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.     

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。     

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．     

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.     

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.     

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     

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.     

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.     

低频海平面变化及其与太平洋气候事件的相关性

全球海平面变化不仅表现为明显的长期性趋势和季节性变化特征,而且还可能具有年际和年代际变化特征.本文联合卫星测高和验潮站观测数据各自具备的优势,重构了1948～2007年间全球平均海平面变化时间序列.基于该序列,计算得到20世纪后半期海平面上升加速度约为0.010±0.009mm/a2,并分析发现海平面变化存在包括年代际在内的多尺度低频振荡,而1993～2003年期间的海平面变化正处在低频振荡的加快上升期.然后利用移去长期性趋势后重构的海平面变化时间序列,分析发现海平面变化低频信号与南方涛动和太平洋年代际振荡指数之间表现了较强的相关性,但在部分时间段内存在一定差异,其原因可能是频发的厄尔尼诺和拉尼娜现象及太平洋年代际振荡短期反相事件共同作用的结果.     

轨道驱动对高低纬水循环的影响特征:海冰和降水

轨道尺度上的水循环及其对轨道三要素、温室气体和冰盖的响应一直是古气候学界研究的热点科学问题之一.海冰和降水作为水循环的两个重要组成部分,其变化更是备受关注.研究海冰和降水在轨道尺度上的变化,特别是对外部驱动的响应机理、内部过程和反馈机制,有望对现代海冰和降水变化的理解及其未来趋势预测提供长尺度的背景参考.最新研究结果表明,在轨道尺度上北半球海冰对太阳辐射的变化更敏感,而南半球海冰对温室气体的变化更敏感.就轨道三要素而言,北半球海冰主要受岁差控制,而南半球海冰主要受斜率控制.岁差、斜率和CO₂在全球不同区域降水中的相对重要性随时间和空间不同而发生变化.受赤道最大太阳辐射影响,热带降水中还含有明显的半岁差信号.此外,缓慢的轨道尺度太阳辐射变化可以通过影响北极海冰变化来引起大西洋经向翻转环流(Atlantic meridional overturning circulation, AMOC)百年-千年尺度的突变,从而引起全球温度和降水随之发生改变.在东亚季风区,中国南方夏季降水受冰盖影响显著,冰盖主要通过影响热带辐合带(inter-tropical convergenc...     

南海北部珊瑚灰度及其反映的华南降水年代际变化

利用1789～1992年南海北部逐年珊瑚灰度与1908～1992年广州逐年降水资料，采用Mann—Kendall法、奇异谱分析、相关分析、合成分析等方法对南海北部年珊瑚灰度的年代际变化进行了分析，并探讨了用珊瑚灰度重建的广州降水时间序列所反映的华南降水的年代际变化特征．结果表明：南海北部珊瑚灰度变化存在明显的趋势项、权重很大的年代际变化和较弱的年际变化．1880年代末存在显著的由正异常到负异常转变的世纪尺度突变，突变前后对应的全球海温差值场是：南海及其附近的北印度洋、中西太平洋大部、北大西洋沿岸为负异常，这种大范围的海温异常分布是与南海珊瑚灰度世纪尺度突变相伴随的．南海珊瑚灰度与广州降水在年代际尺度上存在显著的负相关，用年代际尺度南海珊瑚灰度资料反演的广州年代际降水表明了华南降水年代际变化具有明显的阶段性．对寻找研究华南年代际以上尺度气候变化的代用指标有一定的意义．     

华北汛期降水量年际变化与赤道东太平洋海温

华北地区汛期(7和8月)降水量具有明显的年际变化特征. 本文分析了华北汛期降水量的年际变化对应的环流和海温异常, 发现海温异常在赤道东太平洋有显著的信号, 而且华北汛期降水和赤道东太平洋海温对应的东亚高空急流变化具有明显的相似性, 进而给出了赤道东太平洋海温异常影响华北汛期降水年际变化的可能物理机制.     

