中国冬半年极端低温事件的时空特征及其与东亚冬季风的关系

利用1961～2012年全国553站逐日最低气温资料,根据百分位值法,定义了不同台站的极端低温阈值,并统计分析了逐年逐站发生极端低温事件的频数,并且使用经验正交函数分解(EOF)的方法对其时空变化特征进行了研究。研究结果表明:近51年来,我国冬半年极端低温事件总体呈明显的减少趋势,但仍存在明显的时空差异。EOF分析结果显示我国极端低温事件发生频率主要存在3种空间模态,即空间一致型和南北振荡型以及东西振荡型。并且对PC1(第一主分量)时间序列作突变检验的结果表明,我国冬半年极端低温事件频数在1986年前后存在明显突变现象,这与1986年前后东亚冬季风发生年代际突变时间点一致。进一步相关回归分析结果表明,我国冬半年极端低温事件频数与东亚冬季风指数存在很好的相关性,这可能与西伯利亚高压的变化有显著的联系,即冬半年西伯利亚高压强时,极端低温事件发生较多,反之亦然。分析的结果表明,1986年前后,中国冬半年极端低温事件发生频次的突变可能与西伯利亚高压的南移并且减弱有关。     

江西地区冬半年极端低温事件主模态及环流特征

基于1961—2022年江西日最低气温观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,首先极端低温阈值,分析极端低温事件发生频次的分布特征;再利用经验正交函数(EOF)获得极端低温事件发生频次的主模态,分析相应的关键环流系统特征。结果表明：江西省大部分地区冬半年极端低温阈值在0℃以下,南北分布差异较明显。极端低温事件发生频次在空间上具有很好的一致性,在1985年前后由偏多转为偏少的年代际振荡。极端低温发生频次主模态的变化受冬季风系统关键成员的影响显著,东亚冬季风偏强、西伯利亚高压偏强、东亚大槽加深、副热带西风急流偏强都利于江西地区出现极端低温事件。     

1955—2006冬半年中国极端低温的时空变化特征

采用1955—2006年全国275个台站冬半年逐日最低气温资料,对中国冬半年极端低温的时空特征和变化趋势进行了分析。结果表明：在全国范围内冬半年极端低温频数变化一致,均呈减小趋势,1983年前后发生了明显的突变;近52 a来最显著的减小趋势位于华北、长江中下游及江南地区,最不显著的减小趋势位于河套地区,较弱的减小趋势位于四川盆地和云贵高原地区;中国冬半年年极端低温事件频数的空间差异明显,各区域极端低温频数突变的年份均不一致,各区域突变前后的极端低温频数存在较大差异,但近年来,各区域冬半年极端低温频数变化均趋于稳定。     

北半球大气环流及其冬季风的年代际变化对青藏高原冬季降雪的影响

对1961~2010年间北半球大气环流背景异常变化及其东亚冬季风指数(东亚大槽位置指数-CW、西伯利亚高压指数-SH)与青藏高原降雪之间在年代际尺度上的相关关系进行了分析,结果表明:北半球冬季行星波年代际尺度上的异常导致了青藏高原地区冬季降雪在年代际尺度上的变化,北半球行星波"冬三(波)"流型的年代际尺度变化是青藏高原地区冬季降雪年代际尺度上增加/减少的环流背景;青藏高原冬季降雪与东亚冬季风之间也存在着年代际尺度上的显著相关。相对于1961~1986年间的冬季风减弱,青藏高原地区冬季降雪量呈现出增加趋势。结果也指出,青藏高原地区的冬季降雪、CW和SH在1986年前后存在一次显著的突变;突变后北半球冬季三波流型明显增强,青藏高原地区的降雪也相应发生了由多到少的变化。     

我国东北地区冬季气温变化的东亚冬季风背景

利用中国气象局国家气象信息中心1961—2011年我国东北地区72个气象站月平均气温资料及NCEP/NCAR月平均海平面气压、500 hPa高度场及200 hPa与850 hPa风场再分析资料,对东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温序列经去除线性趋势处理后的变化特征进行对比分析。结果表明:去除线性趋势后,东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温序列的相关系数为-0.69,较原始序列更为显著;两者变化的阶段性较为同步,我国东北地区冬季气温于2004年已转入低温阶段,这与东亚冬季风同时转为偏强阶段关系密切;两者均存在20年左右的长周期,同样存在相近的阶段性短周期;我国东北地区冬季气温的增温变化趋势在1986年前后的增暖性气候突变中起重要作用。东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温年代际信号的相关系数达-0.86,较原始序列年代际相关更为显著;两者的年代际变化存在21.5年左右的共同准周期。东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温的年际变化序列存在4年左右的共同准周期。我国东北地区冬季气温的年际和年代际异常存在与东亚冬季风相关联的200 hPa东亚急流、500 hPa东亚大槽、乌拉尔高压、850 hPa风场、地面西伯利亚高压等的异常背景。     

