近40年东亚季风变化特征及其与海陆温差关系

利用NCEP/NCAR再分析资料, 计算了乔云亭等定义的1957—2000年东亚季风指数, 研究了各指数之间相互关系和年际变化的主要特征, 在此基础上又利用全国194站1957—2000年地面资料分析东亚季风指数的年际变化与各气象要素场的年际变化之间的关系以及我国近40年气候变化特点。结果表明:西南季风、东南季风和偏北季风的年变化有所差异; 夏季, 东部地区降水量与相对应各个海区海陆温差负相关显著, 并且江淮区对应的海陆温差与东北区和华北区夏季降水有较好的正相关关系, 当江淮区对应的海陆温差降低时, 江淮区夏季降水量增加, 华北区和东北区夏季降水量减少; 经过前后两段时期 (1957—1978年和1979—2000年) 对比发现海陆温差变化对我国季风区夏季降水的影响在增强。同时, 发现850 hPa气温变化在前后两段时期也发生了显著变化, 1979年之前我国东部升温最快的区域位于华北西南部和江淮东部, 1979年之后升温最快的区域转移到江淮西部和我国东南部的海面上。     

MRI-CGCM模式对东亚夏季风的模拟评估及订正

本文利用CMAP月降水资料、NCEP再分析资料、NOAA的ERSST资料和日本气象厅海气耦合模式（MRI-CGCM）的输出结果,从东亚夏季风气候态、主模态和年际变率等方面分析了MRI-CGCM模式对东亚夏季风的预测性能,并且利用观测的东亚夏季风指数（EASMI）与模拟PC（principal component）的关系建立多元线性回归方程来订正EASMI（简称PC订正法）。结果表明:MRI-CGCM模式能够较好再现东亚夏季风降水和低层风场的气候态,但模拟的西北太平洋反气旋偏弱、偏东,使得模拟的副热带地区降水量偏小。模式较好地模拟出东亚夏季风降水第一模态（EOF1）及相应的低层风场,能够较好再现出EOF1对应El Ni?o衰减位相;模拟降水的EOF1与观测之间的空间相关系数（ACC）为0.72,且能较好地再现其对应的年际变率,其时间系数PC1与观测之间的相关系数为0.41,能模拟出观测EOF1的2 a和5 a主导周期;但模拟的我国以东梅雨锋区雨带位置偏南,这与模拟的西北太平洋反气旋位置偏南有关。模式对降水第二模态EOF2的模拟能力比EOF1明显下降,模拟EOF2与观测之间的ACC降到0.36;虽然模式能较好地再现出EOF2对应El Ni?o发展位相,但模拟的西太平洋反气旋位置偏南,使得雨带位置偏南,模拟的我国梅雨锋区雨带位于江南,与观测场上江南少雨相反。模式较好地模拟出我国东部夏季降水和气温空间异常分布和年际变化,模拟与观测夏季降水和气温的多年平均ACC分别为0.74和0.68。模式模拟我国东部、江淮流域和华南地区夏季降水多年平均PS评分分别为69、70和68分,略高于我国夏季降水业务预测多年平均评分（65分）。模拟的我国东部夏季气温与观测多年平均PS评分为74分。PC订正后EASMI与实况的相关系数由0.51提高到0.65、符号一致率由84%升到91%、标准差由0.75增大到1.4、大于1个标准差年数由6年变为12年,订正后在模拟变幅偏小和梅雨锋区雨带偏南等方面均有一定的改善,对应西太平洋反气旋位置和梅雨锋区雨带位置与实况较为吻合。     

