东亚典型干旱、半干旱区夏季感热通量的年代际变化特征

基于1901—2010年ERA-20C地表感热通量和其他气象要素逐月资料,利用Lanczos低通滤波、多元逐步回归、Mann-Kendall检验和滑动t检验等方法,分析东亚典型极端干旱区、干旱区、半干旱区和湿润偏干区4个区域夏季感热通量的变化趋势及年代际变化特征。结果表明:(1)近110 a,东亚干旱、半干旱区4种类型区域的夏季感热通量变化趋势不尽相同,极端干旱区无明显变化趋势,而其他3个区域均呈显著上升趋势,且随着地表湿润度的增加上升趋势越大;半干旱区和湿润偏干区夏季感热通量在显著上升趋势上还叠加了明显的年代际特征,均在1960年代发生由偏低向偏高的突变,而干旱区夏季感热通量突变时间在1950年代中期。(2)各气象要素对夏季感热通量变化的贡献在东亚干旱、半干旱区不同区域有显著差异。极端干旱区和干旱区夏季感热通量的变化主要由地表净辐射和降水贡献,而半干旱区和湿润偏干区则主要由地气温差和10 m风速贡献,且突变后期的贡献均高于突变前期。(3)大气环流异常对东亚夏季感热通量变化有重要作用。突变前期,东亚干旱、半干旱区大部高空200 hPa为东风异常,低层850 hPa为东南风异常,配合500 hPa正涡度异常,导致辐合上升气流偏强,有利于维持夏季感热通量偏低;反之突变后期,200 hPa为西风异常,500 hPa为负涡度异常,低层850 hPa为西北风异常,导致辐合上升气流偏弱,有利于维持夏季感热通量偏高。     

东亚和北美地区温度和降水变化特征

温湿变化的年代际特征及区域差异是全球气候变化研究的重要内容之一。利用1901-2014年东英吉利大学气候研究中心(CRU)TS3.20月地表温度和降水资料分析了东亚和北美地区温度和降水变化的季节性和区域特征,并利用1979-2015年欧洲中心天气预报中心(ECMWF)ERA-Interim日最高/最低温和降水资料进一步分析了东亚和北美地区受极端天气影响的区域所占比例的年际变化。结果发现,近110多年来东亚地区[0.134℃·(10a)~(-1)]的增温趋势高于北美地区[0.102℃·(10a)~(-1)],东亚干旱半干旱区的增温趋势低于东亚地区,而北美干旱半干旱区的增温趋势高于北美地区。季节性特征表现为在冷季增温明显,东亚地区冷季增温约是暖季的2.9倍,北美地区为1.3倍。季节性增温存在明显的纬度差异,在东亚和北美高纬度地区(45°N以北)冷季温度的增长速率通常比暖季大。东亚和北美的降水增加趋势均高于北半球,暖季降水增加明显并且主要发生在东亚和北美高纬度地区(45°N以北)。东亚和北美的干旱半干旱区的降水没有明显增加趋势,分别为0.04 mm·(10a)~(-1)和0.07 mm·(10a)~(-1)。东亚和北美地区及东亚和北美的干旱半干旱区受极端高温影响的面积有增加趋势,受极端低温影响的面积没有明显变化,受极端降水影响的面积有减少趋势。北美和东亚地区以及北美和东亚干旱半干旱区的月平均温度对PDO(Pacific Decadal Oscillation)的响应比ENSO(El Nino Southern Oscillation)明显,月平均降水对ENSO的响应比PDO明显。     

中国干湿状况和干湿气候界限变化研究

选取全国616个地面气象台站1975-2004年的地面资料,通过Penman-Monteith公式计算的参考蒸散确定湿润指数（W）,按W为0．03、0．2、0．5和1．0把中国分为极干旱、干旱、半干旱、半湿润和湿润5个干湿区,给出了湿润指数的变化趋势和变异状况的地理分布,讨论了湿润指数的年代际变化特征。结果表明：湿润状况显著增加的地区主要为新疆西北部和中国的西南部,干旱化显著的地区主要在青海的东部、甘肃的南部和四川北部;干湿状况变化从中国的东部向西部逐渐增大,中国的西南地区干湿状况最为稳定;20世纪80年代初全国的平均干湿状况发生变化,由干旱趋向湿润,30a来半湿润、湿润地区干湿状况年际变化大,半干旱区和湿润区增多,半湿润区减少。     

