李建平 任榮彩 齊義泉 王法明 陸日宇 張培群江志紅 段晚鎖 于非 楊永增

1中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)國家重點實驗室，北京100029

2中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室，廣州510301

3中國科學(xué)院海洋研究所，青島266071

4國家氣候中心，北京100081

5南京信息工程大學(xué), 南京210044

6國家海洋局第一海洋研究所，青島266061

1 引言

海洋、陸地和大氣是氣候系統(tǒng)五大圈層的重要組成部分，?！憽獨庀嗷プ饔檬菤夂蜃兓闹匾?qū)動力（吳國雄和李建平，2005）。亞洲海陸地形非常復(fù)雜，西有世界最高的高原——青藏高原，東臨世界最大的大洋——太平洋，南臨印度洋，因此亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔眠^程更為復(fù)雜，是影響東亞氣候異常的關(guān)鍵物理過程，同時其對全球變化也有重要作用。然而，由于對亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔眠^程和機(jī)理認(rèn)識的不足，當(dāng)今世界各國氣候模式在亞洲季風(fēng)區(qū)的模擬和預(yù)測能力均較低，這直接制約了迄今各國的氣候預(yù)測水平的提高（吳國雄等，2006；李建平等，2011a，2011b）。因此，在全球變化背景下，研究亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔玫臋C(jī)理及其影響，是理解氣候異常機(jī)理、妥善應(yīng)對全球變化、提高氣候預(yù)測水平的關(guān)鍵途徑。

正因為如此，最新的一些國際計劃把目標(biāo)集中在亞洲區(qū)域的?！憽獨庀嗷プ饔蒙?，比如 2006年開始實施的地球系統(tǒng)科學(xué)聯(lián)盟（ESSP）框架下的季風(fēng)亞洲區(qū)域集成研究計劃（MAIRS）（符淙斌，2007），以及2007年開始的CLIVAR/GEWEX交叉子計劃亞洲季風(fēng)年國際計劃（AMY 2007–2012）（Wang et al., 2010; Matsumoto et al., 2010），后者的主要目的即是，通過對亞洲區(qū)域海洋—陸地—大氣之間的相互作用進(jìn)行綜合觀測，在此基礎(chǔ)上開展數(shù)值模式參數(shù)化改進(jìn)、亞洲季風(fēng)區(qū)海洋和大氣資料同化分析及季節(jié)－年際尺度氣候異常的可預(yù)報性研究，從而為提高預(yù)測水平及防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。由此可見，亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔靡呀?jīng)成為當(dāng)今全球變化研究的前沿科學(xué)問題（WCRP，2010a，2010b）。

我國位于亞洲季風(fēng)區(qū)，大范圍、持續(xù)性的氣候異常直接受到亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔玫挠绊懀▍菄鄣龋?006；李崇銀等，2009；黃榮輝等，2011），如在東亞—西太平洋區(qū)域中西北太平洋熱帶和副熱帶流渦、黑潮等太平洋西邊界流的巨大經(jīng)向熱量輸運對東亞氣候變化有重要影響，西北太平洋副熱帶高壓異常與我國大范圍持續(xù)性旱澇異常也密切相關(guān)等。同時，該區(qū)域的海氣相互作用異常更是直接影響著ENSO和西北太平洋臺風(fēng)活動的變異。又如，在東亞—印度洋區(qū)域，印度洋海氣耦合模態(tài)與季風(fēng)環(huán)流有關(guān)，云、輻射和海溫反饋過程異常激烈，使影響海溫變化的動力過程變得復(fù)雜。而處于青藏高原、印度洋、西太平洋暖池強(qiáng)烈的海陸熱力對比背景下的海氣相互作用過程，更是直接影響著亞洲夏季風(fēng)的爆發(fā)及其各種時間尺度的異常變化。另外，以東印度洋—西太平洋暖池區(qū)、赤道海洋斜溫層、Walker環(huán)流、Hadley環(huán)流等為背景，海氣相互作用、?！憽獨庀嗷プ饔冒袳NSO與亞澳季風(fēng)系統(tǒng)的對流層準(zhǔn)兩年振蕩（TBO）活動中心緊密地聯(lián)系在一起，調(diào)節(jié)著亞洲季風(fēng)區(qū)的能量和水汽輸送；印度洋—西太平洋（印太）區(qū)域海氣耦合系統(tǒng)的年際、年代際振蕩直接影響著季風(fēng)和我國旱澇的異常（吳國雄和李建平，2005；李建平等，2011a，2011b）。

綜上所述，亞洲區(qū)域的海—陸—氣相互作用過程更為復(fù)雜和重要，對全球變化及我國氣候異常有重要作用，是國際和國內(nèi)關(guān)注的前沿科學(xué)問題之一，因此，研究亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔眉捌鋵θ蜃兓淖饔?，具有重要的科學(xué)意義。同時，對該問題的研究也符合國家防災(zāi)減災(zāi)、保證國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需求。我國氣候從年際到年代際時間尺度的異常，與海—陸—氣相互作用過程密切關(guān)聯(lián)，對其演變規(guī)律的把握，可直接為我國年際尺度氣候預(yù)測水平的提高提供科學(xué)依據(jù)。

我國已立項的大型研究計劃“中國西部環(huán)境和生態(tài)科學(xué)研究計劃”（丁仲禮等，2010；冷疏影等，2011）、“全球變化及其區(qū)域響應(yīng)”、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目“北方干旱化與人類適應(yīng)”（符淙斌等，2006）、“全球變暖背景下東亞能量和水分循環(huán)變異及其對我國極端氣候的影響”等，從陸氣相互作用的角度去揭示氣候變化規(guī)律。而國家973計劃項目“亞印太交匯區(qū)海氣相互作用及其對我國短期氣候的影響”（李建平等，2011a,2011b）、“北太平洋副熱帶環(huán)流變異及其對我國近海動力環(huán)境的影響”（吳立新等，2007）等，主要關(guān)注海氣相互作用過程的影響。2010年立項的全球變 化研究國家重大研究計劃項目“亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔脵C(jī)理及其在全球變化中的作用”，將?！憽獨馊酉嗷プ饔米鳛橐粋€整體，并以亞洲區(qū)域的印太暖池和青藏高原為主體，擬系統(tǒng)揭示亞洲區(qū)域海—陸—氣相互作用過程和機(jī)理，其年代際變化的規(guī)律，以及其對全球尺度的氣溫和旱澇異常影響的過程和機(jī)理，對東亞季風(fēng)和旱澇異常的影響過程，從而達(dá)到完善亞洲?！憽獨庀嗷プ饔糜绊懳覈鴼夂虍惓５睦碚摽蚣芎蜄|亞季風(fēng)年際預(yù)測理論和方法。本文總結(jié)了項目執(zhí)行兩年來研究的部分成果。

2 項目的關(guān)鍵科學(xué)問題及研究目標(biāo)

2.1 關(guān)鍵科學(xué)問題及研究內(nèi)容

項目下設(shè)“亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔眠^程與機(jī)理”、“亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔脤θ蜃兓挠绊懠捌淇深A(yù)報性”、“亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔脤|亞季風(fēng)的調(diào)控機(jī)理”、以及“亞洲區(qū)域海—陸—氣耦合系統(tǒng)模擬及預(yù)測理論”等四個研究課題，擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題包括：

（1）規(guī)律與機(jī)理：以印太暖池和青藏高原為主體的亞洲區(qū)域海—陸—氣相互作用的時空特征、年代際變化規(guī)律及機(jī)理；

（2）全球尺度影響：上述海—陸—氣相互作用影響全球變化（旱澇、氣溫異常）的關(guān)鍵過程和關(guān)鍵因子；

（3）區(qū)域影響：上述海—陸—氣相互作用的年代際變化影響東亞季風(fēng)異常的機(jī)制；

（4）可預(yù)報性：理解模式模擬的不確定性，認(rèn)識上述?！憽獨庀嗷プ饔媚甏H變化對全球變化影響的可預(yù)報性。

圍繞上述關(guān)鍵科學(xué)問題，擬開展的主要研究內(nèi)容包括：

（1）亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔眠^程與機(jī)理：重點研究以印太暖池和青藏高原為主體的?！憽獨庀嗷プ饔玫哪甏H時空特征，闡明其年代際變化規(guī)律與機(jī)理。

（2）亞洲區(qū)域海—陸—氣相互作用對全球變化的影響及其可預(yù)報性：研究印太暖池海氣相互作用和海陸調(diào)控背景下青藏高原大尺度陸氣相互作用的年代際變化對全球尺度的旱澇和氣溫異常的影響，揭示其中的?！憽獨膺^程和機(jī)理，探討全球氣候變化中亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔糜绊懙目深A(yù)報性。

