江苏冬季霾日数的年代际变化与环流异常和区域增暖的可能联系

近50年江苏冬季霾日数随时间线性增多,其距平变化在1970年代由负位相转变为正位相。这种变化可能与东亚气候突变有关。利用江苏气象站点资料和NCEP/NCAR再分析资料,结合江苏冬季霾日数的年代际变化特征,探讨其与年代际气候变化的联系。结果表明,在江苏冬季霾少发期(1961—1979年),500 hPa高度场在欧亚中高纬地区表现为“正-负-正”的距平分布,即在乌拉尔山附近和阿留申群岛附近表现为正距平,而在贝加尔湖以东地区表现为负距平。这种“两脊一槽型”的分布有利于北方冷空气南下,冬季风较强,使江苏境内地面风速增大,有利于大气污染物扩散,同时大气净化次数有所增多,不利于霾天气发生。而在霾的多发期(1980—2010年),异常的大气环流型则相反。此外,江苏冬季霾日数对气温增暖存在可能的显著正响应。      

四川盆地冬季霾日数的分布特征及其与气象条件和海温关系

利用四川盆地气象站点资料和NCEP/NCAR再分析资料,结合四川盆地冬季霾日数的时空变化特征,分析了影响盆地冬季霾日数的气象条件,探讨了海温异常对冬季霾日数的可能影响,基于海温关键区建立冬季霾日数预测模型,并检验了模型的预测能力。研究表明,四川盆地冬季霾日数呈弱增加趋势;四川盆地三大城市群为冬季霾多发区;四川盆地冬季霾日数与相对湿度、气温、降水日数关系显著。四川盆地冬季霾日数偏多(少)年,大气环流异常呈西伯利亚高压偏弱(强)、欧亚中高纬呈北低(高)南高(低)、东亚冬季风偏弱(强)、副热带西风急流偏弱(强)。秋季东北太平洋、热带太平洋以及北大西洋海温关键区暖海温(冷)发展,有利于盆地盆地冬季霾日数偏多(少)。前期秋季东北太平洋、热带太平洋、北大西洋海温异常是影响四川盆地冬季霾日数的年际预报信号,对四川盆地冬季霾日数的多寡具有较好的预测能力。     

1981—2018年中国东北地区秋冬季霾日变化及其与北极海冰的关系

利用中国东北地区1981—2018年166个地面气象观测站资料, 定义了中国东北地区秋冬季霾日指数, 分析了年际尺度上该地区霾日数与同期大气环流异常的内在关系。结果表明: 中国东北地区秋冬季霾日指数存在显著的年际变化特征, 欧亚—太平洋遥相关型(Eurasia-Pacific Teleconnection Pattern, EUP)负位相、东亚大槽偏弱等大气环流异常配置导致中国东北地区秋冬季霾的发生频次增加。巴伦支海与喀拉海北部海域是影响中国东北地区秋冬季霾日年际变化的海冰关键区, 该区域海冰面积与霾日数呈显著负相关, 北极海冰通过改变大气环流间接影响中国东北地区秋冬季霾日发生频次, 当北极海冰异常偏少时, 东亚冬季风偏弱, 近地面风速偏低, 环境湿度偏高, 中国东北地区受东北亚异常反气旋西侧的异常偏南风控制, 且受“EUP”负位相模态影响, 东亚大槽减弱, 有利于大气污染物和水汽向中国东北地区输送, 该地区秋冬季霾的发生频次增加。     

