青藏高原增暖对东亚夏季风的影响——大气环流模式数值模拟研究

20世纪50年代以来,随着全球海表面温度年代际变化和全球变暖现象的出现,东亚夏季风降水和环流场也出现相应的年代际变化。是什么原因引起这个长期的变化趋势？研究表明青藏高原增暖可能是导致东亚夏季风年代际变化的重要因子之一。为了能够更好地理解青藏高原地表状况对下游东亚季风的影响,作者使用德国马普气象研究所大气环流模式（ECHAM）进行一系列数值试验。在两组敏感性试验中,通过改变高原上的地表反照率从而达到改变地表温度的目的。数值试验结果表明:青藏高原增暖有助于增强对流层上层的南亚高压、高原北侧西风急流和高原南侧东风急流以及印度低空西南季风;与此同时,东亚地区低层西南气流水汽输送增强。高原增暖后降水场的变化表现为:印度西北部季风降水增加,长江中下游以及朝鲜半岛梅雨降水增多;在太平洋副热带高压控制下的西北太平洋地区和孟加拉湾东北部,季风降水减少。对数值模拟结果的初步诊断分析表明:在感热加热和对流引起的潜热加热相互作用下,南亚高压强度加强,东亚夏季低层西南季风增大、梅雨锋降水增强,高原东部对流层上层的副热带气旋性环流增加,以及对流层低层的西太平洋副热带高压增强。另外,在青藏高原增暖的背景下,孟加拉湾地区季风降水减弱。本项研究有助于更好地理解东亚夏季风年代际变化特征和未来气候变化趋势。     

辽宁汛期降水异常的环流因子分析

在分析辽宁汛期降水的气候特征基础上,着重对影响辽宁汛期降水的环流特征进行了分析,结果表明:(1)近44年辽宁汛期降水呈下降趋势并出现显著的年际、年代际变化特征。(2)辽宁汛期水汽来源于西南夏季风和我国东部海域,汛期降水异常与低空的西南、东南夏季风、中空的极涡、西风槽、西太平洋副热带高压活动及高空的南亚高压关系密切。     

近30余年来盛夏东亚东南季风和西南季风频率的年代际变化及其与青藏高原积雪的关系

利用地面观测资料和NCEP/NCAR再分析资料集,使用相关分析、合成分析等方法,在将地面风分为东南季风和西南季风的基础上,分析了近30余年来盛夏东亚季风频率的年代际变化特征。结果表明:盛夏东南季风、西南季风频率和前期春季青藏高原积雪均在21世纪初期发生了显著的年代际变化;东南季风、西南季风频率由较少改变为较多,春季青藏高原积雪则由深变浅。由于青藏高原积雪厚度发生了年代际变浅,说明青藏高原发生了年代际变暖和南亚高压变强,南亚高压的年代际变强,使得其下游对流层低层(18°~28°N,108°~118°E)的反气旋性环流异常增强,有利于东亚西南季风频率的增加;同时,由于高原发生湿反馈作用,使得淮河地区降水发生年代际变多,由Sverdrup涡度平衡关系,降水的异常增多通过潜热释放,使得东亚副热带高压异常加强,而副热带高压异常变强则有利于盛夏东亚东南季风频率发生年代际增加。     

ENSO 与中国东部夏季降水的关联

计算1 月减6 月El Niño 3.4 指数与6—8 月平均200、850 hPa 风场的相关矢量,分析中等或强ElNiño/La Niña 事件后的夏季(6—8 月)中国东部降水异常分布、西太平洋副热带高压异常特征。结果表明,对ENSO 的响应,无论高、底层大气环流还是西太平洋副热带高压,1970 年代中期气候突变后变为更敏感。主要表现在:对衰减的El Niño 的响应,夏季南亚高压偏东,西太平洋副热带高压偏强、偏西、偏南,印度季风、南海季风减弱,黄河下游以南副热带季风增强。黄河中下游及以南形成异常环流辐合带,由El Niño 导致的降水正异常最有可能出现在这一西南-东北的带状区域。对衰减的La Niña 响应大致相反。      

