高原冬季风及热带太平洋海温对西南地区冬季气温的影响

利用1979~2008年西南地区115个测站逐日气温资料和NCEP/NCAR R2日平均再分析资料,通过相关分析和合成分析,讨论了高原冬季风季节内变化特征及其与西南地区冬季气温之间的关系。结果表明:高原冬季风指数和同期西南地区冬季平均的逐日气温呈反相关关系。高原冬季风偏强、偏弱时,对流层高层、中层、低层环流场分布形势均有显著差别,当高原冬季风偏强时,同期东亚冬季风偏弱,Nino3.4区海温偏高,对流层从高层到低层环流场形势均不利于西南地区冬季低温;当高原冬季风偏弱时,同期东亚冬季风偏强,Nino3.4区海温偏低,对流层从高层到低层环流场形势均有利于西南地区冬季低温。      

亚洲和南半球大气冷(热)源对亚洲冬季风影响的数值试验

利用NCAR CAM3.1模式及NCEP/NCAR(version 1)再分析资料计算了几种现实大气热源分布情况,讨论了亚洲各地区和南半球上空冬季1月大气冷(热)源对东亚冬季风环流系统和印度冬季风环流系统形成的影响.结果表明:(1)冬季1月东亚地区和澳大利亚上空大气冷(热)源与东亚冬季风环流关系密切,南半球澳大利亚附近的非绝热加热可以激发出澳大利亚北部的热低压系统,东亚大陆东部的大气冷源可以使东亚大陆低空出现冷高压,基本上模拟出东亚季风系统冬季主要环流成员;(2)亚洲地区西部及其对应的南半球印度洋非绝热加热与印度冬季风环流关系密切,同样对东亚冬季风也有一定的影响,特别是亚洲大陆西部副热带地区的非绝热加热可以加强冬季南海的越赤道气流并能调整阿留申低压的位置.     

区域气候模式对东亚冬季风多年平均特征的模拟

利用改进的区域气候模式(RegCM-NCC)对东亚区域进行了连续5年(1998～2002年)的气候模拟,并对模拟的东亚冬季风情况进行了全面分析.结果表明该模式能够较好地模拟出东亚地区冬季平均环流特征,较真实反映出冬季低层大陆冷高压的平均位置与强度,也能够揭示出冬季风场变化的主要特征,如低层的冬季风气流及高层的西风急流;对冬季风强度及年际变化也有较好的反映,对冬季季风涌出现的频率、主要区域以及温度的演变等气候特征的模拟与实况一致.通过比较分析,对该模式在东亚冬季风等方面模拟性能有较全面的认识,便于模式的应用及进一步改进.     

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。     

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。     

一个适用于描述中国大陆冬季气温变化的东亚冬季风指数

利用1951年1月-2007年2月的NCEP V1格点资料和中国台站观测资料,定义了一个冬季风环流指数(IEAWM),并分析其与中国冬季气温和东亚大气环流变化的联系.结果表明该指数能够很好地反映东亚冬季风系统各成员的变化,兼顾北方和南方的环流状况和东西部热力差异的影响,改进了原有冬季风指数大多针对单一的冬季风环流成员及对中国冬季气温变化反映能力的不足,能够很好地反映中国冬季平均气温的异常变化.分析表明,当该指数为正值时东亚冬季风偏强,对应着地面西伯利亚高压和高空东亚大槽均偏强,东亚地区对流层中层的高-低纬度之间的纬向风经向切变加强,有利于中高纬度冷空气向南侵入,导致中国大陆地区气温偏低,反之亦然.IEAWM的年代际变化表明东亚冬季风在1985年之前偏强,1985年之后明显偏弱,这与1985年之后中国冬季变暖是一致的.     

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。     

博乐市２００５－２００９年地温变化特征

利用1955年-2003年NCEP＼NCAR再分析资料和美国Scripps海洋研究所环境数据分析中一0（JEDAC）提供的冬季热含量资料,采用小波分析、相关及合成分析等方法,分析了西太平洋暖池热含量变化特征及其与东亚冬季风关系。结果表明：西太平洋暖池热含量与东亚冬季风有着非常密切的联系,当西太平洋暖池热含量异常偏高时,对流层低层在菲律宾及以东洋面形成一个异常的气旋性环流,中国大陆上空形成一个异常的反气旋性环流,从而使得东亚冬季风在东南区加强,西北区减弱。     

