华北地区夏季旱涝的时空分布特征及其与北极海冰的关系

采用了1951—1999年6—8月华北地区17个站点的降水资料，利用Z指数作为旱涝指标，确定出该区域的严重涝年为1954、1956、1963、1964、1971、1973和1996年；严重旱年为1968、1972、1983、1986、1989、1992、1997和1999年。分析了华北地区夏季旱涝的年代际变化特征，然后对该地区49a的z指数场进行EOF分析，讨论了华北地区夏季旱涝的空间分布特征。最后分析了华北夏季降水与春季北极海冰的关系，结果表明华北夏季降水与春季北极海冰呈正相关关系。春季北极海冰面积偏大(小)，当年夏季华北大部分地区偏涝(旱)。     

不同区域海温异常对中国夏季旱涝影响的诊断研究和预测试验

利用季降水异常的典型集合相关预测模式, 研究了前期和同期不同季节全球海表温度距平场与中国夏季旱涝的遥相关分布特征以及这种相关型随季节的变化, 揭示了全球海温的异常变化在中国夏季旱涝中的信号特征.研究表明, 全球不同区域海温对我国夏季降水的影响存在着明显的季节差异.全球特定的海温分布可以作为中国夏季旱涝预报的信号因子.选取不同区域及不同时段的海温场作为因子场分别对1998、 1999年这两个典型年份的我国夏季降水进行了诊断研究和预测试验, 并通过不同区域海温的影响权重做集成预测.试验结果表明:不同区域海温的集成预测不仅可以有效地提高预测的准确性, 而且可以揭示不同时段不同区域海温的异常变化在夏季旱涝中的强信号现象.     

区域性旱涝与海温特征分布的相关链模型

文章分析了长江中下游夏季旱涝年前期冬春太平洋海温特征分布,揭示了旱涝年前期太平洋海温“强信号”的分布特征,提出了夏季中国长江中下游区域旱涝年低纬海温纬向反位相模型．为了研究长江中下游旱涝成因,还进一步探讨了北半球大气环流动力结构对北太平洋海温热力异常时空分布的响应特征及其相关链物理模型框架,揭示出北太平洋海温不同区域热力结构对北半球环流型特征影响的动力学机理及其类似经向波列特征．另外,还建立了区域旱涝前期海洋－大气时空相关的统计－动力模型,并提出了强信号因子响应判别拟合度方法．     

华北夏季降水与哈得孙湾海冰的相关分析

利用195l一2000年全国160站逐月降水资料划分了华北夏季的旱涝年，并分析了该地区夏季降水的气候特征。在分析华北夏季降水与北极各海区海冰同期和滞后相关的基础上，发现哈得孙湾5—8月的海冰与同年华北夏季降水存在很好的负相关。同时发现哈得孙湾关键时段内的海冰与亚洲夏季风指数呈负相关，与8月西太平洋副热带高压的西伸脊点呈明显的正相关，而与8月西太平洋副高的强度呈明显的负相关。此外还发现哈得孙湾海冰多、少年，东亚西风急流有显著差异。结果表明，哈得孙湾关键时段内海冰面积偏大(小)，同年亚洲夏季风偏弱(强)，8月西太平洋副高的位置偏东(西)，强度偏弱(强)，东亚西风急流减弱(加强)。     

戴维斯海峡海冰与华北降水的年际关系及其年代际变化

利用北极海冰面积指数和中国160站降水资料，探讨了冬季戴维斯海峡海冰和华北7月降水年际变化的相关特征，并分析了二者年际关系的年代际变化。结果表明，冬季戴维斯海峡海冰与华北7月降水在年际时间尺度上呈反相关关系，1974年前后两者的年际关系由反相关较强转为变弱。冬季戴维斯海峡海冰与中国7月160站降水的年际相关分布在1974年前后由东部型转变为江淮型。     

