外强迫驱动下气候系统模式模拟的近千年大气涛动

利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)气候系统模式进行的过去千年气候模拟数据, 分析了近千年大气涛动的变化, 并与重建资料进行了比较. 基于代用资料的近千年大气涛动重建序列表明, 北大西洋涛动(NAO)与太平洋年代际振荡(PDO)的演变在千年尺度上呈反位相变化, 在中世纪暖期(MWP)期间, NAO强, PDO弱; 在小冰期(LIA)期间, NAO弱, PDO强. MWP 期间盛行类La Niña 状态,LIA 期间盛行类El Niño 状态, 15, 17, 19 世纪最明显. 模式基本再现了1000~1400 AD NAO 正位相及1650~1900 AD NAO负位相特征, 但模拟的NAO在1400~1650 AD与重建结果差别较大. 模拟的PDO 演变与重建资料较为一致, 均表现为MWP 期间PDO 负位相(1000~1400AD)、LIA 期间PDO 正位相(1400~1900 AD)的特征, 模拟与重建结果的相关系数可达0.61. 模拟的近千年Niño-3 指数演变与重建资料差别较大, 模拟结果表现为中世纪暖期ENSO 正位相、小冰期ENSO 负位相的特征. 模拟与重建的近千年南极涛动(AAO)均表现为中前期负位相、后期正位相的变化特征. 模式可以合理再现MWP 期间亚洲-太平洋涛动(APO)指数整体偏强, LIA 期间APO 指数整体偏弱的特征, 在1000~1985 AD 期间, 模拟与重建结果的相关系数为0.50. 太阳辐射和火山活动等外强迫变化是影响近千年大气涛动变率周期的重要因子之一.     

西北太平洋台风生成频次与南极涛动的关系

研究了西北太平洋台风生成频次(WNPTN)和南极涛动(AAO)的关系, 发现6~9月AAO和西北太平洋台风生成频次(WNPTN)具有显著的反相关关系(1949~1998年期间年际变化的相关系数−.48). 还分析了和AAO的变化相联系的热带西太平洋大气环流和海温的变化, 结果表明: 当AAO处于正位相时, 西北太平洋区纬向风的垂直切变幅度加大, 对流层低层为异常反气旋环流并且涡度异常为负值, 而高层为异常气旋环流并且涡度异常为正值, 海表温度降低, 这些变化均不利于台风生成和发展. 反之亦然.     

地球动力学扁率与南极涛动年际变化的小波相干分析

地球动力学扁率J2的变化反映了全球大尺度的地球各圈层动力学变化及相互作用.对于J2的年际变化与全球大气、海洋运动、陆地水变化的相关性问题,前人的研究表明J2的年际变化信号主要来自地球高纬度(±75°以上)地区的物质质量重新分布和迁移,其可能与ENSO(EI Nio-Southern Oscillation)现象有关.利用交叉小波与小波相干方法对1979~2011年的J2和刻画南极涛动(Antarctic Oscillation,称AAO)的南极涛动指数(AAOI)以及表征ENSO现象的SOI(Southern Oscillation Index)时序在2~8 a尺度的年际变化信号进行分析,结果表明:在1986~2010年间J2的4~6 a尺度的年际变化与AAO显著相关(相关系数0.8),通过95%置信度检验,且J2信号与AAO信号之间存在一定的位相时差,即J2信号位相滞后AAO信号约0~5个月;而在相同的时间段和尺度上J2与SOI之间没有表现出更好的或类似于J2与AAO信号之间的关系特征.此现象可能与南极涛动和南方涛动两者分别反映的大尺度的大气运动及其空间分布特征的不同有关.     

天文观测已检测到2002年的弱El Niño事件

利用现代空间技术观测得到的日长变化(LOD)资料, 赤道太平洋海表水温异常变化和南方涛动指数资料, 经过带通滤波得到年际变化分量, 发现2002年的ENSO事件实际上已经发生, 日长年际变化也已经检测到这次ENSO事件. 对资料进行小波分析表明, 年际变化中4~6 a的变化分量与准2 a变化在相位上不同步, 表明2002年的ENSO事件不会是一次强事件.     

