中国东部夏季降水异常与青藏高原冬季积雪的关系

基于中国740站月降水、积雪、地温资料和NCEP/NCAR再分析月资料,采用相关分析、合成分析和最大协方差法,研究了1979—2008年青藏高原冬季积雪异常与长江中下游夏季降水的关系及其可能的影响机制。结果表明:(1)在年际时间尺度上,青藏高原中北部12月—翌年1月积雪指数与长江中下游夏季降水呈显著正相关。在年代际时间尺度上,1990s—2000s的高原积雪指数与长江中下游夏季降水具有较好的同位相变化特征。表明高原中北部12月—翌年1月积雪指数对长江中下游夏季降水异常具有较好的指示意义,可作为预测长江中下游夏季降水年际年代变化的依据。(2)高原12月—翌年1月积雪异常偏多,是长江中下游夏季洪涝的一个强信号,12月—翌年1月积雪指数正异常年与长江中下游夏季降水正异常年有很好的一致性。(3)高原冬季积雪异常影响长江中下游夏季降水的可能途径是:高原冬季积雪异常通过影响同期及其后春季地温,再由春季地温以某种方式把异常信号维持到夏季。之后,地温异常又改变了局地地气热量交换,导致周围大气环流异常,从而影响到其下游的降水过程。     

云南冬季降水的演变特征及成因分析

利用云南124个气象观测站逐月降水量资料、NCEP/NCAR再分析大气环流资料和海表面温度(SST)资料,分析了云南冬季降水时空演变特征及其相对应的大气环流异常和海温异常。结果表明:(1)云南冬季降水第一模态表现为一致性变化模态,方差贡献为53%,具有显著的准5年周期,该模态具有一定的年代际变化特征。(2)第二模态表现为滇中及以东、以南与滇西及滇西北地区反位相振荡模态,方差贡献为13.4%,具有显著的准3年周期,也具有一定的年代际变化特征。(3)云南冬季降水与大气环流异常密切相关。当云南冬季降水偏多(少)时,中国大陆大部分地区海平面气压偏高(低),近地面冷高压活动频繁(偏少),冷空气易(不易)南下影响云南;500 hPa高度场上,中高纬度贝加尔湖附近高度场偏高(低),该处的脊强(弱),有(不)利于引导北方冷空气南下;同时,中低纬度在孟加拉湾北部高度场偏低(高),南支槽偏强(弱),有(不)利于南方暖湿空气向北输送。来自南海和孟加拉湾的异常水汽输送在云南形成辐合(辐散),从而造成该地区降水异常偏多(少)。(4)云南冬季降水与海温异常也存在密切关系。云南冬季降水偏多、偏少年,太平洋海温差异场呈类似El Nino年的分布:赤道中东太平洋的SST异常偏高,而菲律宾以东的西太平洋SST异常偏低。El Nino年冬季降水以偏多为主;而La Nina年,则以偏少为主。赤道中东太平洋海温异常对云南冬季降水具有一定的潜在预报意义。(5)北极涛动(AO)与云南冬季降水存在密切相关关系。当AO为正(负)位相时,云南冬季降水偏多(少)。同时,AO与云南冬季降水的关系在一定程度上受ENSO事件的制约,在ENSO暖位相时,冬季AO与云南冬季降水密切相关,而在ENSO冷位相时两者间几乎没有联系。     

青藏高原西侧地区冬季降水的年际变率及其影响因子

基于全球降水气候中心（GPCC）和全球降水气候计划（GPCP）的降水数据及ERA-interim再分析资料,分析了1979~2012年冬季青藏高原（简称高原）西侧地区降水的基本特征及影响其年际变率的潜在因子。结果表明高原冬季降水主要发生在其西侧地区且为全区变化一致型,降水所需的水汽主要来自上游地区,从该区域的西边界输入。然而,高原西侧地区冬季降水的年际变率主要由水汽输送的动力过程所决定,表现为高原西侧的西南风异常。此外,高原西侧冬季降水的年际变率与其上游典型的大气内部变率北大西洋涛动和北极涛动相关性不强,而与赤道西印度洋和热带中东太平洋的海温显著相关。热带中东太平洋海温异常通过影响大气环流变化,在印度洋北部激发一个反气旋式的环流异常,使得高原西侧地区出现异常西南风,从而加强了水汽通量输送的动力作用。同时在赤道异常东风的作用下,暖水也向印度洋西部输送堆积。赤道中东太平洋海温的异常可进一步导致西风急流发生南北移动,从而也在一定程度上影响了高原西侧冬季水汽输送以及降水的年际变率。     

