太平洋年代际振荡、大西洋年代际振荡和全球变暖对北美地区降水的相对贡献

本文研究了1934～2018年期间太平洋年代际振荡（Interdecadal Pacific Oscillation,IPO）、大西洋年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）以及全球变暖（Global Warming,GW）对北美地区陆地降水年代际变化的相对贡献。首先通过对冬（12至次年2月）、夏季（6～8月）北美地区的陆地降水与中低纬地区的海表面温度进行奇异值分解分析,得到对北美陆地冬季降水相对贡献较大的主要海温模态为IPO（42.33%）和AMO（23.21%）,夏季则为AMO（32.66%）和IPO（21.60%）。其次利用线性回归模型,分析三种信号分别对北美冬、夏季陆地降水的相对贡献及对北美陆地不同区域降水的相对重要性,结果表明AMO对夏季北美陆地降水变化的贡献最大,IPO次之,冬季则相反,GW对冬夏季北美陆地降水都有一定的贡献。夏季期间阿拉斯加地区AMO的贡献最大,约占65.8%,加拿大地区GW的贡献最大,约占44.5%,美国本土及墨西哥地区三者贡献基本一致;冬季期间阿拉斯加和加拿大地区GW的贡献最大,分别为62.3%和44.7%,美国本土和墨西哥地区IPO的贡献最大,分别为47.9%和71.5%。进一步利用信息流方法,验证了IPO、AMO、GW对降水的敏感性区域。最后运用全球大气环流模式ECHAM 4.6进一步确定了太平洋和大西洋海温异常对北美地区陆地降水变化的影响途径,结果表明印度洋海表面温度异常在AMO和IPO对北美陆地降水变化的作用中至关重要。     

太平洋年代际振荡的年代际预测方法

太平洋年代际振荡(PDO)是北太平洋海表温度年代际变率的主模态。由于太平洋年代际振荡对区域乃至全球气候的显著影响,其合理的预测结果可以带来多方面收益。然而,针对太平洋年代际振荡及其有关的海表温度的年代际预测,目前气候模式的预测水平还十分有限,因此,提出了一个新的增量方法。一系列的验证结果表明,增量方法可以有效预测太平洋年代际振荡,其中包括成功预测出其振荡的年代际转折。增量方法的预测过程主要包括3个步骤:(1)采用5 a滑动平均得到太平洋年代际振荡的年代际变率;(2)利用3 a增量形式的预测因子构建预测模型,预测3 a增量的太平洋年代际振荡(DI_PDO);(3)将预测得到的DI_PDO加上3 a前的观测PDO,得到最后预测的PDO。增量方法亦可以应用到气候系统年代际内部变率的其他模态(如:北大西洋年代际振荡)和其他气候变量的年代际预测(如:海表温度)。     

全球变暖、AMO、IPO对全球陆地降水变化的相对贡献

本文探究了不同海表温度(SST)模态对6—8月和12月—次年2月全球陆地降水的趋势以及年代际变化的相对贡献。首先对热带地区陆地降水和SST进行SVD分析,得到影响陆地降水的趋势和年代际变化主要的海洋模态为：海洋中的全球变暖(Global Warming, GW)、大西洋多年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO)和太平洋多年代际振荡(Interdecadal Pacific Oscillation, IPO)。其次利用多元线性回归模型进一步定量评估了全球变暖、AMO和IPO对不同地区陆地降水的相对贡献大小。结果表明,全球变暖对陆地降水变化的贡献在冬夏季都是最大的,AMO在6—8月的贡献次之。IPO在12月—次年2月的贡献次之。不同纬度带,三者的贡献不同。GW的贡献在6—8月期间对10°N以北地区较大,南半球受GW的贡献相对较小,GW在12月—次年2月对40°N以北降水贡献异常显著;AMO主要在6—8月对10°～40°S和50°～60°S纬度带上的降水变化的贡献比较大;而IPO主要在12月—次年2月对北半球中纬度降水变化的贡献比较大。GW对...     

