春夏东亚大气环流年代际转折的影响及其可能机理

本文通过多变量联合经验正交分解(MV-EOF)方法揭示了近30年(1979~2010年) 春季和夏季东亚大气环流所发生的年代际转折及其与中国南方降水年代际季节反相变化的内在联系,探讨了局地性大气热源年代际变化影响东亚大气环流年代际转折的可能机理.结果表明:(1)东亚大气环流春季第一模态和夏季第二模态在90年代中期都发生了明显的年代际转折;(2)与春季大气环流第一模态和夏季大气环流第二模态年代际转折相对应的是中国南方降水明显的年代际季节反相变化,即春季降水年代际减少,夏季降水年代际增多;(3)春季青藏高原和夏季贝加尔湖地区大气热源年代际变化对东亚大气环流年代际转折有一定贡献,是造成中国南方降水年代际季节反相变化的直接原因;(4)春季青藏高原大气热源的年代际减弱,使得高原东南侧的西南风减弱,导致中国南方上空水汽输送不足,春季降水减少.夏季贝加尔湖大气热源偶极型分布由“南负北正”转变为“南正北负”,由此在贝湖上空激发高压异常,使得夏季雨带北进受阻而停滞南方,造成中国南方夏季降水增多.     

青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水的年代际变化关系

利用NCEP 1950—2004年逐日再分析资料,采用倒算法,对青藏高原大气热源的长期变化进行了计算,结果发现,青藏高原及附近地区上空大气春夏季热源在过去50年里,尤其是最近20年,表现为持续减弱的趋势。而1960—2004年青藏高原50站的冬春雪深却出现了增加,尤其是春季雪深在1977年出现了由少到多的突变。用SVD方法对高原积雪和高原大气热源关系的分析表明,二者存在非常显著的反相关关系,即高原冬春积雪偏多,高原大气春夏季热源偏弱。高原大气春夏季热源和中国160站降水的SVD分析表明,高原大气春夏季热源和夏季长江中下游降水呈反相关,与华南和华北降水呈正相关;而高原冬春积雪和中国160站降水的SVD分析显示,高原冬春积雪和夏季长江流域降水呈显著正相关,与华南和华北降水呈反相关。在年代际尺度上,青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水型的年代际变化(南涝北旱)有很好的相关。最后讨论了青藏高原大气热源影响中国东部降水的机制。青藏高原春夏季热源减弱,使得海陆热力差异减小,致使东亚夏季风强度减弱,输送到华北的水汽减少,而到达长江流域的水汽却增加;同时,高原热源减弱,使得副热带高压偏西,夏季雨带在长江流域维持更长时间。导致近20年来长江流域降水偏多,华北偏少,形成"南涝北旱"雨型。高原冬春积雪的增加,降低了地表温度,减弱了地面热源,并进而使得青藏高原及附近地区大气热源减弱。     

青藏高原东部和西太平洋暖池区大气热源与中国夏季降水的关系

利用1951～2000年NCEP/NCAR逐日再分析资料计算了大气热源,并对夏季青藏高原东部大气热源异常和西太平洋暖池区大气热源异常对中国夏季降水的影响作了对比分析研究.结果表明,如果高原东部夏季大气热源显著偏强(偏弱),则长江流域地区的夏季降水显著偏多(偏少),而华南东部地区夏季降水偏少(偏多).菲律宾南部附近的热带西太平洋暖池区上空夏季大气热源显著偏强(偏弱)时,同期长江中下游地区偏涝(偏旱),而华南地区、江苏北部-山东南部则偏旱(偏涝).夏季青藏高原东部大气热源异常和热带西太平洋暖池区大气热源异常对中国夏季降水的影响是有差别的,中国的夏季降水受高原东部大气热源影响的显著范围要比受西太平洋暖池区大气热源影响的显著范围要大.无论是高原热源异常还是西太平洋暖池热源异常,东亚地区的大气环流都存在类似EAP型的遥相关波列.大气热源的异常是通过直接影响垂直运动场的异常,进而影响到我国的夏季降水的异常.夏季高原热源或西太平洋暖池热源偏强(偏弱)时,西太平洋副高的脊线比常年位置偏南(偏北).     

