中国东部冬季气温异常与海表温度异常的关系分析

采用SVD、 相关分析及EOF方法, 分析了中国东部冬季地面气温与北大西洋及北太平洋海温异常变化的关系。结果表明： （1）中国东部冬季气温变化的一致性较高; （2）冬季气温异常与前一年9月北大西洋海域关键区（16°～40°N, 60°～24°W）海温和当年2月西北太平洋关键区（20°～40°N, 124°E～180°）海温呈显著的正相关分布, 即前一年9月北大西洋和当年2月西北太平洋海温异常偏高（低）, 东部冬季气温亦偏高（低）, 即前一年9月北大西洋海温的异常是否为我国冬季气温的气候预测提供了一种前期信号; （3）关键区海温对中国东部冬季气温的影响存在区域差异。北大西洋前期海温与中国东部冬季气温有密切的关系, 而西北太平洋的海温主要影响长江流域及其以北的季风中部区; （4）海温影响气温的可能机理是西北太平洋海温异常升高, 使乌山脊减弱, 阿拉斯加脊减弱, 东亚大槽减弱向东移动, 纬向环流加强, 高纬度的冷空气不易南下, 导致我国东部大部分地区冬季气温偏暖, 反之亦然。在年代际尺度上, 纬向环流和东亚大槽对海温有显著的响应; 但在年际变化方面, 东亚大槽对海温的响应不显著。     

中国南方多雪年环流特征及对关键区海温的响应

根据NECP/NCAR月平均再分析资料,采用回归分析、合成分析等方法,探讨了La Nia（El Nio）气候背景下,大气外强迫因子北大西洋中纬度（45°N,30°W）、赤道印度洋、我国南海和东海海域海温异常对亚洲环流及我国南方降雪多寡的影响。分析发现,La Nia气候背景下,北大西洋中纬（45°N,30°W）海温为正异常,有利于500 hPa高度场亚洲中高纬叶尼塞地区（50°N, 90°E）位势高度偏高并出现阻塞型,也有利于东亚冬季风环流加强;赤道印度洋、我国南海和东海附近海温出现负异常,850 hPa高度东亚大陆沿海低纬地区风距平场出现偏北风距平,我国南方多雪,温度相对偏低。El Nio背景下,北大西洋中纬度（45°N,30°W）海温为负异常,亚洲中高纬叶尼塞地区位势高度偏低,东亚冬季风环流偏弱;赤道印度洋、我国南海和东海附近海温出现正异常,850 hPa高度东亚大陆沿海低纬风距平场出现偏南风距平,我国南方多雪,温度相对偏高。回归分析指出,冬季500 hPa亚洲中高纬叶尼塞地区（90°E附近）的位势高度正（负）异常与北大西洋中纬度（45°N,30°W）附近海温正（负）异常有关;冬季850 hPa东亚大陆沿海低纬地区偏南（北）风距平与赤道印度洋、我国南海和东海地区的海温正（负）异常有关。La Nia气候背景下的2008年1月我国南方低温、雨雪、冰冻极端灾害事件的发生可能与北大西洋中纬度（45°N,30°W）附近以及赤道印度洋、我国南海和东海海温都出现正异常有关。     