MRI-CGCM模式气候预测回报试验在东亚夏季的检验和降尺度订正

应用1979—2010年MRI-CGCM模式回报、NCEP/NCAR再分析数据和中国东部降水观测资料检验了模式对东亚夏季风的模拟能力,并利用模式500 hPa高度场回报资料建立了中国东部夏季降水的奇异值分解（SVD）降尺度模型。模式较好地模拟了亚洲季风区夏季降水的气候态,但模拟的季风环流偏弱、偏南,导致降水偏弱。模拟降水的方差明显偏小,且模拟降水的外部、内部方差比值低,模拟降水受模式初值影响较大。模式对长江雨型的模拟能力最高,华南雨型次之,华北雨型最低。模式对东亚夏季风第1模态的模拟能力明显高于第2模态。对于东亚夏季风第1模态,模式模拟出了西太平洋异常反气旋,但强度偏弱,且未模拟出中高纬度的日本海气旋、鄂霍次克海反气旋,导致长江中下游至日本南部降水偏弱。各时次模拟环流均能反映但低估了ENSO衰减、印度洋偏暖对西太平洋反气旋的增强作用。对于东亚夏季风第2模态,模式对西太平洋的“气旋-反气旋”结构有一定的模拟能力,但未模拟出贝加尔湖异常反气旋和东亚沿海异常气旋,导致中国东部“北少南多”雨型在模拟中完全遗漏。仅超前时间小于4个月的模拟降水能够反映ENSO发展对降水分布的作用。通过交叉检验选取左场时间系数可以提高降尺度模型的预测技巧,SVD降尺度模型在华南、江南、淮河、华北4个区域平均距平相关系数分别为0.20、0.23、0.18、0.02,明显高于模式直接输出。      

区域气候模式与陆面模式的耦合及其对东亚气候模拟的影响

将大气—植被相互作用模式AVIM（Atmosphere-Vegetation Interaction Model）与区域环境系统集成模式 RIEMS2.0（Regional Integrated Environment Modeling System Version 2.0）耦合,利用耦合后的AVIM-RIEMS2.0模式在东亚区域选定典型年份进行积分试验,通过模拟结果与观测资料对比分析,从整体上评估耦合模式对东亚区域的模拟能力。结果表明:模式能够较好地模拟850 hPa风场、500 hPa位势高度、气温、降水以及地表热通量空间分布型和季节变化。双向耦合具有动态植被过程的AVIM模式后,RIEMS2.0模拟能力有一定程度的提高。850 hPa风场在冬季的中国东北、华北地区以及夏季的中国东部地区,模拟偏差都减小;500 hPa高度场模拟在中国北方地区改进明显,而在中国南方地区的夏季并没表现出明显的改进趋势。耦合模式改进了RIEMS2.0模式冬季气温模拟偏低而夏季偏高的现象。从区域平均看,耦合模式改善了降水模拟偏多的现象,并使得潜热通量的模拟效果有明显的改进,对感热通量模拟在大部分地区也有改进。总的来看,AVIM-RIEMS2.0耦合模式对中国北方地区模拟改进较为明显,而对中国南方地区,特别是华南地区没有明显的改进。     

A Regional Air--Sea Coupled Model and Its Application over East Asia in the Summer of 2000

A regional air-sea coupled model,comprising the Regional Integrated Environment Model System (RIEMS)and the Princeton Ocean Model(POM)was developed to simulate summer climate features over East Asia in 2000.The sensitivity of the model's behavior to the coupling time interval(CTI),the causes of the sea surface temperature(SST)biases,and the role of air-sea interaction in the simulation of precipitation over China are investigated.Results show that the coupled model can basically produce the spatial pattern of SST,precipitation,and surface air temperature(SAT)with five different CTIs respectively.Also,using a CTI of 3,6 or 12 hours tended to produce more successful simulations than if using 1 and 24 hours.Further analysis indicates that both a higher and lower coupling frequency result in larger model biases in air-sea heat flux exchanges,which might be responsible for the sensitivity of the coupled model's behavior to the CTI. Sensitivity experiments indicate that SST biases between the coupled and uncoupled POM occurring over the China coastal waters were due to the mismatch of the surface heat fluxes produced by the RIEMS with those required by the POM.In the coupled run,the air-sea feedbacks reduced the biases in surface heat fluxes,compared with the uncoupled RIEMS,consequently resulted in changes in thermal contrast over land and sea and led to a precipitation increase over South China and a decrease over North China.These results agree well observations in the summer of 2000.     

