2014年赤道东太平洋El Ni?o事件发展以及停滞过程的成因

2014年2~3月,在赤道西太平洋出现西风事件后,赤道东太平洋产生了显著的暖海表温度异常(SSTA),标志着一次El Ni?o事件开始发展,但随着4月份之后西风事件的减弱消亡,赤道东太平洋暖SSTA也随之衰减,指示着2014年El Ni?o事件的发展在6~8月停滞.资料分析表明,2014年2月,来自印度洋的MJO湿位相到达赤道西太平洋后,西风事件产生,触发了2014年El Ni?o事件.3月初,MJO干位相传播至赤道西太平洋后,西风事件开始减弱.3月中旬以后,东传MJO信号明显减弱,这时赤道西太平洋海表东风异常的发展维持与赤道西-中太平洋SSTA的纬向梯度联系紧密.在MJO信号消亡后,赤道西太平洋的海表异常东风通过风-蒸发反馈作用令当地暖SSTA逐渐加强,降低了局地海平面气压;同时该异常东风令赤道中太平洋混合层出现了明显的异常冷平流,抑制了赤道中太平洋的持续增暖,使局地海平面气压升高,从而加大了赤道西-中太平洋的纬向海平面气压梯度负异常,使得赤道西太平洋的表面异常东风维持加强.这种赤道西太平洋表面异常东风和赤道西-中太平洋SSTA纬向梯度异常的正反馈能够维持到8月份,导致西风事件减弱消失,造成El Ni?o事件的发展停滞.     

亚洲夏季风爆发早晚的新前兆信号:冬季南极涛动

亚洲夏季风最早于5月上旬和中旬分别在中南半岛和南海爆发.统计分析的结果显示,其爆发早晚的前兆信号最早可追溯至冬季南半球中、高纬度的大气环流的异常,即南极涛动.冬季南极涛动偏强会造成初春南半球中纬度地区副热带高压带偏强,低纬地区赤道辐合带加深,从而使南半球中纬度和热带地区的气压梯度力加大,促使3～4月份索马里越赤道气流较早建立并偏强.受科氏力作用,索马里急流增强并越过赤道后,赤道印度洋西风也偏强,有利于孟加拉湾和南海地区低层辐合的加强和对流的活跃,并使西太平洋副高偏弱且较早东撤出南海,造成亚洲夏季风爆发偏早.反之,当冬季南极涛动偏弱时,南半球副热带和热带之间的气压梯度力偏小,索马里越赤道气流偏弱,赤道印度洋西风也偏弱,孟加拉湾和南海对流偏弱,南海上空副高偏强且东撤时间偏晚,亚洲夏季风爆发偏晚.这一结果在过去研究成果基础上进一步拓延了基于南半球大气环流信号预测亚洲夏季风的时效,并可作为一个新的前兆信号在业务中应用.     

为什么2014年没有发展成强El Nio

利用ICOADS重建的月平均海表温度(SST)、GODAS的月平均次表层海温(SOT)、向外长波辐射(OLR)以及NCEP/NCAR的再分析资料等数据,通过与1997/1998年El Nio的发展对比,分析了2013年下半年至2014年热带太平洋的海气演变特征,探讨了2014年未能发展出强El Nio的原因.主要结论如下:1)2013年9月~2014年2月,暖水在西太平洋暖池堆积,虽然满足了El Nio爆发的热力条件,但由于西风异常爆发较晚,且维持时间较短,并在2014年4月以后转为东风异常,抑制东传暖的Kelvin波,使得暖水缺少进一步东移的条件;2)从西风异常发生发展来看,2013年东亚冬季风较弱并且缺少赤道印度洋西风异常的支持,导致赤道西太平洋西风异常爆发较晚;3)2014年4月以后,缺少南北半球的经向风辐合和质量输送,导致赤道西风异常西退而后转为东风异常.此外,赤道印度洋也有着显著不同.在1997/1998强El Nio发展之前的1996年冬季,IOD位相和太平洋东风异常减弱消失,Walker环流上升支东移,暖水在西风异常的驱动下沿着温跃层向东移动,为El Nio的爆发提供条件.2013/2014年冬季缺乏这个条件.     

纬向海陆热力差异的季节转换与东亚副热带季风环流

通过分析气候平均场上对流层中层温度的纬向偏差, 其演变特征表明由春入夏高原东侧我国东部大陆的迅速增温及青藏高原的春季加热, 东亚大陆和西太平洋纬向海陆热力差异的季节转换最早发生在副热带, 且强度最强; 与其相伴随的对流层低层冬季盛行偏北风转变为夏季偏南风, 对流降水也同时出现. 这可能标志着东亚副热带夏季风的建立. 因此提出亚洲大陆(含青藏高原)与西太平洋之间的纬向热力差异在太阳辐射季节背景下所形成的季节循环可能是东亚副热带季风自身独立存在的推动力.     

