中国降水的年代际变化及全球变暖、太平洋年代际振荡、大西洋多年代际振荡对其的相对贡献

虽然中国降水以年际变化为主,但可利用奇异谱分析辨析出10—20 a、20—50 a 年代际变化的显著性区域以及>50 a 的长期趋势的显著性区域。本研究通过奇异值分解、多元线性回归等方法探究了1934—2018年不同海洋模态对6—8月（夏季）和12月—翌年2月（冬季）中国陆地降水趋势以及年代际振荡的相对贡献。通过对中国降水及中低纬度地区海温进行奇异值分解发现,不论冬夏,影响中国降水的主要模态是全球变暖,其次是太平洋年代际振荡。利用多元线性回归模型定量评估全球变暖、太平洋年代际振荡、大西洋多年代际振荡对中国不同区域降水的方差贡献及各因子的相对贡献,结果表明:夏季,三者可以解释西北和华北大约30%的年代际降水,其中全球变暖的相对贡献最大、太平洋年代际振荡次之;冬季,三者可以解释东北42%、西北和华北30%左右的年代际降水,东北和西北以全球变暖的相对贡献为主、大西洋多年代际振荡为辅,华北仍以全球变暖的影响为主、太平洋年代际振荡为辅。      

全球变暖、AMO、IPO对全球陆地降水变化的相对贡献

本文探究了不同海表温度（SST）模态对6—8月和12月—次年2月全球陆地降水的趋势以及年代际变化的相对贡献。首先对热带地区陆地降水和SST进行SVD分析,得到影响陆地降水的趋势和年代际变化主要的海洋模态为：海洋中的全球变暖（Global Warming,GW）、大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）和太平洋多年代际振荡（Interdecadal Pacific Oscillation,IPO）。其次利用多元线性回归模型进一步定量评估了全球变暖、AMO和IPO对不同地区陆地降水的相对贡献大小。结果表明,全球变暖对陆地降水变化的贡献在冬夏季都是最大的,AMO在6—8月的贡献次之。IPO在12月—次年2月的贡献次之。不同纬度带,三者的贡献不同。GW的贡献在6—8月期间对10°N以北地区较大,南半球受GW的贡献相对较小,GW在12月—次年2月对40°N以北降水贡献异常显著;AMO主要在6—8月对10°～40°S和50°～60°S纬度带上的降水变化的贡献比较大;而IPO主要在12月—次年2月对北半球中纬度降水变化的贡献比较大。GW对许多地区降水变化的方差贡献都是最大的,例如6—8月期间,对北美洲东北部和亚洲降水变化贡献最大,12月—次年2月期间,对欧洲降水变化贡献最大。AMO对6—8月降水变化的方差贡献最大的区域为非洲萨赫勒、西伯利亚和南美洲。12月—次年2月期间,IPO对美国西南部的降水变化贡献最大,此外,北美洲东北部、南美洲西北部、非洲南部、澳大利亚东部、南亚季风区和我国北部的降水在12月—次年2月期间同样受IPO影响显著。进一步利用信息流的方法,探究了GW、AMO和IPO与陆地降水变化之间的因果关系,验证了上述结论。     

太平洋年代际振荡对中国冬季最低气温年代际变化的贡献

基于1961—2013年中国台站的均一化气温数据、NOAA月平均海温资料和CMIP5气候模式数据,利用气候统计手段,定量分析太平洋年代际振荡（PDO）对中国冬季最低气温年代际变化的贡献。结果表明：PDO的年代际序列与年代际滤波后的最低气温场在全国大部分地区呈显著正相关,即PDO负位相时中国冬季最低气温偏低,反之偏高。2006年后中国冬季最低气温变暖减缓,造成这一现象的主要原因是自然变率起到的降温作用,而自然变率又主要由PDO起主导作用,约占自然变率贡献的40%左右。PDO对温度的贡献呈现出明显的年代际变化,在变暖减缓期对升温有明显的负贡献,且负贡献逐渐增大至超过50%。     