中国东部冬季温度异常偶极型模态的一个前兆信号

利用中国160站逐月温度、NCEP再分析、NOAA-CIRES 20世纪再分析以及NOAA海表温度等资料,分析了中国东部（100°E以东地区）冬季温度年际变化的主要模态,并重点研究了其中第2模态（即偶极型模态）的成因机理和前期信号。同时,也以2012～2013年冬季为例,探讨了这一温度异常模态的预测方法。研究主要发现:除中国东部大范围一致偏冷或偏暖模态以外,110°E以东的北方地区偏冷（暖）还经常对应着华南和110°E以西地区的偏暖（冷）,构成温度异常反向变化的偶极型模态。这种偶极型模态也是冬季气候变化的一个主要模态,2012～2013年冬季温度异常即属于这一模态。中国东部冬季温度一致型模态主要与前期秋季中东太平洋海温异常、亚洲大陆北部积雪,及其邻近的北冰洋地区海冰密集度异常联系紧密。而对于偶极型模态,海温的影响并不明显,前期秋季的东亚中纬度地区积雪、北冰洋斯瓦尔巴群岛、法兰士约瑟夫地群岛附近海域的海冰密集度异常,以及它们引起的表面温度异常分布可能具有重要贡献,其中北冰洋海冰密集度异常导致的该地区表面温度异常的影响可能更为重要。综合了海冰和积雪信号的前期秋季北冰洋—东亚温度差异（Arctic Ocean-East Asian temperature contrast,简称AE）指数与中国东部冬季温度异常偶极型模态具有显著联系,可以作为一个重要的预测因子。2012年秋季赤道中东太平洋海温的正常状态以及北冰洋暖异常和东亚中纬度地区冷异常的表面温度分布特征,都不利于中国东部冬季温度南北一致型异常的发生,而是有利于偶极型异常分布。利用AE指数可以有效地预测2012～2013年中国东部冬季温度异常特征。     

东亚冬季风指数的对比分析及其与中国冬季气候的关系

利用1979~2018年ECMWF再分析资料和国家气候中心站点数据,对比分析10个东亚冬季风指数的气候倾向率、周期变化特征及相关关系,运用多变量经验正交函数分析东亚冬季风系统各成员要素的内在关联性,讨论各指数与中国冬季气温的关系。结果表明:近40a东亚冬季风强度呈缓慢的减弱趋势,存在准3a、准5a的周期变化,1983年、1985年和1995年为东亚冬季风活动异常强烈的年份;东亚冬季风同类指数之间的相关性好于不同类指数,季风系统各成员要素联系紧密、协同变化关系明显;东亚冬季风指数与中国东部地区冬季气温的相关性优于西部高原地区,各指数与西北地区冬季气温均呈显著负相关。      

一个适用于描述中国大陆冬季气温变化的东亚冬季风指数

利用1951年1月-2007年2月的NCEP V1格点资料和中国台站观测资料,定义了一个冬季风环流指数(IEAWM),并分析其与中国冬季气温和东亚大气环流变化的联系.结果表明该指数能够很好地反映东亚冬季风系统各成员的变化,兼顾北方和南方的环流状况和东西部热力差异的影响,改进了原有冬季风指数大多针对单一的冬季风环流成员及对中国冬季气温变化反映能力的不足,能够很好地反映中国冬季平均气温的异常变化.分析表明,当该指数为正值时东亚冬季风偏强,对应着地面西伯利亚高压和高空东亚大槽均偏强,东亚地区对流层中层的高-低纬度之间的纬向风经向切变加强,有利于中高纬度冷空气向南侵入,导致中国大陆地区气温偏低,反之亦然.IEAWM的年代际变化表明东亚冬季风在1985年之前偏强,1985年之后明显偏弱,这与1985年之后中国冬季变暖是一致的.     

亚洲急流与冬季风的关系及其对中国气候的影响

利用NCEP\NCAR逐月再分析资料和中国台站逐日观测数据,采用奇异值分解(SVD)、相关分析和合成分析等方法,研究冬季亚洲高空急流的配置与冬季风的关系及其对地面气候的影响.结果表明,青藏高原至亚洲东部沿海的副热带急流强(弱),高纬的温带急流弱(强)时,中国中、东部大范围地区气温偏低(高);中东急流强(弱),东亚副热带急流偏南(北),温带急流东南部较弱(强)时,西南气温偏低(高),东北气温偏高(低),中、东部地区冬季降水偏多(少).结合水平风场的变化,副热带地区出现西风异常弱,温带出现东风异常时,有利于东亚大槽加深并向南扩张,低层偏北风加强,东亚冬季风增强,而青藏高原反气旋环流被削弱,冷高压减弱,相应的高原季风减弱.高、低纬急流区纬向风的差异较大时,加强了急流对低层冷、暖空气交绥的引导和汇聚的作用.东亚季风指数(EAMI)与高原季风指数(PMI)在冬季多呈负相关.冬季风异常期间,若副热带急流偏强,温带急流偏弱,高纬的干冷空气受南侧急流的汇聚作用而南侵,有利于中国大部分地区降温,降水减少;反之,低纬的暖湿气流受到北侧急流引导而向北输送,导致中国大部分地区升温,降水偏多.     

