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.     

边界层参数化方案及海气耦合对WRF模拟东亚夏季风的影响

区域气候模式的边界层参数化方案很大程度上影响着陆地-海洋-大气间水汽、动量及热量的交换,该方案的不确定性会给模式结果带来明显误差.本文基于WRF区域气候模式中四种常用的边界层参数化方案(YSU,ACM2,BouLac和MYJ)分别对东亚夏季风进行模拟研究,分析了不同的边界层方案对东亚夏季风环流及降水模拟的影响.结果表明,局地湍流动能方案BouLac和MYJ对东亚夏季风的模拟结果相对于非局地闭合方案YSU和ACM2更接近于观测,前者能更好的模拟出中国东部中低空西南风气流和西太平洋副热带高压.对于东亚夏季风降水,无论是空间分布还是季节内演变,BouLac和MYJ方案都要明显优于YSU和ACM2.此外,通过对比YSU和BouLac两种方案的模拟结果,发现边界层方案对东亚夏季风的模拟在海洋区域的影响更为显著.造成不同方案模拟差异的主要原因是非局地方案YSU和ACM2的边界层垂直混合偏强,使得海表向上输送的潜热通量明显偏强,对流更活跃,导致降水偏多以及相应季风环流的异常偏差.进一步研究指出缺少海气反馈过程使得WRF模式由边界层方案引起的模拟误差在海洋区域更为突出,引入海气耦合可以减小海表热通量误差并明显改善东亚夏季风的模拟结果.     

中国东部夏季暴雨极端事件与水汽输送相关流型特征

1961~2010年中国东部夏季季风过程降水量与暴雨频数年际变化分析发现,两者年代际变化趋势相反,尤其90年代后暴雨频数年代际变化呈显著上升趋势,而中国东部夏季降水量却总体上呈下降趋势.分析1961~2010年夏季暴雨频数空间分布场,研究发现中国东部暴雨频数分布状态呈东南高频区向西北方向的大地形边缘带逐步递减,其可描述出50mm以上暴雨频数分布特征为"东南高,西北低"的与地形"阶梯式"分布相似的格局.另外,在全球气候变化背景下中国东部夏季降水变率与暴雨极端事件频数年际变率空间分布在中国"三阶梯"地形存在显著的区域性差异.研究发现中国东部夏季季风过程降水与暴雨极端事件频数相关的水汽输送通道及其水汽流型,水汽流汇合区的空间结构均呈显著差异.长江流域及华南等为暴雨高频区,中国东部暴雨过程整层水汽输送通道相关结构可描述出自中低纬海洋三支强水汽流"汇合"及其整层水汽辐合特征,此暴雨高频区水汽流相关"汇合"较夏季季风过程降水或非暴雨类降水"偏南",且水汽"辐合"结构更为显著.另外,中国东部夏季水汽流环流型特征亦对暴雨极端事件发生频数也有着重要的影响.整层水汽通量相关场暴雨类高频区对应矢气旋式涡旋结构环流型,对比分析非暴雨降水和暴雨频数与整层水汽输送通量相关矢场,可发现两者呈空间位置、尺度不同的相关气旋式环流型,其中暴雨类相关环流型"涡动"结构尺度小、位置偏南;非暴雨降水相关涡动结构尺度大、位置偏北.研究表明了夏季风强弱变化背景下整层水汽输送"涡动"环流的"驱动"及其水汽通量"辐合"的结构对中国东部暴雨高频区南-北位移格局变动有显著影响效应,中国东部暴雨高频区的年代际南北动态"摆动"与中国东部水汽输送"涡动"结构的涡度(正值中心)与散度高值区(负值中心)呈"同步"年代际变化特征.基于上述暴雨极端事件水汽输送及环流型影响综合分析研究,本文研究还提出了中国东部暴雨水汽输送流型结构的综合相关模型.     

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.     

