汛期我国主要雨季进程成因及预测应用进展

汛期内我国中东部地区的雨季是东亚夏季风推进过程中的重要产物,主要包括华南前汛期、梅雨、华北雨季和华西秋雨等,各地雨季决定了我国中东部地区汛期的旱涝布局和旱涝演变,是我国汛期预测和服务的重点。该文回顾了4个雨季特征及影响因子方面的研究进展,在此基础上梳理物理概念预测模型。研究显示:海温异常是影响各区域雨季的重要先兆信号,但不同雨季的年际和年代际变化特征不同,海温作为外强迫信号的影响程度和时空形式也有差异。利用热带太平洋东西海温差指标能更好地解释华南前汛期降水的年际变化。而与梅雨的年际变化分量相关联的海温关键区主要分布于热带,与年代际或多年代际变化分量相联系的海温关键区则来自中高纬度。华北雨季降水的强弱不仅与ENSO循环的位相有关,更多受到ENSO演变速率的影响。而影响华西秋雨的海温关键区随着年代际背景的变化发生了改变,需要重新诊断和建模。     

加利福尼亚附近的海温强迫及其与北太平洋年代际振荡的可能联系

本文利用1958～2018年期间海表面温度（SST）异常和湍流热通量异常变化的关系,探讨了其与北太平洋年代际振荡（PDO）相关的年际和年代际时间尺度上在不同海域的海气相互作用特征。结果表明:在年际尺度上,黑潮—亲潮延伸区（KOE）表现为显著大气强迫海洋,赤道中东太平洋表现为显著海洋强迫大气;在年代际尺度上,PDO北中心表现为大气强迫海洋,加利福尼亚附近则表现为显著海洋强迫大气。进一步分析表明:加利福尼亚附近区域是北太平洋准12年振荡的关键区域之一,与PDO准十年的周期类似,加利福尼亚附近的冷（暖）海温对应其上有反气旋（气旋）型环流,赤道中太平洋海水上翻和北太平洋东部副热带区域经向风应力的变化是北太平洋准12年振荡的另外两个重要环节。     

太平洋海温场不同时间尺度背景下华南前汛期持续性暴雨的统计特征

利用1961—2012年华南逐日降水资料,分析了太平洋海温场两种不同时间尺度背景下华南前汛期持续性暴雨的统计特征,并探讨了海洋外强迫信号可能对华南前汛期降水的低频变化周期造成的影响,以期为华南前汛期持续性暴雨过程的延伸期预报提供依据。结果表明:PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代际振荡)冷位相年,华南前汛期发生典型持续性暴雨过程的概率比PDO暖位相年大,且暴雨强度偏强,持续时间偏长;太平洋海温场两种不同时间尺度背景下,华南典型持续性暴雨过程呈现不同的特征,PDO冷位相配合冬春Nino区海温异常,华南前汛期易出现强度较强、持续时间较长的典型持续性暴雨过程;太平洋海温两种不同时间尺度的外强迫信号可能影响华南前汛期降水的低频变化周期,进而影响华南前汛期持续性暴雨的持续时间和强度。     

全球海表温度年代际尺度的空间分布及其对长江中下游梅雨的影响

使用统计诊断的方法,探讨了近百年全球海表温度年代际尺度的空间分布结构与长江中下游梅雨异常变化的可能联系.采用三次样条函数拟合的方法将1885～2000-全球海表温度场和长江中下游梅雨雨量百分比序列的年代际变化分量分离出来,在分析各自年代际变化特征基础上,研究了全球海表温度的年代际尺度分布结构对长江中下游梅雨异常变化的影响.结果表明(1) 全球海表温度年代际尺度变化分量清晰地表征出气候背景的分布状态,其中太平洋年代际振荡(PDO)型态表现突出,特别是1976年以后太平洋的气候背景呈现暖事件增强的趋势.同时,印度洋及大西洋中部海域的海表温度也表现出明显的升温趋势.(2) 长江中下游梅雨年代际尺度变化趋势与全球海表温度的年代际变化趋势基本一致,特别是与PDO典型分布型态的变化趋势有很好的对应,当PDO暖事件趋势处于较强时期时,长江中下游梅雨为偏多的趋势,反之亦然.其中20世纪70胩代中期PDO出现暖位相增强的突变,长江中下游梅雨也在此时期转入增多的趋势.同时,印度洋、大西洋部分地区的海表温度的年代际变化与梅雨的年代际变化之间也有一定的关联.(3) PDO指数与西太平洋副热带高压面积指数的年代际变化趋势一致的统计事实,从一个侧面说明海洋的-代际变化最终通过副热带高压的变动影响梅雨的异常变化的可能性.     

