中国冬半年极端低温事件的时空特征及其与东亚冬季风的关系

利用1961～2012年全国553站逐日最低气温资料,根据百分位值法,定义了不同台站的极端低温阈值,并统计分析了逐年逐站发生极端低温事件的频数,并且使用经验正交函数分解（EOF）的方法对其时空变化特征进行了研究。研究结果表明:近51年来,我国冬半年极端低温事件总体呈明显的减少趋势,但仍存在明显的时空差异。EOF分析结果显示我国极端低温事件发生频率主要存在3种空间模态,即空间一致型和南北振荡型以及东西振荡型。并且对PC1（第一主分量）时间序列作突变检验的结果表明,我国冬半年极端低温事件频数在1986年前后存在明显突变现象,这与1986年前后东亚冬季风发生年代际突变时间点一致。进一步相关回归分析结果表明,我国冬半年极端低温事件频数与东亚冬季风指数存在很好的相关性,这可能与西伯利亚高压的变化有显著的联系,即冬半年西伯利亚高压强时,极端低温事件发生较多,反之亦然。分析的结果表明,1986年前后,中国冬半年极端低温事件发生频次的突变可能与西伯利亚高压的南移并且减弱有关。     

江西地区冬半年极端低温事件主模态及环流特征

基于1961—2022年江西日最低气温观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,首先极端低温阈值,分析极端低温事件发生频次的分布特征;再利用经验正交函数(EOF)获得极端低温事件发生频次的主模态,分析相应的关键环流系统特征。结果表明：江西省大部分地区冬半年极端低温阈值在0℃以下,南北分布差异较明显。极端低温事件发生频次在空间上具有很好的一致性,在1985年前后由偏多转为偏少的年代际振荡。极端低温发生频次主模态的变化受冬季风系统关键成员的影响显著,东亚冬季风偏强、西伯利亚高压偏强、东亚大槽加深、副热带西风急流偏强都利于江西地区出现极端低温事件。     

1955—2006冬半年中国极端低温的时空变化特征

采用1955—2006年全国275个台站冬半年逐日最低气温资料,对中国冬半年极端低温的时空特征和变化趋势进行了分析。结果表明：在全国范围内冬半年极端低温频数变化一致,均呈减小趋势,1983年前后发生了明显的突变;近52 a来最显著的减小趋势位于华北、长江中下游及江南地区,最不显著的减小趋势位于河套地区,较弱的减小趋势位于四川盆地和云贵高原地区;中国冬半年年极端低温事件频数的空间差异明显,各区域极端低温频数突变的年份均不一致,各区域突变前后的极端低温频数存在较大差异,但近年来,各区域冬半年极端低温频数变化均趋于稳定。     

北半球大气环流及其冬季风的年代际变化对青藏高原冬季降雪的影响

对1961~2010年间北半球大气环流背景异常变化及其东亚冬季风指数(东亚大槽位置指数-CW、西伯利亚高压指数-SH)与青藏高原降雪之间在年代际尺度上的相关关系进行了分析,结果表明:北半球冬季行星波年代际尺度上的异常导致了青藏高原地区冬季降雪在年代际尺度上的变化,北半球行星波"冬三(波)"流型的年代际尺度变化是青藏高原地区冬季降雪年代际尺度上增加/减少的环流背景;青藏高原冬季降雪与东亚冬季风之间也存在着年代际尺度上的显著相关。相对于1961~1986年间的冬季风减弱,青藏高原地区冬季降雪量呈现出增加趋势。结果也指出,青藏高原地区的冬季降雪、CW和SH在1986年前后存在一次显著的突变;突变后北半球冬季三波流型明显增强,青藏高原地区的降雪也相应发生了由多到少的变化。     

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。     

东北夏季极端低温的变化特征及其与太平洋海温异常的关系

利用1958—2007年全球海温、位势高度月平均资料和中国东北地区64个测站的夏季地面气温等资料,分析了中国东北地区夏季极端低温的时空变化特征,及其与大气环流和海温异常之间的关系,研究结果如下:(1)近50a来中国东北夏季极端低温事件频数在年际变化的时间尺度上主要存在两种模态:全区一致变化型和南北反相变化型;(2)东北夏季极端低温频数与乌拉尔山高压,东亚大槽,阿留申低压,东北冷涡密切相关;(3)东北夏季极端低温与赤道东太平洋海温存在遥相关关系。在1990s初期以前,在E1 Nino发生年或翌年基本都对应东北夏季极端低温年,但1990s初期开始,El Nino发生年与东北地区夏季极端低温的对应关系遭到破坏;(4)东北夏季极端低温事件频数的年际变化与西太平洋暖池海温异常密切相关。进一步研究表明西太平洋暖池海温异常会影响东北地区上空的环流,致使东北夏季极端低温异常。     