东亚干旱半干旱区空中水资源研究进展

系统回顾了近年来中外对东亚干旱半干旱区空中水资源方面的主要研究进展,主要包括大气水汽、云的分布特征、空中水资源的降水转化率及其影响因子等。东亚干旱半干旱区西部及东部水汽含量较中部高,背风坡水汽含量较迎风坡高,季风区及山脉地区云水资源高于盆地、沙漠上空。20世纪80年代中期以后,东亚干旱半干旱区对流层底部的水汽显著增多,其中夏季增加最为明显。在全球气候变化背景下,中国西北部分地区云水路径总体呈现上升趋势,同时呈现"东正西负"的东西向变化差异以及"北正南负"的反相位特征。大气环流、地表温度、下垫面地表特征等因子通过影响东亚干旱半干旱区的水汽输送及蒸散,进而改变东亚干旱半干旱区空中水资源,空中水资源的改变通过影响辐射收支、不同高度云量及第2次相变产生的云水含量进而对局地温度和降水产生影响。以往研究中,大部分主要针对东亚干旱半干旱区大气中的水汽含量和云平均状态的分布与变化特征,而与降水相关联的空中水资源的变化特征目前仍不清楚,有待系统深入地研究。      

中国西南地区东部秋季干旱的环流特征及其成因分析

利用1961--2010年NCEP／NCAR再分析资料和全国753站月平均降水资料,研究了我国西南地区东部秋季干旱的环流特征及其成因。结果表明,西南地区东部秋季降水存在明显的年际和年代际变化。其中,年代际变化主要表现为,在20世纪80年代中后期,降水存在由多转少的突变;降水量年际变化则与苏门答腊一西太平洋和热带东太平洋的海温分布存在很好的关系。当苏门答腊一西太平洋和东太平洋海温呈现“＋-”异常分布时,引起大气热源的异常,加强哈德莱环流,同时,在南海及孟加拉湾附近激发出异常气旋性环流,而西南地区东部则处于南海气旋性环流外围异常偏北气流控制,削弱了孟加拉湾的水汽输送,从而造成西南地区东部的干旱。通过大气环流模式NCARCAM3．0（Community Atmosphere Model3．0）的海温异常试验,验证了上述观测结论。     

黄淮海地区1961~2006年干湿状况时空变化

自20世纪60年代以来,黄淮海地区的气候出现了降水减少、气温升高的变化趋势,分析气象要素之间的关系及其变化规律,对于合理规划水资源,保障经济可持续发展具有积极的意义.利用干燥度指数对该地区的干湿状况进行了分析,将该地区划分为湿润、半湿润、半湿润半干旱、半干旱半湿润和半干旱5个干湿气候区,其中以半干旱区范围最大.不同干湿类型区域间有明显的纬向分布特征,地势起伏亦对于湿区域的空间分布产生影响.对季节间干湿状况差异分析结果表明,该地区以夏季最为湿润,而冬春两季最为干燥.对年代间干湿状况变化分析表明,20世纪60年代和80年代半干旱区的范围相对较大,80年代半湿润和半湿润半干旱区的范围最大.对逐年干燥度变化趋势的分析表明,随着时间的推移.黄淮海地区干湿区域间的差异有变得更加显著的趋势,即半干旱区干燥度指数逐渐增大,而半湿润和湿润区的干燥度指数趋向减小.     

