2012/2013年东亚冬季风活动特征及其可能成因分析

东亚冬季风目前处于年代际偏强的气候背景下,2012/2013年东亚冬季风强度指数(EAWM)为0.83,连续第六年强度偏强。2012/2013年冬季,北极涛动(AO)指数维持负位相,导致全国平均气温较常年同期略偏低。季内,西伯利亚高压强度变化显著,与之相对应,我国气温季内阶段性变化大,前冬冷、后冬暖。进一步研究表明,前秋北极海冰的大幅偏少是造成东亚冬季风偏强的重要原因,前期海冰范围的减少有利于冬季欧亚大陆北部的海平面气压出现正异常,致使西伯利亚高压的偏强,有利于冷空气南下我国。而西伯利亚高压和东亚冬季风季内变化主要是受平流层环流异常信号影响,1月中旬前后,北半球高纬地区平流层位势高度出现明显正异常并迅速下传影响对流层中低层,造成西伯利亚高压和冬季风季内阶段性偏弱。     

2011/2012年冬季我国异常低温特征及可能成因分析

2011/2012年冬季,我国大部气温异常偏低,全国平均气温仅有-4.8℃,为1986年以来最低值,同时我国内蒙古、新疆、西藏和陕西一些地区日最低气温均突破历史极值。本文利用1951—2010年的中国台站气温资料及NCEP再分析资料对冬季气温异常偏低的原因分析后表明,2011/2012年东亚冬季风异常偏强造成了我国气温大范围异常偏低。异常偏强的东亚冬季风环流系统也表现为:对流层低层西伯利亚地区为异常冷高压控制,对流层中高层从乌拉尔山到贝加尔湖地区上空阻塞异常偏强,东亚大槽异常偏深。进一步的分析表明,2011年冬季时期赤道中东太平洋地区出现的La Nina事件可能是造成东亚冬季风系统异常的原因之一。     

2013/2014年东亚冬季风异常偏弱的可能成因

2005年之后东亚冬季风连续7年强度偏强,而2013/2014年冬季,东亚冬季风强度突然由强转弱,原因可能与前期秋季北极海冰的异常有关,受2013年秋季北极海冰异常影响,冬季西伯利亚高压偏弱,进而导致东亚冬季风偏弱以及我国气温偏高。季内,东亚冬季风强度变化显著,前冬偏弱,后冬偏强。受冬季风季节内变化影响,我国前冬暖、后冬冷;此外,前冬暖、后冬冷还受到北太平洋上空阻塞高压的异常活动影响,北太平洋地区的阻塞高压加强西移至日界线以西,导致东亚地区经向型环流加强,改变了前冬以纬向型为主的环流,前冬高纬地区堆积的冷空气向东亚地区侵袭。加之,前冬我国气温偏高,导致后冬我国多地降温显著,气温由偏高转偏低。而阻塞高压的西移可能与平流层环流的异常活动有关。     

华南冬季气温异常与ENSO的关系

利用1951一2012年华南192个测站逐月气温资料、NCEP/NCAR再分析月资料、NCC的ENSO监测资料,采用相关分析和合成分析等方法分析了华南冬季气温异常与ENSO的关系。结果表明:华南冬季气温对La Nina事件的响应比对E1 Nino事件显著,La Nina事件当年华南冬季气温以偏低为主,极强La Nina事件对应的华南冬季气温显著偏低,而中部型La Nina事件出现过华南冬季气温显著偏高的情况。当La Nina(El Nino)事件为东部型、Nino区海温异常的峰值月份出现在秋冬季,当年华南冬季气温易偏低(高)。从年际尺度上,当La Nina发生时,在对流层低层激发西太平洋异常气旋环流和北风异常,对应对流层中层北太平洋高压、乌拉尔山高压脊和东亚大槽南段均加强,西太平洋副热带高压减弱,东亚中高纬经向环流明显,冬季风偏强,导致我国大部分地区包括华南冬季气温偏冷,反之亦然。El Nino事件对华南冬季气温的影响具有年代际差异。对应华南冬季气温年代际变化的海温变化明显的区域位于北太平洋,而与ENSO关系不明显。     

