The Influence of Regional SSTs on the Interdecadal Shift of the East Asian Summer Monsoon

East Asia has experienced a significant interdecadal climate shift since the late 1970s. This shift was accompanied by a decadal change of global SST. Previous studies have suggested that the decadal shift of global SST background status played a substantial role in such a climatic shift. However, the individual roles of different regional SSTs remain unclear. In this study, we investigated these roles using ensemble experiments of an atmospheric general circulation model, GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory) AM2. Two kinds of ensembles were performed. The first was a control ensemble in which the model was driven with the observed climatological SSTs. The second was an experimental ensemble in which the model was driven with the observed climatological SSTs plus interdecadal SST background shifts in separate ocean regions. The results suggest that the SST shift in the tropics exerted more important influence than those in the extratropics, although the latter contribute to the shift modestly. The variations of summer monsoonal circulation systems, including the South Asian High, the West Pacific Subtropical High, and the lower-level air flow, were analyzed. The results show that, in comparison with those induced by extratropical SSTs, the shifts induced by tropical SSTs bear more similarity to the observations and to the simulations with global SSTs prescribed. In particular, the observed SST shift in the tropical Pacific Ocean, rather than the Indian Ocean, contributed significantly to the shift of East Asian summer monsoon since the 1970s.     

海温异常对东亚夏季风强度先兆信号的影响

利用ERA-Interim再分析资料、NOAA海温资料、CMAP格点降水资料和中国气象站降水资料,通过合成、相关和回归分析等方法研究了1979—2012年东亚夏季风强度与其先兆信号的关系,并分析了热带海温异常的可能影响。研究表明:东亚夏季风先兆指数反映了2月200 hPa纬向风距平的主要模态特征 (EOF1),前冬热带中东太平洋海温偏低 (高),2月亚洲地区西风急流位置偏北 (偏南),东亚夏季风先兆指数偏强 (弱)。前期热带海温异常对东亚夏季风强度有明显影响,前冬热带中东太平洋海温偏低 (高) 有利于东亚夏季风偏强 (弱)。2月亚洲中纬度地区纬向风异常特征在春季不能持续,先兆信号与东亚夏季风强度的联系主要源自热带海洋。     

Interdecadal Variability of the East Asian Summer Monsoon and Associated Atmospheric Circulations

Based on the National Centers for Environmental Prediction and National Center for Atmospheric Research （NCEP/NCAR） reanalysis data from 1950-1999, interdecadal variability of the East Asian Summer Monsoon （EASM） and its associated atmospheric circulations are investigated. The EASM exhibits a distinct interdecadal variation, with stronger （weaker） summer monsoon maintained from 1950-1964 （1976-1997）. In the former case, there is an enhanced Walker cell in the eastern Pacific and an anti-Walker cell in the western Pacific. The associated ascending motion resides in the central Pacific, which flows eastward and westward in the upper troposphere, descending in the eastern and western ends of the Pacific basin. At the same time, an anomalous East Asian Hadley Cell （EAHC） is found to connect the low-latitude and mid-latitude systems in East Asia, which strengthens the EASM. The descending branch of the EAHC lies in the west part of the anti-Walker cell, flowing northward in the lower troposphere and then ascending at the south of Lake Baikal （40°-50°N, 95°- 115°E） before returning to low latitudes in the upper troposphere, thus strengthening the EASM. The relationship between the EASM and SST in the eastern tropical Pacific is also discussed. A possible mechanism is proposed to link interdecadal variation of the EASM with the eastern tropical Pacific SST. A warmer sea surface temperature anomaly （SSTA） therein induces anomalous ascending motion in the eastern Pacific, resulting in a weaker Walker cell, and at the same time inducing an anomalous Walker cell in the western Pacific and an enhanced EAHC, leading to a weaker EASM. Furthermore, the interdecadal variation of summer precipitation over North China is found to be the south of Lake Baikal through enhancing and reducing strongly regulated by the velocity potential over the regional vertical motions.     

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.     

