中高纬瞬变涡旋活动对我国东部夏季降水的影响

基于1981—2020年日本气象厅(Japanese Meteorological Agency,JMA)再分析资料JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)以及美国国家气候中心(Climate Prediction Center,CPC)卫星降水资料,分析了瞬变涡旋活动特征及其对我国东部夏季降水异常的影响,并对其可能机制展开讨论。研究表明,蒙古国至我国东北和华北地区既是瞬变涡旋活动的活跃区域,也是其输送的大值区域,其中瞬变涡旋对热量和水汽的经向输送占主导地位,是中高纬热量和水汽的重要来源。根据瞬变涡旋经向热量和水汽输送变率的强度确定了瞬变热量和水汽输送的关键区域,分别为(45°~60°N,100°~130°E)和(35°~50°N,100°~120°E),并定义了瞬变热量和水汽指数,其与我国东部夏季降水异常的回归结果表明,瞬变涡旋活动对我国东部夏季降水存在显著影响。中高纬天气尺度瞬变涡旋对热量、水汽和动量的输送异常,通过波流相互作用过程,对平均流形成了反馈,导致季节平均环流、水汽分布和水汽输送的异常,从而在热力、动力和水汽条件的共同作用下引起降水异常。     

1982—83年厄尼诺年夏季大气涡旋活动及其物理量输送特征

本文采用ECMWF/WMO格点资料分析了1982—83厄尔尼诺年夏季北半球大气定常涡旋和瞬变涡旋活动及其动量、热量、水汽的输送特征和静止涡的E—P通量,结果表明:厄尔尼诺事件发生前后,北半球夏季大气涡旋活动有很大差异;厄尔尼诺结束后,北半球大气的定常涡旋活动明显增强,其动量、热量和水汽的向北输送异常加强,结果使太平洋等地热带高层东风减弱,副热带西风急流增强,副热带高压加强,以及东亚等地降水异常增多。本文的研究有助于理解热带海温强烈增暖对出现异常大气环流影响的物理机制。      

青藏高原夏季降水的区域特征及其与周边地区水汽条件的配置

使用青藏高原地区97个测站1961-2005年6～8月降水总量及同期NCEP/NCAR月平均 u, v风、比湿和300 hPa位势高度等再分析资料, 首先使用旋转经验正交函数分解方法得到青藏高原夏季降水的4种主要分布类型, 之后利用相关分析方法, 分析了与4种降水类型匹配的水汽输送以及相应的环流背景, 最后使用合成分析对高原异常旱涝年的水汽输送和环流形势的差异进行了分析.结果表明, 青藏高原夏季降水的主要气候特征是南部与北部降水异常呈现相反分布的特征, 其水汽输送和环流形势配置差异显著.如果孟加拉湾海区向北的水汽输送和东部海洋向西的水汽输送加强, 同时乌拉尔山阻高强盛, 东亚从低纬至高纬呈现 " - "位势高度环流形势时, 有利于西南水汽输送并与来自东部海洋的水汽形成辐合, 造成高原夏季降水偏多, 反之降水则偏少.     

川渝盆地夏季旱涝变化特征及成因分析

利用川渝盆地18个观测站1955—2008年的月平均降水资料,分析了川渝盆地东、西部夏季降水的年代际变化特征;通过NCEP/NCAR再分析资料、NOAA OLR资料,分析了川渝盆地东、西部多雨年和少雨年的环流形势,结果表明:(1)川渝盆地东、西部夏季区域平均降水量呈负相关关系,且川渝盆地东、西部夏季降水的长期变化周期也有一定的差异。(2)在川渝盆地西部多雨年,500 hPa高度上北半球欧亚地区两脊一槽型环流发展,孟加拉湾的低气压有利于水汽从西南方向输送到我国,同时南亚高压西部增强,使得川渝盆地西部和我国河套地区降水偏多。而在川渝盆地东部多雨年,东亚高纬度地区经向环流有利于我国东部冷空气南下,配合副热带高压西伸,南亚高压东部减弱,我国中部地区和川渝盆地东部降水偏多。(3)前期春季OLR场特征对后期夏季川渝盆地夏季降水的预测有一定的指示意义。在川渝盆地西部多雨年,印度洋到孟加拉湾整个地区前期春季OLR减小,印度洋和孟加拉湾地区的对流活动增强,有利于水汽输送到川渝盆地西部地区。而川渝盆地东部多雨年,从南海向我国的水汽输送增强,盆地东部地区降水偏多。     