中国东部—西太平洋副热带季风和降水的气候特征及成因分析

利用1981—2000年候平均NCEP/NCAR再分析资料和CMAP全球降水资料,分析了从中国东部大陆到西太平洋副热带地区季风和降水季节变化的特征及其与热带季风降水的关系,探讨了季风建立和加强的原因。夏季东亚—西太平洋盛行的西南风开始于江南和西太平洋副热带的春初,并向北扩展到中纬度,热带西南风范围向北扩展的迹象不明显。从冬到夏,中国西部和西太平洋副热带的表面加热季节变化可以使副热带对流层向西的温度梯度反转比热带早,使西南季风在副热带最早开始;从大气环流看,青藏高原东侧低压槽的加强和向东延伸,以及西太平洋副热带高压的加强和向西移动,都影响着副热带西南季风的开始和发展;初夏江南的南风向北扩展与副热带高压向北移动有关,随着高原东侧低压槽向南延伸,槽前的偏南风范围向南扩展。随着副热带季风建立和向北扩展,其最大风速中心前方的低层空气质量辐合和水汽辐合以及上升运动也加强和向北移动,导致降水加强和雨带向北移动。热带季风雨季开始晚,主要维持在热带而没有明显进入副热带,江淮梅雨不是由热带季风雨带直接向北移动而致,而是由春季江南雨带北移而致。在热带季风爆发前,副热带季风区水汽输送主要来自中南半岛北部和中国华南沿海,而在热带季风爆发后,水汽输送来自孟加拉湾和热带西太平洋。     

中纬度阻塞高压指数与华北夏季降水的联系

利用500hPa高度场资料计算了亚洲中纬度3个区域(鄂霍次克海区、贝加尔湖区、乌拉尔山区)阻塞高压指数，通过相关分析、合成分析研究了阻塞高压指数与华北夏季降水之间的联系。结果表明3个区域阻塞高压指数均具有明显的年代际变化，并且与华北夏季降水在年代际尺度上关系密切，相关系数分别为-0．4622、-0．6763、-0．6713。在阻塞高压的频发期，中纬度西风在东亚地区发生分支，分别形成极锋和副热带锋区，东亚夏季风偏弱，西太平洋副热带高压位置偏南，我国夏季雨带位置偏南，造成华北夏季干旱；而在阻塞高压的少发期则相反。     

盆东盛厦旱涝成因与环流影响分析

四川盆地东部盛夏旱涝天气气候除受太阳辐射、下垫面和日———地关系影响有关外 ,主要还与西风急流、南亚高压、热带高压、西太平洋副热带高压及东亚季风等大气环流影响有关 ,它们的强度、位置的变化和异常表现 ,都会引起天气气候的形成和变化。因此 ,环流分析 ,可以为我们掌握和预测天气气候的变化提供背景标料     

西南地区秋季干旱的年代际转折及其可能原因分析

采用1961~2012年中国气象局753站降水和温度资料、NCEP/NCAR全球大气再分析资料、NOAA海表温度资料等,应用观测统计分析和全球大气环流模式NCAR CAM5.1数值模拟,基于标准化降水蒸散指数(SPEI),对我国西南秋季干旱的年代际转折及其可能原因进行了分析。观测分析结果表明:(1)西南秋季干旱的主要分布型为全区一致型;西南秋季SPEI在1994年发生年代际突变,突变后(前)为偏旱(涝)期。(2)西南秋季偏旱期的主要环流特征是,西太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大、强度偏强,南支槽偏弱,西南地区存在下沉运动。(3)热带东印度洋-西太平洋的海表温度年代际升高对西南秋季SPEI在1994年发生年代际突变有重要作用,该关键海区海表温度异常升高,一是会使秋季西南地区500 hPa高度场偏高,南支槽减弱;二是产生偏强的Hadley环流,使得我国西南地区存在下沉运动;三是会在西太平洋激发气旋性环流,使我国西南地区被偏北气流控制,削弱了向我国西南地区的水汽输送,容易造成该地区的秋季干旱。应用NCAR CAM5.1全球大气环流模式进行了关键海区海表温度年代际变化的敏感性试验,验证了观测分析结果,即秋季关键海区海表温度年代际升高对西南秋季年代际变旱有重要作用。     

