东亚冬季风的年代际变化及其与全球气候变化的可能联系

对近年来中外关于东亚冬季风(EAWM)年代际变化问题研究进展做了回顾和评述,主要包括以下3个方面内容:(1)东亚冬季风明显受到全球气候变化的影响,从20世纪50年代开始,中国冬季气温经历了一次冷期(从20世纪50年代延续到80年代初中期),一次暖期(从20世纪80年代初中后期延续到21世纪初)和近10-15年(约从1998年开始)出现的气候变暖趋缓期(也称气候变暖停顿期)。(2)东亚冬季风主要表现出强-弱-强3阶段的特征,即从1950年到1986/1987年,明显偏强;从1986/1987年冬季开始,东亚冬季风减弱;约2005年之后,东亚冬季风开始由弱转强。与东亚冬季风的年代际变化特征相对应,东亚冬季大气环流以及中国冬季气温和寒潮都表现出一致的年代际变化。(3)东亚冬季风的年代际变化与大气环流和太平洋海表温度(SST)的区域模态变化密切相关。当北半球环状模/北极涛动(NAM/AO)和太平洋年代际振荡(PDO)处于负(正)位相,东亚冬季风偏强(弱),中国冬季气温偏低(高)。此外,北大西洋年代尺度振荡(AMO)对东亚冬季风也有重要影响,在AMO负位相时,对应东亚冷期(强冬季风),正位相对应暖期(弱冬季风)。因而海洋的年代际变化是造成东亚冬季风气候脉动的主要自然原因,而全球气候变暖对东亚冬季风强度的减弱也有明显影响。     

太平洋年代际振荡的年代际预测方法

太平洋年代际振荡（PDO）是北太平洋海表温度年代际变率的主模态。由于太平洋年代际振荡对区域乃至全球气候的显著影响,其合理的预测结果可以带来多方面收益。然而,针对太平洋年代际振荡及其有关的海表温度的年代际预测,目前气候模式的预测水平还十分有限,因此,提出了一个新的增量方法。一系列的验证结果表明,增量方法可以有效预测太平洋年代际振荡,其中包括成功预测出其振荡的年代际转折。增量方法的预测过程主要包括3个步骤:（1）采用5 a滑动平均得到太平洋年代际振荡的年代际变率;（2）利用3 a增量形式的预测因子构建预测模型,预测3 a增量的太平洋年代际振荡（DI_PDO）;（3）将预测得到的DI_PDO加上3 a前的观测PDO,得到最后预测的PDO。增量方法亦可以应用到气候系统年代际内部变率的其他模态（如:北大西洋年代际振荡）和其他气候变量的年代际预测（如:海表温度）。      

1951—2013年我国冬季气温年代际变化与PDO的关系

利用我国160个测站1951—2013年冬季月平均气温资料和1951—2016年间冬季太平洋年代际振荡(PDO：Pacific Decadal Oscillation)指数资料,分析了两者在年际和年代际时间尺度上的相关关系,探讨了PDO对我国冬季气温影响的可能物理过程。结果发现：PDO与我国冬季气温年际变化不显著;在冬季期间,PDO对我国气温的影响是滞后的;PDO与我国冬季气温年代际变化存在密切关系,当PDO处于年代际正(负)位相时,我国气温普遍偏高(低);PDO年代际分量对我国的影响机制为：当PDO指数位于年代际正(负)位相时段,海平面气压场上西伯利亚高压减弱(增强),500 hPa高度场东亚大槽强度减弱(增强),200 hPa纬向风场东亚北支急流减弱(增强),这些都有利于我国冬季气温偏高(低)。     

国外关于年代际气候变率的研究

文中指出在气候变率与可预报性研究计划中,列出年代际气候变率及可预报性研究子计划充分显示出这个问题的重要性,回顾并总结了近年来年代际气候变率的研究成果,特别对全球气候变暖、海气相互作用、温盐环流、自然气候变率和ＥＮＳＯ的年代际变率的研究几个重点问题进行了讨论,最后对年代际气候变率研究今后的发展方向提出了看法。     

