近60年华北春季干旱特征及其与北大西洋海表温度的关系

利用观测资料统计分析和CAM5.3数值模拟相结合的方法,基于标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI),分析了1955-2018年华北地区春季干旱特征,并重点探讨了对北大西洋产生的影响.华北春季干旱的主要空间分布型为全区一致型,...     

夏季北大西洋三极型海温异常与中国西南地区气温年际变化的联系

利用1951—2016年Hadley中心海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和全国160站气温资料,研究了夏季北大西洋三极型海温异常与中国气温年际变化的联系及可能机制。结果表明,夏季北大西洋三极型海温异常与同期中国西南地区气温年际变化存在显著的负相关关系。夏季北大西洋“-+-”三极型海温异常激发的北半球中高纬欧亚遥相关波列,引起贝加尔湖地区位势高度升高,产生反气旋性环流异常,并引起东亚地区位势高度降低,产生气旋性环流异常。西南地区在对流层中下层位于贝加尔湖异常反气旋性环流的东部和东亚异常气旋性环流的西部,在两者的共同作用下,受异常偏北气流影响,有利于冷空气南下和堆积。与此同时,对流层高层的东亚副热带西风急流位置偏南,西南地区位于急流南侧的异常上升气流中。此种环流形势配置导致中国西南地区气温降低,反之亦然。     

中国西南地区东部秋季干旱的环流特征及其成因分析

利用1961--2010年NCEP／NCAR再分析资料和全国753站月平均降水资料,研究了我国西南地区东部秋季干旱的环流特征及其成因。结果表明,西南地区东部秋季降水存在明显的年际和年代际变化。其中,年代际变化主要表现为,在20世纪80年代中后期,降水存在由多转少的突变;降水量年际变化则与苏门答腊一西太平洋和热带东太平洋的海温分布存在很好的关系。当苏门答腊一西太平洋和东太平洋海温呈现“＋-”异常分布时,引起大气热源的异常,加强哈德莱环流,同时,在南海及孟加拉湾附近激发出异常气旋性环流,而西南地区东部则处于南海气旋性环流外围异常偏北气流控制,削弱了孟加拉湾的水汽输送,从而造成西南地区东部的干旱。通过大气环流模式NCARCAM3．0（Community Atmosphere Model3．0）的海温异常试验,验证了上述观测结论。     

西南地区秋季干旱的年代际转折及其可能原因分析

采用1961~2012年中国气象局753站降水和温度资料、NCEP/NCAR全球大气再分析资料、NOAA海表温度资料等,应用观测统计分析和全球大气环流模式NCAR CAM5.1数值模拟,基于标准化降水蒸散指数(SPEI),对我国西南秋季干旱的年代际转折及其可能原因进行了分析。观测分析结果表明:(1)西南秋季干旱的主要分布型为全区一致型;西南秋季SPEI在1994年发生年代际突变,突变后(前)为偏旱(涝)期。(2)西南秋季偏旱期的主要环流特征是,西太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大、强度偏强,南支槽偏弱,西南地区存在下沉运动。(3)热带东印度洋-西太平洋的海表温度年代际升高对西南秋季SPEI在1994年发生年代际突变有重要作用,该关键海区海表温度异常升高,一是会使秋季西南地区500 hPa高度场偏高,南支槽减弱;二是产生偏强的Hadley环流,使得我国西南地区存在下沉运动;三是会在西太平洋激发气旋性环流,使我国西南地区被偏北气流控制,削弱了向我国西南地区的水汽输送,容易造成该地区的秋季干旱。应用NCAR CAM5.1全球大气环流模式进行了关键海区海表温度年代际变化的敏感性试验,验证了观测分析结果,即秋季关键海区海表温度年代际升高对西南秋季年代际变旱有重要作用。     

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。     

西南地区农业旱情的气象干旱指数适应性研究

利用西南地区60站1961—2011年的日平均气温、降水量资料求得半年尺度的气象干旱指数值,包括帕尔默干旱指数、标准化降水干旱指数、Z指数、降水距平百分率指数。采用超前相关、相似和技巧评分两种计算方法检测与西南地区农业灾情最适宜的气象干旱指数。基于最适宜的干旱指数,给出西南地区农业干旱灾害可能发生的风险分布。结果表明:Z指数定义的冬半年气象干旱对西南地区农业旱情的指示性较其他3种气象干旱指标更优。冬半年Z指数小于等于-0.84时引发的西南地区农业干旱灾害成灾率大于8%的风险平均达0.53,农业干旱绝收率大于5%的风险平均达0.37,风险最大地区位于贵州西北部。结论有助于深入认识气象干旱指数与农业干旱灾情的联系,对于西南地区农业干旱的检测预测有一定的应用价值。     

