青藏高原和热带西北太平洋大气热源在亚洲地区夏季平流层-对流层水汽交换的年代际变化中的作用

利用欧洲中期天气预报中心ERA40资料,借助Wei诊断模式研究平流层一对流层水汽交换过程,重点分析亚洲地区夏季平流层．对流层水汽交换的年代际特征,探讨青藏高原和热带西北太平洋大气热源在其变化中的作用．气候学特征表明,北半球夏季“亚洲南部半岛-印度洋-太平洋交汇区”为全球最强的对流层向平流层输送的通道,它能将亚洲季风区丰富的水汽源源不断地输送到平流层,影响平流层水汽的分布和变化．北半球夏季亚洲地区穿越对流层顶水汽交换整体上都具有明显的年代际变化,且在近44a可以分为三段比较稳定的时段：1958～1977年、1978～1992年和1993。2001年．在这三个时段中,孟加拉湾．东亚大陆及南海海域的水汽交换通道作用在逐渐减弱,而西北太平洋地区在水汽交换中扮演着越来越重要的角色．进一步研究发现,青藏高原、热带西北太平洋热源的年代际异常是亚洲地区平流层．对流层水汽交换年代际变化的主要原因．44a来青藏高原和热带西北太平洋的热力作用均发生了重大调整,在年代际尺度上两者的综合作用决定了亚洲夏季风的年代际变异,从而影响平流层．对流层水汽交换的年代际异常．然而不同时段不同地区两者的贡献有所不同,尤其是1992年以后,高原热源影响明显减弱,而热带西北太平洋热源在影响平流层．对流层水汽交换中起主要作用．这些结果对深入认识其他大气成份输送过程和正确评估人类活动（排放）对全球气候的影响也具有重要的指示意义．     

近期东亚季节性温差减弱幅度已超出14世纪以来自然变率范围

季节性温差(夏温与冬温之差)变化是地球气候系统的重要组成部分.遗憾的是,在东亚地区较短的气象观测记录限制了对季节性温差变化的认识.本研究诊断了东亚地区树轮气候信号,严格筛选了10条对冬季(上年12月至当年2月)和12条对夏季(当年6～8月)温度变化响应敏感的年表.基于筛选的树轮资料,重建了公元1376～1995年东亚地区冬季和夏季温度变化序列,并与气候模拟结果进行了对比分析.结果显示:过去600年,与冬季相比,夏季温度对赤道火山喷发造成的降温效应以及对工业革命以来温室气体强迫引起的增温效应响应更为显著;温室气体强迫使得东亚季节性温差自19世纪70年代起持续减弱,且20世纪90年代以来,季节性温差减弱趋势已超出过去600年的自然变率范围;气候模式可以基本模拟出重建所揭示的冬季和夏季的温度年代际变率及趋势,但很大程度上低估了季节性温差变化幅度,这主要是由于现有的气候模式低估了区域尺度温度变化对外强迫和气候系统内部变率模态响应的季节差异.本研究强调了利用气候重建资料对气候模式模拟季节性温度变化性能验证的重要性,明晰了如果未来温室气体强迫持续增强,东亚地区季节性温差将进一步减弱的认识.     

淮河流域夏季降水与前冬北太平洋涛动联系的年代际变化

利用我国160站降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了前冬北太平洋涛动（NPO）在20世纪70年代中期发生年代际突变前后与淮河流域夏季降水的联系.研究发现两者之间的对应关系具有明显的年代际变化.20世纪70年代中期以前,前冬NPO与淮河流域夏季降水为显著的负相关,之后这种关系明显减弱.本文进一步探讨了20世纪70年代中期突变前后与前冬NPO异常相联系的大气环流场的变化.结果表明,在年代际突变前,当前冬NPO偏强（弱）时,夏季西太平洋对流层低层为异常气旋（反气旋）型环流控制,淮河流域上空大气异常下沉（上升）,同时向淮河流域的水汽输送减弱（加强）,这些条件不（有）利于淮河流域降水的发生,淮河流域夏季降水因而偏少（多）.在年代际突变后,前冬NPO异常对后期夏季与淮河流域降水相关联的大气环流系统的影响变得不明显,从而减弱前冬NPO与夏季淮河流域降水的联系.     