亚非夏季风的年代际变化:大西洋多年代际振荡与太平洋年代际振荡的协同作用

亚非夏季风系统包括非洲夏季风、南亚夏季风和东亚夏季风。它是全球季风系统中具有高度整体一致性变化的系统,其主要原因是亚非夏季风系统具有相同的主要驱动力:AMO(Atlantic Multidecadal Oscillation,大西洋多年代际振荡)和PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代际振荡)海洋年代际变化模态。在此前提下,本文首先阐述了AMO对亚非夏季风的强迫作用与遥相关作用,特别强调了它在亚非夏季风及其降水年代际转型中的作用;其次讨论了PDO与冬春积雪的年代际变化对东亚夏季风雨带的协同作用;最后综合分析了AMO、PDO与IOBM(Indian Ocean Basin Mode,印度洋海盆一致模态)的协同作用,指出印度洋海洋模态在年代尺度上独立于AMO与PDO的相关组合,主要起着加强东亚夏季风活动的作用。     

北大西洋年代际振荡（AMO）气候影响的研究评述

北大西洋年代际振荡（theAtlantic Multidecadal Oscillation,AMO）是发生在北大西洋区域空间上具有海盆尺度、时间上具有多十年尺度的海表温度（sea surface temperature,SST）准周期性暖冷异常变化。它具有65～80a周期,振幅为0.4℃。AMO的形成与热盐环流的准周期性振荡有关,它是气候系统的一种自然变率。诸多研究表明,AMO在北大西洋局地气候及全球其他区域气候演变中发挥了重要影响。欧亚大陆的表面气温,美国大陆、巴西东北部、西非以及南亚的降水,北大西洋飓风等都与之密切相关。AMO对东亚季风气候的年代际变化有显著的调制作用,暖位相AMO增强东亚夏季风,减弱冬季风,冷位相则相反。本文总结了这方面的研究进展,讨论了AMO对未来气候预测的意义,认为最近20多年来我国冬季的显著增暖与AMO处于暖位相有关,是人类温室气体强迫与暖位相AMO（自然因子）两种增暖影响相叠加的结果。随着AMO逐渐转入冷位相,我国冬季变暖趋势将放慢,并有望于21世纪20年代中期逆转。     

1990年代末东亚北部地区夏季水汽输送年代际变化特征及其影响机制

利用1983～2011年降水量、环流和海温的再分析资料,探讨了东亚北部地区夏季水汽输送的年代际变化特征,并分析了前冬北大西洋海温对东亚北部地区夏季水汽输送与大气环流的可能影响。研究结果表明,20世纪90年代末期东亚北部地区夏季整层水汽与降水年代际的变化特征相一致,整层水汽通量的年代际变化主要是由于纬向水汽输送异常作用的结果。东亚北部地区（35°～55°N,90°～145°E）西边界的水汽输送通量由多变少,东边界的水汽输送通量由少变多特征则直接导致了该地区降水由偏多转为偏少的年代际变化。就外强迫海温角度来说,前冬北大西洋海温跟东亚北部地区夏季500 hPa高度场、850 hPa风场和850 hPa比湿均显著相关。同时,在20世纪90年代中后期前冬北大西洋海温也表现出由偏低向偏高转变的年代际变化特征,且由于海温自身的记忆性前冬的海温异常一直延续到夏季。并在夏季激发出横跨北大西洋和欧亚大陆中高纬度地区的大西洋-欧亚（AEA）遥相关结构,并进一步影响东亚北部地区夏季水汽输送。     

气候变暖背景下全球海温对中国东部夏季降水年代际转折的影响

针对1970年代末及1990年代初中国东部夏季降水（ECP）的年代际变化格局,采用EOF分解、相关分析、回归分析等统计方法诊断了全球海表面温度对ECP年代际变化前两个模态（EOF1、EOF2）的影响。发现大西洋多年代际振荡（AMO）序列,印度洋偶极子（DMI）序列,太平洋年代际振荡（PDO）序列与ECP前两个模态时间系数（PC1、PC2）相关性较好,结合各海温指数的年代际变化特征,发现ECP在1970年代末受PDO及DMI的影响在低纬及中纬度地区分别呈现EOF1、EOF2的正位相分布特征;而在1990年代初受AMO及PDO的影响主要呈现EOF1的特征。由各海温指数及PC1、PC2重建的ECP分布特征可知,AMO及DMI与PC1重建的ECP型相近,对ECP的影响范围集中在低纬地区。除去变暖影响的DMI及PC1回归的高度场中发现一个源起大西洋的波列,黄河以北为异常反气旋中心,以南为异常气旋中心,低层南风异常,水汽被输送到北方,导致中国北方降水增加,南方降水减少。PDO与PC2重建的ECP型相近,对ECP的影响集中在中纬度地区。二者回归得到中国东部低层北风异常,水汽在长江流域辐合,长江流域降水增加。      

