东亚夏季风指数的年际变化与东亚大气环流

文中从夏季东亚热带、副热带环流系统特点出发 ,定义了能较好表征东亚夏季风环流年际变化的特征指数 ,并分析了东亚夏季风指数的年际变化与东亚大气环流及夏季中国东部降水的关系。文中定义的东亚夏季风指数既反映了夏季东亚大气环流风场的变化特征 ,也较好地反映了夏季中国东部降水的年际变化特征。此外 ,还探讨了东亚夏季风指数变化的先兆信号     

东亚冬季风指数及其对东亚大气环流异常的表征

基于月平均NCEP/NCAR再分析资料、CMAP全球降水资料及中国台站降水和冷空气资料,首先概括了东亚冬季风环流系统的主要成员,并对基于这些环流系统定义的有代表性的4种东亚冬季风指数进行了比较分析。结果表明,4种指数具有比较一致的年际和年代际变化特征,相互间都为显著正相关,表明各指数都能较好地反映出其他环流系统成员的异常。功率谱分析结果显示,所有东亚冬季风指数均具有3—4年的年际变化周期和6.5年周期及9—15年的年代际变化周期。此外绝大部分指数在20世纪80年代之后都有线性减弱的趋势。所有季风指数都能够很好地反映“强(弱)冬季风年,低层西伯利亚高压偏强(弱),阿留申低压偏深(浅),副热带北风气流偏强(弱),东亚副热带地区气温偏低(高),中层东亚大槽偏深(浅)及高层副热带西风急流偏强(弱)”的基本特性。但各指数与冬季影响中国的冷空气次数间均无很好的对应关系。另外,绝大多数指数与东亚地区夏季降水也有较好的滞后关系,表明冬季风不仅对同期环流系统存在作用,而且还可能影响到夏季。     

东亚冬季风变化若干统计事实

利用EOF（VEOF）分析方法对1956-2005年东亚冬季风和大气环流场的统计特征进行了分析。结果表明：东亚冬季风存在2个模态,其中第2模态变化在冬季风年代际变化和长期变化趋势中起着较重要的作用;冬季风以及大气环流年代际异常在1980年前后发生了突变;冬季风的年代际变化与中国冬季气温、降水年代际关系密切。     

北半球大气环流及其冬季风的年代际变化对青藏高原冬季降雪的影响

对1961~2010年间北半球大气环流背景异常变化及其东亚冬季风指数(东亚大槽位置指数-CW、西伯利亚高压指数-SH)与青藏高原降雪之间在年代际尺度上的相关关系进行了分析,结果表明:北半球冬季行星波年代际尺度上的异常导致了青藏高原地区冬季降雪在年代际尺度上的变化,北半球行星波"冬三(波)"流型的年代际尺度变化是青藏高原地区冬季降雪年代际尺度上增加/减少的环流背景;青藏高原冬季降雪与东亚冬季风之间也存在着年代际尺度上的显著相关。相对于1961~1986年间的冬季风减弱,青藏高原地区冬季降雪量呈现出增加趋势。结果也指出,青藏高原地区的冬季降雪、CW和SH在1986年前后存在一次显著的突变;突变后北半球冬季三波流型明显增强,青藏高原地区的降雪也相应发生了由多到少的变化。     

东亚冬季风及其影响的进一步研究Ⅰ.东亚冬季风变化及异常的特征

东亚冬季风是北半球冬季最活跃的大气环流系统,其活动有重要影响,其向南爆发可以越过赤道对澳大利亚夏季风起作用。但相对夏季风,人们对东亚冬季风的研究一直较少。作者首先利用Hadley中心近百年的北半球海平面气压场资料,改进提出了一个能更好表征东亚冬季风强度的指数,进一步分析研究了东亚冬季风的年际和年代际变化及其异常特征。其结果表明,东亚冬季风不仅存在着明显的年际变化,主要有准两年的振荡周期和5~7年左右的周期,还存在周期为25~30年左右以及周期为十几年的年代际变化。利用NCEP/NCAR再分析资料,采用相关分析、合成分析的方法,还系统研究了东亚冬季风异常时的大气环流特征。对比分析表明,对应强、弱东亚冬季风,大尺度环流系统(蒙古高压、阿留申低压、500 hPa位势高度场等)的变化特征基本上呈反相分布;并且在强、弱东亚冬季风年,赤道地区的Hadley环流和Walker环流也出现基本反相的异常分布特征;而且赤道西太平洋有西(东)风异常出现,菲律宾以东有异常气旋(反气旋)性环流。在对异常东亚冬季风诊断分析的基础上,用一个大气环流模式(GCM)模拟了异常东亚冬季风的活动。通过对数值模拟结果的强、弱东亚冬季风进行对比分析发现,在强、弱东亚冬季风时,北半球中高纬度大气环流的结构会出现明显的变化和调整;同时,热带地区大气环流也有显著的差异。数值模拟和资料分析结果有较好的一致性,从而进一步揭示了东亚冬季风的变化和异常特征。     