青藏高原邻近地区大气热源对华北汛期降水年代际变化的影响

利用1957—2006年中国740站逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,采用相关分析和合成分析等方法,分析了青藏高原及其邻近地区大气热源影响华北汛期降水的年代际变化的原因。结果表明：华北汛期降水量与青藏高原及其邻近地区的大气热源显著正相关,与江淮流域的视水汽汇显著反相关。以1978年为界,高原上空大气热源由之前的异常偏强改为之后的异常偏弱,直接导致了高原东部邻近地区包括华北在内的纬向垂直环流的年代际变化,即由之前的异常上升改变为之后的异常下沉,华北汛期降水也因此发生了由偏多变为偏少的年代际变化。华北上空视水汽汇的年代际减少,也是华北汛期降水年代际减少的重要的热力因素之一。     

青藏高原大气热源年际变率及其驱动因子

青藏高原（以下简称高原）大气热源对亚洲夏季风爆发、演变、推进,乃至全球气候系统都有重要影响,因此近年来高原大气热源变异机理也日益受到关注。本文在回顾已有关于不同季节高原热源变异原因的研究基础上,利用1980～2018年日本气象厅再分析数据JRA55（Japanese 55-year Reanalysis）,对逐月高原大气总热源的年际变率进行分类,并进一步探究了影响不同类别高原大气总热源的异常大尺度环流系统及海温驱动因子。除了传统上受关注的“冬季型”和“夏季型”以外,本文还提出了“早春型”和“过渡型”两种高原大气热源变率模态。总体而言,高原大气总热源年际变率以降水引起的凝结潜热异常为主,其中“冬季型”及“早春型”高原大气热源异常中心位于高原西部,主要受到中高纬遥相关波列的影响。此外,“冬季型”还受到厄尔尼诺—南方涛动（El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO）及印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole, IOD）的影响。“夏季型”高原大气热源呈东西偶极型反相变化,最大异常中心位于高原东南部,主要受北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation, NAO）的影响;“过渡型”高原大气热源呈南北偶极型反相变化,受热带太平洋—印度洋海表温度异常的共同影响。因此,不同背景环流下高原热源年际变率的驱动因子存在明显差异。     

春季青藏高原东部热力异常与东亚夏季风关系的年代际变化

利用1948-2002年NCEP/NCAR逐日再分析及月平均资料,分析了春季青藏高原地区大气热源的气候分布和高原东部大气热源的年代际变化特征及其异常与东亚夏季大气环流关系的年代际变化.结果表明:春季青藏高原东部大气热源在1965年存在加强突变,且1970年以后热源加强趋势十分显著.此外,春季青藏高原东部大气热源异常与东亚夏季风强弱具有年代际关系,表现为1977/1978年前春季高原东部大气热源与东亚夏季风存在负相关关系,1977/1978年后两者的关系不明显.     

全球变暖背景下青藏高原夏季气温在对流层上下反相变化及其与降水和环流的关系

本文利用NCEP/NCAR月平均再分析资料及中国596个测站月降水资料,采用线性倾向估计、经验正交函数分解(EOF)、相关分析、合成分析等方法,对青藏高原夏季对流层气温垂直变化及其与降水和环流的关系进行了分析。气温垂直变化特征分析表明:自1971年以来,青藏高原夏季对流层低层至对流层中上部气温呈现显著增暖趋势,对流层上部气温呈现显著变冷趋势,高原对流层低层至中上部气温及对流层上部气温在年际、年代际尺度上均呈较显著负相关,且均存在2~4 a及8~13 a的周期;夏季青藏高原地区沿27.5°N~40°N平均的气温距平垂直分布的EOF分解第一模态特征向量在对流层表现为"下降温上增温"的反相变化,其时间系数呈显著负趋势,且存在1978年及1994年的突变点。高原夏季气温在对流层的上下反相变化与我国夏季降水的关系在年际、年代际尺度上均显示:当高原对流层低层至对流层中上部升温而对流层上部降温时,我国夏季降水表现为南方型,其中以江南至华南地区降水显著偏多而我国东北地区降水显著偏少为主要分布特征;另外,长江流域的局部地区及我国西北的部分地区降水也明显偏少,而华北东部的局部地区、青藏高原中部及东部地区以及新疆西北部地区降水明显偏多;降水异常分布在年代际尺度上比年际尺度更显著。环流分析显示:当高原对流层低层至对流层中上部升温而对流层上部降温时东亚中高纬度地区为异常高压控制,中低纬度地区受异常低压影响。环流场与降水分布有较好的配置关系。     

