2019年汛期气候预测效果评述及降水预测先兆信号分析

2019年汛期降水呈南多北少分布,主要多雨区位于东北和江南等地。3月发布的预报对江南、西南东部、东北东部、西北中部地区降水偏多和内蒙古中部及东北部的偏少均做了较好预测;5月发布的滚动预测将南方主要多雨中心南移,订正结果与实况更为一致。6月发布的盛夏预报及时加强了对东北地区降水趋势的订正,准确预测了东北地区降水明显偏多的特征。对南海夏季风、西南雨季、梅雨及华北雨季的季节进程预测也和实况一致。但2019年汛期降水预测也存在明显的不足之处：对长江中下游沿江降水异常偏少预测错误;对东北地区多雨的范围和异常程度估计不足。初步分析了2018—2019年冬季青藏高原积雪面积异常偏多、2018—2019年厄尔尼诺事件以及热带印度洋海温持续偏暖对长江中下游降水预测指示意义的失败,并与2018年外强迫信号及大气环流做了简单对比,指出汛期降水和传统影响因子不匹配、非对称的复杂性研究还需要深入开展。     

2019年汛期气候预测效果评述及降水预测先兆信号分析

2019年汛期降水呈南多北少分布,主要多雨区位于东北和江南等地。3月发布的预报对江南、西南东部、东北东部、西北中部地区降水偏多和内蒙古中部及东北部的偏少均做了较好预测;5月发布的滚动预测将南方主要多雨中心南移,订正结果与实况更为一致。6月发布的盛夏预报及时加强了对东北地区降水趋势的订正,准确预测了东北地区降水明显偏多的特征。对南海夏季风、西南雨季、梅雨及华北雨季的季节进程预测也和实况一致。但2019年汛期降水预测也存在明显的不足之处:对长江中下游沿江降水异常偏少预测错误;对东北地区多雨的范围和异常程度估计不足。初步分析了2018—2019年冬季青藏高原积雪面积异常偏多、2018—2019年厄尔尼诺事件以及热带印度洋海温持续偏暖对长江中下游降水预测指示意义的失败,并与2018年外强迫信号及大气环流做了简单对比,指出汛期降水和传统影响因子不匹配、非对称的复杂性研究还需要深入开展。     

2013年夏季内蒙古地区降水异常分析

利用1961—2013年内蒙古地区102个气象台站的观测数据和NCEP再分析资料,分析了内蒙古地区2013年夏季降水特征和降水异常的成因。结果表明:内蒙古夏季降水的整体特点是雨带偏北,6、7月全区大部降水偏多,8月降水强度、范围减弱、减小。大气环流特征为东亚夏季风强度偏强,西北太平洋副热带高压偏强偏北,北太平洋涛动处于负位相,鄂霍次克海阻塞高压稳定维持。受鄂霍次克海阻塞高压阻挡,西北冷空气在内蒙古东北地区堆积,而西北太平洋的反气旋环流又将水汽源源不断的输送到此地,冷暖气流交汇造成该地区降水极端异常。     

华南前汛期开始日期异常与大气环流和海温变化的关系

利用1961—2012年美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)的再分析资料、NOAA海温资料,CMAP降水资料和华南261个测站降水观测资料,首先分析华南前汛期开始日期(以下简称华南开汛)异常的气候特征,然后采用相关分析、合成分析的方法研究华南开汛异常与3—4月大气环流以及海温变化的关系。结果表明,近52 a来华南开汛具有显著的年际变化特征,但变化趋势不明显。开汛最早出现在1983年3月1日,最晚出现在1963年6月1日,1961—2012年华南平均开汛日期是4月6日。华南开汛主要出现在3—4月,占92.3%。华南开汛与3—4月华南降水相关最显著,开汛偏早(晚),对应华南3—4月降水偏多(少)。华南开汛偏早年,在3—4月,对流层高层副热带西风急流偏强,中层西太平洋副热带高压偏强偏西、低层南支槽偏强,华南上空西南气流偏强;华南开汛偏晚年则相反。华南开汛与3—4月中国南海及周边地区海温显著相关,海温偏低(高)对应华南开汛偏晚(早)。华南开汛偏晚年的海温和大气环流异常比早年显著。     

