中国降水的年代际变化及全球变暖、太平洋年代际振荡、大西洋多年代际振荡对其的相对贡献

虽然中国降水以年际变化为主,但可利用奇异谱分析辨析出10—20 a、20—50 a 年代际变化的显著性区域以及>50 a 的长期趋势的显著性区域。本研究通过奇异值分解、多元线性回归等方法探究了1934—2018年不同海洋模态对6—8月（夏季）和12月—翌年2月（冬季）中国陆地降水趋势以及年代际振荡的相对贡献。通过对中国降水及中低纬度地区海温进行奇异值分解发现,不论冬夏,影响中国降水的主要模态是全球变暖,其次是太平洋年代际振荡。利用多元线性回归模型定量评估全球变暖、太平洋年代际振荡、大西洋多年代际振荡对中国不同区域降水的方差贡献及各因子的相对贡献,结果表明:夏季,三者可以解释西北和华北大约30%的年代际降水,其中全球变暖的相对贡献最大、太平洋年代际振荡次之;冬季,三者可以解释东北42%、西北和华北30%左右的年代际降水,东北和西北以全球变暖的相对贡献为主、大西洋多年代际振荡为辅,华北仍以全球变暖的影响为主、太平洋年代际振荡为辅。      

北大西洋多年代际振荡（AMO）对南海夏季风撤退年代际变率的影响及可能机理

基于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）物理科学实验室（PSL）和科罗拉多大学环境科学研究所（CIRES）重建的NOAA-CIRES 20th再分析数据和国际综合海洋大气数据集（ICOADS）的全球月海表温度数据（ERSST）,并结合数值试验分析了南海夏季风撤退的年代际变率特征及北大西洋多年代际振荡（AMO）对其产生的影响。结果表明,南海夏季风撤退时间具有明显的年代际变率,南海夏季风撤退偏晚（早）年代中国南海及其附近区域上空有显著的气旋性（反气旋性）环流异常,降水偏多（少）。进一步研究发现,AMO与南海夏季风撤退年代际变率呈显著正相关,即AMO为正位相时,南海夏季风撤退偏晚;AMO为负位相时,南海夏季风撤退偏早。北大西洋海温升高（即AMO位于正位相）,从海洋释放更多的热通量到大气,导致北大西洋上空对流层的对流活动明显增强,通过海-气相互作用激发北大西洋上空的波活动异常,进而影响与东北亚关键区域大气环流变化密切相关的中纬度欧亚遥相关波列的形成和传播,引起东北亚关键区的正位势高度异常和明显的下沉运动,并在其对流层低层产生辐散运动,能量伴随着偏北的辐散风气流传播至中国南海及邻近区域辐合上升,进一步加强了南海区域的气旋性环流异常,使得南海夏季风撤退偏晚。AMO负位相时,异常情况与之大致相反,使得南海夏季风撤退偏早。      

北极涛动与北太平洋和北大西洋多年代际振荡的关系研究

利用小波变换和小波互相关分析法对1901—2000年的北极涛动（Arctic Oscillation,AO）、北大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）和北太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation,PDO）的年代际振荡关系进行研究,并利用1 000 hPa高度场合成分析进行验证。结果表明,三个气候模态均有明显的多年代际尺度的振荡特征,且它们在各特征时间尺度上的振荡相关性存在显著区别,主要表现为:在60 a尺度上,AO超前PDO约4 a正相关,AO滞后AMO约12 a负相关;在20～30 a尺度上,AO超前PDO约12 a正相关;在30 a尺度上,AO超前AMO约8 a正相关。在60 a尺度上,超前PDO负位相4 a和滞后AMO正位相12 a的高度场合成结果为AO负位相;在20～30 a尺度上,超前PDO正位相12 a和超前AMO正位相8 a的高度场合成结果为AO正位相。合成分析结果进一步验证了三个模态的相关性。      