赤道西太平洋冬季环流对南亚夏季风的滞后影响

基于月平均NCEP/NACR（美国国家环境预报中心和国家大气研究中心）再分析资料（1958-1997年），通过合成、相关以及统计显著性检验方法，研究了赤道西太平洋区域冬季环流状况与后期南亚夏季风环流变化的关系。结果表明，冬季赤道西太平洋区域气候变化将对后期南亚季风产生显著的影响，并且，这种滞后影响随着季节的推移明显具有北移西伸的特征。冬季赤道西太平洋海平面气压异常偏高（低），同期，在西北太平洋海域存在反气旋（气旋）环流异常，随着时间的推移，该反气旋（气旋0环流异常向东北方向移动，并且东西方向的轴线进一步伸长，致使其南部的东风（西风）异常不断北移并且向西扩展到印度半岛附近，进而导致南亚夏季风偏弱（强）。     

南半球对流层上层纬向风与东亚夏季风环流

研究了南半球对流层上层纬向风和东亚夏季风在年际变化尺度上的关系, 用150百帕60°S和30°S之间的纬向平均的纬向风差值(ISH)可以很好地代表南半球纬向风的年际变化. 结果发现: ISH和东亚夏季风环流在年际变化尺度上有非常显著的负相关关系. 研究揭示: 从南半球到热带区域的纬向风的径向遥相关型(主体在东半球)可能是这种关系的主要内在原因. 通过这种遥相关型使得风场和气压场发生改变从而影响东亚夏季风环流; 另外, 与ISH相关连的欧亚大陆区的异常遥相关波列也是一个重要的机制. 而且ISH和东亚夏季风环流的关系有同时性, 也有非同时性. 因此这种关系的存在一定意义上也具有预测价值.     

东亚冬季风-暖池状况-ENSO循环的关系

基于观测资料的分析和海－气耦合模式（ＣＧＣＭ）的数值模拟结果，提出关于ＥＮＳＯ发生机制的一个新观点：持续的强（弱）东亚冬季风将导致赤道西太平洋地区持续的西（东）风异常；而异常的赤道西（东）风可使得已在暖池区存在相当长一段时间的正（负）次表层海温距平（ＳＯＴＡ）向东传播；沿温跃层东传的正（负）ＳＯＴＡ将造成赤道东太平洋正（负）海表温度距平（ＳＳＴＡ）的出现和 Ｅ１ Ｎｉｎｏ（ＬａＮｉｎａ）事件的发生．当 ＥＮＳＯ发生之后， Ｅ１ Ｎｉｎｏ（Ｌａ Ｎｉｎａ）事件的影响又将削弱（加强）东亚冬季风的活动．     

冬季澳大利亚东侧海温与长江流域夏季降水的联系及可能物理机制

通过对观测资料的分析, 初步探讨了冬季澳大利亚东侧海温和夏季长江流域降水的关系及可能物理机制. 研究表明, 澳大利亚东侧冬季海温与我国长江流域夏季降水之间具有同位相变化关系. 当冬季澳大利亚东侧海温变暖时, 随后夏季西太平洋副热带高压和东亚西风急流位置往往偏南, 我国大陆沿岸低层盛行异常的西南风, 有利于长江流域降水增多, 反之亦然. 冬季澳大利亚东侧海温对后期夏季东亚大气环流的影响通过两种途径来实现: (ⅰ) 冬季澳大利亚东侧海温异常信号由于自身的持续性可维持到夏季, 并通过南北半球遥相关影响东亚夏季大气环流的变化; (ⅱ) 冬季澳大利亚东侧海温偏高时,同期西南印度洋海温也易于偏高. 在海气相互作用下, 这种异常信号逐渐向东发展, 并造成夏季海洋大陆附近海温升高. 海洋大陆海温的升高反过来影响对流活动进而导致东亚夏季大气环流异常.     

