青藏高原西侧地区冬季降水的年际变率及其影响因子

基于全球降水气候中心（GPCC）和全球降水气候计划（GPCP）的降水数据及ERA-interim再分析资料,分析了1979~2012年冬季青藏高原（简称高原）西侧地区降水的基本特征及影响其年际变率的潜在因子。结果表明高原冬季降水主要发生在其西侧地区且为全区变化一致型,降水所需的水汽主要来自上游地区,从该区域的西边界输入。然而,高原西侧地区冬季降水的年际变率主要由水汽输送的动力过程所决定,表现为高原西侧的西南风异常。此外,高原西侧冬季降水的年际变率与其上游典型的大气内部变率北大西洋涛动和北极涛动相关性不强,而与赤道西印度洋和热带中东太平洋的海温显著相关。热带中东太平洋海温异常通过影响大气环流变化,在印度洋北部激发一个反气旋式的环流异常,使得高原西侧地区出现异常西南风,从而加强了水汽通量输送的动力作用。同时在赤道异常东风的作用下,暖水也向印度洋西部输送堆积。赤道中东太平洋海温的异常可进一步导致西风急流发生南北移动,从而也在一定程度上影响了高原西侧冬季水汽输送以及降水的年际变率。     

1991和1994年南京夏季降水异常与副热带东北太平洋海温异常的联系及成因

利用1979-2015年降水观测资料、海表温度资料及NCEP/NCAR再分析资料,研究了南京夏季降水的时间变化规律,发现南京夏季降水具有明显的年际和年代际变化特征,且总体呈增多趋势。1991年南京夏季降水为极端正异常年份,距平为343.92 mm;1994年南京夏季降水为负异常年份,距平为-273.78 mm。南京夏季降水与副热带东北太平洋（美国加利福尼亚地区西海岸）海温异常存在显著的负相关关系,1991年副热带东北太平洋海温负异常,1994年副热带东北太平洋海温无显著异常。1991年副热带东北太平洋海温负异常,引起该地区上空低层辐散、高层辐合,热带中东太平洋上空低层辐合、高层辐散,这样的环流异常引起中东太平洋上空存在异常上升运动,该异常上升运动则通过纬向垂直环流引起菲律宾附近产生下沉运动并抑制该地区对流活动,激发出负位相的EAP/PJ型遥相关波列,引起了包括南京在内的长江流域降水正异常;同时,水汽由菲律宾地区向南京地区输送并辐合,有利于南京地区1991年夏季降水偏多。1994年副热带东北太平洋海温无显著异常,菲律宾附近对流活动活跃,激发出正异常的EAP/PJ型遥相关波列;同时,水汽由黑潮延伸区经日本列岛向西输送,南京地区为水汽辐散区域,使得1994年南京夏季降水负异常。     

2017年华西秋雨异常偏多的环流特征及其成因分析

利用NCEP/NCAR再分析数据集和国家气候中心整编的2 000多站逐日降水资料,对导致2017年华西秋季降水异常偏多的大气环流特征及其成因进行分析。结果表明,2017年秋季500 hPa位势高度上欧亚中高纬地区维持一脊一槽环流型,斯堪的那维亚半岛上空有一强大的高压脊,乌拉尔山以东—巴尔喀什湖有一深槽,西太平洋副热带高压异常强大并偏西伸。来自极地的冷空气与来自太平洋和孟加拉湾的暖湿气流交汇于华西地区。华西地区处于东亚副热带西风急流入口南侧的高空辐散区,低层对应较强辐合区和异常上升运动,有利于降水的维持。进一步分析表明,2017年华西秋雨异常偏多是同期巴伦支海海温异常偏暖和中纬度北大西洋海温异常偏暖以及赤道中东太平洋La Ni1a型海温异常共同作用的结果,其中巴伦支海海温异常与华西秋季降水在年代际时间尺度上存在较为一致的变化,两者自1986年起均处于一致的负位相,而2000年以后两者由负位相转为正位相;秋季中纬度北大西洋海温异常与华西秋雨之间的年际关系也存在明显的年代际转折,在2002年前后由两者不存在关系转为显著正相关关系。以上各个海区海温异常对华西秋雨的影响也通过一系列的大气环流模式模拟试验进行了验证。     

