近期青藏高原对亚洲气候影响的动力学研究进展

总结回顾了近年青藏高原影响的气候动力学研究。青藏高原在不同季节对气候的影响具有的不同特性:(1) 冬季高原为弱冷源的特征;(2) 春季高原与环流的相互作用使中国南方盛行西南气流进而形成江南春雨,在从冬到夏的季节推进过程中,青藏高原还调控南亚-印度洋海陆气相互作用,激发孟加拉湾季风爆发性涡旋,促使孟加拉湾季风在高原东部爆发;(3) 夏季斜坡上的感热加热形成高原感热气泵,与海陆热力对比共同作用,控制南亚季风和东亚季风;(4) 在年际和年代际时间尺度上,冬季热源异常是北半球大气环流变化的结果,同时对中国南方持续性异常雨雪事件产生影响;在春夏季节,高原热力强迫的变化强烈地影响环流和亚洲气候。其中青藏高原表面感热通量和其上空大气热源在春季和夏季呈减弱趋势在近30年逐渐减弱,影响到中国近几十年夏季季风和雨带分布。最后提出青藏高原影响研究的气候动力学面临的科学问题。      

关于东亚副热带季风若干问题的讨论

利用NCEP/NCAR再分析格点资料、TRMM卫星降水资料、中国东部站点降水资料和CMAP降水资料,重点讨论了东亚副热带季风雨季的起始时间、建立特征及其和南海夏季风的关系,同时也讨论了东亚副热带季风的可能机制.结果表明:(1)东亚副热带季风雨季于3月底-4月初(第16-18候)在江南南部和华南北部首先开始,伴随着降水的开始是偏南风的增强和对流性降水的显著增加,华南前汛期开始.(2)东亚副热带季风雨季的建立早于热带季风雨季,在热带季风建立后两者的雨带、强西南风带、强垂直运动带、强低空水汽辐合带均是分离的,南海热带季风在其建立后,与东亚副热带季风发生相互作用,促使副热带季风雨带季节性北进,两者共同影响中国的旱涝.(3)3月中下旬,东亚大陆(包括青藏高原)上空大气由冷源转为热源,东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力差异及其相应的温度和气压对比均发生反转.东亚大陆(包括青藏高原)的动力和热力作用究竟是否是东亚副热带季风雨带提前建立的机制值得进一步研究.文章最后讨论了有关东亚副热带季风的共识与分歧.     

青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水的年代际变化关系

利用NCEP 1950—2004年逐日再分析资料,采用倒算法,对青藏高原大气热源的长期变化进行了计算,结果发现,青藏高原及附近地区上空大气春夏季热源在过去50年里,尤其是最近20年,表现为持续减弱的趋势。而1960—2004年青藏高原50站的冬春雪深却出现了增加,尤其是春季雪深在1977年出现了由少到多的突变。用SVD方法对高原积雪和高原大气热源关系的分析表明,二者存在非常显著的反相关关系,即高原冬春积雪偏多,高原大气春夏季热源偏弱。高原大气春夏季热源和中国160站降水的SVD分析表明,高原大气春夏季热源和夏季长江中下游降水呈反相关,与华南和华北降水呈正相关;而高原冬春积雪和中国160站降水的SVD分析显示,高原冬春积雪和夏季长江流域降水呈显著正相关,与华南和华北降水呈反相关。在年代际尺度上,青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水型的年代际变化(南涝北旱)有很好的相关。最后讨论了青藏高原大气热源影响中国东部降水的机制。青藏高原春夏季热源减弱,使得海陆热力差异减小,致使东亚夏季风强度减弱,输送到华北的水汽减少,而到达长江流域的水汽却增加;同时,高原热源减弱,使得副热带高压偏西,夏季雨带在长江流域维持更长时间。导致近20年来长江流域降水偏多,华北偏少,形成"南涝北旱"雨型。高原冬春积雪的增加,降低了地表温度,减弱了地面热源,并进而使得青藏高原及附近地区大气热源减弱。     

