东亚夏季风指数的年际变化与东亚大气环流

文中从夏季东亚热带、副热带环流系统特点出发 ,定义了能较好表征东亚夏季风环流年际变化的特征指数 ,并分析了东亚夏季风指数的年际变化与东亚大气环流及夏季中国东部降水的关系。文中定义的东亚夏季风指数既反映了夏季东亚大气环流风场的变化特征 ,也较好地反映了夏季中国东部降水的年际变化特征。此外 ,还探讨了东亚夏季风指数变化的先兆信号     

东亚夏季风指数的分类及物理特征分析

利用1961—2010年NCEP再分析资料,分析了较有代表性的16个东亚夏季风指数,讨论了不同季风指数反映的环流及降水之间的异同,探讨了不同季风指数与东亚夏季风不同空间模态之间的可能关联。结果表明,东亚夏季风指数大致分为两类:1)第一类季风指数存在明显的年代际变化,反映了东亚夏季风强弱的整体一致型变化,与东亚夏季风环流第一模态具有很好的对应关系。高指数年,整个东亚区域夏季风活动整体偏强;贝加尔湖地区为深厚气旋性环流控制,副高位置略偏北;华北、东北地区降水显著偏多,长江流域及其以南降水偏少,降水异常型与我国夏季偶极型季风降水相似,这类指数对我国华北地区降水有较好的指示作用。2)第二类季风指数具有明显的年际变化特征,反映的是东亚夏季风强弱的南北反相变化,与东亚夏季风环流第二模态相对应。高指数年,我国东南地区夏季风偏弱,东北部夏季风偏强;西北太平洋为深厚的气旋性距平环流控制,副高偏北,该分布型与东亚—太平洋(EAP)遥相关十分相似;我国东北、内蒙古地区,华南地区降水增多,长江流域降水显著减少,降水异常型与我国夏季三极型季风降水异常型相似,这类指数对我国长江流域降水有较好的指示作用。     

索马里急流变异及其与东亚夏季风和中国降水异常的关系

利用近50 a大气再分析资料、海表温度分析资料和我国降水观测资料,分析揭示了索马里急流的年际和年代际变异及其与东亚夏季风和我国夏季降水异常的关系.结果表明:在年际时间尺度上,夏季索马里急流增强,对应ENSO冷事件,马斯克林高压增强,澳大利亚高压减弱,东部越赤道气流减弱,东亚夏季风增强,我国夏季北方降水偏多,南方降水偏少;反之亦然.然而,在年代际时间尺度上,夏季索马里急流增强,对应PDO暖位相,马斯克林高压和澳大利亚高压均增强,东部越赤道气流增强,而东亚夏季风减弱,我国夏季东北、西北和长江流域降水偏多,而华北、华南和西南地区降水偏少;反之亦然.     

夏季中国华北与印度降水之间的关联及其成因分析

本文基于1951~2012年的再分析资料以及站点观测资料,针对中国华北夏季降水和印度夏季风降水的协同变化(正相关)关系,利用集合经验模态分解法(EEMD)对两个降水序列进行时间尺度分解,并在年际尺度上分别考察了对两者正相关关系形成的有利和不利环流形势.结果表明,印度夏季风降水和华北夏季降水序列的较好正相关关系主要来自周期为2~3年的年际尺度分量,两者在该时间尺度上的相关系数为0.34,达到99%的信度水平.在年际尺度上,与印度夏季风降水异常有关的对流层中高层环半球遥相关型(CGT)波列能够衔接伊朗高原和环渤海地区上空的同位相环流异常(反气旋式或气旋式),从而有利于华北夏季降水和印度夏季风降水之间的协同变化.然而,这一协同变化关系并不总是成立.当伊朗高原上空异常中心的位置偏西时,CGT波列无法形成.这时,即使印度夏季风降水出现显著异常,华北地区却易受东亚—太平洋型或西太平洋型遥相关型的影响而其降水形势可能与印度夏季风降水形势相反.这些结论有助于进一步理解印度夏季风降水与华北夏季降水的正相关关系,从而对华北夏季降水的预测具有参考意义.     

