热带海洋-大气耦合的主模态

依据1948年1月～2005年12月NCEP的海表温度(SST)和大气再分析的月平均资料,利用MCA方法,首次确定了代表全球热带海洋-大气相互作用的最主要信号的热带海洋-大气耦合主模态,该主模态随时间的变化与热带太平洋埃尔尼诺-南方涛动(ENSO)模态非常一致,揭示了该主模态包含以下海洋-大气相互作用物理过程:秋季印度尼西亚海洋-大陆区上空850 hPa出现异常的纬向风辐散和经向风辐合导致赤道东、中太平洋海温正异常,热带印度洋海温则出现东冷-西暖的—"偶极子"型异常;冬季热带太平洋出现典型的ENSO盛期对应的海洋-大气耦合型,在南海和热带远西太平洋出现低空反气旋环流异常,热带印度洋出现海盆一致增暖,而热带大西洋海温异常不明显;冬季热带太平洋和热带印度洋的SST异常可以导致春季赤道中太平洋西风异常,南海冬季风减弱,热带西北太平洋出现更明显的低空反气旋环流异常和赤道东风异常,热带西北大西洋出现西南风异常;该模态对夏季大气环流的影响主要表现为热带印度洋海盆一致模态对东亚季风的影响。     

基于遥相关的NAO位相转换影响机理研究分析

利用NCEP-NCAR再分析位势高度、风矢量、海表面热通量数据,HadSST1再分析海温资料、CPC逐月北大西洋涛动(NAO)指数等,通过滞后回归分析了北大西洋海温异常对NAO的影响。结果显示,夏秋季北大西洋马蹄型海温通过海洋-大气相互作用导致冬季大气呈现NAO型气压场特征;与此同时,秋季大气场表现出反位相的NAO型环流形势突变,ECHAM4大气环流模型数值试验和观测资料统计分析均发现:热带大西洋海温异常(对流异常)可激发向中高纬度传播的遥相关波列,且具有秋季锁相的特征。马蹄型海温对大气的局地强迫联合热带大西洋异常海温的遥相关作用使得秋季NAO完成一次正负位相转换。     

2016与1998年春季北大西洋海表温度异常的差异及成因

利用再分析资料以及混合层海温诊断方程, 研究1997—1998与2015—2016年超级厄尔尼诺次年北大西洋海表温度异常(sea surface temperature anomalies, SSTA)的差异及成因。结果显示, 北大西洋SSTA在1998年春季呈明显正负正三极型式分布, 而在2016年呈弱的负正负型态。诊断热带北大西洋SSTA的影响因素表明, 1998年春季暖SSTA除了之前研究强调的海洋表面向大气的潜热输送异常减少, 以及吸收太阳辐射的增加外, 海洋动力过程即Ekman纬向漂流也起着重要的作用。热力过程与厄尔尼诺峰值后出现的北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)负位相有关, 其可引起亚速尔高压减弱, 产生西南风异常, 通过风-蒸发-海表温度(sea surface temperature, SST)反馈机制使热带北大西洋蒸发减弱, 海表增暖, 沃克环流下沉支的东移对这一增暖也有贡献。与1997—1998厄尔尼诺事件不同, 2015—2016厄尔尼诺事件没有强迫出负位相NAO, 而是出现弱NAO正位相, 热带北大西洋为弱的东风异常, 使海表发生一定的冷却, 形成2016春季北大西洋SSTA与1998年的明显差异。     

