夏季青藏高原和热带印度洋热力异常对塔里木盆地夏季降水的影响

基于1979～2017年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）全球大气数值预报再分析资料ERA-Interim提供的地表潜热及大气环流再分析资料和英国Hadley气候预测和研究中心提供的全球逐月海表温度格点资料以及新疆气象信息中心提供的塔里木盆地26个站逐月降水资料,研究了夏季青藏高原和热带印度洋热力异常对塔里木盆地夏季降水的影响。结果表明:高原北部潜热偏强（弱）和热带印度洋海温偏暖（冷）时,200 hPa纬向风表现为“北负（正）南正（负）”的特征,中亚和贝加尔湖上空分别为异常气旋（反气旋）和异常反气旋（气旋）,在二者共同作用下,塔里木盆地上空盛行偏南（北）风,印度半岛上空为异常反气旋（气旋）,有利（不利）于将低纬度水汽向北输送,配合中亚上空的异常气旋（反气旋）,有利（不利）于水汽进入新疆地区,对应塔里木盆地夏季降水偏多（少）。同时发现塔里木盆地夏季降水与中亚对流层中高层的温度异常（MUTTI）表现为显著的负相关关系,同时MUTTI与高原潜热和印度洋海温的负相关关系显著,夏季高原潜热偏强（弱）时,高原季风偏强（弱）,印度洋海温偏暖（冷）,南亚季风偏弱（强）,在二者共同作用下中亚对流层关键区中高层温度偏低（高）,其通过影响200 hPa纬向风、500 hPa环流和整层水汽输送进一步影响塔里木盆地夏季降水。     

青藏高原和热带印度洋5月热力异常与新疆夏季降水的关系

基于1979-2017年美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的海表温度资料和美国国家环境预测中心(NCEP)/美国国家大气研究中心(NCAR)提供的大气环流再分析资料以及青藏高原地区149个站点观测资料计算的地表感热通量和新疆气象信息中心提供的全疆81站逐月降水资料等,研究了5月青藏高原和热带印度洋加热对新疆夏季降水的单独影响和共同影响。结果表明:5月高原感热和印度洋海表温度的异常呈较好的持续性,异常可持续至夏季。奇异值分解(SVD)分析发现5月高原东部(90°E为界)感热与新疆北部及塔里木盆地西南部夏季降水呈显著负相关,热带印度洋海温与塔里木盆地西部夏季降水呈显著正相关。当仅考虑高原感热影响时,高原东部感热偏强(弱)时,对应北疆夏季降水将偏少(多);当仅考虑热带印度洋海温影响时,海温偏暖(冷)时,塔里木盆地西部地区夏季降水偏多(少)。当高原感热和热带印度洋海温均偏强(弱)时,北疆夏季降水将偏少(多),南疆夏季降水将偏多(少)。当高原感热偏强(弱),热带印度洋海温偏弱(强)时,中亚副热带西风急流位置偏北(偏南),中亚和贝加尔湖地区上空分别为异常反气旋(异常气旋)和异常气旋(异常反气旋)控制,新疆上空盛行偏北(南)风,同时热带印度洋水汽不能(能)输送至新疆上空导致新疆夏季降水偏少(多)。     

中亚和南亚热力差异对塔里木盆地夏季降水的影响

利用美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析月平均资料和新疆83站降水资料,分析了1961~2010年南亚和中亚对流层中低层热力差异对塔里木盆地夏季降水的可能影响机制。研究结果表明,塔里木盆地夏季降水与中亚和南亚对流层中低层温度密切相关。当南亚对流层中低层偏暖,中亚偏冷时,500 h Pa中亚上空和蒙古上空分别为异常气旋和反气旋环流,在二者共同作用下,塔里木盆地上空盛行异常的偏南气流,有利于低纬海洋的暖湿气流北上,形成有利于降水的环流条件。同时阿拉伯海上空为异常反气旋环流,中亚上空为异常气旋环流,形成塔里木盆地夏季降水水汽的两步型输送,阿拉伯海水汽被输送至中亚和新疆地区。中亚对流层中低层温度变化主要影响500 h Pa环流,南亚对流层中低层温度变化在低纬水汽向北输送过程中扮演主要角色。青藏高原夏季风偏强时,600 h Pa高原北侧对应异常反气旋环流,异常偏北风引导高纬度冷空气南下,导致中亚区域对流层中低层偏冷,而南亚对流层中低层偏暖则与热带印度洋显著增暖密切相关。     

