全新世太阳活动驱动的太平洋上层热力结构的瞬变演化

在中等复杂程度地球系统模式(UViC-ESCM)中, 受过去7千年来瞬变太阳活动驱动, 北半球冬季太平洋上层水体热力结构表现出百年尺度变化特征, 西太平洋暖池(WPWP)的三维热力响应被大幅度增强. 太阳活动最大值期, 热带西太平洋表层海水温度变化幅度比Niño3区域大30%左右, 而次表层海水温度变化幅度在副热带北太平洋比赤道西太平洋大40%; 太平洋纬向表层海温梯度(西-东)和经向次表层海温梯度(北-南)同时增强, 且在百年尺度周期上线性响应于太阳活动驱动. 表层海温梯度的208 a周期最为显著, 而次表层海温梯度在大于208 a的周期上更为显著. 此外, 表层海温梯度在百年尺度周期上的相位滞后(响应时间)要比次表水海温略小, 表层海温梯度中出现的148和102 a周期并未见于次表层海温梯度. 上述模拟结果初步指示WPWP古海洋记录中的全新世百年尺度波动可能来源于太阳活动变化.     

中世纪暖期、小冰期与现代东亚夏季风环流和降水年代-百年尺度变化特征分析

利用气象仪器观测资料、降水和温度代用资料以及气候模拟结果, 综合分析近1000年东亚夏季风区海陆热力差异和降水的年代际、百年际尺度变化规律, 对比了现代、小冰期和中世纪暖期东亚季风环流和降水的基本特征, 以及与太阳辐照度和全球气候变化的联系, 得到以下结论: 在近150 年里, 用东亚陆地与其周边海域大气温度差异指示的东亚夏季风环流与降水呈现出显著的年代际波动特征, 并且在过去50 年全球增暖最快时期东亚季风偏弱; 在百年尺度上, 中世纪暖期东亚夏季风环流是过去1000 年里最强时期, 而在1450~1570 年期间东亚夏季风是过去1000 年里最弱的时期; 对应于偏弱的东亚夏季风环流, 中国东部季风雨带总体上位置偏南, 伴随着华北降水偏少、长江降水偏多(即“南涝/北旱”型)异常分布特征; 从20 世纪初到20 世纪20 年代, 降水呈现出长江流域偏少、华北偏多的反“南涝/北旱”型特征; 与中世纪暖期相比, 在1400~1600 年期间发生的是一个更长时间尺度的“南涝/北旱”现象; 此外, 东亚夏季风环流和降水变化与全球气温变化的趋势有不同步特征, 在近150 年里, 尽管全球和中国区域表面年平均气温显著增加, 但是东亚季风环流和降水没有表现出一个增强或者减弱趋势, 在过去1000 年里东亚夏季风最弱时期要比北半球最冷时期出现的早, 并与太阳辐照度的最弱时期相对应.     

近千年亚洲-太平洋涛动指数与东亚夏季风变化

为研究东亚夏季风的长期变化规律, 重建了近一千年来反映亚洲与太平洋纬向热力差异的季风指数, 即亚洲-太平洋涛动指数(I_APO). 在小冰期, 重建I_APO在世纪尺度上的变化与我国东部旱涝关系紧密, 并且这种关系与在现代观测资料中的一致, 这说明重建的I_APO总体上能够指示小冰期时在世纪尺度上的东亚夏季风变化和我国东部降水异常.     

华北干旱化趋势及转折性变化与太平洋年代际振荡的关系

基于月降水和月平均气温资料, 通过计算地表湿润指数分析了中国华北地区1951~2005年干湿变化的年代际趋势特征及其与太平洋年代际振荡指数(PDOI)的关系. 结果表明: 华北地区气候及环境干湿变化存在显著的年代际趋势和突变特征, 20世纪70年代中后期至今处于一个暖而降水少的干旱时段; 近55 a经历了一个由湿向干转换的过程, 其中转折点发生在20世纪70年代中后期, 这应与全球大尺度气候背景的转折性变化有关. 相关分析表明: 在年代际尺度上, 四季和年的PDOI与气温、降水和区域平均地表湿润指数均有显著的相关关系. 这种相关关系表现为正的PDOI位相(PDO暖位相)对应华北地区高温、少雨和干旱时段, 而负的PDOI位相(PDO冷位相)对应低温、多雨和湿润的时段, 不同位相的持续时间在25 a以上, 与降水和气温年代际趋势密切相关的北太平洋海温的年代际变化是该地区年代际干湿趋势形成的可能原因之一.     

