厄尔尼诺年西北太平洋异常反气旋的年际变化特征及其影响

基于1901-2000年多种海-气资料,分析了厄尔尼诺成熟年冬季-初夏西北太平洋异常反气旋（WNPAC）的年际变化特征及其对东亚气候的影响。结果表明,无论是厄尔尼诺事件成熟期的冬季还是次年的春季和初夏,WNPAC的年际变化主要存在两个空间变化型,即反映其强度变化的经验正交函数分解第1模态和反映其位置变化的第2模态。厄尔尼诺成熟年冬季WNPAC强度不仅与赤道中东太平洋海温异常有关,而且与太平洋西部（WP）型遥相关的强度有关,而其位置的变化则主要与西北太平洋局地海温异常以及北极涛动（AO）有关;次年春季,WNPAC的强度除了与赤道中东太平洋海温异常和太平洋西部型遥相关存在显著相关外,还与赤道大西洋海温异常有关,而其位置的变化则主要与西北太平洋局地海温异常和太平洋西部型遥相关有关;次年初夏,WNPAC强度主要与西北印度洋和西南印度洋的海温异常以及东亚-太平洋（EAP）型遥相关的强度有关。进一步分析表明,成熟年冬季-初夏WNPAC的强度和位置的变化均可对东亚地区降水异常分布产生影响,这对预测厄尔尼诺事件发生后冬季及后期春、夏季节东亚地区降水异常分布具有一定的指示意义。此外,次年初夏,WNPAC强度变化与西北太平洋台风发生频数存在显著负相关,即WNPAC越强,台风发生的频数越少,反之亦然。     

El Ni?o衰退年夏季西北太平洋异常反气旋季节内演变特征及其机制

基于多种再分析资料和观测资料,分析El Ni?o衰退年北半球夏季西北太平洋异常反气旋(NWPAC)季节内演变特征及其机制。结果表明,较之El Ni?o衰退年6月,NWPAC在7月与8月北移,且其强度在7月与8月显著增强。NWPAC通过影响对流层低层水汽通量散度对东亚夏季季节内降水产生影响,使东亚夏季异常雨带随NWPAC北移而逐渐北移;与NWPAC相伴随的降水异常减弱与入射太阳短波辐射增强,可引起夏季中南半岛、菲律宾及我国南部地区地表气温正异常,且随着NWPAC北移,东亚地表气温异常也随之北移。局地海气相互作用过程可能是NWPAC夏季季节内北移的成因之一。NWPAC北侧短波辐射的减弱和海表潜热与感热释放的增强会造成其下海温负异常,而海温负异常有利于NWPAC的维持。与之相反,NWPAC南侧短波辐射的增强与海表潜热与感热释放的减弱会造成其下海温正异常,而海温正异常可能会激发对流不利于NWPAC的维持。     

2015/2016年超强El Nio局地海气特征及其特殊性

利用NOAA海表温度和NCEP/NCAR大气环流等全球再分析资料,讨论了2015/2016年超强El Nio事件局地海气过程的演变特征,并与1982/1983和1997/1998年两次强El Nio事件做了对比分析。结果表明,2015/2016年El Nio在峰值强度、持续时间、累计海温距平等指标上都略强于前两次El Nio,可视为有完整气象观测纪录以来的最强事件;与前两次事件相比,2015/2016年El Nio海温异常中心位置明显偏西,热带东太平洋海温相对较冷而中太平洋更暖,由于热带对流对海温的非线性响应,赤道东太平洋降水相对较弱,中太平洋则显著偏多,这在El Nio当年12月至次年4月尤为明显;此外,在前两次El Nio的成熟期至衰减期,中太平洋大气响应都存在明显的南移特征,西风异常和对流中心都从赤道南移到了5°S以南。而2015/2016年中太平洋大气响应一直位于赤道附近,南移特征相对较弱,ENSO和年循环相互作用的组合模态相比前两次较弱,西北太平洋反气旋的强度也弱于前两次。这主要是由于2015年冬季至2016年春季,热带太平洋暖海温异常位置偏西,中太平洋海温异常明显强于前两次,叠加气候平均态海温之后,赤道南北两侧海温都高于对流阈值,对流旺盛,这大大削弱了大气响应的经向移动和ENSO组合模态的强度。     