热带西北太平洋与东南印度洋对流活动年际变化联系的年代际改变

采用美国NOAA卫星观测OLR (outing longwave radiation)资料以及NCEP/NCAR、CM AP月平均资料,利用合成分析等方法,研究了热带西北太平洋(125°～140°E,10°～20°N)与热带东南印度洋(90°～105°E,5°～15°S)对流活动异常的联系。结果表明:热带西北太平洋与东南印度洋对流活动异常的联系有显著的年代际变化; 20世纪80—90年代存在显著的正相关,20世纪90年代至21世纪初有显著的负相关,其后转变为正相关。合成分析表明,热带西北太平洋与东南印度洋对流活动正相关时,两地区均存在反气旋性环流,低层辐散、高层辐合,对流活动弱,不利于降水产生,有降水负异常;当热带西北太平洋与东南印度洋对流活动负相关时,两地区环流异常存在明显差别,热带东南印度洋有正的海温异常,高层辐散、低层辐合,有上升运动,对流活动强,有降水正异常,而热带西北太平洋则相反。热带西北太平洋和热带东南印度洋之间的斜向垂直环流圈将这两个地区联系起来,并决定了这两个地区对流活动负相关关系的形成。     

江西省夏季降水年际变化的机理研究

通过对观测资料和大气再分析资料的诊断分析,研究了影响江西省夏季降水变率的物理机制。结果表明江西省夏季降水存在显著的年际变率。极端条件下,降水偏多的夏季可达降水偏少的夏季的降水量的三倍。中纬度地区的准静止波列和热带关键海区的海温异常是造成江西夏季降水异常的主要原因。当江西省夏季降水偏多时,欧亚大陆地区存在"正—负—正"的准正压Rossby波列结构,位于贝加尔湖的正活动中心能引导干冷空气南下,从而有利于江南地区的锋生和江西降水的增加。此外,当江西省夏季降水偏多时,前期冬季中东太平洋地区有El Ni1o事件的活动,并能通过大气桥在夏季印度洋地区形成正海温异常。通过"印度洋电容器"机制,印度洋的暖海温能激发向东传播的Kelvin波,引起菲律宾地区降水的减少。菲律宾地区抑制的降水能激发向北传播的EAP/PJ波列,使得西太平洋副热带高压西伸增强,从而有利于水汽向江南地区的输送,并造成江西夏季的降水增加。     

陕西盛夏极端降水频次及其与全球海温的遥相关研究

基于陕西省78个测站1961~2011年盛夏逐日降水量资料以及NOAA全球2°×2°海温场资料,分析了陕西盛夏极端降水事件气候特征及其与海温场的遥相关关系。结果表明:(1)盛夏,陕西南部、关中西部及陕北南部是极端降水事件高发区;(2)近年来盛夏极端降水事件呈上升趋势,1976年后显著上升;(3)极端降水事件与前期海温场具有较好的遥相关关系,与同期(同月)海温场相关性不显著;(4)上年秋季、冬季赤道中东太平洋和上年秋季阿拉伯海海温异常偏暖,赤道中东太平洋南北两侧海温偏冷,以及前期2月印度洋和中国近海海温异常偏暖,关中中东部及陕南中东部局地7月极端降水偏多,反之亦然;上年秋季印度洋和赤道东太平洋、上年冬季及当年春季印度洋西部海温异常偏暖,关中中西部地区8月极端降水偏多,反之亦然。     