江南春雨雨日的变化及其与欧亚大陆积雪的联系

利用中国气象局提供的1960—2019年江南区站点观测逐日降水数据,分析了江南春雨不同持续时长雨日的变化及其与欧亚大陆积雪的联系。结果表明,江南春雨以持续5 d及以上的长持续降水为主,但降水日数下降趋势明显,导致长持续降水减少。利用奇异值分解法(Singular Value Decomposition,SVD)发现,欧亚大陆3—5月积雪覆盖率与江南春雨雨日数有显著正相关关系。将(48°~59°N,90°~110°E)区域平均积雪覆盖率定义为积雪覆盖指数,通过指数与同期大气环流的回归分析发现,当积雪偏少时,我国中北部及西伯利亚地区500 hPa位势高度正异常,在江南区850 hPa风场和水汽通量场西南向负异常,导致江南春雨雨日数减少。合成分析进一步验证了积雪偏少会在江南区形成异常东北风抑制水汽输送至江南地区,不利于降水发生。     

春季蒙古气旋活动与冬季北大西洋海温异常和欧亚大陆积雪异常的联系

基于1948-2013年NCEP/NCAR逐月逐日冉分析资料、美国国家海洋大气局月平均海表温度资料,1958-2013年日本JRA-55再分析陆地雪深资料,采用850 hPa相对涡度场气旋追踪方法,统计了春季蒙古气旋的年际及年代际变化特征。根据蒙古气旋偏多年与偏少年的高度场环流背景,研究了影响蒙古气旋的主要环流系统。对北大西洋海温、欧亚大陆积雪深度分布对于蒙古气旋生成的影响进行了探讨。主要结论如下:(1)蒙古气旋活动具有明显的年代际变化特征。20世纪80年代初到90年代末期蒙古气旋数量处于下降趋势,2000年以后又处于增多趋势。(2)贝加尔湖西北侧的大气环流异常中心会对蒙古气旋的生成造成明显影响。冬季北大西洋格陵兰岛南部地区海温升高会在欧亚大陆激发遥相关波列,造成乌拉尔山以北地区的冬春季节雪盖深度的减小,雪盖深度减小产生的热力作用异常会造成贝加尔湖西北侧高度场的升高,导致蒙古气旋的减少。(3)乌拉尔山北部地区的冬季积雪深度可以作为预测春季蒙古气旋个数的前兆因子,其与春季蒙古气旋频次为正相关。     

欧亚积雪异常分布对冬季大气环流的影响I. 观测研究

利用ECMWF 1979～1993年2.5°×2.5°的网格点积雪深度资料、中国气象局整编的海平面气压、500 hPa高度场和NCEP再分析资料,探讨了欧亚冬季积雪异常对同期大气环流的影响.结果表明:(1) 欧亚中高纬冬季积雪面积与同期大气环流具有密切的联系:积雪面积为正(负)异常时,冬季500 hPa高度场对应正(负)欧亚-太平洋(简称EUP)遥相关型,东亚冬季风活动偏强(弱).(2)诊断结果表明,积雪异常与大气环流之间的密切联系在一定程度上反映了冬季积雪的异常分布可能对大气EUP遥相关型和东亚冬季风活动产生影响.(3)SVD分析得到的冬季积雪的异常分布与同期大气环流的耦合模态,证实了前面所得结果.     

2012/2013年冬季中国气温异常成因分析

2012/2013年冬季,我国平均气温为-3.8℃,较常年同期(-3.4℃)偏低0.4℃,就空间分布来看,我国东北、华北、黄淮、江淮和新疆北部气温较常年同期偏低。利用1951-2013年国家气候中心整理的全国160站月平均气温资料、英国Hadley中心全球海温资料、NCEP/NCAR再分析大气环流资料、德国不莱梅大学提供的海冰卫星遥感资料,通过EOF分析、回归分析、合成分析、相关分析方法研究了引起2012/2013年冬季我国气温异常的东亚中高纬大气环流异常,并从海洋环境要素异常的角度分析造成这种环流异常的原因。分析结果表明:2012/2013年冬季我国气温异常分布主要是由于北极涛动(AO,Arctic Oscillation)呈负位相,西伯利亚地区高度场异常偏高,东亚大槽明显偏深的环流形式引起的。而太平洋年代际振荡(PDO,Pacific Decadal Oscillation)负位相是引起西伯利亚高压强度偏强和东亚冬季风强度偏强的年代际海洋背景,前期9月海冰范围异常偏小是导致2012/2013年冬季AO呈现负位相及我国东北和新疆北部呈现异常低温的主要原因。     

