EAWM-related air-sea-land interaction and the Asian summer monsoon circulation

Based on the data analysis, this study further explores the characteristics of East Asian winter monsoon (hereafter, EAWM, for brevity) as well as the related air-sea-land system, and illustrates how and to what degree anomalous signals of the subsequent Asian summer monsoon are rooted in the preceding EAWM activity. We identified an important air-sea coupled mode, i.e., the EAWM mode illustrated in Section 3. In cold seasons, strong EAWM-related air-sea two-way interaction is responsible for the development and persistence of the SSTA pattern of EAWM mode. As a consequence, the key regions, i.e., the western Pacific and South China Sea (hereafter, SCS, for brevity), are dominated by such an SSTA pattern from the winter to the following summer. In the strong EAWM years, the deficient snow cover dominates eastern Tibetan Plateau in winter, and in spring, this anomaly pattern is further strengthened and extended to the northwestern side of Tibetan Plateau. Thus, the combined effect of strong EAWM-related SSTA and Tibetan snow cover constitutes an important factor in modulating the Asian monsoon circulation. The active role of the EAWM activity as well as the related air-sea-land interaction would, in the subsequent seasons, lead to: 1) the enhancement of SCS monsoon and related stronger rainfall; 2) the northward displacement of subtropical high during Meiyu period and the related deficient rainfall over Meiyu rainband; 3) above-normal precipitation over the regions from northern Japan to northeastern China in summer; 4) more rainfall over the Arabian Sea and Northeast India, while less rainfall over southwest India and the Bay of Bengal. The strong EAWM-related air-sea interaction shows, to some degree, precursory signals to the following Asian summer monsoon. However, the mechanism for the variability of Indian summer monsoon subsequent to the strong EAWM years remains uncertain.

On the western boundary currents in the Philippine Sea

In this study we describe the velocity structure and transport of the North Equatorial Current (NEC), the Kuroshio, and the Mindanao Current (MC) using repeated hydrographic sections near the Philippine coast. A most striking feature of the current system in the region is the undercurrent structure below the surface flow. Both the Luzon Undercurrent and the Mindanao Undercurrent appear to be permanent phenomena. The present data set also provides an estimate of the mean circulation diagram (relative to 1500 dbar) that involves a NEC transport of 41 Sverdrups (Sv), a Kuroshio transport of 14 Sv, and a MC transport of 27 Sv, inducing a mass balance better than 1 Sv within the region enclosed by stations. The circulation diagram is insensitive to vertical displacements of the reference level within the depth range between 1500 and 2500 dbar. Transport fluctuations are, in general, consistent with earlier observations; that is, the NEC and the Kuroshio vary in the same phase with a seasonal signal superimposed with interannual variations, and the transport of the MC is dominated by a quasi-biennial oscillation. Dynamic height distributions are also examined to explore the dynamics of the current system.

Role of snow depth in spring of Tibetan Plateau in onset of South China Sea summer monsoon

The role of snow depth of Tibetan Plateau in the onset of South China Sea summer monsoon and the influence of ENSO on snow depth of Tibetan Plateau are investigated with use of data from ECMWF reanalysis and NCEP/NCAR reanalysis. The results are as follows: (1) The snow depth data from ECMWF reanalysis are tested and reliable, and can be used to study the influence of snow depth of Tibetan Plateau on the onset of South China Sea summer monsoon; (2) Anomaly of snow depth of Tibetan Plateau causes anomaly in air temperature and its contrast between the Indian Ocean and the continent resulting in easterly wind anomaly over 500 hPa and hence as well as in the atmospheric circulation in the lower layer. For the year of negative anomaly of snow depth a westerly wind anomaly with a cyclone pair takes place, while for positive anomaly of snow depth an easterly anomaly occurs with an anticyclone pair; (3) While positive anomaly of SST occurs in the eastern Pacific Ocean, positive anomaly of air pressure also takes place over the eastern Indian Ocean and the South China Sea, causing stronger meridional pressure gradient between the ocean and continent and then westerly wind anomaly. At the same time, the atmospheric pressure increases in the northern Tibetan Plateau, northerly wind gets stronger, and subtropical front strengthens. All of these are favorable for snowfall over Tibetan Plateau.