混合海气耦合模式中与ENSO相关的大气年际变化性

利用混合海气耦合模式45年模拟积分的结果,对模式大气的年际变化性进行了分析。结果表明,在这样的海气耦合系统中,大气分量表现出显著的年际变化,冬、夏季异常环流型的分布与观测资料的分析结果基本相符。因此,该模式不仅能较好地再现热带太平洋的ENSO变化性,而且能较好地再现ENSO引起的全球大气环流的年际变化性。     

Seasonal and Intraseasonal Variations of East Asian Summer Monsoon Precipitation Simulated by a Regional Air-Sea Coupled Model

The performance of a regional air-sea coupled model, comprising the Regional Integrated Environment Model System (RIEMS) and the Princeton Ocean Model (POM), in simulating the seasonal and intraseasonal variations of East Asian summer monsoon (EASM) rainfall was investigated. Through comparisons of the model results among the coupled model, the uncoupled RIEMS, and observations, the impact of air-sea coupling on simulating the EASM was also evaluated. Results showed that the regional air-sea coupled climate model performed better in simulating the spatial pattern of the precipitation climatology and produced more realistic variations of the EASM rainfall in terms of its amplitude and principal EOF modes. The coupled model also showed greater skill than the uncoupled RIEMS in reproducing the principal features of climatological intraseasonal oscillation (CISO) of EASM rainfall, including its dominant period, intensity, and northward propagation. Further analysis indicated that the improvements in the simulation of the EASM rainfall climatology and its seasonal variation in the coupled model were due to better simulation of the western North Pacific Subtropical High, while the improvements of CISO simulation were owing to the realistic phase relationship between the intraseasonal convection and the underlying SST resulting from the air-sea coupling.     

An Index Measuring the Interannual Variation of the East Asian Summer Monsoon ——The EAP Index

Based on the EAP (East Asia/Pacific) teleconnection in the summer circulation anomalies over ther Northern Hemisphere, an index measuring the strength of the East Asian summer monsoon, i.e., the so-called EAP index, is defined in this paper. From the analyses of observed data, it is clearly shown that the EAP index defined in this study can well describe the interannual variability of summer rainfall and surface air temperature in East Asia, especially in the Yangtze River valley and the Huaihe River valley, Korea,and Japan. Moreover, this index can also reflect the interannual variability of the East Asian summer monsoon system including the monsoon horizontal circulation and the vertical-meridional circulation cell over East Asia. From the composite analyses of climate and monsoon circulation anomalies for high EAP index and for low EAP index, respectively, it is well demonstrated that the EAP index proposed in this study can well measure the strength of the East Asian summer monsoon.     

东亚夏季风环流与ENSO循环的关系

采用NCEP/NCAR再分析资料和NCAR海温资料 ,对ENSO循环不同阶段东亚夏季风环流的变化进行了分析。计算了各年夏季风环流的强度系数及其与多年平均夏季风环流的相似系数和差异系数 ,分析它们与海温变化的关系。结果表明 :东亚夏季风环流强度有明显的年际变化和年代际变化 ,且与赤道东太平洋SST有较好的负相关关系 ,其中又以与三个月前的海温变化关系最好。在春季 (3～4月 )Nino 1+2区为冷、暖水时 ,当年夏季 (6～ 7月 )东亚季风区中 85 0hPa等压面上 >2m·s-1的经向风北伸纬度和东亚季风区的垂直经圈环流都有明显差异 ,在冷水期 >2m·s-1的经向风北伸纬度比暖水期高 ,季风环流圈的上升支北移 ,东亚夏季风环流较暖水期强。     

关于东亚夏季风变化及其成因的最近研究进展

东亚夏季风变化是中国、日本和韩国的重要研究课题。回顾了关于东亚季风(尤其是东亚夏季风)的季节内变化、年际和年代际变化及其这些变化成因的最近研究进展,特别是系统地回顾了厄尔尼诺、南方涛动(ENSO)循环、西太平洋暖池、青藏高原和陆面过程对东亚夏季风的季节内变化、年际和年代际变化的作用。     

