海温异常对东亚夏季风影响机理的研究进展

从短期气候预测关注的外强迫信号角度出发,回顾了国内外在海温异常对东亚夏季风和我国汛期降水影响机理方面的主要研究进展,重点评述了热带太平洋ENSO循环、热带印度洋全区一致型海温模态、热带印度洋海温异常偶极子、南印度洋偶极子和北大西洋海温三极子模态的年际变化及其对东亚夏季风年际变率的影响。从研究成果在短期气候预测业务中应用的角度,重点关注海温异常和东亚夏季风年际变率以及我国汛期降水多雨带位置的关系,总结了海温异常作为外强迫信号对我国汛期降水预测的指示意义以及汛期降水预测的难度。最后指出气候预测业务对东亚夏季风影响的机理研究和动力气候模式发展方面的需求。     

热带海洋变异对东亚季风的影响

季风主要是由于海陆热力差异随季节的变化所造成。热带海洋温度具有显著的年际异常，热带海温的变异不仅可以通过改变海陆热力差异，而且也通过热带地区强烈的海气相互作用，对季风系统产生重要影响，造成季风区天气和气候的异常。回顾了发生在热带东太平洋(ENSO现象)、热带西太平洋暖池和热带印度洋海温的变异对东亚季风的影响及其影响的物理过程，并指出东亚季风与这些热带区域的海温变异是一个有机的整体，只有对它们进行综合的研究，才能真正认识它们之中任一部分的变化。     

西太平洋暖池对西北太平洋季风槽和台风活动影响过程及其机理的最近研究进展

本文回顾和综述了近年来关于西太平洋暖池对西北太平洋热带气旋和台风（TCs）活动影响过程及其机理的研究进展。文中首先简单回顾了近年来关于西太平洋暖池热状态和菲律宾周围对流活动变化特征及其对与TCs活动有关的南海夏季风爆发和西太平洋副热带高压的季节内、年际变异的影响过程和机理的研究;然后,本文系统地回顾了近年来关于西太平洋暖池热状态通过西北太平洋季风槽影响TCs活动年际和年代际变化的影响过程及其机理的研究。此外,文中还指出了关于西太平洋暖池对西北太平洋上空季风槽和TCs活动变异的热力和动力作用需进一步深入研究的科学问题。     

东亚季风系统的动力过程和准定常行星波活动的研究进展

本文系统地回顾了近几年来关于东亚季风系统的动力过程与机理方面的研究,特别是关于东亚季风系统年际和年代际变异与准定常行星波活动关系的研究。最近的许多研究表明东亚夏季风系统变异的动力过程主要与东亚／太平洋型(即EAP型)遥相关有关,利用EAP型遥相关理论不仅可以说明东亚夏季风系统各成员之间内在联系的机理,而且可以揭示热带西太平洋热力和菲律宾周围对流活动影响东亚夏季风系统季节内、年际变化及其异常的经向三极子结构的动力过程;除了EAP型遥相关外,研究还表明北半球夏季从北非到东亚的对流层上层经向风异常存在一个沿急流传播的遥相关型,它对东亚夏季风系统异常的经向三极子型分布也有重要影响。并且,最近关于东亚冬季风变异与行星波活动的关系已做出许多研究,并获得很大进展。这些研究表明:北半球冬季准定常行星波传播波导在年际和年代际变化上存在着反相振荡特征,即若“极地波导”加强,则“低纬波导”将减弱,反之亦然;准定常行星波两支波导的反相振荡与北半球环状模(NAM)的年际和年代际振荡有紧密联系,而NAM的变化通过行星波活动的异常可以导致东亚冬季风的年际和年代际变化;此外,准定常行星波活动的年际变化与东亚冬季风异常之间的关系明显地受热带平流层纬向风准两年周期振荡(QBO)的调制,进一步的研究还提出了可能的机理。最后本文还指出:2005～2007年冬季东亚冬季风的异常不仅与西伯利亚高压和阿留申低压的变异有关,而且与极涡的演变和准定常行星波活动密切相关。     

