东亚冬季风异常与全球大气环流变化 I. 强弱冬季风影响的对比研究

利用ECMWF资料挑选出一个强冬季风年（1986年）和一个弱冬季风年（1980年）,通过个例分析对各种气象要素场及中高纬度大尺度环流在强弱冬季风年的差异特征进行比较。分析结果表明：东亚冬季风是全球大气环流的一个重要组成部分,冬季风异常关联着全球环流的异常;这种异常不仅在中高纬度环流中表现出来,而且在热带地区大尺度流场上也尤为显著。强弱冬季风所对应的长波槽脊分布、低纬对流特征、三维流场结构都是截然不同的。冬季风异常不但造成了同期环流形势的差异,而且对后期环流和天气状况也有影响。     

东亚冬季风及其影响的进一步研究I.东亚冬季风变化及异常的特征

东亚冬季风是北半球冬季最活跃的大气环流系统,其活动有重要影响,其向南爆发可以越过赤道对澳大利亚夏季风起作用。但相对夏季风,人们对东亚冬季风的研究一直较少。作者首先利用Hadley中心近百年的北半球海平面气压场资料,改进提出了一个能更好表征东亚冬季风强度的指数,进一步分析研究了东亚冬季风的年际和年代际变化及其异常特征。其结果表明,东亚冬季风不仅存在着明显的年际变化,主要有准两年的振荡周期和5～7年左右的周期,还存在周期为25～30年左右以及周期为十几年的年代际变化。利用NCEP/NCAR再分析资料,采用相关分析、合成分析的方法,还系统研究了东亚冬季风异常时的大气环流特征。对比分析表明,对应强、弱东亚冬季风,大尺度环流系统(蒙古高压、阿留申低压、500 hPa位势高度场等)的变化特征基本上呈反相分布;并且在强、弱东亚冬季风年,赤道地区的Hadley环流和Walker环流也出现基本反相的异常分布特征;而且赤道西太平洋有西(东)风异常出现,菲律宾以东有异常气旋(反气旋)性环流。在对异常东亚冬季风诊断分析的基础上,用一个大气环流模式（GCM）模拟了异常东亚冬季风的活动。通过对数值模拟结果的强、弱东亚冬季风进行对比分析发现,在强、弱东亚冬季风时,北半球中高纬度大气环流的结构会出现明显的变化和调整;同时,热带地区大气环流也有显著的差异。数值模拟和资料分析结果有较好的一致性,从而进一步揭示了东亚冬季风的变化和异常特征。     

东亚冬季风及其影响的进一步研究Ⅰ.东亚冬季风变化及异常的特征

东亚冬季风是北半球冬季最活跃的大气环流系统,其活动有重要影响,其向南爆发可以越过赤道对澳大利亚夏季风起作用。但相对夏季风,人们对东亚冬季风的研究一直较少。作者首先利用Hadley中心近百年的北半球海平面气压场资料,改进提出了一个能更好表征东亚冬季风强度的指数,进一步分析研究了东亚冬季风的年际和年代际变化及其异常特征。其结果表明,东亚冬季风不仅存在着明显的年际变化,主要有准两年的振荡周期和5~7年左右的周期,还存在周期为25~30年左右以及周期为十几年的年代际变化。利用NCEP/NCAR再分析资料,采用相关分析、合成分析的方法,还系统研究了东亚冬季风异常时的大气环流特征。对比分析表明,对应强、弱东亚冬季风,大尺度环流系统(蒙古高压、阿留申低压、500 hPa位势高度场等)的变化特征基本上呈反相分布;并且在强、弱东亚冬季风年,赤道地区的Hadley环流和Walker环流也出现基本反相的异常分布特征;而且赤道西太平洋有西(东)风异常出现,菲律宾以东有异常气旋(反气旋)性环流。在对异常东亚冬季风诊断分析的基础上,用一个大气环流模式(GCM)模拟了异常东亚冬季风的活动。通过对数值模拟结果的强、弱东亚冬季风进行对比分析发现,在强、弱东亚冬季风时,北半球中高纬度大气环流的结构会出现明显的变化和调整;同时,热带地区大气环流也有显著的差异。数值模拟和资料分析结果有较好的一致性,从而进一步揭示了东亚冬季风的变化和异常特征。     