观测分析El Ni?o衰减早晚对南亚与青藏高原夏季降水和气温的影响

El Ni?o（厄尔尼诺）事件对东亚和南亚次年夏季降水影响及其机理已经得到充分研究,但其对夏季青藏高原降水是否有显著影响还不清楚。本研究根据1950年后El Ni?o事件次年衰减期演变速度,对比分析衰减早型与晚型El Ni?o事件对南亚季风区与青藏高原夏季（6～9月）季节平均和月平均气候影响差异。结果显示在衰减早型次年夏季热带太平洋海温转为La Ni?a（拉尼娜）型且持续发展,引起Walker环流上升支西移,印度洋和南亚季风区上升运动加强,同时激发异常西北太平洋反气旋（NWPAC）,阿拉伯海异常气旋和伊朗高原异常反气旋性环流响应,增加7～9月对流层偏南气流和印度洋水汽输送,导致南亚和高原西南侧降水偏多。衰减晚型次年6～8月热带太平洋El Ni?o型海温仍维持,印度洋暖异常海温显著,对应的印度洋和南亚季风区上升运动较弱,NWPAC西伸控制南亚季风区,阿拉伯海和中西亚分别呈现异常反气旋和气旋性环流,导致青藏高原西风加强,水汽输送减少,南亚北部和高原降水一致偏少。结果表明:（1）El Ni?o显著影响次年青藏高原西南部夏季季节和月平均降水与温度,是印度和高原西南部夏季降水显著相关的重要原因;（2）El Ni?o衰减快慢速度对南亚和青藏高原西南部夏季季节内降水的影响有着重要差异。     

青藏高原地区5月热力差异和后期夏季北疆降水的联系

基于美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析月平均资料和新疆70站降水资料,分析了1961~2010年5月青藏高原地区地表热力异常差异和新疆夏季降水的联系。奇异值分解(SVD)分析发现,当5月青藏高原视热源偏弱,高原西北部地区偏强时,北疆夏季降水偏多。定义了一个热力差异指数来表征两个区域热力异常的对比程度,发现考虑这种大尺度热力差异对比要比单一地区与区域气候有更为密切的联系。当热力差异指数为负时,即5月青藏高原视热源偏弱,其西北部视热源偏强时:(1)西亚副热带西风急流位置偏南;(2)500 h Pa中亚上空和贝加尔湖上空分别对应异常气旋和反气旋环流,在二者共同作用下,北疆上空盛行异常的偏南气流,有利于低纬度的暖湿气流北上,形成有利于降水的环流形势;(3)印度半岛上空为异常反气旋环流,中亚上空为异常气旋环流,形成北疆夏季降水水汽的两步型输送,阿拉伯海水汽被输送至中亚和新疆地区。偏相关分析发现,青藏高原热力异常主要影响对流层中高层大气环流和水汽输送的第二步环流条件,高原西北部热力异常则影响水汽输送的第一步环流条件。     

热带印度洋-西太平洋水汽输送异常对中国东部夏季降水的影响

利用1979~2015年NCEP/NCAR发布的月平均全球再分析资料,分析了热带印度洋-西太平洋水汽输送异常对中国东部夏季降水的影响及其形成机理。研究结果表明:热带印度洋-西太平洋地区（10°S~30°N,60°~140°E）夏季异常水汽输送主要包括两个模态,他们可以解释总的水汽输送异常34%的方差。其中,第一模态（EOF1）表现为异常水汽沿反气旋从热带西太平洋经过南海及孟加拉湾输送到中国东部上空,对应南海、孟加拉湾水汽路径输送均偏多,此时西太平洋副热带高压显著偏强,异常水汽在长江中下游地区辐合并伴随显著上升运动,有利于长江中下游降水偏多;第二模态（EOF2）表现为异常水汽从热带印度洋沿阿拉伯海、印度半岛、中南半岛等呈反气旋式输送,华南上空相应出现气旋式水汽输送异常,并对应异常水汽辐合和上升运动,有利于华南降水偏多。就可能的外部成因而言,EOF1与ENSO关系密切,表现为前冬热带中东太平洋显著偏暖,夏季同期热带北印度洋、南海上空显著偏暖,造成西太平洋副热带高压显著偏强,异常水汽主要来源于热带西太平洋和南海;EOF2与同期热带印度洋偶极子（TIOD）异常有关,TIOD为正位相时热带印度洋上空出现异常东风,华南上空出现异常气旋并伴随水汽异常辐合,异常水汽主要来源于热带南印度洋。     