大西洋多年代际振荡对东亚气候影响的综述

本文综述了近年来有关大西洋多年代际振荡（AMO）及其对东亚气候影响的研究进展,主要包括AMO的形成机制与指数定义、AMO对东亚夏季和冬季气候的影响、AMO与其他大洋的协同作用。目前,关于AMO的形成机制仍有不同意见,传统观点认为AMO是气候系统内部过程尤其是大西洋经向翻转流造成的,但近期有工作指出AMO是气溶胶、火山喷发等外强迫驱动产生或是海洋对大气随机强迫的一种响应。AMO可以通过三种途径调制东亚夏季气候,当AMO处于正位相时,东亚夏季风加强、降水增多、气温升高,反之亦然。同时,AMO正位相有利于东亚冬季风偏强,欧亚大陆中纬度及中国北方偏冷;负位相时则大体相反。鉴于AMO的重要作用,加深理解AMO形成机制及其对东亚气候影响有益于提升东亚气候的年代际预测水平。     

太平洋年代际振荡研究进展

近10年来，太平洋年代际振荡(PDo)因其对全球气候系统的深远影响而得到广泛的研究。PDo指的是在太平洋的气候变率中具有类似ENSo空间结构但周期为10-30年的一种振荡，当北太平洋中部海面温度异常增暖(冲却)时，热带太平洋中部和东部以及北美沿岸常同时伴随有同等幅度的异常冷却(增暖)。总体而言，有两类观点分别认为PDO起源于确定的海气耦合过程或起源于大气的随机强迫。确定性起源论强调，一个海气耦合系统内部的物理过程可以提供一个正反馈机制以增强一初始扰动，及一个负反馈机制以促使振荡位相发生逆转；海洋环流的动力演变过程决定了振荡的时间尺度。随机性起源论则强调，因为大气活动没有一个特定的时间尺度，其时间尺度谱实际上对应于白噪音谱，所以大气对海洋的强迫是随机的；而海洋常在低频谱段有最大的响应振幅，其对应的周期约为十几年或几十年。作试图系统性地理解PDO在观测、理论和数值方面的研究现状，从而为当前研究提供一个有用的背景性参考。     

太平洋年代际振荡、大西洋年代际振荡和全球变暖对北美地区降水的相对贡献

本文研究了1934～2018年期间太平洋年代际振荡（Interdecadal Pacific Oscillation,IPO）、大西洋年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）以及全球变暖（Global Warming,GW）对北美地区陆地降水年代际变化的相对贡献。首先通过对冬（12至次年2月）、夏季（6～8月）北美地区的陆地降水与中低纬地区的海表面温度进行奇异值分解分析,得到对北美陆地冬季降水相对贡献较大的主要海温模态为IPO（42.33%）和AMO（23.21%）,夏季则为AMO（32.66%）和IPO（21.60%）。其次利用线性回归模型,分析三种信号分别对北美冬、夏季陆地降水的相对贡献及对北美陆地不同区域降水的相对重要性,结果表明AMO对夏季北美陆地降水变化的贡献最大,IPO次之,冬季则相反,GW对冬夏季北美陆地降水都有一定的贡献。夏季期间阿拉斯加地区AMO的贡献最大,约占65.8%,加拿大地区GW的贡献最大,约占44.5%,美国本土及墨西哥地区三者贡献基本一致;冬季期间阿拉斯加和加拿大地区GW的贡献最大,分别为62.3%和44.7%,美国本土和墨西哥地区IPO的贡献最大,分别为47.9%和71.5%。进一步利用信息流方法,验证了IPO、AMO、GW对降水的敏感性区域。最后运用全球大气环流模式ECHAM 4.6进一步确定了太平洋和大西洋海温异常对北美地区陆地降水变化的影响途径,结果表明印度洋海表面温度异常在AMO和IPO对北美陆地降水变化的作用中至关重要。     

