华北降水年代际、年际变化特征与北半球大气环流的联系

利用美国NCEP再分析月平均资料及我国华北地区26个测站月降水资料,采用奇异值分解（SVD）方法,研究了华北降水的年代际和年际变化特征与北半球大气环流的联系.结果表明,首先对降水和大气变量资料作相应时间尺度的分离是非常必要的,否则所得到的SVD结果不能反映年代际变化特征而只能反映年际变化特征;华北降水年代际和年际变化对应的大气环流异常有明显的差异;对应发生在20世纪70年代后期华北降水的一次年代际跃变,环流场均存在明显的跃变,而且有一个从地面向对流层上层传播的过程.     

全球变暖背景下中国东部夏季三类雨型预测概念模型新建

在全球变暖的背景下,20世纪70年代末期全球气候发生了显著的年代际变化.厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)作为预测全球气候年际变率的最强信号,其与中国夏季降水之间的关系发生了显著地改变,对中国夏季降水的指示意义减弱,导致中国东部夏季三类雨型早期预测概念模型的准确率明显下降.本文通过分析全球显著变暖前(1951~1978年)、后(1979~2012年)两个阶段中国东部夏季三类雨型同期大气环流系统的配置、前冬海洋和大气环流及其相互作用的差异,结果发现:(1)影响中国夏季三类雨型的大气环流在不同年代际背景下具有一致性,但在全球显著变暖的后一阶段,西太副高偏强偏南,欧亚中高纬阻塞高压活动频繁,而极涡南扩,经向环流加强,这种环流背景有利于中国东部夏季Ⅱ,Ⅲ类雨型对应的环流频率增加,而Ⅰ类雨型对应的环流频率减少,导致中国夏季Ⅱ,Ⅲ类雨型偏多而Ⅰ类雨型偏少;(2)前一阶段,不同雨型对应的前冬海温场差异显著,同时ENSO对北太平洋涛动(NPO)的影响较强,NPO对夏季Ⅰ,Ⅱ类雨型有较好的判别能力,后一阶段此判别能力下降,而ENSO对太平洋/北美型(PNA)遥相关的影响加强,PNA对Ⅱ,Ⅲ类雨型的判别能力提升.基于新的年代际气候背景,利用前冬PNA和欧亚型(EU)遥相关指数,对中国东部夏季三类雨型预测概念模型进行了新建,其拟合效果较理想,实际预测准确率有待进一步检验.     

淮河流域夏季降水的振荡特征及其与气候背景的联系

利用1922~2007年淮河流域和长江中下游夏季降水量资料,使用小波变换、广义极值分布等方法,分析了近86年来淮河流域夏季降水的年际、年代际振荡和概率分布特征.在此基础上,分析了东亚夏季风、太平洋海表温度及东亚遥相关环流等气候背景与淮河流域夏季降水年际和年代际振荡的联系.另外,还比较了淮河流域与长江中下游夏季降水年代际振荡特征及其气候背景的差异.结果表明：①淮河流域夏季降水存在显著的准2年振荡和年代际振荡特征.准2年振荡的强弱变化与年代际振荡强弱变化一致.20世纪90年代末以来,淮河流域夏季降水处在年代际偏多期,准2年振荡特征突出,极端强降水事件的概率亦显著增加;②淮河流域夏季降水年代际振荡与PDO及东亚夏季风年代际振荡关系密切,当PDO处于冷位相年代际阶段且东亚夏季风处于年代际偏弱时,淮河流域夏季降水呈年代际偏多趋势;③淮河流域夏季降水的准2年振荡主要受到东亚夏季风准2年振荡的控制,同时与东亚环流系统从高纬至低纬的＂＋,？,＋＂特定配置有关;④淮河流域与长江中下游夏季降水存在年代际位相差异,其差异主要与西太平洋副热带高压强度和位置的年代际变化有关.     

