秋季南极涛动异常对冬季中国南方降水的影响

本文针对秋季南极涛动（AAO）和冬季中国南方降水的关系作了研究,发现两者之间存在显著的反向年际变化关系。AAO正（负）异常年,副热带西风急流显著增强（减弱）,欧洲西部槽、乌拉尔山高压脊和东亚沿岸大槽均偏强（偏弱）,阿留申低压、南支槽和西太平洋副高偏弱（偏强）,西南急流上的扰动不活跃（活跃）,我国大部分地区出现异常偏北风（偏南风）和OLR弱正距平,导致南方降水偏少（偏多）。两半球存在东亚—南半球高纬地区和纵贯太平洋南北的两个遥相关型,海洋性大陆对流活动可能是秋季AAO影响南方冬季降水的一个机制。因此,秋季南极涛动的异常很可能对预测我国南方冬季降水有显著指示意义。     

冬季北大西洋涛动对中国春季降水异常的影响

利用中国397个测站降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用相关分析、合成分析等方法,研究了冬季北大西洋涛动(NAO)对我国春季降水的影响。结果表明,我国春季降水与前期冬季NAO关系密切,冬季NAO偏强(弱)时,我国东部南方地区春季降水偏多(少),北方地区春季降水偏少(多)。冬季NAO信号通过波列形式传播至东亚地区,使得春季东亚副热带急流和温带急流发生变化,冬季NAO偏强(弱)时,春季东亚副热带西风急流增强(减弱),温带急流减弱(增强)。进一步分析表明,冬季NAO异常会引起春季乌拉尔山高压脊和东亚大槽的变化,导致东亚对流层上层的温度发生变化,并由此产生经向温度梯度异常,这可能是NAO影响东亚高空急流的原因之一。春季东亚对流层上层的气温变冷(暖),使得东亚地区30°-40°N区域产生下沉(上升)运动,20°-30°N区域产生上升(下沉)运动,最终导致我国东部南方地区春季降水偏多(少)、北方地区春季降水偏少(多)。     

中国东南部冬季降水变化及其环流特征

利用1951-2011年中国160站降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,分析了中国东南部冬季降水的年际变化及与之相关的环流和水汽输送特征。结果表明:中国东南部冬季降水年际差异较明显,当降水异常偏多(少)时,蒙古高压及中国广大南方地区海平面气压异常偏低(高),而亚洲附近的洋面上则异常偏高(低);500 hPa上,巴尔喀什湖附近的高压脊和东亚大槽均偏弱(强);高层东亚西风急流异常偏弱(强),中东地区急流异常偏强(弱);中国东部20~30°N出现显著异常上升(下沉)运动,低纬度地区出现异常下沉(上升)运动。影响中国东南部冬季降水的水汽输送主要有两支:来自西风带绕高原的南支气流,经过阿拉伯海和孟加拉湾向华南的输送水汽;来自低纬西太平洋,经南海向中国西南的水汽输送。此外,东亚冬季风与中国东南部冬季降水关系密切。     

南极涛动与西沙夏季气候的关联性

利用近53a(1960—2012年)南海西沙群岛永兴岛气象站的观测资料以及同期的NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析了近53a西沙夏季气候变化特征及其与春、夏季南极海平面气压的可能联系,并初步分析了南极涛动(AAO)对西沙夏季气候的影响。结果表明:近53a来西沙夏季平均降水持续减少、气温明显升高、风速显著减弱;降水、气温和风速还表现出准2a的年际变率及7~11a的年代际变率。回归分析和相关分析结果均表明,当春、夏季南极海平面气压偏强(弱)时,西沙夏季降水偏多(少)、气温偏低(高)、风速偏强(弱)、空间分布型类似于负(正)位相的南极涛动(AAO)。春、夏季AAO处于正位相,一方面在年代际尺度上导致东亚夏季风减弱,另一方面在年际尺度上导致印度季风减弱,从而使得西沙夏季降水偏少、气温偏高、风速偏弱。     

