在北半球冬季达到事件顶峰,全球温度呈现显著的增暖趋势

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“都是全球变暖惹的祸。”记者身边的一位朋友见怪不怪,这也是众所周知的一个原因。而鲜为人知的是,“除此之外,这些极端天气事件的幕后大BOSS还少不了最近的一个新网红——‘丝绸之路遥相关’。”近日,中国科学院大气物理研究所洪晓玮博士、陆日宇研究员和李双林研究员发表在《大气科学进展》的封面文章称。

论文信息:Hong X, R Lu, and S Li 2017, Amplified summer warming in
Europe-West Asia and Northeast Asia after the mid-1990s, Environ. Res.
Lett.

有研究指出春季AAO与春末-夏初东亚的季风雨带密切相关,和东亚夏季风强度呈现显着负相关,这和AAO的负值对应着南极极涡多向北偏移,南半球经向活动的增强与极锋的明显活跃正对应跨赤道气流的偏强有关。而如果只考虑AAO一项,今年AAO的这种趋势,将导致春季和初夏南方大部降水偏多和季风雨带偏南。

图2 与图1相同,但时段为1979年~1997年

近来有研究表明,这两者间存在显著的相关关系,并构成对流层高层水平风场的最主要模态。当急流相对于常年气候态偏北时,丝绸之路遥相关呈现出一种形态;急流偏南时形态相反,即南风异常的区域变为北风异常。

中国科学院大气物理研究所最近的研究(Hong et al.
2017)表明,欧亚大陆夏季增温突出表现在欧洲和东北亚地区,而其产生的原因可能为:北大西洋多年代际振荡通过丝绸之路遥相关引起这种区域性增暖。所谓丝绸之路遥相关,是中纬度对流层高层沿亚洲急流传播的一种波列。结果表明,丝绸之路遥相关存在很强的年代际变化,其年代际部分解释方差达到了约30%。

大西洋跨赤道经向模

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空间距离远,气象要素却明显关联

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1.4.2 太阳活动简述


“再一个比较有意思的研究就是丝绸之路遥相关与亚洲副热带高空急流的相互作用。”洪晓玮说,丝绸之路遥相关的一个重要特征就是被亚洲高空西风急流捕获,像被一条“管道”束缚着一样沿着急流传播。

而这种增暖趋势在北半球尤其是中高纬地区显得尤为突出,例如,2003年的欧洲热浪导致5万余人丧生;2010年夏季俄罗斯多地最高气温都达到40℃以上,相对于其常年平均的23℃高出了将近20℃,造成至少1.5万人死亡,并导致150亿美元的经济损失;同年,我国最北部的漠河县也创下日最高气温39.3℃的历史记录。我国东北地区是全国重要的商品粮生产基地,近来东北耕地面积增加了30%以上,这与1990s以来东北地区温度升高、夏季变长不无关系。

图20:2019年2月全球陆地积雪距平百分率分布

摘要:卫星观测资料表明,对流层升温和平流层降温较强的纬度带位于南北半球15°~45°左右,这将引起对流层上层等压面的高度发生变化,导致副热带急流向极地地区移动,同时也标志着与之相联系的副热带干旱区向极地扩张。

上世纪90年代中期以来,不只我国,北半球多个地区都出现了夏季异常高温、极端热事件频发的现象。根据美国国家海洋和大气管理局的最新统计数据,进入21世纪以来的十多年,有一半以上的年份成功上榜有观测记录以来全球平均温度排行榜前十名。而这种增温在北半球夏季尤为突出。除了著名的2003年欧洲热浪和2010年俄罗斯热浪,近年来东北亚多个地区也创下夏季高温的新纪录,例如,2017年7月是我国和蒙古有记录以来最热的一年。

图:1997–2015年陆地平均表面温度相对于1964–1996年平均的增长值。图中只给出了温度增长在1℃以上的区域。箭头表示升温明显的区域。

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图3
1979年~2005年星载微波探测仪(MSU)T2通道亮温趋势全球和纬向的分布。(T4通道:平流层、T4通道&T2通道线性组合:对流层)