东北夏季极端低温的变化特征及其与太平洋海温异常的关系

利用1958—2007年全球海温、位势高度月平均资料和中国东北地区64个测站的夏季地面气温等资料,分析了中国东北地区夏季极端低温的时空变化特征,及其与大气环流和海温异常之间的关系,研究结果如下:(1)近50a来中国东北夏季极端低温事件频数在年际变化的时间尺度上主要存在两种模态:全区一致变化型和南北反相变化型;(2)东北夏季极端低温频数与乌拉尔山高压,东亚大槽,阿留申低压,东北冷涡密切相关;(3)东北夏季极端低温与赤道东太平洋海温存在遥相关关系。在1990s初期以前,在E1 Nino发生年或翌年基本都对应东北夏季极端低温年,但1990s初期开始,El Nino发生年与东北地区夏季极端低温的对应关系遭到破坏;(4)东北夏季极端低温事件频数的年际变化与西太平洋暖池海温异常密切相关。进一步研究表明西太平洋暖池海温异常会影响东北地区上空的环流,致使东北夏季极端低温异常。     

东亚冬季风变化若干统计事实

利用EOF（VEOF）分析方法对1956-2005年东亚冬季风和大气环流场的统计特征进行了分析。结果表明：东亚冬季风存在2个模态,其中第2模态变化在冬季风年代际变化和长期变化趋势中起着较重要的作用;冬季风以及大气环流年代际异常在1980年前后发生了突变;冬季风的年代际变化与中国冬季气温、降水年代际关系密切。     

东北春季极端低温的变化特征及其与大西洋海温的关系

利用1958—2007年全球海温、位势高度场月平均资料和我国东北地区64个测站的春季地面气温资料,分析了我国东北地区春季极端低温的时空变化特征及其与大气环流和海温异常的关系。结果表明：近50a来,我国东北春季极端低温事件频数整体呈减少趋势;极端低温频数主要存在全区一致变化型和南北反相变化型两种模态;极端低温事件频数与北极涛动存在显著负相关关系,同时在极端低温多年,极涡较弱,乌拉尔山阻塞高压偏强,东北冷涡较强,反之亦然;影响我国东北地区春季极端低温的关键海区为中北大西洋海区,极端低温多年,中北大西洋海温较常年偏冷,反之则中北大西洋海温较常年偏暖。这对于预测东北春季极端低温事件的年际变化具有很好的指示意义。数值试验结果表明,中北大西洋海温异常可激发欧亚波列,致使中国东北温度异常。     

2013/2014年东亚冬季风异常偏弱的可能成因

2005年之后东亚冬季风连续7年强度偏强,而2013/2014年冬季,东亚冬季风强度突然由强转弱,原因可能与前期秋季北极海冰的异常有关,受2013年秋季北极海冰异常影响,冬季西伯利亚高压偏弱,进而导致东亚冬季风偏弱以及我国气温偏高。季内,东亚冬季风强度变化显著,前冬偏弱,后冬偏强。受冬季风季节内变化影响,我国前冬暖、后冬冷;此外,前冬暖、后冬冷还受到北太平洋上空阻塞高压的异常活动影响,北太平洋地区的阻塞高压加强西移至日界线以西,导致东亚地区经向型环流加强,改变了前冬以纬向型为主的环流,前冬高纬地区堆积的冷空气向东亚地区侵袭。加之,前冬我国气温偏高,导致后冬我国多地降温显著,气温由偏高转偏低。而阻塞高压的西移可能与平流层环流的异常活动有关。     

SVD相空间分析方法及其在海气耦合关系中的初步应用

利用非线性动力学中的相空间概念和场诊断分析中的SVD技术,提出了一种SVD相空间分析方法.应用该方法研究了热带太平洋E1 Nino区SST与东亚500 hPa环流场的关系.结果表明这种SVD相空间分析,优于EOF相空间分析,它不仅能在两个场耦合联系的基础上分析两场自身的变化过程和状态特征,而且能够揭示两场之间的内在相互联系;前期冬半年东亚冬季风异常偏强(弱)时,将导致未来El Nino(La Nina)事件的发生;前期El Nino(La Nina)事件,将导致未来冬半年东亚冬季风异常弱(强);由此建立了东亚冬季风与El Nino(La Nina)事件相互作用的概念模型,指出了东亚冬季风异常变化与El Nino(La Nina)事件互为双方发生发展的重要机制.     

