Intercomparison of the Summertime Subtropical High from the ERA-40 and NCEP/NCAR Reanalysis over East Eurasia and the western North Pacific

An intercomparison of summertime (JJA) subtropical geopotential heights from the ERA-40 and NCEP/NCAR reanalysis is specifically conducted over East Eurasia and the western North Pacific. The NCEP/NCAR is obviously lower than the ERA-40 in the mid-to-lower troposphere in most regions of East Eurasia before the mid-1970s, but becomes higher than the ERA-40 after the mid-1970s and thus demonstrates stronger increased trends during the period of 1958--2001. Both reanalyses are lower than the observations in most regions of China. The NCEP/NCAR especially shows tremendously systematic lower values before the mid-1960s and displays abrupt changes before the 1970s. Several indices of the western North Pacific subtropical high (WNPSH), calculated from both reanalyzed summer geopotential heights, also reveal that the variation trend of the NCEP/NCAR is stronger than that of the ERA-40 in the mid-to-lower troposphere from 1958 to 2001. Through singular value decomposition (SVD) analysis, the summer geopotential heights at 500 hPa from the ERA-40 are better than the NCEP/NCAR counterparts at interacting with the precipitation over the East Asian monsoon region. The results indicate that the NCEP/NCAR in the mid-and-lower troposphere may overestimate interdecadal changes and should be used cautiously to study the relationship between the WNPSH and precipitation ove ther East Asia Monsoon region before the mid-1970s.     

应用探空观测资料评估几类再分析资料在中国区域的适用性

通过与中国8个不同区域温度场和高度场的探空观测资料相比较发现, ERA-40、NCEP/NCAR和NCEP/DOE等再分析资料所描述的温度场和高度场产品的平均值以及年际变化特征等与观测结果的差异均在夏季比较明显, 尤其1970年代以前在中国的西部和西南部地区的差别较为显著。其中, 温度场的差别主要存在于对流层上层; 高度场的绝对偏差也主要出现在对流层上层, 而它们在年际变化特征及其长期变化趋势上的差别则反映在对流层中、下层, 特别是NCEP/NCAR对流层中、下层的夏季高度场在1970年代以前存在着过于明显的“低压” 现象, 从而夸大了很多地区的年代际气候变化特征。就大多数地区而言, ERA-40在中国区域气候变化研究中具有相对较好的适用性, 特别是在年代际气候变化研究中要明显好于NCEP/NCAR。研究还表明, NCEP/DOE与NCEP/NCAR在大多数地区除了在均值上有所不同外, 它们的年际变化特征则并无显著差别。     

NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料以及探空观测资料分析中国北方地区年代际气候变化

利用中国东部的探空站资料以及ERA40和NCAR/NCEP再分析资料,详细地比较了我国北方地区(主要指内蒙古以及华北地区)的高低层位势高度以及温度的特征.结果表明,在20世纪70年代以前,NCEP/NCAR再分析资料对我国北方地区对流层低层无论是位势高度或温度都描述不好,存在着很明显的虚假年代际变化趋势.与实际探空资料相比,相对于NCEP/NCAR再分析资料,ERA-40再分析资料对东亚地区对流层低层位势高度或温度的描述明显好于NCEP/NCAR再分析资料,因此,研究东亚气候的年代际变化应用ERA-40再分析资料要好一些.高层的结果要比低层好.在70年代以后,NCEP/NCAR再分析资料对于内蒙古和华北对流层上层的位势高度和温度的描述要好于ERA-40再分析资料,更接近于实际探空值,这说明这两份再分析资料各有优缺点.       

亚洲-太平洋大气主模态与东亚副热带夏季风年代际变化关系

基于1950～2005年NCEP/NCAR月平均再分析资料,利用REOF方法提取了亚洲-北太平洋地区低层大气的主要模态,着重研究分析了亚洲-北太平洋地区低层大气耦合模态的年代际变化特征及其与东亚夏季风的年代际变化关系。结果表明:①夏季亚洲-北太平洋大气主要耦合变化型反映了蒙古低压和北太平洋高压之间的变化关系。它们之间的耦合变化主要表现为年代际的变化特征,在20世纪50年代到60年代中期为负位相,即蒙古低压中心值相对较低,北太平洋副高中心值相对较高,60年代中期到70年代中期耦合变化处在正负交替的过程,70年代中期以后,耦合模态为一致的正位相,即蒙古低压中心值相对较高,北太平洋副高中心值相对较低。②蒙古低压和北太平洋副热带高压之间的耦合变化与东亚副热带夏季风风场强度的年代际变化有显著的负相关关系,当蒙古低压和北太平洋副高之间的耦合变化处于负位相时期,东亚副热带季风偏强,耦合变化处于正位相时期则相反,即东亚副热带季风偏弱。     

