澳大利亚越赤道SW气流,菲律宾东北部的异常气旋性环流不利于其东侧的副热带高压发展, 同时大气高层印度洋上空的异常西风减弱南亚高压强度,有利于南海夏季风加强, 爆发可能提前。     

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.     

赤道印度洋纬向海温梯度模及其气候影响

赤道印度洋纬向海温差异对气候的影响是有关印度洋地区海气相互作用研究的焦点。作者进一步分析了印度洋纬向海温差异的特征，提出了赤道印度洋纬向海温梯度模的概念，并在此基础上利用中国科学院大气物理研究所的九层大气环流模式模拟研究了赤道印度洋海温梯度变化对气候的影响。分析结果表明赤道印度洋纬向海温梯度的变化及其对气候的影响比较复杂，由于海温梯度分别产生于暖海温或冷海温两种不同的大尺度背景场，因此它对气候的影响不仅与海温梯度的变化有关，还与其产生的大尺度背景场（暖海温或冷海温）有很直接的关系。在太平洋地区海温不变的情况下，由于赤道东西印度洋大范围海温的升高或降低，有可能在整个印度洋和太平洋之间产生一个海温梯度（简称印－太海温梯度），这一海温梯度对亚洲季风区的降水分布和季风活动起着十分重要的作用，而赤道印度洋纬向海温梯度与印－太海温梯度的叠加，不仅加强或减弱了印－太海温梯度引起的大范围大气辐合、辐散，同时也使得辐合及辐散区的位置发生移动，进而影响了小范围地区的气候异常，特别是赤道东印度洋地区的降水分布和风场变化。与赤道印度洋地区纬向海温梯度的作用相比，赤道印度洋偶极子对气候的影响相对比较单纯，引起的降水异常和风场变化主要与海温偶极子的变化有关。     

Effects of air�Csea coupling on the boreal summer intraseasonal oscillations over the tropical Indian Ocean

The effects of air?Csea coupling over the tropical Indian Ocean (TIO) on the eastward- and northward-propagating boreal summer intraseasonal oscillation (BSISO) are investigated by comparing a fully coupled (CTL) and a partially decoupled Indian Ocean (pdIO) experiment using SINTEX-F coupled GCM. Air?Csea coupling over the TIO significantly enhances the intensity of both the eastward and northward propagations of the BSISO. The maximum spectrum differences of the northward- (eastward-) propagating BSISO between the CTL and pdIO reach 30% (25%) of their respective climatological values. The enhanced eastward (northward) propagation is related to the zonal (meridional) asymmetry of sea surface temperature anomaly (SSTA). A positive SSTA appears to the east (north) of the BSISO convection, which may positively feed back to the BSISO convection. In addition, air?Csea coupling may enhance the northward propagation through the changes of the mean vertical wind shear and low-level specific humidity. The interannual variations of the TIO regulate the air?Csea interaction effect. Air?Csea coupling enhances (reduces) the eastward-propagating spectrum during the negative Indian Ocean dipole (IOD) mode, positive Indian Ocean basin (IOB) mode and normal years (during positive IOD and negative IOB years). Such phase dependence is attributed to the role of the background mean westerly in affecting the wind-evaporation-SST feedback. A climatological weak westerly in the equatorial Indian Ocean can be readily reversed by anomalous zonal SST gradients during the positive IOD and negative IOB events. Although the SSTA is always positive to the northeast of the BSISO convection for all interannual modes, air?Csea coupling reduces the zonal asymmetry of the low-level specific humidity and thus the eastward propagation spectrum during the positive IOD and negative IOB modes, while strengthening them during the other modes. Air?Csea coupling enhances the northward propagation under all interannual modes due to the persistent westerly monsoon flow over the northern Indian Ocean.     

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。     

印度洋偶极子对大气环流和气候的影响

赤道印度洋SST的分析研究证实了偶极子型振荡的存在，它在9-11月较强而在1-4月较弱。若以海温西高东低为偶极子振荡正位相，以海温东高西低为负位相，则一般是正位相时振荡要强于负位相。印度洋偶极子也存在年际（主要周期为4－5年）和年代际（主要周期为25-30年）变化。分析研究表明，印度洋偶极子对亚洲季风活动有明显影响，因为亚洲地区对流层低层的风场，南亚高压和西太平洋副高强度都与印度洋偶极子有关。另外，印度洋偶极子还对北美和南印度洋（包括澳大利亚和南美）地区的大气环流和气流有影响。     

Interactions between the 30–60 day oscillation,the walker circulation and the convective activities in the tropical western pacific and their relations to the interannual oscillation

