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.     

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。     

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。     

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。     

一次东亚寒潮爆发后冷涌发展的研究

分析了１９８１年１月２１—２８日一次东亚强寒潮爆发后南海和西太平洋地区冷涌的发展过程。冷涌的发展最先表现为低层强东北风沿东亚沿海地区和南海中北部的迅速建立。２—３ｄ之后，又在菲律宾以东洋面激起第二次冷涌。与冷涌相伴随的低层温度场变化也十分明显，同样具有先后两次降温过程。冷涌期高空风场表现有明显的脉动，南海北部高空西风迅速减弱，而在南海近赤道地区出现了很强的高空东风区。冷涌的发展与寒潮冷高压的南下有密切关系，它的强度在很大程度上取决于中纬度冷高压的强度。另一方面，冷涌发展后，通过Ｈａｄｌｅｙ环流可影响中纬西风急流和热带东风急流的变化。     

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。     

冬季乌拉尔山阻塞与东亚冬季风的联系分析

利用美国国家环境预报中心和美国大气科学研究中心(NCEP/NCAR)1948/1949~2012/2013年的逐日再分析资料,从年际变化和季节内演变两种时间尺度分析了冬季乌拉尔山阻塞与东亚冬季风的联系。结果表明,从年际变化角度,东亚冬季风综合指数(EAWMII)与冬季乌拉尔山阻塞频数显著相关,且两者的线性趋势与周期一致。当乌拉尔山阻塞频繁发生时,对流层中层西伯利亚反气旋异常,东亚大槽加深;对流层低层表现为贝加尔湖及东亚沿岸北风显著加强,中亚和东亚大部分地区地表温度降低,东亚冬季风较常年加强。乌拉尔山阻塞的由强盛到崩溃的过程对应着西伯利亚高压由加强到减弱东移的季节内演变,850 h Pa风场对应为异常北风由贝加尔湖以北逐渐影响至低纬度菲律宾以东的演变特征。     

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。     

Build-up,air mass transformation and propagation of Siberian high and its relations to cold surge in East Asia

Summary The present paper discusses the build-up, the air mass transformation and the propagation of the Siberian high as well as its relations to the development of cold surges in East Asia. It has been found that (1) the genesis and development of the Siberian high result from the combined effects of the mass convergence at middle and upper-level and the radiative cooling; (2) the apparent transformation of the Siberian high over land is observed in winter, which is caused by the upward sensible heat and latent heat flux from the underlying surface; (3) the Siberian high and its attendant cold air outbreaks usually undergo a marked low-frequency, southward propagation with the period of 10–20 days; (4) activity of cold surge over the East China Sea and the South China Sea is closely related to the intensity of the Siberian high. The active cold surge occurs when the Siberian high is usually strong.With 12 Figures     

东亚冬季风的演变特征

文章主要讨论了东亚冬季风和冷涌的演变特征，并与南亚作了对比，发现在东亚地区，冬季风演变主要表现为10月中旬经向环流的突变及9月初、11月中旬和1月末对流层低层温度的3次突变；而在南亚地区，经向环流的变化不如东亚地区明显，而且高层要先于低层变化，对流层低层温度存在2次突变。在整个冬季，东亚地区冷涌的演变过程，主要表现为南海地区冷涌在12月份出现最高频率，而西太平洋冷涌在1月份出现最高频率；南亚地区冷涌在12月份出现最高频率，但远小于东亚地区且衰减速度很快。另一个不同点是东亚地区的冷涌强度是往上衰减的，而南亚地区的冷涌强度则是往上增强的。这说明东亚冬季风和南亚冬季风的性质有较大的区别。     

