不同年代际背景下AO与冬季中国东北气温的关系

采用1951—2006年北极涛动指数序列、NCEP/NCAR再分析资料和我国160站气温资料,利用滑动相关分析研究了不同年代际背景下北极涛动与冬季中国东北气温年际异常关系的变化情况。结果表明,两者的关系在20世纪60年代中后期显著增强,在80年代中后期减弱。不同年代际背景下,与AO相关联的中高纬度大气环流异常发生的明显改变是AO与东北冬季气温关系发生年代际变化的原因。强相关年代,西伯利亚高压与阿留申低压均明显减弱,东亚冬季风偏弱,对流层中下层异常东南风控制东北地区,对流层中层东亚大槽明显减弱,环流的经向性减弱,使该地区冬季气温偏高;相关较弱的年代则以上表现不明显。     

东亚冬季风对ENSO事件的响应特征

基于美国NOAA在ENSO诊断分析中使用的海洋Ni?o指数 （Oceanic Ni?o Index, 简称ONI）,将1950～2005年冬季分成强El Ni?o、强La Ni?a、弱El Ni?o、弱La Ni?a和没有发生ENSO事件5类,用分类合成方法研究了冬季东亚大气环流对ENSO事件的响应。结果表明,在低纬度,大气环流对ENSO事件的响应具有较明显的准线性特征,即大气对海洋暖事件与冷事件的响应大致是反位相的,对弱ENSO事件的响应与强ENSO事件相似但强度较弱。中高纬度大气环流与ENSO事件也有一定的联系,但同等强度暖事件与冷事件下大气环流距平场上的系统分布没有呈现明显的反位相,表明大气对海温异常的响应是复杂的。强El Ni?o事件时大气的响应信号显著,主要表现在东亚中高纬西风气流增强, 亚洲北部地区气温偏高,距平风场上的切变线从长江中下游向东伸展,菲律宾海距平反气旋西北侧的偏南气流和南支槽前西南气流加强,其共同作用使南海和中国东南沿海出现显著的偏南风距平;强La Nia事件时,长江中下游向东伸展的脊线不明显,中国南方至南海处于偏北风距平区,但通过统计检验的范围减小;弱El Ni?o事件时,菲律宾海距平反气旋西北侧的西南气流偏东,与南支槽前西南气流分开,使得华南和南海的偏南风距平没有强El Ni?o时显著; 弱La Ni?a事件时,西风带纬向气流减弱,亚洲北部地区气温偏低。对ONI指数与亚洲北部温度指数（NTI）的散点图的分析显示,9个强El Ni?o冬季中有8年亚洲北部温度距平偏高,7个弱El Ni?o冬季中只有1年温度偏高;8个强La Ni?a冬季有4年温度偏低,12个弱La Ni?a冬季中有11年温度偏低;亚洲强暖冬和强冷冬的发生与ENSO事件的联系不紧密。     

ENSO对中国南方降水低频变率的可能影响

利用1979—2012年Hadley中心海表温度、中国2 474个台站逐日降水和NCEP/NCAR全球再分析资料,分析了不同类型ENSO事件秋冬季和次年春季中国南方地区10~30 d降水低频变率的变化特征。结果表明,中国南方地区10~30 d降水低频变率对不同类型ENSO事件的响应存在显著的季节差异。EP型El Ni1o的冬季和次年春季,低频降水变率显著增强; CP型El Ni1o秋冬季低频降水强度呈现相反的异常,秋季低频降水偏弱,而冬季则偏强; La Ni1a事件期间中国南方低频降水变率的变化较小且不稳定。进一步分析发现,ENSO对南方地区10~30 d低频降水变率的影响与西北太平洋地区季节平均大气环流背景场对ENSO的响应密切相关。相比正常年份,EP型El Ni1o冬春季菲律宾反气旋性异常环流的强度较强且范围较大,其西侧的异常西南风向中国南方地区输送了大量水汽,从而有利于低频降水的增强; CP型El Ni1o年秋季西北太平洋表现为气旋性环流异常,抑制了热带水汽向东亚大陆的输送,而冬季却产生了与EP型El Ni1o年类似的异常反气旋环流,只是强度有所减弱,因此中国南方地区低频降水强度在秋冬季呈相反异常。La Ni1a年菲律宾附近虽然存在气旋性环流异常,但强度较弱,因而我国南方地区低频降水变率的响应也较弱。     

