北极涛动年代际变化对东亚北部冬季气温增暖的影响

利用NCEP／NCAR再分析资料中的地表气温资料,分析了1949-1999年东亚北部地区冬季气温的变化。结果表明,从20世纪70年代中期开始东亚北部的气温显著升高,具有明显的年代际变化特征。这种气温的异常变化主要受东亚冬季风的直接影响。近二十几年来,北极涛动对东亚冬季风的影响越来越显著,北极涛动维持在正位相并持续增强,同期东亚冬季风持续减弱。研究表明,北极涛动持续增强的趋势是东亚北部地区冬季增暖的重要原因之一。     

北极涛动指数及其年代际变化研究

运用NCEP／NCAR再分析月资料，根据北极涛动经向振荡的特征构建一个新的AO指数，使其能较好地表现AO的季节变化，并用回归分析和相关分析方法对指数进行检验。同时，用滑动平均方法对北极涛动的年代际变化进行研究，发现北极涛动在70年代中期存在位相突变，由负位相转为正位相，并解释了这种位相突变的气候意义。     

东亚冬季风指数的对比分析及其与中国冬季气候的关系

利用1951—2022年ERA5再分析大气环流资料和国家气候中心全国站点气温和降水资料,将33个常用的东亚冬季风（EAWM）指数划分为海陆差异类、高压特征类、大槽特征类、低层风场类、中高层风场类和综合类6类,按类别对比分析了它们的线性变化趋势和年际、年代际变化特征,并就各指数对中国冬季气温、降水时空变化的表征能力以及与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、北极涛动（AO）等气候系统主要内部变率的关系进行了评估分析。结果显示：（1）在趋势变化方面,中国冬季气候暖湿化特征明显,但仅大槽特征类和综合类指数反映出季风的减弱趋势,其余类型指数则多呈现微弱的增强趋势,表明EAWM各子成员对当前全球变暖的响应存在差异;（2）在年际、年代际变化方面,EAWM指数主要表现为准4 a、准8 a和准16 a的周期振荡,基本都能刻画出20世纪80年代中后期EAWM的年代际减弱,对于21世纪第1个10年中期EAWM的年代际增强,考虑了南北气压差的海陆差异类指数以及高压特征类、大槽特征类和中高层风场类指数能较好表征;（3）在反映中国冬季气温变率的能力方面,除低层风场类指数外,各类指数表现良好,尤其是高压特征类指数的表征能力最佳,而在降水变率方面,高压特征类指数的代表性较差,低层风场类指数的指示意义最好;（4）在与气候系统主要内部变率的关系方面,大多数指数能较好反映ENSO与EAWM之间的关系,其中低层风场类指数的表征能力最好。而在反映AO与EAWM的关系上,则是高压特征类和大槽特征类指数的表现更佳。总体而言,除趋势变化存在较大差异外,各类EAWM指数能够一致地反映中国冬季气候变化的主要特征,但不同类别指数所表征的侧重点存在差异。因此,在分析EAWM相关科学问题时应根据研究的目的选择合适的指数。

     

我国冬季气温与影响因子关系的年代际变化

利用1951—2012年冬季全国160个站月平均气温以及NCEP/NACR再分析资料和海温、北极海冰等资料,分析了我国冬季气温及其关键影响因子的年代际变化特征,重点研究了关键影响因子对我国冬季气温影响关系的年代际变化。研究表明:我国冬季气温在1985年之前处于冷期,之后为暖期; 我国冬季气温异常与影响因子的关系发生了显著的年代际变化,而且影响因子之间的关系也发生了显著的年代际变化。针对这种年代际变化的基本事实,提出针对冷期和暖期中不同影响因子与冬季气温的关系分时段建立冬季气温的多因子回归预测模型,可以反映冬季气温及其影响因子关系的年代际变化特征。正确的预测策略是利用相同年代际背景下预测对象与预测因子的时间序列资料建立预测模型,以确保预测模型中反映的预测对象与预测因子关系的稳定性,进而保持较高的拟合及预测水平。     