“陆日宇老师从十几年前就开始做丝绸之路遥相关方面的研究,这个遥相关型的雏形最早也是他在2002年提出的。”洪晓玮说,这些年来,在陆老师的指导下,他们的研究团队目前已经在丝绸之路遥相关的年际、年代际、季节内变化等多方面都得到了一些有意思的研究结果。

在全球增暖的背景下,不同地区的增温幅度却有着非常大的差异。为何会有这样的差异?这一问题是当今气候变化研究的热点之一。

总体而言,今夏全国气温距平将呈现显着的经向分布,中东部气温总体将自南向北出现华南偏高-长江流域略偏低-华北显着偏高-东北偏低的局面,而在西部地区,西北大部分地区气温也将明显偏高,青藏高原和西南地区则偏高程度较弱或接近常年。而降水方面,中东部地区夏季总体会呈现厄尔尼诺事件发展期典型的四极子模态,即在偏弱的东亚夏季风和总体偏南的副高作用下,呈现华南地区降水略有偏少-长江流域降水偏多-华北与黄淮地区偏少-东北地区接近常年或略偏多的情形。此外,西南地区因南亚夏季风的偏弱,降水也将偏少;而西北地区则因异常脊的控制而同样降水偏少。但具体而言,降水将呈现显着的阶段性过程,各阶段各区域降水异常变化较大,这将在随后的具体阶段分析里提及。此外,长江流域降水的偏多将出现一定的中小规模洪水的风险,但发生全流域大洪水的概率极低。

原文:Fu Q, Johanson C M, Wallace J M, et al. Enhanced mid-latitude
tropospheric warming in satellite measurements[J]. Science, 2006,
312(5777): 1179-1179.

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图9:过去两年间IOBW指数的演变

目前尚未确定这种趋势是否由温室效应引起的。急流带和与之联系的副热带干旱区向极地移动这种趋势,如果持续发生,可能会有重要的社会影响。

上世纪80年代以来,全球变暖已经成为不争的事实。但这个变暖指的是平均状况,例如全球平均的表面温度出现显著上升,此外,陆地比海洋、高纬度比低纬度地区等增温更显著也基本上是全球变暖的贡献。

全球温度呈现显著的增暖趋势。据世界气象组织统计,2011–2015年全球平均地表温度高出1961–1990年0.57℃。这种显著增暖无疑为夏季高温提供了有利的气候背景,对极端高温事件的发生和发展无异于火上浇油。据统计,2001–2010年间由高温导致的死亡人数相对于1991–2000年增长了23倍。

中高纬度方面:由于AO/NAO总体偏向正位相,对应一个高纬度地区偏北偏强的冷源,这样总体冷空气活动频数将偏少且活动偏北,但由于冷源实力较强,一旦出现显着的长波调整,将出现显着的强冷空气活动。再考虑中高纬度低频振荡周期,下一个活跃的周期大概在3月底-4月上旬间。在长波分布方面,考虑到前文所述海温和陆面积雪等下垫面强迫信号分析,总体对应欧亚地区北欧沿岸异常脊-西西伯利亚/中亚地区异常槽-贝加尔湖附近异常脊-远东异常槽和勘察加-阿留申异常脊位,我国东部在这个异常槽槽后偏北气流控制下,冷空气活动可能较为频繁;而南支方面,在上游受到北美东岸-北大西洋地区活跃的瞬变扰动影响,下游地中海到我国南方一带多活跃的短波槽脊活动,而在北侧北支长波相位、青藏高原积雪和副热带西北太平洋海气状态影响下,亚欧地区南支总体有一个位于高原的宽脊和东亚沿海的异常槽(对应有印缅槽较偏东),我国东南沿海不少地区将处在这个异常槽区。

与和南北半球环流形相联系的季节性环流的变化不同,这里发现的变化发生在较低的纬度,且在北半球,这种变化的趋势暖季比冷季更为明显。

“然而我们最近的结果表明,上世纪90年代以后,在北半球纬度大致相同的地区,例如都是中纬度的欧亚大陆,夏季在东西方向上却出现明显的增温程度不一致现象——欧洲—西亚和东北亚地区的夏季增温尤其显著,中亚却很弱。而这种增温不均匀的分布与丝绸之路遥相关引起的温度异常分布非常一致。”洪晓玮说,也就是说,这种年代际增暖表现出很强的区域性特征,这就不能只让全球变暖来背锅了。

