夏季东亚高空急流的变化及其对东亚季风的影响

东亚高空急流是东亚夏季风系统的一个重要组成部分,对东亚地区的天气和气候有着重要影响.近十年来,对东亚高空的变异规律及其相关机理、急流对东亚气候的影响等方面做了大量的观测资料分析和数值模拟研究.本文从夏季东亚高空急流的变化特征及其与东亚气候的关联、东亚高空急流的变异机理以及当前的气候模式对东亚高空急流的模拟能力评估和未来预估等几个方面,对这些研究结果进行了综述.     

亚洲西风急流纬向非均匀性变化成因及其对东亚夏季气候的影响

利用美国NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）的CMAP（Climate Prediction Center (CPC) Merged Analysis of Precipitation）月平均降水资料、NCEP/DOE（National Centers for Environmental Prediction/Design of Experiments）II的月平均再分析资料和中国气象局国家信息中心提供的中国160站逐月降水和平均气温资料,通过定义一个亚洲急流纬向非均匀性指数（I_Aja）,分析了1979～2019年夏季亚洲西风急流纬向非均匀性的年际变化特征,揭示了夏季亚洲急流纬向非均匀性变化异常的成因及其对东亚夏季降水和气温的影响。结果表明:夏季亚洲西风急流纬向非均匀性具有显著的年际变化特征,并存在6～8年和2年左右的振荡周期。当急流纬向非均匀性典型偏强（弱）年,东亚东部地区从低纬到高纬,降水异常主要呈现出偏多—偏少—偏多（偏少—偏多—偏少）的经向分布;气温则在中国西部地区和日本北部偏高（低）,贝加尔湖地区偏低（高）。引起夏季亚洲急流纬向非均匀性异常的可能原因如下:由大气非绝热加热异常而引起的热带和中纬度地区辐合/辐散运动造成的涡度源强迫,和来自西风带中波扰动能量的注入,两者共同作用形成并维持了与急流纬向非均匀性强弱变化相联系的异常环流,从而使亚洲急流东、西段强度差异增强（减弱）,进而有利于急流纬向非均匀性异常偏强（偏弱）。而上述西风带中波扰动能量的东传可能与北大西洋海表面温度异常有关。这对于深刻理解夏季亚洲急流纬向非均匀性异常的形成机理提供了有用的线索。     

东亚副热带西风急流位置变化与亚洲夏季风爆发的关系

利用1961～2000年的NCEP/NCAR候平均再分析资料,初步探讨了季节转换期间东亚副热带西风急流南北和东西向位置变化与亚洲季风爆发之间的联系。结果表明,亚洲夏季风爆发伴随着东亚副热带西风急流轴线的北跳和急流中心西移,急流轴北跳至35°N以北的青藏高原上空,南支西风急流消失,亚洲季风环流形势建立。南海季风爆发早年,低纬的东风向北推进的时间早,到达的纬度偏北,中纬的西风急流强度偏弱,季风爆发晚年则相反。同时,南海夏季风爆发早年,青藏高原上空急流核出现较早,西太平洋上空急流核减弱较快,急流中心“西移”较早。而在南海夏季风爆发晚年,西太平洋上空的急流核减弱较迟,青藏高原上空急流核形成偏晚,急流中心“西移”较迟。此外,急流中心东西向位置和强度变化与江淮流域梅雨的开始和结束也有密切关系。     

夏季东亚西风急流与陕西降水的关系

定义了西风急流位置指数和强度指数,利用NCEP/NCAR1948—2006年全球再分析风场资料,分析6、7、8月和夏季平均东亚西风急流的气候变化特征,并探讨夏季逐月东亚西风急流异常与陕西降水的关系。分析表明:6—8月西风急流位置显著北抬,位置和强度都存在着显著的年际、年代际变化特征。夏季陕西降水多少与东亚西风急流月际变化密切相关。6月急流轴北侧西风加强、南侧西风减弱,急流位置较常年偏北,有利陕西降水偏多;而7-8月及夏季表现为陕西降水偏多时,东亚西风急流位置偏南。     