关于东亚夏季风变化及其成因的最近研究进展

东亚夏季风变化是中国、日本和韩国的重要研究课题。回顾了关于东亚季风(尤其是东亚夏季风)的季节内变化、年际和年代际变化及其这些变化成因的最近研究进展,特别是系统地回顾了厄尔尼诺、南方涛动(ENSO)循环、西太平洋暖池、青藏高原和陆面过程对东亚夏季风的季节内变化、年际和年代际变化的作用。     

东亚夏季风的研究进展及其需进一步研究的问题

回顾了近年来关于东亚夏季风的结构特征以及年际、季内的变化特征及其成因的研究进展;并且回顾了关于东亚夏季风的数值模拟和可预测性的最新研究进展,特别是系统地回顾了东亚夏季风与印度季风特征的异同以及ENSO循环、西太平洋暖池和青藏高原在东亚夏季风的年际、季内变化的作用。还提出在关于东亚夏季风变化及其模拟和预测等方面需进一步研究的问题。     

不同类型ENSO对东亚季风的影响和机理研究进展

近十几年来有关热带太平洋存在不同类型的增暖型的研究成为热点课题,其中主要依据海温的空间形态将厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）分为两类:一类为传统的东太平洋型ENSO,另一类为中太平洋型ENSO。该两类ENSO的形成机制、演变过程均有不同,产生的气候影响也有差异。本文简要回顾了国内外有关不同类型ENSO及其气候影响的研究进展,特别综述了近年来关于两类ENSO事件对东亚夏季风、东亚冬季风以及东亚冬夏季风关联的影响和机理方面的主要研究进展。文中侧重讨论了年际和年代际时间尺度上ENSO事件对东亚季风的影响,并提出了今后在该领域一些需要进一步研究的科学问题。     

南海夏季风爆发与热带海洋海温和大气环流异常变化关系的研究

用合成和相关分析方法及SVD技术研究了南海夏季风爆发早、晚年份4～6月季风建立时期季风环流的异常及其与热带太平洋-印度洋海温的关系。结果表明,南海夏季风爆发与热带大气环流和海温变异密切相关。（1）当热带中、东太平洋—印度洋（主要在西南部）及南海海温低（高）,西太平洋—澳洲邻近海域海温高（低）时,南海夏季风爆发早（晚）。不同区域海温对季风的影响有明显的季节差异,印度洋主要为晚春至初夏（4～6月）,南海为5～6月,而热带太平洋从前冬一直持续到夏季。（2）不同的海温异常产生不同的季风环流型,南海夏季风爆发早、晚年大气环流的异常变化基本相反。南海夏季风的活动主要受印度季风环流变化的影响,与前期冬春季西太副高的强弱及位置变化密切相关。西太副高弱时,南海夏季风爆发早;反之,爆发晚。（3）热带太平洋—印度洋海温异常引起季风环流和Walker环流的异常变化可能是影响南海夏季风爆发早、晚的物理过程。     

