An Assessment of the Quality of Surface Sensible Heat Flux Derived from Reanalysis Data through Comparison with Station Observations in Northwest China

The present study compares seasonal and interdecadal variations in surface sensible heat flux over Northwest China between station observations and ERA-40 and NCEP-NCAR reanalysis data for the period 1960-2000.While the seasonal variation in sensible heat flux is found to be consistent between station observations and the two reanalysis datasets,both land-air temperatures difference and surface wind speed show remarkable systematic differences.The sensible heat flux displays obvious interdecadal variability that is season-dependent.In the ERA-40 data,the sensible heat flux in spring,fall,and winter shows interdecadal variations that are similar to observations.In the NCEP-NCAR reanalysis data,sensible heat flux variations are inconsistent with and sometimes even opposite to observations.While surface wind speeds from the NCEP-NCAR reanalysis data show interdecadal changes consistent with station observations,variations in land-air temperature difference differ greatly from the observed dataset.In terms of land-air temperature difference and surface wind speed,almost no consistency with observations can be identified in the ERA-40 data,apart from the land-air temperature difference in fall and winter.These inconsistencies pose a major obstacle to the application in climate studies of surface sensible heat flux derived from reanalysis data.     

中国西北干旱、 半干旱区感热的年代际变化特征及其与中国夏季降水的关系

利用1951～2000年我国西北干旱、 半干旱区地温、 气温和表面风场逐日4个时次 (02、 08、 14和20时) 的台站观测资料, 计算并分析了我国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热的年代际变化特征。分析结果表明: 中国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热输送出现相反的年代际变化特征, 春季感热从20世纪70年代中期开始增强, 而夏季感热却减弱了。并且还分析了中国西北干旱、 半干旱区4月感热与中国夏季降水的相关关系, 其结果表明了中国西北干旱、 半干旱区的春季感热输送与中国夏季降水有很好的相关关系, 其中正相关区分别位于东北地区和长江中下游地区, 而负相关区分别位于华北地区和西南地区。作者还利用欧洲中心 (ECMWF) 1958～2000年再分析资料分析水平和垂直环流的年代际变化特征, 在1977～2000年期间, 中国西北地区春季感热增强, 使此地区上升气流增强, 华北地区上空下沉气流增强, 不利于华北地区夏季降水偏多, 并出现持续性干旱, 而长江流域的上升气流增强有利于长江中下游地区夏季降水增多, 出现洪涝。因此, 西北地区春季感热异常可以作为我国夏季降水的一个预报因子。     

卫星遥感结合气象资料计算的西北干旱区地面感热特征分析

选取1981年7月-2006年12月美国国家海洋和大气局(NOAA)系列卫星观测的归一化植被指数(NDVI)资料和Ch-INDV参数化关系式,计算了我国西北干旱区84个测站历年各月的地表热力输送系数Ch值和地面感热通量序列,得到如下主要结论:(1)西北干旱区地面感热通量实际计算值与ERA-40再分析感热资料相比,两者在数值大小、分布形势和年际变化趋势上均较一致,感热实际计算值的空间分布更明显地突出了各气象站所在区域的局地特征。(2)西北干旱区地面感热输送呈单峰型年变化特征,春、夏季非常强,秋、冬季较弱;大部分区域全年均为正值,地表为感热源。(3)以97.5°E为界,西北干旱区东、西部具有不同的年际变化趋势,东部的地面感热四季均有逐年增加的趋势,而西部秋、冬季逐年略有增加,春、夏季逐年减弱明显,气候倾向率分别为-1.15 W.m-2.(10a)-1和-2.08W.m-2.(10a)-1。(4)西北干旱区地面感热输送具有明显的年代际变化特征,1980年代总体偏强,1990年代总体偏弱,2000年以来,西北地区中部的感热输送偏弱,东、西部除个别测站外均偏强。(5)西北干旱区的感热变化并不只由地气温差的变化来决定,它与地面风速和地表状况的变化也有较强的依赖关系。在冬季,主要响应地气温差的变化,春季地面风速和地气温差的影响作用同等重要,夏季以地面风速的影响为主,地气温差的影响次之,秋季与夏季相反。另外,夏季地表状况对感热的影响作用也不容忽视。     

