中国降水的年代际变化及全球变暖、太平洋年代际振荡、大西洋多年代际振荡对其的相对贡献

虽然中国降水以年际变化为主,但可利用奇异谱分析辨析出10—20 a、20—50 a 年代际变化的显著性区域以及>50 a 的长期趋势的显著性区域。本研究通过奇异值分解、多元线性回归等方法探究了1934—2018年不同海洋模态对6—8月（夏季）和12月—翌年2月（冬季）中国陆地降水趋势以及年代际振荡的相对贡献。通过对中国降水及中低纬度地区海温进行奇异值分解发现,不论冬夏,影响中国降水的主要模态是全球变暖,其次是太平洋年代际振荡。利用多元线性回归模型定量评估全球变暖、太平洋年代际振荡、大西洋多年代际振荡对中国不同区域降水的方差贡献及各因子的相对贡献,结果表明:夏季,三者可以解释西北和华北大约30%的年代际降水,其中全球变暖的相对贡献最大、太平洋年代际振荡次之;冬季,三者可以解释东北42%、西北和华北30%左右的年代际降水,东北和西北以全球变暖的相对贡献为主、大西洋多年代际振荡为辅,华北仍以全球变暖的影响为主、太平洋年代际振荡为辅。      

太平洋年代际振荡、大西洋年代际振荡和全球变暖对北美地区降水的相对贡献

本文研究了1934～2018年期间太平洋年代际振荡（Interdecadal Pacific Oscillation,IPO）、大西洋年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）以及全球变暖（Global Warming,GW）对北美地区陆地降水年代际变化的相对贡献。首先通过对冬（12至次年2月）、夏季（6～8月）北美地区的陆地降水与中低纬地区的海表面温度进行奇异值分解分析,得到对北美陆地冬季降水相对贡献较大的主要海温模态为IPO（42.33%）和AMO（23.21%）,夏季则为AMO（32.66%）和IPO（21.60%）。其次利用线性回归模型,分析三种信号分别对北美冬、夏季陆地降水的相对贡献及对北美陆地不同区域降水的相对重要性,结果表明AMO对夏季北美陆地降水变化的贡献最大,IPO次之,冬季则相反,GW对冬夏季北美陆地降水都有一定的贡献。夏季期间阿拉斯加地区AMO的贡献最大,约占65.8%,加拿大地区GW的贡献最大,约占44.5%,美国本土及墨西哥地区三者贡献基本一致;冬季期间阿拉斯加和加拿大地区GW的贡献最大,分别为62.3%和44.7%,美国本土和墨西哥地区IPO的贡献最大,分别为47.9%和71.5%。进一步利用信息流方法,验证了IPO、AMO、GW对降水的敏感性区域。最后运用全球大气环流模式ECHAM 4.6进一步确定了太平洋和大西洋海温异常对北美地区陆地降水变化的影响途径,结果表明印度洋海表面温度异常在AMO和IPO对北美陆地降水变化的作用中至关重要。     

1948～2001年全球陆地9～11月降水的长期变化

本文用Chen等(2001)最新创建的全球陆地月降水资料(PREC／L)，计算了1948～2001年全球9～11月陆地降水量趋势变化。结果表明，在1948～2001年，全球9～11月的降水量场有明显的趋势变化，全球大约2／3左右的陆地9～11月降水量是负趋势，明显减少的区域是：热带非洲，俄罗斯西北部，中国东部，南亚及东南亚，南极的威尔克斯地，格陵兰北部，等六个地区。全球仅1／3左右的陆地9～11月降水量是正趋势，降水量增加的地区是：加拿大北部，墨西哥北部及美国西南部，南美的阿根廷，非洲南部的南非、博茨瓦纳南部，等四个地区。正负趋势面积的差异在统计上是显著的。本文还研究了36个纬度带9～11月平均降水量的趋势系数，指出全球共有8个纬圈的9～11月降水量的趋势变化达到0．05信度的显著性，初步讨论了全球9～11月降水量趋势变化的原因。     