夏季热带印度洋大气热源主模态与中国东部降水的关系

利用1979—2008年NCEP/NCAR再分析资料和中国区域160站降水资料,分析了热带印度洋及南亚地区夏季大气热源的气候特征,探讨了热带印度洋夏季大气热源主模态与中国东部降水的关系。结果表明:与春、秋、冬季相比,夏季大气热源强度强、范围广,热源最强中心在孟加拉湾北部大陆边缘;当孟加拉湾、苏门答腊岛西部海域、阿拉伯海的中东部以及恒河平原等地的夏季大气热源增加(减少),而赤道印度洋的中西部地区、阿拉伯海北部边缘等地的夏季热源减少(增加)时,有利于长江中下游地区、华北北部、东北以及西南大部分地区夏季降水的增加(减少),不利于华北南部以及江南地区尤其华南地区的夏季降水的增加(减少);热带印度洋夏季大气热源的主模态主要通过影响对流层高、低层的环流来影响中国东部降水。值得注意的是,与热带印度洋夏季大气热源的主模态时间系数的年际变化相比,其年代际变化对中国东部降水影响更显著。      

青藏高原冬春积雪和地表热源影响亚洲夏季风的研究进展

青藏高原冬春积雪和地表热源的气候效应是青藏高原气候动力学的两个重要内容。大量资料分析和数值试验研究均表明这两个因子对亚洲季风有一定的预测意义,本文对此做了比较系统的回顾和总结,并进一步比较了青藏高原积雪和地表热源影响东亚和南亚夏季降水的异同。结果表明,东亚夏季降水在年际和年代际尺度上均存在"三极型"和"南北反相"型的空间分布特征,高原春季地表热源在年代际和年际尺度上主要影响东亚夏季降水"三极型"模态;在年代际尺度上它是中国东部出现"南涝北旱"格局的重要原因,而高原冬季积雪的作用相反。另一方面,高原冬季积雪在年际和年代际尺度上对印度夏季风降水的预测效果均要优于高原地表热源。无论是空间分布还是时间演变特征,高原冬季积雪与春季地表热源整体上均无统计意义上的显著联系。不断完善高原地面观测网和改进模式在高原地区的模拟性能,将是进一步深入理解高原积雪和地表热源影响亚洲季风物理过程和机制的关键所在。     

青藏高原热力强迫对中国东部降水和水汽输送的调制作用

从4个方面综述了有关青藏高原大地形热力“驱动”对中国东部雨带和水汽输送特征及其年代际变化的影响作用的研究进展:(1)中国三阶梯大地形热力过程变化与季风雨带季节演进;(2) 青藏高原地-气过程热力“驱动”及其季风水汽输送结构;(3) 青藏高原积雪冷源对中国东部水汽输送结构及其雨带分布的影响;(4) 青藏高原视热源变化与雨带年代际变化相关特征及其可能调制。其主要研究结论是:(1)中国西部高原特殊三阶梯大地形结构强化了海-陆热力差异,尤其是高原大地形使地-气热力差异季节变化有由青藏高原向东北方向大地形区域延伸变化趋势,且其与季风雨带由东南沿海移向西北朝青藏高原与黄土高原边缘同步演进,两者似乎存在类似季节内演进的一种“动态的吸引”。(2)中国东部雨带时空变化特征和季风强弱变化趋势均与青藏高原热源强弱异常变化相对应。青藏高原热源异常影响低纬度海洋向陆地的水汽传输路径和强度,进而调制中国东部降水时空演变。在青藏高原热源强和弱年,中国降水变率空间分布特征分别为“北涝南旱”和“南涝北旱”。青藏高原视热源强(弱)异常变化“强信号”将对东亚与南亚区域的季风水汽输送结构,以及夏季风降水时空分布的变异具有“前兆性”的指示意义。(3)长江中下游地区作为独特南北两支水汽流的汇合带,该地区夏季青藏高原热源与水汽通量相关矢特征呈类似于青藏高原多雪与少雪年水汽通量偏差场中水汽汇合区显著特征差异,揭示了冬季青藏高原积雪冷源影响中国东部夏季长江流域梅雨水汽输送结构特征。(4)中国降水的年代际变化基本型态为中国东部呈“南涝北旱趋势”,西北区域呈现出“西部转湿趋势”。但基于近10年青藏高原春季视热源出现“降后回升”趋势,中国东部“南涝北旱”的降水格局已出现转折趋势。     