太平洋年代际振荡对冬季北半球两大洋风暴轴协同变化的可能影响

利用NCEP/NCAR提供的再分析资料和NOAA提供的海温资料分析太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)不同位相的年代际背景下北半球海气耦合关系的异常与风暴轴协同变化的联系,主要结果如下:1)冬季太平洋年代际振荡与北半球两大洋风暴轴协同变化之间存在显著的相关关系,当PDO暖位相时,对应两大洋风暴轴南北位置反向的异常变化,其中北太平洋风暴轴偏南且中东部减弱,北大西洋风暴轴偏北且中东部增强,PDO冷位相时相反。2)PDO为暖位相时,对应El Niňo型海温异常,北大西洋海温呈三极型,平均槽脊加强,经向环流增强,极涡收缩,北太平洋风暴轴南压,大西洋风暴轴则北抬,此时欧亚大陆北部和北美大陆大部分地区温度异常升高,亚洲南部、非洲北部及巴伦支海以北的高纬温度异常降低,北美西南部和格陵兰岛附近温度也为异常降低,PDO冷位相时相反。     

太平洋年代际振荡与中国气候变率的联系

利用 195 1～ 1998年的太平洋年代际振荡 (PDO)指数、全球海洋和大气分析资料及中国降水和气温站点观测资料 ,分析了太平洋年代际振荡在海洋中的特征及其与东亚大气环流和中国气候变率的联系。结果表明 ,PDO与东亚大气环流及中国气候年代际变化关系密切。对应于PDO暖位相期 (即中纬度北太平洋异常冷、热带中东太平洋异常暖 ) ,冬季 ,阿留申低压增强 ,蒙古高压也增强 (但东西伯利亚高压减弱 ) ,中国东北、华北、江淮以及长江流域大部分地区降水偏少 ,东北、华北和西北地区气温异常显著偏高 ,而西南和华南地区气温偏低 ;夏季 ,海平面气压在北太平洋的负异常较弱 ,而在东亚大陆的正异常较强 ,东亚夏季风偏弱 ,西太平洋副热带高压偏南 ,热带太平洋信风减弱 ,赤道西风增强 ,此时华北地区降水异常偏少而长江中下游、华南南部、东北和西北地区降水异常偏多 ,东北、华北及华南地区气温异常偏高 ,而西北、西南和长江中下游地区气温异常偏低。对应于PDO冷位相期 ,上述形势相反。结果还表明 ,处于不同阶段的ENSO事件对中国夏季气候异常的影响明显受到PDO的调制。在PDO冷位相期 ,当ENSO事件处于发展阶段 ,华南地区夏季降水偏少 ,东北地区夏季多低温 ,在其衰减阶段 ,华北地区和长江流域降水偏多 ,淮河地区降水偏少 ;     

热带海温影响我国南方冬季降水年际变化的年代际差异及其成因

利用中国740个站逐月降水资料、NOAA月平均海表温度资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用统计学方法分析了近50 a(1961/1962至2010/2011年冬季)海温异常对我国南方冬季降水年际变化影响的年代际差异及其成因。结果表明:(1)中国冬季降水大致位于长江以南的我国南方地区,降水年际变化较强。1987年后,在El Niňo年中国南方冬季降水偏多。(2)中国南方冬季降水与赤道中东太平洋海温异常以及海洋性大陆西部海温异常密切相关。但相关性存在年代际差异:1987年之前,主要与海洋性大陆西部海温异常相关;1987年之后,主要与赤道中东太平洋海温异常密切相关,海洋性大陆西部海温异常次之。(3)1987年之前,海洋性大陆西部海温通过影响东亚环流形势和水汽条件影响我国南方降水;在1988年之后,海洋性大陆的影响趋于减弱,而赤道中东太平洋海温异常通过改变水汽条件影响我国南方冬季降水强度。     

