2002年南海夏季风爆发期间南海北部海气通量分析与比较

利用国际北极浮冰运动观测资料 (IABP)(1979～1998)以及NCEP/NCAR月平均海平面气压再分析资料(1960～2002), 通过求解海冰运动异常的复斜方差矩阵, 研究了冬季北极海冰运动主模态构成及其与海平面气压变化的关系.冬季海冰运动主模态是由两个海冰运动优势模态的一个线性组合构成, 与这两个运动优势模态有直接关系的海平面气压变化主要发生在北极海盆及其边缘海区.尽管北极涛动(北大西洋涛动)通过影响海平面气压进而影响北极海冰运动, 但是, 北极涛动(北大西洋涛动)并不是决定海冰运动主模态的关键性因素.     

冬季北大西洋涛动极端异常变化与东亚冬季风

依据资料分析发现,冬季北大西洋涛动指数与冬季西伯利亚高压范围呈反向变化关系,冬季北大西洋涛动指数异常偏高（低）时期,30～50oN的亚洲大陆中部气压显著偏低（高）,致使冬季西伯利亚高压和东亚冬季风减弱（增强）以及亚洲大陆北部气温显著偏高（低）。冬季西伯利亚高压范围异常变化对北大西洋涛动没有显著的影响,其对北半球海平面气压、850 hPa温度的影响也明显要弱于北大西洋涛动的影响。     

冬季北极涛动对西伯利亚高压、东亚冬季风以及海冰范围的可能影响

利用NCEP／NCAR月平均再分析资料（1958－1997），月平均海表面温度资料（1950－1992）以及月的海冰密集度资料（1953－1995），研究了冬季北极涛动与西伯利亚高压、东亚冬季风以及巴伦支海海冰范围之间的联系。研究结果表明，冬季北极涛动不仅影响北极和北大西洋区域气候变化，并且可能影响冬季西伯利亚高压，进而影响东亚冬季风。当冬季北极涛动处于正位相时，冬季西伯利亚高压和东亚冬季风都偏弱，在西伯利亚南部和东亚沿岸，包括中国东部、韩国和日本，从地表面到对流层中部气温偏高0.5-2℃。当冬季北极涛动处于负位相时，结果正相反。研究结果还表明，冬季西伯利亚高压对北极以及北大西洋区域气候变化没有显的影响，与北极涛动的影响相比，西伯利亚的影响强度和范围明显偏弱。研究进一步揭示了冬季北极涛动可能影响西伯利亚高压的可能机理。冬季西伯利亚高压与动力过程以及从地表面到对流层中部的气温变化有密切的关系。西伯利亚高压的西部变化主要依赖于动力过程，而其东部与气温变化更为密切。冬季西伯利亚高压的维持主要依赖于对流层中的下沉气流，这种下沉气流源于北大西洋区域，其变化受到北极涛动的影响。当冬季北极涛动处于正（负）位相时，气流的下沉运动明显减弱（增强），进而影响冬季西伯利亚高压。此处，冬季北极涛动对同时期的巴伦支海海冰范围有显的影响。     

亚洲冬季地表气温与北半球海平面气压场的关系

利用NCEP资料对1949～1999年间的地表气温进行经验正交函数分解(EOF),得到的前两个模态均表明,20世纪70年代中期以后,在两个模态迭加的情况下,亚洲大部分区域冬季气温升高,增暖明显,发生了显著的年代际变化.奇异值分解(SVD)冬季亚洲地表气温和北半球海平面气压场得到的结果说明,北极涛动对亚洲冬季气温的年代际变化有显著影响,其次北太平洋海平面气压与陆地海平面气压的反相分布可能对亚洲冬季气温的年际变化有影响.     

冬季北极涛动和华北冬季气温变化关系研究

利用北极涛动指数（AOI）、NCEP／NCAR40a再分析资料中的海平面气压（SLP）、850、500、200hPa等压面高度场资料及中国160站月平均气温资料，运用小波分析，经验正交函数（EOF）分析等方法，分析了华北冬季气温和冬季北极涛动指数的变化特征及其关系。结果表明它们之间存在有着显著相关，特别是在年代际尺度上关系尤其密切。华北在20世纪70年代初以前为持续冷冬，80年代中期之后变为持续暖冬，其间相对正常，而冬季北极涛运指数亦存在类似的3个阶段，冬季北极涛动高（低）低数年，华北地区为暖（冷）冬年。其原因在于，北极涛动在于对流层低层和高层都可激发类似EU遥相关型的异常，通过影响西伯利亚高压和东亚大槽影响华北地区气温。强（弱）涛运年大气环流具有弱（强）东亚冬季风特征，西伯利亚高压减弱（增强），亚洲大陆地面东北风减弱（增强），高空东亚大槽减弱（增强）。     