东亚季风近几十年来的主要变化特征

本文简要综述了关于东亚夏季风和冬季风近几十年来的主要变化特征的若干研究结果,特别是关于其年代际变化方面.夏季风及夏季气候的主要变化特征有:1970年代末之后东亚夏季风的年代际时间尺度的减弱以及相应的我国夏季降水江淮流域增多而华北减少、1992年之后我国华南夏季降水增多、1999年之后我国长江中下游夏季降水减少而淮河流域夏季降水增多、东亚夏季风和ENSO之间的年际变化相关性存在不稳定性.而关于东亚冬季风与冬季气候的主要变化特征有:1980年代中期之后东亚冬季风及其年际变率减弱、1970年代中期之后冬季风和ENSO的年际变化相关性较弱、近年来的北极秋季海冰减少对北半球冬季积雪增多有显著贡献、东北冬季积雪在1980年代中期以后增多.与上述变化有关的极端气候和物候都发生了多方面的变化.     

东亚经圈环流年代际变化及对海河降水影响

基于NCEP/NCAR和ERA 40两套再分析资料及中国160个站月降水资料,分析了海河流域夏季降水的变化特征及受东亚夏季风的影响,并定义了东亚夏季经圈环流指数,研究了东亚夏季风的年际和年代际气候变化特征及与海河流域夏季降水的关系。结果表明：近30年来,夏季东亚地区对流层低层和高层的西风均呈现反位相的变化特征,同时东亚地区对流层低层南风分量异常减弱,中低纬度的经圈环流也呈现减弱趋势,夏季风的强度随之减弱,不利于夏季雨带向北推进。文中定义的东亚夏季经圈环流指数与海河流域夏季降水存在显著的正相关关系,说明经圈环流指数值越大,东亚经圈环流强度越强,利于夏季东亚季风向北推进,从而使海河流域夏季降水偏多。反之,当东亚夏季风偏弱时,东亚经圈环流也偏弱,不利于海河流域降水偏多。本文结果表明,东亚经圈环流的年代际减弱是海河流域近30年处于少雨期的一个直接原因。     

青藏高原西侧绕流风系的变化及其与东亚夏季风和我国华北地区夏季降水的关系

从观测资料分析了青藏高原西侧绕流偏北风系的年际和年代际变化及其与东亚夏季风和华北地区夏季降水的关系。研究表明 ,前者对后者有很大影响 ,若夏季青藏高原西侧绕流的偏北风系强 ,则东亚夏季风偏南风分量强 ,且华北地区夏季降水可能偏多 ;相反 ,若夏季青藏高原西侧绕流的偏北风系弱 ,则东亚夏季风的偏南风分量弱 ,且华北地区夏季降水可能偏少。分析结果还表明 ,由于从 1 965年之后 (特别从 1 977年之后 ) ,高原西侧绕流的偏北风系减弱 ,可能导致了东亚夏季风的偏南风分量减弱 ,使得输向华北的水汽大大减弱 ,且引起华北地区降水减少 ,发生了持续严重干旱。     

中国东部地区夏季降水和环流的年代际转型及其与PDO的联系

利用1951—2013年全国160个测站逐月降水资料、NCEP/NCAR月平均再分析资料和NOAA全球月平均海表温度等资料,分析了中国东部地区夏季降水的年代际转型及相关大气环流变化。研究结果表明,1970s中后期和1990s PDO两次位相转换给中国东部地区夏季降水带来显著的年代际变化,前者使得东亚夏季风进一步减弱,夏季雨带南退至长江中下游地区,后者使得东亚夏季风恢复增强,雨带北移至淮河流域。进一步研究发现,1990s PDO年代际突变导致东亚夏季大气环流场发生显著变化,贝加尔湖地区增暖导致向北的经向温度梯度增大以及副热带高压的东退北抬是导致1990s东部地区夏季降水年代际变化的可能原因。     

东亚夏季风与北太平洋SSTA关系的年代际变化特征及其机制研究

利用NCEP／NCAR提供的40年再分析资料和英国气象局提供的海温资料以及中国气象局整编的160站降水资料，分析了东亚夏季风以及我国华北夏季降水的年代际变化特征及其与北太平洋SSTA的关系，提出了东亚存季风在70年代中期发生显著变化，1976年前东亚夏季风偏强，受其影响华北地区夏季降水偏多，1976年以后，东亚转为弱夏季风阶段，华北地区进入少雨期，研究表明，1976年前北太平洋SSTA对大气作用显著，北太平洋海温异常对大圆波列会产生一种年际尺度的“刺激”作用叠加在年代际背景上，加强或减弱波列强度，造成强夏季风段结北夏季降水偏多气候态下的年际变化，1976年后，北太平洋地区海气温差小，海温对大气加热作用不明显，因此北太平洋海温异常通过大圆波列与东亚夏季风的联系也变得淡漠，对我国华北地区夏季降水的影响不再显著。     