风应力桥梁作用下热带太平洋和热带印度洋相互作用的数值试验

利用中等复杂程度全球热带大气和热带海洋模式的数值试验,模拟分析了热带太平洋和热带印度洋通过风应力桥梁的相互作用过程.利用NCEP再分析的1958～1998年SST强迫大气模式得到的风应力与NCEP再分析的同期热通量共同驱动海洋模式,作为控制试验;和控制试验平行,但强迫大气模式的SST在某一海盆取为多年气候平均值的试验作为敏感性试验.比较控制试验与敏感性试验模拟的SST变率,揭示了热带某海盆SST异常通过风应力桥梁作用对其他海盆SST的影响及其过程.数值试验结果表明:热带某海盆SST暖(冷)异常一般总是引起该海盆上空西部西(东)风异常和东部东(西)风异常;热带太平洋SST暖(冷)异常导致年际尺度上印度洋上空东(西)风异常和年代际尺度上热带印度洋风场辐散(合),该风应力导致热带印度洋年际SST暖(冷)异常以及年代际SST冷(暖)异常,但这种异常均较弱;热带印度洋SST暖(冷)异常导致热带太平洋上空东(西)风异常,该风应力异常在年际和年代际尺度上均导致热带太平洋SST冷(暖)异常,但年代际尺度上异常更明显.考虑到热带印度洋SSTA受热带太平洋SSTA影响大,并且热带太平洋SST暖(冷)异常主要通过表面热通量导致热带印度洋SST变暖(冷)的观测事实,文中揭示的热带印度洋SST暖(冷)异常通过风应力桥梁作用导致热带太平洋SST冷(暖)异常的结果表明,热带印度洋SSTA对于热带太平洋SSTA主要起着一种负反馈作用,并且这种负反馈作用在年代际尺度上更为明显.     

印度洋-太平洋海表温度年际变化的联合模态

利用1870～2004年的HadiSST的月平均海表面温度(SST)资料,对去除了全球增暖趋势的印度洋-太平洋海表温度异常(SSTA)作季节经验正交函数(Season-reliant Empirical Orthogonal Function, S-EOF)分解,得到了印度洋-太平洋海表温度年际变化的2个联合模态,并且分析了与之相对应的大气环流特征.结果表明:低频的厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)是控制印度洋-太平洋的主导模态,能使赤道印度洋维持一异常反气旋性环流,削弱印度洋夏季风的作用并且将东印度洋暖池的暖水输送到西印度洋,印度洋SSTA在一年四季中都出现全海盆同号变化,因此,第一主模态是ENSO的低频模与印度洋海盆一致模的联合模态;第二模态表现为太平洋上准2 a的ENSO位相转换模与印度洋偶极子模的联合模态,ENSO的位相转换发生于春季,与季风的异常转换有关,印度洋上出现异常的气旋性环流,叠加在印度洋夏季风上,增大东西印度洋的温差,在秋季出现西低东高的偶极子型海温分布,印度洋夏季风和这个模态的产生发展有很大的联系.     

ENSO事件次表层海温的两个模态及其对大气环流的影响

利用SODA海洋同化资料和NCEP再分析大气资料,分析了热带太平洋次表层海温异常(subsurfaceoceantemperatureanomaly,SOTA)与厄尔尼诺与南方涛动(ElNi?o-SouthernOscillation,ENSO)循环的联系,及SOTA对大气环流的影响。回顾传统ENSO研究,指出存在的问题,提出了ENSO影响大气研究的新思路,得到以下结果:(1)以SOTA为基本资料的研究发现, ENSO事件有两个模态,主要出现在冬季的第一模态对冬季及夏季亚洲-北太平洋-北美地区上空中高纬大气环流有重要影响,主要出现在夏季的第二模态对该地区上空夏季热带和副热带大气系统有重要作用。(2)ENSO事件通过与ENSO相联系的热带太平洋海面温度异常(ENSO-relatedseasurface temperatureanomaly,RSSTA)对大气的异常热通量输送,强迫Walker环流和Hadley环流变化,导致热带和北太平洋及周边地区上空大气环流异常,进而影响相关地区冬季和夏季的气候。(3)海表面温度异常(seasurfacetemperatureanomaly,SSTA)包含RSSTA和大气异常导致的海温变化(sea temperature anomaly caused by atmospheric anomaly, STA)两部分, RSSTA是ENSO事件过程中海洋内部热动力结构调整导致的海面温度变化,在海洋对大气的热输送过程中,它随ENSO事件演变不断更新;STA是大气受RSSTA海洋异常加热后导致的大气环流异常对海面温度的影响,在海洋浅表层STA对RSSTA有重大影响。本文最后讨论了ENSO事件期间热带海洋对大气热输送过程,指出ENSO事件通过海洋内部热动力结构调整产生RSSTA,它直接对大气异常加热,导致大气环流和气候异常,局地海气之间负反馈过程产生STA,反过来抑制RSSTA。结果还指出,人们常用的SSTA变率实际上主要由秋冬季节RSSTA主导,丢失了春夏季ENSO信息,用SSTA研究ENSO事件存在局限性,这也可能是ENSO事件春季预报障碍的原因之一。     

