中蒙干旱半干旱区降水的时空变化特征(Ⅰ):年降水特征及5～9月降水的REOF分析

此系姐妹篇文章的上篇,利用中蒙地区106站1954—2005年间的实测降水资料,使用EOF及REOF等统计方法,整体地分析了中蒙干旱半干旱区降水的时空变化特征。结果表明:(1)中蒙干旱区的降水分布很不均匀(我国西北区尤甚),从该区东南侧最湿的陕南向南疆盆地东端极端干旱区过渡,年雨量从922mm锐减到25mm以下,最干的托克逊仅6.9mm;蒙古国以中北部最湿,年雨量达400mm以上,到南部仅100mm左右,再到西南角仅30mm左右。(2)该区降水分布受不同尺度地形影响大,降水的年及年际变化也大。约80%的降水集中在夏半年(5～9月),南疆盆地东端干中心区的年降水相对变率最大,接近0.80,远高于蒙古国和我国其他地区,也高于全球明显增暖前。其干旱程度及降水变率居世界8大干旱区前列。(3)该区降水异常分布的局域特征明显。区内夏半年的降水异常分布常出现河东、南疆、汉中关中、北疆、蒙古国中北部、河西阿拉善,以及柴达木等7个模态。(4)过去50余年来,中蒙地区东北部的降水总体呈线性减少趋势,而西南部则呈增加趋势。     

中蒙干旱半干旱区冬、夏季地面气温时空变化特征分析(Ⅰ):1月

为了整体地分析中蒙干旱半干旱区冬季气温的时空变化特征,首先利用1961—1997年1月的实测气温资料,分析了平均场和标准差场,然后再选取区内104个分布相对均匀的站点,对1月气温作了经验正交函数（EOF）和旋转经验正交函数（REOF）分析。结果表明：纬度、地形及西伯利亚高压是影响冬季气温的3个主要因子;区内绝大部分地区冬季气温的年际变化〉2℃以上。根据EOF分析,区内冬季气温异常有“全区一致型”、“蒙古中东部及西部6个分区。区内冬季增暖明显,增暖中心在中蒙南边界的临河一富蕴及拐子湖东西差异型＂和＂南北差异型＂三种模态;根据REOF分析,区内的冬季气温可划分为高原东北侧、南疆、北疆、青海高原、一带,近20年平均增温达2．5℃以上,1977年是由冷转暖的突变年;区内大部分地区冬季气温变化有3～4年周期,部分地区还有8年的变化周期。     

中蒙干旱半干旱区冬、夏季地面气温时空变化特征分析(Ⅱ):7月

为整体地分析中蒙干旱半干旱区(中蒙干旱区)夏季气温的时空变化特征,利用中蒙干旱区内分布相对均匀的104个站点(包括5个“人造站”)1961—1997年7月的平均地面气温资料等,首先分析了该区夏季的平均气温场、气温年较差及日较差等背景;然后,对标准化的7月平均气温距平资料分别作了EOF和REOF分析。结果表明:(1)中蒙干旱区夏季的热量资源充足。夏季气温场分布的区域性特色更明显。(2)受纬度、地形高度及远离海洋等的影响,中蒙干旱区地面气温的年较差大,日较差也大,呈典型大陆性气候(大陆度高)的特色,但是区内的夏季气温年际变化小。(3)根据气温的EOF分析,中蒙干旱区夏季气温异常可粗分为全区一致型、准东西差异型、准南北差异型及准东北—西南差异型等4种常见分布模态;再根据REOF分析,可将该区夏季气温异常进一步细分为青海高原、高原东北侧、南疆、北疆、陕西甘南区、蒙古国西北部及东南部等7个分区。(4)近37年来,中蒙干旱区夏季气温增暖主要出现在高原东北侧和南疆区,强度比冬春季弱;在青海高原及蒙古国东南部气温还在变凉,区内各分区夏季气温变化也约有3~4年的周期。     

