东亚夏季风水汽输送带及其对中国大暴雨与洪涝灾害的影响

东亚夏季风每年给中国东部地区带来充沛的降水，是中国水资源的主要来源，同时也常常给中国造成严重的洪涝灾害。东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端暴雨过程中起着关键的作用。这支夏季风气流的水汽输送带可称为东亚季风水汽输送带，与国际上近期提出的"大气河"概念相近，但又不完全相同。东亚夏季风水汽输送带是东亚夏季风最具地区性的特征，也是东亚地区夏季大暴雨和洪涝的制造者。本文根据近百年来的资料，综合评述了东亚夏季风水汽输送带的特征和形成原因，并以海河、黄河、淮河与长江近百年最强的5次持续大暴雨过程为例，分析了季风水汽输送带的重要作用。最后，提出气候变暖可以通过4个方面影响全球水循环，包括气候变暖后大气可容纳更多的水汽、大气环流发生变化、辐射强迫改变以及气溶胶影响的区域性等，这些变化都会对季风水汽输送带产生重要影响。     

东亚夏季风异常与西北东部汛期降水的关系分析

对1961-2000年东亚夏季风与同期6～9月西北区旱涝的相关和强(弱)夏季风年空中水汽通量及其散度场、高度场和u、 v风场进行了诊断分析. 结果表明: 东亚夏季风对我国降水的影响主要位于100° E以东的地区; 强夏季风年, 夏季风西北影响区汛期降水偏多, 高度场东高西低, 纬向西风、经向南风和水汽通量显著增强, 存在大范围的水汽通量辐合; 弱夏季风年, 夏季风西北影响区汛期干旱少雨, 高度场西高东低, 纬向西风、经向南风、水汽通量明显减小, 除甘肃河东大部(30°～35° N, 101°～105° E)存在水汽通量辐合外, 其它地方为水汽通量辐散.     

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     

东亚和南亚夏季风对中国季风区径流深影响

为揭示中国东部季风区径流深对东亚和南亚夏季风变化的响应规律,建立了八大流域VIC(Variable Infiltration Capacity)水文模型以及应用了Mann-Kendall和局部加权回归分析(Locally Weighted Scatter Plot Smoothing, LOWESS)相关性检验方法,并分析了径流深系数空间变化情况。结果表明:东亚夏季风与径流深显著性相关范围要明显大于南亚夏季风,主要位于长江流域以北和松花江流域以南的广大地区以及华南部分地区,并分别成正相关和负相关;而南亚夏季风与径流深显著性正负相关的区域则分别位于华南地区及长江流域上游部分地区。此外,季风区径流深系数空间差异明显,易产流区主要位于长江流域及东南沿海地区,而黄河及海河流域则产流较难。因此,对东亚及南亚夏季风的研究可为预测中国东部不同地区的水文过程及水资源变化提供重要的科学参考。     

近千年东亚夏季风演变*

在分析东亚地区夏季海平面气压场与中国东部6区域干湿指数关系的基础上,重建了公元960—2000年近千年东亚地区夏季海平面气压场的格点资料,并对重建效果进行了检验。同时,依据重建的海平面气压场资料定义了近千年东亚夏季风强度指数,探讨了近千年东亚夏季风的变化特征。结果表明：（1）重建的近千年东亚地区的海平面气压场具有一定的可信度,它为研究更长时间尺度的东亚夏季风变化特征提供了基础;（2）东亚夏季风指数存在60～70 a、30～40 a、10～20 a的显著周期变化;（3）近千年东亚夏季风的强度指数主要经历过9次明显的趋势突变。其中,13世纪30年代东亚夏季风的强度指数经历了最显著的振动。     