东亚2005年和2006年冬季风异常及其与准定常行星波活动关系的分析研究

利用NCEP/NCAR再分析资料系统地分析了2005年与2006年冬季欧亚大陆的气温和东亚冬季风的差别及其与北半球准定常波活动的关系。分析结果表明:2005年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏低，东亚冬季风偏强; 而2006年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏高，出现暖冬，东亚冬季风偏弱。分析结果还表明，这两年冬季东亚冬季风的差别不仅是由于西伯利亚高压和阿留申低压的变异所造成，而且是由于北极涛动 (北半球环状模) 的变化所造成。并且，作者还从这两年冬季北半球准定常行星波活动的差异，在动力理论上进一步讨论了这两年冬季北半球气候和东亚冬季风差异的机理。结果表明:2005年冬季北半球行星波活动为低指数，准定常行星波在高纬度往平流层传播加强，而往低纬度对流层上层传播减弱，造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐合加强，而在副热带地区对流层中、上层辐散加强，引起了北半球高纬度地区极锋急流减弱，而副热带急流加强，这有利于西伯利亚高压的发展，从而引起了东亚冬季风增强；相反，2006年冬季北半球行星波活动为高指数，准定常行星波在高纬度往平流层传播减弱，而往低纬度对流层上层传播加强，造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐散加强， 而在副热带地区对流层中、上层辐合加强，引起了北半球高纬度地区极锋急流加强，而副热带急流减弱，这不利于西伯利亚高压的发展，从而引起了东亚冬季风减弱。     

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。     

Characteristics of Atmospheric Circulation Associated with Cold Surge Occurrences in East Asia： A Case Study During 2005/06 Winter

The characteristics of the upper-level circulation and thermodynamical properties for the period when two distinct cold surges broke out over East Asia during the 2005/06 winter are investigated. From early December 2005 to early January 2006, exceptionally cold weather lasted for approximately one month due to two successive cold surges that took place on 2 December 2005 and 2 January 2006, respectively. This study reveals that both involve the upper-tropospheric circulation, which induces the amplification and expansion of the surface Siberian high toward East Asia, but arose from different causes： the former is caused by the upper-level blocking originated from the North Pacific and the latter is caused by the upper-level wave train across the Eurasian Continent. In particular, it is suggested that the lower-tropospheric anomalous wind caused by upper-level circulation anomalies and a steep meridional temperature gradient amplified by phase-locked annual cycle combined to induce very strong cold advection in East Asia, which resulted in exceptionally cold weather that lasted for several weeks. The present results emphasize that the characteristics of the upper-tropospheric circulation can be considered as important precursors to cold surge occurrences in East Asia.     

东亚-北太平洋偶极型气压场及其与东亚季风年际变化的关系

利用美国NCEP/NCAR的月平均再分析资料,研究东亚-太平洋地区地面气压的耦合模态与东亚副热带季风异常的关系,结果表明:在亚洲大陆和北半球太平洋之间气压场的偶极子模态主要反映了东亚地区东西向气压梯度的异常.从20世纪60年代到70年代中期,东亚-太平洋的这种偶极子表现为蒙古地区气压偏低和太平洋地区气压偏高的特征,而从20世纪70年代后期到90年代,则表现为蒙古地区气压偏高和太平洋地区气压偏低的特征.在偶极子指数值较高的年份,冬季(或夏季)蒙古高压(或蒙古低压)和太平洋阿留申低压(或太平洋副热带高压)较强     

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.     

Changes in the East Asian Cold Season since 2000

Using NCEP-NCAR reanalysis data and observational data from meteorological stations in China, the evolution of the East Asian cold season (EACS) and its long-term changes after 2000 were studied. A monsoon tendency index (MTI), defined as the temporal di?erence of the East Asian monsoon index, indi- cates that the winter monsoon setup has been postponed in autumn, while the setup has quickened in early winter. In mid winter, the EACS breakdown process has accelerated, while it has lingered in late winter. The authors suggest that the postponement of monsoon setup in autumn may be caused by strong global warming at the lower levels, which further limits the setup time period and leads to the quickening of the setup process in early winter. Meanwhile, a north-south seesaw of temperature tendency change in China can be observed in December and February, which may be related to large-scale circulation changes in the stratosphere, characterized by a polar warming in mid winter and polar cooling in early spring. This linkage is possibly caused by the dynamical coupling between stratosphere and troposphere, via the variation of planetary wave activities. In spring, the speed of the EACS breakdown has decreased, which favors the revival of the EACS in East Asia.     

沙尘气溶胶直接气候效应对东亚冬季风影响的模拟研究

利用东亚沙尘复折射指数数据和较新的植被分布对区域气候-沙尘耦合模式(RegCM4-Dust)的沙尘光学特性和沙源区域进行了更新。在此基础上,研究了沙尘气溶胶直接辐射效应对东亚冬季风的影响。模拟结果表明,引入沙尘效应后,东亚大陆绝大部分季风区对流层低层冬季风环流增强。同时,对流层中、上层中低纬度纬向风增强而中高纬度纬向风减弱,导致中高-中低纬度之间纬向风经向切变加强,从而有利于中高纬度冷空气向南侵入,这是低层冬季风环流增强在中上层的反映。另外,沙尘气溶胶导致东亚绝大部分季风区降水明显减少,东北地区西南部、华北大部、黄土高原、黄淮以及长江中下游流域减少达10%以上,这是降水对冬季风增强的响应。沙尘气溶胶引起冬季东亚次大陆-西北太平洋之间温度梯度增大,进而导致海陆间湿静力能梯度增大,是导致东亚大陆冬季风增强的主要原因。     