东亚中纬度干旱/半干旱区降水年际变化及其可能成因

基于NOAA的全球陆地降水资料(PREC/L)1948～2003年56年的月平均降水资料、NCEP/NCAR月平均再分析资料以及英国气象局哈德莱中心的海温(Sea Surface Temperature,SST)资料,并根据多年降水平均图选定了东亚中纬度干旱/半干旱区,对该区域夏季(6～8月)降水进行了经验正交分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)。EOF第一模态呈现出全区一致的变化类型,第二模态则呈现出以100°E为界东西相反的分布类型。通过分析干旱/半干旱区以及以100°E为界的东西两部分降水异常年的环流形势和海温并加以对比,结果表明:在环流场上,对应于东亚中纬度干旱/半干旱区降水偏多年,对流层中下层环流异常在中高纬度呈现为一个东西向波列,乌拉尔山东侧为正的高度异常,贝加尔湖附近乃至以东地区为低压槽所控制;不同的是,对应于100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多年,波列有所东移,并且西太平洋副热带高压有显著北抬;而对应于100°E以东干旱/半干旱区夏季降水偏多年,环流形势异常基本与整个干旱/半干旱区降水偏多年一致,只是在里海附近有一高度负异常。在200hPa纬向风场上可以看到,当西亚副热带急流偏南加强时,对应于100°E以西的干旱/半干旱区降水偏多;而当东亚、西亚风急流都有显著北抬且加强时,对应于100°E以东干旱/半干旱区的夏季降水偏多,这可能与急流所激发的次级环流有关。进一步对SST的分析表明,海温与100°E以东或以西干旱/半干旱区降水异常的关系也不一样。当前冬、前春赤道中东太平洋都有正的海温异常,而到夏季转换为负的海温异常,且南太平洋在前冬和前春呈现显著负海温异常时,整个干旱/半干旱区夏季降水偏多;当赤道中东太平洋海温在前冬、前春有正的海温异常并一直减弱,但能维持到夏季,并且北印度洋海温也存在类似的海温异常时,100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多;而当前冬中东太平洋海温较暖但其南部海域偏冷,到了前春这些异常维持,并发展到同期为大范围弱的异常冷海温时,有利于100°E以东的干旱/半干旱区夏季降水偏多。比较的结果还揭示出,对应于干旱/半干旱区以及100°E以东干旱/半干旱区的降水异常年,海温异常分布大致是一致的;而对应于100°E以西干旱/半干旱区的降水异常年,海温异常分布及时间演变则有较大差异。     

中国北方干旱半干旱区降水的多年代际变化特征及其与太平洋年代际振荡的关系

基于最新版本的全球降水气候中心(Global Precipitation Climatology Centre Version 7,GPCC_V7)资料与欧洲中期数值预报中心20世纪再分析资料(ERA-20C)融合的百年尺度逐月降水资料(1901~2012年),运用集合经验模态分解方法(EEMD)、合成分析等方法系统分析了我国北方干旱半干旱区降水多年代际变化特征及与太平洋年代际振荡(PDO)之间的相互关系。结果表明:北方干旱半干旱区大多数区域降水都具有50~60年的平均变化周期,而PDO对大多数地区降水多年代际变化特征具有明显的调制作用;其中新疆北部和内蒙古北部的降水与PDO呈现出显著的正相关,而河套东西部地区的降水则与PDO的变化呈现显著负相关。进一步分析表明,当PDO为暖相位时,径向环流增强使得北冰洋水汽南下,当遇到低空北上的阿拉伯海域暖湿气流时,会造成新疆中南部的降水增多;另一方面,PDO暖相位时赤道西太平洋及印度洋区域通过对流加热的作用激发了太平洋—日本/东亚—太平洋(PJ/EAP)遥相关型的产生,这有利于渤海湾暖湿水汽输送至干旱半干旱区北部区域,增大降水概率;同时,当偏北和偏西气流在河套北部区域相遇时会形成降水中心。当PDO位于冷位相时,结论则反之。     