INTERDECADAL VARIATIONS OF INTERACTION BETWEEN NORTH PACIFIC SSTA AND EAST ASIAN SUMMER MONSOON

Identification of key SST zones is essential in predicting the weather / climate systems in East Asia. With the SST data by the U.K. Meteorological Office and 40-year geopotential height and wind fields by NCAR / NCEP, the relationship between the East Asian summer monsoon and north Pacific SSTA is studied, which reveals their interactions are of interdecadal variation. Before mid-1970's, the north Pacific SSTA acts upon the summer monsoon in East Asia through a great circle wavetrain and results in more rainfall in the summer of the northern part of China. After 1976, the SSTA weakens the wavetrain and no longer influences the precipitation in North China due to loosened links with the East Asian summer monsoon. It can be drawn that the key SST zones having potential effects on the weather / climate systems in East Asia do not stay in one particular area of the ocean but rather shift elsewhere as governed by the interdecadal variations of the air-sea interactions. It is hoped that the study would help shed light on the prediction of drought / flood spans in China.     

东亚-北太平洋偶极型气压场及其与东亚季风年际变化的关系

利用美国NCEP/NCAR的月平均再分析资料,研究东亚-太平洋地区地面气压的耦合模态与东亚副热带季风异常的关系,结果表明:在亚洲大陆和北半球太平洋之间气压场的偶极子模态主要反映了东亚地区东西向气压梯度的异常.从20世纪60年代到70年代中期,东亚-太平洋的这种偶极子表现为蒙古地区气压偏低和太平洋地区气压偏高的特征,而从20世纪70年代后期到90年代,则表现为蒙古地区气压偏高和太平洋地区气压偏低的特征.在偶极子指数值较高的年份,冬季(或夏季)蒙古高压(或蒙古低压)和太平洋阿留申低压(或太平洋副热带高压)较强     

华南前汛期盛期中国东部降水异常模态的环流特征及成因分析

根据1958~2011年中国东部(105°E以东)316站逐日降水观测资料及环流逐日再分析资料,利用统计分析、物理量诊断等方法,探讨华南前汛期盛期(5月21日至6月10日)中国东部降水异常模态及对应大气环流特征和可能成因。分析发现,华南前汛期盛期中国东部降水异常表现为两个相互独立的降水模态:第一模态为华南全区一致型,当其时间系数为正(负)时,整个华南降水偏多(少),黄河中游降水偏少(多);第二模态为华南沿海东部型,当其时间系数为正(负)时,华南沿海东部降水偏多(少),而长江中下游降水偏少(多)。研究发现,造成华南前汛期盛期两个降水型的环流特征有明显差异:全区一致型降水主要受东亚高空西风急流南北偏移、副热带高压脊东西偏移及低层南海北部异常风场影响;沿海东部型降水主要由东亚高空西风急流强弱及位置异常、副热带高压强弱变化、低层日本以南西太平洋异常风场导致。此外,两个降水型对应环流异常的成因也各不相同。第一模态中高层环流异常由丝绸之路遥相关型导致,低层风场异常在5月下旬由阿拉伯海向下游传播的风场异常波列引起,在6月上旬则由西太平洋西移的异常反气旋(气旋)造成。第二模态的中高层环流异常先后由极地—欧亚遥相关型、环球遥相关型引起,低层风场异常由高层环流异常的动力作用造成。两降水型均存在整层深厚的垂直运动,但第一模态的垂直运动在高层闭合且对应显著的辐合辐散异常,第二模态则不具有上述特征。     

COMPARISONS OF THE WEST PACIFIC SUBTROPICAL HIGH AND THE SOUTH ASIA HIGH BETWEEN NCEP/NCAR AND ECMWF REANALYSIS DATASETS

Comparisons of the west Pacific subtropical high with the South Asia High are made using the NCEP/NCAR and ECMWF 500 hPa and 100 hPa monthly boreal geopotential height fields for the period 1961 - 2000. Discrepancies are found for the time prior to 1980. The west Pacific subtropical high in the NCEP/NCAR data is less intense than in ECMWF data before 1980. The range and strength of the west Pacific subtropical high variation described by the NCEP/NCAR data are larger than those depicted by ECMWF data. The same situation appears in the 100-hPa geopotential field. These discoveries suggest that the interdecadal variation of the two systems as shown by the NCEP/NCAR data may not be true. Besides, the South Asia High center in the NCEP/NCAR data is obviously stronger than in the ECMWF data during the periods 1969, 1979 - 1991 and 1992 - 1995. Furthermore, the range is larger from 1992 to 1995.     

