东亚冬季风及其影响的进一步研究I.东亚冬季风变化及异常的特征

东亚冬季风是北半球冬季最活跃的大气环流系统,其活动有重要影响,其向南爆发可以越过赤道对澳大利亚夏季风起作用。但相对夏季风,人们对东亚冬季风的研究一直较少。作者首先利用Hadley中心近百年的北半球海平面气压场资料,改进提出了一个能更好表征东亚冬季风强度的指数,进一步分析研究了东亚冬季风的年际和年代际变化及其异常特征。其结果表明,东亚冬季风不仅存在着明显的年际变化,主要有准两年的振荡周期和5～7年左右的周期,还存在周期为25～30年左右以及周期为十几年的年代际变化。利用NCEP/NCAR再分析资料,采用相关分析、合成分析的方法,还系统研究了东亚冬季风异常时的大气环流特征。对比分析表明,对应强、弱东亚冬季风,大尺度环流系统(蒙古高压、阿留申低压、500 hPa位势高度场等)的变化特征基本上呈反相分布;并且在强、弱东亚冬季风年,赤道地区的Hadley环流和Walker环流也出现基本反相的异常分布特征;而且赤道西太平洋有西(东)风异常出现,菲律宾以东有异常气旋(反气旋)性环流。在对异常东亚冬季风诊断分析的基础上,用一个大气环流模式（GCM）模拟了异常东亚冬季风的活动。通过对数值模拟结果的强、弱东亚冬季风进行对比分析发现,在强、弱东亚冬季风时,北半球中高纬度大气环流的结构会出现明显的变化和调整;同时,热带地区大气环流也有显著的差异。数值模拟和资料分析结果有较好的一致性,从而进一步揭示了东亚冬季风的变化和异常特征。     

东亚夏季风与澳洲冬季风强弱互补变化联系及其异常环流特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料及CMAP降水资料等,通过亚澳季风联合指数挑选异常年份,对东亚夏季风和澳洲冬季风强度反相变化特征进行研究。结果表明,当东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱时,南北半球中低纬地区都出现了复杂的异常环流系统。在热带地区对流层低层,西北太平洋为异常反气旋式环流系统所控制,与南太平洋赤道辐合带的异常反气旋环流在赤道地区发生耦合,形成赤道异常东风,而在南北印度洋上则存在两个异常气旋式环流系统。在这两对异常环流之间的海洋性大陆地区,出现赤道以南为反气旋环流而赤道以北为气旋式环流。在东亚季风区,东南沿海的东侧海洋上存在反气旋异常,中国东南地区受异常反气旋西南侧的东南风影响。此外,澳洲北部受异常西风影响。这就形成了东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱的情形,从而东亚夏季风和澳洲冬季风活动出现了强弱互补的变化特征。当东亚夏季风偏弱、澳洲冬季风偏强时,南北半球的环流特征则出现与上述相反的环流特征。总体而言,当东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱时,东亚—澳洲季风区在南北半球呈现出不同的气候异常分布特征,即北半球降水北少南多、气温北高南低,南半球降水西多东少、气温西高东低。     

东亚冬季风指数的定义及其年际年代际异常

利用NCAR/NCEP再分析资料,通过相关分析方法分析了多种可以表征东亚冬季风活动的气象要素指数的相关性特征,选取地面温度、海平面海陆气压差和500hPa高度3个要素,综合定义了一个东亚冬季风指数。结果表明,该指数表征的东亚冬季风有明显的QTO和QFO周期振荡特征,这一特征与冬季风年代际背景有关,强冬季风年代背景下的振荡比弱冬季风年代背景下的振荡显著,同时该指数能很好地表征东亚冬季风活动的各个方面。对强弱冬季风年的大气环流的结构及其相应的低纬度对流活动、海洋和高低层大气热力状况的分析表明,强弱冬季风活动不仅表现在中高纬度高低层大气环流变化的差异,在局地Hadley环流和赤道附近Walker环流、低纬度对流活动、海洋和大气的热力状况的变化方面也表现出了显著的差异。     