我国中部地区夏季干旱的多时间尺度特征及其环流、海温异常

基于CRU逐月降水和NCEP/NCAR再分析等资料,利用集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)方法,分析1948—2016年中国中部地区夏季降水变化的多时间尺度特征及其对应的环流、海温异常,进而解释不同时期影响干旱发生的背景场有何不同。结果表明,中部地区夏季降水以年际变化为主,周期长度为3.8 a和6.9 a,年代际和多年代际变化的方差贡献不足20%。然而,各时间尺度降水变化对不同时期干旱事件的贡献存在较大差异,1960s、1970s,降水年际变化偏弱,相反地,多年代际变化正处于负位相的极小值期;1980s、1990s,多年代际变化位相转正;2000s初,年际变化明显增强。此外,通过分析不同时间尺度降水变化对应的环流、海温背景场,发现热带印度洋海温异常及其引起的西北太平洋副热带高压的变化、大西洋北部海温异常激发的纬向波列以及贝加尔湖地区的阻塞活动、1970s末PDO位相转变伴随的东亚夏季风突变是分别解释降水年际、年代际和多年代际变化的主要原因,进而揭示影响中部地区夏季干旱发生的关键因子及其相对重要性。     

全球海洋蒸发量年代际变化归因：动力因子分析

本文基于动力调整方法,利用客观分析海气通量（OAFlux）资料研究了1958～2016年全球海洋蒸发量变化及其动力作用和辐射强迫分量的变化,发现海洋蒸发量及其动力作用分量具有一致性年代际变化特征,特别是在20世纪70年代及90年代末期存在明显的年代际转折。进一步分析发现:主要动力因子有太平洋—北美遥相关型（PNA）、北极涛动（AO）、北大西洋涛动（NAO）、厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）和阿留申低压（AL）,并受到太平洋年代际振荡（PDO）的影响,其中,1970年代末期的转折与PNA、PDO、ENSO和AL密切相关,而1990年代末期的转折还与NAO变化有关。动力作用分量的前六个模态解释方差达到67.5%,其中,低纬北太平洋和印度洋蒸发异常主要与海表温度（SST）及其引起的环流异常有关,南太平洋、中纬北太平洋和北大西洋蒸发异常与环流异常直接相关。ENSO与PDO在全球海洋蒸发量上的影响要大于NAO。单因子相关分析发现南方涛动指数（SOI）、NAO和PDO与海洋蒸发年代际变化密切相关。总体来说,动力作用分量在海洋蒸发的年代际变化中起主导作用,其中,以ENSO、NAO和PDO的影响最大。     

