十年际大气环流及东亚季风气候异常成因研究

十年际大气环流及东亚季风气候异常成因研究国家自然科学基金资助项目“十年际大气环流及东亚季风气候异常成因研究”（编号：４９４７５２６５）经过三年努力,已于１９９７年１２月圆满完成预定计划目标,取得了以下研究成果：（１）首次提出用气象序列与自然数序列之间...     

“0506”华南持续性暴雨的季风环流背景

提出了确定东亚夏季风活动区域、划分热带季风和副热带季风活动区域的指标,利用大气对流层风速、位势高度、湿度、温度、OLR以及TBB等NCEP/NCAR资料,从月、候和过程平均多种时间尺度,诊断分析了2005年6月(简称“0506”)华南持续性暴雨的季风环流活动变化特征.结果表明:副热带高压强度偏强,西脊点位置偏西偏南,热带西太平洋(130°～140°E)区域越赤道气流偏强,华南处于气旋性低压异常区,无论是月时间尺度还是暴雨过程时间尺度都表现出这些明显特征;暴雨过程水汽除了来源于孟加拉湾和南海外,水汽通量异常部分主要来自南海和热带西太平洋,热带西太平洋水汽随着副高边缘气流经过南海向华南输送,从而为暴雨过程提供了丰富的水汽来源;2005年6月热带季风前沿在华南沿海地区停滞时间比气候平均偏长(2候),该特征是华南暴雨预报值得参考的信号;6月整个南海地区平均季风偏强,主要体现于经向风明显偏强,但华南持续性暴雨过程开始于南海地区夏季风非活跃期,这与热带季风季节内振荡向北传播到华南有关.以上季风活动变化特征为华南强降水提供了有利的动力条件和丰富的水汽来源.     

6kaB.P.东亚区域气候模拟及其变化机制探讨

中全新世是地质历史上最近的温暖时期。文章利用包含较详细陆面过程的区域气候模式,通过分别加入现代植被和根据花粉化石资料转化的东亚地区古植被,模拟了6kaB.P.东亚季风气候,并研究了植被变化对东亚气候的影响。由区域气候模拟得到的较高分辨率的气候演变图像表明6kaB.P.太阳辐射季节循环增大,高纬度地区积雪、海冰减少,极地海洋升温,导致冬季大陆冷高压减弱,使中国冬季温度降低幅度大大减小。模拟中加入恢复的古植被造成地表反照率减小,使得冬季进一步升温,这不但突破了PMIP众多模拟的东亚6kaB.P.冬季降温的局限,而且使模拟温度变化的季节特征与古地质资料更为吻合。中全新世东亚大陆全年升温导致东亚夏季风强盛、冬季风减弱;降水及有效降水增加,降水带向西、向北扩张。与PMIP模拟相比,由于模式分辨率的提高,该工作模拟出了中国东部区域性降水增加的特征并得到了较为精细的气候变化空间分布。     

二百五十万年来季风环流与大陆冰量变化的阶段性耦合过程

根据黄土中的气候替代性指标与深海氧同位素曲线的比较,本文作者发现2.5Ma以来东亚地区的冬、夏季风环流与全球冰量变化具有阶段性的耦合过程,即从2.5MaB.P.至今,季风环流与大陆冰量的耦合程度呈阶段性增强的趋势,其间有三个转折时期:2.5Ma B.P.前后、1.6Ma B.P.前后和0.8Ma B.P.前后。二者间的阶段性耦合可能与青藏高原的阶段性隆起有关。     

同步变化的东亚季风和印度季风:来自年层石笋氧同位素的证据

印度季风和东亚季风是亚洲季风的两个子系统.现代器测数据和地质历史重建记录均证明两个季风在季节和轨道尺度上具有相同的特征.然而,在年一年代际尺度上,两者的相互关系尚不清楚.笔者通过比较两个分别来自印度季风区(阿曼Defore洞)和东亚季风区(中国和尚洞)的超高分辨石笋氧同位素序列,研究780 a以来印度和东亚季风变化及其相互作用.阿曼石笋氧同位素记录印度季风的变化,而和尚洞石笋δ18 O则是东亚季风变化的指示器.笔者发现,在年代际尺度上阿曼石笋和中国石笋具有相同的氧同位素组成变化特征,同时反映了亚洲季风的强弱变化,表明了印度季风和东亚季风变化是同步的.     

