山东夏季极端热事件变化特征分析

利用山东88个气象站1961—2019年夏季6—8月逐日最高、最低气温观测数据,分析了山东各地极端热昼、极端热夜、极端高温日三个极端热事件的时空演变规律和突变特征。结果表明:1)山东夜间出现极端热事件及白天和夜间同时出现极端热事件的天数增多、强度增强、占比增加。历年极端热昼出现天数和占比均呈不同程度的减少趋势,平均强度呈减小趋势,其中占比减少最明显;极端热夜、极端高温日出现天数和占比均呈不同程度的增加趋势,平均强度呈增强趋势。2)山东内陆和沿海地区各极端热事件变化差异明显。内陆地区极端热昼各指标减少、减小趋势更显著,大部分地区变化趋势通过了0.05的显著性水平检验,半岛南部和东部部分区域则有增加、增强趋势;中西部地区极端热夜各指标增加、增强趋势更显著,大部分地区变化趋势通过了0.05的显著性水平检验;中东部区域尤其是半岛地区极端高温日各指标增加、增强趋势更显著,大部分地区变化趋势通过了0.05的显著性水平检验。3)各极端热事件不同指标的突变情况迥异。极端热昼历年出现天数没有发生突变,平均强度在1970年前后发生突变,突变发生后,平均强度明显减小;极端热夜出现天数和平均强度均在1994年前后发生突变,突变发生后,出现天数明显增加、平均强度明显增强;极端高温日出现天数和强度分别在1994年、1973年前后发生突变,突变发生后,出现天数明显增加。     

中国东部夏季降水年际变化与同期东海潜热通量的关系

利用1985~2008年OAflux3、NCEP＼NCAR再分析资料与中国大陆东部108个站点的降水资料,应用回归和合成方法,分析了中国东部夏季降水的年际变化与同期东海及邻近海域潜热通量变异的关系。结果表明:东海及邻近海域(以下称东海)夏季潜热通量年际变化显著的区域位于东海区域,为与同期中国东部降水密切相关的关键区域。当东海的潜热通量偏高(低)时,中国东部长江以南地区上空盛行偏东北(西南)风异常,这将不(有)利于水汽由南向北的输送,从而可能使到达长江中下游流域及以北地区的水汽偏少(多);并且,长江中、下游流域为下沉(上升)气流和低层水汽辐散(辐合)正异常,对应降水偏少(偏多);华南地区为上升(下沉)气流和低层水汽辐合(辐散)正异常,对应降水偏多(偏少)。分析结果还表明,东海的潜热通量可通过影响东亚大气环流而成为引起中国东部夏季汛期降水年际异常的重要原因之一。     

伴随IOD型和独立型ENSO对山东气候年际变化的影响

使用1951年以来66 a的观测和再分析资料,通过合成分析的方法对比分析了厄尔尼诺/拉尼娜(El Nio/La Nia)伴随正/负印度洋偶极子(positive/negative Indian Ocean Dipole,pIOD/nIOD)发生年或独立发生年山东夏、秋季气温和降水的年际变化特征,结果表明,伴随IOD型和独立型El Nio/La Nia对山东夏、秋季气温和降水的影响在强度、范围、正负位相、空间型态上存在很大的差异。在气温方面,El Nio在p IOD的调制作用下对山东南部地区夏季气温年际变化的影响加强;El Nio与p IOD伴随发生时,山东秋季气温较常年偏高,而独立发生时气温则偏低,呈反位相变化;La Nia与n IOD伴随发生年夏季鲁西北气温较常年偏低,La Nia独立发生年夏季半岛东部气温较常年偏高,气温异常呈反位相变化;nIOD对La Nia的调制促进作用有利于山东秋季气温较常年异常偏高;850 h Pa气温异常与山东表面气温异常有很强的正相关关系。在降水方面,El Nio在pIOD的调制作用下容易引起山东北部地区夏季降水偏少,但会削弱其对山东中部地区秋季降水负异常的影响;La Nia在n IOD的调制作用下山东境内降水都较常年偏多,但降水异常地域分布非常不均,鲁西北降水较常年显著偏多;独立型La Nia更易引起鲁西北西部、鲁中、鲁南大部分地区夏季降水偏少。850 h Pa环流异常配合温度场异常对山东夏、秋季降水异常分布有一定的影响。     

