近500 年南极涛动指数重建及其变率分析

南极涛动是南半球大气环流的主要模态, 在多种尺度上对南半球及北半球部分地区的气候系统产生重要影响。在对树轮、珊瑚、冰芯等多种代用资料进行挑选与主成分分析的基础上,重建了公元1500 年以来南半球夏季(当年12 月-次年2 月) 的南极涛动指数。重建序列的解释方差(r2)、误差减少量(RE) 平均值分别为59.9%、0.47,较高的r2、RE表明重建具有了较高的可信度;而整体呈减少趋势的标准误差(SE) 表明代用资料的增多可以减少重建序列的不确定性。重建结果与其它研究给出的南极涛动指数有着较好的一致性。重建序列的功率谱分析表明,过去500 多年南极涛动年际变率突出的周期有2.4a、2.6a、6.3a,年代际变率突出的周期有24.1a、37.6a,均达到95%显著性水平。进一步的小波分析表明南极涛动在不同时间尺度上的变率及其周期有着随时间而演变的特征。     

北极涛动异常对西北地区东部沙尘暴频次的影响

利用西北地区东部沙尘暴日数资料、北极涛动指数资料、东亚高低空大气环流形势场资料,分析了沙尘暴日数与北极涛动的关系,进而研究了北极涛动异常年东亚大气环流分布特征,探讨了北极涛动影响西北地区东部沙尘暴的可能途径。结果表明：西北地区东部沙尘暴频次呈波动减少之势,20世纪80年代中期发生气候突变;北极涛动指数与西北地区东部沙尘暴频次显著负相关,二者年际、年代际变化都有较好的应关系,北极涛动正位相年,西北地区东部沙尘暴偏少,反之亦然。究其原因：北极涛动异常对东亚冬季风强度、东亚高低空气压场、风场分布形势有重要影响：北极涛动正位相年,东亚冬季风、蒙古高压均偏弱;500 hPa高度场上,春季西风带纬向环流占优势,极涡面积偏小,强度偏弱,贝加尔湖阻塞高压异常强盛,蒙古国及我国华北和西北地区位于贝加尔湖阻塞高压底部的暖区里,地面至高空西北风偏弱;在这种形势下,整个中高纬度冷空气势力较弱,活动次数偏少,不利于大风、寒潮天气的发生,因此沙尘暴频次也偏少。而北极涛动负位相年基本相反。     

南北两极海冰的涛动关系

本文将南极海冰分为４个区：ＳＰＩ１（０°－１２０°Ｅ），东南极海冰；ＳＰＩ２（１２０°Ｅ－１２０°Ｗ），以罗斯海为主体的海冰区；ＳＰＩ３（１２０°Ｗ－０°），以威德尔海为主体的海冰区；ＳＰＩ４，全南极海冰区。北极海冰区分为３个区：ＮＰＩ１（９０°Ｅ－１８０°－９０°Ｗ），太平洋侧冰区；ＮＰＩ２（９０°Ｗ－０°－９０°Ｅ），大西洋侧冰区；ＮＰＩ３，全北极冰区。本文使用了ＷＤＣ－Ａ的ＳＩＧＲＩＤ海冰资料，以分析南极和北极各冰区之间的相互关系。发现两极各冰区之间存在着非常复杂的相互作用。其中最突出的特征是：两极海冰之间相互作用的振源是ＮＰＩ２。ＳＰＩ３是影响南极海冰的正反馈中心。ＳＰＩ２则是南北两极海冰的负反馈中心。ＮＰＩ２，ＳＰＩ３和ＳＰＩ２之间的相互作用最强，形成涛动关系。这种涛动关系不是同时期的，而是有较长的滞后时间差。两极海冰形成周期变化，其周期为５－６年，正与ＮＰＩ２和ＳＰＩ３自身变化周期一致。另外还有更长的循环周期９－１１年     