新疆夏季降水的环流差异分析

基于1961—2015年夏季6—8月NCEP/NCAR再分析数据和新疆81站逐月降水数据,分析了北疆和南疆夏季降水协同变化和单独变化时的环流差异。结果表明,当新疆夏季降水整体偏多时,中亚上空的异常气旋将阿拉伯海的水汽输送至新疆,西亚副热带急流位置南偏。当南疆夏季降水偏多,北疆夏季降水偏少时,中亚异常气旋南偏,至40°N以南,水汽由阿拉伯海和西北太平洋输送至南疆,急流位置南偏。当北疆夏季降水偏多,南疆夏季降水偏少时,中亚为异常的反气旋,北疆上空存在异常的气旋式切变,水汽由西北太平洋输送至北疆,急流位置北偏,强度加强。当南疆(北疆)夏季降水单独偏多时,中亚40°N以南为异常气旋(反气旋),以北为异常反气旋(气旋),急流位置南偏,水汽由阿拉伯海输送至南疆(北疆)。     

热带印度洋夏季水汽输送特征及对南亚季风区降水的影响

利用NCEP/NCAR再分析环流资料、CMAP降水量和NOAA海温资料研究了热带印度洋夏季水汽输送的时空变化特征,并考察其对南亚季风区夏季降水的影响.热带印度洋夏季异常水汽输送第一模态表现为异常水汽从南海向西到达孟加拉湾后分成两支,其中一支继续往西到达印度次大陆和阿拉伯海,对应印度半岛南端和中南半岛的西风水汽输送减弱,导致这些区域降水减少;第二模态表现为异常水汽从赤道东印度洋沿赤道西印度洋、阿拉伯海、印度半岛、中南半岛的反气旋输送,印度和孟加拉湾南部为反气旋异常水汽输送,水汽辐散、降水减少,而印度东北部为气旋性水汽输送,水汽辐合、降水增多.就水汽输送与局地海温的关系而言,水汽输送第一模态与热带印度洋海温整体增暖关系密切,而第二模态与同期印度洋偶极子关系密切.     

青藏和伊朗高原热力异常与北疆夏季降水的关系

青藏高原和伊朗高原热力异常对其周边地区天气气候有重要影响,已有研究多关注东部季风区,而对干旱区关注较少.针对这一不足,利用美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析月平均资料和北疆43站降水资料,分析了1961-2007年5月青藏高原和伊朗高原地表感热异常与北疆夏季降水的关系.奇异值分解(SVD)分析发现,5月青藏高原地表感热与北疆夏季降水呈负相关,伊朗高原为正相关.青藏高原和伊朗高原感热异常的大尺度对比,要比仅考虑单一高原的感热异常与北疆夏季降水有更密切的联系.定义了一个热力差异指数来表征这种地表感热异常的对比程度,相关分析发现,当5月伊朗高原地表感热偏强,青藏高原地表感热偏弱时,500hPa中亚上空和贝加尔湖上空分别为异常气旋和反气旋环流,在二者共同作用下,新疆上空盛行异常的偏南气流,有利于低纬度的暖湿气流北上,形成有利于降水的环流形势,同时越赤道索马里急流偏强,低纬度水汽被接力输送至中亚和新疆地区,为降水的发生提供了有利的水汽条件.进一步分析发现,青藏高原热力异常主要影响中高层大气环流,伊朗高原则主要影响水汽通量输送.     