欧亚大陆干旱半干旱区感热通量的时空变化特征

利用1958—2002年ERA-40再分析感热通量资料进行EOF分析,结果显示,无论春季还是夏季,欧亚大陆干旱半干旱区感热通量都有3个主模态。第1模态都表示空间分布的一致性,20世纪70年代中后期开始,欧亚大陆干旱半干旱区春季感热通量明显增强,而夏季却明显减弱。第2、3模态表示了空间分布的不一致性,且存在年际、年代际变化特征。小波分析结果表明,欧亚大陆春、夏季感热通量存在明显的年际、年代际变化特征,且年代际变化信号强于年际变化信号。     

Regional differences in surface sensible and latent heat fluxes in China

This study documents the variability of surface sensible and latent heat fluxes in five regions of China (Northwest China, the Tibetan Plateau, Northeast China, North China, and Southeast China) using the ERA-40 reanalysis for the years 1960–2000. The surface sensible and latent heat flux variations are remarkably different in Northwest and Southeast China. The seasonal variation of the surface sensible heat fluxes is largest in Northwest China and smallest in Southeast China. In contrast, the seasonal variation in latent heat flux is largest in Southeast China and smallest in Northwest China. The interdecadal variation of surface sensible and surface latent heat fluxes strongly depends on both the region and season. The trends in surface sensible and latent heat fluxes in all four seasons are mainly caused by variations in both the land–air temperature difference and in the specific humidity. There is also a limited contribution of wind speed in some regions, depending on the season.     

Variability of Surface Sensible Heat Flux over Northwest China

The present study documents the variability of surface sensible heat flux over Northwest China using station observations for the period 1961 2000.It is found that the afternoon and nighttime sensible heat flux variations are remarkably different.The variability of the instant flux in the afternoon is much larger than in the nighttime.The afternoon and nighttime flux anomalies tend to be opposite.The diurnal and seasonal dependence of sensible heat flux variations is closely related to the diurnal cycle of mean land-air temperature difference.The relationship of sensible heat flux with land-air temperature difference based on the instant value differs from that based on the daily mean.The present study indicates the importance for the models to properly simulate mean land-air temperature difference and its diurnal and seasonal variations in order to capture surface sensible heat flux variability over Northwest China and predicts its plausible impacts on climate.     

Interdecadal Variations of the Western Pacific Subtropical High and Surface Heat Flux over East Asia and Their Relationship

The interdecadal variation of intensity of the western Pacific subtropical high(WPSH) during the period 1951-2001 is studied by using data from the National Climate Center(NCC),China Meteorological Administration.The characteristics of the circulations at 500 hPa and the surface heat flux over East Asia are also analyzed based on the NCEP/NCAR monthly reanalysis data.The results reveal that the WPSH and the circulations exhibit interdecadal variations around 1978,with enhancing intensities.The interseasonal persistence of the WPSH intensity alters correspondingly to some extent,which is more significant during 1978-2001 than during 1951-1978.The surface heat flux over East Asia also displays a remarkable interdecadal variation,which leads that of the WPSH intensity.The key variation areas of the surface sensible heat flux(SSHF) are mainly located over the eastern and western Tibetan Plateau around the late 1960s.However,the difference of the SSHF between the eastern and western Plateau exhibits a change in the mid 1970s,close to the time of the abrupt climate change of the WPSH intensity.The SSHF of the Plateau stably increases in the west and decreases in the east before the mid-late 1960s,while it stably increases in the east and decreases in the west after the mid-1970s.On the other hand,the key variation area of the surface latent heat flux(SLHF) is mainly situated over the West Pacific(WP),where the SLHF anomaly in spring changes from positive to negative in the south before 1978,but from negative to positive in the north after 1978;while in summer it turns from positive to negative all over the WP after 1978.The interdecadal variation of SLHF in both spring and summer corresponds well to the interdecadal variation of the WPSH intensity in the same season.The notable correlation between the WPSH intensity and SSHF(or SLHF) maintains without any change although each of these qnantities varies on the interdecadal scale.     

