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。     

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。     

青藏高原西侧绕流风系的变化及其与东亚夏季风和我国华北地区夏季降水的关系

从观测资料分析了青藏高原西侧绕流偏北风系的年际和年代际变化及其与东亚夏季风和华北地区夏季降水的关系。研究表明 ,前者对后者有很大影响 ,若夏季青藏高原西侧绕流的偏北风系强 ,则东亚夏季风偏南风分量强 ,且华北地区夏季降水可能偏多 ;相反 ,若夏季青藏高原西侧绕流的偏北风系弱 ,则东亚夏季风的偏南风分量弱 ,且华北地区夏季降水可能偏少。分析结果还表明 ,由于从 1 965年之后 (特别从 1 977年之后 ) ,高原西侧绕流的偏北风系减弱 ,可能导致了东亚夏季风的偏南风分量减弱 ,使得输向华北的水汽大大减弱 ,且引起华北地区降水减少 ,发生了持续严重干旱。     

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。     

新疆夏季降水的环流差异分析

基于1961—2015年夏季6—8月NCEP/NCAR再分析数据和新疆81站逐月降水数据,分析了北疆和南疆夏季降水协同变化和单独变化时的环流差异。结果表明,当新疆夏季降水整体偏多时,中亚上空的异常气旋将阿拉伯海的水汽输送至新疆,西亚副热带急流位置南偏。当南疆夏季降水偏多,北疆夏季降水偏少时,中亚异常气旋南偏,至40°N以南,水汽由阿拉伯海和西北太平洋输送至南疆,急流位置南偏。当北疆夏季降水偏多,南疆夏季降水偏少时,中亚为异常的反气旋,北疆上空存在异常的气旋式切变,水汽由西北太平洋输送至北疆,急流位置北偏,强度加强。当南疆(北疆)夏季降水单独偏多时,中亚40°N以南为异常气旋(反气旋),以北为异常反气旋(气旋),急流位置南偏,水汽由阿拉伯海输送至南疆(北疆)。     

青藏高原东部与其北侧热力差异与高原季风及长江流域夏季降水的关系

利用1961—2011年NCEP/NCAR逐月再分析资料及中国584个地面观测站的逐日降水资料,分析了夏季青藏高原及其附近地区大气热源对青藏高原夏季风及中国夏季降水的影响。结果表明,夏季青藏高原主体东部与其以北地区存在明显的热力差异,对青藏高原夏季风有显著的影响,由此定义了一个青藏高原东部与其北侧热力差异指数。当青藏高原东部与其北侧热力差异指数偏大时,青藏高原夏季风偏强,长江流域的夏季降水偏多;反之,当指数偏小时,青藏高原季风偏弱,长江流域的夏季降水偏少;进一步研究发现,当指数偏大时,南北气流在长江流域辐合,使得来自太平洋上的暖湿水汽与来自高纬度地区的干冷空气在长江流域汇合,增大了该地区的水汽含量,同时由于辐合上升运动加强,导致长江流域降水偏多;当指数偏小时,长江流域上空低层西南风增强,来自印度洋与太平洋上的暖湿水汽更多地往华北地区输送,长江流域的水汽含量减少,而该地区的辐合上升运动也明显减弱,降水随之减少。     

高原夏季风对中国夏季极端降水的影响研究

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料和571站逐日降水资料,探讨了高原夏季风对中国夏季极端降水的影响机制。结果表明:(1)高原夏季风强(弱),东北、黄河河套、华南和四川西部地区夏季极端降水偏少(多),长江流域、南疆、青藏高原东侧边缘地区夏季极端降水偏多(少)。(2)中国东部从北向南呈现出明显纬向带状的"-+-"遥相关型相关分布。(3)中高层环流系统特征、中低层风场特征、水汽输送特征和湿位涡特征是高原夏季风对夏季极端降水影响的物理机制。     

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.     