资料

2005年5月500hPa环流指数、环流特征量资料国家气候中心气候预测室环流指数西太平洋副热带高压东亚槽极涡月平均候平均123456面积指数强度指数西伸脊点脊线位置中心位置经度纬度强度亚欧地区IZ IM0.980.550.880.500.730.520.750.650.940.681.070.631.480.33亚洲地区IZ IM0.800.480.680.460.530.350.550.610.710.661.090.481.230.32253990132013625315E75N322005年5月亚洲地区逐日500hPa西风环流指数及副热带高压脊线(120°E、130°E、140°E)位置中央气象台中期预报科日12345678910111213141516171819202122232425262728293031数15313…     

2006年3月500hPa环流指数、环流特征量资料

国家气候中心气候预测室环流指数西太平洋副热带高压东亚槽极涡月平均候平均123456中心位置经度纬度强度亚欧地区IZ IM1.390.631.470.521.400.870.880.681.410.581.410.681.750.43亚洲地区IZ IM1.450.641.500.531.370.751.240.781.770.561.080.771.710.46671251418133116130°E60°N112006年3月500hPa环流指数、环流特征量资料$国家气候中心气候预测室~~     

我国冬季气温异常对东亚季风和高原加热场的响应

根据我国618个气象台站的月平均气温、 海平面气压和青藏高原地面加热场强度距平指数资料等, 利用EOF和相关分析等方法, 分析了我国最近32个冬季气温异常特征及其对东亚冬季风和青藏高原地面加热场强度异常的响应。结果表明： 我国冬季气温异常的第一空间模态较好地反映了在全球变暖背景下全国一致增温的特征, 增温最显著的区域在河套; 第二空间模态则表现了冬季变暖过程中的东北区快西南区慢的反位相特点。冬季气温一致偏高的年份主要出现在1990年代及以后。分析认为, 全国大部分冬季气温的升高主要与东亚冬季风的关系密切, 东亚冬季风强度的整体减弱与赤道中东太平洋海温的升高存在一定的关系, 河套地区和东部沿海气温对东亚冬季风的响应最敏感; 冬季高原地面加热场强度的增强有利于我国新疆南部、 河套大范围地区和东部沿海地区冬季气温的降低。我国西南地区冬季气温呈现变暖的时间迟于全国其他地区。     

资料

2005年3月500hPa环流指数、环流特征量资料国家气候中心气候预测室环流指数西太平洋副热带高压东亚槽极涡月平均候平均123456中心位置经度纬度强度亚欧地区IZ IM1.280.851.380.640.881.001.480.621.810.901.131.040.990.88亚洲地区IZ IM1.400.791.550.721.040.771.400.641.870.691.261.021.250.87204690131914311290E80N3面积指数强度指数西伸脊点脊线位置2005年3月亚洲地区逐日500hPa西风环流指数及副热带高压脊线(120°E、130°E、140°E)位置中央气象台中期预报科日12345678910111213141516171819202122232425262728293031数157147…     

Low- and Mid-High Latitude Components of the East Asian Winter Monsoon and Their Reflecting Variations in Winter Climate over Eastern China