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。     

东亚冬季风综合指数及其表达的东亚冬季风年际变化特征

本文通过多变量经验正交函数展开 (multivariate EOF, 简称 MV-EOF) 研究了东亚冬季风各系统成员的协同关系, 再运用单变量EOF定义单个系统的强度系数。从而给出能够反映东亚冬季风各主要特征及其年际变化、同时包含西伯利亚高压、东亚大槽和纬向风经向切变信息的强度指数 (EAWMII)。分析表明, 这个新指数EAWMII能够很好地反映东亚冬季风在20世纪80年代中期的减弱信号, 并且与大气环流场以及东亚冬季表面温度的变化均显著相关, 能够在很大程度上表征东亚冬季风的综合特征。此外, EAWMII与北极涛动 (Arctic Oscillation, 简称AO) 指数、北太平洋涛动 (North Pacific Oscillation, 简称NPO) 指数和Nio3.4指数相关显著。分析还表明AO和NPO影响东亚冬季气候的区域有所不同: AO主要影响欧亚大陆中、高纬、我国东北以及日本北部等地区, NPO则主要影响华南、华东、朝鲜、韩国以及日本中南部及其附近海域。并且, AO很可能可以通过影响NPO进而影响东亚冬季风。     

东亚冬季风气候变异和机理以及平流层过程的影响

本文综述了近几年来关于东亚冬季风变异特征和机理方面的研究,特别对平流层过程对东亚冬季风和气候异常的可能影响作了回顾和进一步分析.东亚冬季风的变异除了季风强弱变化外,还有东亚冬季风的路径变化;研究表明,前者往往对应全国气温一致的变化,而后者可以引起我国气温的南北反相振荡,并导致东亚冬季风变异存在南北两个子系统.此外,进入本世纪后,东亚冬季风的建立推迟,并且东亚冬季风在盛期明显减弱,但冬季风活动在早春比以往要更为活跃,这些变化与冬季气温南北反相变化也有密切的联系.进一步的分析揭示出东亚气温的南北反相变化是东亚冬季风变异的主要模态之一,而且它与平流层极涡强度密切相关.当异常的平流层极涡向下传播时,可以引起对流层低层北极涛动(AO)的异常以及西伯利亚高压的异常,并在东亚地区出现南北反相的温度变化.有关东亚冬季风变异的成因研究表明,上世纪70年代中后期以后,热带厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的影响变弱,而中高纬的北太平洋涛动(NPO)和乌拉尔地区阻塞强度的影响显著增强,相关研究还揭示了这些变化的原因.此外,东亚冬季风在1987年以后的持续减弱主要与准定常行星波活动年代际变化有关,行星波活动通过波流相互作用可以影响AO以及西伯利亚高压和阿留申低压,从而导致冬季风异常.最后,本文还讨论了太阳活动11年周期变化对东亚冬季气候异常的可能影响和过程.     

冬季北极涛动和华北冬季气温变化关系研究

利用北极涛动指数（AOI）、NCEP／NCAR40a再分析资料中的海平面气压（SLP）、850、500、200hPa等压面高度场资料及中国160站月平均气温资料，运用小波分析，经验正交函数（EOF）分析等方法，分析了华北冬季气温和冬季北极涛动指数的变化特征及其关系。结果表明它们之间存在有着显著相关，特别是在年代际尺度上关系尤其密切。华北在20世纪70年代初以前为持续冷冬，80年代中期之后变为持续暖冬，其间相对正常，而冬季北极涛运指数亦存在类似的3个阶段，冬季北极涛动高（低）低数年，华北地区为暖（冷）冬年。其原因在于，北极涛动在于对流层低层和高层都可激发类似EU遥相关型的异常，通过影响西伯利亚高压和东亚大槽影响华北地区气温。强（弱）涛运年大气环流具有弱（强）东亚冬季风特征，西伯利亚高压减弱（增强），亚洲大陆地面东北风减弱（增强），高空东亚大槽减弱（增强）。     

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.     

