塔里木河流域夏季降水年际和年代变化的环流异常

基于1961-2020年夏季（6-8月）NCAR/NCEP再分析资料和塔里木河流域（简称“塔河”）38个气象站降水资料,使用5年滑动平均分离出塔河夏季降水年代际和年际变化,选出了典型的年际变化的干年和湿年与年代际变化的干期（1963-1986年）和湿期（1989-2018年）,分析了与这两种时间尺度变化相关联的大气环流异常。结果表明,两者的变化不同,影响两者变化的大气环流不同。影响年代际变化的大气环流异常主要表现在欧亚大陆对流层从西北至东南交替出现正负位势高度异常中心,在湿期塔河东部和西部分别出现明显的东风和西南风异常,水汽主要由西北太平洋和印度洋输送至塔河,在干期则与之相反;影响年际变化的大气环流异常主要表现为在塔河东部和西部对流层分别为反气旋异常和气旋异常,在多雨年从南北方向向塔河输送的水汽增多,北风水汽通量异常向流域输送较多,南风水汽通量异常向流域输送较小且主要集中在流域西部,水汽主要由北冰洋洋和印度洋输送至塔河。在干年则与之相反。     

印度洋海盆模影响西北东部5月降水的数值模拟研究

利用海洋大气完全耦合模式FOAM模拟研究了热带印度洋海盆模影响我国西北地区东部5月降水的异常及其物理机制。结果表明:当热带印度洋为暖海盆异常模态时,FOAM模式模拟的西北地区东部5月降水异常偏多,这与观测分析结果相一致。模拟发现春季热带印度洋暖海盆模态可在大气中引起类似"Matsuno-Gill Pattern"的异常响应,在对流层高层青藏高原西南侧形成异常高压,并在北半球中纬度沿高空急流轴形成异常遥相关波列,西北地区东部处于异常遥相关波列在东亚地区正异常中心的西部,正好为"西低东高"这一典型降水偏多的大气环流形势控制,对应对流层高层风场为明显的异常反气旋环流,气流辐散,低层有小范围的弱辐合,形成气流上升运动和水汽异常大值中心,引起降水偏多,模拟的海盆模引起的大气环流异常场与观测分析结果基本一致。FOAM模式对热带印度洋海盆模影响西北地区东部5月降水异常及其物理过程进行了较好的模拟验证。     

西北中部夏季降水主要空间型及环流特征

利用西北地区中部55个站点1961—2015年夏季降水资料、NCEP/NCAR再分析资料及统计诊断方法,分析了西北地区中部夏季降水异常模态及同期大气环流特征和水汽输送条件。结果表明:西北中部夏季降水存在三类主要空间模态:全区一致型、东西反相型及类似"三明治"型。进一步分析表明,造成降水不同空间模态的环流和水汽条件不同:全区一致降水正异常时,副热带西风急流中心偏东,乌拉尔山阻塞高压偏强,水汽主要来源于孟加拉湾、南海和热带太平洋北上的水汽输送,同时在西北中部大范围地区有明显的水汽辐合;东多西少型降水正异常对应"丝绸之路"遥相关型环流,中亚增强的反气旋性环流提供了较强的冷空气,西北太平洋地区反气旋性环流南侧的偏东风输送水汽,在甘肃东部地区形成较明显的水汽辐合;类似"三明治"型降水正异常对应欧亚中高纬环流为北高南低型分布,贝加尔湖南侧低槽加强提供了西风异常,而水汽主要源自孟加拉湾向高原东侧的输送,在青海南部形成明显的水汽辐合,以致青南牧区降水偏多。综合分析表明,三种主要模态的冷空气条件和水汽来源具有明显差异。     

