东亚季风过渡带降水变化特征及物理机制研究进展

东亚季风过渡带地处东亚夏季风北边缘附近,是典型的生态脆弱区与气候敏感带。东亚季风过渡带降水变化同时与东亚夏季风和中高纬西风带环流系统的变化密切关联,变异机理与典型季风区和干旱区降水有较大差别。目前专门针对东亚季风过渡带降水变异机理的研究还比较少。 此文从东亚季风过渡带夏季降水的年际、年代际变化特征和物理机制出发,分别回顾热带关键区的海温异常和中高纬环流系统等对东亚季风过渡带夏季降水年际变化的影响,以及太平洋年代际振荡、大西洋多年代际振荡与气候系统外强迫对东亚季风过渡带降水年代际变化的贡献。最后, 在进展回顾的基础上,展望定量区分外强迫和内部变率对东亚季风过渡带降水年代际变化的相对贡献等未来需进一步开展的研究方向。     

El Nio对东亚气候年际异常影响的数值模拟

根据1949~1998年期间8次显著El Nio事件合成的24个月年际海温异常(SSTAs)和气候平均的海温(SST),利用CCM3分别进行了3个包含10次积分的集合试验,即控制试验(CTRL),热带太平洋海洋全球大气试验(TOGA)以及整个太平洋海洋全球大气试验(TOGA-NP),通过对比分析这3个试验之间的集合模拟结果,揭示了在El Nio不同演变阶段东亚气候年际异常响应结构以及北太平洋年际SSTAs在此过程中的调制作用.结果表明:El Nio发展阶段夏季,东亚地区大气环流异常呈显著的负PJ波列,副热带高压减弱、偏东,东亚夏季风增强,东北和江淮流域降水偏多,华北和长江流域及其以南地区降水偏少;El Nio成熟阶段冬季,东亚大槽加强,东亚北部冬季风加强,西太平洋副热带地区低层有显著的反气旋式异常风场,华南地区降水显著增多;El Nio衰亡阶段夏季东亚气候年际异常型与其发展阶段夏季几乎相反.同时,北太平洋年际SSTAs对El Nio影响东亚气候年际异常有一定的调制作用,使模拟的我国降水异常分布更符合观测.     

El Niño对东亚气候年际异常影响的数值模拟

根据1949~1998年期间8次显著El Niño事件合成的24个月年际海温异常(SSTAs)和气候平均的海温(SST),利用CCM3分别进行了3个包含10次积分的集合试验,即控制试验(CTRL),热带太平洋海洋全球大气试验(TOGA)以及整个太平洋海洋全球大气试验(TOGA-NP),通过对比分析这3个试验之间的集合模拟结果,揭示了在El Niño不同演变阶段东亚气候年际异常响应结构以及北太平洋年际SSTAs在此过程中的调制作用.结果表明:El Niño发展阶段夏季,东亚地区大气环流异常呈显著的负PJ波列,副热带高压减弱、偏东,东亚夏季风增强,东北和江淮流域降水偏多,华北和长江流域及其以南地区降水偏少;El Niño成熟阶段冬季,东亚大槽加强,东亚北部冬季风加强,西太平洋副热带地区低层有显著的反气旋式异常风场,华南地区降水显著增多;El Niño衰亡阶段夏季东亚气候年际异常型与其发展阶段夏季几乎相反.同时,北太平洋年际SSTAs对El Niño影响东亚气候年际异常有一定的调制作用,使模拟的我国降水异常分布更符合观测.     

PDO对夏季江淮地区雨量与太平洋海温年际相关的影响

研究了在太平洋年代际振荡(PDO)不同位相中夏季江淮地区降水与太平洋海温年际相关空间分布的差异,讨论了产生这种变化的可能的物理机制.结果表明,PDO冷暖位相中夏季江淮地区降水量与太平洋海温年际耦合振荡周期和强度均存在显著差异.PDO冷位相中, 夏季江淮地区降水与前期冬季西南太平洋和同期夏季黑潮区海温在7～8 a 时间尺度上的耦合最显著;而在PDO暖位相中,与这些地区海温呈现极显著的准2 a耦合振荡,并且与同期夏季赤道东太平洋地区海温的准2 a耦合振荡也迅速加强.西太平洋地区海温的耦合振荡作用区域是时间稳定的,而东太平洋地区海温的耦合振荡作用区域存在时变性.因此,PDO 对夏季江淮地区降水和太平洋海温年际耦合振荡的强度和周期的年代际变化有重要影响.     

