热带环流异常与福建春季旱涝

热带地区大气环流的异常,与我国南方春季旱涝关系十分密切。本文通过对热带大气环流、低纬度波谱特征及物理量特征等的分析,初步揭示了福建春季旱涝与热带、副热带大气环流异常的内在联系。      

梅雨锋云系的模态研究I：主导模态

利用经验正交函数（EOF）分解方法,对1998～2008年梅雨活跃期共16次过程每3 h间隔的静止卫星云顶亮温（也称相当黑体亮度温度,即Black Body Temperature,以下简称TBB）的距平场进行计算,获得了梅雨锋云系的主要模态。经检验,前7个模态为独立模态,方差贡献分别为7.78%、5.83%、5.20%、4.27%、4.19%、3.62%和3.36%。这7个独立模态反映梅雨期间云系主要的异常特征。各模态相似云图中的云系与气候态相比出现位置偏移与形状变化,表明梅雨锋云系随主导环流系统的演变而发生断裂、减弱、消散、重建的过程。从各模态相应的大气环流配置来看,气候态梅雨锋云系对应的大气环流为三阻型梅雨形势。另外7个主导模态的大气环流基本可以划分为两类,一类为阻塞高压型,中高纬地区存在阻塞高压活动,在第2模态正位相,第4模态负位相,第5模态正位相和第6模态正、负位相以及第7模态正位相对应的500 hPa环流形势上都可以看到这一特点;另一类为槽脊型,中高纬地区阻塞高压活动不明显,等高线为一槽两脊或两槽一脊型分布,与这种环流形势相关的模态有第1模态正、负位相,第2模态负位相,第3模态负位相,第4模态正位相,第5模态负位相和第7模态负位相。     

江淮流域梅雨期降水的空间非均匀分布与前期海温的关系

利用中国气象局提供的1978-2007年全国753站逐日降水资料、NECP/NCAR提供的逐日再分析资料和NOAA提供的第2套扩展重建海温资料,从区域整体角度确定了近30 a（1978-2007年）江淮流域梅雨期.采用EOF（empirical orthogonal function,经验正交函数）分析,讨论了江淮流域梅雨期降水空间非均匀分布特征,着重研究了影响江淮梅雨空间非均匀分布的前期海温关键区及关键时段.结果表明：全区一致梅雨旱涝与前期冬季北太平洋鄂霍次克海附近的海温异常有密切的联系.当前期冬季该海域海温偏高时,冬季风偏弱,对应后期梅雨一致偏涝,反之则偏旱.5月南海至台湾和菲律宾以东附近海温偏低,江淮流域梅雨量偏多,反之则偏少.梅雨的南北反相分布与前期秋冬季中印度洋的海温有非常密切的关系,当前一年10月至当年1月中印度洋海温偏高时,梅雨期850 hPa江淮之间易形成切变线,有利于梅雨区“南旱北涝”,反之则“南涝北旱”.梅雨的东西反相分布与前期秋、冬季热带中东太平洋的海温关系密切,ENSO事件有可能通过影响西太平洋副热带高压的东西位置,从而引起东亚大气环流异常,导致梅雨东西分布反相.前期秋季和冬季热带中东太平洋海温偏高年（对应ENSO暖事件）,西太副高位置偏西,有利于梅雨区“东旱西涝”,反之则“东涝西旱”.     

梅雨异常与季风区大尺度环流异常的探讨

利用1973—1979年热带地区 u、v 格点资料和1980—1986、1991等年 ECMWF 资料,着重对亚洲季风区大尺度环流系统变异与梅雨异常进行了探讨.结果指出:1.孟加拉湾南部海域越赤道偏南气流的存在和强弱变化是判断梅雨季是否出现异常旱涝的关键.2.梅雨季内出现区域性的持续性暴雨时,赤道附近的纬向环流将发生个一次大调整.3.中国南方夏季风活跃程度,对判断该年梅雨异常旱涝有一定指示意义.     