“鱼尾”状地形热力效应对天山降水系统及水资源的影响

利用卫星遥感资料、逐月2.5°×2.5°和1°×1°NCEP/NCAR再分析资料、逐月1°×1°CRU降水资料,以青藏高原与天山山脉相连区域的热源为切入点,重点探讨高原与天山山脉相连区域的热源、天山区域大气水份循环和云水资源的相关特征,计算了整层水汽、水汽输送、水汽相关矢及视热源等动力、热力诊断物理量,分析了天山区域夏半年降水的时空分布和变化特征。结果表明,天山区域降水和整层水汽集中区位于天山西部;天山区域强垂直运动能够描述出地形效应引起的气流爬升特征。分析天山地区的大气视热源与水汽汇的垂直结构揭示了天山西部充沛云水资源和高原与天山山脉相连的类似"鱼尾"区域的视热源存在显著相关。利用对"鱼尾"地形的整层视热源与整层水汽输送通道的相关矢分析,追踪影响夏半年天山地区丰富云水资源的远距离海洋水汽源,结果发现,夏半年天山地区的水汽源主要来自南部的大西洋、孟加拉湾、阿拉伯海和北部的北冰洋。天山地区水汽、降水和"鱼尾"地形热源具有12年的显著周期,在该周期上,20世纪50年代至末期,"鱼尾"地形热源的周期变化比天山地区的整层水汽的周期变化提前3~4年,而在50-80年代天山地区的整层水汽比降水提前3~4年,之后至末期提前1~2年。天山区域云水资源的年际变化特征一定程度上反映了该区域大气水份循环结构对"鱼尾"地形热源的响应机制。     

春夏东亚大气环流年代际转折的影响及其可能机理

本文通过多变量联合经验正交分解(MV-EOF)方法揭示了近30年(1979~2010年) 春季和夏季东亚大气环流所发生的年代际转折及其与中国南方降水年代际季节反相变化的内在联系,探讨了局地性大气热源年代际变化影响东亚大气环流年代际转折的可能机理.结果表明:(1)东亚大气环流春季第一模态和夏季第二模态在90年代中期都发生了明显的年代际转折;(2)与春季大气环流第一模态和夏季大气环流第二模态年代际转折相对应的是中国南方降水明显的年代际季节反相变化,即春季降水年代际减少,夏季降水年代际增多;(3)春季青藏高原和夏季贝加尔湖地区大气热源年代际变化对东亚大气环流年代际转折有一定贡献,是造成中国南方降水年代际季节反相变化的直接原因;(4)春季青藏高原大气热源的年代际减弱,使得高原东南侧的西南风减弱,导致中国南方上空水汽输送不足,春季降水减少.夏季贝加尔湖大气热源偶极型分布由“南负北正”转变为“南正北负”,由此在贝湖上空激发高压异常,使得夏季雨带北进受阻而停滞南方,造成中国南方夏季降水增多.     

东亚副热带季风雨带建立特征及其降水性质分析

利用1961—2006年NCEP/NCAR再分析数据集和TRMM、CMAP多年平均逐候降水资料,分析了中国东部副热带季风雨季的起始时间、建立特征及其降水性质。结果表明,第16—18候,在中国江南南部和华南北部地区(25°30°N)日降水率达到6 mm/d,且范围较大,在低层该雨带的水汽主要来源于西太平洋副热带高压南侧转向的西南水汽输送,其源地即为西太平洋副热带季风雨季开始。雨带建立同时,东亚副热带地区中东太平洋的纬向海平面气压梯度首先在中纬度发生反转,即西低东高(相应于西暖东冷)。中国东部副热带地区出现加热中心并伴有上升运动,强度逐渐增强,并伸展至对流层顶,其强度及对流高度与热带地区相当,对流层中低层大气呈对流不稳定,降水已具有对流性降水性质。与此同时,南海西太平洋地区仍在副热带高压控制之下,盛行下沉运动,无降水产生,南海夏季风及其相应的水汽输送尚未建立。东亚副热带季风雨带的建立(3月底4月初)早于热带夏季风雨带,两雨带分别具有独立的热源中心和上升运动。南海夏季风即将爆发之际,赤道地区加热中心快速北移至南海地区,与副热带地区热源相互作用。     