亚洲夏季风动力学研究综述

亚洲夏季风按照气候带可以分为东亚副热带夏季风和亚洲热带夏季风。就气候平均而言,东亚副热带夏季风于4月初在我国江南(泛称“华南”)地区建立,而亚洲热带夏季风首先于5月初在孟加拉湾东北部建立,之后向东推进,于5月第4候到达南海,然而夏季风无法直接西传至印度地区,因此印度夏季风的爆发表现为热带对流在阿拉伯海上空自赤道向北逐步推进的特征。东亚副热带夏季风与亚洲热带夏季风的爆发机制和时空变率都存在明显差异。亚洲夏季风的建立与青藏高原的动力和热力强迫作用联系紧密,其中东亚副热带夏季风的建立又与东亚大陆-西北太平洋的纬向海陆热力差异的季节转换紧密联系,而亚洲热带夏季风的爆发则与亚洲南部地区对流层中上部经向温度梯度的季节变化有关。同时,亚洲热带夏季风的建立过程还与亚洲南部高、低空环流的垂直耦合密切相关。就季节内变化而言,东亚副热带夏季风在4月份表现出10～20天季节内振荡,这与青藏高原表面感热的季节内变化有关,而盛夏的东亚副热带夏季风则存在准双周和21～30天两种振荡信号。亚洲热带夏季风的季节内振荡包含30～60天的北传信号和10～20天的西传信号,其中北传信号与环境气流的垂直切变、边界层辐合以及暖SST下垫面有关。亚洲夏季风年际变率的主要外强迫是ENSO事件,同时印度洋和大西洋海温异常、南极海冰以及青藏高原的冬、春季积雪和感热异常也影响着亚洲夏季风的年际变率。而亚洲夏季风的年代际变化既与气候系统的自然变率有关,又受热带海温强迫、人为排放气溶胶浓度和青藏高原表面热状况长期变化影响。      

东亚夏季风年代际变化研究进展

简要回顾了东亚地区气候以及夏季风主要环流系统成员年代际变化的观测特征、数值模拟及其可能机理等方面的研究进展,并提出了东亚夏季风年代际变化数值模拟研究需进一步探讨的问题。     

春季青藏高原积雪年际变率的年代际转型对东亚夏季风影响的研究进展

冬春青藏高原积雪异常是东亚夏季风的重要预测因子之一。本文系统回顾了近20年关于青藏高原积雪年际变率的年代际转型影响东亚夏季风的相关研究,主要结论如下：（1）20世纪90年代初春季青藏高原积雪的年际变率从东西偶极型转变为全区一致型,这主要受北太平洋、热带大西洋海温异常变化的影响,也与南极涛动、北极涛动的变化密切相关;（2）春季青藏高原积雪年际变率的年代际转型可通过影响东亚高层的副热带西风急流和低层的水汽输送,进而影响东亚夏季风降水格局变化;（3）青藏高原积雪异常可通过“高原大气河”的机制影响梅雨雨带;（4）大西洋年代际振荡可调节春季青藏高原积雪与梅雨降水关系的年代际变化,当大西洋年代际振荡为正（负）位相时,春季青藏高原积雪与梅雨的关系加强（减弱）。最后,本文对青藏高原积雪异常影响东亚季风变化的关键科学问题进行了讨论与展望。     

热带西北太平洋10~30 d振荡对南海夏季风影响

采用1958—2011年NCEP/NCAR再分析资料以及ERSST海温资料,分析热带西太平洋夏季对流10~30 d振荡对南海夏季风的影响。在年际变化尺度上,热带西北太平洋夏季10~30 d振荡强度指数 (TWPI) 与南海夏季风强度有很好的正相关关系。在TWPI增强年份,海温主要呈El Ni?o分布,南海周边区域增强的异常西风产生强的正涡度切变,导致异常气旋性环流,为季风槽的增强提供了热量和水汽,从而增强南海夏季风强度。反之,在TWPI减弱年份,海温主要呈La Ni?a分布,南海夏季风强度减弱。在不同的年代际背景下,垂直切变和水汽-对流的总体变化是影响TWPI总体变化的重要因子,但不能影响南海夏季风强度的总体变化。海陆热力对比的总体变化是导致南海夏季风强度总体变化的主要影响因素。     