中国冬季降水与AO关系的年代际变化

利用NCEP/NCAR再分析资料、AO指数序列、全球SST资料以及全国160站月降水量资料,分析了1951/1952-2007/2008年我国冬季降水与AO指数的相互关系及其年代际变化。结果表明,我国冬季降水与AO的相关关系在1978/1979-1989/1990年非常显著。通过回归分析得出,1978/1979-1989/1990年AO与500 hPa东亚大槽密切相关,当AO偏强时,东亚大槽偏弱,西伯利亚高压偏弱,冬季风偏弱,低层我国东北地区有一异常反气旋,异常环流西南侧偏南、偏东风分量增强,有利于从西北太平洋和孟加拉湾向我国中部、东部输送水汽,影响冬季降水。东赤道太平洋SST可能对我国冬季降水与AO关系年代际变化有影响,当降水与AO的相关关系偏强时,降水与SST的相关关系则偏弱;1951/1952-1977/1978年和1990/1991-2007/2008年,SST与500 hPa副热带高压密切相关,当SST偏高时,副热带高压偏强,低层我国东部沿海、南海地区南风分量偏强,有利于向我国东南地区输送暖湿气流,影响东南地区冬季降水。     

青藏高原加热场与长江下游秋季降水的关系

利用1960年至2010年青藏高原地面加热场强度距平指数,中国月平均降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,分析了冬季高原地面加热场强度变化趋势,长江下游地区秋季(9,10月)降水量时空变化,着重对冬季高原地面加热场强度与次年长江下游地区秋季降水做相关性分析,配合冬季高原地面加热场强度极值年对应的秋雨时期环流情况,得出以下结论:(1)冬季高原地面加热场强度年际变化显著,自1960年来大幅下降,2000年后小幅回升但仍未达到先前水平。(2)长江下游地区秋季降水主要集中在9月,且降水量呈同多同少分布,年际变化显著,1985年后降水总量偏少。(3)冬季高原地面加热场强度与长江下游地区秋雨降水量存在相关关系。冬季高原地面加热场强时,次年长江下游地区秋季降水量大,其中部分地区相关性非常显著;反之当冬季高原地面加热场强度弱时,次年长江下游地区秋季降水量也较小。     

热带海温影响我国南方冬季降水年际变化的年代际差异及其成因

利用中国740个站逐月降水资料、NOAA月平均海表温度资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用统计学方法分析了近50 a(1961/1962至2010/2011年冬季)海温异常对我国南方冬季降水年际变化影响的年代际差异及其成因。结果表明:(1)中国冬季降水大致位于长江以南的我国南方地区,降水年际变化较强。1987年后,在El Niňo年中国南方冬季降水偏多。(2)中国南方冬季降水与赤道中东太平洋海温异常以及海洋性大陆西部海温异常密切相关。但相关性存在年代际差异:1987年之前,主要与海洋性大陆西部海温异常相关;1987年之后,主要与赤道中东太平洋海温异常密切相关,海洋性大陆西部海温异常次之。(3)1987年之前,海洋性大陆西部海温通过影响东亚环流形势和水汽条件影响我国南方降水;在1988年之后,海洋性大陆的影响趋于减弱,而赤道中东太平洋海温异常通过改变水汽条件影响我国南方冬季降水强度。     