1953～2017年黄河源区气温变化的多尺度特征

基于黄河源区8个站点的年平均气温序列,利用集合经验模态分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD）方法,揭示了以玛多站为代表的黄河源区1953~2017年气温演变的多时间尺度特征,探讨不同时间尺度上的周期振荡对气温变化总体特征的影响程度,分析了黄河源区不同时间尺度的气温变化与海温指数,尤其是与北大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）间的关系。结果表明:（1）1953年以来黄河源区玛多站年平均气温以0.31 ℃/10 a的变化率表现为明显的增暖趋势,20世纪80年代后期开始转暖,尤其是进入20世纪90年代后期变暖更加明显。（2）1953~2017年,黄河源区年平均气温呈现3 a、6 a、11 a、25 a、64 a及65 a以上时间尺度的准周期变化,其中以准3 a和65 a以上时间尺度的振荡最显著,准3 a的年际振荡在21世纪以前振幅较大,而进入21世纪后年际振荡振幅减弱,65 a以上时间尺度的年代际振荡振幅明显加大。（3）1998年气候显著变暖以前,以准3 a周期为代表的年际振荡在气温演变过程中占据主导地位,1998年气候显著变暖以后,65 a以上时间尺度周期振荡的贡献率增加近5倍,与准3 a周期振荡的贡献相当。（4）气温与Nino3.4指数和PDO（Pacific Decadal Oscillation）指数的同期相关均不显著,但当气温领先PDO指数22 a时正相关最大且显著,不同于PDO指数,气温原始序列及其3个年代际尺度分量滞后AMO指数3~7 a或二者同期时相关性最高,这就意味着AMO对黄河源区气温具有显著影响。（5）AMO的正暖位相对应着包括中国的整个东亚地区偏暖,黄河源区只是受影响区域的一部分,20世纪60年代至90年代初期AMO的负冷位相期、20世纪90年代中后期至今AMO的正暖位相与黄河源区气温距平序列的负距平、正距平相对应,气温在65 a以上时间尺度的变化与AMO指数相关性更高,可见,AMO是影响黄河源区气温变化的一个重要的气候振荡,这种影响主要表现在年代际时间尺度上。     

热带太平洋经向风异常年际变化与海温异常的关系

运用奇异谱分析（SSA）方法对热带太平洋海温和经向风进行周期分析，结果表明太平洋海气系统存在准4年、准2年和年代际尺度的变化周期，其中准4年的变率最大。不同区域的风场，在不同时间尺度上与海温异常联系的紧密程度不同，位相的演变也有差异。文中还讨论了在准4年与准2年分量之间因风场的不同而导致的海温异常的差异。     

长江流域梅雨的多尺度特征及其与全球海温的关系

利用EOF和小波变换方法讨论了长江流域梅雨期降水的多时空尺度特征.长江流域梅雨期降水空间分布主要存在3种类型:(1)江南北部多雨、黄淮少雨型;(2)长江中下游多雨、江南南部少雨型;(3)江淮流域、华南东南部多雨及江南北部、华北地区少雨型.时间尺度主要周期为:准2年、3～5年、准10年振荡和线性增加趋势.长江流域梅雨期降水的各主要周期与前期(秋、冬和春季)全球海温相关分析表明,前期各季海温相关以冬季相关最好.年际、准2年及3～5年振荡周期对应的海温关键区,主要在热带和副热带地区;年代际及准10年振荡周期对应的海温关键区,主要在温带海洋;线性增加趋势的海温关键区,则遍布全球海洋.选取显著性水平达到0.05的相关区域海温距平的平均值作预报因子,利用逐步回归方法对梅雨期降水距平进行回报和预报试验的结果表明,综合考虑不同时间尺度的海温因子共同作用后建立的预测模型,对预测我国梅雨期降水距平的分布,有一定的预报能力.     

近116年江淮梅雨异常及其环流特征分析

利用江淮地区1885—2000年近116a梅雨特征量资料和NCEP／NCAR逐日再分析资料，采用谐波分析、最大熵谱分析、小波分析、合成分析等方法讨论了江淮梅雨特征量的年际-年代际变化特征及梅雨异常的环流特征。结果表明；江淮梅雨特征量存在显著的年际和年代际变化特征。入梅日期、出梅日期、梅雨期长度呈显著上升的长期变化趋势，梅雨量和梅雨强度长期趋势变化不明显；梅雨特征量均存在多时间尺度的振荡周期，入梅日期具有准24a、准5a和准3a的显著周期；出梅日期具有准35a、准22a和准5a的显著周期；梅雨量具有准40a、准15a、准9a和准3a的显著周期。丰梅年南亚高压中心强度和西太平洋副热带高压增强。枯梅年则反之。     

我国东部梅雨期降水的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温的关系

基于我国160站59年(1951～2009年)的月降水观测资料、美国气象环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的再分析资料和Hadley中心的海表温度(Sea Surface Temperature,简称SST)资料,对我国东部(100°E以东,15°N～40°N)梅雨期(6月和7月)降水的时空变化特...     