中国北方干旱化年代际特征与大气环流的关系

用CRU和ECMWF资料分析了近代中国北方干湿变化特征及其与东亚大气环流异常特征的关系.结果表明:中国北方干旱化具有显著的年际、年代际特征,20世纪70年代末干湿发生显著转变,西北东部和华北地区变干趋势明显,北方大部分地区干旱现象严重;中国北方地区当前的干旱化时空格局与东亚夏季风异常特征密切相关,夏季风减弱以及由此造成水汽输送量减少是导致干旱化发展的主要原因,而低层大气反气旋环流增强和气旋性环流减弱是引起干旱化的异常环流特征.     

近50年中国干湿气候界线波动及其成因初探

文中在 10a际尺度上详细分析了中国干湿气候界线波动与气候的干湿变化 ,得出 :过去 5 0a中国干湿气候界线波动显著 ,区域差异大 ,呈现出整体移动和东西、南北相异波动的特征。 2 0世纪 6 0～ 70年代中国干湿气候存在一次突变 ,由较湿润变为干旱 ,但各地干旱程度不同。干湿气候界线波动与气候的干湿变化具有显著的年代际特征。在此基础上分析了气候界线波动的可能原因 ,中国干湿气候界线的波动与气候的干湿变化是西太平洋副热带高压强度位置导致的东南季风、孟加拉湾暖流所导致的西南季风以及高原季风、中纬度西风环流等综合作用的结果。中国各地区干湿位相变化不一致 ,区域差异大 ,是不同环流以及环流的不同强弱组合所致。东南季风、西南季风、高原季风、中纬度西风环流、西太平洋副热带高压的年代际变化是过去 5 0a中国干湿气候界线波动与气候干湿变化年代际变化的根本原因。 2 0世纪 6 0～ 70年代的干湿突变 ,是整个北半球大气环流异常的结果     

中国干湿区变化与预估

本文采用干湿指数对1962~2011年中国干湿区范围变化进行了集中分析,并利用CMIP5（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5）模式对其变化趋势开展了预估研究。结果表明,1962~2011年平均极端干旱区、干旱区、半干旱区、半湿润区和湿润区分别占中国陆地总面积的2.8%、11.7%、22.4%、32.6%和30.5%。期间,中国区域年干湿指数总体上呈现下降趋势,空间上表现为西部湿润化和东部干旱化的特征。显著缩小的是湿润区和极端干旱区,半湿润区、半干旱区和干旱区则显著扩大,这表明中国气候敏感区域在扩张。春季和秋季干湿指数变化趋势的空间分布与年平均的较为一致,冬季西北呈干旱化,夏季东南部地区为湿润化。相对于参考时段1986~2005年,在RCP4.5（Representative Concentration Pathway 4.5）情景下18个气候模式中位数的预估结果中,降水仅在东南南部减少,而潜在蒸散发在全区域增加,由于潜在蒸散发的增量超过了降水的增幅,中国区域将整体趋于干旱化,仅在西北地区呈湿润化特征;未来湿润区、干旱区和极端干旱区缩小,气候敏感性高的半湿润区和半干旱区仍将扩大。     

北极涛动年代际变化对华北地区干旱化的影响

华北地区夏季降水在20世纪70年代中期以后进入年代际偏少阶段,表现出明显的干旱化趋势。华北干旱加剧具有特殊的大气环流背景,主要表现为在20世纪70年代中期以后亚洲大陆东部的热低压减弱,同时对流层低层到高层东亚夏季风环流减弱。这种异常的大气环流背景主要是由海陆热力差异和北极涛动的年代际变化造成的。近二十几年来,北极涛动维持在高指数位相是导致东亚地区大气环流异常的重要原因,并由此造成了华北干旱的加剧。     