冬季积雪的异常分布型及其与冬、夏大气环流的耦合关系

采用 ECMWF1 979～ 1 993年 2 .5°× 2 .5°的网格点积雪深度资料 ,研究了较为细致的积雪异常的空间分布特征 ,揭示了欧亚大陆冬季积雪的异常空间分布型 ;并采用 SVD方法研究了冬季积雪的异常分布型与冬、夏大气环流的耦合关系。结果表明 :欧亚大陆冬季积雪深度存在典型的异常空间分布型 ;积雪的异常分布型与冬、夏大气环流之间均存在一定的耦合关系。冬季积雪的异常分布型与大气 EU遥相关型存在明显的同时性相互作用 ,大气 EU遥相关型有利于冬季积雪异常分布型的出现和维持 ,而积雪异常分布型对大气 EU遥相关型的发生起一定的作用 ,进而对冬季风活动产生影响。冬季积雪的这种异常分布型与夏季大气环流 ,尤其是东亚地区的夏季大气环流 ,也存在一定的联系。积雪异常分布型可以通过影响副热带高压的南北进退 ,对东亚季风及中国夏季雨带产生影响。     

欧亚大陆积雪与2010年中国春末夏初降水的关系

利用欧亚大陆地区的积雪覆盖日数资料、中国160个台站逐月降水资料以及美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料,采用奇异值分解(SVD)方法和数值试验研究了欧亚大陆2-4月积雪与后期5-6月中国降水的关系。结合2010年积雪和降水的分布特征可以发现,SVD第二模态基本反映了2010年积雪异常与降水异常的时滞耦合关系。欧亚大陆积雪在欧洲、青藏高原东部和东亚地区异常偏多时,我国华南降水增多,长江中下游降水减少,欧亚大陆东、西部积雪异常偏多与后期中国华南降水存在正相关关系。根据统计分析得到的空间分布特征和积雪参数的观测数据,选用大气环流模式CAM3.1进行数值试验,模拟结果与统计分析结果比较一致。积雪异常通过反照率效应和水文效应引起地表及其上的大气热力状况异常,进而引起位势高度场、风场等各个大气环流要素场的调整,导致后期华南降水异常偏多。欧亚大陆积雪异常很可能是2010年春末夏初华南降水异常的一个重要诱发因子。     

我国中原至华北平原冬季雾-霾与北半球大气环流异常

采用2000—2017年1月地面和高空观测基本气象要素(气压、温度、湿度、风、能见度和雾-霾天气现象等)观测信息、1980—2016年1月NCEP再分析资料等,基于气候平均态的环流异常特征分析,发展对平均气候态出现异常变化的综合诊断分析方法,研究华北地区冬季典型雾-霾多寡年大气环流的三维结构及其遥相关异常特征。结果表明:2000—2017年冬季1月,华北平原、中原等黄河中下游地区冬季雾-霾的发生日数呈增加趋势,雾-霾发生日数线性增加拟合趋势相关确认系数为R2=0.36,超过0.001的显著性水平。基于气候平均态环流异常特征分析表明,华北平原、中原等黄河中下游地区雾-霾污染出现多、寡年的对流层大气大尺度环流分布差异显著。气候平均态的环流异常特征分析表明,多雾-霾年,在冬季1月影响中国的冷空气主要路径上,自极地区泰米尔半岛,经中西伯利亚、贝加尔湖地区到中国东部区域,对流层中层与高层位势高度距平呈现"高—低—高"的分布,在低层则出现"东高西低"的气候平均态异常分布;少雾-霾年,该分布型不复存在,并出现反位相特征。多雾-霾年的这种异常环流分布型可为中原至华北平原冬季雾-霾的频发提供有利的气候背景,是该区域冬季雾-霾多发的重要原因。     