强La Ni(n)a背景下的东亚夏季风异常与1989年和1999年中国夏季降水的对比分析

选取两个强La Ni(n)a年 (1989年和1999年), 对比分析了强La Ni(n)a背景下的东亚夏季风异常和中国夏季降水分布.结果表明, 受南极海冰分布异常的影响, 这两年6～7月间南极涛动呈现不同的位相, 进而改变了南方涛动的位相.1989年, 南极涛动为正时, 南方涛动为正, 马斯克林高压 (简称马高) 偏强, 澳大利亚高压 (简称澳高) 偏弱.与1989年相反, 1999年南极涛动和南方涛动均为负位相, 马高偏弱, 澳高偏强, 这与一般La NiNi(n)a年的情况正好相反.与马高和澳高强度变化相对应, 西太平洋副热带高压在1989年偏西、 1999年偏东, 并影响到6～7月间中国降水的分布.8月副高北抬后, 南半球环流变化的影响减弱, 东亚夏季风环流主要受热带环流和中高纬度环流的影响.1989年8月, 受中高纬度冷平流的影响, 副高偏弱, 长江流域降水偏多.1999年8月, 由于热带西风异常偏强, 副高偏强, 长江以南降水偏多.本文的研究结果表明, 即使在两个相似的强La NiNi(n)a事件影响下, 由于其他因子对La NiNi(n)a信号的调制作用, 中国夏季降水仍呈现不同的分布, 1989年为中间型, 而1999年为南方型, 这与一般La NiNi(n)a年雨带偏北正好相反.最后, 对中国夏季降水的季度预测提出了一些建议.     

冬季北太平洋涛动异常与东亚冬季风和我国天气气候的关系

用1948-2000年的北半球海平面气压场月平均资料，计算了北太平洋涛动指数和东亚冬季风指数，并研究了北太平洋涛动与东亚冬季风及我国冬季天气气候的关系。研究表明，北太平洋涛动异常变化与我国冬季天气、气候关系密切。强涛动年，东亚冬季风偏弱，我国气温普遍偏高，长江中下游地区降水偏少，而华南降水偏多；而弱涛动指数年，东亚冬季风偏强，我国气温普遍偏低，降水偏少。此外，还指出，强(弱)INPO年大气环流具有弱(强)WP型和强(弱)EU遥相关型。     

强La Nia背景下的东亚夏季风异常与1989年和1999年中国夏季降水的对比分析

选取两个强La Nia年(1989年和1999年),对比分析了强La Nia背景下的东亚夏季风异常和中国夏季降水分布。结果表明,受南极海冰分布异常的影响,这两年6~7月间南极涛动呈现不同的位相,进而改变了南方涛动的位相。1989年,南极涛动为正时,南方涛动为正,马斯克林高压(简称马高)偏强,澳大利亚高压(简称澳高)偏弱。与1989年相反,1999年南极涛动和南方涛动均为负位相,马高偏弱,澳高偏强,这与一般La Nia年的情况正好相反。与马高和澳高强度变化相对应,西太平洋副热带高压在1989年偏西、1999年偏东,并影响到6~7月间中国降水的分布。8月副高北抬后,南半球环流变化的影响减弱,东亚夏季风环流主要受热带环流和中高纬度环流的影响。1989年8月,受中高纬度冷平流的影响,副高偏弱,长江流域降水偏多。1999年8月,由于热带西风异常偏强,副高偏强,长江以南降水偏多。本文的研究结果表明,即使在两个相似的强La Nia事件影响下,由于其他因子对La Nia信号的调制作用,中国夏季降水仍呈现不同的分布,1989年为中间型,而1999年为南方型,这与一般La Nia年雨带偏北正好相反。最后,对中国夏季降水的季度预测提出了一些建议。     