近40年中国饱和水汽压差时空变化及影响因素分析

基于全国600多个站点的逐月气象观测资料,利用Mann–Kendall检验、多元线性回归等方法分析了中国地区1980～2018年不同气候区（干旱区、湿润区、半干旱区与半湿润区）饱和水汽压差（Vapor Pressure Deficit,VPD）的时空变化特征,检测了影响中国地区饱和水汽压差变化的主导气象因素。结果发现:近40年来,我国湿润区和干旱区的夏季和冬季VPD分布呈相反格局,大部分地区4个季节VPD均呈上升趋势,春、夏两季在黄河流域以及东南沿海地区的上升趋势尤为显著。4个气候区的VPD均在21世纪初发生突变上升,其中湿润区突变年份偏早（1996年）,干旱区突变年份较晚（2004年）,且干旱区的上升幅度最大,约为0.04 kPa/10 a。影响饱和水汽压差增加的主导因子在不同气候区、不同季节有所差异,但总体而言,气温和绝对湿度的变化是影响我国VPD年际变化的主要因素。其中,2000年以后,影响半湿润区、半干旱区VPD变化的主导因子为气温,干旱区、湿润区为绝对湿度。     

中国西北干旱、 半干旱区感热的年代际变化特征及其与中国夏季降水的关系

利用1951～2000年我国西北干旱、 半干旱区地温、 气温和表面风场逐日4个时次 (02、 08、 14和20时) 的台站观测资料, 计算并分析了我国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热的年代际变化特征。分析结果表明: 中国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热输送出现相反的年代际变化特征, 春季感热从20世纪70年代中期开始增强, 而夏季感热却减弱了。并且还分析了中国西北干旱、 半干旱区4月感热与中国夏季降水的相关关系, 其结果表明了中国西北干旱、 半干旱区的春季感热输送与中国夏季降水有很好的相关关系, 其中正相关区分别位于东北地区和长江中下游地区, 而负相关区分别位于华北地区和西南地区。作者还利用欧洲中心 (ECMWF) 1958～2000年再分析资料分析水平和垂直环流的年代际变化特征, 在1977～2000年期间, 中国西北地区春季感热增强, 使此地区上升气流增强, 华北地区上空下沉气流增强, 不利于华北地区夏季降水偏多, 并出现持续性干旱, 而长江流域的上升气流增强有利于长江中下游地区夏季降水增多, 出现洪涝。因此, 西北地区春季感热异常可以作为我国夏季降水的一个预报因子。     

基于高分辨率格点数据集的中国气温与降水时空分布及变化趋势分析

基于LZU0025高分辨率格点数据集,对1951—2012年中国区域气温和降水量的时空分布特征,以及气候变化趋势进行了初步分析。结果表明:中国的年平均气温自1980年开始显著增暖,年降水量在1960年出现由湿润到干燥的突变。中国的整体降水量变化趋势不如气温的变化趋势具有一致性。中国年平均气温增温趋势为0.26℃/(10a),局部的最大增温趋势超过0.6℃/(10a);中国年降水量减少趋势为6.7 mm/(10a),局部地区的降水减少趋势超过了30 mm/(10a),而有些地区的降水增加趋势却可达30 mm/(10a)。大兴安岭—黄土高原西北缘—黄河长江上游以北—冈底斯山脉东部为大致的平均400 mm等降水量线,可用于划分中国的半干旱与半湿润区。1951—2010年中国400 mm等降水量线位置的年代际变化情况复杂,但总体呈现不断南移的趋势,表明中国干旱、半干旱区面积在不断扩大。     

内蒙古夏季不同气候区短时强降水检验及制定

利用1991—2015年夏季(6—8月)内蒙古地区111个国家气象站小时降水量资料,对内蒙古不同气候区(极干旱、干旱、半干旱、半湿润和湿润)短时强降水(1 h降水量≥20 mm)进行检验分析,采用累积概率方法定义内蒙古夏季不同气候区短时强降水。检验结果表明:内蒙古地区年平均降水量和小时降水量极值自西部极干旱区向东部半湿润、湿润区递增,高值区位于大兴安岭东部,次高值区位于阴山山脉以南。内蒙古极干旱区小时降水量极值低于20 mm,半湿润区和湿润区小时降水量极值高于50 mm,个别站点甚至达到100 mm以上。但在半湿润区和湿润区东部小时降水量超过20 mm年平均发生仅为1次,其余地区均1次。在内蒙古极干旱区、干旱区、半干旱区、半湿润区和湿润区小时降水量分别达到6.1、9.8、12.5、15.2和14.3 mm·h~(-1)属于极端降水事件,小时降水量≥20 mm不宜作为内蒙古短时强降水定义。综合上述研究,结合内蒙古地区地形、地貌等因素,将内蒙古极干旱区和干旱区短时强降水定义为5 mm·h~(-1),半干旱区、半湿润区和湿润区短时强降水定义为10 mm·h~(-1)。     