近百年中国东部夏季降水年代际变化特征及其原因

本文利用测站降水观测资料分析过去一百多年中国东部华北、长江流域以及华南夏季降水的年代际变化特征发现,尽管这三个地区的夏季降水具有不同的年代际转折时期,但是均同时在1910年代初期、1920年代初期、1940年代中期、1960年代中期、1970年代末期以及1990年代初期发生了跃变。近一百年间不同年代际时期东部夏季降水的分布型主要以南正北负或者南负北正的偶极型为主,并且无论是偶极型分布还是三极型分布,两个相邻年代际时期中国东部降水分布型发生完全反向变化的概率较高（60%）。此外,夏季的PDO、冬季的AO以及春季的北极海冰也同时在1920年代末期、1940年代中期、1970年代末期以及1990年代中期左右发生了跃变,这几次跃变时期与中国东部三个不同地区夏季降水发生跃变的时期一致,表现出近百年来太平洋年代振荡（PDO）、北极涛动（AO）以及北极海冰这三个因子对中国东部夏季降水年代际变化的协同作用。在年代际时间尺度上,夏季的PDO与华北夏季降水显著负相关。PDO的年代际变化能够在500 hPa位势高度场中激发出太平洋—日本（PJ）型年代际遥相关波列;同时在850 hPa风场中激发出类似于影响华北夏季降水年代际变化的大气环流型,从而影响华北降水的年代际变化。冬半年的AO与长江流域夏季降水存在显著正相关关系。冬季到春季正位相的AO导致亚洲大陆南部处于湿冷状态,土壤湿度的记忆性可将这种状态延续到夏季。因此,夏季海陆热力对比减弱,东亚夏季风发生年代际减弱,相应地长江流域的降水年代际增多。春季北极海冰与华南夏季降水显著负相关,北极海冰的年代际异常能在500 hPa位势高度场中激发出与静止Rossby波异常传播相联系的欧亚—华南年代际遥相关波列,从而影响华南降水的年代际变化。     

北极海冰及其与气候变化的关系研究进展

简要介绍国内外关于北极海冰及其与气候变化的关系:北极海冰面积变化的时空分布特征,大气对北极海冰面积变化的影响,以及北极海冰面积异常与气候变化的关系。其中北极海冰面积异常与气候变化的关系研究主要是基于遥相关型、三大涛动、季风系统和冰-海-气耦合系统等几方面的研究。结果可供基层台站寻找影响当地区域气候变化的北极海冰“强信号”域。     

华北夏季旱涝与同期500 hPa高度异常

采用中国气象局整编的月降水量、500hPa月平均高度场资料,利用相关、合成和奇异值分解等方法分析了华北夏季旱涝的时空分布特征及其环流异常特征,得到了500hPa高度场与同期降水的主要耦合模态。结果表明：华北旱涝年,北半球环流从高纬到低纬都存在显著的异常,其中显著区域有4个：北非到西亚的低纬地区、青藏高原地区、乌拉尔山东北部及加拿大东部。环流的异常变化与华北夏季降水的异常变化趋势较一致。亚洲地区由高纬到低纬,涝年环流异常表现为“ - ”分布;旱年为“- -”分布。     

中国汛期降水的印度洋SSTA信号特征分析

用ＥＯＦ和ＣＣＡ方法研究了印度洋洋海表温度距平场与中国汛期降水场的遥相关分布特征，结果表明，印度洋ＳＳＴＡ场与中国汛期降水相关明显，海温场异常分布对中国汛期南北经向雨带的变化及中国西北，西南和长江黄河下游地区汛期旱涝的影响明显，揭示了中国汛期旱涝异常分布的印度洋海温变化的强信号现象，说明特定的印度洋海温分布可以作为中国汛期旱涝预报的强信号因子。     

华北夏季旱涝的特征分析

根据华北地区18个代表站1951-2006年月平均降水量资料,对华北地区夏季降水进行了统计分析.采用单站旱涝Z指数变换和区域旱涝指数对华北区域56 a的旱涝进行了分析,利用经验正交函数展开、小波分析、M-K突变检验等方法,对华北地区夏季降水时空分布特征进行了研究,并分析了华北夏季降水异常的大气环流特征.结果表明:降水偏多或偏少时段明显,华北夏季降水最主要的空间分布型是全区一致, 华北夏季降水量具有准18 a、准10 a和准2~4 a的周期,由多雨阶段转为少雨阶段的突变点为1976年;华北地区夏季旱、涝年份,其对应的高空环流存在显著性差异.     