Hadley环流与北太平洋涛动的显著关系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析了冬季（11～4月）Hadley环流与北太平洋涛动（NPO）的变化特征以及它们之间的关系.本文选取0°~30°N区域里最大质量流函数来描述北半球Hadley环流强度随时间的演变,利用(20°N, 180°~160°W) 和 (60°N, 180°~160°W) 区域平均的标准化海平面气压差代表NPO强度.结果表明,冬季北半球Hadley环流与NPO的变化形势非常一致,两者都具有显著的年际和年代际变化（70年代前处于负位相,80年代之后处于正位相）,同时还呈现出明显的增强趋势.Hadley环流变化与NPO异常的关系非常密切,在年际和年代际时间尺度上都具有显著的正相关.这种强相关性在大气环流场上可以得到很好的印证.研究还揭示,太平洋地区10°~30°N下沉支和40°~60°N上升支的异常运动可能是这种关系存在的主要内在原因.     

新疆夏季降水年代际转型的归因分析

本研究针对我国内陆新疆地区在20世纪80年代末出现由暖干向暖湿的年代际转型,从大气环流因子进行归因分析.结果显示,位于东亚沿海地区的东亚-太平洋型遥相关波列(EAP)的强度和位置的年代际加强和偏移对于新疆地区此次气候的干湿转型具有重要贡献.转型之前EAP强度偏弱,位置相对偏东,对新疆夏季降水变化没有明显贡献,且影响新疆夏季降水发生的主要环流系统是位于中纬度欧亚大陆上空的异常纬向波列.转型后EAP强度偏强,位置相对前期向西偏移,因此从西北太平洋向我国内陆地区的异常水汽输送显著增强,使得新疆地区大气含水量增加,从而导致20世纪80年代末以后新疆夏季降水的增加.     

厄尔尼诺对东亚大气环流和中国降水年际变异的影响:西北太平洋异常反气旋的作用

就有关厄尔尼诺通过西北太平洋异常反气旋影响东亚大气环流和中国降水年际变异的研究进展作了系统回顾,说明了与厄尔尼诺相关联的西北太平洋异常反气旋的形成机理以及对东亚大气环流和中国降水影响的物理过程.厄尔尼诺盛期时,热带西太平洋对流异常减弱造成的冷却异常,激发出大气Rossby波响应,导致了西北太平洋异常反气旋的产生.而热带西太平洋对流异常冷却的持续、西北太平洋局地海气相互作用以及热带印度洋和大西洋海温异常的持续等多种因子,导致了西北太平洋异常反气旋从厄尔尼诺盛期时的冬季持续到次年夏季.西北太平洋异常反气旋不仅对中国降水产生同期影响,也对厄尔尼诺次年夏季的中国降水产生滞后影响,导致中国南方降水异常偏多.本文也指出东亚大气环流和中国降水在拉尼娜冬半年不存在与厄尔尼诺相反的显著异常,说明了厄尔尼诺和拉尼娜对冬半年东亚大气环流和中国降水具有不对称影响.文中还讨论了厄尔尼诺的多样性及其影响、影响西北太平洋异常反气旋持续性的各因子与中国夏季降水异常的联系,并提出了一些需要进一步研究的问题.     

索马里急流的年际变化及其对半球间水汽输送和东亚夏季降水的影响

利用美国国家环境预报中心和美国国家大气科学研究中 心（NCEP/NCAR）再分析月平均气候资料以及Xie和Arkin分析的月平均降水资料（1968～199 8年），针对索马里低空急流（SMJ）的年际变化及其对东亚夏季降水的影响问题展开了分析 研究. 结果揭示，SMJ作为最主要的越赤道气流，对两个半球间水汽输送起最关键的作用， 它把水汽从冬半球输送到夏半球. 夏季SMJ的年际变化有全球范围内的环流异常与之相联系 ，特别是东亚沿岸的波列状异常分布、南亚高压以及澳大利亚以南的偶极型异常分布；它 也同春季的北印度洋等海区的海温异常有密切关系. 研究还表明，春季SMJ的年际变化对东 亚夏季降水和大气环流有显著影响，由于SMJ影响的超前性，因此它在东亚夏季气候预测上 有重要意义.     