我国华南3月份降水年代际变化的特征

利用1951～2005年华南3月份降水资料、太平洋年代际振荡(PDO)指数以及NCEP再分析资料,对华南3月份降水年代际变化特征、及其对应的大尺度环流以及与PDO的关系进行了分析。结果表明,华南3月份降水存在显著的年代际变化特征,并且Mann-Kendal突变检验表明华南3月份降水在1978年左右发生年代际突变,从之前的降水偏少转变为降水偏多。我国华南3月份降水与PDO有着显著的相关。进一步研究表明,在年代际降水偏少时期,PDO处于负位相(北太平洋海温偏高,中东太平洋海温偏低),北太平洋海平面气压场和高度场偏高,亚洲大陆海平面气压场和高度场偏低,赤道西太平洋到赤道东印度洋附近的海平面气压场偏低,赤道辐合带附近地区的高度场偏低,东亚对流层大气偏暖,西太平洋副热带高压偏东,东亚高空急流偏北,东亚Hadley环流偏弱。在年代际降水偏多时期,PDO处于正位相,情况则与降水偏少时期相反。     

一种分离时间尺度的统计降尺度模型的建立和应用——以华北汛期降水为例

针对预报量变化中存在受不同物理因子控制的不同时间尺度变率特征, 本文提出了分离时间尺度的统计降尺度模型。应用滤波方法, 将不同尺度的变率分量分开, 在各自对应的时间尺度上利用不同的大尺度气候因子分别建立降尺度模型。华北汛期 (7～8月) 降水具有年际变率和年代际变率, 本文以华北汛期降水为例利用分离时间尺度的统计降尺度模型进行预测研究。采用的预报因子来自海平面气压场、 500 hPa位势高度场、 850 hPa经向风场和海表温度场以及一些已知的大尺度气候指数。利用基于交叉检验的逐步回归法建立模型。结果表明, 年际尺度上, 华北汛期降水与前期6月赤道中东太平洋海温以及同期中国东部的低层经向风密切相关; 年代际尺度上, 在东印度洋—西太平洋暖池海温的作用下, 华北降水与前期6月西南印度洋海平面气压有同步变化关系。年际模型和年代际模型的结果相加得到对总降水量的降尺度结果。1991～2008年的独立检验中, 模型估计的降水和观测降水的相关系数是0.82, 平均均方根误差是14.8%。结合模式的回报资料, 利用降尺度模型对1991～2001年的华北汛期降水进行回报试验。相比于模式直接预测的降水, 降尺度模型预测的结果有明显改进。改进了模式预测中年际变率过小的问题, 与观测降水的相关系数由0.12提高到0.45。     

热带大气季节内振荡对华西秋雨的影响

热带大气季节内振荡(MJO)对中国的降水具有明显的调节作用,研究MJO对华西秋雨的影响对于提高华西秋雨的季节内预测能力具有重要的意义。利用1979 2012年9 10月澳大利亚气象局提供的实时多变量MJO指数、中国台站逐日降水资料以及NCEP再分析资料,通过异常合成分析的方法研究了MJO对华西秋雨的影响以及相应环流背景场的变化。研究表明,在MJO对流主体自西向东传播的过程中,华西地区的秋季降水量呈先增加后减少的趋势。当MJO对流主体位于印度洋中西部(1~2位相)时,华西秋雨偏多,当MJO对流主体位于印度洋东部至太平洋中西部(3~8位相)时,华西秋雨偏少。其中MJO对流主体位于中东印度洋(第2位相)和西太平洋(第7位相)时,华西地区秋季有降水最大正异常和最大负异常。与此同时,对应分析MJO不同位相上的高空形势场和中低空流场、水汽输送、垂直运动的异常变化发现:第1、2位相时,我国上空出现两槽一脊、西低东高的环流形势,此时华西地区冷空气活动频繁,且孟加拉湾、南海和西太平洋对华西地区的水汽输送较强,有利于干冷与暖湿气流在华西地区交汇,水汽辐合、上升运动亦显著,从而造成降水偏多;第7位相时,我国上空受较强的西风带长波脊控制,并且三个海区对华西地区的水汽输送较弱,水汽辐散、下沉运动亦较强,造成降水偏少。     