The present study defines a low-latitude component (regionally averaged winter 1000-hPa V-winds over 10 25°N, 105 135°E) and a mid-high-latitude component (regionally averaged winter 1000-hPa V-winds over 30 50°N, 110 125°E) of the East Asian winter monsoon (EAWM), which are denoted as EAWM-L and EAWM-M, respectively. The study examines the variation characteristics, reflecting variations in winter climate over eastern China, and associated atmospheric circulations corresponding to the two components. The main results are as follows: 1) the EAWM-L and EAWM-M have consistent variation in some years but opposite variations in other years; 2) the EAWM-M index mainly reflects the extensive temperature variability over eastern China, while the EAWM-L index better reflects the variation in winter precipitation over most parts of eastern China; and 3) corresponding to the variation in the EAWM-M index, anomalous winds over the mid-high latitudes of East Asia modulate the southward invasion of cold air from the high latitudes and accordingly affect temperatures over eastern China. In combination with the variation in the EAWM-L index, anomalous low-latitudinal winds regulate the water vapor transport from tropical oceans to eastern China, resulting in anomalous winter precipitation. These pronounced differences between the EAWM-L and the EAWM-M suggest that it is necessary to explore the monsoons' individual features and effects in the EAWM study.     

Seasonal evolution mechanism of the East Asian winter monsoon and its interannual variability

This study investigates the space–time evolution of the East Asian winter monsoon (EAWM) and its relationship with other climate subsystems. Cyclostationary Empirical Orthogonal Function (CSEOF) analysis and the multiple regression method are used to delineate the detailed evolution of various atmospheric and surface variables in connection with the EAWM. The 120 days of winter (November 17–March 16) per year over 62 years (1948–2010) are analyzed using the NCEP daily reanalysis dataset. The first CSEOF mode of 850-hPa temperatures depicts the seasonal evolution of the EAWM. The contrast in heat capacity between the continent and the northwestern Pacific results in a differential heating in the lower troposphere. Its temporal evolution drives the strengthening and weakening of the Siberian High and the Aleutian Low. The anomalous sea level pressure pattern dictates anomalous circulation, in compliance with the geostrophic relationship. Thermal advection, in addition to net surface radiation, partly contributes to temperature variations in winter. Latent and sensible heat fluxes (thermal forcing from the ocean to the atmosphere) increase with decreased thermal advection. Anomalous upper-level circulation is closely linked to the low-level temperature anomaly in terms of the thermal wind equation. The interannual variability of the seasonal cycle of the EAWM is strongly controlled by the relative strength of the Siberian High to the Aleutian Low. A stronger than normal gradient between the two pressure systems amplifies the seasonal cycle of the EAWM. The EAWM seasonal cycle in the mid-latitude region exhibits a weak negative correlation with the Arctic Oscillation and the East Atlantic/West Russia indices.     

华西秋雨趋势变化的年代际转折及其成因分析

华西地区（25°N～35°N,100°E～110°E）是中国秋季降水主要地区之一。本文根据华西地区72站月平均降水资料、NCEP/NCAR再分析资料和哈德莱中心海温及海冰资料,利用相关和回归等分析方法研究了1961～2014年华西地区秋雨的年代际变率及其与大气环流和海温的关系。华西秋季降水年代际变率分解为呈现显著下降趋势的P1时段（1964～1998年）和呈现上升趋势的P2时段（1998～2014年）发现,对应P1时段降水下降趋势的华西区域大气位势高度异常场具有西正东负结构,大尺度环流场显示为从大西洋东传经北极巴伦支—喀拉海区至东亚的准纬向波列,该波列体现了上游负位相NAO（North Atlantic Oscillation）的调制作用。对于P2时段的降水上升趋势,其位势高度场配置与P1时段相反,而大尺度波列结构在欧亚大陆的部分呈西北—东南走向,且整体偏西,体现了上游正位相NAO的调制作用。这种环流结构导致华西区域西北侧形成负异常中心,有利于西南暖湿气流进入研究区域。影响华西秋雨趋势转折的海温关键区位于热带中东太平洋和热带印度洋。在P1时段,华西秋雨降水趋势与同期热带中东太平洋和印度洋海温呈显著正相关关系。而在P2时段,华西秋雨与前冬热带中东太平洋和印度洋海温存在显著负相关,前冬西北太平洋海温正异常也同时影响了华西秋雨的上升趋势。     