中国近海海温年际年代际振荡关键海区分析研究

用HADLEY中心的HadISST的海温资料、NCEP的大气资料、国家气象局发布的74个月平均环流指数和美国华盛顿大学的PDO指数,讨论研究了中国近海海温的年际年代际振荡。通过对我国近海海温的EOF分析,可以发现我国近海30 N附近是海温年际年代际振荡信号最强的关键区,它占了总量的58.2%,与澳大利亚东北沿海海温年代际振荡有相同的周期,最明显周期是44—45年,滞后PDO信号近15年左右。该关键区海温与澳大利亚东北沿海海温都还存在1年、5年和15年的振荡,它们的相关系数达到0.604,属于同一个模态。另外,1年的海温振荡信号除了澳大利亚东北沿岸以外,还沿着西太平洋海岸线分布,因此中国近海海温年际年代际振荡不是一种局地现象,而与太平洋海温变化有关。另外,它是海气相互作用的结果,与中高纬度的东亚大槽和低纬度太平洋印度洋的风场、西太平洋副高和南海副高、大气温度场甚至南半球环流有明显的关系。     

新疆北部雨季降水的小波分析和对ENSO的响应关系研究

在过去的几十年中,国内外气象专家关于ENSO对中国中东部降水与旱涝的影响研究比较多,20世纪70年代,陈烈庭[1]提出赤道东太平洋海温是通过赤道地区的平均纬圈环流、105°～130°E的平均经圈环流这一重要环节影响江淮流域汛期降水的.20世纪80年代,史久恩等[2]、李麦村等[3]分别研究了厄尔尼诺事件及赤道太平洋海温与我国汛期降水的关系,符棕斌[4]研究了ENSO的年际变化及其对长江流域梅雨的影响关系.     

夏季江淮地区雨量与印度洋海温联系的年代际变化

探讨了近50a（1951-2000年）来太平洋年代际振荡（PDO）冷暖位相中夏季江淮地区雨量与印度洋海温年际遥相关空间分布的差异,结果显示,不同季节的印度洋海温与夏季江淮地区雨量之间的联系存在显著的年代际变化。在PDO冷位相（1951-1976年）,同期夏季和后期秋季南印度洋海温与夏季江淮地区雨量的负相关最显著;而在PDO暖位相（1977-2000年）,从前期春季到后期秋季热带印度洋表现为持续的正相关,其中同期夏季赤道东印度洋SST与夏季江淮地区雨量的正相关最大,前期春季热带西印度洋SST异常对夏季江淮地区雨量变化有重要的预示性,后期秋季热带印度洋偶极子（IOD）强度与夏季江淮地区雨量变化密切相关。它反映了印度洋海温和东亚季风降水之间年际相关的不稳定性,季风系统中年际和年代际振荡间的相互作用是引起这种不稳定的主要原因。PDO和伴随的亚非大陆和印度洋地区之间海陆热力差异的年代际变化对印度洋海温和东亚季风降水年际联系具有明显的调节作用。     

太平洋海温场两种不同时间尺度气候模态的分析

利用经验正交函数分解、多元线性回归分析、小波分析和离散功率谱等方法,对太平洋年代际振荡(PDO)和ENSO的关系进行研究,发现太平洋海温场中主要存在着PDO和ENSO两种气候模态.用线性回归分析方法对这两种模态进行分离,结果表明,去除ENSO信息后,太平洋海温变化的关键区出现于北太平洋中纬度地区,PDO的信号很明显;而去除PDO信息后,海温变化的关键区位于赤道中、东太平洋地区,ENSO的信号较明显,此时ENSO循环不具有年代际振荡的特征,表明PDO对ENSO的调制作用是ENSO事件具有年代际变化特征的重要原因.     

