2019/2020年冬季我国暖湿气候特征及成因分析

2019/2020年冬季,我国大部分地区气温显著偏高,降水异常偏多,气候总体表现为“暖湿”的异常特征。异常成因分析表明：2019/2020年东亚冬季风强度较常年同期偏弱,西伯利亚高压异常偏弱,季节内冬季风强度阶段性变化特征显著;北极极涡收缩于极地,强度偏强,AO为异常偏强的正位相,乌拉尔山阻塞高压活动偏弱,东亚槽偏弱,欧亚中高纬以纬向环流为主;西太平洋副热带高压强度偏强、位置偏西偏北,印缅槽阶段性活跃,二者有利于太平洋和印度洋水汽向我国输送。受北半球环流异常的影响,我国冬季出现了“暖湿”的异常特征。进一步对东亚冬季风偏弱的可能原因分析表明：2019年秋冬季赤道中太平洋暖海温发展,2019年10月至2020年1月Ni〖AKn~D〗o3.4指数均大于0.5℃,这种类中部型El Ni〖AKn~D〗o海温异常有利于激发偏强、偏北的西北太平洋反气旋,进而抑制了东亚冬季风的发展和南下;此外,冬季北半球极涡收缩于极地,强度偏强,AO持续异常偏强的正位相,均不利于乌拉尔山阻塞高压的发展,且东亚大槽明显偏弱,共同导致了欧亚中高纬地区以纬向环流为主,东亚冬季风偏弱。     

冬春亚洲大气环流与华北中部夏季降水的相关分析

利用1957~2002年的NCEP/NCAR 500 hPa再分析资料以及同期华北地区夏季降水资料,分析了华北中部夏季降水与前期环流的关系。结果表明:夏季华北中部降水的多少与冬季东亚槽强弱、春季巴尔喀什湖到贝加尔湖的蒙古高原地区高度场呈显著相关。20世纪80年代中期以前冬季东亚槽偏强、春季蒙古高原地区高度值偏低;80年代中期之后冬季东亚槽开始转弱、春季蒙古高原地区高度值偏高。这与华北夏季降水的演变趋势相对应。说明冬季东亚槽的减弱以及春季蒙古高原地区高度值偏高是近年来华北夏季降水减少的原因之一。冬季东亚槽强对应夏季西太平洋副高在日本海地区高度呈偏强趋势,有利华北中部夏季降水偏多;春季蒙古高原地区高度值偏高有利于华北夏季出现西高东低形势,华北中部夏季降水易偏少。     

夏季区域极涡异常对塔里木河流域降水的影响

采用1961-2015年夏季大西洋-欧洲极涡面积指数和塔里木河流域43个站降水资料,研究该区域极涡面积异常对该流域降水的影响。结果表明:两者年际变化呈显著的反位相关系;在极涡面积异常偏小（大）年,西风急流在西亚和中亚减弱（增强）,在东亚则相反;500 hPa欧洲中部和贝加尔湖地区的高压脊偏强（偏弱）,东亚低压槽偏弱（偏强）,中亚经向环流增强（减弱）;700 hPa塔里木河流域天气扰动活跃（不活跃）,东风和西南风（西北风）的水汽输送增强,西部和北部等主要降水区水汽辐合（辐散）,该流域降水偏多（偏少）。在极涡面积异常偏小年的夏季,塔里木河流域水平风场和垂直运动从高纬度到低纬度的经向变化分布与大西洋-欧洲区相似,大西洋-欧洲极涡区与塔里木河流域之间存在西北-东南的环流异常分布,大西洋-欧洲极涡面积异常可能通过该环流异常分布影响塔里木河流域及周边风场、水汽输送和垂直运动,进而影响到该流域降水。     

东亚夏季风边缘带的气候特征

利用近30年的NCEP再分析格点资料及中国站点降水资料,从降水、湿度、风场、水汽输送等角度研究了东亚夏季风边缘带的气候特征及其与华北、西北降水的关系。结果表明,降水场、比湿场、风场、水汽输送场所描述的东亚夏季风边缘带位置基本一致,大致沿西南—东北走向自西向东经过黄河上游—河套—华北北部—东北。夏季风边缘带附近的夏季降水年际变化较大,且夏季降水量与季风强度呈正相关。当夏季风影响到西北、华北北部时,西北、华北夏季降水偏多;反之则偏少。     