Hadley环流的年际和年代际变化特征及其与热带海温的关系

利用NCEP/NCAR再分析风场资料和NOAA海表温度(SST)资料,分析了冬、夏季Hadley环流的变化特征及其与热带海温在年际、年代际尺度上的关系. 结果表明,冬季北半球Hadley环流强度具有明显的年际和年代际变化,同时还呈现出明显的增强趋势. 伴随着Hadley环流的加强,环流中心位置南移,高度上升;夏季南半球Hadley环流变化主要表现为强、弱、强的年代际振动,没有明显的线性趋势. 研究还显示冬季Hadley环流与Nino3区SST正相关,这种相关性具有年代际变化特征. 年际尺度上,冬季北半球Hadley环流与Nino3区SST正相关;夏季南半球Hadley环流与Nino3区SST负相关,即当赤道中东太平洋SST异常偏暖(冷)时,冬、夏季Hadley环流变强(弱).     

中国气候干湿变率与ENSO的关系及其稳定性

利用1951-01~2000-10中国160站气温和降水月平均资料, 计算了自修正PDSI指数. PDSI指数EOF分析第一模态空间场分布和1951~2000年PDSI指数的变化趋势分布十分相似, 第一模态时间系数反映了空间场随时间的演变情况. 研究发现, EOF分析所揭示的中国气候干湿变率和ENSO有着很好的关系. 这种关系表明, 在典型的ENSO暖状态, 中国大部分地区都偏干, 特别是华北地区更易偏干, 长江以南地区和西北容易偏湿, 而长江中下游地区处于变干和湿的过渡区, 变干或湿不明显. 在典型的ENSO冷状态则情况相反. 而中国气候干湿变率年际和年代际变化都对应着强El Niño事件; 反过来当发生强El Niño事件时, 中国气候干湿变率在年际和年代际尺度上有可能发生剧烈变化. 最近20~30 a中国气候干湿的年代际变化, 特别是华北自20世纪70年代末的变干和西北自80年代中期的变湿, 与ENSO朝更暖的状态变化及全球变暖有着紧密的联系. 1951~2000年中国气候干湿变率和ENSO关系的稳定性分析表明, 中国气候干湿变率和ENSO之间在3~8 a变化周期上存着很好的相关关系, 但这种相关关系不稳定, 存在着年代际变化: 1951~1962和1976~1991年两个时间段两者相关关系很高, 而在1963~1975和1992~2000年两时段内, 两者相关关系较差.     

1979～2004年中国大陆南方地区春季降水的年代际变化特征及其与欧亚大陆积雪的联系

本文研究了中国南方春季降水在1979～2004年期间的年代际变化特征,结果表明无论在年际还是在年代际时间尺度上,中国南方东南和西南地区降水都具有反相变化的特征,并分别呈现出显著的减少趋势和增加趋势.中国南方春季降水在20世纪80年代末出现了一次明显的年代际气候转型.东南地区的春季降水明显减少,降水量在80年代末以后比80年代末之前减少了30%;而西南地区的春季降水则明显增加,80年代末之后的降水量是80年代末之前的两倍.伴随着这次年代际转型,欧亚大陆西伯利亚上空对流层中低层位势高度增强,对流层低层中国东部北风增强,造成中国东部西南风减弱,使得降水在东南地区减少,西南地区增多.中国南方春季降水在20世纪80年代末出现的年代际气候转型与欧亚大陆春季积雪的年代际转型有密切联系.从20世纪80年代末开始欧亚大陆春季积雪明显减少,与欧亚大陆春季积雪变化所伴随的大气环流变化,是造成春季我国东南地区降水减少和西南地区降水增多的一个重要原因.     