ON THE RELATIONSHIPS BETWEEN THE SUMMER RAINFALL IN CHINA AND THE ATMOSPHERIC HEAT SOURCES OVER THE EASTERN TIBETAN PLATEAU AND THE WESTERN PACIFIC WARM POOL

The relationships between the summer rainfall in China and the atmospheric heat sources over the eastern Tibetan Plateau and the western Pacific warm pool were analyzed comparatively, using the NCEP/NCAR reanalysis daily data. The strong (weak) heat sou…     

初夏东亚-太平洋大气热源与长江流域及邻近地区7、8月降水异常的关系

用1958～2000年NCEP/NCAR再分析资料、中国160站降水量及1958～1998年月平均海温资料分析了中国夏季相邻月份降水异常型的相关特征，及其与大气热源的关系和相关物理过程。结果表明，7月长江流域的降水异常与8月长江和黄河之间地区的降水异常有很好的同号性。7、8月长江流域及附近地区持续性偏旱（涝）与太平洋洋盆尺度的大气热源异常有关，并与前期5、6月热带中、东太平洋大范围的热源异常、青藏高原热源异常也有密切的联系，即当5、 6月赤道东太平洋的大气热源正异常，而赤道中太平洋北侧的热源负异常，则中国7月长江中下游偏涝，8月长江中上游与江淮流域和内蒙古东部偏涝，华南偏旱；反之亦然。前期热带中、东太平洋上空的热源异常中心和与之联系的异常垂直运动中心的西扩和西移，以及青藏高原东部的热源异常中心是影响我国7、8月持续偏旱（涝）的重要环流异常特征。另外，南海－西太平洋海温在前期也已经具有我国夏季长江流域发生旱涝对应的同期海温异常分布型的特征。     

春季青藏高原大气热源与长江中下游盛夏高温的关系

利用1961—2013年长江中下游地区盛夏(7—8月)日极端最高气温和NCEP/NCAR再分析逐日资料,分析了春季(4—5月)青藏高原大气热源特征,找到了影响长江中下游盛夏高温的热源关键区域,并就关键区大气热源对长江中下游盛夏高温的影响进行了诊断。结果表明:春季青藏高原主体中南部大气热源与长江中下游盛夏高温关系密切,当该区域大气热源偏弱(强),长江中下游盛夏高温日数偏多(少)的可能性大。当春季青藏高原关键区大气热源偏弱(强)时,春季南海到西太平洋暖池对流偏强(偏弱),南海上空为气旋性(反气旋性)异常环流,西太平洋副热带高压偏东(西),有利于南海夏季风爆发偏早(晚),往往有利于盛夏西太平洋副热带高压位置偏北(南),从而导致长江中下游盛夏高温日数偏多(偏少)。春季青藏高原关键区大气热源可以作为长江中下游盛夏高温的一个前期预报因子。     

The Impact of Atmospheric Heat Sources over the Eastern Tibetan Plateau and the Tropical Western Pacific on the Summer Rainfall over the Yangtze-River Basin

The variability of the summer rainfall over China is analyzed using the EOF procedure with a new parameter （namely, mode station variance percentage） based on 1951-2000 summer rainfall data from 160 stations in China. Compared with mode variance friction, the mode station variance percentage not only reveals more localized characteristics of the variability of the summer rainfall, but also helps to distinguish the regions with a high degree of dominant EOF modes representing the analyzed observational variable. The atmospheric circulation diagnostic studies with the NCEP/NCAR reanalysis daily data from 1966 to 2000 show that in summer, abundant （scarce） rainfall in the belt-area from the upper-middle reaches of the Yangtze River northeastward to the Huaihe River basin is linked to strong （weak） heat sources over the eastern Tibetan Plateau, while the abundant （scarce） rainfall in the area to the south of the middle-lower reaches of the Yangtze River is closely linked to the weak （strong） heat sources over the tropical western Pacific.     

