全球变暖背景下青藏高原夏季气温在对流层上下反相变化及其与降水和环流的关系

本文利用NCEP/NCAR月平均再分析资料及中国596个测站月降水资料,采用线性倾向估计、经验正交函数分解(EOF)、相关分析、合成分析等方法,对青藏高原夏季对流层气温垂直变化及其与降水和环流的关系进行了分析。气温垂直变化特征分析表明:自1971年以来,青藏高原夏季对流层低层至对流层中上部气温呈现显著增暖趋势,对流层上部气温呈现显著变冷趋势,高原对流层低层至中上部气温及对流层上部气温在年际、年代际尺度上均呈较显著负相关,且均存在2~4 a及8~13 a的周期;夏季青藏高原地区沿27.5°N~40°N平均的气温距平垂直分布的EOF分解第一模态特征向量在对流层表现为"下降温上增温"的反相变化,其时间系数呈显著负趋势,且存在1978年及1994年的突变点。高原夏季气温在对流层的上下反相变化与我国夏季降水的关系在年际、年代际尺度上均显示:当高原对流层低层至对流层中上部升温而对流层上部降温时,我国夏季降水表现为南方型,其中以江南至华南地区降水显著偏多而我国东北地区降水显著偏少为主要分布特征;另外,长江流域的局部地区及我国西北的部分地区降水也明显偏少,而华北东部的局部地区、青藏高原中部及东部地区以及新疆西北部地区降水明显偏多;降水异常分布在年代际尺度上比年际尺度更显著。环流分析显示:当高原对流层低层至对流层中上部升温而对流层上部降温时东亚中高纬度地区为异常高压控制,中低纬度地区受异常低压影响。环流场与降水分布有较好的配置关系。     

黔东南州近40 a夏季降水时空分布及异常年环流特征分析

利用1981—2020年6—8月近40 a黔东南州16个国家站的月降水量资料和国家气候中心新130项监测指数,采用M-K检验、小波分析等方法,对黔东南州夏季降水时空变化和同期异常年(偏多、偏少）的环流特征指数进行分析。结果表明:近40 a,黔东南州夏季降水量呈现2个波峰、2个波谷的分布特征,2个波峰的相对丰水期为1991—2001年和2014—2020年,2个波谷的相对枯水期为1981—1990年和2002—2013年。降水时间尺度具有11~25 a周期变化,并在20世纪90年代发生了显著变化。降水空间分布主要呈现南北反相和东西反相两种类型。西太平洋副热带高压位置偏南偏西,强度偏强,一定程度上造成了黔东南州夏季降水异常偏多;反之,西太平洋副热带高压位置偏北偏东、强度偏弱,一定程度上造成了黔东南州夏季降水异常偏少。     

黔东南州近40 a夏季降水时空分布及异常年环流特征分析

利用1981—2020年6—8月近40 a黔东南州16个国家站的月降水量资料和国家气候中心新130项监测指数,采用M-K检验、小波分析等方法,对黔东南州夏季降水时空变化和同期异常年(偏多、偏少)的环流特征指数进行分析。结果表明:近40 a,黔东南州夏季降水量呈现2个波峰、2个波谷的分布特征,2个波峰的相对丰水期为1991—2001年和2014—2020年,2个波谷的相对枯水期为1981—1990年和2002—2013年。降水时间尺度具有11～25 a周期变化,并在20世纪90年代发生了显著变化。降水空间分布主要呈现南北反相和东西反相两种类型。西太平洋副热带高压位置偏南偏西,强度偏强,一定程度上造成了黔东南州夏季降水异常偏多;反之,西太平洋副热带高压位置偏北偏东、强度偏弱,一定程度上造成了黔东南州夏季降水异常偏少。     

