耦合气候系统模式FGOALS-s2海洋数据同化试验模拟的冬季Hadley环流长期变化趋势

分析了中国科学院大气物理研究所近期气候预测系统DecPreS的初始化试验的模拟结果,该试验本质上是基于耦合气候系统模式FGOALS-s2的海洋数据同化试验.海洋数据同化方案采用了集合最优差值(ensemble optimal interpolation,EnOI)和分析增量更新(incremental analysis update,IAU)相结合的方案.该研究把同化试验与该模式参与第五次"国际耦合模式比较计划"(CMIP5)的历史气候模拟试验(简称历史试验)结果进行了比较,重点研究海温被观测约束的同化试验对NCEP/NCAR再分析资料揭示的北半球冬季Hadley环流增强趋势的再现能力.结果表明,历史试验模拟的北半球冬季Hadley环流在热带地区存在虚假减弱趋势,同化试验有效地改进了上述偏差,模拟的Hadley环流在5°~15°N呈显著增强趋势,与再分析资料更为接近.同化方案有效改进了对北太平洋和赤道东太平洋海温变化趋势的模拟能力,使得模拟的海温梯度变化更趋合理,最终令Hadley环流变化较之历史试验更接近再分析资料.     

Hadley环流变化与白令海海冰异常的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和Hadley中心提供的海冰资料, 分析了3~4月Hadley环流(HC)变化和白令海海冰异常之间的联系, 发现HC与白令海海冰面积之间具有显著的反相关关系, HC偏强(弱)对应着白令海海冰减少(增加). 进一步分析了HC与白令海海冰联系的大尺度环流背景. 结果表明, 当HC处于正位相时, 阿留申低压位置偏西, 北太平洋东部盛行异常偏南气流, 白令海地区气温偏高, 这种大气环流条件和热力状况都不利于白令海海冰的形成, 因此白令海海冰面积减少, 反之亦然. 研究还揭示, 东亚-北太平洋-北美(ANA)遥相关波列可能是联系低纬度HC和高纬度白令海地区大气环流及海冰变化的一个重要纽带.     

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     

长江流域汛期降水年代际和年际尺度变化影响因子的差异

长江流域汛期(6和7月)降水量的变化, 不仅具有年际变化特征, 而且具有明显的年代际变化特征. 自上世纪90年代以来, 中国长江流域汛期的降水明显增多, 表明在年代际尺度上, 长江流域汛期的降水进入了一个丰沛期. 研究表明, 近年来长江流域汛期降水具有高基本态和高变化率的特征, 它是由影响年代际变化的因子及年际变化的因子共同作用结果. 利用NCAR/NCEP资料分别对这两种时间长度的大气环流进行了分析和诊断, 发现影响年代际变化的因子和年际变化的因子是不同的. 因此要预测长江流域汛期的降水量变化, 必须将年代际变化和年际变化这两种时间尺度进行分离, 清楚地认识控制或影响各时间尺度的物理因素.     

亚洲夏季风的爆发及推进特征

根据美国NOAA向外长波辐射逐日资料以及CMAP降水和NCEP/NCAR再分析资料, 利用功率谱和带通滤波等方法, 探讨在气候平均状况下亚洲季风区各子系统的季节内演变特征; 研究中南半岛南部、孟加拉湾东岸、南海以及印度次大陆各地区夏季风的爆发、推进过程, 给出在亚洲夏季风爆发、推进过程中OLR、降水及风场突变的物理图像. 指出亚洲夏季风平均于5月第2侯首先在中南半岛南端及其毗邻的安达曼海爆发.     