中国东部夏季主要降水型与高原春季热力因子间的关系

采用中国地面气象观测站2 474个站的降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,利用经验正交函数展开、相关分析和小波分析等方法,探讨了中国东部夏季主要降水型与春季高原大气视热源之间的可能相关特征,并初步分析了前春高原大气加热对东部夏季降水异常分布的影响机制。降水EOF分析表明,中国东部夏季降水主要分为:华南—江淮型和长江中下游型;相关和周期分析表明,300 hPa和400 hPa高原南部地区、500 hPa高原北部地区视热源与华南—江淮降水型之间相关显著,3个区域视热源均与华南降水呈负相关,且与江淮降水呈正相关;200 hPa高原偏北地区、500 hPa高原东部地区视热源与长江中下游地区降水呈负相关,而500 hPa高原西部地区视热源则与长江中下游降水呈正相关关系。以上春季高原不同高度关键区域的视热源可为预报夏季降水提供重要判据;从视热源与各个降水中心的相关特征可见,春季高原上空视热源加热场结构会影响中国东部夏季雨带南北位置的分布情况。由春至夏高原加热的"气泵"作用,使得由孟加拉湾和南海地区水汽输送经高原东部地区后,折向东输送至中国大陆东部地区。加热偏强时,水汽向北输送分量加强,雨带偏北,降水"南少北多",反之亦然。     

夏季青藏高原东南部水汽收支气候特征及其影响

采用1961—2005年NCEP/NCAR再分析资料, 研究了夏季青藏高原东南部水汽收支的气候特征及其影响效应。结果表明:夏季青藏高原东南部总体上是一个水汽汇区, 平均总收入为39.9×106 kg/s。东亚夏季风的建立、推进对青藏高原东南部的水汽输入有重要影响, 而青藏高原东南部的水汽输出则与夏季我国东部雨带的推进过程密切相关。该区对周边地区的水汽收支有重要影响, 是向我国西北地区东部、长江中下游地区输送水汽的重要通道, 青藏高原东南部的水汽“转运站”效应是长江中下游流域洪涝和北方夏季干旱异常的关键因子之一。青藏高原东南部东、北边界夏季水汽收支均具有准两年周期振荡特征, 并分别与长江中下游、西北地区东部夏季降水的准两年振荡特征具有一定的联系。     

REGIONAL CHARACTERISTICS OF SUMMER PRECIPITATION ANOMALIES OVER CHINA*

The regional characteristics of precipitation anomalies of total summer precipitation of June,July and August and individual monthly precipitation are analyzed by using the method of Varimax EOF and correlation analysis.The data set used is the precipitation of a 5°Lat.×5°Long.spatial uniform network over China in the period of 1959 to 1994.The analysis of total summer precipitation shows that the most significant regional characteristic is the existence of negative correlation in precipitation anomalies between the lower reaches of the Changjiang River and the Huaihe River Valley(the LRCH region) and the middle reaches of the Huanghe River Valley(the MRH region),and between the LRCH region and South China.The precipitation anomaly over the Sichuan Basin is negatively correlated with that over eastern part of Qinghai-Xizang Plateau and that over the LRCH region.The regional characteristics of summer precipitation anomalies in western China are that there exists negative correlation between the summer precipitation anomalies over the southern part of the central and eastern Qinghai-Xizang Plateau and that over its northern part.There also exists positive correlation between the southern part of the central and eastern Qinghai-Xizang Plateau and the eastern part of North China and the southern part of Northeast China.The above spatial correlation modes have significant periods of about 3 years and ten years.The analysis of the monthly precipitation shows that in June there exists positive correlation among the precipitation anomalies over the LRCH region,the eastern part of North China and Northeast China.In July,the precipitations in the MRH region and the LRCH region are negatively correlated.The regional characteristic of precipitation anomalies in August is very similar to that of the total summer precipitation anomalies.     

Spatial and temporal characteristics of wet spells in the Yangtze River Basin from 1961 to 2003

Daily precipitation records of 147 meteorological stations over the Yangtze River Basin have permitted a detailed analysis of the spatio-temporal distribution of wet spells during the period 1961–2003 by distinguishing average daily amount thresholds of 90th and 95th percentiles. The analysis are based on several time series, namely the number of the days in wet spells, the longest wet spell and the precipitation amount in wet spells. Time series trends analyses are compiled for each station by means of the Mann-Kendall test, for four sub-regions. The results show that the annual precipitation in wet spells is higher in the southeast area and the eastern Tibetan Plateau than in the other parts. The longest wet spells are found in the eastern Tibetan Plateau for both the thresholds. The indices in wet spells for most stations have no significant trends. In contrast, only some stations in eastern Tibetan Plateau and the lower Yangtze River Basin increase significantly, while some in the middle reaches show significant decreasing trends. The regional trends analysis presents a noticeable downward trend in the middle Yangtze River Basin and upward trends in the eastern Tibetan Plateau for both 90th and 95th percentiles, however, the upward trend in the lower Yangtze River Basin and downward trends in the upper Jinshajiang River Basin are not significant.