中国东部地区夏季降水和环流的年代际转型及其与PDO的联系

利用1951—2013年全国160个测站逐月降水资料、NCEP/NCAR月平均再分析资料和NOAA全球月平均海表温度等资料,分析了中国东部地区夏季降水的年代际转型及相关大气环流变化。研究结果表明,1970s中后期和1990s PDO两次位相转换给中国东部地区夏季降水带来显著的年代际变化,前者使得东亚夏季风进一步减弱,夏季雨带南退至长江中下游地区,后者使得东亚夏季风恢复增强,雨带北移至淮河流域。进一步研究发现,1990s PDO年代际突变导致东亚夏季大气环流场发生显著变化,贝加尔湖地区增暖导致向北的经向温度梯度增大以及副热带高压的东退北抬是导致1990s东部地区夏季降水年代际变化的可能原因。     

东亚夏季经向水汽输送的变异及其对极端降水的影响

东亚夏季降水的异常与水汽输送的变异密切相关。基于1958—2016年资料,研究了夏季东亚季风区经向水汽输送的主要变异特征及其对东亚夏季极端降水的影响。经向水汽输送的第一主变异模态表现出中国东部和西北太平洋上的水汽经向输送呈现反向异常,以年际变化为主。当中国东部向北输送的水汽增强(减弱)而西北太平洋向北输送减弱(增强),则中国东部大范围的极端降水量及频次增加(减少)。该模态与西太(西太平洋)副高西伸(东撤)有关,并主要受到热带中东印度洋海温的影响。第二变异模态以年代际变化为主兼有年际变化,表现在1980年后中国东部及邻近海域上空的经向水汽输送减弱,使得环渤海地区和华南沿海的极端降水量及频次减少而长江上、下游和贵州的极端降水量及频次增加。该模态与西太副高的减弱有关,并受到热带西太海温年代际增温的影响。第三变异模态以年际变化为主兼有年代际变化,反映中国长江以北地区和日本南部及附近区域的经向水汽输送的反相变化结构。长江以北水汽输送减弱(增强),可导致华北、东北的极端降水量及频次减少(增加)和长江下游及江南地区的极端降水量及频次的减少(增加)。该模态主要受欧亚大陆上空中高纬度纬向遥相关波列和热带印太（印度洋太平洋）海温异常的影响。      

西北太平洋夏季风对中国长江流域夏季降水的影响

利用1979～2005年NCEP/NCAR的环流场再分析资料和降水资料, 通过对季风期降水、 大气环流、 水汽输送及低频振荡等方面的分析, 分别从时间和空间上分析了西北太平洋夏季风与中国长江流域夏季降水的联系。结果表明:(1) 西北太平洋夏季风与中国长江流域夏季降水存在显著的负相关关系, 在西北太平洋夏季风强盛时, 副热带高压异常偏北, 其西侧的偏南气流异常偏弱, 使得我国长江流域形成低层异常环流及水汽输送的辐散区, 从而造成长江流域夏季降水偏少; 而在西北太平洋夏季风减弱的年份, 西太平洋副高异常偏南偏西, 在长江流域以南地区形成异常偏强的偏南风水汽输送, 使得长江流域成为南、 北距平风的汇合区, 其上空对流活动异常活跃, 非常有利于长江流域的降水。 (2) 东亚局地Hadley垂直环流在强、 弱季风年也显著不同, 在强季风年里, Hadley局地环流异常偏弱, 长江流域上空出现的下沉运动距平, 使得该地区降水减弱, 而弱季风年则正好相反。 (3) 西北太平洋夏季风存在显著的气候平均的大气季节内振荡 (CISO), 在西北太平洋夏季风减弱时期, 长江流域降水同时受到源自热带西北太平洋西传CISO和源自热带印度洋东传CISO的共同影响, 可能造成了某种锁相关系, 从而造成降水偏多; 而在强季风年里长江流域只受由西太平洋西传的CISO的影响, 不容易激发降水。     