An approach to prediction of the South China Sea summer monsoon onset

In the present paper, correlation between the South China Sea summer monsoon (SCSSM) onset and heat content in the upper layer of the warm pool in the western Pacific Ocean is examined using the Scripps Institution of Oceanography dataset for the period of 1955-1998 and an approach to prediction the SCSSM onset is proposed. Correlation showes that there exists interdecadal variability of the SCSSM onset demarcated by 1970 with the largest correlation coefficient in the area west of the center of the warm pool rather than near its centers, implying certain effect from other factors involved besides ENSO. As the correlation is poor for the period before 1970, the heat content anomaly of the warm pool after 1970 is used to indicate early or late onset of the SCSSM beforehand. An ideal representative area (1A degrees x1A degrees) for the warm pool heat content was determined with its center at 3A degrees N/138A degrees E. The nearest TAO (TAO-Tropical Atmosphere Ocean-array) mooring to the center is at 2A degrees N/137A degrees E, and chosen to calculate the heat content for prediction. It is suggested that the TAO mooring at 2A degrees N/137A degrees E could be used to predict the SCSSM onset with the heat content in the upper layer, if the correlation between the SCSSM onset and the heat content of the warm pool runs like that of after 1970. On the other hand, if the situation does like the one before 1970, the representative station is determined at 13A degrees S/74A degrees E with relatively poor correlation, meaning that the warm pool in the western Pacific Ocean plays more important role in the SCSSM onset than the Indian Ocean.

Algorithm Studies on How to Obtain a Conditional Nonlinear Optimal Perturbation (CNOP)

The conditional nonlinear optimal perturbation (CNOP), which is a nonlinear generalization of the linear singular vector (LSV), is applied in important problems of atmospheric and oceanic sciences, including ENSO predictability, targeted observations, and ensemble forecast. In this study, we investigate the computational cost of obtaining the CNOP by several methods. Differences and similarities, in terms of the computational error and cost in obtaining the CNOP, are compared among the sequential quadratic programming (SQP) algorithm, the limited memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (L-BFGS) algorithm, and the spectral projected gradients (SPG2) algorithm. A theoretical grassland ecosystem model and the classical Lorenz model are used as examples. Numerical results demonstrate that the computational error is acceptable with all three algorithms. The computational cost to obtain the CNOP is reduced by using the SQP algorithm. The experimental results also reveal that the L-BFGS algorithm is the most effective algorithm among the three optimization algorithms for obtaining the CNOP. The numerical results suggest a new approach and algorithm for obtaining the CNOP for a large-scale optimization problem.

Roles of equatorial waves and western boundary reflection in the seasonal circulation of the equatorial Indian Ocean

An ocean general circulation model (OGCM) is used to study the roles of equatorial waves and western boundary reflection in the seasonal circulation of the equatorial Indian Ocean. The western boundary reflection is defined as the total Kelvin waves leaving the western boundary, which include the reflection of the equatorial Rossby waves as well as the effects of alongshore winds, off-equatorial Rossby waves, and nonlinear processes near the western boundary. The evaluation of the reflection is based on a wave decomposition of the OGCM results and experiments with linear models. It is found that the alongshore winds along the east coast of Africa and the Rossby waves in the off-equatorial areas contribute significantly to the annual harmonics of the equatorial Kelvin waves at the western boundary. The semiannual harmonics of the Kelvin waves, on the other hand, originate primarily from a linear reflection of the equatorial Rossby waves. The dynamics of a dominant annual oscillation of sea level coexisting with the dominant semiannual oscillations of surface zonal currents in the central equatorial Indian Ocean are investigated. These sea level and zonal current patterns are found to be closely related to the linear reflections of the semiannual harmonics at the meridional boundaries. Because of the reflections, the second baroclinic mode resonates with the semiannual wind forcing; that is, the semiannual zonal currents carried by the reflected waves enhance the wind-forced currents at the central basin. Because of the different behavior of the zonal current and sea level during the reflections, the semiannual sea levels of the directly forced and reflected waves cancel each other significantly at the central basin. In the meantime, the annual harmonic of the sea level remains large, producing a dominant annual oscillation of sea level in the central equatorial Indian Ocean. The linear reflection causes the semiannual harmonics of the incoming and reflected sea levels to enhance each other at the meridional boundaries. In addition, the weak annual harmonics of sea level in the western basin, resulting from a combined effect of the western boundary reflection and the equatorial zonal wind forcing, facilitate the dominance by the semiannual harmonics near the western boundary despite the strong local wind forcing at the annual period. The Rossby waves are found to have a much larger contribution to the observed equatorial semiannual oscillations of surface zonal currents than the Kelvin waves. The westward progressive reversal of seasonal surface zonal currents along the equator in the observations is primarily due to the Rossby wave propagation.

Variation in joint mode of the tropical Indian-Pacific Ocean thermodynamic anomaly

Previous research has defined the index of the Indian-Pacific thermodynamic anomaly joint mode (IPTAJM) and suggested that the winter IPTAJM has an important impact on summer rainfall over China. However, the possible causes for the interannual and decadal variability of the IPTAJM are still unclear. Therefore, this work investigates zonal displacements of both the western Pacific warm pool (WPWP) and the eastern Indian Ocean warm pool (EIOWP). The relationships between the WPWP and the EIOWP and the IPTAJM are each examined, and then the impacts of the zonal wind anomalies over the equatorial Pacific and Indian Oceans on the IPTAJM are studied. The WPWP eastern edge anomaly displays significant interannual and decadal variability and experienced a regime shift in about 1976 and 1998, whereas the EIOWP western edge exhibits only distinct interannual variability. The decadal variability of the IPTAJM may be mainly caused by both the zonal migration of the WPWP and the 850 hPa zonal wind anomaly over the central equatorial Pacific. On the other hand, the zonal migrations of both the WPWP and the EIOWP and the zonal wind anomalies over the central equatorial Pacific and the eastern equatorial Indian Ocean may be all responsible for the interannual variability of the IPTAJM.