中国与北半球中高纬小雨事件的时空变化特征

基于站点逐日降水实测资料、英国气象局哈德莱中心(Hadley)的逐月高层探空气温资料和海表面温度资料、英国东英吉利大学气候研究中心(CRU)的逐月地面气温资料和NCEP/NCAR逐月再分析资料, 本文分析了1961～2010年夏半年和冬半年中国和北半球中高纬小雨事件的时空变化特征及其与大气层结稳定度、海表面温度和环流的关系. 对中国小雨事件的长期趋势分析的结果表明, 夏半年和冬半年东部小雨事件减少(3.0%/10 a), 西北地区小雨事件夏半年无明显的变化趋势, 而冬半年有增加的趋势(4.1%/10 a). 经验正交函数分解的结果表明, 夏半年和冬半年北半球中高纬小雨事件的前两模态的时间系数主要表现为长时间尺度的变化特征. 夏半年和冬半年第一模态主要表现为近50 a北美大陆、南欧和中国西北地区(夏半年除外)小雨事件有长期增加的趋势, 欧亚大陆大部分地区(包括中欧、东欧、北亚和中国东部)有长期减少的趋势. 夏半年的第二模态主要表现为1961至20世纪80年代早期北美大陆、 南欧和中国南方小雨事件增加, 而45°N以北的欧亚大陆大部分地区小雨事件减少, 20世纪80年代后期至2010年变化趋势逆转. 冬半年的第二模态主要表现为1961至20世纪80年代早期北美大陆、中国南方和华北小雨事件增加, 而40°N以北的欧亚大陆小雨事件减少, 20世纪80年代后期至2009年变化趋势逆转. 线性回归和相关分析的结果表明, 第一模态可能与全球增暖相联系的大气层结稳定度的长期变化趋势有关, 第二模态可能与AMO有关.     

苏门答腊附近大气准双周振荡的可能维持机制

海洋大陆上空常年有对流存在, 特别是苏门答腊地区, 由于地形对气流的阻挡, 形成很强的对流中心[1]. 很多学者指出, 亚洲季风区对流首先在中南半岛上空活跃是冬季位于苏门答腊的热带对流沿大陆桥移动的结果[2~5], 强调了苏门答腊地区的对流活动在亚洲夏季风建立中的重要性. 自从在热带地区发现低频振荡[6]后, 研究表明热带大气低频活动有准双周QBWO (Quasi-Biweekly Oscillation)和准40 d MJO (Madden-Julian Oscillation)两个主要频带, 其中 QBWO在夏季风的建立过程中起到了主要作用[7~11]. 但目前对QBWO的认识并不如MJO那样深入, 特别是对其维持机制的认识. 本文利用气候平均(1980~ 2001年)TBB和NCEP/NCAR逐日再分析资料, 分析了季节转换时期(3~5月)苏门答腊附近对流QBWO及与热带印度洋低层环流的关系, 并对QBWO的可能维持机制进行讨论. .........     

中国陆域近地层风能资源的气候变异和下垫面人为改变的影响

研究在全球变暖的气候背景下, 我国近地层风能蕴藏的气候变化以及下垫面人为改变对其气候变化的影响, 将有助于我国风电发展的长期规划和风能资源的合理开发. 利用代表性较好的全国600多个地面站的40 a的常规风速观测资料, 以及NCEP/NCAR 1960~1999年的10 m高程的40 a的再分析资料, 根据Kalnay和Cai在诊断和估算下垫面人为改变对地面气温变化贡献的研究方法, 通过分析比较由地面器测观测资料和NCEP/NCAR再分析资料风能密度十年变化趋势之差异, 提出了由于下垫面的人为改变所引起的我国陆域风能蕴藏长期变化的量级估计. 分析结果表明: 近40 a来, 我国年平均风速序列保持整体上减弱的气候变化趋势, 并且逐年降低的现象在中国陆域普遍存在; 由于下垫面人为改变的影响, 导致了我国近地层风能密度以减弱的十年变化趋势为主, 并且使得我国区域平均的风能密度的十年变化趋势值达-3.84 W·m^-2/10 a, 接近人为因素与自然因素共同影响引起的风能密度的十年减弱趋势值(-4.51 W·m^-2/10 a).     

副高脊面反转与亚洲夏季风爆发可预测性分析

利用NCEP/NCAR再分析资料揭示了副高脊面反转、季节转换轴建立与亚洲夏季风爆发的关系.基于脊面附近经向温度梯度指数,从理论上分析了季风爆发的可预报性.结果表明,在已知初始经向温度梯度、局地温度变率经向差异的情况下,可以提前对季风爆发迟早做出定性预测.     

夏季青藏高原大气热源与东亚大气热源及环流的关系

利用1971~2000年NCEP/NCAR versionⅠ逐日再分析资料, 通过倒算法计算出大气热源资料集, 并采用相关分析和综合对比分析相结合的方法研究了夏季青藏高原大气热源(Q₁TP)对大范围大气热源及相应大气环流的影响, 结果表明: 夏季青藏高原大气热源(Q₁TP)可以在东亚大陆和西太平洋间激发出一支沿海岸向东北方向传播到达白令海峡-北极的热源波列, 这支波列可能会影响到北美地区. 另外, 当夏季高原东部热源偏强(弱)时, 南亚高压偏东(西)偏南(北), 西太平洋副热带高压偏西(东)偏南(北), 年际变化上南亚高压和西太平洋副热带高压在东西方向上存在“相向而行, 背向而去”的关系, 而高原东部的热源强迫似乎是其一种热力解释.     