中国冬季地面气温10～30d低频变化及其与乌拉尔山环流的关系

基于国家气象信息中心冬季(12月—次年2月)逐日气温和NCEP/NCAR再分析资料,采用非滤波方法提取10~30 d低频成分,分析了1979—2011年中国低频气温及与之关联的大气环流特征,着重讨论了乌拉尔山环流对中国冬季地面低频气温的影响。结果表明:1)全国气温第一模态呈现全国大部偏冷(暖)的空间分布型;典型年气温10~30 d低频方差贡献率占30%以上。2)北大西洋到极地、乌拉尔山及贝加尔湖地区环流异常与中国冬季气温异常显著相关。当极涡偏弱或北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)正异常,乌拉尔山地区高压脊偏强时,有利于地面贝加尔湖附近的冷高压加强,使中国冬季气温偏冷;反之亦然。3)中国冬季低频气温与乌拉尔山环流密切相关,且当乌拉尔山环流异常超前约15 d时,两者相关关系最好。即乌拉尔山高度场的加强有利于乌拉尔山高压脊及西伯利亚高压加强,对应东亚冬季风加强,导致中国冬季气温偏低。     

中国冬季气温季节内变率特征及环流分析

利用中国冬季逐日平均气温均方差作为气温季节内变率指标,分析其变化特征并探讨引起季节内变率异常的环流背景。结果表明,中国冬季气温季节内变率总体呈减弱趋势,对气候增暖趋势响应明显,其年代际变化和东亚冬季风年代际转折时间相吻合。当气温季节内变率异常偏强时,冬季平均环流场上呈类似准正压结构,平流层极涡偏弱,对流层中高纬呈类似斯堪的纳维亚遥相关型分布,低层西伯利亚高压偏强,北大西洋涛动(NAO)为负位相;NAO同我国东部气温变率联系密切,进一步分析揭示出NAO是通过影响西伯利亚高压的高频变化来作用于气温季节内变率。最后,通过提取天气—次季节—季节不同时间尺度上的大气环流内部变率,发现在各个尺度上,气温季节内变率均受西伯利亚高压和东亚冷涡的调控作用;尤其在天气尺度上,阿留申低压频繁波动及上游欧洲脊的稳定少动与气温变率有密切联系,季节尺度上欧亚阻塞高压和鄂霍次克海阻塞高压异常对气温变率有显著影响。     

2019/2020年冬季我国暖湿气候特征及成因分析

2019/2020年冬季,我国大部分地区气温显著偏高,降水异常偏多,气候总体表现为“暖湿”的异常特征。异常成因分析表明：2019/2020年东亚冬季风强度较常年同期偏弱,西伯利亚高压异常偏弱,季节内冬季风强度阶段性变化特征显著;北极极涡收缩于极地,强度偏强,AO为异常偏强的正位相,乌拉尔山阻塞高压活动偏弱,东亚槽偏弱,欧亚中高纬以纬向环流为主;西太平洋副热带高压强度偏强、位置偏西偏北,印缅槽阶段性活跃,二者有利于太平洋和印度洋水汽向我国输送。受北半球环流异常的影响,我国冬季出现了“暖湿”的异常特征。进一步对东亚冬季风偏弱的可能原因分析表明：2019年秋冬季赤道中太平洋暖海温发展,2019年10月至2020年1月Ni〖AKn~D〗o3.4指数均大于0.5℃,这种类中部型El Ni〖AKn~D〗o海温异常有利于激发偏强、偏北的西北太平洋反气旋,进而抑制了东亚冬季风的发展和南下;此外,冬季北半球极涡收缩于极地,强度偏强,AO持续异常偏强的正位相,均不利于乌拉尔山阻塞高压的发展,且东亚大槽明显偏弱,共同导致了欧亚中高纬地区以纬向环流为主,东亚冬季风偏弱。     