东亚冬季风的年代际变化及其与全球气候变化的可能联系

对近年来中外关于东亚冬季风(EAWM)年代际变化问题研究进展做了回顾和评述,主要包括以下3个方面内容:(1)东亚冬季风明显受到全球气候变化的影响,从20世纪50年代开始,中国冬季气温经历了一次冷期(从20世纪50年代延续到80年代初中期),一次暖期(从20世纪80年代初中后期延续到21世纪初)和近10-15年(约从1998年开始)出现的气候变暖趋缓期(也称气候变暖停顿期)。(2)东亚冬季风主要表现出强-弱-强3阶段的特征,即从1950年到1986/1987年,明显偏强;从1986/1987年冬季开始,东亚冬季风减弱;约2005年之后,东亚冬季风开始由弱转强。与东亚冬季风的年代际变化特征相对应,东亚冬季大气环流以及中国冬季气温和寒潮都表现出一致的年代际变化。(3)东亚冬季风的年代际变化与大气环流和太平洋海表温度(SST)的区域模态变化密切相关。当北半球环状模/北极涛动(NAM/AO)和太平洋年代际振荡(PDO)处于负(正)位相,东亚冬季风偏强(弱),中国冬季气温偏低(高)。此外,北大西洋年代尺度振荡(AMO)对东亚冬季风也有重要影响,在AMO负位相时,对应东亚冷期(强冬季风),正位相对应暖期(弱冬季风)。因而海洋的年代际变化是造成东亚冬季风气候脉动的主要自然原因,而全球气候变暖对东亚冬季风强度的减弱也有明显影响。     

东亚冬季风变化若干统计事实

利用EOF（VEOF）分析方法对1956-2005年东亚冬季风和大气环流场的统计特征进行了分析。结果表明：东亚冬季风存在2个模态,其中第2模态变化在冬季风年代际变化和长期变化趋势中起着较重要的作用;冬季风以及大气环流年代际异常在1980年前后发生了突变;冬季风的年代际变化与中国冬季气温、降水年代际关系密切。     

东亚冬季风年际变化的ENSO信息 I.模拟资料分析

系统分析了观测海温强迫９层大气环流模式的模拟资料,结果表明该大气环流模式能够对与ＥｌＮｉｎｏ、ＬａＮｉｎａ事件爆发有关的赤道太平洋异常纬向风和对流活动有很好的模拟;模拟中的东亚冬季风具有明显的年际变化特征,这种变化与观测结果有很好的一致性,而且进一步分析发现这种年际变化具有显著的２～７年的周期,即东亚冬季风异常与ＥＮＳＯ密切相关。     

印度洋冬季风异常海气环流耦合模态分析

本文对印度洋冬季风异常海气环流耦合主要模态做了分析和讨论,得到以下结果:第一模态海面和低空大气环流的异常主要发生在东印度洋海域上空,而上层大洋环流的异常则主要反映了印度洋冬季风环流的异常,并主要体现在西向赤道暖流和东向赤道逆流上。第二模态的大气环流相应异常主要发生在孟加拉湾、阿拉伯海和赤道印度洋上空,而上层大洋环流异常除与第一模态类似外,还包括索马里暖流的明显异常。第一、二模态分别是印度洋冬季风的偏东、偏西模态,也是其主、次模态;均有约4年的年际变化,还分别有约18、22年的年代际变化;该主、次模态分别在1976年及1976、1986年有突变发生;这样印度洋冬季风有约4年的年际变化,并在1976年出现明显突变。该主、次模态的年代际变化周期也是冬季北太平洋海气联合复EOF分解第二、第一模态的年代际变化周期,这反映两大洋之间有密切联系,这是因冬季蒙古西伯利亚高压是南亚、东亚冬季风的共同源头,对两大洋的大气环流异常都有明显影响。南亚冬季风偏强时印度洋的Hadley环流和赤道辐合带上的对流均偏强,反之亦然;且该冬季风的主、次模态都如此;这也反映了南亚冬季风大气环流异常与冬季热带大气环流异常之间的耦合关系。当该主、次模态发生正、负异常变化时,近表层热带印度洋海温异常分别呈现横贯大洋的南北向跷跷板变化以及大洋东、西向的跷跷板变化;但前者是主要的。印度洋冬季风对印度洋偶极子起着抑制作用,这是该偶极子在冬季最弱的原因。在热带印度洋,大气低空垂直运动下沉、上升区域都分别大致位于该大洋近表层的下沉、上升运动区域之上,这构成了海气相互作用的负反馈机制,并有助于南亚冬季风、Hadley环流、赤道辐合带以及印度洋中冬季风环流的维持和稳定。     