青藏高原ERA40和NCEP大气非绝热加热的不确定性

深入理解青藏高原上空大气非绝热加热三维结构,有助于揭示高原热动力效应和机械强迫效应在亚洲夏季风系统中的作用机理.然而现有的高原非绝热加热率资料存在较大不确定性.本文详细比较了NCEP和ERA40再分析资料"残差诊断法"计算的大气非绝热加热数据,分析两种资料所反映的高原上大气非绝热加热的时空分布特点,重点比较了二者在高原南麓的差异,并结合TRMM PR降水和潜热资料分析了差异的可能原因.研究发现两种资料之间的差异在夏季最大:ERA40在高原南麓高海拔地区所诊断的非绝热加热显著大于NCEP.ERA40大气强加热区域从高原南部山脚向北延伸、越过海拔4000位势米直至高原主体的南部;而相应NCEP大气强加热区主要位于高原南麓低海拔地区,不超过海拔4000位势米界限.上述差异不仅限于贴地层(地表感热的直接影响区域),而在400~500 h Pa大气层也很显著.同时发现,ERA40所估计的夏季高原南麓降水显著大于NCEP和TRMM PR的观测,这种差异在时间、空间上都与非绝热加热的差异相吻合.这说明降水所释放的潜热是造成上述差异的主要原因.分析大气加热场和大气环流的经向垂直剖面发现,ERA40在南麓高海拔地区所诊断的大气非绝热加热可向上延伸至对流层高层~300 h Pa,而相应NCEP大气非绝热加热主要集中在较低大气层,相应ERA40诊断的大气垂直上升速度明显强于NCEP,200 h Pa的水平辐散也较强.高原南麓深对流降水及其潜热的不确定性是充分理解高原-大气相互作用的主要难点.     

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）。     

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.     

冬季极赤温差年际变化及其与东亚气候异常的联系

利用美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料,定义了冬季极赤温差(temperature difference between polar and equatorial regions,TDPE)指数,分析了地面以上2 m处极赤温差指数(ITDPE-S)的年际变化及其与同期东亚冬季降水、气温的关系.结果表明:ITDPE-S可反映出全球变暖过程中北半球高纬地区冬季地面温度显著升高,且在年际时间尺度上存在4~8 a的周期变化.ITDPE-S与东亚冬季降水和气温存在很好的相关.当ITDPE-S偏高(偏低)时,中国东北、新疆、河西走廊、日本海以及南中国海到菲律宾岛地区冬季降水增加(减少),对应着中国华北到东北地区冬季平均气温降低(升高).进一步研究发现,ITDPE-S高值年,东亚中纬度地区异常水汽主要来自西北太平洋,低纬度地区降水异常时的水汽主要来自热带海洋上空.水平温度平流引起的异常降温可部分解释东亚中纬度地区冬季平均气温异常偏低.这些结果对深刻认识大气环流异常的形成机理及其影响具有重要意义.     

冰芯记录的南印度洋“南极绕极波”近期信号

利用 1996 年中国南极考察期间在东南极冰盖Princess Elizabeth地区钻取的冰芯(DT001), 对1745~1996年冰芯δ ¹⁸O和海盐气溶胶离子变化进行了分析研究, 研究表明可以用主要化学离子的经验正交函数分析的第一特征向量(EOF1)代表海盐气溶胶传输强度, 是南印度洋准稳态低压带平均海面气压(SLP)的代用指标; δ ¹⁸O则反映该低压带中海表气温(SST)的变化; 冰芯近20年的记录反映了SST和SLP的4次连续波列, 分别对应于NCEP/NCAR资料再现的4列“南极绕极波”(ACW), 且冰芯中SST和SLP代用指标间存在的1~2年位相差也与ACW中SST和SLP间的位相差一致. NCEP/NCAR再分析资料和DT001冰芯记录表明1958~1980年间没有连续和显著的ACW信号. DT001冰芯过去252年长期记录中SST与SLP之间没有1年的位相差关系,不具备ACW基本特征, 从而反证了南印度洋没有ACW的长期连续信号, 1980s后的ACW极可能是ACW启动区发生气候转型后新出现的气候波类型. 但从Na⁺与δ ¹⁸O十年平均变化和位相关系看, 极可能还存在周期约21年的年代际气候振荡.     