中国冬季积雪变异及其与北极涛动的联系

本文利用1979～2010年NCEP/NCAR再分析资料、中国台站观测雪深、气温和降雪资料, 分析了中国冬季积雪时空分布特征, 结果表明:雪深经验正交分解第一模态有显著的南、北反位相特征, 当新疆北部、东北地区积雪偏多(少)时, 对应黄河以南和青藏高原地区积雪偏少(多)。近30年来中国冬季积雪变异与北极涛动(AO)有非常紧密的联系, 雪深的南、北反位相分布型与北极涛动有明显的反相关关系。AO负位相时, 500 hPa等压面上40°N以北存在着中心在贝加尔湖附近的气旋环流, 而在其南存在着中心在中国西南的反气旋性环流, 中国北方和南方地区分别受气旋和反气旋的控制。在我国北方地区, 与AO相联系的气旋环流异常导致降雪增多、地表温度偏低, 使得积雪增加;而在南方地区, 与AO相联系的反气旋性环流异常导致的降雪减少和气温偏高, 导致了积雪减少。本文的研究说明了北极涛动通过影响中国降雪和气温, 进而对中国冬季积雪产生可能的影响。     

欧亚土壤湿度异常对北半球大气环流的显著影响

用44 a ERA40再分析资料的土壤湿度和大气环流变量场, 研究持续性的欧亚大陆土壤湿度异常对后期北半球大尺度大气环流的反馈作用。首先,运用经验正交函数分解去除ENSO遥相关及趋势影响后,分析了欧亚大陆中高纬度土壤湿度变率主要模态的季节变化特征,及相对应主分量时间序列显示的土壤湿度异常的衰减时间,结果表明土壤湿度异常的主要模态在全年都表现出很好的连续性。其次,对不同季节的连续3个月的月平均土壤湿度和500 hPa高度场进行滞后最大协方差分析,研究欧亚地区中高纬度土壤湿度异常与北半球大气环流异常之间的线性耦合。第一最大协方差模态的结果表明:全年的主导信号是大气强迫土壤湿度的变化,但在冬季和夏季,大气中类似于负位相北极涛动的环流型与之前月份(最长达4个月)土壤湿度的持续变化显著相关。最后,基于土壤湿度变率中心的回归分析也证实了秋季和春季欧亚土壤湿度,特别是北非副热带,欧亚内陆和西伯利亚地区的土壤湿度异常,分别与其后的冬季和夏季的大气环流显著相关。欧亚大陆土壤湿度异常超前大气环流的信号,将有助于改善冬季和夏季北半球季节气候预报能力。     

中国中东部冬季霾日的形成与东亚冬季风和大气湿度的关系

利用1961-2013年中国地面台站长期观测资料和同期NCEP/NCAR再分析资料,以华北、江淮和华南为研究区,分析了中国中东部冬季霾日的形成与东亚冬季风以及大气湿度的关系。结果表明:(1)冬季霾日与东亚冬季风强度成显著的负相关。首先,东亚冬季风强度的减弱使得地面风速减小,进而导致冬季霾日增多。其中,华北7-8 m/s最大风速日数和江淮6-8 m/s最大风速日数的减少,及华南≤2 m/s最大风速日数的增多对各区冬季霾日的增多作用较大。其次,东亚冬季风减弱引起冬季气温的持续升高,易导致冬季霾日的增多,这在华北地区较之在江淮和华南更为明显。(2)由于气候变暖,冬季气温升高,使得近地面相对湿度减小。在江淮和华南地区,冬季霾日的增多与近地面相对湿度的减小显著相关,而在华北地区这种相关较弱。(3)冬季气温升高也有利于大气层结稳定度的增强,3个区域冬季霾日的增多均与大气层结稳定度的增强显著相关,特别是与对流层中低层(850-500 hPa)大气饱和度的降低显著相关。(4)冬季霾日数变化与区域水汽输送关系密切。其中,华北地区的冬季霾日数与水汽总收入成显著正相关,江淮地区与纬向水汽收入成显著正相关,与经向水汽收入成显著负相关,华南地区与经向水汽收入成显著负相关。     