由于北大西洋多年代际振荡存在65–80年的长周期,目前正处于暖位相,因此可以推测:在未来十几年,欧洲和东北亚夏季将继续呈现明显的增暖趋势。这将对这些地区的生态环境、农业、人类生活等方面产生重要的影响。

2.3具体气候过程事件分析

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洪晓玮介绍,亚洲西风急流大体上位于北纬35°—55°范围内,但其南北位置在年与年之间会发生轻微的变化。之所以说“轻微”,是因为这样的变化相对于急流的跨度来说太小,其最偏北与最偏南时候的纬度差也就大约5个纬度。由于丝绸之路遥相关沿急流传播,因而急流南北位置的不同也给丝绸之路遥相关带来一定变化。

在过去的冬季内,北美众多地区,尤其北美中西部积雪呈现明显偏多特征,而亚欧大陆陆面积雪分布显着不均,在积雪的具体空间分布上,大体出现了整个欧洲大陆与蒙古-我国东北一带降雪偏少,而青藏高原大部则出现了显着偏多的情况。其中对于青藏高原而言,在过去的秋冬季至今,由于副热带急流上异常偏强的高原-印缅长波槽与孟加拉湾活跃的对流活动,青藏高原地区出现了频繁的强降雪过程,绝大部分地区都出现了降雪显着偏多的状况,虽然气温有所偏高但积雪仍然明显偏多。

除非在这一纬度带(15°~45°)有补偿性的海平面气压下降,那么根据图1所表现的温度变化,我们能推断出在南北半球30°附近对流层上层等压面会升高。因为30°附近正好位于对流层急流带所在的纬度,我们可以推测向极地逐渐降低的等压面在急流带靠近极地的一侧将会升高,而在靠近赤道的一侧将会降低。这种等压面高度的变化将会使得急流带向极地移动。如果仅根据温度的变化,我们估计,在冬季和夏季,南北半球的急流均向极地推进了~1°。因为急流带所在的纬度标志了热带Hadley环流的边界,急流带整体的极向运动暗示了在这27年间,热带环流增宽了~2°。再分析资料表明南北纬30°附近的海平面气压相比周围有升高的趋势,如果这种变化是真实存在的,这将会进一步导致急流带向极地移动。

一出门就被曝晒,逛个街手机能被烤化,夏季到来,生活在北方的人们,这两天已经见识到了炙热的力量。“夏天真的是越来越热,还让不让人活了。”有网友吐槽。吐槽归吐槽,有专家此前已经郑重预言:这样的夏季高温可能会一年更比一年严重!

印度洋大部位于低纬度区域,且正位于亚洲夏季风的上游,也是亚澳季风系统活动的重要下垫面,沃克环流,季风环流交汇于此,因此通过海气相互作用,印度洋对亚澳季风区乃至全球气候都有重要的影响。下文将介绍热带印度洋和副热带南印度洋对夏季气候的影响。

图4  和图1相同,时间范围为北半球夏季(六月、七月、八月)

“该研究的进一步结果表明,赤道中东太平洋从春季开始的海温变化就可以影响夏季急流的偏北/偏南:赤道中东太平洋海温偏低时,夏季急流更倾向于向北偏;海温偏高时急流倾向于向南偏。这从一定程度上为季节预测提供了参考。”洪晓玮说。

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图2表现了与图1相似的特点,这表明这种趋势并不是由于为了响应1997年强厄尔尼诺事件,发生于1998年夏季年的中纬度地区异常增暖而产生的,而是1979年以来的一个强烈的增暖趋势。图3也进一步证明了中纬度对流层增强升温和平流层增强降温的一致性。

警惕极端高温等灾害性气候事件

考虑到当前的欧亚大陆积雪的空间分布,积雪的陆面强迫应当会激发对流层中层高度场上,春季巴伦支海西侧正异常-中亚异常槽-贝加尔湖东侧正异常-远东偏强的异常槽这一波列,和先前提到的海温强迫的结果基本同相,而二者接近同相的叠加会让信号更加清晰明确。此外,考虑到最近高原东部积雪增多,春季南支印缅槽将稳定偏东。