黑潮流系与暖池区晚更新世以来的古环境研究

为了填补在菲律宾以东的黑潮源区古环境研究上的空白，加深对于晚更新世以来黑潮流系的变动记录及其驱动机制的了解，以及明确黑潮与低纬度太平洋（西太平洋暖池）古环境变动之间的相关关系，对于黑潮源区的Ph05孔、西太平洋暖池中心的WP3孔、冲绳海槽的CSH1孔的浮游有孔虫动物群落，岩心的粒度矿物组成、碳酸盐含量变化以及有机碳含量等地化指标进行了分析，并结合前人所做的黑潮主流区的WP3孔和DGKS9603孔的数据资料，对于黑潮流系以及西太平洋暖池晚更新世以来的古环境记录进行了分析。 结果表明黑潮源区与西太平洋暖池核心区的长时间尺度的ENSO式的上层水体结构变动对于浮游有孔虫种群组合与生产力变动的控制作用十分显著，生产力的变动领先于全球冰量的变动数千年，而与南极Vostok冰芯中的CO2浓度变化几乎同步，意味着低纬度地区的“生物泵”作用对于调节大气CO2浓度变动很可能起到了主导作用，并且以此为媒介引起全球气候系统的变动，这一结果与近年来提出的热带驱动气候系统变动模式相符。 黑潮源区和暖池区冬季SST仍主要受控于冰期－间冰期旋回的变动，而夏季SST主要受控于低纬度太阳辐射变动的影响；太阳辐射引起的海陆温度梯度导致的冬季风强度变化是引起Ph05孔粉砂粒级组分变动的主要因素，黑潮源区的矿物成分受到东亚冬季风所带来的陆源物质、低纬过程控制的风化作用强度以及火山作用的影响；碳酸盐旋回受控于水深因素，水深最大的Ph05孔受到底层水溶解作用最为强烈，而WP7孔碳酸盐旋回的主要控制因素是钙质生物生产力的变动，另外黑潮源区的碳酸盐含量受到频繁的火山活动的影响。 低纬与高纬气候驱动因子在黑潮源区附近相互耦合，产生30ka的特征周期，当超大型ENSO发生时，暖池收缩，北赤道流减弱，黑潮流速流量随即减小；末次冰期中黑潮仍然存在于冲绳海槽内部，16kaBP之前对马暖流不存在，冲绳海槽北部存在明显的水体上涌和河流的注入，16-8.5kaBP之间是对马暖流的发育期，而稳定的对马暖流形成是在8.5kaBP左右，对马暖流水体主要来源于黑潮主干。

近海面气象参数的反演及应用研究

全球气候与人类活动密切相关，气候研究一直是现代科学家关注的重点问题之一。过去海面气象参数的研究主要借助于浮标和站点的观测，但是它们稀少的观测资料极大地限制了海面气象参数的研究。现在借助卫星观测大大地提高我们的认识能力，卫星可以对全球海洋进行连续观测，获取长期大范围的海洋气象资料，为全面深入地了解大洋甚至全球大气活动提供可能。 本文的工作就是利用卫星资料进行月平均和实时的近海面气象参数的反演及应用研究。利用近十八年SSM/I和AVHRR卫星资料与实测资料进行结合，建立神经网络（ANN）模型反演近海面月平均气温和湿度，与实测资料相比气温的均方根差为0.87 ℃，相关系数为 0.99，相对湿度的均方根差为3.73%，相关性为0.65。利用同步物理方法从TOVS资料反演中国海区上空1000mb到10mb之间的温湿廓线，再利用神经网络方法和基于Bowen比的方法从温湿廓线的结果反演出近海面处的实时气温和露温参数，取得了比较合理的结果，气温和露温结果的均方根差分别是1.85K和2.59K（与实测数据相比）。利用2005年1月的AMSR-E亮温资料对实时气象参数反演进行探讨，分析AMSR-E的各个探测通道与海表温度、近海面气温、湿度和风速等参数的相关性，把12个通道分为四种情况并在每种情况下分别进行试验，选择最合适的组合通道并进行气象参数的反演，结果与TAO资料进行比较，海表温度的均方根差是0.55℃，近海面气温的均方根差是0.74℃，海面湿度的均方根差是3.24%，海面风速的均方根差是1.11m/s。目前，与其它结果相比该结果的精度是最好的。 把以上反演得到的近海面气象参数结果应用于海气界面热通量的计算，以更好地研究海气相互作用。分别采用神经网络和Bulk公式两种方法计算月平均潜热和感热通量，结果与GSSTF2资料进行比较，Bulk方法反演的感热和潜热的均方根差分别为9.05±4.6 W/m2和23.7±4.0 W/m2，ANN模型得到的分别是7.54±3.0 W/m2和20.1±3.2 W/m2，，结果表明ANN模型得到的结果明显的好于Bulk公式。ANN模型反演的全球潜热和感热结果在空间分布上与GSSTF2的吻合很好，但在极大值区，ANN模型得到的结果偏小。把AMSR-E亮温资料反演得到的实时的海表温度、近海面气温、湿度和风速四个参数结合ANN模型，计算太平洋赤道地区的实时感热和潜热通量。 对反演得到的约18年近海面月平均气温进行年变化分析,得知近18年里气温呈现上升趋势。近海面气温在反映气候异常信息上有与海表温度相似的表达性，1989冷事件年，全球平均海面气温明显偏低（14.25℃），1998暖事件年，平均海面气温值最大（14.57℃ ）。用经验正交函数（EOF）和经验模态分解（EMD）分析近海面气温的距平变化，得到的前三个主要模态解释了84%的总体变化，EOF1解释了76.1%的变化，主要表达了太阳辐射引起的年周期气温变化；EOF2解释了4.6%的变化，主要解释ENSO对气温异常的作用；EOF3（3.3%）的空间模态呈现了很多有趣的现象，比如气温正异常主要表现在北半球的高纬度区，南极附近高低起伏的气温异常可以作为南极绕极流的一个证据等。