海口秋汛期(9-10月)降水异常变化特征及影响因子分析

利用1951-2008年海口降水量资料和北半球500 hPa高度及相关环流特征指数资料,北太平洋海温及相关NINO区海温特征指数资料,分析了海口秋汛期(9-10月)旱涝的气候特征及其与500 hPa高度场、北太平洋海温场和相关特征指数的关系.结果发现:海口秋汛期(9-10月)降水年际变化大,旱涝年代际变化特征明显;北半...     

华北5月降水年代际变化

针对华北5月降水的年代际变化特征和成因,用华北5月降水资料、NCEP大气环流资料以及海表温度（SST）资料,采用EOF分析、相关分析、合成分析等方法研究了华北5月降水以及相关海区SST的年代际变化;结果表明从60年代中期至90年代初期华北5月降水存在明显的年代际变化,1965～1981年华北5月降水偏少,1982～1992年华北5月降水偏多;西太平洋暖池相比热带中东太平洋、热带印度洋对华北5月降水年代际变化有更明显的影响;当西太平洋暖池异常发展,热带中东太平洋、热带印度洋海温年代际变化处于暖位相,东亚上空为反气旋性环流异常场,东亚大槽较弱,副热带高压偏强偏西时,华北5月降水偏多;反之,副热带高压偏弱偏东时,华北5月降水偏少.     

北太平洋热带的低频振荡——北方涛动

北方涛动是近几年在北太平洋热带地区发现的一种东西向的大气涛动.本文试图对北方涛动的空间结构和时间变化(包括季节变化和年际变化)的基本特征及其与热带太平洋海温、降水、信风和沃克环流等的联系作进一步的分析研究.经验正交函数(EOF)分析的结果,不仅进一步证实了北方涛动存在的真实性,而且还揭示了它的大尺度特征及其在北太平洋大气环流年际变化中占有头等重要的地位.据延伸的1921-1946年资料的分析表明,北方涛动仍然非常明显,说明它不是某一时期特有的现象,而是北太平洋热带地区大气环流固有的一种低频振荡.北方涛动3-4年的年际振荡与热带太平洋海温、降水、信风和沃克环流关系密切.并且它在这一频带与南方涛动发生强烈的耦合.我们认为,东赤道太平洋之所以是全球热带海洋中海温年际变化最大的地区,以及该区的海气相互作用之所以能够产生世界性年际气候变化最强的信号,可能与它们之间强烈的耦合作用不会没有关系.     

长江中下游夏季降水与西北太平洋海温的耦合模态分析

利用NOAA_ERSST海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和中国160站降水资料,借用多种统计方法研究了夏季长江中下游地区降水与西北太平洋的耦合关系.奇异值分解(SVD)和相关分析显示出长江中下游夏季降水与西北太平洋夏季海表温度(以下简称"海温")密切相关,而与其他海区没有明显的关系,并且这种关系主要反映年代际变化;夏季多变量经验正交函数展开(MV-EOF)分析结果证明夏季长江中下游降水、东亚-太平洋地区上空850hPa风场、西北太平洋海温之间存在显著的耦合模态,这种耦合模态反映出长江中下游夏季降水异常偏多时,东亚-太平洋上空自南向北有异常的反气旋、气旋、反气旋波列(即东亚-太平洋型遥相关或P-J波列),东亚夏季风偏弱、北界位置偏南.依赖季节的多变量经验正交函数展开(SRMV-EOF)分析结果表明,长江中下游夏季降水与西北太平洋的耦合模态与前期ENSO密切相关:前一年秋季,赤道东太平洋开始出现ENSO信号,冬季发展成熟,同时在菲律宾以东的西北太平洋上空有一个反气旋形成;春季,ENSO开始减弱,西北太平洋出现暖海温异常,反气旋发展;夏季,ENSO信号消失,西北太平洋异常暖海温范围扩大,反气旋发展很强,同时在东亚-太平洋上空出现P-J波列,华南上空的西南风与来自北方的偏北风在长江中下游地区辐合,造成长江中下游夏季降水偏多.     

