1998年和2016年北大西洋海温异常对中国夏季降水影响的数值模拟研究

基于1979-2016年ERA-Interim再分析资料和CAM5.3模式,研究了2016年和1998年北大西洋海温异常对中国夏季降水以及大尺度环流的可能影响及其机制。结果表明,这两年前夏（6-7月）长江中下游及其以南地区降水均异常偏多,但1998年降水异常较2016年更为显著。后夏（8月）,2016年长江以南地区降水异常偏多,长江-黄河流域降水异常偏少,而1998年降水异常分布与之相反。2016年和1998年夏季中国东部降水异常的差异与西北太平洋对流层低层异常反气旋以及欧亚中高纬度环流变化的共同作用直接相关。敏感性数值试验的结果表明,北大西洋海温异常的显著差异是导致2016年和1998年夏季中国东部降水以及大尺度环流异常存在明显差异的重要原因之一。一方面,北大西洋海温异常可以通过改变欧亚中高纬度环流进而对中国夏季降水产生影响。1998年北大西洋海温异常自热带至副极地呈类似"+ - +"型分布,这种海温异常型能够在前夏欧亚中高纬度地区激发出双阻型的环流异常响应。2016年北大西洋海温异常自热带至副极地呈相对弱的"- + -"型分布,欧亚中高纬度环流异常响应总体偏弱。另一方面,北大西洋海温异常还可以通过影响热带纬向环流进而对西北太平洋对流层低层异常反气旋起调制作用。1998年北大西洋海温异常对夏季西北太平洋异常反气旋起增强作用,这与热带印度洋-太平洋海温的强迫作用相协调。然而,2016年北大西洋海温异常则有利于西北太平洋异常反气旋的减弱,这与热带印度洋-太平洋海温的强迫作用相反。因此,在这3个大洋的协同作用下,2016年和1998年前夏西北太平洋异常反气旋均偏强,但前者的振幅弱于后者。在后夏,1998年西北太平洋对流层低层仍受异常反气旋控制,2016年则为异常气旋控制。      

夏季热带北大西洋海温异常对西北太平洋热带气旋生成的影响

利用1979—2012年西北太平洋热带气旋最佳路径资料,Hadley中心的海温资料和NCEP/NCAR再分析资料等,研究了夏季(6—10月)热带北大西洋海温异常与西北太平洋热带气旋(Tropical Cyclone,TC)生成的关系及其可能机制。结果表明,夏季热带北大西洋海温异常与同期西北太平洋TC生成频次之间存在显著的负相关关系。热带北大西洋海温的异常增暖可产生一对东—西向分布的偶极型低层异常环流,其中气旋性异常环流位于北大西洋/东太平洋地区,反气旋异常环流位于西北太平洋地区。该反气旋环流异常使得TC主要生成区的对流活动受到抑制、低层涡度正异常、中低层相对湿度负异常、中层下沉气流异常,这些动力/热力条件均不利于TC生成。此外,西北太平洋地区低层涡旋动能负异常,同时来自大尺度环流的涡旋动能的正压转换也受到抑制,不能为TC的生成和发展提供额外能量源。反之亦然。     

An enhanced influence of sea surface temperature in the tropical northern Atlantic on the following winter ENSO since the early 1980s

已有研究指出春季热带北大西洋海温对随后冬季ENSO事件的发生存在显著的影响。该研究发现它们的联系在20世纪80年代初以后显著增强。20世纪80年代初以后,春季热带北大西洋海温为正异常时,副热带东北太平洋存在显著的异常气旋环流,同时异常沃克环流在热带中东太平洋引起显著的异常下沉运动。异常气旋环流西侧的东北风异常增强气候态的风速,导致负海温异常。负海温异常通过Gill型大气响应使得热带西北太平洋产生异常的反气旋环流。同时,热带中东太平洋的沃克环流异常下沉运动也对热带西北太平洋异常反气旋环流的形成起到一定作用。热带西北太平洋反气旋环流南侧的东风异常通过海洋动力过程对随后冬季ENSO产生影响。因此,春季热带北大西洋海温对冬季ENSO存在显著的影响。然而,20世纪80年代以前,春季热带北大西洋海温相关的热带东北太平洋异常气旋环流和热带地区的异常沃克环流不显著,从而不能在热带西北太平洋产生异常反气旋。所以,20世纪80年代以前,春季热带北大西洋海温对冬季ENSO的影响不显著。进一步的分析指出,春季热带北大西洋海温对ENSO影响的年代际变化可能与热带北大西洋降水气候态的年代际变化有关。     