冬季太平洋海温的年代际变化对亚洲地表气温异常的影响

本文利用1951年～1999年冬季海温场(SST)再分析资料，分析得到20世纪70年代中期太平洋年代际振荡(PDO)由负(冷)位相转为正(暖)位相，发生了显著的年代际变化。SVD分析冬季北太平洋SST与亚洲地表温度(SAT)的结果表明，PDO的年代际变化对亚洲SAT北部的增暖有显著的影响。这种影响主要是通过海气间的相互作用间接对亚洲SAT产生作用。当PDO模态进入暖位相的时候，北半球SLP场主要表现出强阿留申低压，弱西伯利亚高压和中低纬气压加强的特征，SLP场的这种变化有利于中纬度西风带的加强，使得亚洲北部大部分区域冬季增暖明显。     

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。     

太平洋年代际振荡的研究进展

作者以太平洋年代际振荡(PDO)现象为重点,系统地回顾了太平洋年代际变率观测、模拟和理论研究的国内外进展.在PDO时空结构方面,总结了PDO的基本观测事实,在PDO成因方面,从海洋大气相互作用观点出发比较了三类PDO形成机制的理论或假说,讨论了现有理论或假说中存在的若干问题,并提出了未来研究的方向和需要解决的关键科学问题.作者也简要介绍了东亚及中国气候年代际变化的特征及其和太平洋海表温度异常的联系,并讨论了东亚大气环流异常在PDO形成中的可能作用.     

近50年中国大陆冬季气温和区域环流的年代际变化研究

利用中国大陆468 个站点1960～2013 年逐日气温资料,本文首先对中国冬季气温的年代际变化特征进行分析。通过气候跃变检验分析发现,中国冬季气温在整体变暖的趋势上叠加有年代际波动,可划分为冷期、暖期和停滞期三个时期。本文对比三个时期的冬季大气环流发现,冷/停滞期（暖）期西风环流减弱（增强）而东亚大槽增强（浅薄）,槽后的辐合下沉增强（削弱）,西伯利亚高压增强（减弱）,这加强（削弱）了东亚冬季风,冷空气更多（少）侵入中国大陆地区,冬季气温偏低（高）。北半球环状模/北极涛动（Northern Hemisphere Annular Mode,NAM/Arctic Oscillation,AO）正是通过东亚冬季风系统对中国冬季气温,尤其是冬季最低气温有很强的年代际影响。太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation,PDO）与中国冬季气温在年代际上也有很好的正相关关系。进一步将PDO 的年代际变化分量作为背景,分析NAM/AO 和厄尔尼诺—南方涛动（El Nino Southern Oscillation,ENSO）不同配置下的东亚冬季风环流场可以发现,两者的配置作用不仅影响着中国冬季气温一致变化型的年代际波动,而且也可以影响到冬季气温南北反相振荡型的变化,这从一个方面解释了1980 年代和1990年代北方变暖较强及最近十年北方降温趋势较为明显的原因。     

中国西部冬季降水年际与年代际变化的水汽输送差异

中国西部地区是著名的气候脆弱区,降水的多寡对其影响十分巨大。尤其是在全球变暖的背景下,西部地区的增暖、增湿异常显著,随之而来的西部地区气候变化也越来越受到关注。本研究主要分析了中国西部地区冬季降水的时空变化特征,结果表明:该地区冬季降水的最主要模态具有全区一致变化的特点,并且在20世纪80年代中期出现了一次显著的年代际突变,突变之后中国西部地区冬季降水明显增多。大气环流和水汽输送的分析结果显示,引起西部地区冬季降水年际和年代际变化的因子有着明显的差异。其中西风带水汽输送是影响西部地区冬季降水年代际变化的主要原因;而影响西部地区冬季降水年际变化的水汽则主要来自于阿拉伯海西南向的水汽输送;而且在不同年代际背景下,影响中国西部地区冬季降水的主要水汽输送通道是一致的。这些说明西部降水的预测必须要分不同时间尺度进行研究,短期气候预测需要综合考虑年际变化、年代际变化以及气候长期变化背景才会更为合理和可行。另外,西部降水年际变化因子在不同年代际背景下的稳定性,为建立该地区持续稳定的年际预测模型奠定了科学基础。     