西北太平洋低空环流与海温异常关系的季节性差异

通过资料分析与数值模拟研究了西北太平洋低空环流特征及其与海面温度（SST）异常关系的季节性差异,得到如下结论：1）西北太平洋低空环流的空间尺度和位置在春季和夏季存在明显差异,从春季到夏季,异常环流范围缩小且中心位置向西北偏移;2）西北太平洋低空环流与西北太平洋局地海温的相互作用存在季节差异,春季西北太平洋冷海温与上空反气旋异常之间存在相互作用,而夏季则以大气影响海洋为主,异常的反气旋/气旋可以加热/冷却其下垫面的海温,大气超前3～4 d影响海洋;3）夏季异常反气旋环流（WNPAC）的维持主要来自非局地海温异常（北印度洋暖海温与中太平洋冷海温异常）的强迫,这两个海区对WNPAC的影响也存在季节性差异,北印度洋的影响主要体现在晚春至盛夏,而中太平洋则主要在晚夏发挥作用。     

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。      

2015/2016年超强El Nio在成熟/衰减阶段对澳洲夏季风环流与降水异常的影响

2015/2016年发生了超强El Nio事件,Nio3区海温异常在2015/2016年冬季超过了2.5℃,其对全球气候异常的产生具有重大影响。此次El Nio事件可归类为东部型。本文利用NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料及CMAP降水资料等,通过诊断分析,揭示了2015/2016年强El Nio事件盛期和衰减期海温异常对澳洲夏季风环流异常和降水变化的影响及其途径。澳洲地区受此次El Nio事件影响,大部分地区降水显著减少,某些地区降水减少达60%~80%。影响途径主要有:1)海温异常通过Gill型响应造成水平环流异常并进而影响澳洲夏季风减弱。2015/2016年ENSO事件成熟期及衰减期,在西太平洋赤道地区出现海温负异常,导致此处热带地区产生了负异常的热源分布,并由此激发产生了位于赤道北侧和南侧的异常反气旋式环流。位于海洋性大陆南侧的异常反气旋性环流引起澳洲夏季风减弱,从而利于抑制上升运动,造成了澳大利亚降水量显著减少;2)通过赤道中东太平洋地区上升和澳洲地区下沉的垂直环流异常导致澳洲降水显著减少。在El Nio事件盛期,因海温异常偏暖导致赤道中东太平洋地区产生显著的异常上升运动,其补偿性的下沉运动因Walker环流而出现在海洋性大陆地区,以及因澳洲大陆夏季风减弱而出现在澳大利亚中东部地区,由此构成了中东太平洋—澳洲副热带的垂直环流圈,此东北—西南向的垂直环流圈对澳洲降水减少的维持起到了重要作用。另外,中国南方的上升运动与海洋性大陆及澳洲地区的下沉运动之间通过局地经圈环流产生了联系,表明东亚冬季风异常减弱对澳洲夏季风减弱可能存在间接影响。这些结果对深刻认识超强ENSO事件对亚澳季风的影响机理以及寻找澳洲降水预测线索具有重要意义。     

春季赤道东太平洋海温异常对东亚大气环流春夏季节演变的影响

利用NCEP高度场、风场及OLR资料，分析了春季赤道东太平洋海温异常对东亚大气环流春夏季节演变的影响，结果表明春季赤道东太平洋海温偏暖年，南海－菲律附近出现异常反气旋，西太平洋副高偏强偏西（副高5月占据南海），南海季风爆发迟；而春季海温偏冷年，南海－菲律宾近出现异常气旋，西太平洋副高偏弱偏东（副高5月东移出南海），南海行风爆发早。数值试验腠季赤道东太平洋海温异常不仅对东亚大气环流春季季节变化有明显影响，而且此影响可持续到夏季。     

