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.     

利用卫星重力观测研究近5年中国陆地水量中长空间尺度的变化趋势

重力卫星观测为研究中长空间尺度陆地水量变化趋势提供了崭新的途径. 利用近5年重力卫星GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)的时变重力场观测数据研究了我国中长空间尺度陆地水储量变化趋势. 结果显示, 我国陆地水量变化趋势幅度较大的主要有5个典型区域: 华北京津冀地区、青藏高原区域、三峡库区、青川甘交界区域以及新疆阿尔金山自然保护区. 前两个区域, 陆地水(冰)储量存在明显的减少趋势. 在华北的京津冀地区, 2003~2007年该区域陆地水量以大约2.4 cm/a的速率下降, 相当于约52亿立方米/年(河北省约45亿立方米/年), 河北省水利局统计近30年来, 该省地下水超采平均达到40亿立方米/年; 由GRACE重力卫星“捕捉”到2003年6月三峡蓄水前后库区周围12万平方公里范围内平均水量变化达到5.0 cm等效水柱高; 此外, 研究结果显示在青、川、甘三省(自治区)交界区域陆地水量具有约1.1 cm/a的增加趋势, 表明该区域气候近几年有逐渐变湿润的趋势.     

地球自转速率的年际变化与El Nio事件

分析了地球自转速率、大气角动量、太阳黑子相对数的年际变化及赤道太平洋海面温度变化与El Ni(?)o事件的关系.结果表明,地球自转速率的年际变化对大气角动量的年际变化及El Ni(?)o事件的孕育有较快的响应,当地球自转的年际变化由快向慢转变,即日长值中的年际变化分量由负极大逐渐增加为正值并持续增加,在约半年或稍多时间后,El Ni(?)o事件将显现出来.依得到的规律和对地球自转速率年际变化的分析,预测约在2001年底将可能出现El　Ni(?)o事件,同时结果还表明太阳活动对ElNi(?)o事件的出现可能有一定的影响.     

用地表和空间重力测量验证全球水储量变化模型

综合分析了全球7台高精度超导重力仪长期连续观测资料, 在精密剔除了重力潮汐和地球自转变化重力效应的基础上, 获得了反映重力场季节性变化的残差序列. 同时, 通过局部的大气压观测数据, 分析了大气对重力的负荷影响, 通过全球陆地水和非潮汐海洋的数值模型计算了负荷效应对重力的影响. 数值结果表明, 大气和陆地水负荷对重力场观测的影响达到100±10^-9ms^-2的量级, 而非潮汐海洋负荷在沿海地区达到10±10^-9ms^-2的量级. 基于GRACE卫星重力确定的重力场球谐展开系数, 采用半径为600 km的高斯平滑技术获得了台站区域的月重力变化. 通过比较地表的超导重力观测和GRACE空间重力测量结果以及全球水负荷的重力效应说明: 地表和空间重力测量能够有效检测到由陆地水储量变化导致的重力场季节变化, 该变化达到100±10^-9ms^-2的量级. 这充分说明高精度的重力测量是检验全球水储量变化模型可靠性的重要手段.     

夏季中太平洋厄尔尼诺现象抑制北极增暖和海冰融化

正国家"千人计划"特聘专家中山大学杨崧教授领导的全球变化研究团队联合南京大学吴其冈教授领衔的冰雪圈-大气相互作用研究组在厄尔尼诺现象(El Ni?o)变异-北极气候变化机制方面取得新的重大突破,在国际上创新性地证明了中部型El Ni?o在年际变率尺度上可以抑制北极夏季的增暖和北极海冰的融化(图1),这为国际海洋与气候学界研究关于El Ni?o模态变异与北极夏季气候的联系打开了一扇新     

西南极阿德雷岛企鹅种群动态(1980～2012年)和粪土地层记录(1916～2001年)及其对ENSO的响应

<正>ENSO(El Nio-Southern Oscilla-tion)是年际气候变化的最强信号.随着全球变暖,厄尔尼诺(El Nio)现象增多,引起广泛关注.目前对ENSO的研究正在进行,人们普遍认为,全球变暖与ENSO之间存在某种必然联系.近30年来,南极半岛气温升高尤为突出,对该区域海洋生态系统造成显著影响.企鹅生态学年际变化及其栖息地粪土有机生物地球化学记录,是研究南极半岛海洋生态系统与极端环境气候关系的桥梁.研究其与ENSO的关系对于深入了解南极海洋生态系统     