关于东亚冬季风指数的一个讨论——东亚中、低纬冬季风的差异

利用NCEP再分析资料和NOAA海表温度等资料,分析了东亚冬季风在不同纬度上的表现。根据我们定义的东亚中纬度冬季风(The mid latitudinal East Asian winter monsoon, 简称EAWM-M)和低纬度冬季风(The low latitudinal East Asian winter monsoon, 简称EAWM-L)指数,探讨了它们对应的影响系统,并重点分析了它们与海温异常之间联系的异同。研究主要发现:(1)EAWM-L和EAWM-M指数所反映的东亚冬季大气环流形势不尽相同。在对流层低层,EAWM-L与中国南海、菲律宾附近环流异常的关系密切,EAWM-M与贝加尔湖阻塞高压的关系更为密切;在对流层中层,EAWM-M同样与贝加尔湖阻塞高压异常的联系相对更为紧密,而EAWM-L指数则与东亚大槽的关系更为紧密。在对流层高层,副热带西风急流强度变化通过调制次级环流进而与EAWM-L联系起来,而EAWM-M强弱变化主要与副热带西风急流北界的位置有关。(2)EAWM-L与冬季赤道中东太平洋和热带印度洋海温异常的联系都很紧密,而EAWM-M变化与冬季热带印度洋海温异常的联系更为密切,与赤道中东太平洋海温异常的关系相对偏弱。EAWM-L与冬季赤道中东太平洋和热带印度洋海温异常的紧密联系在年际和年代际尺度上都是存在的,而EAWM-M与冬季热带印度洋海温异常的紧密联系主要体现在年代际尺度上。     

对流层上层副热带西风急流与东亚冬季风的关系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,研究冬季对流层上层西风急流的时空变化特征,提出表征急流强度和位置变化的指数,进而探讨西风急流与东亚冬季风的关系。结果表明:冬季西风急流强度指数体现了西太平洋与高纬大陆的热力对比,较好地反映了西伯利亚高压与阿留申低压的强度变化,可作为表征冬季风强弱变化的一个定量指标,急流增强(减弱)对应西伯利亚冷高压和阿留申低压加强(减弱),东亚冬季风偏强(弱)。急流强度指数与不同高度冬季风子系统的显著相关表明,东亚冬季风活动异常不只是对流层中低层的现象,而在整个对流层都有明显反映,低层的西伯利亚高压和阿留申低压、中层的欧亚脊、东亚大槽及西太平洋副热带高压与高层的西风急流是同相变化的。在此基础上还比较了急流强度指数和北极涛动指数(AO)与东亚冬季风的关系,急流强度变化体现了欧亚大陆与西太平洋的热力差异,而AO则主要反映极地与中纬度环状模的反相变化,所以急流强度变化与东亚冬季风的关系更为密切。     

20世纪90年代末东亚冬季风年代际变化特征及其内动力成因

为纪念陶诗言先生对东亚冬季风研究的杰出贡献,本文利用我国测站、NCEP/NCAR和ERA-40/ERA-Interim再分析资料分析了我国冬季气温和东亚冬季风在20世纪90年代末所发生的年代际跃变特征及其内动力成因。分析结果表明:从20世纪90年代末之后,我国冬季气温和东亚冬季风发生了明显的年代际跃变。从1999年之后,随着东亚冬季风从偏弱变偏强,我国冬季气温变化从全国一致变化型变成南北振荡型（即北冷南暖型）,并由于从1999年之后我国北方冬季气温从偏高变成偏低,故冬季低温雪暴冰冻灾害频繁发生,同时,我国冬季气温和东亚冬季风年际变化在此时期从以往3～4 a周期年际变化变成2～8 a周期;并且,结果还表明了东亚冬季风此次年代际变化是由于西伯利亚高压和阿留申低压的加强所致。本文还从北极涛动（AO）和北半球准定常行星波活动的动力理论进一步讨论了此次东亚冬季风年代际跃变的内动力成因及其机理,结果表明:从20世纪90年代末之后,北半球冬季准定常行星波在高纬地区沿极地波导传播到平流层加强,而沿低纬波导传播到副热带对流层上层减弱,这造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层和平流层辐合加强,而在副热带地区对流层中、上层辐散加强,因而导致了北半球高纬度地区从对流层到平流层纬向平均纬向流和欧亚上空极锋急流减弱,而副热带急流加强,这造成了AO减弱和东亚冬季风加强。     