东亚副热带西风急流的变化特征

利用1979-2013年NCEP/NCAR再分析资料研究了东亚副热带西风急流的变化特征。结果表明:东亚副热带西风急流中心位置、强度有明显的季节变化,冬季偏东偏南、强度最强,夏季偏北偏西、强度最弱。冬半年东亚副热带西风急流南界、北界年际变化的幅度大,夏半年幅度较小。冬季、春季东亚副热带西风急流范围较大,秋季、夏季小,一年内,偏大年或偏小年的出现不具有季节的连续性。     

东亚副热带西风急流位置异常对长江中下游夏季降水的影响

利用NCEP/NCAR 200 hPa月平均风场再分析资料,定义东亚大陆对流层上层不同经度上最大西风所在位置的平均纬度为东亚副热带西风急流轴线指数,该指数能准确反映东亚副热带西风急流位置的南北变化及其对长江中下游降水的影响,并能较好地体现东亚夏季风盛行期间对流层低层与高层的纬向风场变化特征。分析表明,该指数的时间变化具有与长江中下游夏季降水较一致的年代际变化及年际振荡特征。对东亚副热带西风急流位置异常年的大气环流差异分析表明,急流异常偏北时,南亚高压偏弱,位置偏北偏西,呈伊朗高压型;西太平洋副热带高压(下称西太副高)偏弱、位置偏东偏北;气流的辐合上升区北移至华北一带,而长江流域低层风场为辐散异常,上升气流较常年偏弱,降水偏少。急流异常偏南时,南亚高压偏强,位置偏南偏东,呈青藏高压型;西太副高偏强、位置偏西偏南;长江流域地区上空低层有较强辐合上升气流,高层有较强的气流辐散,对流旺盛,雨带在此维持,容易引发洪涝。     

东亚高空急流协同变化研究新进展

东亚高空急流是东亚大气环流系统的重要组成部分,对东亚地区的天气和气候具有重要影响。以往对东亚高空急流的研究多关注副热带急流及其对天气气候的影响,近年来,学者们在明确区分东亚副热带急流和极锋急流的基础上,从东亚副热带急流和极锋急流协同变化的视角,对东亚高空急流的变化规律和机理及其对我国气候异常的影响,开展了一系列研究,揭示出副热带急流和极锋急流强度的反位相协同变化是以副热带急流强（弱）伴随着极锋急流弱（强）为其主要配置形式和模态,并对应着特定的大气环流形势以及相应的气温和降水异常分布,与冬季冷空气活动、梅雨期降水、极端事件、冬季风等具有密切关系。本文聚焦东亚高空急流协同变化方面的最新研究成果,从东亚高空急流协同变化规律、高空急流协同变化的热力和动力学影响机理、高空急流协同变化气候效应、高空急流与中高纬低频遥相关型的联系等方面进行较为全面的总结,以加深东亚高空急流活动基本特征和变化规律的认识。     

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。     

夏季索马里急流的建立及其影响机制

定义了夏季索马里急流（SSMJ）的建立指数，从而确定了1948--2002年的SSMJ建立日期，并以此为基础研究了SSMJ建立过程以及前冬海陆热力异常和冬季风异常对其建立早晚的影响。结果表明：SSMJ的建立是亚洲季风爆发的最早信号；其建立过程受到马斯克林高压、中非低压以及阿拉伯高压等非洲-印度洋系统的影响，而印度低压的发展有利于SSMJ越过赤道后向东转向；夏季索马里急流建立时间的年际变化反映了北半球冬季海陆热力差异的年际异常；强（弱）东亚冬季风时，次年春季SSMJ建立偏迟（早）。     

夏季东亚高空急流与天气尺度波动的气候特征之间的联系

利用NCEP/NCAR逐日资料(1979~2003年),分析了东亚夏季高空急流和天气尺度波动气候特征之间的联系。通过分析急流与天气尺度波动活动量Q(用于描述某一时间段内天气尺度波动活动强弱程度)、热量涡动输送(V′T′)的关系,发现:在气候平均意义下,天气尺度波动活动量在6、8月较大,这意味着在这两个月中,天气尺度波动较为剧烈。这和急流的强度变化是相对应的,即强的天气尺度波动活动量对应着强的急流,弱的天气尺度波动活动量对应着弱的急流。热量涡动输送也表现出与天气尺度波动活动量类似的特征。年际变化上,夏季平均和6、7、8各月平均的热量涡动输送和急流强度都存在显著的正相关。对强、弱急流年份条件下热量涡动输送合成分析的结果表明:热量涡动输送偏南时,对应着强的急流;热量涡动输送偏北时,对应着弱的急流。以上的研究结果说明,在气候平均意义和年际变化上夏季东亚高空急流和天气尺度波动之间有着密切的联系。     

