亚洲—太平洋夏季风系统的基本模态特征分析

亚洲—太平洋季风区各季风子系统间的相互作用对季风区甚至全球的气候变化都有着显著的影响.整个亚洲—太平洋夏季风系统都处于高层辐散、低层辐合的庞大辐散环流中,从高层辐散中心流出的三支气流分别对推动印度夏季风、东亚副热带夏季风和南海夏季风起着重要的作用,很好地表现了亚洲—太平洋夏季风系统的整体性特征.季风区多种气象要素的基本模态在年代际和年际尺度上都表现出较为一致的变化特征:年代际尺度上亚洲—太平洋夏季风系统整体呈现减弱趋势;年际尺度上存在准2年和准4年的两个周期,其中准2年振荡特征表现为若印度西南季风偏强,则印度季风雨带偏强偏北,导致印度大陆中北部地区降水偏多;同时,由于西太平洋副热带高压的北移和偏强的印度西南季风显著向东延伸,10°N~30°N范围内的西北太平洋地区则表现为异常的气旋性环流,而30°N~50°N之间为反气旋性环流异常,对应东亚夏季风偏强,季风雨带能够北推至我国华北地区.也就是说,当亚洲夏季风中某一季风子系统表现为异常偏强时,另一季风子系统在这一年中也将表现为异常偏强,反之亦然.准2年的振荡周期可能是亚洲—太平洋夏季风系统的一种固有振荡,它从年际尺度上反映了亚洲—太平洋夏季风受热带太平洋—印度洋海温的强迫表现出明显的整体一致特征.     

季风指数及其年际变化I·环流强度指数

季风环流可以分解为经向环流和纬向环流。使用NCEP和ECMWF再分析资料,计算亚洲季风区的经向动量环流和纬向动量环流强度的季节内和年际变化,结果表明:对于南亚夏季风和东南亚-西太平洋夏季风,其各自的经向环流和纬向环流的季节内变化和年际变化存在着相当的联系,尤其东南亚-西太平洋夏季风。但南亚夏季风的经向环流和纬向环流的年际变化在不同月份有着不同的关系。对于东亚夏季风,经向环流和纬向环流变化之间的相关在季节内尺度上是线性独立的,而在年际尺度上存在一定的联系。作者指出:这种大尺度上的联系是通过科里奥利力发生作用,并且受热源调节的。同时局地的对流和辐射相互作用则在某种程度上削弱这种联系,导致在不同月份相关程度有所不同。从各季风系统的经向环流之间或纬向环流之间的线性相关看,南亚夏季风,东亚夏季风和东南亚-西太平洋夏季风是相互独立的系统。计算表明,Webster-Yang和Wang-Fan分别提出的南亚夏季风指数在描述纬向环流年际变化上较好,而在经向上勉强令人满意。Wang-Fan提出的描述东南亚-西太平洋夏季风指数,则较好地表示了该区域的经向和纬向环流的年际变化。Goswami提出的季风Hadley环流指数,以及郭其蕴、施能等提出的东亚夏季风指数则较好地描述了相应区域的经向环流圈年际变化,却无法描述相应的纬向环流圈的年际变化。通过计算还表明,NCEP再分析资料和ECMWF再分析资料在1968年以前的南亚季风区和东亚季风区存在着较大的差异。用NCEP再分析资料计算东亚季风区和南亚季风区经向动量环流圈的变率在20世纪60年代较ECMWF的偏大。用NCEP再分析资料计算施能等定义的东亚季风区指数,也较使用ECMWF再分析资料、UCAR的DS010.1及CRU的北半球海平面气压资料计算的偏大。     