Seasonal scale variability of the East Asian winter monsoon and the development of a two-dimensional monsoon index

This study investigates the seasonal scale variability of the East Asian winter monsoon (EAWM), which is distinguished from the seasonal cycle with temporal variation throughout winter. Winters lasting 120 days (Nov. 17–Mar. 16) for a period of 64 years from the NCEP daily reanalysis data set are used to study the seasonal scale variability of the EAWM. Cyclostationary empirical orthogonal function (CSEOF) analysis is adopted to decompose the variability of the EAWM. The second CSEOF mode of 850-hPa temperature exhibits a seasonal scale variation, the physical mechanism of which is explained in terms of physically consistent variations of temperature, geopotential height, sea level pressure, wind, and surface heat fluxes. The seasonal-scale EAWM exhibits a weak subseasonal and a strong interannual variability and has gradually weakened during the 64 years. In a weak EAWM phase, the land-sea contrast of sea level pressure declines in East Asia. Consistent with this change, low-level winds decrease and warm thermal advection increases over the eastern part of mid-latitude East Asia. Latent and sensible heat fluxes are reduced significantly over the marginal seas in East Asia. However, during a strong EAWM phase, the physical conditions in East Asia reverse. A large fraction of the variability of the EAWM is explained by the seasonal cycle and the seasonal scale variation. A two-dimensional EAWM index was developed to explain these two distinct components of the EAWM variability. The new index appears to be suitable for measuring both the subseasonal and the interannual variability of the EAWM.     

20世纪90年代末东亚冬季风年代际变化的外强迫因子分析

使用NCEP/NCAR、英国气象局哈德莱中心(Met Office Hadley Center)Had ISST以及NOAA提供的再分析资料分析了海温、海冰及雪盖异常对20世纪90年代末我国冬季气温和东亚冬季风(EAWM)年代际跃变的外部强迫作用,同时也对比分析了20世纪90年代EAWM年代际跃变与20世纪80年代EAWM年代际跃变特征和成因的一些差异。结果表明:20世纪80年代中期EAWM的年代际变化特征主要表现为全国一致偏冷型,同时中国近海的海温也偏低;该年代际变化的主要原因来自大气内部动力过程,而海温和海冰的作用不显著。20世纪90年代末EAWM年代际变化的特征表现为东亚北方气温显著偏冷而南方偏暖的南北反相变化分布;EAWM在20世纪90年代末的年代际变化受北大西洋海温和热带太平洋海温的共同影响。北大西洋显著的异常暖海温,激发一个向下游传播的波列,使得西伯利亚高压加强,EAWM加强,从而导致我国北方气温下降;同时,秋冬季北极海冰异常偏少和秋季欧亚雪盖偏多对东亚冬季风的增强也有一定的作用。此外,热带西太平洋的暖海温异常会导致在海洋性大陆地区有异常的辐合和对流增强,引起大气环流的Gill型响应,对流西侧的异常气旋在孟加拉湾至我国西南地区出现南风异常,使得东亚南部地区温度偏高。因此,20世纪90年代末之后东亚温度呈现南暖北冷的分布特征。     

Combined effect of the East Atlantic/West Russia and Western Pacific teleconnections on the East Asian winter monsoon

