AN EMPIRICAL ORTHOGONAL FUNCTION ANALYSIS FOR THE WAVE TRAINS IN EAST ASIAN SUMMER

This study examines the wave trains at 500 hPa occurring in East Asian summer by using the Empirical Orthogonal Function (EOF) analysis as a diagnostic tool. The results are summarized as follows: (1) A wave train pattern (OKJ pattern) originating from the upstream areas of the Sea of Okhotsk to the subtropical regions could display its strong signal in early and middle summer. The OKJ pattern is clearly recognized in the first EOF component in Eurasia. (2) The other wave train pattern originating from the Philippines via Japan to North America (the P-J pattern) shows quite strong signals in the whole summer. Although the P-J pattern is described as the second EOF component around the area from East Asia to Northeast Pacific Ocean, the variance contribution is the same as that of OKJ pattern in the first EOF component. (3) The composite analyses indicate that the OKJ and P-J wave trains could coexist to some extents.     

东亚夏季波列经验正交函数分析

利用经验正交函数作为分析工具,利用500 hPa高度场资料针对东亚地区波列出现情况进行研究,得出结论如下：（1） 从东西伯利亚上游经鄂霍茨克海到日本东部海面的波列（OKJ波列）在初、仲夏（6—7月）的信号很强,为欧亚范围内最主要的分布类型。（2） 从菲律宾经日本到北美的波列（P-J波列）可在整个夏季（6—8月）具有相当强的信号,虽然均表现为第二特征向量分布,贡献率与6—7月欧亚范围内第一特征向量表现OKJ波列的相当。（3） 合成分析表明OKJ和P-J类波列在某种程度上可以共存。     

东亚夏季风异常活动的空间多模态特征

利用ERA40再分析资料,采用相关、合成、自然正交函数展开（EOF分析）等方法,探讨了东亚地区夏季风活动的多空间模态特征及其与大气环流异常的可能联系。结果表明：1）东亚夏季风活动存在3种差异明显的典型空间模态。第一模态反映了夏季风活动在我国东部沿海及以东洋面与其以西地区的反相变化,主要体现了夏季风活动主体位置的东西变动;第二模态反映了自我国华南,经长江中下游、山东半岛、渤海湾至我国东北及朝鲜半岛一带夏季风活动的一致性变化,体现了东亚夏季风活动的整体强弱;第三模态主要反映了夏季风活动在中国以东洋面、朝鲜半岛、东北亚一带与我国华南地区的反相变化,主要体现了夏季风活动主体位置的南北移动。2）东亚夏季风活动的多空间模态对应的大气环流异常存在显著差异。东亚夏季风第一空间模态与亚洲南部区域以及鄂霍次克海上空的SLP呈负相关,而与北极极区、贝加尔湖地区及日本以东洋面的SLP呈正相关;而与同期500hPa高度场的相关分布主要表现为自极地经鄂霍次克海至日本以东洋面的“＋-＋”的波列分布特征。第二模态与SLP和500hPa高度场的相关分布具有非常相似的空间分布形势,均表现为东北、朝鲜半岛、日本海一带与菲律宾洋面、鄂霍次克海地区的反位相分布,自低纬向高纬呈现“＋-＋”的波列分布特征。第三模态与SLP和500hPa高度场的相关分布,主要表现为菲律宾附近洋面、日本及以东洋面、贝加尔湖到亚洲北部的负正相间的分布形势。     

The interannual variation in monthly temperature over Northeast China during summer

The interannual variations of summer surface air temperature over Northeast China （NEC） were investigated through a month-to-month analysis from May to August. The results suggested that the warmer temperature over NEC is related to a local positive 500-hPa geopotential height anomaly for all four months. However, the teleconnection patterns of atmospheric circulation anomalies associated with the monthly surface air temperature over NEC behave as a distinguished subseasonal variation, although the local positive height anomaly is common from month to month. In May and June, the teleconnection pattern is characterized by a wave train in the upper and middle troposphere from the Indian Peninsula to NEC. This wave train is stronger in June than in May, possibly due to the positive feedback between the wave train and the South Asian rainfall anomaly in June, when the South Asian summer monsoon has been established. In July and August, however, the teleconnection pattern associated with the NEC temperature anomalies is characterized by an East Asia/Pacific （EAP） or Pacific/Japan （PJ） pattern, with the existence of precipitation anomalies over the Philippine Sea and the South China Sea. This pattern is much clearer in July corresponding to the stronger convection over the Philippine Sea compared to that in August.     