东亚冬季风年际变化的ENSO信息 I. 观测资料分析

利用1950～1989年40年的全球月平均资料,详细讨论了东亚冬季风的年际变化特征,分析结果表明东亚冬季风年际变化中包含有明显的ENSO信号,也就是说东亚冬季风活动与ENSO的发生有明显的关系,大多数El Ni?o事件爆发后东亚冬季风偏弱,而大多数La Ni?a爆发后东亚冬季风偏强。通过对这40年间的10次El Ni?o和7次La Ni?a事件的合成分析,结果表明El Ni?o冬半年东亚500 hPa位势高度为正距平、海平面气压为负距平,即东亚冬季风偏弱,阿留申及北美地区呈现出明显的类似PNA型的异常环流形势;La Ni?a冬半年东亚以至于北半球大气环流异常形势与El Ni?o的相反。同时资料分析也表明,在大多数El Ni?o（La Ni?a）爆发前东亚冬季风偏强（弱）。另外,功率谱分析结果表明,东亚冬季风有显著的3～5年和准2年的变化周期,这从另一方面说明了东亚冬季风的年际异常中包含有显著的ENSO信息。     

东亚冬夏季风关系在1970s末的年代际转变

利用NCEP/NCAR和Hadley中心的大气与海洋再分析资料,选取具有代表性的东亚冬、夏季风指数,采用滑动相关和线性回归等方法,主要讨论了受ENSO影响的东亚冬季风分量和后期夏季风之间关系的年代际变化,并分析了二者关系发生变化的原因。结果表明:在1965—1979年,受ENSO影响的冬季风与后期夏季风强度的对应关系并不明显。在1980—2004年,受ENSO影响的冬季风强,对应后期的夏季风偏弱,弱冬季风对应的后期夏季风偏强。当受ENSO影响的冬季风较强时,冬季在对流层低层西北太平洋出现了异常气旋并可以维持到次年夏季,低纬地区位势高度偏低,削弱了西太平洋副热带高压,异常气旋西部的偏北气流阻碍了西南风的北进,导致夏季风偏弱。海表温度异常在1980年前后春、夏季不同的分布型可以解释环流在不同时段内的差异。     

东亚夏季风年代际变化——基于全球观测海表温度驱动NCAR Cam3的模拟分析

利用1950~1999年逐月全球观测海表温度驱动的NCAR Cam3全球大气环流模式50年模拟结果及1958~1999年ECMWF再分析资料,通过定义东亚夏季风指数,对比分析了东亚夏季风的年代际变化及其对应的大气环流特征,初步探讨了20世纪70年代末东亚夏季风年代际减弱的可能机制。结果表明:模拟的东亚夏季风具有很明显的年代际变化,并在20世纪70年代末发生了突变,由强夏季风转为弱夏季风,大气环流也相应发生了明显变化。在强夏季风时期,500 hPa距平高度场上,在亚太地区从低纬度到高纬度为负、正、负距平分布,呈现出一个西南—东北向的波列;850 hPa距平风场上,在孟加拉湾及南海附近为异常反气旋,在西北太平洋区域则为强大的异常气旋,日本北部有一异常反气旋存在。西北太平洋副热带高压加强、南压、西伸。在垂直经向环流上,东亚Hadley环流减弱,对流层低层出现异常南风,东亚夏季风加强。在弱夏季风时期,大气环流变化则基本相反。通过对模拟的东亚夏季风与观测海温关系的探讨,发现20世纪70年代末东亚夏季风年代际减弱可能与北印度洋和南海附近海温年代际增暖并导致孟加拉湾、南海及日本附近产生异常气旋有关。     