中国西北干旱、半干旱区春季地气温差的年代际变化特征及其对华北夏季降水年代际变化的影响

利用我国1951~2000年夏季降水观测资料分析了我国夏季降水的年代际变化特征,表明了我国夏季降水在1976年前后发生了一次明显的气候跃变,在1976年之后华北地区和黄河流域夏季降水明显减少,出现了严重持续干旱,而西北地区从20世纪70年代后期开始,降水增多,且西北地区降水振荡位相要超前于华北地区降水振荡位相5~8年。并且,本文从1960~2000年我国西北干旱、半干旱区的地温、气温观测资料分析了我国西北干旱、半干旱地区的地气温差(Ts-Ta)的变化特征,其结果表明了在20世纪70年代后期以前,我国西北干旱、半干旱地区的地气温差大部分年份偏低,低于平均值,而从70年代后期之后到2000年,我国西北干旱、半干旱地区的地气温差偏高。此外,本文还分析了西北干旱区地气温差变化的最大地区新疆西部春季地气温差与我国夏季降水的相关关系,其正相关区分别位于西北地区、东北地区和长江流域,而负相关区分别位于华北地区东部和西南地区,这表明我国西北干旱、半干旱区春季地气温差可能是华北地区夏季降水年代际变化的原因之一。     

INTERDECADAL VARIATION OF THE INTENSITY OF SOUTH ASIAN HIGH

The characteristics and possible physical mechanism of interdecadal variation of the intensity of the South Asian High (SAH) in summer are analyzed using the NCEP/NCAR reanalysis data and NOAA extended reconstructed sea surface temperature (SST) data. The results indicate that a remarkable interdecadal transition occurred in the late 1970s that increased the intensity of SAH, or, an abrupt climate change was around 1978. A comparative analysis between the weak and strong period of the SAH intensity shows that the related anomalous patterns of the atmospheric circulation (including wind field, air temperature field and vertical velocity field) are nearly opposite to each other. The surface latent heat flux anomalies over the plateau (especially in the northwest of the plateau) in summer exert great influence on the interdecadal variation of the SAH intensity and the surface sensible heat flux anomalies play a more important role. Consistent with the interdecadal variation of the SAH intensity, the monopole mode of the tropical Indian Ocean SST in summer also experienced a low to high transition in the late 1970s. To some extent, this can reveal the impact of the anomalous monopole mode of the tropical Indian Ocean SST in summer on interdecadal variation of the SAH.     

Interdecadal Change in Extreme Precipitation over South China and Its Mechanism

Based on the daily precipitation data taken from 17 stations over South China during the period of 1961--2003, a sudden change in summer extreme precipitation events over South China in the early 1990s along with the possible mechanism connected with the anomalies of the latent heat flux over the South China Sea and the sensible heat flux over the Indochina peninsula are examined. The results show that both the annual and summer extreme precipitation events have obvious interdecadal variations and have increased significantly since the early 1990s. Moreover, the latent heat flux over the South China Sea and the sensible heat flux over the Indochina peninsula also have obvious interdecadal variations consistent with that of the extreme precipitation, and influence different months' extreme precipitation, respectively. Their effects are achieved by the interdecadal increases of the strengthening convection over South China through the South China Sea Summer Monsoon.     