副热带东北太平洋海表温度异常的传递及与ENSO的联系

厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)现象是地球气候系统中最主要的年际变化信号之一,对其形成机制和预报的研究具有重要的理论和现实意义。本文基于ERSST v4海表面温度资料与NCEP/NCAR Reanalysis大气再分析资料,通过回归分析与合成分析等方法,研究了副热带东北太平洋海区海表面温度(sea surface temperature, SST)异常信号的传递机制及其与ENSO现象的联系。诊断结果表明,副热带东北太平洋SST异常与ENSO指数有很好的正相关关系。副热带东北太平洋SST异常的暖信号超前于ENSO指数约半年时间,通过风-蒸发-海温的反馈机制,沿东北-西南方向向赤道中太平洋缓慢传递。更进一步的数值实验显示,副热带东北太平洋的正SST异常信号的确可以影响大气环流场,使其西南方向的海面风速减弱,蒸发潜热通量减少,从而使信号向西南方向传递。     

秋季巴伦支海海温异常对冬季我国渤海冰情的可能影响

本文利用美国NCEP/NCAR逐月的再分析资料、HadISST海温、中国160台站气温和反映渤海冰情轻重的渤海冰情等级资料,研究了前秋巴伦支海海温异常对后期渤海冰情和东亚冬季风的影响,并对相关的物理过程进行分析。结果表明,前秋巴伦支海关键区海温与该区域海冰密集度呈显著的负相关,且具有较好的持续性,通过调节随后冬季向大气释放的热通量,引起后期环流变化。偏高(偏低)年冬季亚洲纬向环流偏弱(偏强),东亚大槽加深(减弱),东亚冬季风加强(减弱),我国东北、华北及西北地区地区显著偏冷(偏暖),这与冬季渤海海冰异常的强度和范围都偏大(小)及与之相联系的环流异常相一致。进一步的分析揭示了联系上游关键区海温变化与后期东亚地区气候异常的重要途径,前秋巴伦支海海温偏高会导致200 hPa高度场形成一个自西向东的波列形式,在东亚局地Hadley环流异常的作用下,加强了我国北方地区地表的北风异常。因此,前秋巴伦支海海温异常可以作为冬季渤海冰情的预报因子。     

热带太平洋与热带大西洋海表温度主模态的相互作用

根据英国Hadley气候中心的海表温度资料和美国NCEP/NCAR中心的大气资料,研究了热带太平洋与热带大西洋海表温度主模态的相互作用。热带太平洋的ENSO可以导致大西洋Nino模态或经向偶极子模态,这主要是通过热带海洋-大气相互作用,或大气的太平洋-北美遥相关过程实现的。大西洋Nino模态的暖(冷)位相会导致赤道中东太平洋的海表温度降低(升高)。这可能是通过两种途径完成的:一种可能是大西洋Nino使印度洋增暖(变冷),进而引起赤道中太平洋的东(西)风异常,通过海洋-大气相互作用正反馈机制能发展成为La Nina(El Nino),使赤道东太平洋海温降低(升高);另一种可能是大西洋Nino直接可以导致太平洋Walker环流增强(减弱),从而使赤道东太平洋海温降低(升高)。     

西太平洋副热带高压与海表温度的关系

利用超前滞后相关分析研究了西太平洋副热带高压与海表面温度异常的关系。选取各关键海区分析海温与西太副高在不同时段上的超前滞后相关, 结果表明，冬季东太平洋海温与滞后其2—3个月的副高异常达最大正相关，热带印度洋海温异常与冬季同期副高异常的正相关最显著；西太平洋海温在冬春季与同期的副高负相关最显著；北太平洋海温在冬春季滞后副高1—2个月时存在负相关，大西洋暖池区6月与西太副高的同期正相关最大；对南太平洋来说，冬季的西太副高与从前秋到春季的SST都存在最大负相关。海表温度的异常主要解释冬春季的西太副高异常，而对于夏秋季副热带高压，SST的作用比较有限     