东亚夏季风指数的年际变化与东亚大气环流

文中从夏季东亚热带、副热带环流系统特点出发 ,定义了能较好表征东亚夏季风环流年际变化的特征指数 ,并分析了东亚夏季风指数的年际变化与东亚大气环流及夏季中国东部降水的关系。文中定义的东亚夏季风指数既反映了夏季东亚大气环流风场的变化特征 ,也较好地反映了夏季中国东部降水的年际变化特征。此外 ,还探讨了东亚夏季风指数变化的先兆信号     

山西省夏季年际气候异常研究1.山西省一致多雨或少雨型

利用美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料以及山西64个测站的月降水量等资料,采用EOF分解和合成分析方法研究了1960-2003年山西夏季降水的年际变化异常以及时空特征.利用EOF方法分析山西夏季降水,第一类雨型是山西省夏季一致多雨型,并给出此类异常雨型的时空分布和相应的典型年份.山西省夏季降水趋势分析表明,自1960年以来山西省夏季降水趋于减少.从500hPa位势高度场、纬向风、850hPa风场、700hPa水汽场、海温场等物理量场分析表明,山西夏季一致多雨年对应偏强的东亚夏季风,一般出现在La Nina事件(冷水事件)发生的当年和El Nino事件(暖水事件)发生的来年,中高纬度地区易出现纬向排列的 - -环流异常纬向分布型,大陆地区为一个异常槽和两个异常脊,乌拉尔山以东地区和鄂霍次克海是异常高压脊,而贝加尔湖地区是一个异常低压槽.山西省夏季一致少雨年对应偏弱的东亚夏季风,一般出现在El Nino事件(暖水事件)发生的当年和La Nina事件(冷水事件)发生的来年,与一致多雨年相反,中高纬度地区通常呈现纬向排列的- - 环流异常纬向分布型,大陆地区出现两个异常槽和一个异常脊.山西省夏季第一类雨型的发生与中高纬度地区纬向排列的环流异常分布和赤道太平洋海温异常有关系.     

Statistical Downscaling for Multi-Model Ensemble Prediction of Summer Monsoon Rainfall in the Asia-Pacific Region Using Geopotential Height Field

The 21-yr ensemble predictions of model precipitation and circulation in the East Asian and western North Pacific （Asia-Pacific） summer monsoon region （0°-50°N, 100° 150°E） were evaluated in nine different AGCM, used in the Asia-Pacific Economic Cooperation Climate Center （APCC） multi-model ensemble seasonal prediction system. The analysis indicates that the precipitation anomaly patterns of model ensemble predictions are substantially different from the observed counterparts in this region, but the summer monsoon circulations are reasonably predicted. For example, all models can well produce the interannual variability of the western North Pacific monsoon index （WNPMI） defined by 850 hPa winds, but they failed to predict the relationship between WNPMI and precipitation anomalies. The interannual variability of the 500 hPa geopotential height （GPH） can be well predicted by the models in contrast to precipitation anomalies. On the basis of such model performances and the relationship between the interannual variations of 500 hPa GPH and precipitation anomalies, we developed a statistical scheme used to downscale the summer monsoon precipitation anomaly on the basis of EOF and singular value decomposition （SVD）. In this scheme, the three leading EOF modes of 500 hPa GPH anomaly fields predicted by the models are firstly corrected by the linear regression between the principal components in each model and observation, respectively. Then, the corrected model GPH is chosen as the predictor to downscale the precipitation anomaly field, which is assembled by the forecasted expansion coefficients of model 500 hPa GPH and the three leading SVD modes of observed precipitation anomaly corresponding to the prediction of model 500 hPa GPH during a 19-year training period. The cross-validated forecasts suggest that this downscaling scheme may have a potential to improve the forecast skill of the precipitation anomaly in the South China Sea, western North Pacific and the East Asia Pacific regions, wh     

