东亚冬季风异常与全球大气环流变化 II.冬季风异常对全球热带海温变化的影响

作为冬季风研究系列中的第II部分,首先对第I部分中的强弱冬季风个例所对应的海温状况进行对比研究。然后,利用中国气象局的46年历史资料挑选出多个强弱冬季风个例进行合成分析,以进一步探讨个例分析中的一些主要结果。最后,引用奇异值分解方法来诊断分析冬季风异常对海温的影响。分析结果表明:冬季风异常不但造成了同期大尺度环流形势的差异,而且对后期环流和天气状况也有较大的影响;环流异常的持续性与海温异常的持续性密切相关,海温可能是维持这种持续异常的中介,它在冬夏季环流的隔季相关中起了重要的作用。     

东亚冬季风异常与全球大气环流变化 I. 强弱冬季风影响的对比研究

利用ECMWF资料挑选出一个强冬季风年（1986年）和一个弱冬季风年（1980年）,通过个例分析对各种气象要素场及中高纬度大尺度环流在强弱冬季风年的差异特征进行比较。分析结果表明：东亚冬季风是全球大气环流的一个重要组成部分,冬季风异常关联着全球环流的异常;这种异常不仅在中高纬度环流中表现出来,而且在热带地区大尺度流场上也尤为显著。强弱冬季风所对应的长波槽脊分布、低纬对流特征、三维流场结构都是截然不同的。冬季风异常不但造成了同期环流形势的差异,而且对后期环流和天气状况也有影响。     

冬季风异常与环流的隔季相关：——东亚冬季风研究之二

用两个强度截然不同的亚洲冬季风年,研究了冬季风异常与全球环流特别是低纬地区环流的关系。指出由于冬季风异常所带来最大的变化发生在热带太平洋地区。强冬季风年中,西太平洋暖池区的对流及上升运动加强。中东太平洋信风也较强。使西太平洋Walker环流远强于弱年。这些主要特征具有明显的季节持续性;与冬季风异常相应的低纬大尺度环流异常一直持续至春季和夏季。从自冬至夏的季节过渡看,它们之间也有较大的差别。强冬季风年所对应的未来夏季的降水及季风强度都与弱冬季风年截然不同。冬夏环流之间存在较好的隔季相关。海温对于冬季风异常有很明显的响应。强冬季风造成的低纬流场异常极有利于太平洋海温西高（暖池区）东低（东太平洋）的异常分布,大体与LaNina的海温型一致。而弱冬季风年则相反,这种特殊的海温型也有持续性,它可以持续至夏季。这必将反过来影响后期的天气和环流。因此,冬季风异常在海气相互作用中起了重要的作用。对多个个例的合成分析所得的结论与个例分析的完全一致。     

东亚冬季风异常与全球大气环流变化：Ⅰ.强弱冬季风影响的对比研究

利用ＥＣＭＷＦ资料挑选出一个强冬季风年（１９８６年）和一个弱冬季风年（１９８０年）,通过个例分析对各种气象要素场及中高纬度大尺度环流在强弱冬季风年的差异特征进行比较。分析结果表明：东亚冬季风是全球大气环流的一个重要组成部分,冬季风异常关联着全球环流的异常;这种异常不仅在中高纬度环流中表现出来,而且在热带地区大尺度流场上尤为显著,强终冬季风所对应的长波槽脊分布,低纬对流特征,三维流场结构都是截然不同     