Intercomparison of the impacts of four summer teleconnections over Eurasia on East Asian rainfall

East Asian summer climate is strongly affected by extratropical circulation disturbances.In this study,impacts of four atmospheric teleconnections over Eurasia on East Asian summer rainfall are investigated using National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research （NCEP/NCAR） reanalysis data and Climatic Research Unit （CRU） land precipitation data during 1979-2009.The four teleconnections include the Scandinavian （SCA）,the Polar/Eurasian （PEU）,the East Atlantic/Western Russian （EAWR）,and the circumglobal teleconnection （CGT）.Moreover,the related changes of lower-tropospheric circulation are explored,specifically,the low pressure over northern East Asia （NEAL） and the subtropical high over the western North Pacific （WNPSH）.The results presented are in the positive phase.The PEU and SCA induce significant negative anomalies in North China rainfall （NCR）,while the CGT induces significant positive anomalies.In the past three decades,the PEU and SCA explain more than 20％ of the variance in NCR,twice that explained by the CGT,suggesting a more important role of the former two teleconnections in NCR variation than the latter one.Meanwhile,the PEU and SCA reduce rainfall in Northeast China and South Korea,respectively,and the CGT enhances rainfall in Japan.The rainfall responses are attributed to the SCA-induced northward shift of the NEAL,and PEU-induced northward shift and weakening of the NEAL,respectively.For the CGT,the dipole pattern of rainfall anomalies between North China and Japan is affected by both westward extension of the NEAL and northwestward expansion of the WNPSH.In addition,the EAWR leads to an increase of sporadic rainfall in South China as a result of the eastward retreat of the WNPSH.     

Impact of the western North Pacific subtropical high on the East Asian monsoon precipitation and the Indian Ocean precipitation in the boreal summertime

The western North Pacific subtropical high (WNPSH) is a crucial component of the East Asian summer monsoon (EASM) system and significantly influences the precipitation in East Asia. In this study, distinguished role of WNPSH on the EASM and Indian Ocean monsoon (IOM) are investigated. Based on the boreal summer mean field of 850-hPa geopotential height and its interannual variability, the WNPSH index (WNPSHI) is defined by the areaaveraged geopotential height over the region [110°–150°E, 15°–30°N]. The WNPSHI is significantly related to the precipitation over the East Asian monsoon (EAM) region [105°–150°E, 30°–40°N] and IOM region [70°–105°E, 5°–15°N]. Rainfalls over these two regions have good correlation with WNPSH developments and the geopotential height fields at 850 hPa related to the EAM precipitation and IOM precipitation have remarkably different teleconnection patterns in boreal summer. These features exhibit that EAM and IOM precipitations have different type of development processes associated with different type of WNPSH each other. Focusing on the relationships among the EAM precipitation, IOM precipitation, and the WNPSH variabilities, we assume that WNPSH and EAM precipitation are usually fluctuated simultaneously through the sea surface temperature (SST)-subtropical ridge-monsoon rainfall feedback, whereas the IOM precipitation varies through the different process. To clarify the relationships among WNPSH, EAM, and IOM, two cases are selected. The first one is the case that all of WNPSH, EAM, and IOM are in phase (WE(+)I(+)), and the second one is the case that WNPSH and EAM are in phase and WNPSH/EAM and IOM is out of phase (WE(+)I(?)). These two cases are connected to the thermal forcing associated with SST anomalies over the eastern Pacific and Indian Ocean. This different thermal forcing induces the change in circulation fields, and then anomalous circulation fields influence the moisture convergence over Asian monsoon regions interactively. Therefore, the monsoon rainfall may be changed according to the thermal conditions over the tropics.     

