高原季风特征及其与东亚夏季风关系的研究

利用ERA-Interim的位势高度场、温度场和风场再分析资料,计算了1988-2017年的传统高原季风指数(Trational Plateau Monsoon Index,TPMI)和动态高原季风指数(Dynamic Plateau Monsoon Index,DPMI),分析了高原季风的空间分布特征和时间演变规律,结合东亚夏季风指数(East Asian Summer Monsoon Index,EASMI),探讨了高原季风与东亚季风的关系。研究表明:(1)高原夏季风从4月开始形成,暖性低值系统在高原上生成;6月暖性低压系统中心形成并达到最强,此时高原夏季风强度也达到最大;10月暖性闭合低压系统向东北方向移动且强度也随之减弱并退出,高原夏季风结束。(2)DPMI和EASMI具有明显的年际变化特征,在关键年高原夏季风和东亚夏季风的强度表现一致。(3)中纬度受东亚季风所影响区域的位势高度场和青藏高原区域的位势高度场均处于同一正相关区域,而且超前两个月的DPMI同EASMI的相关系数最大,表明高原夏季风对东亚夏季风具有一定的指示意义。(4)东亚夏季风经圈环流受高原温度场变化的影响而移动,高原夏季风的低压系统与高原温度场关系密切。     

亚洲热带夏季风指数与中国南方降水的关系

利用1979—2013年夏季全球2.5°×2.5°逐日环流资料和中国气象站点降水观测资料,采用动力学因子(西南风)与热力学因子(Radiation Longwave covting, OLR)相结合定义了标准化的亚洲热带夏季风指数(Tropical Summer Monsoon Index, TSMI)。结果表明,该指数能够很好地描述亚洲热带夏季风的年际变化和准4 a变化特征,并能够指示中国南方夏季降水的异常变化和东亚大气环流特征。强(弱)亚洲热带夏季风年,印度夏季风槽和南海夏季风槽加强加深(减弱),孟加拉湾海域一致西南风(东风)异常,越赤道急流向北输送偏强(偏弱),南海季风槽位置偏西(东),南海区域一致西南风异常,西太平洋副热带高压和南亚高压纬向位置分离(重叠),低层气流在长江流域辐散(辐合),华南地区辐合(辐散),长江中下游流域出现异常下沉(上升)运动,造成长江流域降水偏少(偏多),华南地区降水比常年偏多(偏少)。     

高原夏季风对中东亚干旱半干旱区夏季降水的影响

通过比较7种再分析资料计算的高原夏季风指数,并分析了高原夏季风与中东亚干旱半干旱区夏季降水的关系,总体上7种再分析资料得到的高原夏季风指数是相当一致的,并且在滤去10年以上周期的长波后,7种再分析资料计算的高原夏季风指数之间的相关系数比滤波前都有一定程度的提高,说明再分析资料在描述高原夏季风年际变化时是一致的。相关分析和合成分析的结果表明,高原夏季风对中东亚干旱半干旱区的夏季降水变化有重要的影响。高原夏季风偏强时,中亚地区偏南风异常并伴有辐合,南疆地区为异常东风,有利于水汽输送到这一地区,降水偏多,华北地区为异常东北风,阻碍了西南气流水汽的输送,降水偏少;高原夏季风偏弱时,中亚地区为北风异常并伴有辐散,南疆地区为异常西风,降水偏少,华北地区为异常西南风,降水偏多。     