西风带与季风对中国西北地区的水汽输送

利用美国国家环境保护委员会/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析气候资料,分析了西风带与季风对我国西北地区水汽输送的作用。分析表明,大气水汽输送在西北地区的3个分区特征非常明显:高原切变线以南,主要是来自西南季风的水汽输送;高原切变线以北,主要是来自西风带的水汽输送;高原切变线向东北方向的延长部位是一鞍型区,为西风带与西南季风的共同影响区。青藏高原东部的西南季风气流有绕行和向北翻越青藏高原的水汽输送;而在青藏高原中西部地区,主要是由青藏高原周边向主体的水汽输送,没有明显的翻越青藏高原的水汽输送。在青藏高原以北的大部分地区以对流层中层的水汽输送为主;在青藏高原南部以低层水汽输送为主。在青藏高原以北的大部分地区,水汽输送为辐散,即输入的水汽又被扩散出去了;在青藏高原主体和我国西北地区东部为水汽输送的辐合区。西风带的水汽输送为我国西北大部分地区提供了基本的水汽来源,西风变化对其水汽输送通量散度年际变化有直接的作用;南亚夏季风通过西南季风气流水汽输送直接影响我国西北地区南部和东部,并且,其变化通过环流结构调整影响西风带的波动,进而影响西风带对西北地区的水汽输送。     

黄土高原记录的MIS 6.5期东亚夏季风信号及其古气候意义

深海氧同位素(MIS)6.5期是古气候演化的一个特殊时期。其太阳辐射强度显著高于全新世, 但当时冰量较大, 全球气候整体处于冰期环境; 此现象支持全球气候变化主要受控于全球冰量。然而, 来自中国石笋氧同位素异常偏负, 指示东亚季风区湿润程度已达间冰期水平, 支持东亚夏季风直接受太阳辐射所驱动。为理解以上冲突, 本研究选取黄土高原沉积序列为研究对象, 考察东亚夏季风是否可能在MIS 6.5期发生扩展, 理解东亚季风区对太阳辐射的响应关系。研究结果发现:MIS 6.5期黄土高原水分条件与MIS 3期类似, 显著低于典型间冰期气候。MIS 6.5期与典型间冰期之间降水量的差别, 由季风边界区向核心区呈现逐渐降低的趋势。东亚夏季风演化与太阳辐射变化并不完全一致。黄土高原西北部沉积序列记录的东亚夏季风演化包含有强烈的岁差周期和100ka周期, 可能受全球冰量和低纬地区太阳辐射的共同影响。     

轨道尺度东亚夏季风的动力反演

为了探求太阳辐射和高纬地区温度对东亚夏季风的驱动机理,用动力反演的方法建立了东亚夏季风的动力方程,为东亚夏季风的驱动机制研究提供了一种新的方法。在轨道尺度上得到如下结论: 东亚夏季风是由南极温度和太阳辐射量共同驱动的复杂非线性动力系统; 太阳辐射是驱动东亚夏季风的最重要驱动力,驱动贡献至少达到67.57%,南极温度次之,其驱动贡献达到21.58%,格陵兰温度对东亚夏季风的驱动不起作用; 太阳辐射量的增加,会驱使东亚夏季风增强; 南极温度存在一个阈值,在阈值两侧,对东亚夏季风具有不同的驱动机制; 东亚夏季风对太阳辐射驱动的响应,还部分地依赖于季风强度的背景值。     

越南岸外晚第四纪上升流与东亚夏季风变迁

通过对南海西部越南岸外17954-3柱状样中浮游和底栖有孔虫的定量分析,结合碳酸钙、有机碳和稳定同位素数据,获得南海西部上升流区近20万年来的古海洋学记录,进而讨论了晚第四纪东亚夏季风的变迁。结果表明,在间冰期,尤其是末次间冰期,越南岸外出现表层海水古温度低、温跃层浅、生产力高,同时底层海水富营养的现象,说明上升流的存在,且该上升流有从氧同位素5期（MIS5期）向1期逐渐减弱的趋势。结合南海现代海流及生产力分布的研究,推断该上升流由东亚夏季风驱动,其强弱的变化说明,东亚夏季风在近20万年来有间冰期增强、冰期减弱,且从MIS5期向MIS1期递减的特征。     

Decoupling of the East Asian summer monsoon and Indian summer monsoon between 20 and 17 ka

Marine Oxygen Isotope Stage (MIS) 2, with its profound environmental and climatic changes from before the last glacial maximum (LGM) to the last deglaciation, is an ideal period for understanding the evolution of the East Asian summer monsoon (EASM) and Indian summer monsoon (ISM), two Asian monsoon sub-systems. With 875 stable oxygen isotope ratios and 43 ²³⁰Th dates from stalagmites in Sanxing Cave, southwestern China, we construct and interpret a new, replicated, Asian summer monsoon (ASM) record covering 30.9–9.7 ka with decadal resolution. δ¹⁸O records from this site and other reported Chinese caves display similar long-term orbitally dominated trends and synchronous millennial-scale strong and weak monsoonal events associated with climate changes in high northern latitudes. Interestingly, Sanxing δ¹⁸O and Arabian Sea records show a weakening ISM from 22 to 17 ka, while the Hulu and Qingtian records from East and Central China express a 3-ka intensifying EASM from 20 to 17 ka. This decoupling between EASM and ISM may be due to different sensitivities of the two ASM sub-systems in response to internal feedback mechanisms associated with the complex geographical or land-ocean configurations.     

