热带西太平洋环流及其季节变化

利用由GFDL的MOM3海洋环流模式和NODC的XBT数据库生成的全球海洋同化数据,分析了热带西太平洋环流及其季节变化.同化数据所反映的环流结构和平均流速流量与已知观测结果非常吻合.同化数据算得的北赤道流、棉兰老流、黑潮源地以及140°E以西的北赤道逆流等的流量基本上都表现出春强秋弱的季节变化特征,尽管彼此之间还存在少许位相差.由于两个热带流涡季节循环之间存在位相差,北赤道逆流还有半年振荡.与其上游的棉兰老流和新几内亚沿岸流不同的是,印度尼西亚贯通流在夏季东南季风期间较强,表明其季节变化深受季风影响.     

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.     

印度尼西亚贯穿流与南海贯穿流的相互调制

基于风应力估算和海洋同化数据的分析都表明，印度尼西亚贯穿流与南海（吕宋海峡）贯穿流的年际变化呈反位相，其主要原因是赤道太平洋风场异常强迫．在E1 Nino期间，赤道太平洋的西风异常会使北赤道流增强，其分叉点向北移动；北赤道流对黑潮和棉兰老流的体积输送分配产生变化，黑潮减弱，棉兰老流增强．两支环流的变化会导致在吕宋海峡和苏拉威西-棉兰老通道处出现入隙／跨隙（undershooting／overshooting）现象，即黑潮减弱会导致从太平洋进入南海的水体增加，而棉兰老流增强会导致太平洋进入印度洋水体的减少．La Nina期间，情况与之相反．因此，印度尼西亚贯穿流和吕宋海峡贯穿流的年际变化关系具有深刻的海洋动力学意义．     

一个修正的海气通量距平耦合方案

通过分析海气耦合模式“气候漂移”的原因,提出了一个修正的通量距平耦合方案,它可以保证通过海气界面的热通量长期平均值接近于零。应用这个耦合方案,可以成功地把一个２０层海洋环流模式和９层大气环流模式耦合起来,并完成了一个４０ａ的长期积分,积分结果表明,模式没有出现明显的气候漂移。     

大西洋海温异常在ENSO影响印度-东亚夏季风中的作用

利用1979～2007年的海温和热通量以及风场资料分析了与ENSO相关的热带北大西洋海温变化的机制及其与印度-东亚夏季风环流的关系,结果表明热带北大西洋夏季海温和前冬Nio3区海温具有显著正相关,它与同期印度-东亚季风区大气环流的相关显示了类似于ENSO成熟次年夏季季风环流异常的分布特征.热带北大西洋海温和ENSO的同号相关主要归因于大西洋大气对ENSO的遥响应所导致的潜热通量和短波辐射的贡献.耦合模式的试验结果显示,在考虑大西洋海温变化的情况下,模式能够再现ENSO成熟次年印度-东亚季风区大气环流异常的主要特征,如位于西北太平洋的反气旋环流以及与此相联系出现在中国东南部的南风异常.若大西洋指定为气候海温,耦合模式中西北太平洋上空的环流异常与观测结果出现较大差异,如反气旋的位置东移、中国东南部出现北风异常.进一步分析显示大气对热带北大西洋暖海温的Kelvin波响应使异常东风从印度洋延伸到西太平洋.异常东风产生负涡度同时通过Ekman效应在南海和孟加拉湾地区产生辐散的东北风,导致对流减弱从而形成反气旋环流.本文的结果表明,与ENSO相关联的大西洋海温异常在ENSO-季风关系中具有重要的作用.     

大洋经向翻转环流的多空间尺度变率

利用全球海气耦合模式的模拟结果, 指出大洋经向翻转环流(MOC)存在多空间尺度的变率模态, 它或是表现为全海盆尺度的振荡, 翻转环流在整个大西洋经向海盆范围内发生协调一致的强度变化, 跨赤道流动强; 或是表现为局地尺度的MOC振荡, 主要限于北大西洋的局部, 跨赤道流动较弱. 此前研究多强调MOC多平衡态转换的古气候意义, 结果提醒我们, 即使在年际到年代际尺度上, 也应关注MOC变化的空间特征, 不同空间尺度上的MOC变化的气候意义不同, 简单地利用北大西洋范围内经向输送的最大值不能合理反映MOC变化的空间特征.     