冬季风异常与环流的隔季相关：——东亚冬季风研究之二

用两个强度截然不同的亚洲冬季风年,研究了冬季风异常与全球环流特别是低纬地区环流的关系。指出由于冬季风异常所带来最大的变化发生在热带太平洋地区。强冬季风年中,西太平洋暖池区的对流及上升运动加强。中东太平洋信风也较强。使西太平洋Walker环流远强于弱年。这些主要特征具有明显的季节持续性;与冬季风异常相应的低纬大尺度环流异常一直持续至春季和夏季。从自冬至夏的季节过渡看,它们之间也有较大的差别。强冬季风年所对应的未来夏季的降水及季风强度都与弱冬季风年截然不同。冬夏环流之间存在较好的隔季相关。海温对于冬季风异常有很明显的响应。强冬季风造成的低纬流场异常极有利于太平洋海温西高（暖池区）东低（东太平洋）的异常分布,大体与LaNina的海温型一致。而弱冬季风年则相反,这种特殊的海温型也有持续性,它可以持续至夏季。这必将反过来影响后期的天气和环流。因此,冬季风异常在海气相互作用中起了重要的作用。对多个个例的合成分析所得的结论与个例分析的完全一致。     

东亚冬季风变化若干统计事实

利用EOF（VEOF）分析方法对1956-2005年东亚冬季风和大气环流场的统计特征进行了分析。结果表明：东亚冬季风存在2个模态,其中第2模态变化在冬季风年代际变化和长期变化趋势中起着较重要的作用;冬季风以及大气环流年代际异常在1980年前后发生了突变;冬季风的年代际变化与中国冬季气温、降水年代际关系密切。     

冬季南北半球际大气质量涛动与东亚冬季风异常联系的模式验证

南北两半球大气中高纬度之间的相互作用与季风等跨半球的天气气候系统存在着密切联系,由于涉及全球范围的大尺度环流与能量变化,其联系途径与机理受到学者们的广泛关注。本文结合ERA5再分析资料以及CMIP6中MPI-ESM1-2-HR模式历史输出资料,验证了冬季南北半球际大气质量涛动(Inter-Hemispheric atmospheric mass Oscillation,IHO)与东亚冬季风异常的联系及其对中国冬季气温的影响。研究表明,再分析资料以及模式结果均表明冬季IHO与东亚冬季风存在显著的正相关关系。IHO通过全球大气质量再分配与东亚冬季风建立起紧密的联系。当IHO为正位相时,大气质量在欧亚大陆北部异常堆积,而在中低纬地区异常亏损,这使得东亚地区海陆气压差明显增大,冬季风增强,同时对中国华中地区冬季地表气温具有显著影响;反之亦然。进一步分析发现,热带低平流层气温可以通过剩余环流调节臭氧含量经向分布进而影响南极对流层气温,从而对IHO年际变化起主要的驱动作用。     

热带和副热带环流对东亚低纬度冬季风强度影响

东亚冬季风具有南北一致变化和南北反相变化两种主要模态。与第一模态反映的南北贯穿的冬季风整体强弱变化不同,第二模态体现了低纬度（中国南方地区）冬季风强弱变化不依赖于中高纬度（中国北方地区）冬季风强弱、甚至与之相反的变化状态。本文利用经验正交函数分析、相关分析、偏相关分析等方法重点研究了在第二模态背景下,低纬度（中国南方地区）冬季风强弱变化对应的热带和副热带环流异常特征。研究发现:热带辐合带是影响低纬度冬季风的一个重要系统。当热带辐合带加强并向北推进时,热带西太平洋及南海地区对流上升运动相应加强。这一上升支可能强迫出低层偏北风异常,从而引起低纬度冬季风加强。此外,副热带高空急流是影响低纬度冬季风的另一个重要系统。急流轴上风速加强会造成入口区准地转偏北风的异常,它强迫出的正次级环流也会相应加强,对应急流北侧的异常下沉和南侧的异常上升,并促使低层产生偏北风异常,也即促进了低纬度冬季风加强。进一步考察热带辐合带对流活动和副热带急流风速异常对低纬度冬季风的独立和协同影响发现,前者的影响相对更为重要。而在二者同时增强的综合作用下,可引起中国南部35°N以南地区的偏北风异常显著增强,反之亦然。上述结果揭示,冬季低纬度风场的变化不仅受到北方冷空气爆发的影响,它还受制于热带、副热带环流系统异常的共同调控作用。     