夏季北极涛动与西北夏季干湿特征的年代际关系

 摘要： 利用中国西北地区（新、青、甘、宁、陕及内蒙古西部地区）1960—2003年131个测站夏季降水量、小型蒸发皿蒸发量，NECP/NCAR月平均再分析资料及夏季北极涛动指数，首先通过降水量和蒸发量定义了均一化干湿指数，进而分析了夏季北极涛动同西北地区夏季干湿特征之间的关系。研究表明：夏季北极涛动与西北地区大部分地区夏季干湿特征之间存在着显著的正相关关系，特别是年代际尺度上关系尤其密切。夏季北极涛动与西北地区夏季干湿特征空间变化的南北差异密切相关，在夏季AO偏强年代，海平面气压场在东亚大陆为正距平，太平洋为负距平;700 hPa风场在贝加尔湖地区及其下方有较强的反气旋性距平环流，西北西风带区出现西风距平，季风区出现北风距平，而500 hPa高度场在中国西北地区表现为西低东高结构。这样使得东亚夏季风偏弱，西北西风带区在夏季以西风气流为主，降水偏多，气候偏湿，而季风区盛行偏北气流，降水偏少，气候偏干。反之亦然。     

南极长城站和中山站的近期气候变化及其对南极涛动的响应

利用长城和中山站的多种气象观测资料,揭示了南极气候在近15—30年全球气候变化关键时期的最新动态及其对南极涛动变化的响应。结果显示,近15年来,位于南极半岛地区的长城站增暖趋势减缓且有变冷迹象,并伴随气压下降和降水增多的趋势,表明全球增暖停滞期南极半岛经历了与过去几十年长期趋势有所不同的新变化,而位于南极大陆沿海的中山站气象要素变化趋势相对平缓,表明南极半岛和南极大陆气候变化特征存在显著的区域性差异。两站多个气象要素与南极涛动指数显著相关,两站温度与南极涛动相关关系相反等研究事实说明了两站气候与南极涛动及其对应的大气环流区域特征有着密切的联系。     

近30年南极海冰的变化特征

采用NCEP的1973-2002年南极海冰密集度资料,对近30年南极海冰冰密集度的季节变化、年际变化及其与南极海冰涛动指数的长期变化关系进行了分析研究。结果表明,南极海冰的季节变化特点是海冰融化速度远大于凝结速度,而北极海冰融化速度与凝结速度基本相同。南极海冰存在着明显的年际变化,海冰面积指数呈增加趋势,年平均倾向率为28/10a。而北极海冰年际变化则相反,呈减少趋势,年平均面积指数的倾向率-3.5/10a。南极海冰涛动指数能代表南极地区近1/3的海水变化,是南极海冰变化的重要指数,具有10年、3-5年和2年左右的准振荡周期。     

南半球降水对南极海冰涛动异常的响应

运用NCAR/CAM3全球大气环流模式,结合气候学诊断方法,分析了南极海冰涛动异常对南半球降水的影响,并对可能的作用机理进行了初步探讨。结果表明,南半球中纬度降水对海冰涛动异常的响应较为显著,且异常响应的空间分布与海冰涛动类似,分别在南美洲大陆以东大西洋和以西太平洋的广阔海域上存在两个正负值中心。 数值模拟结果显示,海冰涛动异常可以通过改变地表热通量,影响对流层中层大气,进而驱动费莱尔环流的上升支,加强或减弱费莱尔环流的强度,最终对南半球中纬度地区的降水分布产生影响。在阿蒙森/别林斯高晋海外围海冰异常偏少的海域,向上的热通量增加,局地加热会使得费莱尔环流的上升支异常偏强,费莱尔环流的经向输送增强,对应其在中低纬的下沉支也偏强,局地下沉气流异常偏强则会抑制降水的生成,导致降水异常偏少。在威德尔海外围海冰异常偏多的海域,经向环流和降水的响应几乎相反,但因受西南极半岛和南美洲陆面作用的影响,对应经度带费莱尔环流对海冰异常的响应较弱。     

南极半岛地区气温与南极海冰涛动、ENSO的联系

使用南极半岛Orcadas等台站的气温多年观测资料 ,分析了南极半岛气温和周围海冰以及ENSO的初步联系。结果表明 ,南极半岛地区的气温变化可以反映南极海冰涛动的变化特征 :气温距平和南极半岛附近海冰距平存在密切的负相关 ,和罗斯海外围区域的海冰距平存在正相关关系 ,能够较好地反映出南极半岛气温与南极海冰涛动以及ENSO之间的紧密联系。当南极半岛地区气温偏低 (高 )时 ,南极半岛周围海冰偏多 (少 ) ,罗斯海外围海冰偏少 (多 ) ,赤道中东太平洋海温偏高 (低 ) ,可能出现ElNino(LaNina)。另外 ,南极半岛当年 1 0月的气温距平对预测次年 1月的Nino3区海温异常具有重要参考价值     