北半球热带中太平洋与印度洋海表温度梯度对夏季西北太平洋热带气旋生成频数变化的影响

基于1951—2018年哈德里中心海温资料、美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心再分析资料和第四代欧洲中心汉堡模式, 针对1994年、2018年等西北太平洋热带气旋(TC)生成异常多的年份, 研究了引起TC增加的海表温度异常(SSTA)模态及其影响机制。结果表明, 北半球热带中太平洋增暖与印度洋变冷是夏季西北太平洋TC生成频数增加的主要原因, 北大西洋负三极型式SSTA促使TC生成的进一步增加。热带中太平洋增暖与印度洋冷却在菲律宾以东激发出西风异常和气旋性环流异常。北大西洋负三极型式SSTA在我国南海、菲律宾至东南沿岸激发出气旋性环流异常。前者在西北太平洋中部, 后者在南海产生有利于TC生成的局地环境。1994年和2018年夏季热带中太平洋出现暖SSTA、印度洋为冷SSTA、北大西洋呈现负三极型式SSTA, 西北太平洋TC生成频数极端增多。近30年来, 当出现热带中太平洋增暖和印度洋冷却时, 北大西洋表现出比1989年以前更强的负三极型式SSTA, 使西北太平洋TC生成频数和北半球热带印度洋-太平洋SSTA梯度的线性相关更显著。     

热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响

本文利用1950-2015年间Hadley环流中心海冰和海温资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了热带太平洋海温异常对北极海冰的可能影响,并从大气环流和净表面热通量两个角度探讨了可能的物理机制。结果表明,在ENSO事件发展年的夏、秋季节,EP型与CP型El Niño事件与北极海冰异常的联系无明显信号。而La Niña事件期间北极海冰出现显著异常,并且EP型与CP型La Niña之间存在明显差异。EP型La Niña发生时,北极地区巴伦支海、喀拉海关键区海冰异常减少,CP型La Niña事件则对应着东西伯利亚海、楚科奇海地区海冰异常增加。在EP型La Niña发展年的夏、秋季节,热带太平洋海温异常通过遥相关波列,使得巴伦支海、喀拉海海平面气压为负异常并与中纬度气压正异常共同构成类似AO正位相的结构,形成的风场异常有利于北大西洋暖水的输入,同时造成暖平流,偏高的水汽含量进一步加强了净表面热通量收入,使得巴伦支海、喀拉海海冰异常减少。而在CP型La Niña发展年的夏季,东西伯利亚海、楚科奇海关键区受其东侧气旋式环流的影响,以异常北风分量占主导,将海冰从极点附近由北向南输送到关键区,海冰异常增加,而净表面热通量的作用较小。     

Link between anomalously cold winters in Russia and sea-ice decline in the Barents Sea

There were several anomalously cold winter weather regimes in Russia in the early 21st century. These regimes were usually associated with a blocking anticyclone south of the Barents Sea. Numerical simulations with an atmospheric general circulation model (AGCM) using prescribed sea-ice concentration (SIC) data for different periods during the last 50 years showed that a rapid sea-ice area decline in the Barents Sea in the last decade could bring about the formation of such a blocking anticyclone and cooling over northern Eurasia. The SIC reduction in the former period, from the second half of the 1960s to the first half of the 1990s, results in a weaker response of opposite sign. This suggests a nonlinear atmospheric circulation response to the SIC reduction in the Barents Sea, which has been previously found in the idealized AGCM simulations. An impact of the Barents Sea SIC reduction on the North Atlantic Oscillation (NAO), in particular, on the formation of the anomalously low NAO index, is found. The results indicate an important role that the Barents Sea, a region with the largest variability of the ocean–atmosphere heat exchange in the Arctic in wintertime, plays in generating anomalous weather regimes in Russia.     