20世纪90年代初东亚夏季风的年代际转型

利用1979—2009年JRA-25和NCEP/NCAR再分析资料,通过复矢量经验正交方法揭示了东亚地区夏季850 hPa风场变率的优势模态。结果表明:两套再分析资料所揭示的东亚夏季风在20世纪90年代初均发生了年代际转型,与我国夏季降水的年代际转型时间一致。伴随着东亚夏季风的年代际转型,我国北方大部分地区夏季降水减少,尤其是我国东北北部和长江、黄河之间105°E附近区域显著减少,而华南地区和淮河流域降水显著增加。从动力上解释我国夏季降水年代际转型特征,夏季500 hPa高度场两个时段 (1993—2009年和1979—1992年) 的差值分布显示为欧亚大陆北部准纬向遥相关波列,夏季850 hPa风场差值分布表现为贝加尔湖东南侧和日本以南地区存在两个异常反气旋式环流,而我国南方地区和鄂霍次克海附近均为异常气旋式环流。夏季西北太平洋、北印度洋以及部分中高纬度海洋的海温和春季欧亚大陆积雪在20世纪90年代初出现显著变化,春季北极海冰的年代际转型发生在20世纪90年代初,都可能成为东亚夏季风年代际转型的原因。     

欧亚大陆夏季地表热力异常与同期中国东部夏季降水的可能联系

利用ERA-40再分析资料、CRU TS3.0数据集以及中国站点观测数据,分析了欧亚大陆夏季地表热力异常的变化特征,在此基础上探讨了我国东部夏季降水与同期欧亚大陆地表热力异常之间的可能联系。研究发现,欧亚大陆地表气温与浅层土壤温度的大尺度变化特征基本一致:经验正交函数分解第一模态空间型表现为大陆西南部分区域与欧亚大陆其他区域反相变化,对应的时间系数均在20世纪80年代末出现转折。当夏季欧亚中纬度印度以北地区和我国中东部地区地表气温偏高时,东亚夏季风的强度偏强,西太平洋副热带高压位置偏东,我国东部偏南风偏强,江淮流域水汽偏少,且气流上升运动偏弱,降水偏少;华南和北方地区水汽偏多,且气流上升运动偏强,降水偏多;反之亦然。当欧亚大陆中高纬贝加尔湖以东及以西地区夏季地表气温偏高,而我国东北部地区夏季地表气温偏低时,东亚夏季风的强度偏强,西太平洋副热带高压位置偏西,我国东南部地区偏南风异常偏强,有利于水汽向江淮流域输送,东南沿海及内蒙古中部水汽偏少,且气流上升运动偏弱,降水偏少;而东部其余地区水汽偏多,且气流上升运动偏强,降水偏多;反之亦然。     

新疆北部冬季降水异常成因

利用1960—2004年天山山区及以北地区(新疆北部)38个气象站日降水量和NECP/NCAR逐日4次再分析资料,分析了新疆北部11,12月和1月降水异常的环流和水汽特征。结果表明:冬季斯堪的纳维亚环流型(SCA环流型)与新疆冬季降水异常密切联系;11月水汽输送量最大,1月最小,西风气流输送水汽多少决定降水异常;降水异常偏多时,新地岛以东北冰洋、西伯利亚和阿拉伯海向中亚地区水汽输送异常,高纬度地区和低纬度地区向中亚地区输送水汽汇合后沿西风气流进入新疆,而非来自地中海和里海水汽源地;降水偏少时,里海以东随西风气流向新疆水汽输送减弱。关注SCA环流型活动以及西伯利亚和阿拉伯海向中亚地区水汽输送异常对冬季降水预测具有一定意义。     