（3）亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔脤|亞季風(fēng)的調(diào)控機(jī)理：研究亞洲區(qū)域海—陸—氣相互作用的年代際變化對東亞氣候的調(diào)控機(jī)理，東亞季風(fēng)對全球氣候變化的響應(yīng)，完善上述影響過程的理論框架。

（4）亞洲區(qū)域?！憽獨怦詈舷到y(tǒng)模擬及預(yù)測理論：研究亞洲區(qū)域?！憽獨怦詈线^程影響全球變化的數(shù)值模擬，理解現(xiàn)有模式對未來年代際氣候變化預(yù)測的不確定性，探討海洋浪—潮—流耦合過程對亞洲季風(fēng)模擬的影響，提出年代際背景下相應(yīng)的東亞季風(fēng)年際異常預(yù)測的理論和方法。

（5）相關(guān)區(qū)域的海氣過程補(bǔ)充觀測和資料同化：通過在亞洲季風(fēng)區(qū)海氣相互作用的相關(guān)區(qū)域進(jìn)行斷面、潛標(biāo)等補(bǔ)充觀測，拓展參與單位現(xiàn)有的觀測布局，獲取該區(qū)域關(guān)鍵斷面上的上層海洋溫鹽、流場以及海表通量資料，并結(jié)合歷史資料，進(jìn)行資料同化研究，構(gòu)建亞洲區(qū)域高分辨率的長時間序列的海洋再分析資料，為上述研究內(nèi)容提供必要的資料基礎(chǔ)。

2.2 總體科學(xué)目標(biāo)

系統(tǒng)揭示以印太暖池和青藏高原為主體的亞洲區(qū)域海—陸—氣相互作用的時空特征、年代際變化規(guī)律及其機(jī)理，闡明上述?！憽獨庀嗷プ饔玫哪甏H異常對全球尺度的氣溫和旱澇異常影響的過程和機(jī)理，完善其影響東亞季風(fēng)、旱澇的理論框架，從?！憽獨庀嗷プ饔玫慕嵌冉忉尙F(xiàn)有模式對氣候變化模擬的不確定性，揭示亞洲區(qū)域海—陸—氣相互作用對全球變化及東亞季風(fēng)影響的可預(yù)報性，提出年代際背景下相應(yīng)的東亞季風(fēng)年際預(yù)測理論和方法。

項目的整體研究框架如圖1所示。

3 主要科研進(jìn)展

3.1 闡明了亞洲區(qū)域?！憽獨膺^程是全球熱帶

大氣環(huán)流年代際變化的主要驅(qū)動力

（1）揭示了 Hadley環(huán)流存在年代際變化主模態(tài)，印太暖池海溫年代際非均勻增暖是該模態(tài)的重要驅(qū)動力，同時也是全球尺度副熱帶干旱的重要調(diào)控器；ENSO是Hadley環(huán)流年際變化的重要驅(qū)動因子。

Hadley環(huán)流是大氣環(huán)流系統(tǒng)中最重要的成員之一，對全球和區(qū)域氣候有重要影響。然而，對于Hadley環(huán)流變化的驅(qū)動因子目前認(rèn)識還不統(tǒng)一，有的研究認(rèn)為是由熱帶中東太平洋海溫所驅(qū)動，有的研究認(rèn)為是熱帶印度洋海溫所驅(qū)動（Diaz and Bradley，2004），因此，關(guān)于Hadley環(huán)流年代際變化的驅(qū)動因子是什么？Hadley環(huán)流年代際變化的全球影響如何？等問題還需要從新的角度來研究。新近研究發(fā)現(xiàn)，冬夏Hadley環(huán)流變率存在兩個主導(dǎo)模態(tài)：關(guān)于赤道的非對稱模態(tài)和對稱模態(tài)，其中Hadley環(huán)流變率的非對稱模態(tài)表現(xiàn)為年代際尺度變化，與印太暖池海溫變化密切相關(guān)；Hadley環(huán)流變率的對稱模態(tài)主要表現(xiàn)為年際尺度變化，與ENSO的變化密不可分（馬杰和李建平，2007；Ma and Li，2008；Feng et al., 2011a；馮然等，2011；Feng et al., 2012; Li and Feng, 2013; Feng and Li,2013）。Hadley環(huán)流的非對稱模態(tài)在冬季表現(xiàn)出年代際增強(qiáng)的趨勢，在夏季則是年代際減弱，且在1970年代發(fā)生了顯著的年代際轉(zhuǎn)型（Feng et al.,2011a）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)Hadley環(huán)流的這種年代際變化主要是印太暖池海溫年代際非均勻增暖引起的大尺度經(jīng)向海溫梯度年代際變化的結(jié)果（Li and Feng, 2013）。此外，不僅在冬夏，在其他季節(jié)，印太暖池海溫的年代際變化也是 Hadley環(huán)流非對稱模態(tài)年代際變化的主因（Feng et al., 2013）。

為了進(jìn)一步揭示熱帶海溫對 Hadley環(huán)流變率的非對稱和準(zhǔn)對稱模態(tài)及其相應(yīng)時間尺度變化的影響，設(shè)計了相應(yīng)的數(shù)值試驗。發(fā)現(xiàn)，印太暖池海溫的作用主要是造成 Hadley環(huán)流變率的關(guān)于赤道非對稱模態(tài)及其年代際變化，而熱帶中東太平洋海溫的作用主要是造成 Hadley環(huán)流的準(zhǔn)對稱模態(tài)及其年際變化（Li and Feng, 2013）。

印太暖池海溫對熱帶—副熱帶氣候年代際變化的調(diào)控機(jī)理可歸納如下（圖2）：北半球冬季當(dāng)印太暖池異常偏暖時，因最大的增暖中心位于南半球（5°S～10°S之間），非均勻增暖的海溫經(jīng)向梯度使得在增暖中心附近形成異常輻合上升，異常下沉分別處于南、北半球20°～30°緯度范圍內(nèi)，結(jié)果使冬季Hadley環(huán)流主體加強(qiáng)（圖2a）；在北半球夏季時，由于印太暖池的增暖結(jié)構(gòu)與冬季類似，由于經(jīng)向海溫梯度的作用，異常經(jīng)圈環(huán)流的下沉支分別位于30°S與20°N附近，位于北半球的異常下沉支抵消了Hadley環(huán)流位于20°N附近上升支的強(qiáng)度，結(jié)果使夏季Hadley環(huán)流主體減弱（圖2b）。由于近幾十年，印太暖池表現(xiàn)出顯著的增暖趨勢，顯著改變了Hadley環(huán)流的結(jié)構(gòu)，結(jié)果在南、北半球的副熱帶地區(qū)異常下沉加強(qiáng)，降水均表現(xiàn)出顯著的減少趨勢（圖2c，d）。這表明，印太暖池可以通過影響全球熱帶大氣環(huán)流，對全球副熱帶地區(qū)的降水異常產(chǎn)生重要影響（Li and Feng, 2013; Feng et al., 2013）。

圖1 海—陸—氣973項目的整體研究框架Fig.1 The research frame of the “973” project of air–land–sea (ALS) interaction

圖2 印太暖池海溫非均勻增暖引起南北海溫梯度，影響Hadley環(huán)流以及全球副熱帶降水機(jī)制示意圖。印太暖池海溫非均勻增暖對應(yīng)的（a）冬季、（b）夏季Hadley環(huán)流的異常分布示意圖（藍(lán)色箭頭表示氣候Hadley環(huán)流，紅色箭頭表示印太暖池海溫非均勻增暖所激發(fā)的異常經(jīng)向環(huán)流分布，橘黃色表示印太暖池20°S～20°N之間海溫非均勻增暖，紫色太陽表示相應(yīng)地區(qū)易出現(xiàn)干旱）。（c）北半球副熱帶（15°N～25°N）、（d）南半球副熱帶（25°S～15°S）夏季降水序列（圖中的紅色直線為線性趨勢，單位：mm/d）。（圖（a）和（b）引自Li and Feng, 2013）Fig.2 Schematic diagram showing the meridional circulation anomalies ((a) and (b)) associated with the meridional gradient of the inhomogeneous warming of SST over the Indo-Pacific warm pool (IPWP) and associated global subtropical rainfall ((c) and (d)).(a) Boreal winter (DJF); (b) boreal summer (JJA).Blue arrows represent the climatological mean Hadley cell, and red arrows indicate the anomalous meridional circulation associated with the variations of SST over the IPWP.The orange shape between 20°S and 20°N indicates the inhomogeneous warming within the IPWP, and the magenta suns indicate more frequent drought over these regions.Time series of the zonal mean JJA rainfall averaged over (c) 15°N–25°N, (d) 25°S–15°S.((a) and (b) from Li and Feng, 2013)