东亚低空异常季风风场时空特征分析

应用矢量经验正交函数（Vector EOF）方法和长序列网格点风距平资料对东亚季风区低空异常风场进行分析，以揭示东亚季风区矢量风场异常的主要模态及其年际、年代际振荡特征和成因。 研究方法包括： 1)EOF方法是将一个空间观测场的时间序列资料分解成若干重要的正交的空间和时间模态，从而提取大气和海洋观测资料的主要时空变率特征（即模态）。目前，EOF模态也可直接由奇异值分解（SVD）方法计算获得，勿需再对观测资料矩阵进行协方差矩阵的计算。首先将风场资料集的 分量矩阵和 分量矩阵融合成为一个新矩阵 ，然后对该新矩阵 应用SVD方法进行计算，获得 分量和 分量的主要的EOF空间模态及其统一的时间模态。最后，将 分量和 分量的各主要空间模态进行合并处理，形成矢量形式的彼此正交的EOF空间模态。由于是对矩阵 进行EOF分解（而不是对 和 分别进行EOF分解），所获得的 和 的空间特征模态对应于相同的时间系数，从而可以合并成为一个具有现实意义的特征风场（即全风矢量场）。 2)将滤波技术（例如，Butterworth滤波器）和各种谱分析技术（包括功率谱、交叉谱和奇异谱SSA）应用于时间模态，探讨其年际、年代际振荡特征及与ENSO的联系。 所使用资料为NCEP/NCAR提出的1950年1月至2004年12月850 hPa全球月平均风场网格点资料，资料分辨率为2.5°×2.5°。研究区为0～50N，100～150E。 结果表明，东亚异常季风典型流场第一模态（VEOF-1）属于ENSO相关模态，其时间模态与Nino3指数之间具有较高的负相关关系，但以季风异常滞后ENSO进程6～8个月为最显著。这表明，东亚热带和副热带季风风场变异与ENSO之间联系紧密。提出了一个VEOF-1对ENSO响应的概念模型。 前6个模态，其积累方差贡献率接近60％，基本可表达东亚季风区风场异常的典型类型。 （1）东亚异常季风模态VEOF-1以年际尺度振荡最为显著（是年际尺度振荡的代表模态），并以2～4年周期为最显著；东亚异常季风模态VEOF-2至VEOF-4则主要表现为11年～20年尺度的年代际变化。 （2）东亚异常季风VEOF-1时间模态与Nino3指数之间具有较高的负相关，并以VEOF-1落后Nino3距平变化6～8个月为最显著。 对矢量风距平流场作VEOF展开，能揭示季风变异的空间结构特征和时间振荡规律，并具有直观的天气学意义。 VEOF-1属于ENSO相关模态，其时间模态与Nino3指数之间具有较高的负相关关系，但以季风异常的响应滞后ENSO事件6～8个月为最显著。也即在它们之间的遥相关关系中，赤道东太平洋SST持续地异常升高（降低），6～8个月后东亚异常季风VEOF-1模态明显减弱（加强）。