北大西洋年代际振荡（AMO）气候影响的研究评述

北大西洋年代际振荡（theAtlantic Multidecadal Oscillation,AMO）是发生在北大西洋区域空间上具有海盆尺度、时间上具有多十年尺度的海表温度（sea surface temperature,SST）准周期性暖冷异常变化。它具有65～80a周期,振幅为0.4℃。AMO的形成与热盐环流的准周期性振荡有关,它是气候系统的一种自然变率。诸多研究表明,AMO在北大西洋局地气候及全球其他区域气候演变中发挥了重要影响。欧亚大陆的表面气温,美国大陆、巴西东北部、西非以及南亚的降水,北大西洋飓风等都与之密切相关。AMO对东亚季风气候的年代际变化有显著的调制作用,暖位相AMO增强东亚夏季风,减弱冬季风,冷位相则相反。本文总结了这方面的研究进展,讨论了AMO对未来气候预测的意义,认为最近20多年来我国冬季的显著增暖与AMO处于暖位相有关,是人类温室气体强迫与暖位相AMO（自然因子）两种增暖影响相叠加的结果。随着AMO逐渐转入冷位相,我国冬季变暖趋势将放慢,并有望于21世纪20年代中期逆转。     

基于信息流理论的因果分析在辨析大西洋多年代际振荡物理机制中的应用

大西洋多年代际振荡（AMO）是指发生在北大西洋的海表温度（SST）冷暖异常多年代际（50～80年）振荡的现象。通常AMO被认为是受大西洋经向翻转环流（AMOC）及其对应的海洋动力过程（经向热量输运）的影响。近年来有观点认为,AMO是大气随机热力强迫的产物,大气主导了海气间的热量交换进而影响AMO。弄清AMO和北大西洋海表热通量的因果关系是辨析AMO动力和热力驱动机制的关键。本文利用基于信息流理论的因果分析方法,研究了1880年以来观测的AMO与北大西洋海表热通量间的因果关系。结果表明,在多年代际尺度上,从AMO到海表热通量的信息流要远大于二者相反方向的信息流,这说明AMO是北大西洋海表热通量异常的因,海洋主导了海气间的热量交换。大气随机热力强迫机制无法解释AMO与热通量两者因果分析的结果。对泛大西洋地区的陆地气温和AMO指数进行分析,进一步表明由于海洋主导了海气热量交换,AMO的海温异常加热/冷却控制了绝大多数地区气温的多年代际变化。利用海温驱动的大气环流模式的模拟结果验证了AMO的海温异常对周边陆地气温强迫作用。本文的结果为辨析AMO的动力和热力驱动机制提供了新线索,进一步表明AMO并非是大气随机热力强迫的产物,海洋环流可能是AMO的主要驱动因子。     

太平洋年代际振荡对中国冬季最低气温年代际变化的贡献

基于1961—2013年中国台站的均一化气温数据、NOAA月平均海温资料和CMIP5气候模式数据,利用气候统计手段,定量分析太平洋年代际振荡（PDO）对中国冬季最低气温年代际变化的贡献。结果表明：PDO的年代际序列与年代际滤波后的最低气温场在全国大部分地区呈显著正相关,即PDO负位相时中国冬季最低气温偏低,反之偏高。2006年后中国冬季最低气温变暖减缓,造成这一现象的主要原因是自然变率起到的降温作用,而自然变率又主要由PDO起主导作用,约占自然变率贡献的40%左右。PDO对温度的贡献呈现出明显的年代际变化,在变暖减缓期对升温有明显的负贡献,且负贡献逐渐增大至超过50%。     

全球增暖1.5℃和2℃北太平洋年代际尺度振荡的差异

基于CESM模式对1.5℃和2℃两种增暖情景的模拟结果,对比分析了太平洋年代际振荡（PDO）和北太平洋涡旋振荡（NPGO）在全球稳定增暖1.5℃和2℃时期与工业革命前、历史时期在强度和周期上的差异。结果表明：全球稳定增暖1.5℃和2℃时期,PDO和NPGO的强度均比历史时期弱,且主周期缩短,这可能与全球增暖情景下海洋层结增强导致的Rossby波变快有关。PDO的强度和周期在全球增暖1.5℃和2℃这两种情景下没有明显差异;而NPGO的强度在全球稳定增暖2℃时期比1.5℃时有明显减弱,且周期缩短1 a左右。因此,0.5℃升温差异对PDO的强度和周期影响较小,而对NPGO的强度和周期影响较大。     