石笋氧同位素指示东亚季风大尺度环流特征

利用湖北清江和尚洞的两支具有精确年代的年层石笋,建立了20世纪逐年的石笋氧同位素序列,讨论东亚季风石笋氧同位素的气候指示意义。与现代气象观测资料对比,发现近100年来和尚洞石笋 δ18O 与当地年总降水量和年均温度的相关性并不显著,但与指示东亚季风环流特征的西太平洋副热带高压指数(WPSH)以及相对应的太平洋年代际振荡指数(PDO)相关性好。在年际和年代际尺度上,当太平洋年代际振荡处于正(负)相位时,副热带高压加强(减弱),石笋的 δ18O 相对偏正(负)。因而,石笋 δ18O 反映了东亚季风大尺度环流特征。     

一个新的东亚冬季风强度指数及其强弱变化之大气环流场差异

文章提出了一个新的东亚冬季风强度指数,并以此为依据从1948～1999年中挑选出两组强弱冬季风年份,通过合成分析对大气环流场和海表温度场在强弱东亚冬季风年的差异进行了对比分析。结果表明:东亚冬季风强度变化不单纯受局地气候系统影响,而与北半球半球尺度上的大气环流异常紧密相连。相对于弱的情形,强东亚冬季风年份中国大陆中东部及其东部大部分海域在整个对流层盛行偏北风距平、乌拉尔阻高显著加强、欧洲大陆西部维持一个深厚的气旋性异常环流系统、西风带环流偏弱、200hPa层南亚高压偏弱;中国大陆、北极地区、蒙古国大部分地区、欧洲大陆西北部表面温度降低;我国大陆与北太平洋海平面气压差加大;东亚大槽加强。研究还揭示,强东亚冬季风年份对应于北大西洋涛动弱指数,北大西洋和北太平洋海温状况对同期东亚冬季风强弱有着显著的影响     

中国年降水量的时空变化特征及其与东亚夏季风的关系

利用中国1951~2010年652站年降水资料和7种东亚夏季风和1种冬季风指数,通过多项数学统计诊断分析,来研究中国年降水量的时空变化特征及其与东亚夏季风指数的关系。结果表明,这60年间全国总平均年降水量未呈现显著的时间变化趋势,但区域间的差异大。聚类分析可提供较客观的降水分区,据554站无缺测降水资料的聚类结果,将全国分成14个主要降水区,各区之间降水变化的差异显著。由7种夏季风指数与14个区的平均年降水量(1951~2010年)的相关系数可见,其中4种夏季风指数与14个区的年降水量之间没有显著相关,有3种指数只与14区中的2~3个区有显著负相关,它们并不能指示其他区域的或整个中国东部的降水变化。中国东部地区的夏季降水分布与东亚夏季风强度变化关系十分复杂,不能仅由降水的多少来认定夏季风的强弱,更不能用任意单个地点的降水记录来表示整个中国东部的干湿状况和夏季风的强度变化。     

洛川黄土记录的最近2500ka东亚冬夏季风变化周期

对厚约１４０ｍ的陕西洛川坡头村黄土剖面进行间距３～１０ｃｍ的系统采样,测量了全部样品的磁化率和粒度,选择〉３０μｍ颗粒百分含量和磁化率分别作东亚冬,夏季风强度变化的替代性指标,以新建立的时间标尺为基础,分析了最近２５００ｋａ以来东亚季风变化的周期特征。结果表明,第四纪东亚冬,夏季风变化时间序列包括含有１００ｋａ,４１ｋａ和２３ｋａ地球运动轨道要素变化的周期,同时包含有约８０ｋａ,５６ｋａ和３０ｋａ     

全球变化与亚洲季风

本文介绍近年来季风研究的某些进展,着重介绍和探讨青藏高原和ENSO事件对于中国和印度夏季风雨量变化的影响以及在全球变暖的背景下中国和印度季风雨量的可能变化。     

神农架全新世东亚季风演化及其热带辐合带控制*

文章基于湖北神农架山宝洞3支石笋的13个²³⁰Th年龄和505个氧同位素数据,建立了全新世8.45~0.46kaB.P.东亚季风降水序列,其长期演化趋势与33°N夏季太阳辐射能量变化曲线基本一致。神农架山宝洞与阿曼Qunf洞和贵州董哥洞的石笋高分辨率δ¹⁸ O记录整体相关(r 分别为0.75和0.94), 说明全新世东亚季风、印度季风系统的演化主要受控于同一驱动机制,即北半球夏季太阳辐射控制下赤道热带辐合带逐渐南移,导致亚洲季风降水持续减弱。功率谱分析表明:5ka以来山宝洞石笋记录具有显著的550a周期旋回,与树轮Δ¹⁴ C和北大西洋温盐环流周期基本一致。     