季风指数及其年际变化Ⅰ.环流强度指数

季风环流可以分解为经向环流和纬向环流.使用NCEP和ECMWF再分析资料,计算亚洲季风区的经向动量环流和纬向动量环流强度的季节内和年际变化,结果表明:对于南亚夏季风和东南亚-西太平洋夏季风,其各自的经向环流和纬向环流的季节内变化和年际变化存在着相当的联系,尤其东南亚-西太平洋夏季风.但南亚夏季风的经向环流和纬向环流的年际变化在不同月份有着不同的关系.对于东亚夏季风,经向环流和纬向环流变化之间的相关在季节内尺度上是线性独立的,而在年际尺度上存在一定的联系.作者指出:这种大尺度上的联系是通过科里奥利力发生作用,并且受热源调节的.同时局地的对流和辐射相互作用则在某种程度上削弱这种联系,导致在不同月份相关程度有所不同.从各季风系统的经向环流之间或纬向环流之间的线性相关看,南亚夏季风,东亚夏季风和东南亚-西太平洋夏季风是相互独立的系统.计算表明,Webster-Yang和Wang-Fan分别提出的南亚夏季风指数在描述纬向环流年际变化上较好,而在经向上勉强令人满意.Wang-Fan提出的描述东南亚-西太平洋夏季风指数,则较好地表示了该区域的经向和纬向环流的年际变化.Goswami提出的季风Hadley环流指数,以及郭其蕴、施能等提出的东亚夏季风指数则较好地描述了相应区域的经向环流圈年际变化,却无法描述相应的纬向环流圈的年际变化.通过计算还表明,NCEP再分析资料和ECMWF再分析资料在1968年以前的南亚季风区和东亚季风区存在着较大的差异.用NCEP再分析资料计算东亚季风区和南亚季风区经向动量环流圈的变率在20世纪60年代较ECMWF的偏大.用NCEP再分析资料计算施能等定义的东亚季风区指数,也较使用ECMWF再分析资料、UCAR的DS010.1及CRU的北半球海平面气压资料计算的偏大.     

亚洲热带气候态夏季风涌传播特征及其对中国降水的影响

基于1979—2020年逐日的NOAA向外长波辐射资料、NCEP/NCAR再分析风场资料,以及全球CMAP再分析降水资料,探讨了气候态亚洲热带夏季风涌的传播过程及与我国夏季相应的降水联系。分析结果表明,主汛期亚洲热带气候态夏季风季节内振荡(CISO)活动是亚洲夏季风活动的主要特征,随时间北传的亚洲热带夏季风CISO称为亚洲热带夏季风涌,主要有南亚夏季风涌和南海夏季风涌。亚洲热带夏季风涌的传播可分为四个阶段。在亚洲热带夏季风涌的发展阶段,印度洋区域低频气旋与对流活跃,孟加拉湾和南海热带区域被低频东风控制,我国大部分地区无降水发生,降水中心位于两广地区。当进入亚洲热带夏季风涌活跃阶段,孟加拉湾和南海热带地区低频气旋和对流活跃,东亚低频“PJ”波列显著,我国降水中心北移到长江以南的附近区域。亚洲热带夏季风涌减弱阶段,孟加拉湾与南海低频气旋消亡,对流减弱,低频西风加强,日本南部附近为低频反气旋控制,我国长江中下游低频南风活跃,降水中心也北移到长江中下游地区,而华南地区已基本无降水,此阶段的大气低频环流场与亚洲热带夏季风涌发展阶段基本相反。进入亚洲热带夏季风涌间歇阶段时,孟加拉湾和南海热带地区低频反气旋活跃,对流不显著,日本南部附近的低频反气旋北移减弱,我国东部基本在低频南风的控制下,降水中心也逐步北移到华北-朝鲜半岛一带,此时的大气低频环流场与亚洲季风涌活跃阶段基本相反。      

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.     

El Ni?o对东亚夏季风和夏季降水季节内变化的影响

基于1979~2012年候平均再分析资料,合成分析了El Ni?o对东亚夏季风和夏季降水季节内变化的影响。结果表明,在El Ni?o衰减年夏季,西太平洋副热带高压(副高)明显偏强,位置偏向西南。副高的这种异常特征随夏季的季节进程有明显变化,初夏异常较弱,盛夏期间异常达到最强。此外,根据东亚夏季风降水呈现阶段式北进的特征,将夏季分为华南前汛期、江淮梅雨期、华北和东北雨期以及华南后汛期来分析东亚夏季风和降水的季节内变化。在上述各个时期,大气对流层低层表现为一致的环流异常型,副高及其以南区域为异常反气旋,其北部为异常气旋。这种异常环流型加强了副高南部偏东风及其北部偏北风,增强了热带水汽输送和高纬度地区冷空气的入侵,二者结合造成主汛期地区降水增加。需要强调的是,上述环流异常型随东亚夏季风逐步向北推移,导致东亚各地区的主汛期降水增加,非主汛期降水减少,降水分布更为集中。     