中国南方夏季降水的年代际变率主模态特征及机理研究

在气候变暖背景下,中国南方夏季降水存在明显的年代际变化特征。本文利用1920~2014年的逐月降水,以分析南方夏季降水年代际变率主模态为切入点,以研究南方夏季降水年代际变率空间分布型的年代际变化特征为重点,进一步研究了印度洋、北太平洋及北大西洋海温的年代际变率对南方夏季降水主模态年代际变率的可能影响机制。得到的主要结论包括:（1）指出中国南方夏季降水年代际变率的两个主模态为全区一致型和东西反相型降水模态。两个主导模态在1971/1972年发生了显著的年代际转变,在1925~1971年的第一主模态为东西反相型降水;在1972~2009年的第一主模态为一致型降水。不同主模态对应的海温异常关键区也在1971/1972年发生了相应的年代际变化。（2）揭示了全区一致型和东西反相型降水模态对应的环流场异常特征。一致多（少）型降水对应着中国南海及西北太平洋低空的反气旋（气旋）性异常,有（不）利于水汽自南海向南方地区输送。而贝加尔湖东侧低空的反气旋（气旋）性异常,有（不）利于冷空气向南方输送,并与来自南海地区的水汽在南方地区辐合,有利于南方地区降水一致偏多（少）。东多西少（西多东少）型降水对应着中国东南地区高空的正（负）异常中心,有利于高空辐散（辐合）及异常的上升（下沉）运动,其与南方地区东部低空的气旋（反气旋）性异常共同作用,有利于东部降水偏多（偏少）。与此同时,低空中南半岛反气旋（气旋）性异常及菲律宾地区反气旋（气旋）性异常,不（有）利于水汽自孟加拉湾及南海地区输送向南方地区西部,有利于形成东多西少（西多东少）的降水型。（3）揭示了印度洋海温、北太平洋海温和北大西洋海温协同影响南方地区东西反相型降水和一致型降水的机制。     

2015年夏季东亚和南亚降水异常与热带太平洋海温异常的联系及机理

2015年我国东部夏季降水呈现南北反位相的空间分布,河套地区降水异常偏少、长江中下游地区降水异常偏多,同期印度中部地区降水负异常,上述三个区域2015年夏季降水距平百分率绝对值极大值均超过55%。东亚和南亚地区2015年夏季降水异常的形成机理主要是由于该年夏季处于El Niňo事件的发展位相,菲律宾群岛及邻近区域反气旋环流异常,江淮地区至日本列岛气旋式环流异常,对流层低层位势高度异常场和整层水汽异常输送场亦存在相一致的空间分布,表现为负位相的EAP(East Asian-Pacific)/PJ(Pacific-Japan)型遥相关,有利于河套地区降水偏少和长江流域降水偏多。热带太平洋海温异常引起热带地区Walker环流负异常,热带西太平洋地区上空受异常下沉气流控制,热带印度洋区域对流层盛行东风异常,减弱了印度夏季风,并造成了印度中部地区夏季降水偏少。另一方面,印度上空对流层低层受异常反气旋控制,该异常反气旋北侧的西风异常沿着青藏高原南麓向东运动,增强了与EAP/PJ型遥相关相联系的异常水汽输送,有利于维持和增强河套地区降水负异常和长江中下游地区降水正异常。     

近53年四川盆地夏季暴雨变化特征分析

利用1960-2012年川渝逐日降水资料、NCEP/NCAR再分析资料和Hadley海温资料,借助小波变换、合成分析和相关分析等方法,讨论了四川盆地夏季暴雨的时空变化特征,分析了盆地西部和东部暴雨异常时的水汽输送、大气环流和海温异常情况。结果表明,四川盆地暴雨频数和暴雨量在东、西部呈相反变化,盆地西部暴雨呈减少变化,东部呈增加变化,暴雨量和暴雨频数存在十分显著的正相关。盆地西部暴雨量在20世纪60年代和80年代偏多,90年代出现显著减少的变化,21世纪初也明显偏少,20世纪60年代、80年代中期至90年代末主要为显著的6~7年年际周期振荡;盆地东部暴雨量在60年代和70年代明显偏少,80年代、90年代以及21世纪初明显偏多,20世纪70年代初至90年代初主要存在显著的8~9年年际周期振荡和14~15年的年代际周期振荡。副热带高压(简称副高)偏北偏强,有利于西太平洋水汽输送至盆地西部地区,中高纬度槽线发展引导冷空气南下与副高西南侧的暖湿气流在盆地西部汇合,导致盆地西部暴雨偏多;副高偏南,西太平洋水汽向盆地东部输送较多,贝加尔湖西部多阻塞形势,冷空气南下有所偏东,使得冷空气和暖湿空气在盆地东部汇合,导致盆地东部暴雨偏多。西太平洋暖池偏强(弱),ENSO冷(暖)事件时,四川盆地西部暴雨偏多(少);盆地东部暴雨与海温的关系明显弱于西部,主要表现为负相关。     