中国东部夏季降水的准两年周期振荡及其成因

应用中国160测站降水资料和ERA-40再分析资料以及EOF和熵谱分析方法,分析了中国夏季(6～8月)降水和东亚水汽输送通量的年际变化,表明中国(特别是华南、长江流域和淮河流域以及华北等地区)夏季降水具有2～3 a周期变化特征,即准两年周期的振荡特征,并表明中国降水的这种周期振荡与东亚上空夏季风水汽输送通量的准两年周期振荡密切相关;并且,还利用NCEP/NCAR的海表温度和日本气象厅的沿137°E海温剖面观测资料,分析了热带西太平洋表层与次表层海温的年际变化,揭示了热带西太平洋热力状态的变化也有显著的准两年周期的变化特征.作者利用相关和集成分析来讨论热带西太平洋热状态的准两年周期振荡对中国夏季降水和东亚水汽输送的影响,表明了热带西太平洋海温的准两年周期振荡对东亚夏季风及其所驱动的水汽输送都有很大影响.此外,作者还利用东亚/太平洋型(EAP型)遥相关理论,简单地讨论了热带西太平洋热力状态的准两年周期振荡影响中国夏季风降水准两年周期变化的物理机制.     

强El Niño衰减年东亚夏季风的季节内变化:1998年和2016年的对比分析

本文对比分析了1998年和2016年这两个强El Ni?o衰减年东亚夏季风的季节内变化。结果表明,在6~7月期间,由于热带印度洋海温偏高、对流偏强,造成西太平洋暖池对流偏弱,西太平洋副热带高压（副高）偏西偏强,长江流域降水偏多,华南偏少,东亚夏季风异常具有典型的El Ni?o衰减年特征。但两年的8月份有很大差异,虽然1998年8月与6~7月相似,但2016年8月份则完全不同。受乌拉尔地区异常反气旋的影响,源自西伯利亚东部的北风异常穿越东亚并直抵暖池地区,造成副高分裂并减弱东退,同时激发暖池对流发展,而对流的发展则进一步促使副高减弱。因此,2016年8月东亚夏季风异常与1998年8月相反,中国北方夏季降水异常也呈现很大差异。另外,1998年热带大西洋偏暖,并通过热带环流变化影响到东亚夏季风异常,其强迫作用与热带印度洋类似。而2016年大西洋海温异常较弱,对东亚夏季风影响也较弱。因此,El Ni?o对东亚夏季风的影响不仅与其强度有关,还与El Ni?o衰减之后造成的印度洋和大西洋海温异常有关。本文的分析结果表明,即使在强El Ni?o衰减年夏季,由于El Ni?o之间的个性差异以及其他因子的影响,东亚夏季风季节内变化仍然能呈现出显著差异,特别是在8月份。因此,在预测东亚夏季风异常时,宜将6~7月和8月分别考虑。此外,为进一步提高东亚夏季风预测水平,除传统的季度预测外,还需要进一步加强季节内尺度的预测。     

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。     

热带太平洋印度洋海温异常对亚洲夏季风影响的数值研究

利用L9R15气候谱模式，就热带太平洋－印度洋夏季海温异常对亚洲夏季风的影响进行了数值研究。结果表明，夏季热带太平洋和印度洋海温正异常时，不仅能造成热带地区大气环流和降水的同时性响应，还能导致东亚夏季风和南亚夏季风的一致减弱，两者的影响是同号的，但并不是两者单独影响的线性叠加，由此给出了亚洲夏季风与热带太平洋－印度洋海气系统的同期关系。     

国内东亚热带-副热带季风的研究进展

简要回顾了近年来国内在东亚热带-副热带季风方面的研究进展。涉及亚洲热带季风爆发特征、爆发机制、季风指数设计、东亚季风环流系统、低频振荡活动以及东亚季风年际和年代际变化等问题,并讨论了东亚热带-副热带季风研究中存在的问题及未来的研究前景。     