中国东部土壤湿度异常和厄尔尼诺对中国东部夏季降水的作用比较

利用中国气象科学研究院气候系统模式CAMS-CSM中大气和陆面的耦合版本进行了土壤湿度和热带太平洋海温异常影响东亚夏季风的数值模拟,探讨了中国东部从长江中下游到华北(YRNC)春季土壤湿度和厄尔尼诺(El Ni?o)在影响夏季东亚环流和中国东部降水中的作用及其机理.结果表明,中国东部春季土壤湿度和El Ni?o海温异常均对东亚夏季风有显著的影响,其中土壤湿度对中国东部夏季降水的影响略大于海温的作用,然而两者对东亚夏季风环流和中国夏季降水的作用显著不同. YRNC土壤偏湿(干)引起的降水异常模态为中国北部和东南降水偏少(多),而长江流域和东北降水偏多(少),环流上YRNC土壤偏湿(干)能引起西太平洋副热带高压显著偏强(弱)偏西(东)和东亚大槽偏深(浅),表现为弱(强)夏季风形态. El Ni?o对降水的影响显著不同于土壤湿度的作用,在El Ni?o发展期的夏季,中国东北和华北地区为异常反气旋,长江中下游和华南地区为异常气旋,西太平洋副热带高压偏弱,引起长江下游、华南降水偏多,华北降水偏少.在El Ni?o衰减期的夏季,中国东北地区存在一个异常气旋,华南有一个异常反气旋,异常反气旋西部的偏南气流和异常气旋西部的偏北气流在中国中部和北部地区汇合,使得夏季华北和长江中游地区降水增多,其余地区降水偏少.     

夏季亚洲极涡的长期变化对东亚环流和水汽收支的影响

主要分析了1951～2004年夏季亚洲极涡强度和面积的长期变化趋势及其对东亚夏季环流,水汽输送和降水量的影响,发现1951～2004年,夏季亚洲极涡表现出了明显的强度减弱,面积缩小的变化趋势,并以面积缩小更为显著,这正对应于北极涛动（AO）指数在该时段的显著升高.在这种北半球中高纬大尺度环流变化的影响下,东亚夏季高空西风急流在近54年显著南移,冷空气活动的南侵程度明显增强,从而造成低空偏北风显著增强而偏南风减弱.与此相应,近54年整个中国区域内低空纬向风速呈明显的减小趋势.总的来看,东亚夏季风环流发生了明显减弱.同时,流经中国的中纬度西风水汽输送在近54年也表现出一致减弱的趋势,而南风水汽输送大致以110°E为界,以东的夏季风区呈显著的减弱趋势而以西则有明显的增加趋势.这种水汽输送的变化影响了中国不同区域内水汽输送通量散度的改变,进而使得夏季降水量发生变化.分析表明,夏季亚洲极涡的面积和强度与东北、华北和西北东部的水汽输送通量散度和夏季降水呈正相关,而与长江中下游、华南、西南、青藏高原和西北西部呈显著负相关,夏季亚洲极涡在近几十年的面积缩小和强度减弱是中国夏季降水长期变化的一个可能原因.     

南太平洋和北太平洋年代际振荡与华北盛夏降水的关系及可能物理机制

利用降水、大气环流和海表温度等多种再分析资料和偏相关方法,研究了1951—2007年南太平洋年代际振荡（SPDO）和北太平洋年代际振荡（即PDO,本文称为NPDO）分别与华北盛夏（7—8月）降水在年代际时间尺度上的关系及其可能物理机制.结果表明：在去除SPDO和NPDO的相关性之前,它们与华北盛夏降水的关系均偏弱;但在去除两者相关性之后,SPDO（NPDO）与华北盛夏降水存在显著正（负）相关关系.去除两者相关性之后,当SPDO处于正位相时,热带西北太平洋海温异常显著偏暖,这将在对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸激发出"气旋-反气旋-气旋"的负位相东亚—太平洋型遥相关（EAP）波列,该波列导致东亚夏季风异常增强,有利于低纬地区水汽输送至华北地区,从而使得华北盛夏降水异常偏多,反之,当SPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏少;对NPDO来说,当其处于正位相时,不仅热带西北太平洋异常显著偏冷,而且印度洋大部分海温异常显著偏暖,在两者共同作用下,对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸出现"反气旋-气旋-反气旋"的正位相EAP波列,这将引起东亚夏季风异常减弱,不利于低纬地区水汽输送至华北地区,华北盛夏降水异常因此减少,反之,当NPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏多.     