中国极端干旱——空雨频率的主模态时空特征

利用国家气象中心的站点日降水观测资料,定义一个季节内无降水日出现的频率——空雨频率作为极端干旱的表征指标,对中国487个站点1980—2014年秋、冬、春三个连续季节的空雨频率进行季节-经验正交函数分解(S-EOF),发现我国极端干旱随季节演变的时空分布主要表现为前四个主模态的特征,累积方差贡献为40.6%。第一模态为秋、冬、春三季连旱模态,空雨频率呈现显著的上升趋势,大部分地区为异常变旱,冬季华南沿海变旱最显著。第二模态为秋与冬春干旱的反位相变化模态,空雨频率出现明显的秋-冬-春季反位相的季节反差现象,且存在弱的年代际振荡。第三模态为冬-春极端干旱反位相模态,对冬春两季的代表性较好,秋冬两季空雨频率的空间分布场为以长江流域为中心的极端变旱,而春季空雨频率呈现反位相变化。空雨频率以1998年为突变点存在明显的年代际转折。第四模态为南北偶极型秋-冬-春反位相模态,呈现出长江流域以南与长江流域以北三个季节空雨频率均为相反的位相分布。不同的模态反映不同季节、不同区域的空雨频率的变化,充分表现出我国干旱分布的复杂性。     

中国近50年寒潮冷空气的时空特征及其与北极海冰的关系

利用中国具有较长时间序列的527个站点1961—2010年的日平均温度观测资料,美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料以及伊利莱诺斯大学的海冰密集度资料,分析了我国近50年来寒潮的时空变化及与其相联系的海冰和大气环流异常的关系。结果表明,中国寒潮冷空气活动频数存在两个主要模态,第一模态表现在中国北方冷空气活动频数呈年代际减少趋势,1980年之前寒潮冷空气频数偏多,1990年后寒潮冷空气频数偏少;第二模态表现为我国南方冷空气频数的年际振荡特征。第一模态寒潮冷空气频数的减少主要与全球变暖有关,北极海冰的减少使得1980年代后期北极涛动加强,并激发出欧亚遥相关波列进而影响我国的寒潮冷空气活动。第二模态则与近些年来夏季北极海冰的快速融化以及北极大气出现偶极子型环流异常有关,通过激发跨极型和类欧亚遥相关波列影响到后冬的中国南方寒潮冷空气活动增多。     

El Niño对东亚气候年际异常影响的数值模拟

根据1949~1998年期间8次显著El Niño事件合成的24个月年际海温异常(SSTAs)和气候平均的海温(SST),利用CCM3分别进行了3个包含10次积分的集合试验,即控制试验(CTRL),热带太平洋海洋全球大气试验(TOGA)以及整个太平洋海洋全球大气试验(TOGA-NP),通过对比分析这3个试验之间的集合模拟结果,揭示了在El Niño不同演变阶段东亚气候年际异常响应结构以及北太平洋年际SSTAs在此过程中的调制作用.结果表明:El Niño发展阶段夏季,东亚地区大气环流异常呈显著的负PJ波列,副热带高压减弱、偏东,东亚夏季风增强,东北和江淮流域降水偏多,华北和长江流域及其以南地区降水偏少;El Niño成熟阶段冬季,东亚大槽加强,东亚北部冬季风加强,西太平洋副热带地区低层有显著的反气旋式异常风场,华南地区降水显著增多;El Niño衰亡阶段夏季东亚气候年际异常型与其发展阶段夏季几乎相反.同时,北太平洋年际SSTAs对El Niño影响东亚气候年际异常有一定的调制作用,使模拟的我国降水异常分布更符合观测.     

El Nio对东亚气候年际异常影响的数值模拟

根据1949~1998年期间8次显著El Nio事件合成的24个月年际海温异常(SSTAs)和气候平均的海温(SST),利用CCM3分别进行了3个包含10次积分的集合试验,即控制试验(CTRL),热带太平洋海洋全球大气试验(TOGA)以及整个太平洋海洋全球大气试验(TOGA-NP),通过对比分析这3个试验之间的集合模拟结果,揭示了在El Nio不同演变阶段东亚气候年际异常响应结构以及北太平洋年际SSTAs在此过程中的调制作用.结果表明:El Nio发展阶段夏季,东亚地区大气环流异常呈显著的负PJ波列,副热带高压减弱、偏东,东亚夏季风增强,东北和江淮流域降水偏多,华北和长江流域及其以南地区降水偏少;El Nio成熟阶段冬季,东亚大槽加强,东亚北部冬季风加强,西太平洋副热带地区低层有显著的反气旋式异常风场,华南地区降水显著增多;El Nio衰亡阶段夏季东亚气候年际异常型与其发展阶段夏季几乎相反.同时,北太平洋年际SSTAs对El Nio影响东亚气候年际异常有一定的调制作用,使模拟的我国降水异常分布更符合观测.     