中国东部夏季主要降水型与高原春季热力因子间的关系

采用中国地面气象观测站2 474个站的降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,利用经验正交函数展开、相关分析和小波分析等方法,探讨了中国东部夏季主要降水型与春季高原大气视热源之间的可能相关特征,并初步分析了前春高原大气加热对东部夏季降水异常分布的影响机制。降水EOF分析表明,中国东部夏季降水主要分为:华南—江淮型和长江中下游型;相关和周期分析表明,300 hPa和400 hPa高原南部地区、500 hPa高原北部地区视热源与华南—江淮降水型之间相关显著,3个区域视热源均与华南降水呈负相关,且与江淮降水呈正相关;200 hPa高原偏北地区、500 hPa高原东部地区视热源与长江中下游地区降水呈负相关,而500 hPa高原西部地区视热源则与长江中下游降水呈正相关关系。以上春季高原不同高度关键区域的视热源可为预报夏季降水提供重要判据;从视热源与各个降水中心的相关特征可见,春季高原上空视热源加热场结构会影响中国东部夏季雨带南北位置的分布情况。由春至夏高原加热的"气泵"作用,使得由孟加拉湾和南海地区水汽输送经高原东部地区后,折向东输送至中国大陆东部地区。加热偏强时,水汽向北输送分量加强,雨带偏北,降水"南少北多",反之亦然。     

青藏高原地区5月热力差异和后期夏季北疆降水的联系

基于美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析月平均资料和新疆70站降水资料,分析了1961~2010年5月青藏高原地区地表热力异常差异和新疆夏季降水的联系。奇异值分解(SVD)分析发现,当5月青藏高原视热源偏弱,高原西北部地区偏强时,北疆夏季降水偏多。定义了一个热力差异指数来表征两个区域热力异常的对比程度,发现考虑这种大尺度热力差异对比要比单一地区与区域气候有更为密切的联系。当热力差异指数为负时,即5月青藏高原视热源偏弱,其西北部视热源偏强时:(1)西亚副热带西风急流位置偏南;(2)500 h Pa中亚上空和贝加尔湖上空分别对应异常气旋和反气旋环流,在二者共同作用下,北疆上空盛行异常的偏南气流,有利于低纬度的暖湿气流北上,形成有利于降水的环流形势;(3)印度半岛上空为异常反气旋环流,中亚上空为异常气旋环流,形成北疆夏季降水水汽的两步型输送,阿拉伯海水汽被输送至中亚和新疆地区。偏相关分析发现,青藏高原热力异常主要影响对流层中高层大气环流和水汽输送的第二步环流条件,高原西北部热力异常则影响水汽输送的第一步环流条件。     

东亚季风研究的进展

中国气象科学研究院曾长期组织和从事东亚季风及其对中国天气和旱涝影响的研究。该文对中国气象科学研究院在东亚季风研究方面取得成果进行综述, 并回顾了20世纪50年代以来国内有关季风的研究活动, 也回顾了影响我国天气气候、东亚季风环流系统的提出及其后续的有关东亚和印度季风系统的相互作用, 引发中国大陆暴雨生成的水汽输送, 表达中国大陆季风活动的季风指数设计等研究结果。综述了南海夏季风爆发、梅雨开始、中国雨季开始及传播等有关研究成果; 东亚季风系统中副热带地区低频振荡纬向和经向传播特征及与赤道地区不同之处, 东亚低频振荡对El Ni?o形成及夏季东亚热带和副热带季风爆发的可能影响, 东亚热带和副热带季风低频振荡对中国天气气候的影响等有关成果; 亚洲地区大气热源的计算及其分布, 青藏高原夏季热源对东亚夏季风及降水的可能影响, 青藏高原冬季冷源对El Ni?o生成的可能影响等有关成果; 东亚季风及降水的年际变化特征, 准4年年际振荡的分析及与ENSO形成间的相互作用, 极地对东亚夏季降水的影响及东亚季风年代际变化特征等成果。综述东亚季风系统形成的可能机制, 特别是亚洲大陆—西太平洋海陆热力差异及非洲、印度半岛、中南半岛及澳大利亚陆地与周围海洋对冬夏季风形成、印度和东亚季风系统形成、南海夏季风形成作用的结果。     