中国气候过渡带干旱化发展趋势与东亚夏季风、极涡活动相关研究

利用国家气候中心1961~2000年中国160个测站降水量和NCEP/NCAR全球再分析资料,采取线性趋势变化、相关和水汽输送等分析方法,揭示中国大陆40 a的年和季降水变化趋势显著区域的时空分布特征,探讨与东亚夏季风和极涡活动的某些相关。结果表明:(1)经内蒙古中东部、山西省、河南省、陕西省和甘肃省东部至湖北省西部、四川省西北部和重庆市年降水量线性下降趋势较显著(其中相当部分为中国的气候过渡带),并明显向东与华北大部、东北地区中南部、环渤海地区、山东省和江苏省北部线性下降较显著区连成一片,构成占中国国土面积约1/5的气候变化干旱化区域,其中20世纪90年代年平均降水量负距平为50~100 mm的面积约达90万km2,其季节变化主要为夏、秋两季降水锐减,长江中下游、东南部沿海和广东省大部年降水量线性上升趋势显著,其中江西省20世纪90年代年降水量正距平在200 mm以上;(2)20世纪90年代夏季1000~300 hPa水汽输送积分负距平区与中国40 a气候变化干旱化区域总体相吻合;(3)中国西部地区东部与华北、东北地区中南部、环渤海地区降水干旱化区域连成一片,原因是多方面的,文中初步揭示了与影响中国的东亚夏季风在30°N以北地区活动和太平洋区极涡强度指数自20世纪70年代前后减弱相关显著。     

东亚夏季风期间水汽输送与西北干旱的关系

利用西北(区)168个测站1961—2000年6～9月月平均降水与温度资料,采用EOF、REOF方法分析了近40年降水异常特征,同时利用同期NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析了强(弱)夏季风年西北区水汽通量场的特征及夏季风西北影响区的净水汽通量。结果表明:西北区6～9月降水可分为7个气候异常区;东亚夏季风对我国降水的影响主要位于100°E以东的地区;东亚夏季风西北影响区降水的水汽来源于南风水汽通量;强夏季风年,到达东亚夏季风西北影响区的水汽通量显著增加,该区降水偏多,弱夏季风年则反之。     

山东夏季降水异常的前兆信号特征

利用山东省内1960～2003年40个观测站的夏季降水资料和NCEP/NCAP再分析资料,分析了山东夏季降水空间分布、时间尺度的演变特征以及山东夏季降水异常时大气环流、热带对流活动的异常特征,结果表明:山东夏季降水总体呈现由鲁南向鲁北递减的趋热,空间分布具有一致性.涝年的前期冬季极涡向东扩展,东亚大槽和东亚冬季风较常年偏强;旱年前期冬季极涡偏向西半球,东亚大槽和东亚冬季风较常年偏弱.涝年热带印度洋、南海至西太平洋地区对流增强,热带东太平洋地区对流减弱,西太平洋副热带高压位置偏北;旱年则相反.涝年前期冬季由于冬季风较强及低纬度地区冷涌活跃,加强了低纬地区的对流活动,增强了Hadely环流,加强了能量及水汽向中、高纬度地区的输运,从而引起山东降水增多.     

平流层极涡变化与我国冬季气温、降水的关系

利用国家气候中心提供的1951-2010年逐月环流指数资料,分析了北半球极涡强度指数、面积指数和中心强度指数的相关关系,并通过极涡强度指数的变化讨论了冬季北半球极涡强度的时间变化特征。结果表明,冬季极涡强度指数与面积指数和中心强度指数有较好的相关性,能够更好地反映冬季极涡强度的变化特征;冬季极涡存在准13年的年代际振荡周期,准5年的年际振荡周期在20世纪90年代后期较为明显。结合气温、降水观测资料和NCEP/NCAR月平均再分析资料,探讨了极涡强、弱不同年份我国冬季气温、降水和大气环流形势的变化。相对极涡弱值年而言,极涡强值年我国北方地区、东部地区特别是东北地区的气温偏高,西南大部分地区的气温偏低,长江流域和华南地区的气温变化不明显;我国南方地区降水偏多,长江中下游和华南地区的降水偏多最为明显,北方地区的降水略有减少;500hPa高度场上高纬度地区的位势高度降低,中高纬度的位势高度升高,冷空气向极地聚集,东亚大槽减弱,我国东北和东部地区的气温偏高;同时东亚冬季风减弱,湿空气向我国内陆输送,长江流域和我国南方地区的降水偏多。     