热带环流指数与夏季长江中下游旱涝的年际变化

比较利用海—陆气压差和南亚季风环流定义的夏季风指数对夏季长江中下游旱涝年际变化的表征能力,根据影响东亚季风的主要热带环流定义了一个环流指数,该指数与长江中下游旱涝的年际变化存在很好的对应关系。利用１９８２年～１９９４年夏季平均可降水量距平、北半球５００ｈＰａ位势高度场距平,通过高、低指数合成和高度场与同期的热带海表温度异常的ＳＶＤ分析,结果表明,热带环流指数的高、低差异和年际变化对影响东亚夏季降水的大气环流型具有较强的分辨能力。     

2011年长江中下游旱涝急转成因初步分析

以2011年1~6月长江中下游"旱涝急转"事件为例,研究了长江中下游旱涝急转与大尺度环流和海温异常的关系,初步得到以下引发旱涝急转的原因:(1)中高纬度大气环流出现快速调整,迅速由强冬季风形势调整为两槽一脊环流形势所控制,进而造成长江中下游由受中高纬度系统控制转变为冷暖空气对峙之地;(2)西太平洋副热带高压位置和强度迅速调整,1~5月来自热带地区的水汽输送条件差,长江中下游地区水汽辐合较常年明显偏弱。6月,水汽输送和收支状况发生根本性转变,长江中下游表现为显著的水汽辐合中心,且明显强于常年;(3)6月青藏高原上空存在显著的气旋性异常环流,利于对流活动发展,受其底部异常西风的影响,对流活动频繁地东传至长江中下游地区,增强了梅雨锋的强度,先后引发了5次强降水过程;(4)前期持续的La Ni?a事件及其变化通过影响Walker环流、西太平洋副热带高压等大气环流系统,为旱涝急转事件的发生提供了有利的背景条件。     

海温分布型对长江中下游旱涝的影响

采用经验正交函数 (EOF) 分解、奇异值分解 (SVD) 及相关、合成分析等方法, 分析了太平洋海温异常分布与东亚大气环流及长江中下游降水的关系.结果表明:涝、旱年太平洋海温差值场从前一年秋季至当年夏季一直维持由西北向东南“+ - + -”分布特征, 这种太平洋海温分布型与东亚-太平洋遥相关型 (EAP) 密切相关.旱涝年前期太平洋海温异常分布使得低纬度对流活动有明显差异, 而对流活动的异常分布又导致西太平洋副高及东亚大气环流的异常, 从而影响长江中下游降水.数值试验进一步表明:长江中下游旱涝不仅与热带, 同时也与中高纬太平洋的海温异常有关.     

2019年春季我国主要气候异常特征及可能成因分析

2019年春季(3—5月),全国平均气温为11.5℃,为1961年以来历史同期第四位;全国平均降水量为148.7 mm,接近常年同期,但旱涝分布差异显著。东北、西北地区东部和华南降水显著偏多,而黄淮、江淮及云南大部降水异常偏少,其中云南地区降水量为历史同期最少。气温偏高和降水空间分布不均导致旱涝灾害并存。季内气候变化显著,表现出东亚冬季风环流向夏季风环流转换期的特征。春季(尤其是3—4月)全国大部地区气温偏高受到中纬度环流型的明显影响,乌拉尔山及其以北地区为负高度距平中心,而乌拉尔山以东到贝加尔湖地区为大范围正高度距平,这种异常环流形势非常有利于我同气温整体偏高。另一方面,低伟度大气环流则表现出对热带海温异常的明显响应,西太平洋副热带高压(简称西太副高)异常偏强、偏西及偏南,这基本决定了我国春季降水异常的空间分布型,其强度和位置不仅能够直接影响南方降水分布,同时通过与中高纬异常环流的相互作用,共同影响我国北方降水异常格局。进一步分析热带海温外强迫的影响显示,在El Nino衰减年的春季,热带印度洋海温的增暖对西太副高持续偏强偏西起到更重要的作用;而El Nino事件本身对西太副高强度的影响在春季逐渐减弱,对西太副高南北位置的影响增强。     

欧亚环流异常对中国夏季降水的影响及其预测研究

文中利用奇异值分解 (SVD)方法 ,分析了 5 0 0hPa环流与中国降水的耦合作用。结果表明 ,夏季高度场和降水场相互的空间分布与大气环流的遥相关型紧密联系 ,所对应的时间系数对夏季旱涝趋势有较好的表征能力。冬、春季高度场和夏季降水场的相互关系显示出与夏季相类似的遥相关分布型。利用高度场与降水场奇异值分解的结果及前期环流异常信息 ,可以为夏季降水趋势预测提供参考     

四川盆地夏旱结束期的预报及其检验

灾害性长期天气的转折期是短期气候变化中引人关注的重要问题 .众所周知 ,异常的大气环流会导致异常短期灾害性 (旱涝 )气候 ,因此根据前期月、季尺度的环流物理因子 ,可进行预测 .但灾害性短期气候的转折期 ,如梅雨的暴发、四川盆地夏旱的结束 ,往往发生在较月更短的时间尺度里 .为了反映环流月内时间尺度的变化特征 ,我们从 50 0 h Pa月平均高度场中选取欧亚地区与四川夏旱有关的环流区 ,分析其候际变化的特点 ,用切比雪夫多项系数将其主要演变特征定量化 ,用最优子集回归、逐步回归模式来分别研制夏旱结束期的预报 ,并将历史预报效果及…     

