CMIP5模式对东亚冬季风指数变化及其与冬季大气环流和气温关系的模拟评估

本文评估了44个CMIP5模式对东亚冬季风环流系统,特别是东亚冬季风指数及其对应的环流和气温特征的模拟能力.结果表明：CMIP5模式对地表气温和500 hPa位势高度场模拟效果最好,对200 hPa纬向风的模拟次之,而对海平面气压和850 hPa经向风的模拟相对较差.与单个模式相比,多模式集合（MME）的模拟能力要更优,其能够很好地再现西伯利亚高压、阿留申低压、东亚低层偏北风、中层东亚大槽、高层东亚西风急流以及地表气温的空间分布.不过,模拟的环流系统偏强,造成东亚地表气温总体偏低.对于东亚冬季风指数,分别选取基于300 hPa纬向风（I_Jhun）、850 hPa风场（I_Wang）、500 hPa位势高度（I_Cui）、以及海平面气压（I_Guo）定义的四个指数表征东亚冬季风强度.MME能很好地模拟I_Cui和I_Wang指数的长期变化,还能合理再现四个指数所指示的东亚冬季风环流和气温的变化特征：对应冬季风偏强年份,西伯利亚高压、阿留申低压、东亚沿岸低层北风、东亚大槽和高空西风急流加强,东亚大陆地表气温和极端低温降低,但变化的幅度比观测结果偏弱.

     

欧亚地区夏季大气环流年际变化的关键区及亚洲夏季风的关联信号

本文利用资料分析和数值模拟方法研究了欧亚地区夏季大气环流的相关性及其与亚洲夏季风的关联信号,以期为欧亚地区的气候变异及可预测性研究提供科学依据.结果表明:欧亚区域同期(JJA)500 hPa高度场年际变化的关键区包括热带区、中纬度的贝加尔湖和巴尔喀什湖之间以及欧洲地中海附近地区;表面气温的关键区主要位于热带海洋;海平面气压的关键区包括热带的海洋性大陆区域、印度洋和非洲大陆赤道附近部分区域、中高纬的贝加尔湖与巴尔喀什湖之间的地区.另外,夏季大气环流年际变化的春季关键区明显西移/南退,特别是表面气温(其西太平洋区不再是关键区).公用气候系统模式CCSM4.0的大气模式在给定海温年际变化的情况下对于上述大气环流相关场及其关键区的模拟基本合理,其中500 hPa高度场的模拟结果较好,海平面气压场的结果逊之;对于同期和前期的结果,模式都有夸大西太平洋海温影响的倾向.对于东亚夏季风指数与大气环流的同期年际变化信号而言,其空间分布基本表现为以30°N为界呈西南东北向的波列状分布;其春季前期信号中,30°N以南的显著区几乎都位于海洋,30°N以北主要位于欧洲、巴尔喀什湖与贝加尔湖之间的地区.南亚夏季风指数的前期显著相关区比同期明显西移/南退.总之,模式的模拟结果和观测结果相当吻合,但其同期模拟结果比前期的更好一些.这些结果说明:模式对于大气环流年际变化的耦合变化信息的刻画是基本合理的,这为利用气候模式进行有关可预测性研究和降尺度预测研究奠定了基础.     

欧亚地区夏季大气环流年际变化的关键区及亚洲夏季风的关联信号

本文利用资料分析和数值模拟方法研究了欧亚地区夏季大气环流的相关性及其与亚洲夏季风的关联信号,以期为欧亚地区的气候变异及可预测性研究提供科学依据.结果表明:欧亚区域同期(JJA)500 hPa高度场年际变化的关键区包括热带区、中纬度的贝加尔湖和巴尔喀什湖之间以及欧洲地中海附近地区;表面气温的关键区主要位于热带海洋;海平面气压的关键区包括热带的海洋性大陆区域、印度洋和非洲大陆赤道附近部分区域、中高纬的贝加尔湖与巴尔喀什湖之间的地区.另外,夏季大气环流年际变化的春季关键区明显西移/南退,特别是表面气温(其西太平洋区不再是关键区).公用气候系统模式CCSM4.0的大气模式在给定海温年际变化的情况下对于上述大气环流相关场及其关键区的模拟基本合理,其中500 hPa高度场的模拟结果较好,海平面气压场的结果逊之;对于同期和前期的结果,模式都有夸大西太平洋海温影响的倾向.对于东亚夏季风指数与大气环流的同期年际变化信号而言,其空间分布基本表现为以30°N为界呈西南东北向的波列状分布;其春季前期信号中,30°N以南的显著区几乎都位于海洋,30°N以北主要位于欧洲、巴尔喀什湖与贝加尔湖之间的地区.南亚夏季风指数的前期显著相关区比同期明显西移/南退.总之,模式的模拟结果和观测结果相当吻合,但其同期模拟结果比前期的更好一些.这些结果说明:模式对于大气环流年际变化的耦合变化信息的刻画是基本合理的,这为利用气候模式进行有关可预测性研究和降尺度预测研究奠定了基础.     