青藏高原4月陆面状况和地表加热异常与中国夏季降水的联系

利用1981—2002年GIMMS-NDVI资料、中国西部数据中心提供的雪深长时间序列数据集、中国753个测站降水资料及ECMWF再分析地表通量资料,通过相关和合成分析等统计方法,探讨了青藏高原(下称高原)4月植被覆盖、积雪异常与地表加热异常和与后期中国夏季降水之间的联系。结果表明,高原4月的陆面状况与同期的地表加热存在密切的联系,植被覆盖和积雪深度的变化具有较好的一致性;高原植被覆盖(积雪)主要影响地表感热(潜热)通量,从而改变高原地区的地表加热;高原地表加热和中国夏季降水存在较为密切的关系。就年际异常而言,前期高原地表加热异常与长江以南地区6月降水存在明显的负相关,与7月降水的显著负相关区域主要位于华北、东北地区,与8月降水的显著负相关区主要位于长江中上游及淮河一带。相比之下,前期高原地表加热与夏季降水的年际增幅异常之间存在更为密切的联系,即前期高原地表加热年际增幅异常与长江以南及西南部分地区6月降水年际增幅异常为负相关,而与7、8月降水年际增幅异常主要呈南正北负的分布特征。     

中国东南部冬季降水变化及其环流特征

利用1951-2011年中国160站降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,分析了中国东南部冬季降水的年际变化及与之相关的环流和水汽输送特征。结果表明:中国东南部冬季降水年际差异较明显,当降水异常偏多(少)时,蒙古高压及中国广大南方地区海平面气压异常偏低(高),而亚洲附近的洋面上则异常偏高(低);500 hPa上,巴尔喀什湖附近的高压脊和东亚大槽均偏弱(强);高层东亚西风急流异常偏弱(强),中东地区急流异常偏强(弱);中国东部20~30°N出现显著异常上升(下沉)运动,低纬度地区出现异常下沉(上升)运动。影响中国东南部冬季降水的水汽输送主要有两支:来自西风带绕高原的南支气流,经过阿拉伯海和孟加拉湾向华南的输送水汽;来自低纬西太平洋,经南海向中国西南的水汽输送。此外,东亚冬季风与中国东南部冬季降水关系密切。     

北极涛动对东亚夏季降水的预测意义

分析了春季北极涛动(AO)指数的变化对梅雨—Changma——Baiu带夏季降水年际变化的影响。对观测的东亚10个站的降水长序列资料(1899—1999年)，进行滤波处理，保留10年以下的年际时间尺度的变化，再进行相关分析。结果表明，近百年的5月北极涛动指数与10站夏季平均降水相关最高达—0．45，超过99％信度水平。当北极涛动偏强一个标准差时，整个长江中下游地区到日本南部一带，降水减少平均约8％左右。降水的这种变化与对流层东亚急流的变化密切相关：春季北极涛动强时，随后夏季急流位置通常偏北，雨带位置也北移，从而造成梅雨—Changma——Baiu带降水减少，反之亦然。较强的AO异常对降水的影响更明显，而较弱的AO与降水异常的对应关系并不显著。这对东亚夏季年际降水异常具有一定的预测意义。     

冬季高原积雪异常与1998年长江洪水关系的分析

冬季青藏高原积雪与我国夏季降水,特别是长江流域降水有着一定的相关关系、１９９８年长江洪水与冬季高原积雪异常有关,这在春存季４００ｈＰａ平均高度场上有相应的反映。但由于受高度场的年际和年代际异常变化的影响,使它们之间的关系变得更加复杂。     