Assessment of future drought in Southwest China based on CMIP5 multimodel projections

In the last decade, a series of severe and extensive droughts have swept across Southwest China, resulting in tremendous economic losses, deaths, and disruption to society. Consequently, this study is motivated by the paramount importance of as- sessing future changes in drought in Southwest China. Precipitation is likely to decrease over most parts of Southwest China around the beginning of the century, followed by widespread precipitation increases; the increase in potential evapotran- spiration （PET）, due to the joint effects of increased temperature and surface net radiation and decreased relative humidity, will overwhelm the whole region throughout the entire 21st century. In comparative terms, the enhancement of PET will outweigh that of precipitation, particularly under Representative Concentration Pathway （RCP） 8.5, resulting in intensified drought. Generally, the drying tendency will be in the southeast portion, whereas the mountainous region in the northwest will become increasingly wetter owing to abundant precipitation increases. Droughts classified as moderate/severe according to historical standards will become the norm in the 2080s under RCP4.5/RCP8.5. Future drought changes will manifest different characteristics depending on the time scale： the magnitude of change at a time scale of 48 months is nearly twice as great as that at 3 months. Furthermore, we will see that not only will incidences of severe and extreme drought increase dramatically in the future, but extremely wet events will also become more probable.     

冬季北大西洋涛动对中国春季降水异常的影响

利用中国397个测站降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用相关分析、合成分析等方法,研究了冬季北大西洋涛动(NAO)对我国春季降水的影响。结果表明,我国春季降水与前期冬季NAO关系密切,冬季NAO偏强(弱)时,我国东部南方地区春季降水偏多(少),北方地区春季降水偏少(多)。冬季NAO信号通过波列形式传播至东亚地区,使得春季东亚副热带急流和温带急流发生变化,冬季NAO偏强(弱)时,春季东亚副热带西风急流增强(减弱),温带急流减弱(增强)。进一步分析表明,冬季NAO异常会引起春季乌拉尔山高压脊和东亚大槽的变化,导致东亚对流层上层的温度发生变化,并由此产生经向温度梯度异常,这可能是NAO影响东亚高空急流的原因之一。春季东亚对流层上层的气温变冷(暖),使得东亚地区30°-40°N区域产生下沉(上升)运动,20°-30°N区域产生上升(下沉)运动,最终导致我国东部南方地区春季降水偏多(少)、北方地区春季降水偏少(多)。     

自20世纪90年代中后期夏季巴伦支海海冰与秋季中国西南地区干旱的联系加强

研究夏季7—8月巴伦支海海冰和秋季9—11月中国西南地区干旱的年际变化的联系,并探讨了其可能机制。结果表明：1979—1997年夏季巴伦支海海冰和秋季中国西南地区干旱在年际尺度上相关不显著,但到1998—2019年,海冰和干旱指数的相关系数增长至-0.69,置信水平达到99%。当夏季7—8月巴伦支海海冰增多时,有利于秋季9—11月中国西南地区发生干旱;当夏季7—8月巴伦支海海冰减少时,则反之。进一步分析其原因可知：1998—2019年,当夏季巴伦支海海冰异常偏多时,海冰异常可以持续到秋季,导致巴伦支海表面湍流热通量负异常,新地岛以西地区的大气变得更加稳定,激发了异常下沉运动。通过异常经向环流作用,进一步促进地中海附近出现上升运动。由此产生的地中海北部对流层高层300 hPa异常辐散风激发了罗斯贝波,波列沿着55°N向东传播,在贝加尔湖地区向南传播至中国北部和西南地区,导致中国西南和华东地区上空出现异常高压,这有利于中国西南地区降水减少、温度升高,进而导致干旱发生。此外,相比于1979—1997年,1998—2019年夏季巴伦支海海冰更大的年际变率可能是导致二者联系加强的一个重要原因。     

利用大气环流模式模拟北大西洋海温异常强迫响应

北大西洋地区的海温异常能够在多大程度上对大气产生影响,一直是一个有争议的问题。作者利用伴随北大西洋涛动出现的海温异常对大气环流模式CAM2.0.1进行强迫,考察了模式在冬季（12月、1月和2月）对三核型海温异常的响应。通过与欧洲中期天气预报中心提供的再分析资料的对比,发现该模式可以通过海温强迫在一定程度上再现具有北大西洋涛动特征的温度场和环流场。在北大西洋及其沿岸地区,模式模拟出了三核型的准正压响应,与经典的北大西洋涛动型大气异常是一致的。模式结果与北大西洋地区大气内部主导模态的差别主要体现在两个方面:一是异常中心位置多偏向于大洋上空,在陆地上的异常响应强度很弱;二是高纬地区对海温异常的响应不显著,没有强迫出与实际的大气模态相对应的异常中心,表明该地区海洋的反馈作用较弱。     