青藏高原季节冻融过程与东亚大气环流关系的研究

利用青藏高原46个气象站的最大冻土深度观测资料、中国160个气象站降水资料和NCAR/NCEP资料，对青藏高原冻土的季节性冻融过程进行合成分析，发现青藏高原土壤的季节冻融过程对青藏高原上空及东亚大气环流有显著的影响，在高原最大冻土深度较小的年份中，7月份，南亚高压强且偏西，500hPa印度低压强，西太平洋副热带高压弱且偏东，高原南部的东风较强；最大冻土深度较大的年份，南亚高压弱且偏东，印度低压弱，西太平洋副热带高压强且偏西. 在不同的冻融年份，850hPa上纬向风的差异显著区反映了西南季风的活动. 最大冻土深度与中国夏季（7月份）降水有3条显著相关带，雨带的分布与中国夏季平均雨带相吻合. 由此，青藏高原季节冻融过程引起的水热变化是影响东亚气候的一个重要外源.     

El Nino演变不同阶段东亚大气环流年际异常型的数值模拟

给定1948～1999年逐月变化的全球观测的海表温度分布，使用全球大气环流模式（CCM3/NCAR）模拟了大气对海表温度变化的响应，利用SVD和合成检验方法，分析了El Nino发展阶段夏季、成熟阶段冬季以及衰亡阶段夏季东亚大气环流的年际异常型.结果表明：El Nino发展阶段夏季，中国东北、朝鲜半岛以及日本海附近为高度负异常中心，西太平洋副高偏弱、偏东，东亚夏季风增强；El Nino成熟阶段冬季，东亚大槽加强，东亚北部冬季风加强；El Nino衰亡阶段夏季，西太平洋副高偏强、偏南、西伸，东亚夏季风减弱；El Nino事件在其衰亡阶段夏季与东亚大气环流异常的关系最紧密，其次是成熟阶段冬季，最后是发展阶段夏季.模拟的El Nino演变不同阶段东亚大气环流年际异常型易于解释以往研究中观测分析揭示的由El Nino造成的我国东部气温和降水异常型.     

1998年夏季全球大气环流异常的预测研究

应用日本东京大学气候系统研究中心(CCSR)发展起来的一个全球大气环流谱模式(T42L200版本),对l998年夏季气候异常和大气环流的预测问题进行了研究,定量地检查了该模式对夏季降水和大气环流异常的预测准确度.说明该模式对1998年的预测水平是比较高的;并证实大气环流在春季的初始异常对北半球夏季大气环流和降水异常起了很重要的作用,而对南半球的作用则小得多.就中国长江流域1998年的降水异常而言,初始环流的作用约占50%.     

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.     

1998年夏季全球大气环流异常的预测研究

应用日本东京大学气候系统研究中心(CCSR)发展起来的一个全球大气环流谱模式(T42L200版本),对l998年夏季气候异常和大气环流的预测问题进行了研究,定量地检查了该模式对夏季降水和大气环流异常的预测准确度.说明该模式对1998年的预测水平是比较高的;并证实大气环流在春季的初始异常对北半球夏季大气环流和降水异常起了很重要的作用,而对南半球的作用则小得多.就中国长江流域1998年的降水异常而言,初始环流的作用约占50%.     

东亚地区夏季7～8月大气环流季节演变异常的内部动力学过程

利用NCEP/NCAR 1958～1999年月平均再分析数据集,本文分析了7～8月东亚大气环流季节演变异常,包括提前和延迟这两种情形,及其与沿副热带西风急流的内部动力学过程的联系,比较了与气候季节演变进程的差异.结果表明,存在着两个地理位置固定的遥相关型,探讨了二者位相与副热带西风急流的关系,讨论了此类波列的出现与内部动力学过程的可能联系.     