气候系统模式FGOALS模拟的南亚夏季风：偏差和原因分析

本文通过与观测和再分析资料的对比,评估了LASG/IAP发展的气候系统模式FGOALS的两个版本FGOALS-g2和FGOALS-s2对南亚夏季风的气候态和年际变率的模拟能力,并使用水汽收支方程诊断,研究了造成降水模拟偏差的原因。结果表明,两个模式夏季气候态降水均在陆地季风槽内偏少,印度半岛附近海域偏多,在降水年循环中表现为夏季北侧辐合带北推范围不足。FGOALS-g2中赤道印度洋"东西型"海温偏差导致模拟的东赤道印度洋海上辐合带偏弱,而FGOALS-s2中印度洋"南北型"海温偏差导致模拟的海上辐合带偏向西南。水汽收支分析表明,两个模式中气候态夏季风降水的模拟偏差主要来自于整层积分的水汽通量,尤其是垂直动力平流项的模拟偏差。一方面,夏季阿拉伯海和孟加拉湾的海温偏冷而赤道西印度洋海温偏暖,造成向印度半岛的水汽输送偏少;另一方面,对流层温度偏冷,冷中心位于印度半岛北部对流层上层,同时季风槽内总云量偏少,云长波辐射效应偏弱,对流层经向温度梯度偏弱以及大气湿静力稳定度偏强引起的下沉异常造成陆地季风槽内降水偏少。在年际变率上,观测中南亚夏季风环流和降水指数与Ni?o3.4指数存在负相关关系,但FGOALS两个版本模式均存在较大偏差。两个模式中与ENSO暖事件相关的沃克环流异常下沉支和对应的负降水异常西移至赤道以南的热带中西印度洋,沿赤道非对称的加热异常令两个模式中越赤道环流季风增强,导致印度半岛南部产生正降水异常。ENSO相关的沃克环流异常下沉支及其对应的负降水异常偏西与两个模式对热带南印度洋气候态降水的模拟偏差有关。研究结果表明,若要提高FGOALS两个版本模式对南亚夏季风气候态模拟技巧,需减小耦合模式对印度洋海温、对流层温度及云的模拟偏差;若要提高南亚夏季风和ENSO相关性模拟技巧需要提高模式对热带印度洋气候态降水以及与ENSO相关的环流异常的模拟能力。     

THE MECHANISM OF THICKNESS OF GEOPOTENTIAL HEIGHT DIPOLE AND ITS RELATION WITH CLIMATE VARIABILITY IN ASIA-AUSTRALIA IN BOREAL WINTER

With the EOF of reanalysis data being analyzed, a northern- southern dipole is found in the upper troposphere geopotential height field of over the Asian-Australian monsoon region in the winter of the Northern Hemisphere (NH), which is defined as Asian-Australian dipole (AAD) in this study. Its intensity index is defined as AADI. Correlation and synthetic analysis illustrate that AADI is closely related to the weather and climate of Asian-Australian region in boreal winter. The index can reflect the simultaneous anomalies of temperature and precipitation on interannual and decadal scales in the boreal winter of Asian-Australian region. The superposition of the decadal and interannual signals is significant for the relationship between the AADI and climate change. The index can be used as an indicator of intensity of the Asian-Australian monsoon. In the years of strong AADI, the East Asia major deep trough is stronger, the Subtropical High is weaker and the Alaska ridge and the westerly jet are stronger than those in normal years. Enhanced meridional circulation between high and low latitudes exists in the years of strong AADI. These relationships reflect the intrinsic link between the anomalies in the upper troposphere geopotential height and climate in the Asian-Australian region.     

2018/2019年冬季浙江罕见持续阴雨天气的环流异常与海温强迫

利用NCEP/NCAR全球再分析资料、地面观测资料和自动站降水资料,分析了2018/2019年冬季浙江罕见连续阴雨寡照天气过程中冬季风环流和南支槽等环流异常,并从西风带波动、海温强迫等方面研究了局地环流异常的成因。结果表明:2018/2019年冬季连阴雨事件中雨日、日照破历史记录,雨量较常年同期明显偏多。主要的环流异常为西北太平洋异常反气旋（WNPAC）明显偏北,同时阿留申低压和西伯利亚高压亦偏北,东亚地区40°N以南有强的偏南风异常,冬季风偏弱;南支槽较常年偏强,保证了浙江上空有持续的水汽和扰动输送。对流层中层存在沿欧洲向东亚—西太平洋传播的波动能量,波能在东亚地区一直向南传播至20°N以南,可能导致WNPAC明显北抬和南支槽加强。ENSO是WNPAC的重要强迫源,ENSO暖位相使得海洋性大陆出现异常对流冷却,而浙江上空对流加强,ENSO对南支槽活动强度亦有明显的制约作用。中国近海海温偏高是WNPAC和阿留申低压明显偏北的重要影响因素。2018/2019年冬季局地环流异常可能由ENSO和中国近海海温协同强迫所致。     