青藏高原南、北积雪异常与中国东部夏季降水关系的数值试验研究

青藏高原冬、春积雪有着显著的南、北空间差异,本文利用通用地球系统模式（CESM）设计了增加高原南、北冬、春积雪的敏感性试验,结果表明:当高原南部冬、春积雪异常偏多,长江及其以北地区夏季降水偏多,华南大部分地区夏季降水偏少;而当高原北部冬、春积雪异常偏多,华北及东北地区夏季降水偏多,长江下游南部地区夏季降水偏少,雨带更偏北。青藏高原南、北部冬、春积雪异常影响中国东部夏季降水的物理机制的分析结果表明,高原不同区域（南部和北部）冬、春积雪异常引起的非绝热加热异常效应都可持续到夏季,且北部积雪异常持续时间更长。高原南部和北部积雪异常偏多均会减弱高原北侧上空大气的水平温度梯度,进而减弱高原北侧西风急流的位置及强度,进而影响下游出口区处急流的强度和位置,且高原北部积雪异常偏多的影响更大。当高原南部积雪异常偏多,急流出口区的西风急流加强且偏南;而高原北部积雪异常偏多,出口区的西风急流减弱且偏北。相应地,对流层中层500 hPa西太平洋副热带高压减弱,低层850 hPa异常反气旋环流,影响中国东部地区水汽输送,从而影响了中国东部地区夏季雨带的变化。当高原南部积雪异常偏多,异常反气旋性环流位于东海附近,有利于更多水汽输送至长江流域,华南水汽输送减少;当高原北部积雪异常偏多,异常反气旋性环流相对偏北,更有利于华北及东北水汽输送,雨带偏北。     

中亚和南亚热力差异对塔里木盆地夏季降水的影响

利用美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析月平均资料和新疆83站降水资料,分析了1961~2010年南亚和中亚对流层中低层热力差异对塔里木盆地夏季降水的可能影响机制。研究结果表明,塔里木盆地夏季降水与中亚和南亚对流层中低层温度密切相关。当南亚对流层中低层偏暖,中亚偏冷时,500 h Pa中亚上空和蒙古上空分别为异常气旋和反气旋环流,在二者共同作用下,塔里木盆地上空盛行异常的偏南气流,有利于低纬海洋的暖湿气流北上,形成有利于降水的环流条件。同时阿拉伯海上空为异常反气旋环流,中亚上空为异常气旋环流,形成塔里木盆地夏季降水水汽的两步型输送,阿拉伯海水汽被输送至中亚和新疆地区。中亚对流层中低层温度变化主要影响500 h Pa环流,南亚对流层中低层温度变化在低纬水汽向北输送过程中扮演主要角色。青藏高原夏季风偏强时,600 h Pa高原北侧对应异常反气旋环流,异常偏北风引导高纬度冷空气南下,导致中亚区域对流层中低层偏冷,而南亚对流层中低层偏暖则与热带印度洋显著增暖密切相关。     

我国西南地区秋季降水年际变化的空间差异及其成因

使用1980～2010年全国站点降水资料、ERA-Interim再分析环流资料、哈德莱海表温度资料,运用聚类分析和旋转经验正交函数分解,对西南地区的秋季降水按照其年际变化规律进行分区,进而分析影响各区域降水变化的物理过程和机理。结果表明:西南地区被分为东、西两个区域。西南东、西区域秋季降水的年际变化、显著周期、旱涝异常年份、相关的环流系统都有明显差异。西南东部秋季降水主要与热带海温异常有关,受低纬度环流影响。当赤道东太平洋为暖海温异常,热带印度洋为西正东负的偶极子型海温异常时,分别激发出西北太平洋反气旋和孟加拉反气旋,共同向西南东部输送水汽,造成西南东部降水偏多。西南西部降水在秋季三个月份与不同的环流形势对应:9月降水由中南半岛反气旋输送的暖湿气流决定;10月降水受高原以东反气旋环流和孟加拉湾低槽共同影响;11月降水主要受中高纬环流异常的影响,与斯堪的纳维亚遥相关存在显著负相关。     