TOPEX测高仪数据错误的修正及其应用的初步结果

1992年10月起,由美国宇航局(NASA)和法国国家空间研究中心(CNES)合作的TOPEX/POSEIDON海洋测高卫星,对全球海平面进行高精度的实时监测,极大地推动了全球海洋环流的研究.最近,TOPEX测高仪的漂移改正被发现存在错误,使得由此测定的全球平均海平面上升速率估计过大.本文利用美国空间研究中心(CSR)提供的卫星在1992年12月至1994年12月的海洋测高资料,消除了仪器漂移改正错误效应后.对全球和区域平均海平面进行了初步的规律性分析,并揭示其与地球自转变化及ENSO现象的相关性.1 TOPEX/POSEIDON 海洋卫星测高计划卫星测高最早在1970年由Willams提出,随后发射了SEASAT,GEOSAT,ERS-1等一系列卫星.而TOPEX/POSEIDON(简记为T/P)卫星由于使用了SLR和DORIS等多项新技术,测高和定轨精度都有了很大提高.T/P卫星将对全球海平面进行3～5a精确的测量,从而推动对潮汐、洋流等全球海洋环流的研究.     

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.     

EI Nio现象预测途径的重要进展——1997～1998年将发生EI NiO现象

赤道东太平洋海表温度异常增暖(简称El Ni(?)o现象)产生全球气候异常变化,早已引起人们广泛的注意。因此预测El Ni(?)o现象的发生、发展已成为当前气候预测中的一个重要课题。经过十多年的研究,在预测El Ni(?)o现象方面取得了重要进步,发展了多种动力和统计预测模式。这里值得一提的是Cane和Zebiak的简化海气耦合模式,该模式成功地预报了1986～1987年和1991～1992年的El Ni(?)o现象,但对1993～1995年的El Ni(?)o现象预测是失败的。至今,El Ni(?)o现象发生的预测还没达到令人满意的地步。     

EI Nino现象预测途径的重要进展——1997～1998年将发生EI NinO现象

<正>赤道东太平洋海表温度异常增暖(简称El Ni(?)o现象)产生全球气候异常变化,早已引起人们广泛的注意。因此预测El Ni(?)o现象的发生、发展已成为当前气候预测中的一个重要课题。经过十多年的研究,在预测El Ni(?)o现象方面取得了重要进步,发展了多种动力和统计预测模式。这里值得一提的是Cane和Zebiak的简化海气耦合模式,该模式成功地预报了1986～1987年和1991～1992年的El Ni(?)o现象,但对1993～1995年的El Ni(?)o现象预测是失败的。至今,El Ni(?)o现象发生的预测还没达到令人满意的地步。     

地球自转速率的年际变化与El Niño事件

分析了地球自转速率、大气角动量、太阳黑子相对数的年际变化及赤道太平洋海面温度变化与El Ni～↑no事件的关系。结果表明,地球自转速率的年际变化对大气角动量的年际变化及El Ni～↑no事件的孕育有较快的响应,当地球自转的年际变化由快向慢转变,即日长值中的年际变化分量由负极大逐渐增加为正值并持续增加,在约半年或稍多时间后,El Ni～↑no事件将显现出来,依得到的规律和对地球自转速率年际变化的分析,预测约在2001年底将可能出现El Ni～↑no事件,同时结果还表明太阳活动对El Ni～↑no事件的出现可能有一定的影响。     

El Ni(n~)o事件的前兆现象在日长和海平面观测中的反映

利用1962年以来的日长变化、东太平洋海面水温以及香港验潮站的海平面资料, 分析和揭示即将来临的El Ni(n~)o事件的前兆现象在日长和海平面变化观测中的反映. 研究结果表明, 随着1998年初夏开始的强La Ni(n~)o事件的结束, 又一次新的El Ni(n~)o事件正在孕育过程中, 预计它的形成期将在2000年底前开始, 并可能在2001年底前后达到盛期.     

El Niño事件的前兆现象在日长和海平面观测中的反映

利用1962年以来的日长变化、东太平洋海面水温以及香港验潮站的海平面资料, 分析和揭示即将来临的El Ni(n~)o事件的前兆现象在日长和海平面变化观测中的反映. 研究结果表明, 随着1998年初夏开始的强La Ni(n~)o事件的结束, 又一次新的El Ni(n~)o事件正在孕育过程中, 预计它的形成期将在2000年底前开始, 并可能在2001年底前后达到盛期.     