中国南方夏季降水的年代际变率主模态特征及机理研究

在气候变暖背景下,中国南方夏季降水存在明显的年代际变化特征。本文利用1920~2014年的逐月降水,以分析南方夏季降水年代际变率主模态为切入点,以研究南方夏季降水年代际变率空间分布型的年代际变化特征为重点,进一步研究了印度洋、北太平洋及北大西洋海温的年代际变率对南方夏季降水主模态年代际变率的可能影响机制。得到的主要结论包括:（1）指出中国南方夏季降水年代际变率的两个主模态为全区一致型和东西反相型降水模态。两个主导模态在1971/1972年发生了显著的年代际转变,在1925~1971年的第一主模态为东西反相型降水;在1972~2009年的第一主模态为一致型降水。不同主模态对应的海温异常关键区也在1971/1972年发生了相应的年代际变化。（2）揭示了全区一致型和东西反相型降水模态对应的环流场异常特征。一致多（少）型降水对应着中国南海及西北太平洋低空的反气旋（气旋）性异常,有（不）利于水汽自南海向南方地区输送。而贝加尔湖东侧低空的反气旋（气旋）性异常,有（不）利于冷空气向南方输送,并与来自南海地区的水汽在南方地区辐合,有利于南方地区降水一致偏多（少）。东多西少（西多东少）型降水对应着中国东南地区高空的正（负）异常中心,有利于高空辐散（辐合）及异常的上升（下沉）运动,其与南方地区东部低空的气旋（反气旋）性异常共同作用,有利于东部降水偏多（偏少）。与此同时,低空中南半岛反气旋（气旋）性异常及菲律宾地区反气旋（气旋）性异常,不（有）利于水汽自孟加拉湾及南海地区输送向南方地区西部,有利于形成东多西少（西多东少）的降水型。（3）揭示了印度洋海温、北太平洋海温和北大西洋海温协同影响南方地区东西反相型降水和一致型降水的机制。     

Reconstruction of the El Niño attractor with neural networks

Based on a combined data set of sea surface temperature, zonal surface wind stress and upper ocean heat content the dynamics of the El Niño phenomenon is investigated. In a reduced phase space spanned by the first four EOFs two different stochastic models are estimated from the data. A nonlinear model represented by a simulated neural network is compared with a linear model obtained with the principal oscillation pattern (POP) analysis. While the linear model is limited to damped oscillations onto a fix point attractor, the nonlinear model recovers a limit cycle attractor. This indicates that the real system is located above the bifurcation point in parameter space supporting self-sustained oscillations. The results are discussed with respect to consistency with current theory.     

基于南海夏季风季节内振荡的降水延伸预报试验

利用代表南海夏季风季节内振荡特征的850 hPa纬向风EOF分解的前两个主成分,定义南海夏季风季节内振荡指数,并利用美国国家环境预测中心第2代气候预报系统 (NCEP Climate Forecast System Version 2, NCEP/CFSv2) 提供的1982—2009年逐日回算预报场计算了南海夏季风季节内振荡指数的预报值,用于我国南方地区持续性强降水的预报试验。试验结果表明:利用南海夏季风季节内振荡实时监测指数与模式直接预报降水量相结合的统计动力延伸预报方法,能够有效提高季节内降水分量的预报效果。同时,该方法能够避免末端数据损失,修正了对模式预报降水直接进行带通滤波而导致的负相关现象,并起到消除模式系统误差的作用。     

1999年6月长江中下游梅雨暴雨的环流特征分析

利用客观分析资料和加强观测期资料,对1999年6月发生在我国长江流域的持续性梅雨期降水过程的大尺度环流特征进行了分析,结果表明:(1)1999年梅雨期,我国长江中下游强降水带状分布非常明显,强降水主要发生在长江中下游地区,强降水带呈东西向分布,并且雨带的南北边界非常清楚。(2)在对流层低层,从孟加拉湾来的西风气流和西太平洋副热带高压前缘的东南气流在长江流域维持,为此次强暴雨过程产生和发展提供了有利的大尺度条件。高空急流和低空急流的存在和维持为此次梅雨锋暴雨过程的发生提供了有利的抬升机制,而对流层中低层的中性对流不稳定特征则为持续性暴雨过程的发生提供了有利的不稳定机制。(3)梅雨锋区对流层低层的水汽辐合非常明显,水汽输送主要来自孟加拉湾和西太平洋,同时南海季风槽在向梅雨锋区输送水汽的过程中起到了非常重要的作用,它是热带海洋地区向我国内陆输送水汽的通道。(4)平均纬向风速u对流层高层出现了与高空西风急流与高空东风急流相对应的两个强风速核;径向平均风速v在400 hPa以下层次盛行南风,而在400 hPa以上的高层盛行北风;受两侧下沉气流的制约,梅雨锋降水带南北两侧存在位势不稳定层结中的不稳定能量无法释放,因此没有出现明显的降水。     