中国北方冬季特冷月和特暖月的定常涡旋与瞬变涡旋的热量和角动量输送

定常涡旋与解变涡旋的热量和角动量输送对局地的大尺度运动的维持与变化起重要作用。Ho-lopainen对时间平均环流的涡度和涡度拟能的维持的诊断分析结果表明瞬变涡旋对时间平均气流的作用包括热量输送和角动量输送。对局地热量收支的贡献,定常涡旋的作用大于瞬变涡旋的作用。然而,Green对造成英国1976年夏季罕见干旱的500 hPa高压脊的形成做了分析,认为瞬变涡旋的动量输送是重要的。     

中国东部夏季降水与同期东亚副热带急流年代际异常的关系

利用中国738个台站的降水观测资料和NCEP/NCAR再分析资料, 分析了我国降水和200 hPa东亚副热带西风急流轴的年代际变化特征, 揭示了东亚副热带西风急流位置的南北移动与我国长江流域和华北降水异常之间的联系。结果表明, 我国东部地区夏季（7、 8月）降水异常主要表现为长江中下游地区多（少）雨, 华北及华南地区少（多）雨, 20世纪70年代末80年代初是这种异常分布型发生转折的时间。与此同时, 东亚高空副热带急流轴位置从70年代末开始逐渐偏南, 急流轴位置的变动将引起对流层低层水汽辐合区和高层散度分布以及垂直环流相应的变化, 进而引起降水区域的变化。相关分析发现, 当急流位置偏南时, 25°~35°N西风增强, 42°~50°N西风减弱, 华北夏季降水减少, 长江中下游地区夏季降水增多; 反之, 当急流位置偏北时, 华北夏季降水增多, 长江中下游地区夏季降水减少。与70年代末开始的我国东部地区急流轴位置逐渐南移相对应, 华北地区夏季降水呈现逐渐减少、 长江中下游地区夏季降水呈现逐渐增多的变化趋势。分析低层水汽通量和高层的散度分布以及垂直环流的差异发现, 1980年以来华北地区对流层中低层水汽通量辐合减弱, 水汽供应减少, 垂直上升运动减弱, 造成了华北夏季降水减少, 而长江中下游地区水汽通量辐合增加, 水汽供应增多, 垂直上升运动增强, 导致该地区降水增加。     

西南地区东部夏季旱涝的水汽输送特征

利用1959-2006年两南地区东部20个测站逐日降水量资料和NCEP/NCAR再分析月平均资料,分析了西南地区东部夏季旱涝年的水汽输送特征.结果表明,西南地区东部水汽来源主要有两个:第1条主要来自青藏高原转向孟加拉湾经缅甸和云南进入西南地区东部,第2条水汽经由孟加拉湾南部,强大的水汽输送带继续向东输送至中南半岛及南海,与南海越赤道气流所携带的水汽汇合后转向至西南地区东部,而由四太平洋副热带高压西侧转向的偏南水汽对向西南地区东部水汽输送也有影响.与西南地区东部夏季降水相联系的水汽通道中,印度洋水汽通道强度最强,太平洋水汽通道强度最弱.在印度季风区,偏北的高原南侧水汽通道(经向)强度远小于偏南的印度洋水汽通道.东亚季风区夏季水汽输送经向输送大于纬向输送,而印度季风区夏季水汽输送则是纬向输送大于经向输送.西南地区东部夏季降水与纬向通道的强度变化关系密切,而与经向通道的水汽输送强度变化关系不明显.当印度季风区南支水汽输送偏弱时,印度季风区北支(高原南侧)和东亚季风区向西的水汽输送偏强,使得以纬向输送为主的印度季风区经向水汽输送加大,而以经向输送为主的东亚季风区纬向水汽输送加大,从而使东亚地区的水汽输送带偏西,西南地区东部夏季降水偏多,可能出现洪涝,反之则可能出现干旱.西南地区东部夏季水汽有弱的净流出,是一个弱的水汽源区,南边界流入水汽量最多,干旱年整个区域水汽流出较常年明显,而洪涝年则有弱的净流入.夏季水汽通道水汽输送强弱变化与同期500 hPa高度场和SST场的分布形势密切相关.     