太平洋年代际振荡与中国气候变率的联系

利用 195 1～ 1998年的太平洋年代际振荡 (PDO)指数、全球海洋和大气分析资料及中国降水和气温站点观测资料 ,分析了太平洋年代际振荡在海洋中的特征及其与东亚大气环流和中国气候变率的联系。结果表明 ,PDO与东亚大气环流及中国气候年代际变化关系密切。对应于PDO暖位相期 (即中纬度北太平洋异常冷、热带中东太平洋异常暖 ) ,冬季 ,阿留申低压增强 ,蒙古高压也增强 (但东西伯利亚高压减弱 ) ,中国东北、华北、江淮以及长江流域大部分地区降水偏少 ,东北、华北和西北地区气温异常显著偏高 ,而西南和华南地区气温偏低 ;夏季 ,海平面气压在北太平洋的负异常较弱 ,而在东亚大陆的正异常较强 ,东亚夏季风偏弱 ,西太平洋副热带高压偏南 ,热带太平洋信风减弱 ,赤道西风增强 ,此时华北地区降水异常偏少而长江中下游、华南南部、东北和西北地区降水异常偏多 ,东北、华北及华南地区气温异常偏高 ,而西北、西南和长江中下游地区气温异常偏低。对应于PDO冷位相期 ,上述形势相反。结果还表明 ,处于不同阶段的ENSO事件对中国夏季气候异常的影响明显受到PDO的调制。在PDO冷位相期 ,当ENSO事件处于发展阶段 ,华南地区夏季降水偏少 ,东北地区夏季多低温 ,在其衰减阶段 ,华北地区和长江流域降水偏多 ,淮河地区降水偏少 ;     

亚非夏季风的年代际变化:大西洋多年代际振荡与太平洋年代际振荡的协同作用

亚非夏季风系统包括非洲夏季风、南亚夏季风和东亚夏季风。它是全球季风系统中具有高度整体一致性变化的系统,其主要原因是亚非夏季风系统具有相同的主要驱动力:AMO(Atlantic Multidecadal Oscillation,大西洋多年代际振荡)和PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代际振荡)海洋年代际变化模态。在此前提下,本文首先阐述了AMO对亚非夏季风的强迫作用与遥相关作用,特别强调了它在亚非夏季风及其降水年代际转型中的作用;其次讨论了PDO与冬春积雪的年代际变化对东亚夏季风雨带的协同作用;最后综合分析了AMO、PDO与IOBM(Indian Ocean Basin Mode,印度洋海盆一致模态)的协同作用,指出印度洋海洋模态在年代尺度上独立于AMO与PDO的相关组合,主要起着加强东亚夏季风活动的作用。     

1880—2010年中国东部夏季降水年代际变化特征

利用1880—2010年中国东部66站夏季降水数据,开展夏季长序列降水的年代际变化特征研究。结果表明,中国东部夏季降水年代际变化特征显著,华北、江淮和华南地区存在明显的差异。经验正交分解结果表明,偶极型("-+"和"+-")和三极型("+-+"和"-+-")分布是中国东部夏季的两种主要降水模态。夏季500 h Pa高度场年代际分量与同期太平洋SST典型相关分析(BP-CCA)得出,太平洋年代际振荡(PDO,Pacific Decadal Oscillation)正位相可以激发出负的PJ型遥相关波列,导致长江中下游地区降水偏多,华北降水偏少;反之亦然。同时,通过滑动相关分析发现,中国东部不同区域的夏季降水对PDO不同位相的响应特征存在差异。     