太阳活动对地球气候的影响

太阳辐射是地球系统的能量来源,是气候形成和演变的根本驱动力。在千年以上的长时间尺度上,达到地球的太阳辐射变化与地球气候有密切的关系。但在百年和百年以下的时间尺度上,人们尚不清楚太阳活动对气候是否有明显的影响。太阳活动可能通过多种路径影响地球气候,过程极为复杂。气候系统对太阳外强迫的响应又具有非线性特征,造成了太阳活动变化对气候的影响存在很大的不确定性。文章梳理和归纳总结了太阳活动影响地球气候的最近研究工作,在年际和年代际尺度上讨论了太阳活动变化对地球气候影响的关键因子和可能途径,以及气候系统对太阳活动变化响应的敏感地区和关键环节。     

太阳活动与地球表面温度变化的周期性和相关性

基于太阳黑子历史数据、太阳总辐照(TSI)重构数据和实测地球表面平均温度数据(全球、陆地、海洋),利用小波分析和交叉相关分析等方法,考察了太阳活动和地表温度变化在数百年时间尺度上的周期性及相关性.主要结果有:(1)在所考察的时间范围内,太阳活动(包括黑子和太阳总辐照)存在4个置信度高于95%(白噪声)的主周期变化,分别为11 a周期、50 a周期、世纪周期和双世纪周期,全球温度存在64.3 a的主周期变化,接近太阳活动的50 a周期;(2)太阳活动与全球温度变化具有22,50 a的显著共振周期;(3)太阳活动与地表温度长期变化的相关性高于其短期变化的相关性,以黑子为例,它与地表温度年均值的相关系数为0.31~0.35,11 a滑动平均值相关系数为0.58~0.70,22 a滑动平均值相关系数为0.64~0.78,太阳总辐照与地表温度的相关性高于黑子与地表温度的相关性;(4)太阳活动在近100年里有明显增强,它与全球温度(包括陆地、海洋)近100年的升温是一致的,太阳活动与海洋温度的相关性略高于太阳活动与陆地温度的相关性.这些结果表明,太阳活动在百年时间尺度上对于地表温度的变化具有不可忽略的影响.     

亚洲-太平洋涛动变化与北太平洋海温异常的联系

通过对观测资料的分析, 初步探讨了夏季(6~8月平均)亚洲-太平洋涛动(APO)变化和北太平洋海表温度(SST)异常的关系, 发现APO强弱的年际变化与北太平洋SST之间存在显著的正相关关系(1954~2003年间年际变化的相关系数为0.58). 夏季APO偏强(弱)时, 北太平洋SST往往偏高(低). 与APO异常相关联的动力和热力条件佐证了APO和北太平洋SST的同位相变化关系. 当APO处于正位相时, 高空东亚西风急流减弱, 北太平洋对流层低层为异常反气旋型环流控制. 此外, 北太平洋区域感热潜热通量出现负异常, 海洋得到热量, 同时, 暖水向北的异常平流输送增强. 这些变化均有利于北太平洋SST增暖, 反之亦然.     

