大尺度驱动因子对新疆极端冷事件的单一与耦合影响

全球变暖背景下,偶发极端冷事件产生的重大灾害损失不容忽视。探究区域极端冷事件的大尺度驱动因子的耦合影响,对预估和应对气候变化产生的极端灾害具有重要意义。本文基于新疆1961—2016年53个气象站点的逐日气温资料,通过反距离加权等方法对极端冷事件的时空演变特征进行分析;利用交叉小波变换对6个极端冷指数与大尺度驱动因子——北极涛动（AO）、北大西洋涛动（NAO）和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）进行多尺度分析;使用参数假设检验对大尺度驱动因子单一/耦合模态下的冷指数变化进行统计学显著性检验,随后对大尺度环流机制进行距平合成分析。结果表明：年均冷指数在时间尺度上均有显著性变化,新疆气温有明显的变暖趋势;空间尺度上冷指数在北疆、东疆和伊犁河谷地区的变化幅度远大于其他区域,存在空间差异性。AO、NAO与冷指数的相关性较强,ENSO与冷指数相关关系最弱但存在明显的时滞效应,大尺度驱动因子对极端冷指数的总体影响程度为AO>NAO>ENSO。单一模态下,极端冷事件在AO负位相、NAO负位相和La Ni?a事件期间易发生。耦合模态下,EI Ni?o-AO正位相和EI Ni?o-NAO正位相配置下冷日日数偏多;EI Ni?o-NAO负位相配置时极端低温值更小;La Ni?a-AO负位相和La Ni?a-NAO正位相时极端冷事件发生的可能性更大。EI Ni?o（La Ni?a）事件对AO（NAO）有一定的调制作用。新疆极端冷事件更易出现在La Ni?a-AO负位相、La Ni?a-NAO正位相时期,成因与亚欧大陆中高纬度位势异常导致冷空气路径偏西、乌拉尔阻塞加强与偏北气流影响新疆有关。     

青藏高原冬春积雪年际振荡成因分析

通过对高原冬春积雪异常年气温、降水和环流特征的分析,结果发现:从年际变化来讲,高原冬春积雪和冬春气温是明显的负相关,与降水呈正相关,高原冬春积雪的年际变化与前冬11月、12月高原降水的变化基本一致;1983年前,高原冬春积雪的偏多主要对应于高原冬春气温的偏低,积雪的偏少则主要对应于高原冬春降水的偏少;而自1984年后,高原冬春积雪的偏多主要对应于高原冬春降水的偏多,积雪的偏少则主要对应于高原冬春气温的偏高.多雪年前冬,副热带高压明显偏强,欧洲槽加深,乌山脊加强,东亚大槽从东北向西南明显倾斜,我国南海和阿拉伯海西岸各有一反气旋距平环流,而高原南部、印度半岛到孟加拉湾为一明显的气旋距平环流,有利于洋面暖湿气流抬升爬上高原;另一方面,从西伯利亚向我国出现北风距平,同时我国北方地区出现东风距平,这一形势使得西伯利亚冷空气多流向高原,冷暖空气在高原交汇,产生降雪.同时这种冷空气流保证了高原温度偏低,因而冬春高原多雪;少雪年前冬,副热带高压明显偏弱,欧洲槽变浅,乌山脊减弱,东亚大槽比较竖直,南海地区和阿拉伯海为气旋环流距平,而高原南侧为反气旋环流距平,西伯利亚为南风距平,形势基本与多雪年相反.     

青藏高原东部春季感热通量与我国东部气温的年际关系

利用ERA-Interim提供的地表感热、环流场资料和1979-2013年753站中国春季气温观测资料探讨了青藏高原（以下简称高原）东部春季感热通量与我国东部气温的关系。春季高原东部感热与我国东部气温在年际变化上存在密切的相关关系。去除9年滑动平均以后的SVD第一模态结果表明,当高原东部感热出现南弱（强）北强（弱）时,对应我国东北和华南地区的气温异常偏低（高）。当春季高原感热呈现南负北正的分布时,高层200 hPa上,高纬东风异常减弱背景西风有利于冷空气的南下,加之副热带西风急流显著增强,有利于东北地区形成气旋性环流。中低层环流场上,我国北方地区上空为一深厚的东北冷涡所控制,从对流层低层到高层,均呈现较强的气旋式环流分布。一方面,它引导西伯利亚冷空气南下,造成我国东北地区气压异常减弱,气温异常偏低;另一方面,其西侧北风异常阻滞了华南地区上空的背景西南风,不利于暖气流的输送。进一步分析得出,与PC1相关的南北温度差值场上,东亚地区上空从低纬到高纬呈现“负-正-负”的分布形势,有利于副热带西风急流在我国上空的显著增强。气旋中心上暖下冷的结构,导致位涡显著发展并向低层伸展、侵入,增强了对流层中低层的气旋性环流。气旋中心整个对流层为深厚的异常干空气,湿度负值中心与冷中心相对应,表明干冷空气异常下传发展。干侵入使得冷涡加强发展,维持了异常气旋性环流,导致春季东北、华南地区的异常降温。虽然前冬Nino3.4区海温与春季感热相关较好,但其对我国东部春季气温影响并不显著。     