冬季东亚高空急流季节内协同变化及对我国东部降水的影响

利用ERA-Interim再分析资料,采用滤波和合成分析等统计方法,分析了冬季东亚高空急流的季节内协同变化以及对我国东部降水的影响,结果表明:在季节内尺度(10~90天)中,东亚地区冬季300 hPa逐日纬向风主要表现为准双周振荡(10~30天)。300 hPa低频纬向风异常整体向东传播,高纬的低频纬向风异常向南传播,低纬低频纬向风没有明显经向传播特征。伴随低频纬向西风从里海附近开始向东移动至西北太平洋上空,温带急流向东再向东南移动并且强度先增强再减弱,副热带急流位置没有明显变化,强度演变特征与温带急流变化相反。降水异常对300 hPa风场低频振荡有显著响应,低频降水主要出现在我国东部,随时间向东移动,移至西太平洋附近消失;受低频风场影响,温带急流偏强,副热带急流偏弱时,我国东部高空辐合,地面表现为低频高压,整层有较强下沉气流,地面为东北风控制,不易产生降水;温带急流偏弱,副热带急流偏强时,青藏高原北侧整层一致东风异常,南侧整层一致西风异常,使我国东部高空辐散,地面受低频低压控制,我国东部产生整层上升运动,并且有西南风水汽输送,水汽辐合,我国东部出现低频降水正异常。      

Analysis of the decadal and interdecadal variations of the east asian winter monsoon as simulated by 20 coupled models in IPCC AR4

Using the output data of 20 coupled climate models used in IPCC AR4 and observational data from NCEP, the capability of the models to simulate the boreal winter climatology of the East Asian sea level pressure, 850-hPa wind, and surface air temperature; the decadal variations of the East Asian winter monsoon (EAWM) intensity and EAWM-related circulation, and the interdecadal variations of EAWM-related circulation are systematically evaluated. The results indicate that 16 models can weakly simulate the declining trend of the EAWM in the 1980s. More than half of the models produce relatively reasonable decadal variations of the EAWM-related circulation and the interdecadal differences of EAWM-related circulation between the boreal winters of 1960-1985 and 1986-1998, including the weakened Siberian high, Aleutian low, and East Asian trough, the enhanced Arctic oscillation and North Pacific oscillation, and a deepened polar vortex. It is found that the performance of the multi-selected-model ensemble in reproducing the spatial distribution of the variations is encouraging, although the variational amplitudes are generally smaller than the observations. In addition, it is found that BCCR-BCM2.0, CGCM3.1-T63, CNRM-CM3, CSIRO-MK3.0, GISS-ER, INM-CM3.0, and MRI-CGCM2.3.2 perform well in every aspect.     

Analysis of the Decadal and Interdecadal Variations of the East Asian Winter Monsoon as Simulated by 20 Coupled Models in IPCC AR4

Using the output data of 20 coupled climate models used in IPCC AR4 and observational data from NCEP, the capability of the models to simulate the boreal winter climatology of the East Asian sea level pressure, 850-hPa wind, and surface air temperature; the decadal variations of the East Asian winter mon- soon (EAWM) intensity and EAWM-related circulation, and the interdecadal variations of EAWM-related circulation are systematically evaluated. The results indicate that 16 models can weakly simulate the declin- ing trend of the EAWM in the 1980s. More than half of the models produce relatively reasonable decadal variations of the EAWM-related circulation and the interdecadal di?erences of EAWM-related circulation between the boreal winters of 1960-1985 and 1986-1998, including the weakened Siberian high, Aleutian low, and East Asian trough, the enhanced Arctic oscillation and North Pacific oscillation, and a deepened polar vortex. It is found that the performance of the multi-selected-model ensemble in reproducing the spatial dis- tribution of the variations is encouraging, although the variational amplitudes are generally smaller than the observations. In addition, it is found that BCCR_BCM2.0, CGCM3.1_T63, CNRM_CM3, CSIRO_MK3.0, GISS-ER, INM_CM3.0, and MRI_CGCM2.3.2 perform well in every aspect     