冬季东亚中纬度西风急流对我国气候的影响

利用1957—2001年欧洲中期数值天气预报中心再分析资料及地面台站观测资料，分析了冬季东亚西风急流与我国气候的关系。首先定义了冬季东亚西风急流强度指数(区域30°~35°N，127.5°~155°E冬季200 hPa纬向风u₂₀₀平均值的标准化值)和切变指数(区域15°~25°N，100°~115°E与区域30°~40°N，100°~115°E的平均u₂₀₀之差的标准化值)，这两个指数能较好地反映冬季东亚西风急流的强度变化和位置的南北移动，二者相关系数为-0.48，通过99%信度检验。西风急流强度与亚洲和西太平洋大范围的大气环流有密切关系，而西风急流位置移动则与印度洋、中东太平洋的大气环流有密切关系，并分析了冬季急流强度指数和切变指数与我国温度和降水的关系。结果表明:当西风急流强度偏强时，西风急流位置偏北，此时在急流入口区左侧由于气流辐合造成低层气压上升，在出口区左侧则由于气流发生强烈辐散，引起低层气压下降，所以西伯利亚地区上空从对流层低层到中层高度值升高，北太平洋高度值降低，东西向气压差加大的形势，同时东亚大槽偏强，海陆气压差加大和东亚大槽偏强，导致冬季风强度偏强，引起我国从北到南的陆面降温，同时30°~40°N低层有下沉气流，使得华北、华中和长江中下游地区降水偏少；当西风急流强度偏弱时，西风急流位置偏南，整个东亚地区存在南风异常，东亚冬季风较弱，在25°N附近有上升气流，此时华南和内蒙古、华北降水偏多，内蒙古地表温度偏高。     

孟加拉湾冬季风及其与亚洲夏季气候的关系

利用东亚和孟湾近海1000hPa低层风场,定义了一个东亚和孟湾的冬季风指数,通过对比分析发现,孟湾冬季风指数温度场和风场具有显著的气候意义.同时可以看到孟湾和东亚冬季风都具有年际和年代际变化,但其变化特征有较大的不同,东亚冬季风有较明显的15～20年的年代际变化,而孟湾冬季风在最近50年则表现为一致增强的趋势.在此基础上,进一步利用相关分析和合成分析方法分析了孟湾冬季风活动的跨季节影响,研究发现,孟湾冬季风对春、夏季气候有较强的跨季节影响,孟湾冬季风指数与次年夏季中国的降水有较好的对应关系.     

近40年东亚冬季风强度的多时间尺度变化特征及其与气候的关系

文章利用季风强度指数研究了近40年冬季1月份东亚季风强度趋势、年际、十年际变化特征及其与我国冬季天气气候的关系。结果指出，东亚冬季风的年际变化、年代际变化与我国冬季天气气候关系密切。弱冬季风时，我国天气气候是暖、湿；强冬季风时，则冷、干。但是，季风与我国气候在近40年中的趋势变化关系则不如其年际、十年际变化更密切。近40年来，我国冬季气温已明显升高，季风减弱，但不太显著。80年代中期开始，冬季风已明显减弱。此外，还指出，东亚强冬季风时，大气环流具有强WP型、弱EU遥相关型的特征     