1990年代末东亚北部地区夏季水汽输送年代际变化特征及其影响机制

利用1983～2011年降水量、环流和海温的再分析资料,探讨了东亚北部地区夏季水汽输送的年代际变化特征,并分析了前冬北大西洋海温对东亚北部地区夏季水汽输送与大气环流的可能影响。研究结果表明,20世纪90年代末期东亚北部地区夏季整层水汽与降水年代际的变化特征相一致,整层水汽通量的年代际变化主要是由于纬向水汽输送异常作用的结果。东亚北部地区（35°～55°N,90°～145°E）西边界的水汽输送通量由多变少,东边界的水汽输送通量由少变多特征则直接导致了该地区降水由偏多转为偏少的年代际变化。就外强迫海温角度来说,前冬北大西洋海温跟东亚北部地区夏季500 hPa高度场、850 hPa风场和850 hPa比湿均显著相关。同时,在20世纪90年代中后期前冬北大西洋海温也表现出由偏低向偏高转变的年代际变化特征,且由于海温自身的记忆性前冬的海温异常一直延续到夏季。并在夏季激发出横跨北大西洋和欧亚大陆中高纬度地区的大西洋-欧亚（AEA）遥相关结构,并进一步影响东亚北部地区夏季水汽输送。     

东亚中纬度夏季陆面增暖与土壤湿度异常的联系

利用1979—2015年ERA-Interim再分析土壤湿度、云量资料,NCEP/NCAR再分析环流资料和CPC土壤湿度资料,分析了东亚中纬度夏季陆面热力异常的时空分布特征及其与前期春季土壤湿度异常的联系,探讨了前期春季土壤湿度影响东亚中纬度夏季陆面增暖的可能途径。结果表明,东亚中纬度夏季土壤表层温度呈全区一致增暖趋势,其中贝加尔湖及以南地区温度变化最剧烈、增暖最迅速,且1990年代中期前后存在一个明显由冷向暖的年代际转变。进一步分析发现,春、夏季西西伯利亚到贝加尔湖北部地区的土壤湿度与夏季贝加尔湖及以南地区的土壤表层温度在年代际和年际尺度上均存在紧密联系:西西伯利亚到贝加尔湖北部地区土壤湿度异常偏高,通常对应贝加尔湖及南部地区夏季土壤表层温度偏高。西西伯利亚到贝加尔湖北部地区春、夏土壤湿度异常可以引起夏季大气环流异常,从而对东亚夏季中纬度陆面热力异常产生影响:春、夏土壤湿度偏高时,贝加尔湖及其南部地区上空位势高度为正异常,对应为反气旋性异常环流,云量减少,有利于东亚中纬度陆面增暖;反之,则对应为气旋性异常环流,不利于陆面增暖。     

中国夏季气温对东亚土壤湿度异常响应的统计评估

基于欧亚夏季土壤湿度变化特征及其与中国夏季气温的相关分析,选取东亚地区作为土壤湿度异常影响中国夏季气温的陆面关键区,采用广义平衡反馈分析方法(GEFA)探讨了我国夏季气温对东亚地区土壤湿度异常的可能响应,并初步讨论了相关的物理过程。结果表明:中国夏季气温与东亚地区初夏和同期的土壤湿度异常具有密切的联系;进一步分析表明,夏季气温距平场对土壤湿度第一模态的响应最显著:当东亚中纬度及我国东部地区土壤湿度异常偏干时,夏季气温表现为一致增暖;而土壤湿度第二模态对长江流域至我国西部地区的气温有较弱的强迫作用;气温对第三模态的响应主要表现为华南地区的显著降温。并以对气温影响最为显著的土壤湿度异常第一模态为例,初步探讨了气温对土壤湿度异常响应的可能物理过程。当贝加尔湖以南以及我国东部的土壤偏干时,地表异常加热容易引起我国北方高层大气出现明显正异常和低层的反气旋性异常环流,上述环流异常容易导致温度偏高,同时不利于该区域降水的发生,进而导致土壤湿度偏低,上述正反馈机制可能是该区域土壤湿度与大气之间联系的一种可能途径。     

夏季青藏高原大气热源与西南地区东部旱涝的关系

利用1959～2006年西南地区东部20个测站逐日降水量资料和NCEP/NCAR再分析月平均资料,分析了夏季青藏高原大气热源特征,指出了影响西南地区东部夏季旱涝的热源关键区域,并就关键区大气热源对该区域夏季旱涝的影响进行了诊断,得出了以下主要结论:西南地区东部夏季降水与高原主体东南部的热源变化关系密切,当该区域(该区域...     