青藏高原中东部地区地表感热通量的时空变化特征

基于1970—2015年青藏高原地区78个站点的观测资料,应用物理方法计算了高原中东部地区的感热通量。利用小波分析、相关性分析等研究了高原中东部感热通量的时空特征和影响因子。结果表明,高原年平均和春夏季节,感热通量周期为3~4 a,而秋冬季节为2~3 a;感热通量的变化趋势为,1970—1980年和2001—2015年感热通量呈增加趋势,而1981—2000年呈减小趋势;高原年平均和各季节的最强感热加热中心均位于高原南坡E区（除冬季外),最弱加热区域位于高原西北部A区（夏季除外);高原春秋季节感热通量的空间分布均匀,冬夏季节有明显的梯度分布且梯度相反,夏季呈现自东到西的梯度;春季、夏季及秋季,高原感热通量和降水呈负相关;高原10 m风速的极值中心随季节北上南撤变化与地气温差的强弱变化共同决定了感热通量的季节变化。     

近百年中国东部夏季降水年代际变化特征及其原因

本文利用测站降水观测资料分析过去一百多年中国东部华北、长江流域以及华南夏季降水的年代际变化特征发现,尽管这三个地区的夏季降水具有不同的年代际转折时期,但是均同时在1910年代初期、1920年代初期、1940年代中期、1960年代中期、1970年代末期以及1990年代初期发生了跃变。近一百年间不同年代际时期东部夏季降水的分布型主要以南正北负或者南负北正的偶极型为主,并且无论是偶极型分布还是三极型分布,两个相邻年代际时期中国东部降水分布型发生完全反向变化的概率较高（60%）。此外,夏季的PDO、冬季的AO以及春季的北极海冰也同时在1920年代末期、1940年代中期、1970年代末期以及1990年代中期左右发生了跃变,这几次跃变时期与中国东部三个不同地区夏季降水发生跃变的时期一致,表现出近百年来太平洋年代振荡（PDO）、北极涛动（AO）以及北极海冰这三个因子对中国东部夏季降水年代际变化的协同作用。在年代际时间尺度上,夏季的PDO与华北夏季降水显著负相关。PDO的年代际变化能够在500 hPa位势高度场中激发出太平洋—日本（PJ）型年代际遥相关波列;同时在850 hPa风场中激发出类似于影响华北夏季降水年代际变化的大气环流型,从而影响华北降水的年代际变化。冬半年的AO与长江流域夏季降水存在显著正相关关系。冬季到春季正位相的AO导致亚洲大陆南部处于湿冷状态,土壤湿度的记忆性可将这种状态延续到夏季。因此,夏季海陆热力对比减弱,东亚夏季风发生年代际减弱,相应地长江流域的降水年代际增多。春季北极海冰与华南夏季降水显著负相关,北极海冰的年代际异常能在500 hPa位势高度场中激发出与静止Rossby波异常传播相联系的欧亚—华南年代际遥相关波列,从而影响华南降水的年代际变化。     

1960—2019年山西省地面风速变化分析

利用山西省1960—2019年108个地面气象观测站的风速观测资料,采用线性拟合、M-K检验等方法分析了近60年山西省地面风速的变化特征。结果表明:山西省晋西北及西部山区、晋中市北部、长治市东南部、运城盆地西南部等地风速较大,中部断陷盆地区风速较小;春季风速最大,冬季和夏季次之,秋季最小;近60年山西省年和四季平均风速变化趋势和阶段特征较为明显,20世纪60—70年代前期,风速为增加趋势,之后到80年代末期减少趋势明显,90年代开始风速减少趋势变缓;而冬季风速则自1990年之后显著增加。经M-K检验可知,年、春、夏和秋季平均风速突变时间点均在20世纪80年代初,年和秋季在1982年、春季和夏季在1984年;冬季则没有显著突变发生。     

SPATIO-TEMPORAL VARIATION OF SENSIBLE HEAT FLUX OVER SOUTHERN CHINA

The spatio-temporal variation of surface sensible heat flux (SHF) in southern China (SC) is studied based on the data evaluated from conventional observational meteorological data. There exist prominent increasing trends in all seasonal surface sensible heat fluxes in the western SC and decreasing trends in the central-eastern part of southern China. The variations of surface sensible heat flux in all seasons are dominant on interannual time-scales. The land-air temperature difference and the near-surface wind speed are two key factors for the interannual variations of SHF, but the former is more important. The first two major anomalous patterns of SHF are presented as the region-wide in-phase anomalies and the east-west dipole anomalies, respectively, based on the EOF analysis results.     