Weakening of Winter North Atlantic Oscillation Signal in Spring Precipitation over Southern China

In this study,the relationship between the North Atlantic Oscillation(NAO)in winter(December–February)and the precipitation over southern China(SCP)in the following spring(March–May)was investigated.Results showed an interdecadal change,from strong to weak connection,in their connection.Before the early1980s,they were highly correlated,with a strong(weak)winter NAO followed by an increased(decreased)spring SCP.However,after the early 1980s,their relationship was weakened significantly.This unstable relationship may be linked to the climatological change of East Asian jet.Before the early 1980s,the wave train along the Asian jet propagated the NAO signal eastward to East Asia and affected local upper-tropospheric atmospheric circulation.A strong NAO in winter led to an anomalous anticyclonic circulation at the south side of 30 N in East Asia in spring,resulting in an increase of SCP.In contrast,after the early1980s,the wave train pattern along the Asian jet extended eastward due to strengthening of the climatological East Asian jet.Correspondingly,the NAO-related East Asian atmospheric circulations in the upper troposphere shifted eastward,thereby weakening the linkage between the spring SCP and the winter NAO.     

1961-2018年西南地区夏季干旱变化特征及其与环流异常的联系

利用1961—2018年中国西南地区312站降水观测资料、NCEP/NCAR再分析资料及海表温度资料,采用夏季SPI(Standardized Precipitation Index)指数作为干旱指数,研究了西南地区夏季干旱变化特征及其与环流异常的联系。结果表明:西南地区夏季总体呈现变干趋势,尤其在云南、四川东南部干旱化趋势显著。当西南地区夏季显著干旱时,该地区对流层低层辐散、上层辐合,且向该地区的水汽输送偏少。造成西南地区干旱维持的原因可归结为大气波动活动异常和海温异常强迫。前者通过西风带扰动向下游的能量频散,为西南地区低层辐散、上层辐合的环流异常的形成和维持提供了必要的扰动能量积聚;后者通过热带西北太平洋异常热源对大气的强迫,使得该地区对流层低层(上层)形成异常辐合(辐散),在西南地区和热带西北太平洋形成了斜向垂直环流,使西南地区受下沉气流控制,从而形成了利于降水显著偏少和干旱发生并维持的条件。     

北大西洋海表面温度锋与大西洋风暴路径及大气大尺度异常的关系研究

运用NCEP、Had ISST再分析资料,北大西洋涛动(NAO)月指数序列,探讨了海表面温度(SST)锋的时空变化特征,揭示了北大西洋SST锋的主要气候变率及其与北大西洋风暴轴和大气大尺度环流异常的关系。研究表明,剔除季节循环后的SST锋显示其最主要变率为锋区的向南/北摆动,其对应的风暴轴发生相应的西南/东北移动,并同时在北大西洋上空对应一个跨海盆的位势高度负/正异常。这种环流异常可引起高纬度海平面气压(SLP)的反气旋/气旋式环流,这有利于增强海表面风对大洋副极地环流的负/正涡度异常输入,进一步减弱/加强了高纬度上层冷水向SST锋区的输送。北大西洋SST锋的另一主要模态为锋区在南北方向的分支和合并。当SST锋异常在40°N~45°N以单支形式加强时,对流层位势高度场和SLP南北梯度增大,对应NAO正位相,此时风暴轴也为单支型;同时SLP异常场促使冰岛附近具有气旋式风应力异常,亚速尔地区具有反气旋式风应力异常,导致副极地环流和副热带环流均加强,增加高纬度冷水和低纬度暖水在锋区的输入,从而进一步增强40°N~45°N附近的SST锋区。当SST锋异常在40°N~45°N纬带南北发生分支时,风暴轴也同时出现北强南弱的南北分支,此时对应了负位相NAO,来自北南的冷暖水输送减弱,SST锋也发生减弱分支。此外,位于大洋内区的SST锋东端也存在一个偶极子型的模态,尽管其解释方差相对较小,但仍与偏东北的NAO型具有显著相关。谱分析表明,北大西洋SST锋与风暴轴具有1~3年和年代际共振,与中高纬大尺度环流也存在周期1~3年的共变信号,其中准一年共变信号体现了SST锋和NAO之间的对应关系。进一步诊断分析表明,SST锋上空的近表层大气斜压性和经向温度梯度随着SST锋的增强而增强,经向热通量的向北输送导致涡动有效位能的增加;海洋的非绝热加热产生更强的垂直热量通量,这有利于涡动有效位能释放成为涡动动能,从而表现为该区域的风暴轴加强,并进一步影响风暴轴中的天气尺度扰动与下游大尺度环流异常的相互作用过程。     