（2）熱帶東太平洋海表溫度變化的冷舌模態(tài)、其長期增強(qiáng)與ENSO型態(tài)變異及其不同影響

利用不同的海表溫度資料和耦合模式 (CMIP3)模擬的結(jié)果分析表明，在熱帶太平洋海溫變化中存在太平洋冷舌模態(tài)，它是熱帶太平洋海表溫度變化的第二模態(tài)，表現(xiàn)為太平洋冷舌區(qū)的海表溫度異常與熱帶太平洋其他地區(qū)海表溫度異常的變率之間的反位相關(guān)系。當(dāng)冷舌模態(tài)為正位相時，太平洋冷舌區(qū)為冷海溫異常，熱帶及副熱帶太平洋的其他地區(qū)為暖海溫異常（Zhang et al., 2010）。研究表明，冷舌模態(tài)的長期變率表現(xiàn)為顯著的增強(qiáng)，即熱帶太平洋冷舌表現(xiàn)為長期變冷。冷舌變冷信號同時也反映在大氣場和次表層海溫場上，是一個海氣耦合模態(tài)，是熱帶東太平洋上翻流—熱帶太平洋大尺度東西海表溫度梯度—低層經(jīng)向風(fēng)之間正反饋過程的結(jié)果（圖3）。分析IPCC第4次評估報告（AR4）中耦合模式模擬的結(jié)果表明，該冷舌變冷模態(tài)與全球變暖關(guān)系密切，很可能是由全球增暖所導(dǎo)致的，這一結(jié)論與在全球增暖背景下考慮海洋動力過程的理論相一致（Zhang et al., 2010）。同時，冷舌模態(tài)長期增強(qiáng)與赤道海表溫度的東西梯度的增強(qiáng)關(guān)系密切，對ENSO的型態(tài)格局產(chǎn)生重大影響，是最近幾十年里頻繁出現(xiàn)的暖池型（WP）El Ni?o（或稱中部型 El Ni?o，El Ni?o Modoki事件，或日際線型El Ni?o等）的重要原因之一。因此，在全球變暖背景下，赤道中東太平洋海溫型既不是 El Ni?o-like型，也不是La Ni?a-like型，而是WP型El Ni?o。這個結(jié)果進(jìn)一步被一個簡單海氣模式在不同信風(fēng)、溫躍層的氣候背景下的試驗所證實。在無全球變暖背景下，冷舌模態(tài)表現(xiàn)為年際尺度的變化。

兩類El Ni?o海溫型對我國降水影響顯著不同。經(jīng)典型El Ni?o又稱為東部型El Ni?o或者冷舌型（CT）El Ni?o。在夏、冬季節(jié)，兩類ENSO相關(guān)的全球遙相關(guān)型不一致（Weng et al., 2007, 2009;Feng et al., 2010; Feng et al., 2011b），從而有不同的氣候影響。兩類ENSO對應(yīng)的華南春雨有完全相反異常型（Feng and Li, 2011），經(jīng)典的或稱東部型El Ni?o對應(yīng)華南春季多雨，而WP型El Ni?o對應(yīng)華南春季少雨，這是由于大氣Rossby波對這兩類El Ni?o事件截然不同響應(yīng)的結(jié)果。兩類ENSO對華南秋季降水也有完全相反的影響（Zhang et al., 2011），觀測和數(shù)值試驗研究指出ENSO緯向位置的變異是1990年代華南發(fā)生年代際變干的主要原因之一，這一類似現(xiàn)象也出現(xiàn)在美國西南部（Zhang et al.,2012）。圖4給出了兩類ENSO事件影響我國華南地區(qū)降水的物理概念模型。兩類ENSO事件對夏季我國長江流域及華南降水有反對稱的影響(Muhammad et al., 2013)。在春季，WP 型 El Ni?o海表溫度呈現(xiàn)赤道不對稱的特點，其對Hadley環(huán)流的不對稱模態(tài)的年際變化有影響（Feng and Li,2013）。對于平流層，兩類El Ni?o的影響也顯著不同，典型（或稱東部型EP）El Ni?o事件會使北半球極渦減弱和變暖，使南半球極渦增強(qiáng)和變冷；而WP型El Ni?o事件使北半球極渦增強(qiáng)和變冷，使南半球極渦減弱和變暖（Xie et al., 2012）。此外，為了很好的描述WP型和CT型El Ni?o的變化，Ren and Jin（2011）還發(fā)展了一套新的指數(shù)，這套新指數(shù)已被美國國家海洋大氣局采納，用于熱帶太平洋兩類ENSO信號的實時監(jiān)測業(yè)務(wù)。

圖3 基于冷舌模態(tài)指數(shù)（熱帶太平洋SST變率第2模態(tài)時間系數(shù)）回歸的（a）表面風(fēng)、（b）垂直速度（單位：10–2 Pa/s）、（c）海平面氣壓（單位：hPa）和（d）次表層溫度（單位：°C）的異常分布。（a）中的矢量達(dá)到95%置信度水平，其他圖中的陰影為達(dá)到95%置信水平區(qū)域。（引自Zhang et al., 2010）Fig.3 Anomalies of (a) surface wind (m/s), (b) pressure velocity (mean from 5°S to 5°N; 10–2 Pa/s), (c) Sea Level Pressure (SLP) (hPa), and (d) subsurface temperature (mean from 5°S to 5°N; °C) regressed upon the cold tongue mode (CTM) index which is the normalized PC2 time series of the HadISST SSTA in 1948–2007.Shading indicates the correlation coefficients exceeding 95% confidence level.Only vectors in (a) that are statistically significant at the 95%confidence level are shown.(Zhang et al., 2010)

（3）熱帶印度洋海盆的年代際增暖與ENSO事件持續(xù)時間的年代際變化密切關(guān)聯(lián)

印度洋海盆尺度海溫的年際變化滯后于 ENSO 1～2個季節(jié)，最大變率在春季；多年以來，印度洋海溫有顯著的長期增暖趨勢。然而，印度洋海溫增暖還具有顯著的年代際變化特征，其中1940年代至2000年代的年代際增暖最為顯著，且最大增暖出現(xiàn)在夏季月份；造成這種夏季最大增暖的原因是，1970年代前后ENSO事件的持續(xù)時間發(fā)生了顯著的年代際變化，亦即ENSO暖事件的持續(xù)時間發(fā)生了顯著的年代際延長，導(dǎo)致ENSO在印度洋的增暖效應(yīng)從春季持續(xù)到了夏季，從而對印度洋海盆海溫的年代際增暖有貢獻(xiàn)（圖5）。統(tǒng)計表明，ENSO事件對此年代際增暖的貢獻(xiàn)幅度可達(dá)實際增暖強(qiáng)度的約 1/4（Li et al., 2012）。

（4）ENSO及熱帶火山爆發(fā)影響平流層環(huán)流的年際—年代際異常

作為大氣—海洋系統(tǒng)中最強(qiáng)的年際變化信號，ENSO不僅影響對流層環(huán)流的異常，也會影響平流層水汽的異常。具體地，ENSO對北半球熱帶外環(huán)流的顯著影響表現(xiàn)為 3～5年時間尺度上的滯后影響，亦即，熱帶外環(huán)流對ENSO的最強(qiáng)響應(yīng)并非出現(xiàn)在ENSO峰值的當(dāng)年冬季而是出現(xiàn)在下一年的冬季，ENSO可激發(fā)平流層質(zhì)量環(huán)流的年際尺度異常（Ren et al., 2012；任榮彩，2012; 任榮彩和向純怡，2010；Ren, 2012）。El Ni?o事件可增加熱帶平流層低層的水汽卻使平流層中層的水汽減少，La Ni?a活動會使赤道附近的平流層低層變得更干燥，但會使熱帶平流層內(nèi)的水汽增加（Xie et al., 2011）。由于熱帶準(zhǔn)兩年振蕩的影響，經(jīng)典型ENSO與WP型ENSO對平流層環(huán)流的影響趨于相反（Xie et al.,2012）。

圖4 兩類ENSO事件影響我國華南過渡季節(jié)降水的物理概念示意圖。（a）El Ni?o Modoki；（b）經(jīng)典El Ni?o。紅色陰影表示暖海溫，藍(lán)色陰影表示冷海溫。WPSH為西太平洋副熱帶高壓，虛線代表氣候平均環(huán)流，實線表示異常的環(huán)流，箭頭表示風(fēng)向.“C” 和 “AC” 分別表示氣旋和反氣旋異常。（引自Feng and Li, 2011）Fig.4 Schematic diagrams showing the circulation anomalies and rainfall over South China in transition seasons (spring and autumn) associated with (a) El Ni?o Modoki and (b) El Ni?o.Red/blue shaded areas indicate positive/negative SSTA.WPSH: western Pacific subtropical high.Dashed lines represent the climatological mean circulation.Solid lines indicate anomalous circulation, and heavy arrows represent anomalous wind directions.“C” and “AC” indicate cyclonic and anticyclonic circulation anomalies, respectively.(From Feng and Li, 2011)

