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

大气季节内振荡对东亚夏季风活动的影响研究

利用ERA40逐日再分析资料、NCEP/NCAR2逐日再分析资料、中国740个测站日降水资料、上海台风研究所提供的西太平洋热带气旋资料、Kaplan等重建的月平均SSTA资料、NOAA逐日长波辐射（OLR）等资料，应用离散功率谱分析、带通滤波、EOF分析等统计方法，研究了东亚夏季风(EASM）的移动特征、东亚地区季节内振荡(ISO)的基本特征、季节内振荡对东亚夏季风活动的影响、季节内振荡对东亚夏季风异常活动的影响机理。主要结论如下： （1）综合动力和热力因素定义了可动态描述东亚夏季风移动和强度的指数，并利用该指数研究了东亚夏季风的爆发和移动的季节内变化及其年际和年代际变化特征。研究发现，气候平均东亚夏季风前沿分别在28候、33候、36候、38候、40候、44候出现了明显的跳跃。东亚夏季风活动具有显著的年际变率，主要由于季风前沿在某些区域异常停滞和突然跨越北跳或南撤引起，造成中国东部旱涝灾害频繁发生。东亚夏季风的活动具有明显的年代际变化，在1965年、1980年、1994年发生了突变，造成中国东部降水由“南旱北涝”向“南涝北旱”的转变。 （2）东亚季风区季节内变化具有10~25d和30~60d两个波段的季节内振荡周期，以30-60d为主。存在三个主要低频模态，第一模态主要表征了EASM在长江中下游和华北地区活动期间的低频形势；第二模态印度洋-菲律宾由低频气旋式环流控制，主要表现了ISO在EASM爆发期间的低频形势；第三模态主要出现在EASM在华南和淮河活动期间的低频形势。第一模态和第三模态是代表东亚夏季风活动异常的主要低频形势。 （3）热带和副热带地区ISO总是沿垂直切变风的垂直方向传播。因此，在南海-菲律宾东北风垂直切变和副热带西太平洋北风垂直切变下，大气热源激发菲律宾附近交替出现的低频气旋和低频反气旋不断向西北传播，副热带西太平洋ISO以向西传播为主。中高纬度地区，乌拉尔山附近ISO以向东、向南移动或局地振荡为主；北太平洋中部ISO在某些情况下向南、向西传播。 （4）季风爆发期，伴随着热带东印度洋到菲律宾一系列低频气旋和低频反气旋， 冷空气向南输送，10~25天和30~60天季节内振荡低频气旋同时传入南海加快了南海夏季风的爆发。在气候态下，ISO活动表现的欧亚- 太平洋（EAP）以及太平洋-北美（PNA）低频波列分布特征(本文提出的EAP和PNA低频波列与传统意义上的二维定点相关得到的波列不同)。这种低频分布形式使得欧亚和太平洋中高纬度的槽、脊及太平洋副热带高压稳定、加强，东亚地区的低频波列则成为热带和中高纬度ISO相互作用影响东亚夏季风活动的纽带。不同的阶段表现不同的低频模态，30~60d低频模态的转变加快了EASM推进过程中跳跃性；30-60d低频模态的维持使得EASM前沿相对停滞。 （5）30-60d滤波场，菲律宾海域交替出现的低频气旋和低频反气旋不断向西北传播到南海-西太平洋一带。当南海-西太平洋地区低频气旋活跃时，季风槽加强、东伸，季风槽内热带气旋（TC）频数增加；当南海-西太平洋低频反气旋活跃时，季风槽减弱、西退，TC处于间歇期，生成位置不集中。 （6）在El Nino态下，大气季节内振荡偏弱，北传特征不明显，但ISO由中高纬度北太平洋中部向南和副热带西太平洋向西的传播特征显著，东亚地区ISO活动以第三模态为主，EASM集中停滞在华南和淮河流域，常伴随着持续性区域暴雨的出现，易造成华南和江淮流域洪涝灾害，长江和华北持续干旱。在La Nina态下，大气季节内振荡活跃，且具有明显的向北传播特征，PNA低频波列显著，东亚地区ISO活动以第一模态单峰为主；EASM主要停滞在长江中下游和华北地区，这些地区出现异常持续强降水，华南和淮河流域多干旱；在El Nino态向La Nina态转换期，ISO活动以第一模态双峰为主，长江中下游常常出现二度梅。