广西前汛期降水年代际变化与南半球印度洋海温的关系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料对广西前汛期降水年代际变化的环流差异及其与前期南半球印度洋海温的关系进行研究,结果表明:广西前汛期整体一致变化的降水分布型具有20年左右年代际振荡及3年左右的年际周期,桂南、桂北反相变化的降水空间型具有6年和准两年振荡.在前汛期降水偏多期,欧亚大陆地表温度偏高,热力作用增强,造成大陆热低压偏强,海陆差异加大,广西区域气柱不稳定性增强,上升气流显著增强,Hadley环流减弱,西太平洋副高及南亚高压减弱,南北半球越赤道气流增强,高原南侧南支槽气流加强,水汽输送增多,造成广西降水偏多;降水偏少期形势相反.相关分析表明前期2～3月南半球中纬度印度洋海温与广西前汛期降水年代际变化呈明显负相关,意味着南半球海温对广西前汛期降水年代际变化有调控作用,这种作用是通过海温异常影响越赤道气流从而影响亚洲季风的强弱而实现的.     

印度洋海温的偶极振荡与高原汛期降水和温度的关系

利用1961—2000年近40年印度洋海温距平场资料及对应的青藏高原35个观测站的降水与温度资料,通过相关普查得出,印度洋地区东西海温的偶极振荡与青藏高原汛期降水、温度有较好的相关关系,特别是前期1月、12月～2月的印度洋地区东西海温的偶极指数与青藏高原汛期(6～8月)降水和前一年6月的印度洋地区东西海温的偶极指数与青藏高原汛期(6～8月)温度有很好的相关。分析1961—2002年NCEP／NCAR 500hPa北半球高度场资料发现,印度洋地区东西海温的偶极指数与欧亚500hPa的高度场异常有密切的关系,并通过印度西南季风的强弱,影响到青藏高原汛期降水和温度的变化。     

华南夏季风降水开始日的异常与前冬大气环流和海温的关系

利用1951～2004年NCEP/NCAR再分析资料及ERSST海温资料,研究了华南夏季风降水开始日期的变化特征及其与前期冬季大气环流和海温的关系。小波分析表明,夏季风降水开始日期具有明显的年际和年代际变化,年际变化以准2～3年变化为主,年代际变化周期约16年。华南夏季风降水开始偏早年在大气环流上的前兆信号表现为前期冬季乌拉尔山阻塞高压偏强、东亚大槽较深,阿留申低压偏强,冷空气活动偏强。冬季,鄂霍次克海附近的海温异常为华南夏季风降水开始迟早有物理意义的、稳定正相关前兆信号。合成分析表明,冬季鄂霍次克海附近SST正异常时,5月100 hPa青藏高压偏东偏北偏弱,异常偏西风控制华南;850 hPa环流在华南表现为东北风,华南受冷空气影响为主,华南夏季风降水开始日期偏晚。相反时,若冬季鄂霍次克海附近SST负异常,5月100 hPa青藏高压偏西偏南偏强,异常偏东风控制华南;850 hPa环流在华南表现为偏南风,华南受热带系统影响为主,华南夏季风降水开始日期偏早。并提出冬季中高纬度地区冷空气活动影响华南夏季风降水开始日异常的物理机制。     