青藏高原热力作用对南海及周边区域夏季气候的影响研究进展

针对青藏高原热力强迫作用对东亚夏季风强度、南海夏季风爆发早晚、南海周边区域旱涝的影响,以及在全球变暖背景下其对降水格局的影响等科学研究进行了总结回顾,并就青藏高原热力作用对南海周边区域夏季气候的影响科学问题进行了探讨。研究表明,高原冬春积雪异常通过影响雪盖反照率、改变辐射平衡和通过积雪-水文效应改变土壤湿度两个途径来影响东亚夏季风;通过改变大陆-海洋经向热力对比影响南海季风爆发早晚;通过改变西太平洋副高位置和季风环流变化来影响华南和长江流域夏季降水的分布。在全球变暖背景下,青藏高原感热加热的减弱可能对降水年代际“南涝北旱”格局的形成具有重要贡献。随着全球变暖减缓,青藏高原中部和东部的感热呈现出复苏态势,“南涝北旱”的降水格局分布在将来有可能被打破。      

近50年来中国夏季降水及水汽输送特征研究

利用1951-2006年中国448站夏季降水资料、NCEP/NCAR VersionⅠ的再分析资料,研究了近50年来中国夏季降水年代际变化特征及其分区,并从季风性水汽输送的变化角度出发,讨论了影响中国一些主要地区降水变化的可能机制.研究发现:(1)从总体上来说,自1951年至今,中国夏季降水存在3个突变时段,即1956-1960年,1980年前后以及1993年以后.且90°E以东突变后的主要变化特征都是多雨区由北向南传播,而90°E以西则是多雨区由南向北传播;2)近56年来就110°E以东的中国东部夏季降水而言,1980年以后多雨区由华北南移到长江中下游,又于1993年以后由长江中下游继续南移至华南;3)中国东部各地区降水和850 hpa风场、整层水汽输送场的相关分布一致表明,中国110°E以东各降水区以南为来自偏东偏南的季风性异常水汽输送,而以北为来自偏北风和相应的异常水汽输送,两者在降水区汇合造成风和水汽输送异常辐合.因而,西太平洋副热带高压南侧的东南季风及其异常水汽输送、北方冷槽的偏北风及其异常水汽输送是中国东部夏季降水异常的主要成员,这和一般认为的这些地区降水异常来自孟加拉湾的季风性异常水汽输送的观点不同,需要作进一步研究.总之,对于中国东部旱涝的形成,应该重点注意来自西北太平洋副热带高压西侧的直接或间接经南海到达的异常四南季风性水汽输送.     

Past Millennium Contrasting Hydroclimate Patterns Between Monsoonal Northern China and Arid Central Asia: a Modeling Study

Widely distributed proxy records show that there were out-of-phase behaviors of moisture change between arid central Asia (ACA) and monsoonal northern China during the Little Ice Age (LIA) and Medieval Climate Anomaly (MCA). We examined spatial pattern differences between the MCA and LIA to identify contrasting patterns of summer precipitation variability, and to diagnose explanatory mechanisms through the analysis of a 1000-year global climate model simulation driven by natural and anthropogenic forcing. The results show that the model was able to roughly produce the general features of MCA-LIA hydroclimatic spatial differences between monsoonal northern China and ACA, with a relatively wet MCA found in monsoonal northern China and a relatively dry MCA found in ACA. A further analysis of associated circulations shows that increased summer precipitation in monsoonal northern China was caused by the strengthening of summer monsoon, while the decline in summer precipitation in ACA was caused by an anomalous northward displacement of the subtropical westerly jet stream. Our analyses suggest that both effective solar forcing and El-Niño Southern Oscillation (ENSO) may produce these contrasting patterns of precipitation between monsoonal northern China and ACA. Due to a change in the probability of ENSO phases at the centennial time scale found in our experiments may be attributed to solar irradiances, higher effective solar irradiances during the MCA relative to those of the LIA may have been the ultimate forcing mechanism for the simulated precipitation differences between the MCA and LIA.     