冬季北极涛动和北极海冰变化对东亚气候变化的影响

本文简要回顾了冬季北极涛动 (北大西洋涛动 )和北极海冰面积变化对东亚气候变化的影响、研究中存在的问题以及目前亟待解决的科学问题。     

东北冬季气温年际、年代际影响因子的比较

采用1961~2012年东北三省53站月平均气温资料及NCEP/NCAR再分析资料。分析东北冬季气温变化特征。利用SVD法得出影响东北冬季气温的主要因子。分别从年际和年代际尺度上,用偏相关法分析了各因子对东北冬季气温独立的影响。结果表明:东北冬季气温以全区一致异常为主,气温显著上升;东北冬季气温主要影响因子是北极涛动、西伯利亚高压和东亚冬季风;年际尺度上,北极涛动和东亚冬季风适合描述东北中、北部的冬季气温。西伯利亚高压与东北南部冬季气温关系密切;年代际尺度上,北极涛动适合描述东北冬季气温。     

春季天气变率对华北沙尘暴频次的影响

利用欧洲中期数值天气预报中心再分析资料及地面台站观测资料,分析华北春季沙尘暴日数与500 hPa月平均环流及与近地面环流天气变率长期变化的关系,分析时段为1962~2000年。研究发现华北地区春季沙尘暴频次与东亚地区中高纬度500 hPa高度场有显著的负相关,相关中心区在蒙古国及西伯利亚一带,这可能说明高空环流场在这种形势下易于造成高纬度冷空气南下,因此使得华北沙尘暴频次增加。天气过程是形成沙尘暴的直接原因,东亚地区天气变率存在明显的年际和长期变化,研究发现天气变率与沙尘暴频次之间有非常显著的关系：当天气尺度变率增大 (减少) 时,沙尘暴频次也增加 (减少)。其中具体分析了850 hPa低压和地面冷高压活动与沙尘暴的关系,发现东北低压及自蒙古和西伯利亚南下的冷空气活动都对华北沙尘暴频次有明显的影响。近40年来东亚天气变率有显著的减弱趋势,这也在很大程度上解释了沙尘暴频数的显著减少。另外,北极涛动对东亚天气变率和华北沙尘暴频次的年际变化也有一定的影响,北极涛动强的年份华北沙尘暴次数偏少。     

近百年北极涛动对中国冬季气候的影响

北极涛动 (AO) 是北半球冬季热带外行星尺度大气环流最重要的一个模态,对北半球及区域气候有重要影响。利用中国近50年和近百年气温和降水资料分析了北极涛动对我国冬季气候的影响。当AO指数偏强时,我国大部分地区冬季气温偏高,同时降水也偏多。AO和西伯利亚高压对我国冬季气候的影响在年际和年代际尺度上有不同的特征, 在年际尺度上西伯利亚高压对我国气温的影响要远强于AO,而AO对我国降水的影响则比西伯利亚高压的影响要显著。这种关系也可以通过比较分析对流层低层和中高层环流形势在AO不同位相时的变化得到进一步验证。这说明AO对我国冬季气温和降水影响的机制是不一样的。在年代际尺度上,AO对气温和降水都有显著的影响。AO和西伯利亚高压一起能解释近百年来我国冬季温度和降水方差的35% 和11%。     

中国东部夏季降水的年代际变化格局——观测与CESM控制试验模拟结果的对比

根据1961-2005年中国东部389站的夏季降水观测资料,以及通用地球系统模式（the community earth system model,CESM）在固定边界条件驱动下的650年控制试验模拟结果,采用经验正交函数分解和功率谱分析等方法,辨识了中国东部夏季降水年代际变化的主导格局。观测分析与CESM的控制试验模拟结果均表明：中国东部夏季降水年代际变化的主导空间型为“南北反相”（大致以淮河流域为界）和由南到北的多带相间分布（长江流域、东北同相但与华南、华北反相）格局。对比证明：在无任何外强迫变化下,CESM可模拟出观测到的1961-2005年中国东部夏季降水年代际变化的主导空间型和相应的时间位相转折特征。这为深入辨识区域降水年代际异常的主控因子,分析气候系统外强迫变化和内部变率对中国降水年代际变化的影响机制提供了重要依据。     