东亚夏季风和中国东部夏季降水年代际变化的模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展的第四代大气环流模式模拟了1970年代末东亚夏季风和相关的中国东部夏季降水年代际变化。结果表明,在给定的观测海温强迫下,模式能模拟出东亚夏季风的年代际减弱及 相关的环流场变化,包括东亚沿海的偏北风异常以及西太平洋副高的形态变化,模式还较好再现了中国东部夏季降水的雨型变化,即长江流域降水偏多,而华北和华南偏少,但位置略偏南。基于奇异值分解(SVD)的分析表明,热带海洋变暖是这次东亚夏季风的年代际减弱的主要因素,这与太平洋年代际振荡(PDO)在1970年代末期的位相转变有关。此外,模式还较好模拟了长江流域的变冷趋势,进而减弱了海陆温差,使东亚夏季风减弱。     

论东亚夏季风的特征、驱动力与年代际变化

本文是以新的资料和研究结果对东亚夏季风的基本特征、驱动力和年代际变化所作的重新分析与评估。内容包括四个部分:（1）东亚夏季风的基本特征;（2）东亚夏季风的驱动力;（3）东亚夏季风的年代际变率与原因;（4）东亚夏季风与全球季风的关系。结果表明:东亚夏季风是亚洲夏季风的一个重要有机部分,主要由来源于热带的季风气流组成,并随季节由南向北呈阶段性推进,它是形成夏季东亚天气与气候的主要环流和降水系统。驱动夏季风的主要强迫有三部分:外部强迫、耦合强迫与内部变率,其中人类活动引起的外强迫（气候变暖、城市化、气溶胶增加等）是新出现的外强迫,它正不断改变着东亚夏季风的特征与演变趋势。海洋与陆面耦合强迫作为自然因子是引起东亚夏季风年际和年代际变化的主要原因,其中太平洋年代尺度振荡（PDO）与北大西洋多年代尺度振荡（AMO）的协同作用是造成东亚夏季风30~40年周期振荡的主要原因。1960年代以后,东亚夏季风经历了强—弱—强的年代际变化,相应的中国东部夏季降水型出现了“北多南少”向“南涝北旱”以及“北方渐增”的转变。最近的研究表明,上述东亚夏季风年代际变化与整个亚非夏季风系统的变化趋势是一致的。在本世纪主要受气候变暖的影响,夏季风雨带将持续北移,中国北方和西部地区出现持续性多雨的格局。最后本文指出,亚非夏季风系统相比于其他区域季风系统更适合全球季风的概念。     

东亚海陆热力差指数及其与环流和降水的年际变化关系

利用 196 1～ 1999年海温和地温月平均资料 ,定义了一个海陆热力差指数 ,来表示东亚季风环流的纬向和经向海陆热力差异的变化强度 ,研究了夏季指数与东亚夏季风环流场和中国东部夏季降水的年际变化关系。结果表明 :(1)海陆热力差指数可用来表示东亚夏季风的强弱变化。强指数年东亚季风区低空西南夏季风气流和高层的东风气流明显偏强 ,表明这一年夏季风偏强 ,弱指数年反之。 (2 )海陆热力差指数能较好地反映东部季风区夏季降水的异常状况。强指数年 ,雨带偏北 ,江淮流域和长江中下游明显干旱 ,华南、华北降水偏多 ,弱指数年反之。这一降水异常特征可以从强弱海陆热力差指数年的环流场得到解释。 (3)海陆热力差指数所反映的东亚夏季风具有明显的准 2a和 3～ 6a周期的年际振荡 ,但其振幅和周期具有显著的年代际异常     

东亚夏季风北界与我国夏季降水关系的研究

为了研究东亚夏季风北界与我国东部夏季降水异常的关系,本文利用夏季850 hPa上20°N以北105°~125°E之间平均南风风速2 m/s所在的纬度,定义了一个新的东亚夏季风北界指数。初步分析表明:东亚夏季风北界在1976年之前(含1976年)位置偏北,而1976年之后位置偏南,具有明显的年代际变化,较好地反映了我国东部夏季降水异常分布型的变化。对应于东亚夏季风北界的异常,东亚夏季风强度、西北太平洋副热带高压位置与面积、亚洲大陆热低压等也发生了相应的变化,它们之间的关系如下:东亚夏季风北界位置偏北(南)时,对流层低层亚洲大陆热低压偏强(弱),东亚夏季风偏强(弱),西北太平洋副热带高压位置偏北(南)、面积偏小(大),南亚高压偏弱(强),长江中下游地区气流以下沉(上升)为主,降水偏少(多);华北地区气流以上升(下沉)为主,降水偏多(少)。     

