明末清初华北夏季降水年代际变化的模拟研究

明末清初中国社会动荡加剧, 王朝更迭, 伴随着华北地区较为明显的年代际气候变化。本研究使用CESM-LME(CESM Last Millennium Ensemble)模拟数据, 结合重建证据, 对明末清初华北夏季降水年代际气候变化特征和原因进行了分析。重建证据显示, 1644年华北夏季降水发生由少到多的年代际转变, 中国东部夏季降水呈"南旱北涝"的变化格局。CESM-LME集合试验成员012能够模拟出这样的年代际转变, 但模拟的变化幅度偏弱且转变发生时间略晚。模拟显示, 北太平洋出现类PDO(Pacific Decadal Oscillation, 太平洋年代际振荡)正位相的海温年代际异常, 引起日本海附近低压异常。同时, 热带太平洋呈现类拉尼娜型海温异常, 使得菲律宾以东洋面对流增强、降水增加, 通过北传罗斯贝波激发类东亚-太平洋遥相关, 导致西北太平洋副热带高压增强西伸和日本海附近异常低压的加强。对应于这样的环流异常, 华北有北风异常, 长江以南有南风异常, 华北地区南部水汽辐合增强, 有异常的上升运动, 华北夏季降水年代际增多, 并伴随着东亚副热带西风急流的向南移动。伴随华北夏季降水年代际转变, 华北土地承载力提高, 社会系统逐渐恢复和稳定。     

夏季东亚大槽和副热带高压年代际变化的分析

通过调查40年东亚地区500 hPa平均位势高度场,结果显示东亚夏季高度场发生明显增高,增高主要发生在4～10月和120°E以西的亚欧大陆上,夏季西太平洋副热带高压明显西伸,夏季东亚大槽至少向西移动20个经度,这可能使我国西北降水增加而华北降水减少。另外印度半岛孟加拉湾高度场也有年代际增高趋势。通过公式诊断半球尺度的"极地—赤道"温度梯度减小和东亚大陆尺度的东西温度梯度减小是共同促使这次东亚大槽年代际西移和副热带高压北扩的主要原因。     

甘肃省春季降水的空间异常分布及年代际变化

利用甘肃省80个气象站建站至2012年3-5月的降水量资料, 分析了甘肃省春季降水的基本气候特征; 通过EOF、REOF、小波分析等方法, 对甘肃春季降水的时空特性进行了研究, 用Mann-Kendall检验法检验了甘肃春季降水序列是否存在突变现象. 结果表明, 甘肃春季降水空间分布极不均匀, 其空间分布特征是东南部为多雨区、西北部为少雨区. 甘肃春季降水在第一空间尺度上为全区一致, 在第二空间尺度上可分为2个自然气候区, 在第三空间尺度上可分为7个自然气候区. 从年代际变化来看, 1960年代是近50 a来降水最多的10 a, 1990年代是降水最少的10 a; 甘肃春季降水的年际变率十分显著, 降水最多的年份是最少年份的近5倍. 1961-2012年间甘肃春季降水发生了明显的突变, 1982年出现了一次增多趋势的突变, 1992年出现了一次减少趋势的突变. 5 a的短周期和18～19 a的长周期是其主要周期. 甘肃春季降水偏少(多)年份的500 hPa异常环流形势为极涡弱(强)、中纬度亚洲为一脊一槽型、东亚大槽深(浅)、南支槽浅(深).     

河西走廊春末夏初降水的空间异常分布及年代际变化

利用河西走廊19个气象代表站建站至2002年5～6月降水量资料, 分析了河西走廊春末夏初干旱的基本气候特征; 在利用EOF和REOF方法进行降水空间异常变化分析和气候分区的基础上,讨论了第一时间系数(PC1)及各区代表站降水量的年代际变化规律. 结果表明, 河西走廊春末夏初降水量在第一空间尺度上为全区一致; 在第二空间尺度上可分为3个气候区; 在第三空间尺度上可分为5个自然气候区. 1980年代为近50 a来降水最多的10 a, 1990年代有所减少, 20世纪末至21世纪初有明显增加. 前期冬季欧亚径向环流加强, 亚洲区极涡面积扩大、强度加强, 冷空气活动频繁, 将有利于次年春末夏初河西走廊降水偏多. 欧洲青藏高原华北西太平洋的波列, 特别是东亚大槽的填塞和青藏高原低值系统频繁活动, 造成了500 hPa高空场上"东高西低"的典型多雨流型.     