东亚冬季风指数及其对东亚大气环流异常的表征

基于月平均NCEP/NCAR再分析资料、CMAP全球降水资料及中国台站降水和冷空气资料,首先概括了东亚冬季风环流系统的主要成员,并对基于这些环流系统定义的有代表性的4种东亚冬季风指数进行了比较分析。结果表明,4种指数具有比较一致的年际和年代际变化特征,相互间都为显著正相关,表明各指数都能较好地反映出其他环流系统成员的异常。功率谱分析结果显示,所有东亚冬季风指数均具有3—4年的年际变化周期和6.5年周期及9—15年的年代际变化周期。此外绝大部分指数在20世纪80年代之后都有线性减弱的趋势。所有季风指数都能够很好地反映“强(弱)冬季风年,低层西伯利亚高压偏强(弱),阿留申低压偏深(浅),副热带北风气流偏强(弱),东亚副热带地区气温偏低(高),中层东亚大槽偏深(浅)及高层副热带西风急流偏强(弱)”的基本特性。但各指数与冬季影响中国的冷空气次数间均无很好的对应关系。另外,绝大多数指数与东亚地区夏季降水也有较好的滞后关系,表明冬季风不仅对同期环流系统存在作用,而且还可能影响到夏季。     

东亚冬季风异常与ENSO循环关系的进一步研究

通过对1955～1989年35年的观测资料的合成分析,进一步指出东亚冬季风与ElNino、LaNina事件存在着明显的相互作用、相互影响的循环关系.这种循环关系一方面表现在异常强(弱)东亚冬季风通过激发赤道中西太平洋地区的异常西(东)风以及强(弱)对流活动,而最终使得ElNino(LaNina)事件爆发;另一方面,ElNino(LaNina)的爆发将通过大气遥响应,使得东亚冬季风偏弱(强).功率谱分析也表明,东亚冬季风与ENSO循环相互作用主要表现在3～5年的周期上,同时准2年周期也很明显.       

近40年东亚冬季风强度的多时间尺度变化特征及其与气候的关系

文章利用季风强度指数研究了近40年冬季1月份东亚季风强度趋势、年际、十年际变化特征及其与我国冬季天气气候的关系。结果指出，东亚冬季风的年际变化、年代际变化与我国冬季天气气候关系密切。弱冬季风时，我国天气气候是暖、湿；强冬季风时，则冷、干。但是，季风与我国气候在近40年中的趋势变化关系则不如其年际、十年际变化更密切。近40年来，我国冬季气温已明显升高，季风减弱，但不太显著。80年代中期开始，冬季风已明显减弱。此外，还指出，东亚强冬季风时，大气环流具有强WP型、弱EU遥相关型的特征     

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。     

亚澳季风异常与ENSO准四年变化的联系分析

分析了赤道地区纬向风的年际变化特征，以及亚澳季风与ENSO在各个位相的联系。结果表明：赤道纬向风变化与中东太平洋海温变化在准四年周期上是强烈耦合的；在El Eino期间东亚冬季风弱，夏季风强，而南亚夏季风弱，反之，在La Nina期间东亚冬季风强，夏季风弱，而南亚夏季风强；东亚地区的异常北风有利于西太平洋西风异常爆发，使得东太平洋海温升高，但只有随后在中东太平洋出现持续性西风异常，El Nino才能发展，其中来自太平洋中部的异常北风（并不是来自东亚大陆地区）和南太平洋中部的异常南风的辐合对中东太平洋出现持续性西风异常起重要的作用，尤其是澳大利亚东北部的季风异常的影响更为显。     

东亚夏季风的自然变率——NCARCam3模拟结果分析

利用季节循环的全球观测海表温度及海冰驱动NCARCam3全球大气环流模式的100a模拟结果,通过定义东亚夏季风指数,分析了模拟的大气内部变化中东亚夏季风的变化特征。结果表明：模拟的东亚夏季风自然变率主要表现为3—7a较显著的年际周期,并具有较明显的年代际变化特征。在弱夏季风年代,亚洲大陆海平面气压增强,日本附近及东亚沿海地区海平面气压降低;500hPa位势高度上,欧洲地区为负高度距平,里海附近地区为正高度距平,日本及其以东太平洋为负高度距平,易形成类似欧亚（EU）型的遥相关波列。在强夏季风年代,其环流异常分布基本与弱夏季风年代相反。模拟的东亚夏季风变化与夏季大气内部500hPa高度场上EU型遥相关波列的关系密切。     