春季/夏季型El Ni?o对中国夏季降水变化的影响

利用中国气象局160站的逐月降水资料,NCAR/NCEP再分析资料以及美国CPC提供的Ni?o3. 4区指数,对比分析了SP、SU两类El Ni?o事件发展年、衰减年中国夏季降水和东亚环流特征的差异。结果表明:1) SP型El Ni?o事件发展年全国以少雨为主要特征,衰减年降水呈"北多南少"分布; SU型发展年,降水异常呈"三明治"型分布特征,衰减年降水偏多区域增大。2) 850 h Pa风场上,SP型El Ni?o事件发展年夏季风偏强,但反气旋性风场异常位置偏东偏北,衰减年夏季风还保持强劲,且反气旋性风场异常偏西偏南;而SU型发展年东亚夏季风偏弱,衰减年夏季风偏强。3) 500 hPa高度场上,SP型事件发展年夏季,我国受东亚夏季风影响总体偏弱,来自低纬地区的暖湿水汽向我国大陆输送不足;衰减年,受偏强东亚夏季风影响,来自低纬地区的暖湿水汽向我国腹地输送。SU型发展年,受相对活跃的冷空气影响,内蒙到华北地区多雨;衰减年,受偏强夏季风影响,冷暖气流在我国黄河及以北地区交汇。4)比较两类El Ni?o事件发生时对流层低层和高层特征表明:在SP型事件发展年,我国大陆上空,除内蒙和东北外,基本为下沉异常,衰减年基本为上升异常;在SU型发展年,我国大陆上空皆为显著的下沉异常,衰减年为弱下沉异常,但在偏强夏季风的作用下,降水偏多区域增大了。     

欧亚大陆夏季地表热力异常与同期中国东部夏季降水的可能联系

利用ERA-40再分析资料、CRU TS3.0数据集以及中国站点观测数据,分析了欧亚大陆夏季地表热力异常的变化特征,在此基础上探讨了我国东部夏季降水与同期欧亚大陆地表热力异常之间的可能联系。研究发现,欧亚大陆地表气温与浅层土壤温度的大尺度变化特征基本一致:经验正交函数分解第一模态空间型表现为大陆西南部分区域与欧亚大陆其他区域反相变化,对应的时间系数均在20世纪80年代末出现转折。当夏季欧亚中纬度印度以北地区和我国中东部地区地表气温偏高时,东亚夏季风的强度偏强,西太平洋副热带高压位置偏东,我国东部偏南风偏强,江淮流域水汽偏少,且气流上升运动偏弱,降水偏少;华南和北方地区水汽偏多,且气流上升运动偏强,降水偏多;反之亦然。当欧亚大陆中高纬贝加尔湖以东及以西地区夏季地表气温偏高,而我国东北部地区夏季地表气温偏低时,东亚夏季风的强度偏强,西太平洋副热带高压位置偏西,我国东南部地区偏南风异常偏强,有利于水汽向江淮流域输送,东南沿海及内蒙古中部水汽偏少,且气流上升运动偏弱,降水偏少;而东部其余地区水汽偏多,且气流上升运动偏强,降水偏多;反之亦然。     

西北东部夏季极端干旱事件机理分析

利用国家气候中心提供的1951—2012年逐日降水、温度、综合气象干旱指数、逐月NCEP/NCAR再分析资料等,采用REOF分析、动力诊断、相关分析以及合成分析等方法,从大气环流异常特征、高空急流与季风异常等方面揭示西北东部夏季极端干旱事件的可能机理。研究发现西北东部夏季发生极端干旱时,副热带急流轴"倾斜",且急流与东亚夏季风强度均处于相对偏弱阶段。极端干旱的成因研究表明:急流轴"倾斜"及其强度减弱导致西北东部地区高层大范围的异常辐合;该地区为水汽源区,对流层整层水汽收支显著亏损;此外,该地区低层盛行来自内陆干旱区的异常西南风,东亚夏季风强度偏弱,高低层配置及大尺度环流形势不利于降水产生。     