年代际气候变化研究进展

概述了全球尺度、我国大范围区域及长江中下游梅雨的年代际气候变化的一些研究进展,重点介绍了近期我国气象工作者有关这方面研究的一些成果。指出:①全球尺度的大气、海洋及气温变化不仅存在明显的年际变化,而且年代际变化也十分显著;②受全球气候年代际变化的影响,中国气候也存在多时间尺度的变化特征,但气候的年代际变化特征与全球气候年代际变化有不同之处;③长江中下游梅雨气候变异不仅与海-气相互作用密切相关,而且海洋的年代际变化也是梅雨异常变化的重要气候背景;④年代际尺度变化在全球变暖改变区域气候特征的过程中的贡献、年代际气候变化的形成及作用机制,特别是长江中下游梅雨的年代际变化的成因和机制都是仍需继续加强研究的问题。     

近百年中国东部夏季降水年代际变化特征及其原因

本文利用测站降水观测资料分析过去一百多年中国东部华北、长江流域以及华南夏季降水的年代际变化特征发现,尽管这三个地区的夏季降水具有不同的年代际转折时期,但是均同时在1910年代初期、1920年代初期、1940年代中期、1960年代中期、1970年代末期以及1990年代初期发生了跃变。近一百年间不同年代际时期东部夏季降水的分布型主要以南正北负或者南负北正的偶极型为主,并且无论是偶极型分布还是三极型分布,两个相邻年代际时期中国东部降水分布型发生完全反向变化的概率较高（60%）。此外,夏季的PDO、冬季的AO以及春季的北极海冰也同时在1920年代末期、1940年代中期、1970年代末期以及1990年代中期左右发生了跃变,这几次跃变时期与中国东部三个不同地区夏季降水发生跃变的时期一致,表现出近百年来太平洋年代振荡（PDO）、北极涛动（AO）以及北极海冰这三个因子对中国东部夏季降水年代际变化的协同作用。在年代际时间尺度上,夏季的PDO与华北夏季降水显著负相关。PDO的年代际变化能够在500 hPa位势高度场中激发出太平洋—日本（PJ）型年代际遥相关波列;同时在850 hPa风场中激发出类似于影响华北夏季降水年代际变化的大气环流型,从而影响华北降水的年代际变化。冬半年的AO与长江流域夏季降水存在显著正相关关系。冬季到春季正位相的AO导致亚洲大陆南部处于湿冷状态,土壤湿度的记忆性可将这种状态延续到夏季。因此,夏季海陆热力对比减弱,东亚夏季风发生年代际减弱,相应地长江流域的降水年代际增多。春季北极海冰与华南夏季降水显著负相关,北极海冰的年代际异常能在500 hPa位势高度场中激发出与静止Rossby波异常传播相联系的欧亚—华南年代际遥相关波列,从而影响华南降水的年代际变化。     

气候变暖背景下我国南方旱涝灾害时空格局变化

我国南方地区各季节降水异常主要包含三种优势模态：长江及其以南地区降水呈整体偏多或偏少的一致型,长江中下游流域与华南呈反相变化的南北反相型以及东南与西南呈反相变化的东西反相型。其中一致型是南方地区各季节降水变率的第一优势模态。总体而言,在1961—2013年南方地区平均降水存在明显的年代际和长期趋势变化。其中,夏季和冬季南方区域平均降水具有相似的年代际变化特征,而秋季降水的年代际演变几乎与上述两个季节的相反。不过,在近30年南方各季降水量发生年代际转折的时间不尽相同：春季和秋季降水分别在21世纪初期和20世纪80年代中后期之后进入干位相,冬季和夏季降水则分别在80年代中期和90年代初期之后进入湿位相。自21世纪初期以来,南方夏季和冬季降水逐渐转入中性位相。此外,南方春季和秋季降水均呈减少趋势;而夏季和冬季则相反,均呈增多趋势。对于西南地区,除了春季外,其他三个季节的降水均呈减少趋势,出现了季节连旱的特征,尤其是秋旱最为严重。不过,不管是季节降水量还是旱/涝日数,在我国南方大部分地区其线性变化趋势并不十分显著,这与南方降水年代际分量对降水变率存在较大贡献相关。分析还发现,我国南方区域洪涝受灾面积具有比较明显的年代际变化,而干旱受灾面积则没有明显的年代际变化特征,近十多年来西南地区干旱和洪涝受灾出现了交替互现的特点。     

A timescale decomposed threshold regression downscaling approach to forecasting South China early summer rainfall