热带印度洋-西太平洋水汽输送异常对中国东部夏季降水的影响

利用1979~2015年NCEP/NCAR发布的月平均全球再分析资料,分析了热带印度洋-西太平洋水汽输送异常对中国东部夏季降水的影响及其形成机理。研究结果表明:热带印度洋-西太平洋地区（10°S~30°N,60°~140°E）夏季异常水汽输送主要包括两个模态,他们可以解释总的水汽输送异常34%的方差。其中,第一模态（EOF1）表现为异常水汽沿反气旋从热带西太平洋经过南海及孟加拉湾输送到中国东部上空,对应南海、孟加拉湾水汽路径输送均偏多,此时西太平洋副热带高压显著偏强,异常水汽在长江中下游地区辐合并伴随显著上升运动,有利于长江中下游降水偏多;第二模态（EOF2）表现为异常水汽从热带印度洋沿阿拉伯海、印度半岛、中南半岛等呈反气旋式输送,华南上空相应出现气旋式水汽输送异常,并对应异常水汽辐合和上升运动,有利于华南降水偏多。就可能的外部成因而言,EOF1与ENSO关系密切,表现为前冬热带中东太平洋显著偏暖,夏季同期热带北印度洋、南海上空显著偏暖,造成西太平洋副热带高压显著偏强,异常水汽主要来源于热带西太平洋和南海;EOF2与同期热带印度洋偶极子（TIOD）异常有关,TIOD为正位相时热带印度洋上空出现异常东风,华南上空出现异常气旋并伴随水汽异常辐合,异常水汽主要来源于热带南印度洋。     

Intraseasonal variations of the Yangtze rainfall and its related atmospheric circulation features during the 1991 summer

The intraseasonal variations of the Yangtze rainfall over eastern China and its related atmospheric circulation characteristics during the 1991 summer are examined based on the gauge-observed rainfall and the NCEP/NCAR reanalysis data. Wavelet analysis shows that during the 1991 summer, the active and break sequences of rainfall over the middle and lower Yangtze Basin are mainly regulated by an oscillatory mode with a period of 15–35 days. An investigation of the circulation features suggests that the 15–35-day oscillation is associated with an anomalous low-level cyclone (anticyclone) appearing alternatively over the northern South China Sea (SCS) and the Philippine Sea, and related to a northeastward (southwestward) shift of the western Pacific subtropical anticyclone over the SCS, leading to a lower tropospheric divergence (convergence) over the Yangtze Basin. In the upper troposphere, the 15–35-day oscillation exhibits a dipole anomaly characterized by an anomalous cyclone (anticyclone) over eastern China and an anomalous anticyclone (cyclone) over the northern Tibetan Plateau, resulting in a southwestward shrinking (northeastward extending) of the South Asian anticyclone, and forming a convergence (divergence) over eastern China. Such a coupled anomalous flow pattern between the lower and upper troposphere favors large-scale descending (ascending) motion, and hence reduced (enhanced) rainfall over the Yangtze Basin. Dynamically, the intraseasonal variations in the Yangtze rainfall are mainly determined by the coupling between the low-level relative vorticity and the upper-level divergence. In the middle troposphere, the 15–35-day oscillation of the subtropical high is originated over the central North Pacific north of Hawaii, then propagates westward to the SCS-Philippine Sea, and finally modulates the intraseasonal variations of the Yangtze rainfall.     

Impacts of the leading modes of tropical Indian Ocean sea surface temperature anomaly on sub-seasonal evolution of the circulation and rainfall over East Asia during boreal spring and summer