East Asian winter monsoon: results from eight AMIP models

 This study evaluates simulations of the East Asian winter monsoon in eight GCMs that participated in the Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP). In addition to validating the mean state of the winter monsoon, the cold surge and its transient properties, which includes the frequency, intensity, preferred propagation tracks, and the evolution patterns of the surges, are examined. GCM simulated temporal distribution of the Siberian high and cold surges is also discussed. Finally, the forcing of the cold surges on the tropical surface wind and convection, along with their interannual variation is analyzed. The mean state of the winter monsoon is generally portrayed well in most of the models. These include the climatological position of the Siberian high, the 200 hPa divergent center, and the large-scale wind patterns at the surface and the 200 hPa. Models display a wide range of skill in simulating the cold surge and its transient properties. In some of the models, the simulated cold surge trajectory, intensity, frequency, propagation patterns and source regions are in general agreement with those from the observed. While in others, the models cannot adequately capture these observed characteristics. The temporal distribution of the Siberian high and cold surges were realistically reproduced in most GCMs. Most models were able to simulate the effect of the cold surges on the tropical surface wind, although a few models unrealistically generated subtropical southerly wind in the mid-winter. The relationship between cold surges and the tropical convection was not satisfactorily simulated in most models. The common discrepancies in the winter monsoon simulation can be attributed to many factors. In some models, the reason is directly related to the improper location of the large-scale convective center near the western Pacific. The satisfactory simulations of the monsoon circulation and the cold surges are partly due to the topographical characteristics of the East Asian continent, i.e., the Tibetan Plateau to the west and the oceans to the east. The correct simulation of the interannual variation of the surface wind near the South China Sea (SCS) and the maritime continent is a demanding task for most of the models. This will require adequate simulations of many aspects, including tropical convection, the Siberian cold dome, the extratropical-tropical linkage, and the air-sea interaction. The discrepancies noted here furnish a guide for the continuing improvement of the winter monsoon simulations. Improved simulations will lead to an adequate delineation of the surface wind and convection near the maritime continent, which is essential for portraying the winter monsoon forcing in a coupled model. Received: 10 March 1997/Accepted: 4 June 1997     

青藏高原大地形对南海冷涌事件影响的数值模拟

利用大气环流模式NCAR CAM3,通过比较敏感性试验与控制试验的结果,讨论青藏高原大地形高度对南海北部冷涌事件及环流的可能影响。结果表明,地形的绕流作用对阿留申低压和东亚大槽的产生有着重要作用,当大地形不存在时,两者消失。地形高度变化对大陆冷高压的强度有影响,随着地形高度的降低大陆冷高压强度减弱。即大地形对中高纬行星尺度平均槽脊具有重要作用,地形高度降低会导致中高纬环流经向度减小,不利于冷空气南下,从而影响冷涌事件的强度和发生频率。当地形高度减半时,由于大陆东部地势相对平坦,南海北部北风强度增加,使得南海北部冷涌的出现频率略有增加。当无地形存在时,由于无青藏高原大地形的存在,使得东亚中高纬环流的经向度显著减小,冷空气南下活动明显减弱;同时没有大地形激发冷锋后的Kelvin波向南运动,导致南海北部北风强度减弱,南海北部冷涌的出现频率也显著减少。     

A NUMERICAL EXPERIMENT STUDY ON THE FORMING MECHANISMS OF LOW-LATITUDE CIRCULATION CELLS AND PRECIPITATION DURING AN EAST ASIAN COLD SURGE

The forming mechanisms of low-latitude circulation cells and precipitation during an East Asian cold surge have been studied by using a five-layer primitive equation model.Numerical experiments show that in mid-high latitudes,the propagation of the East Asian winter monsoon is nearly a dry process;in low-latitudes,the effects of cumulus convection intensify the northeast monsoon and northeast trade wind;however,they also prevent the intertropical convergence zone(ITCZ) from further southward invasion,and strengthen the meridional and zonal cells over East Asia. Numerical results also indicate that the winter monsoon precipitation in Indonesia and Northern Australia can exist independently.Both the South China Sea(SCS) cold surge and the West Pacific northeast cross-equatorial trade wind are of importance for the formation of the Northern Australia summer monsoon and its precipitation.Numerical results show that the development of cumulus convection,triggered by the SCS cold surge,is a crucial factor in forming the heavy monsoon precipitation and low-level stationary disturbances in Indonesia and Borneo.The tropical topography and northeast trade wind disturbances only affect the intensity of precipitation there.     