Hadley环流强度与中国东部气温的相关分析

利用NCEP / NCAR再分析月平均风场资料和国家气候中心提供的中国160个气象站的月平均气温资料,选用质量流函数计算方法描述平均经圈环流,用环流中心值大小表征其强度,分析1951-2010年Hadley环流强度趋势变化及其与中国东部气温的关系。结果表明：质量流函数能较好地表征平均经圈环流特征,且环流中心值大小能形象地反映环流强度。近60 a来,冬季北半球Hadley环流强度呈线性增强的趋势;夏季南半球Hadley环流强度在20世纪80年代初发生了由减弱趋势转变为显著增强趋势的年代际转折。中国东部大部分地区气温的年代际变化能很好地被Hadley环流强度变化解释,二者呈正相关关系,但显著相关区域随季节变化有所不同。     

ENSO与北半球冬季大气环流异常年代际关系的数值模拟

利用NCAR/CCM3大气环流模式,模拟不同海温背景场强迫下,北半球冬季大气环流对ENSO事件的响应。结果表明,模式能够模拟出不同海温背景场下,北半球冬季大气环流对ENSO事件的不同响应,模拟结果与诊断结果基本一致。在20世纪70年代末之后的平均海温背景场强迫下,El Nio对阿留申低压的加强作用比70年代末之前更明显,而ENSO暖位相对蒙古高压的作用则由70年代末之前的轻微减弱变为明显加强。虽然70年代末以后ENSO事件的强度比70年代末之前有所增大,但ENSO对东亚大槽和东亚冬季风的减弱作用反而不再那么明显;同时在高空风场中,由ENSO激发出的PNA型异常环流在70年代末以后明显加强。     

两类中太平洋El Nio特征的对比分析

利用1979—2012年逐月Hadley中心海表温度、欧洲中期天气预报中心次表层海温、NCEP/NCAR风场再分析资料,对两类中太平洋(CP)El Nio及耦合的大气环流特征进行分析。结果表明,第一类CP El Nio(CP-ⅠEl Nio)增暖中心位于Nio4区且关于赤道对称;第二类CP El Nio(CP-ⅡEl Nio)的Nio4区与热带东北太平洋区域(NEP,130~110°W、15~25°N)同位相变化,冬季成熟后形成关于赤道非对称的带状增暖结构。进一步的研究表明,两类CP El Nio次表层结构存在差异:CP-ⅠEl Nio冬季次表层海温异常(SOTA)在中东太平洋与西太平洋呈显著偶极分布;CP-ⅡEl Nio在中、西太平洋位相相反但东太平洋异常较弱,且经向异常主要在赤道及其以北。两类CP El Nio耦合的大气环流特征不同:CP-ⅠEl Nio冬季异常Walker环流上升中心位于赤道上空,经向风向赤道辐合,低纬地区Hadley环流加强;CP-ⅡEl Nio冬季低层向北越赤道气流加强,Walker环流上升中心移到赤道以北,低纬地区Hadley环流减弱。     

El Ni?o和La Ni?a冬季增强型和减弱型及其对中国夏季旱涝的影响

根据El Ni?o和La Ni?a发生以后冬季赤道东太平洋海温距平的月际差定义了El Ni?o和La Ni?a冬季增强型和冬季减弱型, 讨论了El Ni?o和La Ni?a冬季增强型和减弱型冬、春、夏季大气环流、东亚季风及我国夏季降水和旱涝分布的特征.我国夏季降水和旱涝有明显差异的四种不同分布型可能与冬季所处ENSO循环的不同阶段以及大气环流和东亚季风对它的不同响应有关.提出了从El Ni?o和La Ni?a冬季不同型→大气环流和东亚季风→我国夏季降水和旱涝分布型的物理统计概念模型.     

ENSO与北半球冬季大气环流异常的年代际关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和CPC(气候预测中心)Nino3-4区海表温度序列,研究了1950/1951-2002/2003年冬季ENSO事件与北半球大气环流的相互关系及其年代际变化.结果表明:北半球大气环流对ENSO事件的响应在1978/1979年有一个明显的跃变.跃变后,低纬中高层大气环流对ENSO事件的响应明显减弱,其中东南亚的减弱最为明显,而低层大气环流对ENSO事件的响应则有所增强;东半球中高纬大气环流异常与ENSO事件关系明显减弱;西半球中高纬大气环流与ENSO事件的关系加强.     