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“总之,在大的变暖背景下,天气极端事件很可能将继续增多。因此,增温显著的区域要更加警惕可能伴随而来的极端高温、极端降水等灾害性气候事件,做好防范预警。”洪晓玮说。

接下来,便是6月-7月初的副高的一次北跳和长江流域梅雨期到来——通常而言,长江流域平均入梅期在6月第4候。根据历史上入梅状况的合成来看,入梅偏早年,通常春季赤道太平洋多呈ENSO类拉尼娜状态海温分布,副高偏北偏弱同时青藏高原暖心偏强。而今年的状况看和入梅晚年特征高度吻合。综合考虑,今年长江流域入梅时间将偏早,其中东部的长江下游地区偏早更为明显。至于梅雨强度,考虑到届时西太平洋副热带高压仍然有所偏强,东亚热带季风偏弱而副热带季风将有所偏强;南亚夏季风因厄尔尼诺事件强迫的下沉支偏弱,输送向梅雨锋的水汽通量偏少,此外青藏高原上南亚高压偏南偏弱。综合上述条件看,届时雨带内降水总体偏多,但偏多程度有限;此外雨带将有所偏南。此外,考虑到长波配置上,届时出现贝湖东侧槽-鄂海脊位的概率较大,冷空气路径偏东,这样雨带东段(江淮下游地区-日本列岛)降水可能进一步偏多,而西段的华中降水偏多不显着。当然此时,华南和江南南部将在雨带南侧异常下沉控制,降水偏少。

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异常是指某一年相对于常年气候态的情况。“这些异常基本都位于北纬25°—60°之间,每个南风异常的区域沿东西方向大约为30个经度。该形态空间范围大、所经区域与古丝绸之路相似,‘丝绸之路遥相关’的名字也由此得来。”洪晓玮说。

自2018年春季中等强度的拉尼娜事件结束后,赤道中东太平洋开始了逐渐增暖的过程,至夏季除南美沿岸外表层海温距平均已转为正值。而自秋季起,赤道中东太平洋出现了进一步的增暖,至当前已接近厄尔尼诺事件阈值,而NOAA与NCC等部分机构已经宣布一次厄尔尼诺事件形成。

基于星载微波探测仪(satellite-borne microwave sounding unit,
MSU)
的观测资料,作者分析了1979~2005年全球气温的变化趋势,结果如下图所示。

“也就是说,我们目前仍处于北大西洋年代际振荡的暖位相,在未来十几年,欧洲—西亚和东北亚地区可能仍将面临明显的夏季增暖。”洪晓玮强调,未来,夏天出门,做好防暑降温,以有效应对极端高温带来的影响将成为重要内容。

1.1.1 ENSO

图中最为显著的特征是:平流层的加强降温和对流层的加强升温均位于南北半球的15°~45°的纬度带内。同时,考虑到1997年~1998年一次很强的厄尔尼诺事件,作者也分析了1979~1997年的全球气温变化趋势,如图2所示。

洪晓玮介绍,具体来讲,其是气象上位于北半球中纬度地区的对流层高层、在夏季经常出现的一个大气环流异常型态。这个夏季的遥相关型表现为大气对流层高层、从中纬度的欧亚大陆西部向东一直到东亚地区,南/北风异常交错分布。这样交错分布的环流异常也引发下垫面交错分布的冷/暖异常和降水异常偏多/偏少。

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图1
1979年~2005年大气温度趋势全球(A、B)和纬向(C、D)的分布。A、C是平流层温度在全球平均趋势(-3.3K/10a)的背景下的变化趋势的分布;B、D是对流层温度在全球平均趋势(+0.2K/10a)的背景下的变化趋势的分布。橙色阴影代表它们相对于全球平均而言的对流层增温率和平流层降温率的正距平区域,而蓝色阴影则代表相应的负距平区域。

“所谓的‘遥相关’,在气象上指的是空间距离很远的两个地方在气象要素(例如温度、降水、环流等)上存在明显关联的现象。”5月22日,洪晓玮在接受科技日报记者采访时说,顾名思义,丝绸之路遥相关指的就是沿着丝绸之路的一个遥相关型。