华北降水年代际变化特征及相关的海气异常型

利用近50年华北地区26个站逐月降水观测资料和全球大气海洋分析资料,分析了华北降水的年代际变化特征及其和全球海气系统年代际变化的关系.对华北降水距平指数变化分析表明,近50年来华北降水具有减少的总体趋势,叠加在该趋势之上的是年代际变化,其中1965年和1980年发生了两次跃变,使得20世纪80年代干旱尤为严重.在对华北地区降水年代际变化特征分析的基础上,揭示了与华北降水年代际异常相伴随的大气环流和上层海洋热力异常型.结果表明,华北降水年代际异常与太平洋上层海洋热力状况异常有显著关系,主要表现为太平洋年代际振荡（PDO）与华北降水异常的相关.在年代际时间尺度上,华北干旱与上层海洋热力及大气环流异常的配置关系如下：当华北地区干旱时,则热带中东太平洋海温偏高,北太平洋中部海温偏低,即太平洋上主要表现为PDO暖位相,全球大部分地区（包括华北地区）气温偏高,青藏高原地区气温偏低,日本北部及东西伯利亚气压异常偏低,华北及其以南大片地区气压偏高,华北地区由异常西北风控制,不利于水汽向华北地区输送.     

中国北方沙尘暴气候形势的年代际变化

分析了中国北方沙尘气候的时间变化特征, 重点研究与沙尘气侯的年代际变化相应的冬、春季气候和大气环流异常特征. 文章揭示: 在沙尘活动频繁年代(1956~1970)和稀少年代(1985~1999)冬、春季的气候和大气环流有显著差别. 与前一个年代相比, 在后一个年代里冬季极涡异常加深, 50°N附近的西风增强, 东亚极锋锋区位置偏北, 东亚大槽偏弱; 西伯利亚高压北部及中心强度变弱, 阿留申低压明显升压; 东亚季风强度变弱, 影响中国的冷空气势力减弱, 冬、春季大风天气变少. 同时中国北方广大地区冬季温度显著升高, 西北和内蒙古的沙源地区春季降水明显增多. 研究还发现, 在年际尺度上, 中国北方的沙尘活动频次与前冬的西风指数、北极涛动指数呈显著的负相关, 与冬、春季东亚季风指数呈显著的正相关.     

阿拉伯半岛-北太平洋型遥相关及其与亚洲夏季风的关系

利用相关分析和经验正交分解方法对过去57a NCEP-NCAR夏季亚洲-北太平洋地区海平面气压场进行了分析,揭示了一种新的遥相关模态,即阿拉伯半岛．北太平洋型遥相关（Arabian Peninsula-North Pacific Oscillation,APNPO）．研究表明,APNPO在本质上反映的是对流层低层北太平洋高压和南亚夏季风低压之间的一种共变特征,它的变化与亚洲夏季风的变化之间有着密切的联系．在年际尺度上,APNPO与东亚夏季风（East Asian summer monsoon, EASM）和南亚夏季风（South Asian summer monsoon, SASM）均存在显著的关联;在年代际尺度上,该遥相关与东亚夏季风的关系更为密切：两者均在20世纪60年代中期和70年代末发生了两次明显的年代际突变．通过分析与APNPO相关的环流场,探讨了APNPO与亚洲夏季风联系的物理过程．发现当APNPO偏强时,索马里急流、SASM气流、EASM气流以及南亚高压均得到加强,同时还通过高层的纬向波列在中国东北地区上空形成了一个异常的反气旋性环流．此外,强的APNPO还可加强对亚洲季风区的水汽输送,由此在印度半岛及中国华北地区造成强的水汽辐合．所有的这些大气环流和水汽条件的改变最终导致亚洲夏季风及印度和中国华北地区降水的异常．研究还发现APNPO的变化从春到夏具有较好的持续性,春季的APNPO与亚洲夏季风变化也存在显著的相关关系．从这个意义上讲,春季APNPO变化的超前性对于后期亚洲夏季风降水的预测具有潜在的重要参考价值．     