基于3种指数的全球干湿变化年代际特征

通过对比AI指数、PDSI指数和土壤湿度的变化发现,3种指数能够较为一致地反映全球干湿变化的时空分布特征,在此基础上,研究了全球及不同气候区干湿变化的长期变化趋势和周期信号,并重点分析干湿指数的年代际演变及其变化机制。结果表明:近67 a来,全球整体呈现干旱化趋势,其中半湿润区干旱化最为显著,其次为极端干旱区、湿润区和半干旱区,而干旱区表现为变湿趋势;全球干湿变化存在准20 a的显著周期信号,但不同气候区的主要变化周期存在差异,其中干旱区、半干旱区和湿润区的主周期为准20 a,而极端干旱区和半湿润区为准30 a;潜在蒸散量的显著增加趋势是导致全球干旱化的主要原因,而全球干湿变化的准20 a周期主要由降水振荡所控制。     

近50年华北干旱的年代际和年际变化及大气环流特征

利用1948～2000年NCEP/NCAR再分析逐日及月平均位势高度、风、温度、垂直速度等物理量和中国气温、降水资料,分析近50年中国华北地区干旱的年代际、年际变化及其环流特征,并探讨1999和2000年华北地区持续干旱环流型及其成因.研究指出:20世纪80年代以来华北地区降水持续偏少,干旱强度有所增加,这与夏季200 hPa矢量风距平场亚洲中纬度西风环流加强,850 hPa风矢量距平场中国东部110～120°E范围内偏南气流比气候平均状况偏弱有关.夏季华北降水偏少的一种主要大气环流型是:500hPa位势高度场上40～50°N的欧亚大陆位势高度偏高并叠加欧亚(EU)遥相关型,华北大部分地区受高压控制.1999和2000年夏华北地区持续严重干旱的主要环流特征是:亚洲大陆高压持续发展、长期维持并相当稳定,华北地区上空受闭合暖性高压控制,高空暖性高压气流强烈下沉,引起空气绝热增温,近地面感热增加使得干旱区气温升高,下垫面非绝热强迫作用与大陆暖高压加强形成正反馈过程.     

21世纪初青海省春季大气干旱变化新特征

利用1961—2017年青海省常年非干旱区降水、气温等资料计算大气干旱指数SPI,通过研究分析得出:青海省春季干旱总体呈减少趋势,"干"、"湿"交替特点明显,其中20世纪60年代初、70年代初至80年代初、90年代中期至21世纪初为干期,其余阶段为湿期,东部农业区大旱年出现5次;东部农业区、环青海湖、三江源气候变化倾向率分别为-0.371/10a、-0.207/10a、-1.087/10a速率减少,减少速率三江源最快,其它地区不明显;大气干旱较多的地区是东部农东部农业区、祁连山西段的天峻、刚察、唐古拉地区及果洛的达日、玛多地区,而玉树、果洛南部是青海省最不易出现春旱的地方;2001—2017年青海省非干旱区各级大气干旱次数及东部农业区、环青海湖、三江源地区较1961—2000年全省及各区呈明显减少趋势;进入21世纪初,环青海湖、三江源暖湿化趋势加快,气温升高、降水增加,湖泊持续增加,水位上升,河流径流量增加,植被趋于好转并逐步恢复,大气干旱发生几率降低,特别是重旱、特大旱发生次数明显减少。     