Interdecadal Variability of the Afro-Asian Summer Monsoon System

The Afro-Asian summer monsoon is a zonally planetary-scale system, with a large-scale rainbelt covering Africa, South Asia and East Asia on interdecadal timescales both in the past century(1901–2014) and during the last three decades(1979–2014). A recent abrupt change of precipitation occurred in the late 1990 s. Since then, the entire rainbelt of the Afro-Asia monsoon system has advanced northwards in a coordinated way. Consistent increases in precipitation over the Huanghe–Huaihe River valley and the Sahel are associated with the teleconnection pattern excited by the warm phase of the Atlantic Multidecadal Oscillation(AMO). A teleconnection wave train, with alternating cyclones/anticyclones, is detected in the upper troposphere. Along the teleconnection path, the configuration of circulation anomalies in North Africa is characterized by coupling of the upper-level anticyclone(divergence) with low-level thermal low pressure(convergence), facilitating the initiation and development of ascending motions in the Sahel. Similarly, in East Asia, a coupled circulation pattern also excites ascending motion in the Huanghe–Huaihe River valley. The synchronous increase in precipitation over the Sahel and Huanghe–Huaihe River valley can be attributed to the co-occurrences and in-phase changes of ascending motion. On the other hand, the warm phase of the AMO results in significant warming in the upper troposphere in North Africa and the northern part of East Asia. Such warming contributes to intensification of the tropical easterly jet through increasing the meridional pressure gradient both at the entrance region(East Asia) and the exit region(Africa). Accordingly, precipitation over the Sahel and Huanghe–Huaihe River valley intensifies, owing to ageostrophic secondary cells. The results of this study provide evidence for a consistent and holistic interdecadal change in the Afro-Asian summer monsoon.     

东亚冬季风的年代际变化及其与全球气候变化的可能联系

对近年来中外关于东亚冬季风(EAWM)年代际变化问题研究进展做了回顾和评述,主要包括以下3个方面内容:(1)东亚冬季风明显受到全球气候变化的影响,从20世纪50年代开始,中国冬季气温经历了一次冷期(从20世纪50年代延续到80年代初中期),一次暖期(从20世纪80年代初中后期延续到21世纪初)和近10-15年(约从1998年开始)出现的气候变暖趋缓期(也称气候变暖停顿期)。(2)东亚冬季风主要表现出强-弱-强3阶段的特征,即从1950年到1986/1987年,明显偏强;从1986/1987年冬季开始,东亚冬季风减弱;约2005年之后,东亚冬季风开始由弱转强。与东亚冬季风的年代际变化特征相对应,东亚冬季大气环流以及中国冬季气温和寒潮都表现出一致的年代际变化。(3)东亚冬季风的年代际变化与大气环流和太平洋海表温度(SST)的区域模态变化密切相关。当北半球环状模/北极涛动(NAM/AO)和太平洋年代际振荡(PDO)处于负(正)位相,东亚冬季风偏强(弱),中国冬季气温偏低(高)。此外,北大西洋年代尺度振荡(AMO)对东亚冬季风也有重要影响,在AMO负位相时,对应东亚冷期(强冬季风),正位相对应暖期(弱冬季风)。因而海洋的年代际变化是造成东亚冬季风气候脉动的主要自然原因,而全球气候变暖对东亚冬季风强度的减弱也有明显影响。     