东亚海陆热力差指数及其与环流和降水的年际变化关系

利用 196 1～ 1999年海温和地温月平均资料 ,定义了一个海陆热力差指数 ,来表示东亚季风环流的纬向和经向海陆热力差异的变化强度 ,研究了夏季指数与东亚夏季风环流场和中国东部夏季降水的年际变化关系。结果表明 :(1)海陆热力差指数可用来表示东亚夏季风的强弱变化。强指数年东亚季风区低空西南夏季风气流和高层的东风气流明显偏强 ,表明这一年夏季风偏强 ,弱指数年反之。 (2 )海陆热力差指数能较好地反映东部季风区夏季降水的异常状况。强指数年 ,雨带偏北 ,江淮流域和长江中下游明显干旱 ,华南、华北降水偏多 ,弱指数年反之。这一降水异常特征可以从强弱海陆热力差指数年的环流场得到解释。 (3)海陆热力差指数所反映的东亚夏季风具有明显的准 2a和 3～ 6a周期的年际振荡 ,但其振幅和周期具有显著的年代际异常     

东亚冬季风及其影响的进一步研究I.东亚冬季风变化及异常的特征

东亚冬季风是北半球冬季最活跃的大气环流系统,其活动有重要影响,其向南爆发可以越过赤道对澳大利亚夏季风起作用。但相对夏季风,人们对东亚冬季风的研究一直较少。作者首先利用Hadley中心近百年的北半球海平面气压场资料,改进提出了一个能更好表征东亚冬季风强度的指数,进一步分析研究了东亚冬季风的年际和年代际变化及其异常特征。其结果表明,东亚冬季风不仅存在着明显的年际变化,主要有准两年的振荡周期和5～7年左右的周期,还存在周期为25～30年左右以及周期为十几年的年代际变化。利用NCEP/NCAR再分析资料,采用相关分析、合成分析的方法,还系统研究了东亚冬季风异常时的大气环流特征。对比分析表明,对应强、弱东亚冬季风,大尺度环流系统(蒙古高压、阿留申低压、500 hPa位势高度场等)的变化特征基本上呈反相分布;并且在强、弱东亚冬季风年,赤道地区的Hadley环流和Walker环流也出现基本反相的异常分布特征;而且赤道西太平洋有西(东)风异常出现,菲律宾以东有异常气旋(反气旋)性环流。在对异常东亚冬季风诊断分析的基础上,用一个大气环流模式（GCM）模拟了异常东亚冬季风的活动。通过对数值模拟结果的强、弱东亚冬季风进行对比分析发现,在强、弱东亚冬季风时,北半球中高纬度大气环流的结构会出现明显的变化和调整;同时,热带地区大气环流也有显著的差异。数值模拟和资料分析结果有较好的一致性,从而进一步揭示了东亚冬季风的变化和异常特征。     

一个适用于描述中国大陆冬季气温变化的东亚冬季风指数

利用1951年1月-2007年2月的NCEP V1格点资料和中国台站观测资料,定义了一个冬季风环流指数(IEAWM),并分析其与中国冬季气温和东亚大气环流变化的联系.结果表明该指数能够很好地反映东亚冬季风系统各成员的变化,兼顾北方和南方的环流状况和东西部热力差异的影响,改进了原有冬季风指数大多针对单一的冬季风环流成员及对中国冬季气温变化反映能力的不足,能够很好地反映中国冬季平均气温的异常变化.分析表明,当该指数为正值时东亚冬季风偏强,对应着地面西伯利亚高压和高空东亚大槽均偏强,东亚地区对流层中层的高-低纬度之间的纬向风经向切变加强,有利于中高纬度冷空气向南侵入,导致中国大陆地区气温偏低,反之亦然.IEAWM的年代际变化表明东亚冬季风在1985年之前偏强,1985年之后明显偏弱,这与1985年之后中国冬季变暖是一致的.     

东亚冬季风综合指数及其表达的东亚冬季风年际变化特征

本文通过多变量经验正交函数展开 (multivariate EOF, 简称 MV-EOF) 研究了东亚冬季风各系统成员的协同关系, 再运用单变量EOF定义单个系统的强度系数。从而给出能够反映东亚冬季风各主要特征及其年际变化、同时包含西伯利亚高压、东亚大槽和纬向风经向切变信息的强度指数 (EAWMII)。分析表明, 这个新指数EAWMII能够很好地反映东亚冬季风在20世纪80年代中期的减弱信号, 并且与大气环流场以及东亚冬季表面温度的变化均显著相关, 能够在很大程度上表征东亚冬季风的综合特征。此外, EAWMII与北极涛动 (Arctic Oscillation, 简称AO) 指数、北太平洋涛动 (North Pacific Oscillation, 简称NPO) 指数和Nio3.4指数相关显著。分析还表明AO和NPO影响东亚冬季气候的区域有所不同: AO主要影响欧亚大陆中、高纬、我国东北以及日本北部等地区, NPO则主要影响华南、华东、朝鲜、韩国以及日本中南部及其附近海域。并且, AO很可能可以通过影响NPO进而影响东亚冬季风。     