大气环流对中东亚干旱半干旱区气候影响研究进展

亚洲干旱半干旱区占据北半球中纬度的大片区域,其主体是中东亚干旱半干旱区,该区域降水稀少、生态环境脆弱,对全球气候变化响应敏感.中东亚干旱半干旱区东部处于东亚季风区的边缘,受西风环流和季风环流的共同影响;中部和西部主要处于西风带气候区,为西风环流所控制.研究大气环流对中东亚干旱半干旱区气候的影响,对于认识和预测该区域的气候具有重要意义.基于近年来国内外学者针对大气环流对亚洲中、东部干旱半干旱区气候影响的研究,文章进行了系统回顾和总结.已有研究表明,大气环流对中东亚干旱半干旱区的气候具有不可忽视的影响.在强夏季风年,中国西北地区东南部受东亚夏季风影响,水汽通量显著增加,降水偏多;而弱夏季风年则相反,随着东亚夏季风的减弱,季风边缘的半干旱区气候呈现变干趋势;南亚季风的加强则使得更多的水汽输送至亚洲干旱半干旱区;高原夏季风与中亚地区夏季降水呈显著的正相关关系,而与中国华北地区、蒙古地区的夏季降水呈负相关.西风指数与中东亚干旱区的气温有显著的正相关关系,西风环流的变化可能是影响中亚干旱区降水变化的主要因素.     

东亚降水格局:季风与瞬变涡动的竞争

利用再分析资料ERA-40计算了东亚气候平均对流层水汽输送(MT)、平均气流水汽输送(MMT)、瞬变涡动水汽输送(EMT)及其散度,并同降水场进行比较分析.结果表明,季节平均水汽散度场同东亚降水分布型存在一定的配置关系,水汽辐合区对应于降水大值区,辐散区降水较少.东亚大部分地区MMT散度大于EMT,但符号相反,即MMT...     

CMIP5模式对东亚冬季风指数变化及其与冬季大气环流和气温关系的模拟评估

本文评估了44个CMIP5模式对东亚冬季风环流系统,特别是东亚冬季风指数及其对应的环流和气温特征的模拟能力.结果表明:CMIP5模式对地表气温和500 hPa位势高度场模拟效果最好,对200 hPa纬向风的模拟次之,而对海平面气压和850 hPa经向风的模拟相对较差.与单个模式相比,多模式集合(MME)的模拟能力要更优,其能够很好地再现西伯利亚高压、阿留申低压、东亚低层偏北风、中层东亚大槽、高层东亚西风急流以及地表气温的空间分布.不过,模拟的环流系统偏强,造成东亚地表气温总体偏低.对于东亚冬季风指数,分别选取基于300 hPa纬向风(I_(Jhun))、850 hPa风场(I_(Wang))、500 hPa位势高度(I_(Cui))、以及海平面气压(I_(Guo))定义的四个指数表征东亚冬季风强度.MME能很好地模拟I_(Cui)和I_(Wang)指数的长期变化,还能合理再现四个指数所指示的东亚冬季风环流和气温的变化特征:对应冬季风偏强年份,西伯利亚高压、阿留申低压、东亚沿岸低层北风、东亚大槽和高空西风急流加强,东亚大陆地表气温和极端低温降低,但变化的幅度比观测结果偏弱.     

Spatial and temporal variability of precipitation maxima during 1960–2005 in the Yangtze River basin and possible association with large-scale circulation

This study investigated spatial and temporal patterns of trends of the precipitation maxima (defined as the annual/seasonal maximum precipitation) in the Yangtze River basin for 1960–2005 using Mann–Kendall trend test, and explored association of changing patterns of the precipitation maxima with large-scale circulation using NCEP/NCAR reanalysis data. The research results indicate changes of precipitation maxima from relative stable patterns to the significant increasing/decreasing trend in the middle 1970s. With respect to annual variability, the rainy days are decreasing and precipitation intensity is increasing, and significant increasing trend of precipitation intensity was detected in the middle and lower Yangtze River basin. Number of rain days with daily precipitation exceeding 95th and 99th percentiles and related precipitation intensities are in increasing tendency in summer. Large-scale atmospheric circulation analysis indicates decreasing strength of East Asian summer monsoon during 1975–2005 as compared to that during 1961–1974 and increasing geopotential height in the north China, South China Sea and west Pacific regions, all of which combine to negatively impact the northward propagation of the vapor flux. This circulation pattern will be beneficial for the longer stay of the Meiyu front in the Yangtze River basin, leading to more precipitation in the middle and lower Yangtze River basin in summer months. The significant increasing summer precipitation intensity and changing frequency in the rain/no-rain days in the middle and lower Yangtze River basin have potential to result in higher occurrence probability of flood and drought hazards in the region.     