印度洋海盆增暖及ENSO对西北太平洋热带气旋活动的影响

本文主要分析1950～2010年间印度洋海盆增暖和西北太平洋热带气旋(TC)活动的关系, 并与ENSO对西北太平洋TC活动的影响相比较, 结果表明:印度洋海盆异常增暖与西北太平洋地区总TC生成年频数尤其是弱TC相关较好, 印度洋海盆异常增暖, 西北太平洋地区为异常的反气旋, 对流抑制, 降水偏少, 不利于TC的生成, 反之亦然。而ENSO对西北太平洋热带气旋的影响, 主要体现在对强TC的年生成频数的影响, El Ni?o 发展年, 季风槽加深东伸, TC生成位置偏东, 由于TC在海洋上的生命史较长, TC的平均强度偏强, 因而强TC年生成频数偏多;La Ni?a发展年, 季风槽较浅, TC生成位置偏西, TC的平均强度偏弱, 强TC年生成频数偏少。但是ENSO指数与强TC年频数的相关有着年代际的变化, 在1950～1969年和1990～2009年间, ENSO指数和强TC年频数相关很好, 分别为0.532和0.687, 而在1970～1989这二十年间, 两者相关很弱, 只有0.081。     

影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区及机制初探

利用1958—2011年NCEP/ NCAR再分析资料和ERSST资料,采用Lanczos时间滤波器、相关分析、回归分析、合成分析和交叉检验等方法,研究了影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区海温异常的来源与可能机制。结果表明,前冬(12—2月)热带西南印度洋和热带西北太平洋是影响南海夏季风爆发年际变化的关键海区。冬季热带西南印度洋(热带西北太平洋)的异常增暖是由前一年夏季El Ni?o早爆发(强印度季风异常驱动的行星尺度东-西向环流)触发、热带印度洋(西北太平洋)局地海气正反馈过程引起并维持到春季。冬季热带西北太平洋反气旋性环流(气旋性环流)及印度洋(热带西北太平洋)的暖海区局地海气相互作用使得印度洋(热带西北太平洋)海温异常维持到春末。春季,逐渐加强北移到10 °N附近的低层大气对北印度洋(热带西北太平洋)暖海温异常响应的东风急流(异常西风)及南海-热带西北太平洋维持的反气旋性环流(气旋性环流)异常,使得南海夏季风晚(早)爆发。      

夏季西北太平洋热带气旋生成频次与热带海温关系的年代际变化

探讨了夏季(6—8月)西北太平洋(Western North Pacific,WNP)热带气旋生成频次(Tropical Cyclone Genesis Frequency,TCGF)与热带海温关系的年代际变化,发现影响WNP TCGF的热带海温型在1991/1992年发生了年代际变化。在1990年代初之前,TCGF正异常对应的热带海温异常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)呈现东部型La Ni?a衰减位相,前冬至春季WNP局地暖SSTA在其西北侧激发气旋异常,夏季时由热带印度洋冷SSTA继续维持。在1990年代初之后,TCGF正异常对应的热带SSTA呈现东部型La Ni?a向中部型El Ni?o快速转换的位相,夏季中太平洋暖SSTA在其西北侧激发气旋异常,同时热带东印度洋至海洋性大陆以及热带大西洋的冷SSTA通过垂直环流圈加强中太平洋的辐合上升运动,进一步维持其西北侧气旋异常。由于激发气旋异常的暖SSTA在第二个年代相较第一个年代明显偏南偏东,气旋异常和TCGF正异常在第二个年代也整体偏南且向东扩展至更远的区域。WNP TCGF与热带海温关系的年代际变化与1990年代初之后厄尔尼诺-南方涛动演变速率加快有关。      