热带西太平洋边缘晚第四纪以来的古环境研究

利用取自热带太平洋边缘的5个柱状岩芯Ph05-5、WP3、MD2908、Z14-6和WP7，通过对其微体古生物和生物地球化学成分的分析，结合浮游有孔虫氧、碳同位素数据、AMS14C测年结果和已有的研究资料，分别研究了热带西太平洋边缘晚第四纪以来的钙质超微化石群落特征、碳酸盐旋回、超微化石氧碳同位素特征、古生产力和上层海水结构演化以及高分辨率东亚夏季风指标，并探讨了碳酸盐旋回、古生产力和上层海水结构演化、全新世东亚夏季风强弱变化的控制机制，以及钙质超微化石下透光带属种Florisphaera profunda的相对百分含量变化在热带太平洋边缘的古环境指示意义及不同环境条件下的控制机制。 西菲律宾海Ph05-5岩芯和台湾东南部WP3岩芯中CaCO3和钙质超微化石碳酸盐溶解指数、初级生产力指标的变化显示约190 kyr BP以来CaCO3含量整体上都表现为冰期高、间冰期低的“太平洋型”旋回特征，但菲律宾以东海区在末次冰期（MIS 4~2期）内部又显示出间冰段含量高、冰段含量低的“大西洋型”旋回特征。碳酸盐旋回的主要控制因素在菲律宾以东海区是碳酸盐溶解作用，而台湾东南海区则是初级生产力变化引起的钙质生物输入量的波动。 西菲律宾海Ph05-5岩芯中190 kyr BP以来的钙质超微化石δ18O值在末次间冰期（MIS 5e）和全新世明显低于末次冰期（MIS 5d~2）和倒数第二次冰期（MIS 6）。超微化石δ18O值与浮游和底栖有孔虫δ18O值都呈明显的正相关关系，但是超微化石的δ18O平均值重于表层浮游有孔虫Globigeriniodes rubber，轻于中层Neogloboquadrina dutertrei。超微化石δ13C值变化与其绝对丰度变化表明西菲律宾海区大约在MIS 6和MIS 5e期，表层海水初级生产力相当稳定且显著低于其它各时期；约从MIS 5d期开始表层初级生产力显著上升，并一直持续到末次冰期；在MIS1、2期，表层初级生产力有所下降，但仍高于MIS 6和MIS 5e期。 Ph05-5岩芯中钙质超微化石下透光带属种F. profunda相对百分含量和浮游有孔虫转换函数的温跃层深度变化表明西太平洋暖池北缘约190 kyr BP 以来，营养跃层和温跃层冰期（MIS 6期和5d~2期）浅，间冰期（MIS5e）和全新世深，MIS5e期是最近两个冰期旋回中营养跃层和温跃层深度最深的时期。F. profunda百分含量初级生产力转换方程计算结果和与钙质超微化石绝对丰度的变化显示冰期初级生产力高，间冰期和全新世初级生产力低， MIS5e期初级生产力最低。此外，Δδ13C C. wullerstorf-coccolith和Δδ13C C. wullerstorf-N. dutertrei差值的变化也说明190 kyr BP以来冰期表层输出生产力高于间冰期，其中最为突出的特征也是MIS5e期为生产力输出的最低值期。上层海水结构和生产力的上述变化特征与现代La Niňa事件爆发时的海洋环境相当类似，该海区MIS5e期可能是La Niňa事件频繁爆发的一段时期，可以与现代La Niňa现象类比。同时，根据Wyrtki提出的信风张弛理论推测MIS5e期，由于La Niňa事件的频繁爆发黑潮主流应该是增强的。 热带西太平洋暖池核心区WP7岩芯中250 kyr BP以来的初级生产力在间冰期明显低于冰期，间冰期生产力相对稳定，冰期(MIS6，4和2)生产力升降幅度较大；冰期向间冰期过渡的冰消期内生产力的降低是相对缓慢的，而间冰期向冰期过渡时生产力的增加是迅速的。初级生产力指标的交叉频谱分析显示出偏心率、斜率、岁差（半岁差）、30kyr和50kyr周期。说明暖池区晚第四纪以来古生产力变动除了受全球冰量变动控制以外，低纬区的岁差驱动也是主要控制因子。约250 kyr BP以来古生产力的变化与Vostok冰心的CO2记录在30kyr周期上高度相关，低CO2值与高生产力相对应，印证了大洋初级生产力在全球碳循环中扮演了重要的“吸收者”的角色，30kyr周期是赤道太平洋地区生物生产力ENSO式变化特征的体现，这也证明了低纬地区生物泵在控制大气CO2浓度方面的重要作用。另外，在岁差周期段，底栖有孔虫U+B含量和N. dutertrei δ13C代表的生产力变动领先于有孔虫δ18O代表的冰体积变化约2.6~7kyr（0.5kyr,2.6 kyr,4.2 kyr, 7kyr），表明在千年时间尺度上日射是该区生产力变化的直接驱动力，两极冰体积变化（δ18O）没有明显的影响低纬气候波动。 对热带西太平洋边缘海区WP7、Ph05-5、WP3和Z14-6四个岩芯中晚第四纪以来超微化石下透光带属种F. profunda相对百分含量变化进行横向对比研究表明，F. profunda百分含量分布并非简单受水深控制，而是由海水上层复杂的生态因素所决定；F. profunda相对百分含量变化曲线与浮游有孔虫N. dutertrei氧同位素曲线呈不同程度的相关性，N. dutertrei 氧同位素越轻，对应的F. profunda相对百分含量越高；冲绳海槽中部的Z14-6岩芯中F. profunda相对含量变化的主控因子是黑潮流的强弱变化；WP7和Ph05-5两个岩芯中F. profunda相对含量变化与低纬地区暖池变化特征密切相关。 6800 yr BP以来台湾东北部MD2908岩芯中F. profunda相对百分含量变化与太阳黑子数量呈明显的反相关关系，而且3700 yrBP以来更为明显。由于F. profunda相对百分含量变化与该地区东亚夏季风引起的降雨量密切相关，所以推测6800 yr BP以来东亚夏季风受太阳活动影响，其中的纽带是IZCT的纬向位置变动。