我国华南3月份降水年代际变化的特征

利用1951～2005年华南3月份降水资料、太平洋年代际振荡(PDO)指数以及NCEP再分析资料,对华南3月份降水年代际变化特征、及其对应的大尺度环流以及与PDO的关系进行了分析。结果表明,华南3月份降水存在显著的年代际变化特征,并且Mann-Kendal突变检验表明华南3月份降水在1978年左右发生年代际突变,从之前的降水偏少转变为降水偏多。我国华南3月份降水与PDO有着显著的相关。进一步研究表明,在年代际降水偏少时期,PDO处于负位相(北太平洋海温偏高,中东太平洋海温偏低),北太平洋海平面气压场和高度场偏高,亚洲大陆海平面气压场和高度场偏低,赤道西太平洋到赤道东印度洋附近的海平面气压场偏低,赤道辐合带附近地区的高度场偏低,东亚对流层大气偏暖,西太平洋副热带高压偏东,东亚高空急流偏北,东亚Hadley环流偏弱。在年代际降水偏多时期,PDO处于正位相,情况则与降水偏少时期相反。     

北太平洋的年代际振荡与全球变暖

通过回顾和总结前人工作,特别是有关北太平洋年代际振荡的研究,针对近50年来北太平洋中纬度海温变冷的现象进行了分析与讨论。从全球气候变化的角度,总结了影响北太平洋中纬度海温变冷现象的几种可能机制,推测了全球气温变暖可能会对北太平洋的直接或间接影响,归纳指出了研究该问题的复杂性与目前面临的困难。     

1948～2001年全球陆地12～2月降水旱涝长期变化

本文利用1948～2001全球陆地月降水资料(PREC／L)，研究了全球、北、南半球及欧亚、非洲、澳洲、北美、南美和南极大陆6个大尺度区域12～2月的降水趋势变化及早涝气候变化。结果表明：全球、南、北半球的12～2月的陆面降水有明显的年代际变化，全球12～2月降水量从1975年开始有明显的下降趋势，回归系数约为-0．017mm／a。北半球有明显的降水减少，约为-0．028mm／a，南半球12～2月降水表现为极微弱的下降趋势，且在统计上是不显著的。划分出了全球、南北半球、全球6个大尺度区域12～2月旱涝年，指出全球及北、南半球12～2月的旱涝有明显的年代际变化。70年代中期以前是全球洪涝多发期，80年代到90年代为全球干旱多发期。北半球旱涝特征与全球特征相近，南、北半球12～2月的旱涝没有明显的联系。12～2月大尺度区域中：欧亚大陆、北美洲、南极大陆旱涝年的分布有明显的年代际特征，并指出全球大部分地区的旱涝年降水量有显著的差异。6个大尺度区域12～2月的降水相关关系中，欧亚大陆和非洲大陆的相关系数最高，为-0．35，北美大陆与欧亚大陆，南美洲和澳洲的12～2月降水也有较高的相关关系。     

北大西洋多年代际振荡（AMO）对南海夏季风撤退年代际变率的影响及可能机理

基于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）物理科学实验室（PSL）和科罗拉多大学环境科学研究所（CIRES）重建的NOAA-CIRES 20th再分析数据和国际综合海洋大气数据集（ICOADS）的全球月海表温度数据（ERSST）,并结合数值试验分析了南海夏季风撤退的年代际变率特征及北大西洋多年代际振荡（AMO）对其产生的影响。结果表明,南海夏季风撤退时间具有明显的年代际变率,南海夏季风撤退偏晚（早）年代中国南海及其附近区域上空有显著的气旋性（反气旋性）环流异常,降水偏多（少）。进一步研究发现,AMO与南海夏季风撤退年代际变率呈显著正相关,即AMO为正位相时,南海夏季风撤退偏晚;AMO为负位相时,南海夏季风撤退偏早。北大西洋海温升高（即AMO位于正位相）,从海洋释放更多的热通量到大气,导致北大西洋上空对流层的对流活动明显增强,通过海-气相互作用激发北大西洋上空的波活动异常,进而影响与东北亚关键区域大气环流变化密切相关的中纬度欧亚遥相关波列的形成和传播,引起东北亚关键区的正位势高度异常和明显的下沉运动,并在其对流层低层产生辐散运动,能量伴随着偏北的辐散风气流传播至中国南海及邻近区域辐合上升,进一步加强了南海区域的气旋性环流异常,使得南海夏季风撤退偏晚。AMO负位相时,异常情况与之大致相反,使得南海夏季风撤退偏早。      

IPO调节大西洋纬向模对澳大利亚秋季降水年际变动的影响

采用1900-2014年115 a的观测和再分析资料,使用滤波、线性相关等方法,研究太平洋年代际振荡(Interdecadal Pacific Oscillation,IPO)调节大西洋纬向模(Atlantic Zonal Mode,AZM)对澳大利亚秋季降水年际变动的调节作用及机制.结果 表明,当IPO位于正位相时,...     