春季热带海温与北疆夏季极端降水的关系研究

基于1961—2017年北疆47站夏季逐日降水资料、NOAA海温资料和NCEP/NCAR再分析资料,利用90%分位确定北疆夏季单站降水阈值,得出极端降水量,讨论了春季热带海温与北疆夏季极端降水的关系。结果表明：北疆夏季极端降水和春季热带印度洋（20° S~15° N,50°~110° E）及赤道东太平洋（15° S~15° N,90°~180° W）海温呈正相关,两个关键区春季热带海温异常偏暖时,北疆夏季极端降水偏多,仅春季热带印度洋关键区海温异常偏暖时,北疆西北地区夏季极端降水偏多。当春季热带印度洋和赤道东太平洋关键区海温同时异常偏暖时,200 hPa西风急流轴明显偏南,500 hPa西西伯利亚和中亚地区低值系统活跃,南方路径输送的水汽增加,有利于北疆夏季极端降水的发生;仅春季热带印度洋关键区海温异常偏暖时,200 hPa西风急流强度增强,500 hPa西西伯利亚地区低值系统活跃,配合偏东路径的水汽输送,北疆西北地区夏季极端降水偏多。     

ENSEMBLES耦合模式对全球陆地季风区夏季降水的年代际预测能力评估

全球季风区降水对当地社会经济、全球大尺度环流及能量循环至关重要。采用欧洲联盟ENSEMBLES计划Stream 2的年代际回报试验,评估了其对1960—2015年全球陆地季风夏季降水年代际变化的回报能力,并探讨了北半球陆地季风区夏季(NHSM)降水年代际变化可预报性的可能来源。分析发现ENSEMBLES对全球及南球陆地季风区夏季降水的年代际回报技巧不高,但其对NHSM降水具有一定的预报能力,能合理回报出观测中NHSM降水在1960年至1970s末期的减弱趋势和1990s之后的增强趋势,其缺陷在于模式中NHSM降水最小值出现在1970s末期,较之观测提前了近10年,未能回报出1980s中期至1990s初期NHSM的干旱期。mega-ENSO与大西洋多年代际振荡(AMO)是影响NHSM降水年代际变化的2个重要驱动因子。分析发现模式回报的NHSM降水与mega-ENSO、大西洋多年代际振荡(AMO)的正相关明显大于观测,能合理再现2个指数在1960年至1970s末期和1990s后的变化趋势,是模式对这2个时段内NHSM降水回报技巧的重要来源。虽然ENSEMBLES对AMO的年代际变化具有较高的回报能力(与观测的最大相关系数高达0.85),但是对mega-ENSO的回报技巧较弱,进而限制了模式1980s中期至1990s初NHSM的年代际预报技巧。因此,提高模式对mega-ENSO的预报能力,是提升NHSM降水年代际预报水平的重要途径。     

