中国科学院知识创新工程重要方向项目

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御翠
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1 中国科学院知识创新工程重要方向项目亚洲季风区海 - 陆 - 气相互作用对我国气候变化的影响 ( 批准号 :ZKCX2-SW-210) ( 纪 ) 亚洲季风区海 - 陆 - 气相互作用对我国气候变化的影响第 1 课题 : 海 - 气相互作用对我国气候变化的影响 2002 年度第一课题研究总结报告一课题预定的研究目标和内容 ( 摘自课题任务书 ) 对国内外研究现状进行调研 ; 通过分析海洋和大气的观测和同化资料, 特别是海 - 气界面上的通量交换, 揭示东亚季风准两年周期振荡和西太平洋副热带高压的西进东退的规律, 揭示赤道太平洋 - 印度洋综合模的时空特征热带西太平洋暖池热力状态和黑潮的年际变化特征以及西太平洋 - 边缘海海 - 气相互作用的规律, 揭示高纬度海 - 冰 - 气相互作用和北极涛动的基本特征二完成情况基本上按照原计划完成了本年度的研究任务尽管参与第一课题的专家来自几个不同的研究单位, 具有的不同的专业背景和研究方向, 但是在过去的一年里所有研究人员的研究活动都围绕着一个中心主题进行, 即分析海洋 ( 冰 )- 大气相互作用的事实和规律及其与东亚季风环流的关系通过一年的研究, 揭示了一些重要的观测事实并对发生机理进行了初步了探讨, 例如关于西太平洋暖池热含量变化与南海季风和东亚夏季降水之间联系的研究黑潮流量与东亚大气环流之间的关系副热带高压指数的重新定义高纬度海冰对东亚夏季风环流的影响以及关于北极涛动的物理本质的研究等等第一课题具体的研究进展和主要研究结果如下 1

2 三研究工作主要进展和结果 ( 一 ) 第一专题 ( 热带海气相互作用 ) 通过对近几十年中国东部降水资料的分析, 进一步分析研究从观测资料分析了我国东部降水的年际变化存在着准两年振荡的规律 ( 图 1), 这个振荡与图年江淮流域夏季降水距平 2

3 TBO 与长江淮河流域降水 QBO 的关系示意图江淮流域降水 EAP 春夏偏少遥相菲律宾关冬季周围对热带西流活动太平洋春夏强东印度热带西洋偏暖太平洋东印度洋气流辐散春夏热带西太平冬季洋东热带西太春夏印度洋平洋印菲律宾辐合 EAP 度洋偏冷周围对江淮遥相流活动流域降水关弱偏多图 2 TBO 与长江淮河流域降水 QBO 之间关系示意图热带西太平洋海温准两年振荡有关, 热带西太平洋暖池海温通过对水汽输送的影响, 从而影响到东亚季风的准两年振荡在以上分析的基础上, 提出了一个关于中国东部降水准两年振荡的概念模型 ( 图 2), 指出热带太平洋和印度洋海气相互作用可以产生对流层准两年振荡信号 (TBO), 并通过 EAP 遥相关型影响东亚季风和降水的变化 3

4 利用年逐月的上层海洋热含量资料和 NCEP/NCAR 再分析资料, 研究了南海夏季风爆发与热带西太平洋暖池区热含量异常的关系, 并对其影响过程进行了探讨结果表明 :1) 热带西太平洋暖池区是热带上层海洋热含量变化与 ENSO 关系密切, 是 ENSO 循环的重要组成部分, 也是影响南海夏季风爆发最明显的地区 2) 南海夏季风爆发与前期暖池热状态的变化有密切关系当前期暖池热含量高时, 南海夏季风爆发早 ; 反之, 爆发晚这与由暖池变化所产生的上空大气的对流活动密切相关 3) 西太平洋暖池区热含量正异常时, 辐散中心位于南海 - 西太平洋, 对流强, 西太副高弱且位置偏东, 南亚季风环流和 Walker 环流为正距平环流正距平的季风环流有利于低空西到西南气流的加强, 南海夏季风爆发早反之, 爆发晚图 3 在印度洋 IOD 正位相 (a) 和负位相 (b) 时, 异常的赤道地区垂直环流空间分布 4

5 (a) (b) (c) (d) 图 4 观测的印度洋 IOD 指数与 850hPa(a) 和 200hPa(c) 纬向风之间的相关系数, FGCM 模拟的印度洋 IOD 指数与 850hPa(b) 和 200hPa(d) 纬向风之间的相关系数 5