1991-2010年全球沙尘气溶胶排放量气候特征及其大气环流影响因子

利用全球气候模式CAM5.1的20年(1991—2010年)沙尘气溶胶排放量模拟,分析全球沙尘气溶胶排放量的时空变化及其大气环流影响因子。结果表明:20年全球年平均沙尘气溶胶排放总量为1 152±28 Mt,全球沙尘气溶胶排放源主要集中在北非、阿拉伯半岛和中亚、东亚、澳大利亚及北美沙漠地区。北非沙漠地区作为全球最大的沙尘排放源区,占全球沙尘源总量的61.8%。各沙漠区均有显著的沙尘排放的季节变化和年际波动,沙尘气溶胶呈现春、夏季强排放和秋、冬季弱排放的季节循环。相对于沙尘排放的季节变化,其年际变化幅度明显偏弱。基于大气环流指数与沙尘气溶胶排放年际变化的相关显著程度,确定主要影响全球和主要沙漠地区沙尘排放量的大气环流因子:南方涛动指数SOI、北极涛动AO、南极涛动AAO、大西洋年际振荡指数AMO、北太平洋遥相关指数NP以及西太平洋指数WP。全球主要沙漠地区沙尘排放量与大气环流因子之间的相关性具有明显的区域分布特征,在同一沙漠的不同区域甚至可以表现出正负相反的相关性。热带海气相互作用的ENSO循环中,拉尼娜年(厄尔尼诺年)北非地区的沙尘排放量偏多(少),阿拉伯半岛和中亚地区的沙尘排放量偏少(多)。     

青藏高原冬季积雪时空变化特征及其与北极涛动的关系

青藏高原积雪不仅是气候变化的敏感指示器,而且对亚洲季风区乃至全球气候具有显著影响。利用2002-2014年MODIS积雪覆盖范围产品及ERA-Interim再分析资料,采用气候统计诊断方法探究了青藏高原冬季积雪的时空变化特征及其与北极涛动(AO)的关系,结果表明:(1)高原冬季积雪空间分布差异明显,高原西部和东南部多雪,中部和北部少雪,东部积雪年际变化大,西部多雪区积雪较为稳定。(2)高原冬季积雪EOF分解第一模态具有东—西反位相变化特征,当高原东部积雪偏多(少)时,西部积雪偏少(多)。(3)该模态与AO密切相关。AO正位相时,东亚大槽减弱,南支槽加深东移,西太平洋副高加强使得更多暖湿气流到达高原,有利于高原东部降雪,而高原西南侧阿拉伯海附近存在反气旋异常,使得阿拉伯海的水汽不易抬升进入高原西部,高原西部盛行干燥的下沉气流异常,造成少雪的环流背景,且地表温度偏高不利于积雪维持,从而导致高原西部积雪的减少;AO负位相时,东亚大槽增强使得冬季风加强,高原东部受来自西北的干冷气流控制,不利于降雪产生,高原西南侧出现气旋异常,促使来自阿拉伯海和孟加拉湾的暖湿气流输送至高原西部,与来自西伯利亚的冷空气相遇,营造多雪的环流背景。     

印太暖池区域海温异常与北极海冰变化的联系

采用统计方法,分析了全球海洋表层海温和印太暖池区域海表温度的长期变化特征,探讨了热带印度洋-西太平洋(印太暖池)海表温度异常(SSTA)与北极海冰快速消融之间的可能联系。结果表明,从整体来看,百年来全球SSTA呈现缓慢升高,但期间也存在年际变化的波动,近10年来全球SSTA升高有减缓的趋势,印太暖池区域的SSTA长期变化与全球基本一致。而北极海冰覆盖率自20世纪80年代初由正距平转换为负距平,且以-1.5%/10 a的速度快速减少,每年7—10月的海冰覆盖率减少速度最快,分别为-2.6%/10 a、-2.8%/10 a、-3.0%/10 a和-2.5%/10 a。由相关分析可知,北极海冰覆盖率的快速减少与印太暖池区域SSTA变化存在密切联系,它们之间存在准两年的显著相关。这种联系的重要途径是通过北极涛动(AO)作为桥梁来完成的。采用回归分析,首次建立了夏秋季北极海冰变化与印太暖池区域SSTA之间的预报方程,并对未来两年北极海冰的变化进行了预测试验,2015年和2016年6—10月北极海冰覆盖率异常变化均为-6.16%,仍为快速减少的两年。这一工作对北极海冰变化的深入研究和预测具有一定的推动作用,对全球气候变化的评估提供了理论依据。     