东亚冬季风指数的定义及其年际年代际异常

利用NCAR/NCEP再分析资料,通过相关分析方法分析了多种可以表征东亚冬季风活动的气象要素指数的相关性特征,选取地面温度、海平面海陆气压差和500hPa高度3个要素,综合定义了一个东亚冬季风指数。结果表明,该指数表征的东亚冬季风有明显的QTO和QFO周期振荡特征,这一特征与冬季风年代际背景有关,强冬季风年代背景下的振荡比弱冬季风年代背景下的振荡显著,同时该指数能很好地表征东亚冬季风活动的各个方面。对强弱冬季风年的大气环流的结构及其相应的低纬度对流活动、海洋和高低层大气热力状况的分析表明,强弱冬季风活动不仅表现在中高纬度高低层大气环流变化的差异,在局地Hadley环流和赤道附近Walker环流、低纬度对流活动、海洋和大气的热力状况的变化方面也表现出了显著的差异。     

北大西洋涛动指数的比较及其年代际变率

首先对各种北大西洋涛动（NAO）指数的定义进行了比较。发现冬季和夏季NAO的涛动中心有显著的差异,所以分别进行定义,定义时的中心由EOF分析及相关分析确定,新的定义能解释更多的海平面气压方差。在此基础上建立了1873年以来的冬、夏NAO指数序列。近百年来的NAO指数最突出的年代际变化是,夏季在1910～1920年期间的突变性质的增强,以及冬季近20多年来的持续加强。最后还对NAO年代际变化产生的可能原因进行了分析。     

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。     

西太平洋海温和南方涛动与中国冬季气候异常关系年代际变化的对比分析

利用NCEP/NCAR再分析资料和全球海温海冰GISST2.3b资料、英国CRU提供的南方涛动指数以及中国160站月平均降水和气温资料, 分析了冬季西太平洋海温和南方涛动与中国冬季气候异常关系年代际变化特征。结果表明:最近50年, 西太平洋海温指数 (WPI) 与南方涛动指数 (SOI) 之间相关关系的年代际变化在冬季很明显。当WPI-SOI相关关系不显著时, 在西太平洋赤道北侧的对流层低层存在高 (低) 海温-反气旋 (气旋) 异常环流系统, 不利于维持ENSO与西太平洋海温变化间的紧密联系; 与此相对应, 冬季整个对流层环流呈相当正压结构。在WPI-SOI相关显著 (不显著) 时段, 冬季中国降水、气温与西太平洋海温之间的相关较弱 (较强)。     

不同年代际背景下AO与冬季中国东北气温的关系

采用1951—2006年北极涛动指数序列、NCEP/NCAR再分析资料和我国160站气温资料,利用滑动相关分析研究了不同年代际背景下北极涛动与冬季中国东北气温年际异常关系的变化情况。结果表明,两者的关系在20世纪60年代中后期显著增强,在80年代中后期减弱。不同年代际背景下,与AO相关联的中高纬度大气环流异常发生的明显改变是AO与东北冬季气温关系发生年代际变化的原因。强相关年代,西伯利亚高压与阿留申低压均明显减弱,东亚冬季风偏弱,对流层中下层异常东南风控制东北地区,对流层中层东亚大槽明显减弱,环流的经向性减弱,使该地区冬季气温偏高;相关较弱的年代则以上表现不明显。     

北极涛动年代际变化与华北夏季降水的联系

利用NCEP／NCAR再分析资料和华北夏季降水资料，研究了北极涛动的年代际变化及其与大气环流的关系，进而研究与华北夏季降水异常变化的联系。结果表明，北极涛动具有明显的年代际变化，并在1969年发生了气候突变。北极涛动年代际异常与亚洲中纬度高度场异常、850hPa风场的年代际异常具有很好的一致性。在年代际尺度上，北极涛动与贝加尔湖地区阻塞高压发生频率、东亚夏季风强度和华北夏季降水的关系较为密切。     