2009/2010年我国西南秋冬春连旱特征及其大气环流异常分析

利用中国逐日站点降水资料、逐日季风监测指数及逐日副热带高压指数、74项环流指数及NCEP/NCAR再分析资料, 分析了2009年秋季至2010年春季的秋冬春西南特大干旱过程中各指数及大气环流异常特征.结果表明: 自2009年10月底东亚冬季风建立以来, 至2010年春季, 东亚冬季风强度持续偏强, 加之西太平洋副热带高压较常年偏西偏南, 西南地区长期受副高控制, 气温持续偏高, 加之冷空气虽然总体偏强, 但主要控制我国北方地区, 造成冷暖空气在西南地区少有交汇, 致使降水偏少, 干旱发生发展. 印缅槽强度较常年偏弱, 来自印度洋、孟加拉湾以及南海的水汽条件不足, 向西南地区输送的来自南海和孟加拉湾两条水汽通道的水汽通量均较常年偏弱很多, 加之西南地区、特别是云南地区自2009年秋季以来, 长期处于下沉运动的正距平区, 造成这段时间西南地区干旱少雨, 旱情持续. 2009年9月El Niño事件全面爆发, 南海-西太平洋地区形成异常反气旋流场, 该反气旋流场较常年偏西偏南, 造成副高位置偏西偏南, 从而使得云贵高原及其周边的印度季风区的降雨量明显偏少;高原地区及南海、菲律宾附近及热带辐合带地区OLR异常对西太平洋副热带高压的变化有一定影响, 进而影响西南地区降水, 其内在机制还有待深入研究.     

南海晚第四纪表层古生产力与东亚季风变迁

根据南海南北陆坡两个站位的柱状样中底栖有孔虫分布,结合有机碳、稳定同位素分析,获得南海近4万年来高分辨率的表层古生产力记录,进而探讨晚第四纪东亚古季风的变迁。研究表明,由于冬季风在本次冰期、夏季风在全新世早期约10000aB．P．急剧增强,分别在南海南北陆坡产生海岸上升流,加上陆源营养物输入增多,使得表层古生产力明显增高、有机碳通量增大至3．5gC／(m²·10³a)以上,从而底栖有孔虫群中Buliminaaculeata和Uvigerinaperegrina占绝对优势。     

热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应

热带西太平洋暖池是引发强烈的大气对流、驱动Walker环流和Hadley环流系统的主要热源之一,对全球、尤其是东亚气候有重要影响。针对我国在提升气候预测水平方面的重大和迫切需求,国家重点基础研究发展计划项目"热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应"于2011年7月正式立项。项目拟解决的关键科学问题包括:①调控暖池形成和变异的海洋环流多尺度相互作用过程;②海洋动力过程在暖池热盐结构变异中的作用及其机理;③暖池变异对不同类型El Nio影响机理的异同和对东亚季风变异的调制机理。围绕上述关键科学问题,项目将以暖池变异为中心,关注影响和控制暖池结构与变异的关键海洋过程,以及暖池海气相互作用影响ENSO循环、东亚季风年际变异的过程和机理,重点组织开展以下3个方面有针对性的调查研究:①热带太平洋环流和暖池的结构和变异特征;②热带太平洋环流与暖池相互作用的关键过程和机理;③暖池变异的海洋—大气耦合过程及其气候效应。在此基础上,项目将力争阐明暖池影响东亚季风和我国气候变异的过程、机理与敏感区,改进模式的混合参数化方案,提出有效提高ENSO预报技巧的同化方案,为我国短期气候预测能力的提高提供科学支撑。     

南极海冰涛动及其对东亚季风和我国夏季降水的可能影响

利用NCEP 1973-2002年逐月南极海冰密集度格点资料,定义了具有跷跷板式变化规律的南极海冰涛动指数,分析了冬季南极海冰涛动指数与我国夏季降水及东亚季风爆发时间的关系.结果显示:南极海冰涛动指数与同期南极海冰密集度相关系数超过5%信度的格点数占南极海冰格点数的1/3,表明定义南极海冰涛动指数能够代表南极地区1/3海冰的变化区域.冬季南极海冰涛动指数和我国汛期(6-8月)降水距平百分比相关显著,正相关主要在长江流域及其以南地区,长江流域以北为负相关,相关系数均超过5%的信度.当冬季南极海冰涛动指数为负值时,南海季风爆发早,概率为11/14=79%;为正值时南海季风爆发晚,概率为12/15=80%.通过讨论冬季南极海冰涛动指数影响我国季风降水的可能过程,给出了概念模型.     