圖5 冬季（NDJ）Ni?o3指數(shù)與隨后逐月（a）Ni?o3指數(shù)和（d）印度洋海盆海溫指數(shù)的21年滑動相關(guān)；ENSO暖事件（b，e）和ENSO冷事件（c，f）的Ni?o3指數(shù)滯后自相關(guān)（b，c）和其與印度洋海盆海溫指數(shù)的滯后交叉相關(guān)（e，f）。圖a和d中豎線標(biāo)出了年代際轉(zhuǎn)折的年份；圖b，c，e和f中的空心和實心廓線分別代表1970年代前和1970年代后的滯后相關(guān)分布，虛線標(biāo)出了95%信度的統(tǒng)計顯著水平。（引自Li et al，2012）Fig.5 Twenty-one-year running lagged auto-correlation between the Ni?o3 in winter (NDJ) and that in each month of the following year as a function of year and calendar month (a), the lagged auto-correlation as a function of calendar month for El Ni?o years (NDJ Ni?o3 positive) (b) and for La Ni?a years (NDJ Ni?o3 negative) (c) respectively during 1946-1976 (circled) and during 1977-2002 (dotted).The areas between the circled and dotted curves in (b-c) are shaded.(d-f) is similar as (a-c) but for the running lagged cross-correlation between Ni?o3 in winter (NDJ) and the Indian Ocean Basin index (IOBI) in each month of the following year.Dotted areas mark the 95% confidence level for the correlation in (a) and (d) and the vertical line marks the significant change year.Thinner/thicker dashed lines in (b-c) and (e-f) mark the 95% confidence levels of the respective correlation in 1946-1976/1977-2002.(From Li et al，2012)

火山效應(yīng)是影響平流層環(huán)流年際及年代際變化的另一因子。研究發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)90年代平流層溫度的年代際變冷，與1991年6月爆發(fā)的皮納圖博強(qiáng)火山的持續(xù)輻射效應(yīng)密切相關(guān)，強(qiáng)火山爆發(fā)可能導(dǎo)致平流層溫度的年代際變化（肖棟和李建平，2011），其中影響的過程示意見圖6。

（5）西北太平洋臺風(fēng)活動的年代際變化機(jī)理

圖6 皮納圖博火山爆發(fā)影響20世紀(jì)90年代平流層年代際變冷的機(jī)制示意圖。虛線表示可能存在的臭氧耗損機(jī)制。（引自肖棟和李建平，2011）Fig.6 Schematic chart showing the possible mechanism of stratospheric decadal cooling in the early 1990s associated with the Pinatubo Eruption in 1991.The dashed lines indicate the possible existence of chemical processes.(From Xiao and Li, 2011)

西太平洋暖池?zé)釥顟B(tài)對西北太平洋臺風(fēng)的移動路徑有重要影響（黃榮輝和王磊，2010；Huang and Huang，2011）。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)西太平洋暖池海表溫度偏暖時，西北太平洋臺風(fēng)的移動路徑易偏西、偏北，影響我國的臺風(fēng)個數(shù)偏多；相反，當(dāng)西太平洋暖池海表溫度偏冷時，西北太平洋臺風(fēng)的移動路徑則易偏東、偏南，易在130°E以東的地區(qū)轉(zhuǎn)向，進(jìn)而多影響日本，影響我國的臺風(fēng)明顯偏少（黃榮輝和王磊，2010）。這種情況與東亞—太平洋（EAP）型或太平洋北美型（PJ）遙相關(guān)、西太地區(qū)季風(fēng)槽的位置以及西北太平洋副熱帶高壓的位置不同有密切的關(guān)系。在全球變暖的背景下，耦合模式比較計劃（CIMP3）的模擬預(yù)估結(jié)果顯示EAP遙相關(guān)型的強(qiáng)度有減弱的趨勢，這預(yù)示著 21世紀(jì)登陸我國的臺風(fēng)路徑可能有呈現(xiàn)偏南的趨勢（黃榮輝和王磊，2010）。

（6）春季北大西洋濤動（NAO）的調(diào)節(jié)作用造成ENSO與東亞夏季風(fēng)聯(lián)系年代際增強(qiáng)的機(jī)理

研究表明，自 1970年代末以來，東亞夏季風(fēng)與ENSO之間的聯(lián)系表現(xiàn)出年代際增強(qiáng)（Li et al.，2010; Ding et al., 2010a），而春季NAO可能對這種聯(lián)系的年代際增強(qiáng)起著重要調(diào)制作用（Wu et al.,2009a，2012e）。春季NAO指數(shù)與東亞夏季風(fēng)指數(shù)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)春季NAO偏強(qiáng)（偏弱）時，東亞夏季風(fēng)偏弱（偏強(qiáng)），長江中下游地區(qū)夏季降水偏多（偏少）。春季NAO常?？杉ぐl(fā)出北大西洋三極子型海表溫度異常模態(tài)，該三極子模態(tài)能從春季持續(xù)到夏季。觀測與數(shù)值模擬表明，夏季北大西洋三極子海溫異常能進(jìn)一步激發(fā)南、北兩支大氣遙相關(guān)型，即在北邊中高緯地區(qū)為大西洋—歐亞遙相關(guān)型（AEA）、在南邊位于歐亞大陸南部熱帶地區(qū)的 Gill-Matsuno型的響應(yīng)（Wu et al., 2009a,2012e）。前者調(diào)制著位于烏拉爾山和鄂霍次克海地區(qū)的阻塞高壓，后者增強(qiáng)了西太平洋副熱帶高壓與ENSO的聯(lián)系。在兩者共同作用下，梅雨鋒增強(qiáng)或減弱，東亞夏季風(fēng)減弱或增強(qiáng)，長江領(lǐng)域梅雨呈現(xiàn)增強(qiáng)或者減弱的趨勢。圖7給出了春季NAO調(diào)節(jié)ENSO與東亞夏季風(fēng)聯(lián)系年代際增強(qiáng)的物理過程示意圖。這些結(jié)果說明春季NAO信號有助于提高東亞夏季旱澇的季節(jié)預(yù)測能力。

另外，進(jìn)一步的分析還表明 AEA遙相關(guān)型是連接北大西洋與東亞氣候的關(guān)鍵紐帶之一，可以為東亞氣候預(yù)測提供前期信號，需要在實踐中引起重視。

（7）水平非均勻基流中行星波的傳播理論

提出了水平非均勻基流中定常和非定常波動的傳播理論（李艷杰和李建平，2012），克服了已有行星波傳播理論多以緯向?qū)ΨQ基流為主、無法解釋東西風(fēng)帶之間相互作用的不足。結(jié)果表明經(jīng)向基流可使定常波穿越東風(fēng)帶，在南北兩半球間傳播，為東西風(fēng)帶之間的相互作用、南北半球相互作用提供了理論解釋，是研究遙相關(guān)波列、大氣 Rossby波對熱源強(qiáng)迫適應(yīng)的一個基本理論工具（徐寒列等，2012; Li et al., 2013）。利用新的行星波傳播理論，研究了在不同東亞夏季風(fēng)背景下相關(guān)行星波的傳播特征，指出夏季存在北印度洋—西太平洋對流濤動（IPCO）（Li et al., 2013），這是鏈接西北太平洋與北印度洋氣候的重要紐帶，與之相聯(lián)系的是亞印太遙相關(guān)型（IAP）（李建平等，2011a）和東亞—太平洋遙相關(guān)型（EAP）（Huang and Li, 1987; 黃榮輝和李維京, 1988; Huang, 2004；黃榮輝等，2010）或太平洋—日本（PJ）遙相關(guān)型（Nitta, 1987），因此，IPCO與東亞夏季風(fēng)變化存在緊密的聯(lián)系。

此外，探討了NAO影響其下游中高緯地區(qū)的新機(jī)制。與NAO相聯(lián)系的準(zhǔn)定常波列有兩類，一類是經(jīng)向傳播型，其可以激發(fā)出在亞非副熱帶急流中傳播的準(zhǔn)定常波列，影響NAO下游的副熱帶地區(qū)；另一類則是緯向傳播型，其傳播路徑為歐亞大陸的中高緯地區(qū)，影響NAO下游的中高緯度地區(qū)（Song et al.，2011）。冬季NAO與中國西南地區(qū)降水存在不對稱關(guān)系，即當(dāng)冬季NAO處于負(fù)位相時，中國西南地區(qū)冬季降水顯著減少。這種不對稱關(guān)系是由于冬季NAO對里海和中東—阿拉伯?！嗖馗咴捌湎掠蔚倪b相關(guān)波列（CAT遙相關(guān)型）的不對稱影響的結(jié)果（徐寒列等，2012）。

3.2 揭示了青藏高原熱力強(qiáng)迫的異常特征及其氣候效應(yīng)