西太平洋暖池海温和山西盛夏降水关系研究

利用1961—2016年山西盛夏(7—8月)平均降水和同期NOAA重构海温资料,分析了山西盛夏降水分别与赤道中东太平洋海温和西太平洋暖池海温相关性的变化。结果表明:山西盛夏降水和赤道中东太平洋海温之间呈现稳定的显著负相关;和西太平洋暖池海温呈现正相关,并在20世纪70年代末到80年代初之后相关性加强,通过了0.05显著性检验。进一步分析表明,这种西太平洋暖池海温对20世纪80年代以来山西盛夏降水指示意义加强的事实,主要体现在赤道中东太平洋海温偏冷的背景下。西太平洋暖池海温异常通过影响与山西盛夏降水密切相关的大气环流、季风槽位置和东亚夏季风,导致山西盛夏降水异常。盛夏赤道中东太平洋海温偏冷时,西太平洋暖池海温偏暖(冷),通过遥相关引起中高纬度大气欧亚—太平洋型遥相关(EUP)和负太平洋—日本(PJ)波列,通过影响季风槽位置偏西偏北(偏东偏南),引起西太平洋副热带高压偏北(南)和季风指数偏小(大),导致山西盛夏降水偏多(少)。     

西太平洋暖池海温异常与中国夏季降水的关系

利用1951—2007年NOAA延长重构的海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和中国160站降水资料,研究了夏季西太平洋暖池海温的年际变化特征及其与中国夏季降水的关系。结果表明,夏季西太平洋暖池海温异常具有明显的年际变化特征;夏季西太平洋暖池海温异常偏高(低)时,亚洲热低压减弱(加强),西太平洋副热带高压加强(减弱)、位置偏西(偏东),850 hPa风场上中国东部地区为偏北(南)风距平,使得东亚夏季风减弱(增强),导致长江中下游地区夏季降水偏多(少)。     

梅州汛期暴雨频次异常与大气环流的关系

采用1961—2014年梅县气象站降水及NCEP再分析资料,应用统计学方法,探析梅州汛期暴雨频次异常与大气环流关系。结果表明:近54年来梅州汛期可分为2个多暴雨期和2个少暴雨期,2007年出现了汛期暴雨频次的突变。前汛期暴雨异常偏多年,200 h Pa南亚高压异常偏弱,500h Pa高纬地区高压脊偏强,南支槽活跃;850 h Pa西南风偏强,水汽充沛;南海及菲律宾以东洋面海温偏高,黑潮区海温偏低。后汛期暴雨异常偏多年,200 h Pa南亚高压偏强;500 h Pa华南处在偏强副高的南侧;850 h Pa南海上空为两股异常气流的切变区域,有利于南海季风槽的发展和维持;海温场与La Ni1a年的海温分布型相似,有利于影响梅州的热带气旋偏多。而前后汛期暴雨异常偏少年的各层形势均不利于强降水的发生。     

2012年我国夏季降水预测与异常成因分析

本文对2012年我国夏季降水的实况和预测进行简要回顾,发现2012年夏季降水大体呈北方涝、长江旱的分布,主雨带位于黄河流域及其以北,降水异常偏多的区域主要位于西北大部、内蒙古和环渤海湾,黄淮与江淮地区降水偏少,江汉至淮河上游一带干旱严重;预测的主雨带位于华北南部至淮河,较实况偏南。对我国北方降水异常偏多的成因分析表明:2012年夏季欧亚中高纬地区阻塞高压（简称阻高）强盛,同时东北冷涡活动频繁,中高纬500 hPa高度场从西至东呈“+-+”的分布,这种环流形势没有造成长江洪涝是因为东亚夏季风异常偏强,同时西太平洋副热带高压（副高）偏北,冷暖空气对峙于我国北方地区,导致北方降水异常偏多。分析还表明阻高、东北冷涡、东亚夏季风和副高这四个系统的不同配置影响着冷暖气流的对峙位置,进而形成我国夏季的主雨带。最后通过定量和定性判断相结合的方法,选取了2012年夏季降水的最佳相似年和最佳相反年,对比分析了2012年夏季降水与其最佳相似年和最佳相反年的海温演变与东亚夏季风环流系统主要成员的差异:1959年夏季降水作为2012年夏季降水的最佳相似年,虽然海温及东亚夏季风系统关键成员异常不明显,但是和2012年也呈近似相反的特征;而1980年夏季降水作为2012年夏季降水的最佳相反年,海温及东亚夏季风环流系统关键成员和2012年呈显著的反向特征,这些观测事实反映了我国夏季降水与海温及东亚夏季风环流系统关键成员这些主要影响因子之间关系的年代际变化。     