华北近60年夏季降水年际异常与大气动力、水汽条件关系的研究

本文基于华北夏季降水数据、NCEP/NCAR再分析环流数据,采用了相关、合成和环流异常回归重构等方法,分析了东亚副热带夏季风指数、华北大气动力上升指数与华北夏季降水的关系。主要结果如下:1)东亚副热带夏季风指数、华北大气动力上升指数与华北夏季降水有很好的对应关系。当两个指数偏强时,华北夏季降水会异常偏多;两个指数偏弱,华北夏季降水异常偏少;如果两个指数强弱不一致时,华北会出现区域性降水偏多情况,但全区整体降水量基本为正常值。2)华北夏季降水异常是东亚副热带夏季风和华北大气动力上升运动协同作用的结果。在东亚副热带夏季风指数、华北大气动力上升指数偏强年,夏季500 hPa层贝加尔湖槽会加深、西北太平洋副热带高压会偏北,华北处于“东高西低”的环流型控制下,西部低槽东移受阻,在华北维持较长时间的大气上升运动;850 hPa层印度夏季风、东亚副热带夏季风会偏强,这时热带印度洋西风水汽输送以及东亚副热带地区偏南风水汽输送或东南风水汽输送会加强,华北水汽来源充足。这种高、低空环流配置非常有利于造成华北夏季降水异常偏多。反之,华北夏季降水会异常偏少。3)前期4—5月,东亚副热带夏季风指数、华北大气动力上升指数偏强,可以作为华北夏季降水异常偏多的一个气候监测预测指标。     

用水汽输送表征的东亚副热带夏季风指数研究

利用1971～2000年NCEP/NCAR逐日再分析资料及同期中国站点降水资料,在讨论水汽输送的气候特征及逐候演变的基础上,用整层积分的经向水汽输送定义了一个副热带夏季风指数。研究结果表明,对110～120°E纬向平均的水汽输送通量而言,其逐候演变可反映出东亚夏季风的进退过程。定义的水汽输送指数可表征夏季风的异常变化特征,高（低）指数年对应的副热带季风偏强（弱）;该指数与长江中下游夏季降水存在高度的同期正相关,高（低）指数对长江中下游夏季降水的多（少）有较强的分辨能力。此外,来自西太平洋经南海北上的水汽与北方冷空气在长江中下游的辐合很可能是造成长江中下游异常降水偏多的原因。     

华北和西北区干湿年间水汽场及东亚夏季风的对比分析

为了更好地理解华北及西北地区的夏季降水气候，我们利用NCEP的再分析格点资料等，对华北和西北两区干，湿年（月）的水汽场及夏季风状况作了对比分析，主要结论是：（1）近50年来华北和西北区东部明显干旱化，这可能与同期内东亚夏季风强度趋弱，大气可降水量逐渐减少有关；（2）两地区干，湿年（月）间气柱可降水量差别明显；（3）两地区干，湿年（月）的夏季风，水汽输送通道的位置及强度，以及水汽通量的辐散辐合情况均不同；（4）高原与太平洋间的海陆温差指数及东亚夏季风指数（SMI）对表征东亚夏季风的季节变化及夏季风强度的年际变化有一定的能力，冬春季高原与太平洋间的海陆温差对其后东亚夏季风的强弱及西北和华北区的干湿状况有部分指示意义；作西北区夏季降水预报时要注意四川盆地的水汽场及广元－汉中一带，以及闽，台和两广的水汽输送状况。     

来自印度季风区的水汽输送与东亚上空水汽输送和中国夏季降水的关系

诊断分析了北半球夏季来自印度季风的水汽输送与东亚上空水汽输送的关系，发现二者之间具有反相变化的特征。印度季风水汽输送偏强（偏弱）时，东亚上空的水汽输送偏弱（偏强），长江中下游降水偏少（偏多）。印度夏季风水汽输送与西太平洋副热带高压强度有显著的相关关系，印度季风水汽输送偏强（偏弱）时，西太平洋副热带高压强度偏弱（偏强），由此导致副高西侧东亚上空向北的水汽输送减弱（增强），使得长江中下游降水偏少（偏多）。对反映热带对流活动的外逸长波辐射（OLR）的分析表明，印度洋上空的对流加热异常不仅能够显著地影响印度季风，也可能对东亚季风产生直接的影响。     