强La Niña背景下的东亚夏季风异常与1989年和1999年中国夏季降水的对比分析

选取两个强La Niña年 (1989年和1999年), 对比分析了强La Niña背景下的东亚夏季风异常和中国夏季降水分布。结果表明, 受南极海冰分布异常的影响, 这两年6～7月间南极涛动呈现不同的位相, 进而改变了南方涛动的位相。1989年, 南极涛动为正时, 南方涛动为正, 马斯克林高压 (简称马高) 偏强, 澳大利亚高压 (简称澳高) 偏弱。与1989年相反, 1999年南极涛动和南方涛动均为负位相, 马高偏弱, 澳高偏强, 这与一般La Niña年的情况正好相反。与马高和澳高强度变化相对应, 西太平洋副热带高压在1989年偏西、 1999年偏东, 并影响到6～7月间中国降水的分布。8月副高北抬后, 南半球环流变化的影响减弱, 东亚夏季风环流主要受热带环流和中高纬度环流的影响。1989年8月, 受中高纬度冷平流的影响, 副高偏弱, 长江流域降水偏多。1999年8月, 由于热带西风异常偏强, 副高偏强, 长江以南降水偏多。本文的研究结果表明, 即使在两个相似的强La Niña事件影响下, 由于其他因子对La Niña信号的调制作用, 中国夏季降水仍呈现不同的分布, 1989年为中间型, 而1999年为南方型, 这与一般La Niña年雨带偏北正好相反。最后, 对中国夏季降水的季度预测提出了一些建议。     

亚洲急流与冬季风的关系及其对中国气候的影响

利用NCEP\NCAR逐月再分析资料和中国台站逐日观测数据,采用奇异值分解(SVD)、相关分析和合成分析等方法,研究冬季亚洲高空急流的配置与冬季风的关系及其对地面气候的影响.结果表明,青藏高原至亚洲东部沿海的副热带急流强(弱),高纬的温带急流弱(强)时,中国中、东部大范围地区气温偏低(高);中东急流强(弱),东亚副热带急流偏南(北),温带急流东南部较弱(强)时,西南气温偏低(高),东北气温偏高(低),中、东部地区冬季降水偏多(少).结合水平风场的变化,副热带地区出现西风异常弱,温带出现东风异常时,有利于东亚大槽加深并向南扩张,低层偏北风加强,东亚冬季风增强,而青藏高原反气旋环流被削弱,冷高压减弱,相应的高原季风减弱.高、低纬急流区纬向风的差异较大时,加强了急流对低层冷、暖空气交绥的引导和汇聚的作用.东亚季风指数(EAMI)与高原季风指数(PMI)在冬季多呈负相关.冬季风异常期间,若副热带急流偏强,温带急流偏弱,高纬的干冷空气受南侧急流的汇聚作用而南侵,有利于中国大部分地区降温,降水减少;反之,低纬的暖湿气流受到北侧急流引导而向北输送,导致中国大部分地区升温,降水偏多.     

南北涛动与南极涛动及北极涛动的相互作用

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了南北涛动（Interhemispheric Oscillation,IHO）与北极涛动（Arctic Oscillation,AO）和南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）的联系。分析表明：1）北极涛动（AO）、南极涛动（AAO）与全年各自半球中高纬度地表气压变化密切联系。其中,AO冬季强度最强,且在春季、冬季的影响范围大。而AAO对南半球中高纬的地表气压变动影响更为明显,其在夏季影响范围最大。2）南极涛动（AAO）与南北涛动（IHO）有很好的同期相关性,南极涛动可部分解释南北涛动的形成。IHO与AO存在不显著的负相关,南北半球中高纬大气运动具有相对独立性。3）南北涛动（IHO）与全球较大范围内的地面气压变化有关,而去除AAO信号后,夏季在南极地区原显著相关区显著减少,夏季AAO与IHO存在密切联系。4）南北涛动（IHO）主要与春季、秋季和冬季亚洲、欧洲北部地面气温关系密切。秋季最强,春季次之,冬季最弱。夏季IHO与全球地面气温没有较好的联系。亚欧大陆北部的热力作用可能部分地解释了南北涛动的形成。     