2015年夏季东亚和南亚降水异常与热带太平洋海温异常的联系及机理

2015年我国东部夏季降水呈现南北反位相的空间分布,河套地区降水异常偏少、长江中下游地区降水异常偏多,同期印度中部地区降水负异常,上述三个区域2015年夏季降水距平百分率绝对值极大值均超过55%。东亚和南亚地区2015年夏季降水异常的形成机理主要是由于该年夏季处于El Niňo事件的发展位相,菲律宾群岛及邻近区域反气旋环流异常,江淮地区至日本列岛气旋式环流异常,对流层低层位势高度异常场和整层水汽异常输送场亦存在相一致的空间分布,表现为负位相的EAP(East Asian-Pacific)/PJ(Pacific-Japan)型遥相关,有利于河套地区降水偏少和长江流域降水偏多。热带太平洋海温异常引起热带地区Walker环流负异常,热带西太平洋地区上空受异常下沉气流控制,热带印度洋区域对流层盛行东风异常,减弱了印度夏季风,并造成了印度中部地区夏季降水偏少。另一方面,印度上空对流层低层受异常反气旋控制,该异常反气旋北侧的西风异常沿着青藏高原南麓向东运动,增强了与EAP/PJ型遥相关相联系的异常水汽输送,有利于维持和增强河套地区降水负异常和长江中下游地区降水正异常。     

夏季北印度洋海温异常对西北太平洋低层反气旋异常的影响

采用1957—2002年850 hPa风场的ERA-40再分析资料,分析得知西北太平洋低层环流存在着明显的年际变化。这种年际变化表征了西北太平洋夏季风的年际变化,并且会影响东亚夏季风的变化。用Hadley海表面气压以及海表温度资料诊断得到,这种夏季西北太平洋反气旋异常（WPAC,northwest Pacific anomalous anticyclone）的年际变化与北印度洋同期海表温度变化存在很好的相关。用偏相关方法消除N ino3.4信号的同期线性影响,这种同期相关更加显著,而西南热带印度洋的同期海温与WPAC的相关并不显著。数值试验结果表明,北印度洋存在正海温异常时,北印度洋降水偏多,同时伴随着西北太平洋反气旋异常。当只有西南热带印度洋有正海温异常时,北印度洋会出现东风异常且降水减少,而西北太平洋有弱的气旋异常。数值模式结果与观测数据的诊断结果相吻合,说明当夏季北印度洋海表温度为正异常时,可能会产生西北太平洋反气旋异常。     

PJ遥相关型对长江中下游夏季降水影响的不对称性

利用1979-2015年海洋和大气再分析资料,基于夏季太平洋-日本遥相关型(PJ)指数,讨论了PJ指数在极端正负年份长江中下游降水位置和强度异常的不对称响应及其可能原因。结果表明:在PJ负位相年(对应El Niňo次年),长江中下游降水显著偏多,中心分别位于江淮流域和日本南部;而在PJ正位相年(对应La Niňa次年),长江中下游降水减少却不明显。研究发现:在PJ负位相年,中东太平洋、印度洋、南海地区海温明显偏暖,菲律宾海上空有异常反气旋响应,长江中下游地区有异常气旋响应;而在PJ正位相年则反之。在PJ负(正)位相年,菲律宾海异常反气旋(气旋)和长江中下游地区异常气旋(反气旋)明显偏强(偏弱),由此导致长江中下游降水位置和强度异常存在不对称响应。基于大气环流模式ECHAM4.8的敏感性数值试验结果表明,即使印度洋海温偏暖与偏冷程度相当,但由偏暖印度洋海温激发的菲律宾海异常反气旋也明显偏强,从而造成长江中下游地区降水偏多程度大于偏少程度。由此印证的事实是:El Niňo次年(PJ负位相年)长江中下游夏季降水偏多的预测技巧高于La Niňa次年夏季降水偏少的预测技巧。     

Impacts of the leading modes of tropical Indian Ocean sea surface temperature anomaly on sub-seasonal evolution of the circulation and rainfall over East Asia during boreal spring and summer