重建与模拟中过去500年厄尔尼诺和东亚夏季风关系的年代际变化

在厄尔尼诺衰减年夏季,西北太平洋上通常会激发异常反气旋,并加强东亚夏季风。基于过去500年的重建数据,分析发现厄尔尼诺和东亚夏季风的关系并不稳定,而是存在年代际震荡。特别是在17世纪的小冰期,在厄尔尼诺衰减年的夏季,西北太平洋上空的环流表现为气旋异常。通过EOF分解发现,厄尔尼诺引起的东亚夏季风异常的年代际变化有两种主导模态：第一种是偶极子模态,表现为中南半岛和菲律宾群岛的负降水异常,以及中国东部降水增多;第二种是东亚地区表现为一致变化的均一模态。在厄尔尼诺衰减年的夏季,西北太平洋异常反气旋的年代际变化主要是由偶极子模态控制,且与有效太阳辐射呈正相关。在小冰期,太阳辐照度剧烈减少,从而导致衰减年的夏季西北太平洋出现气旋型异常。模式模拟可以重现重建资料得到的偶极子和均一模态,并且反气旋的年代际变化同样也是由偶极子模态引起的。从内部变率的视角来看,偶极子模态与类厄尔尼诺型的太平洋气候平均态有关。当关注于外部强迫的响应,尽管模式集合平均与有效太阳辐射表现为负相关,但是集合成员之间并不是完全一致的年代际变化,存在较大的方差。说明对于外强迫的响应,模式与重建资料仍存在一定的差异。

     

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.     

青藏高原冬春季积雪异常与西南地区夏季降水的关系

选取1961-2007年青藏高原冬、春季积雪日数资料和西南地区夏季降水资料,对高原积雪和降水作奇异值分解(SVD)分析.结果表明:冬春季高原积雪对西南地区夏季旱涝有重要的影响.冬、春季高原积雪的不同分布将造成后期西南地区夏季降水分布出现差异.西南地区夏季降水对冬季高原积雪异常最敏感的区域主要是四川东北部、重庆、西藏中西部,对春季积雪异常最敏感的区域主要位于四川东部、重庆、贵州东北部,以及西藏中东部.与降水敏感区相对应的冬季高原积雪分布的关键区是西藏中西部和青海中南部至四川西北部地区,春季则转变为西藏西部和青海部分地区.总的来说,冬季高原积雪的异常变化比春季对西南地区夏季降水的影响更为明显.因此,前期青藏高原积雪是西南地区夏季降水预测中的一个重要信号,对夏季西南地区降水有一定的指示和预测意义;冬季高原积雪日数尤其具有预报指示意义,可作为一个重要的预测指标.     

我国北方沙尘暴年代际变化与北大西洋海气系统年代际变率的联系

分析了近50年我国北方沙尘暴的年代际变化和热盐环流(THC)的年代际变率的演变特征,发现沙尘暴与THC存在一定的联系.这种相互联系的演变过程大致是:THC与北大西洋涛动(NAO)有联系,NAO与西伯利亚冷高压有联系,而西伯利亚高压又影响北半球冷空气活动,最终影响我国北方沙尘暴的发生.结果表明,THC强(弱)→NAO弱(...     

SCL与中国东部气候年代际变化

据宇地磁耦合原理,利用太阳黑子周期长度(SCL)的变化及其与地磁场(文中主要考虑地热)的关系,模拟计算并重建了中国东部历史时期的气温序列变化,除了个别时段外,模拟曲线与修正后的竺可桢曲线十分相似;分析了2500a来中国东部气候的年代际变化.结果表明,该曲线能较好地再现2500a来中国东部气候的冷暖变化.对竺氏曲线中有争议的几个冷暖时段,如公元150—350年的温暖期、1050—1150年的小气候适宜期等,模拟结果与后来研究者分析的结果相合.中唐至五代的气候冷暖交替变化不稳定.该曲线也能清晰地反映出小冰期中国东部气候各个时段的变化以及现代气候的变化趋势。     