In this paper, interactions between the 30-60 day oscillation, the Walker circulation and the convective activities in the tropical western Pacific during the Northern Hemisphere summer are analyzed by using the observed data of wind fields and high-cloud amounts for the period from 1980 to 1989.The analyzed results show that the 30-60 day oscillation (hereafter called LFO) may be largely affected by the convective activities in the tropical western Pacific. The LFO in the tropical western Pacific during the strong convective activities around the Philippines stronger than those during the weak convective activities around the Philippines. Moreover, in the case of strong convective activities around the Philippines, the LFO in the tropical west-ern Pacific and tropical eastern Indian Ocean generally propagates westward, and it is intensified by the LFO with a westward propagating center of maximum oscillation from the east to 140oE. However, in the case of weak convective activities around the Philippines, the LFO gradually becomes stronger with a eastward propagating center of maximum oscillation from the eastern Indian Ocean to the tropical western Pacific.Corresponding to the 30-60 day oscillation, the Walker circulation is also in oscillation over the tropical Pacific and its circulation cell seems to shift gradually westward from the tropical western Pacific to the tropical eastern In-dian Ocean with strong convective activities around the Philippines. This may maintain the intensification of convective activities there. However, during the weak convective activities around the Philippines, the Walker circula-tion gradually moves eastward and an ascending flow may appear in the equatorial central Pacific. This may cause convective activities to be intensified over the equatorial central Pacific.The analyzed results also show that the LFO in the tropical western Pacific and East Asia may be associated with the interannual oscillation of the SST anomaly in the tropical western Pacific.     

夏季南亚高压年际变化及其与ENSO的关系

采用1948～2006年NCEP/NCAR月平均再分析资料, 探讨了夏季南亚高压年际变化及其与ENSO事件的关系, 结果表明: 在ENSO事件暖 (冷) 位相衰减期的夏季, 印度洋和亚洲大陆南侧海温为正 (负) 异常, 对应热带印度洋地区低层为上升 (下沉) 气流而其东侧西太平洋和西侧非洲西部为下沉 (上升) 气流的异常纬向环流, 低层850 hPa上从西太平洋到非洲赤道南北两侧依次各存在一异常反气旋－气旋－反气旋(气旋－反气旋－气旋)环流, 高层200 hPa异常流场的分布与850 hPa基本相反, 使得南亚高压强度发生显著变化, 强度增强 (减弱）、面积扩大 (缩小）、东西向扩展 (收缩）、 脊线北侧气压梯度增大 (减小）、南侧气压梯度减小 (增大)。     

TROPICAL SEA SURFACE TEMPERATURE ANOMALY AND INDIAN SUMMER MONSOON*

The time series of the sea surface temperature(SST) anomaly,covering the eastern (western) equatorial Pacific,central Indian Ocean,Arabian Sea.Bay of Bengal and South China Sea(SCS),have been analyzed by using wavelet transform.Results show that there exists same interdeeadal variability of SST in the tropical Pacific and tropical Indian Ocean,and also show that the last decadal abrupt change occurred in the 1970s.On the interannual time scale,there is a similar interannual variability among the equatorial central Indian Ocean and the adjacent three sea basins(Arabian Sea.Bay of Bengal and South China Sea).but the SST interannual changes of the Indian Ocean lagged 4-5 months behind that of the equatorial central-east Pacific.Meanwhile,the interannual variability and long-range change between SST anomaly and Indian summer monsoon rainfall in recent decades have been explained and analyzed.It indicates that there existed a wet(dry) period in India when the tropical SST was lower(higher)than normal,but there was a lag of phase between them.     

Decadal and interannual variability of the Indian Ocean Dipole

This study investigates the decadal and interannual variability of the Indian Ocean Dipole （IOD）. It is found that the long-term IOD index displays a decadal phase variation. Prior to 1920 negative phase dominates but after 1960 positive phase prevails. Under the warming background of the tropical ocean, a larger warming trend in the western Indian Ocean is responsible for the decadal phase variation of the IOD mode. Due to reduced latent heat loss from the local ocean, the western Indian Ocean warming may be caused by the weakened Indian Ocean westerly summer monsoon. The interannual air-sea coupled IOD mode varies on the background of its decadal variability. During the earlier period （1948-1969）, IOD events are characterized by opposing SST anomaly （SSTA） in the western and eastern Indian Ocean, with a single vertical circulation above the equatorial Indian Ocean. But in the later period （1980-2003）, with positive IOD dominating, most IOD events have a zonal gradient perturbation on a uniform positive SSTA. However, there are three exceptionally strong positive IOD events （1982, 1994, and 1997）, with opposite SSTA in the western and eastern Indian Ocean, accompanied by an El Nifio event. Consequently, two anomalous reversed Walker cells are located separately over the Indian Ocean and western-eastern Pacific; the one over the Indian Ocean is much stronger than that during other positive IOD events.