夏季欧亚中高纬持续流型的年代际变化

利用夏季欧亚中高纬大气环流持续流型指数的年代际变化来反映欧亚中高纬大气环流的多年振动,尝试揭示夏季欧亚中高纬持续流型的年代际变化与我国降水、全球海温以及北大西洋涛动(NAO)的年代际变化之间的联系,主要结论如下:(1)1959—2000年夏季欧亚中高纬流型指数有明显的年代际变化,1980年前后流型指数均值发生了年代际突变;(2)夏季欧亚中高纬流型指数的年代际变化特征与我国夏季降水、6月全球海表温度距平的年代际变化趋势具有一致性,印证了SSTA与夏季欧亚中高纬持续流型、持续流型与我国夏季降水之间的关联;(3)冬季NAO指数和夏季流型指数在年代际尺度上关系甚为密切,它们的年际相关也存在着年代际变化;(4)合成分析表明,NAO高指数及E型过程对应的春季SSTA分布形势极为相似,且突变前后与E、C型环流对应的海温异常的分布特征和关键区,在中期-月及年代际不同时间尺度上也表现出了一致性,印证了下垫面强迫在夏季欧亚中高纬持续流型的形成和维持中的作用。     

亚洲季风区气候对北大西洋年代际振荡冷暖位相的对称和非对称响应

利用NCEP大气环流模式,模拟了亚洲季风区气候对北大西洋正、负海温异常的响应。研究表明:亚洲季风区气候对北大西洋年代际振荡(AMO)的影响存在线性和非线性响应;AMO的暖位相造成欧亚大陆增温以及印度地区北暖南冷的偶极子型分布,主要是线性因素的作用;夏季、秋季印度半岛降雨增多,是线性因素和非线性因素共同作用的结果,且非线性因素带给印度半岛的降水多集中在西部。     

20世纪80年代中期以来东亚大槽和东中国海海温关系的年代际减弱和成因分析

基于Had ISST(Hadley Centre Sea-ice and Sea surface Temperature Data Set)的月平均海温(SST)资料,对1960-2012年中国近海冬季SST的长期变化趋势进行了详细分析。结果显示冬季SST经历了一个显著的升温过程,增幅达0.018℃/年,在80年代末期发生了显著的气候增暖过程。对东亚冬季风子系统与冬季东中国海SST关系的年代际变化进行了分析。结果发现在1960-2012年间,东亚冬季风5个关键子系统中,东亚大槽与东中国海冬季SST年际变率上关系最为密切。进一步研究发现,自20世纪80年代中期以来,东亚大槽和东中国海冬季SST都发生了明显的年代际变化,其中东亚大槽为年代际减弱,而东中国海冬季SST发生了年代际增暖。尽管1960-2012年间东亚大槽与东中国海冬季SST有显著的负相关关系,但这种统计相关在1989-2012年期间显著减弱。这种相关减弱的原因很可能是由于NPO(North Pacific Oscillation)的年代际变化背景下的东亚大槽的强度减弱有关。     