（1）青藏高原和局地海氣相互作用影響孟加拉灣（BOB）夏季風(fēng)爆發(fā)的機(jī)理

亞洲夏季風(fēng)爆發(fā)最早是在 BOB最南端赤道印度洋地區(qū)（Li and Zhang, 2009; Zhang and Li, 2008）?；诤！憽獨庀嗷プ饔玫挠^點，Wu et al.（2012a）研究了BOB夏季風(fēng)爆發(fā)渦旋（BOBMOV）的觸發(fā)機(jī)制以及爆發(fā)渦旋發(fā)生、發(fā)展、消亡過程中的相關(guān)局地海—陸—氣相互作用物理過程，闡明了青藏高原—北印度洋和亞洲熱帶地區(qū)春季強(qiáng)烈的海—陸—氣相互作用是激發(fā)BOBMOV發(fā)生及亞洲夏季風(fēng)爆發(fā)的重要原因之一。在春季，青藏高原的強(qiáng)迫作用使印度地區(qū)對流層低層盛行干冷的偏北風(fēng)，在表面感熱加熱的作用下，印度次大陸上空形成陸面氣旋。在赤道強(qiáng)西風(fēng)和 BOB東部沿岸強(qiáng)西南風(fēng)的協(xié)同作用下，BOB北部受反氣旋式環(huán)流控制，伴隨下沉氣流，南部受氣旋式環(huán)流控制，伴有上升氣流。水汽從南半球、阿拉伯海和BOB北部地區(qū)向BOB東南部的氣旋式環(huán)流區(qū)輻合。之后，在過渡季節(jié)，由于印度東岸盛行西南風(fēng)，BOB西岸有離岸流，表面暖海水向東流動；同時，BOB東部地區(qū)在反氣旋環(huán)流控制下，表面風(fēng)速較小，入射太陽輻射增加，感熱和潛熱損失較少，由此形成了海表溫度大于30.5°C的 “BOB暖池”。隨后，新生渦旋向位于其北部的 BOB暖池和海表感熱加熱區(qū)移動，促使副熱帶地區(qū)帶狀高壓的脊線在BOB東部地區(qū)斷裂，熱帶西南風(fēng)與副熱帶西風(fēng)兩者匯合，亞洲夏季風(fēng)在BOB東部與中南半島西部之間的地區(qū)爆發(fā)。在BOBMOV生成后，表面風(fēng)速開始加大，海水垂直混合作用明顯增加，在海表潛熱和感熱通量以及冷海水上翻的共同作用下，造成BOBMOV過境后海溫急劇下降，致使 BOBMOV逐漸減弱直至消亡(Wu et al., 2012a)。

Jiang and Li（2011）以BOB夏季風(fēng)爆發(fā)為例研究了海表溫度年循環(huán)對夏季風(fēng)爆發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)BOB海表溫度最暖軸存在突然季節(jié)北跳特征，在海表溫度最暖軸突然北跳的兩候之后，BOB夏季風(fēng)開始爆發(fā)。在海表溫度最暖軸北跳之后，熱帶海表溫度的經(jīng)向梯度產(chǎn)生了逆轉(zhuǎn)，并強(qiáng)迫出低層越赤道氣流，形成西南風(fēng)，進(jìn)而引起夏季風(fēng)爆發(fā)。海表溫度最暖軸的突然北跳時間越早（晚），夏季風(fēng)爆發(fā)越早（晚），這為預(yù)測夏季風(fēng)爆發(fā)提供了有用的信號。

（2）青藏高原熱力異常影響亞洲季風(fēng)形成和北半球環(huán)流異常的機(jī)理

基于數(shù)值模擬，從青藏高原動力和熱力作用兩個方面對青藏高原對亞洲季風(fēng)形成及變化的影響做了較為系統(tǒng)的研究（Wu et al., 2012b, 2012c；Liu et al., 2012），指出亞洲夏季風(fēng)最主要受到高原熱力作用的強(qiáng)迫，而大尺度地形機(jī)械動力強(qiáng)迫作用并不是根本原因。位于 20°N以南的南亞季風(fēng)系統(tǒng)主要受海陸熱力差異控制，而其以北部分地區(qū)受到伊朗高原的熱力強(qiáng)迫，東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)的東部則主要受到青藏高原熱力作用的影響。青藏高原還可以導(dǎo)致對流層低層與高層環(huán)流以及熱帶與副熱帶季風(fēng)環(huán)流的耦合增強(qiáng)（Wu et al., 2012b, 2012c；Liu et al., 2012）。此外，冬季高原上空非絕熱加熱的年際異常主要表現(xiàn)為高原西側(cè)至東南側(cè)潛熱加熱的異常，是大尺度環(huán)流異常與高原動力作用的結(jié)果（宇婧婧等，2011）。

（3）青藏高原積雪異常可調(diào)制ENSO與東亞夏季風(fēng)的關(guān)系

青藏高原積雪異常對ENSO與東亞夏季風(fēng)之間的關(guān)系發(fā)揮著顯著的調(diào)制作用。在青藏高原積雪異常偏多年，ENSO與東亞夏季風(fēng)之間的聯(lián)系削弱；在積雪異常偏少年，ENSO與東亞夏季風(fēng)聯(lián)系則加強(qiáng)。研究結(jié)果表明，青藏高原積雪異常減少，有助于減弱北太平洋上空的西風(fēng)急流，從而有利于與ENSO相關(guān)聯(lián)的熱帶外大氣Rossby波從西傳播抵達(dá)東亞地區(qū)，進(jìn)而增強(qiáng)ENSO與東亞夏季風(fēng)的聯(lián)系；反之亦然（Wu et al., 2012f）。

除了調(diào)制 ENSO與東亞夏季風(fēng)之間的聯(lián)系之外，青藏高原積雪的年代際變化還可能對華北夏季熱浪的發(fā)生存在一定的影響作用。數(shù)值試驗結(jié)果顯示，當(dāng)青藏高原積雪異常減少時，會在蒙古—華北地區(qū)對流層中高層激發(fā)出一個高壓異常，與高壓異常相伴隨的下沉氣流，一方面使得大氣邊界層的氣溫升高，另一方面抑制了云的形成，從而使得更多的太陽輻射抵達(dá)地表，氣溫進(jìn)一步升高。兩者的共同作用下，有助于華北夏季熱浪的發(fā)生頻率增加（Wu et al., 2012d）。

實際上，研究還表明，青藏高原大氣熱源在1990年前后呈現(xiàn)顯著的年代際突變特征，相應(yīng)的大氣環(huán)流也發(fā)生了調(diào)整，從而對東亞降水的異常變化有重要影響（何金海等，2011）。

3.3 數(shù)值模型改進(jìn)和季風(fēng)預(yù)測方法研究初見成效，并成功應(yīng)用于業(yè)務(wù)預(yù)測

（1）大氣環(huán)流模式對亞洲季風(fēng)模擬性能顯著提高

利用中國科學(xué)院大氣物理研究所的 SAMIL大氣環(huán)流模式和 FGOALS2-s耦合模式開展了氣候模擬研究，形成了新版本的大氣環(huán)流模式和耦合模式。通過對 SAMIL積云對流參數(shù)化方案中組織化卷入、閉合假設(shè)、云水轉(zhuǎn)換率（適度降低，限制對流降水）和深對流發(fā)展高度等的改進(jìn)，明顯提高了SAMIL模式大氣分量及其耦合模式FGOALS2-s對亞洲季風(fēng)區(qū)環(huán)流的模擬能力（王軍等，2012；Bao et al., 2012）。同時，指出改進(jìn)模式中的物理參數(shù)化方案將是SAMIL后續(xù)發(fā)展的首要任務(wù)（王軍等，2012；王曉聰?shù)龋?012）。改進(jìn)后的模式，對南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓主體的模擬、對東亞區(qū)域降水的模擬，均比改進(jìn)前的版本更加接近觀測結(jié)果。另外，對參加CMIP5耦合模式比較計劃的FGOALS-s2評估的結(jié)果表明，其可以很好再現(xiàn)赤道東太平洋地區(qū)海表溫度的年循環(huán)特征、赤道西太平洋地區(qū)的半年循環(huán)特征和赤道東西太平洋地區(qū)過渡區(qū)域特征，技巧高于國際主流模式的模擬結(jié)果（Bao et al.,2012）。

（2）改進(jìn)了海洋浪—潮—流耦合模型

目前海洋環(huán)流模式一般模擬的海表溫度過高、上混合層深度太淺，因此使海洋躍層模擬失真。本項目通過海洋浪—潮—流耦合過程的分析，改進(jìn)了原來的無限水深波致混合方案，建立了有限水深波致混合系數(shù)的表達(dá)和數(shù)值估計，結(jié)果可使波致混合系數(shù)隨水深的衰減明顯變緩，在一定程度上改善了上述問題（楊永增等，2011）。

（3）提出了基于 NAO-ENSO的東亞夏季風(fēng)預(yù)測模型，成功應(yīng)用于汛期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)