太平洋经向模态对西北太平洋热带气旋影响的数值模拟研究

在分析研究太平洋海气耦合经向模（Pacific Meridional Mode——PMM）和西北太平洋生成热带气旋频数变化关系的基础上,利用NCAR的大气环流模式CAM3模拟研究了太平洋海气耦合经向模态对西北太平洋生成热带气旋的影响。结果表明,海气耦合的经向模态通过影响热带气旋生成的大尺度环境从而影响热带气旋的频数和强度。在模式中当增加了PMM的海温强迫后,纬向风切变变小,对流层中低层相对湿度变大,热带西太平洋对流层低层出现西风异常,在西北太平洋地区形成一个异常的气旋性环流,并且匹配有较大的正涡度异常;对流层高层出现赤道东风异常和一个与低层气旋性环流相匹配的反气旋性环流,有利于对流活动的发展,从而有利于热带气旋的生成和发展。在增加了PMM的海温强迫的试验中,热带气旋中心的海平面最低气压降低,850 hPa中心附近最大切向风速增加,气旋中高层的暖心强度增强。热带气旋强度总体增加。数值模拟结果与资料分析相互映证,揭示了太平洋经向模态对西北太平洋热带气旋有重要影响。     

华南秋旱的大气环流异常特征

利用实测降水量资料及NCEP再分析资料, 通过统计方法分析了华南秋旱及其相关的环流异常特征。结果发现, 华南秋旱以全区性的干旱出现居多。华南秋旱事件对应的同期海温异常分布型大致可分两类。一类是热带中东太平洋的负海表温度距平 (SSTA) 区的极值中心位于赤道东太平洋, 在海洋性大陆和热带西太平洋有马蹄形的正SSTA, 而在热带西印度洋, 南海至日本东、 南部西北太平洋是负SSTA; 另一类是热带中东太平洋正SSTA极值中心位于赤道中太平洋, 热带—副热带西太平洋、 南海和热带印度洋为负SSTA区, 副热带北太平洋东部和南太平洋东部为显著的正SSTA。 与第一类SSTA相关的华南秋旱与海洋性大陆区域上空的上升运动异常增强 (与其下垫面海温异常偏暖有关)。而与第二类SSTA相关的华南秋旱则与中纬度环流的长波调整造成的东北亚上空的异常上升运动距平有关。而两类华南秋旱都是通过大气环流对华南地区的异常下沉运动产生强迫作用而产生的。另外, 华南秋旱还与菲律宾和台湾东侧洋面上空出现上升运动距平有关。两类华南秋旱都与南海中北部热带气旋频数偏少, 菲律宾和台湾东侧热带气旋频数偏多有关, 因此, 使得登陆华南的热带气旋偏少, 导致华南秋季干旱。     

影响福建热带气旋活动特征分析

分析了1960—2005年影响福建热带气旋(简称TC)的活动特征，结果表明：影响TC频数呈减少趋势；7—9月影响频数多，8月为最多；影响频次的空间分布呈东南-西北递减的带状分布；南海是影响TC生成频数最多的集中区域。分析了TC异常活动的环境场，在TC异常偏多年份，低层ITCZ位置偏北，西北太平洋(WNP)生成TC位置也较偏北，同时在中国东南沿海为异常的气旋性距平环流控制，非常有利于TC的生成和发展。对于低压环流影响年份，在WNP区域TC生成频数偏多偏北情况下影响中国东南沿海地区TC较频繁，则影响福建TC数偏多；反之，ITCZ明显偏弱，中国东南沿海为异常的反气旋性距平环流控制时，影响福建TC数偏少。对亚洲地区500 hPa大气环流分析发现，影响福建TC异常偏多(少)年份，副热带高压位置偏北(南)。     

西北太平洋热带气旋频数的年际、年代际变化及预测

利用1950-2009年60 a的热带气旋资料、NOAA海温、NCEP再分析资料及74项环流指数等资料,研究了西北太平洋热带气旋频数的年际、年代际变化特征,结果表明,西北太平洋热带气旋生成频数既有显著的年际变化,同时也存在明显的年代际变化。自1950年以来,西北太平洋热带气旋频数经历了一个先增加再减少的过程,其中转折点在20世纪70年代中后期,与之相对应,热带气旋路径频数也呈现明显年代际变化。在此基础上,通过分析前期春季海温场、大气环流异常及环流指数与夏季(6-10月)热带气旋生成频数的相关关系,选取了影响夏季西北太平洋热带气旋活动频数的预测因子,建立了一个夏季西北太平洋热带气旋生成频数的多元回归预测模型。检验结果表明,该模型能较好地拟合1951-2003年夏季西北太平洋热带气旋生成频数的年际变化,拟合率为0.6。对2004-2009年夏季热带气旋生成频数的独立样本预测试验表明,该模型对夏季西北太平洋热带气旋活动频数具有较好的预测能力,可以为热带气旋业务预报提供一定参考。     