近50年河南初夏旱涝异常特征分析

对1958～2006年河南38站的6月降水量进行分析,发现EOF第一模态呈全省一致的分布型,因此用38站平均降水量代表全省初夏降水.选取旱、涝年,对异常合成场进行分析,在涝年,北太平洋和日本以南洋面为负的潜热通量异常;500 hPa贝加尔湖以北有正的高度异常,我国东部和近海为正的高度异常,北太平洋为正的高度异常;850 hPa河南省西部是异常的东北风,东部是异常的西南风.通过定义高度指数,得到与河南省初夏降水关系密切的500 hPa高度场分布型,即贝加尔湖高压脊偏强,东亚大槽偏弱和西太副高偏北同时存在.对海洋要素场的相关分析表明,前期太平洋黑潮区的SST较高,海洋持续向大气输送潜热通量偏多,后期其东北侧太平洋从大气吸收热量,导致上空的位势高度偏高,有利于河南省降水.     

中国东部夏季极端降水事件及大气环流异常分析

主要利用1961~2014年中国东部地区438个台站的逐日降水资料和NCEP/NCAR的再分析资料,从大气内部动力角度对夏季不同极端降水情况下的环境场进行分析,结果表明:对长江中下游地区而言,在极端降水频次偏多年时,850 hPa风场及整层水汽输送距平场均表明东亚夏季风偏弱,有利于更多的水汽输送到长江中下游地区,500 hPa鄂霍次克海阻塞高压持续日数偏多,有利于冷空气南下,200 hPa东亚副热带急流偏南,且30°N以南偏西风异常有利于辐散,而在斜压波包从西北东南向传播为极端降水事件分发生集聚了能量;对华北地区极端降水频次偏多年而言,850 hPa风场及整层的水汽输送距平场均表明东亚夏季风偏强,有利于更多的水汽输送到华北地区,500 hPa高度距平场日本海正距平,贝加尔湖蒙古地区为负距平,华北地区东高西低,200 hPa东亚副热带急流偏北,从而导致我国华北地区极端降水频次偏多,能量传播也为西北东南向。这些结果表明极端降水的变化,与大气内部的动力作用和能量的传播有密切的关系。     

多要素表征的东亚季风区准双周振荡特征

为评估不同要素对东亚季风区准双周振荡的表征能力,对大气向外长波辐射（OLR）、500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa风场和750 hPa比湿等要素的准双周振荡特征进行对比,发现各要素均能很好反映东亚季风区明显的准双周振荡时空特征。OLR及500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风表征的准双周振荡呈明显的西北向传播特征,500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风北传更强,北传速度更快。850 hPa经向风的准双周振荡呈明显西移特征,北传弱,北传速度最慢。而750 hPa比湿准双周振荡呈东南向传播。不同要素准双周振荡的强度略有差异,其中750 hPa比湿与其他要素的差异大。总体而言,750 hPa比湿不能较好地表现出东亚季风区准双周振荡活动特征,而其余要素能很好地表征东亚季风区大气准双周振荡,其中500 hPa位势涡度和850 hPa相对涡度准双周振荡特征一致性高。     