春季北大西洋三极型海温异常变化及其与NAO和ENSO的联系

利用1951—2016年HadISST逐月海表温度(Sea Surface Temperature,SST)资料,NCEP/NCAR再分析资料以及1958—2016年美国伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution,WHOI)提供的OAFlux数据集,运用经验正交函数分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)和偏相关分析等统计方法,研究了春季北大西洋海温异常的主要特征及其与春季NAO和前期冬季ENSO联系。结果表明:春季北大西洋海温异常EOF的第一模态是自北而南出现的三极结构的海温距平型,其方差贡献率为35.7%。春季北大西洋三极型海温异常的形成主要受到春季NAO主导作用,还受到前期冬季热带中东太平洋海温异常的影响。消除前期冬季Niňo3.4的影响后,春季北大西洋三极型海温异常指数与同期北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)指数的偏相关系数分别为0.50,通过了99%置信度水平的显著性检验。消除春季NAO的影响后,春季北大西洋三极型海温异常指数与前期冬季Niňo3.4指数的偏相关系数为-0.26,通过了95%信度水平的显著性检验。春季NAO正(负)位相引起的海表风场和海表湍流热通量的异常,进而激发出正(负)位相的北大西洋三极型海温异常。前期冬季ENSO事件可以引起春季大气环流异常和热带外海温异常,进而调制春季NAO对北大西洋三极型海温异常的影响。     

综合气象干旱指数修正及在西南地区的适用性

以我国西南地区为例,在用加权降水量 (W_AP) 改进标准化降水指数的基础上,对综合气象干旱指数 (I_C) 进行了修正,定义为I_CW。通过对比指数修正前后在干旱频率、年干旱强度和干旱发展过程中的不连续加重、以及与同期土壤湿度相关性的差异,分析了I_CW在修正后的改进效果及在西南地区的适用性。结果表明:修正前后的综合气象干旱指数在多年干旱频率和年干旱强度两方面没有显著差异,但I_CW减少了干旱发展过程中的不连续加重现象,且与同期土壤湿度有更好的相关性,即I_CW比I_C更加接近实际干旱的演变规律,I_CW比I_C更适合在西南地区实时干旱监测业务中使用。然而,由于该研究未对I_C中的相对湿润度指数进行修正,而相对湿润度指数的突变同样可以导致不连续加重的出现,因此,I_CW只是在一定程度上减少了不连续加重的影响。     

我国西南地区干旱变化及对贵州水稻产量影响

近几年,我国西南地区干旱频繁发生,严重影响农业生产。为了探讨干旱和水稻产量之间关系的复杂性,采用中国气象局国家气象信息中心提供的西南地区348个站气象数据,计算了西南地区干旱的变化趋势,并利用2000—2011年贵州省县级水稻产量资料分析了干旱对水稻单产的影响,探讨了干旱、水资源灌溉以及水稻产量之间的关系。结果表明:1951—2012年西南地区降水量平均减少16.9 mm/10 a,特别是8—10月降水量明显减少。同时,西南地区干旱日数呈上升趋势,平均增加3.3 d/10 a。对比水稻产量发现,当累计干旱日数少于40 d时,干旱对水稻产量一般不会造成影响;当累计干旱日数超过86 d时,干旱造成水稻减产20%~73%,这意味着当累计干旱日数超过3个月时,江河塘库蓄水将受到影响,进而影响水稻的灌溉,造成水稻严重减产;当累计干旱日数为40~86 d时,水稻减产一般少于20%,但地区差异较大。     