局域Hadley环流及其与太平洋SST异常的联系

使用1979—2001年ERA-40月平均经向风计算了季风区(60～140°E)及Nio区(160°E～120°W)的质量流函数,并分析了两区Hadley环流的气候特征和强度变化,研究了Hadley环流强度与太平洋海表温度的联系。结果表明:(1)季风区气候态Hadley环流强于Nio区,环流位置偏北,夏半年尤为明显,造成差异的主要原因是海陆分布不均和赤道东太平洋冷水区的存在;(2)局域Hadley环流强度有明显的年际变化,23年来两区强度大致呈反相变化;(3)局域Hadley环流强度与太平洋海表温度关系密切,1月季风区(Nio区)环流强度与赤道中、东太平洋的Nio综合区海表温度负(正)相关,而与围绕着Nio综合区的c型区域海表温度正(负)相关,7月与1月的相关型基本一致,负相关比1月弱,特别是季风区;(4)ENSO事件对两区Hadley环流强度有不同影响,El Nio事件时季风区Hadley环流减弱、Nio区Hadley环流增强;La Nia时刚好相反,且Nio区的异常更明显。     

热带太平洋次表层海温异常年代际变率及其对中国气候异常的影响

利用近50年月平均的SODA海洋同化资料和NCEP大气再分析资料,研究了热带太平洋次表层海温异常(SOTA)年代际变率主要分布型以及与之相关的亚洲-北太平洋-北美地区上空异常大气环流场,并揭示了类ENSO模态与中国气候异常之间的联系.得到主要结果:(1)热带太平洋SOTA年代际变率有两种类ENSO模态.第一模为类ENSO事件成熟期热带太平洋年代际SOTA状态;第二模为类ENSO过渡期热带太平洋年代际SOTA状态.二者组合构成类ENSO事件40年左右及其背景下13年左右的周期振荡.(2)类ENSO事件对亚洲-北太平洋-北美上空中高纬和副热带大气系统年代际变化具有重要影响.类El Ni(n)o成熟期间冬季,中高纬地区大气环流经向型发展,贝加尔湖高压脊加强,西太平洋副高偏强、位置偏西,蒙古高原为较强的异常反气旋环流.类El Ni(n)o衰退期(类La Ni(n)a发展期)夏季,贝加尔湖低压槽加深,乌拉尔山高压脊加强,西太平洋副高偏弱,新疆-河套地区为较强的异常反气旋环流距平.类La Ni(n)a事件时相反.(3)热带太平洋类ENSO事件通过影响中高纬和副热带大气系统,造成中国北部地区上空南风距平的年代际变化,进而导致东亚季风和中国气候异常.类El Ni(n)o事件成熟期,中国北部地区上空多异常偏北风,东亚季风弱,华北少雨,长江中、下游多雨;类El Ni(n)o衰退(类La Ni(n)a发展)期,中国北部地区上空亦为异常偏北气流,东亚季风较弱,华北少雨.中国气候异常型主要取决于类ENSO第一模态,而第二模态主要视位相异同来加强或减弱第一模态.两个类ENSO模态的共同作用导致1978年前后中国气候跃变和华北地区持续20余年的干旱.近期类ENSO模的振荡从1998年左右开始转为类La Ni(n)a模态,大致在2018年左右结束.在此期间,华北降水有望增加,长江中、下游降水可能减少.     

ENSO空间形态变异对ENSO-IOD关系年代际减弱的可能作用

基于1979—2017年哈得来中心的逐月海表温度资料（HadISST）和美国环境预报中心/美国大气研究中心（NCEP/NCAR）提供的大气环流再分析数据,研究了北半球秋季厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）与印度洋偶极子（IOD）关系的年代际变化特征及其可能原因。结果显示,ENSO-IOD关系存在显著的年代际变化:21世纪初期前,二者呈显著正相关,厄尔尼诺（拉尼娜）年秋季常对应显著的印度洋偶极子正（负）异常;21世纪初期以后,ENSO-IOD关系显著减弱,统计上不显著。进一步研究表明,ENSO空间型态的变异对于该关系的年代际减弱起重要作用。在第二时段（2004—2017年）,中部型厄尔尼诺事件和东部型拉尼娜事件频发,中部型厄尔尼诺事件与印度洋偶极子强度的关系与其纬向位置密切相关,与其强度的线性关系较弱;而东部型拉尼娜事件,由于海温距平位置偏东（位于赤道东太平洋冷舌区）,在偏低的气候态海温作用下,其引起的大气局地响应很弱,对印度洋的遥强迫作用较弱,因而对印度洋偶极子强度的影响也较弱。在二者的共同作用下,ENSO-IOD的关系发生了年代际减弱。      