亚洲-太平洋大气主模态与东亚副热带夏季风年代际变化关系

基于1950～2005年NCEP/NCAR月平均再分析资料,利用REOF方法提取了亚洲-北太平洋地区低层大气的主要模态,着重研究分析了亚洲-北太平洋地区低层大气耦合模态的年代际变化特征及其与东亚夏季风的年代际变化关系。结果表明:①夏季亚洲-北太平洋大气主要耦合变化型反映了蒙古低压和北太平洋高压之间的变化关系。它们之间的耦合变化主要表现为年代际的变化特征,在20世纪50年代到60年代中期为负位相,即蒙古低压中心值相对较低,北太平洋副高中心值相对较高,60年代中期到70年代中期耦合变化处在正负交替的过程,70年代中期以后,耦合模态为一致的正位相,即蒙古低压中心值相对较高,北太平洋副高中心值相对较低。②蒙古低压和北太平洋副热带高压之间的耦合变化与东亚副热带夏季风风场强度的年代际变化有显著的负相关关系,当蒙古低压和北太平洋副高之间的耦合变化处于负位相时期,东亚副热带季风偏强,耦合变化处于正位相时期则相反,即东亚副热带季风偏弱。     

东亚冬季风年代际变化可能成因的模拟研究

利用NCEP/NCAR再分析月平均海平面气压资料, 定义了一个东亚冬季风强度指数 (IWI), 并发现20世纪60年代到70年代初期东亚冬季风强度减弱, 其后冬季风强度有所增强, 80年代初期以后东亚冬季风强度又开始减弱。年代际时间尺度上, 冬季陆地表面气温与IWI的相关性比海洋与IWI相关性好, 冬季大陆东部的年代际增温与东亚冬季风的年代际减弱之间可能存在密切的联系。利用区域气候模式 (RegCM3) 进行敏感性数值模拟试验发现:减小冬季东亚大陆东北部的长波辐射降温率, 将导致东西向海平面气压差的减小以及低层北风减弱, 反映了东亚冬季风的减弱。近40年来, 特别是20世纪80年代以后东亚冬季风的年代际减弱趋势很可能是东亚区域气候对温室效应的一种区域响应。     

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。     

热带印度洋和太平洋增暖对东亚夏季风趋势的相反影响

利用多成员集合试验结果,比较分析了热带印度洋和太平洋增暖各自对东亚夏季风趋势变化的影响。试验所用模式是GFDLAM2大气环流模式,增暖是通过在气候平均海洋表面温度（SST）基础上,叠加随时间线性增加的、相当于实际50a左右达到的SST异常来实现的。结果表明：热带印度洋和太平洋共同增暖有使东亚夏季风减弱的趋势。相比较而言,单独印度洋增暖有使东亚夏季风增强、华北降水增多的趋势,而单独太平洋增暖有使东亚夏季风减弱的趋势,即印度洋增暖与太平洋增暖对东亚夏季风存在相反的、竞争性影响。进一步分析指出,热带太平洋特别是热带中东太平洋的增温可能对20世纪70年代末期开始的夏季风年代际减弱有更重要的贡献;在未来热带印度洋和太平洋持续增暖、但增暖强度纬向差异减小的新情况下,东亚夏季风减弱的趋势可能还将持续。     

Interdecadal Variability of East Asian Summer Monsoon Precipitation over 220 Years （1777-1997）

In this study, long-term (1777–1997) precipitation data for Seoul, Korea, wetness indices from eastern China, and modern observations are used to identify the interdecadal variability in East Asian summer monsoon precipitation over the last 220 years. In the East Asian monsoon region, two long-term timescales of dry–wet transitions for the interdecadal variability and quasi-40-and quasi-60-year timescales are dominant in the 220-year precipitation data of Seoul, as well as in the wetness indices over China....     

东亚夏季风的季节内振荡研究

利用动力学因子和热力学因子结合的方法,将东亚夏季风区的西南风与OLR进行了综合处理,构造成东亚季风指数(IM).研究结果表明,该指数既可很好地反映东亚季风区的风场、高度场的环流特征,又能较好地描述我国长江中下游地区夏季降水和气温的变化.通过功率谱和带通滤波结合的方法研究东亚夏季风中的季节内振荡,东亚夏季风区内低频振荡在夏季主要是以30～60天周期的振荡为主;东亚夏季风的季节内振荡在东亚沿海呈波列的形式,并表现为随时间向北传播的季风涌;由于该季节内振荡的波动,造成了东亚热带夏季风在东亚热带和副热带地区活动的反位相关系.     