近40年东亚冬季风强度的多时间尺度变化特征及其与气候的关系

文章利用季风强度指数研究了近40年冬季1月份东亚季风强度趋势、年际、十年际变化特征及其与我国冬季天气气候的关系。结果指出，东亚冬季风的年际变化、年代际变化与我国冬季天气气候关系密切。弱冬季风时，我国天气气候是暖、湿；强冬季风时，则冷、干。但是，季风与我国气候在近40年中的趋势变化关系则不如其年际、十年际变化更密切。近40年来，我国冬季气温已明显升高，季风减弱，但不太显著。80年代中期开始，冬季风已明显减弱。此外，还指出，东亚强冬季风时，大气环流具有强WP型、弱EU遥相关型的特征     

亚洲急流与冬季风的关系及其对中国气候的影响

利用NCEP\NCAR逐月再分析资料和中国台站逐日观测数据,采用奇异值分解(SVD)、相关分析和合成分析等方法,研究冬季亚洲高空急流的配置与冬季风的关系及其对地面气候的影响.结果表明,青藏高原至亚洲东部沿海的副热带急流强(弱),高纬的温带急流弱(强)时,中国中、东部大范围地区气温偏低(高);中东急流强(弱),东亚副热带急流偏南(北),温带急流东南部较弱(强)时,西南气温偏低(高),东北气温偏高(低),中、东部地区冬季降水偏多(少).结合水平风场的变化,副热带地区出现西风异常弱,温带出现东风异常时,有利于东亚大槽加深并向南扩张,低层偏北风加强,东亚冬季风增强,而青藏高原反气旋环流被削弱,冷高压减弱,相应的高原季风减弱.高、低纬急流区纬向风的差异较大时,加强了急流对低层冷、暖空气交绥的引导和汇聚的作用.东亚季风指数(EAMI)与高原季风指数(PMI)在冬季多呈负相关.冬季风异常期间,若副热带急流偏强,温带急流偏弱,高纬的干冷空气受南侧急流的汇聚作用而南侵,有利于中国大部分地区降温,降水减少;反之,低纬的暖湿气流受到北侧急流引导而向北输送,导致中国大部分地区升温,降水偏多.     

冬季东亚高空副热带急流和温带急流协同变化与中国南方地区降水的关系

利用NCEP/NCAR再分析数据和中国台站降水资料研究冬季东亚高空副热带急流和温带急流协同变化特征及其与中国南方地区降水的关系,发现冬季东亚高原急流与温带急流同期反向协同变化特征最为显著。即高原急流增强,同时温带急流减弱(SW型)和高原急流减弱,同时温带急流增强(WS型)。当高原急流增强(减弱)而温带急流减弱(增强)时,中国南方地区降水显著增加(减少)。合成分析表明,不同急流协同变化型态下冷暖空气活动特征存在较大差异,高原急流与温带急流的反向协同变化可以真实反映与冬季中国南方地区降水相关联的冷暖空气活动特征,进而导致不同降水形态的产生。     

我国东北地区冬季气温变化的东亚冬季风背景

利用中国气象局国家气象信息中心1961—2011年我国东北地区72个气象站月平均气温资料及NCEP/NCAR月平均海平面气压、500 hPa高度场及200 hPa与850 hPa风场再分析资料,对东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温序列经去除线性趋势处理后的变化特征进行对比分析。结果表明:去除线性趋势后,东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温序列的相关系数为-0.69,较原始序列更为显著;两者变化的阶段性较为同步,我国东北地区冬季气温于2004年已转入低温阶段,这与东亚冬季风同时转为偏强阶段关系密切;两者均存在20年左右的长周期,同样存在相近的阶段性短周期;我国东北地区冬季气温的增温变化趋势在1986年前后的增暖性气候突变中起重要作用。东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温年代际信号的相关系数达-0.86,较原始序列年代际相关更为显著;两者的年代际变化存在21.5年左右的共同准周期。东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温的年际变化序列存在4年左右的共同准周期。我国东北地区冬季气温的年际和年代际异常存在与东亚冬季风相关联的200 hPa东亚急流、500 hPa东亚大槽、乌拉尔高压、850 hPa风场、地面西伯利亚高压等的异常背景。     

A STUDY ON RELATION BETWEEN EAST ASIAN WINTER MONSOON AND CLIMATE CHANGE DURING RAINING SEASON IN CHINA

1 INTRODUCTION The Asian monsoon and its anomalies play an important role in the global general circulation and climatic change. As an essential component of the monsoon system, the East Asian winter monsoon is not only the most vigorous across the globe …