南印度洋表层副热带环流的漂流示踪

基于历史表层漂流浮标数据,利用轨迹跟踪方法分析了南印度洋表层副热带环流的平均态特性.浮标路径反映出南印度洋海水由高纬向低纬输运的过程大体可分为2种:海水沿南印度洋东边界北上,汇入南赤道流后绕过马达加斯加岛北侧,沿非洲东岸跨越赤道进入北半球;或者由南印度洋中部北上,受南赤道流影响转向,到达马达加斯加岛东部后返回南印度洋构成副热带环流.漂流浮标获得的流速和能量结果表明,部分海区流的空间变率十分显著,如阿古拉斯回流区、马达加斯加北部、南印度洋西部海盆和澳大利亚西侧海区等.特别地,虽然可能受到如季节变化和涡旋扰动等因素的干扰,在漂流浮标拉格朗日式的观测下没有发现显著的副热带逆流,但是可以通过平均动能和涡动能分布观察到逆流的微弱特征.此外,基于浮标示踪,还反推留尼汪岛附近漂流浮标的可能来源,得到其沿南副热带环流的3种移动路径,这对海上搜索具有现实指示意义.     

上新世中期海洋表面温度变化及其与古气候重建数据对比

上新世中期, 过去约3.29~2.97 Ma 之间, 是地质历史上距今最近的一个持续性暖期. 它与模式预测的21 世纪末地球系统最有可能达到的气候态具有一定的可比性. 因此, 研究 该时期气候变化对于理解全球变暖背景下的气候变化趋势具有重要的参考作用. 采用最新 的PRISM3 重建数据集, 利用FOAM 耦合模式开展了上新世中期的全球气候模拟, 并对上 新世中期次极地北大西洋剧烈增暖和“永久的El Niño”两个热点问题进行了讨论. 模拟结果 表明: 与工业革命前相比, 上新世中期年平均海洋表面温度(SST)升高了2.3℃, 中高纬度海 洋的增温幅度大于低纬度海洋, 赤道太平洋SST 东西梯度减小以及大西洋经向翻转环流减 弱. 在SST 变化的空间格局上, 模拟结果与重建结果基本一致. FOAM 也能较好地模拟出北 大西洋、北太平洋以及南美西海岸的显著增暖, 但模拟的次极地北大西洋和赤道太平洋 SST 的变化与重建数据仍有差别. 上述重建与模拟的差异是由古气候数据重建的不确定性、 上新世中期模拟的困难以及模式本身的不完善共同造成的.     

澳大利亚板块漂移对南半球气候与环境影响的数值模拟

利用美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)的GISS全球海洋-大气耦合模式, 研究了14 Ma BP在与现代情景不同下的澳大利亚板块位置对南半球中高纬度大气环流的影响. 模拟结果表明, 14 Ma BP澳大利亚板块偏南时, 副热带地区大洋上反气旋加强, 副热带高压加强, 高纬60°~70°S一带气旋性环流加强, 绕极地低气压加深, 造成当时南极涛动变强, 南极涛动指数AOI (Antarctic Oscillation index)波动周期缩短. 同时, 14 Ma BP降水与地表气温也发生了相应的变化. 在环40°S一带大部分地区降水量减少, 而在60°~70°S多数区域降水增加; 南太平洋高纬度地表气温下降, 威德尔海及其北侧海域地表气温升高. 此外, 由于气温和风场的变化, 南极海冰也发生了变化, 罗斯海附近及其西侧靠近南极大陆地区海冰较现在增加, 威德尔海附近海冰较现在偏少.     

一个1/10°涡分辨准全球海洋环流模式及其初步分析

在中国科学院大气物理研究所气候系统海洋环流模式最新版本(LICOM2.0)基础上,将模式水平分辨率提高到均匀的1/10°,垂直分辨率增加到55层,建立了一个不含北冰洋区域的准全球涡分辨(eddy-resolving)海洋环流模式.利用再分析和观测的海表强迫将该模式积分了20年,其中最后8年使用2000~2007年QuikSCAT卫星反演的风应力和再分析热通量强迫.本文利用最后8年模式输出结果,初步评估了该模式对海洋环流的基本模拟能力.相对于低分辨率的海洋环流模式,发现涡分辨率海洋模式不仅可以更好地模拟海洋中尺度涡旋的时间和空间特征,而且还能较好地模拟出西边界流的路径和位置,特别是能够重现黑潮大弯曲现象及其年际变化.另一方面,当模式的水平和垂直分辨率提高之后,模式也能够更好地模拟赤道太平洋环流和中国近海环流的复杂结构.     

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.     

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.     

热带太平洋海气系统的一种年代际局地正反馈

利用大气再分析资料和海温资料等, 分析了热带太平洋地区海气系统年代际变化的内在联系. 结果表明, 在年代际尺度上经过热带海气系统的内部调整, 减弱信风的作用下海气间热交换减少, 导致了热带太平洋温跃层的异常, 有利于热带中东太平洋海温异常增暖; 同时, 海温的增加又促使热带东太平洋对流发展, 激发热带东太平洋局地上升运动和热带中东太平洋的西风距平, 进而减弱Walker环流, 把信号反馈给大气. 反之亦然, 如此构成了一种正反馈过程的年代际模态. 这个热带海气系统自我反馈的年代际“加幅”过程有别于以往用于解释热带海气系统年代际变率时所倡导的中纬度地区对热带地区的远程驱动机制.     