梅雨期中国东部降水的时空变化及其与大气环流、海温的关系

利用1961～2000年中国台站降水资料、 NCEP/NCAR再分析资料以及扩展重建海平面温度 (Extended Reconstructed Sea Surface Temperatures, ERSST) 资料, 采用EOF、小波变换、合成及相关方法探讨中国东部梅雨期降水的时空变化及其环流、水汽输送和海温异常特征.分析指出中国东部梅雨期 (6月11日～7月10日) 降水存在三种主要空间型: 江南北部多雨型、长江流域多雨型和江淮平原多雨型.三种降水型都存在多时间尺度特征, 由于年际和年代际振荡的周期和强度随时间的变化有不同表现, 三种雨型旱涝年出现的年份有所不同.三种雨型对应的东亚夏季风环流各子系统的强度、位置、水汽输送等也存在明显差异.梅雨期三种雨型与冬季海温的研究表明:赤道东太平洋海温偏高有利于出现江南北部降水型; 赤道印度洋、南海和西太平洋黑潮海温偏高有利于出现长江流域降水型; 北太平洋中纬度海温偏高则有利于出现江淮平原降水型.     

长江流域年降水预测动力-统计降尺度方法及其应用

基于站点资料、再分析数据和动力气候模式回报数据,利用经验正交函数分解（EOF,Empirical Orthogonal Function）迭代和年际增量方法,探讨了长江流域年尺度降水异常的动力-统计降尺度预测方法及其应用效果。结果表明,基于再分析数据的年尺度环流场,建立的长江流域年尺度降水异常增量的统计降尺度预测方案,其26 a回报检验的距平相关系数（ACC）平均达0.6,证明该方案具有较高的可预报性。进一步利用模式预测的年尺度环流场,建立了年降水异常增量的动力-统计降尺度预测方案,其ACC平均为0.42,显示了较高的回报技巧,远优于模式直接输出的年降水动力预报结果。通过分析调制年降水预报技巧高低的因素发现,赤道中东太平洋年平均海温距平为负值时,预报技巧更高,ACC平均达0.5以上。在拉尼娜发展年或拉尼娜持续年的冷水背景下,利用EOF迭代选取的特征向量偏多时,多尺度的大气环流信息被纳入预测模型中作为预测信号,预测技巧得到了提高。     

热带对流季内振荡强度异常特征及其与海表温度的关系

利用外逸长波辐射 (outgoing longwave radiation, OLR) 资料分析了热带对流季内振荡 (ISO) 强度的季节变化及年际异常特征, 重点研究其与海表温度的关系。结果表明:最强的OLR季内振荡主要位于高海表温度 (SST) 区, 即热带印度洋和热带西太平洋区域, 终年存在, 冬、春季最强, 振荡中心偏于夏半球。OLR季内振荡强度年际异常显著区域是热带中东太平洋区域、西北太平洋区域和西南太平洋区域, 它与SST年际异常存在局地正相关关系, 伴随环流的辐合辐散, 并与ENSO事件关系密切。另外, El Ni?o事件发生之前, 热带印度洋和热带西太平区域OLR季内振荡增强, 其中心随事件的发展逐渐东移, 事件发生后这两个区域ISO减弱, 这与OLR季内振荡强度年际异常显著的区域具有内在连贯性。海表温度是决定OLR季内振荡强度季节变化、年际异常的一个关键因子。     