川东盛夏旱涝与大气环流影响的关系

川东、达州盛夏旱涝天气气候的变化与太阳辐射、下垫面和日—地关系影响有关外,主要还与西风急流、东亚季风、南亚高压及西太平洋副热带高压等大气环流影响有关,它们的强度、位置的变化和异常表现,都会引起天气气候的变化和反映。因此,环流分析,可以为我们掌握和预测天气气候的变化提供背景材料。     

盆东盛夏旱涝成因与环流影响分析

四川盆地东部盛夏旱涝天气气候除受太阳辐射、下垫面和日- - 地关系影响有关外,主要还与西风急流、南亚高压、热带高压、西太平洋副热带高压及东亚季风等大气环流影响有关,它们的强度、位置的变化和异常表现,都会引起天气气候的形成和变化.因此,环流分析,可以为我们掌握和预测天气气候的变化提供背景标料.     

Fluctuations of the Semi-Arid Zone in China, and Consequences for Society

Herein, we calculate an aridity index, D, based on annual precipitation, P, and measured evaporation, PET, from φ20 evaporation pans: D = P/PET. The data were collected between 1951 and 1999 at 295 meteorological stations operated by the Chinese Meteorological Administration. On the basis of the index, three climatic regions are recognized in China: an arid zone in which D ≤ 0.20, a semi-arid zone with 0.20 < D ≤ 0.50, and a humid zone in which D > 0.50. Temporal fluctuations of the climate boundaries are substantial, and differ significantly regionally, and have the shifting features in the same direction in some areas and in opposite directions in others over the past 50 years. The semiarid zone lies along the border of the monsoon, and is thus highly susceptible to environmental change in China. In the period from the late 1960s to the early 1970s, the climate became drier in most parts of the regions of northern China. Moreover, the drought has an increasing trend. The fluctuations of climatic boundaries and the alternation from drier to wetter climate have substantial inter-decadal features. The main factors affecting the fluctuations in climate boundaries are the East Asian summer monsoon, the Indian Monsoon, the plateau monsoon in Tibetan Plateau, the westerly circulation, and the West Pacific Subtropical High. The different types of circulation and the strength of these circulations result in regional and temporal differences in aridity. Inter-decadal variations of the dry- and wet climate boundary fluctuations and of the arid and humid climate result from the inter-decadal changes of East Asian summer monsoon, Indian Monsoon, plateau monsoon, westerly circulation, and West Pacific Subtropical High. The anomalous general atmospheric circulation in the Northern Hemisphere during the late 1960s to the early 1970s is the cause of the remarkable change in arid and humid climate in China. Major natural disasters produced by arid and humid change are drought and flood disasters. They cause enormous economic losses to agriculture and industry. Furthermore, the loss has a substantial increasing trend. More than 110 cities are in severe water-deficiency conditions because of shortage of water resource in China. Drought has been a limiting factor of economic and social development in China.     

近44年来我国西北地区干湿特征分析

利用我国西北地区1960—2003年131个测站降水和小型蒸发皿蒸发量资料, 综合考虑降水和蒸发这两个水分平衡最关键的分量构造了降水蒸发均一化干湿指数, 进而研究了西北地区干湿的时空演变特征。结果表明:一致性异常是西北地区近44年干湿特征的最主要空间分布模态; 西北地区干湿异常特征主要分为西风带气候区型, 高原气候区型和季风气候区型; 整个西北地区及其西风带气候区、高原气候区年干湿特征呈较为显著的变湿趋势, 大约在20世纪70年代中期均发生了由干向湿的突变, 而季风气候区表现为变干趋势, 并且在90年代前期发生了由湿向干的突变; 整个西北地区及各分区近44年来主要以年代际周期振荡为主。     

An overview of dry-wet climate variability among monsoon-westerly regions and the monsoon northernmost marginal active zone in China