过去千年年代和百年尺度东亚夏季风变化的模拟分析

利用通用地球系统模式过去千年集成（CESM-LME）试验数据,在验证模式模拟能力的基础上,分析了过去千年（850~1849年）年代和百年尺度东亚夏季风变化及其与中国东部夏季降水的关系。总体上,东亚夏季风在过去千年逐渐减弱,并伴随着年代际和百年尺度波动。在变化趋势上,过去千年土地利用不断增加、后期火山爆发偏多和地球轨道参数变化联合引起欧亚大陆中高纬表面温度降低、东亚区域海陆热力差异减小,东亚夏季风相应减弱;在年代际尺度上,东亚夏季风变化与太平洋年代际振荡有关,后者通过影响北太平洋和中国东部表面温度来改变东亚区域海陆热力差异和夏季风强度;百年尺度东亚夏季风波动受多种因子共同调制,期间欧亚大陆中高纬和北太平洋表面温度变化明显。与此同时,过去千年东亚夏季风逐渐减弱伴随着中国东部降水由南向北呈现负—正—负的变化趋势;在年代际和百年尺度上,东亚夏季风偏强时,中国东部降水表现为南旱北涝型分布。

     

过去千年3个特征时期东亚冬夏季风关系的模拟研究

使用美国大气研究中心开展的过去千年集合模拟试验（Community Earth System Model-Last Millennium Ensemble,简称CESM-LME）数据,对过去千年（公元850~2005年）3个重要的特征时期——中世纪气候异常期、小冰期和现代暖期的东亚冬、夏季风关系,尤其是年代-多年代尺度上的关系进行了对比研究。结果表明：在年代和多年代尺度上,由自然外强迫主导的中世纪气候异常期和小冰期及人类活动主导的现代暖期,东亚冬、夏季风均呈负位相变化形势,但影响二者关系的机制在3个时期并不相同。研究发现,太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation,简称PDO）可能是造成前两个特征时期东亚冬、夏季风反位相变化的主要原因,大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,简称AMO）的作用相对较小。现代暖期AMO的作用有所加强,与PDO的作用相当,同时夏季风环流对PDO和AMO的响应较前两个时期强,且响应特征有所不同,这可能与人类活动有较大关系。另外在人类活动作用下,季风指数的定义方法可能会对季风关系的研究结果产生影响,这是未来预估研究中需要留意的地方。

     

末次间冰期127 ka时期植被反馈增强东亚夏季风降水的数值模拟研究

黄土和石笋等古气候代用资料表明在末次间冰期间,东亚夏季风增强、降水增多。本研究利用地球系统模式EC-Earth模拟了末次间冰期127 ka时期的气候,通过和工业革命前的气候模拟控制试验做比对,分析了127 ka时期由于地球轨道参数变化导致的东亚夏季风的空间变化特征。我们利用了两种EC-Earth的模式配置,即"大气-陆面-海洋-海冰"耦合模式和"大气-陆面-海洋-海冰-动态植被"耦合模式,分别估算轨道强迫和植被反馈对东亚夏季风降水变化的贡献。数值模拟结果表明,地球轨道强迫导致的海陆热力差异使得东亚夏季风系统显著增强并北移西伸,中国中部及华北地区降水增多而东部沿海地区降水减少。耦合了动态植被模式的试验结果表明,127 ka时期温暖湿润的气候致使东亚地区植被增多,植被的蒸腾作用使得地表的感热和潜热通量显著增大,从而增强了局地水循环,使降水进一步增多。植被的反馈作用在原本温暖湿润的华南地区对降水的影响并不显著,但是对相对干旱的我国中部和华北地区降水有显著影响。数值试验结果表明轨道强迫和植被反馈的共同作用能使内陆的四川盆地到华北一带夏季降水增加约40%,其中30%的增加是由于轨道强迫作用,约10%是由于植被反馈。这个研究也提醒我们,要得到更加合理的对过去或未来气候变化的模拟结果,有必要使用耦合动态植被的气候系统模式。