The two leading modes of the interannual variability of the tropical Indian Ocean (TIO) sea surface temperature (SST) anomaly are the Indian Ocean basin mode (IOBM) and the Indian Ocean dipole mode (IODM) from March to August. In this paper, the relationship between the TIO SST anomaly and the sub-seasonal evolution of the circulation and rainfall over East Asia during boreal spring and summer is investigated by using correlation analysis and composite analysis based on multi-source observation data from 1979 to 2013, together with numerical simulations from an atmospheric general circulation model. The results indicate that the impacts of the IOBM on the circulation and rainfall over East Asia vary remarkably from spring to summer. The anomalous anticyclone over the tropical Northwest Pacific induced by the warm IOBM is closely linked with the Pacific–Japan or East Asia–Pacific teleconnection pattern, which persists from March to August. In the upper troposphere over East Asia, the warm phase of the IOBM generates a significant anticyclonic response from March to May. In June and July, however, the circulation response is characterized by enhanced subtropical westerly flow. A distinct anomalous cyclone is found in August. Overall, the IOBM can exert significant influence on the western North Pacific subtropical high, the South Asian high, and the East Asian jet, which collectively modulate the precipitation anomaly over East Asia. In contrast, the effects of the IODM on the climate anomaly over East Asia are relatively weak in boreal spring and summer. Therefore, studying the impacts of the TIO SST anomaly on the climate anomaly in East Asia should take full account of the different sub-seasonal response during boreal spring and summer.     

冬季亚洲—太平洋涛动年际变率与东亚气候异常

利用1948—2011年NCEP/NCAR月平均再分析资料和1951—2010年我国160站降水量资料,研究了冬季亚洲—太平洋区域的大气遥相关及其与东亚冬季风和降水的关系。结果表明:冬季在亚洲—西太平洋与中、东太平洋中低纬度对流层上层扰动温度之间存在类似于夏季的亚洲—太平洋涛动 (APO) 现象,即当东亚中低纬度对流层中、上层偏暖时,中东太平洋中低纬度对流层中上层温度偏冷,反之亦然。冬季APO可以反映冬季亚洲—太平洋东西向热力差异强度变化,与夏季相比,冬季APO遥相关在亚洲的中心位置略偏南、偏东,且冬季APO与大气环流关系与夏季也有所不同;当冬季APO指数偏高时,对流层上层东亚大槽位置偏西,而东亚热带地区的高压向北伸展,导致我国南方对流层为深厚的异常反气旋系统所控制,此时南方地区对流层低层盛行异常的偏东北气流,并伴随水汽辐散和异常下沉运动,南方降水偏少;冬季APO指数与ENSO有紧密联系。     

中国东部夏季分区降水对海温异常响应特征的研究

用刘征宇最新发展的广义平衡反馈方法结合经验正交分析和旋转经验正交分析法,研究中国东部6个分区夏季降水异常对各海盆海温异常(SSTA)模态的响应特征,探讨了东北区降水异常对SSTA的响应机制。结果表明:各分区降水异常对SSTA的响应特征有明显差异。东北区降水异常对热带太平洋SSTA的回应显著,当SSTA表现为类似El Niño模时,该区夏季降水增加;江淮区降水异常同时受到中纬度以及热带SSTA的强迫,对热带太平洋SSTA的类似La Niña Modoki模、北大西洋SSTA三极型模等回应显著;西南地区的降水异常主要与中纬度SSTA有密切关联。对流层高度场对热带太平洋SSTA类似El Niño模的直接回应在热带太平洋上空为显著正异常。通过东亚—太平洋型遥相关波列使东北地区上空高度场出现负异常,并在其西侧形成负异常中心,对流层低层为气旋性环流异常。这一环流回应与东北地区夏季降水偏多时的环流特征相近。     