MPI-ESM-LR模式中RCP8.5情景下春季北极海冰突变对东亚夏季降水的影响

利用MPI-ESM-LR模式RCP8.5情景下海冰浓度、降水、海表面温度、500 hPa位势高度和850 hPa风场等数据,对比分析了一次北极海冰突变前后春季海冰与东亚夏季降水关系的差异,并探究其可能成因。结果表明:1)北极海冰突变导致北极海冰浓度(Sea Ice Concentration,SIC)和ENSO对东亚夏季降水的影响均发生变化。突变前SIC和ENSO共同影响降水年际变化;突变后ENSO主导降水EOF的第一模态,SIC主导降水EOF的第二模态;2)北极海冰突变前,ENSO和SIC通过500 hPa经向波列,影响整个东亚地区的850 hPa风场,最终导致三极子型降水模态。突变后,ENSO通过500 hPa经向波列,影响华南地区的850 hPa风场,导致降水的偶极子空间模态,从而主导降水EOF的第一模态;同时SIC通过东亚地区500 hPa纬向波列,影响北方850 hPa风场,最终主导降水EOF的第二模态。3)北极海冰突变后,ENSO和SIC对东亚夏季降水的影响存在区域差异。北极海冰突变前,ENSO和SIC共同影响南北方降水;北极海冰突变后,SIC主要影响北方降水,ENSO主要影响南方降水。     

Mechanism on how the spring Arctic sea ice impacts the East Asian summer monsoon

Observational analysis and purposely designed coupled atmosphere–ocean (AOGCM) and atmosphere-only (AGCM) model simulations are used together to investigate a new mechanism describing how spring Arctic sea ice impacts the East Asian summer monsoon (EASM). Consistent with previous studies, analysis of observational data from 1979 to 2009 show that spring Arctic sea ice is significantly linked to the EASM on inter-annual timescales. Results of a multivariate Empirical Orthogonal Function analysis reveal that sea surface temperature (SST) changes in the North Pacific play a mediating role for the inter-seasonal connection between spring Arctic sea ice and the EASM. Large-scale atmospheric circulation and precipitation changes are consistent with the SST changes. The mechanism found in the observational data is confirmed by the numerical experiments and can be described as follows: spring Arctic sea ice anomalies cause atmospheric circulation anomalies, which, in turn, cause SST anomalies in the North Pacific. The SST anomalies can persist into summer and then impact the summer monsoon circulation and precipitation over East Asia. The mediating role of SST changes is highlighted by the result that only the AOGCM, but not the AGCM, reproduces the observed sea ice-EASM linkage.     

冬春季格陵兰海冰变化与初夏中国气温/降水关系的初步分析

采用英国Hadley中心GISST海冰面积资料，NCEP／NCAR再分析资料以及中国地面降水和气温资料，运用EOF分解，小波分析和合成分析等方法，初步探讨了格陵兰岛两侧附近冬春季海冰面积变化特征及其与初夏6月中国气温和降水的关系，结果表明，格陵兰岛东西两侧海冰面积呈显著反相变化，并且具有明显的年际和年代际周期性振荡，冬春季格陵兰－寻威海海冰与初夏6月中国长江以北气温（降水）正相关（反相关），与长江以南气温（降水）反相关（正相关），而对于戴维斯海峡－拉布拉多海海冰则具有相反的相关型，大尺度500hPa环流合成分析初步表明，冬春季格陵兰附近海冰面积变化伴随着北极极涡环流和北半球阻塞高压的持续异常，海冰变化可能是影响初夏中国气温和降水的因子之一。     