四川盆地夏季降水区域差异及其与季风的联系初探

基于四川盆地逐日气象观测资料、NCEP/NCAR再分析资料,分析了近46年四川盆地夏季降水变化的区域差异及其与东亚夏季风和高原夏季风的联系。结果表明:盆西和盆东夏季降水序列与全国夏季降水的相关分布分别与我国夏季降水第Ⅰ、Ⅱ类雨型分布相类似。使用一元回归方法,分别得到了与东亚夏季风和高原夏季风相关的环流场,通过对两个环流场季风指数高低值年份的合成分析发现,东亚夏季风的影响主要体现在西北气流和东南气流的辐合带在我国东部地区位置变动以及强度变化;高原夏季风对环流场的影响体现在华北到河套地区一带风向的转换。着重分析了1961和1998年夏季与东亚、高原夏季风相关的环流场,发现东亚夏季风与高原夏季风都对四川盆地夏季降水有重要影响,其中盆西夏季降水主要与高原夏季风有关,盆东夏季降水与东亚夏季风和高原夏季风都有关,但以东亚夏季风为主。     

高原夏季风对中东亚干旱半干旱区夏季降水的影响

通过比较7种再分析资料计算的高原夏季风指数,并分析了高原夏季风与中东亚干旱半干旱区夏季降水的关系,总体上7种再分析资料得到的高原夏季风指数是相当一致的,并且在滤去10年以上周期的长波后,7种再分析资料计算的高原夏季风指数之间的相关系数比滤波前都有一定程度的提高,说明再分析资料在描述高原夏季风年际变化时是一致的。相关分析和合成分析的结果表明,高原夏季风对中东亚干旱半干旱区的夏季降水变化有重要的影响。高原夏季风偏强时,中亚地区偏南风异常并伴有辐合,南疆地区为异常东风,有利于水汽输送到这一地区,降水偏多,华北地区为异常东北风,阻碍了西南气流水汽的输送,降水偏少;高原夏季风偏弱时,中亚地区为北风异常并伴有辐散,南疆地区为异常西风,降水偏少,华北地区为异常西南风,降水偏多。     

东亚夏季风降水年代际变异模态及其与太平洋年代际振荡的关系

利用全球陆地月平均降水资料、英国气象局哈德莱中心的月平均海表温度距平(SSTA)资料及NCEP/NCAR再分析大气环流资料,探讨东亚夏季风降水年代际变率及其与太平洋年代际振荡(PDO)的联系。研究指出:东亚夏季风降水年代际变异模态以及PDO均在1976年前后呈现显著的年代际转折,并且东亚夏季风降水与PDO在年代际尺度上具有较好的相关关系。PDO能够在对流层低层激发出与年代际东亚夏季风环流较为相似的大气环流异常特征,表明东亚夏季风环流的年代际变化可能受大气外强迫因子PDO在对流层低层的外源强迫作用影响,最终导致东亚夏季风降水发生年代际变化。     

亚洲夏季风的年际和年代际变化及其未来预测

本文是对我们近五年在亚洲夏季风年代际与年际变率及其未来预测方面研究的一个综述.主要包括下列三个问题:(1)根据123年中国夏季降水资料和印度学者的分析,检测出亚洲夏季风具有明显的年代际尺度减弱,这种年代际变化使中国东部(包括东亚)和南亚夏季降水的格局在过去60年中发生了明显变化.在东亚,从1970年代后期开始,主要异常雨带有不断南移的趋势,结果造成了南涝北旱的降水分布,这主要受到60～80年年代际振荡的影响.青藏高原前冬和春季积雪的年代际减少与热带中东太平洋海表温度的年代际增加是东亚降水型改变的主要原因,这是通过减弱亚洲地区夏季海陆温差与夏季风强度而实现的.未来亚洲夏季风的预测表明,东亚夏季风和南亚夏季风对气候变暖有十分不同的响应.东亚夏季风在本世纪将增强,雨带北推,尤其在2040年代之后;而南亚夏季风环流将继续减弱.这种不同的变化是由于两者对高低层海陆热力差异的不同响应造成.(2)年际尺度的变率在亚洲夏季风区主要表现为2年与4～7年的振荡.本文着重分析了2年振荡(TBO)形成的过程、机理及其对东亚降水的影响.对TBO-海洋机理进行了具体的改进,说明了东亚夏季风降水深受TBO影响的原因,尤其是阐明了长江型(YRV) TBO和淮河型(HRV) TBO的特征及其形成的循环过程.(3)在总结亚洲夏季风时期遥相关型的基础上,本文提出了季节内和年际尺度的低空遥相关型:即西北太平洋季风的遥相关型与印度“南支”和“北支”遥相关型.它们基本上反映了沿低空夏季风强风速带Rossby波群速度传播的结果.据此可以根据西北太平洋和印度夏季风的变化分别预测中国梅雨和华北雨季来临和降水异常.最后研究还表明,在本世纪亚洲夏季风可能更显著地受到人类活动造成的全球变暖的影响,未来的亚洲夏季风活动是人类排放的CO2引起的全球变暖与自然变化(海洋和陆面过程(积雪))共同作用的结果.     