根據(jù)前述春季NAO調(diào)節(jié)ENSO與東亞夏季風(fēng)聯(lián)系年代際增強(qiáng)的機(jī)理，可以利用春季NAO和前期ENSO信號對東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)（EASMI）及長江中游夏季降水指數(shù) RIYR（見圖 8）建立基于NAO–ENSO的有物理基礎(chǔ)的經(jīng)驗預(yù)測模型。根據(jù)1979～2006年的數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗預(yù)測模型如下：

其中，NAOI是春季4～5月的NAO指數(shù)（Li and Wang, 2003），ENSO（develop）代表ENSO發(fā)展階段的強(qiáng)度，用前期4～5月與2～3月的平均Nino3.4指數(shù)之差表示，ENSO (decay) 代表ENSO的衰退階段的強(qiáng)度，用前冬12～2月平均Nino3.4指數(shù)表示。由圖9可知，該預(yù)報模型的2007～2011年獨立預(yù)報效果是不錯的，對東亞夏季風(fēng)和長江中游夏季降水有預(yù)測能力。根據(jù)該預(yù)測模型，利用春季4～5月的NAOI和前期 Nino3.4指數(shù)，預(yù)測2012年東亞夏季風(fēng)指數(shù)為偏強(qiáng)，長江中游降水為偏少（圖9），這與實況相符，預(yù)測效果令人滿意。因此，實踐證明上述基于NAO–ENSO的預(yù)測模型為東亞夏季風(fēng)實時季節(jié)預(yù)測提供了一個新的工具。該成果在國家氣候中心汛期業(yè)務(wù)預(yù)測中得到應(yīng)用。

圖7 春季北大西洋濤動調(diào)節(jié)ENSO與東亞夏季風(fēng)聯(lián)系年代際增強(qiáng)的物理過程示意圖。H代表高壓，L代表低壓；紅色和粉紅色陰影代表暖海溫，淺藍(lán)色陰影代表冷海溫，與北大西洋濤動對應(yīng)在北大西洋存在海溫三極子模態(tài)。橘黃色和藍(lán)色陰影代表大西洋—歐亞遙相關(guān)型的幾個中心，帶箭頭的虛線代表遙相關(guān)路徑，“＋”和“－”分別表示正、負(fù)位勢高度異常Fig.7 Schematic diagram showing the physical processes related to the decadal strengthening relationship between East Asian summer monsoon (EASM) and ENSO modulated by spring North Atlantic Oscillation (NAO).H and L denote high and low pressure anomalies, respectively.Red and pink/cyan shaded areas indicate positive/negative SSTA.Orange/blue shaded areas indicated the centers of the Atlantic–Eurasian (AEA) teleconnection pattern.Dashed line with an arrow represents the track of the AEA pattern.“＋” and “－” indicate positive and negative geopotential height anomalies, respectively

圖8 東亞夏季風(fēng)指數(shù)EASMI（Li and Zeng, 2002）與夏季降水的相關(guān)（左圖）；長江中游夏季降水指數(shù)RIYR（左圖中紅色方框區(qū)域內(nèi)相關(guān)系數(shù)通過95%信度檢驗的站點的平均）與降水的相關(guān)（右圖）。陰影區(qū)為到達(dá)95%的置信度區(qū)域Fig.8 Correlations between the East Asian summer monsoon index (EASMI) (Li and Zeng, 2002) and summer (JJA) rainfall (left), and correlations between the summer rainfall index (RIYR) over the middle reaches of Yangtze River and summer rainfall (right).The RIYR is the averaged rainfall at stations in the red box of the left panel where correlations are significant above 95% confidence level.Shading indicates the correlation coefficients exceeding the 95%confidence level

（4）提出了尺度分離降尺度預(yù)測方法，成功應(yīng)用于汛期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)

一個物理現(xiàn)象通常存在多時間尺度的變化，制約不同尺度變化的物理因子也不同，比如季風(fēng)和我國夏季降水存在顯著的年際和年代際變化，而且這兩個時間尺度各自的影響因子和影響機(jī)制也不相同，因此有必要通過時間尺度分離技術(shù)，將季節(jié)預(yù)測問題分解到不同時間尺度上，分別研究影響因子的前兆信號和作用機(jī)制，并建立不同時間尺度的預(yù)測模型，再合成以綜合考慮年際和年代際變化從而得出最終預(yù)測（圖10a），這就是時間尺度分離的降尺度預(yù)測方法（Guo et al.,2012）。

以華北汛期（7～8月）降水為例，其變化具有明顯的年際和年代際變化特征，研究表明其年際尺度變化與前期6月ENSO以及AEA遙相關(guān)型有關(guān)，其年代際變化因印太暖池作用，與前期6月西南印度洋海平面氣壓密切相關(guān)。在揭示了上述不同尺度因子影響華北汛期降水的物理過程的基礎(chǔ)上，建立了尺度分離的降尺度模型：

其中R為華北汛期降水，AD,RR分別為華北汛期降水的年際、年代際部分。華北汛期降水年際變率部分AR的降尺度預(yù)測模型為

圖9 基于NAO–ENSO的經(jīng)驗預(yù)測模型對2012年東亞夏季風(fēng)指數(shù)EASMI預(yù)測（a）及長江中游夏季（6～8月）降水指數(shù)RIYR預(yù)測（b）。序列均為標(biāo)準(zhǔn)化值。1979～2006年為模型擬合時段，2007～2009年為模型后報時段，2010～2012年為模型預(yù)測時段。2012年東亞夏季風(fēng)預(yù)測為偏強(qiáng)，長江中游夏季降水偏少，這與實況相符Fig.9 (a)EASMI and (b) summer (JJA) RIYR in 2012 predicted by the NAO–ENSO based empirical model.The time series are normalized.1979–2006 is the period for the model fitting, 2007–2009 the hindcasts, 2010–2012 the predictions.The predicted EASM in 2012 is stronger than normal and the predicted RIYR in 2012 is less than normal, which are consistent with the observations

其中 SWID為 6月西南印度洋（25°S～10°N，30°～60°E）平均海平面氣壓的年代際分量。

獨立檢驗表明，尺度分離的降尺度模型明顯優(yōu)于不分離尺度的模型，相關(guān)系數(shù)由原來的0.53提高到0.79。對2009～2011年華北汛期的預(yù)測結(jié)果（圖10 d）表明，2009年為降水正常，2010年降水偏多，2011年降水正常偏多，基本與實況相符。這表明該模型有一定的預(yù)報技巧。對2012年華北汛期的預(yù)測：（1）年際尺度分量：2012年 No 3A和AEAA（ AEAA指數(shù)在 2012年特別強(qiáng)，達(dá) 7.75，對該年華北汛期降水偏多貢獻(xiàn)很大）均高于各自標(biāo)準(zhǔn)差的一半，因此選擇模型（4）中的第3個方程，得出年際部分降水為正距平（圖10b）；（2）年代際部分偏多，從年代際分量來看（圖 10c），華北汛期降水近年來有年代際增加的趨勢?？傮w上，2012年華北汛期降水是偏多（圖10d）。這與觀測一致，為業(yè)務(wù)部門提供了參考。可以說，尺度分離降尺度預(yù)測理論和方法為提出以年代際變化為背景的東亞季風(fēng)異常的年際預(yù)測理論和方法提供了思路。該成果在國家氣候中心汛期業(yè)務(wù)預(yù)測中得到應(yīng)用。

圖10 尺度分離降尺度預(yù)測方法建模示意圖（a），華北汛期（7～8月）降水預(yù)測試驗：年際分量（b）、年代際分量（c）及總降水距平（d）。（b）和（c）中黑線為實測，綠線為預(yù)測；（d）中柱線為實測，紅線為預(yù)測；單位：mm。1950～1990年為模型擬合時段，1991～2008年為模型獨立檢驗時段，2009～2012年為模型預(yù)測時段。2012年華北汛期降水預(yù)測為偏多，與實況相符Fig.10 (a) Schematic diagram showing the timescale decomposition (TSD) statistical downscaling model.Rainfall series (mm) of rainy season (JA) over North China: (b) interannual component, (c) interdecadal component and (d) total rainfall anomalies.Black and green lines in (b) and (c) are observation and model result, respectively.Bars in (d) are observation and red line is the TSD model result.The period of 1950-1990 is the training period, 1991-2008 the hindcasts, and 2009-2012 the predictions.The predicted JA rainfall in 2012 over North China is above than normal, which is consistent with the observation