The two leading modes of the interannual variability of the tropical Indian Ocean (TIO) sea surface temperature (SST) anomaly are the Indian Ocean basin mode (IOBM) and the Indian Ocean dipole mode (IODM) from March to August. In this paper, the relationship between the TIO SST anomaly and the sub-seasonal evolution of the circulation and rainfall over East Asia during boreal spring and summer is investigated by using correlation analysis and composite analysis based on multi-source observation data from 1979 to 2013, together with numerical simulations from an atmospheric general circulation model. The results indicate that the impacts of the IOBM on the circulation and rainfall over East Asia vary remarkably from spring to summer. The anomalous anticyclone over the tropical Northwest Pacific induced by the warm IOBM is closely linked with the Pacific–Japan or East Asia–Pacific teleconnection pattern, which persists from March to August. In the upper troposphere over East Asia, the warm phase of the IOBM generates a significant anticyclonic response from March to May. In June and July, however, the circulation response is characterized by enhanced subtropical westerly flow. A distinct anomalous cyclone is found in August. Overall, the IOBM can exert significant influence on the western North Pacific subtropical high, the South Asian high, and the East Asian jet, which collectively modulate the precipitation anomaly over East Asia. In contrast, the effects of the IODM on the climate anomaly over East Asia are relatively weak in boreal spring and summer. Therefore, studying the impacts of the TIO SST anomaly on the climate anomaly in East Asia should take full account of the different sub-seasonal response during boreal spring and summer.     

东亚夏季PJ遥相关型的年际及年代际变化机理

利用夏季东亚地区500 h Pa高度场和菲律宾附近的降水场进行SVD分析,将东亚500 h Pa高度场对应的时间序列定义为PJ指数,该指数不仅清楚地反映PJ型的年际变化,而且反应出PJ型的年代际变化,即500 h Pa高度场型态在20世纪70年代末由"气旋、反气旋、气旋"型突变为"反气旋、气旋、反气旋"型。本文研究表明PJ指数的年际变化与ENSO事件有密切的联系:El Ni1o事件通过电容器充电效应使印度洋海温增暖,而增暖的印度洋海温在菲律宾海附近强迫出异常反气旋,并沿东亚沿岸激发出PJ遥相关型。而PJ型态的年代际变化与热带印度洋SST的持续增暖有关。虽然许多学者认为是菲律宾附近海温异常引起对流异常,并沿东亚沿岸激发出PJ遥相关型,但我们认为该区域的海温变化并不是造成PJ型年际和年代际变化的原因,而是由于该区域有反气旋(或者气旋)异常,从而辐射增加(减少),蒸发减弱(增加),温跃层下降(上升),SST变暖(变冷),该区域的海温变暖意味着对流是减弱的。本文进一步利用大气环流模式ECHAM5.4进行数值试验,结果表明:当热带印度洋增暖时,在菲律宾海附近强迫出反气旋,并沿东亚激发出"反气旋、气旋、反气旋"PJ遥相关型。     

西北太平洋低空环流与海温异常关系的季节性差异

通过资料分析与数值模拟研究了西北太平洋低空环流特征及其与海面温度（SST）异常关系的季节性差异,得到如下结论：1）西北太平洋低空环流的空间尺度和位置在春季和夏季存在明显差异,从春季到夏季,异常环流范围缩小且中心位置向西北偏移;2）西北太平洋低空环流与西北太平洋局地海温的相互作用存在季节差异,春季西北太平洋冷海温与上空反气旋异常之间存在相互作用,而夏季则以大气影响海洋为主,异常的反气旋/气旋可以加热/冷却其下垫面的海温,大气超前3～4 d影响海洋;3）夏季异常反气旋环流（WNPAC）的维持主要来自非局地海温异常（北印度洋暖海温与中太平洋冷海温异常）的强迫,这两个海区对WNPAC的影响也存在季节性差异,北印度洋的影响主要体现在晚春至盛夏,而中太平洋则主要在晚夏发挥作用。     

Diversity of the Coupling Wheels in the East Asian Summer Monsoon on the Interannual Time Scale: Challenge of Summer Rainfall Forecasting in China

Two types of three-dimensional circulation of the East Asian summer monsoon(EASM) act as the coupling wheels determining the seasonal rainfall anomalies in China during 1979–2015. The first coupling mode features the interaction between the Mongolian cyclone over North Asia and the South Asian high(SAH) anomalies over the Tibetan Plateau at 200 hPa. The second mode presents the coupling between the anomalous low-level western Pacific anticyclone and upperlevel SAH via the meridional flow over Southeast Asia. These two modes are responsible for the summer rainfall anomalies over China in 24 and 7 out of 37 years, respectively. However, the dominant SST anomalies in the tropical Pacific, the Indian Ocean, and the North Atlantic Ocean fail to account for the first coupling wheel's interannual variability, illustrating the challenges in forecasting summer rainfall over China.