春季青藏高原东部热力异常与东亚夏季风关系的年代际变化

利用1948-2002年NCEP/NCAR逐日再分析及月平均资料,分析了春季青藏高原地区大气热源的气候分布和高原东部大气热源的年代际变化特征及其异常与东亚夏季大气环流关系的年代际变化.结果表明:春季青藏高原东部大气热源在1965年存在加强突变,且1970年以后热源加强趋势十分显著.此外,春季青藏高原东部大气热源异常与东亚夏季风强弱具有年代际关系,表现为1977/1978年前春季高原东部大气热源与东亚夏季风存在负相关关系,1977/1978年后两者的关系不明显.     

近40年来东亚冬季风的年代际时空变化趋势

利用经验正交函数－奇异值分解（EOF－SVD）综合分析方法和1961～2000年NCEP/NCAR月平均再分析资料对近40年来东亚冬季风和冬季表面气温的年代际变化特征及其相关关系进行了分析。研究结果表明, EOF得到的冬季海平面气压场主成分空间结构（第一特征向量）及其时间系数可以较好地反映出东亚冬季风的变化, 而且可以同时得到东亚冬季风强度和南扩程度的变化, 具有一定的优越性。通过对冬季海平面气压和表面气温年代际分量的EOF－SVD综合分析, 发现了东亚冬季风强度减弱、南扩加强的年代际变化趋势, 冬季表面气温则表现出中高纬地区海陆热力差异减弱、低纬地区海陆热力差异加强的年代际变化特征, 两者之间存在很好的对应关系。另外, 大陆冬季表面气温与海平面气压的年代际对应关系比海洋的更加显著, 表明对温室效应的区域气候响应与东亚冬季风的年代际变化之间可能存在较为密切的联系。     

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。     

南海夏季风强度年代际变化基本特征

利用美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心 (NCEP/NCAR) 的再分析资料, 通过合成分析、对比分析等方法, 对南海夏季风的年代际变化的划分、不同年代际阶段平均场的差异及其成因进行研究。分析表明:南海夏季风强度具有显著的年代际变化特征, 在20世纪70年代末出现了年代际时间尺度的转折, 可将其分成两个阶段, 1960—1976年 (简称第一阶段) 和1980—1998年 (简称第二阶段), 第二阶段与第一阶段相比, 南海地区夏季西南风强度显著减弱, 年际变化的方差显著变大, 变化周期变短, 但是南海中南部地区的上升运动却有所加强。夏季, 从低层到对流层高层, 中国大陆上空的气温显著降低, 海洋上空的气温有所升高, 在热力作用下, 导致大陆中低层位势高度增加比海洋上大, 形成大陆地区反气旋性环流加强, 从而减弱了南海中北部地区的西南风。从辐散风场来看, 赤道东太平洋地区海温显著增加可能对南海中南部地区上升运动的加强起着重要的作用。     

Interdecadal Variability of the East Asian Winter Monsoon and Its Possible Links to Global Climate Change

This paper presents a concise summary of the studies on interdecadal variability of the East Asian winter monsoon (EAWM) from three main perspectives. (1) The EAWM has been significantly affected by global climate change. Winter temperature in China has experienced three stages of variations from the beginning of the 1950s: a cold period (from the beginning of the 1950s to the early or mid 1980s), a warm period (from the early or mid 1980s to the early 2000s), and a hiatus period in recent 10 years (starting from 1998). The strength of the EAWM has also varied in three stages: a stronger winter monsoon period (1950 to 1986/87), a weaker period (1986/87 to 2004/05), and a strengthening period (from 2005). (2) Corresponding to the interdecadal variations of the EAWM, the East Asian atmospheric circulation, winter temperature of China, and the occurrence of cold waves over China have all exhibited coherent interdecadal variability. The upper-level zonal circulation was stronger, the mid-tropospheric trough over East Asia was deeper with stronger downdrafts behind the trough, and the Siberian high was stronger during the cold period than during the warm period. (3) The interdecadal variations of the EAWM seem closely related to major modes of variability in the atmospheric circulation and the Pacific sea surface temperature. When the Northern Hemisphere annular mode/Arctic Oscillation and the Pacific decadal oscillation were in negative (positive) phase, the EAWM was stronger (weaker), leading to colder (warmer) temperatures in China. In addition, the negative (positive) phase of the Atlantic multi decadal oscillation coincided with relatively cold (warm) temperatures and stronger (weaker) EAWMs. It is thus inferred that the interdecadal variations in the ocean may be one of the most important natural factors influencing long-term variability in the EAWM, although global warming may have also played a significant role in weakening the EAWM.     