6 初步结果表明, 无论是对观测资料进行诊断分析还是利用气候模式进行数值模拟, 都应该把研究重点放在西太平洋和印度洋, 西太平洋和印度洋不仅在 ENSO 事件中起着重要的作用, 而且对东亚季风区气候的影响也较赤道东太平洋更为直接而且应该把赤道印度洋和太平洋被当作一个整体来研究, 特别是印度洋偶极子与太平洋 ENSO 事件有密切的关系, 大气中的 Walker 环流起到了连接印度洋和太平洋海气相互作用的桥梁作用 ( 图 3) 同时, 海气耦合模式的结果也验证了上述结论 ( 图 4) 基于 Kaplan 等重建的年全球海表水温距平 (SSTA) 资料, 用小波变换分析了热带太平洋 SSTA 的气候变率结果发现, ENSO 模态具有 5 年左右的年际变化和 15 年左右的年代际变化两种显著周期, 当二者位相相同时, ENSO 事件加强, 当二者位相相反时, ENSO 事件减弱, 当年际变化不明显时, 显著的年代际变化也可单独导致 ENSO 事件 ; 热带太平洋 SSTA 气候态变率以西太平洋暧池和赤道两侧的热带中东太平洋明显海温同号异常为主要特征, 具 60 年左右的周期, 其相位变化与气候跃变及 El Nino 事件的类型有密切联系 ; 长期增温倾向加大了 El Nino 事件的振幅因此, ENSO 事件强度变化是由年际年代际和气候态等三类模态变率共同作用的结果 ( 二 ) 第二专题 ( 副热带环流及其海气相互作用 ) 根据副高西端曲率涡度大的特点, 采用特定区域涡度值, 来描述副高的东西位置研究表明, 由于该指标用的是相对值, 因此不受高度场逐年偏高的影响, 能很好的描写副高东西向的位置小波分析发现, 该指数有明显的两年至十年的周期, 尤以 2-3 年的周期活动为最强周期变化强度有很明显的年代际变化夏季西太平洋副高东西位置与降水的相关表明 : 它与江淮流域降水呈显著的负相关也即当副高偏西时降水偏多, 反之则偏少而与华南夏季降水呈正相关, 也即与长江流域的情况相反 ( 图 5) 对华北而言, 副高对该地区的降水关系不确定, 但是对它的气温有明显的影响当副高偏东时, 华北出现很明显的高温天气 ; 而当副高偏西时, 华北的温度则偏低 ( 图 6) 6

7 图 5 副高指数与中国夏季降水的相关系数图 6 副高指数与中国夏季气温之间的相关系数通过 Micom 模式分别用风场和浮力驱动太平洋年代际变率, 结果表明, 异常的浮力驱动在北太平洋和副热带是主要因子, 风场在热带海洋是主要因子, subduction( 潜沉 ) 是造成中纬度和北副热带海洋内部变率年代际变化的内在物理学机制, 而热带太平洋则是由其它原因造成的分析南海 SST 与西北太平洋 SST 及与 ENSO 的相关, 三者有很好的相关性基于大气对流活动和非绝热加热的分析, 给出东亚夏季风区域变化特征, 客观地确定东亚副热带季风及热带季风对流强度, 并由此建立其与大尺度季风环 7

8 流的内在联系, 提出分别用所对应区域经向风垂直切变来构造季风指数对比分析显示, 上述季风指数能很好地刻划东亚夏季风强度同时指出, 东亚副热带季风指数与西太平洋副热带高压及长江中下游降水密切相关, 在空间场上表现出东亚 / 太平洋型 (EAP 型 ) 遥相关特征高指数年副高偏南, 长江中下游为涝 ; 低指数年则相反按计划收集了长时间序列 ( ) 的海洋实测资料 ( 包括实测的东海黑潮流量和热输送上层海洋海温资料西太平洋区关键断面 ( 如 137E,155E) 的实测温盐资料 ) 以及海洋同化资料初步分析了黑潮流量热输送的季节年际变化特征, 并探讨了黑潮热输送与西北太平洋区 ( 特别是黑潮延伸区 ) 海洋热状况的联系结果表明, 黑潮在春夏较强, 秋冬较弱对黑潮流量的功率谱分析表明, 其主要存在 5 年和 20 年左右两个主要周期 ( 图 7) 在年际变化变化时间尺度上, 黑潮与 EL Nino 事件有很好的关系, 即黑潮流量大约落后 EL Nino 事件约一年左右 ; 在年代际时间尺度上, 黑潮与北太平洋年代际振荡 (PDO) 有一定的关系 Global Wavelet Power Period (years) 图 7 黑潮流量的功率谱特征 1 ( 三 ) 第三专题 ( 海冰气相互作用及其北极涛动 ) 对海冰密集度 SVD 及合成分析表明巴伦支海是夏季冰气相互作用的关键区之一该区 5 月海冰异常可能在副极地区域激发出 6 月 500hPa 位势高度沿纬向分布的波列状异常, 这一异常又可能有利于该区海冰异常的维持当巴伦支海海冰偏多 ( 少 ) 时, 导致乌拉尔山脊偏弱 ( 强 ), 贝加尔湖大槽偏浅 ( 深 ), 鄂霍 8

9 Composite map for 500hPa 500hPa Exp. a) b) Precipitation Exp. c) d) 图 8 巴伦支海海冰多冰年与少冰年对 500hPa 高度场 (a: 观测 b: 模拟 ) 和中国夏季降水 (c: 观测 d: 模拟 ) 影响的合成分析图 9 新的 AO 指数与海平面气压相关系数 9