全球气候变暖与未来发展趋势

根据全球及中国气温观测资料分析了近百年全球变暖问题,指出总的变暖趋势对认为温室效应的加剧是气候变暖的原因的意见有利。但温度变化的时空分布则与温室效应的理论结果有不少不一致之处,如变暖的突变性,50年代到70年代的变冷、80年代大洋北部的变冷及中国南部的变冷等。根据代用资料建立的数百年气温序列表明,19世纪是小冰期中的一个冷期。因此,如果从这时开始计算变暖幅度,则可能过高估计了温室效应。     

南极海冰异常对南半球冬春季大气环流影响的年代际变化

南极海冰异常是影响南半球大气环流变化的一个重要因素。南极海冰变率的主要模态被称为南极海冰偶极子(Antarctic Dipole, ADP),具体表现为南极半岛两侧海冰的反相变化。ADP的出现受到厄尔尼诺-南方涛动事件的强烈影响,而过去的研究显示,厄尔尼诺在2000年后由东部型转到中部型,伴随着该转变,南极海冰的异常模态及其对南半球大气环流的影响也发生了年代际变化。通过对前期的南极海冰异常与滞后的南半球冬春季位势高度异常进行最大协方差分析,发现南半球冬季至春季持续性的正位相ADP,在1979—1999年间与南半球春季的负位相南半球环状模(Southern Hemisphere Annular Mode,SAM)显著关联,但在2000—2021年间该相关性较弱,转变为南半球秋季的三极型海冰异常与后期冬季的SAM显著相关。动力诊断证明,ADP及三极型海冰异常均能通过引发高频瞬变涡旋的变化,激发并维持SAM型大气环流异常。     

1961-2005年新疆地区夏季气温的时空变化特征及其与大气环流的关系

利用1961—2005年新疆地区最为齐全的整编台站观测资料集,分析了新疆地区夏季气温的时空变化特征,并探讨了引起这种时空变化的大气环流因子.结果表明:新疆地区的夏季气温首先表现出整体一致性的变化,在过去的45a中全疆气温持续上升,这与全球变暖的大背景相一致.影响新疆全疆夏季气温变化的主要大气环流因子为贝加尔湖附近高压脊的异常,当其偏强时,新疆地区夏季气温偏高,反之则偏低.新疆地区夏季气温第二类变化模态为南、北两疆反向的特征,这种变化模态主要表现在气温的年际时间尺度上.新疆南、北两疆气温反相变化主要是由伊朗高压和乌拉尔地区高压脊的变化所控制.当这两个大气环流系统在新疆地区造成中高层位势高度南北向正负异常时,新疆地区以天山为界夏季气温表现出反向的变化特征.     

一个新的东亚冬季风强度指数及其强弱变化之大气环流场差异

文章提出了一个新的东亚冬季风强度指数,并以此为依据从1948～1999年中挑选出两组强弱冬季风年份,通过合成分析对大气环流场和海表温度场在强弱东亚冬季风年的差异进行了对比分析。结果表明:东亚冬季风强度变化不单纯受局地气候系统影响,而与北半球半球尺度上的大气环流异常紧密相连。相对于弱的情形,强东亚冬季风年份中国大陆中东部及其东部大部分海域在整个对流层盛行偏北风距平、乌拉尔阻高显著加强、欧洲大陆西部维持一个深厚的气旋性异常环流系统、西风带环流偏弱、200hPa层南亚高压偏弱;中国大陆、北极地区、蒙古国大部分地区、欧洲大陆西北部表面温度降低;我国大陆与北太平洋海平面气压差加大;东亚大槽加强。研究还揭示,强东亚冬季风年份对应于北大西洋涛动弱指数,北大西洋和北太平洋海温状况对同期东亚冬季风强弱有着显著的影响     