一个观察北极涛动与北大西洋涛动关系的典型个例

北极涛动与大西洋涛动是否属同一气候变率模态一直是北极涛动动力学研究方面的一个颇具争议的话题。文中通过对"0801南方雪灾"期间及其前后北极涛动与北大西洋涛动异常及产生原因进行个例分析,对两者之间的关系进行了讨论。首先使用交叉子波变换与子波相关方法分析了两者的相位关系。发现在30—60天时间尺度上北极涛动与北大西洋涛动相位相差90°或-90°。而在10 20天这一尺度上北极涛动与北大西洋涛动具有大致相同的相位。对北极涛动及北大西洋涛动形成的动力过程及其在拉尼娜背景下各自特点的分析表明,这种不同尺度上位相关系的差异来自于波-流相互作用动力学的局域性。众所周知,北极涛动的3个活动中心的形成与分别位于北大西洋、北太平洋和北极平流层的3个波流相互作用中心有关。而北大西洋涛动则主要与位于北大西洋的波-流相互作用中心有关。拉尼娜事件的出现通过影响太平洋急流及行星尺度的准定常波从而进一步强化了30-60天时间尺度上北极涛动与北大西洋涛动的这种差异。这主要是因为太平洋急流或准定常行星波在对流层中直接影响了位于该区域的北极涛动的活动中心。同时准定常行星波冬季向上传播至平流层并与平流层极涡相互作用从而也影响了北极涛动在北极的活动中心。而在10—20天时间尺度上的北极涛动与北大西洋涛动同步关系则说明它们都是北极涛动的另一活动中心即大西洋上同一波-流相互作用现象——天气波破碎的反映。基于上述分析.文中倾向于认同将北极涛动和北大西洋涛动区别考虑的观点。     

近45 a冬季北大西洋涛动异常与我国气候的关系

利用1873～1995年的北半球海平面气压月平均资料,定义了北大西洋涛动指数.用近45a资料研究了北大西洋涛动与我国冬、夏季气候变化的关系.指出,北大西洋涛动异常变化与我国冬、夏季天气气候关系密切.强涛动年,冬季我国是偏暖、多雨的气候特征;夏季我国江淮之间地区气温明显偏低.还表明,强涛动年冬季,西太平洋副热带高压强度与西伯利亚高压及高空经向环流都明显偏弱,大气环流具有弱WA遥相关型、弱的东亚冬季风特征,对应的夏季环流特征与强东亚夏季风特征较接近.     

近45a冬季北大西洋涛动异常与我国气候的关系

利用1873－1995年的北半球海平面气压月平均资料，定义了北大西洋涛动指数。用近45a资料研究了北大西洋涛动与我国冬、夏季气候变化的关系。指出，北大西洋涛动异常变化与我国冬、夏季天气气候关系密切。强涛动年，冬季我国是偏暖、多雨的气候特征；夏季我国江淮之间地区气温明显偏低。还表明，强涛动年冬季，西太平洋副热带高压强度与西伯利亚高压及高空经向环流都明显偏弱，大气环流具有弱WA遥相关型、弱的东亚冬季风特征，对应的夏季环流特征与强东亚夏季风特征较接近。     

北极涛动对冬季北京极端低温事件的影响分析

根据1951-2009年冬季北京观象台逐日最高、最低气温资料和NCAR/NcEP逐日海平面气压、500hPa高度再分析资料,分析了冬季北极涛动(Arctic Oscillation,简称AO)对北京极端低温事件的影响.结果表明,近59 a冬季北极涛动指数与北京极端低温事件显著负相关,有56.7%(57%)的冷夜(冷日)...     