南海夏季风演变的气候学特征

本文总结南海北部地区夏季风演变的气候学特征，发现南海地区５月第３候对流层高层东风和北风爆发，对流层低层西风第１次跃升，东亚经向季风环流圈开始形成，这可以成为南海地区夏季风爆发的标志。对流层低层西风在６月中旬开始的第２次连续跃升对应江淮地区的梅雨爆发期。类似地，中国大陆夏季对流层低层５月初和６月初有两次爆发性增暖过程，第２次比第１次强烈得多。南海北部地区对流层低层纬向风速、比湿盛夏呈双峰型，纬向风速峰值分别出现在６月第５候和８月第４候，比湿峰值分别出现在６月第６候和８月第５候。比湿突升对应纬向风速突升，但略落后于风速峰值出现的时间。南海北部地区季风爆发前，温度是波动式上升的，南海季风爆发后，温度是波动式下降的。中国大陆东部及南海地区夏季对流层低层比湿分布有３次突变，即４月中旬南海北部比湿突增，并开始出现高比湿中心，而南海南部为最大比湿中心；５月中旬最大比湿中心已从南海南部跳到了南海北部－华南并向江淮流域扩展；６月中旬江淮流域比湿突增并一直维持到８月，同时南海南部高比湿带消失。而５月中旬ＯＬＲ有一次突变，ＯＬＲ低值区爆发性向北扩张，这对应于南海地区夏季风的爆发。而孟加拉湾地区夏季风演变的气候学特征与南海地区有较     

东亚与北美东部降水和环流季节演变差异及其可能机理分析

利用NCEP/ NCAR 再分析资料和CMAP、GPCP卫星反演降水资料,对比分析了东亚与北美东部地区降水和大尺度大气环流季节演变特征的差异。结果显示,东亚和北美东部地区冬季环流形势较为相似,而夏季差异则较大,这正是东亚为季风区,北美为非季风区的表现。此外,基于季风的两大特征量“风”和“雨”,分析了两地降水和低空风场季节变化的显著差异：东亚副热带地区降水季节变率大,呈“夏湿冬干”的季风降水特征,低层盛行风向随季节逆转,冬季盛行偏北风,夏季盛行偏南风,具有显著的副热带季风区特征。北美东部副热带地区全年雨量分配均匀,低层常年盛行偏西风,呈现非季风区特征。进一步的分析发现,作为季风基本推动力的海、陆热力差异在东亚和北美东部地区有着显著的区别：东亚地区的经向和纬向温度梯度随季节反转的特征显著;而北美东部地区虽有纬向温度梯度的季节反转但幅度很小,且经向海、陆热力差异随季节反转不明显。此外,与青藏高原和落基山脉相伴的纬向环流也存在显著差异。鉴于此,提出经向和纬向海、陆热力梯度反转特征的不同以及青藏高原和落基山脉地形的不同作用很可能是造成东亚副热带季风气候而北美东部非季风气候的主要原因,上述结论还有待于数值试验的进一步证实。     

RELATIONSHIP BETWEEN THE SEASONAL TRANSITION OF EAST ASIAN MONSOON CIRCULATION AND ASIAN-PACIFIC THERMAL FIELD AND POSSIBLE MECHANISMS

The NCEP/NCAR reanalysis, CMAP rainfall and Hadley Centre sea surface temperature (SST) datasets are used to investigate the relationship between the seasonal transition of East Asian monsoon and Asian-Pacific thermal contrast, together with the possible causes. Based on the 250 hPa air temperature over two selected key areas, the Asian-Pacific thermal difference (APTD) index is calculated. Results show that the APTD index is highly consistent with the Asian-Pacific Oscillation (APO) index defined by Zhao et al., in terms of different key areas in different seasons. Moreover, the time point of the seasonal transition of the Asian-Pacific thermal contrast can be well determined by the APTD index, indicative of seasonal variation in East Asian atmospheric circulation from winter to summer. The transition characteristic of the circulation can be summarized as follows. The continental cold high at lower tropospheric level moves eastward to the East China Sea and decreases rapidly in intensity, while the low-level northerlies turn to southerlies. At middle tropospheric level, the East Asia major trough is reduced and moves eastward. Furthermore, the subtropical high strengthens and appears near Philippines. The South Asia high shifts from the east of Philippines to the west of Indochina Peninsula, and the prevailing southerlies change into northerlies in upper troposphere. Meanwhile, both the westerly and easterly jets both jump to the north. The seasonal transition of atmospheric circulation is closely related to the thermal contrast, and the possible mechanism can be concluded as follows. Under the background of the APTD seasonal transition, the southerly wind appears firstly at lower troposphere, which triggers the ascending motion via changing vertical shear of meridional winds. The resultant latent heating accelerates the transition of heating pattern from winter to summer. The summer heating pattern can further promote the adjustment of circulation, which favors the formation and strengthening of the low-level southerly and upper-level northerly winds. As a result, the meridional circulation of the East Asian subtropical monsoon is established through a positive feedback between the circulation and thermal fields. Moreover, the time point of this seasonal transition has a significant positive correlation with the SST anomalies over the tropical central-eastern Pacific Ocean, providing a basis for the short-term climate prediction.