近千年中国东部夏季气候百年尺度变化的模拟分析

利用全球海气耦合模式ECHO-G 近千年积分模拟试验结果, 通过Lanczos 滤波器滤去100 年以下的年际-年代际变化信号, 保留百年尺度的气候变化信息, 分析了近千年来中国东部夏季气候在百年尺度上的时空变化特征并探讨了影响其变化的主要原因. 结果表明: (1) 近千年中国东部经历了暖-冷-暖3 个阶段, 由暖期进入冷期相对由冷期进入暖期缓慢, 暖期降水多冷期降水少, 降水的峰谷变化滞后于温度. 有效太阳辐射和太阳辐照度分别是影响温度和降水变化最显著的因子, 现代暖期之前火山活动的增强对极端低温的出现有明显影响, 火山活动与降水在1400 AD之前为正相关, 在1400 AD 之后为负相关, 温室气体浓度与现代暖期温度和降水有一致的变化趋势. (2) 温度的百年尺度与年际-年代际尺度的第一特征向量的空间分布型都为全区一致分布, 高纬的变率大于低纬, 这一分布型主要受有效太阳辐射和温室气体的共同影响. 降水第一特征向量的空间分布型在百年尺度与年际-年代际尺度上存在着显著差别, 百年尺度为全区一致的分布, 而在年际-年代际尺度上长江和黄河中下游与其两侧的区域呈反相分布, 太阳辐照度和温室气体共同影响了降水百年尺度上的这一空间分布型.     

年际和年代际冷暖变化是人类活动碳排放量增减的诱因

工业化以来的近百年全球平均气温、大气CO2浓度和欧美发达国家(美国、英国、法国和德国)化石燃烧年和月的碳排放量等数据用于分析它们之间在年际和年代际时间尺度上的变化关系.在年际尺度上,美国冬季气温偏低(高)年的碳排放量显著增加(减少);夏季与之相反,化石燃烧的碳排放量与气温存在显著的正相关.在年代际尺度上,美国和全球的气...     

北极涛动与太平洋年代际振荡的关系

文中研究了年代际时间尺度上冬季(11~3月)北极涛动与太平洋年代际振荡之间的关系. 结果发现, 北极涛动对于太平洋年代际振荡的变化起着重要的作用. 当北极涛动超前太平洋年代际振荡7~8年的时候, 两者的相关关系最好, 相关系数为0.77. 这种年代际时间尺度上的超前性对太平洋年代际振荡的变化有着很好的预测意义. 回归分析和超前滞后相关的结果表明北极涛动与太平洋年代际振荡耦合的关键可能在于阿留申低压: 强的北极涛动导致阿留申低压加深, 进而通过北半球中纬度的海气相互作用影响到太平洋年代际振荡, 反之亦然.     

热带印度洋偶极子与ENSO事件关系的年代际变化

利用3种百年尺度的海温资料以及来自NCEP/NCAR的大气场资料, 本文探讨了热带印度偶极子和太平洋ENSO事件关系的年代际变化. 在1948~1969阶段, 正(负)位相的偶极子与暖(冷)ENSO事件表现出较多的相对独立性, 但是1970年之后, 它们经常同时发生. ENSO影响偶极子事件的整个生命史, 而偶极子主要影响ENSO事件的发展阶段. 通过分析海温背景场、低层风场以及沿赤道的垂直速度的年代际变化, 本文揭示出偶极子与ENSO关系的年代际变化可能是1970年以后与增强的Walker环流相伴随的海洋性大陆上空加强的垂直运动所导致的. 1970年以后异常增暖的海洋性大陆周围的海水导致了低层风场的异常辐合以及上空对流活动的加强, 从而使得热带东印度洋和西太平洋之间的海水交融加强, 由此, 热带印度洋偶极子事件和太平洋ENSO事件的相互影响相互联系变得更加紧密.     

20世纪80年代中期以来东亚冬季风年际变率的减弱及可能成因

东亚冬季风的系统成员包括西伯利亚高压、阿留申低压、东亚大槽、对流层低层的偏北风以及高层的东亚急流.分析结果表明,自20世纪80年代中期以来,上述东亚冬季风环流系统的年际变率均明显减小,同时与西太平洋海表温度年际变率间的联系也显著减弱.1956～1980年期间,东亚冬季风的年际变率与东亚沿海(暖池)的冬季海表温度呈显著的负(正)相关关系.然而,上述统计相关在1986～2010年期间显著减弱.研究显示,自20世纪80年代中期以来,北极涛动对东亚冬季风的年际变率主要起抑制作用.此外,全球变暖使得亚太地区冬季的海陆热力差异的变率在年代际和年际尺度上都有所减弱.这两方面的因素都从一定程度上导致了东亚冬季风年际变率的减弱.     