Interannual meridional displacement of the East Asian upper-tropospheric jet stream in summer

On the interannual timescale, the meridional displacement of the East Asian upper-tropospheric jet stream (EAJS) is significantly associated with the rainfall anomalies in East Asia in summer. In this study, using the data from the National Centers for Environmental Prediction-Department of Energy (NCEP/DOE) reanalysis-2 from 1979 to 2002, the authors investigate the interannual variations of the EAJS‘s meridional displacement in summer and their associations with the variations of the South Asian high (SAH) and the western North Pacific subtropical high (WNPSH), which are dominant circulation features in the upper and lower troposhere, respectively. The result from an EOF analysis shows that the meridional displacement is the most remarkable feature of the interannual variations of the EAJS in each month of summer and in summer as a whole. A composite analysis indicates that the summer (June-July-August, JJA) EAJS index, which is intended to depict the interannual meridional displacement of the EAJS, is not appropriate because the anomalies of the zonal wind at 200 hPa (U200) in July and August only, rather than in June, significantly contribute to the summer EAJS index. Thus, the index for each month in summer is defined according to the location of the EAJS core in each month. Composite analyses based on the monthly indexes show that corresponding to the monthly equatorward displacement of the EAJS, the South Asian high (SAH) extends southeastward clearly in July and August, and the western North Pacific subtropical high (WNPSH) withdraws southward in June and August.     

夏季东亚高空西风急流气候特征分析

利用NCEP/NCAR全球再分析风场资料定义了西风急流强度指数和位置指数,然后利用EOF方法对西风急流进行了进一步的分析,分析了高空西风急流的空间分布特征,从强度和位置两方面分析了西风急流与东亚环流及其与海温的关系。分析表明： EOF第一模态反映了东亚高空急流的位置指数,第二模态反映了高空急流的强度指数。东亚高空急流与对流层大气环流包括南亚高压,西太平洋副热带高压,东亚夏季风存在着密切关系,其气候变化与热带副热带东太平洋、印度洋海温密切相关。     

东亚副热带高空急流短时间尺度增强的机理研究

本文利用中尺度非静力模式WRF输出的高时空分辨率模拟资料研究了东亚副热带高空急流(EASJ)短时间尺度强度变化特征,并结合大气运动方程解释了EASJ增强的可能机制。结果表明,在6 h时间间隔内,急流区纬向风增量的水平尺度大于2 000 km。急流轴北侧高频扰动较少,南侧出现大量高频扰动,相应地,急流轴北侧纬向风大尺度整体增强,而急流轴南侧纬向风增量正值区中还存在水平尺度为几百公里的负值区。高频扰动的周期约为1～6 h,向东传播速度为20～40 m·s-1,与惯性重力波相似。造成EASJ短时间尺度增强的主要物理因子为水平平流作用和非地转效应。水平平流项和非地转项量级相同,但变化趋势几乎相反。两者之和的量值与纬向风局地加速度项相近。此外,垂直平流作用对EASJ强度变化也有一定贡献。     

The response of the East Asian summer monsoon to strong tropical volcanic eruptions

A 600-year integration performed with the Bergen Climate Model and National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research （NCEP/NCAR） reanalysis data were used to investigate the impact of strong tropical volcanic eruptions on the East Asian summer monsoon （EASM） and EASM rainfall.Both the simulation and NCEP/NCAR reanalysis data show a weakening of the EASM in strong eruption years.The model simulation suggests that North and South China experience droughts and the Yangtze-Huaihe River Valley experiences floods during eruption years.In response to strong tropical volcanic eruptions,the meridional air temperature gradient in the upper troposphere is enhanced,which leads to a southward shift and an increase of the East Asian subtropical westerly jet stream （EASWJ）.At the same time,the land-sea thermal contrast between the Asian land mass and Northwest Pacific Ocean is weakened.The southward shift and increase of the EASWJ and reduction of the land-sea thermal contrast all contribute to a weakening of the EASM and EASM rainfall anomaly.     