Non‐linear coupling between modes in a low‐dimensional model of ENSO

Abstract

An intermediate coupled model of the tropical Pacific ocean‐atmosphere system was reduced by projecting the non‐linear model onto a truncated basis set of its own empirical orthogonal functions (EOFs). For moderate coupling strengths, the simulated El Niño/Southern Oscillation (ENSO) variability consists of a dominant quasi‐quadrennial mode with a period of approximately four years and a smaller quasi‐biennial mode at a period of approximately two years. In the absence of a seasonal cycle, the leading two EOFs capture the dynamics of the leading interannual mode, with a further two EOFs being required to capture the secondary oscillation. The presence of seasonal forcing increases the EOF requirement by two, the leading pair of EOFs being dominated by the annual cycle. Normal mode analysis of the reduced models indicates that the quasi‐biennial mode manifests itself, even though it is linearly stable, by non‐linear coupling to the quasi‐quadrennial mode. The nonlinearity does not produce the quasi‐biennial signal unless the spatial degrees of freedom associated with the linear quasi‐biennial mode are present. Other linearly stable modes also couple non‐linearly to the leading interannual mode and to the seasonal cycle, but the quasi‐biennial mode is favoured over other, less‐damped linear modes because of its proximity to a multiple of the quasi‐quadrennial frequency.     

长江梅雨的长期变率与海洋的关系及其可预报性研究

采用最新发布的梅雨国家标准资料,以长江区域梅雨为代表,在分析区域梅雨的多时间尺度变化特征的基础上,从海洋外强迫影响因子角度探讨了梅雨的可预报性来源,进一步综合海洋背景变率和预测模型回报试验讨论梅雨异常的可预报性。结果表明:（1）长江梅雨呈现周期为3-4、6-8、12-16、32、64 a的多时间尺度变化分量和长期减少趋势。其中,3-4 a准周期变化是梅雨异常变化的主要分量。梅雨的干湿位相转变受12-16 a的准周期变化调制,极端涝年易出现在12-16 a准周期变化湿位相和3-4 a变化分量峰值位相叠加的情况。（2）长江梅雨的各准周期变化分量有不同的海洋外强迫背景,是梅雨可预报性的重要来源。与时间尺度较短的年际变化分量相关联的海温关键区主要分布于热带,而与时间尺度较长的年代际或多年代际变化分量相联系的海温关键区则来自中高纬度。3-4 a准周期变化分量的海洋外强迫强信号随季节变化由前冬的ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）转为春末夏初的印度洋偶极子（IOD）。6-8和12-16 a年准周期变化分量的海洋强迫关键区主要位于太平洋。准32和准64 a周期振荡则受北太平洋多年代际变化（PDO）和北大西洋多年代际变化（AMO）的共同影响。梅雨的长期变化趋势则与全球变暖背景及以PDO为代表的年代际海洋外强迫因子相联系。（3）尽管梅雨异常与ENSO的正相关关系呈现减弱趋势,但20世纪70年代以后的梅雨异常年际变化分量的可预报性有所增大。（4）将梅雨各变化分量作为预测对象分别建模,进一步构建梅雨异常预测统计模型。采用该模型对近5年梅雨预测进行独立样本检验,有较好的回报效果,验证了梅雨异常年际分量可预报性的稳定性以及基于多时间尺度分离建立梅雨预测模型的优越性。      

North African climate variability. Part 1: Tropical thermocline coupling

Summary Tropical ocean thermocline variability is studied using gridded data assimilated by an ocean model in the period 1950–2000. The dominant patterns and variability are identified using EOF analysis applied to E–W depth slices of sea temperatures averaged over the tropics. After removing the annual cycle, an east–west ‘see-saw’ with an interannual to decadal rhythm is the leading mode in each of the tropical basins. In the case of the leading mode in the Pacific, the thermocline oscillation forms a dipole structure, but in the (east) Atlantic and (southwest) Indian Ocean there is a single center of action. The interaction of the ocean thermocline and atmospheric Walker circulations is studied through cross-modulus analysis of wavelet-filtered EOF time scores. Our study demonstrates how tropical ocean thermocline variability contributes to zonal circulation anomalies in the atmosphere. The equatorial Pacific thermocline oscillation explains 62 and 53% of the variability of the Pacific and Atlantic zonal overturning circulations, the latter driving convective polarity between North Africa and South America. The Pacific sea-saw leads the Atlantic zonal circulation by a few months.     