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。     

1961—2019年黑龙江省冬季气温季节内变化及环流异常特征

利用1961—2019年黑龙江省冬季气温、NCEP再分析资料和环流指数资料,采用多变量经验正交函数分解、合成分析、相关分析等方法,分析黑龙江省冬季气温季节内变化及其环流异常特征,并进一步对比了主要环流因子在冬季气温季节内演变不同模态中的相对贡献。结果表明: 季节内变化是黑龙江省冬季气温变化的基本特征。黑龙江省冬季气温存在季节内一致变化、12月和翌年1—2月反位相变化、12月至翌年1月和2月反位相变化三个主要模态。当冬季气温处于第一模态分布一致偏暖（冷）时,环流呈现北极涛动（AO）正（负）位相的分布特征,东亚冬季风（EAWM）偏弱（强）。当冬季气温发生季节内冷暖转换时,季内极涡、高空急流、西伯利亚高压（SH）和EAWM强度、中高纬环流经向度等均有明显调整。第二模态1月和第三模态2月环流场分别呈现类似极地欧亚型（PEA）和东大西洋型（EA）遥相关的分布特征。AO、SH、EAWM、PEA和EA是冬季气温季节内演变的重要影响因子。     

Projections of the East Asian Winter Monsoon under the IPCC AR5 Scenarios Using a Coupled Model: IAP-FGOALS

Responses of the East Asian winter monsoon(EAWM) in future projections were studied based on two core future projections of CMIP5 in coordinated experiments with the IAP-coupled model FGOALS2-s.The projected changes of EAWM in climatology,seasonality,and interannual variability are reported here;the projections indicated strong warming in winter season.Warming increased with latitude,ranging from 1 C to 3 C in the Representative Concentration Pathways simulation RCP4.5 projection(an experiment that results in additional radiative forcing of ～4.5 W m 2 in 2100) and from 4 C to 9 C in the RCP8.5 projection(an experiment that results in additional radiative forcing of ～8.5 W m 2 in 2100).The northerly wind along the East Asian coastal region became stronger in both scenarios,indicating a stronger EAWM.Accordingly,interannual variability(described by the standard deviation of temperature) increased around the South China Sea and lower latitudes and decreased over eastern China,especially in North China.The two EAWM basic modes,defined by the temperature EOF analysis over East Asia,were associated with the Arctic Oscillation(AO) and stratospheric polar vortex.The future projections revealed more total variance attributable to the secondary mode,suggesting additional influences from the stratosphere.The correlation between AO and the leading mode decreased,while the correlation between AO and the secondary mode increased,implying increased complexity regarding the predictability of EAWM interannual variations in future projections.     

Analysis of the Decadal and Interdecadal Variations of the East Asian Winter Monsoon as Simulated by 20 Coupled Models in IPCC AR4

Using the output data of 20 coupled climate models used in IPCC AR4 and observational data from NCEP, the capability of the models to simulate the boreal winter climatology of the East Asian sea level pressure, 850-hPa wind, and surface air temperature; the decadal variations of the East Asian winter mon- soon (EAWM) intensity and EAWM-related circulation, and the interdecadal variations of EAWM-related circulation are systematically evaluated. The results indicate that 16 models can weakly simulate the declin- ing trend of the EAWM in the 1980s. More than half of the models produce relatively reasonable decadal variations of the EAWM-related circulation and the interdecadal di?erences of EAWM-related circulation between the boreal winters of 1960-1985 and 1986-1998, including the weakened Siberian high, Aleutian low, and East Asian trough, the enhanced Arctic oscillation and North Pacific oscillation, and a deepened polar vortex. It is found that the performance of the multi-selected-model ensemble in reproducing the spatial dis- tribution of the variations is encouraging, although the variational amplitudes are generally smaller than the observations. In addition, it is found that BCCR_BCM2.0, CGCM3.1_T63, CNRM_CM3, CSIRO_MK3.0, GISS-ER, INM_CM3.0, and MRI_CGCM2.3.2 perform well in every aspect     

中国冬季暖夜频率变化特征及其与海温的关系

采用排除台站迁移对逐日资料均一性影响的中国201个台站1960—2009年冬季逐日最低气温资料,NCEP/NCAR再分析的月平均500 h Pa位势高度场资料,及由NOAA重构的海温场资料,对中国冬季暖夜频率(frequence of warm winter night,FWWN)的时空变化特征及暖夜频率与全球海温的关系进行了分析。结果表明:近50 a中国冬季暖夜频率显著增加,并于1988年前后发生突变;冬季暖夜频率的变化幅度及趋势均是在西北地区东部最大,西南地区最小;中国冬季暖夜频率可以分为5个各自变化特征比较一致的区域;赤道印度洋到赤道西太平洋海区、黑潮区、北大西洋海区及南太平洋海区的海温指数均与中国冬季暖夜频率在全国大部分地区呈显著正相关;4个海区海温指数的异常年对应的大气环流场背景均能反映出它们分别与中国冬季暖夜频率呈正相关的事实。