论东亚夏季风的特征、驱动力与年代际变化

本文是以新的资料和研究结果对东亚夏季风的基本特征、驱动力和年代际变化所作的重新分析与评估。内容包括四个部分:（1）东亚夏季风的基本特征;（2）东亚夏季风的驱动力;（3）东亚夏季风的年代际变率与原因;（4）东亚夏季风与全球季风的关系。结果表明:东亚夏季风是亚洲夏季风的一个重要有机部分,主要由来源于热带的季风气流组成,并随季节由南向北呈阶段性推进,它是形成夏季东亚天气与气候的主要环流和降水系统。驱动夏季风的主要强迫有三部分:外部强迫、耦合强迫与内部变率,其中人类活动引起的外强迫（气候变暖、城市化、气溶胶增加等）是新出现的外强迫,它正不断改变着东亚夏季风的特征与演变趋势。海洋与陆面耦合强迫作为自然因子是引起东亚夏季风年际和年代际变化的主要原因,其中太平洋年代尺度振荡（PDO）与北大西洋多年代尺度振荡（AMO）的协同作用是造成东亚夏季风30~40年周期振荡的主要原因。1960年代以后,东亚夏季风经历了强—弱—强的年代际变化,相应的中国东部夏季降水型出现了“北多南少”向“南涝北旱”以及“北方渐增”的转变。最近的研究表明,上述东亚夏季风年代际变化与整个亚非夏季风系统的变化趋势是一致的。在本世纪主要受气候变暖的影响,夏季风雨带将持续北移,中国北方和西部地区出现持续性多雨的格局。最后本文指出,亚非夏季风系统相比于其他区域季风系统更适合全球季风的概念。     

ROLE OF A WARM AND WET TRANSPORT CONVEYOR OF ASIAN SUMMER MONSOON IN A BEIJING HEAVY RAINSTORM ON JULY 21, 2012

A heavy rainstorm named Beijing “7.21” heavy rainstorm hit Beijing on 21 to 22 July 2012, which is recorded as the most severe rainstorm since 1951. The daily precipitation amount in many stations in Beijing has broken the history record. Based on the NCAR/NCEP reanalysis data and precipitation observation,the large-scale conditions which caused the “7.21” heavy rainstorm are investigated, with the emphasis on the relationship between it and an equatorial convergence zone, Asian summer monsoon as well as the tropical cyclone over the ocean from the Philippines to the South China Sea (SCS). The results indicated that a great deal of southerly warm and wet moisture carried by northward migrating Asian summer monsoon provided plenty of moisture supplying for the “7.21” heavy rainstorm. When the warm and wet moisture met with the strong cold temperature advection induced by cold troughs or vortexes, an obviously unstable stratification formed, thus leading to the occurrence of heavy precipitation. Without this kind of intense moisture transport, the rainstorm only relying on the role of the cold air from mid- and higher- latitudes could not reach the record-breaking intensity. Further research suggested that the northward movement of an Asian monsoonal warm and wet moisture transport conveyor (MWWTC) was closely related with the active phase of a 30-60 day intra-seasonal oscillation of the Asian summer monsoon. During this time, the monsoon surge triggered and maintained the northward movement of the MWWTC. In addition, compared with another heavy rainstorm named “63.8” heavy rainstorm, which occurred over the Huaihe River Basin in the mid-August 1963 and seriously affected North China, a similar MWWTC was also observed. It was just the intense interaction of the MWWTC with strong cold air from the north that caused this severe rain storm.     

全球气候变化的区域响应：中国西北地区气候“暖湿化”趋势、成因及预估研究进展与展望

西北地区是中国西部大开发的主战场和重要的生态环境安全屏障区,该区气候变化直接影响到“一带一路”倡议实施中的水资源、生态和环境安全。在全球气候变化背景下,西北地区气候呈现出明显的“暖湿化”现象并呈东扩发展趋势,极端降水事件趋多趋强。一方面,降水量的增加有利于该地区的水资源可持续利用和生态环境保护;另一方面,极端降水的增加也对区域综合防灾减灾提出了新挑战。针对近年来备受关注的西北地区气候“暖湿化”问题,从其演变特征、形成原因和物理机制以及未来趋势预估等方面进行了总结和评述,归纳了已有的科学共识,并进一步剖析了当前研究中存在的问题和不足,最后对未来科学研究的重点方向进行了展望。对西北地区气候“暖湿化”趋势、成因及未来预估进行系统回顾,将对今后深入研究西北地区气候“暖湿化”问题具有重要的科学指导意义。     

塔里木盆地肖尔布拉克剖面肖尔布拉克组下段微生物碳酸盐岩沉积特征

塔里木盆地阿克苏地区肖尔布拉克剖面肖尔布拉克组下段除底部条带状泥晶白云岩外,主要为微生物碳酸盐岩沉积,但目前关于这套微生物岩的研究很少。通过详细的野外露头观察及室内镜下薄片鉴定,对研究剖面肖尔布拉克组下段的微生物碳酸盐岩类型进行了识别、分类,并重构了其沉积环境。结果显示:肖尔布拉克组下段共发育六种岩相类型,其中包括四种微生物碳酸盐岩类型:粗纹层状凝块岩,具窗孔凝块岩,厚层状凝块岩和块状凝块岩。粗纹层状凝块岩和具窗孔凝块岩主要分布于潮间带;厚层状凝块岩和块状凝块岩主要沉积于中深—浅水局限潮下带。不同的微生物岩类型发育于不同的位置,主要受控于海平面变化、古地理位置及微生物群落等因素。     