华北夏季降水减少与北半球大气环流异常的关系

利用华北地区20站夏季降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用趋势分析、合成分析等方法,对华北夏季降水减少与北半球大气环流异常进行对比分析。结果表明,华北夏季降水量1951—2008年呈显著减少趋势,平均每10 a减少13.4 mm,1965年发生了气候突变,之后降水量减少更加明显。北半球大气环流在1965年前后有明显不同：1）1951—1965年夏季500 hPa高度场欧洲大槽、贝加尔湖槽较深,乌拉尔山高压脊较强,经向环流表现突出;而1966—2008年夏季欧洲大槽、贝加尔湖槽较浅,乌拉尔山高压脊较弱,纬向环流表现突出。2）1951—1965年夏季500 hPa蒙古冷槽位置偏北偏西,冷空气活动经常影响华北地区;而1966—2008年夏季蒙古冷槽位置东移南压到河套附近,冷空气经常影响华北以南以东地区。3）1951—1965年夏季海平面气压场蒙古低压异常强大,而1966—2008年蒙古低压明显减弱。4）1951—1965年夏季850 hPa东亚夏季风一直伸展到华北、东北地区,蒙古地区存在明显的气旋性环流,在河套附近产生风向辐合;而1966—2008年东亚夏季风在到达30°N附近风速显著减小,很少越过长江到达华北地区,在长江流域形成了风速辐合,同时蒙古地区的气旋性环流消失,河套附近的风向辐合变的很弱。1951—1965年华北多雨是由于东亚夏季风水汽的有效输送和河套附近的风向辐合造成的,而1966—2008年长江流域多雨是由于东亚夏季风在这里产生了风速辐合造成的。华北夏季降水减少与北半球大气环流异常有很好的联系。     

青岛汛期降水量与太平洋年代际振荡的关系

基于太平洋海面温度（SST）、大气环流及青岛降水量资料,分析并发现了青岛汛期（6—9月）降水量与太平洋年代际振荡（PDO）指数存在重要联系。当PDO处于冷位相时,西北太平洋区SST偏高,北美沿岸以及热带中东太平洋区SST偏低,西太平洋副热带高压偏弱偏东,脊线偏北,东亚夏季风偏强,青岛汛期降水量偏多,反之偏少。定义了一个新的太平洋SST距平指数SSTI,该指数包含了西北太平洋与热带中东太平洋SST距平反相变化的协同影响,也包含了PDO与ENSO的协同影响。与PDO指数、西北太平洋及热带中东太平洋SST相比,该指数与青岛汛期降水量相关性更好,通常SSTI正指数对应着汛期西太平洋副热带高压脊线偏北,面积偏小、强度偏弱,东亚夏季风偏强,有利于青岛汛期降水量偏多,反之偏少。SSTI指数可作为青岛汛期降水量预测的指示因子。     

近52年长江中下游地区夏季年代际尺度干湿变化及其环流演变分析

利用中国气象局国家气象信息中心提供的长江中下游地区353站1961~2012年逐月降水资料,通过计算得到各站点夏季标准化降水指数(SPI)。根据长江中下游地区夏季中旱及以上等级站点数目及其突变检测(Mann-Kendall方法,MK)结果,将时间序列划分为三个时段。在此基础上,利用NCEP/NCAR再分析资料及NOAA海洋表面温度重建资料,分析了各个时段前冬至夏季环流背景场的异常特征及其演变过程,并建立了各时段的概念模型。结果表明:(1)长江中下游夏季在第一时段(1961~1973年)呈明显干旱状态;第二时段(1974~1986年)为干旱向湿润转变的阶段;第三时段(1987~2012年)基本转为湿润状态。(2)第二时段为第一时段与第三时段的过渡期,环流背景场在该时段发生明显变化,使得第一时段与第三时段所对应季节的环流距平场相位相反。(3)第一时段,前冬至夏季全球海温持续偏冷,印度洋海温冷异常在夏季尤为显著,南亚高压与西太平洋副热带高压偏弱;前冬,青藏高原北部脊偏弱,蒙古高压明显偏弱;夏季,印度低压偏强、南支槽加深,夏季风水汽输送偏强,而亚洲中高纬度为平直西风气流,北方冷空气不易南下至我国南方地区,冷暖空气交绥受阻,使得长江中下游夏季出现大范围的干旱。第三时段相对于第一时段,前冬至夏季全球海温暖异常,印度洋海温显著偏暖,西太平洋副热带高压偏强;前冬,青藏高原北部脊偏强,蒙古高压异常偏强;夏季,印度低压减弱、南支槽异常偏弱,夏季风水汽输送较弱,水汽滞留在长江流域,且贝加尔湖高压脊发展,脊前冷空气南下,使得长江中下游夏季降水偏多。     