东亚冬季风及其影响的进一步研究I.东亚冬季风变化及异常的特征

东亚冬季风是北半球冬季最活跃的大气环流系统,其活动有重要影响,其向南爆发可以越过赤道对澳大利亚夏季风起作用。但相对夏季风,人们对东亚冬季风的研究一直较少。作者首先利用Hadley中心近百年的北半球海平面气压场资料,改进提出了一个能更好表征东亚冬季风强度的指数,进一步分析研究了东亚冬季风的年际和年代际变化及其异常特征。其结果表明,东亚冬季风不仅存在着明显的年际变化,主要有准两年的振荡周期和5～7年左右的周期,还存在周期为25～30年左右以及周期为十几年的年代际变化。利用NCEP/NCAR再分析资料,采用相关分析、合成分析的方法,还系统研究了东亚冬季风异常时的大气环流特征。对比分析表明,对应强、弱东亚冬季风,大尺度环流系统(蒙古高压、阿留申低压、500 hPa位势高度场等)的变化特征基本上呈反相分布;并且在强、弱东亚冬季风年,赤道地区的Hadley环流和Walker环流也出现基本反相的异常分布特征;而且赤道西太平洋有西(东)风异常出现,菲律宾以东有异常气旋(反气旋)性环流。在对异常东亚冬季风诊断分析的基础上,用一个大气环流模式（GCM）模拟了异常东亚冬季风的活动。通过对数值模拟结果的强、弱东亚冬季风进行对比分析发现,在强、弱东亚冬季风时,北半球中高纬度大气环流的结构会出现明显的变化和调整;同时,热带地区大气环流也有显著的差异。数值模拟和资料分析结果有较好的一致性,从而进一步揭示了东亚冬季风的变化和异常特征。     

东亚冬季风及其影响的进一步研究Ⅰ.东亚冬季风变化及异常的特征

东亚冬季风是北半球冬季最活跃的大气环流系统,其活动有重要影响,其向南爆发可以越过赤道对澳大利亚夏季风起作用。但相对夏季风,人们对东亚冬季风的研究一直较少。作者首先利用Hadley中心近百年的北半球海平面气压场资料,改进提出了一个能更好表征东亚冬季风强度的指数,进一步分析研究了东亚冬季风的年际和年代际变化及其异常特征。其结果表明,东亚冬季风不仅存在着明显的年际变化,主要有准两年的振荡周期和5~7年左右的周期,还存在周期为25~30年左右以及周期为十几年的年代际变化。利用NCEP/NCAR再分析资料,采用相关分析、合成分析的方法,还系统研究了东亚冬季风异常时的大气环流特征。对比分析表明,对应强、弱东亚冬季风,大尺度环流系统(蒙古高压、阿留申低压、500 hPa位势高度场等)的变化特征基本上呈反相分布;并且在强、弱东亚冬季风年,赤道地区的Hadley环流和Walker环流也出现基本反相的异常分布特征;而且赤道西太平洋有西(东)风异常出现,菲律宾以东有异常气旋(反气旋)性环流。在对异常东亚冬季风诊断分析的基础上,用一个大气环流模式(GCM)模拟了异常东亚冬季风的活动。通过对数值模拟结果的强、弱东亚冬季风进行对比分析发现,在强、弱东亚冬季风时,北半球中高纬度大气环流的结构会出现明显的变化和调整;同时,热带地区大气环流也有显著的差异。数值模拟和资料分析结果有较好的一致性,从而进一步揭示了东亚冬季风的变化和异常特征。     

东亚夏季风与澳洲冬季风强弱互补变化联系及其异常环流特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料及CMAP降水资料等,通过亚澳季风联合指数挑选异常年份,对东亚夏季风和澳洲冬季风强度反相变化特征进行研究。结果表明,当东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱时,南北半球中低纬地区都出现了复杂的异常环流系统。在热带地区对流层低层,西北太平洋为异常反气旋式环流系统所控制,与南太平洋赤道辐合带的异常反气旋环流在赤道地区发生耦合,形成赤道异常东风,而在南北印度洋上则存在两个异常气旋式环流系统。在这两对异常环流之间的海洋性大陆地区,出现赤道以南为反气旋环流而赤道以北为气旋式环流。在东亚季风区,东南沿海的东侧海洋上存在反气旋异常,中国东南地区受异常反气旋西南侧的东南风影响。此外,澳洲北部受异常西风影响。这就形成了东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱的情形,从而东亚夏季风和澳洲冬季风活动出现了强弱互补的变化特征。当东亚夏季风偏弱、澳洲冬季风偏强时,南北半球的环流特征则出现与上述相反的环流特征。总体而言,当东亚夏季风偏强、澳洲冬季风偏弱时,东亚—澳洲季风区在南北半球呈现出不同的气候异常分布特征,即北半球降水北少南多、气温北高南低,南半球降水西多东少、气温西高东低。     