全球变暖背景下春季Hadley环流与东亚夏季风环流年际对应关系的多模式预估

观测事实揭示,春季Hadley环流在年际时间尺度上与东亚夏季风环流和降水具有密切联系.在未来全球变暖背景下,春季Hadley环流与东亚夏季风环流和降水的这种年际关系是否会发生变化？针对该问题,本文在评估的基础上选取五个气候模式,分析了A1B排放情景下春季北半球Hadley环流年际变率的未来变化及其与东亚夏季风环流和降水的年际关系.多模式集合(MME)预估结果表明,在全球变暖背景下,与20世纪末期(1970—1999年)相比,到21世纪末期(2070—2099年),春季北半球Hadley环流的年际变率强度将减弱,减弱幅度达32%.随着春季Hadley环流年际变率的减弱,其与夏季西太平洋副热带高压和东亚夏季风强度的联系将变弱.MME模拟结果还显示,春季Hadley环流与夏季东亚西风急流和降水的关系也降低,但各单个模式间存在较大差异.     

21世纪初青藏高原感热年代际增强对中国东部季风雨带关键区夏季降水年代际转折的影响

基于中国气象局提供的气象站点月值资料,NOAA、CMAP降水格点月值资料,NDVI卫星资料及再分析资料,利用统计方法分析了1961-2014年青藏高原感热与中国东部季风雨带关键区夏季降水的年代际变化,并根据热动力平衡方程结合CESM模式试验解释了21世纪初高原感热异常对关键区夏季降水的影响机理.结果表明:21世纪初,黄淮、江淮地区降水增加,而长江以南地区降水减少.同时,高原感热也发生年代际增强,当春季感热增强后,大气热能上传导致夏季高原近地面产生气旋性环流异常,大气辐合;高层产生反气旋性环流异常,大气辐散.黄淮、江淮地区在对流层中低层受异常偏南风控制,高层受高原上空的大尺度反气旋环流影响产生异常偏北风.此外,高原感热增强通过影响黄淮、江淮地区产生暖平流输送和非绝热加热正异常,该区域产生异常的上升运动,降水量增加.长江以南地区在对流层中低层存在一个异常的反气性环流,有来自海洋的冷平流输送,同时大气非绝热加热在该地区为负异常,产生异常的下沉运动,降水量减少.模式敏感性试验的结果证实了当高原感热发生年代际增强,黄淮、江淮地区水平温度平流及非绝热加热为正异常,而在华南地区为负异常,从而导致黄淮、江淮地区大气上升运动增强,降水增加;而华南地区下沉运动增强,降水减少.     

太平洋年代际振荡与南北半球际大气质量振荡及东亚季风的联系

众多研究表明,太平洋年代际振荡(PDO)与东亚季风以及我国气候的年代际异常存在显著影响,然而其影响途径及机制仍不明确.本文分别分析了年代际尺度上的太平洋年代际振荡(PDO)、南北半球际大气质量振荡(IHO)以及东亚季风的变化特征,据此建立了三者之间的关系,并进一步分析了它们对我国东部冬夏两季年代际气候异常的影响,所得主要结果包括:(1)PDO与IHO以及东亚季风强度具有明显的年代际波动特征,三者之间存在较好联系,其中它们在70年代和90年代后期处于负位相,而在80年代至90年代中期均处于正位相期.PDO和IHO对全球大范围的低层气温异常,以及大气质量迁移尤其是东半球30°S-50°N区域的质量变化具有显著并且空间一致的影响;(2)当PDO为正位相时,整层大气质量年代际异常呈偶极型的自东半球向西半球太平洋区域输出,造成了南北半球际以及海陆间大气质量迁移,同时引起Walker环流的上升和下沉支位置变化,以及越赤道大气质量流的向北异常输送,并由此建立起东亚季风与PDO和IHO之间的联系;(3)PDO年代际异常与冬夏季节蒙古地区地表气压变动存在密切联系.当PDO指数增强时,冬夏季850hPa均出现显著反气旋风场异常,并在我国东部形成异常北风,从而显著影响东亚冬夏季风强度变化.与之对应,PDO指数与我国东部大部分地区的站点气温、降水的年代际分量保持显著的同期相关.     