全球变暖背景下春季Hadley环流与东亚夏季风环流年际对应关系的多模式预估

观测事实揭示,春季Hadley环流在年际时间尺度上与东亚夏季风环流和降水具有密切联系.在未来全球变暖背景下,春季Hadley环流与东亚夏季风环流和降水的这种年际关系是否会发生变化？针对该问题,本文在评估的基础上选取五个气候模式,分析了A1B排放情景下春季北半球Hadley环流年际变率的未来变化及其与东亚夏季风环流和降水的年际关系.多模式集合(MME)预估结果表明,在全球变暖背景下,与20世纪末期(1970—1999年)相比,到21世纪末期(2070—2099年),春季北半球Hadley环流的年际变率强度将减弱,减弱幅度达32%.随着春季Hadley环流年际变率的减弱,其与夏季西太平洋副热带高压和东亚夏季风强度的联系将变弱.MME模拟结果还显示,春季Hadley环流与夏季东亚西风急流和降水的关系也降低,但各单个模式间存在较大差异.     

淮河流域夏季降水的振荡特征及其与气候背景的联系

利用1922~2007年淮河流域和长江中下游夏季降水量资料,使用小波变换、广义极值分布等方法,分析了近86年来淮河流域夏季降水的年际、年代际振荡和概率分布特征.在此基础上,分析了东亚夏季风、太平洋海表温度及东亚遥相关环流等气候背景与淮河流域夏季降水年际和年代际振荡的联系.另外,还比较了淮河流域与长江中下游夏季降水年代际振荡特征及其气候背景的差异.结果表明：①淮河流域夏季降水存在显著的准2年振荡和年代际振荡特征.准2年振荡的强弱变化与年代际振荡强弱变化一致.20世纪90年代末以来,淮河流域夏季降水处在年代际偏多期,准2年振荡特征突出,极端强降水事件的概率亦显著增加;②淮河流域夏季降水年代际振荡与PDO及东亚夏季风年代际振荡关系密切,当PDO处于冷位相年代际阶段且东亚夏季风处于年代际偏弱时,淮河流域夏季降水呈年代际偏多趋势;③淮河流域夏季降水的准2年振荡主要受到东亚夏季风准2年振荡的控制,同时与东亚环流系统从高纬至低纬的＂＋,？,＋＂特定配置有关;④淮河流域与长江中下游夏季降水存在年代际位相差异,其差异主要与西太平洋副热带高压强度和位置的年代际变化有关.     

华北降水年代际、年际变化特征与北半球大气环流的联系

利用美国NCEP再分析月平均资料及我国华北地区26个测站月降水资料,采用奇异值分解（SVD）方法,研究了华北降水的年代际和年际变化特征与北半球大气环流的联系.结果表明,首先对降水和大气变量资料作相应时间尺度的分离是非常必要的,否则所得到的SVD结果不能反映年代际变化特征而只能反映年际变化特征;华北降水年代际和年际变化对应的大气环流异常有明显的差异;对应发生在20世纪70年代后期华北降水的一次年代际跃变,环流场均存在明显的跃变,而且有一个从地面向对流层上层传播的过程.     

FGOALS－g快速耦合模式模拟的北太平洋年代际变率

本文分析了由中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG/IAP）最新发展的FGOALS_－g快速耦合模式300 a积分模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了北太平洋年代际变率的时空结构、主要年代际模态的演变特征以及与ENSO的联系等研究内容. 结果表明：该模式能成功模拟出北太平洋年代际变率的主要空间分布特征;模拟的年代际模态具有多时间尺度性,其中最显著的是周期约为10～20 a左右的准20年振荡模态,该模态上层海洋热容量异常的演变过程主要表现为大致沿副热带海洋涡旋做海盆尺度顺时针旋转的特征,相应的大气异常不仅与阿留申低压的变异有关,而且与太平洋-北美PNA）遥相关型以及上游的欧亚大气环流异常有密切关系;模拟的北太平洋年代际变率对年际ENSO循环的发生频率和强度有明显的调制作用. 但模拟的KOE区和阿拉斯加湾SST异常振幅比观测偏强,这与模式海冰偏多、高纬度SST偏冷的误差有关.     