Boreal summer continental monsoon rainfall and hydroclimate anomalies associated with the Asian-Pacific Oscillation

With the twentieth century analysis data (1901–2002) for atmospheric circulation, precipitation, Palmer drought severity index, and sea surface temperature (SST), we show that the Asian-Pacific Oscillation (APO) during boreal summer is a major mode of the earth climate variation linking to global atmospheric circulation and hydroclimate anomalies, especially the Northern Hemisphere (NH) summer land monsoon. Associated with a positive APO phase are the warm troposphere over the Eurasian land and the relatively cool troposphere over the North Pacific, the North Atlantic, and the Indian Ocean. Such an amplified land–ocean thermal contrast between the Eurasian land and its adjacent oceans signifies a stronger than normal NH summer monsoon, with the strengthened southerly or southwesterly monsoon prevailing over tropical Africa, South Asia, and East Asia. A positive APO implies an enhanced summer monsoon rainfall over all major NH land monsoon regions: West Africa, South Asia, East Asia, and Mexico. Thus, APO is a sensible measure of the NH land monsoon rainfall intensity. Meanwhile, reduced precipitation appears over the arid and semiarid regions of northern Africa, the Middle East, and West Asia, manifesting the monsoon-desert coupling. On the other hand, surrounded by the cool troposphere over the North Pacific and North Atlantic, the extratropical North America has weakened low-level continental low and upper-level ridge, hence a deficient summer rainfall. Corresponding to a high APO index, the African and South Asian monsoon regions are wet and cool, the East Asian monsoon region is wet and hot, and the extratropical North America is dry and hot. Wet and dry climates correspond to wet and dry soil conditions, respectively. The APO is also associated with significant variations of SST in the entire Pacific and the extratropical North Atlantic during boreal summer, which resembles the Interdecadal Pacific Oscillation in SST. Of note is that the Pacific SST anomalies are not present throughout the year, rather, mainly occur in late spring, peak at late summer, and are nearly absent during boreal winter. The season-dependent APO–SST relationship and the origin of the APO remain elusive.     

Influence of the Atlantic Multidecadal Oscillation on the Winter Climate of East China

The Atlantic Multidecadal Oscillation （AMO）, the multidecadal variation of North Atlantic sea surface temperature （SST）, exhibits an oscillation with a period of 65-80 years and an amplitude of 0.4℃. Observational composite analyses reveal that the warm phase AMO is linked to warmer winters in East China, with enhanced precipitation in the north of this region and reduced precipitation in the south, on multidecadal time scales. The pattern is reversed during the cold phase AMO. Whether the AMO acts as a forcing of the multidecadal winter climate of East China is explored by investigating the atmospheric response to warm AMO SST anomalies in a large ensemble of atmospheric general circulation model （AGCM） experiments. The results from three AGCMs are consistent and suggest that the AMO warmth favors warmer winters in East China. This influence is realized through inducing negative surface air pressure anomalies in the hemispheric-wide domain extending from the midlatitude North Atlantic to midlatitude Eurasia. These negative surface anomalies favor the weakening of the Mongolian Cold High, and thus induce a weaker East Asian Winter Monsoon.     

Sahel rainfall and decadal to multi-decadal sea surface temperature variability

Decadal Sahelian rainfall variability was mainly driven by sea surface temperatures (SSTs) during the twentieth century. At the same time SSTs showed a marked long-term global warming (GW) trend. Superimposed on this long-term trend decadal and multi-decadal variability patterns are observed like the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) and the inter-decadal Pacific Oscillation (IPO). Using an atmospheric general circulation model we investigate the relative contribution of each component to the Sahelian precipitation variability. To take into account the uncertainty related to the use of different SST data sets, we perform the experiments using HadISST1 and ERSSTv3 reconstructed sets. The simulations show that all three SST signals have a significant impact over West Africa: the positive phases of the GW and the IPO lead to drought over the Sahel, while a positive AMO enhances Sahel rainfall. The tropical SST warming is the main cause for the GW impact on Sahel rainfall. Regarding the AMO, the pattern of anomalous precipitation is established by the SSTs in the Atlantic and Mediterranean basins. In turn, the tropical SST anomalies control the impact of the IPO component on West Africa. Our results suggest that the low-frequency evolution of Sahel rainfall can be interpreted as the competition of three factors: the effect of the GW, the AMO and the IPO. Following this interpretation, our results show that 50% of the SST-driven Sahel drought in the 1980s is explained by the change to a negative phase of the AMO, and that the GW contribution was 10%. In addition, the partial recovery of Sahel rainfall in recent years was mainly driven by the AMO.     