山西省夏季年际气候异常研究2．北少（多）南多（少）雨型

采用EOF分解和合成分析方法研究了1960-2003年山西夏季降水异常之北少(多)南多(少)型(第二类雨型)和山西省气温的变化异常.结果表明,两者具有较好的对应关系.分析了第二类异常雨型的时空分布,并给出相应的典型年份.EOF时间系数变化特征揭示了山西夏季降水第二类雨型有显著的年际振荡.利用合成分析,从500hPa位势高度场、纬向风、850hPa风场、700hPa水汽场和水汽输送场等物理量场研究了山西夏季第二类雨型的环流异常特征.结果表明,第二类雨型与弱的东亚夏季风相关联,北多南少和北少南多是弱夏季风的不同表现.山西省夏季降水北多南少年副高呈带状分布,位置偏北,强度较强;中高纬度地区异常波列呈大圆路径分布,在高纬度地区存在纬向排列的- -波列,同时在东亚大陆沿岸存在经向排列的- -波列.并且华北北部有西风异常,北支锋区偏北,由西南向东北水汽输送较强.北少南多年与之相反.海温场分析表明,第二类雨型与中北太平洋海温异常紧密相关.     

2003年北半球大气环流及中国气候异常特征

2002年发生的厄尔尼诺事件于2003年初结束；受这次事件的影响，西太平洋副热带高压冬、春、夏、秋季持续偏强；夏季西伸脊点位置偏西；6、7月脊线位置偏南，8月偏北。初夏6月上中旬有贝加尔湖阻高影响，6月下旬至7月中旬有鄂霍次克海阻高影响；盛夏东亚夏季风异常偏强；青藏高原500hPa高度年趋势偏高，大部分地区冬季积雪少；热带对流强度年趋势偏弱。     

TELECONNECTION BETWEEN INDIAN MONSOON AND EAST ASIAN CIRCULATION*

Correlation analysis identified that Indian summer rainfall and East Asian 500 hPa geopotential height field are significantly correlated.A teleconnection pattern between Indian monsoon and East Asian summer circulation (IEA pattern) was proposed.We suggested that the Pacific-Japan teleconnection pattern (PJ pattern) primarily influences the meridional position of the northwestern Pacific subtropical high (NPSH) in summer,while IEA pattern partly affects its zonal stretch or the anomaly of geopotential height field over China mainland.The numerical experiments imply that the IEA pattern has important impact on East Asian circulation and it can be stimulated by the SST anomaly of the Indian Ocean.We summarized that there are two ways,a directive way and a selective way,by which ENSO exerts impacts on East Asian summer monsoon.     

东亚冬季风强度指数及其变化的分析

根据东亚地区 ５００ ｈ Ｐａ 高度场 Ｅ Ｏ Ｆ分析结果,并参照历史平均东亚大槽的位置,定义了一个东亚冬季风强度指数（ Ｈ５０ ）。讨论了 Ｈ５０ 与东亚大气环流和我国气温的关系,并分析了 Ｈ５０ 在 １９５１～１９９２ 年的变化。     

MRI-CGCM模式气候预测回报试验在东亚夏季的检验和降尺度订正

应用1979—2010年MRI-CGCM模式回报、NCEP/NCAR再分析数据和中国东部降水观测资料检验了模式对东亚夏季风的模拟能力,并利用模式500 hPa高度场回报资料建立了中国东部夏季降水的奇异值分解（SVD）降尺度模型。模式较好地模拟了亚洲季风区夏季降水的气候态,但模拟的季风环流偏弱、偏南,导致降水偏弱。模拟降水的方差明显偏小,且模拟降水的外部、内部方差比值低,模拟降水受模式初值影响较大。模式对长江雨型的模拟能力最高,华南雨型次之,华北雨型最低。模式对东亚夏季风第1模态的模拟能力明显高于第2模态。对于东亚夏季风第1模态,模式模拟出了西太平洋异常反气旋,但强度偏弱,且未模拟出中高纬度的日本海气旋、鄂霍次克海反气旋,导致长江中下游至日本南部降水偏弱。各时次模拟环流均能反映但低估了ENSO衰减、印度洋偏暖对西太平洋反气旋的增强作用。对于东亚夏季风第2模态,模式对西太平洋的“气旋-反气旋”结构有一定的模拟能力,但未模拟出贝加尔湖异常反气旋和东亚沿海异常气旋,导致中国东部“北少南多”雨型在模拟中完全遗漏。仅超前时间小于4个月的模拟降水能够反映ENSO发展对降水分布的作用。通过交叉检验选取左场时间系数可以提高降尺度模型的预测技巧,SVD降尺度模型在华南、江南、淮河、华北4个区域平均距平相关系数分别为0.20、0.23、0.18、0.02,明显高于模式直接输出。      