北太平洋低纬度西边界流的时空特征和变异规律研究

北太平洋低纬度西边界流连接着太平洋热带环流和副热带环流，对于世界大洋经向质量、热量和盐量输送起着重要的作用，对北赤道流（NEC）、源区黑潮（KC）和棉兰老流（MC）的时空特征和变异规律进行研究，对认识北太平洋西边界流海洋在全球气候系统中的作用具有重要的理论和实践意义。 本文利用1957-2006年共50年的涡解高分辨率OFES（OGCM for the Earth Simulator）海洋模式资料，对北太平洋低纬度西边界流的时空特征和变异规律进行了分析，结果表明： （1）涡解高分辨率的OFES模式数据结果较SODA能更好地刻画NMK流系三维空间结构的分布特征；黑潮源区涡结构的变化，MUC、 LUC及NEC下的东向流也得到了较好的刻画；其空间结构与实测结果相吻合。 （2）北太平洋低纬度西边界流NMK流系流量具有明显的季节、年际和年代际变化，NEC、KC和MC流量的变化周期频谱较宽,主要为3－6个月的季节振荡和2-7年左右ENSO尺度周期以及10年以上周期的年代际变化。MC主要表现为准两年周期振荡。 （3）NEC、MC流量变化表现为单峰型分布，春季最大（5月），秋季最小（11月）；KC流量的变化为双峰型，大值出现在春季和夏末秋初，春季最大（4月），秋季次之，冬季最小（1月）。在季节时间尺度上，NEC、MC流量同相变化，除冬季外，KC与MC输运反向。 （4） 在年际时间尺度上，受北赤道流流量变化的影响，NEC与KC、MC流量之间为正相关关系；KC与MC分配量（北赤道流向北、向南的经向分配量）之间则为强的负相关关系，其年际异常变化与NEC分叉位置的变化和冷、暖ENSO事件发生密切相关。分叉位置偏北（南）时，KC分配量小（大）而MC分配量大（小）；在El Nino年，KC分配量小，MC分配量大，La Nina年情况则刚好相反。 （5）在年代际时间尺度上，在70年代末气候跃变以后，NEC、KC和MC流量明显减少，NMK环流系统减弱。NEC的减弱主要受上世纪80年代以后ENSO暖事件发生频率和强度的增加所影响，而KC和MC的减弱则主要受NEC减弱控制。同时发现，NEC分叉位置存有明显的年代际变化，在气候跃变以后有长期偏北的趋势，受其影响，与之相对应的是北赤道流向南经向分配量的增加和向北流量分配率的减少。 关键词：北太平洋，低纬度西边界流，北赤道流分叉，ENSO