Climate in mainland China can be divided into the monsoon region in the southeast and the westerly region in the northwest as well as the intercross zone, i.e., the monsoon northernmost marginal active zone that is oriented from Southwest China to the upper Yellow River, North China, and Northeast China. In the three regions, dry-wet climate changes are directly linked to the interaction of the southerly monsoon flow on the east side of the Tibetan Plateau and the westerly flow on the north side of the Plateau from the inter-annual to inter-decadal timescales. Some basic features of climate variability in the three regions for the last half century and the historical hundreds of years are reviewed in this paper. In the last half century, an increasing trend of summer precipitation associated with the enhancing westerly flow is found in the westerly region from Xinjiang to northern parts of North China and Northeast China. On the other hand, an increasing trend of summer precipitation along the Yangtze River and a decreasing trend of summer precipitation along the monsoon northernmost marginal active zone are associated with the weakening monsoon flow in East Asia. Historical documents are widely distributed in the monsoon region for hundreds of years and natural climate proxies are constructed in the non-monsoon region, while two types of climate proxies can be commonly found over the monsoon northernmost marginal active zone. In the monsoon region, dry-wet variation centers are altered among North China, the lower Yangtze River, and South China from one century to another. Dry or wet anomalies are firstly observed along the monsoon northernmost marginal active zone and shifted southward or southeastward to the Yangtze River valley and South China in about a 70-year timescale. Severe drought events are experienced along the monsoon northernmost marginal active zone during the last 5 centuries. Inter-decadal dry-wet variations are depicted by natural proxies for the last 4--5 centuries in several areas over the non-monsoon region. Some questions, such as the impact of global warming on dry-wet regime changes in China, complex interactions between the monsoon and westerly flows in Northeast China, and the integrated multi-proxy analysis throughout all of China, are proposed.     

1951—2009年中国地表湿润状况变化趋势研究

利用1951—2009年中国160站的月降水和月平均温度资料,通过计算地表湿润指数,在分析其与降水及气温联系的基础上,探讨了中国区域平均地表湿润指数的年代际变化特征差异,给出了地表湿润指数年趋势的地理分布。结果表明：1951—2009年,中国北方的西北地区东部、华北和东北地区长江中下游地区及东南部分地区以干旱化趋势为主,这些地区干旱化趋势的产生与降水年际变差大、年内分配不均,降水持续减少和气温升高密切相关。东南、西南地区及西藏地区于20世纪90年代初期有湿向干的趋势转换,虽然长江中下游地区在70年代初期有明显的干向湿的趋势变换,但于90年代同样出现湿向干的趋势转换,并一直持续显著的干旱化。     

近46年青藏高原干湿气候区动态变化研究

利用青藏高原62个气象站1961～2006年逐日气象资料, 用世界粮农组织 (FAO) 在1998年推荐的、并唯一承认的Penman-Menteith模式计算潜在蒸散量; 比较了降水量、积温降水比、气温降水比、蒸散降水比和降水蒸散比5种湿润度指标在青藏高原的适用性, 用常规统计方法和墨西哥帽小波变换分析青藏高原各气候区干湿状况及其界线的动态变化。结果表明: 5种指标中, 用降水蒸散比得到的青藏高原湿润、半湿润、半干旱、干旱和极端干旱气候区的分区结果比较合理; 近46年来青藏高原大部分地区湿润度和每个气候区的平均湿润度均呈增加趋势, 半干旱和半湿润气候区的界线呈向西北推进趋势, 气候在向暖湿方向发展。     

An Integrated Analysis of Dry-Wet Variability in Western China for the Last 4-5 Centuries

The dry-wet variability in western China and its spatiotemporal structure during the last 4-5 centuries was examined using 24 climate proxies from sediments, ice cores, historical documents, and tree rings. Spatial patterns and temporal evolutions of dryness and wetness were not only extracted from the proxy data using rotated empirical orthogonal function (REOF) analysis for the last 4 centuries, but also for instrumental data in the last 40 years. The leading five REOF modes indicate that 5 dry-...     