利用LPAC图分析北半球夏半年环流季节转换及异常

用NCEP／NCAR再分析月平均风、压场资料得到1958—1997年5—10月月际场的局地型相似系数（LPAC）。多年平均LPAC表明了对流层和平流层低层印度夏季风环流的建立、东亚夏季风环流的北进和南亚高压上高原的过程，这些区域LPAC值较同纬度非季风区明显偏低。在平流层中层，夏季型环流表现出纬向对称性和由高纬向低纬的传播特征。对东亚LPAC气候变率时空剖面及3个涝年LPAC异常的分析反映出环流型季节转变异常及其与东亚月降水异常的关系。     

南海夏季风持续异常的特征及其对全球环流的影响Ⅱ.数值试验

利用T42L9全球大气环流谱模式进行数值试验,以揭示南海夏季风强度异常的特征及其影响.控制试验结果表明,该模式不仅能够很好地模拟出气候平均的西风带槽脊和高低空气流分布以及它们的季节性变化,而且对于与亚洲季风有关的各个主要系统,如南亚高压、副高进退及越赤道气流等都有较强的模拟能力.在亚洲季风区及热带太平洋这一大范围区域的大气内部热源异常强迫下,模式显示出了南海夏季风持续异常的特征、北半球热带外环流的响应以及亚洲季风区降水异常分布.南海夏季风长时间强度异常所引起的大气内部热源异常,一方面通过三维垂直环流的异常联结着南海夏季风对北半球热带内外环流的影响,另一方面它又通过持续异常期的波列传播,即能量的传播,不仅影响我国长江流域降水,还会逐渐影响到北半球中高纬环流结构.这样西风带环流形势将会发生相应的变化和调整,南海夏季风持续异常影响到了北半球大气环流和天气气候的变化.     

南海夏季风持续异常的特征及其对全球环流的影响II.数值试验

利用T42L9全球大气环流谱模式进行数值试验 ,以揭示南海夏季风强度异常的特征及其影响。控制试验结果表明 ,该模式不仅能够很好地模拟出气候平均的西风带槽脊和高低空气流分布以及它们的季节性变化 ,而且对于与亚洲季风有关的各个主要系统 ,如南亚高压、副高进退及越赤道气流等都有较强的模拟能力。在亚洲季风区及热带太平洋这一大范围区域的大气内部热源异常强迫下 ,模式显示出了南海夏季风持续异常的特征、北半球热带外环流的响应以及亚洲季风区降水异常分布。南海夏季风长时间强度异常所引起的大气内部热源异常 ,一方面通过三维垂直环流的异常联结着南海夏季风对北半球热带内外环流的影响 ,另一方面它又通过持续异常期的波列传播 ,即能量的传播 ,不仅影响我国长江流域降水 ,还会逐渐影响到北半球中高纬环流结构。这样西风带环流形势将会发生相应的变化和调整 ,南海夏季风持续异常影响到了北半球大气环流和天气气候的变化。     

亚洲南部夏季风区在夏季风暴发前后风场的季节变化特征

根据1973—1979年5—8月美国国家气象中心的网格点资料，分析了亚洲南部在夏季风暴发前后对流层风场的变化。我们发现在亚洲南部的夏季风系统中有两个子系统，即东亚季风和印度季风。各个季风子系统各自有它的成员，这些成员在夏季风暴发前后都经历显著的变化。在东亚季风系统中受中纬度影响比在印度季风系统更强烈，其成员也比印度季风系统复杂。而在季风暴发前后各个成员的变化、印度季风系统比东亚季风系统更显著。     

亚洲夏季风各子系统主要变率相互关系初析

使用NCEP/NCAR再分析资料和CMAP月平均降水资料分析了亚洲夏季风各个子系统的相互关系。结果表明亚洲夏季风子系统之间存在显著相关。从同期强度变化可知,当东亚季风偏强时,大尺度亚洲季风、东南亚季风、南亚季风均偏弱,相关区域降水偏少;而同时大尺度亚洲季风偏强时,东南亚和南亚季风偏强,相关区域降水偏多;东南亚季风偏强时,南亚季风偏弱,南亚地区降水偏少;反之亦然。从不同周期强度变化可知各个子系统相关仍然显著。      

THE ANALYSIS OF THE RELATIONSHIP BETWEEN THE SUBSYSTEMS OF THE ASIAN SUMMER MONSOON

In this study, the relationship between the subsystems of Asian summer monsoon is analyzed using U.S. National Centers for Environmental Protection/National Center for Atmospheric Research reanalysis and Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation monthly mean precipitation data. The results showed that there is significant correlation between the subsystems of Asian summer monsoon. The changes of intensity over the same period show that weak large-scale Asian monsoon, Southeast Asia monsoon and South Asian monsoon are associated with strong East Asian monsoon and decreasing rainfall in related areas. And when the large-scale Asian monsoon is strong, Southeast Asia and South Asia monsoons will be strong and precipitation will increase. While the Southeast Asia monsoon is strong, the South Asia monsoon is weak and the rainfall of South Asia is decreasing, and vice versa. The various subsystems are significantly correlated for all periods of intensity changes.     