赤道印度洋海温异常与偶极子季节变化特征

利用Scripps海温再分析资料,对赤道印度洋0～400m深度范围内海温变化和偶极子异常变化特征进行了初步分析。结果显示,赤道印度洋上层海温呈现西低东高,而次表层以下海温则为西高东低。同时发现,温跃层是赤道印度洋上、下层很好的分界面。温跃层之上海温变化受海气相互作用明显,之下海温变化主要受海洋自身的运动影响。赤道印度洋偶极子现象存在于各个深度,其偶极子指数变化存在半年周期,季节变化表现为双峰双谷型,并从深层（400m）向表层传递。分析发现,海气相互作用不是表层赤道印度洋偶极子变化的决定因素。较深层偶极子变化决定于海洋自身的运动变化特征（如洋流）,并向上层传输,进而影响上层偶极子的异常变化。赤道印度洋偶极子指数由西印度洋和东印度洋海温变化共同制约,但西印度洋海温变化起主导作用,东印度洋仅起到加强或减弱偶极子强度变化的作用。     

过去2000年东亚夏季风降水百年际变化特征及成因的模拟研究

利用地球系统模式CESM过去2 000年气候模拟试验结果,探讨了在百年尺度上东亚夏季风降水的时空变化特征及其成因,对于认识百年尺度气候变化规律、区分外强迫因子对东亚季风的影响有着重要的科学意义。研究表明:1东亚夏季风降水与温度基本同相变化,降水存在准100年、准150年和准200年周期。2降水标准化EOF第一模态为由北向南"负—正—负—正"的条带状空间分布,而EOF第二模态基本为全区一致的分布型态。3东亚夏季风降水准100年周期主要受太阳辐射、火山活动和气候系统内部变率的共同影响;准150年周期主要受太阳辐射的影响;准200年周期主要受太阳辐射和火山活动的影响。东亚夏季风降水在温带地区主要受温室气体和土地利用/覆盖的影响;在副热带地区主要受太阳辐射和火山活动的影响;在热带地区主要受太阳辐射、火山活动和气候系统内部变率的影响。     

中国水汽输送年际和年代际变化研究进展

大气中的水汽输送对于全球的水分循环、气候系统、生态环境等具有重要意义。水汽输送是影响中国旱涝空间分布的重要因素，其年际和年代际变化与厄尔尼诺-南方涛动、海温、北大西洋涛动、太平洋年代际涛动等因素对东亚大气环流的调控作用有关。本文就近期关于中国地区水汽输送年际和年代际变化的部分研究工作进行了回顾和评述，包括影响中国东部降水年际和年代际变化的水汽输送机制、影响梅雨特征年代际变化的水汽输送机制、热带海温对中国上空水汽输送的影响机制等问题。此外，本文回顾了近期与青藏高原地区水汽输送机制有关的研究进展。     

50 a来我国东北及邻近地区年降水量的年代际异常变化

利用中国东北地区195个和蒙古国6个气象台站的年降水量资料, 利用EOF、 REOF和分段线性拟合等方法, 分析了50 a来东北及其邻近地区年降水量的年代际异常变化. 结果表明: 1)50 a来的降水变化, 东北演变过程为多-少-多; 华北的演变过程为多-少. 自1980年代起, 东北地区由干变湿, 而华北地区则由湿变干. 2)降水主要呈3种分布形式: 全区一致型; 南北反向型; 南北部一致与中部相反分布型. 3)降水量总体呈下降趋势, 但近30 a来东北北部有增湿趋势, 而南部的干旱化一直在加剧. 4)大部分地区的降水量在1970年代中期和1980年代初期经历了一次突变, 但是变化的方向、范围及时间各地不尽一致.     

中国水汽输送年际和年代际变化研究进展

大气中的水汽输送对于全球的水分循环、气候系统、生态环境等具有重要意义。水汽输送是影响中国旱涝空间分布的重要因素，其年际和年代际变化与厄尔尼诺-南方涛动、海温、北大西洋涛动、太平洋年代际涛动等因素对东亚大气环流的调控作用有关。本文就近期关于中国地区水汽输送年际和年代际变化的部分研究工作进行了回顾和评述，包括影响中国东部降水年际和年代际变化的水汽输送机制、影响梅雨特征年代际变化的水汽输送机制、热带海温对中国上空水汽输送的影响机制等问题。此外，本文回顾了近期与青藏高原地区水汽输送机制有关的研究进展。     