两类El Nio的发生与赤道太平洋次表层海温异常

通过资料分析,对比了东太平洋型El Nio(EP-El Nio)和中太平洋型El Nio(CP-El Nio)的生消演变与赤道太平洋次表层海温异常的关系.其结果表明:两类El Nio与赤道西太平洋次表层海温异常都有明显的负相关,但在不同相位阶段相关性的变化明显不同;两类El Nio的发生与赤道温跃层结构的变化密切相关,但其生消演变过程中温跃层东西向的梯度和显著变化的区域以及温跃层振荡的幅度和时间都有显著差异;两类El Nio生消过程中,赤道次表层海温异常的传播演变均起到了重要作用,但在暖SOTA的聚集时间、强度、持续时间以及位相反转等方面存在较大差异.此外,两类El Nio事件中,次表层海温异常的传播有着明显不同的路径:东太平洋型主要的传播回路在赤道及其北侧,在赤道以南虽有SOTA的传播,但没有形成显著的回路;而中太平洋型主要的传播路径在赤道及其南侧,在赤道以北其传播路径则远不如赤道以南清晰.本文还初步讨论了两类El Nio与赤道纬向风异常关系的异同,结果表明EP-El Nio更多是对赤道中西太平洋大范围异常西风的响应;而CP-El Nio则更多是对赤道西太平洋地区异常西风的响应,并且一定程度上需要赤道东太平洋区域异常东风的配合.     

东亚季风演变与对流层准两年振荡

对流层准两年振荡(TBO)是20世纪80年代后期揭示出的新现象, 其机理尚未完全搞清楚. 用ECMWF逐日格点再分析资料(1961~2000年)以东亚季风为研究对象, 首先选取对东亚冬季风和夏季风都具有一定表征能力的区域, 根据风场(东北-西南向风速)定义了一个冬、夏季统一的通用东亚季风指数(EAMI), 它既可描写东亚冬季风, 也可以描写东亚夏季风, 还能反映东亚冬季风和东亚夏季风之间的转换特征. 进一步分析发现, 东亚冬季风和东亚夏季风的变化之间有很好的联系. 一般, 强东亚冬季风活动有利于其后东亚夏季风偏强; 反之, 弱东亚冬季风活动则有利于其后东亚夏季风偏弱. 但是, 强(弱)东亚夏季风活动却有利于其后东亚冬季风偏弱(强). 因此, 东亚季风异常的这种循环变化特征, 也就是东亚夏季风与东亚冬季风的相互作用可以认为是导致东亚地区出现TBO的一个重要机制.     

梅雨期EAP事件的中期演变特征与中高纬Rossby波活动

揭示了梅雨期EAP(东亚/太平洋)事件的中期演变特征和中高纬Rossby波活动对它的作用. 正负EAP事件的形成过程并不是简单的反位相演变过程. 在对流层上层, Rossby波能量在欧亚大陆中高纬地区及亚洲急流区向下游频散, 形成EAP事件中高纬度2个异常中心的基本形态. 在这一层, Rossby波能量也从中纬度异常中心向高纬度异常中心经向传播. 在对流层中低层, 热带西太平洋暖池区对流活动异常可形成EAP事件的副热带异常中心, Rossby波能量从这一中心的北界向北频散, 有利于中纬度异常中心的维持和加强. Rossby波能量在对流层上层西风带背景环流中准纬向频散和在对流层中低层东亚夏季风环流中准经向频散, 其对应的异常环流在东亚沿岸地区相互作用和相互锁定, 形成正负EAP事件盛期的典型特征.     

ENSO和北极涛动对东亚冬季气候异常的综合影响

利用NCEP/DOE再分析资料以及我国温度和降水台站资料, 以厄尔尼诺和南方涛动(El Niño and Southern Oscillation, ENSO)冷、暖位相的冬季作为背景, 结合北极涛动(Arctic Oscillation, AO)的月际异常, 对两者影响东亚冬季气候异常的综合作用进行了研究. 结果表明, 当El Niño和AO负异常或者La Niña和AO正异常相互配置时, 我国北方气候异常主要受AO影响, 南方气候异常主要受ENSO影响, 并且该气候异常与已经认识到的AO和ENSO影响东亚气候异常的机理相一致. 然而, 当El Niño和AO正异常或者La Niña和AO负异常相互配置时, 尽管我国北方气温仍主要受AO影响, 但我国大部分地区, 特别是南方的气候异常呈现出与已有认识很不一样的变化模态. 进一步的分析认为出现这种差异的原因可能在于平流层和对流层相互作用以及东亚地区中低纬相互作用的不同, 这会导致在前者的冬季, 大气环流主要表现为纬向对称性, 中低纬相互作用偏弱, ENSO和AO对东亚的影响表现出线性的作用; 而在后者的冬季, 则不利于大气环形模态的维持, 导致东亚地区中低纬相互作用偏强, ENSO和AO对东亚的影响呈现出非线性的相互叠加.     