热带环流指数与夏季长江中下游旱涝的年际变化

比较利用海—陆气压差和南亚季风环流定义的夏季风指数对夏季长江中下游旱涝年际变化的表征能力,根据影响东亚季风的主要热带环流定义了一个环流指数,该指数与长江中下游旱涝的年际变化存在很好的对应关系。利用１９８２年～１９９４年夏季平均可降水量距平、北半球５００ｈＰａ位势高度场距平,通过高、低指数合成和高度场与同期的热带海表温度异常的ＳＶＤ分析,结果表明,热带环流指数的高、低差异和年际变化对影响东亚夏季降水的大气环流型具有较强的分辨能力。     

区域气候模式对东亚冬季风多年平均特征的模拟

利用改进的区域气候模式(RegCM-NCC)对东亚区域进行了连续5年(1998～2002年)的气候模拟,并对模拟的东亚冬季风情况进行了全面分析.结果表明该模式能够较好地模拟出东亚地区冬季平均环流特征,较真实反映出冬季低层大陆冷高压的平均位置与强度,也能够揭示出冬季风场变化的主要特征,如低层的冬季风气流及高层的西风急流;对冬季风强度及年际变化也有较好的反映,对冬季季风涌出现的频率、主要区域以及温度的演变等气候特征的模拟与实况一致.通过比较分析,对该模式在东亚冬季风等方面模拟性能有较全面的认识,便于模式的应用及进一步改进.     

东亚冬季风指数的分类和比较

在回顾了2009年以前定义过的冬季风指数的基础上,按照定义要素的不同,进行了分类及序列延长计算,并将现有的冬季风指数分为海陆气压差类(4个)、高压特征类(3个)、风场特征类(9个)、环流特征类(4个)和综合类(2个)。研究了这些冬季风指数的年际及年代际变化趋势及其周期变化,分析了各指数之间的相关性,以及冬季风指数对中国冬季大陆气温变化的指示性。结果表明:东亚冬季风存在缓慢减弱的变化趋势,主要呈现出准6a,准11a和准17a的周期振荡特征。同类别指数之间的相关性要优于不同类别的。东亚冬季风指数与中国冬季大陆气温相关性普遍好的地区主要在河套及内蒙古中部、华南和东南沿海、四川盆地等。     

东亚冬季风经向异常与后期嘉兴梅雨关系

利用1948—2005年NCEP/NCAR再分析资料, 定义了一个可以反映中高纬度间冬季风强弱差异的冬季风经向变化指数 (WMMCI), 该指数与东亚冬季风指数有较好的对应关系。强 (弱) 冬季风年后期嘉兴梅雨偏多 (少) 为主, 年际、年代际关系对应为正相关, 并对后期降水有持续影响, WMMCI指数持续增强 (减弱) 2年并处于强 (弱) 冬季风年时, 后期嘉兴梅雨持续偏多 (少), 嘉兴梅雨降水升高或降低的变化趋势滞后于该指数变化。对500 hPa高度场距平合成分析表明:强 (弱) 冬季风年北正 (负) 南负 (正) 的距平分布使中高纬度经向 (纬向) 环流发展, 有利 (不利) 于冷空气南下影响, 并对后期大气环流产生持续影响, 从而有利 (不利) 于降水。冬季风经向异常对嘉兴后期降水持续影响的一个可能解释是, 持续增强 (减弱) 的强 (弱) 冬季风使赤道太平洋地区盛行风向发生改变, 使赤道太平洋海温变化出现异常, 触发El Ni?o (La Ni?a) 事件, 从而对后期大气环流造成持续影响。     