过去2000年东亚夏季风降水百年际变化特征及成因的模拟研究

利用地球系统模式CESM过去2 000年气候模拟试验结果,探讨了在百年尺度上东亚夏季风降水的时空变化特征及其成因,对于认识百年尺度气候变化规律、区分外强迫因子对东亚季风的影响有着重要的科学意义。研究表明:1东亚夏季风降水与温度基本同相变化,降水存在准100年、准150年和准200年周期。2降水标准化EOF第一模态为由北向南"负—正—负—正"的条带状空间分布,而EOF第二模态基本为全区一致的分布型态。3东亚夏季风降水准100年周期主要受太阳辐射、火山活动和气候系统内部变率的共同影响;准150年周期主要受太阳辐射的影响;准200年周期主要受太阳辐射和火山活动的影响。东亚夏季风降水在温带地区主要受温室气体和土地利用/覆盖的影响;在副热带地区主要受太阳辐射和火山活动的影响;在热带地区主要受太阳辐射、火山活动和气候系统内部变率的影响。     

全新世中国夏季降水量变化的两种模态

根据气候模拟的夏季降水量及古气候湿润度代用资料,指出全新世中国夏季降水量变化存在两种模态。模态1：降水量异常的中心为一个东北－西南向的带; 从东北、内蒙东部、经华北、河套到青藏高原为一正异常中心。模拟结果的EOF分析表明这种模态占模拟的全新世中国夏季降水量变化总方差的75.8%。全新世降水量变化的模拟主要考虑地球轨道要素,其中岁差起着重要作用。因此,这个模态可以称为岁差模。岁差模主要反映近万年全新世降水变化的趋势。模态2：降水量异常分布在中国东部(100°E以东)自北向南表现为负－正－负分布。负异常在内蒙中部到华北,正异常在黄河中游、淮河、到长江流域,江南部分地区又有负异常。这与模拟的大西洋热盐环流减弱所造成的中国夏季降水量异常分布一致。因此,这个模态可能与全新世的气候突变有关,称为气候突变模。覆盖中国的80个代用资料序列给出的9kaB.P.和4kaB.P.干湿分布,证明早全新世气候湿润,晚全新世气候干旱。这种变化趋势主要反映了岁差的影响。同时,4kaB.P.虽然干旱分布广泛,但是长江流域、关中地区到高原东部则有若干气候湿润的指示。这表明4kaB.P.同时受岁差及气候突变的影响。     

青海省冬季气温变化成因及其预测方法探讨

利用青海省1961-2012年冬季气温观测资料、美国环境预报中心(NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)月平均高度场再分析资料、国家气候中心和美国国家海洋局和大气管理局提供的126项环流指数, 探讨青海冬季气温变化特征及成因. 结果表明: 1961-2012年青海冬季气温呈显著上升趋势并具明显的年代际变化特征, 于1986年出现由冷向暖的明显转折; 西伯利亚高压、东亚冬季风是影响青海冬季气温的主要系统. 当冬季北半球500 hPa高度场出现欧亚(EU)遥相关型时, 青海冬季易于偏冷, 同时发现大西洋欧洲区极涡强度和赤道太平洋海域海温与东亚冬季风的强弱有密切关系. 采用主成分回归集成方法初步建立青海冬季气温预测模型, 经历史回报检验其距平符号一致率为87%, 具备一定预报技巧和能力.     

前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常对中国东部春季极端降水频次的可能影响及预测价值

本文研究了前期冬季北极海冰与中国东部春季极端降水频次的联系及其可能机制,并进一步探讨了海冰异常信号对极端降水的预测价值。结果表明,前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常与中国东部春季极端降水频次经验正交分解第一模态(EOF1)之间存在密切联系。当前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常偏多时,冬季大气环流呈现出类北大西洋涛动(NAO)正位相的异常分布,并伴随经向的北大西洋三极型海温异常。该海温异常可以从冬季持续到春季,进而激发出从北大西洋到欧亚中纬度的纬向遥相关波列,在东亚地区引起气旋型环流异常。该气旋型环流异常会引起中国东部地区湿度显著增加,上升运动增强,从而为该地区极端降水的发生提供了有利的背景条件。相反,当前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常偏少时,其滞后引起的春季环流异常则不利于中国东部地区极端降水的发生。进一步的交叉检验结果表明,前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常信号对中国东部春季极端降水具有重要的预测价值。     