南海夏季风爆发与南大洋海温变化之间的联系

利用1979-2009年NCEP第二套大气再分析资料和ERSST海温资料,分析南海夏季风爆发时间的年际和年代际变化特征,考察南海夏季风爆发早晚与南大洋海温之间的联系.主要结果为:(1)南海夏季风爆发时间年际和年代际变化明显,1979-1993年与1994-2009年前后两个阶段爆发时间存在阶段性突变;(2)南海夏季风爆发时间与前期冬季(12-1月)印度洋-南大洋(0-80°E,75°S-50°S)海温、春季(2-3月)太平洋-南大洋(170°E -80°W,75°S-50°S)海温都存在正相关关系,当前期冬、春季南大洋海温偏低(高)时,南海夏季风爆发偏早(晚).南大洋海温信号,无论是年际还是年代际变化,都对南海夏季风爆发具有一定的预测指示作用;(3)南大洋海温异常通过海气相互作用和大气遥相关影响南海夏季风爆发的迟早.当南大洋海温异常偏低(偏高)时,冬季南极涛动偏强(偏弱),同时通过遥相关作用使热带印度洋-西太平洋地区位势高度偏低(偏高)、纬向风加强(减弱),热带大气这种环流异常一直维持到春季4、5月份,位势高度和纬向风异常范围逐步向北扩展并伴随索马里越赤道气流的加强(减弱),从而为南海夏季风爆发偏早(偏晚)提供有利的环流条件.初步分析认为,热带大气环流对南大洋海气相互作用的遥响应与半球际大气质量重新分布引起的南北涛动有关.     

南半球夏季纬向平均环流的垂直结构异常及其与AAO和ENSO的联系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,研究了南半球夏季（12~2月）纬向平均环流的垂直结构异常及其与南极涛动（AAO）和ENSO的联系.结果表明,南半球夏季纬向平均［u］的异常分布的主要模态（EOF1）显示出极区、50°S~70°S、以及50°S以北的区间内“三极”型振荡.EOF1 既反映了AAO的特征又与ENSO有着显著的关系.由于AAO指数与Nino3区指数之间存在着统计相关,为进一步弄清AAO和ENSO在南半球纬向平均气流变动的相关分量及其结构,利用Nino3区指数使用一元回归方法滤除ENSO影响,再对剩下的部分作EOF分解,得到了独立于ENSO的纬向平均［u］的第一模态AEOF1.相关分析表明AEOF1为与AAO相对应的纬向平均［u］异常的分布.用南半球纬向平均［u］去掉其与AAO相联系的模态AEOF1,进行EOF分解得到的第一模SEOF1,其与Nino3 区指数的相关高达0.9.由此给出了纬向平均气流的变动与ENSO无关的模态和与ENSO有关的模态.时间变化分析表明,近30年中,除了年代际变化和3~7年的年际变化外,纬向平均的纬向基本气流尚有极地西风减弱、副极地西风加强、副热带西风减弱、热带东风加强的长期趋势.     

春季北大西洋涛动与东亚夏季风年际关系的转变及其可能成因分析

本文的相关分析表明,在1948~2009年期间东亚夏季风(EASM)与前期春季(4~5月)北大西洋涛动(NAO)之间存在显著的年际相关关系,但这种关系具有明显的年代际变化特征,即在1970s发生了由正相关到负相关的转变.进一步的合成分析指出,春季NAO与EASM之间年际相关关系的转变,与春季和前期冬季(12~3月)北大西洋海盆尺度的海-气耦合模,即NAO-海温异常(SSTA)三极子耦合模的影响作用密切相关.春季NAO异常对EASM年际变化的影响主要依赖于前者所激发的SSTA三极子模态由春季到夏季的记忆性.然而,该模态不但受到春季NAO的控制,而且还会受到前冬NAO-SSTA三极子耦合模的增强或削弱作用,其中后者的影响作用具有明显的年代际变化特征.在1970s之前,前冬NAO-SSTA三极子耦合模对春季SSTA三极子模态存在明显的非对称作用,即前者主要对后者的正位相异常存在显著的削弱作用;在1970s之后,前者对后者正/负位相异常的影响作用均不明显.因此,在春季NAO对称作用与前冬NAO-SSTA三极子耦合模非对称作用的共同影响下,春季NAO与SSTA三极子模态的年际相关关系存在显著年代际变化,进而引起了春季NAO与EASM的年际相关关系在1970s的转变.     

夏季亚洲极涡的长期变化对东亚环流和水汽收支的影响

主要分析了1951～2004年夏季亚洲极涡强度和面积的长期变化趋势及其对东亚夏季环流,水汽输送和降水量的影响,发现1951～2004年,夏季亚洲极涡表现出了明显的强度减弱,面积缩小的变化趋势,并以面积缩小更为显著,这正对应于北极涛动（AO）指数在该时段的显著升高.在这种北半球中高纬大尺度环流变化的影响下,东亚夏季高空西风急流在近54年显著南移,冷空气活动的南侵程度明显增强,从而造成低空偏北风显著增强而偏南风减弱.与此相应,近54年整个中国区域内低空纬向风速呈明显的减小趋势.总的来看,东亚夏季风环流发生了明显减弱.同时,流经中国的中纬度西风水汽输送在近54年也表现出一致减弱的趋势,而南风水汽输送大致以110°E为界,以东的夏季风区呈显著的减弱趋势而以西则有明显的增加趋势.这种水汽输送的变化影响了中国不同区域内水汽输送通量散度的改变,进而使得夏季降水量发生变化.分析表明,夏季亚洲极涡的面积和强度与东北、华北和西北东部的水汽输送通量散度和夏季降水呈正相关,而与长江中下游、华南、西南、青藏高原和西北西部呈显著负相关,夏季亚洲极涡在近几十年的面积缩小和强度减弱是中国夏季降水长期变化的一个可能原因.     