冬季北极涛动和华北冬季气温变化关系研究

利用北极涛动指数（AOI）、NCEP／NCAR40a再分析资料中的海平面气压（SLP）、850、500、200hPa等压面高度场资料及中国160站月平均气温资料，运用小波分析，经验正交函数（EOF）分析等方法，分析了华北冬季气温和冬季北极涛动指数的变化特征及其关系。结果表明它们之间存在有着显著相关，特别是在年代际尺度上关系尤其密切。华北在20世纪70年代初以前为持续冷冬，80年代中期之后变为持续暖冬，其间相对正常，而冬季北极涛运指数亦存在类似的3个阶段，冬季北极涛动高（低）低数年，华北地区为暖（冷）冬年。其原因在于，北极涛动在于对流层低层和高层都可激发类似EU遥相关型的异常，通过影响西伯利亚高压和东亚大槽影响华北地区气温。强（弱）涛运年大气环流具有弱（强）东亚冬季风特征，西伯利亚高压减弱（增强），亚洲大陆地面东北风减弱（增强），高空东亚大槽减弱（增强）。     

北极海冰变化及其与中国秋季气温的相关分析

采用Hadley中心1953年1月—2003年2月逐月1°×1°海冰密集度资料和中国1951年1月—2001年2月160站逐月气温资料,对北极海冰的4个区域进行了研究,并考察了主要影响区与我国秋季气温的关系。结果表明:近50 a北极各区海冰在不同季节几乎都有显著的线性下降趋势,欧洲部分减少最快;海冰突变开始时间不同,春夏季大约在20世纪70年代、秋冬季在80年代左右;各区域海冰周期变化具有年代际特征,同时又有显著的季节差异和地域特性。主要影响区海冰与我国秋季气温的显著相关区在河套、长江中游和新疆的部分地区。不同区域海冰的显著相关时段不同,基本集中在海冰超前气温1~2 a的时间里。     

中国冬季积雪变异及其与北极涛动的联系

本文利用1979～2010年NCEP/NCAR再分析资料、中国台站观测雪深、气温和降雪资料, 分析了中国冬季积雪时空分布特征, 结果表明:雪深经验正交分解第一模态有显著的南、北反位相特征, 当新疆北部、东北地区积雪偏多(少)时, 对应黄河以南和青藏高原地区积雪偏少(多)。近30年来中国冬季积雪变异与北极涛动(AO)有非常紧密的联系, 雪深的南、北反位相分布型与北极涛动有明显的反相关关系。AO负位相时, 500 hPa等压面上40°N以北存在着中心在贝加尔湖附近的气旋环流, 而在其南存在着中心在中国西南的反气旋性环流, 中国北方和南方地区分别受气旋和反气旋的控制。在我国北方地区, 与AO相联系的气旋环流异常导致降雪增多、地表温度偏低, 使得积雪增加;而在南方地区, 与AO相联系的反气旋性环流异常导致的降雪减少和气温偏高, 导致了积雪减少。本文的研究说明了北极涛动通过影响中国降雪和气温, 进而对中国冬季积雪产生可能的影响。     

冬季北极涛动对东亚表面温度的持续异常影响

利用1950—2013年NCEP/NCAR再分析资料和哈德莱中心的海表面温度资料,统计分析了冬季北极涛动 (AO) 对东亚表面温度的影响。研究发现:冬季AO正位相时,东亚大槽减弱,西伯利亚高压减弱,低层风场异常偏南,东亚冬季风减弱,东亚冬季风区温度升高,而负位相时情况相反。冬季高纬度大气变率大,冬季逐月AO与东亚冬季温度的关系表明1月、2月AO分别与东亚表面温度的相关关系皆可持续2个月以上;AO正位相时,西太平洋海温和东亚表面温度均有所升高,由于海洋运动和变化具有缓慢性和持续性,西太平洋海温可以承载长达4个月的AO信号,西太平洋海温可持续影响东亚地区温度,导致AO持续影响东亚表面温度。     

北极涛动与东北冬季温度的联系

利用1950-1999年NCEP／NCAR再分析资料和东北地区冬季温度资料,借助经验正交函数（EOF）分解、相关分析、合成分析以及关联表方法,研究了北极涛动指数（Arctic Oscillation Indices,AOI）与我国东北地区冬季温度的联系。结果表明,AOI具有明显的上升趋势（趋势系数R=0．35）,其振幅在1968／1969年之前较小,而在1968／1969年之后明显增大,具有明显的年代际变化;并且AOI与东北地区冬季温度具有一致的上升趋势（相关系数R=0．59）。研究表明,AO的异常变化通过西伯利亚高压、阿留申低压、东亚地区极地东风以及东亚冬季风异常,进而影响我国东北地区冬季温度异常,它们之间存在着密切的相关关系。     