冬季风异常年份的环流特征及其与华南前汛期降水的关系

本文分析了1963—1982年资料,研究了冬季风异常年份的环流特征及其与华南初夏降水的关系。结果表明:冬季风强年,500百帕西太平洋副高偏弱,亚洲西风环流弱,东亚槽南伸,200百帕115°E西风急流强而偏北。冬季风弱年的环流特征与此相反。强冬季风年后期环流演变特点,中高纬度环流逐渐向夏季型过渡,而副热带环流则变化强烈。弱冬季风年后期中高纬度环流在2月下旬至3月上旬有一个反复的过程,副热带环流则是逐步增强北上的。强冬季风年初夏500百帕西太平洋副高较正常年偏强,位置偏北,西脊点偏东,100百帕南亚高压偏西,华南及珠江三角洲前汛期降水偏少。弱冬季风年初夏环流特点与此相反,华南及珠江三角洲前汛期降水偏多。      

东亚冬季风异常与全球大气环流变化 II.冬季风异常对全球热带海温变化的影响

作为冬季风研究系列中的第II部分,首先对第I部分中的强弱冬季风个例所对应的海温状况进行对比研究。然后,利用中国气象局的46年历史资料挑选出多个强弱冬季风个例进行合成分析,以进一步探讨个例分析中的一些主要结果。最后,引用奇异值分解方法来诊断分析冬季风异常对海温的影响。分析结果表明:冬季风异常不但造成了同期大尺度环流形势的差异,而且对后期环流和天气状况也有较大的影响;环流异常的持续性与海温异常的持续性密切相关,海温可能是维持这种持续异常的中介,它在冬夏季环流的隔季相关中起了重要的作用。     

东亚冬季风异常与全球大气环流变化 Ⅱ.冬季风异常对全球热带海温变化的影响

作为冬季风研究系列中的第Ⅱ部分,首先对第Ⅰ部分中的强弱冬季风个例所对应的海温状况进行对比研究。然后,利用中国气象局的４６年历史资料挑选出多个强弱冬季风个例进行合成分析,以进一步探讨个例分析中的一些主要结果。最后,引用奇异值分解方法来诊断分析冬季风异常对海温的影响。分析结果表明：冬季风异常不但造成了同期大尺度环流形势的差异,而且对后期环流和天气状况也有较大的影响;环流异常的持续性与海温异常的持续性密切相关,海温可能是维持这种持续异常的中介,它在冬夏季环流的隔手相关中起了重要的作用。     

国内外冬季风研究热点的文献计量对比分析

冬季风控制东亚大陆长达半年之久,对东亚地区冬、夏季环流变化有十分重要的制约作用,而东亚冬季风不仅是全球最强大的冬季风,也是北半球冬季最活跃的环流系统,它的异常变化可以引起全球冬季大气环流的变化,强东亚冬季风不仅会给东亚带来寒潮、低温冷害、冰冻雨雪等灾害性天气,也与中国北方春季沙尘天气和夏季洪涝灾害天气等紧密相连。     

一个适用于描述中国大陆冬季气温变化的东亚冬季风指数

利用1951年1月-2007年2月的NCEP V1格点资料和中国台站观测资料,定义了一个冬季风环流指数(IEAWM),并分析其与中国冬季气温和东亚大气环流变化的联系.结果表明该指数能够很好地反映东亚冬季风系统各成员的变化,兼顾北方和南方的环流状况和东西部热力差异的影响,改进了原有冬季风指数大多针对单一的冬季风环流成员及对中国冬季气温变化反映能力的不足,能够很好地反映中国冬季平均气温的异常变化.分析表明,当该指数为正值时东亚冬季风偏强,对应着地面西伯利亚高压和高空东亚大槽均偏强,东亚地区对流层中层的高-低纬度之间的纬向风经向切变加强,有利于中高纬度冷空气向南侵入,导致中国大陆地区气温偏低,反之亦然.IEAWM的年代际变化表明东亚冬季风在1985年之前偏强,1985年之后明显偏弱,这与1985年之后中国冬季变暖是一致的.     