南极海冰异常对南半球冬春季大气环流影响的年代际变化

南极海冰异常是影响南半球大气环流变化的一个重要因素。南极海冰变率的主要模态被称为南极海冰偶极子(Antarctic Dipole, ADP),具体表现为南极半岛两侧海冰的反相变化。ADP的出现受到厄尔尼诺-南方涛动事件的强烈影响,而过去的研究显示,厄尔尼诺在2000年后由东部型转到中部型,伴随着该转变,南极海冰的异常模态及其对南半球大气环流的影响也发生了年代际变化。通过对前期的南极海冰异常与滞后的南半球冬春季位势高度异常进行最大协方差分析,发现南半球冬季至春季持续性的正位相ADP,在1979—1999年间与南半球春季的负位相南半球环状模(Southern Hemisphere Annular Mode,SAM)显著关联,但在2000—2021年间该相关性较弱,转变为南半球秋季的三极型海冰异常与后期冬季的SAM显著相关。动力诊断证明,ADP及三极型海冰异常均能通过引发高频瞬变涡旋的变化,激发并维持SAM型大气环流异常。     

全新世暖期鼎盛期与未来变暖情景下东亚夏季降水和气温变化对比

利用通用气候系统模式（Community Climate System Model,简称CCSM）全新世和21世纪气候模拟试验数据,对比分析了全新世暖期鼎盛期和RCP4.5（Representative Concentration Pathway 4.5,简称RCP4.5）未来变暖情景下东亚地区夏季地表气温和降水的空间分布特征,并探讨了两个暖期夏季气候变化的成因机制。结果表明：1）全新世东亚地区最暖的夏季出现在9 ka B.P.前后,这与地球轨道参数有关;2）RCP4.5温室气体排放情景下21世纪整个东亚地区的夏季平均地表气温均呈上升趋势,而在全新世暖期鼎盛期东亚地区的夏季地表气温呈现同心圆状分布;3）全新世暖期鼎盛期和未来变暖情景下东亚地区夏季降水的空间分布有明显差异,前者东亚地区的夏季降水呈现"南负北正"的偶极子分布形态,而后者呈三极子形势;前者东亚夏季降水的变化幅度明显强于后者;4）全新世暖期鼎盛期副高偏强,中国东部偏南气流较强;而在RCP4.5未来变暖情景下副高偏弱。     

FGOALS-s2海洋同化系统中东亚夏季风和前冬厄尔尼诺—南方涛动关系的年代际变化

海洋同化系统为年代际预测试验提供初值,其性能可能会影响年代际预测技巧,因此评估其对重要年代际变化现象的模拟能力非常必要。观测发现,东亚夏季风(EASM)和前冬厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)的关系在1970s末加强,随后在1990s中期后减弱。基于FGOALS-s2耦合气候模式的海洋同化系统评估了其对这2次年代际变化的模拟能力。结果表明,决定模式能否再现EASM和前冬ENSO关系的年代际变化有2个重要因素:(1)与前冬ENSO有关的夏季印度洋—太平洋海温型的年代际变化;(2)模式西北太平洋反气旋对热带海温的响应偏差。模式中西北太平洋反气旋与东北印度洋的暖海温关系稳定,当1970s末前冬ENSO对夏季印度洋海温影响显著增强时,模式能够模拟出北印度洋降水以及赤道东印度洋至海洋大陆上空Kelvin波的增强,从而可再现EASM与前冬ENSO关系的增强;而1990s中期后模式中与前冬ENSO有关的东北印度洋海温异常进一步增强,与观测相反,使得模式未能再现观测中EASM与前冬ENSO关系的减弱。此外,1990s中期后模式对夏季中太平洋冷海温异常的Rossby波响应存在较大偏差,是其未能再现此次年代际变化的另一个原因。研究表明,与ENSO有关的热带印太海温的年代际变化预测水平和模式对海温的响应偏差将在一定程度上制约模式对EASM与ENSO关系的年代际预测能力。