南海上层海洋变异分析及海表温度统计学可预报性试验

气候变化和异常是当今地球科学研究的重大课题之一，与人类的生存、发展密切相关。南海作为我国最大的边缘海, 位于夏季风气流上游, 同时，作为热带太平洋的边缘海，具有显著的年际变异特征。近年来，随着卫星资料的积累和产品化使得我们有机会对南海的上层海洋要素进行全面的直接的观察，并进行南海气候异常变异及其可预报性的研究。 本文的研究内容就是利用近年来卫星资料产品，对南海主要海面要素，包括海面风场（SW）、表层温度场（SST）、海面高度场（SSH）的气候变化趋势以及南海表层温度变异的可预测性进行细致的探讨，并且利用较新的分析方法对南海上层海洋要素在近年来的非线性变异特点进行了分析。主要工作包括： 1. 采用南海卫星高度计及具有高精度模式输出结果通过联合经验正交函数分解（EOF）得到空间分辨率为1/3°×1/3°的南海绝对动力地形及地转流的季节变化（1－12个月）。从地转流场可以看到南海内部的表层流场主要有3种流系：西边界流、离岸流及南海多涡涡旋结构。 2. 通过南海海表大气和海洋要素（SW、风应力、SST、SSH）的气候变化趋势分析计算得到南海SST平均增暖0.5K/decade，海面高度升高6.7cm/decade，表层风场东分量和北分量的变化趋势分别为0.5m/s/decade、-0.04m/s/decade。其中南海SST增暖趋势和海面抬升速率远大于全球增暖和海面抬升速率。 3. 对南海SW、SSH和SST的异常场的EOF分析揭示南海SW、SSH及SST的年际尺度变化均表现出与ENSO变异现象一定的相关性：其中南海SW的第一模态特征表现为海盆尺度的反气旋，是西太平洋反气旋的最西南的一部分。对应的时间系数函数（TCF）滞后Nino3.4指数3个月，相关系数较高为0.90。南海SW的第二模态特征表现为均一化的西南风，TCF与印度洋偶极子（IOD）指数有一定相关性：TCF超前IOD指数4个月，相关系数达到0.58,表明南海SW第二模态似乎可以用来作印度洋偶极子现象的一个前兆。南海SSH的EOF第一模态特征为沿着南海东边界低水位，对应的TCF滞后Nino3.4指数2个月时间，二者相关系数为0.94；南海SST的EOF第一模态特征表现为整个海盆的增暖，对应的TCF与滞后Nino3.4指数8个月，相关系数等于0.62。 4. 基于典型相关分析（CCA），利用南海SSTA滞后热带太平洋Nino指数及印度洋IOD指数的关系建立南海SSTA的统计预报模式。通过对南海SSTA后报试验（1993/1994-2004年10月）与持续性预报值的预报效果进行比较分析，表明基于CCA统计方法对南海SSTA后期预报在预报时效超过3个月以上时具有更好的稳定性，提前1～12个月的后期预报水平平均值为0.60左右，误差均方根大约0.2个标准差。综合热带太平洋Nino指数为预报因子作南海SSTA统计预报的平均水平为0.55左右，亦具有较好的稳定性。 5. 基于前馈型神经网络，对南海近年的表层要素场（SW、SSH、SST）作非线性EOF分析。其中非线性EOF第一模态方差贡献与线性EOF相比均相应提高：海面风场、海面高度场的非线性作用较强，非线性EOF第一模态对变量场的方差贡献与线性EOF方法相比分别从54.75%提高到67.26%和50.43%提高至60.24%，非线性曲率强的空间范围占据绝大部分南海海域；相比较而言，南海SSTA场的非线性EOF第一模态的方差贡献提高不明显,非线性特征明显的区域仅在南海北部和南部靠近大陆的海区。对南海SSTA场1982-2003年时间长度的数据进行非线性与线性EOF分析比较，发现南海SSTA在近20年的非线性EOF分析中得到的非线性特征更不明显，表明与前10年相比，南海近10年的南海SSTA场的非线性成分有所增强。

热带海洋海温变率预报及可预报性研究

热带海洋是大尺度海气相互作用的关键区域，对全球气候变化有重要影响。厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）及热带大西洋变率（TAV）是分别是热带太平洋、大西洋的最显著气候变率。对热带海洋海表温度（SST）的预报是预报ENSO和TAV的关键要素，对全球气候、生态环境及许多国家的防灾减灾、经济发展有非常重要的意义。 本文利用一个中等复杂程度的海－气耦合模式CCM3－RGO，对1980－2000年热带海洋SST变率进行回顾性预报。并创新性地在耦合模式中加入大气噪声过滤器，检验天气噪声等因素对预报的影响。 第一部分工作为ENSO预报。本文改进了初始化方案，并应用噪声过滤器减少天气噪声对耦合过程的影响，显著提高了ENSO预报技能，达到同类研究的先进水平。进一步分析表明，采用耦合同化方法产生的、与模式相容性和准确性皆优的初始条件，对2个季节以内的ENSO预报技巧的提高起主要作用；在适宜的初始条件下，过滤风应力中的天气噪声，可以增强海－气耦合过程的信噪比，改善模式对风－温跃层－SST相互作用的Bjerknes反馈机制的正确响应，对3－4季节预报技巧的改进起主要作用。 第二部分为热带大西洋SST预报。发现过滤热通量中的天气噪声可以加强局地热力学反馈，对以往预报水平较低的南热带大西洋SST预报有显著的改进作用。