中国华北地区冬季降水异常特征及其与大气环流和海温的关系

利用1951—2012年中国冬季160站降水资料、NCEP/NCAR再分析资料及NOAA海温资料,分析了中国华北地区冬季降水的异常变化特征及其与大气环流和海温的关系。结果表明:华北地区冬季降水主要呈现为全区一致变化的特征,且年际变率较大,具有2~4 a的年际变化周期。降水异常偏多(少)年,西伯利亚高压偏弱(强),阿留申低压偏弱(强),850 h Pa上华北地区盛行的西北风较弱(强),控制该地区的东亚冬季风偏弱(强),该地区有偏南(北)风距平,500 h Pa上东亚槽脊系统偏弱(强)。影响华北地区冬季降水的异常水汽主要来源于南海及其以东的西太平洋。前期夏季日本以东的西风漂流区、同期冬季近海的黄渤海区域的海温均与中国华北地区冬季降水存在显著的正相关关系。     

与厄尔尼诺和拉尼娜相联系的中国南方冬季降水的年代际异常特征

利用NCEP/NCAR再分析大气环流资料、哈得来中心海温资料、中国700多站降水资料以及全球格点降水资料,详细分析了中国南方冬季降水异常的特征,并揭示了其所对应的欧亚大气环流和东亚冬季风异常与ENSO事件的联系,以及ENSO暖/冷位相对其影响的非对称性。研究进一步证明了厄尔尼诺是导致中国南方冬季降水偏多的重要外强迫因子,并指出拉尼娜对中国南方冬季降水的影响表现出明显的年代际变化特征。1980年之前的拉尼娜年冬季,东亚冬季风显著偏强,东亚大槽偏深,西北太平洋副热带高压偏弱偏东,中国南方受一致偏北风影响,气温偏低,降水偏少,多表现为冷干的气候特征。但1980年之后的拉尼娜年冬季,东亚大槽偏弱,印缅槽偏强,同时在菲律宾以西激发出异常气旋性环流,使得异常偏东风控制中国南方,有利于热带水汽输送增强,因此降水偏多。同时,1980年之后的拉尼娜事件还使得东亚副热带西风急流偏强偏北,中国南方处于急流入口区的右侧,通过二级环流使得中国南方上空的上升运动偏强,有利于降水偏多。因此,1980年之后的拉尼娜年冬季,中国南方易表现出冷湿的气候特征,有时也容易发生低温雨雪冰冻灾害。进一步分析表明,1980年以后拉尼娜成熟期海温异常空间分布型的变化,以及北半球大气环流的年代际变化可能是导致拉尼娜对东亚大气环流的影响在1980年之后发生变化的重要原因。     

藏北冬季降水异常的大尺度环流特征及影响因子

利用西藏高原气象台站降水和积雪观测资料、NCEP/NCAR再分析资料和NOAA海温资料等,分析了藏北高原地区冬季降水异常的大尺度环流特征及影响因子。结果表明:藏北地区冬季降水存在2~4年周期性变化特征,其中3年的周期信号最强。降水偏多年,欧亚中高纬乌拉尔山至贝加尔湖附近500 hPa高度距平场呈现"西低东高"分布型,影响我国的冷空气路径偏西,西藏高原高度场偏低;高原上游中东急流偏强,高原南支绕流偏强,南支槽活跃。藏北地区冬季降水与同期中东急流的关系非常密切,相关系数达到0.61。进一步分析表明,冬季北极涛动正位相有利于冷空气路径偏西影响高原地区,高原上游中东急流偏强偏南,而赤道中东太平洋海温偏高也有利于中东急流呈偏强偏南的特征。北极涛动和ENSO位相的协同作用对藏北地区冬季降水的多寡起到重要的作用。     