东亚冬季风经向异常与后期嘉兴梅雨关系

利用1948—2005年NCEP/NCAR再分析资料, 定义了一个可以反映中高纬度间冬季风强弱差异的冬季风经向变化指数 (WMMCI), 该指数与东亚冬季风指数有较好的对应关系。强 (弱) 冬季风年后期嘉兴梅雨偏多 (少) 为主, 年际、年代际关系对应为正相关, 并对后期降水有持续影响, WMMCI指数持续增强 (减弱) 2年并处于强 (弱) 冬季风年时, 后期嘉兴梅雨持续偏多 (少), 嘉兴梅雨降水升高或降低的变化趋势滞后于该指数变化。对500 hPa高度场距平合成分析表明:强 (弱) 冬季风年北正 (负) 南负 (正) 的距平分布使中高纬度经向 (纬向) 环流发展, 有利 (不利) 于冷空气南下影响, 并对后期大气环流产生持续影响, 从而有利 (不利) 于降水。冬季风经向异常对嘉兴后期降水持续影响的一个可能解释是, 持续增强 (减弱) 的强 (弱) 冬季风使赤道太平洋地区盛行风向发生改变, 使赤道太平洋海温变化出现异常, 触发El Ni?o (La Ni?a) 事件, 从而对后期大气环流造成持续影响。     

关于东亚冬季风指数的一个讨论——东亚中、低纬冬季风的差异

利用NCEP再分析资料和NOAA海表温度等资料,分析了东亚冬季风在不同纬度上的表现。根据我们定义的东亚中纬度冬季风(The mid latitudinal East Asian winter monsoon, 简称EAWM-M)和低纬度冬季风(The low latitudinal East Asian winter monsoon, 简称EAWM-L)指数,探讨了它们对应的影响系统,并重点分析了它们与海温异常之间联系的异同。研究主要发现:(1)EAWM-L和EAWM-M指数所反映的东亚冬季大气环流形势不尽相同。在对流层低层,EAWM-L与中国南海、菲律宾附近环流异常的关系密切,EAWM-M与贝加尔湖阻塞高压的关系更为密切;在对流层中层,EAWM-M同样与贝加尔湖阻塞高压异常的联系相对更为紧密,而EAWM-L指数则与东亚大槽的关系更为紧密。在对流层高层,副热带西风急流强度变化通过调制次级环流进而与EAWM-L联系起来,而EAWM-M强弱变化主要与副热带西风急流北界的位置有关。(2)EAWM-L与冬季赤道中东太平洋和热带印度洋海温异常的联系都很紧密,而EAWM-M变化与冬季热带印度洋海温异常的联系更为密切,与赤道中东太平洋海温异常的关系相对偏弱。EAWM-L与冬季赤道中东太平洋和热带印度洋海温异常的紧密联系在年际和年代际尺度上都是存在的,而EAWM-M与冬季热带印度洋海温异常的紧密联系主要体现在年代际尺度上。     