2013年北大西洋破纪录高海温与我国江淮-江南地区极端高温的关系

2013年7月,我国江淮-江南地区持续高温,多个地区气温打破历史纪录,影响重大.本文从气候学的角度开展了其归因研究,结果发现在2013年7月,北大西洋中纬度地区海温持续偏高,打破160年的历史纪录,海温的异常通过遥相关波列与东亚上空纬向西风和西太平洋副热带高压产生联系,进而可能影响到我国江淮-江南地区夏季气温的变化,这可能是造成该地区2013年7月破纪录高温事件的重要原因.对于江淮-江南地区的极端高温,一般关注的是西太平洋副热带高压的影响.本研究指出,江淮-江南地区上空纬向西风的变化也是影响该地区夏季气温变化的重要气候因子,尤其是2013年7月,该地上空纬向西风破纪录的偏弱与夏季气温破纪录的偏高密切相关.这意味着,对于我国江淮-江南地区夏季气温和极端高温事件的研究,不但需要关注西太平洋副热带高压的作用,还需要关注高层纬向风的变化.     

2018/2019年冬季江南超长连阴雨天气特征及其成因

2018/2019年冬季,我国长江以南(简称江南)地区发生了超长连阴雨天气.区域平均有效降水日数长达51 d,打破了1981年以来的最高纪录,造成了极大的社会影响.本研究利用JRA55再分析资料,通过诊断分析,指出2018/2019年冬季中部型El Ni?o导致的江南地区异常低空水汽辐合和东亚冬季风次季节变化异常活跃,是造成此次江南地区超长连阴雨天气的主要原因.一方面,受此次中部型El Ni?o影响,西太平洋副热带高压异常偏强西伸,为江南地区的持续性降水异常提供了稳定的异常暖湿背景.另一方面,东亚冬季风准双周活动的异常偏强是江南地区超长连阴雨天气的维持条件.当冬季风偏强时,中、高纬度冷空气向南输送至江南地区,触发了局地强降水过程;而当冬季风偏弱时,副热带地区的大气东传低频波列活跃,当该波列到达青藏高原后,在高原大地形的机械阻挡作用下,加强了江南地区上空的动力抬升,并引发弱降水过程.与历史事件相比, 2018/2019年冬季江南地区的低空水汽辐合最强,东亚冬季风次季节显著周期最长,两者均达自1981年以来的极值.因此,江南地区次季节强、弱降水过程的交替出现,最终造成了此次当地的超长连阴雨天气.     

利用GOMOS 卫星资料研究热带平流层臭氧、二氧化氮和三氧化氮的准两年和半年振荡特征

利用2002~2008 年的GOMOS(Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars)卫星观测资料, 研究了热带平流层臭氧、二氧化氮和三氧化氮的准两年振荡(QBO)和半年振荡(SAO)特征. 对赤道上空臭氧和剩余环流垂直速度的年际异常的诊断分析表明: 动力输送是赤道平流层臭氧呈QBO 分布的主要控制因素; 在垂直输送作用下, 平流层中层臭氧的QBO 信号会随着剩余速度的异常向下传播. 而在赤道外的平流层低层, 动力输送在一些年中对臭氧形成QBO 分布作用显著; 在赤道外的平流层中层, 动力输送只影响南半球的臭氧分布. 此外, 文中分析了热带平流层中二氧化氮的分布, 它在赤道平流层中、高层表现出深厚且准静止的QBO 特征, 与同高度上垂直剩余速度的分布有关; 在赤道外平流层中层, 二氧化氮在南北半球呈现不同的分布特征. 受赤道纬向风SAO 的影响, 三氧化氮的年际异常在赤道平流层上层表现出显著的SAO 分布特征, 在纬向风SAO 的不同阶段, 动力输送对三氧化氮的分布产生相反的作用结果.     

北大西洋淡水扰动试验中东亚夏季风气候的响应及其机制

利用一个耦合气候模式执行的一组淡水试验, 研究了在北大西洋高纬度淡水注入量增高的情景下东亚夏季风的响应及其机制, 并与其他耦合模式所做的淡水试验的结果作了对比. 结果显示, 随着北大西洋高纬度海域淡水注入量的增多, 北大西洋经圈环流减弱, 导致北大西洋海表变冷, 从而使得北美区域海平面气压升高, 与之对应的是赤道热带东太平洋海表增强的穿过赤道的东北风, 进而使得该海域内冷水上翻增强, 海表散热加大, 导致海表温度降低, 其结果是赤道以北热带东太平洋Hadley环流减弱, 同时赤道以北热带Walker环流增强及上升支东移, 东亚大陆沿岸出现气旋性风场异常, 最终导致东亚夏季季风区降水减弱. 另外通过与其他淡水试验的比较发现, 北大西洋淡水试验中东亚夏季风的强弱变化受北大西洋高纬度淡水注入量大小的影响.     