FGOALS模式4个版本太平洋年代际气候变率模拟的比较

本文选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/IAP)发展的全球海洋—大气—陆面气候系统模式(FGOALS)的4个版本g2.0、s2.0、g1.1和g1,利用模式的长时间积分结果,结合观测、再分析资料比较、评估模式对太平洋年代际变率的模拟能力,并通过对海气相互作用及其海洋动力过程分析,探讨了模式中太平洋年代际振荡形成机制.研究发现,FGOALS 模式g2.0和s2.0版本对太平洋年代际振荡(PDO/IPO)的模拟能力优于 g1.1和g1.模式中太平洋年代际变率的正反馈过程与Bjerknes(1969)提出的海气相互作用正反馈机制有关,其负反馈则主要与海洋内部动力过程有关.太平洋异常经向热量输送将热带与中纬度海洋联系在一起,可以抑制正反馈作用,但无法使得年代际振荡变化位相发生反转;FGOALS模式中,热带海表温度(SST)暖距平信号通过大气桥影响热带外大气环流,在海气作用下,热带与热带外海洋次表层分别以Kelvin 波和Rossby 波的形式传播,使得冷暖位相反转,4个版本均能再现这种负反馈机制.但不同版本Rossby波所处的纬度不同,太平洋SST异常年代际变化信号最明显的范围越宽,则由此激发的Rossby 波便更为偏北,纬度越高Rossby 波西传的时间也越长,PDO/IPO的周期与其SST异常的经向尺度密切相关.     

近50年中国大陆冬季气温和区域环流的年代际变化研究

利用中国大陆468 个站点1960～2013 年逐日气温资料,本文首先对中国冬季气温的年代际变化特征进行分析。通过气候跃变检验分析发现,中国冬季气温在整体变暖的趋势上叠加有年代际波动,可划分为冷期、暖期和停滞期三个时期。本文对比三个时期的冬季大气环流发现,冷/停滞期（暖）期西风环流减弱（增强）而东亚大槽增强（浅薄）,槽后的辐合下沉增强（削弱）,西伯利亚高压增强（减弱）,这加强（削弱）了东亚冬季风,冷空气更多（少）侵入中国大陆地区,冬季气温偏低（高）。北半球环状模/北极涛动（Northern Hemisphere Annular Mode,NAM/Arctic Oscillation,AO）正是通过东亚冬季风系统对中国冬季气温,尤其是冬季最低气温有很强的年代际影响。太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation,PDO）与中国冬季气温在年代际上也有很好的正相关关系。进一步将PDO 的年代际变化分量作为背景,分析NAM/AO 和厄尔尼诺—南方涛动（El Nino Southern Oscillation,ENSO）不同配置下的东亚冬季风环流场可以发现,两者的配置作用不仅影响着中国冬季气温一致变化型的年代际波动,而且也可以影响到冬季气温南北反相振荡型的变化,这从一个方面解释了1980 年代和1990年代北方变暖较强及最近十年北方降温趋势较为明显的原因。     

CMIP5耦合模式对太平洋年代际振荡的模拟与预估

利用第五次耦合模式比较计划（CMIP5）40个模式的模拟资料和分类集合的方法,评估了耦合模式对20世纪太平洋年代际振荡（PDO）特征的模拟能力。结果表明,CMIP5多数模式对PDO周期有着较好的刻画能力,能模拟出PDO的年代际变化周期。模式对PDO模态空间特征的模拟能力存在较大差异,小部分模式模拟效果较差。进一步的分析表明,对PDO模态模拟较好的第1类模式,能较好地再现热带太平洋与北太平洋海表温度异常（SSTA）年代际变化间的关系,而且热带太平洋SSTA通过大气遥相关影响北太平样海表温度的过程也模拟的较成功。对PDO模态模拟差的模式,不能合理模拟出热带太平洋SSTA对北太平洋海表温度影响的遥相关过程。以上研究也证实了热带太平洋地区海表温度的年代际变率对北太平洋海表温度年代际变率的重要影响,热带太平洋SSTA对北太平洋SSTA的影响是通过大气遥相关实现的。利用CMIP5中等排放情景模拟结果,分析了第1类模式预估的北太平洋年代际变率的特征,发现21世纪北太平洋年代际变率的主要模态为一致的正异常分布且呈现明显的上升趋势,第二模态则表现为类似于20世纪典型PDO的马蹄型SSTA分布。     