中国西北夏季气温变化及其对青藏高原地面感热异常响应的诊断与数值试验

利用陕、甘、宁、青、新五省（区）９０个测站,１９６０～１９９０年历年夏季月平均气温,采用主成分分析、旋转主成分分析和全球大气环流模式,对中国西北夏季气温变化的时空异常特征及其对青藏高原地面感热通量强弱变化的响应进行了诊断分析和数值试验。结果表明：中国西北地区气温变化在空间上具有较好的一致性,但由于地形和下垫面的影响,夏季气温异常主要表现为６种气候类型（区）,即青海高原区、河套区、北疆区、渭水流域区、南疆西部区、东疆－河西走廊区。５０年代以来气温演变的主要特点是除青海高原和北疆外的西北大部分地方夏季由暖变冷。当北半球５００ｈＰａ高度距平场呈欧亚型振荡,则有利于中国西北大范围气温偏高（低）。青藏高原地面感热通量的异常增强,可引起西北夏季西部偏暖,东部偏冷。     

太平洋—日本遥相关型的年代际变化特征及其成因

本文首先利用NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料以及中国753站降水资料对太平洋—日本(Pacific-Japan,简称P-J)遥相关型在上世纪70年代末期气候突变前后的年代际变化特征进行了分析研究。结果表明,在气候突变前后,P-J遥相关型的位置发生了显著的变化,气候突变以后其位置明显向西向南偏移。这种位置的变化同样也反映在纬向风场、高度场上。研究结果还表明,气候突变前后P-J遥相关型的年代际变化与热带太平洋和印度洋海温变化有关。气候突变之前,P-J遥相关型的变化与前期热带太平洋和印度洋海温不存在显著的相关;但在气候突变之后,P-J遥相关型与前期冬春季的热带太平洋、印度洋海温之间存在大范围的显著相关区。这种P-J遥相关型与热带太平洋、印度洋海温相关关系的年代改变可能与1970年代中期以后赤道中东太平洋海温变化振幅明显增强有关。随后,本文采用一个高分辨率的大气环流模式,通过一系列的数值试验也进一步证实了1970年代末期热带太平洋和印度洋海温的年代际变化确实可致使P-J遥相关型位置发生相应的改变。     

商丘近44年蒸发量变化及其影响因子分析

利用商丘市8个台站1961~2004年的20 cm口径蒸发皿资料,进行蒸发量的年际变化、年代际变化、季节变化以及月分布的分析,结果显示蒸发量存在显著的减少趋势。年际间减少趋势通过了99%的置信度水平,各季节蒸发量以春季和夏季减少最为明显。同时还分析了近44年来日照、风速和温度的变化趋势,并计算了这些气象因子与蒸发量变化的相关系数。分析表明日照时数减少和风速减小是造成商丘市蒸发量下降的主要因素,而气温上升对蒸发量的影响不十分明显。     