欧亚大陆冬季积雪异常与东亚冬季风及中国冬季气温的关系

采用相关及合成分析方法,对ＥＭＭＷＦ１９７９－１９９３年的网格积雪深度资料深度资料,冬季海平面气压场,５００ｈＰａ高度场及中国冬季气温场进行了分析,研究了欧亚大陆冬季积雪异常与东亚冬季风及中国冬季气温的关系。结果表明：欧亚大陆中高纬地区冬季积雪异常与东亚冬季风和中国冬季气温明显的关系。     

1961年-2012年山西雾霾的时空变化特征及成因分析

利用1961年-2012年山西逐日天气现象、能见度、相对湿度和日平均气温资料,采用Kendall-tau方法和相关分析法研究山西雾霾日数的时空变化特征及成因。结果表明：雾多发区在中南部,北部雾日较少。霾、烟幕日数高值区出现在以大同、太原、临汾为中心线的带状区域。季节分布来看,轻雾、雾日数峰值出现在8、9月份,谷值在5月份出现;霾和烟幕日数的峰值出现在12、1月份,谷值在8、9月份出现。近50余年以来,山西雾霾日数呈现增多趋势,雾日增加趋势较弱,60、70年代为增多趋势,进入21世纪则为减少趋势;轻雾和霾日数均为显著单调上升趋势;烟幕日数也为显著增多趋势,但表现为抛物线型,90年代后期以前为增多,之后转为下降趋势。山西霾和烟幕日数与E1Nino事件有很好的对应关系,E1Nino事件发生年往往霾和烟幕日数较多,赤道中东太平洋的海温异常通过海气相互作用,引起东亚地区上空的大气环流异常,形成利于霾和烟幕出现的天气条件。山西冬季气温偏高往往导致霾和烟幕天气的增多,气候变暖对霾和烟幕天气的影响不容置疑。     

2009/2010年北半球冬季异常低温分析

分析了2009/2010年冬季(2009年12月1日至2010年2月28日,简称09/10年冬季)北半球地面气温异常特征及同期的水平与垂直环流场的异常结构。结果表明地面气温的异常呈现出带状的分布,表现为在低纬度为正异常、中纬度负异常及高纬度正异常的"正负正"的分布特征,最大的降温区在欧亚大陆和美国东部,其中局部的降温超过了-4℃。09/10年冬季北半球中纬度的地面气温相比过去15年冬季的平均值下降了近1℃,而在欧亚大陆的局部地区降温超过了-8℃。水平环流场的异常特征为:海平面气压和位势高度均表现为高纬度正异常而中纬度负异常的"北高南低"的分布特征,与此同时,中纬度出现气旋式的异常环流而高纬出现反气旋式的异常环流,这种分布形势在高低层表现得较为一致。经圈环流异常特征为:费雷尔环流减弱,中纬度出现异常的上升运动而高纬度出现异常的下沉运动,与此同时,中纬度对流层气温降低,而低纬度和高纬度的对流层气温升高,副热带急流增强,而极地急流减弱。09/10年冬季北半球环流的异常特征与北半球环状模(NAM)负位相时的极为相似。对多年冬季北半球地面气温和NAM指数进行合成和相关分析,结果表明当NAM处于正(负)位相时,北半球中纬度地面气温出现正(负)异常带,并且在欧亚大陆和美国东部最为显著,局部升温(降温)的幅度达到2℃。在热带外地区,经向温度平流是控制温度局地变化的关键因子。NAM影响北半球地面气温的物理机制分析表明,NAM主要是通过影响经向温度平流来影响北半球中纬度气温的。当NAM为正位相时,北半球费雷尔环流加强,中纬度带和高纬度带发生大气质量的交换,海平面气压场表现为中纬度异常高压而高纬度异常低压的"南高北低"的分布特征,中纬度地表出现异常的南风,进而经向暖平流加强,最终导致中纬度地面气温升高,NAM负位相年时与之相反。这个结果揭示了NAM作为自然变率对中纬度地面气温的调控作用。     