中世纪暖期、小冰期与现代东亚夏季风环流和降水年代-百年尺度变化特征分析

利用气象仪器观测资料、降水和温度代用资料以及气候模拟结果, 综合分析近1000年东亚夏季风区海陆热力差异和降水的年代际、百年际尺度变化规律, 对比了现代、小冰期和中世纪暖期东亚季风环流和降水的基本特征, 以及与太阳辐照度和全球气候变化的联系, 得到以下结论: 在近150 年里, 用东亚陆地与其周边海域大气温度差异指示的东亚夏季风环流与降水呈现出显著的年代际波动特征, 并且在过去50 年全球增暖最快时期东亚季风偏弱; 在百年尺度上, 中世纪暖期东亚夏季风环流是过去1000 年里最强时期, 而在1450~1570 年期间东亚夏季风是过去1000 年里最弱的时期; 对应于偏弱的东亚夏季风环流, 中国东部季风雨带总体上位置偏南, 伴随着华北降水偏少、长江降水偏多(即“南涝/北旱”型)异常分布特征; 从20 世纪初到20 世纪20 年代, 降水呈现出长江流域偏少、华北偏多的反“南涝/北旱”型特征; 与中世纪暖期相比, 在1400~1600 年期间发生的是一个更长时间尺度的“南涝/北旱”现象; 此外, 东亚夏季风环流和降水变化与全球气温变化的趋势有不同步特征, 在近150 年里, 尽管全球和中国区域表面年平均气温显著增加, 但是东亚季风环流和降水没有表现出一个增强或者减弱趋势, 在过去1000 年里东亚夏季风最弱时期要比北半球最冷时期出现的早, 并与太阳辐照度的最弱时期相对应.     

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）。     

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.     

印度尼西亚海道关闭对气候的影响:一个数值模拟研究

利用一个全球海洋环流模式及其对应的海气耦合模式,分别采用现代、6和14Ma以前的海底地形进行数值试验,研究澳大利亚北移对热带海洋环流特别是赤道西太平洋暖池形成的作用.使用现代气候强迫的单独海洋模式模拟结果表明,随着澳大利亚板块向北移动,印尼海道关闭可以导致热带太平洋海温增加,热带印度洋变冷;并且可以引起通过印度尼西亚贯穿流的海水来源的变化,即在14 Ma以前流入印度洋的水主要来自南赤道流,而在现代则主要来自北赤道流.海气耦合模式的结果在定性上与单独海洋模式结果基本一致.     

一套全球海洋再分析资料初步结果分析

基于全球海洋资料同化系统(BCC_GODAS2.0)的20年(1990～2009年)再分析资料,利用OISST和SODA数据集从整体上进行检验,分析同化产品误差特征表明,同化系统能够有效改进海洋温度和盐度的估计,尤其在赤道东太平洋地区最为显著.垂向温盐总体RMSE相对同化前分别减小0.53℃和0.28psu,相对第一代同化系统BCC_GODAS1.0,温盐各层RMSE均有不同程度的减小.然后利用HadISST数据对比分析了热带太平洋海温异常变化特征.同化结果的Nio3指数与HadISST的海表温度异常有很好的一致性,相关系数高达93.6%;同化结果很好地模拟出了观测HadISST赤道太平洋季节变化特征,而赤道东太平洋地区逐月SSTA标准差季节变化的幅度变化较美国GODAS更接近HadISST;此外,同化在热带太平洋SSTA年际变率的EOF第一主模态所表现的ElNio空间结构,改善了冷舌地区的正异常年际变率强度,第二模态所表现的El Nio Modoki空间结构,改善了赤道东太平洋负异常局限于狭窄赤道地区的问题,并且赤道中太平洋海温正异常向南北高纬地区延伸的幅度和强度都得到加强,与观测HadISST比较吻合.     

一个气候系统模式中大洋热盐环流对全球增暖的响应

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(IAP/LASG)气候系统模式GOALS, 讨论了全球增暖背景下大西洋热盐环流的变化. 结果表明, 全球增暖令北大西洋高纬热盐环流的下沉区海温升高、海水变淡, 海水密度随之降低、海水下沉减弱, 其与低纬大洋间的经向密度梯度减少. 当大气中CO₂浓度加倍时, 热盐环流减弱8%. 这种变化主要限于北大西洋而非整个输送带的均匀一致减弱, 它带来大西洋中高纬度极向热输送减弱最多达10%.