新疆北部汛期降水年际和年代际异常的环流特征

新疆北部汛期（7～8月）降水量具有明显的年际和年代际变化.针对年代际、除去年代际后年际和不同年代际背景下年际变化三种时间尺度，利用NECP/NCAR再分析资料，分析相应的大气环流.结果表明，三种时间尺度降水变化的物理机制不同，年代际背景非常重要.新疆北部汛期降水异常时，欧亚中高纬环流系统具有相当正压结构的显著异常.从气候角度和年代际大气环流变化，提出新疆年代际增湿存在索马里越赤道急流到新疆的三段式水汽接力输送方式，索马里急流和热带印度洋是中亚和新疆的重要水汽补充源之一.     

1979～2004年中国大陆南方地区春季降水的年代际变化特征及其与欧亚大陆积雪的联系

本文研究了中国南方春季降水在1979～2004年期间的年代际变化特征,结果表明无论在年际还是在年代际时间尺度上,中国南方东南和西南地区降水都具有反相变化的特征,并分别呈现出显著的减少趋势和增加趋势.中国南方春季降水在20世纪80年代末出现了一次明显的年代际气候转型.东南地区的春季降水明显减少,降水量在80年代末以后比80年代末之前减少了30%;而西南地区的春季降水则明显增加,80年代末之后的降水量是80年代末之前的两倍.伴随着这次年代际转型,欧亚大陆西伯利亚上空对流层中低层位势高度增强,对流层低层中国东部北风增强,造成中国东部西南风减弱,使得降水在东南地区减少,西南地区增多.中国南方春季降水在20世纪80年代末出现的年代际气候转型与欧亚大陆春季积雪的年代际转型有密切联系.从20世纪80年代末开始欧亚大陆春季积雪明显减少,与欧亚大陆春季积雪变化所伴随的大气环流变化,是造成春季我国东南地区降水减少和西南地区降水增多的一个重要原因.     

El Nino演变不同阶段东亚大气环流年际异常型的数值模拟

给定1948～1999年逐月变化的全球观测的海表温度分布，使用全球大气环流模式（CCM3/NCAR）模拟了大气对海表温度变化的响应，利用SVD和合成检验方法，分析了El Nino发展阶段夏季、成熟阶段冬季以及衰亡阶段夏季东亚大气环流的年际异常型.结果表明：El Nino发展阶段夏季，中国东北、朝鲜半岛以及日本海附近为高度负异常中心，西太平洋副高偏弱、偏东，东亚夏季风增强；El Nino成熟阶段冬季，东亚大槽加强，东亚北部冬季风加强；El Nino衰亡阶段夏季，西太平洋副高偏强、偏南、西伸，东亚夏季风减弱；El Nino事件在其衰亡阶段夏季与东亚大气环流异常的关系最紧密，其次是成熟阶段冬季，最后是发展阶段夏季.模拟的El Nino演变不同阶段东亚大气环流年际异常型易于解释以往研究中观测分析揭示的由El Nino造成的我国东部气温和降水异常型.     

Hadley环流的年际和年代际变化特征及其与热带海温的关系

利用NCEP/NCAR再分析风场资料和NOAA海表温度(SST)资料，分析了冬、夏季Hadley环流的变化特征及其与热带海温在年际、年代际尺度上的关系. 结果表明，冬季北半球Hadley环流强度具有明显的年际和年代际变化，同时还呈现出明显的增强趋势. 伴随着Hadley环流的加强，环流中心位置南移，高度上升；夏季南半球Hadley环流变化主要表现为强、弱、强的年代际振动，没有明显的线性趋势. 研究还显示冬季Hadley环流与Nino3区SST正相关，这种相关性具有年代际变化特征. 年际尺度上，冬季北半球Hadley环流与Nino3区SST正相关；夏季南半球Hadley环流与Nino3区SST负相关，即当赤道中东太平洋SST异常偏暖(冷)时，冬、夏季Hadley环流变强(弱).     