东亚夏季风指数的分类及物理特征分析

利用1961—2010年NCEP再分析资料,分析了较有代表性的16个东亚夏季风指数,讨论了不同季风指数反映的环流及降水之间的异同,探讨了不同季风指数与东亚夏季风不同空间模态之间的可能关联。结果表明,东亚夏季风指数大致分为两类:1)第一类季风指数存在明显的年代际变化,反映了东亚夏季风强弱的整体一致型变化,与东亚夏季风环流第一模态具有很好的对应关系。高指数年,整个东亚区域夏季风活动整体偏强;贝加尔湖地区为深厚气旋性环流控制,副高位置略偏北;华北、东北地区降水显著偏多,长江流域及其以南降水偏少,降水异常型与我国夏季偶极型季风降水相似,这类指数对我国华北地区降水有较好的指示作用。2)第二类季风指数具有明显的年际变化特征,反映的是东亚夏季风强弱的南北反相变化,与东亚夏季风环流第二模态相对应。高指数年,我国东南地区夏季风偏弱,东北部夏季风偏强;西北太平洋为深厚的气旋性距平环流控制,副高偏北,该分布型与东亚—太平洋(EAP)遥相关十分相似;我国东北、内蒙古地区,华南地区降水增多,长江流域降水显著减少,降水异常型与我国夏季三极型季风降水异常型相似,这类指数对我国长江流域降水有较好的指示作用。     

青藏高原季风对西北降水影响的相关分析

通过对高原季风指数与西北地区月降水量遥相关关系的分析,论述了１月份高原冬季批指数与西北地区年降水和夏季月降水相关显著,其相关分布型与西北夏季三种降水类型相似;６月高原季风指数对西北降水量的影响也最明显。高原季风异常可能与高原下垫热力异常有关,从而推测冬季风异常通过高原这个巨大的热载体而影响夏季风异常。     

季风湿润区夏季水汽收支的年代际变化特征

采用1983—2002年NCEP/NCAR再分析资料和我国660站降水资料,对我国东部季风湿润区夏季水汽收支变化与大气环流和我国降水异常特征的关系进行研究。结果表明:20世纪80—90年代夏季水汽收支时间序列表现出明显的年代际变化增加趋势,与降水时间序列的相关系数为0.71;水汽收支高值、低值年代不仅能够指示季风湿润区经向风的异常变化,还能够指示东亚夏季风的强弱和降水异常变化。合成的水汽输送年代际异常在东亚—西太平洋区表现为4个异常环流,异常水汽通量辐合区位于长江流域及以南地区。水汽收支高值年代,亚洲大陆高纬度地区低压偏弱,大陆表面温度及西太平洋海温偏高,我国东部沿海盛行异常偏南风,低层气流辐合、高层气流辐散强,垂直上升运动强烈;低值年代则相反。合成的经向水汽收支占总收支的71.3%,合成的异常降水量最大达100 mm以上。     

大尺度环流变化对华北地区夏季水汽输送的影响

利用我国华北地区25个气象站1951-2006年共56年的月降水资料及1948-2006年NCAR/NCEP再分析资料以及NOAA HYSPLIT_4水汽轨迹模型, 分析了近50年华北地区夏季降水量、整层水汽输送通量及水汽输送轨迹的变化, 并探讨了其影响成因.结果表明, 华北夏季水汽输送通量及其轨迹有明显的年际和年代际变化特征; 东亚夏季风的南风北界的年际变化对水汽输送有重要影响, 南风北界的南撤导致了华北地区水汽输送通量的减少; 通过对华北地区降水偏多年和偏少年的比较显示, 降水偏多年水汽大部分来自南海, 并且输送轨迹较长, 水汽主要从西南方向输送到华北, 并且偏多年华北上空存在明显的上升运动, 偏干年反之.     