东亚夏季风与北太平洋SSTA关系的年代际变化特征及其机制研究

利用NCEP／NCAR提供的40年再分析资料和英国气象局提供的海温资料以及中国气象局整编的160站降水资料，分析了东亚夏季风以及我国华北夏季降水的年代际变化特征及其与北太平洋SSTA的关系，提出了东亚存季风在70年代中期发生显著变化，1976年前东亚夏季风偏强，受其影响华北地区夏季降水偏多，1976年以后，东亚转为弱夏季风阶段，华北地区进入少雨期，研究表明，1976年前北太平洋SSTA对大气作用显著，北太平洋海温异常对大圆波列会产生一种年际尺度的“刺激”作用叠加在年代际背景上，加强或减弱波列强度，造成强夏季风段结北夏季降水偏多气候态下的年际变化，1976年后，北太平洋地区海气温差小，海温对大气加热作用不明显，因此北太平洋海温异常通过大圆波列与东亚夏季风的联系也变得淡漠，对我国华北地区夏季降水的影响不再显著。     

太平洋湍流热通量异常与中国夏季降水年代际变化

采用NCEP/NCAR再分析感热、潜热资料,利用EOF方法,分析了夏季太平洋湍流热通量年代际变化的时空特征及其与中国夏季降水的关系。分析结果显示,1951—2003年夏季太平洋湍流热通量距平的年代际分量的EOF前3个模态的方差贡献率分别为32.27%、12.52%、11.10%,且这3个模态分别与中国华北、华南和东北地区夏季降水的年代际关系密切;太平洋湍流热通量年代际异常EOF第1模态的时间系数与东亚夏季风指数年代际变化有显著的负相关。20世纪70年代中期以前,太平洋湍流热通量异常偏多,东亚夏季风偏强,对应华北降水偏多;20世纪70年代中期以后,太平洋湍流热通量异常偏少,东亚夏季风偏弱,对应华北夏季降水减少,干旱化趋势明显。     

2006年东亚夏季风活动特征与我国东部雨带分布

利用1979—2006年NCEP/NCAR大气月平均资料、OLR对流和CMAP降水日平均资料,从季节平均、月平均、季节内振荡不同时间尺度分析了2006年东亚夏季风活动特征及其与雨带分布之间的联系。结果表明,2006年东亚夏季风爆发时间正常,而夏季风推进过程存在异常：前沿在华南地区和华北地区维持时间偏长、在长江流域维持时间偏短,夏季风极端北界偏北,这种推进异常与南海夏季风强度偏强有关。南海夏季风强度偏强及推进过程异常导致东亚夏季(6—8月)降水为Ⅰ类雨带分布,即长江流域降水偏少,华南、黄淮流域-朝鲜半岛-日本中南部降水偏多。从月时间尺度看,2006夏季各月都具有南海地区夏季风强度偏强、前沿位置偏北和偏东的异常趋势;西太平洋副热带高压6月偏西偏南,7、8月偏北,在这种异常形势下,长江流域6、7、8各月降水都偏少,华南地区各月以偏多为主,黄淮流域7、8月降水偏多。从季节内振荡看,2006年大气季节内振荡(ISO)纬向传播与气候平均相比具有特殊性,长江流域纬度带西传波和静止波偏弱,华南地区纬度带东传波和静止波偏强,ISO这种异常与夏季长江流域降水偏少、华南降水偏多有关。     

中国东部夏季极端降水事件及大气环流异常分析

主要利用1961~2014年中国东部地区438个台站的逐日降水资料和NCEP/NCAR的再分析资料,从大气内部动力角度对夏季不同极端降水情况下的环境场进行分析,结果表明:对长江中下游地区而言,在极端降水频次偏多年时,850 hPa风场及整层水汽输送距平场均表明东亚夏季风偏弱,有利于更多的水汽输送到长江中下游地区,500 hPa鄂霍次克海阻塞高压持续日数偏多,有利于冷空气南下,200 hPa东亚副热带急流偏南,且30°N以南偏西风异常有利于辐散,而在斜压波包从西北东南向传播为极端降水事件分发生集聚了能量;对华北地区极端降水频次偏多年而言,850 hPa风场及整层的水汽输送距平场均表明东亚夏季风偏强,有利于更多的水汽输送到华北地区,500 hPa高度距平场日本海正距平,贝加尔湖蒙古地区为负距平,华北地区东高西低,200 hPa东亚副热带急流偏北,从而导致我国华北地区极端降水频次偏多,能量传播也为西北东南向。这些结果表明极端降水的变化,与大气内部的动力作用和能量的传播有密切的关系。     

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.     