ENSO强度模拟差异对全球变暖下热带太平洋大气变化预估结果的影响

热带太平洋海洋-大气耦合系统对全球变暖的响应是气候变化的热点问题。前人研究发现,气候模式的模拟偏差对于全球变暖响应结果有重要影响。本文利用美国大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)的地球系统模式(The Community Earth System Model,CESM)中的大气模式(Community Atmosphere Model version 5, CAM5)设计数值试验,在相同的SST(Sea Surface Temperature)增暖强迫下,通过改变海洋SST的年际变化振幅,来分析热带海洋年际变化强度的模拟对未来热带海区降水和大气环流场未来变化的影响。试验结果表明,随着SST年际变化强度的增加,全球变暖后热带太平洋降水变化的东西不对称性,以及向暖池区域辐合的风场变化等特征都逐渐减弱。进一步的分析发现,不同年际变化信号导致的大气场变化差异主要发生在冬季,是由于热带太平洋SST年际变化主模态ENSO(El Niňo-Southern Oscillation)的不对称性造成的:在厄尔尼诺年,强(弱)的年际变化信号会造成降水在东太平洋产生较大(小)的变化;而在拉尼娜年和正常年份,年际变化信号的强弱对热带降水变化的影响则不大。当热带海温的年际变化较大时,厄尔尼诺年的海温异常更强,造成的降水和风场的变化特征也会更加显著。     

赤道东太平海温与西太平洋台风频数年际变化的关系

本文根据1949—1986年赤道东太平洋海温年际变化和西北太平洋(160°E以西)台风形成频数的年际变化的两个时间序列,分析计算了两者之间的时滞相关关系.结果表明,台风变化晚于海温变化两个月,存在着最高的负相关(系数为-0.63);台风晚于海温17-18个月,出现了最大正相关(系数达到0.58).在埃尔尼诺时段和海温年际变化显著的时段,赤道东太平洋海温与西北太平洋中西部台风频数具有相反的变化趋势,没有发现例外.这些结果证实和发展了早期一些研究结论,有益于澄清过去存在的分歧看法.     

Impact of anomalous latitudinal position of western pacific subtropical high on climate change in midsummer in China

利用1951-2008年全国160站盛夏(7-8月)气温和降水资料、北半球500hPa高度场和北太平洋海温场资料及相关环流特征指数资料,分析了盛夏(7-8月)西太平洋副高东西位置异常变化对我国气候的影响及其与北半球500hPa大气环流和北太平洋海温的关系.发现:盛夏副高东西位置异常偏西年主要集中出现在上世纪90年代和60年代,异常偏东年则集中出现在80年代、70年代和90年代.盛夏副高东西位置与长江流域及其以南地区气温存在着很好的负相关关系,与长江流域及其以北地区降水表现为负相关,与江南和华南地区降水表现为正相关.盛夏副高东西位置异常变化与北半球大范围环流形势调整相联系;前期春季(4-5月)北半球各副高单体强度变化,对盛夏副高东西位置变化具有很好的预测指示性.前期9-3月NINO4区和NINO3区海温,尤其是前期3月NINO4区海温,前期1月NINO3区海温对盛夏副高东西位置异常变化也具有很好的指示意义.     

全球海温异常的年代际变化

本文首先应用子波变换技术对１９５０￣１９９６年赤道东太平洋的逐月海温距平序列作了分析。发现海温异常存在着明显的准２年,准５年和年代际变化,１９９７年前后为海渐异常的年代际突变时间;然后用全球格点海温资料分析了年代际变化的空间特征,结果指出１９７７年后赤道东太平洋平均海温比１９７７年前的２８年平均海温增暖０．４￣０．５℃,而西北太平洋的海温降低达０．６℃,大西洋北部的年代际降温也达到０．６℃。     

东亚冬季风与海温在年际尺度上的耦合关系分析

利用NCEP NCAR 1950-1999年逐月再分析资料和奇异值分解(SVD)、相关分析等统计方法．分析了东亚冬季风和印度洋太平洋海温在年际尺度上的耦合关系。结果表明，在年际变化尺度上．SVD分解出来的第1模态反映了东亚冬季风与同期太平洋海温之间的主要相互耦合关系，即强(弱)的东亚冬季风对应类似La Nina(El Nino)型的海温距平分布；超前东亚冬季风两个月左右的赤道尔太平洋正(负)海温异常对后期弱(强)东亚冬季风的遥相关影响作用最显著．而弱(强)的东亚冬季风异常则对同期及落后1个月左右的南海正(负)海温异常的强迫影响作用最直接，最显著：东亚冬季风指数与落后1个月左右的热带西太平洋海温有最好的负相关关系，而与同期的热带西印度洋海温有最显著的正相关关系。