10 次克海高度偏低 ( 高 ) 亚欧大陆上的这种对流层中层环流异常背景与中国东部降水异常存在较为密切的联系, 即 6 月巴伦支海多冰年同期中国东部雨带偏南, 为 3 类雨型, 少冰年雨带偏北, 为 1 类雨型使用 GOALS AGCMR15L9 全球大气环流模式, 模拟了理想情况下巴伦支海多冰与少冰的差别, 发现多冰与少冰的数值试验结果间的差异在 500hPa 上的分布型与统计分析是比较接近的 ( 图 8) 这说明巴伦支海海冰异常确实可能导致 500hPa 环流及东亚天气气候的异常针对目前对北极涛动 (AO) 是否存在的一些争论, 研究了北极涛动的物理本质根据新的诊断分析给出了一个新的 AO 指数, 它具有简明清晰的物理意义, 并能够很好表示出 AO 的时空特征 ( 图 9) 进一步, 通过对三维大气环流的分析, 给出了 AO 的清晰的物理图象并提炼出一个物理概念模型, 指出 Ferrel 环流是整个 AO 物理机制的一个重要部分, 从而表明 AO 是由大气环流内部动力性质所决定的固有特征这些结果支持了 AO 是一个真实的物理模态, 而不是来自数学方法人为的模态四已完成和发表论文 : [1] Wang, Dongxiao, Jia Wang, Lixin Wu and Zhengyu Liu, Relative Importance of Wind and Buoyancy Forcing for Interdecadal Regime Shifts in the Pacific Ocean, Science in China, D, in press. [2] Guo Yufu, Zhao Yan, and Wang Jia, 2002, Numerical Simulatio of the Relationships between the 1998 Yangtze River Valley Floods and SST Anomalies, Adv. Atmos. Sci.,19, [3] 王嘉,2002: 北半球海冰时空变化及其与初夏东亚大气环流的关系, 中国科学院大气物理研究所硕士论文,98 页 [4] 赵永平, 吴爱明, 陈永利, 白学志等,2002, 热带太平洋气候变率的三类模态及与 ENSO 强度变化关系, 热带海洋学报 ( 已通过审稿, 录用待刊 ) [5] 陈永利, 白学志, 赵永平等,2002, 山东夏季降水与西太平洋暖池区海洋热状态及夏季风异常, 海洋科学集刊 ( 已通过审稿, 录用待刊 ) [6] 陈永利, 胡敦欣, 2002, 南海夏季风爆发与西太平洋暖池区热含量及对流异常, 海洋学报,( 已通过审稿, 录用待刊 ) 10

11 [7] Chen Yongli,Hu Dunxin, 2002, Influence of Heat Content Anomaly in the Tropical Western Pacific Warm Pool Region on Onset of South China Sea Summer Monsoon, Acta. Meteor. Sin. (in press). [8] Li, Chongyin, 2002, Indian ocean dipole and its relationship with ENSO mode (Acta Meteor. Soc., 即将发表 ) [9] Li, Chongyin, 2002,Further study on the essence of ENSO ( 待发表 ) [10] Huang, R. H., Zhou, L. T. and W. Chen, 2002: The progress of recent studies on the variabilities of East Asian monsoon and their causes. Adv. Atmos. Sci., (to be published) ( 已接收 ) [11] Huang, R. H., Chen, J. L., Zhang, Q. Y. and B. L. Yang 2002: The ENSO cycle in the tropical Pacifc and its impact on the monsoon rainfall anomalies in China during Geociences, Vol.1, (to be published) ( 已接收 ) [12] 黄荣辉, 陈文, 任保华,2002: 热带西太平洋热力状况对南海季风爆发早晚的影响, 即将发表在大气科学 [13] Li Jianping, Julian X L Wang, On indices of North Atlantic Oscillation, (submitted). [14] Li Jianping, Julian X L Wang, The Arctic Oscillation - Is it a physical mode?, (submitted). [15] 李建平, 丑纪范, 气候系统全局分析理论及应用, 已投 [16] 周兵,2002, 云迹风资料同化对暴雨预报影响的数值模拟, 气象学报,60(3), ) [17] 周兵, 东亚副热带季风环流特征及其指数的建立.( 即将发表在大气科学 2003 年第 1 期 ). [18] 周兵,2002, 孟加拉湾深对流加热对西太平洋副热带高压的影响 ( 拟投大气科学 ) 项目办公室 2003 年 2 月 12 日 11

南京气象学院学报第卷

南京气象学院学报第卷 Ò Ò 潘敖大孙照渤在对长江中下游夏季降水进行分型的基础上分析了长江流域南北两支雨带与春季太平洋海温的相关关系并采用大气环流模式对前期海温进行了敏感性试验结果表明赤道东太平洋区域的海温异常对两支雨带夏季降水有重要影响海温正异常时南支雨带旱北支雨带不明显海温负异常时南支雨带涝北支雨带旱前期赤道东太平洋海温强迫可以在北半球对流层激发出遥相关波列并影响长江流域南北两支雨带的旱涝分布