太平洋湍流热通量异常与中国夏季降水年代际变化

采用NCEP/NCAR再分析感热、潜热资料,利用EOF方法,分析了夏季太平洋湍流热通量年代际变化的时空特征及其与中国夏季降水的关系。分析结果显示,1951—2003年夏季太平洋湍流热通量距平的年代际分量的EOF前3个模态的方差贡献率分别为32.27%、12.52%、11.10%,且这3个模态分别与中国华北、华南和东北地区夏季降水的年代际关系密切;太平洋湍流热通量年代际异常EOF第1模态的时间系数与东亚夏季风指数年代际变化有显著的负相关。20世纪70年代中期以前,太平洋湍流热通量异常偏多,东亚夏季风偏强,对应华北降水偏多;20世纪70年代中期以后,太平洋湍流热通量异常偏少,东亚夏季风偏弱,对应华北夏季降水减少,干旱化趋势明显。     

中国降水准2年主振荡模态与全球500 hPa环流联系的年代际变化

用近51年(1951～2001年)观测资料,研究太平洋年代际振荡(PDO)冷暖位相中国降水量准2年主振荡型传播特征的差异,并讨论对应的全球500 hPa环流低频波列传播途径的变化及可能原因.同时提出年际振荡强度不稳定指数,讨论了中国降水和全球500 hPa高度准2年周期振荡(QBO)强度时间不稳定的空间分布.通过主振荡型分析(POP)发现,在PDO冷位相(1951～1976年),准2年时间尺度的中国降水POP1的主要活动区域在长江中游地区,对应的500 hPa低频场是大西洋欧亚波列(AEU)和西大西洋遥相关型(WA)以及南太平洋副热带波列(SSP);在PDO暖位相(1977～2001年),POP1的活动区域迅速北移并扩大到整个长江和淮河流域,对应的500 hPa低频场变为欧亚太平洋-南印度洋-南北大西洋波列(EUP-SI-SNA).因此,PDO冷暖位相中影响中国降水准2年主振荡模态的低频波列的传播途径和强度存在显著差异,PDO对中国降水量准2年主振荡型主要模态(POP1)及其伴随的全球500 hPa环流低频波列活动区域的时间变化有重要调制作用,与两个半球中纬度西风气流强度的年代际变化密切相关.由振荡强度时间变化指数分析表明,中国降水QBO强度不稳定区域位于长江中游、长江下游、浙江东部、广东东部、华北地区和青藏高原东北侧附近地区,这些地区降水QBO的强度随PDO位相转变而发生显著的年代际突变.对于全球500 hPa高度,其QBO强度不稳定区域在南太平洋中高纬度、副热带南北大西洋地区和亚洲、北太平洋、北美大陆中高纬度地区、北半球副热带西太平洋地区以及南北半球热带和副热带东太平洋地区,表现为对于赤道的非对称空间分布,特别是南北太平洋热带和副热带地区500hPa环流QBO强度在年代际时间尺度上呈现正负反向变化的空间结构,而且南北极附近地区的QBO强度在PDO暖位相显著增强,反映了全球大气环流QBO强度与PDO相互作用的空间特征.     

我国夏季东部区域降水异常年代际、年际变化分析

用华南、江淮、华北代表站6—8月降水量标准化距平的区域平均值定义了降水异常指数I，论证了它与常用指数Z、R的一致性。不同区域，的同期相关不显著，表明3区降水年际异常具有独立性。用周期分析将，分解为年代际、年际变化指数，Is、If，方差分析表明，只有华南区域Is在其，的构成中显著，表明区域夏季降水异常是复杂的。对Is、If，曲线的分析表明，3个区域Is均表现出与太平洋年代际振荡(PDO)20世纪70年代的转折有关的相关关系，华北区域If的显著偏少与强El Nino事件的同时性关系密切。     