青藏高原大气热量源汇年际变化青藏高原大气热量源汇年际变化

本文使用1961～1995年逐月青藏高原地区大气视热量源汇＜Ql＞资料、1961～1990年青藏高原地区积雪日数和积雪深度资料、美国NCEP／NCAR的再分析资料以及1975～1994年全球OLR资料，讨论了高原大气热状况年际变化及其与大气环流的关系，发现：高原地区大气热源年际变化明显，其中春季和秋季高原地区＜Ql＞的变率最大，并且水平分布很不均匀；当冬季高原冷源弱(或强)时，东亚大槽位置偏东(或西)，对应着东亚强(或弱)的冬季风；夏季高原热源强(或弱)的年份，在高原及其邻近地区的对流层中、低层为偏差气旋环流(或反气旋环流)，在中国长江流域低层为异常的西南风(或东北风)，对应着东亚强(或弱)的夏季风，夏季高原热源强度还与南亚高压的强度和位置有关；春季4月的积雪状况与夏季高原大气热源强度有明显关系；夏季高原热源与同期青藏高原东南部、孟加拉湾、中南半岛、东南亚、中国西南部、长江流域和从黄海到到日本海一带对流有明显正相关     

青藏高原大气热量源汇年际变化及其与大气环流的关系(英文)

本文使用１９６１～１９９５年逐月青藏高原地区大气机热量源汇＜Ｑ１＞资料、１９６１～１９９０年青藏高原地区积雪日数和积雪深度资料、美国ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ的再分析资料以及１９７５～１９９４年全球ＯＬＲ资料，讨论了高原大气热状况年际变化及其与大气环流的关系，发现：高原地区大气热源年际变化明显，其中春季和秋季高原地区＜Ｑ１＞的变率最大，并且水平分布很不均匀；当冬季高原冷源弱（或强）时，东亚大槽位置偏东（或西），对应着东亚强（或弱）的冬季风；夏季高原热源强（或弱）的年份，在高原及其邻近地区的对流层中、低层为偏差气旋环流（或反气旋环流），在中国长江流域低层为异常的西南风（或东北风），对应着东亚强（或弱）的夏季风，夏季高原热源强度还与南亚高压的强度和位置有关；春季４月的积雪状况与夏季高原大气热源强度有明显关系；夏季高原热源与同期青藏高原东南部、孟加拉湾、中南半岛、东南亚、中国西南部、长江流域和从黄海到到日本海一带对流有明显正相关。     

The 2020 Summer Floods and 2020/21 Winter Extreme Cold Surges in China and the 2020 Typhoon Season in the Western North Pacific

China experienced significant flooding in the summer of 2020 and multiple extreme cold surges during the winter of 2020/21. Additionally, the 2020 typhoon season had below average activity with especially quiet activity during the first half of the season in the western North Pacific(WNP). Sea surface temperature changes in the Pacific, Indian, and Atlantic Oceans all contributed to the heavy rainfall in China, but the Atlantic and Indian Oceans seem to have played dominant roles. Enhancement and movement of the Siberian High caused a wavier pattern in the jet stream that allowed cold polar air to reach southward, inducing cold surges in China. Large vertical wind shear and low humidity in the WNP were responsible for fewer typhoons in the first half of the typhoon season. Although it is known that global warming can increase the frequency of extreme weather and climate events, its influences on individual events still need to be quantified.Additionally, the extreme cold surge during 16–18 February 2021 in the United States shares similar mechanisms with the winter 2020/21 extreme cold surges in China.     

The interannual variability of East Asian Winter Monsoon and its relation to the summer monsoon

1.IntroductionOvertheEastAsiaregion,themostprominentsurfacefeatureofthewintermonsoonisstrongnortheasterliesalongtheeastflankoftheSiberianhighandthecoastofEastAsia.At500hPathereisabroadtroughcenteredaboutatthelongitudesofJapan.Thedominantfea-tureat2O0hPaistheEastAsianjetwithitsmaximumlocatedatjustsoutheastofJapan.Thisktisassociatedwithintensebaroclinicity,largeverticalwindshearandstrongadvectionofcoldair(StaffmembersofAcademiaSinica,l957,LauandChang,1987;BoyleandChen,1987;Chenetal.,1991…