华北水资源年代际变化及其与全球变暖之间的关联

本文利用1951～2011 年期间中国台站资料、东亚地区的探空资料、NCEP/NCAR 和ERA40 等大气再分析资料,通过对水分平衡方程诊断探讨了华北地区过去60 年中水资源和可利用降水量的变化特征及其与大尺度环流变化之间的关系。结果发现,华北地区69%的降水量被蒸发,可利用降水仅仅为降水量的31%。夏季可利用降水是华北水资源的主要来源,华北夏季可利用降水量在80 年代初发生突变减少,进入21 世纪初,伴随蒸发量的增加该地区可利用降水量进一步减少。西风带水汽与东亚夏季风水汽是华北可利用降水的主要来源。NCAR/NCEP 和EAR40 再分析资料的结果均显示贝加尔湖一带的位势高度偏低和西太平洋高压的偏强有利于该地区降水增多。利用探空资料进一步证明,蒙古以及贝加尔湖地区的温度在对流层低层变暖和位势高度场的加强导致了过去几十年华北可利用降水量减少。由于贝加尔湖地区温度变化与全球变暖存在密切关联,监测该地区温度的变化对预测华北水资源和东亚夏季风的长期变化具有重要的意义。     

1880—2010年中国东部夏季降水年代际变化特征

利用1880—2010年中国东部66站夏季降水数据,开展夏季长序列降水的年代际变化特征研究。结果表明,中国东部夏季降水年代际变化特征显著,华北、江淮和华南地区存在明显的差异。经验正交分解结果表明,偶极型("-+"和"+-")和三极型("+-+"和"-+-")分布是中国东部夏季的两种主要降水模态。夏季500 h Pa高度场年代际分量与同期太平洋SST典型相关分析(BP-CCA)得出,太平洋年代际振荡(PDO,Pacific Decadal Oscillation)正位相可以激发出负的PJ型遥相关波列,导致长江中下游地区降水偏多,华北降水偏少;反之亦然。同时,通过滑动相关分析发现,中国东部不同区域的夏季降水对PDO不同位相的响应特征存在差异。     

Interdecadal Modulation of AMO on the Winter North Pacific Oscillation-Following Winter ENSO Relationship

It is known that the wintertime North Pacific Oscillation (NPO) is an important extratropical forcing for the occurrence of an El Ni?o?Southern Oscillation (ENSO) event in the subsequent winter via the “seasonal footprinting mechanism” (SFM). This study reveals that the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) can notably modulate the relationship between the winter NPO and the following winter ENSO. During the negative AMO phase, the winter NPO has significant impacts on the following winter ENSO via the SFM. In contrast, the influence of the winter NPO on ENSO is not robust at all during the positive AMO phase. Winter NPO-generated westerly wind anomalies over the equatorial western Pacific during the following spring are much stronger during negative than positive AMO phases. It is suggested that the AMO impacts the winter NPO-induced equatorial westerly winds over the western Pacific via modulating the precipitation climatology over the tropical central Pacific and via modulating the connection of the winter NPO with spring sea surface temperature in the tropical North Atlantic.     

Recent Decrease in the Difference in Tropical Cyclone Occurrence between the Atlantic and the Western North Pacific

Climatologically, among all ocean basins, the western North Pacific (WNP) has the largest annual number of tropical cyclones (TCs) of around 26 while the Atlantic has around 13, yielding a difference of 13. However, the difference is –7 in 2020, with 30 TCs in the Atlantic and 23 in the WNP, which is the most negative difference within the last 46 years. In fact, during the last 26 years, the difference in TC number is below 10 in ten years, with four years being negative. Such a decreasing difference in TC number can be attributed to the natural multidecadal variation of the Atlantic Multidecadal Oscillation and Interdecadal Pacific Oscillation, as well as other external forcings such as anthropogenic aerosol forcing and increased greenhouse gases, with the additional impact from the La Ni?a condition. This result has significant implications on climate model projections of future TC activity in the two ocean basins.     