This study investigates the individual effects of the East Atlantic/West Russia (EATL/WRUS) and Western Pacific (WP) teleconnection patterns and their combined effect on the East Asian winter monsoon (EAWM). The contributions of the respective EATL/WRUS and WP teleconnection patterns to the EAWM are revealed by removing the dependence on the Arctic Oscillation (AO) and the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) using a linear regression, which are named as N_EATL/WRUS and N_WP, respectively. This is because the EATL/WRUS (WP) is closely linked to the Arctic (tropics) region. A significant increase (decrease) in temperature over East Asia (EA) corresponding to a weak (strong) EAWM is associated with the N_EATL/WRUS and N_WP teleconnection patterns during the positive (negative) phases. In order to examine impacts of these two teleconnections on the EAWM, three types of effects are reconstructed on the basis of ± 0.5 standard deviation: 1) Combined effect, 2) N_EATL/WRUS effect, and 3) N_WP effect. The positive N_EATL/WRUS teleconnection induces to a weakened Siberian High and a shallow EA trough at the mid-troposphere through wave propagation, leading to the weak EAWM. During the positive N_WP pattern, warm air from the tropics flows toward the EA along western flank of an anomalous anticyclone over the North Pacific that is relevant to the meridional shift of the Aleutian Low. When the two mid-latitude teleconnections have the in-phase combination, the increase in temperature over EA appears to be more pronounced than the individual effects by transporting warm air from tropics via strong southeasterly wind anomalies induced by anomalous zonal pressure gradient between the Siberian High and Aleutian Low. Therefore, the impact of the mid-latitude teleconnections on the EAWM becomes robust and linearly superimposed, unlike a nonlinear in-phase combined effect of the AO and ENSO.     

前、后冬的东亚冬季风年际变异及其与东亚降水的关系

利用ERA-Interim的再分析资料和NOAA海温、降水量等资料对前、后冬的东亚冬季风的年际变异特征及其与东亚降水的关系进行对比分析,并讨论了热带和中高纬系统影响东亚冬季风变异的相对重要性。前冬的东亚冬季风变异的主导模态为东亚全区一致变异型,即一致的北风偏弱或偏强;其次为南部变异型,主要表现为在我国南方-南海北部的东北风偏弱或偏强。而后冬的东亚冬季风变异的主导模态则为南部变异型,其次为东亚全区一致变异型。从前冬到后冬,东亚冬季风的主要变异模态的次序出现交叉更替。前、后冬的冬季风主要模态以年际变化为主,但后冬主导模态还显示出冬季风有变强的趋势。前、后冬的东亚冬季风的主导变异模态也影响东亚降水异常的位置。在前冬,冬季风异常主要影响我国华北、渤海-黄海海域以及朝鲜半岛和日本南部区域的降水异常,而后冬的冬季风异常则主要导致我国东南地区及其东侧附近的西北太平洋海区的降水异常。前冬的东亚冬季风的前两种主要变异模态都受到印度洋-太平洋海温和中高纬环流系统共同的影响;后冬的东亚冬季风的前两种主要变异模态则分别主要受ENSO和中高纬系统的影响。      

冬季北极涛动对西伯利亚高压、东亚冬季风以及海冰范围的可能影响

利用NCEP／NCAR月平均再分析资料（1958－1997），月平均海表面温度资料（1950－1992）以及月的海冰密集度资料（1953－1995），研究了冬季北极涛动与西伯利亚高压、东亚冬季风以及巴伦支海海冰范围之间的联系。研究结果表明，冬季北极涛动不仅影响北极和北大西洋区域气候变化，并且可能影响冬季西伯利亚高压，进而影响东亚冬季风。当冬季北极涛动处于正位相时，冬季西伯利亚高压和东亚冬季风都偏弱，在西伯利亚南部和东亚沿岸，包括中国东部、韩国和日本，从地表面到对流层中部气温偏高0.5-2℃。当冬季北极涛动处于负位相时，结果正相反。研究结果还表明，冬季西伯利亚高压对北极以及北大西洋区域气候变化没有显的影响，与北极涛动的影响相比，西伯利亚的影响强度和范围明显偏弱。研究进一步揭示了冬季北极涛动可能影响西伯利亚高压的可能机理。冬季西伯利亚高压与动力过程以及从地表面到对流层中部的气温变化有密切的关系。西伯利亚高压的西部变化主要依赖于动力过程，而其东部与气温变化更为密切。冬季西伯利亚高压的维持主要依赖于对流层中的下沉气流，这种下沉气流源于北大西洋区域，其变化受到北极涛动的影响。当冬季北极涛动处于正（负）位相时，气流的下沉运动明显减弱（增强），进而影响冬季西伯利亚高压。此处，冬季北极涛动对同时期的巴伦支海海冰范围有显的影响。