2017/2018年冬季北半球大气环流特征及对我国天气气候的影响

2017/2018年冬季,东亚冬季风强度较常年同期偏强,西伯利亚高压偏强,季内冬季风强弱转换阶段性特征显著。欧亚中高纬以经向环流为主,乌拉尔山高压脊持续发展,东亚槽位置偏西。冬季冷空气过程频繁,受其影响,冬季东北地区气温显著偏低,而高原和西南地区西部异常偏暖。对2017/2018年冬季东亚冬季风偏强的可能原因分析表明,受北太平洋年代际涛动暖位相的调制作用,2017年秋季开始的La Ni〖AKn~D〗a事件对东亚冬季风的影响相对较弱。而冬季北半球极涡持续偏弱,北大西洋海温持续偏暖,中高纬环流系统异常和海温外强迫的共同作用,是东亚冬季风偏强的重要原因。     

东亚冬季风指数及其对东亚大气环流异常的表征

基于月平均NCEP/NCAR再分析资料、CMAP全球降水资料及中国台站降水和冷空气资料,首先概括了东亚冬季风环流系统的主要成员,并对基于这些环流系统定义的有代表性的4种东亚冬季风指数进行了比较分析。结果表明,4种指数具有比较一致的年际和年代际变化特征,相互间都为显著正相关,表明各指数都能较好地反映出其他环流系统成员的异常。功率谱分析结果显示,所有东亚冬季风指数均具有3—4年的年际变化周期和6.5年周期及9—15年的年代际变化周期。此外绝大部分指数在20世纪80年代之后都有线性减弱的趋势。所有季风指数都能够很好地反映“强(弱)冬季风年,低层西伯利亚高压偏强(弱),阿留申低压偏深(浅),副热带北风气流偏强(弱),东亚副热带地区气温偏低(高),中层东亚大槽偏深(浅)及高层副热带西风急流偏强(弱)”的基本特性。但各指数与冬季影响中国的冷空气次数间均无很好的对应关系。另外,绝大多数指数与东亚地区夏季降水也有较好的滞后关系,表明冬季风不仅对同期环流系统存在作用,而且还可能影响到夏季。     

冬季北极涛动的影响分析

采用美国NCEP/NCAR月平均再分析资料、中国气象局160站地面月资料以及美国国家海洋和大气局月平均北极涛动（AO）指数,研究了1979～2008年12～2月AO与该时期北半球大气环流和我国气候的关系。发现当AO异常时,西风带和副热带的环流有很大的差别。当AO异常强时,北太平洋是一对偶极性异常环流：中高纬度为反气旋异常环流,副热带为气旋异常环流。这种形势越到高层越明显,范围也越大。对流层中高层中高纬度的反气旋异常环流西扩到贝加尔湖以东,副热带的气旋异常环流西扩到中印半岛。由于这种异常分布,西太平洋副热带高压偏弱,东亚高空西风急流偏弱,东亚大槽偏弱。乌拉尔山附近是负距平,不利于乌拉尔山高压脊发展。在海平面气压场上,北太平洋为正距平,而在西伯利亚为负距平,阿留申低压和西伯利亚高压偏弱,因此东亚冬季风偏弱。由于冬季风偏弱,导致我国东部、东北、新疆和内蒙古温度偏高。AO异常弱时,环流形势正好相反,冬季风偏强,我国温度偏低。AO的异常也影响我国降水,AO异常强时,除内蒙古、新疆降水偏少外,大部分地区降水偏多,异常降水中心在华南沿海;而当它异常弱时,江南、华南、内蒙古和新疆降水偏多,其他地区降水偏少,异常降水中心位于江南。2008年1月AO活跃,与AO强时平均情况一致,两者在中纬度的东亚有非常好的相似性,都为正距平,表示东亚大槽偏弱;北太平洋的偶极性异常环流对在对流层中、上层也是明显的。最主要的差异在乌拉尔山和西太平洋地区,由于造成2008年1月我国南方持续雨雪冰冻天气重要因素的西太平洋副热带高压、乌拉尔山阻塞高压和冬季风与AO偏强的平均情况相反,因此AO不是造成持续雨雪冰冻天气的原因。     