1月北极涛动异常程度特征及其对北半球同期温度的影响

将1月北极涛动（AO）大气遥相关型的强度分为：正常、异常和极端异常3类典型年进行讨论,发现其同期大气环流及其对北半球温度影响存在显著的异同性：当AO呈异常和极端异常时,均表现为东亚大槽、乌拉尔山、贝加尔湖阻塞高压、阿留申低压的持续、稳定异常,但对应极区涡旋的强度、面积及其向南、向北的扩展等有所差异,与NPO、NAO正、负位相对应,致使冷空气在极地和中、高纬度活动范围不同。极端异常年的影响强度和范围较异常年偏大、偏南,高低空配置使冷空气向北半球中低纬度地区延伸,异常低温可扩展至北太平洋暖池区。     

西南地区冬季旱涝特征及其与北极涛动关系

利用1951-2010年我国西南地区内32站月平均降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,对西南地区冬季旱涝时空分布特征及其与北极涛动(AO)的关系进行了研究分析.结果表明:近60a西南地区冬季降水量和旱涝事件平均发生频次均呈东南向西北递减分布,其中滇、黔、桂交界处和四川南部为降水偏多事件多发区,而渝、滇西南、黔东部及四川盆地是干旱事件多发区,特旱事件的发生概率也较高,并有逐年增加的趋势;冬季旱涝以周期为12 a、8 a左右的低频振荡最为显著,近几年均处于负位相;冬季AO与西南地区同期降水呈显著的正相关,AO异常偏强(弱)时,则西南地区降水异常偏多(少).     

青藏高原冬季积雪时空变化特征及其与北极涛动的关系北大核心CSCDCSSCI

青藏高原积雪不仅是气候变化的敏感指示器,而且对亚洲季风区乃至全球气候具有显著影响。利用2002-2014年MODIS积雪覆盖范围产品及ERA-Interim再分析资料,采用气候统计诊断方法探究了青藏高原冬季积雪的时空变化特征及其与北极涛动(AO)的关系,结果表明:(1)高原冬季积雪空间分布差异明显,高原西部和东南部多雪,中部和北部少雪,东部积雪年际变化大,西部多雪区积雪较为稳定。(2)高原冬季积雪EOF分解第一模态具有东—西反位相变化特征,当高原东部积雪偏多(少)时,西部积雪偏少(多)。(3)该模态与AO密切相关。AO正位相时,东亚大槽减弱,南支槽加深东移,西太平洋副高加强使得更多暖湿气流到达高原,有利于高原东部降雪,而高原西南侧阿拉伯海附近存在反气旋异常,使得阿拉伯海的水汽不易抬升进入高原西部,高原西部盛行干燥的下沉气流异常,造成少雪的环流背景,且地表温度偏高不利于积雪维持,从而导致高原西部积雪的减少;AO负位相时,东亚大槽增强使得冬季风加强,高原东部受来自西北的干冷气流控制,不利于降雪产生,高原西南侧出现气旋异常,促使来自阿拉伯海和孟加拉湾的暖湿气流输送至高原西部,与来自西伯利亚的冷空气相遇,营造多雪的环流背景。     

2012-2013年中国西南地区秋、冬、春季持续干旱的成因

利用多种资料从大尺度大气环流、水汽输送、热带海表温度、北极涛动、平流层极涡等方面分析了2012-2013年中国西南地区秋、冬、春季持续干旱的成因。结果表明, 西南水汽输送偏弱、高纬度地区南下冷空气路径偏东、冷暖空气难以在西南地区上空交汇, 是此次持续干旱的直接原因。这段时间西南地区大都受平直西风气流控制, 孟加拉湾和中南半岛地区位势高度较常年偏高, 不利于这些地区气旋性环流的发展;热带海表温度异常变化,特别是冬春季印度洋海表温度的持续偏高, 使得菲律宾地区上空低层反气旋异常环流增强。这些都导致了西南向水汽输送偏弱。此外, 北极涛动异常变化对西南地区的干旱也有重要影响, 北极涛动持续处于负位相, 不仅使南支槽减弱变浅, 西南水汽输送减少, 还导致贝加尔湖高压脊偏弱, 使北方南下冷空气主体偏东。冬季平流层极涡强度的变化在各个高度的位势高度场和位势涡度场上都有体现, 其变化对冷空气的强度及路径有明显影响。