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。     

东北春季极端低温的变化特征及其与大西洋海温的关系

利用1958—2007年全球海温、位势高度场月平均资料和我国东北地区64个测站的春季地面气温资料,分析了我国东北地区春季极端低温的时空变化特征及其与大气环流和海温异常的关系。结果表明：近50a来,我国东北春季极端低温事件频数整体呈减少趋势;极端低温频数主要存在全区一致变化型和南北反相变化型两种模态;极端低温事件频数与北极涛动存在显著负相关关系,同时在极端低温多年,极涡较弱,乌拉尔山阻塞高压偏强,东北冷涡较强,反之亦然;影响我国东北地区春季极端低温的关键海区为中北大西洋海区,极端低温多年,中北大西洋海温较常年偏冷,反之则中北大西洋海温较常年偏暖。这对于预测东北春季极端低温事件的年际变化具有很好的指示意义。数值试验结果表明,中北大西洋海温异常可激发欧亚波列,致使中国东北温度异常。     

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。     

2020/2021年冬季中国气候冷暖转折成因分析

2020/2021年冬季,我国气候"前冬冷干、后冬暖湿"特征明显,冷、暖两个阶段气温振幅极大,多地观测气温分别打破了建站以来的最低、最高纪录。前冬(2020年12月1日至2021年1月10日),全国大部地区气温偏低、降水偏少,而后冬(2021年1月13日至2月28日),全国大部地区转入明显偏暖期,且2月上旬开始我国北方地区降水增多,暖湿特征明显。分析发现,乌拉尔山阻塞高压、西伯利亚高压和东亚冬季风强度、极地冷空气主体位置以及西北太平洋副热带高压的强度和位置等均发生了转折性变化,这是导致我国冬季气候由冷干转为暖湿的直接原因。进一步分析表明:La Nina事件配合北极冰偏少和北大西洋中纬度暖流,符合启动前冬"暖北极、冷欧亚"效应的条件,导致前冬欧亚中高纬经向环流偏强、乌拉尔山阻塞高压发展、及西伯利亚高压和东亚冬季风偏强,致使我国出现干冷型气候;而后冬,北极平流层发生爆发性增温事件,导致北极涛动持续负位相,极涡主体偏向西半球,但同时乌拉尔山阻塞高压崩溃,东亚冬季风转弱,我国大范围回暖增温。     

SVD相空间分析方法及其在海气耦合关系中的初步应用

利用非线性动力学中的相空间概念和场诊断分析中的SVD技术,提出了一种SVD相空间分析方法.应用该方法研究了热带太平洋E1 Nino区SST与东亚500 hPa环流场的关系.结果表明这种SVD相空间分析,优于EOF相空间分析,它不仅能在两个场耦合联系的基础上分析两场自身的变化过程和状态特征,而且能够揭示两场之间的内在相互联系;前期冬半年东亚冬季风异常偏强(弱)时,将导致未来El Nino(La Nina)事件的发生;前期El Nino(La Nina)事件,将导致未来冬半年东亚冬季风异常弱(强);由此建立了东亚冬季风与El Nino(La Nina)事件相互作用的概念模型,指出了东亚冬季风异常变化与El Nino(La Nina)事件互为双方发生发展的重要机制.     

东亚冬,夏季风百年强度指数及其气候变化

定义了东亚冬、夏季风强度指数，计算了１８７３－１９８９年夏季、冬季及其逐月的东亚季风强度指数，研究了冬、夏季风强度指数的长期气候变化，结果表明，１００多年来，东亚夏季风明显加强，冬季风变化不大，稍有减弱。突变分析结果表明，１９１８年前后，东亚夏季风突变增强，与半半球夏季地面气温突变增是同步发生的，但是，科季风不太明显的突变发生于１９５８年，此外，用滑动相关系数分析了东亚冬夏季风与北半球地面气温的关     