冬季北大西洋涛动与中国西南地区降水的不对称关系

利用1951-2010年NCEP/NCAR再分析资料和中国160个站逐月降水资料,探讨了冬季北大西洋涛动(NAO)与同期中国西南地区降水的关系.结果表明,冬季北大西洋涛动与西南地区降水存在显著的正相关关系,并且,正相关具有不对称性,即当冬季北大西洋涛动处于负位相时,东亚地区环流形势不利于中国西南地区降水的形成,对应着中国西南地区冬季降水的显著减少.而当冬季北大西洋涛动处于正位相时,北大西洋涛动与中国西南地区降水的正相关关系并不显著.进一步的分析表明,与中国西南冬季降水变化密切相关的主要环流结构是里海和中东—阿拉伯海—青藏高原及其下游的遥相关型(CAT遥相关型).北大西洋涛动与里海和中东阿拉伯海—青藏高原及其下游的遥相关结构存在不对称关系,两者的关系仅在北大西洋涛动负位相时显著.冬季北大西洋涛动高、低指数年分别合成的波射线和波作用通量的结果表明,当冬季北大西洋涛动为负位相时,冬季地中海地区的扰动源会形成与里海和中东—阿拉伯海—青藏高原及其下游的遥相关路径一致的波射线,同时波作用通量的结果表明,定常波由里海和中东、阿拉伯海一直传播到青藏高原及下游地区,而冬季北大西洋涛动高指数年,地中海地区的扰动源所形成的波射线偏北,波动传播到达印度半岛地区之后不再向下游传播.冬季北大西洋涛动对里海和中东—阿拉伯海—青藏高原及其下游的遥相关波列的不对称影响决定了北大西洋涛动与西南冬季降水的不对称关系.     

Distinct Modes of Winter Arctic Sea Ice Motion and Their Associations with Surface Wind Variability

Using monthly mean sea ice velocity data obtained from the International Arctic Buoy Programme (IABP) for the period of 1979–1998 and the monthly mean NCEP/NCAR re-analysis dataset (1960–2002), we investigated the spatiotemporal evolution of the leading sea ice motion mode (based on a complex correlation matrix constructed of normalized sea ice motion velocity) and their association with sea level pressure (SLP) and the predominant modes of surface wind field variability. The results indicate that the leadi...     

Atmospheric forcing of Fram Strait sea ice export: a closer look

Fram Strait is the primary region of sea ice export from the Arctic and therefore plays an important role in regulating the amount of sea ice and freshwater within the Arctic. We investigate the variability of Fram Strait sea ice motion and the role of atmospheric circulation forcing using daily data during the period 1979–2006. The most prominent atmospheric driver of anomalous sea ice motion across Fram Strait is an east–west dipole pattern of Sea Level Pressure (SLP) anomalies with centers of action located over the Barents Sea and Greenland. This pattern, also observed in synoptic studies, is associated with anomalous meridional winds across Fram Strait and is thus physically consistent with forcing changes in sea ice motion. The association between the SLP dipole pattern and Fram Strait ice motion is maximized at 0-lag, persists year-round, and is strongest on time scales of 10–60 days. The SLP dipole pattern is the second empirical orthogonal function (EOF) of daily SLP anomalies in both winter and summer. When the analysis is repeated with monthly data, only the Barents center of the SLP dipole remains significantly correlated with Fram Strait sea ice motion. However, after removing the leading EOF of monthly SLP variability (e.g., the North Atlantic Oscillation), the full east–west dipole pattern is recovered. No significant SLP forcing of Fram Strait ice motion is found in summer using monthly data, even when the leading EOF is removed. Our results highlight the importance of high frequency atmospheric variability in forcing Fram Strait sea ice motion.     

On the separability of the North Atlantic oscillation and Arctic oscillation

We address the issue of whether the Arctic (AO), and North Atlantic oscillations (NAO) are inseparable, forming an annular mode in the Northern Hemisphere atmospheric circulation. This annular mode is the leading empirical orthogonal function of hemispheric sea level pressure (SLP) data, explaining the largest amount of its variability. We examine whether the NAO and AO are inseparable spatial modes of the atmospheric circulation using rotated principal component analysis (RPCA), a methodology that identifies simple and unique patterns of spatial dataset variability. RPCA of the spring, summer, and autumn SLP fields from 1946-1998 reveal NAO and AO-like patterns, occurring as separate regional teleconnections forming the first and second principal components respectively. The RPCA-based NAO dipole pattern is like that observed in many prior studies, while the AO-like pattern exhibits high SLP variability over the Kara and Laptev seas. During winter however, and in annual analyses, a distinct AO-like pattern is not obtained and the two patterns may be inseparable using commonly accepted RPCA methods. The RPCA-based AO-like mode is significantly linked to north-central Siberian seasonal air temperatures and to the prevailing direction of motion of the underlying Arctic Ocean in summer, suggesting that the non-winter AO-like pattern, as a stand alone teleconnection separate from the NAO, contributes significantly to high-latitude climate and ocean variability. The winter NAO/AO inseparability is discussed as a possible effect of a shared winter storm track between the northeastern Atlantic and the Arctic.     