春季Hadley环流异常对夏季西北太平洋热带气旋频数影响的数值模拟试验

观测事实揭示出春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数之间存在显著的负相关关系.由春季Hadley环流异常引起的西北太平洋地区夏季纬向风垂直切变、大气辐合辐散等的异常变化是这一关系存在的内在原因.本文通过数值试验对这一关系的真实性进行了验证,即利用中国科学院大气物理研究所发展的9层大气环流模式（IAP9L-AGCM）模拟了春季Hadley环流异常偏强情景,并分析了该情景下影响西北太平洋热带气旋生成的环境场的响应.结果表明,在春季Hadley环流偏强情景下,夏季西北太平洋地区纬向风垂直切变幅度加大,低空大气异常辐散,高空大气异常辐合,东亚夏季风减弱,这种环流背景不利于热带气旋生成和发展,因此,西北太平洋热带气旋频数异常偏少.数值模拟结果与已有的诊断结果相吻合,进而证实了春季Hadley环流与夏季西北太平洋热带气旋频数负相关关系的存在.因此,春季Hadley环流信号可以用于西北太平洋热带气旋活动的气候预测.     

南太平洋和北太平洋年代际振荡与华北盛夏降水的关系及可能物理机制

利用降水、大气环流和海表温度等多种再分析资料和偏相关方法,研究了1951—2007年南太平洋年代际振荡（SPDO）和北太平洋年代际振荡（即PDO,本文称为NPDO）分别与华北盛夏（7—8月）降水在年代际时间尺度上的关系及其可能物理机制.结果表明：在去除SPDO和NPDO的相关性之前,它们与华北盛夏降水的关系均偏弱;但在去除两者相关性之后,SPDO（NPDO）与华北盛夏降水存在显著正（负）相关关系.去除两者相关性之后,当SPDO处于正位相时,热带西北太平洋海温异常显著偏暖,这将在对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸激发出"气旋-反气旋-气旋"的负位相东亚—太平洋型遥相关（EAP）波列,该波列导致东亚夏季风异常增强,有利于低纬地区水汽输送至华北地区,从而使得华北盛夏降水异常偏多,反之,当SPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏少;对NPDO来说,当其处于正位相时,不仅热带西北太平洋异常显著偏冷,而且印度洋大部分海温异常显著偏暖,在两者共同作用下,对流层中下层从热带西太平洋—东亚沿岸出现"反气旋-气旋-反气旋"的正位相EAP波列,这将引起东亚夏季风异常减弱,不利于低纬地区水汽输送至华北地区,华北盛夏降水异常因此减少,反之,当NPDO处于负位相时,华北盛夏降水异常将偏多.     

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.     

Trend analysis of reference evapotranspiration in Northwest China: The roles of changing wind speed and surface air temperature

Reference evapotranspiration (ET₀) is an important element in the water cycle that integrates atmospheric demands and surface conditions, and analysis of changes in ET₀ is of great significance for understanding climate change and its impacts on hydrology. As ET₀ is an integrated effect of climate variables, increases in air temperature should lead to increases in ET₀. However, this effect could be offset by decreases in vapor pressure deficit, wind speed, and solar radiation which lead to the decrease in ET₀. In this study, trends in the Penman–Monteith ET₀ at 80 meteorological stations during 1960–2010 in the driest region of China (Northwest China) were examined. The results show that there was a change point for ET₀ series around the year 1993 based on the Pettitt's test. For the region average, ET₀ decreased from 1960 to 1993 by ?2.34 mm yr^?2, while ET₀ began to increase since 1994 by 4.80 mm yr^?2. A differential equation method based on the Food and Agriculture Organization Penman–Monteith formula was used to attribute the change in ET₀. The attribution results show that the significant decrease in wind speed dominated the change in ET₀, which offset the effect of increasing air temperature and led to the decrease in ET₀ from 1960 to 1993. However, wind speed began to increase, and the amplitude of increase in air temperature also rose significantly since the mid‐1990s. Increases in air temperature and wind speed together reversed the trend in ET₀ and led to the increase in ET₀ since 1994. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.