冬季亚洲大陆年际热力差异与中国气候的关系

利用DB16小波对50 a来南亚—东北亚热力差异时间序列进行分析,其周期变化主要集中在3.5 a以下的高频振荡时域内,其次年代际变化也是相对明显的。在此基础上通过尺度分离方法,将亚洲大陆热力差异中的年际和年代际时间尺度进行分离,进一步研究了年际尺度上亚洲大陆热力差异的变化特征及其与中国夏季降水的关系。结果表明年际尺度上亚洲大陆热力差异与亚洲冬夏季风和中国夏季降水同样有一些联系:强(弱)热力差指数年对应的冬夏季风存在差异,中国夏季降水分布类似于第1(3)类雨带。另外,强(弱)指数年夏季东亚季风涌、对流活动分布等的变化均呈现出有利于中国北方降水偏多(偏少)的特征。     

春季和夏季爆发型ENSO事件对夏季中国降水的影响

采用NCEP再分析资料、海温资料以及中国台站降水资料,借助统计方法,讨论了不同爆发型El Ni?o和La Ni?a事件对中国夏季(5~10月)降水分布的影响。根据定义,El Ni?o和La Ni?a事件分为两类:一类是在4~6月爆发,称为春季爆发型(分为ELSP1、ELSP2、ELSP3和LASP);一类是在7~10月爆发,称为夏季爆发型(分为ELSU和LASU)。结果显示,ELSP1型当年夏季,中国夏季降水主要呈现负距平分布,其中显著降水偏少区集中在黄河流域,在其次年夏季,降水由南往北呈现"-、+、-"异常分布,显著降水偏多区主要集中于中原地带。ELSP2型当年夏季和次年夏季,中国夏季降水基本呈现相反变化分布,即当年夏季,全国降水以偏少为主,次年夏季全国降水以偏多为主。ELSP3型当年夏季,以华南降水偏多、其余地区降水偏少为主,在其次年夏季,降水主要以长江流域和华北偏多。ELSU型当年夏季,长江以北降水偏少、西南以及华南沿海降水偏多;次年夏季,降水由南往北呈现"-、+、-、+"异常分布。LASP型当年夏季使得全国降水基本一致增多,尤其是长江流域;而在其次年夏季,除了淮河和长江下游地区降水略多异常,全国降水以基本偏少为主。LASU型当年夏季,降水呈现长江以南偏少、以北偏多的主要分布形势,在其次年夏季,除了长江中下游区域降水偏多以外,其余地区降水均偏少。降水的异常分布与Hadley环流和水汽异常分布密切相关。但LASU型所导致的环流变化对中国夏季降水预测指示意义比较弱。     

不同分布型El Niňo事件对山东次年夏季降水的影响

利用1961—2016年NOAA海表温度、NCEP/NCAR再分析资料以及山东降水资料,对比不同类型El Niňo事件次年夏季山东逐月降水异常分布和环流异常特征。结果表明:不同类型El Niňo事件对山东次年夏季各月降水影响不同,但三种分布类型事件次年6月山东降水异常均较7、8月弱,且极值分布较为集中。Niňo3型事件次年夏季山东降水以偏少为主,其中6、8月降水偏少,7月降水偏多;Niňo4型事件次年夏季山东降水以偏多为主,其中6月全省降水显著偏多,7月降水异常呈东西少、中间多的分布,8月降水异常呈东南多、西北少的分布;Niňo3.4型事件次年夏季山东降水基本呈现北多南少的异常分布,6月降水偏少,7月降水大部地区偏多,8月降水呈现东南少、西北多的异常分布。降水异常分布主要由不同类型El Niňo事件次年夏季各月500 hPa环流形势、水汽输送及其辐合等决定,而环流异常则受海温影响显著。     

近45a辽宁夏季降水的气候特征

利用1961～2005年辽宁省53个测站,6～8月降水量资料,采用EOF、趋势分析等方法,对辽宁地区夏季降水量的空间分布特征和时间演变规律进行了诊断分析研究。结果表明：辽宁地区夏季降水的空间分布既有整体一致的性质,也存在东南部和西北部相反变化的差异。近45 a来,辽宁地区夏季降水有减少趋势,并且存在着4～6 a的周期变化。辽宁夏季及其各月降水都有明显的年代际变化特征,20世纪60年代夏季降水处于偏多时段,70年代偏少,80年代和90年代偏多,进入21世纪的前5 a降水偏少。     