前、后冬的东亚冬季风年际变异及其与东亚降水的关系

利用ERA-Interim的再分析资料和NOAA海温、降水量等资料对前、后冬的东亚冬季风的年际变异特征及其与东亚降水的关系进行对比分析,并讨论了热带和中高纬系统影响东亚冬季风变异的相对重要性。前冬的东亚冬季风变异的主导模态为东亚全区一致变异型,即一致的北风偏弱或偏强;其次为南部变异型,主要表现为在我国南方-南海北部的东北风偏弱或偏强。而后冬的东亚冬季风变异的主导模态则为南部变异型,其次为东亚全区一致变异型。从前冬到后冬,东亚冬季风的主要变异模态的次序出现交叉更替。前、后冬的冬季风主要模态以年际变化为主,但后冬主导模态还显示出冬季风有变强的趋势。前、后冬的东亚冬季风的主导变异模态也影响东亚降水异常的位置。在前冬,冬季风异常主要影响我国华北、渤海-黄海海域以及朝鲜半岛和日本南部区域的降水异常,而后冬的冬季风异常则主要导致我国东南地区及其东侧附近的西北太平洋海区的降水异常。前冬的东亚冬季风的前两种主要变异模态都受到印度洋-太平洋海温和中高纬环流系统共同的影响;后冬的东亚冬季风的前两种主要变异模态则分别主要受ENSO和中高纬系统的影响。      

西风与季风在青藏高原的耦合模态及其季节性变化特征

青藏高原是我国的水塔,西风与季风及其相互作用是导致亚洲天气和气候变化最重要的环流系统。本文基于1981～2020年大气再分析资料,采用经验正交函数分解方法（Empirical Orthogonal Function,EOF）提取了西风与季风季节循环分量在青藏高原的耦合模态,并对其季节变化特征进行分析。研究发现,第一主模态方差贡献率高达78.39%,主要反映的是东亚季风、南亚季风和对流层高层中纬度西风的季节循环特征及各个季节的年际变化特征。夏季在对流层高层高原及其南侧主要为东风气流,范围从北纬5°至35°,对流层低层则表现为典型的绕高原气旋式季风环流系统,热带和副热带地区为西南季风控制,冬季的环流结构刚好相反。耦合模态的冬、夏季节转换节点与东亚季风和南亚季风的季节转换时间基本一致。从年际变化的角度来看,各个季节耦合模态的强度偏强时,东亚季风和南亚季风均偏强,西风带位置偏北;反之,季风偏弱,西风带位置偏南。厄尔尼诺—南方涛动（El Ni?o–Southern Oscillation,ENSO）是影响西风与季风耦合模态年际变化的关键外强迫,拉尼娜（La Ni?a）事件发生的前夏、前秋和次年夏季耦合模态的强度均增强,冬季至次年春季耦合模态的强度均减弱。西风与季风耦合的第二主模态主要表现为对流层高层高原上的东风及其南侧西风,以及低层南亚季风区的西南季风和西北太平洋反气旋的协同变化特征。该模态的方差贡献率为4.68%,表现出明显年际差异的同时还呈现显著减弱的长期趋势,尤其是在冬季。     

影响中国夏季降水的前冬北半球中高纬大气环流年际变异主模态

本文利用观测和再分析资料,通过奇异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)分析,发现北极涛动(Arctic Oscillation, AO)是显著影响中国夏季降水年际异常的前冬中高纬大气环流变异的主模态。AO在冬季发展成熟,在春季衰亡,在夏季发生位相反转。AO会导致华北、东北、长江中下游和华南夏季降水异常呈现三极型分布。伴随正位相的AO,在黄海至日本海上空的异常低压伴随的东北风异常引起华北和东北水汽通量异常辐散及降水减少,而西北太平洋的异常高压不仅增强其北侧的西南风水汽输送,和北部异常低压共同作用导致长江中下游水汽通量异常辐合及降水增加,而且使得华南水汽通量异常辐散,降水减少。因此,本文发现的前冬AO模态与我国夏季三极型异常降水分布的关系可为我国夏季旱涝预测提供一个重要的中高纬前期因子。     