基于年代际突变分量的东亚夏季降水动力-统计预报方案研究

基于1983~2011年CMAP降水数据分析,揭示东亚及其近海地区(简称东亚)的夏季降水距平在1999年前后由"+-+"型分布(由北至南)调整为"-+-"型分布,且这种年代际变化主要体现在EOF第3模态中;而在国家气候中心海气耦合模式(BCC_CGCM)回报和预报资料中,1999年前后则由"+-+-"分布型(由北至南)调整为"-+-+"型,即BCC_CGCM对降水年代际分布的预报与实况有较大差别.同时,结合EOF年代际突变分量给出了全球海温场与东亚夏季降水年代际变化有显著联系的关键海区,分析了BCC_CGCM对关键区海温的预报能力及对应的东亚夏季降水预报效果的差异,验证了基于关键区海温指数对改进模式预报结果的可能性.在此基础上,给出了基于年代际突变分量的东亚夏季降水动力-统计预报方案研究,并进行独立样本回报.结果表明,基于V区海温指数订正结果的距平相关系数(ACC)达到了0.25,距平符号一致率(ACR)达到61%,7个区域订正结果平均的ACC为0.03和ACR为51%,较BCC_CGCM模式结果的-0.01和49%均有一定的改进;且订正后1999年前后两个时段降水距平的空间分布和纬圈平均演变均体现了降水型由"+-+"向"-+-"调整的特征.因此,基于海温关键区指数的动力-统计相结合的预报方案能够增加模式对东亚夏季降水的季节预报结果中的年代际变化信息.     

东亚夏季风年代际变化的若干重要特征及两份大气再分析资料的异同

本文利用ERA和NCEP/NCAR再分析资料,以及部分观测资料,研究了东亚夏季风年代际变化的若干重要特征. 结果表明,东亚夏季风在20世纪70年代末减弱这一现象是普遍存在的,主要表现为江淮地区表面温度降低,海平面气压升高,出现偏北风异常. 研究发现,这次年代际变化还体现在与东亚季风环流密切相关的重要环流因子,如西太平洋副热带高压、欧亚西风、澳大利亚高压、南极涛动等,它们在20世纪70年代末以后都进入高指数时期. 此外,文章还揭示：ERA和NCEP/NCAR再分析资料在东亚夏季风年代际变化上基本吻合,但也有很多差别.     

太平洋年代际振荡与南北半球际大气质量振荡及东亚季风的联系

众多研究表明,太平洋年代际振荡(PDO)与东亚季风以及我国气候的年代际异常存在显著影响,然而其影响途径及机制仍不明确.本文分别分析了年代际尺度上的太平洋年代际振荡(PDO)、南北半球际大气质量振荡(IHO)以及东亚季风的变化特征,据此建立了三者之间的关系,并进一步分析了它们对我国东部冬夏两季年代际气候异常的影响,所得主要结果包括:(1)PDO与IHO以及东亚季风强度具有明显的年代际波动特征,三者之间存在较好联系,其中它们在70年代和90年代后期处于负位相,而在80年代至90年代中期均处于正位相期.PDO和IHO对全球大范围的低层气温异常,以及大气质量迁移尤其是东半球30°S-50°N区域的质量变化具有显著并且空间一致的影响;(2)当PDO为正位相时,整层大气质量年代际异常呈偶极型的自东半球向西半球太平洋区域输出,造成了南北半球际以及海陆间大气质量迁移,同时引起Walker环流的上升和下沉支位置变化,以及越赤道大气质量流的向北异常输送,并由此建立起东亚季风与PDO和IHO之间的联系;(3)PDO年代际异常与冬夏季节蒙古地区地表气压变动存在密切联系.当PDO指数增强时,冬夏季850hPa均出现显著反气旋风场异常,并在我国东部形成异常北风,从而显著影响东亚冬夏季风强度变化.与之对应,PDO指数与我国东部大部分地区的站点气温、降水的年代际分量保持显著的同期相关.     