亚洲区域海—陆—气相互作用对全球和亚洲气候变化的作用研究进展

围绕全球变化研究国家重大研究计划项目“亚洲区域海—陆—气相互作用机理及其在全球变化中的作用”预定的总体研究内容和科学目标,项目执行两年多以来,取得了一系列阶段性科研成果.关于气候动力学方面,项目揭示了热带印度洋—西太平洋暖池的海温变化是全球热带气候年代际变化的重要驱动力,是全球尺度副热带干旱的重要调控器;发现热带东太平洋海温存在冷舌模态,它是一个海气耦合模态,阐明在全球变暖背景下其对ENSO型态变异的作用及影响东亚气候的机理;揭示了青藏高原热力强迫的异常特征及其气候效应;提出了水平非均匀基流中行星波传播的理论,研究了其在不同东亚夏季风背景下的传播特征.关于气候预测方法方面,提出了若干有物理基础的气候预测方法,如尺度分离的降尺度预测新方法、基于北大西洋涛动(NAO)-ENSO的东亚夏季风预测模型、基于南半球环状模的东亚气候预测模型等,为业务部门提供了重要参考.关于观测方面,项目在亚洲区域海气补充观测和海洋资料同化方面也取得突出进展,成功进行了南海18°N断面海洋综合观测,为形成我国第一条南海断面长期海气观测打下了基础.在国际合作方面,项目还继续推动和领导了“亚洲季风年”(AMY2007-2012)与“东亚气候模拟”国际计划,提升了我国在该领域的国际地位.     

热带大西洋海温异常季节内演变对中国江南地区夏季持续性高温事件影响的初步研究

中国江南地区是高温热浪灾害的高影响区。以往的一些研究发现了不同海域海温异常在年际或年代际尺度上的变化对中国南方夏季平均温度异常的影响效应。但是,关于这些关键海域海温季节内尺度变化对江南地区高温事件发生和维持影响的研究尚不多见。为此,本文利用中国站点观测、美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心（NCEP/NCAR）再分析以及美国国家海洋大气管理局（NOAA）海温等资料,首先以2016年江南地区夏季2次高温事件为例（分别发生在7月21日至31日和8月15日至25日）,重点探讨了热带大西洋海温季节内变化的可能贡献。在此基础上,基于1981～2016年多高温事件合成结果,进一步分析了热带大西洋海温季节内变化影响江南高温事件的可能链接过程。研究发现,热带西大西洋暖海温异常在季节内尺度上的发展与维持有利于在欧亚大陆激发出较为稳定的Rossby波列结构,使东亚及其沿海地区为深厚的高压系统控制,进而引发江南地区持续性高温事件。这种热带大西洋暖海温的阶段性增强与维持及其相应的稳定Rossby波列结构超前于持续性高温事件:在热带大西洋海温显著升高1个月之内,江南地区可能出现持续性高温事件。在季节内尺度上,热带大西洋显著暖海温异常出现明显的阶段性增强之后10天左右,北印度洋暖海温也出现了阶段性增强。这暗示热带大西洋热力异常除通过直接激发欧亚大陆Rossby波列之外,还有可能通过影响热带印度洋海温的阶段性异常,进而对江南地区高温事件的发生和维持产生一定影响。另外,在厄尔尼诺衰减并向拉尼娜转变阶段,热带中东太平洋冷海温异常和北印度洋暖海温异常在季节内的协同阶段性变化可能也对持续性高温事件有贡献。上述关键区海温的季节内变化对中国江南地区高温事件具有一定的前期指示意义,但它们的具体影响过程,特别是在季节内尺度上的协同影响效应和物理过程,尚需未来进一步研究。     

海温异常对东亚夏季风强度先兆信号的影响

利用ERA-Interim再分析资料、NOAA海温资料、CMAP格点降水资料和中国气象站降水资料,通过合成、相关和回归分析等方法研究了1979—2012年东亚夏季风强度与其先兆信号的关系,并分析了热带海温异常的可能影响。研究表明:东亚夏季风先兆指数反映了2月200 hPa纬向风距平的主要模态特征 (EOF1),前冬热带中东太平洋海温偏低 (高),2月亚洲地区西风急流位置偏北 (偏南),东亚夏季风先兆指数偏强 (弱)。前期热带海温异常对东亚夏季风强度有明显影响,前冬热带中东太平洋海温偏低 (高) 有利于东亚夏季风偏强 (弱)。2月亚洲中纬度地区纬向风异常特征在春季不能持续,先兆信号与东亚夏季风强度的联系主要源自热带海洋。