中国南方冬雨与El Nio事件相关关系的年代际差异及其成因

利用1961—2016年中国160站逐月降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用统计学方法分析了中国南方冬雨与El Nio事件相关关系的年代际差异及其成因。结果表明:1) 1961—2016年南方冬雨年际变化显著,且降水量呈现阶段性变化,1961—1988年为少雨期,1989—2016年为多雨期。2) El Nio事件与南方冬雨之间的相关关系存在年代际差异。1961—1988年El Nio事件冬季,500 hPa上中国东部地区位势高度距平的经向差异很小,不利于冷空气向南推进,850 hPa上中国南方南风距平偏小,来自孟加拉湾和南海的水汽较难向中国南方地区输送,且中国南方地区受下沉运动异常影响,对流发展受抑制,故南方冬雨偏少; 1989—2016年El Nio事件冬季,500 h Pa上中国东部地区位势高度距平的经向梯度较大,有利于冷空气向南推进,850 hPa上南海北部到中国东部出现异常的西南风,有利于孟加拉湾和南海的暖湿气流向中国南方地区输送,且中国南方地区受上升运动异常控制,有利于对流发展,故南方冬雨偏多。     

北极冰异常对亚洲夏季风影响的数值模拟

本文利用菱形截断15波的9层全球大气环流谱模式研究了北极关键区域海冰面积异常对亚洲夏季风环流、降雨量及我国夏季天气气候的影响,结果表明,格陵兰海-巴伦支海极冰偏多,导致亚洲夏季风环流特别是东亚季风环流的增强、我国东南部降水偏多;东西伯利亚海-波弗特海极冰偏多,导致东亚夏季风环流减弱、我国东南部降水偏少,而印度半岛季风增强;该区极冰偏少引起相反的效应。文中对上述效应的可能动力学机制也进行了讨论。因此,北极冰是引起亚洲夏季风年际气候异常的重要原因之一。     

利用Argo和Aquarius卫星观测研究热带南印度洋海表盐度的季节变化

采用Argo以及Aquarius卫星观测的海表盐度月平均资料研究了热带南印度洋海表盐度的季节变化特征。结果表明,在60°—80°E,5°—15°S海域海表盐度具有显著季节变化特征;夏半年盐度升高,冬半年盐度降低;但是其异常中心与降水异常中心不对应,降水不能解释盐度的季节变化。盐度收支分析显示,在夏半年,海表盐度增加的主要原因是经向平流将赤道地区的高盐输送至该地区;其中4—5月期间,海洋垂向卷夹作用加强,对海表高盐异常也起到重要作用。在冬半年,大气降水增加,海洋表层环流使得降水引起的局部低盐水体在该区域辐合;同时,向西的纬向平流将东南印度洋的低盐水体继续输送到该地区,二者对冬半年海表盐度降低都有重要贡献。     

山东半岛夏季降水异常的环流型及影响因子分析

利用1961——2016年华东地区106个气象观测站的日降水数据和再分析资料,分析引起山东半岛夏季降水异常的大气环流型及其与前期下垫面因子(海温和土壤湿度)的关系,结果发现:1)当孟加拉湾出现西南风异常,日本列岛以南和贝加尔湖西南侧地区分别呈反气旋和气旋式环流异常时,加强了向山东半岛的水汽输送,配合区域大气上升运动异常最终导致山东半岛夏季降水偏多;反之,当孟加拉湾出现西北风异常,日本列岛以南和贝加尔湖西南地区分别呈气旋和反气旋式环流异常时山东半岛降水偏少。2)孟加拉湾和北太平洋中部关键区的对流层整层位势高度与下垫面海温自春季持续至夏季存在显著正相关,当两个地区的整层位势高度均呈正异常时,分别对应夏季孟加拉湾的强西风气流和日本列岛以南的反气旋环流异常。3)区域土壤湿度异常引起的感热和潜热通量异常,可能是引起贝加尔湖关键区位势高度和山东半岛局地对流异常的原因:贝加尔湖西南地区土壤湿度偏大时,其上空对流层位势高度为负异常;山东半岛地区土壤湿度偏大时,其上空对流层大气出现异常上升运动。4)利用关键区春季下垫面因子(海温和土壤湿度)建立山东半岛夏季降水的统计预测模型,留一交叉检验的距平同号率达到75%。这些结果可为山东半岛夏季降水预测提供重要参考。     