1998和2010年夏季降水异常成因的对比分析：兼论两类不同厄尔尼诺事件的影响

1998和2010年夏季长江流域均发生了明显的洪涝灾害,且都是厄尔尼诺事件的次年(衰亡位相).不同的是:1997/1998年冬季的厄尔尼诺事件是传统东部型,而2009/2010年冬季的厄尔尼诺事件是中部型(EL Ni(n)o Modoki).首先利用中国160个台站月降水观测资料,对比了1998和2010年降水异常情况,结果显示除长江流域多降水这一共同特征外,1998和2010年降水分布还存在一定差异.利用NCEP/NCAR再分析资料,对比了大气环流异常特征.结果表明:与1998年相比,2010年西北太平洋对流层低层异常反气旋中心位置偏北偏西,西太平洋副热带高压偏强、脊线偏北,使得南海孟加拉湾西南风减弱而东亚南风加强,导致自印度洋、南海向内陆的水汽输送减少,而自西太平洋的水汽输送增加并输送到偏北的位置,雨带比1998年偏北,中国西南地区降水比1998年偏少.进一步分析厄尔尼诺的影响,揭示环流形势的变化与中部型厄尔尼诺年赤道太平洋异常上升气流比传统厄尔尼诺年偏西、西太平洋异常下沉气流随之变化有关.利用GFDL大气环流模式AM2.1,进行了给定1998和2010年实际观测海温强迫的试验,显示海温差异能够部分解释观测到的环流异常.最后,将这两个个例与历史合成进行了比较,发现2010年与历史合成的中部型厄尔尼诺存在较大差异,表明中部型厄尔尼诺对中国夏季降水的影响比以前所认识的要复杂.     

夏季北印度洋海温异常对西北太平洋低层反气旋异常的影响

采用1957—2002年850 hPa风场的ERA-40再分析资料,分析得知西北太平洋低层环流存在着明显的年际变化。这种年际变化表征了西北太平洋夏季风的年际变化,并且会影响东亚夏季风的变化。用Hadley海表面气压以及海表温度资料诊断得到,这种夏季西北太平洋反气旋异常（WPAC,northwest Pacific anomalous anticyclone）的年际变化与北印度洋同期海表温度变化存在很好的相关。用偏相关方法消除N ino3.4信号的同期线性影响,这种同期相关更加显著,而西南热带印度洋的同期海温与WPAC的相关并不显著。数值试验结果表明,北印度洋存在正海温异常时,北印度洋降水偏多,同时伴随着西北太平洋反气旋异常。当只有西南热带印度洋有正海温异常时,北印度洋会出现东风异常且降水减少,而西北太平洋有弱的气旋异常。数值模式结果与观测数据的诊断结果相吻合,说明当夏季北印度洋海表温度为正异常时,可能会产生西北太平洋反气旋异常。     

西北太平洋热带气旋频数异常与五类主要大尺度环流型的关系

利用Yoshida and Ishikawa(2013)提出的一套客观分类方法对1979-2013年夏季(5-10月)共796个热带气旋(Tropical Cyclone,TC)生成前的大尺度环流背景场进行了分型,主要包括了季风切变线型(monsoon Shear Line,SL)、季风涡旋区(monsoon Gyre...     

2015年西北太平洋台风季提早展开:2015/2016超级厄尔尼诺的影响

2015年1-5月西北太平洋上异常出现了7个热带风暴（Tropical Storms,TS）,其中有5个发展成台风（Typhoons,TY）,分别为气候平均态（1979-2015年）的2.5和3.6倍,亦即2015年的台风季提前展开。利用ERA-Interim再分析资料、JTWC热带气旋最佳化路径数据等资料,通过计算台风生成指数（Genesis Potential Index,GPI）和比较天气尺度和季节内振荡分量,探讨2015年台风季提前的原因。结果表明：1）2015年初异常活跃的台风活动与2015/2016年超级El Niño事件于西北太平洋上引发的海气状态异常有关。2）通过对大尺度环境场和台风潜在生成指数（GPI）的诊断分析发现,动力因子（低层涡度、垂直速度）和热力因子（与海表面温度、大气温度有关的潜在强度、中低层大气相对湿度）均对2015年1-5月台风的发生有正贡献。其中,涡度项的贡献最大,相对湿度的贡献次之。3）3~10 d天气尺度扰动和10~90 d季节内振荡在2015年1-5月也异常活跃,有利于TS和TY的生成与发展。     

