夏季亚洲-太平洋热力差异年代-百年尺度变化与太阳活动

利用重建的近千年亚洲-太平洋涛动指数和太阳辐照度时间序列, 用统计方法研究了夏季亚洲与其周边的海陆热力差异在年代-百年际时间尺度上的变化特征及其与太阳辐照度的关系, 结果表明: 亚洲季风区热力差异存在着90 a 左右、10~13 和3~7 a 的周期振荡; 在百年尺度上, 热力差异表现出3 次明显突变, 它们分别发生在1305~1315 年、1420~1430 年以及1625~1635 年. 海陆热力差异与太阳辐照度之间有显著正相关, 并且在250, 120~160, 60~70 a 以及15 a 变化周期上, 二者的联系更显著. 热力差异的3 次突变分别对应着太阳辐照度的明显减弱或加强, 并且滞后太阳辐照度突变时间12~22 a, 可能反映了太阳辐射对亚洲季风气候百年尺度突变的一种影响; 在年代尺度上, 热力差异突变与太阳辐照度关系不紧密, 说明太阳活动可能不是影响亚洲-太平洋热力差异年代际突变的主要因子. 与亚洲-太平洋热力差异比较, 北半球年平均表面气温的年代际突变与太阳活动的关系更紧密, 而气温百年尺度的突变与太阳活动关系较弱.     

20世纪80年代中期以来东亚冬季风年际变率的减弱及可能成因

东亚冬季风的系统成员包括西伯利亚高压、阿留申低压、东亚大槽、对流层低层的偏北风以及高层的东亚急流.分析结果表明,自20世纪80年代中期以来,上述东亚冬季风环流系统的年际变率均明显减小,同时与西太平洋海表温度年际变率间的联系也显著减弱.1956～1980年期间,东亚冬季风的年际变率与东亚沿海(暖池)的冬季海表温度呈显著的负(正)相关关系.然而,上述统计相关在1986～2010年期间显著减弱.研究显示,自20世纪80年代中期以来,北极涛动对东亚冬季风的年际变率主要起抑制作用.此外,全球变暖使得亚太地区冬季的海陆热力差异的变率在年代际和年际尺度上都有所减弱.这两方面的因素都从一定程度上导致了东亚冬季风年际变率的减弱.     

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.     

地极运动与北大西洋涛动

地球瞬时自转轴相对于地球表面或历元平极的运动,简称极移.极移的主要特征是周年极移和Chandler极移.80年代以来,随着资料积累和观测精度的提高,人们开始从局限于周年和Chandler极移的研究扩展到对亚季节性、年际乃至几十年时间尺度极移的探讨.北大西洋涛动是英国气象学家Walker确定的全球三大气象涛动之一,其基本特征为:副热带反气旋带至冰岛附近副极区近南北方向、年际时间尺度上的气压振荡.根据固体地球-海洋-大气系统的总角动量守恒定律,大气、海洋的运动和质量再分布必然伴随着地球自转的变化.所以,本文将研究北大西洋涛动对年际时间尺度上地极运动激发的可能性.     

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.     

春季北极涛动对南海气候的影响

利用1979~2013年月降水量和NCEP再分析大气环流资料,分析了春季(3~5月)北极涛动对南海气候变率的可能影响.结果表明,春季南海多气候要素主导模态的时间系数与同期北极涛动指数相关系数达?0.4,超过95%的信度水平,二者反位相的特征在年际尺度上更加明显.当北极涛动指数为正异常时,西太平洋副热带高压减弱,热带西太平洋有异常气旋式环流,南海地区偏南风减弱,南海大部分地区降水增多,北部到华南地区降水减少,北极涛动指数为负异常时情况则相反.北极涛动可由两条途径影响南海地区气候,一是通过青藏高原南侧西风急流的波列,二是通过北太平洋西风急流区南北侧的偶极型环流异常.南海地区环流和气候的异常与这两条途径的相对强弱和配置有关,当高原南侧波列异常偏强同时北太平洋偶极型异常偏弱时,二者共同作用可增强西太平洋副热带高压和南海地区异常反气旋环流,导致降水的显著减少.当北极涛动指数为正异常时,北太平洋偶极型南支的气旋还可触发热带地区海气相互作用间接影响南海气候.     