海南热带气旋降水的气候特征

整理出海南1962-2004年的热带气旋的降水资料,我们分析了海南省热带气旋降在海南省总降水中的地位及其变化特征,结果表明:海南热带气旋降水平均占年总降水量30%,但呈每10 a 3%的显著线性下降趋势;海南热带气旋降水与年总降水相关显著,年总降水显著偏少的年份,热带气旋降水偏少;热带气旋降水显著偏多的年份,年总降水量偏多;海南热带气旋降水变化的空间特征表现为明显的一致型,时间特征表现明显的周期性:高频的年际变化周期70年代前期以前为3 a周期为主,80年代中期以后以2 a的周期为主;低频的年际变化周期80年代以前以8—9 a为主,80年代以后以准6 a为主;年代际变化则以准17 a的周期为主。     

洞庭湖流域夏季降水特征及旱涝年份大气环流分析

基于洞庭湖流域96个气象站点1961-2015年逐月降水数据和NCEP/NCAR再分析资料,对洞庭湖流域55年夏季降水的时空变化与典型夏涝年、夏旱年的大气环流特征进行分析。结果表明:55a间流域夏季降水存在明显的年际和年代际变化特征,存在准3a和20a周期。流域夏季平均降水量呈现由中北部平原地区向四周山区递增的空间分布特征。从大气环流和水汽输送及辐合形势来看,典型夏涝(旱)年,对应着西北太平洋副热带高压面积偏大、强度偏强和流域上空水汽的异常辐合(辐散)。     

中国南方夏季降水年际变化与高低纬环流关系的数值模拟

利用区域气候模式RegCM4.4对我国南方夏季降水和大气环流进行30 a的数值模拟,通过与降水观测对比发现,模式能够较好模拟出我国东部地区夏季平均降水和年际变率的空间分布,模拟的南方地区(30 °N以南)年际变率略偏小。观测的我国南方夏季平均降水与模拟降水相关系数为0.51。观测和模拟结果均表明,典型涝年,中纬异常反气旋前方的东北风携带干冷空气,低纬异常反气旋后方的西南风携带暖湿空气,在我国南方汇合,导致南方降水异常增多,模式具有模拟我国夏季南方降水年际变化的能力。通过边界敏感性试验,去除高纬侧边界强迫的年际变化,我国东部降水偏多,南方夏季降水年际变化强度显著变弱;去除低纬度侧边界强迫的年际变化,模拟的我国南方降水偏少,长江及以北降水偏多,降水的空间分布形态发生明显的变化,而我国南方夏季降水年际变化强度基本不变。因此,中高纬环流强迫可较大程度影响我国南方降水年际变化的强度,低纬度环流强迫异常则会改变我国东部降水空间分布形态。      

华南春季降水纬向非均匀分布及异常年大气环流特征分析

对1951—2007年华南地区18站春季（3—5月）降水进行EOF分析,发现华南春季降水的空间分布具有全区一致性、东西反位相、南北反位相及东北—西南反位相等特点。第二特征向量主要反映了华南春季降水的纬向非均匀分布特征,据此将华南春季降水型分为西涝东旱型和西旱东涝型,并利用NCEP再分析资料对春季降水的纬向分布异常年的大气环流背景特征进行了研究。结果发现：在西涝东旱年,华南西北部存在海平面气压场和高度场的正异常中心,有利于冷空气的南下,而该正异常中心的南部出现负异常,华南东部及其东部海面上呈现范围较大的气压场和高度场正异常,华南西部盛行东南风异常,华南东部存在东北风距平,风场和水汽输送场在华南西部表现为异常辐合,在华南东部表现为异常辐散,因此造成了华南西部降水的偏多和东部降水的偏少。同时,850 hPa涡度场、200 hPa散度场、850 hPa垂直速度场和1000 hPa温度场也均呈现出有利于华南西部降水增多和东部降水减少的环流形势。在西旱东涝年,情况基本相反。     