西伯利亚高压强度与北大西洋海温异常的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和NOAA海温等资料,采用EOF、相关分析等方法,研究了西伯利亚高压(Siberian High,SH)强度和北大西洋海表温度(SST)的变化特征,揭示了二者的联系及其时空变化。结果表明:1)冬季SH在1960s中后期开始偏弱,2003年后略增强。2)各季北大西洋SST指数(全区平均SST的标准化距平)均在1960s中期后偏低,1990s末后偏高。北大西洋海温三极子位相由正转负的时间在春冬季(1970s初)晚于夏秋季(1960s初),而后均在1990s中期后进入正位相。3)各季偏高(低)的北大西洋SST指数和海温三极子正(负)位相均有利于冬季SH偏强(弱),但前者与SH的关系更显著,且冬季最强。北大西洋北部和西南部是影响SH强度的关键区,但SH对北部SST异常的响应范围在冬季最大,而对西南部的响应范围在夏季最大。4)当冬季大西洋SST指数异常偏高时,下游激发出的罗斯贝波列使乌拉尔山高压脊加强,使SH上空负相对涡度平流增大,高层辐合和低层辐散增强,整个对流层下沉气流深厚,促使SH增强,反之亦然。     

Increasing Flash Floods in a Drying Climate over Southwest China

In a globally warming world,subtropical regions are generally expected to become drier while the tropics and mid–high latitudes become wetter.In line with this,Southwest China,close to 25?N,is expected to become increasingly prone to drought if annual mean precipitation decreases.However,despite this trend,changes in the temporal distribution of moisture supply might actually result in increased extreme rainfall in the region,whose climate is characterized by distinct dry and wet seasons.Using hourly and daily gauge observations,rainfall intensity changes since 1971 are examined for a network of 142 locations in the region.From the analysis,dry season changes are negligible but wet season changes exhibit a significantly strong downward trend [-2.4%(10 yr)~(-1)],particularly during the past 15 years [-17.7%(10 yr)~(-1)].However,the intensity of events during the wettest of 5% hours appears to steadily increase during the whole period [1.4%(10 yr)~(-1)],tying in with government statistical reports of recent droughts and flooding.If the opposing trends are a consequence of a warming climate,it is reasonable to expect the contradictory trend to continue with an enhanced risk of flash flooding in coming decades in the region concerned.     

Intensified impact of northern tropical Atlantic SST on tropical cyclogenesis frequency over the western North Pacific after the late 1980s

Previous studies suggest that spring SST anomalies over the northern tropical Atlantic(NTA) affect the tropical cyclone(TC) activity over the western North Pacific(WNP) in the following summer and fall. The present study reveals that the connection between spring NTA SST and following summer–fall WNP TC genesis frequency is not stationary. The influence of spring NTA SST on following summer–fall WNP TC genesis frequency is weak and insignificant before, but strong and significant after, the late 1980 s. Before the late 1980 s, the NTA SST anomaly-induced SST anomalies in the tropical central Pacific are weak, and the response of atmospheric circulation over the WNP is not strong. As a result, the connection between spring NTA SST and following summer–fall WNP TC genesis frequency is insignificant in the former period. In contrast,after the late 1980 s, NTA SST anomalies induce pronounced tropical central Pacific SST anomalies through an Atlantic–Pacific teleconnection. Tropical central Pacific SST anomalies further induce favorable conditions for WNP TC genesis,including vertical motion, mid-level relative humidity, and vertical zonal wind shear. Hence, the connection between NTA SST and WNP TC genesis frequency is significant in the recent period. Further analysis shows that the interdecadal change in the connection between spring NTA SST and following summer–fall WNP TC genesis frequency may be related to the climatological SST change over the NTA region.     

Impact of the North Atlantic sea surface temperature tripole on the East Asian summer monsoon

A strong (weak) East Asian summer monsoon (EASM) is usually concurrent with the tripole pattern of North Atlantic SST anomalies on the interannual timescale during summer, which has positive (negative) SST anomalies in the northwestern North Atlantic and negative (positive) SST anomalies in the subpolar and tropical ocean. The mechanisms responsible for this linkage are diagnosed in the present study. It is shown that a barotropic wave-train pattern occurring over the Atlantic-Eurasia region likely acts as a link between the EASM and the SST tripole during summer. This wave-train pattern is concurrent with geopotential height anomalies over the Ural Mountains, which has a substantial effect on the EASM. Diagnosis based on observations and linear dynamical model results reveals that the mechanism for maintaining the wave-train pattern involves both the anomalous diabatic heating and synoptic eddy-vorticity forcing. Since the North Atlantic SST tripole is closely coupled with the North Atlantic Oscillation (NAO), the relationships between these two factors and the EASM are also examined. It is found that the connection of the EASM with the summer SST tripole is sensitive to the meridional location of the tripole, which is characterized by large seasonal variations due to the north-south movement of the activity centers of the NAO. The SST tripole that has a strong relationship with the EASM appears to be closely coupled with the NAO in the previous spring rather than in the simultaneous summer.