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.     

印度洋海温偶极子和太平洋海温异常

用近百年观测资料分析了赤道印度洋海温（SST）变化，其偶极子型振荡的特征确定存在。这种偶极子型振荡在9－11月最强，而在1－4月最弱；还表现出有年际变化和年代际变化。这个偶极子的正位相型（海温西高东低）一般强于其负位相型（海温东高西低）。尽管在极个别赤道印度洋海温偶极子似乎独立于太平洋厄尔尼诺－南方涛动（ENSO），但总体而论，赤道印度洋海温偶极子与赤道太平洋海温偶极子（类似反ENSO模）有很好负相关。联系它们的主要物理过程主要是赤道大气纬向（Walker)环流的异常。     

天文观测已检测到2002年的弱El Nino事件

利用现代空间技术观测得到的日长变化(LOD)资料,赤道太平洋海表水温异常变化和南方涛动指数资料,经过带通滤波得到年际变化分量,发现2002年的ENSO事件实际上已经发生,日长年际变化也已经检测到这次ENSO事件.对资料进行小波分析表明,年际变化中4～6a的变化分量与准2a变化在相位上不同步,表明2002年的ENSO事件不会是一次强事件.     

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.     

太平洋次表层海温的主要模态与两类ENSO事件之间的关联

厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是发生在热带太平洋地区大气与海洋相互作用的异常事件,其对全球气候异常有着极其重要的影响.越来越多的研究证据表明,热带太平洋存在两种不同类型且相对独立的ENSO事件,即以热带东太平洋海表面温度(SST)异常为主的东部(EP)型ENSO和以热带中     

天文观测已检测到2002年的弱El Ni■o事件

利用现代空间技术观测得到的日长变化(LOD)资料,赤道太平洋海表水温异常变化和南方涛动指数资料,经过带通滤波得到年际变化分量,发现2002年的ENSO事件实际上已经发生,日长年际变化也已经检测到这次ENSO事件。对资料进行小波分析表明,年际变化中4～6a的变化分量与准2a变化在相位上不同步,表明2002年的ENSO事件不会是一次强事件。     

南海西沙过去千年降雨变化及其影响因素

热带太平洋水循环对全球气候具有非常重要的意义.虽然在年际尺度上,厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)与沃克环流的变化对热带太平洋降雨具有显著的影响.但是在世纪尺度上,目前的古气候研究结果大多都认为赤道辐合带(Intertropical Convergence Zone,ITCZ)的整体摆动才是热带太平洋过去千年降雨变化的主要原因.这些研究结果显示在小冰期期间(LIA,AD1400～1850)ITCZ出现了南移,这一南移使得现代ITCZ北界附近的区域在小冰期期间降雨减少,而在南界附近的降雨则出现增多.利用湖泊沉积物多个指标重建的中国南海西沙东岛近千年的降雨变化显示,东岛在中世纪暖期(MWP,AD1000～1400)和现代温暖期(AD1850～2000)降雨较少,而在小冰期期间则表现为湿润.考虑到东岛的地理位置,这样的降雨变化很难被ITCZ整体摆动理论所解释.结合现代器测资料的分析,东岛的降雨变化很有可能主要受到了太平洋沃克环流变化的影响.这一结果说明热带地区过去千年降雨变化不仅仅受到ITCZ的整体摆动控制,其他气候系统如ENSO/沃克环流的变化也起到了重要的作用.进一步综合热带太平洋地区已有的古降雨记录对过去2000年南方涛动指数进行了定量重建,结果显示沃克环流变化与太阳活动之间存在明显的关联.     

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.     