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.     

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掉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。     

北极涛动比南极涛动纬向对称性更好

Fan (2007)最近从年际变化的角度研究了南极涛动的纬向不对称性问题. 利用观测和再分析资料以及海气耦合模式的模拟试验研究了北极涛动的纬向不对称性. 结果表明: 北极涛动同样存在纬向不对称性, 然而, 北极涛动的纬向不对称性显著地弱于南极涛动. 这出乎意料, 因为北半球海陆分布的纬向不对称性远远比南半球大. 进一步的分析表明: 1959~1998年北极涛动的东西两个半球的分量之间相关系数为0.54, 远大于南极涛动的东西两个半球分量之间的相关系数(0.23). 研究提出, ENSO可能是造成南极涛动和北极涛动的纬向不对称性差异的原因. 分析与南方涛动相关联的海平面气压场可以发现: 在北半球中高纬区的纬向不对称性要显著地弱于南半球的情况, 从而导致北极涛动的纬向不对称性要显著小于南极涛动. 利用一个海气耦合模式进行了敏感性试验, 初步研究了热带海气耦合作用对北极涛动纬向不对称性的影响.     

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     

华北干旱化趋势及转折性变化与太平洋年代际振荡的关系

基于月降水和月平均气温资料, 通过计算地表湿润指数分析了中国华北地区1951~2005年干湿变化的年代际趋势特征及其与太平洋年代际振荡指数(PDOI)的关系. 结果表明: 华北地区气候及环境干湿变化存在显著的年代际趋势和突变特征, 20世纪70年代中后期至今处于一个暖而降水少的干旱时段; 近55 a经历了一个由湿向干转换的过程, 其中转折点发生在20世纪70年代中后期, 这应与全球大尺度气候背景的转折性变化有关. 相关分析表明: 在年代际尺度上, 四季和年的PDOI与气温、降水和区域平均地表湿润指数均有显著的相关关系. 这种相关关系表现为正的PDOI位相(PDO暖位相)对应华北地区高温、少雨和干旱时段, 而负的PDOI位相(PDO冷位相)对应低温、多雨和湿润的时段, 不同位相的持续时间在25 a以上, 与降水和气温年代际趋势密切相关的北太平洋海温的年代际变化是该地区年代际干湿趋势形成的可能原因之一.     

上层对流层大气水汽通道亮温揭示的季风涛动

利用１９７９￣１９９５年ＮＯＡＡ极轨卫星探测到的上层对流层大气通道月的水汽亮温资料分析了全球季风强度的年际变化,指出赤道中东太平洋与南亚和热带南美地区,以及太平洋南北半球副热带地区在水汽通道亮温强度上存在的反向的年际变化,这种形态的年际变化可能反映了大气环境的一种涛动,即季风涛动。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

全新世亚洲季风,ENSO及高北纬度气候间的关联

着重评述全新世东亚季风与印度季风之间, 季风与厄尔尼诺/南方涛动现象之间, 以及它们与北大西洋气候变化之间关联方面的研究进展. 近年来的观测和气候代用记录显示, 在年际至轨道时间尺度上, 两季风强度变化存在反相变化关系, 它与赤道太平洋上的厄尔尼诺现象和北大西洋深层水变化之间可能有密切联系. 发生在全新世的4k事件和8k事件, 可能是两次严重的古厄尔尼诺事件, 集中地反映了这些重要气候变化现象和过程之间的相互作用和影响. 为了深入认识这些古气候现象之间的关系, 今后应加强亚洲季风区划及季风代用记录的对比, 加强赤道太平洋高分辨率SST代用记录及古气候模拟研究工作.     

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.