印度洋冬季风异常海气环流耦合模态分析

本文对印度洋冬季风异常海气环流耦合主要模态做了分析和讨论,得到以下结果:第一模态海面和低空大气环流的异常主要发生在东印度洋海域上空,而上层大洋环流的异常则主要反映了印度洋冬季风环流的异常,并主要体现在西向赤道暖流和东向赤道逆流上。第二模态的大气环流相应异常主要发生在孟加拉湾、阿拉伯海和赤道印度洋上空,而上层大洋环流异常除与第一模态类似外,还包括索马里暖流的明显异常。第一、二模态分别是印度洋冬季风的偏东、偏西模态,也是其主、次模态;均有约4年的年际变化,还分别有约18、22年的年代际变化;该主、次模态分别在1976年及1976、1986年有突变发生;这样印度洋冬季风有约4年的年际变化,并在1976年出现明显突变。该主、次模态的年代际变化周期也是冬季北太平洋海气联合复EOF分解第二、第一模态的年代际变化周期,这反映两大洋之间有密切联系,这是因冬季蒙古西伯利亚高压是南亚、东亚冬季风的共同源头,对两大洋的大气环流异常都有明显影响。南亚冬季风偏强时印度洋的Hadley环流和赤道辐合带上的对流均偏强,反之亦然;且该冬季风的主、次模态都如此;这也反映了南亚冬季风大气环流异常与冬季热带大气环流异常之间的耦合关系。当该主、次模态发生正、负异常变化时,近表层热带印度洋海温异常分别呈现横贯大洋的南北向跷跷板变化以及大洋东、西向的跷跷板变化;但前者是主要的。印度洋冬季风对印度洋偶极子起着抑制作用,这是该偶极子在冬季最弱的原因。在热带印度洋,大气低空垂直运动下沉、上升区域都分别大致位于该大洋近表层的下沉、上升运动区域之上,这构成了海气相互作用的负反馈机制,并有助于南亚冬季风、Hadley环流、赤道辐合带以及印度洋中冬季风环流的维持和稳定。     

全球变暖背景下北极海冰与东亚冬季风关系的变化及其机制

为了进一步了解全球变暖背景下北极海冰与东亚冬季风的关系及其变化,本文选用东亚冬季风北模态及南模态作为东亚冬季风指数,利用滑动相关分析、回归分析及合成分析研究了全球变暖背景下1953—2021年北极海冰密集度与东亚冬季风关系的变化特征及其机制。结果表明:11月巴伦支海海冰密集度与东亚冬季风北模态之间的关系发生了显著变化,从1962—1977年显著正相关转为1983—1999年显著负相关,2000年以后两者无显著关系。1962—1977年11月巴伦支海海冰偏多对应东亚冬季风偏强,这是大气环流影响海冰的结果,11月的大气环流异常特征维持到了冬季,使得欧亚大陆上空大气呈现出北极涛动(Arctic Oscillation,AO)负位相,在增强东亚冬季风的同时将中高纬大陆干冷空气输送至巴伦支海,在表面风应力的作用下巴伦支海海冰增多。1983—1999年则由前一时期的大气环流影响海冰变为海冰影响大气环流,11月巴伦支海海冰显著减少在冬季激发出了北极涛动负位相,加强东亚大槽及东亚高空西风急流,从而使得东亚冬季风偏强。2000年以后北极海冰与东亚冬季风北模态的关系明显减弱,此时东亚冬季风与北极涛动的负相关关系更为显著。     

东亚冬季风指数的定义及其年际年代际异常

利用NCAR/NCEP再分析资料,通过相关分析方法分析了多种可以表征东亚冬季风活动的气象要素指数的相关性特征,选取地面温度、海平面海陆气压差和500hPa高度3个要素,综合定义了一个东亚冬季风指数。结果表明,该指数表征的东亚冬季风有明显的QTO和QFO周期振荡特征,这一特征与冬季风年代际背景有关,强冬季风年代背景下的振荡比弱冬季风年代背景下的振荡显著,同时该指数能很好地表征东亚冬季风活动的各个方面。对强弱冬季风年的大气环流的结构及其相应的低纬度对流活动、海洋和高低层大气热力状况的分析表明,强弱冬季风活动不仅表现在中高纬度高低层大气环流变化的差异,在局地Hadley环流和赤道附近Walker环流、低纬度对流活动、海洋和大气的热力状况的变化方面也表现出了显著的差异。     