前期热带海温分布型对6月西北太平洋异常反气旋环流的影响

研究了前期热带海温分布型对6月西北太平洋异常环流的影响。结果表明,奇异值分解(SVD)的前期夏季、秋季至冬季热带海洋第一模态呈现出印度洋全海盆一致型海温异常和东太平洋西伸显著的ENSO事件,该模态与6月西北太平洋反气旋(气旋)环流场没有明显的关联。在第二模态中,前期热带太平洋海表温度呈现为ENSO正位相向负位相转换特征,印度洋海表温度变化呈现出赤道东南印度洋（90～110 °E,10 °S～0 °）显著的准IOD事件的变化特征。而这一联合模态与6月西北太平洋异常反气旋(气旋)环流场有显著关联。关联的可能原因是前期海温为El Ni?o和正IOD时,横跨热带印度洋-太平洋的沃克环流的减弱导致在西太平洋-海洋大陆的负降水异常,在Matsuno-Gill效应下西北太平洋形成反气旋异常环流。同时由于两大洋的共同作用和局地海气相互作用使得该环流加强并维持到6月。      

华南秋季干旱的年代际转折及其与热带印度洋热含量的关系

采用1961—2014年逐月全球标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)数据集、ORA-S4海温资料及NCEP/NCAR再分析资料,对华南地区秋季干旱的年代际转折及其与热带印度洋热含量的关系进行了研究。结果表明:华南秋季SPEI主要表现为全区一致变化型,且具有明显的年代际变化特征,在1988年发生了年代际转折,转折后(前)为偏旱(涝)期。进一步分析表明,华南秋季SPEI与同期热带西印度洋海洋热含量变化呈显著的正相关关系,即当秋季热带西印度洋热含量偏低时,华南地区SPEI偏小,易发生干旱。热带西印度洋热含量异常影响华南秋季干旱的可能机制为:秋季热带印度洋热含量变化表现为""型的东西向偶极子分布,即当热带西印度洋热含量偏低时,热带东印度洋热含量将会偏高;而热带东印度洋热含量偏高将会使热带东印度洋—西太平洋海表温度偏高、外逸长波辐射偏小、降水增多,凝结潜热释放增强,产生偏强的东亚Hadley环流,使华南地区存在异常下沉运动,不利于产生降水;热带东印度洋—西太平洋海表温度偏高,还会使西北太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大,西北太平洋存在气旋性环流异常,使华南地区受偏北气流异常控制,从而削弱了向华南地区的水汽输送。热带东印度洋—西太平洋海表温度年代际变化是热带西印度洋热含量异常影响华南秋旱年代际变化的重要环节,因此用NCAR CAM5.1全球大气环流模式进行了热带东印度洋—西太平洋海表温度年代际变化的敏感性试验,证实该区海表温度年代际升高对华南秋季年代际干旱具有重要作用。     