Atmospheric Blockings in Western Siberia. Part 2. Long-term Variations in Blocking Frequency and Their Relation with Climatic Variability over Asia

This paper studies the long-term variability of frequency of atmospheric blockings over Western Siberia in 1948–2015 based on the data of three reanalysis projects. We revealed a decreasing blocking frequency for eight of twelve months. However, since the estimated trends of blocking frequency are small comparing to the significant amplitude of interannual variations, we proposed to divide the entire studied period into several quasi-decadal intervals that differ both in the amplitude of interannual fluctuations of blocking frequency and in trends. The effect of Western Siberian blockings imposed on synoptic and climatic variability of meteorological parameters in Asia was studied. The study demonstrated that in summer teleconnection patterns in temperature and precipitation fields are of the close sign-alternating structure; this indirectly indicates that in Western Siberia the blocking is a part of a large-scale wave mechanism. Like the Ural blockings, the blockings occurring over Western Siberia affect meteorological characteristics within the East Asian monsoon area. In winter time they contribute to lower surface temperature and decreased precipitation in Southeast Asia. In summer during blocking events over Western Siberia, precipitation increases in the East Asian monsoon area.     

我国东北地区冬季气温变化的东亚冬季风背景

利用中国气象局国家气象信息中心1961—2011年我国东北地区72个气象站月平均气温资料及NCEP/NCAR月平均海平面气压、500 hPa高度场及200 hPa与850 hPa风场再分析资料,对东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温序列经去除线性趋势处理后的变化特征进行对比分析。结果表明:去除线性趋势后,东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温序列的相关系数为-0.69,较原始序列更为显著;两者变化的阶段性较为同步,我国东北地区冬季气温于2004年已转入低温阶段,这与东亚冬季风同时转为偏强阶段关系密切;两者均存在20年左右的长周期,同样存在相近的阶段性短周期;我国东北地区冬季气温的增温变化趋势在1986年前后的增暖性气候突变中起重要作用。东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温年代际信号的相关系数达-0.86,较原始序列年代际相关更为显著;两者的年代际变化存在21.5年左右的共同准周期。东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温的年际变化序列存在4年左右的共同准周期。我国东北地区冬季气温的年际和年代际异常存在与东亚冬季风相关联的200 hPa东亚急流、500 hPa东亚大槽、乌拉尔高压、850 hPa风场、地面西伯利亚高压等的异常背景。     