印度季风的年际变化与高原夏季旱涝

根据NCEP／NCAR再分析资料和海表面温度距平资料,分析了西藏高原夏季降水5个多、少雨年春、夏季印度洋850hPa、200hPa合成风场和合成海温场,发现多、少雨年前期与同期印度洋高、低空风场和海温场均存在明显差异,主要表现为高原夏季降水偏多(少)年印度夏季风偏强(弱),在850hPa合成风场上印度半岛维持西(东)风距平,西印度洋—东非沿岸为南(北)风距平,夏季阿拉伯海区和孟加拉湾出现反气旋(气旋)距平环流;200hPa合成风场上印度半岛维持东(西)风距平,南亚高压偏强(弱),索马里沿岸为南(北)风距平。印度夏季风异常与夏季印度洋海温距平的纬向分布型有密切联系。当夏季海温场出现西冷(暖)东暖(冷)的分布型时,季风偏强(弱),高原降水普遍偏多(少)。相关分析指出,索马里赤道海区的风场异常与高原夏季降水的关系最为密切,在此基础上我们定义了一个索马里急流越赤道气流指数,用它识别高原夏季旱涝的能力较之目前普遍使用的印度季风指数有了明显的提高。     

西江流域面雨量与区域大气环流型关系

利用Lamb-Jenkinson大气环流分型方法,对西江流域1971—2015年逐日平均850 hPa和500 hPa高度场进行环流客观分型,分析流域降水天气环流型出现概率及主导环流型变化特征,探讨主导环流型对西江流域总面雨量和子流域面雨量的贡献率及环流型配置与降水的关系。结果表明:当850 hPa为西南风型、500 hPa为西风型时,流域出现降水天气的概率最大;850 hPa气旋型和500 hPa西风型对年总面雨量和各子流域面雨量的贡献率均为最大,且对东部子流域面雨量的贡献率大于西部子流域,850 hPa南风型与500 hPa反气旋型的环流配置是西部子流域秋季降水偏多的主导环流型配置;春季850 hPa气旋型与500 hPa西风型、夏季850 hPa气旋型与500 hPa西风型、秋季850 hPa南风型与500 hPa反气旋型、冬季850 hPa西南风型与500 hPa西风型的环流配置时,出现强降水天气的概率分别为18.7%,21.1%,4.0%和2.0%,即夏季最大,其次为春季,冬季最小。近45年,850 hPa气旋型、500 hPa西风型对流域年总面雨量的贡献率呈增加趋势,是西江流域面雨量呈偏多趋势的主导环流型。     

南疆夏季降水异常的环流和青藏高原地表潜热通量特征分析

利用1980—2004年NCEP/DOE新再分析月平均资料及我国225个测站1980—2004年月降水量资料,通过诊断分析,研究了南疆夏季降水异常的环流和高原地表潜热通量特征。结果表明:南疆夏季降水偏少年,南亚高压西部偏强,西风急流位置偏北,500 hPa中高纬环流经向度减弱,伊朗高压偏北、偏东,西太平洋副热带高压偏西、偏南;降水偏多年则相反。南疆夏季降水偏少年,高原北部和南疆地区为下沉的垂直环流距平,Ferrell环流增强;降水偏多年则相反。南疆夏季降水偏少年和偏多年的前期冬春季开始孟加拉湾、青藏高原和南疆地区地表潜热通量具有相反的变化,南疆夏季降水与高原北部地表潜热通量呈显著正相关,与南部地表潜热通量呈反相关关系。     