夏季欧亚中高纬持续流型特征Ⅱ:年代际变化和外源强迫

在“夏季欧亚中高纬持续流型特征Ⅰ：流型指数与持续流型”的基础上，分析了夏季欧亚中高纬流型指数的年代际变化特征．讨论了流型指数年代际变化与我国降水年代际变化之间的联系，并初步探讨了加热场和海温异常的影响。结果表明：(1)夏季欧亚中高纬流型指数有明显的年代际变化．且与我国江淮流域、华北的降水分别有相反的相关关系；(2)外源强迫对夏季中高纬度持续环流及其年代际变化的作用是不可忽视的。     

中国东部夏季暴雨日数的分布特征及其与大气环流和海温的关系

采用1961—2010年NCEP/NCAR再分析资料,NOAA海表温度资料和中国国家气候中心整编的中国东部387站逐日降水资料,分析了中国夏季暴雨日数的分布特征及其与大气环流和海温的可能关系。结果表明:(1)近50年中国东部夏季暴雨日数经历了3次年代际变化,先后发生在20世纪70年代中后期、90年代初以及21世纪初。(2)根据经验正交函数(EOF)分析主模态的空间分布型,结合聚类分析的方法,将中国东部夏季暴雨日数主要分为6种类型:渤海型、北方型、淮河型、长江型、南方型、南方和北方两支型。该分型对实际暴雨日数分布具有较好的代表性。(3)分析中国东部夏季暴雨日数不同分布型的环流场特征,结果表明暴雨日数的分布类型与东亚夏季风密切相关,渤海型和北方型分布对应季风位置偏北,淮河型和长江型分布对应季风位置偏南,南方型分布时季风位置更加偏南,当暴雨日数呈现南方和北方两支型分布时,季风较强,影响中国东部大部分地区。(4)分析中国东部夏季暴雨日数不同分布型的水汽输送特征,结果表明,影响中国东部夏季不同暴雨日数分布型的水汽输送与西太平洋的异常反气旋式环流密切相关,形成暴雨的水汽更多来自于西太平洋。(5)分析中国东部夏季暴雨日数不同分布型的海温场特征,结果表明,渤海型和北方型暴雨日数多发生在拉尼娜发展或者维持时期;淮河型和长江型暴雨日数多发生在厄尔尼诺维持或者衰减时期;南方型暴雨日数多发生在厄尔尼诺发展时期;而当暴雨日数呈现出南方和北方两支型时,整个太平洋和北印度洋大部分地区均呈现出偏冷的状态,海、陆热力差异显著。     

Climatological characteristics of the moisture budget and their anomalies over the joining area of Asia and the Indian-Pacific Ocean

The climatological characteristics of the moisture budget over the joining area of Asia and the Indian-Pacific Ocean (AIPO) and its adjacent regions as well as their anomalies have been estimated in this study. The main results are as follows. In the winter, the northeasterly moisture transport covers the extensive areas at the lower latitudes of the AIPO. The westerly and northerly moisture transport is the major source and the South Indian Ocean (SIO) is the moisture sink. In the summer, influenced by the southwesterly monsoonal wind, the cross-equatorial southwesterly moisture transport across Somali originating from the SIO is transported through the Arabian Sea (AS), the Bay of Bengal (BOB), and the South China Sea (SCS) to eastern China. The AIPO is controlled by the southwesterly moisture transport. The net moisture influx over the AIPO has obvious interannual and interdecadal variations. From the mid- or late 1970s, the influxes over the SIO, the AS, the northern part of the western North Pacific (NWNP), and North China (NC) as well as South China (SC) begin to decrease abruptly, while those over Northeast China (NEC) and the Yangtze River-Huaihe River basins (YHRB) have increased remarkably. As a whole, the net moisture influxes over the BOB and the southern part of the western North Pacific (SWNP) in the recent 50 years take on a linear increasing trend. However, the transition timing for these two regions is different with the former being at the mid- or late 1980s and the latter occurring earlier, approximately at the early stage of the 1970s. The anomalous moisture source associated with the precipitation anomalies is different from the normal conditions of the summer precipitation. For the drought or flood years or the years of El Ni\~no and its following years, the anomalous moisture transport originating from the western North Pacific (WNP) is the vital source of the anomalous precipitation over eastern China, which is greatly related with the variation of the subtropical Pacific high.     