古东亚冬季风和夏季风反位相变化吗?

古东亚冬季风和夏季风之间的关系是当前科学界争论的一个焦点. 一些学者认为东亚冬季风与夏季风之间存在负位相变化关系, 而另外一些学者对此却持否定态度. 为此, 以CCSM3模式模拟的末次盛冰期(LGM)和全新世大暖期(MH)两个典型气候为例, 从古气候数值模拟角度对东亚冬、夏季风的关系进行了初步探讨. 结果表明, 与当今气候相比, LGM时期, 冬季阿留申低压加深, 东亚冬季风偏强; 夏季太平洋高压减弱, 东亚夏季风偏弱. MH时期, 冬季阿留申低压和亚洲大陆高压加强, 东亚冬季风偏强; 夏季亚洲大陆低压和太平洋高压加强, 东亚夏季风偏强. 因此, 东亚冬季风与夏季风的关系并非总是负相关对应, 不同特征时期, 东亚冬、夏季风之间的关系可能不同. 在全球偏冷时期二者具有反位相关系, 而在全球偏暖时期二者具有同位相关系, 至少从目前的数值模拟结果来看是这样的.     

行星尺度纬圈平均风扰动的传播与南北极涛动

全球大气变量可以物理分解为纬圈和时间平均的气候对称部分、时间平均的气候非对称部分、行星尺度纬圈平均的瞬时对称扰动和天气尺度瞬时非对称扰动.本文分析了对流层顶行星尺度经、纬向风扰动在季节内和年际尺度上的变化,及其与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、北极涛动(AO)和南极涛动(AAO)之间的关系.结果表明,来自热带对流层顶的年际行星尺度纬向风扰动与赤道ENSO循环有联系,并通过异常的经圈环流传播到副热带、中纬度和极锋对流层顶.来自热带对流层顶的季节内(40~60 d)行星尺度纬向风扰动也可以通过异常的经圈环流向赤道外传播到副热带和中纬度.来自两半球极地对流层顶的大气季节内行星尺度纬向风扰动可以向高纬度传播.AO和AAO是这些行星尺度环流扰动在中高纬度传播与叠加的结果.     

东亚冬季风活动异常与热带太平洋海温异常

利用中国科学院大气物理研究所全球海－气耦合（ＩＡＰ ＣＧＣＭ１）模式４０ａ的积分结果以及１０ａ的观测结果,了东亚冬季风活动异常与热带太平洋海表水温（ＳＳＴ）异常之间的密切关系。强东亚冬季风年的热带ＳＳＴＡ场在中西太平洋为正距平,东太平洋为负距平,在弱东亚冬季风年的情况基本相反,西太平洋为负距平,中东太平洋则为正距平。强东亚冬季风活动在中西太平洋正ＳＳＴＡ区以西以东产生西风距平和东风距平,从而加强这     

早更新世赤道太平洋上部水体结构的东西向不对称格局的形成

选取大洋钻探ODP 130 航次在西太平洋暖池钻取的807 站A 孔上段43 m 岩芯样品为研究材料, 进行浮游有孔虫表层水种、次表层水种的氧、碳稳定同位素分析, 并与赤道东太平洋ODP 851 站的记录比较, 揭示了赤道太平洋海区距今2.5 Ma 以来上部水体的古海洋变迁. 研究发现, 早更新世1.6~1.4 Ma 时, 赤道东、西太平洋表层水和次表层水的氧同位素都发生明显的分异, 进一步证实赤道太平洋类似于现代的东-西向温度梯度(表层水温西高东低)和上部水体温跃层西深东浅的不对称格局在当时最终形成. 由于次表层水的氧同位素东-西向梯度变化大于表层水的, 说明赤道东、西太平洋这种不对称格局的形成应该与东太平洋温跃层变浅、次表层水显著降温关系更为密切. 此外, ~1.6 Ma 之后, 赤道太平洋表层水和次表层水的碳同位素差异明显变小, 且其偏心率长周期也从400 ka 变为~500 ka, 反映了大洋碳储库的改组, 可能与这一时期南大洋深部水的改组及其对热带太平洋(特别是次表层海水)的影响加剧有关, 说明热带系统可以在全球气候变化中起重要作用