     

Holocene climate variations from Zhuyeze terminal lake records in East Asian monsoon margin in arid northern China

Zhuyeze palaeolake is a terminal lake situated in the arid northern China in the East Asian monsoon margin. In order to examine the Holocene palaeoclimatic change in the East Asian monsoon margin, Qingtu Lake section (QTL) from Zhuyeze palaeolake is sampled in high resolution. Palaeoclimatic proxies such as grain size, carbonate, TOC, C/N and δ¹³C of organic matter, were analyzed; eleven ¹⁴C samples and six optically stimulated luminescence (OSL) samples were dated to provide chronological control. We also investigated the geomorphic features of lake shorelines in this area. The results show that the climate was warm and dry in early-Holocene (9.5-7.0 cal ka BP), cool and humid in mid-Holocene (7.0-4.8 cal ka BP), and increasingly drier in late-Holocene (since 4.8 cal ka BP). Comparisons of our records with other records in adjacent areas, as well as with the records in the Asian monsoon areas, suggested that changes in effective moisture was synchronous in East Asian monsoon marginal zone (i.e. the pattern of dry early-Holocene, humid mid-Holocene, and aridity-increasing late-Holocene), and that the moisture optimum during the Holocene was out-of-phase between Asian monsoon margin and Asian monsoonal dominated region, possibly due to the high temperature at that time.     

全新世中期中国气候和东亚季风:PMIP4模式结果

利用国际古气候模拟比较计划(PMIP)最新第四阶段(PMIP4)中14个气候模式的试验数据,集中研究了距今约6 000年的全新世中期中国气候和东亚季风。与早期PMIP第三阶段(PMIP3)多模式结果类似,全新世中期中国年、冬季和春季地表气温较工业革命前期偏冷,而夏季和秋季偏暖,其中年和冬季模拟偏冷与大部分地质记录显示的偏暖不符;所有14个PMIP4模式集合的中国区域平均年和季节温度变化绝对值为0.08~1.69 ℃,较PMIP3多模式平均结果额外偏小0.01~0.45 ℃,这部分源于大气二氧化碳浓度的减少。在用于分析的11个PMIP4模式平均结果中,全新世中期中国年平均降水、蒸发和有效降水(即降水量减蒸发量)相对于工业革命前期分别增加2%、减少1%和增加7%,所有3个物理量在季节上均表现为冬春季减少,夏秋季增加。对比PMIP4模式和PMIP3多模式平均结果,上述3个物理量的中国区域平均值和区域变化差异均在夏、秋季大于年和冬、春季;相比于PMIP3模式,PMIP4模式模拟的年有效降水变化与地质记录更为接近。全新世中期东亚冬、夏季风在14个PMIP4模式中均模拟加强,所有模式平均较工业革命前期分别增强11%和32%;在区域尺度上,与早期PMIP3模式相比,当前PMIP4模式模拟的季风环流增强幅度在东亚北部更强,南部偏弱。     

全新世太阳活动对东亚夏季风百年尺度变化影响的模拟研究

太阳活动对东亚夏季风(EASM)变化有着重要的影响。本研究利用通用地球系统模式(CESM)开展了全新世气候瞬变模拟试验, 探究了全新世EASM降水百年尺度的变化特征及其对太阳活动外强迫的响应机理。结果表明: 在变化趋势上, 模拟的全新世以来EASM降水呈减弱趋势, 主要受地球轨道参数外强迫的影响。在百年尺度上, 中全新世以来太阳活动外强迫引起EASM降水出现约430年的周期变化特征, 这与高分辨率重建资料记录的周期相似。这一百年尺度变化的空间主模态呈南北偶极型分布, 北方降水与太阳活动存在显著的同期正相关, 当太阳活动增强时东亚海陆热力差异加强, 陆地海平面气压降低, 引起异常的气旋性环流, 有利于北方降水增多。南方降水与太阳活动呈负相关并滞后于太阳活动, 太阳活动通过调制赤道太平洋类拉尼娜态的海温梯度, 引起西北太平洋风-蒸发-海温的正反馈机制, 触发异常的西北太平洋气旋性环流, 从而导致南方降水减少。