热带和副热带环流对东亚低纬度冬季风强度影响

东亚冬季风具有南北一致变化和南北反相变化两种主要模态。与第一模态反映的南北贯穿的冬季风整体强弱变化不同,第二模态体现了低纬度（中国南方地区）冬季风强弱变化不依赖于中高纬度（中国北方地区）冬季风强弱、甚至与之相反的变化状态。本文利用经验正交函数分析、相关分析、偏相关分析等方法重点研究了在第二模态背景下,低纬度（中国南方地区）冬季风强弱变化对应的热带和副热带环流异常特征。研究发现:热带辐合带是影响低纬度冬季风的一个重要系统。当热带辐合带加强并向北推进时,热带西太平洋及南海地区对流上升运动相应加强。这一上升支可能强迫出低层偏北风异常,从而引起低纬度冬季风加强。此外,副热带高空急流是影响低纬度冬季风的另一个重要系统。急流轴上风速加强会造成入口区准地转偏北风的异常,它强迫出的正次级环流也会相应加强,对应急流北侧的异常下沉和南侧的异常上升,并促使低层产生偏北风异常,也即促进了低纬度冬季风加强。进一步考察热带辐合带对流活动和副热带急流风速异常对低纬度冬季风的独立和协同影响发现,前者的影响相对更为重要。而在二者同时增强的综合作用下,可引起中国南部35°N以南地区的偏北风异常显著增强,反之亦然。上述结果揭示,冬季低纬度风场的变化不仅受到北方冷空气爆发的影响,它还受制于热带、副热带环流系统异常的共同调控作用。     

印度洋冬季风异常海气环流耦合模态分析

本文对印度洋冬季风异常海气环流耦合主要模态做了分析和讨论,得到以下结果:第一模态海面和低空大气环流的异常主要发生在东印度洋海域上空,而上层大洋环流的异常则主要反映了印度洋冬季风环流的异常,并主要体现在西向赤道暖流和东向赤道逆流上。第二模态的大气环流相应异常主要发生在孟加拉湾、阿拉伯海和赤道印度洋上空,而上层大洋环流异常除与第一模态类似外,还包括索马里暖流的明显异常。第一、二模态分别是印度洋冬季风的偏东、偏西模态,也是其主、次模态;均有约4年的年际变化,还分别有约18、22年的年代际变化;该主、次模态分别在1976年及1976、1986年有突变发生;这样印度洋冬季风有约4年的年际变化,并在1976年出现明显突变。该主、次模态的年代际变化周期也是冬季北太平洋海气联合复EOF分解第二、第一模态的年代际变化周期,这反映两大洋之间有密切联系,这是因冬季蒙古西伯利亚高压是南亚、东亚冬季风的共同源头,对两大洋的大气环流异常都有明显影响。南亚冬季风偏强时印度洋的Hadley环流和赤道辐合带上的对流均偏强,反之亦然;且该冬季风的主、次模态都如此;这也反映了南亚冬季风大气环流异常与冬季热带大气环流异常之间的耦合关系。当该主、次模态发生正、负异常变化时,近表层热带印度洋海温异常分别呈现横贯大洋的南北向跷跷板变化以及大洋东、西向的跷跷板变化;但前者是主要的。印度洋冬季风对印度洋偶极子起着抑制作用,这是该偶极子在冬季最弱的原因。在热带印度洋,大气低空垂直运动下沉、上升区域都分别大致位于该大洋近表层的下沉、上升运动区域之上,这构成了海气相互作用的负反馈机制,并有助于南亚冬季风、Hadley环流、赤道辐合带以及印度洋中冬季风环流的维持和稳定。     

冬季风异常对西北太平洋海温影响的区域性特征

分析东亚冬季风异常对西北太平洋海温的影响,结果表明其影响存在显著的区域性特征.冬季风强(弱)年,黑潮流域及我国近海区出现明显的降温(升温),而太平洋暖池区北部和亲潮区海温出现一定的上升(下降)趋势.进一步的物理机制分析和数值模式的结果表明,东亚冬季风对影响西北太平洋海温变化的热力因子与动力因子都有十分显著的影响,区域性特征的成因主要是各海区的大气和海洋对冬季风异常的响应方式存在差异.     

东亚冬季风变化若干统计事实

利用EOF（VEOF）分析方法对1956-2005年东亚冬季风和大气环流场的统计特征进行了分析。结果表明：东亚冬季风存在2个模态,其中第2模态变化在冬季风年代际变化和长期变化趋势中起着较重要的作用;冬季风以及大气环流年代际异常在1980年前后发生了突变;冬季风的年代际变化与中国冬季气温、降水年代际关系密切。     

印度洋海温异常与中国气温异常的可能联系

利用NCEP/NCAR 50 a冬季再分析资料、英国气象局全球海温资料、中国气象局整编的160站气温资料,采用EOF、合成、奇异值分解等方法讨论了印度洋海温异常对东亚冬季大气环流及气温的影响.结果表明,印度洋海温异常,引起了大气环流的异常,影响了东亚冬季风的强度.当印度洋海温一致变化时,中国温度变化也呈一致;当印度洋海温距平偶极振荡时,中国东、西部的冬季气温也出现偶极变化的现象;印度洋海温偶极振荡正位相年时,东亚冬季风偏弱,中国东北部气温偏高.     