Arctic sea ice and Eurasian climate: A review

The Arctic plays a fundamental role in the climate system and has shown significant climate change in recent decades,including the Arctic warming and decline of Arctic sea-ice extent and thickness. In contrast to the Arctic warming and reduction of Arctic sea ice, Europe, East Asia and North America have experienced anomalously cold conditions, with record snowfall during recent years. In this paper, we review current understanding of the sea-ice impacts on the Eurasian climate.Paleo, observational and modelling studies are covered to summarize several major themes, including: the variability of Arctic sea ice and its controls; the likely causes and apparent impacts of the Arctic sea-ice decline during the satellite era,as well as past and projected future impacts and trends; the links and feedback mechanisms between the Arctic sea ice and the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation, the recent Eurasian cooling, winter atmospheric circulation, summer precipitation in East Asia, spring snowfall over Eurasia, East Asian winter monsoon, and midlatitude extreme weather; and the remote climate response(e.g., atmospheric circulation, air temperature) to changes in Arctic sea ice. We conclude with a brief summary and suggestions for future research.     

Quantifying Arctic contributions to climate predictability in a regional coupled ocean-ice-atmosphere model

The relative importance of regional processes inside the Arctic climate system and the large scale atmospheric circulation for Arctic interannual climate variability has been estimated with the help of a regional Arctic coupled ocean-ice-atmosphere model. The study focuses on sea ice and surface climate during the 1980s and 1990s. Simulations agree reasonably well with observations. Correlations between the winter North Atlantic Oscillation index and the summer Arctic sea ice thickness and summer sea ice extent are found. Spread of sea ice extent within an ensemble of model runs can be associated with a surface pressure gradient between the Nordic Seas and the Kara Sea. Trends in the sea ice thickness field are widely significant and can formally be attributed to large scale forcing outside the Arctic model domain. Concerning predictability, results indicate that the variability generated by the external forcing is more important in most regions than the internally generated variability. However, both are in the same order of magnitude. Local areas such as the Northern Greenland coast together with Fram Straits and parts of the Greenland Sea show a strong importance of internally generated variability, which is associated with wind direction variability due to interaction with atmospheric dynamics on the Greenland ice sheet. High predictability of sea ice extent is supported by north-easterly winds from the Arctic Ocean to Scandinavia.     

FGOALS_gg1.1极地气候模拟

对中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候系统模式FGOALS_g1.1的极地气候模拟现状进行了较为全面的评估.结果表明,FGOALS_g1.1对南北极海冰的主要分布特征、季节变化和年代际变化趋势具有一定的模拟能力.但也注意到,与观测相比,模式存在以下几方面的问题:(1)模拟的海冰总面积北极偏多,而南极偏少.北极,北大西洋海冰全年明显偏多;夏季,西伯利亚沿海海冰偏多,而波弗特海海冰偏少.南极,威德尔海和罗斯海冬季海冰偏少.南北极海冰边缘都存在异常的较大范围密集度很小的碎冰区,夏季尤为显著.(2)海冰流速在南北极海冰边缘和南极大陆沿岸附近较大.北极,模式没能模拟出波弗特涡流,并且由于模式网格中北极点的处理问题,造成其附近错误的海冰流场及厚度分布.这些海冰偏差与模式模拟的大气和海洋状况有着密切的联系.进一步分析表明,FGOALS_g1.1模拟的冰岛低压和南极绕极西风带明显偏弱,其通过大气环流和海表面风应力影响向极地的热量输送,在很大程度上导致上述的海冰偏差.此外,耦合模式中大气-海冰-海洋的相互作用可以放大子模式中的偏差.     