中国西北干旱、半干旱区春季地气温差的年代际变化特征及其对华北夏季降水年代际变化的影响

利用我国1951~2000年夏季降水观测资料分析了我国夏季降水的年代际变化特征,表明了我国夏季降水在1976年前后发生了一次明显的气候跃变,在1976年之后华北地区和黄河流域夏季降水明显减少,出现了严重持续干旱,而西北地区从20世纪70年代后期开始,降水增多,且西北地区降水振荡位相要超前于华北地区降水振荡位相5~8年。并且,本文从1960~2000年我国西北干旱、半干旱区的地温、气温观测资料分析了我国西北干旱、半干旱地区的地气温差(Ts-Ta)的变化特征,其结果表明了在20世纪70年代后期以前,我国西北干旱、半干旱地区的地气温差大部分年份偏低,低于平均值,而从70年代后期之后到2000年,我国西北干旱、半干旱地区的地气温差偏高。此外,本文还分析了西北干旱区地气温差变化的最大地区新疆西部春季地气温差与我国夏季降水的相关关系,其正相关区分别位于西北地区、东北地区和长江流域,而负相关区分别位于华北地区东部和西南地区,这表明我国西北干旱、半干旱区春季地气温差可能是华北地区夏季降水年代际变化的原因之一。     

中国西北干旱、半干旱区感热的年代际变化特征及其与中国夏季降水的关系

利用1951～2000年我国西北干旱、 半干旱区地温、 气温和表面风场逐日4个时次 (02、 08、 14和20时) 的台站观测资料, 计算并分析了我国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热的年代际变化特征。分析结果表明: 中国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热输送出现相反的年代际变化特征, 春季感热从20世纪70年代中期开始增强, 而夏季感热却减弱了。并且还分析了中国西北干旱、 半干旱区4月感热与中国夏季降水的相关关系, 其结果表明了中国西北干旱、 半干旱区的春季感热输送与中国夏季降水有很好的相关关系, 其中正相关区分别位于东北地区和长江中下游地区, 而负相关区分别位于华北地区和西南地区。作者还利用欧洲中心 (ECMWF) 1958～2000年再分析资料分析水平和垂直环流的年代际变化特征, 在1977～2000年期间, 中国西北地区春季感热增强, 使此地区上升气流增强, 华北地区上空下沉气流增强, 不利于华北地区夏季降水偏多, 并出现持续性干旱, 而长江流域的上升气流增强有利于长江中下游地区夏季降水增多, 出现洪涝。因此, 西北地区春季感热异常可以作为我国夏季降水的一个预报因子。     

中国北方夏半年最长连续无降水日数的变化特征

利用1951—2004年中国北方各气象台站夏半年逐日降水资料,建立最长连续无降水日数时间序列,采用经验模态分解（EMD）求出该序列的本征模态函数（IMF）,分析原序列内在的多尺度振荡变化。用小波分析原序列的突变。结果表明,连续无降水日数的变化主要是由IMF1、IMF2和IMF3这3个本征模态构成,3—4 a、8—10 a尺度的振荡对整个变化起主要作用。近50年来,最长连续无降水日数呈线性增加趋势;显著增加的年份在1960年和1994年前后,与干旱现象的发生有紧密的联系。     

夏季不同源地水汽对我国西北区降水影响的数值模拟(Ⅱ): 减、 增各源区水汽的敏感性试验结果

为进一步检验东南沿海、 孟加拉湾、 青藏高原、 西风带等4个水汽源区对我国西北区夏季降水影响的相对重要性, 本文利用MM5模式, 以1979年7月为模拟对象, 以NCEP再分析值作初、 侧边界条件, 继本文上篇作了该模式对该月的模拟性能检验后, 又分别作了检验减、 增各源区水汽影响的 11个敏感性试验。下篇的结果表明： （1）夏季, 东南沿海源区减（增）水汽后, 主要通过西伸的西太副高西南侧的东南风和西侧的偏南风气流的“干（湿）平流”输送, 第2天将直接影响西北区东部; 继之, 若遇河西走廊低层较强偏东风, 前述“干（湿）平流”还可再继续影响河西及南疆降水的减（增）。即东南沿海是影响西北区的主要水汽源区。（2）孟湾源区水汽的减（增）变化常经北路和东路共同影响西北区的降水。它主要影响青海及河西走廊中、 东部的降水, 也间接地影响西北区东部及南疆的降水。（3）高原（特别是西风带）源区因本身水汽少, 它们的影响要小些。高原源区主要影响青海及河西中、 东部的降水, 也部分影响西北区东部和南疆的降水; 而西风带区主要影响北疆及南疆的降水。（4）作西北区夏季降水预报时, 要关注其上游孟湾, 特别是东南沿海源区水汽、 沿途天气系统及低空急流的变化。