冬夏季环流隔季相关的数值试验

利用海气耦合和大气气候模式研究东亚冬季风异常对夏季环流的影响, 结果表明, 东亚冬季风异常对于后期环流及海洋状态异常都起了很大的作用.一般情况下, 强的冬季风与后期弱的东亚夏季风和较强的南海季风相对应.与强(弱)冬季风异常相关的风应力的改变可以使热带太平洋海温从冬季至夏季呈现La Nina (El Nio)型异常分布.试验得到的由冬季风异常所产生的海洋及夏季环流的变化与实况是相当接近的.在异常的冬季风偏北风分量强迫下, 西太平洋上形成的偏差气旋环流在夏季已不存在, 这时东亚夏季风反而增强.而冬季赤道西风分量所产生的影响, 则在西太平洋上形成显著的偏差气旋环流, 使东亚副热带夏季风减弱, 南海夏季风加强.对于东亚大气环流而言, 与强弱冬季风对应的热带海洋海温异常强迫下, 不仅是冬季, 后期春季和夏季环流的特征都能得到很好的模拟.但是从分区看, 西太平洋暖池区的海温异常比东太平洋更为重要.单纯的热带中东太平洋的海温异常对东亚大气环流的影响主要表现在冬季, 对后期的影响并不十分清楚.整个热带海洋的异常型分布(不论是El Nio还是La Nia)型, 对冬夏季风的影响是重要的, 而单纯的某个地区的海温异常都比它的整体影响要小.从试验结果看, 海温在大尺度冬夏季环流的隔季相关中起了十分重要的作用.     

东亚冬季风异常激发ElNio现象的数值试验研究

用全球海气耦合气候模式和海洋模式进行各种敏感性试验 ,研究东亚冬季风异常对ElNi no事件形成的作用。结果表明东亚冬季风异常对于海洋热状态起了很大的作用。强冬季风年冬季所对应的海温距平为LaNi na型 ,但在与冬季风异常相对应的风应力作用下 ,通过海气相互作用 ,由于赤道西太平洋西风异常和海温正距平的东传 ,可以使海温向着ElNi no型分布发展 ;弱冬季风年冬季所对应的海温距平为ElNi no型 ,后期则会转成LaNi na型。冬季风异常的偏北风分量及赤道西风分量对海温所产生的影响各有差异 ,前者更多地影响太平洋西岸及暖池区 ,后者则对整个赤道太平洋热状态特别是ElNi no形成起了重要的作用。在ElNi no发展过程中起决定作用的主要不是风应力的强度 ,更关键的是异常风应力的持续时间。由于风应力的持续作用 ,ElNi no发展特征更加显著。与冬季风异常相对应的纬向风分量特别是西风异常在ElNi no发展中起主导作用 ;在单纯的海洋模式中经向风异常只能改变局地的西太平洋海温 ,并不能使东太平洋海温产生响应 ,即没有出现赤道暖水的东传过程。试验表明 ,海气耦合模式较单纯的海洋模式能更好地反映海气相互作用及ElNi no的形成。     