东亚经圈环流年代际变化及对海河降水影响

基于NCEP/NCAR和ERA 40两套再分析资料及中国160个站月降水资料,分析了海河流域夏季降水的变化特征及受东亚夏季风的影响,并定义了东亚夏季经圈环流指数,研究了东亚夏季风的年际和年代际气候变化特征及与海河流域夏季降水的关系。结果表明：近30年来,夏季东亚地区对流层低层和高层的西风均呈现反位相的变化特征,同时东亚地区对流层低层南风分量异常减弱,中低纬度的经圈环流也呈现减弱趋势,夏季风的强度随之减弱,不利于夏季雨带向北推进。文中定义的东亚夏季经圈环流指数与海河流域夏季降水存在显著的正相关关系,说明经圈环流指数值越大,东亚经圈环流强度越强,利于夏季东亚季风向北推进,从而使海河流域夏季降水偏多。反之,当东亚夏季风偏弱时,东亚经圈环流也偏弱,不利于海河流域降水偏多。本文结果表明,东亚经圈环流的年代际减弱是海河流域近30年处于少雨期的一个直接原因。     

青藏高原冬季风强弱年中国气候对比分析

本文选取1984~2013年NCEP/NCARII月平均再分析资料和,及全国160个台站月平均气温和降水量资料,使用由散度定义的青藏高原季风指数,以1月为冬季代表月,确定高原冬季风强弱代表年。通过相关分析和合成分析,详细分析了青藏高原冬季风强弱年份,东亚大气环流和我国气候的差异。结果表明:(1)高原冬季风强弱伴随东亚大气环流的异常,当高原冬季风偏强时,高原上空的冷低压加强,辐散下沉运动加大,中高纬地区的槽脊加深,而低纬地区有一气旋性环流生成;(2)高原冬季风强弱年我国同期气候差异明显,高原冬季风偏强年的冬季,新疆北部、华北中部等地降水偏多,四川盆地、长江中下游等地降水偏少,冬季气温大部份地区偏高,云南、黑龙江等地略偏低。(3)高原冬季风的影响具有滞后效应,高原冬季风强弱年的夏季,大气环流和我国气候明显不同,强年高原热低压和高纬地区的槽脊减弱,西太平洋副高偏北偏强,长江中下游、华南等地降水明显偏多,长江中上游、内蒙等地降水明显偏少。     

平流层极涡变化与我国冬季气温、降水的关系

利用国家气候中心提供的1951-2010年逐月环流指数资料,分析了北半球极涡强度指数、面积指数和中心强度指数的相关关系,并通过极涡强度指数的变化讨论了冬季北半球极涡强度的时间变化特征。结果表明,冬季极涡强度指数与面积指数和中心强度指数有较好的相关性,能够更好地反映冬季极涡强度的变化特征;冬季极涡存在准13年的年代际振荡周期,准5年的年际振荡周期在20世纪90年代后期较为明显。结合气温、降水观测资料和NCEP/NCAR月平均再分析资料,探讨了极涡强、弱不同年份我国冬季气温、降水和大气环流形势的变化。相对极涡弱值年而言,极涡强值年我国北方地区、东部地区特别是东北地区的气温偏高,西南大部分地区的气温偏低,长江流域和华南地区的气温变化不明显;我国南方地区降水偏多,长江中下游和华南地区的降水偏多最为明显,北方地区的降水略有减少;500hPa高度场上高纬度地区的位势高度降低,中高纬度的位势高度升高,冷空气向极地聚集,东亚大槽减弱,我国东北和东部地区的气温偏高;同时东亚冬季风减弱,湿空气向我国内陆输送,长江流域和我国南方地区的降水偏多。     

高原冬季风及热带太平洋海温对西南地区冬季气温的影响

利用1979~2008年西南地区115个测站逐日气温资料和NCEP/NCAR R2日平均再分析资料,通过相关分析和合成分析,讨论了高原冬季风季节内变化特征及其与西南地区冬季气温之间的关系。结果表明:高原冬季风指数和同期西南地区冬季平均的逐日气温呈反相关关系。高原冬季风偏强、偏弱时,对流层高层、中层、低层环流场分布形势均有显著差别,当高原冬季风偏强时,同期东亚冬季风偏弱,Nino3.4区海温偏高,对流层从高层到低层环流场形势均不利于西南地区冬季低温;当高原冬季风偏弱时,同期东亚冬季风偏强,Nino3.4区海温偏低,对流层从高层到低层环流场形势均有利于西南地区冬季低温。