El Nino衰减年西北太平洋热带气旋活动特征的差异性北大核心

El Nino衰减年西北太平洋热带气旋(Tropical cyclone,TC)活动表现出多样性,给TC活动的气候预测带来挑战。采用美国联合台风预警中心的热带气旋最佳路径数据和欧洲中期预报中心提供的ERA-5再分析资料,对1970—2018年的El Nino衰减年7—10月的西北太平洋TC生成频数进行合成分析,发现其与气候态没有显著的差异,但在单个年份,存在着较大的正、负异常。为此,将El Nino衰减年分为TC生成频数偏少(负异常)和偏多(正异常)两种情形,对比两种情形的TC活动和大尺度环境要素特征。结果表明,TC生成频数偏少的情形,TC生成频数的异常减少主要发生在西北太平洋东部海域,即(15°~25°N,140°~150°E)和(5°~25°N,150°~170°E),与垂直风切变增大、对流层中层相对湿度和低层绝对涡度减少有关;TC生成频数偏多的情形,TC生成频数的异常增加主要发生在南海和菲律宾群岛附近,即(15°~25°N,110°~120°E)和(5°~25°N,120°~130°E),对流层中层相对湿度增加的贡献最大,其次是上升运动增强和绝对涡度增大;对比两种情形发现,TC生成频数偏多的情形,广东和福建沿岸的东南风异常引导气流有利于菲律宾群岛附近生成的TC登陆中国大陆。     

2015/2016超强El Nio对中国南方冬春季降水的影响分析

利用1981—2016年的中国160站降水资料、OISST海温资料和NCEP/NCAR大气环流资料,对比分析了中等强度El Nio和2015/2016超强El Nio对中国东南部、江淮流域和西南地区冬春季降水影响的异同。结果表明:在中等强度El Nio的冬季,偏暖的赤道中东太平洋海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)所激发的西北太平洋和日本附近的异常反气旋环流,其异常的西南风会加强南海—西北太平洋的水汽向中国东部输送,造成中国东南部和江淮流域的降水一致偏多。2015/2016超强El Nio的冬季,赤道中东太平洋SST的强度异常偏强,中国东部异常偏冷的表面气温和对流层低层温度加强大陆冷高压,长江流域及其以北地区受异常强的北风控制,从而造成中国东南部降水增多、江淮流域降水减少。在2015/2016超强El Nio事件衰减位相的春季,中国东南部和西南部降水的增加主要归因于异常偏暖的西北印度洋和东南印度洋SST的作用。经CAM5模式试验证明,西北印度洋异常偏暖的SST引起了北印度洋的异常西南风,激发了孟加拉湾—西北太平洋的异常反气旋,加强了印度洋和南海—西北太平洋的水汽向中国西南和东南部输送。此外,东南印度洋异常偏暖的SST还会激发局地异常上升运动,通过经向垂直环流加强南海—西北太平洋异常下沉运动,诱使中国东南部的上升运动加强,导致降水增多。     

2015/2016年超强El Nio事件背景下我国月预测技巧差异分析

利用中国站点观测降水资料、国家气候中心第2代月动力延伸预报模式(BCC_DERF2.0)的回报和预报数据、NCEP/NACR再分析资料和国家气候中心实时发布的月尺度降水预测评分数据,通过评估和诊断分析发现,在2015/2016年超强El Nio事件背景下,这两年内业务发布的月降水预报能力有明显不同,BCC_DERF2.0对月环流的预测技巧也存在差异:在2015年(El Nio发展位相),降水预报和环流预测技巧较高且稳定,而在2016年(El Nio衰减位相)的预报技巧总体偏低。进一步的研究显示,亚洲—太平洋涛动(Asia-Pacific Oscillation,APO)可能是导致2015年和2016年夏季预测技巧高低的重要影响因素。2015(2016)年夏季为APO低(高)指数年,且2016年具有高指数年的典型环流特征。而APO高指数对应的环流特征与El Nio衰减位相对西北太平洋环流的影响不同,在El Nio和APO的物理影响途径不一致时,将直接影响东亚环流可预报性的高低及动力气候模式的预报技巧,即El Nio在发展和衰减位相与APO型不同组合的影响是2015和2016年月预测技巧有差异的重要原因。     