2.3.1 春季冷空气&沙尘天气总体趋势展望

第一作者:付强

急流是什么呢?通俗地讲,同样的航程,在天气条件基本一样的情况下,中纬度自西向东的航班要比自东向西快一些。这就是西风气流的作用。所谓的高空西风急流,就是指中纬度对流层高层一个强而窄的气流带,夏季其最大风速在30米每秒以上,在亚洲上空的部分就是亚洲西风急流。

图5:过去两年间赤道太平洋地区的850hPa纬向风异常、海表温度距平和20℃等温线深度距平。

洪晓玮表示,这种区域性的年代际增暖与丝绸之路遥相关的年代际变化存在密不可分的联系。进一步结果表明,丝绸之路遥相关在长时间尺度上的位相转变,对这种区域性夏季增温有重要作用。而且从长期变化趋势看,这种不均匀增暖在未来的10—20年仍将持续。

生成区域偏东,最有可能在140°E-160°E一带;

不被大众所熟知的丝绸之路遥相关,实际上,在上世纪90年代初就有气象学家针对其开展理论研究。而到了本世纪初,随着丝绸之路遥相关型的气候影响越来越多地被气象学家发现,它也开始逐渐进入气象工作者的视野并在业务工作中得到应用。

TIOD(热带印度洋偶极模态)

未来十几年,区域性增暖仍将持续

图10:TIOD正位相和负位相大气环流异常的模型

自然界里,不对称才是绝对的,丝绸之路遥相关和急流南北偏移的相关关系也是如此。最近的研究表明:以上所说的相关关系只有在急流偏北时很突出,而在急流偏南时非常弱。两者间关系比较复杂,存在很强的非对称性。洪晓玮表示,当急流偏北时,由于此时还有丝绸之路遥相关的共同作用,可能会产生强的气候异常,因此应该给予特别关注。

2019年春夏气候展望

因此,有专家表示,丝绸之路遥相关对沿途地区的局地温度和降水异常都有重要影响,进而激发了与其相关的诸多研究。

1.2.2 北半球陆面积雪

QBO和ENSO通过全球平均大气角动量和低频信号的垂直下传存在一定的正相关,如果单从当前的QBO相位特征看,这一点有利于厄尔尼诺事件的发展,但影响十分有限。此外根据QBO超前回归,通常QBO西风位相年在日界线附近存在有显着经向遥相关波列型,春季东亚大槽有偏东偏强的趋势;而在夏季,亚洲副热带西风急流在动力上有明显的偏南趋势,在日本一带存在有显着气旋式环流,这将在一定程度上不利于副热带高压的北抬。当然值得注意的是,QBO这一信号对热带外对流层区域的影响仍然较弱,不可作为一个重要因子分析。

今年盛夏台风活动数量将接近常年,7-8月预计生成8-11个台风;

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图3:全球赤道地区的Walker环流异常,填色阴影代表垂直速度距平(单位:0.01Pa/s),矢量箭头为纬向风-垂直速度合成(垂直速度放大了100倍)

图11:同图9,但为TIOD指数演变

图15是3-5月AMM与PMM对随后6-8月全球SST与降水异常的回归分析。可以看到,AMM和PMM不仅对所在区域有着显着超前影响,也可以通过海温异常激发的异常对流活动伴随的响应,以Rossby波形式向西传播,在PMM影响向西传播到日界线西侧后,AMM也可以通过巴拿马地峡区域的大气桥等机制影响到东太平洋区域,且两个模态的响应间呈现较显着负相关;同时值得注意的是,春季AMM对夏季北印度洋海温与降水也存在洋盆尺度的较显着正相关,但PMM的相关则不显着,这表明热带大西洋除了以Matsuno-Gill响应激发的西传大气Rossby波外,还可能存在东传至非洲大陆和印度洋的机制,这一过程应当与对流活动伴随的大气暖性Kelvin波相关。