热带北大西洋海温异常对南海夏季风的影响及其机理

利用HadiSST资料、CMAP降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了热带北大西洋(Northern Tropical Atlantic,NTA)海表温度异常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)与南海夏季风(South China Sea Summer Monsoon,SCSSM)的联系及可能机制。观测分析表明,夏季NTA海温异常与SCSSM存在显著的负相关关系;NTA海温正异常时,北半球副热带东太平洋至大西洋区域存在气旋式环流异常,有利于热带大西洋(热带中太平洋)地区产生异常上升(下沉)运动,使得西北太平洋地区出现反气旋环流异常,该反气旋环流异常西侧的南风异常使得SCSSM增强。利用春季NTA指数、东南印度洋海温异常指数、北太平洋海温异常指数、南太平洋经向模(South Pacific Ocean Meridional Dipole,SPOMD)及Niňo3.4指数构建了SCSSM季节预测模型,预测模型后报与观测的SCSSM指数的相关系数为0.81,表明该模型可较好预测SCSSM。     

2016年和1998年汛期降水特征及物理机制对比分析

利用多种大气环流、海表温度、积雪面积等数据,并利用个例对比分析和统计方法,研究了2016年汛期（5-8月）中国旱、涝特征及与1998年的异同点,并对比分析了这两年导致降水异常的大气环流和外强迫因子。结果表明:（1）2016年汛期中国降水总体偏多,长江中下游和华北各有一支多雨带。与1998年相比,这两年南方多雨带均位于长江流域,梅雨雨量均较常年偏多1倍以上,但梅雨季节进程有显著差异,1998年发生典型的“二度梅”,而2016年梅雨结束后长江流域降水显著偏少,主要降水区移至北方。（2）2016年5-7月乌拉尔山高压脊明显偏弱,而1998年欧亚中高纬度呈“两脊一槽”型,这与北大西洋海温距平在这两年前冬至春季几乎完全相反的分布型密切相关。（3）这两年5-7月热带和副热带地区环流较为相似,副热带高压偏强、偏西,东亚夏季风偏弱,来自西北太平洋的水汽输送通量均在长江中下游形成异常辐合区,这主要是受到了前期相似的热带海温异常的影响,均为超强厄尔尼诺事件和热带印度洋全区一致偏暖模态。（4）这两年8月环流形势有显著差异,2016年8月副热带高压断裂,西段与大陆高压结合持续控制中国东部上空,夏季风迅速转强,长江流域高温少雨。而1998年8月夏季风进一步减弱,长江流域发生“二度梅”。2016年8月MJO异常活跃并长时间维持在西太平洋地区,激发频繁的热带气旋活动,对副热带地区大气环流的转折有重要作用。而1998年8月MJO主要活跃在印度洋地区,使得副高持续前期偏强的特征。除海洋和上述环流差异外,2016年前冬至春季青藏高原积雪的冷源热力效应远不及1998年强,这可能是导致2016年夏季风偏弱的程度不及1998年,而2016年汛期华北降水较1998年偏多的原因之一。      

前冬印度洋海盆一致模对ENSO衰减期华南春季降水的影响

利用逐月台站观测降水、HadISST1.1海温和ERA5大气再分析资料,研究了前冬印度洋海盆一致模（Indian Ocean Basin,IOB）对华南春季降水（SCSR）与ENSO关系的影响,并分析了IOB通过调控ENSO环流异常进而影响SCSR的可能机制。结果表明:当前冬El Ni?o（La Ni?a）与IOB暖（冷）位相同时发生时,SCSR显著增多（减少）;而当El Ni?o或La Ni?a单独发生而IOB处于中性时,SCSR并无明显多寡倾向。其原因在于,当El Ni?o与IOB暖相位并存时,前冬热带印度洋和赤道中东太平洋均为正海温异常（Sea-Surface Temperature Anomaly,SSTA）,且印度洋SSTA强度可一直维持至春季。在对流层低层,春季赤道中东太平洋的正SSTA激发出异常西北太平洋反气旋（Western North Pacific Anticyclone,WNPAC）。而热带印度洋的正SSTA在副热带印度洋激发出赤道南北反对称环流,赤道以北的东风异常有利于异常WNPAC西伸;赤道以南的西风异常与来自赤道西太平洋的东风异常在东印度洋辐合上升,气流至西北太平洋下沉,形成经向垂直环流,有利于春季WNPAC维持。在对流层高层,印度洋的正SSTA在热带印度洋上空激发出位势高度正异常,随之形成的气压经向梯度加强了东亚高空副热带西风急流,进而在华南上空形成异常辐散环流。WNPAC的西伸和加强可为华南提供充足的水汽,同时高空辐散在华南引发水汽上升运动,共同导致SCSR正异常。而若El Ni?o发生时IOB处于中性状态,El Ni?o相关的SSTA衰减较快,春季WNPAC不显著,SCSR无明显多寡趋势。      