南半球环流异常与长江中下游夏季旱涝的关系

本文对长江中下游夏季旱涝年前期（3、4、5月的季节平均）和同期（6、7、8月的季节平均）的南半球环流作对比分析，探讨南半球环流异常与长江中下游夏季旱涝的关系. 结果表明前期和同期南半球环流均有显著差异，春季南极涛动对长江中下游旱涝的影响较夏季显著，南半球副热带高压在春、夏两季中有很好季节持续性. 因此，春季南半球环流异常可以作为长江中下游夏季旱涝主要短期气候预测因子. 南、北半球中高纬环流相互作用是长江中下游夏季降水的一个重要因素，其可能的联系机制是从南半球高纬到北半球东亚沿岸经向分布的正压遥相关. 研究中还发现在长江中下游的涝年，整个对流层中南半球春、夏两季有持续增温，这说明了南北半球的温度梯度减弱也是东亚夏季风减弱的原因之一.     

北极海冰与夏季欧亚遥相关型年际变化的联系及对我国夏季降水的影响

本文利用NCEP/NCAR等再分析资料和CAM3.1数值模式研究了夏季欧亚中高纬遥相关型年际变率与前期春季北极海冰变化的联系及其对我国夏季降水影响的可能机制.结果表明,夏季北大西洋-欧亚中高纬地区500 hPa位势高度场自然正交分解第二模态表现为"-+-+"遥相关波列,其中格陵兰岛-北大西洋和乌拉尔山地区为异常高空槽区所控制,而欧洲和贝加尔湖附近地区则为异常高压脊区,这种波列分布与欧亚中高纬EU型遥相关型十分类似.当遥相关波列为"-+-+"（"+-+-"）型分布时,前期春季巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少（多）,同期夏季巴伦支海北部一带海冰亦持续偏少（多）,同时在我国东北北部地区、长江和黄河之间地区降水明显偏少（多）.深入分析发现,巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少后,由于该地区湍流热通量明显偏强,在动力过程影响方面会形成异常Rossby波源,准定常Rossby波活动通量将向东亚地区传播,使得夏季欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列出现.另外,海冰异常偏少后,在热动力过程影响方面,4-5月欧亚中高纬乌拉尔山-贝加尔湖以北地区积雪会出现"西少东多"偶极子型异常分布,其通过影响后期土壤湿度及下垫面热通量异常,也有利于夏季欧亚中高纬遥相关波列的维持.伴随着欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列的出现,乌山阻塞高压偏弱,东亚槽偏浅,且亚洲副热带急流随之加强,贝加尔湖以北的副极地地区出现西风异常,东亚副热带急流北侧出现东风异常,贝加尔湖以南地区为异常反气旋控制,南下冷空气活动减弱.受到上述环流形势影响,我国东北北部地区、黄河和长江之间地区降水明显偏少.当巴伦支海北部和巴芬湾区域海冰偏多时,结论则反之.最后,基于春季海冰指数和晚春偶极子型积雪指数,我们建立了江淮流域夏季降水的预测模型,回报结果表明其对江淮流域夏季降水的年际变率具有较高的预测技巧.     

Oscillation characteristics of summer precipitation in the Huaihe River valley and relevant climate background

Based on the summer precipitation data from the Huaihe River valley and the middle and lower reaches of the Yangtze River from 1922 to 2007,we analyzed the interannual and interdecadal oscillation and probability distribution characteristics of summer precipitation in the Huaihe River valley during the same period,using the wavelet transform and generalized extreme distribution methods.Whereby,we studied the climate background of East Asia Summer Monsoon (EASM),Sea Surface Temperature (SST),East Asia teleco...     