东亚冬季风气候变异和机理以及平流层过程的影响

本文综述了近几年来关于东亚冬季风变异特征和机理方面的研究,特别对平流层过程对东亚冬季风和气候异常的可能影响作了回顾和进一步分析.东亚冬季风的变异除了季风强弱变化外,还有东亚冬季风的路径变化;研究表明,前者往往对应全国气温一致的变化,而后者可以引起我国气温的南北反相振荡,并导致东亚冬季风变异存在南北两个子系统.此外,进入本世纪后,东亚冬季风的建立推迟,并且东亚冬季风在盛期明显减弱,但冬季风活动在早春比以往要更为活跃,这些变化与冬季气温南北反相变化也有密切的联系.进一步的分析揭示出东亚气温的南北反相变化是东亚冬季风变异的主要模态之一,而且它与平流层极涡强度密切相关.当异常的平流层极涡向下传播时,可以引起对流层低层北极涛动(AO)的异常以及西伯利亚高压的异常,并在东亚地区出现南北反相的温度变化.有关东亚冬季风变异的成因研究表明,上世纪70年代中后期以后,热带厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的影响变弱,而中高纬的北太平洋涛动(NPO)和乌拉尔地区阻塞强度的影响显著增强,相关研究还揭示了这些变化的原因.此外,东亚冬季风在1987年以后的持续减弱主要与准定常行星波活动年代际变化有关,行星波活动通过波流相互作用可以影响AO以及西伯利亚高压和阿留申低压,从而导致冬季风异常.最后,本文还讨论了太阳活动11年周期变化对东亚冬季气候异常的可能影响和过程.     

An Index of East Asian Winter Monsoon Applied to the Description of China's Mainland Winter Temperature Changes

Using the NCEP/NCAR reanalysis data （Version 1.0） and the observation data of China from January 1951 to February 2007, a new index of East Asian winter monsoon circulation （I EAWM） was defined based on the comparison of previous different winter monsoon indices and circulation factors influencing the winter climate over China. Its relationships with winter temperature over China and large-scale circulation were analyzed. Results show that IEAWM can successfully describe the variation of China＇s mainland winter temperature and the East Asian winter monsoon （EAWM） system. This index reflects the integrated effect of the circulations over high and low latitudes and the thermal difference between the continent and the ocean. While in the previous studies, most monsoon indices only describe the single monsoon member. The IEAWM is a good indicator of the intensity of the EAWM. Positive values of/EAWM correspond to the strong EAWM, the stronger Siberian high and East Asian trough than normal , and the strengthening of the meridional shear of 500-hPa zonal wind between high and low latitudes over East Asia, and therefore, the southward cold advection becomes stronger and leads to the decrease in surface temperature over China; and vice versa. The IEAWM inter decadal change is obviously positive before the mid-1980s, but negative since the mid-1980s, in good agreement with the fact of the winter warming in China after 1985.     

前、后冬的东亚冬季风年际变异及其与东亚降水的关系

利用ERA-Interim的再分析资料和NOAA海温、降水量等资料对前、后冬的东亚冬季风的年际变异特征及其与东亚降水的关系进行对比分析,并讨论了热带和中高纬系统影响东亚冬季风变异的相对重要性。前冬的东亚冬季风变异的主导模态为东亚全区一致变异型,即一致的北风偏弱或偏强;其次为南部变异型,主要表现为在我国南方-南海北部的东北风偏弱或偏强。而后冬的东亚冬季风变异的主导模态则为南部变异型,其次为东亚全区一致变异型。从前冬到后冬,东亚冬季风的主要变异模态的次序出现交叉更替。前、后冬的冬季风主要模态以年际变化为主,但后冬主导模态还显示出冬季风有变强的趋势。前、后冬的东亚冬季风的主导变异模态也影响东亚降水异常的位置。在前冬,冬季风异常主要影响我国华北、渤海-黄海海域以及朝鲜半岛和日本南部区域的降水异常,而后冬的冬季风异常则主要导致我国东南地区及其东侧附近的西北太平洋海区的降水异常。前冬的东亚冬季风的前两种主要变异模态都受到印度洋-太平洋海温和中高纬环流系统共同的影响;后冬的东亚冬季风的前两种主要变异模态则分别主要受ENSO和中高纬系统的影响。      

Influence of Low-frequency Solar Forcing on the East Asian Winter Monsoon Based on HadCM3 and Observations