亚洲夏季风的年际和年代际变化及其未来预测

本文是对我们近五年在亚洲夏季风年代际与年际变率及其未来预测方面研究的一个综述.主要包括下列三个问题:(1)根据123年中国夏季降水资料和印度学者的分析,检测出亚洲夏季风具有明显的年代际尺度减弱,这种年代际变化使中国东部(包括东亚)和南亚夏季降水的格局在过去60年中发生了明显变化.在东亚,从1970年代后期开始,主要异常雨带有不断南移的趋势,结果造成了南涝北旱的降水分布,这主要受到60～80年年代际振荡的影响.青藏高原前冬和春季积雪的年代际减少与热带中东太平洋海表温度的年代际增加是东亚降水型改变的主要原因,这是通过减弱亚洲地区夏季海陆温差与夏季风强度而实现的.未来亚洲夏季风的预测表明,东亚夏季风和南亚夏季风对气候变暖有十分不同的响应.东亚夏季风在本世纪将增强,雨带北推,尤其在2040年代之后;而南亚夏季风环流将继续减弱.这种不同的变化是由于两者对高低层海陆热力差异的不同响应造成.(2)年际尺度的变率在亚洲夏季风区主要表现为2年与4～7年的振荡.本文着重分析了2年振荡(TBO)形成的过程、机理及其对东亚降水的影响.对TBO-海洋机理进行了具体的改进,说明了东亚夏季风降水深受TBO影响的原因,尤其是阐明了长江型(YRV) TBO和淮河型(HRV) TBO的特征及其形成的循环过程.(3)在总结亚洲夏季风时期遥相关型的基础上,本文提出了季节内和年际尺度的低空遥相关型:即西北太平洋季风的遥相关型与印度“南支”和“北支”遥相关型.它们基本上反映了沿低空夏季风强风速带Rossby波群速度传播的结果.据此可以根据西北太平洋和印度夏季风的变化分别预测中国梅雨和华北雨季来临和降水异常.最后研究还表明,在本世纪亚洲夏季风可能更显著地受到人类活动造成的全球变暖的影响,未来的亚洲夏季风活动是人类排放的CO2引起的全球变暖与自然变化(海洋和陆面过程(积雪))共同作用的结果.     

东亚夏季风和中国东部夏季降水年代际变化的模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展的第四代大气环流模式模拟了1970年代末东亚夏季风和相关的中国东部夏季降水年代际变化。结果表明,在给定的观测海温强迫下,模式能模拟出东亚夏季风的年代际减弱及 相关的环流场变化,包括东亚沿海的偏北风异常以及西太平洋副高的形态变化,模式还较好再现了中国东部夏季降水的雨型变化,即长江流域降水偏多,而华北和华南偏少,但位置略偏南。基于奇异值分解(SVD)的分析表明,热带海洋变暖是这次东亚夏季风的年代际减弱的主要因素,这与太平洋年代际振荡(PDO)在1970年代末期的位相转变有关。此外,模式还较好模拟了长江流域的变冷趋势,进而减弱了海陆温差,使东亚夏季风减弱。     

太平洋年代际振荡对中国冬季最低气温年代际变化的贡献

基于1961—2013年中国台站的均一化气温数据、NOAA月平均海温资料和CMIP5气候模式数据,利用气候统计手段,定量分析太平洋年代际振荡（PDO）对中国冬季最低气温年代际变化的贡献。结果表明：PDO的年代际序列与年代际滤波后的最低气温场在全国大部分地区呈显著正相关,即PDO负位相时中国冬季最低气温偏低,反之偏高。2006年后中国冬季最低气温变暖减缓,造成这一现象的主要原因是自然变率起到的降温作用,而自然变率又主要由PDO起主导作用,约占自然变率贡献的40%左右。PDO对温度的贡献呈现出明显的年代际变化,在变暖减缓期对升温有明显的负贡献,且负贡献逐渐增大至超过50%。     