东亚夏季风变化与华北夏季降水异常的关系

为认识华北夏季降水异常原因及改进气候预测技术,利用华北夏季降水资料和NCEP/NCAR再分析大气环流等资料,并采用经向风场定义东亚夏季风指数,对东亚夏季风与华北夏季降水的关系进行了综合分析。结果表明:(1)通常在强东亚夏季风年华北夏季降水偏多,在弱东亚夏季风年华北夏季降水偏少。但也有相反的情况,强东亚夏季风年降水偏多(少)的空间分布形势与弱东亚夏季风年降水偏多(少)分布明显不同。(2)无论强东亚夏季风年还是弱东亚夏季风年,华北夏季降水偏多的环流条件是有充足的水汽来源(强夏季风年为西南风水汽输送异常,弱夏季风年为东南风水汽输送异常)和较好的动力上升条件(850 hPa层在华北有辐合环流,500 hPa层中纬度纬向环流突出,华北多低槽过境)。(3)华北夏季降水偏少的环流形势明显不同:在强夏季风年虽然有充足的水汽来源(西南风异常),在弱夏季风年水汽来源不足(偏北风异常),但都缺乏有效的动力上升条件(850 hPa层在华北为辐散环流,500 hPa层中纬度经向环流突出,华北低槽过境偏少)。(4)在强东亚夏季风年,尽管水汽来源充足,但由于动力上升条件不同而造成华北夏季降水量在不同年份有明显差别。如果动力上升条件好,华北夏季降水会异常偏多,反之,华北夏季降水也会出现异常偏少。(5)在弱东亚夏季风年,西南风水汽来源大量减少,如果又缺乏其它路径水汽补充,加上动力条件弱,华北夏季降水会异常偏少。弱夏季风年西南风水汽来源大量减少,但只要东南风水汽输送加强,华北仍会有足够的水汽来源,这时,如果有较好的动力上升条件,华北夏季仍然会出现降水异常偏多的情况,如2011-2013年。预测华北夏季降水不能简单认为东亚夏季风强、华北夏季降水就多,东亚夏季风弱、华北夏季降水就少,东亚夏季风强度变化只是说明了水汽条件不同,还应结合动力条件变化才能作好华北夏季降水气候预测。     

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     

1951—2017年榆林市区夏季降水量年际变化特征分析

基于1951—2017年榆林国家基本气象观测站逐日降水数据和NCEP/NCAR逐月大气再分析资料,分析了榆林市区夏季降水量的年际变化特征,研究了降水异常时对应的环流特征。结果表明：榆林夏季平均降水2475 mm,最多达516 mm,最少仅621 mm;年际变化上存在显著的3 a和8 a左右周期;夏季降水量主要与大雨及以上降水日数和降水频次有关。榆林降水异常的合成分析（正异常值减去负异常值）发现：榆林夏季降水偏多年,500 hPa高度场贝加尔湖南为负距平,亚州大陆东岸为正距平;100 hPa我国东部正距平;相应的对流层低层700 hPa高原东侧为偏南距平风,对流层水汽通量在河套北部有明显的辐合中心。表明贝湖低压偏强,西太平洋副热带高压偏强,脊线位置偏北是榆林夏季降水偏多的主要环流特征。     

东亚夏季风边缘带的气候特征

利用近30年的NCEP再分析格点资料及中国站点降水资料,从降水、湿度、风场、水汽输送等角度研究了东亚夏季风边缘带的气候特征及其与华北、西北降水的关系。结果表明,降水场、比湿场、风场、水汽输送场所描述的东亚夏季风边缘带位置基本一致,大致沿西南—东北走向自西向东经过黄河上游—河套—华北北部—东北。夏季风边缘带附近的夏季降水年际变化较大,且夏季降水量与季风强度呈正相关。当夏季风影响到西北、华北北部时,西北、华北夏季降水偏多;反之则偏少。     

东亚经向热力差异与华南夏季风及降水年际变化的关系

利用多年海表温度和中国测站近地面温度及降水资料,分析了夏季东亚地区经向热力差异的年际变化与华南夏季降水及华南夏季风环流变化的关系。结果表明:当黄河中下游及其附近地区地表气温偏高(低),华南偏低(高),则华南降水偏多(少),而江黄流域降水偏少(多)。在东亚地区夏季经向热力差异指数偏强年,南海北部至华南地区的夏季西南季风偏强,华南夏季降水偏多;弱指数年情况相反。     

青藏高原热力异常与华北汛期降水关系的研究

利用1980～1994年NCEP/NCAR再分析资料,以及我国336个测站1956～1994年月降水量资料,通过诊断分析和数值实验,研究了夏季高原上热力异常与华北汛期降水的关系.结果表明:华北汛期干旱年,青藏高压及西太平洋副热带高压偏南、偏东,华北汛期降水偏多年则相反;华北汛期旱年时,高原上升、高原东侧邻近地区下沉的垂直环流明显加强,而降水偏多年时,垂直环流减弱,华北地区为上升气流控制;夏季高原为热源和水汽汇区,它们的异常对华北地区降水有很大影响,当热源和水汽汇增强(减弱)时,华北地区降水偏少(偏多).数值试验表明,高原上潜热加热异常引起青藏高压、西太平洋副热带高压、亚洲季风以及欧亚中高纬地区环流的变化,进而影响到华北地区的降水.     