近百年北方涛动与El Nio事件长期变化的关系

北方涛动(NO)是北太平洋东部和西部之间海平面气压距平反相振荡的现象,即当东北太平洋气压升高时,西北太平洋气压降低,反之亦然。由于它与南方涛动(SO)对称且位于赤道以北,故称为北方涛动。研究表明,北方涛动在北太平洋大气环流年际变化中占有头等重要的地位,它不仅与赤道太平洋地区的海温、降水和平均垂直环流有密切联系,而且还同北半球中高纬度的大气环流和气候有关。这些工作是以近30多年资料分析的结果为依据     

马斯克林高压和澳大利亚高压的年际变化及其对东亚夏季风降水的影响

利用NCEP/NCAR的再分析资料和其他多种观测资料, 分析了1970~1999年期间马斯克林高压和澳大利亚高压(以下分别简称为马高和澳高)的年际变化. 结果显示, 马高的年际变化主要取决于南极涛动, 当南半球高纬度绕极低压加深时, 马高加强; 与马高有所不同的是, 澳高的年际变化则同时与南极涛动和ENSO(厄尔尼诺和南方涛动)有关, 当厄尔尼诺发生时, 澳高加强. 相关分析和所选取的个例分析均证实, 东亚夏季风降水与马高和澳高有密切关系. 当北半球从春至夏(南半球从秋至冬)马高增强时, 中国长江流域至日本一带多雨, 华南到台湾以东的西太平洋以及东亚中纬度大部分地区少雨. 与马高相比, 澳高的影响仅限于华南地区, 当澳高增强时, 华南多雨. 研究结果表明, 南极涛动是除ENSO之外另一个能够影响东亚夏季风降水年际变化的强信号, 这对于揭示东亚夏季风年际变化的物理机制和中国夏季降水的预测有重要意义.     

末次盛冰期连续3 ka南京降水记录中ENSO周期

通过TIMS-U系测年和纹层计数年代学研究, 建立了18~14 kaBP南京汤山洞穴石笋纹层生长时间序列, 其中18179~14900 aBP时段年纹层生长速率提供了末次盛冰期东亚夏季风锋区年际降水变率信息. 经功率谱分析, 发现该时段存在显著的2~7年周期, 与现今季风降水记录中厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)周期相吻合, 进一步证实ENSO事件可以出现于盛冰期极端寒冷的气候边界条件. 石笋年生长速率的分段功率谱分析表明, ENSO周期的低频信号(4~7年)在18179~14900 aBP时段呈逐渐减弱的趋势, 支持ENSO事件的岁差旋回日辐射驱动模型. 然而, H1事件时ENSO周期信号的重现, 可能说明东亚冬季风的显著增强对El Niño事件具有激发作用.     

北大西洋涛动活动中心空间位移年际年代际变化

利用Twentieth Century Reanalysis(V2)月平均再分析资料, 通过对冬季平均海平面气压(SLP)距平场上北大西洋涛动(NAO)活动中心空间位置的直接确认, 建立4 个NAO 空间位移指数反映NAO 活动中心空间位移特征, 发现NAO 南北活动中心的经向位移趋势与纬向位移表现非常一致, 表现为NAO 活动中心往往沿着西南-东北方向移动. 多窗谱分析显示, NAO 空间位移指数的周期主要集中在2~6 年, 与NAO 指数的高频变化存在共同的2~3 年的振荡周期.在年代际变化上, NAO 指数与NAO 空间位移指数有显著的正相关关系. 但在年际变化上,NAO 指数与NAO 北活动中心纬向位移的关系却并不显著. NAO 指数与NAO 活动中心年际变化的联系很可能是通过天气尺度的Rossby 波破碎(RWB)产生作用的, 在NAO正(负)位相阶段,伴随着反气旋性波破碎(气旋性波破碎)事件, NAO活动中心偏北(南), 且NAO南活动中心偏东(西), 而NAO 北活动中心在纬向上没有发生明显偏移. 虽然北大西洋地区平均纬向风强度与NAO 空间位移指数存在显著的正相关关系, 但这很可能只是NAO 指数对NAO 活动中心空间位移影响的外在表现.     

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.     