（5）基于南半球環(huán)狀模（SAM）的東亞氣候預(yù)測模型

我國南方地區(qū)位于秦嶺—淮河以南、青藏高原以東的廣大地區(qū)，東臨東海、南面南海，約占全國面積的25%，人口占全國的55%。南方地區(qū)對我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展貢獻(xiàn)巨大，2011年的生產(chǎn)總值占全國GDP總量的約60%。同時，也是氣象災(zāi)害頻繁且嚴(yán)重的地區(qū)，2011年南方造成的直接經(jīng)濟(jì)損失占全國比重達(dá)70%。南方區(qū)域降水量的季節(jié)分布呈雙峰型，即峰值分別出現(xiàn)在春季和盛夏，分別稱為前汛期和后汛期，這兩個汛期的降水量占全年總降水量的70%以上，其中春季3～5月的降水量可占全年總降水量的35%以上，說明前汛期降水與后汛期降水同樣重要。而且，南方前汛期是我國每年雨季開始出現(xiàn)和雨帶北移的第一個階段，年際變率很大，因此，南方前汛期降水的研究對全國汛期的長期預(yù)報也有重要的意義。

作為南半球中高緯大氣環(huán)流變率的主要模態(tài)，SAM除了對南半球氣候有重要影響外，對中國氣候也有廣泛影響（Nan and Li，2003; 高輝等，2003；李建平，2005a, 2005b; 南素蘭和李建平, 2005a,2005b; 薛峰，2005；Wu et al., 2006; 吳志偉等，2006；Wu et al., 2009b; Nan et al.，2009）。前期發(fā)現(xiàn)春季SAM和東亞夏季風(fēng)（Nan and Li，2003; 李建平，2005b）、秋季 SAM 和東亞冬季風(fēng)存在顯著相關(guān)（Wu et al., 2009b），提出“海氣耦合橋”理論來揭示其中的物理機(jī)制（南素蘭和李建平，2005 a,2005b；Wu et al., 2009b），明確了SAM是東亞季風(fēng)季節(jié)預(yù)測新的前期信號。就是說，可以用秋季SAM的信號預(yù)測東亞冬季風(fēng)，利用春季SAM的信號預(yù)測長江以南的中下游地區(qū)的夏季降水。

在項目的支持下，做了進(jìn)一步的工作。發(fā)現(xiàn)前冬SAM對春季南方降水有顯著影響，兩者之間表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（鄭菲和李建平，2013）。前冬SAM影響南方春季前汛期降水也是通過“海氣耦合橋”的方式實現(xiàn)的，由此，可以建立基于冬季 SAM 的春季南方前汛期降水預(yù)測模型。根據(jù)1950/51～1979/80年冬季的數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗預(yù)測模型如下：

其中SCR是（20°～30°N，110°～120°E）范圍內(nèi) 11個臺站的春季（3～5月）平均降水量指數(shù)，SAMI前冬（12～2月）SAM指數(shù)。預(yù)測效果檢驗，在建立模型階段（1950/51～1979/80年共30年），降水實況和模型結(jié)果的符號一致率為57%，相關(guān)系數(shù)為0.35；在檢驗階段或者回報階段（1980/81～2010/11年共31年），符號一致率為74%，相關(guān)系數(shù)為0.53（圖11a）。這說明該模型對南方前汛期降水確有一定的預(yù)報技巧，并且比較穩(wěn)定。模型對 2011年的預(yù)測結(jié)果是南方春季偏旱，這與實況也是相符的（圖 11）。值得一提的是，對南方前汛期降水連旱的情況，該模型也有一定預(yù)報能力（圖11a）。

（6）可預(yù)報性理論研究取得新進(jìn)展

研究熱帶海溫的持續(xù)性障礙問題發(fā)現(xiàn)，熱帶北大西洋地區(qū)海溫存在冬季持續(xù)性障礙（WPB）的現(xiàn)象，其與ENSO在準(zhǔn)兩年尺度上存在著一種動力關(guān)系，即強(qiáng) El Ni?o事件之前一般伴隨著強(qiáng) La Ni?a事件，作為對ENSO的遙響應(yīng)，北熱帶大西洋地區(qū)海溫距平在冬季經(jīng)歷了由負(fù)到正的明顯變化，最終導(dǎo)致了冬季持續(xù)性障礙的現(xiàn)象。西北太平洋海表溫度的持續(xù)性則存在夏季障礙特征，而海洋內(nèi)部過程和大氣強(qiáng)迫作用可能是主要原因（Ding and Li,2011）。

發(fā)現(xiàn)西北太平洋中部地區(qū)海表溫度存在夏季持續(xù)性障礙（Zhao et al., 2012），這與ENSO的春季可預(yù)報性障礙不同，是與混合層、云—輻射反饋等局地海氣相互作用機(jī)制有關(guān)，而ENSO的遙強(qiáng)迫作用對這一現(xiàn)象的影響并不顯著。

將研究第二類可預(yù)報性的強(qiáng)迫奇異向量方法拓展到非線性領(lǐng)域，提出了非線性強(qiáng)迫奇異向量的新方法，并研究了計算非線性強(qiáng)迫奇異向量的伴隨算法（Peng et al., 2012）。提出了局地動力相似的概念，進(jìn)一步發(fā)展完善了通過尋找局地動力相似（不但相似點初始誤差小，而且它們在短時間內(nèi)的演化距離也要?。﹣砉烙嫹蔷€性局部 Lyapunov指數(shù)（NLLE）的方法（Li and Ding, 2011）。該方法可以利用實際觀測資料和再分析資料來定量研究大氣實際可預(yù)報性期限問題（Ding et al., 2010b, 2011），以及海溫的可預(yù)報性期限問題（Li and Ding, 2012）。對于海溫而言，熱帶中東太平洋、熱帶印度洋和熱帶大西洋均有超過 10個月的可預(yù)報性。此外，還研究了北半球海溫的冬季重現(xiàn)的時空特征（Zhao and Li，2010, 2012）。

3.4 順利實施了相關(guān)海域海洋觀測，成功優(yōu)化了海洋資料同化方法

（1）順利實施了2010～2012年南海18°N斷面海洋綜合觀測

在前期海氣 973項目的基礎(chǔ)上（李建平等，2011a, 2011b），本項目繼續(xù)支持了南海北部18°N斷面的海洋大氣綜合觀測工作，為形成我國自主設(shè)計和實施的長期海洋—大氣觀測斷面打下基礎(chǔ)，對我國南海海洋和大氣研究積累長時間序列的現(xiàn)場觀測資料集有重要意義。同時，也有利于評估海洋和大氣數(shù)值模式的參數(shù)化方案、檢驗和驗證海洋和大氣數(shù)值預(yù)報模式及資料同化系統(tǒng)的性能，也對南海北部的國防建設(shè)意義重大。本項目順利實施了2010～2012年南海18°N斷面海洋綜合觀測，獲得了大量第一手資料，取得了初步的分析結(jié)果（葛黎麗等，2012）。目前南海18°N斷面觀測已經(jīng)被納入CLIVAR國際氣候與海洋計劃框架。圖12為2011年8月南海北部海洋觀測開放航次站位的設(shè)置圖。

（2）成功完成黑潮源區(qū)潛標(biāo)設(shè)計和布放

在海潮源區(qū)布放潛標(biāo)，形成新的黑潮源區(qū)海洋觀測數(shù)據(jù)來揭示黑潮源區(qū)海域海流和溫鹽結(jié)構(gòu)的年代際變化是本項目的重點觀測內(nèi)容之一。通過收集、分析17.875°N 和18.125°N附近斷面2月和8月的溫鹽數(shù)據(jù)，最終確定布放位置為北緯18°4.9032′，東經(jīng) 122°40.8178′。使?jié)摌?biāo)盡量貼近黑潮流核，完成潛標(biāo)設(shè)計之后，2011年7月順利完成了布放工作，正在獲取相關(guān)觀測資料，為深入研究黑潮源區(qū)的基本情況打下良好的基礎(chǔ)。

（3）爪哇上升流區(qū)潛標(biāo)觀測順利進(jìn)行

延續(xù)了前期海氣973項目的觀測內(nèi)容，開展了印尼爪哇上升流潛標(biāo)觀測，通過 2011年度一個航次的爪哇沿岸上升流觀測，取得了大量現(xiàn)場實測的海流、溫度、鹽度、深度觀測剖面數(shù)據(jù)。對資料所反映的上升流演變特征進(jìn)行了初步分析發(fā)現(xiàn)，觀測資料可以反映熱帶東印度洋對 MJO和赤道急流的響應(yīng)過程，以及夏季季風(fēng)強(qiáng)迫下爪哇沿岸上升流的建立過程。該資料也將用于后期海洋浪-潮-流耦合模擬的檢驗驗證。

（4）發(fā)展了新的海洋資料同化方法

基于新版的垂直混合坐標(biāo)的 HYCOM 海洋模式，構(gòu)建了所研究海域的海洋資料同化系統(tǒng)（閆長香和朱江，2011）。新版的HYCOM模式不僅改進(jìn)了海洋垂直混合的物理過程，而且在淡水與風(fēng)場驅(qū)動、空間分辨率、關(guān)鍵的印尼海域地形及MPI并行技術(shù)等方面也做了較大改善。數(shù)值試驗顯示，新版的HYCOM模式在溫躍層的模擬、印尼貫穿流輸送量等方面的性能明顯好于舊版本。同時，同化方案采用了計算比較經(jīng)濟(jì)的集合最優(yōu)插值方法和局地化技術(shù)，并基于分布不均勻的觀測采用了一種新的分塊技術(shù)，以模式格點數(shù) 192000為例，采用分塊技術(shù)可以提高 36倍的計算效率。新的海洋資料同化方法為項目下一步建立亞洲區(qū)域海洋資料同化數(shù)據(jù)集的奠定了基礎(chǔ)。