江淮梅雨建立的年际变化及其前期强影响信号分析

江淮梅雨建立具有显著的年际变化特征. 利用NCEP/NCAR再分析数据集以及NOAA提供的全球射出长波辐射和扩展重建海温等资料研究了梅雨建立的年际变化及其前期强影响信号, 并探讨了该信号影响梅雨建立年际变化的可能机制. 结果表明, 前期中太平洋ENSO(CP-ENSO)事件是影响梅雨建立年际变化的强信号, 该信号具有较好的短期气候预测准确率和实用性. 当前期冬季2月和春季呈现CP-ENSO暖(冷)位相时, 梅雨建立最有可能偏晚(早). CP-ENSO主要是通过EAP(或JP)遥相关型影响梅雨建立, 其中位于热带西北太平洋的反气旋环流起着重要作用. CP-ENSO暖(冷)位相年, 热带暖湿气流向江淮流域输送偏晚(早), 赤道附近的中太平洋地区海温产生正(负)异常, 通过海气相互作用, 使得西太平洋副高北跳和印度西南季风建立偏晚(早), 东亚上空大气环流由春到夏的季节性转换因而偏晚(早). 大气环流季节性转换和热带暖湿气流向江淮流域输送偏早(晚)是江淮梅雨建立偏早(晚)的主要原因.     

北半球副热带高压双脊线的统计特征

利用41年NCEP/NCAR再分析资料对北半球副热带高压(简称副高)双脊线的普遍性和若干统计特征进行了系统探讨. 结果表明, 副高双脊线是北半球副热带高压的一种普遍现象, 其发生具有明显的季节锁相特征和地域性. 7月中旬到9月中旬, 双脊线事件频繁出现在北印度洋中东部到北太平洋中部一带, 尤其是西太平洋副热带地区, 双脊线事件极其活跃. 基于这一点, 重点分析了西太平洋副热带高压(简称西太副高)双脊线的若干统计特征, 指出大部分副高双脊线的生命史都非常短暂, 但有些双脊线过程仍能持续较长时间; 夏秋季是双脊线事件最频繁的阶段, 而冬春季双脊线事件较少; 西太副高双脊线事件也有明显的年际变化, 并且呈现出一定的周期性, 而这种周期在70年代中期发生了明显的突变. 此外, 文中也探讨了西太副高双脊线事件与副高南北移动的关系.     

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.     

中国梅雨雨带年代际尺度上的北移及其原因

分析了1979~2007年中国梅雨雨带移动特征及其与东亚副热带地区环流变化的关系. 研究发现, 20世纪90年代末中国梅雨雨带呈明显北移的趋势, 1999年以前梅雨雨带主要位于长江及其以南地区, 1999年以后雨带明显北移到了长江以北的淮河流域. 同时发现, 由于江淮梅雨期东亚中纬度地区对流层明显增暖, 平流层明显冷却, 使得东亚副热带对流层高层等压面向上突起, 对流层顶升高, 从而导致东亚副热带大气的扩张. 伴随副热带地区大气扩张出现的是东亚副热带急流北移, Hadley环流圈拓宽北伸和中纬度西风带北移. 东亚副热带大气扩张使得梅雨雨带向北移动, 导致长江以南降水减少, 长江以北降水增多.     

纵向岭谷作用下的怒江跨境径流量变化及其与夏季风的关系

以怒江跨境径流量观测数据、NCEP/NCAR的U场、V场和NOAA的OLR场资料为基础,应用统计分析方法研究了纵向岭谷作用下的怒江跨境径流量变化及其与夏季风的关系.研究表明:怒江跨境径流量主要集中在纵向岭谷区的湿季或雨季(5~10月),其中又以夏季或汛期(6~8月)为最多.怒江的跨境径流量变化从20世纪70年代以来表现出了一种显著增多的时间演变趋势,特别是在20世纪80年代以来的这种增加趋势是十分显著的.夏季怒江跨境径流量与较低层东西风分量的相关性不显著,与较高层东西风分量的相关性显著,与较低层和较高层南北风分量的相关性都是显著的,与OLR场的负相关性也是显著的.同时考虑动力学因子和热力学因子而建立的夏季风指数MI2的年际变化,能在一定程度上较好地反映出纵向岭谷区怒江流域西南季风环流系统的活动和变化,即指数MI2越大,则对应的夏季风环流系统的活动就越强,这时有利于夏季怒江跨境径流量的增加;反之,指数MI2越小,则对应的夏季风环流系统的活动就越弱,这时则不利于夏季怒江跨境径流量的增加.