The Impact of Global Warming on the Pacific Decadal Oscillation and the Possible Mechanism简

The response of the Pacific Decadal Oscillation （PDO） to global warming according to the Fast Ocean Atmosphere Model （FOAM） and global warming comparison experiments of 11 IPCC AR4 models is investigated. The results show that North Pacific ocean decadal variability, its dominant mode （i.e., PDO）, and atmospheric decadal variability, have become weaker under global warming, but with PDO shifting to a higher frequency. The SST decadal variability reduction maximum is shown to be in the subpolar North Pacific Ocean and western North Pacific （PDO center）. The atmospheric decadal variability reduction maximum is over the PDO center. It was also found that oceanic baroclinic Rossby waves play a key role in PDO dynamics, especially those in the subpolar ocean. As the frequency of ocean buoyancy increases under a warmer climate, oceanic baroclinic Rossby waves become faster, and the increase in their speed ratio in the high latitudes is much larger than in the low latitudes. The faster baroclinic Rossby waves can cause the PDO to shift to a higher frequency, and North Pacific decadal variability and PDO to become weaker.     

Simulated Influence of the Atlantic Multidecadal Oscillation on Summer Eurasian Nonuniform Warming since the Mid-1990s

Based on ensemble experiments with three atmospheric general circulation models(AGCMs), this study investigates the role of the Atlantic Multidecadal Oscillation(AMO) in shaping the summer nonuniform warming over the Eurasian continent since the mid-1990 s. The results validate that the positive-phase AMO can indeed cause nonuniform warming,with predominant amplified warming over Europe–West Asia and Northeast Asia, but with much weaker warming over Central Asia. The underlying mechanism is then diagnosed from the perspective that the boundary forcing modulates the intrinsic atmospheric variability. The results highlight the role of the Silk Road Pattern(SRP), an intrinsic teleconnection pattern across the subtropical Eurasian continent propagating along the Asian jet. The SRP can not only be identified from the AGCM control experiments with the climatological sea surface temperature(SST), but can also be simulated by the AMO-related SST anomaly(SSTA) forcing. Furthermore, diagnostic linear baroclinic model experiments are conducted, and the results suggest that the SRP can be triggered by the AMO-related tropical diabatic heating. The AMO-triggered SRP-like responses feature anticyclonic circulations over Europe–West Asia and Northeast Asia, but cyclonic circulation over Central Asia. These responses cause increased warm advection towards Europe–West Asia and Northeast Asia, reduced precipitation and cloud cover, and then increased downward shortwave radiation. This increased warm advection and increased downward shortwave radiation together cause amplified warming in Europe–West Asia and Northeast Asia. The situation is opposite for Central Asia.     

全球变暖形势下中国陆表水分的变化

利用政府间气候变化委员会第四次评估报告（IPCCAR4）中的10个耦合模式CO：加倍试验和控制试验的模拟结果,分析了全球变暖背景下中国水分的变化。结果表明,随着全球变暖,东亚夏季风增强,冬季风减弱,使得冬夏季向中国区域输送的水汽都增强;中国区域降水,夏季除长江流域外基本都增加,冬季除华南外都增加。夏季降水蒸发差（P—E）除了在东北和南方增加外,从长江流域一直到西北有一带状减小带;冬季几乎所有模式的P—E表现为北方增加、南方减小。在全球变暖背景下,降水、蒸发和径流的综合结果以及积雪的作用使得土壤湿度在干旱区增加,且冬季干旱区土壤变湿的强度和范围大于夏季,然而在其他区域土壤湿度减少。上述结论是基于多模式集合平均结果,对未来气候的预估具有一定的参考价值,然而模式间存在较强差异性,仍具有较大不确定性。     