两类ENSO对中国北方冬季平均气温和极端低温的不同影响

利用1961-2012年观测、再分析资料以及全球大气环流模式数值试验,探讨了中国北方冬季平均气温对于不同类型（即东部型和中部型）ENSO事件的气候响应,并分析了不同类型ENSO对极端低温事件的可能影响,重点关注了北大西洋涛动（NAO）在其中的桥梁作用。结果表明,ENSO信号能通过调制北大西洋地区的大气环流改变欧亚中高纬度地区的纬向温度平流输送和西伯利亚高压的强度,进而影响中国北方冬季气温,由于不同类型ENSO事件海温分布的差异,这种影响具有明显的非线性特征。在两类厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季,北大西洋涛动均呈现负位相,不利于北大西洋的暖湿空气向欧亚大陆输送,西伯利亚高压偏强,因而中国北方地区较气候态偏冷。中部型厄尔尼诺和东部型拉尼娜事件冬季气温负异常的显著区域分别位于东北大范围地区、内蒙古河套附近;东部型厄尔尼诺事件冬季显著的冷异常信号仅局限于黑龙江北部与大兴安岭地区;而中部型拉尼娜事件冬季虽伴随北大西洋涛动正位相,但其空间结构向西偏移,对下游中国北方地区气温的直接影响并不显著,可能受局地信号干扰较大。数值试验再现了北大西洋涛动以及中国北方冬季气温对不同类型ENSO的响应,进一步佐证了上述结论。此外,两类厄尔尼诺事件冬季中国东北地区日平均气温容易偏低,极端低温事件的发生频次增多;而两类拉尼娜事件对极端低温的影响较弱。      

两个典型ENSO季节演变模态及其与我国东部降水的联系

本文根据1950~2014年月平均海温和大气环流资料以及中国160站降水等资料,利用扩展经验正交函数（EEOF）分析、相关分析以及合成分析等方法,分析了太平洋海温季节演变的主导模态,并探讨了各模态与中国东部降水和东亚环流季节变异的关系及其联系的物理过程。结果表明,ENSO（El Ni?o/Southern Oscillation）季节演变存在2个主导模态,包含4种类型:El Ni?o持续型、La Ni?a持续型、La Ni?a转El Ni?o型和El Ni?o转La Ni?a型。发现不同模态和类型的ENSO季节变化过程我国东部降水距平的分布和强度都有明显差异。El Ni?o持续型和El Ni?o转La Ni?a型,冬春季和初夏均处在El Ni?o背景下,降水异常分布存在一定共性,但盛夏和秋季分别受El Ni?o和La Ni?a影响,降水异常分布差异十分明显,前者雨带北跳慢、位置偏南而后者雨带北跳快、位置偏北。La Ni?a持续型和La Ni?a转El Ni?o型也是如此,冬春季和初夏降水异常分布大致相似,但盛夏和秋季分别受La Ni?a和El Ni?o影响,前者雨带北跳快、位置偏北而后者雨带北跳慢、位置偏南。因此,利用ENSO做我国降水的气候预测时,不能只着眼于前期冬季El Ni?o或La Ni?a事件,还应考虑其未来演变所属的可能模态和类型。对他们之间联系的物理过程分析表明,不同ENSO季节演变模态和类型主要通过影响西太平洋副热带高压以及西风带经向型/纬向型环流调整及伴随的低纬暖湿水汽输送以及中高纬冷空气活动变化来影响我国东部降水。其中,西太平洋菲律宾群岛附近异常反气旋（或气旋）、赤道Walker环流和北半球Hadley环流分别是联系ENSO与西太平洋副热带高压活动和东亚西风带经向型/纬向型环流的重要环节。     