空气污染与气候变化

近50年来,全球气候变化主要由大气温室气体浓度的日益增加引起,而空气污染主要由悬浮于空气中的大气气溶胶粒子造成,它们都主要由矿物燃料的燃烧排放形成.近年的研究表明,大气气溶胶粒子也具有气候效应:一是通过散射和吸收太阳光,减少到达地面的太阳辐射而具有降冷作用,可抵消一部分由温室气体造成的变暖作用;二是可以作为云中凝结核改变云微物理过程和降水性质,改变大气的水循环.大气气溶胶对于经济社会的许多方面,如农业、水资源、人体健康、城市化等也表现出重要的影响.由于空气污染和气候变化在很大程度上有共同的原因,即主要都是由矿物燃料燃烧的排放造成,因而减轻和控制空气污染与减少温室气体排放保护气候在行动上应是一致的.为了从经济上得到最大的节约和获得双赢的效果,应该采取协同应对空气污染和气候变化的减排战略,即应该采取统一的而不是分离的科学研究和应对战略.     

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.     

东亚夏季风水汽输送带及其对中国大暴雨与洪涝灾害的影响

东亚夏季风每年给中国东部地区带来充沛的降水，是中国水资源的主要来源，同时也常常给中国造成严重的洪涝灾害。东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端暴雨过程中起着关键的作用。这支夏季风气流的水汽输送带可称为东亚季风水汽输送带，与国际上近期提出的"大气河"概念相近，但又不完全相同。东亚夏季风水汽输送带是东亚夏季风最具地区性的特征，也是东亚地区夏季大暴雨和洪涝的制造者。本文根据近百年来的资料，综合评述了东亚夏季风水汽输送带的特征和形成原因，并以海河、黄河、淮河与长江近百年最强的5次持续大暴雨过程为例，分析了季风水汽输送带的重要作用。最后，提出气候变暖可以通过4个方面影响全球水循环，包括气候变暖后大气可容纳更多的水汽、大气环流发生变化、辐射强迫改变以及气溶胶影响的区域性等，这些变化都会对季风水汽输送带产生重要影响。     

季风暖湿输送带与北方冷空气对“7·21”暴雨的作用

2012年7月21—22日北京地区发生了1951年以来最严重的特大暴雨,北京地区许多台站日降水量创下1951年以来的历史新纪录。利用NCEP/NCAR再分析资料以及台站降水资料,对引起此次特大暴雨的大尺度条件进行分析,重点研究“7·21”大暴雨与赤道辐合带、亚洲夏季风以及菲律宾-南海洋面上热带气旋之间的密切关系。研究表明亚洲夏季风的异常北进作为暖湿输送带所携带的大量偏南暖湿空气为这次特大暴雨的发生提供了充沛的水汽条件,它与同时来自北方低槽冷涡的高空强冷平流相遇,形成了明显的不稳定层结。没有这种强烈的水汽输送,仅靠来自中高纬度南下的冷空气作用,这次暴雨不会达到破纪录的强度。进一步研究表明,季风暖湿输送带的北推与亚洲季风30～60天季节内振荡的活跃期密切相关。在这个时期产生的季风涌触发和维持了季风暖湿带的迅速向北推进过程。另外,通过与另一次严重影响华北地区的1963年8月上旬的“63·8”大暴雨的大尺度环流条件的比较发现,这次暴雨过程中也观测到明显的季风暖湿输送带,正是由于它与北方冷空气的强烈相互作用,从而也造成了破纪录的大暴雨发生。因此,强的季风暖湿输送带的北进可以说是北方特大暴雨发生的必要条件。     

亚洲夏季风的年际和年代际变化及其未来预测

本文是对我们近五年在亚洲夏季风年代际与年际变率及其未来预测方面研究的一个综述.主要包括下列三个问题:(1)根据123年中国夏季降水资料和印度学者的分析,检测出亚洲夏季风具有明显的年代际尺度减弱,这种年代际变化使中国东部(包括东亚)和南亚夏季降水的格局在过去60年中发生了明显变化.在东亚,从1970年代后期开始,主要异常雨带有不断南移的趋势,结果造成了南涝北旱的降水分布,这主要受到60～80年年代际振荡的影响.青藏高原前冬和春季积雪的年代际减少与热带中东太平洋海表温度的年代际增加是东亚降水型改变的主要原因,这是通过减弱亚洲地区夏季海陆温差与夏季风强度而实现的.未来亚洲夏季风的预测表明,东亚夏季风和南亚夏季风对气候变暖有十分不同的响应.东亚夏季风在本世纪将增强,雨带北推,尤其在2040年代之后;而南亚夏季风环流将继续减弱.这种不同的变化是由于两者对高低层海陆热力差异的不同响应造成.(2)年际尺度的变率在亚洲夏季风区主要表现为2年与4～7年的振荡.本文着重分析了2年振荡(TBO)形成的过程、机理及其对东亚降水的影响.对TBO-海洋机理进行了具体的改进,说明了东亚夏季风降水深受TBO影响的原因,尤其是阐明了长江型(YRV) TBO和淮河型(HRV) TBO的特征及其形成的循环过程.(3)在总结亚洲夏季风时期遥相关型的基础上,本文提出了季节内和年际尺度的低空遥相关型:即西北太平洋季风的遥相关型与印度“南支”和“北支”遥相关型.它们基本上反映了沿低空夏季风强风速带Rossby波群速度传播的结果.据此可以根据西北太平洋和印度夏季风的变化分别预测中国梅雨和华北雨季来临和降水异常.最后研究还表明,在本世纪亚洲夏季风可能更显著地受到人类活动造成的全球变暖的影响,未来的亚洲夏季风活动是人类排放的CO2引起的全球变暖与自然变化(海洋和陆面过程(积雪))共同作用的结果.     

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。