西太平洋暖池纬向变异规律研究

西太平洋暖池汇集着世界上开阔海洋中温度最高的海水，它的维持和变化对全球天气和气候的变化起着关键性的作用。从海洋学角度全面而系统地研究西太平洋暖池的纬向变异特征、机制以及暖池纬向变异对ENSO的影响等科学问题，对深入了解发生在暖池区的海气耦合过程，全面认识暖池变异在ENSO循环及在全球气候变化中的作用是不可缺少的，该项研究具有重要的理论意义和实践意义。 本文根据长时间序列的海洋和大气资料，利用EOF、小波等分析方法较系统地研究了西太平洋暖池整层暖水纬向运移特征、暖池水体的时空振荡及暖池纬向的运移、时空振荡对ENSO的影响，分析了西太平洋暖池和东太平洋暖池对ENSO的联合影响，探讨了风场和流场对西太平洋暖池纬向变异的影响，并用一个简单的海洋模式，对暖池纬向变异的动力机制进行了诊断分析。主要研究内容及结果如下： 利用加权平均法，建立了一个表征整体暖池纬向运移的指标序列，分析了暖池纬向运移的时频特征以及暖池内部暖水在纬向运移上的差异，并探讨了暖池的纬向运移对赤道西太平洋海平面高度和温跃层深度的影响以及与ENSO的关系。结果显示：暖池的纬向运移具有显著的2-7a的年际变化和10-16a的年代际变化，并于1976年前后经历了一次气候跃变。暖池内部大致可以50m深度水层为界分为上、下两部分，暖池的上半部分纬向运移幅度非常大，而下半部分则相对较小。暖池的纬向运移不仅是赤道西太平洋海平面高度和温跃层深度异常变化的一个非常重要的直接因素，而且对ENSO的形成与发展有非常重要的作用。 为进一步了解暖池整体的时空振荡及其影响，分别对暖池厚度场、热带太平洋风应力场、海表面高度和热含量场进行了EOF分析。结果显示，西太平洋暖池水体具有大致以赤道为横轴的经向“跷跷板”式季节性反位相振荡和大致以 170o E为纵轴的纬向“跷跷板”式年际反位相振荡。纬向振荡是暖池厚度异常场年际变率的的主导模态。西太平洋暖池暖水的纬向运移是造成暖池水体纬向振荡的主要原因。热带太平洋海表面高度与热含量异常场有着非常相似的ENSO时间尺度的振荡特征：即大致以5o N为横轴的经向“跷跷板”式反位相振荡和大致以170o W为纵轴的纬向“跷跷板”式反位相振荡。而与ENSO密切相关的热带太平洋风应力异常场也存在着纬向和经向两种主要模态，分别表现为近赤道的纬向风异常和远赤道的经向风异常。西太平洋暖池的纬向振荡对风应力异常存在滞后1个月左右的响应和显著的相互作用关系。西太平洋暖池纬向振荡能够造成热带太平洋水体质量与热量的重新分配，并通过强烈的海气相互作用对ENSO循环形成与发展起着重要的作用。 西太平洋暖池和东太平洋暖池是热带太平洋两个重要的暖水区。在系统分析西太平洋暖池的纬向变异和东太平洋暖池的经向变异特征基础上，提出了两暖池对ENSO循环联合影响的新观点，并建立了一个联合影响指数。结果显示，当联合指数达1.6时，则预示着一次新El Nino的发生。这为ENSO的研究和预测提供了一个新线索。 数据分析显示，赤道中太平洋的纬向风应力及上层纬向流异常是暖池纬向运移的两个重要的动力因素，且两者对暖池的纬向运移有良好的预报意义。利用一个简单的海洋模式模拟结果，分析了风驱动下的上层纬向流异常、波动(Kelvin波和Rossby波)及其在边界的反射效应对暖池纬向运移的动力影响。模式结果显示：中太平洋上层纬向流异常是西太平洋暖池纬向运移的主要驱动机制。暖池的纬向运移对波模态流具有滞后约4个月的响应，而风漂流对暖池纬向运移的影响则比较适时。波动在太平洋东、西两边界的反射效应对暖池西缩的影响较大。