南半球环流异常与我国夏季旱涝分布关系及其影响机制

利用1951—2000年NCEP/NCAR风场和高度场再分析资料及全国160站降水量资料, 采用奇异值分解、相关和合成分析方法, 研究6—8月南半球500 hPa高度、高低层纬向风距平差异常 (Δu₈₅₀-Δu₂₀₀) 与我国夏季旱涝分布的关系及其影响机制。结果表明:当500 hPa澳大利亚高压脊偏强及西南太平洋热带地区高低层纬向风距平差为负值时, 来自南半球冷空气活动偏弱, 有利于西北太平洋副热带高压位置偏南, 热带季风偏弱, 我国夏季雨带偏南。反之, 当澳大利亚高压脊偏弱及西南太平洋热带地区高低层纬向风距平差为正值时, 我国北方降水偏多。同时, 定义了澳大利亚冬季风指数, 指出澳大利亚冬季风强年和弱年影响我国夏季旱涝分布异常的水汽输送型式不同。     

The Oscillation between Tropical Indian Ocean and North Pacific:Evidence and Possible Impact on Winter Climate in China

This paper provides evidence that the variation of boreal winter sea level pressure (SLP) over the North Pacific is out-of-phase with SLP fluctuation over the tropical Indian Ocean on both the interdecadal and interannual time scales.Subsequently,a SLP between tropical Indian Ocean and North Pacific (TIO-NP) oscillation index is defined to indicate the variation of such out-of-phase fluctuation.Moreover,the simultaneous surface air temperature and precipitation anomalies in China are closely related to TIO-NP oscillations.Below-normal surface air temperature anomalies in the northern and the eastern part of China,and less rainfall in southern China,correspond to positive TIO-NP oscillation phase with negative SLP anomalies in tropical Indian Ocean and positive anomalies in North Pacific.The TIO-NP oscillation affects China’s winter climate anomalies,possibly through modulating the northeast East Asia winter monsoon.     

冬季东亚中纬度西风急流对我国气候的影响

利用1957—2001年欧洲中期数值天气预报中心再分析资料及地面台站观测资料，分析了冬季东亚西风急流与我国气候的关系。首先定义了冬季东亚西风急流强度指数(区域30°~35°N，127.5°~155°E冬季200 hPa纬向风u₂₀₀平均值的标准化值)和切变指数(区域15°~25°N，100°~115°E与区域30°~40°N，100°~115°E的平均u₂₀₀之差的标准化值)，这两个指数能较好地反映冬季东亚西风急流的强度变化和位置的南北移动，二者相关系数为-0.48，通过99%信度检验。西风急流强度与亚洲和西太平洋大范围的大气环流有密切关系，而西风急流位置移动则与印度洋、中东太平洋的大气环流有密切关系，并分析了冬季急流强度指数和切变指数与我国温度和降水的关系。结果表明:当西风急流强度偏强时，西风急流位置偏北，此时在急流入口区左侧由于气流辐合造成低层气压上升，在出口区左侧则由于气流发生强烈辐散，引起低层气压下降，所以西伯利亚地区上空从对流层低层到中层高度值升高，北太平洋高度值降低，东西向气压差加大的形势，同时东亚大槽偏强，海陆气压差加大和东亚大槽偏强，导致冬季风强度偏强，引起我国从北到南的陆面降温，同时30°~40°N低层有下沉气流，使得华北、华中和长江中下游地区降水偏少；当西风急流强度偏弱时，西风急流位置偏南，整个东亚地区存在南风异常，东亚冬季风较弱，在25°N附近有上升气流，此时华南和内蒙古、华北降水偏多，内蒙古地表温度偏高。