中国江南地区降水异常的年际变化与北极海冰密集度异常的相关分析及其机理研究

本文选取最近二十年(1998—2017年)中国江南地区降水和北极海冰为研究对象,分析了年际时间尺度上中国江南地区降水异常与北极海冰异常的关系,并进一步通过研究关键区附近罗斯贝长波(Rossby长波)的波射线路径和中国中纬度地区波作用通量的传播异常,揭示了北极海冰通过Rossby波大气桥的调制作用影响江南地区降水的可能机制。结果表明:夏、秋季东西伯利亚海与巴芬湾的海冰密集度异常与次年中国江南地区降水异常存在显著的正相关关系。其影响机制是:关键海区海冰异常和北极放大能够激发Rossby波列型遥相关从北极关键区向中国中纬度地区传播,而关键区附近的Rossby波扰动能量在夏、秋季比冬、春季更容易传播至中国中纬度地区,并最终通过上下游遥相关效应引发中纬度副热带西风急流异常和急流入口区右侧江南地区的环流和降水异常,当海冰偏多时西风急流加强,江南地区对流不稳定发展,降水偏多。     

近55 a中国西北地区夏季降水的时空演变特征

利用1961—2015年中国西北地区274个气象观测站点的日降水数据和再分析大气资料,采用EOF分析及累积距平等方法,研究了近55 a中国西北地区夏季降水的时空演变特征。结果表明:1)1961—2015年中国西北地区夏季降水的演变可分为三个时段,1961—1975年,该区域降水普遍偏少;1976—1996年,西北地区的东部降水偏多,西部降水偏少;1997—2015年,其东部降水偏少,而西部降水偏多。2)1976—1996年,西北地区东部降水偏多,是因为该地区夏季降水强度和降水频次明显增加,而西部降水偏少,则是该区域小雨与中雨的频次减少,降水强度偏弱造成的;1997—2015年,由于有效降水日数减少,降水强度偏弱等原因导致西北地区东部降水偏少,与此同时,西北地区的西部却因降水强度明显增强,持续降水日数和极端降水事件增加使得该区域降水呈现偏多的态势。3)降水区的转移,伴随着北半球对流层中层中纬度波列的演变,同时来自东欧与印度季风的水汽输送也对降水的异常起到了关键作用。     

东海海区各季节昼夜云的特征分析

利用2007—2010年CloudSat二级产品中的2B-GEOPROF和2B-GROPROF-Lidar数据,对东海海区各季节、昼夜的云量、云高分布特征做了统计分析。结果表明:云量的季节性和地域性差异较大,总云量以春、夏两季居多,秋、冬季节较少,而低云量则以冬季最多,夏季最少。台湾岛及其以东至123°E海域终年多云,年平均总云量在65%以上,年平均低云量在45%以上。昼夜变化较为明显,大部分区域夜间18时年平均云量比白天06时略偏多,海上年平均总云量06时约为50%~60%,18时增加到55%~70%;平均最低云底高和平均最高云顶高的水平分布趋势相近:夏季云层最高,春秋季次之,冬季云层最低。从年平均云高分布来看:06时,台湾岛及其东北海域是云层的低值区,沿琉球群岛区域是相对的高值区,而18时沿海地区云层升高,海上云层明显压低,琉球群岛北部海域骤变成低值区。     

南海北部近岸春季海雾的年际变化

利用ICOADS(International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)资料对南海北部春季海雾的年际变化特征进行研究.春季南海北部的海雾多集中在近岸海区,远离岸线的海区海雾较少发生.南海北部近岸春季海雾日数偏多年份有4个(1969、1983、1986、1987年);雾日数偏少年份有5个(1971、1999-2002年).利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,对海雾日数偏多、偏少年份的850hPa等压面上各要素分别进行合成分析.850hPa等压面上,华南沿海上空常年存在一个由南向北的暖平流.南海上空的空气湿度较大,在海雾日数偏多年份大气湿度减小,偏少年份湿度增大.南海上空850-1 000hPa等压面之间存在一股来自西太平洋的水汽输送.在海雾日数偏多年份水汽输送增强,海雾日数偏少年份水汽输送减弱.     

热带太平洋潜热通量变化及其与我国夏季降水的关系

采用1948-2010年NCEP/NCAR再分析潜热通量资料,利用经验正交分解(EOF)方法,分析了夏季热带太平洋潜热通量变化的时空特征,并探讨了中国东部夏季降水异常与潜热通量变化时空格局的关系.结果显示,热带东太平洋潜热通量变化存在明显的线性减小趋势;潜热通量还具有在年际时间尺度上的变化特征.热带太平洋潜热通量第一模态时间系数与中国夏季降水相关系数表现为“南正北负”型分布,表明热带太平洋地区的潜热通量减少可能是造成我国夏季降水在20世纪70年代以后长江中下游及华南地区夏季降水明显偏多,东北、华北地区夏季降水明显偏少的影响因素之一.进一步分析表明,热带东太平洋潜热通量异常偏少时,造成东亚地区500hPa位势高度场异常偏高,形成向南的水汽输送异常,并可能通过东亚副热带西风急流年际变化影响中国夏季降水分布.     