BCC_CSM1.1(m)模式对于夏季亚洲-太平洋涛动的模拟

亚洲-太平洋涛动是北半球夏季亚洲大陆和北太平洋副热带地区对流层中高层扰动温度场上大尺度的东西反相的遥相关现象,其异常变化与亚洲-太平洋地区夏季风气候有着密切的联系.基于欧洲中心的ERA-40再分析资料和国家气候中心BCC_CSM1.1（m）气候系统模式多年的数值模拟结果,本文主要评估了BCC_CSM1.1（m）模式对于夏季亚洲-太平洋涛动的空间分布、指数的时间演变及与其变化所对应的亚洲地区夏季环流异常等方面的模拟能力,结果表明：BCC_CSM1.1（m）模式能够较好地模拟出北半球夏季对流层中高层扰动温度在亚-太地区中纬度存在的西高东低"跷跷板"现象;模式能够模拟出夏季亚洲-太平洋涛动指数的年际变率,但是不能模拟出该指数在20世纪60-70年代明显下降的年代际趋势;模式还能较好地模拟出亚洲-太平洋涛动高低指数年亚洲-太平洋地区夏季环流的异常：指数偏高年份,南亚高压增强,高空西风急流带和热带东风急流均加强,索马里越赤道气流增强,南亚热带季风和东亚副热带季风均增强,东亚季风低压槽加强,西北太平洋副热带高压增强,南亚和东亚北部降水增加,菲律宾地区、中国长江流域-朝鲜半岛-日本一带地区降水减少,反之亦然.     

南海夏季风爆发与南大洋海温变化之间的联系

利用1979-2009年NCEP第二套大气再分析资料和ERSST海温资料,分析南海夏季风爆发时间的年际和年代际变化特征,考察南海夏季风爆发早晚与南大洋海温之间的联系.主要结果为:(1)南海夏季风爆发时间年际和年代际变化明显,1979-1993年与1994-2009年前后两个阶段爆发时间存在阶段性突变;(2)南海夏季风爆发时间与前期冬季(12-1月)印度洋-南大洋(0-80°E,75°S-50°S)海温、春季(2-3月)太平洋-南大洋(170°E -80°W,75°S-50°S)海温都存在正相关关系,当前期冬、春季南大洋海温偏低(高)时,南海夏季风爆发偏早(晚).南大洋海温信号,无论是年际还是年代际变化,都对南海夏季风爆发具有一定的预测指示作用;(3)南大洋海温异常通过海气相互作用和大气遥相关影响南海夏季风爆发的迟早.当南大洋海温异常偏低(偏高)时,冬季南极涛动偏强(偏弱),同时通过遥相关作用使热带印度洋-西太平洋地区位势高度偏低(偏高)、纬向风加强(减弱),热带大气这种环流异常一直维持到春季4、5月份,位势高度和纬向风异常范围逐步向北扩展并伴随索马里越赤道气流的加强(减弱),从而为南海夏季风爆发偏早(偏晚)提供有利的环流条件.初步分析认为,热带大气环流对南大洋海气相互作用的遥响应与半球际大气质量重新分布引起的南北涛动有关.     

亚洲夏季风水汽输送的年际年代际变化与中国旱涝的关系

利用1958～2002年的NCEP-R1和ERA-40逐日再分析资料以及中国160站点月平均降水资料探讨了亚洲夏季风水汽输送的年际年代际变化及其与中国降水异常的关系. 分析结果表明,亚洲夏季风水汽输送和中国夏季降水的异常主模态呈现显著的准两年变化周期. 当南亚夏季风纬向水汽输送偏强（弱）时,东亚—西北太平洋地区水汽输送的偶极型异常有利于长江中下游地区和江淮流域的水汽辐合负（正）异常与华南和华北地区的水汽辐合正（负）异常,从而引起中国东部的经向三极子雨型,即长江中下游地区和江淮流域的偏旱（涝）与华南和华北地区的偏涝（旱）. 1970s年代末之后,亚洲夏季风水汽输送的年代际减弱与西北太平洋地区水汽输送的偶极型异常相配合,导致长江中下游地区的持续偏涝与华南和华北地区的持续偏旱. 从中国夏季降水异常与水汽通量辐合异常的同相对应关系来看,ERA-40资料对亚洲夏季风水汽输送年际年代际变化的描述能力强于NCEP-R1资料.