东海黑潮区潜热变化对中国春季降水的影响及其影响过程

本文利用美国NCEP/NCAR再分析资料、哈德来(Hadley)中心海温数据、国家气候中心的观测站降水和客观分析海气通量(OAFlux)潜热感热通量资料,研究了1960~2010年春季黑潮区潜热输送对中国春季降水的影响及其影响过程。本文以黑潮流经的中国东部海域及邻近海域为研究对象,该区域是黑潮的主体区域,在文中简称为东海黑潮区。对中国东海以及邻近海域海温与降水的分析表明,在夏季该区域可能以大气强迫海洋为主,而在春冬两季可能主要为海洋强迫大气为主,秋季则可能为不明显的海气相互作用。在春季西北太平洋区域中感热和潜热都对黑潮流经的区域有比较好的敏感性,黑潮流经区域感热和潜热的气候平均值分别约为30 W m-2与120 W m-2;春季的感热通量标准差大值区主要集中在日本以西区域,潜热通量标准差主要集中在中国东海区域与日本东南区域(即东海黑潮区域)。春季潜热EOF第一模态的主要变化就集中在东海黑潮流域。相关分析与合成分析的结果表明,当黑潮潜热指数为正时,华南地区春季降水偏多,长江以北地区偏少,反之亦然。在物理过程分析中,黑潮潜热指数大于0.8时,长江以南的中国大陆有比较强盛的异常北风,使得水汽无法输送到更北的地区,导致在华南地区水汽的积累,并且在海面出现有利于降水的垂直运动异常延伸到大陆上,使华南地区降水增多,而长江以北的东部地区由于水汽输送偏弱,导致水汽积累偏少,从而降水减少。当黑潮指数小于-0.8时,有较强盛的异常南风,有利于水汽输送到北方地区,水汽在华北地区积累,导致长江以北出现降水正异常,而华南地区由于南风偏强,水汽输送加强,导致水汽无法在此区域积累,并且出现不利于降水的垂直运动异常,从而导致降水偏少。     

20世纪80～90年代我国气候增暖进程的统计事实

运用统计诊断方法分析了近50年来我国年平均及四季的气温变化特征，重点研究了20世纪90年代和80年代气温变化的主要差异及其增暖进程。结果表明，我国年平均气温是呈上升趋势的，但80年代以前年代际变化并不明显, 升温幅度不大。我国气候增暖始于20世纪80年代后期，90年代增暖加速，急剧增暖的主要原因是长江流域以南地区经历了由偏冷向偏暖的趋势转变。我国四季气温变化趋势在80～90年代增暖的进程中存在明显差异:其中冬季增暖开始时间最早、幅度最大、持续时间最长；90年代我国气候增暖急剧加速，其原因除了冬季气温持续攀升作用外，春、夏、秋季气温上升, 特别是春、夏季增暖幅度的加大增暖区域的显著扩展也起到很重要的作用。     

我国春夏季地气温差的时空变化特征及其与夏季降水的联系

利用1960~2006年我国地温、气温逐日4个时次[02:00(北京时间,下同)、08:00、14:00和20:00]的和中国降水台站观测资料以及NCEP/NCAR再分析资料,分析了我国春季(3~5月)和夏季(6~8月)地气温差的时空变化特征及其与夏季降水的联系。分析结果表明:我国春季地气温差主要存在着3种空间模态分布,第1模态表现出我国西部地区地气温差为正值,我国东部地区从南至北呈现出"-、+、-、+"空间分布特征;而第2模态则呈现"+、-、+"的空间分布特征;第3模态则表现出一致的空间分布特征。我国夏季地气温差同样存在着3种空间模态分布,第1模态表现出我国东部和西部地区夏季地气温差反相的空间分布特征;第2模态则呈现出"-、+、-"的空间分布特征;而第3模态则表现出"+、-、+、-"的空间分布特征。分析结果进一步表明我国春季和夏季地气温差第1模态与我国长江中下游地区夏季降水均存在正相关关系,而与华北地区出现负相关关系。而且,夏季更加显著。这主要是由于我国东部和西部热力差异增强,有利于在我国东部地区出现西北风异常,这说明东亚夏季风偏弱,不利于水汽向北输送,有利于华北地区降水偏少。并且,在我国东南部地区出现水汽辐合和上升运动,从而有利于我国长江中下游地区夏季降水偏多。