南极海冰涛动对北半球夏季大气环流的影响

南极海冰首要模态呈现偶极子型异常,正负异常中心分别位于别林斯高晋海/阿蒙森海和威德尔海。过去研究表明冬春季节南极海冰涛动异常对后期南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）型大气环流有显著影响,而AAO可以通过经向遥相关等机制影响北半球大气环流和东亚气候。本文中我们利用观测分析发现南极海冰涛动从5～7月（May–July,MJJ）到8～10月（August–October, ASO）有很好的持续性,并进一步分析其对北半球夏季大气环流的可能影响及其物理过程。结果表明,MJJ南极海冰涛动首先通过冰气相互作用在南半球激发持续性的AAO型大气环流异常,使得南半球中纬度和极地及热带之间的气压梯度加大,在MJJ至JAS,纬向平均纬向风呈现显著的正负相间的从南极到北极的经向遥相关型分布。对流层中层位势高度场上,在澳大利亚北部到海洋性大陆区域,出现显著的负异常,在东亚沿岸从低纬到高纬呈现南北走向的“? + ?”太平洋—日本（Pacific–Japan,PJ）遥相关波列,其对应赤道中部太平洋及赤道印度洋存在显著的降水和海温负异常,西北太平洋至我国东部沿海地区存在显著降水正异常和温度负异常;低纬度北美洲到大西洋一带存在的负位势高度异常和北大西洋附近存在的正位势高度异常中心,构成一个类似于西大西洋型遥相关（Western Atlantic,WA）的结构,对应赤道南大西洋降水增加和南撒哈拉地区降水减少。从物理过程来看,南极海冰涛动首先通过局地效应影响Ferrel环流,进而通过经圈环流调整使得海洋性大陆区域和热带大西洋上方的Hadley环流上升支得到增强,海洋性大陆区域特别是菲律宾附近的热带对流活动偏强,激发类似于负位相的PJ波列,影响东亚北太平洋地区的大气环流,而热带大西洋对流增强和北传特征,则通过激发WA遥相关影响大西洋和欧洲地区的大气环流。以上两种通道将持续性MJJ至ASO南极海冰涛动强迫的大气环流信号从南半球中高纬度经热带地区传递到北半球中高纬地区,从而对热带和北半球夏季大气环流产生显著影响。     

中国南方夏季降水年际变化与高低纬环流关系的数值模拟

利用区域气候模式RegCM4.4对我国南方夏季降水和大气环流进行30 a的数值模拟,通过与降水观测对比发现,模式能够较好模拟出我国东部地区夏季平均降水和年际变率的空间分布,模拟的南方地区(30 °N以南)年际变率略偏小。观测的我国南方夏季平均降水与模拟降水相关系数为0.51。观测和模拟结果均表明,典型涝年,中纬异常反气旋前方的东北风携带干冷空气,低纬异常反气旋后方的西南风携带暖湿空气,在我国南方汇合,导致南方降水异常增多,模式具有模拟我国夏季南方降水年际变化的能力。通过边界敏感性试验,去除高纬侧边界强迫的年际变化,我国东部降水偏多,南方夏季降水年际变化强度显著变弱;去除低纬度侧边界强迫的年际变化,模拟的我国南方降水偏少,长江及以北降水偏多,降水的空间分布形态发生明显的变化,而我国南方夏季降水年际变化强度基本不变。因此,中高纬环流强迫可较大程度影响我国南方降水年际变化的强度,低纬度环流强迫异常则会改变我国东部降水空间分布形态。      

2016年和1998年长江中下游梅雨季风环流异同点及物理机制对比分析

利用海温和多种大气环流再分析资料以及中国逐日降水站点观测数据,通过滤波、合成等方法对2016和2020年江淮流域梅雨期降水的准双周振荡特征进行了对比分析。结果表明,这两年江淮流域准双周振荡降水均异常偏多,但2016年的降水准双周振荡强度及低频异常降水较2020年更为显著。中国南海和西太平洋对流层低层向西北方向移动的低频反气旋以及中高纬度对流层中高层随西风急流向东南方向传播的低频气旋是引起2016年江淮流域降水准双周振荡的主要原因。2020年江淮流域降水的准双周振荡受到日本南部向西南方向移动的低频气旋、菲律宾海向西北方向移动的低频反气旋以及中高纬度地区随极涡西向旋转而西移的低频气旋的共同影响。中国南海和热带西太平洋以及热带印度洋的持续海温正异常通过海-气相互作用激发并维持了2016年中国南海与西太平洋上空异常对流活动以及大气环流系统的准双周振荡。2020年黑潮及其延伸区和西北太平洋海温正异常通过海-气相互作用激发了该区域异常低频气旋反气旋交替生成和移出,调控西北太平洋副热带高压的进退,进而影响江淮流域降水的准双周振荡。在2016和2020年,对流层低层异常反气旋有利于海温的升高,海温正异常进一步激发大气低层异常气旋性环流,而异常气旋性环流会导致洋面变冷出现海温负异常,海温负异常又会促进异常反气旋环流的发展,通过这种准双周尺度上的海-气相互作用,对流层低层的大气准双周振荡信号可持续地向江淮地区传播,从而影响江淮流域梅雨期降水的准双周振荡。