春季北极涛动对盛夏长江流域地表气温的影响

本文基于1958至2002年的ERA-40 月平均再分析资料,利用年际增量方法分析了春季北极涛动(Arctic Oscillation,简称AO)与我国夏季长江流域地表气温的关系。结果表明,在扣除前期冬季ENSO影响后,5月AO指数与8月长江流域地表气温存在显著正相关。通过回归分析发现,5月AO可通过影响中低纬度的海气相互作用进而影响8月长江流域地表气温。当5月AO处于正位相时,在(10°~15°N)及赤道附近产生异常下沉气流,对应着西太平洋局地Hadley环流减弱,对流层底层出现了异常的反气旋性辐散气流。与之对应,赤道西太平洋地区出现了显著的东风异常。由于该东风异常位于5月气候平均的局地海表面温度(SST)极大值中心位置上,该东风异常可通过平流作用使得高海温不断地向西堆积,最终造成赤道西太平洋SST出现显著正异常。当该SST正异常持续至8月时,它通过Gill响应(Gill,1980)在其西北侧激发出气旋性异常环流,它有利于西太平洋副热带高压在我国长江流域的维持,进而造成长江流域地表气温正异常。反之,则相反。     

中国夏季高温与北极海冰的联系特征

为研究前期以及同时期北极海冰异常对中国夏季高温的影响,根据近50年来中国160个台站的夏季高温资料以及近50年来的北极海冰资料,用SVD诊断分析方法,提取出两场相关最强,协方差最大的三个时次--分别为同期、海冰超前夏季高温9个月和超前13个月.分析研究表明:当北极海冰发生异常时,中国夏季高温异常的响应是滞后的,尤其是滞后9个月、13个月时;北极海冰在1978-1979年突然异常减少,且1979年以后维持海冰偏少的态势;当前期或同时期的北极海冰出现异常增多(减少)时,在中国夏季高温场上的响应以"南区"、"北区"夏季高温异常偏低(偏高),与海冰变化反位相;"中区"夏季高温异常偏高(偏低),与海冰变化同位相.     

北京地区极地对流层顶与地面要素之间的关系

利用北京地区１９７７－１９９０年的高空、地资料，讨论了极地对流层顶与地面温度的关系。发现两者之间正相关关系较好。然而，当两者谷值出现的月份发生位相关异时，当年年降水相对变率大于同期降水的平均相对变率。     

华南暖季极端降水与气温的对应关系

利用华南地区1966—2005年5—10月台站小时降水和日降水以及气温观测资料,分析了极端降水与气温的对应关系。结果表明,气温低于25℃时,日极端降水强度与小时极端降水强度均随气温升高而升高,且越极端的降水出现向两倍Clausius-Clapeyron (CC)变率转换的气温越低;气温高于25℃时,日极端降水强度和小时极端降水强度出现不同程度的下降,其中前者下降更为显著。考察降水持续时长发现,气温高于25℃时,华南地区小时极端降水随气温的下降主要由短持续性降水所贡献;气温高于28℃时几乎无长持续性降水发生。     

Contribution of Greenhouse Gas Radiative Forcing and Atlantic Multidecadal Oscillation to Surface Air Temperature Trends

The contributions of radiative forcing of greenhouse gases (GHG) and Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) to the trends in global surface air temperature (GST) and surface air temperature for different latitude bands are estimated. Instrumental observational data obtained since the middle of the 19th century and three-component autoregressive models are used. Characteristics of influences of both factors on GST (Wiener–Granger causality) are obtained. The contribution of AMO over the length intervals of 15–30 years appears comparable in absolute value to the contribution of GHG and sometimes even exceeds it, while its contribution over 60-year and longer periods is insignificant. During the recent decades, GHG contribute stronger to the trends of GST and tropical surface air temperature, while their contribution to the trends in surface air temperature in the middle and high latitudes is smaller.