FGOALS－g快速耦合模式模拟的北太平洋年代际变率

本文分析了由中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG/IAP）最新发展的FGOALS_－g快速耦合模式300 a积分模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了北太平洋年代际变率的时空结构、主要年代际模态的演变特征以及与ENSO的联系等研究内容. 结果表明：该模式能成功模拟出北太平洋年代际变率的主要空间分布特征;模拟的年代际模态具有多时间尺度性,其中最显著的是周期约为10～20 a左右的准20年振荡模态,该模态上层海洋热容量异常的演变过程主要表现为大致沿副热带海洋涡旋做海盆尺度顺时针旋转的特征,相应的大气异常不仅与阿留申低压的变异有关,而且与太平洋-北美PNA）遥相关型以及上游的欧亚大气环流异常有密切关系;模拟的北太平洋年代际变率对年际ENSO循环的发生频率和强度有明显的调制作用. 但模拟的KOE区和阿拉斯加湾SST异常振幅比观测偏强,这与模式海冰偏多、高纬度SST偏冷的误差有关.     

全球变暖背景下中国东部夏季三类雨型预测概念模型新建

在全球变暖的背景下,20世纪70年代末期全球气候发生了显著的年代际变化.厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)作为预测全球气候年际变率的最强信号,其与中国夏季降水之间的关系发生了显著地改变,对中国夏季降水的指示意义减弱,导致中国东部夏季三类雨型早期预测概念模型的准确率明显下降.本文通过分析全球显著变暖前(1951~1978年)、后(1979~2012年)两个阶段中国东部夏季三类雨型同期大气环流系统的配置、前冬海洋和大气环流及其相互作用的差异,结果发现:(1)影响中国夏季三类雨型的大气环流在不同年代际背景下具有一致性,但在全球显著变暖的后一阶段,西太副高偏强偏南,欧亚中高纬阻塞高压活动频繁,而极涡南扩,经向环流加强,这种环流背景有利于中国东部夏季Ⅱ,Ⅲ类雨型对应的环流频率增加,而Ⅰ类雨型对应的环流频率减少,导致中国夏季Ⅱ,Ⅲ类雨型偏多而Ⅰ类雨型偏少;(2)前一阶段,不同雨型对应的前冬海温场差异显著,同时ENSO对北太平洋涛动(NPO)的影响较强,NPO对夏季Ⅰ,Ⅱ类雨型有较好的判别能力,后一阶段此判别能力下降,而ENSO对太平洋/北美型(PNA)遥相关的影响加强,PNA对Ⅱ,Ⅲ类雨型的判别能力提升.基于新的年代际气候背景,利用前冬PNA和欧亚型(EU)遥相关指数,对中国东部夏季三类雨型预测概念模型进行了新建,其拟合效果较理想,实际预测准确率有待进一步检验.     

亚洲夏季风水汽输送的年际年代际变化与中国旱涝的关系

利用1958～2002年的NCEP-R1和ERA-40逐日再分析资料以及中国160站点月平均降水资料探讨了亚洲夏季风水汽输送的年际年代际变化及其与中国降水异常的关系. 分析结果表明,亚洲夏季风水汽输送和中国夏季降水的异常主模态呈现显著的准两年变化周期. 当南亚夏季风纬向水汽输送偏强（弱）时,东亚—西北太平洋地区水汽输送的偶极型异常有利于长江中下游地区和江淮流域的水汽辐合负（正）异常与华南和华北地区的水汽辐合正（负）异常,从而引起中国东部的经向三极子雨型,即长江中下游地区和江淮流域的偏旱（涝）与华南和华北地区的偏涝（旱）. 1970s年代末之后,亚洲夏季风水汽输送的年代际减弱与西北太平洋地区水汽输送的偶极型异常相配合,导致长江中下游地区的持续偏涝与华南和华北地区的持续偏旱. 从中国夏季降水异常与水汽通量辐合异常的同相对应关系来看,ERA-40资料对亚洲夏季风水汽输送年际年代际变化的描述能力强于NCEP-R1资料.     