基于信息流理论的因果分析在辨析大西洋多年代际振荡物理机制中的应用

大西洋多年代际振荡（AMO）是指发生在北大西洋的海表温度（SST）冷暖异常多年代际（50～80年）振荡的现象。通常AMO被认为是受大西洋经向翻转环流（AMOC）及其对应的海洋动力过程（经向热量输运）的影响。近年来有观点认为,AMO是大气随机热力强迫的产物,大气主导了海气间的热量交换进而影响AMO。弄清AMO和北大西洋海表热通量的因果关系是辨析AMO动力和热力驱动机制的关键。本文利用基于信息流理论的因果分析方法,研究了1880年以来观测的AMO与北大西洋海表热通量间的因果关系。结果表明,在多年代际尺度上,从AMO到海表热通量的信息流要远大于二者相反方向的信息流,这说明AMO是北大西洋海表热通量异常的因,海洋主导了海气间的热量交换。大气随机热力强迫机制无法解释AMO与热通量两者因果分析的结果。对泛大西洋地区的陆地气温和AMO指数进行分析,进一步表明由于海洋主导了海气热量交换,AMO的海温异常加热/冷却控制了绝大多数地区气温的多年代际变化。利用海温驱动的大气环流模式的模拟结果验证了AMO的海温异常对周边陆地气温强迫作用。本文的结果为辨析AMO的动力和热力驱动机制提供了新线索,进一步表明AMO并非是大气随机热力强迫的产物,海洋环流可能是AMO的主要驱动因子。     

奇异值分解和奇异交叉谱分析方法在华北夏季降水诊断中的应用

利用1965~2000年华北5省市及相邻省73个地面观测站逐月平均降水场及北半球500 hPa高度场、北太平洋海温场资料, 采用奇异值分解 (SVD)、奇异交叉谱 (SCSA) 分析方法, 将华北夏季降水场分别与1月北半球500 hPa高度场、冬季北太平洋海温场进行了诊断分析, 得出奇异向量分布型及相互作用的耦合周期信号。在对前4对奇异向量的分析中发现, 华北夏季降水全区域为正距平时与1月北半球500 hPa高度场PNA遥相关型关系非常密切。ENSO对华北夏季降水的影响确实存在, 但华北夏季降水全区域为正距平时与冬季北太平洋ENSO关系并不明显。同时还找出了华北降水与北半球500 hPa高度、北太平洋海温场相互作用的关键区。在华北各型降水与高度场、海温场关键区相互作用的耦合周期中, 前者以准2~7年振荡为主; 后者则周期较长, 最短周期仍为准2年振荡, 最长周期为准10~11年振荡。以上结论为进一步研究华北夏季降水短期气候预测方法, 提供了参考依据。     

中国东部夏季降水型的年代际变化及其与北太平洋海温的关系

采用中国160站降水资料、NOAA ERSST海温资料以及ERA－40大气再分析资料, 分析了中国东部夏季降水型的年代际变化特征及其与北太平洋海温的可能联系。结果表明: 中国东部夏季降水型在近50年中经历了两次年代际变化, 第1次发生在20世纪70年代中后期, 北太平洋中纬度地区冬季海温由正距平向负距平转变, 太平洋年代际振荡(PDO, Pacific decadal oscillation) 由负位相向正位相转变, 通过影响东亚夏季风环流, 使东亚夏季风减弱, 中国东部夏季降水从北到南呈现出“＋－＋” 转变为“－＋－”的三极分布形态, 这次年代际变化体现了同一模态正负位相的转变; 第2次发生在20世纪80年代末90年代初, 北太平洋海温转变为日本以南西北太平洋的正距平分布, 同时菲律宾群岛附近海温偏暖, 西太平洋副热带高压偏南偏西, 使得中国东部夏季降水由北至南转变成“－＋”的偶极分布形态, 这次年代际变化体现了一种模态向另一种模态的转变。