在过去的冬季中,北极地区平流层于12月底-1月初出现了一次显着的Major
SSW事件且显着下传至对流层,这深刻地影响了高纬度地区对流层环流,包括欧亚大陆地区显着的长波调整与但在事件结束后,由于长期的异常东风成为Rossby波向上传播的波阻区,整个北极平流层都处在低波通量和牛顿冷却状态,很快转为显着的偏冷状态。在北极极夜期已经结束的当前,虽然在平流层高层出现了一次SSW事件,但强度较弱,并未导致以极涡与极夜急流崩溃为特征的环流转型,而这一异常增暖信号更是局限在平流层高层并未有效下传,极地平流层中低层仍然显着偏冷,可以确定今年北极平流层换季将有所偏晚。考虑到偏晚的平流层换季,平流层极涡也将有所偏强,这将作为一个低频信号支持春季极涡和北侧冷源有所偏强。

1.3 平流层

自去年夏季起,随着赤道东印度洋持续的东南风应力异常,苏门答腊海岸的离岸流明显增强,对应有东南印度洋的显着冷却与夏末-秋季一次显着的TIOD正位相事件形成,不过由于季节性锁相特征,当前海表模态已经十分微弱,而先前的信号,则已经是风应力作用下潜入海表之下,在温跃层的复杂海洋动力学过程。在前期TIOD正位相的热带印度洋海气状态下,赤道印度洋表面在先前秋冬季存在持续东风应力异常,导致赤道南侧存在明显的反气旋式应力异常与伴随而来的Ekman异常辐聚下沉,导致赤道外东印度洋温跃层出现一个异常暖区,并以暖性Rossby波形式在温跃层内西传,直至西南印度洋穹窿区。这个位于塞舌尔以南的区域,是气候态上低纬度印度洋温跃层最浅的一个区域,对应有海温变率极大值区,也是温跃层-上混合层水团交换最明显的区域。随着暖性R波的到达并上涌,热带西南印度洋已经出现了显着的增暖,并逐渐造成一个跨赤道不对称的经向海温型(南印度洋偏暖而北印度洋增暖较弱)与跨赤道北风异常。这将在之后进入夏季风期时,导致南亚夏季风显着偏弱。

相比于赤道地区纬向异常模态的大西洋Nino型,热带大西洋更显着的海温模态当属AMM,它表现为跨赤道的SSTA不对称经向异常模态,与相伴随的大气环流场异常,与热带太平洋海区PMM模态集中在赤道以北一侧也有明显不同;但和PMM相同点在于其锁相期出现在春季,这与3月前后大西洋ITCZ最靠南有关,此时微小经向扰动最容易激发出显着的异常。

1.1.2 北太平洋中纬度变率——PDO&NPGO

接下来一步(7月中旬-8月中旬),将是北方雨季,江南伏旱和华南后汛期了。由前文对盛夏环流形势的判断,雨带将明显偏南,且由于此时副高逐渐转为偏东状态,输送向华北的副热带季风水汽支也将偏弱,而南亚夏季风的偏弱也将使得当地通过遥相关的影响造成北方大部分区的降水偏少。以西北地区东部经华北和东北南部地区最为明显。此时长江流域也进入伏旱期,对应有出梅偏晚,且由于副高和副热带锋区雨带的偏南,长江中下游沿岸的降水仍然会偏多,气温也将略有偏低,出现大范围持续性高温天气概率较低。同时华东沿与此同时,华南地区也进入了热带系统带来的后汛期,但由于南海和菲律宾季风槽的偏南偏弱,华南地区会受到异常反气旋控制且对流活动较弱,后汛期降水总体偏少的概率较大,但如果出现台风活动,则可能出现在时空上不均匀型的降水集中。

大西洋Ni?o型

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太平洋年代际涛动为20°N以北的北太平洋区域SSTA之EOF1模态,最显着的特征表现为北太平洋暖流区与北美西海岸(阿拉斯加~下加利福尼亚半岛)间的反相SSTA模,虽然以其最显着的年代际变率得名,但也存在显着的年际变率,这与ENSO强迫激发的球面遥相关波列引起的中纬度海气相互作用有关。而在20世纪90年代起,北太平洋环流模这一EOF2模态逐渐显着,在近些年的解释方差甚至可以和PDO可以抗衡,这一转变可能和ENSO空间型转变下,所激发响应位相发生变化的影响,以及热带外海气作用有关。

2.3.2 东亚夏季风总体态势

IOBW(热带印度洋洋盆模态)

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