宁夏冬季极端低温事件特征及其与秋季北极海冰异常的联系

利用1961-2018年我国宁夏全区平均逐日观测最高和最低气温数据,英国哈德莱(Hadley)中心的逐月海冰密集度资料,美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的逐月大气再分析资料以及中国气象局国家气候中心的逐月东亚冬季风指数和西伯利亚高压指数系统地研究了宁夏冬季极端低温事件的特征及其与北极关键影响区域海冰异常的联系。结果表明:20世纪60年代以来,宁夏冬季冷日与冷夜频次呈现明显的减少趋势,极端低温事件强度总体趋于减弱,日极端低温升高趋势较为明显。秋季北极海冰异常与之后冬季海冰异常显著相关,前秋海冰异常通过季节持续性实现对后期冬季大气环流的影响,进而影响冬季气温。前期秋季拉普捷夫海-东西伯利亚海海冰密集度偏小、格陵兰海海冰密度偏大时,冬季西伯利亚高压指数和冬季风指数偏强,有利于宁夏日极端低温事件频次偏多;500 hPa高度场上,极地-欧亚大陆-阿留申地区有一个显著的"L"型的位相波列形态,使得北极与欧亚大陆中高纬地区的位势高度差减弱,中高纬地区西风气流偏弱,减弱的西风使得经向活动加强,利于北极的冷空气向低纬地区侵袭;在海平面气压场上,西伯利亚地区气压偏高,冷空气由极地挤压至中高纬度地区,造成冷空气南下,有利于宁夏冬季发生极端低温事件。     

SVD相空间分析方法及其在海气耦合关系中的初步应用

利用非线性动力学中的相空间概念和场诊断分析中的SVD技术，提出了一种SVD相空间分析方法。应用该方法研究了热带太平洋EI Nin^-o区SST与东亚500hPa环流场的关系。结果表明：这种SVD相空间分析，优于EOF相空间分析，它不仅能在两个场耦合联系的基础上分析两场自身的变化过程和状态特征，而且能够揭示两场之间的内在相互联系；前期冬半年东亚冬季风异常偏强(弱)时，将导致未来El Nin^-o(La Nin^-a)事件的发生；前期El Nin^-o(La Nin^-a)事件，将导致未来冬半年东亚冬季风异常弱(强)；由此建立了东亚冬季风与El Nin^-o(La Nin^-a)事件相互作用的概念模型，指出了东亚冬季风异常变化与El Nin^-o(La Nin^-a)事件互为双方发生发展的重要机制。     

2014/2015年东亚冬季风活动特征及其可能成因分析

2014/2015年东亚冬季风强度较常年同期略偏弱,季内冬季风强弱转换阶段性特征明显,初冬强度偏强,隆冬和后冬转为偏弱。受其影响,冬季全国大部分地区气温较常年同期偏高,但季内变化显著,初冬冷、隆冬和后冬暖。进一步研究表明,冬季风强度偏弱与2014年9月北极海冰范围偏大（去线性趋势）有关,前期北极海冰偏大不利于西伯利亚高压偏强,进而导致冬季风偏弱和冬季气温偏高。中部型尼尔尼诺(El Ni〖AKn~D〗o)和太平洋十年振荡(PDO)暖位相的配合是造成冬季风强度偏弱的另一个重要外强迫。PDO位相在El Ni〖AKn~D〗o事件对东亚冬季风的影响中起调制作用,赤道中太平洋暖海温有利于偏南风距平控制我国东部及东部沿海地区,东亚冬季风强度偏弱,当PDO暖位相和El Ni〖AKn~D〗o事件协同作用时,东亚地区大气环流对El Ni〖AKn~D〗o事件的响应更加显著。东亚冬季风的季内变化则与大气对中部型El Ni〖AKn~D〗o事件的响应过程有关。     

东亚冬、夏季风百年强度指数及其气候变化

定义了东亚冬、夏季风强度指数,计算了1873～1989年夏季、冬季及其逐月的东亚季风强度指数,研究了冬、夏季风强度指数的长期气候变化。结果表明,100多年来,东亚夏季风明显加强,冬季风变化不大,稍有减弱。突变分析结果表明,1918年前后,东亚夏季风突变增强,与北半球夏季地面气温突变增暖是同步发生的。但是,冬季风不太明显的突变发生于1958年。此外,用滑动相关系数分析了东亚冬夏季风与北半球地面气温的关系,指出它们之间的相关关系有年代际变化。     