近148年塞舌尔珊瑚氧同位素记录的热带印度洋海盆模态

在厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件的后期,热带印度洋海表温度(SST)会呈现海盆尺度一致增暖或冷却的分布,被称为印度洋海盆模态(IOBM).近几年的研究表明,IOBM是热带印度洋SST年际变化最主要的模态,影响了从印度洋到西太平洋及周边区域的气候.对西印度洋塞舌尔群岛(Seychelles)近148年的珊瑚氧同位素(δ18O)资料的再研究表明,该珊瑚δ18O能非常好地指示西印度洋局地SST的季节变化和长期变化,且能够表征热带印度洋海盆尺度SST的年际变化.进一步的研究显示δ18O所表征的IOBM具有3~7年的年际变化周期,并受年代际变化的调制.通过与全球海温资料的相关分析发现,该珊瑚δ18O信号滞后热带太平洋SST变化约5个月,在ENSO盛期次年春季相关达到最大.其空间分布显示塞舌尔群岛位于IOBM模态的关键海区,能够用来表征IOBM以及ENSO对印度洋的大气遥相关效应.这表明塞舌尔群岛的珊瑚氧同位素序列可以作为IOBM代用指数,用以研究印度洋气候的长期变化.     

现代青藏高原气候变化的几个特征

收集了1951~1998年青藏高原及其邻近地区217个地面测站的逐月气温, 最高、最低气温以及降水等要素的观测值, 探讨现代青藏高原的气候变化特征. 结果表明: (1) 青藏高原自20世纪50年代变冷至60年代, 之后又开始变暖直至90年代. 始于1935年的拉萨资料表明此站以40年代气温为最暖, 之后变冷到60年代, 60年代以后又开始增暖直到90年代, 拉萨90年代仍未达到40年代暖期气温. (2) 20世纪60年代以来青藏高原东侧和东南侧在3000 m以下存在一个变冷带, 85°~95°E间自南到北存在一个强变暖带. 变冷带和变暖带之间十分不连续, 存在着正、负交替的变化, 因而增暖不是随高度呈线性增加的. (3) 20世纪60年代以来, 高原自西南向东北以及3000 m以下东南地区存在一个降水减少带, 高原中心地区及3000 m以上西部为变暖而降水减少, 北部及南部为变暖而降水增加, 3000 m以下东南地区为变冷而降水减少.     

北半球环状模周期变化和突变研究

利用NOAA提供的1871-2008年月平均海平面气压场、雪盖、海冰等再分析资料、NASA提供的地表温度场资料、太平洋年代际振荡(PDO)指数,采用小波分析、带通滤波和凝聚谱分析等方法,研究了北半球环状模(NAM)周期变化及其影响因子.研究结果表明NAM在20世纪60年代前后发生了显著的年代际尺度周期突变,NAM在1895-1955年存在显著的准35年周期振荡,而在1971-2008年则主要以准15年周期振荡为主.NAM年代际尺度周期突变与外强迫源振荡周期变化有关,但突变前后与NAM周期振荡密切相关的外强迫因子并不尽相同.在1960年代之前,PDO、ATM、北美雪盖以及南极海冰涛动等外源强迫因子与NAM在准35年尺度上关系密切;而在1960年之后,NAM准15年振荡则与ATM和欧洲雪盖、南极海冰涛动等因素有关.     

新疆夏季降水年代际转型的归因分析

本研究针对我国内陆新疆地区在20世纪80年代末出现由暖干向暖湿的年代际转型,从大气环流因子进行归因分析.结果显示,位于东亚沿海地区的东亚-太平洋型遥相关波列(EAP)的强度和位置的年代际加强和偏移对于新疆地区此次气候的干湿转型具有重要贡献.转型之前EAP强度偏弱,位置相对偏东,对新疆夏季降水变化没有明显贡献,且影响新疆夏季降水发生的主要环流系统是位于中纬度欧亚大陆上空的异常纬向波列.转型后EAP强度偏强,位置相对前期向西偏移,因此从西北太平洋向我国内陆地区的异常水汽输送显著增强,使得新疆地区大气含水量增加,从而导致20世纪80年代末以后新疆夏季降水的增加.