全球变暖背景下ENSO特征的变化

利用1895~2014年Had ISST月平均海温资料和CO_2浓度加倍前后600年海气耦合模式CESM试验结果,对比分析了全球变暖前后厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)特征(强度及其中心位置、生命期与频率)的变化及其可能原因.主要结论如下:全球变暖后,在观测和模拟中气候平均的海温增暖中心分别位于热带西太平洋(类拉尼娜型增暖)和热带东太平洋(类厄尔尼诺型增暖),引起热带太平洋低层东风信风相应地增强和减弱,从而改变了热带太平洋最强海气耦合的位置,决定了ENSO演变特征的不同变化.ENSO事件强度中心位置在类拉尼娜型增暖背景态下更倾向于发生在赤道太平洋中部,形成"中太平洋ENSO",而在类厄尔尼诺型增暖背景态下则更偏向赤道东太平洋,形成"东太平洋ENSO".两种气候态的改变都会造成全球变暖后El Ni?o事件生命期的明显延长,其中,类厄尔尼诺型增暖的影响更大,最大可延长约3个月,极端El Ni?o事件生命期的增长更显著.其主要原因是:全球变暖一方面使热带西太平洋异常西风更早出现,有利于El Ni?o事件的提早发生发展,另一方面会减小热带太平洋温跃层的平均深度和热带中东太平洋赤道内外平均海温梯度,分别减慢了海洋次表层负反馈Kelvin波的东传速率和减弱了El Ni?o暖信号的"放电"速率,使El Ni?o事件衰亡速度减缓,持续时间更长.另外,观测和模式结果均表明,ENSO事件强度和频率在全球变暖背景下明显增强和增多,并且类拉尼娜型和类厄尔尼诺型增暖背景态会分别导致极端La Ni?a事件和极端El Ni?o事件频率显著增多.本文研究结果很好地统一了观测和模式中不同气候背景态下ENSO特征变化的现象和机理,为理解和预估全球变暖后ENSO特征的变化及其气候影响奠定了重要的科学理论基础.     

北极涛动对我国冬季日气温方差的显著影响

利用1954~2001年我国150站日平均气温资料, 分析了历年冬季期间(11月1日到次年3月31日)气温方差的变化与北极涛动的关系. 发现北极涛动处于较强的正位相时, 我国日平均气温方差偏小, 反之则偏强. 主要是通过影响西伯利亚高压中心区的海平面气压的高频变率而影响我国日气温的波动. 季节尺度内异常低温事件(日气温距平 < -2σ, σ 为各站各冬季日气温距平的标准差)频次与气温方差之间存在反常的关系: 温度方差大(小)时, 异常低温事件频次下降(上升). 这与气温的非正态分布有关, 也明显受北极涛动位相及强弱的影响. 近50年来随着北极涛动指数的增强, 西伯利亚高压中心区海平面气压方差显著下降 (-10.7%/ 10a), 我国日气温的变率也在显著减少(-4.1%/10a), 而异常低温事件频次则显著增加(0.16d/10a).     

黄土高原西缘在AD 1875~2003期间石笋氧同位素记录的季风降水变化与海气系统的联系

基于黄土高原西部甘肃武都万象洞中一根石笋0~16 mm之间的5个高精度²³⁰Th年代和103个δ¹⁸O数据, 重建了亚洲季风边缘区过去100多年来高分辨率的季风降水变化历史. 通过与武都器测降水数据对比发现, 最近50多年来石笋氧同位素组成受降雨量效应的影响, 指示了亚洲季风的强弱变化及其带来的降水量信息. 近100多年来亚洲季风的变化历史可分为季风降水增强期(AD 1875~1900)、季风降水减弱期(AD 1901~1946)和季风降水再次增强期(AD 1947~2003) 3个气候段, 而且这3个季风变化阶段与通过历史文献记载建立的旱涝指数变化相似. 近100多年来万象洞石笋氧同位素记录的季风强度变化与太平洋年代际振荡(PDO)密切相关, 年代际时间尺度上PDO暖(冷)相位与季风降水的减少(增加)对应; 但在1977年之后出现了季风降水变化和PDO的反相位关系, 很可能是北太平洋在1976/1977年前后发生的年代际气候跃变的反映. 说明现代亚洲季风强度及季风降水变化通过海气相互作用与太平洋密切相关. 这种关系将有助于亚洲季风区水循环的预测, 而且可以利用洞穴观测数据来提高气候模型的预测能力.