中国海散射计风、浪算法研究及海面风场、有效波高的时空特征分析

海面风场系统对天气变化起着至关重要的作用。本文对ERS-2散射计风场数据进行了分析，并将其与NCEP再分析风场和浮标观测风场进行了比较。对连续13年中国海海区ERS-1/2和QuikSCAT散射计海面风场资料进行插值平均处理，得到一个中国海月平均海面风场资料集。首先对该资料集进行了逐月多年平均风场分析，进而对该资料集的距平风场进行矢量经验正交函数（Vector EOF）分解，分别探讨了中国海海面风场的年际和年代际变化特征。年际EOF分解得到的第一模态具有较好的年变化波动周期，与多年平均风场中的冬季风和夏季风（当时间系数为负值时）流型相近，表现为冬-夏振荡型，反映了影响整个中国海的东亚季风强盛时期的风场特征。第二模态与多年平均风场中的季节转换流型相近，表现为春－秋振荡型，反映了冬季风和夏季风之间的转换过渡时期的风场特征。年代际EOF分解得到的第一模态反映了中国海季风的年代际变化特征。第二模态时间系数分布与滞后4个月Nino3.4指数分布相似，反映了中国海海面风场对El Nino的响应。第三模态时间系数分布与南方涛动（SOI）指数分布相似，反映了ENSO现象对中国海海面风场异常的影响。 本文利用一种新的风浪成长关系计算了瞬时风场下的有效波高分布，并利用经验公式计算了风浪充分成长状态下的有效波高分布。分别以NCEP与QuikSCAT的混合风场和NCEP风场为输入，利用第三代海浪数值模式WAVEWATCH Ⅲ对2000年1月东中国海的风浪场进行了模拟，再现了当时的风浪演化过程。通过计算结果与实测的比较，说明将WAVEWATCH Ⅲ模式应用于东中国海海域进行大区域范围的风浪预报是可行的。 最后分析了WAVEWATCH Ⅲ模式计算得到的有效波高的月平均分布，并利用经验正交函数（EOF）方法对有效波高距平值进行分解，探讨了中国海有效波高的年际变化特征。有效波高距平场的前两个模态的时间系数分布和空间结构与海面风距平场的前两个模态基本相似，说明中国海风、浪之间有很好的相关性。第一模态表现为冬－夏振荡型，反映了冬季有效波高的分布特征及海面风场对有效波高分布的影响。第二模态表现为春－秋振荡，反映了季风转换过渡时期有效波高偏差的分布特征。第三模态反映了中国海地形对有效波高偏差分布的影响。

中国近海和西北太平洋温跃层时空变化分析、模拟及预报

温度跃层是反映海洋温度场的重要物理特性指标，对水下通讯、潜艇活动及渔业养殖、捕捞等有重要影响。本文利用中国科学院海洋研究所“中国海洋科学数据库”在中国近海及西北太平洋（110ºE-140ºE,10ºN-40ºN）的多年历史资料（1930-2002年，510143站次），基于一种改进的温跃层判定方法，分析了该海域温跃层特征量的时空分布状况。同时利用Princeton Ocean Model(POM)，对中国近海，特别是东南沿海的水文结构进行了模拟，研究了海洋水文环境对逆温跃层的影响。最后根据历史海温观测资料，利用EOF分解统计技术，提出了一种适于我国近海及毗邻海域，基于现场有限层实测海温数据，快速重构海洋水温垂直结构的统计预报方法，以达到对现场温跃层的快速估计。 历史资料分析结果表明，受太阳辐射和风应力的影响，20°N以北研究海域，温跃层季节变化明显，夏季温跃层最浅、最强，冬季相反，温跃层厚度的相位明显滞后于其他变量，其在春季最薄、秋季最厚。12月份到翌年3月份，渤、黄及东海西岸，呈无跃层结构，西北太平洋部分海域从1月到3月份，也基本无跃层结构。在黄海西和东岸以及台湾海峡附近的浅滩海域，由于风力搅拌和潮混合作用，温跃层出现概率常年较低。夏季，海水层化现象在近海陆架海域得到了加强，陆架海域温跃层强度季节性变化幅度(0.31°C/m)明显大于深水区(约0.05°C/m)，而前者温跃层深度和厚度的季节性变化幅度小于后者。20°N以南研究海域，温跃层季节变化不明显。逆温跃层主要出现在冬、春季节（10月-翌年5月）。受长江冲淡水和台湾暖流的影响，东南沿海区域逆温跃层持续时间最长，出现概率最大，而在山东半岛北及东沿岸、朝鲜半岛西及北岸，逆温跃层消长过程似乎和黄海暖流有关。多温跃层结构常年出现于北赤道流及对马暖流区。在黑潮入侵黄、东、南海的区域，多温跃层呈现明显不同的季节变化。在黄海中部，春季多温跃层发生概率高于夏季和秋季，在东海西部，多跃层主要出现在夏季，在南海北部，冬季和春季多温跃层发生概率大于夏季和秋季。这些变化可能主要受海表面温度变化和风力驱动的表层流的影响。 利用Princeton Ocean Model(POM)，对中国东南沿海逆温跃层结构进行了模拟，模拟结果显示，长江冲淡水的季节性变化以及夏季转向与实际结果符合较好，基本再现了渤、黄、东海海域主要的环流、温盐场以及逆温跃层的分布特征和季节变化。通过数值实验发现，若无长江、黄河淡水输入，则在整个研究海域基本无逆温跃层出现，因此陆源淡水可能是河口附近逆温跃层出现的基本因素之一。长江以及暖流（黑潮和台湾暖流）流量的增加，均可在不同程度上使逆温跃层出现概率及强度、深度和厚度增加，且暖流的影响更加明显。长江对东南沿海逆温跃层的出现，特别是秋季到冬季初期，有明显的影响，使长江口海域逆温跃层位置偏向东南。暖流对于中国东南沿海的逆温跃层结构，特别是初春时期，有较大影响，使长江口海域的逆温跃层位置向东北偏移。 通过对温跃层长期变化分析得出，黄海冷水团区域，夏季温跃层强度存在3.8年左右的年际变化及18.9年左右的年代际变化，此变化可能主要表现为对当年夏季和前冬东亚地区大气气温的热力响应。东海冷涡区域，夏季温跃层强度存在3.7年的年际变化，在El Nino年为正的强度异常，其可能主要受局地气旋式大气环流变异所影响。谱分析同时表明，该海域夏季温跃层强度还存在33.2年的年代际变化，上世纪70年代中期，温跃层强度由弱转强，而此变化可能与黑潮流量的年代际变化有关。 海洋水温垂直结构的统计预报结果显示，EOF分解的前四个主分量即能够解释原空间点温度距平总方差的95%以上，以海洋表层附近观测资料求解的特征系数推断温度垂直结构分布的结果最稳定。利用东海陆架区、南海深水区和台湾周边海域三个不同区域的实测CTD样本廓线资料，对重构模型的检验结果表明，重构与实测廓线的相关程度超过95%的置信水平。三个区重构与实测温度廓线值的平均误差分别为0.69℃，0.52℃，1.18℃，平均重构廓线误差小于平均气候偏差，统计模式可以很好的估算温度廓线垂直结构。东海陆架海区温度垂直重构廓线与CTD观测廓线获得的温跃层结果对比表明，重构温跃层上界、下界深度和强度的平均绝对误差分别为1.51m、1.36m和0.17℃/m，它们的平均相对误差分别为24.7%、8.9%和22.6%，虽然温跃层深度和强度的平均相对误差较大，但其绝对误差量值较小。而在南海海区，模型重构温跃层上界、下界和强度的平均绝对预报误差分别为4.1m、27.7m和0.007℃/m，它们的平均相对误差分别为16.1%、16.8%和9.5%，重构温跃层各特征值的平均相对误差都在20%以内。虽然南海区温跃层下界深度平均绝对预报误差较大，但相对于温跃层下界深度的空间尺度变化而言（平均温跃层下界深度为168m），平均相对误差仅为16.8%。因此说模型重构的温度廓线可以达到对我国陆架海域、深水区温跃层的较好估算。 基于对历史水文温度廓线观测资料的分析及自主温跃层统计预报模型，研制了实时可利用微机简单、快捷地进行温跃层估算及查询的可视化系统，这是迄今进行大范围海域温跃层统计与实时预报研究的较系统成果。