GPS,OBP和GRACE估计地球动力学扁率变化及其地球物理激发

行星地球是一个旋转的扁椭球体,其动力学扁率(即J2)变化主要由地球系统物质流动和各圈层相互作用引起.目前国际上地球动力学扁率测定主要用卫星激光测距(SLR)资料得到,然而SLR地面观测台站少,南北半球分布不均,且不是连续观测,以及受动力学模型和常数等影响.尽管新一代重力卫星(GRACE)观测大大提高了地球重力场球谐系数低阶项一两个数量级,但对二阶项C20不敏感.本文利用全球连续GPS观测得到的地表负荷位移估计地球动力学扁率J2,并联合GPS与海底气压(OBP)以及OBP和GRACE资料分别估计地球动力学扁率J2,比较和分析地球动力学扁率多尺度变化特征及其机理.结果发现GPS单独估计结果振幅偏小,GPS+OBP,GPS+OBP+GRACE和GRACE估计J2周年变化与SLR结果非常接近.而J2半周年变化,GRACE估计相对较差,主要由于GRACE资料处理没有很好扣除约161天的S2潮汐影响.另外,GPS+OBP和GPS+OBP+GRACE估计J2季节内和年季变化与SLR结果较一致,而GRACE和GPS单独估计结果与SLR结果偏差较大.并进一步利用地球物理模型资料研究对J2变化的贡献,结果表明,地球动力学扁率J2季节性、季节内和年季变化主要由大气、海洋和陆地水地表流体质量重新分布和迁移激发.     

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.     

2014年赤道东太平洋El Ni?o事件发展以及停滞过程的成因

2014年2~3月,在赤道西太平洋出现西风事件后,赤道东太平洋产生了显著的暖海表温度异常(SSTA),标志着一次El Ni?o事件开始发展,但随着4月份之后西风事件的减弱消亡,赤道东太平洋暖SSTA也随之衰减,指示着2014年El Ni?o事件的发展在6~8月停滞.资料分析表明,2014年2月,来自印度洋的MJO湿位相到达赤道西太平洋后,西风事件产生,触发了2014年El Ni?o事件.3月初,MJO干位相传播至赤道西太平洋后,西风事件开始减弱.3月中旬以后,东传MJO信号明显减弱,这时赤道西太平洋海表东风异常的发展维持与赤道西-中太平洋SSTA的纬向梯度联系紧密.在MJO信号消亡后,赤道西太平洋的海表异常东风通过风-蒸发反馈作用令当地暖SSTA逐渐加强,降低了局地海平面气压;同时该异常东风令赤道中太平洋混合层出现了明显的异常冷平流,抑制了赤道中太平洋的持续增暖,使局地海平面气压升高,从而加大了赤道西-中太平洋的纬向海平面气压梯度负异常,使得赤道西太平洋的表面异常东风维持加强.这种赤道西太平洋表面异常东风和赤道西-中太平洋SSTA纬向梯度异常的正反馈能够维持到8月份,导致西风事件减弱消失,造成El Ni?o事件的发展停滞.     

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.     

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.     

大气压强脉动对全球海洋输入的机械能

外来机械能是控制大洋环流的重要因素之一. 大气向海洋输入机械能主要是通过风应力和海表大气压强脉动来实现. 利用10 a (1993~2002)的TOPEX/POSEIDON卫星高度计资料计算了大气压强对海洋做功的速率. 其10 a平均的全球总功率为0.04 TW (1 TW=10¹²瓦), 主要分布在南大洋以及北半球的风暴带附近. 在过去的10 a间, 该项能量输入有明显年际变化, 变化幅度约为15%.     

基于ICESat/CryoSat-2卫星测高及站点观测的纳木错湖水位趋势变化监测

<正>全球气候变化对青藏高原的水循环和水资源产生重要的影响,高海拔内陆湖变化成为气候变化的重要指示器.近年来,卫星测高技术成为青藏高原湖泊动态变化的有力观测手段.目前,ICESat测高数据已广泛运用于湖泊水位变化监测,而该卫星仅能提供2003~2009年期间的测高数据.因此,2010年发射的高精度雷达高度计卫星如CryoSat-2成为青藏高原湖泊水位持续监测的潜在重要数据源.本文以青藏高原纳木错(Namco)水位变化为例,基于2005~2013年的纳木错站实测水位数据,评价CryoSat-2卫星在湖面脚点(footprint)