1961-2012年6-8月内蒙古降水异常及环流特征分析

利用内蒙古自治区100个站1961-2012年6-8月各月降水量资料,以降水距平百分率划分了单站和全区各月的多、少雨年份,分析了6-8月全区多雨和少雨站点百分率变化特征。针对异常多雨和少雨年份,探讨了同期北半球欧亚地区大气环流的分布特征。结果表明：8月降水存在减少趋势,6月和7月则主要表现为阶段性多（少）雨,且少雨年多于多雨年。在多雨月份,100hPa高度场上,欧亚中高纬度呈径向环流分布,极涡较弱。其中,6月为两槽一脊型,内蒙古位于高压脊区前部,7、8月为两脊一槽型,内蒙古位于高压脊区后部;500 hPa高度场上,6月,亚洲区主要表现为变形场,内蒙古处于锋生区,或是亚洲中高纬度环流为两脊一槽型,内蒙古处于两高之间的宽广低槽中, 7月、8月欧亚中高纬度环流主要表现为东高西低,内蒙古自治区位于低压槽区中;850hPa流场图上内蒙古为气旋性切变区域或为风场辐合区域控制。在少雨月份,100hPa和500hPa高度场上,欧亚中高纬度呈纬向环流分布,极涡较强,内蒙古位于南亚高压北边的正距平区域;850hPa流场图上表现为弱的风场特征,无明显的水汽输送。     

长江流域夏季降水及其与海温的滞后相关

基于月平均台站降水资料分析了中国东部降水的气候特征。由于其降水分布在空间和时间上的复杂性，为便于研究其与海温的关联，特别是海温对降水的影响，根据台站间降水变化在季节变化和年际变化以及与海温相关的一致性，将中国东部区域分成四个子区域。以长江流域的降水为代表，分析了海温对降水的超前相关。给出了主要影响海区和它们的超前时间。综合各影响海区海温和超前时间建立的回归方分析表明：回归降水和观测降水的相关系数大于０．８５。回归的平方根误差是其标准差的６０％和平均雨量的１５％。另外还分析了海温与降水相关与环流变化的一致性。     

Sea surface temperature associations with the late Indian summer monsoon

Recent gridded and historical data are used in order to assess the relationships between interannual variability of the Indian summer monsoon (ISM) and sea surface temperature (SST) anomaly patterns over the Indian and Pacific oceans. Interannual variability of ISM rainfall and dynamical indices for the traditional summer monsoon season (June–September) are strongly influenced by rainfall and circulation anomalies observed during August and September, or the late Indian summer monsoon (LISM). Anomalous monsoons are linked to well-defined LISM rainfall and large-scale circulation anomalies. The east-west Walker and local Hadley circulations fluctuate during the LISM of anomalous ISM years. LISM circulation is weakened and shifted eastward during weak ISM years. Therefore, we focus on the predictability of the LISM. Strong (weak) (L)ISMs are preceded by significant positive (negative) SST anomalies in the southeastern subtropical Indian Ocean, off Australia, during boreal winter. These SST anomalies are mainly linked to south Indian Ocean dipole events, studied by Besera and Yamagata (2001) and to the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) phenomenon. These SST anomalies are highly persistent and affect the northwestward translation of the Mascarene High from austral to boreal summer. The southeastward (northwestward) shift of this subtropical high associated with cold (warm) SST anomalies off Australia causes a weakening (strengthening) of the whole monsoon circulation through a modulation of the local Hadley cell during the LISM. Furthermore, it is suggested that the Mascarene High interacts with the underlying SST anomalies through a positive dynamical feedback mechanism, maintaining its anomalous position during the LISM. Our results also explain why a strong ISM is preceded by a transition in boreal spring from an El Niño to a La Niña state in the Pacific and vice versa. An El Niño event and the associated warm SST anomalies over the southeastern Indian Ocean during boreal winter may play a key role in the development of a strong ISM by strengthening the local Hadley circulation during the LISM. On the other hand, a developing La Niña event in boreal spring and summer may also enhance the east–west Walker circulation and the monsoon as demonstrated in many previous studies.     