热带太平洋-南海-印度洋海面风与海面温度年际变化整体耦合的主模态

利用COADS资料和相关分析、经验正交函数分解、奇异值分解和小波分析等方法对热带太平洋-南海-印度洋的海表面温度(SST)及海面风场(SSW)进行了研究，确定了热带太平洋、南海以及印度洋作为1个整体时海面风场及海面温度场相互作用的主模态。在把热带太平洋、南海和印度洋作为整体的情况下，研究了该模态的时空分布特征。各种方法研究均表明，该模态在热带太平洋上为ENSO模态；在热带印度洋上为对应于ENSO态的印度洋“单极型”模态；在南海则表现为整个海盆尺度上的一致型。     

Influence of long-term regional and large-scale atmospheric circulation on the Baltic sea level

The connection between variations in the North Atlantic Oscillation (NAO) index and the Baltic sea level has been investigated for the period 1825–1997. The association between the NAO and the strength of the zonal geostrophic wind stress over the Northwest Atlantic suggests an NAO impact on Baltic sea level variations, because the monthly mean sea level mainly is determined by externally driven variations caused by wind conditions over the North Sea. Several period bands were found to have high correlation between oscillations in the winter (JFM) NAO index and the Baltic Sea winter mean sea level. The correlation was, however, higher in the 20th century than in the 19th. During the last two decades, the correlation between the NAO index and the sea level has been exceptionally high. The winter mean of a regional atmospheric circulation index had a correlation with the Kattegat winter mean sea level of 0.93. With the Baltic sea level the correlation was 0.91, compared with the NAO index correlation for the same period of 0.74. The regional index also showed a high correlation with the mean summer and mean autumn sea levels, when the corresponding seasonal NAO indices showed a weak connection. The temporal variation of the connection with the NAO index implies a regional atmospheric circulation occasionally differing from the large-scale circulation associated with the NAO. Seasonal means of the sea level in Stockholm do, however, reflect the regional wind climate to a large extent, and the Baltic sea level is a useful proxy for identifications of climatic dependencies in the region.     

极地低压对费拉姆海峡大西洋入流水天气尺度变化的影响

The Atlantic inflow in the Fram Strait(78°50′N) has synoptic scale variability based on an array of moorings over the period of 1998–2010. The synoptic scale variability of Atlantic inflow, whose significant cycle is 3–16 d, occurs mainly in winter and spring(from January to April) and is related with polar lows in the Barents Sea. On the synoptic scale, the enhancement(weakening) of Atlantic inflow in the Fram Strait is accompanied by less(more)polar lows in the Barents Sea. Wind stress curl induced by polar lows in the Barents Sea causes Ekman-transport,leads to decrease of sea surface height in the Barents Sea, due to geostrophic adjustment, further induces a cyclonic circulation anomaly around the Barents Sea, and causes the weakening of the Atlantic inflow in the Fram Strait. Our results highlight the importance of polar lows in forcing the Atlantic inflow in the Fram Strait and can help us to further understand the effect of Atlantic warm water on the change of the Arctic Ocean.     

Autumn atmospheric preconditioning for interannual variability of wintertime sea-ice in the Okhotsk Sea

Relations in year-to-year variability between wintertime Sea-Ice Concentrations (SICs) in the Okhotsk Sea and atmospheric anomalies consisting of zonal and meridional 1000-hPa wind speeds and 850-hPa air temperatures are studied using a singular value decomposition analysis. It is revealed that the late autumn (October–November) atmospheric conditions strongly influence sea-ice variability from the same season (late autumn) through late winter (February—March), in which sea-ice extent is at its maximum. The autumn atmospheric conditions for the positive sea-ice anomalies exhibit cold air temperature anomalies over the Okhotsk Sea and wind anomalies blowing into the Okhotsk Sea from Siberia. These atmospheric conditions yield anomalous ocean-to-atmosphere heat fluxes and cold sea surface temperature anomalies in the Okhotsk Sea. Hence, these results suggest that the atmospheric conditions affect the sea-ice through heat anomalies stored in sea-ice and oceanic fields. The late autumn atmosphere conditions are related to large 700-hPa geopotential height anomalies over the Bering Sea and northern Eurasia, which are related to a stationary Rossby wave propagation over the North Pacific and that from the North Atlantic to Eurasia, respectively. In addition, the late autumn atmospheric preconditioning also plays an important role in the decreasing trend in the Okhotsk sea-ice extent observed from 1980 to the mid-1990s. Based on the lagged sea-ice response to the late autumn atmosphere, a simple seasonal prediction scheme is proposed for the February–March sea-ice extent using four-month leading atmospheric conditions. This scheme explains 45% of the variance of the Okhotsk sea-ice extent.