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。     

近52年长江中下游地区夏季年代际尺度干湿变化及其环流演变分析

利用中国气象局国家气象信息中心提供的长江中下游地区353站1961~2012年逐月降水资料,通过计算得到各站点夏季标准化降水指数(SPI)。根据长江中下游地区夏季中旱及以上等级站点数目及其突变检测(Mann-Kendall方法,MK)结果,将时间序列划分为三个时段。在此基础上,利用NCEP/NCAR再分析资料及NOAA海洋表面温度重建资料,分析了各个时段前冬至夏季环流背景场的异常特征及其演变过程,并建立了各时段的概念模型。结果表明:(1)长江中下游夏季在第一时段(1961~1973年)呈明显干旱状态;第二时段(1974~1986年)为干旱向湿润转变的阶段;第三时段(1987~2012年)基本转为湿润状态。(2)第二时段为第一时段与第三时段的过渡期,环流背景场在该时段发生明显变化,使得第一时段与第三时段所对应季节的环流距平场相位相反。(3)第一时段,前冬至夏季全球海温持续偏冷,印度洋海温冷异常在夏季尤为显著,南亚高压与西太平洋副热带高压偏弱;前冬,青藏高原北部脊偏弱,蒙古高压明显偏弱;夏季,印度低压偏强、南支槽加深,夏季风水汽输送偏强,而亚洲中高纬度为平直西风气流,北方冷空气不易南下至我国南方地区,冷暖空气交绥受阻,使得长江中下游夏季出现大范围的干旱。第三时段相对于第一时段,前冬至夏季全球海温暖异常,印度洋海温显著偏暖,西太平洋副热带高压偏强;前冬,青藏高原北部脊偏强,蒙古高压异常偏强;夏季,印度低压减弱、南支槽异常偏弱,夏季风水汽输送较弱,水汽滞留在长江流域,且贝加尔湖高压脊发展,脊前冷空气南下,使得长江中下游夏季降水偏多。     

气溶胶影响亚洲夏季风机理的数值研究

利用NCEP/NCAR （National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）2001-2010年再分析资料,检验了全球气候系统模式CESM中大气模块CAM （Community Atmosphere Model）对亚洲夏季风和大气热源的模拟能力。结果显示,模式可以再现亚洲夏季风和大气热源的主要特征。通过敏感试验探讨人为气溶胶影响亚洲夏季风的机理,分析、讨论了气溶胶引起的非均匀加热的变化对辐散风和无辐散风强度的影响,在机理上解释了亚洲夏季风减弱的原因。结果表明,人为气溶胶浓度的升高使东亚夏季风强度在中国东南地区、中南半岛北部和印度半岛北部减弱。而中国东南部季风的减弱促使中国内陆降水减少,沿海降水增多。进一步分析人为气溶胶浓度升高的作用发现,其改变了大气热源的分布,造成阿拉伯海、孟加拉湾和中国南海大气热源增强,中国东部地区和中南半岛大气热源减弱,其中气溶胶通过影响凝结潜热来改变大气热源,主要是对对流过程的影响。此外,大气热源分布的变化改变了季风区的热力结构,使中国东南地区、中南半岛北部的加热减弱,从而减少了全位能的产生,使得全位能向辐散风的转换减小,辐散风减弱;同时,中国东南部、中南半岛北部季风由于辐散风向无辐散风转换的减弱,无辐散风减弱,最终导致了夏季风强度的减弱。而且,人为气溶胶对亚洲夏季风的影响主要通过大气热力和动力过程的响应产生作用。     