东亚冬季风的时空变化及其与ENSO、AO相互关系的研究进展

作为亚洲季风系统中的一个重要组成部分, 东亚冬季风的变化对北半球甚至全球的天气气候都有重要的影响。本文回顾了近些年国内外关于东亚冬季风变化特征, 主要包括其时间和空间演变及其与ENSO、AO之间相互作用等研究的主要进展。目前已有的研究结果表明, 东亚冬季风系统是一个贯穿于整个大气对流层的深厚型环流系统, 其异常表现为东亚区域整层环流系统的异常;东亚冬季风具有2a, 5~7a的年际变化和10a以上的年代际变化, 有空间分布的不均匀性及爆发与撤退日期的突变性;强弱冬季风年的异常环流形势在对流层各层以及高纬度、中纬度和低纬度地区都有所表现;在年际尺度上, ENSO、AO与东亚冬季风有一定的相关性, 但是在年代际上, 东亚冬季风同两者之间有着更显著的联系, 通过大气动力和热力过程, 它们之间相互影响、相互作用, 共同影响我国、东亚甚至于全球天气气候的变化。      

东亚冬季风指数的定义及其年际年代际异常

利用NCAR/NCEP再分析资料,通过相关分析方法分析了多种可以表征东亚冬季风活动的气象要素指数的相关性特征,选取地面温度、海平面海陆气压差和500hPa高度3个要素,综合定义了一个东亚冬季风指数。结果表明,该指数表征的东亚冬季风有明显的QTO和QFO周期振荡特征,这一特征与冬季风年代际背景有关,强冬季风年代背景下的振荡比弱冬季风年代背景下的振荡显著,同时该指数能很好地表征东亚冬季风活动的各个方面。对强弱冬季风年的大气环流的结构及其相应的低纬度对流活动、海洋和高低层大气热力状况的分析表明,强弱冬季风活动不仅表现在中高纬度高低层大气环流变化的差异,在局地Hadley环流和赤道附近Walker环流、低纬度对流活动、海洋和大气的热力状况的变化方面也表现出了显著的差异。     

东亚冬季风强度的统计预测方法研究

利用1961～2008年NCEP再分析和NOAA延长重构的月平均海温资料, 基于海气系统关键区的前期信号分析, 建立了一个东亚冬季风强度的统计预测方法。东亚冬季风强度与前期 (9～10月) 黑潮及其延伸区和热带西印度洋海温异常 (SSTA) 密切相关。强东亚冬季风活动与黑潮及其延伸区正SSTA和热带西印度洋负SSTA相对应。东亚冬季风强度还和一个前期 (10月) 北半球环流型存在显著相关, 其中环流型的活动中心分别位于北太平洋中部、 太平洋东北部、 北美和北大西洋。文中探讨了这三个预测因子对东亚冬季风强度的预测意义, 并揭示了其影响东亚冬季风活动的可能物理过程。该预测方法的历史拟合率和试报准确率较高, 可用于东亚冬季风强度的定性预测。     

前秋墨西哥湾流延伸区海温与东亚冬季风关系的年代际变化

利用NCEP/NCAR再分析资料、哈德莱环流中心海表温度资料,研究了墨西哥湾流延伸区海温与东亚冬季风关系的年代际变化及可能原因。结果表明,秋季纽芬兰东南侧的墨西哥湾流延伸区海温与东亚冬季风联系在1970s中后期发生明显年代际突变,由1948—1976(P1)显著正相关变为1980—2012(P2)时段的不显著负相关。同时,与湾延区海温相联系的环流系统在P1和P2时段改变明显:P1时段湾延区海温偏高,冬季500 hPa位势高度场乌拉尔以东地区为大范围显著正异常,日本上空东亚大槽加深,东亚沿岸产生显著偏北风;而P2时段湾延区海温偏高,贝加尔湖上空为不显著负异常位势高度,东亚大槽区为弱的正异常,东亚沿岸有不显著偏南风异常。造成该突变的可能原因是P1时段湾延区海温偏高容易激发出北大西洋到东亚"正、负、正、负"的异常波列,且该异常中心与正位相欧亚遥相关(EU)波列的异常中心位置基本一致,位相叠加加强了正EU,进而造成东亚冬季风的异常强劲。而P2阶段从西欧到东亚沿岸呈现不显著的类似负位相EU波列,且异常中心与EU波列的异常中心位置有偏差,导致其与东亚冬季风关系相对于P1阶段发生了由显著正相关到不显著负相关的转变。