1960—2015年中国冬半年极端降温过程事件的时空演变特征

利用1960-2015年中国2 474个站点的逐日最低气温资料,采用REOF方法将中国分为7个区域,通过对每个区域内所有站点降温阈值进行平均,得到了7个降温阈值。当某区域内测站单日降温幅度超过区域平均阈值时,认为该测站发生一次极端降温事件。7个区域降温平均阈值各异,总体呈北大南小特征,最大降温-10.6℃,最小-7.6℃。根据上述定义,研究了中国冬半年极端降温过程事件的时空演变特征。结果表明：极端降温事件发生频数呈北多南少的空间分布。北部地区存在多个频发中心,在42°N和35°N附近存在两个高频发生带。南部地区频数呈一定的带状分布,在25°N附近发生该事件的频率亦高于南部其他地区。近56 a来,极端降温事件频数变化总体呈减少趋势,前期较明显,中后期趋于稳定。各年代频数的空间分布基本一致,但前期总体表现为北部增多。而在1990s则转变为南负北正的空间分布,后期中部及沿海地区发生了趋势符号的年代际改变。进一步分析表明,各区域极端降温频数突变的年份均不一致且突变前后的频数存在较大差异。这些结果可为深刻认识极端低温事件的变化规律和气候预测提供线索。     

湛江极端低温事件特征及个例对比分析

利用广东湛江1951—2018年逐日气温资料、NCEP再分析资料和NOAA重建海温资料,分析近67年湛江冬季极端低温事件的特征,对比分析1967年1月、1975年12月和2016年1月三次极端低温事件过程的天气要素和环流特征,从ENSO和北极涛动（AO）方面探讨形成极端低温的原因。研究表明:1951—2017年平均最低气温和极端最低气温均呈增暖趋势,且极端最低气温比平均最低气温增暖更快。湛江冬季极端最低气温受东亚冬季风南北一致型模态影响,东亚冬季风一致偏强时湛江极端最低气温偏低,其关键环流系统为乌拉尔山及其以东地区的高压脊、贝加尔湖以南地区的低压槽和西伯利亚高压。进一步分析表明,三次冷空气过程受ENSO和AO的影响不同,其中1967年冷空气受东部型拉尼娜和AO负位相共同影响,1975年冷空气主要受中部型拉尼娜影响,2016年冷空气则主要受AO负位相影响。三次过程均以偏西路冷空气活动为主,都表现出对流层中层东亚地区位势高度偏低、对流层低层异常北风和西伯利亚高压偏强的特征。但高空环流形势不同,1967年冷空气过程为高压脊发展型,预报关键是槽后脊的发展时间;1975和2016年冷空气过程环流形势均为横槽转竖型,预报关键是阻塞高压崩溃、横槽转竖时间。地面受冷空气影响时间与925 hPa温度平流有较好的对应关系,但由平流降温造成的过程最低气温与850 hPa冷平流强度对应,过程最低气温往往发生在850 hPa冷平流最强的次日,另外还要关注辐射降温作用对最低气温的影响。      

北半球中高纬度低频振荡对2012/2013年冬季中国东北极端低温事件的影响

利用NCEP/DOE的逐日再分析资料和国家气象信息中心的常规观测站温度资料,首先分析了2012/2013年冬季中国东北区域极端低温事件过程中区域平均温度的低频振荡变化特征,然后分析了北半球中高纬度对流低层和中层低频环流系统配置的变化及其与东北地区强冷空气活动过程的联系,最后进一步研究了中高纬度低频环流系统的传播特征及其对温度变化的影响。主要结果有:（1）2012/2013年冬季东北区域平均温度存在很强的30～60 d的周期振荡特征,同时伴随较强的10～30 d低频振荡,后者与实际降温过程对应关系更好;（2）对10～30 d的低频振荡而言,在东北地区低频温度变化降低最大的位相7（位相3升高最大）,500 hPa上,我国东部地区正好处于贝加尔湖地区的低频高压（低压）环流和日本海的低频低压（高压）环流型之间的低频偏北（偏南）的较强引导气流中;同时在850 hPa上,我国东部从东北到南海都是较强的偏北（偏南）低频风控制,这使得东亚冬季风环流系统加强（被抑制）,东北区域则经历一次大幅度的低频温度降低（升高）过程,这些高低空低频环流系统的配置和演变导致了2012/2013年冬季一次次强（或较强）的冷空气沿偏东偏北的路径影响我国东北地区,并导致极端低温事件的出现;（3）沿着乌拉尔山-贝加尔湖-我国东北地区-西北太平洋传播的500 hPa低频波列,是驱动2012/2013年冬季东亚冬季风低频振荡和我国东北地区极端低温事件的环流系统。     

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。