中国东部夏季降水型的年代际变化及其与北太平洋海温的关系

采用中国160站降水资料、NOAA ERSST海温资料以及ERA－40大气再分析资料, 分析了中国东部夏季降水型的年代际变化特征及其与北太平洋海温的可能联系。结果表明: 中国东部夏季降水型在近50年中经历了两次年代际变化, 第1次发生在20世纪70年代中后期, 北太平洋中纬度地区冬季海温由正距平向负距平转变, 太平洋年代际振荡(PDO, Pacific decadal oscillation) 由负位相向正位相转变, 通过影响东亚夏季风环流, 使东亚夏季风减弱, 中国东部夏季降水从北到南呈现出“＋－＋” 转变为“－＋－”的三极分布形态, 这次年代际变化体现了同一模态正负位相的转变; 第2次发生在20世纪80年代末90年代初, 北太平洋海温转变为日本以南西北太平洋的正距平分布, 同时菲律宾群岛附近海温偏暖, 西太平洋副热带高压偏南偏西, 使得中国东部夏季降水由北至南转变成“－＋”的偶极分布形态, 这次年代际变化体现了一种模态向另一种模态的转变。     

东亚夏季风降水年代际变异模态及其与太平洋年代际振荡的关系

利用全球陆地月平均降水资料、英国气象局哈德莱中心的月平均海表温度距平(SSTA)资料及NCEP/NCAR再分析大气环流资料,探讨东亚夏季风降水年代际变率及其与太平洋年代际振荡(PDO)的联系。研究指出:东亚夏季风降水年代际变异模态以及PDO均在1976年前后呈现显著的年代际转折,并且东亚夏季风降水与PDO在年代际尺度上具有较好的相关关系。PDO能够在对流层低层激发出与年代际东亚夏季风环流较为相似的大气环流异常特征,表明东亚夏季风环流的年代际变化可能受大气外强迫因子PDO在对流层低层的外源强迫作用影响,最终导致东亚夏季风降水发生年代际变化。     

西北太平洋SST季内振荡及其与中国东部夏季降水季内振荡的关系

利用NOAA逐日海表面温度(sea surface temperature,SST)资料、NCEP/NCAR逐日风场和比湿资料以及中国国家气象信息中心提供的逐日降水资料,研究了西北太平洋气候SST的低频周期,进一步分析了夏季西北太平洋SST季节内振荡与中国东部同期降水异常的关系。结果表明:夏季西北太平洋季节内SST异常影响中国东部同期季节内降水最显著的三个区域为:长江中游及华南沿海;江淮流域;华北大部。其影响途径主要是通过西北太平洋季节内海温与850 h Pa环流场之间相互作用,在东亚沿岸自南向北逐渐形成气旋—反气旋—气旋(反气旋—气旋—反气旋)的波列结构,引起东亚沿海局地水汽的辐合辐散,使得中国东部夏季季节内雨带从江淮流域向华北推进(从华北南撤到长江中游及华南沿海地区)。     

我国中部地区夏季干旱的多时间尺度特征及其环流、海温异常

基于CRU逐月降水和NCEP/NCAR再分析等资料,利用集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)方法,分析1948—2016年中国中部地区夏季降水变化的多时间尺度特征及其对应的环流、海温异常,进而解释不同时期影响干旱发生的背景场有何不同。结果表明,中部地区夏季降水以年际变化为主,周期长度为3.8 a和6.9 a,年代际和多年代际变化的方差贡献不足20%。然而,各时间尺度降水变化对不同时期干旱事件的贡献存在较大差异,1960s、1970s,降水年际变化偏弱,相反地,多年代际变化正处于负位相的极小值期;1980s、1990s,多年代际变化位相转正;2000s初,年际变化明显增强。此外,通过分析不同时间尺度降水变化对应的环流、海温背景场,发现热带印度洋海温异常及其引起的西北太平洋副热带高压的变化、大西洋北部海温异常激发的纬向波列以及贝加尔湖地区的阻塞活动、1970s末PDO位相转变伴随的东亚夏季风突变是分别解释降水年际、年代际和多年代际变化的主要原因,进而揭示影响中部地区夏季干旱发生的关键因子及其相对重要性。     