1991～1994年El Niño的异常特征的诊断研究

1991～1994年热带中东太平洋海温持续4a多出现正距平。Niño3指数一直为正值。在此正距平背景下,产生了两次振荡和3次ElNiño暖期。在此期间赤道东太平洋海温在±5°纬度范围内发生了两次负距平的变化,形成了一个狭窄的温度梯度很大的“冷核”,而赤道外的中纬度海洋则持续维持两个正海温距平。这一时期海表温度资料EOF分析的结果进一步表明,第一特征向量的空间分布实际上反映了上述冷核特征。1991～1994年的ENSO事件主要是低频分量发生了较大异常,赤道低层纬向风和高层西风在前期减弱(1991-01-1992-05),后期加强(1992-06-1994-011).无论是海温还是风场的低频分量都表现出一次ENSO循环的特征。因此作者认为,虽然Niño3指数等在这4a多期间均为正值,但是大气和海洋耦合系统的低频变化部分只发生了一次完整的ENSO循环过程。1991年至1992年上半年对应于ElNiño暖位相,1992年下半年至1994年底对应于LaNina冷位相。但是这个冷位相没有能够得到充分发展,只出现两次极狭窄的冷核。冷位相的明显“夭折”,而代之以出现两次较弱的增暖,可能与季节内尺度的大气强迫与低频变化部分的相互作用有关。     

2017年梅雨期浙江中部连续暴雨过程的环流特征

利用常规气象观测资料、NCEP 1°×1°的FNL再分析资料和FY-2E卫星云图资料对2017年梅汛期前后浙江中部大尺度环流背景进行分析,同时对梅汛期三次强降水过程的梅雨锋结构、对流层低层风场对中尺度对流系统发展的影响以及中尺度云团特征等进行了诊断分析。结果表明：1） 进入梅汛期,贝加尔湖长波脊发展及长久维持,带状分布的西太平洋副热带高压较常年偏强,有利于冷暖空气交汇于浙江一带,形成范围大、持续时间长的强降水;2） 在垂直方向上,高空西风急流的入口区右侧与低空急流核左前方相叠加,高低空急流耦合作用明显,为中尺度对流系统维持提供了必备的不稳定机制;3） 三次强降水过程均具有正涡度带随时间东移的现象,揭示了梅雨锋区低值系统沿切变线东移的特点。其中,第三次暴雨过程正涡度东移特点最明显,对流层低层的有利动力条件导致中尺度对流系统的发展及强降水的出现;第二次过程的副热带西风急流中心风速明显较第一次和第三次小,但西风急流中心位置南移至30°—35°N,正好位于梅雨锋区上空,补偿了因急流风速减小对高层辐散的影响。     

CoPIVEP: a theory-based analysis of coupled processes and interannual variability in the Equatorial Pacific in four coupled GCMs

 The interannual variability over the tropical Pacific and a possible link with the mean state or the seasonal cycle is examined in four coupled ocean-atmosphere general circulation models (GCM). Each model is composed of a high-resolution ocean GCM of either the tropical Pacific or near-global oceans coupled to a moderate-resolution atmospheric GCM, without using flux correction. The oceanic subsurface is considered to describe the mean state or the seasonal cycle through the analytical formulations of some potential coupled processes. These coupled processes characterise the zonal gradient of sea surface temperature (hereafter SST), the oceanic vertical gradient of temperature and the equatorial upwelling. The simulated SST patterns of the mean state and the interannual signals are generally too narrow. The grid of the oceanic model could control the structure of the SST interannual signals while the behaviour of the atmospheric model could be important in the link between the oceanic surface and the subsurface. The first SST EOFs are different between the coupled models, however, the second SST EOFs are quite similar and could correspond to the return to the normal state while that of the observations (COADS) could favour the initial anomaly. All the models seem to simulate a similar equatorial wave-like dynamics to return to the normal state. The more the basic state is unstable from the coupled processes point of view, the more the interannual signal are high. It seems that the basic state could control the intensity of the interannual variability. Two models, which have a significant seasonal variation of the interannual variance, also have a significant seasonal variation of the instability with a few months lag. The potential seasonal phase locking of the interannual fluctuations need to be examined in more models to confirm its existence in current tropical GCMs. Received: 30 July 1999 / Accepted: 25 April 2000