热带印度洋偶极子与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化

利用中国站点观测逐月降水和月平均气温资料以及NCEP/NCAR再分析资料,揭示了热带印度洋偶极子(IOD)与中国夏季气候异常关系的年代际变化.结果表明:IOD与中国夏季年际气候异常的关系既有稳定的一面,又存在着年代际变化.较为稳定的关系表现为:IOD与同年夏季长江黄河之间的降水变化存在显著负相关,与四川气温变化存在显著正相关;IOD与次年夏季四川降水存在显著正相关.伴随发生在20世纪70年代末的大尺度环流年代际转型,IOD与中国气候年际异常的联系亦发生变化:IOD正位相年的同年夏季降水异常型,由中国大部分地区偏少变为长江以南(北)偏多(少),气温由西南地区东部偏暖变为长江以南(北)偏冷(暖);次年夏季降水由全国大部分地区偏多变为长江以南(北)偏少(多),气温由全国大部分地区相关不显著变为黄河以南大部分地区显著偏暖.在IOD负位相年,中国夏季气候异常的特征与IOD正位相年相反.在20世纪70年代末的大尺度年代际气候转犁前后,与IOD相关的东亚大气环流异常特征明显不同.在IOD发展阶段,在70年代末以前,印度夏季风和南海季风偏强,副热带高压势力偏弱,导致中国华南大部分地区降水偏少,华北西部以及内蒙古中部等地降水偏多;70年代末以后,东亚大陆中纬度为弱的东风距平,导致新疆北部降水偏少,气温偏高,华南降水偏多.在IOD次年夏季,70年代末以前,华南、河套以及四川等地盛行偏南气流,降水偏多;70年代末以后,南亚高压和西太平洋副高偏西偏强,华南、江南降水偏少.     

东亚地区500 hPa位势高度场NCEP/NCAR再分析资料与ERA-40资料的比较

运用统计分析方法对3份500 hPa位势高度场资料,即NCEP/NCAR全球大气再分析月平均资料和欧洲中心ERA-40资料,国家气候中心的NMC资料(该资料的基础是站点观测资料的实测数据,并结合中央气象台的日常累积资料整编而成)进行比较,以讨论NCEP/NCAR再分析资料与ERA-40资料以及NMC资料的相关性,尤其在东亚地区的可靠性.3份资料综合分析得到如下结论:在东亚地区,特别是贝加尔湖以南至中国西北和中西部的大部分区域内(30°-50°N,80°-115°E),NCEP/NCAR资料和ERA-40资料各季的平均场、相关场均存在大范围的显著性差异区,差异最大的季节在夏季,时段为1958-1970年,而在冬季相关较好.同时NCEP/NCAR资料在20世纪60年代初出现异常低值,在60年代中期有突然的增长,而欧洲中心的ERA-40资料和国家气候中心的NMC资料均无此现象.针对以上问题,对北半球500 hPa资料的使用提出如下建议:在东亚地区应用NCEP/NCAR资料时,如果范围涉及贝加尔湖以南至中国西北和中西部地区(30°-50°N,80°-115°E),尽量应用20世纪70年代以后的资料,尤其在春、夏两季;而该区域内的ERA-40资料和NMC资料在这一时段内是基本一致,具有可信性.     

冬季亚洲—太平洋涛动年际变率与东亚气候异常

利用1948—2011年NCEP/NCAR月平均再分析资料和1951—2010年我国160站降水量资料,研究了冬季亚洲—太平洋区域的大气遥相关及其与东亚冬季风和降水的关系。结果表明:冬季在亚洲—西太平洋与中、东太平洋中低纬度对流层上层扰动温度之间存在类似于夏季的亚洲—太平洋涛动 (APO) 现象,即当东亚中低纬度对流层中、上层偏暖时,中东太平洋中低纬度对流层中上层温度偏冷,反之亦然。冬季APO可以反映冬季亚洲—太平洋东西向热力差异强度变化,与夏季相比,冬季APO遥相关在亚洲的中心位置略偏南、偏东,且冬季APO与大气环流关系与夏季也有所不同;当冬季APO指数偏高时,对流层上层东亚大槽位置偏西,而东亚热带地区的高压向北伸展,导致我国南方对流层为深厚的异常反气旋系统所控制,此时南方地区对流层低层盛行异常的偏东北气流,并伴随水汽辐散和异常下沉运动,南方降水偏少;冬季APO指数与ENSO有紧密联系。     

几种再分析地表气压资料在中国区域的适用性评估

应用台站观测资料对ERA-40, NCEP/NCAR以及NCEP/DOE再分析地表气压产品在中国不同区域、不同年代和不同季节的适用性进行了评估。分析发现, 几种再分析产品虽然能在一定程度上反映出观测资料所具有的时空分布特征, 但它们之间的差异却具有明显的区域和季节变化特征, 即冬季小而夏季大、东部地区小而西部地区大; 同时还发现ERA-40和NCEP/NCAR再分析产品在20世纪70年代以前均与观测资料有相对较大的差别, 特别是NCEP/NCAR在70年代以前的夏季气压值过于偏低, 从而夸大了很多地区的年代际变化特征。相比而言, ERA-40地表气压的长期变化趋势以及时空演变规律在中国大多数地区要优于NCEP/NCAR再分析产品, 特别是在中国西部地区。分析还表明, NCEP/DOE虽与观测资料存在一定的系统性偏差, 却与另外两种再分析产品有着较为相似的年际变化特征及趋势。     