岱海岩芯沉积的粒度组成与湖区全新世降水变化历史

Sediment cores DH99a and DH99b recovered in the central part of Daihai Lake in north-central China were analysed at 2- to 4-crn intervals for grain-size distribution. Grain-size distributions of the lake sediments are inferred to be a proxy for past changes in East Asian monsoon precipitation, such that greater silt-size percentage and higher median grain size reflect increased monsoonal precipitation rates. The grain-size record of Daihai Lake sediments spanning the last ca 11,000 yr indicates that the monsoonal precipitation in the lake region can be divided into three stages: the Early, Middle and Late Holocene. During the Early Holocene before ca 7900 cal yr BP, the median grain size (Md) and the silt-fraction content were relatively low and constant, suggesting relatively low precipitation over the lake region. The Middle Holocene between ca 7900 and 3100 cal yr BP was marked by intensified and highly variable monsoonal precipitation, as indicated by high and variable Md values and silt contents of the lake sediments. During this period, average precipitation rate gradually increased from ca 7900 to 6900 cal yr BP, displayed intense oscillations between ca 6900 and 4400 cal yr BP, and exhibited a decreasing trend while fluctuating from ca 4400 to 3100 cal yr BP Although generally high during the Middle Holocene, both the Md and the silt content assumed distinctly low values at the short intervals of ca 6500-6400, 6000-5900, 5700-5600, 4400-4200 cal yr BP, implying that monsoonal precipitation might have been significantly reduced during these intervals. During the Late Holocene since ca 3100 cal yr BP, grain-size values suggest that precipitation decreased. However, during the Late Holocene, relatively higher Md values and silt contents occurring between ca 1700 to 1000 cal yr BP may denote an intensification of hydrological cycles in the lake area. Changes in the East Asian monsoonal precipitation were not only directly linked with the changing seasonality of solar insolation resulting from progressive changes in the Earth's orbital parameters, but also may have been closely related to variations in the temperature and size of the Western Pacific Warm Pool, in the intensity of the El Nino-Southern Oscillation, and in the path and strength of the North Equatorial Current in the western Pacific.