2011年8月气候异常及成因分析

在总结2011年8月我国气候异常与大气环流特征的基础上,针对西南干旱和热带气旋活动偏少两大气候异常事件的成因进行了分析。结果表明：高度场偏高、西太平洋副热带高压偏强、夏季风偏弱和水汽条件较差等大气环流异常是导致高温干旱的主要原因;中部型拉尼娜事件的滞后影响和印度洋偏暖的影响是西南干旱的重要外强迫条件。南海对流活动偏弱,菲律宾以东季风槽位置偏北,热带气旋活动区域垂直风切偏大,西北太平洋副热带高压偏强等因素导致热带气旋活动偏少。     

热带季节内振荡与影响广西的热带气旋生成发展的联系

利用1978-2013年美国NOAA逐候MJO指数和中国气象局上海台风研究所热带气旋资料,研究了MJO与影响广西热带气旋发生发展的联系。结果表明,当MJO处于非洲大陆和西印度洋时,热带气旋生成区域上空为异常东风带;而当MJO处于西太平洋时,热带气旋生成区域北侧为东风异常带、南侧为西风异常带,有利于季风槽或气旋性环流加强,导致影响广西热带气旋频数偏多。当MJO处于东印度洋时,南海上空风场存在明显的向南分量,热带气旋生成数少、位置偏南;而当MJO处于东太平洋时,热带西太平洋对流受到抑制,导致影响广西热带气旋偏少。     

The 2016 summer floods in China and associated physical mechanisms: A comparison with 1998

The characteristics of droughts and floods in China during the summers (May–August) of 2016 and 1998 were compared in great detail, together with the associated atmospheric circulations and external-forcing factors. Following results are obtained. (1) The precipitation was mostly above normal in China in summer 2016, with two main rainfall belts located in the Yangtze River valley (YRV) and North China. Compared with 1998, a similar rainfall belt was located over the YRV, with precipitation 100% and more above normal. However, the seasonal processes of Meiyu were different. A typical “Secondary Meiyu” occurred in 1998, whereas dry conditions dominated the YRV in 2016. (2) During May–July 2016, the Ural high was weaker than normal, but it was stronger than normal in 1998. This difference resulted from fairly different distributions of sea surface temperature anomalies (SSTAs) over the North Atlantic Ocean during the preceding winter and spring of the two years. (3) Nonetheless, tropical and subtropical circulation systems were much more similar in May–July of 2016 and 1998. The circulation systems in both years were characterized by a stronger than normal and more westward-extending western Pacific subtropical high (WPSH), a weaker than normal East Asian summer monsoon (EASM), and anomalous convergence of moisture flux in the mid and lower reaches of the YRV. These similar circulation anomalies were attributed to the similar tropical SSTA pattern in the preceding seasons, i.e., the super El Niño and strong warming in the tropical Indian Ocean. (4) Significant differences in the circulation pattern were observed in August between the two years. The WPSH broke up in August 2016, with its western part being combined with the continental high and persistently dominating eastern China. The EASM suddenly became stronger, and dry conditions prevailed in the YRV. On the contrary, the EASM was weaker in August 1998 and the “Secondary Meiyu” took place in the YRV. The Madden–Julian Oscillation (MJO) was extremely active in August 2016 and stayed in western Pacific for 25 days. It triggered frequent tropical cyclone activities and further influenced the significant turning of tropical and subtropical circulations in August 2016. In contrast, the MJO was active over the tropical Indian Ocean in August 1998, conducive to the maintenance of a strong WPSH. Alongside the above oceanic factors and atmospheric circulation anomalies, the thermal effect of snow cover over the Qinghai–Tibetan Plateau from the preceding winter to spring in 2016 was much weaker than that in 1998. This may explain the relatively stronger EASM and more abundant precipitation in North China in 2016 than those in 1998.