极地海冰异常对我国夏季大气环流和降水影响的数值研究

利用全球大气环流谱模式分别进行了南极和北极海冰面积异常偏大和偏小的数值试验，对６－８月的结果进行了对比分析，讨论了极地海冰异常对我国夏季大气环流和降水的可能影响。结果表明，南极或北极海冰面积异常偏大，则我国夏季风变弱，特别蝇使得南亚高压、西北太平洋副热带高压等减弱。南极海冰面积偏大使得我国黄河－长江－带地区降水减少，北极海冰面积偏大，造成我国东部地区的降水量有所减少，模拟结果与统计分析相一致。可同     

Arctic sea ice and the Madden–Julian Oscillation (MJO)

Arctic sea ice responds to atmospheric forcing in primarily a top-down manner, whereby near-surface air circulation and temperature govern motion, formation, melting, and accretion. As a result, concentrations of sea ice vary with phases of many of the major modes of atmospheric variability, including the North Atlantic Oscillation, the Arctic Oscillation, and the El Niño-Southern Oscillation. However, until this present study, variability of sea ice by phase of the leading mode of atmospheric intraseasonal variability, the Madden–Julian Oscillation (MJO), which has been found to modify Arctic circulation and temperature, remained largely unstudied. Anomalies in daily change in sea ice concentration were isolated for all phases of the real-time multivariate MJO index during both summer (May–July) and winter (November–January) months. The three principal findings of the current study were as follows. (1) The MJO projects onto the Arctic atmosphere, as evidenced by statistically significant wavy patterns and consistent anomaly sign changes in composites of surface and mid-tropospheric atmospheric fields. (2) The MJO modulates Arctic sea ice in both summer and winter seasons, with the region of greatest variability shifting with the migration of the ice margin poleward (equatorward) during the summer (winter) period. Active regions of coherent ice concentration variability were identified in the Atlantic sector on days when the MJO was in phases 4 and 7 and the Pacific sector on days when the MJO was in phases 2 and 6, all supported by corresponding anomalies in surface wind and temperature. During July, similar variability in sea ice concentration was found in the North Atlantic sector during MJO phases 2 and 6 and Siberian sector during MJO phases 1 and 5, also supported by corresponding anomalies in surface wind. (3) The MJO modulates Arctic sea ice regionally, often resulting in dipole-shaped patterns of variability between anomaly centers. These results provide an important first look at intraseasonal variability of sea ice in the Arctic.     

北极海冰融化影响东亚冬季天气和气候的研究进展以及学术争论焦点问题

北极历来是影响东亚冬季天气、气候的关键区域之一。北极表面增暖要比全球平均快2~3倍,即所谓北极的放大效应。随着全球增暖的持续以及北极海冰的持续融化,北极的生态环境正在发生显著的变化,进而可能对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。本文概述了有关北极海冰融化影响冬季东亚天气、气候的主要研究进展,特别是自2000年以来,北极海冰异常偏少影响东亚冬季气候变率以及极端严寒事件的可能途径、存在的科学问题,以及学术界的争论焦点。秋、冬季节是北极海冰快速形成时期,此时北极海冰对大气环流的影响要强于大气对海冰的影响。近二十年来的研究结果表明,北极海冰异常偏少,不仅影响北冰洋局地的气温和降水变化,而且通过复杂的相互作用和反馈过程,对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。北极海冰通过以下两个可能机制来影响东亚冬季的天气、气候:（1）北极海冰的负反馈机制;（2）由海冰异常偏少引起的平流层-对流层相互作用机制。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,特别是,巴伦支海-喀拉海海冰异常偏少,既可以加强冬季西伯利亚高压（东亚冬季风偏强）,也可以导致冬季风偏弱。导致海冰影响不确定性的部分原因是:（1）夏季北极大气环流状态影响北极海冰异常偏少对冬季大气环流的反馈效果;（2）冬季大气环流对北极海冰异常偏少响应的位置、强度不同造成的。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,在适宜的条件下（例如,前期夏季北极大气环流的热力和动力条件,有利于加强北极海冰偏少对冬季大气的反馈作用）,可以激发出有利于冬季亚洲大陆极端严寒过程的大气环流异常。目前学术界争论焦点主要集中在以下两个方面:（1）关于北极增暖、北极海冰融化对中纬度区域影响的争论;（2）关于1980年代后期以来,冬季欧亚大陆表面气温呈现降温趋势的原因。目前,有关北极海冰融化影响冬季欧亚大陆次季节变化以及极端天气、气候事件的过程和机制,我们认知非常有限,亟需开展深入细致的研究。