2010年我国南方两次持续性强降水的环流特征

通过对2010年夏季我国南方两次持续性强降水期间对流层高、中、低多个大尺度关键影响系统的时空演变特征及其影响机制的分析和比较,讨论了我国南方持续性强降水的大气环流特征。结果表明:这两次持续性强降水均出现了东亚西风带沿海低槽不断快速重建或加深,且中纬度锋区位置稳定维持,低空西南急流反复加强,且其轴线左侧的南风经向强梯度带位置相对稳定,副热带高空西风急流和南亚高压脊线及西太平洋副热带高压的纬度带位置相对稳定;相应地,在强降水带上空反复出现强烈的低层水汽辐合抬升、高层辐散抽吸及垂直上升运动发展,进而形成持续性强降水。西西伯利亚低槽的不断快速重建与加深 (东移)、马斯克林高压西侧高压及马斯克林高压的不断加强东移、副热带高空西风急流的建立和维持对南方持续性强降水具有超前指示意义。强降水带位于东亚低空西南急流轴左侧南风经向强梯度辐合带、高空西风急流南侧至南亚高压脊线北侧之间的强辐散区及中层垂直上升速度大值带中。     

近海台风对“21·7”河南极端暴雨过程水汽通量和动、热力条件影响的模拟

本文利用WRF模式对近海台风“烟花”及“查帕卡”影响2021年7月19日至21日河南极端暴雨的过程进行数值模拟。控制试验（CTL）对台风路径、强度、大尺度环流形势,以及河南暴雨的强度和空间分布型等均给出合理的模拟,基本再现了本次河南极端暴雨的发展过程。敏感性试验表明,在移除台风“烟花”后,副热带高压系统显著南压并在南侧形成东南风急流,河南地区的南风分量减弱、东风增强,东西方向的水汽输送占主导,有利于降水分布型由CTL试验的南—北向转变为东—西向;另一方面,由于低层东南风急流相较于移除“烟花”前的东风急流偏弱,河南降雨区的局地辐合减弱,水汽通量净流入值较CTL试验降低5.81%,且中纬度冷气团西移减慢,引起局地相当位温梯度减弱,最终导致移除台风“烟花”试验的降雨强度偏弱。移除台风“查帕卡”后,大尺度环流形势几乎未受影响,河南南侧的水汽输送略有减弱,因此强降水分布基本与CTL试验类似,降雨强度略有减小。与台风“烟花”相比,“查帕卡”对河南暴雨的影响较弱。     

台风“潭美”(2013)影响江西期间的路径和降水诊断分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、常规气象观测资料、数值模式预报资料、多普勒天气雷达产品等,针对台风"潭美"(2013)登陆后影响江西的移动路径变化和强降水过程,从大尺度环流背景、物理量场等方面进行了诊断分析。结果表明:1)台风的移动路径与副高变化有关,由于受副高南缘的偏东南气流影响,其中心向西北偏西方向移动,进入江西后受副高阻挡逐渐转为偏西和西南偏西方向,因此强大的副高是影响"潭美"移动路径变化的重要系统。2)"潭美"登陆后,中心附近的风速分布表现出明显的不对称结构。随着其向偏西方向移动,大风速区呈逆时针旋转。这种风场结构中不对称的强风速区转移影响了台风的移动路径,使向西北方向的移动逐渐转为西行和西南行。东西风分量差与台风移动路径的变化之间具有很好的对应关系。3)多普勒雷达产品1 h降水量(OHP)与雷达反射率以及大气空中垂直液态含水量(VIL)具有很好的对应关系,与实际降水落区具有较好的对应关系,但其量值要比实际降水量明显偏小,平均在50%左右。4)水汽通量辐合越强,暴雨越强。强降水的产生与来自西南方向的水汽输送带密切相关。江西省中部大范围上升运动的出现和发展,为强降水的产生提供了动力机制;低层辐合、高层辐散的存在是此次台风强降水发生发展的重要因素之一。     