异常东亚冬季风激发ENSO的数值模拟研究

利用中国科学院大气物理研究所发展的热带太平洋环流模式（OGCM）和海－气耦合模式（CGCM）分别就冬半年东亚冬季风异常对赤道太平洋的作用进行了数值模拟研究。结果清楚地表明,无论在 OGCM 中还是在 CGCM 中,持续的冬季风强异常将引起赤道中东太平洋海表水温（SST）的明显正异常,其分布类似观测到的El Ni?o事件;而持续的冬季风弱异常将引起赤道中东太平洋SST的明显负异常,其分布十分类似观测到的La Ni?a事件。因此,数值模拟进一步证实了我们过去从资料诊断和理论分析中得到的结论,即东亚冬季风异常是激发产生 ENSO 的重要机制。对模式资料的分析还清楚表明,异常东亚冬季风将激发异常海洋Kelvin波和使热带大气季节内振荡出现强异常,它们是激发ENSO的重要物理因素,这与观测资料的分析结果相一致。     

东亚冬季风环流与大气加热场的联系

利用ECMWF／WMO客观分析网络点资料分析了1985年冬季东亚冬季风建立前后大气加热场的水平分布特征及其与经向环流的联系，结果表明东亚冬季风的建立及活动与大气加热场有密切的关系，冬季型加热场的建立标志着冬季风的建立，加热场的加强和减弱对应着冬季风环流的加强和减弱。最后探讨了大气加热场与大气环流之间的反馈关系。     

东亚冬季风经向异常与后期嘉兴梅雨关系

利用1948—2005年NCEP/NCAR再分析资料, 定义了一个可以反映中高纬度间冬季风强弱差异的冬季风经向变化指数 (WMMCI), 该指数与东亚冬季风指数有较好的对应关系。强 (弱) 冬季风年后期嘉兴梅雨偏多 (少) 为主, 年际、年代际关系对应为正相关, 并对后期降水有持续影响, WMMCI指数持续增强 (减弱) 2年并处于强 (弱) 冬季风年时, 后期嘉兴梅雨持续偏多 (少), 嘉兴梅雨降水升高或降低的变化趋势滞后于该指数变化。对500 hPa高度场距平合成分析表明:强 (弱) 冬季风年北正 (负) 南负 (正) 的距平分布使中高纬度经向 (纬向) 环流发展, 有利 (不利) 于冷空气南下影响, 并对后期大气环流产生持续影响, 从而有利 (不利) 于降水。冬季风经向异常对嘉兴后期降水持续影响的一个可能解释是, 持续增强 (减弱) 的强 (弱) 冬季风使赤道太平洋地区盛行风向发生改变, 使赤道太平洋海温变化出现异常, 触发El Niño (La Niña) 事件, 从而对后期大气环流造成持续影响。     

博乐市２００５－２００９年地温变化特征

利用1955年-2003年NCEP＼NCAR再分析资料和美国Scripps海洋研究所环境数据分析中一0（JEDAC）提供的冬季热含量资料,采用小波分析、相关及合成分析等方法,分析了西太平洋暖池热含量变化特征及其与东亚冬季风关系。结果表明：西太平洋暖池热含量与东亚冬季风有着非常密切的联系,当西太平洋暖池热含量异常偏高时,对流层低层在菲律宾及以东洋面形成一个异常的气旋性环流,中国大陆上空形成一个异常的反气旋性环流,从而使得东亚冬季风在东南区加强,西北区减弱。     

东亚冬季风的时空变化及其与ENSO、AO相互关系的研究进展

作为亚洲季风系统中的一个重要组成部分, 东亚冬季风的变化对北半球甚至全球的天气气候都有重要的影响。本文回顾了近些年国内外关于东亚冬季风变化特征, 主要包括其时间和空间演变及其与ENSO、AO之间相互作用等研究的主要进展。目前已有的研究结果表明, 东亚冬季风系统是一个贯穿于整个大气对流层的深厚型环流系统, 其异常表现为东亚区域整层环流系统的异常;东亚冬季风具有2a, 5~7a的年际变化和10a以上的年代际变化, 有空间分布的不均匀性及爆发与撤退日期的突变性;强弱冬季风年的异常环流形势在对流层各层以及高纬度、中纬度和低纬度地区都有所表现;在年际尺度上, ENSO、AO与东亚冬季风有一定的相关性, 但是在年代际上, 东亚冬季风同两者之间有着更显著的联系, 通过大气动力和热力过程, 它们之间相互影响、相互作用, 共同影响我国、东亚甚至于全球天气气候的变化。