Moisture budget variations in the Yangtze River Basin, China, and possible associations with large-scale circulation

We analyzed seasonal and annual variations of the whole layer atmospheric moisture budget and precipitation during 1961–2005 and their associations with large-scale circulation in the Yangtze River basin, China. The results indicated increasing moisture budget in summer and winter, but decreasing moisture budget in spring and autumn. Positive correlations between moisture budget and precipitation illustrate tremendous impacts the moisture budget has on the precipitation changes across the Yangtze River basin. In terms of seasonal variations, significant correlations were observed between precipitation and moisture budget in spring and autumn in the upper Yangtze River basin. Besides, we also analyzed changes of geopotential height. The positive trends of the geopotential height (850 hPa) were observed in the East Asia and the negative trends in the middle and west Pacific Ocean, indicating increasing geopotential height from south to north in east Asia which largely limited the moisture propagation to north China. While decreasing meridional geopotential height from west to east along the Yangtze River basin caused more moisture propagation from the west to the east parts of the study region, which may benefit more precipitation in the middle and lower Yangtze River basin.     

Evolution mechanisms of the intraseasonal oscillation associated with the Yangtze River Basin flood in 1998

Early in the1970s,Madden and Julian[1,2]first re-vealed the existence of eastward propagation of the intraseasonal(or30-60-day)oscillation(ISO)in the zonal wind fields over the tropics.Later on,the northward propagation of the ISO activities over the Indian Ocean was discovered by Yasunari[3,4],which accounts for the seasonal variations of the Indian summer monsoon.Similar studies were carried out on the low-frequency oscillation activities related to the ENSO and the East Asian summer …     

西北太平洋热带气旋活动影响区域大尺度环流的数值模拟研究

本文利用"模式手术"方法研究了西北太平洋热带气旋(TC)对东亚—西北太平洋区域大尺度环流的影响.结果表明,夏季频繁的西北太平洋TC活动导致东亚夏季风增强,季风槽加深;西太平洋副热带高压东退,位置偏北;东亚副热带高空急流强度增强,北太平洋(东亚大陆)上急流轴偏北(偏南);热带地区(副热带地区)的对流层中低层出现异常上升气流(下沉气流),并且从低纬向高纬呈现异常上升气流和异常下沉气流交替分布特征.在中国东南沿海,TC降水导致夏季降水量明显增加;而在长江中下游和华北地区,TC活动引起的异常下沉气流使夏季降水量显著减少.因此,夏季西北太平洋TC活动对东亚—西北太平洋区域气候有显著影响.     

Weather and seasonal climate prediction for flood planning in the Yangtze River Basin

This paper describes the use of numerical weather and climate models for predicting severe rainfall anomalies over the Yangtze River Basin (YRB) from several days to several months in advance. Such predictions are extremely valuable, allowing time for proactive flood protection measures to be taken. Specifically, the dynamical climate prediction system (IAP DCP-II), developed by the Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences (IAP), is applied to YRB rainfall prediction and flood planning. IAP DCP-II employs ensemble prediction with dynamically conditioned perturbations to reduce the uncertainty associated with seasonal climate prediction. IAP DCP-II was shown to successfully predict seasonal YRB summer flooding events based on a 15-year (1980–1994) hindcast experiment and the real-time prediction of two summer flooding events (1999 and 2001). Finally, challenges and opportunities for applying seasonal dynamical forecasting to flood management problems in the YRB are discussed.     

梅雨与北极涛动及平流层环流异常的关联

平流层过程如何影响气候变化是一个大家关注的科学问题,在WCRP中专门设置了一个研究子计划SPARC.本文的分析研究表明,中国的梅雨异常可能受到平流层大气环流异常的影响,而这种影响是通过北极涛动（AO）的变化来实现的.从分析和计算结果可以看到,二月份北半球30 hPa位势高度的EOF第一主分量对应着副热带和高纬度地区的显著下传异常波作用量,其第三主分量对应着极地地区的显著下传异常波作用量,这些下传的异常波作用量都对三月份AO形势的形成有明显的贡献.三月份的AO则会通过影响东亚地区夏季对流层大气的冷暖状况和环流,在长江中下游地区导致异常垂直运动和辐散辐合形势,从而影响夏季的梅雨降水.     

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.