基于MODIS白天地温产品的青藏高原海拔依赖型变暖特征分析

基于2001～2018年中分辨率成像光谱仪（MODIS）探测的白天地面温度（简称MODIS 白天地温）资料,与青藏高原（简称高原）122个气象站点观测的最高气温资料,在年尺度上评估了MODIS 白天地温在高原的适用性,研究了高原五个干湿分区下MODIS 白天地温的海拔依赖型变暖特征,得到以下主要结论:（1）MODIS白天地温能够基本再现观测的最高气温的时空以及海拔依赖型变暖特征;（2）高原整体上,MODIS白天地温存在显著的海拔依赖型变暖特征,平均海拔每增加100 m,其趋势增加0.02°C (10a)?1,且受积雪—反照率反馈主导;（3）干湿分区下,海拔依赖型变暖特征在高原表现为偏湿润地区强于偏干旱地区;季风区强于西风区。海拔依赖型特征强弱:半湿润地区＞湿润半湿润地区＞半干旱地区＞湿润地区＞干旱地区。平均海拔每增加100 m,以上区域的地温趋势分别增加0.06,0.03,0.03,0.01,0.01°C (10a)?1。半湿润和湿润半湿润地区年均温在0°C左右,在气候变暖背景下积雪—反照率反馈作用最为强烈,是其海拔依赖型变暖的主导因素;干旱与半干旱地区年均温相对更低,气候变暖程度对积雪影响相对较小,积雪—反照率反馈作用被限制,但仍对上述地区的海拔依赖型变暖起主导作用;而湿润地区的积雪覆盖率的上升可能是由于降雪（固态降水）增加抵消了积雪融化损耗,云辐射、水汽等其他因素主导了其海拔依赖型变暖。     

我国东、西部夏季水汽输送特征及其差异

本文利用ERA-40再分析每日资料分析了我国东部季风区与西北干旱—半干旱区夏季1971～2000年气候平均的水汽输送特征及其差异, 分析结果表明我国东部季风区与西北干旱—半干旱区夏季气候平均的水汽输送特征有明显的差异。由于亚洲夏季风从孟加拉湾、 南海和热带西太平洋输送大量水汽到我国东部季风区, 故在东部季风区夏季经向水汽输送通量比纬向水汽输送通量大。而西北干旱—半干旱区受中纬度西风带的影响, 夏季纬向水汽输送通量比经向水汽输送通量大, 且此区域夏季无论纬向或者经向水汽输送通量均比东部季风区的水汽输送通量小一量级。并且, 分析结果还表明: 我国东部季风区由于湿度大, 故夏季水汽输送通量的散度不仅依赖于湿度平流, 而且依赖于风场的辐合、 辐散, 而西北干旱—半干旱区夏季水汽输送通量的散度主要依赖于湿度平流。此外, 分析结果还表明了我国东部季风区的水分平衡与西北干旱—半干旱区的水分平衡也有明显的不同。     

青藏高原黑碳气溶胶传输及沉降的季节特征模拟分析

根据全球气溶胶气候模式GEM-AQ/EC的1995~2004年模拟,分析了青藏高原大气黑碳气溶胶的来源、传输及沉降季节特征。研究表明:青藏高原黑碳气溶胶主要来自自由对流层和大气边界层的输送。相对于自由对流层的黑碳输送,紧邻青藏高原的南亚、东亚以及东南亚大气边界层的输送更有效,它形成了青藏高原由北向南、自西往东黑碳气溶胶浓度和沉降明显递增的基本分布形态。横跨欧亚大陆自由对流层的黑碳气溶胶由西向东向青藏高原的输送全年不变,夏季输送路径最北但强度最弱,冬季路径最南而强度最强。大气边界层黑碳气溶胶的输送受控于亚洲季风环流变化,来自南亚的黑碳气溶胶在春季越过孟加拉湾传输进入高原东南部,夏季则可翻越喜马拉雅山抵达青藏高原南部腹地;同时我国中部排放的黑碳气溶胶也在东亚夏季风向北扩展中驱动它从东向西往青藏高原东北部传输。从秋季到冬季,随着夏季风撤退,南亚黑碳源区向青藏高原传输衰退,东亚冬季风的反气旋性环流的南侧及西南侧的偏东风携带秋季我国东南部源区和冬季东南亚源区黑碳气溶胶向青藏高原东南部传输。受青藏高原明显的暖湿季和干冷季气候影响,干湿沉降分别主导了青藏高原冬季和夏季黑碳沉降,夏季青藏高原黑碳气溶胶沉降总量大多超过8~10 kg·km-2,在高原东北部的最高值超过40 kg·km-2。冬季青藏高原黑碳气溶胶沉降量最低,大部地区黑碳沉降低于5 kg·km-2。青藏高原黑碳沉降的冬夏季节相差约为2~8倍。     

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。