末次盛冰期东亚气候的成因检测

在国际古气候模拟比较计划设置的标准试验方案下,首先利用中国科学院大气物理研究所的全球大气环流模式（IAP-AGCM）模拟了末次盛冰期东亚气候状况,然后通过4组数值敏感性试验逐一模拟了大气CO₂浓度、海洋表面温度（SST）和海冰、陆地冰盖和地形、东亚植被变化4项强迫因子的单独气候效应,进而对末次盛冰期东亚气候的成因进行了检测。结果表明,末次盛冰期除华南局部略有升温外,中国年均地表气温显著降低,降温幅度总体上向北增大,青藏高原处存在一个降温中心。其中,SST和海冰变化是华南局部略偏暖的主因,它同时导致了东亚其他区域地表气温的显著降低,特别是在东北亚地区;陆地冰盖和地形变化对于东亚地表气温的显著冷却作用主要体现在东亚的西北部;大气CO₂浓度降低会引起东亚地区0.2～0.9℃的普遍降温;相对而言,东亚植被的降温作用（0.5～1.0℃）主要显现在中国40°N以南的区域。与此同时,SST和海冰变化能引起中国东部年均降水一定程度的减少,而大气CO₂浓度、陆地冰盖和地形、东亚植被单独变化均不会显著影响东亚年均降水的分布状况,然而,上述四项因子的共同变化会通过协同作用引起中国东部年均降水的显著减少,西部地区降水则与现在差别不大。此外,末次盛冰期东亚夏季风的显著减弱源于SST和海冰变化,冬季风变化则可归因于SST和海冰、陆地冰盖和地形的变化。     

The Major Mode of the Shaanxi Thunderstorm and Possible Influence Mechanism

Based on observational data of thunderstorm and lightening of 76 stations in Shaanxi, the National Centers for Environmental Prediction / National Centers for Atmospheric Research (NCEP/NCAR) reanalysis dataset from 1960 to 2010, the major modes of thunderstorm in warm seasons (May to September) of Shaanxi province and mechanism of its possible influence are studied .The results show that:①the thunderstorms show an obvious decreasing trend in the past 51 years, the average thunderstorm days reaching the peak in July, of which 70% occurred in warm season.②There are two dominant modes: EOF1 mode depicting a thunderstorm phase oscillation between the East and the West of Shaanxi province and EOF2 mode describing negative anomaly oscillation between the North and the middle of Shaanxi province and positive anomaly oscillation between Yan’an area and some areas of Southern Shaanxi province. These two modes account for 53.1% and 13.6% of total variance respectively. ③Analysis with Morlet wavelet method indicates that EOF1 mode has an inter annual changing cycle of 3 to 6 years and EOF2 has an interdecadal change cycle of about 15 years.④The meteorological field regression of EOF1 time coefficient shows the West Pacific subtropical high 584 line is located near 30°N ,the flowing of the southwest warm wet airflow to the north increases and the thunderstorms increase in the west of Shaanxi province; the time coefficient regression of EOF2 shows that the Northern Hemisphere polar vortex is weaker and the pressure over Mongolia area is stronger than usual result in the north wind component’s increasing ,which contributes to the formation EOF2. ⑤The important factors influencing Shaanxi thunderstorm spatial mode EOF1 include the location and the strength of Northwest Pacific subtropical high. In the same way, the Northern Hemisphere polar vortex possibly has a close connection with Shaanxi thunderstorm.     

Comparison of temperature change between the westerly and monsoon influencing region in China from 1961 to 2006