我国秋季降水的年际变化及与热带太平洋海温异常分布的关系

利用我国160个站点58年(1951～2008年)的降水资料、NCEP/NCAR再分析环流资料和Hadley海表温度资料,对我国秋季降水年际变化的特征和可能成因进行了分析。结果显示,秋季降水前两模态分别反映长江流域及以南地区和长江以北的江淮、黄淮、华北、四川盆地北部至河套等地降水的变化,两降水模态的变化都以年际尺度为主,年代际变化特征不明显。就环流形势而言,第一模态的年际变化主要与西太平洋副热带高压的强度及相应的对流层低层菲律宾群岛附近的异常气旋/反气旋联系紧密,第二模态的年际变化则可能受到副热带高压的南北位置和相应的日本岛附近的异常气旋/反气旋的影响。同时,两模态及相应的异常环流还分别与热带东印度洋和热带西太平洋附近的异常垂直运动关系密切,热带地区的异常垂直运动可能通过经圈方向的异常环流影响到东亚地区。此外,两降水模态不仅与热带地区的异常环流关系密切,而且与热带海温异常也存在紧密的联系。与两模态相关联的热带太平洋海温异常显示出不同的分布特征,当热带东太平洋偏暖/冷,西太平洋偏冷/暖时,长江以南地区降水偏多/少。而当热带东太平洋和中太平洋一致偏暖/冷时,长江以北地区降水易偏少/多。两降水模态与热带海温及热带地区异常环流之间的密切关系显示热带太平洋海温异常的不同分布可能通过激发不同的热带地区异常垂直环流形势而对降水产生影响。     

东亚季风环流演变的主要模态及其与中国东部降水异常的联系

利用美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析环流资料、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)重构的海温资料和中国国家气象信息中心(NMIC)整理的752个测站降水资料,对东亚地区季风环流季节演变主要模态及其与中国东部降水异常的关系进行了分析。结果表明,东亚地区850hPa季风环流季节演变存在两个主要模态,第一模态主要受热带印度洋海温和赤道东太平洋海温偏低背景下印度洋偶极(IOD)演变过程控制;第二模态主要受赤道东太平洋ENSO循环和IOD演变控制。对应第一模态,夏季华北多雨,长江流域少雨;对应第二模态,夏季华北、长江流域多雨,淮河、华南少雨。近50年两模态发生了明显改变,与降水变化有很好的对应关系。     

热带印度洋和太平洋增暖对东亚夏季风趋势的相反影响

利用多成员集合试验结果,比较分析了热带印度洋和太平洋增暖各自对东亚夏季风趋势变化的影响。试验所用模式是GFDLAM2大气环流模式,增暖是通过在气候平均海洋表面温度（SST）基础上,叠加随时间线性增加的、相当于实际50a左右达到的SST异常来实现的。结果表明：热带印度洋和太平洋共同增暖有使东亚夏季风减弱的趋势。相比较而言,单独印度洋增暖有使东亚夏季风增强、华北降水增多的趋势,而单独太平洋增暖有使东亚夏季风减弱的趋势,即印度洋增暖与太平洋增暖对东亚夏季风存在相反的、竞争性影响。进一步分析指出,热带太平洋特别是热带中东太平洋的增温可能对20世纪70年代末期开始的夏季风年代际减弱有更重要的贡献;在未来热带印度洋和太平洋持续增暖、但增暖强度纬向差异减小的新情况下,东亚夏季风减弱的趋势可能还将持续。     

北太平洋增暖对我国西北秋雨的影响

利用1979-2012年我国160站逐月降水资料、NOAA全球海洋表面温度资料和NCEP-DOE大气环流再分析资料,采用统计分析方法研究了北太平洋海表增暖对我国西北秋雨年代际变化的影响。结果表明:西北秋雨在2000年前后经历了年代际跃变,1986-1999年为少雨期,2000-2012年为多雨期。进一步分析表明:西北秋雨的年代际变化与北太平洋海表增暖关系密切,北太平洋海温偏暖时,东亚一北太平洋地区的大气温度升高,引起东亚地区的南北温差减弱,使东亚西风急流减弱,急流中心偏北,东亚中纬度地区气压升高,导致异常东风水汽输送带偏强,造成西北秋雨异常偏多。     