春季南支槽的年代际变化及其与降水、大气环流的关系

由于春季青藏高原动力作用在其南侧形成南支槽,南支槽年代际变化的异常,可能与中国降水异常有密切的关系。利用NCEP/NCAR月平均再分析资料和中国596个测站月降水资料,采用突变检验、合成分析等方法,分析了1950 2014年春季南支槽的强度和东、西位置的年代际变化特征,探讨了两者与同期中国降水年代际异常及环流背景场的关系。结果表明:春季南支槽的强度和位置都具有显著的年代际变化特征,南支槽强度在20世纪70年代末期有一次强弱突变过程,位置在90年代初期发生了明显的由东向西移动的转折,分别选取强度和位置突变前后的时间段进行分析,得到春季南支槽强度突变前(后),南支槽越强(弱),位置突变前(后),南支槽越偏东(西),会出现黄河流域、长江中下游及其以北和以南的大部分地区降水偏多(少),而青藏高原及其周围地区降水偏少(多)的现象,从两者突变前后与大气环流、垂直运动和水汽条件的显著关系能够合理地解释突变前后降水差异的原因。在此基础上,总结了春季南支槽年代际尺度与中国降水、大气环流的概念模型,可为中国春季的气候变化和气候预测提供更多的科学依据。     

近50年中国冬季气温对ENSO响应的时空稳定性分析研究

根据1962~2010年中国160站的月平均气温资料、Ni?o3.4区海洋Ni?o指数(ONI)资料以及相应的NECP/NCAR再分析资料,采用相关分析、滑动相关分析、滑动t检验、合成分析等方法,探讨了最近50年中国冬季气温对ENSO响应的时空稳定性问题。结果表明:中国冬季气温异常对ENSO的响应有着显著的地域性差异以及年代际变化,其中东北和西南地区的相关关系不稳定度比较大,而在中国东部地区则比较稳定。东北与西南地区在20世纪70年代中后期以后,冬季气温对ENSO的响应迅速减弱,甚至发生了反向变化,而东部地区这种关系近50年并没有较强的突变。相应的亚洲高空大气环流对ENSO的响应也具有明显的空间差异和阶段性变化,其特征与中国冬季气温对ENSO的响应特征基本对应。从大气环流角度解释中国冬季气温对ENSO的响应发生阶段性减弱的可能机制:ENSO通过经向Hadley环流影响中高纬度大气环流,由于70年代中后期以后亚洲经向Hadley环流的下沉支发生显著减弱,使得东亚大气环流对ENSO的响应减弱,进而导致中国冬季气温对ENSO的响应减弱。     

夏季我国干旱、半干旱区陆面过程能量平衡及其局地大气环流

利用NCEP资料分析得出,夏季我国干旱,半干旱区在整个欧亚大陆上是陆面感热通量最强的地方,与此对应的陆面潜热通量则最弱.陆面所接收的太阳短波辐射主要以感热和长波辐射的能量形式释放.该区降水量很少,降水量的年际变率也很弱;因此,该区的陆面热量通量都显出很弱的年际变率;然而,这些通量的年代际变率信号则比较显著.我国干旱、半干旱区大气环流的热力过程与其陆面过程特征密切相关.该区对流层大气的辐射冷却很强,达-3 K d-1.由于缺乏水汽和上升运动,大尺度凝结加热率、深对流加热率、浅对流加热率都非常弱.因此,600hPa以上的大气以绝热下沉加热来平衡辐射冷却;600hPa以下,陆面感热引起的垂直扩散加热率非常强,多达8 K d-1,它除了平衡辐射冷却以外还制造对流层低层的对流运动,以绝热上升冷却来平衡多余的垂直扩散加热.总之,我国干旱、半干旱区的陆面过程特征决定了该区大气运动的特殊垂直结构,即对流层低层对流上升运动及其上层的下沉运动.我国干旱、半干旱区陆面能量平衡及其局地大气环流的年代际变率,是全球气候系统年代际变率的必然结果.