索马里急流与南亚高压年代际变化的可能联系

索马里急流是北半球夏季最为强盛的越赤道气流,南亚高压则是出现在对流层高层、平流层低层最大最稳定的反气旋环流系统,基于近60年NECP/NCAR再分析资料,本文研究了年代际尺度上夏季索马里急流与南亚高压的联系。研究结果表明:年代际尺度上,索马里急流与南亚高压存在显著的正相关关系,当索马里急流偏弱(强)时,夏季南亚高压偏弱西退(偏强东进)。对不同年代际背景下南亚高压东西部的经向垂直环流的分析发现,当索马里急流处于偏弱位相时,南亚高压西半部(20°~70°E)经向垂直环流偏强,而其东半部(75°~120°E)经向垂直环流减弱;反之亦然。南亚高压南北两侧的纬向垂直环流的变化也有差异,索马里急流偏弱(强)时,北部南亚高压(27.5°~35°N)的青藏高原上空纬向垂直环流显著减弱(增强),而南部南亚高压(20°~27.5°N)的伊朗高原上空纬向垂直环流减弱(增强)明显。进一步的研究发现,年代际尺度上索马里急流与南亚高压的联系受到PDO(Pacific Decadal Oscillation)年代际变化的调制。PDO正负位相的转折,首先改变了对流层高层副热带西风急流的强弱变化,从而使得位于其南部的南亚高压强度和热带东风急流发生相应的改变,热带东风急流的变化又通过热带印度洋上空的局地纬向垂直环流将异常信号传递到对流低层,改变热带地区索马里急流的强弱变化。     

21世纪长江中下游梅雨的新特征及成因分析

利用1961—2011年观测资料分析了长江中下游梅雨各特征量的时空变化特征,尤其是21世纪的新特征,指出2000年以来梅雨入梅偏晚,出梅偏早,梅雨长度缩短,强度减弱。统计发现,在这一时段梅雨期内降水日数明显减少,在梅雨长度缩短的同时,降水日数占梅雨期长度的比例也下降,表明梅雨期内强降水越来越集中。梅雨的这种年代际变化可能和2000年以来北太平洋海温处于PDO负位相,且这一时期拉尼娜事件频繁发生有关。在PDO负位相背景下,我国汛期多雨带位置易偏北,同时由于拉尼娜事件频发,热带西太平洋海温增高,使副热带高压偏强偏西偏北,阻止了源自印度洋和孟加拉湾的西南气流向长江中下游地区的输送,迫使水汽输送路径更加偏北偏西至淮河及以北地区,长江中下游地区低层为正散度距平,梅雨降水减少。     

中国近海海表温度对气候变暖及暂缓的显著响应

基于多套全球海温再分析数据和2种线性趋势分析方法,评估了1958-2014年中国近海海表温度（SST）的变化及其对全球气候变化的响应特征,并与全球平均地表温度特别是与若干重要海区的SST做了比较。研究表明：在全球变暖的显著加速期（1980年代和1990年代）,中国近海区域年平均SST表现出更快速的升温特征,其速率达0.60℃/10a,是同期全球平均升温速率的5倍以上;在变暖暂缓期（1998-2014年）,中国近海SST出现显著的下降趋势。研究还表明,中国近海区域SST的年代际变化与太平洋年代际涛动（PDO）的位相转换一致,前者SST的快速上升（下降）期与PDO正（负）位相最大值的时期相对应,PDO可能是通过东亚季风和黑潮影响中国近海SST的年代际变化。     

西太平洋副热带高压季节内异常活动与亚洲夏季风系统的时延相关特征

基于西太平洋副热带高压的异常活动与亚洲夏季风系统其他成员之间存在着密切联系的天气事实,运用交叉小波的非线性时滞相关分析方法,对东亚夏季风系统成员与西太平洋副热带高压形态和变异的相互影响的基本事实和物理特征进行研究,得到了西太平洋副热带高压与主要的亚洲夏季风系统成员之间基本的关联结构和演变示意图。研究结果揭示了不同的季风子系统对西太平洋副热带高压的影响不同:影响西太平洋副热带高压强度和脊线位置异常变化的是亚洲夏季风系统中的印度夏季风子系统的5个主要成员;而影响西太平洋副热带高压西脊点异常变化的则是亚洲夏季风系统中的另一个子系统——东亚夏季风子系统的5个主要成员。研究揭示了副热带高压与亚洲夏季风系统主要成员之间的时延特征与统计关联特性,为相应的机理研究提供了事实依据。