中高纬度气压系统异常对东亚夏季风年代际变化的影响

中高纬度气压系统的异常对东亚夏季风年代际变化具有重要的影响。中蒙地区平均海平面气压和500hPa位势高度距平异常与东亚夏季风年代际变化的负相关系数分别达-0．67和-0．69,远远超过了99．9％信度。在中高纬度地区气压系统异常表现为距平低压的1960-1976年期间,东亚季风区盛行较强的偏南风,增强了东亚夏季风,造成华北地区多雨;而在中高纬度地区气压系统异常为距平高压时的1977-2000年,其东部的偏北风阻止了南来水汽的往北输送,减弱了东亚夏季风强度,使华北地区降水明显减少,江淮流域降水增多。100hPa位势高度的距平场呈偶极子型分布,表现为东高西低时东亚夏季风偏强,西高东低时东亚夏季风偏弱,这一现象在东亚夏季风年代际变化中的影响有待进一步深入研究。     

20世纪90年代初东亚夏季风的年代际转型

利用1979—2009年JRA-25和NCEP/NCAR再分析资料,通过复矢量经验正交方法揭示了东亚地区夏季850 hPa风场变率的优势模态。结果表明:两套再分析资料所揭示的东亚夏季风在20世纪90年代初均发生了年代际转型,与我国夏季降水的年代际转型时间一致。伴随着东亚夏季风的年代际转型,我国北方大部分地区夏季降水减少,尤其是我国东北北部和长江、黄河之间105°E附近区域显著减少,而华南地区和淮河流域降水显著增加。从动力上解释我国夏季降水年代际转型特征,夏季500 hPa高度场两个时段 (1993—2009年和1979—1992年) 的差值分布显示为欧亚大陆北部准纬向遥相关波列,夏季850 hPa风场差值分布表现为贝加尔湖东南侧和日本以南地区存在两个异常反气旋式环流,而我国南方地区和鄂霍次克海附近均为异常气旋式环流。夏季西北太平洋、北印度洋以及部分中高纬度海洋的海温和春季欧亚大陆积雪在20世纪90年代初出现显著变化,春季北极海冰的年代际转型发生在20世纪90年代初,都可能成为东亚夏季风年代际转型的原因。     

CMIP5气候模式对中国东部夏季降水年代际变化的模拟性能评估

使用分类集合的方法评估了第五次耦合模式比较计划(CMIP5)多个耦合模式对中国东部夏季降水年代际变化的模拟性能.结果表明,在评估的38个模式中,仅有6个模式(第1类模式)可以成功再现1970年代末中国东部夏季降水年代际变化的主要特征,即长江流域降水偏多、而华北和华南偏少.这些模式模拟的成功归因于它们能较好再现1970年代末东亚夏季风的年代际减弱及相关的环流场的变化,包括东亚沿海的偏北风异常以及西太平洋副热带高压的偏向西南、强度增强等.而对降水年代际变化模拟很差的第2类模式,则模拟出不出东亚夏季风的这种减弱特征.进一步的分析表明,两类CMIP5模式对太平洋年代际振荡(PDO)空间分布特征都有较好的再现能力,但对PDO年代际转变特征的模拟能力则差异较大.第1类模式能很好地模拟出1970年代末热带海洋的增暖和相关的PDO位相由负到正的转换,而第2类模式所模拟的PDO位相转变与观测完全相反,且也不能模拟出热带中东太平洋海洋的年代际增暖及江淮流域夏季的变冷,因此导致该类模式对1970年代末东亚夏季风的减弱和中国东部夏季雨型的年代际转变没有模拟能力.由此也表明,对耦合模式来说,中国夏季降水年代际变化的模拟能力在很大程度上取决于模式对海洋年代际变化信号的模拟.