Mechanism of an Abrupt Decrease in Sea-Ice Cover in the Pacific Sector of the Arctic during the Late 1980s

The recent decline in Arctic sea-ice cover (SIC) shows seasonal and regional characteristics. The retreat of summer sea ice has occurred mainly in the Pacific sector of the Arctic. In this study, using the moving t-test, we found an abrupt change event in the long-term sea-ice area in the Pacific sector in summer 1989. This event was linked to the phase shift of the Arctic Oscillation (AO) or the Northern Annular Mode (NAM). Corresponding with the AO/NAM phase shift from negative to positive, the area of the northern hemisphere stratospheric polar vortex decreased abruptly in winter 1988/89. Comparisons of two periods before (1979–1988) and after (1989–1993) the abrupt decrease in sea ice show that an anomalous winter sea level pressure (SLP) was induced by changes in the polar vortex leading to an anomalous cyclonic ice drift in the Pacific sector. The changes in SLP and wind field persisted into the following spring, resulting in a decrease in SIC and warming of the surface air temperature (SAT). The influence of the spring SLP and SAT on ice persisted into the following summer. Meanwhile, the increased summer net surface heat flux over the ocean and sea ice as a result of the decreased spring ice cover further contributed to the summer sea-ice melt.     

Holocene climate variability as derived from alkenone sea surface temperature and coupled ocean-atmosphere model experiments

Holocene climate modes are identified by the statistical analysis of reconstructed sea surface temperatures (SSTs) from the tropical and North Atlantic regions. The leading mode of Holocene SST variability in the tropical region indicates a rapid warming from the early to mid Holocene followed by a relatively weak warming during the late Holocene. The dominant mode of the North Atlantic region SST captures the transition from relatively warm (cold) conditions in the eastern North Atlantic and the western Mediterranean Sea (the northern Red Sea) to relatively cold (warm) conditions in these regions from the early to late Holocene. This pattern of Holocene SST variability resembles the signature of the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation (AO/NAO). The second mode of both tropical and North Atlantic regions captures a warming towards the mid Holocene and a subsequent cooling. The dominant modes of Holocene SST variability emphasize enhanced variability around 2300 and 1000 years. The leading mode of the coupled tropical-North Atlantic Holocene SST variability shows that an increase of tropical SST is accompanied by a decrease of SST in the eastern North Atlantic. An analogy with the instrumental period as well as the analysis of a long-term integration of a coupled ocean-atmosphere general circulation model suggest that the AO/NAO is one dominant mode of climate variability at millennial time scales.     

北极海冰及其与气象要素年际关系的年代际变化

利用Hadley海冰密集度资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系的年代际变化。结果表明,北极海冰存在显著的年代际变化,且有较强的区域性。东西伯利亚海和波弗特海海冰融冰量的平均值变大且方差增大,格陵兰岛以东洋面海冰融冰量的量值和变率均在减弱。对3个不同气候时段内北极海冰融冰量进行EOF分解,前两个模态均在3个气候时段发生显著的年代际变化,东西伯利亚海海冰融冰量的增加与EOF第一模态年代际变化相关,而EOF第二模态则明显造成了波弗特海海冰的年代际消融。并且,与之相应的大气环流也出现了明显的年代际变化,它们与AO/NAO的年际关系也存在年代际转折,融冰量第二模态与AO的年际关系更为紧密,1960—1990年第二模态与AO的相关系数仅为0.186,而1980—2010年相关系数已升高至0.367。整个北冰洋的海冰融冰量与AO的年际关系也出现了年代际增强,尤其是东西伯利亚地区海冰融冰量与AO的年际关系发生了年代际增强,1980—2010年两者相关达到了0.4以上。而波弗特海融冰量与AO相关系数变化较大,1960—1990年其的相关系数高达-0.488,1980年后却减少至0.161。然而AO却未发生明显的年代际变化。造成北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系发生年代际变化的主要因子之一是波弗特高压,其年代际减弱使得极区向东西伯利亚海和波弗特海的海冰输送减弱,导致这两个区域海冰减少,使得AO与北极海冰的年际关系发生了年代际转折。     