ENSO和东亚冬季风之关系在20世纪70年代中期之后的减弱

东亚冬季风(EAWM)的一个主要特征是冬季来源于高纬的冷空气活动,冷空气活动的频繁与否、强弱与否对我国气候影响甚大.EAWM和西伯利亚高压、东亚大槽、高空急流关系密切.ENSO可以在一定程度上调控东亚冬季风,因为ENSO和印度洋及西太平洋区域的海温(SST)的变率紧密相关,而该区域的SST变化可以影响亚洲和太平洋、印度洋区域的海陆之间的热力对比,进而影响东亚冬季风.本文通过分析ENSO,EAWM及海洋和大气的气候变异,发现ENSO和EAWM之关系在20世纪70年代中期以后减弱了,由之前的显著反相关,变成了没有显著相关.进一步的研究表明,20世纪70年代中期之后,ENSO与印度洋-西太平洋气候变率的联系减弱了;另外,EAWM的年际变率也减弱了,与EAWM变率耦合的气候变率从区域上向北方后退了.这些因素可能是造成ENSO和EAWM之关系减弱的主要成因.ENSO和EAWM关系的减弱对我国冬季气候的预测具有深刻影响,需要未来加以深入研究.     

中纬度亚洲降水年际变化的空间差异与环流异常

<正>依据Climatic Research Unit(CRU)1960~2009年0.5°×0.5°网格点的月均降水量序列及NCEP/NCAR 1948~2009年2.5°×2.5°网格点再分析逐月资料,分析了中纬度亚洲近50年来的降水变化的空间差异及其可能机制.结果发现,大致以100°E为界限,西风环流控制的亚洲中部干旱区与季风环流主导的中国西北东部-华北地区降水在年代际、特别是年际尺度上存在相反的变化,即中纬度亚洲在年际尺度上亦存在降水变化的"西风模态".针对不同区域的主要降水季节     

印度尼西亚贯通流年代际变化及成因分析

基于最新SODA资料研究了印度尼西亚贯通流(Indonesian throughflow, ITF)体积和热量输运的年代际变化, 并对其机制进行了初步探讨. 结果表明: ITF体积输运年代际变化主要产生在714 m以浅, 热量输运的年代际变化主要在450 m以浅. Davao南侧、新几内亚岛北侧和澳洲西北侧海域不同深度以上垂向积分海水压力年代际变化较为一致; 澳洲西北侧与Java岛南侧海域的垂直积分压力差与ITF体积输运在年代际尺度上具有最好的对应关系. 基于绕岛环流理论分析了年代际尺度上太平洋风应力与ITF体积输运的关系, 指出澳大利亚南端纬线上和赤道太平洋的纬向风应力积分是ITF年代际变化的主要贡献者, 赤道太平洋的纬向风应力积分决定了ITF年代际变化的相位. 上述结果说明热带海区的大气强迫和海洋调整过程均对ITF年代际变化有重要的贡献.     

夏季青藏高原与其东部平原的热力差异对中国降水的影响

亚洲东部存在二级热力差, 即高原-平原和大陆-海洋的热力差. 现有研究中讨论大陆-海洋热力差异变化对中国东部地区降水影响的工作很多, 而讨论高原与其东部平原热力差异对中国夏季降水影响的工作很少. 为此, 本文利用1951~2007年NCEP再分析资料和中国160站降水资料, 以500 hPa高原地区(27.5°~40°N, 80°~100°E)平均温度和平原地区(27.5°~40°N, 110°~120°E)平均温度之差近似表示高原和平原的热力差, 并将其作为东亚副热带地区高原和平原热力差指数, 探讨夏季高原-平原热力差异与东亚大气环流和中国降水的关系. 诊断分析和数值模拟结果表明：夏季高原-平原热力差异变化和中国西部90°~110°E地区夏季降水有显著相关. 高原-平原温差的高指数年表示高原-平原温差加大, 高原上空的热低压加强, 西北太平洋副热带高压位置偏南, 这往往对应着90°~110°E地区的南涝北旱, 低指数年则反之. 近57年来, 高原-大陆温差指数变化表现出显著的上升趋势和波动特点, 与此相应, 中国90°~110°E地区也经历了由北涝南旱向南涝北旱变化的过程. 这些结果为加深认识亚洲东部特殊地理环境造成的二级热力差异对中国夏季降水年代际变化的影响也具有参考意义.     