热带太平洋盐度年际变化对海表温度异常作用比较：1997/1998、2014/2015和2015/2016年El Niño事件

海洋盐度变化为研究气候变化的机制提供了一个新的视角。本文通过对比1997/1998年、2015/2016年两次强厄尔尼诺（El Ni?o）事件和2014/2015年特殊El Ni?o事件,对盐度变化及其影响海表面温度异常（SSTA）的物理过程进行了比较分析。研究表明,El Ni?o和南方涛动（El Ni?o–Southern Oscillation, ENSO）发展的强弱与热带西太平洋大范围海表层盐度异常（SSSA）及其向东扩散的差异有明显关联。1997/1998、2015/2016年赤道东太平洋SSTA的增暖,对应两次强El Ni?o事件,在发生年4月,中西太平洋海域出现了明显的负SSSA,之后东移至日期变更线以西,SSSA引发的混合层深度（MLD）变浅、障碍层厚度（BLT）变厚,导致热带中—西太平洋表层升温增强,促使了赤道中太平洋的早期变暖;2014/2015年弱El Ni?o事件虽然在发生年4月,位于赤道中西太平洋出现了负SSSA,但没有发展东移,导致BLT的增厚过程减弱,对表层温度的调制作用减弱甚至消失。三次事件对应的盐度变化过程中,水平平流和淡水通量（FWF）引起的表层强迫是影响盐度收支的主要因子,水平平流影响盐度异常的前期变化,触发事件的发生;热带太平洋西部降水引起的FWF负异常的影响最为显著,对ENSO异常信号出现后SSSA的维持起决定性作用。相比较两次强El Ni?o事件,2014/2015年El Ni?o对应的早期FWF负异常没有发展和东移,并且之后迅速减弱,导致中西太平洋盐度负趋势减缓,MLD加深,BLT变薄,促使上表层海水冷却,抑制了赤道东太平洋的早期变暖和ENSO发展。研究结果表明,盐度变化与ENSO密切相关,热带中西太平洋海域早期表层盐度变化可能可以作为SSTA的指数。特别地,SSSA在调节SSTA时,不仅影响它的强度,而且可以作为判断ENSO是否发展及其强弱的前兆因子。     

2015/2016和1997/1998超强El Nio衰减年我国夏季降水异常的比较

El Nio可通过海—气相互作用遥相关型影响东亚季风,进而影响中国气候,是中国短期气候最重要的预测指标之一。典型的El Nio事件通常在春、夏季开始,在秋、冬季成熟,在下一年的春、夏季消退,考虑到海—气作用的滞后效应,El Nio事件甚至可以在消退时期对东亚大气环流系统造成影响。因此,利用中国160站的逐月降水资料、NCEP/NCAR再分析资料以及美国NOAA提供的全球海温数据,对比分析了2015/2016年和1997/1998年典型El Nio衰减年我国夏季降水和东亚环流特征的差异,并讨论了造成差异的可能原因。结果表明:1)2016年和2008年夏季降水都大范围偏多,2016年夏季降水异常更为集中,但降水强度不及1998年。2)2016年降水的季节推进特征不明显。1998年6—8月的降水逐渐从南向北推进,与传统的季风降水演变进程较为一致。3)2016年和2008年我国夏季降水的差异与副热带高压的变化有直接的关系。1998年6—7月副热带高压较2016年同期偏西偏南,而2016年8月副热带高压更为偏西并明显比气候平均偏北。4)1997/1998年El Nio事件中的赤道西太平洋异常冷海温比较强盛,而2015/2016年基本表现为偏暖,可能是造成1998年6—7月副热带高压较2016年同期偏西偏南的原因。     

2015/2016冬季北极世纪之暖与超级厄尔尼诺对东亚气候异常的影响

利用1980—2016年美国国家海洋与大气管理局气候预测中心的ENSO指数和NCEP/NCAR再分析资料,研究了2015/2016年冬季北极增暖和超级厄尔尼诺对东亚气候的影响。2015/2016年冬季热带中东太平洋爆发了超级厄尔尼诺事件,尽管大气环流出现了对ENSO的响应特征(如西北太平洋反气旋异常,东亚南部南风异常),但东亚(尤其是我国东北、华北地区)1月的气温却明显偏低。分析表明,此次东亚气温偏低现象可能与2016年1月北极显著增暖有关。1980—2016年1月再分析资料的统计诊断分析结果显示,巴伦支海—喀拉海气温的升高会引起局地大气的上升运动异常,之后在下游(70~90°E附近)向南运动,并在西伯利亚地区(60~100°E,50~70°N)下沉,使得西伯利亚高压增强,其东侧的北风异常导致东亚气温偏低。基于Nio3.4指数、北极温度指数,采用多元线性拟合所得到的2016年1月东亚气温的回报结果与观测气温之间的空间系数为0.71,表明2016年1月北极增暖以及热带中东太平洋的厄尔尼诺事件能够从一定程度上解释东亚气温偏低的现象。