亚非夏季风的年代际变化:大西洋多年代际振荡与太平洋年代际振荡的协同作用

亚非夏季风系统包括非洲夏季风、南亚夏季风和东亚夏季风。它是全球季风系统中具有高度整体一致性变化的系统,其主要原因是亚非夏季风系统具有相同的主要驱动力:AMO(Atlantic Multidecadal Oscillation,大西洋多年代际振荡)和PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代际振荡)海洋年代际变化模态。在此前提下,本文首先阐述了AMO对亚非夏季风的强迫作用与遥相关作用,特别强调了它在亚非夏季风及其降水年代际转型中的作用;其次讨论了PDO与冬春积雪的年代际变化对东亚夏季风雨带的协同作用;最后综合分析了AMO、PDO与IOBM(Indian Ocean Basin Mode,印度洋海盆一致模态)的协同作用,指出印度洋海洋模态在年代尺度上独立于AMO与PDO的相关组合,主要起着加强东亚夏季风活动的作用。     

Intraseasonal oscillation intensity over the western North Pacific:Projected changes under global warming

本文利用8个CMIP5模式的日资料,预估了RCP4.5和RCP8.5情景下全球增温达1.5℃和2.0℃时西北太平洋夏季30～60天和10～20天季节内振荡(ISO)强度的变化情况.大多数模式都认为,无论增温水平或情景如何,预估结果均显示从中南半岛南部到菲律宾以东的带状区域内ISO强度增加,并且关键气象要素背景的变化会对...     

北大西洋多年代际振荡正、负位相期间欧亚夏季副热带波列季节内活动特征及与印度降水的联系

利用美国国家环境预测中心与国家大气研究中心（NCEP/NCAR）逐日再分析资料,针对北大西洋多年代际振荡（AMO）两个不同位相,对逐候200 hPa经向风异常进行EOF分析,发现在AMO正、负位相期间,欧亚副热带波列的季节内活动存在明显差异。利用超前—滞后回归,对比了不同AMO位相下副热带波列及其相联系的印度夏季降水的季节内活动演变特征,分析有关的大气环流,探究波列影响降水的机制。结果表明:在AMO负位相期间,由格陵兰岛以南北大西洋经大不列颠岛、地中海、黑海—里海向南亚北部传播的副热带波列的季节内演变,在印度中部引起下沉,导致中部及西北部季节内降水减少,波列负位相相反;在AMO正位相期间,副热带波列西起冰岛以南北大西洋经丹麦南部、俄罗斯西部、中亚向南亚东北部传播,对应该波列的季节内演变,辐合上升区在印度中部和东西两侧,使得该区域季节内降水增加,波列负位相相反。于是,AMO通过调制夏季欧亚副热带波列的季节内活动,可以对印度夏季降水的季节内变化空间型及演变发挥显著影响。     

Impact of land use changes on surface warming in China

Land use changes such as urbanization, agriculture, pasturing, deforestation, desertification and irrigation can change the land surface heat flux directly, and also change the atmospheric circulation indirectly, and therefore affect the local temperature. But it is difficult to separate their effects from climate trends such as greenhouse-gas effects. Comparing the decadal trends of the observation station data with those of the NCEP/NCAR Reanalysis (NNR) data provides a good method to separate the effects because the NNR is insensitive to land surface changes. The effects of urbanization and other land use changes over China are estimated by using the difference between the station and the NNR surface temperature trends. Our results show that urbanization and other land use changes may contribute to the observed 0.12℃ (10 yr)- 1 increase for daily mean surface temperature, and the 0.20℃ (10 yr)- 1 and 0.03℃ (10 yr)-1 increases for the daily minimum and maximum surface temperatures, respectively. The urban heat island effect and the effects of other land-use changes mayalso play an important role in the diurnal temperature range change. The spatial pattern of the differences in trends shows a marked heterogeneity.The land surface degradation such as deforestation and desertification due to human activities over northern China, and rapidly-developed urbanization over southern China, may have mostly contributed to the increases at stations north of about 38°N and in Southeast China, respectively. Furthermore, the vegetation cover increase due to irrigation and fertilization may have contributed to the decreasing trend of surface temperature over the lower Yellow River Basin. The study illustrates the possible impacts of land use changes on surface temperature over China.