东北夏季降水的年代际特征及环流变化

利用1961-2012年中国东北地区91个气象站逐月降水资料、NCEP/NCAR再分析资料和海温资料,以及经验正交函数分解EOF、显著性检验等方法,分析了东北地区夏季降水的时空分布特征、年代际变化特征及相应的环流分布型变化,探讨了不同年代际背景下东北夏季降水年际变化的环流差异。结果表明,东北夏季降水存在明显的年代际变化特征,在1961 1983年(P1)期间降水偏少,19841998年(P2)期间降水偏多,1999年之后(P3)又进入偏少时段。P2与P1时段相比,东北气旋式环流和蒙古反气旋式环流异常增强,而西北太平洋副热带地区为气旋式环流异常,来自西北太平洋偏东水汽输送贡献明显。P3与P2时段相比,东北冷涡活动偏弱,东北地区东部在850 h Pa为偏北风异常,偏南水汽输送有所减弱。进一步分析证实,北太平洋年代际振荡(PDO)对于东北地区夏季降水及相关环流型的年代际变化有重要的调制作用。P1与P3同为降水偏少时段,PDO都处于负位相,东北地区反气旋式环流都偏强;然而P1时段的多雨年,水汽输送主要来自较强的夏季风偏南气流;P3时段的多雨年,水汽输送可能主要来自西北太平洋地区。     

中国东部夏季气候20世纪80年代后期的年代际转型及其可能成因

指出了中国东部夏季气候在20世纪80年代末出现了一次明显的年代际气候转型。伴随着这次年代际转型,80年代末以后中国东部南方地区降水明显增多,500 hPa西太平洋副热带高压西伸且南北范围变大,西北太平洋上空850 hPa反气旋增强。中国东部夏季80年代后期出现南方多雨的年代际转型与欧亚大陆春季积雪、西北太平洋夏季海面温度的年代际变化存在密切联系,它们也都在80年代末出现年代际转型。从80年代末以后,伴随着欧亚大陆春季积雪明显减少和西北太平洋夏季海面温度明显增高,中国夏季南方降水明显增加。文中分析了欧亚大陆春季积雪和西北太平洋夏季海面温度影响中国降水的物理过程,指出欧亚大陆春季积雪能够在500 hPa激发出大气中的遥相关波列,所激发出的波列可以从春季一直持续到夏季,造成中国北方为高压控制,南方为微弱低压控制,使得降水出现在中国南方。西北太平洋夏季海面温度的升高能够减小海陆热力差异,使得夏季风减弱,导致中国南方地区降水增多。     

东北夏季降水年代际、年际变化的区域差别

采用REOF方法对我国东北夏季降水异常进行了区划,并通过周期分析等方法分析了各分区降水年代际、年际变化特征。结果表明:东北夏季降水异常可划分为南部、中部、东部、西南部、西北部和北部6个区域,东南部(包括前3个区域)的年代际变化高于西北部(后3个区域)。50 a来东北全区夏季降水没有明显变干或变湿的倾向,但存在明显的年代际变化。其中,南部与全区旱涝在两种时间尺度上(特别在年代际尺度上)的相关均较高;东部与全区的相关也主要表现在年代际尺度上,而中部、西南部主要表现在年际尺度上。     

中国北方近百年干湿变化与太平洋年代际振荡的关系

利用CRU(Climate Research Unit)1901～2002年全球0.5°×0.5°网格点月降水和月平均气温资料,利用一个能够用于检测地表干湿变化的湿润指数,对中国北方四个典型地区干湿演变特征及与北太平洋年代际振荡的关系进行了初步的分析.结果发现:降水和湿润指数在表征干湿变化的特征时有明显的差别,特别是在干旱和半干旱地区,增暖也是影响干湿变化的一个重要因素.相关分析表明,华北和西北东部的年干湿变化与同期太平洋年代际振荡(简称PDO)指数有密切的关系,PDO指数的正位相对应两个地区的干旱时段,负位相则对应两个地区的湿润时段,而新疆南部与PDO指数同期呈显著的正相关关系,即当PDO为正位相时,该地区为湿的时段,负位相对应干的时段.以100°E为界,北方的东部干湿变化与太平洋年代际振荡指数呈反相关,而西部则相反,与PDO呈正相关关系.