A timescale decomposed threshold regression(TSDTR) downscaling approach to forecasting South China early summer rainfall(SCESR) is described by using long-term observed station rainfall data and NOAA ERSST data. It makes use of two distinct regression downscaling models corresponding to the interannual and interdecadal rainfall variability of SCESR.The two models are developed based on the partial least squares(PLS) regression technique, linking SCESR to SST modes in preceding months on both interannual and interdecadal timescales. Specifically, using the datasets in the calibration period 1915–84, the variability of SCESR and SST are decomposed into interannual and interdecadal components. On the interannual timescale, a threshold PLS regression model is fitted to interannual components of SCESR and March SST patterns by taking account of the modulation of negative and positive phases of the Pacific Decadal Oscillation(PDO). On the interdecadal timescale, a standard PLS regression model is fitted to the relationship between SCESR and preceding November SST patterns. The total rainfall prediction is obtained by the sum of the outputs from both the interannual and interdecadal models. Results show that the TSDTR downscaling approach achieves reasonable skill in predicting the observed rainfall in the validation period 1985–2006, compared to other simpler approaches. This study suggests that the TSDTR approach,considering different interannual SCESR-SST relationships under the modulation of PDO phases, as well as the interdecadal variability of SCESR associated with SST patterns, may provide a new perspective to improve climate predictions.     

中国冬季最低气温观测与再分析资料的比较

运用EOF分解、线性趋势分析、方差分析、小波分析、相关分析等方法,从均值、长期变化、年际和年代际变化特征等方面对NCEP/NCAR(N1T)、NCEP/DOE(N2T)、ERA-Interim(ET)、JRA-25(JT)4种再分析资料集和194站观测资料集中1979—2012年我国冬季最低气温(WTMIN)进行比较。结果表明:(1)ET在再现观测冬季最低气温多年平均时最优;(2)除新疆北部和西南部以及东北北部有降低趋势外,我国大部分地区WTMIN有升高的趋势,N1T对观测温度长期变化趋势再现能力优于其他3种资料;(3)观测WTMIN在中国北方和高原地区年际和年代际变化大于南方地区,四种再分析WTMIN对我国冬季最低气温的年际和年代际变化的再现在不同区域各有所长,总体上以ET为优。(4)再分析资料在再现观测WTMIN年代际时间尺度上的能力相当,以ET最优,尤其是在我国中东部地区和新疆北部地区。N1T和N2T对东北地区观测冬季最低气温年际变化的再现能力较好,ET再现观测WTMIN在1990s之前,2005年之后的3~4 a变化周期特征时能力略优于其他3种资料。     

东海黑潮暖舌的演变及其对我国气温的影响

利用高分辨率的海温分析资料模式资料,分析了黑潮暖舌与我国气温的关系,初步探讨了太平洋年代际振荡(PDO)等造成黑潮暖舌变化的可能原因。结果表明,冬季和春季东海黑潮暖舌存在明显的年际和年代际变化。暖舌在1996/1997年发生了一次突变,此前暖舌处在偏冷的状态,之后转为偏暖的状态。我国冬季和春季气温存在一定的年代际变化,1997年之后,冬季除东北和新疆外,气温有所偏高,而春季气温全国表现为一致的显著偏高。冬季和春季气温对黑潮暖舌存在邻(域)响应。冬季东海黑潮暖舌指数与冬季我国东部气温存在正相关,并且这一相关性能够延续到次年春季。冬季黑潮暖舌指数与我国4月海陆热力差异指数也存在显著的正相关。当冬季暖舌偏强(弱)时,4月海陆热力差异指数偏高(低),即东亚地区海陆热力差异偏大(小)。春季黑潮暖舌指数与春季我国中部及南方地区气温也存在正相关,当春季黑潮暖舌偏强(弱)时,上述地区气温将偏高(低)。PDO和黑潮暖舌之间的相互作用存在一个反馈机制。西风的增强,可通过使海洋向大气释放热量增加和向南的埃克曼(Ekman)输送,降低北太平洋中部的SST,而这一地区SST的降低对应着PDO的暖位相。增强的负风应力旋度在北太平洋副热带流涡中强迫出的向南斯维尔德鲁普(Sverdrup)流也偏强,而向北流动的东海黑潮的增强正是补偿了这一向南的海流。黑潮增强后经过两个月将大量热量输送至北太平洋中部,增强了这一地区的SST,而这对应着PDO的冷位相。     