圖12 2011年8～9月南海北部海洋觀測開放航次站位的設(shè)置圖Fig.12 Observation stations of the northern South China Sea open cruise in August-September 2012

4 總結(jié)與展望

本文總結(jié)了全球變化研究國家重大研究計劃項目“亞洲區(qū)域海—陸—氣相互作用機(jī)理及其在全球變化中的作用”執(zhí)行兩年多以來取得了階段性科研成果?？傮w而言，項目進(jìn)展順利，完成了預(yù)定的研究目標(biāo)，在印太暖池對全球熱帶氣候年代際變化的調(diào)控機(jī)理、季風(fēng)預(yù)測方法和模式改進(jìn)以及相關(guān)海氣補(bǔ)充觀測與資料同化方法等方面取得了較為突出的進(jìn)展，主要包括：

（1）闡明了亞洲區(qū)域?！憽獨膺^程是全球熱帶大氣環(huán)流年代際變化的主要驅(qū)動力，提出了熱帶東太平洋海溫變率的冷舌模態(tài)，揭示了ENSO型態(tài)變異及其影響東亞降水年際變化的機(jī)理。

揭示了Hadley環(huán)流存在年代際變化主模態(tài)，印太暖池海溫年代際非均勻增暖是該模態(tài)的重要驅(qū)動力，同時也是全球尺度副熱帶干旱年代際變化的重要調(diào)控器；ENSO是Hadley環(huán)流年際變化的重要驅(qū)動因子。發(fā)現(xiàn)熱帶東太平洋海表溫度變化的冷舌模態(tài)，它是一個海氣耦合模態(tài)，在全球變暖背景下其表現(xiàn)為長期增強(qiáng)，這種顯著增強(qiáng)對ENSO型態(tài)變異產(chǎn)生重要影響，是1980年代以來WP型或CP型El Ni?o或Modoki事件頻繁出現(xiàn)的重要原因之一。系統(tǒng)研究了兩類El Ni?o對中國氣候的不同影響及機(jī)理。

揭示了熱帶印度洋海盆的年代際增暖與ENSO事件持續(xù)時間的年代際變化存在密切關(guān)聯(lián)；揭示了ENSO事件影響平流層環(huán)流的年際—年代際異常的特征與機(jī)理；發(fā)現(xiàn)皮納圖博強(qiáng)火山爆發(fā)對 1990年代初平流層年代際變冷突變有重要貢獻(xiàn)，闡明了其中的影響機(jī)理；揭示了西北太平洋暖池對臺風(fēng)活動的年代際變化影響機(jī)理；發(fā)現(xiàn)ENSO與東亞夏季風(fēng)之間的關(guān)系存在年代際增強(qiáng)現(xiàn)象，春季NAO對調(diào)節(jié)ENSO與東亞夏季風(fēng)之間的這種年代際增強(qiáng)有重要作用，闡明了其中調(diào)節(jié)機(jī)理，為建立基于NAO–ENSO的東亞夏季風(fēng)預(yù)測經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷於宋锢砘A(chǔ)。此外，還提出了水平非均勻基流中行星波傳播的理論。

（2）揭示了青藏高原熱力強(qiáng)迫的異常特征及其氣候效應(yīng)。

闡明了青藏高原和局地海氣相互作用、海溫暖軸季節(jié)北跳影響B(tài)OB夏季風(fēng)爆發(fā)的機(jī)理，BOB區(qū)域海溫暖軸北跳平均超前夏季風(fēng)爆發(fā)2候，因此為預(yù)測亞洲夏季風(fēng)爆發(fā)提供了有用的前期信號。系統(tǒng)揭示了青藏高原熱力異常影響亞洲季風(fēng)形成和北半球環(huán)流異常的機(jī)理；發(fā)現(xiàn)青藏高原積雪異常對ENSO與東亞夏季風(fēng)的關(guān)系有顯著的調(diào)制作用，前者偏多（偏少）年，ENSO與東亞夏季風(fēng)之間的聯(lián)系削弱（加強(qiáng)）。青藏高原大氣熱源在1990年前后呈現(xiàn)顯著的年代際突變，對東亞降水的異常變化有重要影響。

（3）數(shù)值模型改進(jìn)和季風(fēng)預(yù)測方法研究初見成效，并成功應(yīng)用于業(yè)務(wù)預(yù)測。

改進(jìn)后的新版本大氣環(huán)流模式 SAMIL和耦合模式 FGOALS2-s對亞洲季風(fēng)模擬性能顯著提高，后者對赤道太平洋海溫的季節(jié)特征模擬也顯著提高。通過建立有限水深波致混合方案，改進(jìn)了海洋浪—潮—流耦合模型的模擬性能。可預(yù)報性理論研究取得新進(jìn)展

提出了一些有物理基礎(chǔ)的經(jīng)驗預(yù)測模型，如尺度分離降尺度預(yù)測方法，成功應(yīng)用于汛期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)，這為提出以年代際變化為背景的東亞季風(fēng)異常的年際預(yù)測理論和方法提供了新思路；提出了基于NAO–ENSO的東亞夏季風(fēng)預(yù)測模型，也成功應(yīng)用于汛期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)；提出了基于SAM的東亞氣候預(yù)測模型。這些成果在國家氣候中心汛期業(yè)務(wù)預(yù)測中得到了應(yīng)用，為業(yè)務(wù)部門提供了參考。

（4）在亞洲區(qū)域海氣補(bǔ)充觀測和海洋資料同化方面也取得突出進(jìn)展。

項目順利實施了相關(guān)海域的海氣補(bǔ)充觀測，優(yōu)化了海洋資料同化方法。成功實施了 2010～2012年南海 18°N斷面海洋綜合觀測，為形成國際上有重要影響的、我國自主實施的第一條南海斷面長期海氣觀測打下了基礎(chǔ)。成功完成黑潮源區(qū)潛標(biāo)設(shè)計和布放，為形成新的黑潮源區(qū)海洋觀測數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。爪哇沿岸上升流區(qū)潛標(biāo)觀測工作進(jìn)展順利。發(fā)展了新的海洋資料同化方法，為建立亞洲區(qū)域海洋資料同化數(shù)據(jù)集的奠定了基礎(chǔ)。

項目還繼續(xù)推動和領(lǐng)導(dǎo)了“亞洲季風(fēng)年”（AMY2007–2012）與“東亞氣候模擬”國際計劃，舉辦了多次相關(guān)國際會議和國際會議分會，提升了我國在該領(lǐng)域的國際地位。

在上述進(jìn)展基礎(chǔ)上，項目未來還要進(jìn)一步加強(qiáng)觀測、機(jī)理和模式研究，突出“亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔谩虺叨茸兓獤|亞季風(fēng)”的整體觀，進(jìn)一步突出印太暖池和青藏高原為主體的?！憽獨馊呦嗷プ饔?，主要研究包括：繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行斷面、潛標(biāo)等補(bǔ)充海氣觀測，獲取有關(guān)上層海洋溫鹽流及海表通量資料，并進(jìn)行資料訂正，完善相關(guān)海氣數(shù)據(jù)集；在發(fā)展的新的海洋資料同化方法基礎(chǔ)上，結(jié)合項目的觀測資料和其他資料進(jìn)行資料同化研究，生成亞洲區(qū)域高分辨率的長時間序列的海洋再分析資料，為相關(guān)研究奠定資料基礎(chǔ)；深化亞洲?！憽獨庀嗷プ饔玫倪^程及影響全球氣候異常的機(jī)理，特別是?！憽獨庀嗷プ饔盟鶎?dǎo)致的亞洲季風(fēng)減弱對全球氣候變暖速率年代際變化的貢獻(xiàn)；系統(tǒng)說明亞洲?！憽獨庀嗷プ饔眠^程影響東亞季風(fēng)、旱澇的過程和機(jī)理，以及相關(guān)可預(yù)報性研究；進(jìn)一步改進(jìn)耦合模式系統(tǒng)，分析現(xiàn)有模式模擬氣候變化的不穩(wěn)定性；在理論分析、資料診斷和數(shù)值模擬研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，形成亞洲區(qū)域?！憽獨庀嗷プ饔糜绊懭蜃兓臀覈觌H—年代際氣候異常的理論框架，建立年代際背景下年際尺度東亞季風(fēng)氣候異常的預(yù)測理論和方法。

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