BCC_CSM1.1气候模式年代际试验对北极涛动季节回报能力的初步评估

本文基于国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1自1960—2004年每年起报的年代际预测试验结果,初步评估了该模式对北极涛动（AO）的预报技巧。同时,把该模式年代际预测结果与历史试验模拟比较,分析了气候模式初始化对年代际试验预测季节尺度AO及其年际变化的贡献。结果表明,年代际试验和历史试验均能反映出AO模态是北半球中高纬大气变率第一模态的特征,其中年代际预测试验回报的AO模态与观测的空间相关系数高于历史试验。两组试验基本能再现AO指数冬季最强、夏季最弱的特征。与历史试验相比,年代际预测试验回报月和冬季AO指数与观测的相关系数更高,特别是年代际试验与观测的月AO指数相关系数达到了0.1的显著性水平。年代际试验回报月、春季AO指数的变化周期更接近观测结果。因此,年代际试验中初始状态使用海温资料进行初始化,在一定程度上可以提高AO的回报能力。     

20世纪90年代以来北极海冰减少的热动力分析——基于PIOMAS模式结果

本文利用美国华盛顿大学的PIOMAS海冰模式输出结果,分析了20世纪90年代以来北极海冰减少的动力和热力过程的特征,并探讨了海冰减少与北极大气环流模态之间的关系。结果表明:（1）通过弗拉姆海峡输出的多年冰的厚度自1995年以来有显著减少;（2）海冰的热力过程在20世纪90年代以后特别是21世纪以来是海冰减少的主导因素;（3）大气模态中的北极涛动（AO）和北极偶极子（AD）均对北极海冰的动力输出有影响,各自与海冰输出量的相关关系显著,并且AO和AD的多元线性回归能很好的拟合出海冰输出量的减少。     

北极海冰变化的时间和空间型

利用 4 4a(195 1～ 1994年 )北极海冰密度逐月资料 ,分析提出了一种与北极冰自然季节变化相吻合的分季法 ,并根据这种分季法 ,使用EOF分解 ,揭示了北极各季海冰面积异常的特征空间型及其对应的时间变化尺度。结果表明 :(1)北极冰面积异常变化的关键区 ,冬季 (2～ 4月 )主要位于北大西洋一侧的格陵兰海、巴伦支海和戴维斯海峡以及北太平洋一侧的鄂霍次克海和白令海 ,夏季 (8～ 10月 )则主要限于从喀拉海、东西伯利亚海、楚科奇海到波佛特海的纬向带状区域内 ,格陵兰海和巴伦支海是北极海冰面积异常变化的最重要区域 ;(2 )春 (5～ 7月 )、秋 (11月～次年 1月 )季各主要海区海冰面积异常基本呈同相变化 ,夏季东西伯利亚海、楚科奇海、波佛特海一带海冰面积异常和喀拉海呈反相变化 ,而冬季巴伦支海、格陵兰海海冰面积异常和戴维斯海峡、拉布拉多海、白令海、鄂霍次克海的海冰变化呈反相变化 ;(3)北极冰总面积过去 4 4a来确实经历了一种趋势性的减少 ,并且叠加在这种趋势变化之上的是年代尺度变化 ,其中春季 (5～ 7月 )海冰面积异常变化对年平均北极冰总面积异常变化作出了主要贡献 ;(4)位于北太平洋一侧极冰面积异常型基本具有半年的持续性 ,而位于北大西洋一侧极冰面积异常型具有半年至一年的持续性     

Atmospheric bridge on orbital time scales

Large-scale atmospheric patterns are examined on orbital timescales using a climate model which explicitly resolves the atmosphere–ocean–sea ice dynamics. It is shown that, in contrast to boreal summer where the climate mainly follows the local radiative forcing, the boreal winter climate is strongly determined by modulation of circulation modes linked to the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation (AO/NAO) and the Northern/Southern Annular Modes. We find that during a positive phase of the AO/NAO the convection in the tropical Pacific is below normal. The related atmospheric circulation provides an atmospheric bridge for the precessional forcing inducing a non-uniform temperature anomalies with large amplitudes over the continents. We argue that this is important for mechanisms responsible for multi-millennial climate variability and glacial inception.