冬季东亚高空副热带急流和温带急流协同变化与中国南方地区降水的关系

利用NCEP/NCAR再分析数据和中国台站降水资料研究冬季东亚高空副热带急流和温带急流协同变化特征及其与中国南方地区降水的关系,发现冬季东亚高原急流与温带急流同期反向协同变化特征最为显著。即高原急流增强,同时温带急流减弱(SW型)和高原急流减弱,同时温带急流增强(WS型)。当高原急流增强(减弱)而温带急流减弱(增强)时,中国南方地区降水显著增加(减少)。合成分析表明,不同急流协同变化型态下冷暖空气活动特征存在较大差异,高原急流与温带急流的反向协同变化可以真实反映与冬季中国南方地区降水相关联的冷暖空气活动特征,进而导致不同降水形态的产生。     

秋季亚洲-太平洋涛动与中国近海热带气旋活动的关系

采用联合台风警报中心的台风最佳路径资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了秋季(9—10月)亚洲-太平洋涛动(APO)强度的年际变化与东亚-太平洋大气环流的关系,探讨了APO与西北太平洋和中国近海热带气旋(TC)活动的关系。结果表明:秋季APO年际变化与同期西北太平洋和中国近海TC活动关系紧密,即当APO偏强(弱),西北太平洋TC活跃区明显偏西(东),中国近海TC偏多(少);APO可以通过影响中国近海对流层纬向风垂直切变、低层辐合和对流层中层引导气流等,从而影响西北太平洋和中国近海TC活动;当APO偏强(弱)时,东亚大槽偏弱(强),东亚冬季风偏弱(强),使得侵入中国近海和热带西北太平洋的冷空气活动偏弱(强),有(不)利于这些海域TC的生成和发展;此外,在APO偏强时,西太平洋副热带高压脊偏西,其南侧偏东气流加强,有利于TC在偏强的偏东气流引导下向西移动或者其转向点偏西;而在APO弱年,副热带高压脊偏弱和偏东,偏东引导气流减弱,不利于TC西行或有利于其转向点偏东。     

冬季西伯利亚高压的主要年际变化模态及其对东亚气温的影响

选取40°N—60°N,80°E—120°E的区域作为西伯利亚高压的主要活动区域,利用NCEP/NCAR月均海平面气压再分析资料,对该区域西伯利亚高压(Siberian High,SH)从1979—2017年共38个冬季(12月至次年2月)进行经验正交函数分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)。结果表明,第1模态为全区一致的变化,第2模态为南北气压的反相变化关系,第3模态为东西部气压的反相变化关系,并且3个模态的时间序列都存在显著的年际变化。进一步对相关的大气环流和东亚气温异常的分析表明,第1模态相联系的大气环流在地面表现为海陆气压差的改变,500 h Pa高度上东亚大槽强度的变化,200 h Pa纬向风场上温带急流、副热带急流强度的变化,SH负位相时,东亚偏暖,SH正位相时,东亚偏冷;第2模态与北极涛动(Arctic Oscillation,AO)和北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)的变化有密切关系,在高度场上表现为一个准正压的南北环状模态,SH北强南弱时,环流场类似AO正位相,温带急流减弱,东亚东北部偏暖,SH北弱南强时,东亚东北部偏冷;而与第3模态相联系的大气环流主要出现在欧亚大陆局部区域,与北大西洋涛动(NAO)也存在一定的关联,SH东强西弱时,东亚北部偏暖,西南部偏冷,SH东弱西强时,东亚北部偏冷,西南部偏暖。     

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。