基于浮游有孔虫重建的南海北部400 ka以来上层水体结构变化及其对东亚季风的响应

现代南海上层水体结构具有鲜明的季节特征,反映了季节性风场通过动力与热力过程施加的强烈影响;这种风场对上层水体结构的调控同样存在于地质历史时期,借此,长时间尺度上的东亚季风强度变化能够在南海沉积中留下记录,对相关高分辨率样品的研究继而可以从海洋的角度发掘出新的季风信息,成为对现有古季风资料的重要补充。本研究利用南海北部岩芯总长为50.8 m的MD12-3432站位（19°16.88'N,116°14.52'E;水深2125 m）高分辨率沉积样品,通过浮游有孔虫属种组合及其转换函数恢复了400 ka以来冬、夏季海水表层温度及温跃层深度,并对其进行频谱分析,同时对比现代观测资料及黄土粒度等古季风记录,讨论了海表温度、温跃层深度变化与东亚季风强度、表层环流格局等因素的关系。结果表明,晚更新世以来南海北部海表温度具有显著的100 ka冰期-间冰期旋回,冬季海表温度降幅可达8℃,是冰期冬季风增强与表层环流变化的共同结果。此外,冬季海表温度与温跃层深度重建结果均具有明显的67 ka周期,可能代表了东亚冬季风风速在南海北部的变化周期。同时,温跃层深度中未出现100 ka周期,可能指示冰期-间冰期旋回中表层环流的变化对其影响较弱,温跃层的加深主要由东亚冬季风的增强造成。

     

末次冰期东亚季风快速波动的模式与成因

通过对位于东亚季风区中东部与西部边缘的两个高分辨率黄土剖面记录的对比研究，发现它们不仅捕捉到了20个Dansgaard Oeschger事件与6个Heinrich事件，而且黄土记录与GRIP冰芯记录的这些快速气候波动基本上是同步的。暗示在整个末次冰期，东亚季风气候同样存在千年—百年尺度上的快速波动。所不同的是，西面的沙沟剖面对这些快速气候波动的反应比东面的王官剖面敏感。结合末次冰期中国黄土记录的先前研究结果，我们发现，自西向东Dansgaard Oeschger旋回的幅度逐渐变小，推测这主要是由西风与东亚夏季风共同作用所造成的。     

一个耦合气候系统模式模拟的中全新世时期亚洲季风系统变化

本文分析了一个耦合模式FGOALS_g1.0对工业革命前气候(0ka)和中全新世时期(6ka)亚洲夏季风的模拟结果。在该研究中我们主要分析季风降水变率较大的区域,即东亚夏季风区(20°～45°N,110°～120°E)和印度夏季风区(10°～30°N,70°～80°E)。尽管耦合模式的普遍偏差依然存在,该模式反映出亚洲季风系统是海陆热力性质差异的结果,并较好地模拟出了0ka亚洲夏季风大尺度环流的特点和季节变化的特征。6ka和0ka比较分析的结果表明,6ka时期欧亚大陆增暖,海陆温度梯度加强; 印度夏季风降水从南亚大陆北移到 30°N 附近,位于青藏高原南侧的降水大值中心降水加强; 东亚季风区降水则表现为华北地区减少,长江流域和华南地区降水增加的特点。但合理地模拟季风爆发仍然是耦合气候系统模式的难点之一。
6ka时期亚洲夏季风变化是和大尺度季风环流的变化联系在一起的,而其根本原因是中全新世时期地球轨道参数变化所引起的太阳辐射变化,北半球季节循环的振幅加强。海陆热力性质的差异所导致海陆温差加大使得北半球的季风环流加强,印度夏季风高空东风在 20°～30°N 加强,低层赤道东风加强,跨赤道后的西南气流向北推移,从而使得印度夏季风降水雨带北移到 30°N 附近。东亚季风区的高低空温度场的配置使得副热带高空急流减弱,位置偏南,从而有利于华北地区的高空出现异常的辐合,中层为异常的辐散,抑制了季风降水的发展; 长江流域和华南地区则相反,季风降水降水加强。     

早更新世东山古湖氯离子含量变化与季风演化

高分辨率东山古湖沉积物中氯离子含量变化表明，早更新世早期亚洲季风稳定建立，其变化较小。早期较干；中期出现大湿润期，氯离子含量最低；晚期（１．７－１．６６Ｍａ）再变干。