异常东亚冬季风激发ENSO的数值模拟研究

利用中国科学院大气物理研究所发展的热带太平洋环流模式（OGCM）和海－气耦合模式（CGCM）分别就冬半年东亚冬季风异常对赤道太平洋的作用进行了数值模拟研究。结果清楚地表明,无论在 OGCM 中还是在 CGCM 中,持续的冬季风强异常将引起赤道中东太平洋海表水温（SST）的明显正异常,其分布类似观测到的El Ni?o事件;而持续的冬季风弱异常将引起赤道中东太平洋SST的明显负异常,其分布十分类似观测到的La Ni?a事件。因此,数值模拟进一步证实了我们过去从资料诊断和理论分析中得到的结论,即东亚冬季风异常是激发产生 ENSO 的重要机制。对模式资料的分析还清楚表明,异常东亚冬季风将激发异常海洋Kelvin波和使热带大气季节内振荡出现强异常,它们是激发ENSO的重要物理因素,这与观测资料的分析结果相一致。     

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。     

太阳活动11年周期对东亚冬季风与随后东亚夏季风关系的影响及其过程

利用长时间再分析资料和台站观测资料以及反映太阳周期活动的太阳黑子数资料,研究了太阳活动11年周期对东亚冬季风与随后夏季风关系的影响和过程。结果表明,弱(强)的东亚冬季风后的次年春、夏季在西北太平洋上空往往出现反气旋(气旋)式环流异常。通过将东亚冬季风指数分解为与ENSO有关的部分以及与ENSO无关的部分,进一步证实东亚冬、夏季风之间的联系主要来自于与ENSO有关的东亚冬季风异常。在此基础上着重分析了太阳活动对东亚冬、夏季风关系的影响和过程。研究表明,太阳活动显著影响了东亚冬季风与ENSO的关系,在太阳活动偏低年ENSO与东亚冬季风的关系更为密切。并且,对应与ENSO有关的东亚冬季风异常,当太阳活动偏低(LS)时西北太平洋附近的异常反气旋明显增强,范围扩大,其西北侧的西南气流强度偏强并向北延伸,从而使春季多雨地区绵延到内蒙古乃至西北地区;而夏季降水主要集中在长江流域中游,表明是一个强的夏季风年。然而,在太阳活动偏高(HS)年的次年春、夏季,不论是环流异常还是降水场的异常都明显偏弱。这说明东亚冬季风与随后夏季风的关系在LS年要比HS年更紧密。对海温异常的分析则进一步表明,LS(HS)年从冬季至夏季与ENSO有关的东亚冬季风异常相联系的印度洋及热带西太平洋海温正相关范围明显偏大(小);而赤道东太平洋的显著正海温异常衰减迅速(缓慢)。上述海温异常的差异是西北太平洋反气旋能否从冬季持续到夏季的重要原因,并可以很好地解释太阳活动对东亚冬、夏季风关系的影响。     

东亚夏季风的自然变率——NCAR Cam3模拟结果分析

利用季节循环的全球观测海表温度及海冰驱动NCAR Cam3全球大气环流模式的100a模拟结果,通过定义东亚夏季风指数,分析了模拟的大气内部变化中东亚夏季风的变化特征。结果表明:模拟的东亚夏季风自然变率主要表现为3~7a较显著的年际周期,并具有较明显的年代际变化特征。在弱夏季风年代,亚洲大陆海平面气压增强,日本附近及东亚沿海地区海平面气压降低;500hPa位势高度上,欧洲地区为负高度距平,里海附近地区为正高度距平,日本及其以东太平洋为负高度距平,易形成类似欧亚(EU)型的遥相关波列。在强夏季风年代,其环流异常分布基本与弱夏季风年代相反。模拟的东亚夏季风变化与夏季大气内部500hPa高度场上EU型遥相关波列的关系密切。