近70 a北太平洋夏季SST及其与西太副高变化特征的相关

基于1948—2018年美国国家海洋和大气管理局(NOAA)重建海面温度(ERSSTv5)资料集,采用经验正交函数(EOF)分解和交叉小波分析等统计学方法,对北太平洋地区近70 a海表温度(SST)、西太平洋副热带高压(WPSH)的变化特征及其相关性进行分析。第一模态体现了SST显著的年际变化厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)现象和显著的年代际变化北太平洋年代际振荡(PDO)现象。将WPSH强度距平指数和面积距平指数的均值定义为WPSH综合指数。WPSH综合指数总体呈上升趋势; 1977年之前,WPSH强度逐渐减小且振幅较小; 1977年之后,WPSH强度逐渐增大且振幅强度较大。通过合成分析发现,WPSH异常偏强年份对应西北太平洋大部分地区的SST显著偏暖,WPSH异常偏弱年份对应西北太平洋大部分地区的SST显著偏冷。将其与NOAA的月气候指标的Ni?o3.4和PDO指数分别进行交叉小波谱分析,得出:北太平洋SST的年际信号、年代际信号均与WPSH的变化有很明显的相关,WPSH强度和太平洋中部SST存在显著的4~5 a的年际正相关,且随着时间的后移,SST的变化超前于WPSH的变化。      

Daily atmospheric variability in the South American monsoon system

The space–time structure of the daily atmospheric variability in the South American monsoon system has been studied using multichannel singular spectrum analysis of daily outgoing longwave radiation. The three leading eigenmodes are found to have low-frequency variability while four other modes form higher frequency oscillations. The first mode has the same time variability as that of El Nino-Southern Oscillation (ENSO) and exhibits strong correlation with the Pacific sea surface temperature (SST). The second mode varies on a decadal time scale with significant correlation with the Atlantic SST suggesting an association with the Atlantic multidecadal oscillation (AMO). The third mode also has decadal variability but shows an association with the SST of the Pacific decadal oscillation (PDO). The fourth and fifth modes describe an oscillation that has a period of about 165 days and is associated with the North Atlantic oscillation (NAO). The sixth and seventh modes describe an intraseasonal oscillation with a period of 52 days which shows strong relation with the Madden-Julian oscillation. There exists an important difference in the variability of convection between Amazon River Basin (ARB) and central-east South America (CESA). Both regions have similar variations due to ENSO though with higher magnitude in ARB. The AMO-related mode has almost identical variations in the two regions, whereas the PDO-related mode has opposite variations. The interseasonal NAO-related mode also has variations of opposite sign with comparable magnitudes in the two regions. The intraseasonal variability over the CESA is robust while it is very weak over the ARB region. The relative contributions from the low-frequency modes mainly determine the interannual variability of the seasonal mean monsoon although the interseasonal oscillation may contribute in a subtle way during certain years. The intraseasonal variability does not seem to influence the interannual variability in either region.     

An Observational Analysis of the Oceanic and Atmospheric Structure of Global-Scale Multi-decadal Variability简

The aim of the present study was to identify multi-decadal variability （MDV） relative to the current centennial global warming trend in available observation data.The centennial global wanning trend was first identified in the global mean surface temperature （STgm） data.The MDV was identified based on three sets of climate variables,including sea surface temperature （SST）,ocean temperature from the surface to 700 m,and the NCEP and ERA40 reanalysis datasets,respectively.All variables were detrended and low-pass filtered.Through three independent EOF analyses of the filtered variables,all results consistently showed two dominant modes,with their respective temporal variability resembling the Pacific Decadal Oscillation/Inter-decadal Pacific Oscillation （PDO/IPO） and the Atlantic Multi-decadal Oscillation （AMO）.The spatial structure of the PDO-like oscillation is characterized by an ENSO-like structure and hemispheric symmetric features.The structure associated with the AMO-like oscillation exhibits hemispheric asymmetric features with anomalous warm air over Eurasia and warm SST in the Atlantic and Pacific basin north of 10°S,and cold SST over the southern oceans.The Pacific and Atlantic MDV in upper-ocean temperature suggest that they are mutually linked.We also found that the PDO-like and AMO-like oscillations are almost equally important in global-scale MDV by EOF analyses.In the period 1975-2005,the evolution of the two oscillations has given rise to strong temperature trends and has contributed almost half of the STgm warming.Hereon,in the next decade,the two oscillations are expected to slow down the global warming trends.