In this study, we investigate the influence of low-frequency solar forcing on the East Asian winter monsoon(EAWM)by analyzing a four-member ensemble of 600-year simulations performed with Had CM3(Hadley Centre Coupled Model,version 3). We find that the EAWM is strengthened when total solar irradiance(TSI) increases on the multidecadal time scale. The model results indicate that positive TSI anomalies can result in the weakening of Atlantic meridional overturning circulation, causing negative sea surface temperature(SST) anomalies in the North Atlantic. Especially for the subtropical North Atlantic, the negative SST anomalies can excite an anomalous Rossby wave train that moves from the subtropical North Atlantic to the Greenland Sea and finally to Siberia. In this process, the positive sea-ice feedback over the Greenland Sea further enhances the Rossby wave. The wave train can reach the Siberian region, and strengthen the Siberian high. As a result, low-level East Asian winter circulation is strengthened and the surface air temperature in East Asia decreases. Overall,when solar forcing is stronger on the multidecadal time scale, the EAWM is typically stronger than normal. Finally, a similar linkage can be observed between the EAWM and solar forcing during the period 1850–1970.     

东亚冬季风异常对区域气溶胶分布的影响

气溶胶已是东亚地区最主要的大气污染物之一,其时空分布会受到东亚季风气候的影响。利用2000～2014年MODIS/AOD（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer/Aerosol Optical Depth）和NCEP月平均气象场再分析资料,本研究分析了东亚冬季风长期变化趋势、气溶胶年际变化规律,探讨了东亚冬季风强度变化对气溶胶分布的影响。基于MODIS/AOD,发现近10年东亚地区冬季AOD呈现上升趋势,最大值为2007年的0.44,高值区覆盖四川盆地、华北平原及长江中下游大部分地区。风场特征类冬季风指数分析表明,东亚冬季风存在明显的年际和年代际差异,近年出现逐渐减弱的趋势。强冬季风年,海陆气压差增大、东亚大槽加深增强,东亚地区偏北风异常,风场的增强将引导更多冷空气南下,从而给东亚大部分地区带来明显的降温天气;弱年相反。气象场差异引起气溶胶分布变化,强年较强的偏北风将气溶胶向南方输送,东亚地区AOD出现“北低南高”的空间分布;弱年偏北风较弱,导致气溶胶集中在华北平原一带,AOD出现“北高南低”的空间分布。     

东亚季风系统的动力过程和准定常行星波活动的研究进展

本文系统地回顾了近几年来关于东亚季风系统的动力过程与机理方面的研究,特别是关于东亚季风系统年际和年代际变异与准定常行星波活动关系的研究。最近的许多研究表明东亚夏季风系统变异的动力过程主要与东亚／太平洋型(即EAP型)遥相关有关,利用EAP型遥相关理论不仅可以说明东亚夏季风系统各成员之间内在联系的机理,而且可以揭示热带西太平洋热力和菲律宾周围对流活动影响东亚夏季风系统季节内、年际变化及其异常的经向三极子结构的动力过程;除了EAP型遥相关外,研究还表明北半球夏季从北非到东亚的对流层上层经向风异常存在一个沿急流传播的遥相关型,它对东亚夏季风系统异常的经向三极子型分布也有重要影响。并且,最近关于东亚冬季风变异与行星波活动的关系已做出许多研究,并获得很大进展。这些研究表明:北半球冬季准定常行星波传播波导在年际和年代际变化上存在着反相振荡特征,即若“极地波导”加强,则“低纬波导”将减弱,反之亦然;准定常行星波两支波导的反相振荡与北半球环状模(NAM)的年际和年代际振荡有紧密联系,而NAM的变化通过行星波活动的异常可以导致东亚冬季风的年际和年代际变化;此外,准定常行星波活动的年际变化与东亚冬季风异常之间的关系明显地受热带平流层纬向风准两年周期振荡(QBO)的调制,进一步的研究还提出了可能的机理。最后本文还指出:2005～2007年冬季东亚冬季风的异常不仅与西伯利亚高压和阿留申低压的变异有关,而且与极涡的演变和准定常行星波活动密切相关。