北大西洋涛动和北太平洋涛动的演变与20世纪60年代的气候突变

用英国Ｈａｄｌｅｙ中心的海平面月平均气压资料,分析了研究了北大西洋涛动和北太北洋涛动的年际变化特征以及它们与北半球６０年跃变的关系。结果表明,ＮＡＯ和ＮＰＯ的振幅在６０年代发生了明显的增大,其主要振荡周期也由６０年代以前的３－４ａ变成了８－１５ａ。     

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.     

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.     

最近530年冬季北大西洋涛动指数与中国东部夏季旱涝指数之联系

用Glueck 等人建立的1429~1983年冬季北大西洋涛动指数(简写为NAOI)序列, 分析了它与我国东部100个站1470~1999年共530年夏季旱涝等级序列(简称旱涝指数)的联系. 发现NAOI与我国东部几个区域平均旱涝指数(缩写为FDI)有很好的滞后相关. 北区及整个东部平均旱涝指数在滞后NAOI 2~3年时, 最大相关系数接近0.001的显著性水平. 中、南区负相关也达0.05~0.01的显著性水平. 最佳相关时段在1636~1742年(小冰期), 北区及整个东部地区两者相关系数显著性水平远超过0.001; 其次是1951~1999年, 北区、中区平均FDI与NAOI的相关系数显著性水平均在0.005~0.002之间. 功率谱分析和Morlet小波变换发现, 北区及东部的区域平均FDI与NAOI有几乎完全相同的年际、年代际乃至世纪尺度的振荡周期, 即4~5年、准10年、20~30年、50年左右、80~100年等. 用Mann-Kendall Rank Statistc方法检测发现, 在最近530年中, 北区及东部地区平均旱涝序列, 在不同时期存在非常显著的旱涝趋势变化及明显的年代际突变, 但NAOI在最近400余年中却没有达到显著性水平的上升和下降趋势变化, 其年际和年代际尺度的突变较我国FDI频繁得多. 这可能与NAOI重建序列极端值振幅较器测序列的振幅偏小有关.     

近千年的大气涛动

总结了近千年大气涛动的变化, 即北大西洋涛动(NAO)、北太平洋涛动(NPO)或太平洋年代振荡(PDO)、南方涛动(SO)、南极涛动(AAO). 首先利用观测资料比较研究了近百年(1900~2000年)涛动的变化. 指数相关系数表明, AAO与NAO或NPO有相对的独立性, 但是20世纪的低频变化则有某种程度的一致性: 1920~1940年和1980~2000年各涛动均以正位相为主, 1940~1980年负位相占优势. 根据代用资料建立的1000~2000年涛动序列表明, 涛动变化随时间各有不同: NAO的正位相出现在前期, PDO和ENSO的正位相在中、后期, AAO的正位相主要在后期. 此外, 近500年ENSO的变率有增强的趋势, 同时ENSO增强, AAO增强.     

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.     

长江流域夏季降水与前期北极涛动的显著相关

分析了春季北极涛动的变化对随后夏季长江中、下游地区降水的影响.利用观测的降水长序列资料,进行带通滤波处理去掉10年以上时间尺度的变化,结果表明在年际尺度上,近百年的5月北极涛动指数与夏季降水相关最高达-0.39,超过99％信度水平.当北极涛动偏强一个标准差时,整个中国长江中、下游地区到日本南部一带,降水减少3％～9％左右,而中国华北到俄罗斯远东地区则偏多3％～6％左右.降水的这种变化与对流层东亚急流的变化密切相关,如果春季北极涛动强,随后夏季急流位置偏北,雨带位置也北移,从而造成长江中、下游地区降水的减少和北方降水的增加,反之亦然.这为汛期降水的预测提供了有用的信号.     

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.     

南方涛动（South oscillation）与影响上海的台风

South oscillation(南方涛动)一般在热带气象学界认为仅发生在低纬度的热带地区,加勒比海地区是注意的对象,论文很多,引起世界各国气象学家们的重视.后来,对西太平洋到印度洋北部热带地区的南方涛动,也有了研究,Krishnamurti(1976年)研究了中国南海到盂加拉湾的季风扰动,证明了印度季风活跃期事实上同西太平洋的活动有关,即西太平洋的活动能引起下游方向印度季风的增幅作用.归因于北半球夏季这个地区中有缓慢向西传播的群速(小于相速).说明印度季风的出现,与纬圈方向的西太平扰动有关.同时注意到这种纬向对应的季风,在活跃期和中断期     

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).     

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.     

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.     

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.     

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     

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.