一个东亚区域海气耦合模式初步结果

建立了一个应用于东亚的区域海气耦合模式并通过20年的连续积分来评估其对东亚气候的模拟能力. 模式由大气模式RegCM3和海洋模式HYCOM组成并利用OASIS3耦合器控制整个模式的运行, 其中RegCM3的水平分辨率为60 km, HYCOM为33 km. 与其他区域海气耦合模式相比, 该模式的显著特点是耦合模式中海洋侧边界采用了单向嵌套方法来处理侧边界强迫问题. 另外, 在耦合模式中对太阳短波辐射进行了通量订正, 较好地消除了在直接耦合时出现的海温偏冷2℃的问题. 对模拟结果的初步分析表明, 该耦合模式可以成功地模拟出东亚地区大气和海洋的气候平均态, 季节变化以及年际变化的主要特征. 尽管由于分量模式本身的缺陷导致耦合模式的模拟结果和观测还存在一定的差距, 但和未耦合时相比确有一定程度的改善, 尤其是在东亚季风中最为重要因素之一的降水的模拟上. 进一步的分析表明降水模拟得到改善得益于耦合模式对夏季西太平洋副高模拟能力的提高, 从而增强了中低纬大气中水汽输送的模拟能力以及降水和海表温度(SST)的关系. 这些结果表明, 在东亚地区区域海气耦合模式具有一定优势, 但需要对模拟结果进行更加细致的分析, 如从日变化到年际变化的更详细分析.     

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.     

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.     

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.     

1986年南海季风海-气界面热量交换

为探索南海与季风相互作用, 用观测资料, 计算了1986年南海季风海气界面热量交换值. 结果: 南海夏季风爆发及其控制南海时, 位于(20.49°N, 114.14°E)附近海域, 在热带辐合带和热带气旋系统内, 海气界面热量交换强烈, 潜热迅速跃升, 1986年5月23日在台风系统内, 感热出现正值, 海洋向大气输送热量是主要现象, 主要贡献来自潜热. 夏季风控制南海天气晴好时, 海面温度虽然较高, 感热却出现负值, 大气向海洋输送热量是主要现象, 主要贡献来自海面吸收的短波辐射和感热, 结果与闫俊岳等的不同. 夏季风结束后, 南海受东北季风控制时, 海气界面热量交换非常强烈, 南海对大气加热是主要现象, 主要贡献来自潜热, 冷空气到达海面时, 感热量值迅速跃升均为正值. 结论: 南海海气界面热量交换的变化与海面温度变化趋势不一致, 季风控制南海时, 南海对夏季风响应为主.     

涡分辨率海洋模式模拟的印度尼西亚贯穿流

<正>印度尼西亚贯穿流(the Indonesian Throughflow,ITF)是通过印度尼西亚海连接热带太平洋和热带印度洋的低纬环流系统,它不仅是热带西太平洋低纬度西边界流的一部分,也是全球大洋输送带的一部分.研究表明,ITF对印度     

日本福岛放射性污染物在北太平洋海水中的输运模拟与预测

针对2011年3月11日地震和海啸引发的日本福岛核电站放射性污染物泄漏事件,利用ROMS海洋模式对北太平洋海洋环流进行了模拟,并在该海洋环流数值模拟结果基础上,对核泄漏物质在海洋中的输运过程进行了10年的中长期模拟和预测.模拟结果显示:放射性污染物通过北太平洋低位涡水的输运通道到达我国近海的时间约为12年;表层放射性污染物随着海流最远输运到140°W后便分为南北两支,南支随着赤道流系向西输运,可以影响到菲律宾以东洋面,北支到达北美西海岸后随沿岸流向南北输运,北向输运可以影响到白令海峡;200m层的放射性污染物进入海洋后的输运分为3个部分:一部分沿深层海水流动向西南输运;一部分随低位涡水团输运影响台湾以东海区;还有一部分随黑潮延伸体向东输运,并分为两支,其中一支会输运到北美西海岸,另外一支向南影响到夏威夷岛周围海域.最后,结合污染物漂移扩散模型估算了放射性污染物在海洋中的浓度扩散趋势:放射性同位素137Cs的浓度高值区逐渐向东移动,2年后可达太平洋海盆中部,8年后可达北美西海岸,虽然影响范围不断扩大,但其极值浓度在不断降低.