Impact of Change in Monsoonal Circulation Due to SST Warming on the North East Asian Monsoon: A Model Analysis Using Satellite Based Sub-Grid Hydrometeors

Over the North East Asia, extreme anomalous precipitation were observed in 2013 and 2014. During 2013 summer the precipitation was found to be higher (two standard deviation) than the climatological mean of the region; whereas during 2014, which was a borderline El Niño year, precipitation was found to be lower (one standard deviation). To understand the differences of these two anomalous years the Global/Regional Integrated Model system (GRIMs) has been used. The study found that low land-surface temperature and high sea-surface temperature over ocean caused a smaller land-sea contrast of surface temperature between East Asia and North West Pacific Ocean in 2014, which could have caused an eastward shift of mean monsoon circulation in that year compared to the circulation in 2013. Due to a change in the lower level circulation and wind field over East Asia the evaporation and moisture transport patterns became very different in those two years. In 2013, this study found high latent heat flux over Eastern China, which implies an increased surface evaporation over that region, and the moisture transported to the north by the mean monsoon circulation; whereas, there was no correlated transport of moisture to the North East Asia during 2014. The precipitable water over North East Asia has a stronger correlation with the latent heat flux over southern land region than that from Ocean region in the eastern side in both the years. A new approach is proposed to estimate the sub-grid scale hydrometeors from GRIMs, overestimated in the existing model.     

华南夏季大气水汽汇时空变化特征

用1958~2004年NCEP/NCAR再分析资料,分析华南夏季大尺度大气水汽汇的时空变化特征。结果表明:西南地区东部至华南北部地区、华南沿海地区是我国南方夏季水汽汇的2个主要的变异中心区。西南地区东部至华南北部地区夏季水汽汇具有明显的年代际变化特征。华南南部沿岸地区夏季水汽汇则以年际变化为主。西南地区东部至华南北部附近地区以及华南南部沿岸地区水汽汇的强弱异常变化,与东亚上空水汽输送异常而导致上述地区的垂直积分的水汽通量辐合的异常是密切相关:如果向华北或者长江流域的水汽输送增强(减弱),则华南地区得到的水汽减少(增加),导致上述地区上空的水汽汇偏弱(偏强)。     

夏季南海低空越赤道气流变化与亚澳季风区降水异常的联系

基于1979—2014年ERA-Interim逐月风场和水汽通量资料及GPCP逐月降水率资料,采用相关分析及合成分析等方法研究了夏季南海低空越赤道气流的变化特征及其与亚澳季风区降水异常的联系。结果表明:1)夏季南海低空越赤道气流强度的年际变化特征明显,具有3~4 a的周期。2)夏季南海低空越赤道气流强度变化与热带东印度洋和海洋性大陆区域降水异常具有显著的负相关关系、与热带西太平洋降水异常存在明显的正相关关系、与我国中部地区降水异常存在较好的负相关关系。3)当夏季南海低空越赤道气流强度偏强时,850 hPa上自阿拉伯海向东一直延伸到热带西太平洋为西风异常,这种环流形势有利于热带西太平洋出现水汽辐合,使得该区域降水出现明显偏多,同时热带东印度洋低层为东风异常,受其影响,热带东印度洋和海洋性大陆区域出现水汽辐散,使得该区域降水偏少;此外,在我国东南沿海为一个气旋式风场异常,不利于来自热带海洋的水汽输送到达我国中部地区,使得该地区降水偏少;反之亦然。4)当夏季南海低空越赤道气流偏强时,东亚地区局地Hadley环流表现为异常偏弱,低空偏南越赤道气流异常在20°N附近与来自北半球的冷空气交汇上升,赤道附近及30~40°N地区出现异常下沉运动,使得热带海洋性大陆区域和我国中部地区降水减少;反之亦然。     