关键区海温年代际异常对我国东部夏季降水影响

利用1931—2010年UKMO HADISST1全球月海表温度、NOAA再分析资料及我国东部96个站月降水量资料,使用REOF,SVD及合成分析等方法探讨了关键区冬季海表温度 (SST) 年代际异常对我国东部夏季降水的影响。结果表明:当冬季黑潮区SST年代际异常处于正位相时,夏季500 hPa中高纬度地区位势高度呈“+-+”距平分布,西风带经向环流盛行,西太平洋副热带高压加强、西伸;850 hPa风场距平场上,北方地区为反气旋性异常控制,南海上空为异常偏南气流,这样的环流配置有利于我国东部夏季多雨带出现在长江中下游地区;当冬季南印度洋偶极子 (SIOD) 年代际异常处于正位相时,夏季500 hPa中高纬度地区位势高度为正距平,阻塞形势发展,经向环流盛行,有利于冷空气南下,西太平洋副热带高压强度偏强,位置略偏南、偏西;850 hPa风场距平场上,北方地区为一反气旋性异常控制,异常偏北气流延伸至我国南方地区,索马里越赤道气流偏强。这种环流配置使得副热带锋区偏南,夏季多雨带位于华南及东南沿海地区。     

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。     

THE INTERDECADAL VARIATION OF THE SOUTH ASIAN HIGH AND ITS ASSOCIATION WITH THE SEA SURFACE TEMPERATURE OF TROPICAL AND SUBTROPICAL REGIONS

This study aims to explore the interdecadal variation of South Asian High (SAH) and its relationship with SST (Sea surface temperature) of the tropical and subtropical regions by using the NCEP/NCAR monthly reanalysis data from 1948 to 2012, based on the NCAR CAM 3.0 general circulation model. The results show that: 1) the intensity of SAH represents a remarkable interdecadal variation characteristic, the intensity of SAH experienced from weak to strong at the late 1970s, and after the late 1970s , its strength is enhanced and the area is expanded in the east-west direction. The expansion degree is greater westward than eastward, while it is opposite in summer. 2) Corresponding to the interdecadal variation of SAH intensity, after the late 1970s, the divergent component of wind field has two ascending and three descending areas. Of the two ascending areas, one is located in the East Pacific, the other location varies with the season from the Indian Ocean in winter to the South China Sea and West Pacific in summer. Three descending areas are located in the north-central Africa, the East Asia and the Middle Pacific region respectively. 3) Corresponding to the interdecadal variation of SAH intensity, the rotational component of wind field at the lower level is an anomalous cyclone over the South China Sea and West Pacific in summer, while in winter, it is an anomalous cyclone over the Indian Ocean, and an anomalous anticyclone over the equatorial Middle Pacific. 4) Numerical simulations show that the interdecadal variation of SAH is closely related to the SST of the tropical and subtropical regions. The SST of Indian Ocean plays an important role in winter, while in summer, the SST of the South China Sea and West Pacific plays an important role, and the SST of the East Pacific also plays a certain role.     

我国南方盛夏气温主模态特征及其与海温异常的联系

利用NCEP/NCAR大气环流资料、HadISST海温数据以及中国160站气温数据等,通过EOF分解、线性相关等统计方法,分析了我国南方盛夏气温异常的主导模态及其所对应的关键环流系统和可能的海洋外强迫信号。结果表明:我国南方盛夏气温偏高有两种不同的分布模态,一是以江淮地区为中心的江淮型高温,二是以江南和华南为中心的江南型高温,导致这两种高温型发生的环流影响系统和海温外强迫因子均有显著差异。影响江淮型高温的关键环流系统是高低空正压结构的高度场正距平和偏弱的东亚副热带西风急流。而影响这两个关键环流系统的海洋外强迫因子包括热带印度洋至东太平洋的"-+-"海温异常分布型及北大西洋中纬度的暖海温异常。2016年盛夏江淮型高温的大气环流和海温异常均表现出典型江淮型高温年的特征,更好的证明了统计分析的结论。而江南型高温的关键环流系统主要是加强西伸的西太平洋副热带高压。其海洋外强迫因子包括前冬赤道中东太平洋的暖海温异常和春季-盛夏热带印度洋全区一致型暖海温异常,其中热带印度洋海温的影响更为持续和显著。