Simulation of Asian Monsoon Seasonal Variations with Climate Model R42L9／LASG

The seasonal variations of the Asian monsoon were explored by applying the atmospheric general circulation model R42L9 that was developed recently at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences (LASG/IAP/CAS). The 20-yr (1979-1998) simulation was done using the prescribed 20-yr monthly SST and sea-ice data as required by Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP)Ⅱ in the model. The monthly precipitation and monsoon circulations were analyzed and compared with the observations to validate the model‘s performance in simulating the climatological mean and seasonal variations of the Asian monsoon. The results show that the model can capture the main features of the spatial distribution and the temporal evolution of precipitation in the Indian and East Asian monsoon areas. The model also reproduced the basic patterns of monsoon circulation. However, some biases exis tin this model. The simulation of the heating over the Tibetan Plateau in summer was too strong. The overestimated heating caused a stronger East Asian monsoon and a weaker Indian monsoon than the observations. In the circulation fields, the South Asia high was stronger and located over the Tibetan Plateau. The western Pacific subtropical high was extended westward, which is in accordance with the observational results when the heating over the Tibetan Plateau is stronger. Consequently, the simulated rainfall around this area and in northwest China was heavier than in observations, but in the Indian monsoon area and west Pacific the rainfall was somewhat deficient.     

大样本初始化十年际预测试验（CESM-DPLE）对东亚夏季气候预测的评估

基于气温和降水观测资料以及美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）大气再分析资料,系统评估了大样本初始化十年际预测试验（CESM-DPLE）对1959—2016年东亚夏季气候预测的能力。结果表明,CESM-DPLE能较好地模拟东亚夏季气候以及相关主要大气环流系统的基本态特征,在年际尺度上对东亚气温有很高的预测技巧但对降水几乎没有预测能力。CESM-DPLE再现了北大西洋多年代际振荡（AMO）经由激发遥相关波列所引起的中高纬度大气环流、东亚夏季风和气候的异常。20世纪90年代末之后,北大西洋多年代际振荡由冷位相转为暖位相,遥相关波列位相调整,东亚受异常低压控制,东亚夏季风偏强,夏季气温偏高、降水偏多。总体上,尽管还存在着不足,但CESM-DPLE对东亚夏季温度年际变化以及与20世纪90年代末北大西洋多年代际振荡位相转变相联的东亚夏季气候年代际变化具备一定的预测能力,是目前研究和预测东亚气候变化的一套较好试验数据。      

东亚夏季风降水年代际变异模态及其与太平洋年代际振荡的关系

利用全球陆地月平均降水资料、英国气象局哈德莱中心的月平均海表温度距平(SSTA)资料及NCEP/NCAR再分析大气环流资料,探讨东亚夏季风降水年代际变率及其与太平洋年代际振荡(PDO)的联系。研究指出:东亚夏季风降水年代际变异模态以及PDO均在1976年前后呈现显著的年代际转折,并且东亚夏季风降水与PDO在年代际尺度上具有较好的相关关系。PDO能够在对流层低层激发出与年代际东亚夏季风环流较为相似的大气环流异常特征,表明东亚夏季风环流的年代际变化可能受大气外强迫因子PDO在对流层低层的外源强迫作用影响,最终导致东亚夏季风降水发生年代际变化。     

东亚夏季风与澳洲冬季风强弱互补变化联系及其异常环流特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料及CMAP降水资料等,通过亚澳季风联合指数挑选异常年份,对东亚夏季风和澳洲冬季风强度反相变化特征进行研究。结果表明,当东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱时,南北半球中低纬地区都出现了复杂的异常环流系统。在热带地区对流层低层,西北太平洋为异常反气旋式环流系统所控制,与南太平洋赤道辐合带的异常反气旋环流在赤道地区发生耦合,形成赤道异常东风,而在南北印度洋上则存在两个异常气旋式环流系统。在这两对异常环流之间的海洋性大陆地区,出现赤道以南为反气旋环流而赤道以北为气旋式环流。在东亚季风区,东南沿海的东侧海洋上存在反气旋异常,中国东南地区受异常反气旋西南侧的东南风影响。此外,澳洲北部受异常西风影响。这就形成了东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱的情形,从而东亚夏季风和澳洲冬季风活动出现了强弱互补的变化特征。当东亚夏季风偏弱、澳洲冬季风偏强时,南北半球的环流特征则出现与上述相反的环流特征。总体而言,当东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱时,东亚—澳洲季风区在南北半球呈现出不同的气候异常分布特征,即北半球降水北少南多、气温北高南低,南半球降水西多东少、气温西高东低。