Interdecadal Variability of the East Asian Winter Monsoon and Its Possible Links to Global Climate Change

This paper presents a concise summary of the studies on interdecadal variability of the East Asian winter monsoon (EAWM) from three main perspectives. (1) The EAWM has been significantly affected by global climate change. Winter temperature in China has experienced three stages of variations from the beginning of the 1950s: a cold period (from the beginning of the 1950s to the early or mid 1980s), a warm period (from the early or mid 1980s to the early 2000s), and a hiatus period in recent 10 years (starting from 1998). The strength of the EAWM has also varied in three stages: a stronger winter monsoon period (1950 to 1986/87), a weaker period (1986/87 to 2004/05), and a strengthening period (from 2005). (2) Corresponding to the interdecadal variations of the EAWM, the East Asian atmospheric circulation, winter temperature of China, and the occurrence of cold waves over China have all exhibited coherent interdecadal variability. The upper-level zonal circulation was stronger, the mid-tropospheric trough over East Asia was deeper with stronger downdrafts behind the trough, and the Siberian high was stronger during the cold period than during the warm period. (3) The interdecadal variations of the EAWM seem closely related to major modes of variability in the atmospheric circulation and the Pacific sea surface temperature. When the Northern Hemisphere annular mode/Arctic Oscillation and the Pacific decadal oscillation were in negative (positive) phase, the EAWM was stronger (weaker), leading to colder (warmer) temperatures in China. In addition, the negative (positive) phase of the Atlantic multi decadal oscillation coincided with relatively cold (warm) temperatures and stronger (weaker) EAWMs. It is thus inferred that the interdecadal variations in the ocean may be one of the most important natural factors influencing long-term variability in the EAWM, although global warming may have also played a significant role in weakening the EAWM.     

中国东北冬季极端低温的年代际变化及其成因

利用JRA-55再分析资料和中国824站日最低气温数据,分析了1961—2013年冬季中国东北地区极端低温的年代际变化及其动力成因。结果表明:东北冬季极端低温1980s中期前频发,1980s后期到2000s初少发,2000s后恢复多发。这与贝加尔湖阻塞高压频次偏多—偏少—偏多的同步年代际变化直接相关,与北极涛动(Arctic Oscillation,AO)和准定常行星波活动的年代际振荡相联系。相比于1980s中期前,1988—1999年期间行星波沿极地波导向平流层的传播减弱,引起高纬度平流层下层E-P通量辐合变弱;而行星波沿低纬波导往副热带对流层上层的传播增强,造成副热带对流层中上层E-P通量辐合增强。行星波E-P通量散度的异常由于波—流相互作用,分别导致了极夜急流加强、副热带急流减弱,因而AO增强,不利于贝湖阻高建立和环流经向型发展,极端低温减少。2000—2013年,行星波活动相反,导致AO减弱,贝湖阻高多发,极端低温恢复增多。     

中国冬季气温季节内变率特征及环流分析

利用中国冬季逐日平均气温均方差作为气温季节内变率指标,分析其变化特征并探讨引起季节内变率异常的环流背景。结果表明,中国冬季气温季节内变率总体呈减弱趋势,对气候增暖趋势响应明显,其年代际变化和东亚冬季风年代际转折时间相吻合。当气温季节内变率异常偏强时,冬季平均环流场上呈类似准正压结构,平流层极涡偏弱,对流层中高纬呈类似斯堪的纳维亚遥相关型分布,低层西伯利亚高压偏强,北大西洋涛动(NAO)为负位相;NAO同我国东部气温变率联系密切,进一步分析揭示出NAO是通过影响西伯利亚高压的高频变化来作用于气温季节内变率。最后,通过提取天气—次季节—季节不同时间尺度上的大气环流内部变率,发现在各个尺度上,气温季节内变率均受西伯利亚高压和东亚冷涡的调控作用;尤其在天气尺度上,阿留申低压频繁波动及上游欧洲脊的稳定少动与气温变率有密切联系,季节尺度上欧亚阻塞高压和鄂霍次克海阻塞高压异常对气温变率有显著影响。