青藏高原-东亚平原-西北太平洋三级阶梯状海陆热力差异及其对东亚气候季节转换的影响

<正>东亚-太平洋地区上空存在三大热源,分别位于青藏高原、东亚平原及西北太平洋上空,因此构建形成了纬向三级阶梯状热力差异.根据EOF分析,该纬向三级阶梯状海陆热力差异解释了东亚-太平洋地区热力季节变化45%的方差贡献,远远高于经向海陆热力差异的贡献,对东亚-太平洋地区的气候产生了深远影响.青藏高原东南侧存在一个特殊的常年南风区,常年维持偏南风,与东亚典型的季风气候形成显著对比;     

皮纳图博火山爆发对20世纪90年代初平流层年代际变冷突变的影响机理

过去研究表明一次火山爆发可以影响季节到年际尺度的气候变化,而本文发现1991年皮纳图博火山爆发可能导致了20世纪90年代初平流层的年代际变冷.采用NCEP/NCAR再分析资料和TOMS/SBUV卫星观测资料,发现了在平流层长期变冷趋势中,热带气温和位势高度在20世纪90年代初年发生了年代际降低突变.进一步分析了平流层热带地区年代际变冷突变的时空分布特征,并探讨了1991年6月皮纳图博火山的爆发与此次平流层变冷的关系.结果表明,皮纳图博火山所喷发的火山灰在平流层通过硝酸盐和硫酸盐对ClO的活化作用造成了平流层臭氧的年代际减少,从而可能导致了臭氧在平流层吸收的热量年代际减少,进而造成此次平流层热带地区的年代际变冷突变.因此,20世纪90年代初平流层年代际变冷突变可能是由皮纳图博火山爆发导致的,这就意味着一次强火山爆发也可能导致平流层的年代际气候变化.     

华北汛期降水多尺度特征与夏季风年代际衰变

研究了近50年华北汛期降水的频谱结构和演变特征及其与夏季风衰变之间的关系. 小波分析表明华北汛期(7~9月)降水年际尺度成分约占总方差的85%, 其演变代表了华北降水的基本走势. 近30年降水年际尺度部分发生了很大变化, 准5年谱消失, 准2年谱逐渐减弱, 1977年后降水年际变化十分微弱. 与此同时, 夏季风也呈现明显的年代际衰减. 计算表明, 华北汛期850 hPa平均经向风的演变以年代际尺度成分为主, 其演变特征与汛期降水非常相似, 且与降水序列及其年际尺度序列都呈显著正相关, 说明华北夏季风的年代际衰变可能是华北干旱的主要原因之一. 此外, 伴随20世纪60和70年代东亚季风的两次年代际突变, 我国大部分地区都出现了年代尺度的旱、涝更替, 而华北却从20世纪60~70年代的部分地区少雨发展成80~90年代的严重干旱.     

盛冰期太阳活动在南京石笋年层序列中的印迹

根据南京葫芦洞一支石笋高精度²³⁰Th年龄及纹层计数, 确定该石笋在24~21 kaBP期间发育连续3000年左右的年层序列. 石笋年纹层厚度与光面灰度具有良好的相关性(r = 0.55), 支持纹层厚度反映夏季风降水效应的观点. 年纹层厚度与反映太阳活动的冰芯¹⁰Be记录在百年-千年尺度上的一致性, 说明全球冰量最大背景下东亚夏季风气候的高频变化仍受太阳活动驱动. 年层序列的功率谱分析结果表明十年-百年尺度的季风气候变化与太阳活动周期基本一致.