A possible abrupt change in summer precipitation over eastern China around 2009

Historical studies have shown that summer rainfall in eastern China undergoes decadal variations, with three apparent changes in the late 1970s, 1992, and the late 1990s. The present observational study indicates that summer precipitation over eastern China likely underwent a change in the late 2000s, during which the main spatial pattern changed from negative–positive–negative to positive–negative in the meridional direction. This change in summer precipitation over eastern China may have been associated with circulation anomalies in the middle/upper troposphere. A strong trough over Lake Baikal created a southward flow of cold air during 2009–15, compared with 1999–2008, while the westward recession of the western Pacific subtropical high strengthened the moisture transport to the north, creating conditions that were conducive for more rainfall in the north during this period. The phase shift of the Pacific Decadal Oscillation in the late 2000s led to the Pacific–Japan-type teleconnection wave train shifting from negative to positive phases, resulting in varied summer precipitation over eastern China.     

1999年东亚夏季风异常活动的物理机制研究

文中从海-气相互作用的角度探讨了1999年东亚夏季风及与其相联系的雨带异常活动的物理机制。结果表明,由于1998年春季至1999年南海-热带西太平洋出现了近20 a最强的异常暧海温,该地强异常海-气相互作用的维持使得这种局地的热力强迫成为1999年东亚夏季风和降水异常的最主要外强迫机制,并使得1999年的季风活动和降水分布有别于一般的统计情形。从1998年秋到1999年,由于热带大气对南海-西太平洋暧海温所诱发的局地强加热的响应,热带西太平洋地区所出现的Gill模态的异常环流分布从冬季一直发展到夏季,并因此在海洋和大气之间形成了局地的强烈正反馈,不仅使得异常环流得以持续发展,而且也使得暖海温得以维持,成为影响1999年环流异常的最强前期信号。随着从冬到夏的季节演变,大气基本态对上述持续性异常环流的影响导致了冬、夏异常环流呈现出不同的纬向非对称,诱发了盛夏期间东亚到北美沿岸的遥相关波列。在东亚沿岸异常气旋性环流的影响下,大尺度异常东风在东亚沿岸的维持形成了极不利于季风西风在南海北部转向的条件,导致了季风在中国东部北进的异常偏弱和低纬西风转向位置的异常偏东。     

The Impacts of Moisture Transport of East Asian Monsoon on Summer Precipitation in Northeast China

By using the ECMWF reanalysis daily data and daily precipitation data of 80 stations in Northeast China from 1961 to 2002, the impacts of moisture transport of East Asian summer monsoon on the summer precipitation anomaly in Northeast China, and the relationship between the variation of moisture budget and the establishment of East Asian summer monsoon in this region are studied. The results demonstrate that the moisture of summer precipitation in Northeast China mainly originates from subtropical, South China Sea, and South Asia monsoon areas. East China and its near coastal area are the convergent region of the monsoonal moisture currents and the transfer station for the currents continually moving northward. The monsoonal moisture transport, as an important link or bridge, connects the interaction between middle and low latitude systems. In summer half year, there is a moisture sink in Northeast China where the moisture influx is greater than outflux. The advance transport and accumulation of moisture are of special importance to pentad time scale summer precipitation. The onset, retreat, and intensity change of the monsoonal rainy season over Northeast China are mainly signified by the moisture input condition along the southern border of this area. The establishment of East Asian summer monsoon in this area ranges from about 10 July to 20 August and the onset in the west is earlier than that in the east. The latitude that the monsoon can reach is gradually northward from west to east, reaching 50°N within longitude 120°-135°E. In summer, the difference of air mass transport between summers with high and low rainfall mainly lies in whether more air masses originating from lower latitudes move northward through East China and its coastal areas, consequently transporting large amounts of hot and humid air into Northeast China.