夏季南亚高压位置与青藏高原降水年际变化的关系研究

通过合成分析、动力诊断和数值模拟,研究了夏季南亚高压位置与青藏高原降水年际变化的关系,并分析了水汽输送和高原非绝热加热的特征及作用。结果表明：南亚高压位置偏东南（西北）时,对应着高原东部水汽辐合（散）显著、水汽输送显著偏强（弱）,而高原西南部水汽辐散（合）显著,是造成高原东部降水显著偏多（少）、高原西南部降水显著偏少（多）的重要原因。高原东部大气凝结潜热加热异常有助于南亚高压位置与高原降水关系的维持。南亚高压位置偏东南（西北）时,高原西北部降水显著偏多（少）,与该地区地表潜热偏强（弱）、大气低层位势高度偏低（高）有关,但并不显著。     

南海季风爆发的年代际转折与东亚副热带夏季降水的关系

利用1979—2016年NCEP再分析资料, 分析了南海季风爆发的年代际转折与东亚副热带夏季降水的关系。结果表明:南海夏季风爆发时间在1993/1994年出现年代际转变, 1979—1993年爆发时间相对偏晚, 夏季华南降水偏少, 长江中下游至日本南部降水偏多; 1994—2016年爆发时间偏早, 夏季华南降水偏多, 长江中下游到日本南部降水偏少。南海季风爆发时间年代际转折与夏季东亚副热带降水关系可能受到菲律宾越赤道气流强度的调控, 季风爆发时间与菲律宾越赤道气流有显著正相关, 且均在1993/1994年间存在年代际转变。在1994—2016(1979—1993)年南海夏季风爆发偏早(晚), 菲律宾越赤道气流偏弱(强), 澳大利亚北部有偏北(南)风异常, 将暖池的热量往赤道输送, 使得赤道对流增强(减弱), 产生异常上升(下沉)运动汇入Hadley环流上升支, 增强(减弱)的Hadley环流导致下沉主体偏北(南), 促使副高脊线偏北(南), 从西北太平洋(孟加拉湾)往华南地区(江淮到日本南部)输送水汽增强, 所以华南(江淮到日本南部)夏季降水偏多。      

西北太平洋夏季风对中国长江流域夏季降水的影响

利用1979～2005年NCEP/NCAR的环流场再分析资料和降水资料, 通过对季风期降水、 大气环流、 水汽输送及低频振荡等方面的分析, 分别从时间和空间上分析了西北太平洋夏季风与中国长江流域夏季降水的联系。结果表明:(1) 西北太平洋夏季风与中国长江流域夏季降水存在显著的负相关关系, 在西北太平洋夏季风强盛时, 副热带高压异常偏北, 其西侧的偏南气流异常偏弱, 使得我国长江流域形成低层异常环流及水汽输送的辐散区, 从而造成长江流域夏季降水偏少; 而在西北太平洋夏季风减弱的年份, 西太平洋副高异常偏南偏西, 在长江流域以南地区形成异常偏强的偏南风水汽输送, 使得长江流域成为南、 北距平风的汇合区, 其上空对流活动异常活跃, 非常有利于长江流域的降水。 (2) 东亚局地Hadley垂直环流在强、 弱季风年也显著不同, 在强季风年里, Hadley局地环流异常偏弱, 长江流域上空出现的下沉运动距平, 使得该地区降水减弱, 而弱季风年则正好相反。 (3) 西北太平洋夏季风存在显著的气候平均的大气季节内振荡 (CISO), 在西北太平洋夏季风减弱时期, 长江流域降水同时受到源自热带西北太平洋西传CISO和源自热带印度洋东传CISO的共同影响, 可能造成了某种锁相关系, 从而造成降水偏多; 而在强季风年里长江流域只受由西太平洋西传的CISO的影响, 不容易激发降水。