海温气候振动和北半球对流层高度场变化

近40年赤道太平洋和北太平洋月平均海温距平场分布存在着短期气候振动,分析表明,它对大气环流有一定的影响。在海温气候振动的前期位相时期,对流层平均高度有降低趋势,相反在海温气候振动的后期位相时期,对流层平均高度为增高趋势。这种相关关系高层比低层要好,低纬度较中高纬度稳定,夏季较冬季明显。     

盛夏两类东亚高空西风急流北跳的动力过程

在气候态上,7月底东亚高空西风急流中心突然从40°N北跳到45°N以北.逐年统计分析显示此次急流北跳存在两类典型方式:急流北侧西风强度增强引起的北跳(第一类)和急流中心西风强度的减弱引起的北跳(第二类).本文基于1958年到2002年的NCEP/NCAR再分析资料,采用波活动通量诊断这两类典型北跳相应的动力过程,进一步...     

夏季北大西洋三极型海温异常与中国西南地区气温年际变化的联系

利用1951—2016年Hadley中心海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和全国160站气温资料，研究了夏季北大西洋三极型海温异常与中国气温年际变化的联系及可能机制。结果表明，夏季北大西洋三极型海温异常与同期中国西南地区气温年际变化存在显著的负相关关系。夏季北大西洋“-+-”三极型海温异常激发的北半球中高纬欧亚遥相关波列，引起贝加尔湖地区位势高度升高，产生反气旋性环流异常，并引起东亚地区位势高度降低，产生气旋性环流异常。西南地区在对流层中下层位于贝加尔湖异常反气旋性环流的东部和东亚异常气旋性环流的西部，在两者的共同作用下，受异常偏北气流影响，有利于冷空气南下和堆积。与此同时，对流层高层的东亚副热带西风急流位置偏南，西南地区位于急流南侧的异常上升气流中。此种环流形势配置导致中国西南地区气温降低，反之亦然。     

对中国东部夏季降水有重要影响的一种东亚遥相关型

 利用重建的1880-1950年500 hPa高度场资料和1951-2004年的NCEP/NCAR再分析资料,分析了年际尺度上东亚地区夏季大气环流变化特征。结果表明：夏季在东亚沿岸存在一个明显的自北向南的正-负-正环流模态,即鄂霍次克海阻塞高压与副热带高压存在一种同向变化、而它们之间区域的高度场为反向变化的遥相关关系;同时分析了这种大气环流模态与1880-2004年中国东部地区夏季降水的关系。在年际尺度上,正-负-正的环流模态与长江中下游地区和东北的降水有很好的正相关,当夏季的环流处在阻塞高压偏强,且副热带高压偏南偏强、日本及其以东地区上空高度场偏低时,中国长江中下游地区和东北降水偏多。     

北半球对流层厚度的时空变化特征

利用1948—2010年NCEP/NCAR逐月位势高度再分析资料、美国国家海洋局提供的1948—2010年逐月海温再分析资料,分别定义了1 000—500 hPa和500—200 hPa厚度,利用EOF、SVD等方法研究了北半球对流层厚度时空演变特征及其与大气环流和海面温度的关系。结果表明,冬季平均厚度EOF第一模态均具有北太平洋及附近高纬度亚洲大陆地区与北美大陆高纬地区反位相变化的特点,而夏季第一模态则是北半球范围内较一致的位相分布;冬、夏季平均厚度EOF第二模态均突出体现了欧亚大陆及附近地区与北半球其他地区反位相变化的特点;冬、夏季厚度场的变化形势与大气环流及海面温度具有密切联系。     

冬春亚洲大气环流与华北中部夏季降水的相关分析

利用1957~2002年的NCEP/NCAR 500 hPa再分析资料以及同期华北地区夏季降水资料,分析了华北中部夏季降水与前期环流的关系。结果表明:夏季华北中部降水的多少与冬季东亚槽强弱、春季巴尔喀什湖到贝加尔湖的蒙古高原地区高度场呈显著相关。20世纪80年代中期以前冬季东亚槽偏强、春季蒙古高原地区高度值偏低;80年代中期之后冬季东亚槽开始转弱、春季蒙古高原地区高度值偏高。这与华北夏季降水的演变趋势相对应。说明冬季东亚槽的减弱以及春季蒙古高原地区高度值偏高是近年来华北夏季降水减少的原因之一。冬季东亚槽强对应夏季西太平洋副高在日本海地区高度呈偏强趋势,有利华北中部夏季降水偏多;春季蒙古高原地区高度值偏高有利于华北夏季出现西高东低形势,华北中部夏季降水易偏少。