北方雨季中国东部降水异常模态的环流特征及成因分析

根据1958～2011年中国东部（105°E以东）316站逐日降水资料及NCEP/NCAR逐日再分析资料,利用统计分析、物理量诊断等方法,探讨北方雨季（7月11日至8月31日）中国东部降水异常模态及同期、前期的大气环流特征。分析发现,北方雨季中国东部降水异常表现为三个相互独立的降水模态:第一模态为偏西型,当其时间系数为正（负）时,河套地区降水偏多（少）,江淮流域上游降水偏少（多）,南方大部降水偏多（少）;第二模态为北方一致型,当其时间系数为正（负）时,北方降水一致偏多（少）,长江流域降水偏少（多）;第三模态为偏东型,当其时间系数为正（负）时,东北南部至长江中游降水偏多（少）,华东沿海降水偏少（多）。研究发现,造成北方雨季三个降水异常模态的环流特征各不相同:偏西型降水主要受西亚高空副热带西风急流位置南北偏移影响;北方一致型降水主要由东亚-太平洋遥相关波列导致;偏东型降水主要与海陆气压异常对比造成的东亚夏季风变化有关。此外,三个模态与前期环流异常有密切联系。第一模态的正（负）异常由7月上旬200 hPa来自北大西洋的异常波列造成乌拉尔山位势高度负（正）异常和巴尔喀什湖以南位势高度正（负）异常引起。第二模态的正（负）异常与前期7月上旬200 hPa北大西洋上位势高度负（正）异常产生的沿中纬度（高纬度）路径向下游传播的波列有关。第三模态的正（负）异常由春季3月份低层蒙古上空异常的气旋（反气旋）持续至同期造成。     

东亚地区春冬季与夏季大气环流异常相互关系的研究

利用1951~2000年共50年的北半球500 hPa月平均高度距平场资料和奇异值分解技术（SVD），重点对东亚地区季节间大气环流异常的相互关系进行了初步探讨。结果表明，东亚地区季节间大气环流异常存在着较为密切的关联，并且这种明显的非同步联系具有时空相关显著的特点，尤其是夏季大气环流异常与其前冬和前春大气环流异常的联系更为密切。当前冬和前春北半球东亚大槽和北美大槽及蒙古高压偏强（或偏弱），极涡偏弱（或偏强），中高纬度盛行经向环流（或纬向环流），以及低纬和热带地区高度正距平（或负距平）明显时，则对应于夏季东亚地区西太平洋副高和鄂霍次克海阻高强度偏强（或偏弱），位置偏南（或偏北），贝加尔湖阻高强度也偏强（或偏弱），但位置偏西（或偏东）的大尺度环流形势出现。当春季北半球大气环流具有上述特点以及夏季鄂霍次克海阻高和西太平洋副高强度偏强（或偏弱），位置偏南（或偏北），且极涡较弱（较强）时，则东亚地区秋季大气环流对应于蒙古高压加强（或较弱），西太平洋副高减弱（或加强），并向南和向东移动（或移动较慢），极涡向南扩散（或扩散减弱），大气环流向冬季过渡加快（或减慢）。另外，大气环流异常还具有一定的持续性特征。     