2011～2012年冬季欧亚大陆低温严寒事件与平流层北极涛动异常下传的影响

利用NCEP-NCAR 再分析资料分析了2011～2012 年冬季发生在欧亚大陆的一次异常低温严寒事件的大气环流演变过程以及可能的成因。这次低温事件,主要出现在2012 年1 月下旬至2 月上旬,持续大约3 周左右,非常强的低温异常覆盖了几乎整个欧洲以及东亚的西伯利亚、蒙古国和我国东北、华北等地。这次低温事件的演变与对流层北极涛动(AO)由正位相转变为负位相的时间相匹配,意味着AO 可能发挥重要作用。进一步分析表明,前期行星波的异常上传导致平流层发生爆发性增温现象,极夜急流减弱,AO 位相首先在平流层由正变负;在2～3 周左右的时间内,平流层AO 异常信号逐渐下传,使得对流层AO 也转为负位相;随后,乌拉尔山阻塞高压异常发展,极区的冷空气不断向南爆发,先后在东亚和欧洲造成剧烈的降温,导致低温严寒事件。因此,考虑平流层环流的异常可能有助于提高欧亚大陆冬季低温严寒事件的预测能力。     

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。     

青藏高原冬春积雪特征及其对我国夏季降水的影响

本文利用国家气象中心提供的逐日地面积雪深度和积雪日数数据,以及NOAA的大气环流再分析资料,通过合成分析等方法,对1961—2013年青藏高原冬春季积雪高原整体、高原东部、高原西部进行了年际和年代际趋势分析,结果表明,青藏高原整体冬、春季积雪的变化趋势一致,雪深呈现"少雪—多雪—少雪—多雪"的变化趋势,积雪日数呈现"少雪—多雪—少雪"的变化趋势。高原东(西)部积雪在20世纪60—70年代均明显增加,20世纪80—90年代均减少,20世纪90年代末东部春季和冬季积雪减少更为显著,而西部地区除了春季积雪日数变化不大,春、冬季积雪雪深和冬季积雪日数均明显增加。其次,对青藏高原东、西部地区多(少)雪年的划分,发现高原东部和西部地区积雪异常年对应的大气环流形势也存在差异。最后,进一步分析了青藏高原不同区域积雪异常年环流形势变化特征及其对我国夏季降水的影响,发现高原东(西)部积雪异常年时我国夏季降水分布存在显著差异,因此,在将高原积雪作为气候预测因子的时候,应当考虑东部和西部积雪异常不同所产生影响的差异。     

1961-2014年青藏高原积雪时空特征及其影响因子

利用青藏高原(下称高原)1961-2014年地面110个气象站积雪深度、积雪日数、气温和降水逐日资料,系统地分析了高原积雪深度和积雪日数时空特征,并进一步探究了高原积雪深度和积雪日数与气候因子和地理因子之间的关系。研究发现:1961-2014年高原年平均积雪深度和积雪日数分别为0.26 cm和23.78 d,空间和季节尺度上分布不均匀,且积雪深度和积雪日数大值并不完全重合;在整体变化趋势上,积雪深度和积雪日数均呈缓慢下降趋势,分别为-0.0080±0.0086 cm·(10a)^-1(p=0.36)和-0.64±0.47 d·(10a)^-1(p=0.17),但在数理统计上不显著,且各站点差异性大;积雪深度和积雪日数在春季、冬季和年表现为“减-增-减”的年代际变化特征,而在秋季为“增-减”的变化特征;气温与积雪深度和积雪日数均有较好的相关性,冬季的降水与积雪深度和积雪日数高度相关;积雪深度和积雪日数随海拔呈增加趋势,积雪日数与纬度也高度相关,但积雪深度与纬度的相关性不明显。