西太平洋—印度洋—青藏高原气候系统在南海夏季风爆发过程中的作用

本文利用美国国家环境预测中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR—National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)的位势高度、气温、风速等大气资料、欧洲中期天气预报中心 （ECMWF—European Centre for Medium-Range Weather Forecasts—ERA-40）的雪深资料、美国国家海洋大气管理局（NOAA—National Oceanic and Atmospheric Administration）的海表温度（SST）资料、美国Scripps海洋研究所的上层海洋热含量资料等，采取相关分析、合成分析、经验正交函数分析、小波分析和小波交叉谱分析等统计分析方法，系统深入地讨论了西太平洋—印度洋—青藏高原气候系统在南海夏季风爆发过程中的作用。得到的主要结论如下： 1. 西太平洋和印度洋在南海夏季风爆发过程中起着关键作用 利用1951－1998年多种大气海洋资料，分析研究结果表明，西太平洋（暖池热含量）、印度洋（纬向风）在南海夏季风爆发中起关键的调控作用：以1970年为界，1970年之前，印度洋起主要作用，1970年之后西太平洋起主要作用，这主要是1970前后北极涛动有明显跃变的原因，这种跃变决定了印度洋在南海夏季风爆发中是否起决定作用（西风异常或东风异常），进而，决定了有利于或不利于南海夏季风的爆发。 1970年之前，北极涛动指数为负值，海陆温差（海上气温减大陆气温）是负值，大陆气温偏高，印度洋气温相对偏低，印度洋出现西风异常，有利于南海夏季风早爆发。在此期间，与印度洋SST密切相关的南印度洋偶极子的变化也与南海夏季风的爆发紧密相联。当南印度洋为正偶极子（西南印度洋SST为正异常，印度洋其他区域的SST为负异常）时，北印度洋为西风异常，南海夏季风爆发偏早；南印度洋为负偶极子（西南印度洋SST为负异常，印度洋其他地区的SST为正异常）时，北印度洋为东风异常，南海夏季风爆发偏晚。 1970年之后，北极涛动指数为正值，海陆气温差为正值，印度洋的状态不利于南海季风爆发；在这种情况下，西太平洋暖池的热含量则成为控制南海夏季风爆发的主要原因：暖池变暖的年份，即 La Niña 年，南海夏季风爆发早（强），反之，当暖池变冷的年份，即El Niño年，南海季风爆发晚（弱），即，南海夏季风爆发的早（强）晚（弱）与ENSO事件密切相关。 2.青藏高原春季积雪对南海夏季风爆发有重要的影响 1958-2003年青藏高原3月积雪厚度与南海夏季风爆发时间存在着很好的正相关。青藏高原3月积雪厚度偏厚时，其500毫巴以上的气温偏低，上层海陆之间的气温差是正值，南亚高压向西北方向的移动速度变慢，上层东风偏弱，西太平洋地区的上层辐散和下层辐合变弱，西太平洋暖池热含量偏少，南海夏季风爆发偏晚（弱）。同时，下层850毫巴东印度洋异常大气是东风和跨赤道反气旋对，南海被东风异常所控制，这种大气环流形势不利于南海夏季风的爆发；青藏高原3月积雪厚度偏薄时，其500毫巴以上的气温偏高，上层海陆之间的气温差是负值，上层南亚高压在南亚地区建立较早，上层东风偏强，西太平洋地区的上层辐散和下层辐合偏强，西太平洋暖池热含量偏多，南海夏季风爆发偏早（强）。同时，下层850毫巴东印度洋低层大气是西风异常和跨赤道气旋对，南海被西南风异常所控制，有利于南海夏季风的爆发。 研究结果还表明，青藏高原春季的积雪与厄尔尼诺事件存在着密切的关系。在厄尔尼诺鼎盛期的冬季，各种条件都有利于青藏高原的降雪，从而，来年春天的积雪则变厚，不利于南海季风的爆发。 3. 南海夏季风爆发的预测 1970年之后，西太平洋暖池的热含量与南海夏季风的爆发早晚有非常好的负相关。据此，我们可以通过西太平洋暖池热含量的变化来预测南海夏季风的爆发。通过暖池区海洋上层400米热含量的分析研究，我们找到了西太平洋暖池热含量变化的代表站点（以3N，138E为中心的1°×1°范围），其热含量变化能很好代表整个西太平洋暖池热含量的变化（相关系数大于0.85）。在此基础上，文章用1993-2007年热带大气海洋浮标列阵（TAO-Tropical Atmosphere Ocean-array）中最靠近该站点的浮标（2N, 137E）资料验证了上述选择站点的代表性和相应的预测能力。1993-2004年TAO浮标（2N, 137E）3月上层400米和500米海洋热含量与南海夏季风爆发时间的相关系数分别是-0.75，-0.73，置信度均超过99%；用1993-2007年4月份TAO浮标（2N, 137E）上层400米和500米海洋热含量与南海夏季风爆发时间作相关则相关系数均为-0.83，置信度超过99%。因此，我们可以通过3月或者4月份该TAO浮标（2N, 137E）的热含量来预测当年南海夏季风爆发的早（强）晚（弱）。 总之，南海夏季风爆发以1970年为界存在明显的年代际变化，1970年之前，主要受印度洋控制，1970年之后，南海夏季风爆发主要受控于太平洋（西太平洋暖池），这种变化是由北极涛动年代际变化引起的，。青藏高原春季积雪也对南海夏季风有重要影响，但主要受ENSO控制。因此，我们认为西太平洋—印度洋—青藏高原气候系统在南海夏季风爆发中起着重要的调控作用：西太平洋的作用当属第一位，印度洋的作用居第二，青藏高原的作用最弱。