华北夏季降水异常与华南前汛期降水异常的关系

为改进华北夏季降水异常的预测能力、寻找前期异常信号的监测预测指标,本文利用1961-2020年华北、华南夏季降水资料,美国环境预报中心和大气科学研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research, NCEP/NCAR）的再分析环流资料、向外长波辐射资料（Outgoing Longwave Radiation, OLR）,采用相关、合成和环流异常回归重构等方法,分析了华南前汛期（5-6月）降水异常与华北夏季（7-8月）降水异常的联系。结果表明：（1）华北夏季（7-8月）降水异常通常与华南前汛期（5-6月）降水异常呈反位相关系,即如果华南前汛期降水偏多,对应华北夏季降水就会偏少,反之亦然。华南前汛期降水异常可以作为华北夏季降水异常监测预测的一个前期指标。东亚夏季风造成对流层低层水汽输送异常和北半球夏季热带低频信号传播造成对流层中低层环流异常是两地降水呈反位相变化的联系机制。（2）在水汽输送方面,如果5-6月东亚副热带夏季风偏强,即东亚西南南风（SSW）显著偏强...     

新的高原季风指数与四川盆地夏季降水的关系

用NCEP/NCAR逐月再分析资料和中国560站月降水资料,定义了一个高原季风指数IPM2。结果表明:与原有高原季风指数相比,该指数与四川盆地夏季降水的相关性更好,能够较好地反映四川盆地夏季降水的异常变化。当高原夏季风偏弱时,巴尔喀什湖至贝加尔湖低压槽、亚洲东岸高压脊、印度低压均加强,同时西太平洋副热带高压偏北,来自孟加拉湾的西南风水汽输送和源于西太平洋的偏南风水汽输送均加强,这种环流形式有利于四川盆地西(东)部夏季降水偏多(少);当高原夏季风偏强时,情况相反。IPM2弱(强)大(小)年与四川盆地西(东)部涝年环流背景相似,表明IPM2能够很好反映四川盆地夏季降水异常的环流场特征。     

东亚夏季风北界与我国夏季降水关系的研究

为了研究东亚夏季风北界与我国东部夏季降水异常的关系,本文利用夏季850 hPa上20°N以北105°~125°E之间平均南风风速2 m/s所在的纬度,定义了一个新的东亚夏季风北界指数。初步分析表明:东亚夏季风北界在1976年之前(含1976年)位置偏北,而1976年之后位置偏南,具有明显的年代际变化,较好地反映了我国东部夏季降水异常分布型的变化。对应于东亚夏季风北界的异常,东亚夏季风强度、西北太平洋副热带高压位置与面积、亚洲大陆热低压等也发生了相应的变化,它们之间的关系如下:东亚夏季风北界位置偏北(南)时,对流层低层亚洲大陆热低压偏强(弱),东亚夏季风偏强(弱),西北太平洋副热带高压位置偏北(南)、面积偏小(大),南亚高压偏弱(强),长江中下游地区气流以下沉(上升)为主,降水偏少(多);华北地区气流以上升(下沉)为主,降水偏多(少)。     

南亚和东亚热带夏季风强弱不同配置及其对中国夏季降水的影响北大核心

利用NOAA向外长波辐射(OLR)、NCEP/NCAR再分析资料和CN05.1降水资料,研究了南亚和东亚热带夏季风强度年际变化关系,及其强弱不同配置对中国夏季降水的影响。结果表明:南亚和东亚热带夏季风强度变化之间存在同相和反相两种配置,定义的强度同相和反相变化指数可以很好地表征该关系。同相变化模态可能与海温异常时的强El Nino(La Nina)影响有关,其反相变化模态受El Nino(La Nina)以及印度洋海盆一致模的影响,同时西太平洋副热带高压和伊朗高压位置东西偏移和强度变化也影响着不同配置的出现。两者不同配置时,对中国夏季降水的影响不同。当变化呈同相偏强时,夏季中国东部地区降水为“中间少南北多”的雨型。当变化呈反相,东亚热带夏季风偏强南亚夏季风偏弱时,夏季中国东部地区降水为“一致偏少”雨型。