Surface air temperature is one of the main factors that can be used to denote climate change. Its variation in the westerly and monsoon-influenced part of China (i.e., North-West and East China) were analyzed by using monthly data during 1961–2006 from 139 and 375 meteorological stations over these two regions, respectively. The method of trend coefficient and variability was utilized to study the consistency and discrepancy of temperature change over North-West and East China. The results suggest that whether for the annual or the seasonal mean variations of temperature, there were consistent striking warming trends based on the background of global warming over North-West and East China. The most obvious warming trends all appeared in winter over the two regions. Except for the period in spring, the annual and seasonal mean warming trends in North-West China are more obvious than those in East China. The annual mean temperature warming rates are 0.34°C per decade and 0.22°C per decade over North-West and East China, respectively. The average seasonal increasing rates in spring, summer, autumn, and winter are 0.22°C per decade, 0.24°C per decade, 0.35°C per decade, and 0.55°C per decade in North-West China, respectively. At the same time, they are 0.25°C per decade, 0.11°C per decade, 0.22°C per decade, and 0.39°C per decade in East China, respectively. The temperature discrepancies of two adjacent decades are positive over the westerlies and monsoonal region, and they are bigger in the westerlies region than those in the monsoonal region. The most significant warming rate is from the North-East Xinjiang Uygur Autonomous Region of China to West Qinghai Province of China in all seasons and annually over the westerlies region. The North and North-East China are the main prominent warming areas over the monsoonal region. The warming rate increases with latitude in the monsoonal region, but this is not the case in the westerlies region.     

青藏高原初春积雪的多尺度变化与北大西洋海温的关系

青藏高原冬、春季积雪变化影响东亚甚至全球春、夏季的环流及气候异常。利用中国西部环境与生态科学数据中心提供的中国雪深长时间序列数据集,美国大气海洋局提供的全球逐月扩展重建海表温度,以及欧洲中期天气预报中心提供的逐月再分析数据,对青藏高原初春（3、4月）积雪的多尺度变化与北大西洋海表温度的关系进行了研究。结果表明,初春青藏高原雪深异常与初春北大西洋关键区海温异常有显著的负相关关系。当初春关键区海温正（负）异常时,初春高原中部偏北腹地地区、东南部地区积雪深度减少（增加）;初春北大西洋关键区海温异常通过激发下游青藏高原上空大气波列以及波作用通量异常来影响高原局地区域的温度和垂直运动,从而影响降雪的产生和积雪的累积。该结果为青藏高原初春积雪的多尺度变化及其影响提供了依据。     

Distinct climate change synchronous with Heinrich event one, recorded by stable oxygen and carbon isotopic compositions in stalagmites from China

Uranium-series dating of oxygen and carbon isotope records for stalagmite SJ3 collected in Songjia Cave, central China, shows significant variation in past climate and environment during the period 20-10 ka. Stalagmite SJ3 is located more than 1000 km inland of the coastal Hulu Cave in East China and more than 700 km north of the Dongge Cave in Southwest China and, despite minor differences, displays a clear first-order similarity with the Hulu and Dongge records. The coldest climatic phase since the Last Glacial Maximum, which is associated with the Heinrich Event 1 in the North Atlantic region, was clearly recorded in SJ3 between 17.6 and 14.5 ka, in good agreement in timing, duration and extent with the records from Hulu and Dongge caves and the Greenland ice core. The results indicate that there have been synchronous and significant climatic changes across monsoonal China and strong teleconnections between the North Atlantic and East Asia regions during the period 20-10 ka. This is much different from the Holocene Optimum which shows a time shift of more than several thousands years from southeast coastal to inland China. It is likely that temperature change at northern high latitudes during glacial periods exerts stronger influence on the Asian summer monsoon relative to insolation and appears to be capable of perturbing large-scale atmospheric/oceanic circulation patterns in the Northern Hemisphere and thus monsoonal rainfall and paleovegetation in East Asia. Climatic signals in the North Atlantic region propagate rapidly to East Asia during glacial periods by influencing the winter land-sea temperature contrast in the East Asian monsoon region.     

我国东北及邻近地区年平均气温异常及其对北半球气候变暖和欧亚雪盖面积的响应

根据我国东北及邻近地区201个常规气象台站的年平均气温资料,利用EOF和分段线性拟合等方法分析了该地区气温异常的年代际特征及其对北半球气温和欧亚雪盖面积的响应.结果表明:我国东北及邻近地区年平均气温异常主要有全区一致型和南北反向型两种.近50 a来气温总体呈单调上升趋势,尤其是1990年代后期增温趋势更加明显,时间上东部早于西部.结合降水,1980年代起东北北部由冷干向暖湿转变,而华北区则由暖湿向暖干转变.东北北部升温单调、剧烈、显著,南部在1968和1985年曾两次发生突变,经历过1970-1980年代初的低温后增温趋势更加剧烈,其增温率几乎是第一次突变前的两倍.分析认为,我国东北及邻近地区大范围整体变暖与北半球平均气温的升高相一致;东北部气温的年际变化还受到欧亚雪盖面积的影响.