初夏东亚环流对厄尔尼诺的两种响应过程及其对中国降水的影响

利用NCEP/NCAR提供的月平均850、500 hPa位势高度场和风矢量场资料及NOAA气候诊断中心的海温扩展重建资料,同时利用NCEP的CAM3.0模式对厄尔尼诺气候效应进行了分析。外强迫为赤道东太平洋的异常海温,从9月积分至次年6月,对此进行了模拟,结果表明:(1)冬季厄尔尼诺达到强盛后对次年东亚初夏的环流有明显的影响,表现在低层菲律宾附近反气旋环流的增强和中高纬度OKJ类波列(主要为鄂霍次克海—日本东部—日期变更线以西副热带高压北部的波列)的活跃,而后者更容易被模拟,这两种环流方面的影响都能在资料中检测出来。当这两种异常环流的发展被模拟出来时,长江以南地区的多雨状态也能够被模拟,表明厄尔尼诺发生后,其对夏季风的发生、发展有滞后作用,从而加强向中国南方的水汽输送,但至6月由于OKJ波列的发展使波活动通量在北太平洋中西部产生大面积强烈散射使副热带高压偏南,因而又抑制了夏季风的进一步向北推进,从而只停留在长江及其以南地区,这可能是致使降水南多北少的原因之一;(2)中国南方降水多寡受到鄂霍次克海高压及菲律宾反气旋的共同影响,两者任何一方加强时南方降水增多,反之亦然。近年来受鄂霍次克海高压的影响更为突出,鄂霍次克海高压、南北方降水、厄尔尼诺事件以及菲律宾反气旋都存在相近似但又各自不同的年代际变化规律,其共同影响与中国南涝北旱的年代际降水格局变化有密切关系。     

Comparative tests and analyses on monsoon and regional precipitation

Summary Due to the strong variation of the Asian monsoon, many countries in Asia often suffer from serious natural disasters. Droughts and floods appear in East China frequently related to the large anomalies of the two branches of East Asian monsoon. Based on rainfall data recorded by 336 Chinese stations in the 1980s, two distinctly opposite rainfall types over East China in summer (JJA) are discovered. Correspondly, 850 hPa anomalous wind fields in the Eastern Hemisphere are also possessed by two types of converse patterns in spring (MAM) and summer (JJA). The onset time and intensity of the Somali jet and the two branches of Southeast and Indian monsoon are quite different. Furthermore, in the 500 hPa geopotential height anomaly fields in spring and summer, the variations of the previous general atmospheric circulation (in spring) are closely correlated to the two kinds of conversely distributed rainfall in summer. These two types of rainfall are also related to two types of conversely distributed sea surface temperature anomaly (SSTA) in the equatorial Pacific and Indian Oceans. To investigate model capabilities refelecting the above observed features, eight numerical experiments are carried out using the IAP 2-L AGCM, with observed monthly mean global SSTs as external forcing and observed atmospheric data on February 15 as initial conditions. The simulated distributions of rainfall anomalies over East China in summer are in good accordance with observations. With conversely distributed SSTAs in the equatorial Pacific, the simulated 850 hPa anomalous wind fields and the 500 hPa geopotential height anomalies are also conversely distributed, and are closely related to the two types of simulated rainfall anomalies over East China. The cross equatorial wind varies in strength, space and time. The simulated distributions of anomalous 500 hPa geopotential height in spring and the anomalous wind at 850 hPa in spring and summer are quite similar to observations.With 10 Figures     

2010年南方持续暴雨期大气环流异常及其低频特征研究

利用NCEP／NCAR逐日再分析资料以及国家气候中心台站降水资料等,应用多变量经验正交函数展开（MV—EOF）等方法,对2010年南方持续暴雨期大气环流异常及其低频特征进行了分析。结果表明：2010年东亚夏季风异常偏弱、西太平洋副热带高压位置异常偏南、三次季风涌的出现和高空急流与散度场活动异常及其相互配合,是南方降水异常的主要影响系统;对风场和降水场MV-EOF空间型分布的分析显示,低频降水中心与200hPa的气流辐散中心和850hPa辐合中心相关联;降水的第一模态反映了东亚夏季风的气候态演变,第二、三模态反映了夏季风在季节性推进过程中不同尺度的低频振荡,7月前半月和6月中下旬,第二、三模态分别处于低频振荡的正位相,使长江中下游梅雨和华南前汛期延迟结束,并且增强了江南的梅雨降水,夏季风的气候态演变和低频振荡相叠加导致2010年我国南方暴雨频发。