夏季长江中下游旱涝年季节内振荡气候特征

利用1951—2004年我国740站逐日降水资料对夏季长江中下游典型旱涝年季节内振荡周期、强度和位相等特征进行合成对比分析发现:长江中下游涝年降水季节内振荡周期较旱年长, 涝年以30~60 d周期为主, 而旱年以10~30 d周期为主。旱涝年长江中下游地区夏季降水的10~30 d振荡整体上均强于30~60 d振荡; 10~30 d及30~60 d振荡, 涝年的强度都大于旱年。季节内振荡在旱年的北传较涝年强, 能达到50°N附近; 而涝年不仅有明显的季节内振荡从低纬度地区向北传播, 同时还有弱的振荡从中高纬度地区向南传播, 两者汇合于长江流域形成强的振荡中心。影响我国低频降水的低频异常环流分布模态在旱涝年是一致的, 但涝年的低频环流强于旱年, 而这种低频环流场的差异正是造成涝年的低频降水强于旱年的原因之一。     

初夏东亚环流对厄尔尼诺的两种响应过程及其对中国降水的影响

利用NCEP/NCAR提供的月平均850、500 hPa位势高度场和风矢量场资料及NOAA气候诊断中心的海温扩展重建资料,同时利用NCEP的CAM3.0模式对厄尔尼诺气候效应进行了分析。外强迫为赤道东太平洋的异常海温,从9月积分至次年6月,对此进行了模拟,结果表明:(1)冬季厄尔尼诺达到强盛后对次年东亚初夏的环流有明显的影响,表现在低层菲律宾附近反气旋环流的增强和中高纬度OKJ类波列(主要为鄂霍次克海—日本东部—日期变更线以西副热带高压北部的波列)的活跃,而后者更容易被模拟,这两种环流方面的影响都能在资料中检测出来。当这两种异常环流的发展被模拟出来时,长江以南地区的多雨状态也能够被模拟,表明厄尔尼诺发生后,其对夏季风的发生、发展有滞后作用,从而加强向中国南方的水汽输送,但至6月由于OKJ波列的发展使波活动通量在北太平洋中西部产生大面积强烈散射使副热带高压偏南,因而又抑制了夏季风的进一步向北推进,从而只停留在长江及其以南地区,这可能是致使降水南多北少的原因之一;(2)中国南方降水多寡受到鄂霍次克海高压及菲律宾反气旋的共同影响,两者任何一方加强时南方降水增多,反之亦然。近年来受鄂霍次克海高压的影响更为突出,鄂霍次克海高压、南北方降水、厄尔尼诺事件以及菲律宾反气旋都存在相近似但又各自不同的年代际变化规律,其共同影响与中国南涝北旱的年代际降水格局变化有密切关系。     

A STUDY ON RELATION BETWEEN EAST ASIAN WINTER MONSOON AND CLIMATE CHANGE DURING RAINING SEASON IN CHINA

1 INTRODUCTION The Asian monsoon and its anomalies play an important role in the global general circulation and climatic change. As an essential component of the monsoon system, the East Asian winter monsoon is not only the most vigorous across the globe …