ENSO对中国冬季天气尺度气温变率的影响及可能机理

基于1960—2017年中国国家气象信息中心整编的753站逐日平均温度资料、美国国家海洋大气中心（NOAA）重建的逐月海表温度资料以及美国国家环境预测中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）提供的再分析大气环流资料,分析了ENSO对中国冬季天气尺度气温变率的影响。结果表明,ENSO与中国东部大部分地区的冬季天气尺度气温变率呈显著正相关,即厄尔尼诺年冬季,中国气温波动幅度增大,天气尺度气温变率明显较强;而拉尼娜年冬季,气温变化相对平稳,天气尺度温度变率较小。进一步研究发现,厄尔尼诺事件加强了冬季欧亚大陆中高纬度地区的经向温度梯度,根据热成风原理,局地大气斜压性增强,西伯利亚地区的风暴活动和下游东亚地区大气环流的天气尺度变异也随之加强,因而有利于中国大部分地区天气尺度温度变率的增大。拉尼娜年冬季,异常情况与之大致相反。      

两次不同ENSO背景下云南冬季极端冷事件的成因分析

2008年初和2016年初分别经历了一次中等强度以上的La Niña和El Niño事件,在不同的厄尔尼诺-南方涛动(El Niño/Southern Oscillation,ENSO)背景下,云南均发生了低温雨雪冰冻天气。本文利用大气环流、海表温度、云南124个观测站逐月温度等资料,通过多种统计方法探讨了不同ENSO背景下极端冷事件发生的原因。结果表明:1)2008年初和2016年初云南冬季极端冷事件在2月表现更明显。2)不同ENSO背景下,2月大气环流和云南气温变化差异较大。La Niña(El Niño)年西伯利亚高压加强(减弱),位势高度场北(西)高南(东)低,西太平洋副高偏弱(强),菲律宾异常(反)气旋西北侧异常北(南)风加强,东亚冬季风偏强(弱),云南东部气温偏低(高)。3)2008年和2016年的东北太平洋大气环流异常对赤道中东太平洋海温异常均有响应,同时2008年赤道中东太平洋冷海温作用激发的菲律宾气旋西部偏北气流对东亚冬季风的加强和向南活动有重要影响,而2016年赤道中东太平洋暖海温对菲律宾地区环流变化的影响并不显著。4)北极涛动(Arctic Oscillation,AO)和北极海冰变化对2008年2月和2016年2月西伯利亚高压的加强的影响表现出一定的差异特征,2月AO负位相变化对2008年西伯利亚高压的加强影响较大,而2月北极海冰偏少对2016年西伯利亚高压加强的影响显著。     

El Nio事件次年中国东部夏季气温分布特征研究

利用Had ISST和NCEP/NCAR再分析资料,采用统计学方法分析了1949年以来El Nio事件次年夏季中国东部气温分布特征。结果表明,混合型El Nio次年夏季,中国东部气温距平表现为山东—淮河流域及华南沿海出现负距平,其余地区为正距平;东部型,则表现为中国东部地区整体的负距平气温,且北方降温幅度明显大于长江以南地区;中部型,主要表现为长江以北气温负距平远大于长江以南。结合环流形势分析发现,三类El Nio事件次年夏季的赤道地区(5°S~5°N)异常纬向垂直环流均表现为三圈型,但3类异常Walker环流不仅强度有差异,纬向范围也有所不同。500 h Pa上西太平洋副高的强度和范围,是造成三类El Nio事件次年夏季中国东部地区气温距平分布差异的主要原因之一,850 h Pa上西南暖湿气流的输送对其也存在明显影响。     

秋季北极海冰对EP型ENSO的非线性响应

利用1961—2015年Hadley中心逐月海表温度资料、海冰密集度资料以及NCEP/NCAR再分析资料,探讨了秋季北极海冰对于EP型ENSO事件的异常响应,并进一步研究了这种异常响应的可能原因。结果表明,秋季北极海冰对EP型ENSO的响应具有非线性,特别是喀拉海海域(60°～90°E,70°～80°N)海冰无论在EP型El Ni?o或是La Ni?a位相,均表现为显著的负异常。进一步研究发现,不同ENSO位相造成该区域海冰异常偏少的机制有明显不同。EP型El Ni?o年秋季菲律宾附近海域对流活动被抑制,所激发的经向波列在高纬地区形成异常反气旋环流,其南风分量向喀拉海输送暖平流,造成海冰异常偏少。而EP型La Ni?a年喀拉海海域则主要受到来自大西洋开放性海域西风异常的影响,合成结果和个例年均显示EP型La Ni?a年秋季北大西洋上空存在一个显著的西风急流中心,有利于北大西洋开放性海域较暖海水向下游输送,进而影响喀拉海海冰。这些结果表明,热带外地区大气环流场对EP型ENSO的非线性响应导致了喀拉海海冰对EP型ENSO事件的响应也表现出明显的非线性。     

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。