Changes in storm tracks and energy transports in a warmer climate simulated by the GFDL CM2.1 model

Storm tracks play a major role in regulating the precipitation and hydrological cycle in midlatitudes. The changes in the location and amplitude of the storm tracks in response to global warming will have significant impacts on the poleward transport of heat, momentum and moisture and on the hydrological cycle. Recent studies have indicated a poleward shift of the storm tracks and the midlatitude precipitation zone in the warming world that will lead to subtropical drying and higher latitude moistening. This study agrees with this key feature for not only the annual mean but also different seasons and for the zonal mean as well as horizontal structures based on the analysis of Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) CM2.1 model simulations. Further analyses show that the meridional sensible and latent heat fluxes associated with the storm tracks shift poleward and intensify in both boreal summer and winter in the late twenty-first century (years 2081?C2100) relative to the latter half of the twentieth century (years 1961?C2000). The maximum dry Eady growth rate is examined to determine the effect of global warming on the time mean state and associated available potential energy for transient growth. The trend in maximum Eady growth rate is generally consistent with the poleward shift and intensification of the storm tracks in the middle latitudes of both hemispheres in both seasons. However, in the lower troposphere in northern winter, increased meridional eddy transfer within the storm tracks is more associated with increased eddy velocity, stronger correlation between eddy velocity and eddy moist static energy, and longer eddy length scale. The changing characteristics of baroclinic instability are, therefore, needed to explain the storm track response as climate warms. Diagnosis of the latitude-by-latitude energy budget for the current and future climate demonstrates how the coupling between radiative and surface heat fluxes and eddy heat and moisture transport influences the midlatitude storm track response to global warming. Through radiative forcing by increased atmospheric carbon dioxide and water vapor, more energy is gained within the tropics and subtropics, while in the middle and high latitudes energy is reduced through increased outgoing terrestrial radiation in the Northern Hemisphere and increased ocean heat uptake in the Southern Hemisphere. This enhanced energy imbalance in the future climate requires larger atmospheric energy transports in the midlatitudes which are partially accomplished by intensified storm tracks. Finally a sequence of cause and effect for the storm track response in the warming world is proposed that combines energy budget constraints with baroclinic instability theory.     

近46年京津冀地区“夏雨秋下”现象及其成因初探

基于京津冀地区逐日和逐时降水资料,对1970年以来变暖背景下该地区盛夏（7月和8月）和初秋（9月）降水的变化特征分析后:近46年京津冀地区盛夏降水显著减少,在1990年代末由多雨转为少雨位相,降水日变化上,不同时段的降水皆明显减少,其中持续性降水事件的变化对总降水量减少的贡献更大。而初秋降水明显增加,且在2000年代初发生跃变,由少雨转为多雨位相,夜间降水明显增加,并且持续性降水的增加和跃变是初秋降水增加的主要原因。进一步分析发现,日最高气温的变化与短时降水有较好的时间关系,盛夏时最高气温在1997年发生跃变,从较低位相跃变为较高位相,对应的,盛夏短时降水也同年发生跃变,由多雨转为少雨位相。而初秋的最高气温变化不明显,短时降水也没有发生跃变,无明显的变化趋势。此外,在环流场上,2000年代后,盛夏时欧亚中高纬阻高活动加强,阻碍了中纬度西风扰动输送水汽到京津冀地区,东亚急流偏南,京津冀地区上升气流受到抑制,不利于降水产生;而初秋时,输送至京津冀地区的水汽增加,东亚急流偏北,京津冀地区上升气流加强,贝加尔湖地区低槽受到东部高压阻挡,经向环流加强,有利于冷空气的活动,同时,西太平洋副高强度增强位置偏北,有利于降水的形成。东亚海陆热力差指数在初秋的增强反映出东亚夏季风在夏末秋初的南撤过程发生延迟,形成了以上有利于初秋降水的环流形势,导致了“夏雨秋下”的现象的出现。