塔里木河流域夏季降水年际和年代变化的环流异常

基于1961-2020年夏季（6-8月）NCAR/NCEP再分析资料和塔里木河流域（简称“塔河”）38个气象站降水资料,使用5年滑动平均分离出塔河夏季降水年代际和年际变化,选出了典型的年际变化的干年和湿年与年代际变化的干期（1963-1986年）和湿期（1989-2018年）,分析了与这两种时间尺度变化相关联的大气环流异常。结果表明,两者的变化不同,影响两者变化的大气环流不同。影响年代际变化的大气环流异常主要表现在欧亚大陆对流层从西北至东南交替出现正负位势高度异常中心,在湿期塔河东部和西部分别出现明显的东风和西南风异常,水汽主要由西北太平洋和印度洋输送至塔河,在干期则与之相反;影响年际变化的大气环流异常主要表现为在塔河东部和西部对流层分别为反气旋异常和气旋异常,在多雨年从南北方向向塔河输送的水汽增多,北风水汽通量异常向流域输送较多,南风水汽通量异常向流域输送较小且主要集中在流域西部,水汽主要由北冰洋洋和印度洋输送至塔河。在干年则与之相反。     

陕西秋季降水变化特征

利用1960—2009年陕西74个台站逐月降水资料和同期NCEP/NCAR再分析资料,采用Mann-Kendall和REOF等方法分析了近50年陕西秋季降水变化时空分布及环流特征。研究表明:近50年来,陕西9月降水对整个秋季降水具有决定性作用,呈现出"北少南多"和"北多南少"的空间分布特征;当西太平洋副热带高压位置偏西偏北,纬向环流指数偏弱,海平面气压场为"西低东高"的形势,850 hPa风场上西北地区东部为西太平洋副热带高压外围的东南气流控制时,陕西秋季降水空间分布多呈现"北多南少"型。     

东亚中纬度干旱/半干旱区降水年际变化及其可能成因

基于NOAA的全球陆地降水资料(PREC/L)1948～2003年56年的月平均降水资料、NCEP/NCAR月平均再分析资料以及英国气象局哈德莱中心的海温(Sea Surface Temperature,SST)资料,并根据多年降水平均图选定了东亚中纬度干旱/半干旱区,对该区域夏季(6～8月)降水进行了经验正交分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)。EOF第一模态呈现出全区一致的变化类型,第二模态则呈现出以100°E为界东西相反的分布类型。通过分析干旱/半干旱区以及以100°E为界的东西两部分降水异常年的环流形势和海温并加以对比,结果表明:在环流场上,对应于东亚中纬度干旱/半干旱区降水偏多年,对流层中下层环流异常在中高纬度呈现为一个东西向波列,乌拉尔山东侧为正的高度异常,贝加尔湖附近乃至以东地区为低压槽所控制;不同的是,对应于100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多年,波列有所东移,并且西太平洋副热带高压有显著北抬;而对应于100°E以东干旱/半干旱区夏季降水偏多年,环流形势异常基本与整个干旱/半干旱区降水偏多年一致,只是在里海附近有一高度负异常。在200hPa纬向风场上可以看到,当西亚副热带急流偏南加强时,对应于100°E以西的干旱/半干旱区降水偏多;而当东亚、西亚风急流都有显著北抬且加强时,对应于100°E以东干旱/半干旱区的夏季降水偏多,这可能与急流所激发的次级环流有关。进一步对SST的分析表明,海温与100°E以东或以西干旱/半干旱区降水异常的关系也不一样。当前冬、前春赤道中东太平洋都有正的海温异常,而到夏季转换为负的海温异常,且南太平洋在前冬和前春呈现显著负海温异常时,整个干旱/半干旱区夏季降水偏多;当赤道中东太平洋海温在前冬、前春有正的海温异常并一直减弱,但能维持到夏季,并且北印度洋海温也存在类似的海温异常时,100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多;而当前冬中东太平洋海温较暖但其南部海域偏冷,到了前春这些异常维持,并发展到同期为大范围弱的异常冷海温时,有利于100°E以东的干旱/半干旱区夏季降水偏多。比较的结果还揭示出,对应于干旱/半干旱区以及100°E以东干旱/半干旱区的降水异常年,海温异常分布大致是一致的;而对应于100°E以西干旱/半干旱区的降水异常年,海温异常分布及时间演变则有较大差异。