东亚高空温带急流区经向风的季节变化及其与亚洲季风的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料研究东亚高空温带急流的位置、强度、结构和季节转换特征及其与亚洲季风的关系,发现温带急流在300 hPa高度上最为明显,在风场分布上表现为全风速大值脊线延伸区和流线密集区,冬季主要活动于120°E以西的45°—60°N地区,在逐日风场上对应着急流发生频数的高值区域,并与副热带急流有清晰的分界。对比温带急流和副热带急流中的经向风强度发现,温带急流区的北风分量明显强于副热带急流中的南风分量,在温带急流的形成和季节变化过程中经向风分量起着重要作用。温带急流所在区域为对流层纬向温度梯度大值区,同时经向温度梯度也比较大,因而温带急流位于具有最大纬向温度梯度同时又有南北方向温度梯度这样一个特定的区域,从而形成了温带急流与副热带急流不同的结构特征和季节变化,而东亚地区海陆热力差异引起的温度梯度及其季节转换是引起温带急流季节变化的主要原因。此外,温带急流的强度与副热带急流位置之间具有协同变化关系,温带急流区经向风强度的季节转换时间与东亚大气环流的季节转换、亚洲夏季风爆发和江淮流域梅雨开始也有着密切关系,与中国东部地区冬季和夏季的降水之间具有显著的相关关系。从气候平均的角度来看,温带急流强度变化早于亚洲季风爆发和梅雨开始时间,因而对亚洲季风爆发和梅雨开始有预示作用。     

冬季中东急流与中国气候异常的联系

用NCEP/NCAR再分析资料和中国160站降水和气温资料,研究了冬季中东急流与中国气候异常的联系。结果表明:中东急流偏强、位置偏东南时,200 hPa上孟加拉湾、中南半岛及中国南海西风加强,而中国30°N以北西风减弱,相应地东亚急流减弱;500 hPa上西欧脊加强且东欧大槽加深,伴随孟加拉湾北部南支槽加深而东亚大槽减弱,有利于欧洲中东部冷空气频繁向东南方向活动,并一直影响到中国西南部;850 hPa上缅甸、中南半岛、华南沿海的西南风距平,有利于孟加拉湾水汽向华南地区输送;上述大气环流异常有利于华南地区降水显著增加,长江上游地区气温下降特别是西南地区气温显著降低,东北地区气温升高;反之亦然。     

Characteristics and variations of the East Asian monsoon system and its impacts on climate disasters in China

Recent advances in studies of the structural characteristics and temporal-spatial variations of the East Asian monsoon （EAM） system and the impact of this system on severe climate disasters in China are reviewed. Previous studies have improved our understanding of the basic characteristics of horizontal and vertical structures and the annual cycle of the EAM system and the water vapor transports in the EAM region. Many studies have shown that the EAM system is a relatively independent subsystem of the Asian- Australian monsoon system, and that there exists an obvious quasi-biennial oscillation with a meridional tripole pattern distribution in the interannual variations of the EAM system. Further analyses of the basic physical processes, both internal and external, that influence the variability of the EAM system indicate that the EAM system may be viewed as an atmosphere-ocean-land coupled system, referred to the EAM climate system in this paper. Further, the paper discusses how the interaction and relationships among various components of this system can be described through the East Asia Pacific （EAP） teleconnection pattern and the teleconnection pattern of meridional upper-tropospheric wind anomalies along the westerly jet over East Asia. Such reasoning suggests that the occurrence of severe floods in the Yangtze and Hualhe River valleys and prolonged droughts in North China are linked, respectively~ to the background interannual and interdecadal variability of the EAM climate system. Besides, outstanding scientific issues related to the EAM system and its impact on climate disasters in China are also discussed.     

Impact of global SST on decadal shift of East Asian summer climate

East Asia experienced a significant interdecadal climate shift around the late 1970s, with more floods in the valley of the Yangtze River of central-eastern China and more severe drought in North China since then. Whether global SST variations have played a role in this shift is unclear. In the present study, this issue is investigated by ensemble experiments of an atmospheric general circulation model (AGCM), the GFDL AM2, since one validation reveals that the model simulates the observed East Asian Summer Monsoon (EASM) well. The results suggest that decadal global SST variations may have played a substantial role in this climate shift. Further examination of the associated atmospheric circulation shows that these results are physically reasonable.