北半球雪水当量季节和年际尺度时空主模态变化特征

利用美国冰雪中心提供的29年(1979—2007)月平均卫星遥感雪水当量(SWE)资料,研究了北半球雪水当量季节和年际变化的时空特征。在季节尺度上,欧亚大陆中西伯利亚高原及以东高纬度和北美大陆高纬度区域都有相比其它区域积雪早、融雪晚的特点;北半球平均的雪水当量在春、秋季节一般都有2个月的持续性,但晚冬到春季则存在春季障碍;季节变化的时空主模态以冬夏年周期振荡的半球一致型为主,方差贡献达93%。在年际尺度上,整个时间段各季节的SWE没有显著的线性减少趋势;SWE的时空分布主要存在两个主模态,分别占总方差贡献的13.1%和8.3%。第一模态主要反映了欧亚大陆中西部SWE的变化特征,第二模态则主要反映了北美中高纬度地区SWE的变化特征。     

西北太平洋上层热含量的时空变化

基于全球月平均海温资料、137°E断面海温观测资料、同化水位资料和太平洋850 hPa纬向风资料,利用EOF、功率谱和最大熵谱等分析方法,分析了西北太平洋上层热含量的时空变化,并讨论了热含量变化与水位和赤道太平洋纬向风异常的关系.结果表明,西北太平洋上层热含量具有明显的年际和年代际变化;热含量的年际变化与热带太平洋大尺度海气系统异常相联系,即在El Ni(n)o期间,热含量减少,而在La Ni(n)a期间热含量增多;热含量在20世纪70年代末发生了一次气候跃变,在跃变前热含量偏多,而在跃变后则偏少;热含量与水位间存在着非常一致的同位相年际变化,而这种变化与赤道西、中太平洋的纬向风异常有关.     

印度洋不同海温模态对两类厄尔尼诺事件与我国南方秋季降水关系的影响

利用1951—2015年NOAA气候预测中心的SST扩展重建资料（ERSST V3b）、国家气候中心提供的我国160站月降水量资料、美国国家环境预报中心/大气研究中心（NCEP/NCAR）提供的各气压层的水平风速、垂直速度和比湿资料,研究了印度洋不同海温模态对两类厄尔尼诺事件与我国南方秋季降水关系的影响。结果表明,虽然东部型（中部型）厄尔尼诺年秋季我国长江以南地区降水偏多（少）,但当东部型厄尔尼诺与印度洋正偶极子同时发生年秋季,我国长江以南地区降水偏多的程度显著提高;当中部型厄尔尼诺与印度洋正偶极子同时发生年秋季,我国西南地区降水转为偏多,其他南方地区降水仍然偏少;当中部型厄尔尼诺与印度洋一致增暖型海温同时发生年秋季,我国整个长江以南地区降水偏少,且偏少的幅度要显著高于不考虑印度洋海温异常的情况。此外还对印度洋不同海温模态对两类厄尔尼诺事件与我国南方秋季降水关系的影响的环流成因进行了分析。     

南海区域对流活动的气候特征及其与ENSO的关系

利用1979—2013年NCEP再分析向外长波辐射、降水率和ENSO指数资料,运用联合经验正交函数等诊断方法,分析了南海区域各季对流活动年内、年际尺度变化特征和年际变化与同期ENSO指数的关系。结果表明:南海南部对流活动各月之间少变,南海中北部区域对流被抑制期和活跃期均较为持久,对流活跃区5月中旬中期跳跃北扩,9月后由北向南缓慢撤退;南海区域秋、冬和春季变化表现出良好的全区一致性,冬季对流活动较好地保留了上年秋季的异常状态,并进一步稳定地持续到春季;秋、冬和春季活动的年际变化很可能受ENSO调制,厄尔尼诺状态下,南海对流活动受抑制,拉尼娜状态下相反;夏季对流活动表现出南北反向型和全区一致型的两类重要年际变化形态,前者可能受ENSO的调制,厄尔尼诺抑制南端对流而使北端对流更活跃,后者有明显的线性趋势,气候变暖使夏季南海上空对流更活跃;春季对流的异常状态很难持续到夏季。