近百年东亚冬季风与ENSO循环的相互关系及其年代际异常

运用相关及滑动相关的计算技术，讨论了近百年东亚冬季风与ENSO循环的相互关系及其年代际异常。研究指出，东亚冬季风与赤道东太平洋海温的年际关系具有年代际的变化特征；季风与ENSO循环的关系受到季风的QBO以及季风-海洋的年代际背景场配置关系的共同作用；当季风与海洋的背景场处于同样状态时，强冬季风有利于第二年冬季赤道东太平洋的升温，产生El Ni?o事件；当两者的背景场处于反位相状态时，强冬季风对应于第二年冬季的La Ni?a位相。     

Latitude-Dependent Response of East Asian Summer Monsoon to External Forcing in the Last Millennium

Response of the East Asian summer monsoon(EASM) rainfall to external forcing(insolation,volcanic aerosol,and greenhouse gases) is investigated by analysis of a millennium simulation with the coupled climate model ECHO-G.The model reproduces reasonably realistic present-day EASM climatology.The simulated precipitation variation in East Asia over the last millennium compares favorably with the observed and proxy data.It is found that the features and sensitivity of the forced response depend on latitude.On...     

东亚夏季风强度的多尺度统计预测模型

东亚夏季风强度的变化与中国雨带和旱涝分布密切相关。为了做好东亚夏季风强度的短期气候预测,采用小波分析、Lanczos滤波器、交叉检验等方法,研究了东亚夏季风强度的多尺度变化特征,在年际与年代际尺度上分别寻找了它在前冬海温场、200 hPa纬向风场上的前兆信号,并利用最优子集回归建立了东亚夏季风强度的多尺度统计物理预测模型。结果表明:东亚夏季风强度存在准4年、准13年和准43年的周期振荡。年际尺度上,前冬赤道东太平洋(10°N~10°S,160°W~80°W)海温与东亚夏季风强度有最强的显著负相关,且它与东亚夏季风强度在200 hPa纬向风场上的前兆信号有较强的负相关;年代际尺度上,南半球60°S与35°S附近200 hPa纬向风之差与东亚夏季风强度有最强的显著正相关,且它与东亚夏季风强度在热带印度洋、低纬度东南太平洋、低纬度南大西洋的海温及亚洲副热带200 hPa纬向风等前兆信号有强的正相关。通过探讨这两个前兆因子对东亚夏季风强度的预测意义,揭示了他们影响东亚夏季风强度年际和年代际变化的可能物理过程。所建立的东亚夏季风强度多尺度最优子集回归预测模型,不仅对东亚夏季风强度的年际变化具有较好的预测能力,而且对异常极值年份也具有一定的预测能力。     

东亚夏季风的变化及对松嫩流域旱涝影响

根据近50年来美国NCEP/NCAR再分析资料及松嫩流域39个站1951~2000年的逐日降水资料,用相关分析、合成、对比分析及小波分析等方法分析了东亚夏季风的年际、年代际变化及对松嫩流域旱涝的影响。结果表明,东亚夏季风对位于中高纬度的松嫩流域的旱涝趋势确有影响,但东亚夏季风的年际、年代际变化很大。东亚夏季风与松嫩流域盛夏降水特点相似:都具有3~5年、10~12年的变化周期,在20世纪60年代末、80年代初都有气候突变。松嫩流域的旱涝趋势除与东亚夏季风有关外,还与中高纬度的西风带天气系统及西太平洋副热带高压密切相关。     

Impact of global SST on decadal shift of East Asian summer climate

East Asia experienced a significant interdecadal climate shift around the late 1970s, with more floods in the valley of the Yangtze River of central-eastern China and more severe drought in North China since then. Whether global SST variations have played a role in this shift is unclear. In the present study, this issue is investigated by ensemble experiments of an atmospheric general circulation model (AGCM), the GFDL AM2, since one validation reveals that the model simulates the observed East Asian Summer Monsoon (EASM) well. The results suggest that decadal global SST variations may have played a substantial role in this climate shift. Further examination of the associated atmospheric circulation shows that these results are physically reasonable.