参加CMIP5的四个中国气候模式模拟的东亚冬季风年际变率

本文比较了中国参加“国际耦合模式比较计划”（CMIP5）的四个大气环流模式（即FGOALS-g2、FGOALS-s2、BCC-CSM1-1、BNU-ESM大气模式）在观测海温驱动下,对东亚冬季风（EAWM）气候态和年际变率的模拟能力。结果表明,在气候态上,四个模式均合理再现了EAWM高低层环流系统（包括低层西伯利亚高压（SH）、阿留申低压、异常偏北风、和中高层东亚大槽、西风急流）,其中对2 m气温和500 hPa高度场的模拟技巧最高,四个模式模拟的结果与再分析资料的空间相关系数都达到0.99。在年际变率上,分别对东亚北部地区（30°N～60°N,100°E～140°E）和东亚南部地区（0°～30°N,100°E～140°E）的2 m气温进行经验正交函数分解（EOF）,提取变率主导模态。结果表明,在东亚北部地区,四个模式对2 m气温第一模态（简称“北部型”）的空间分布均有很高的模拟技巧,但只有BNU-ESM能够较好再现其对应的年际变率,其模拟的时间序列与观测的相关系数为0.69。四个模式均能模拟出观测中的3.1 a主导周期,但只有FGOALS-s2和BNU-ESM能模拟出观测中的2.5 a主导周期。在东亚南部地区,模式模拟的前两个主模态共同解释观测中第一模态（简称“南部型”）的特征,其中FGOALS-g2、FGOALS-s2和BNU-ESM的综合模拟技巧较高,但只有BNU-ESM成功再现了观测中2.5 a和3.1 a的主导周期。机理分析表明,FGOALS-g2、FGOALS-s2、BNU-ESM三个模式能合理再现菲律宾海反气旋,同时对南部型有较高的模拟能力,而BCC-CSM1-1则未能有效再现菲律宾海反气旋,使得 BCC-CSM1-1对南部型模拟技巧较低。观测和四个模式模拟的结果一致表现出北极涛动（AO）与北部型PC1呈显著相关,影响大于SH。     

Changes of Frequency of Summer Precipitation Extremes over the Yangtze River in Association with Large-scale Oceanic-atmospheric Conditions

Changes of the frequency of precipitation extremes (the number of days with daily precipitation exceeding the 90th percentile of a daily climatology,referred to as R90N) in summer (June-August) over the mid-lower reaches of the Yangtze River are analyzed based on daily observations during 1961-2007.The first singular value decomposition (SVD) mode of R90N is linked to an ENSO-like mode of the sea surface temperature anomalies (SSTA) in the previous winter.Responses of different grades of precipitation events to the climatic mode are compared.It is notable that the frequency of summer precipitation extremes is significantly related with the SSTA in the Pacific,while those of light and moderate precipitation are not.It is suggested that the previously well-recognized impact of ENSO on summer rainfall along the Yangtze River is essentially due to a response in summer precipitation extremes in the region,in association with the East Asia-Pacific (EAP) teleconnection pattern.A negative relationship is found between the East Asian Summer Monsoon (EASM) and precipitation extremes over the mid-lower reaches of the Yangtze River.In contrast,light rainfall processes are independent from the SST and EASM variations.     

东亚季风近几十年来的主要变化特征

本文简要综述了关于东亚夏季风和冬季风近几十年来的主要变化特征的若干研究结果,特别是关于其年代际变化方面.夏季风及夏季气候的主要变化特征有:1970年代末之后东亚夏季风的年代际时间尺度的减弱以及相应的我国夏季降水江淮流域增多而华北减少、1992年之后我国华南夏季降水增多、1999年之后我国长江中下游夏季降水减少而淮河流域夏季降水增多、东亚夏季风和ENSO之间的年际变化相关性存在不稳定性.而关于东亚冬季风与冬季气候的主要变化特征有:1980年代中期之后东亚冬季风及其年际变率减弱、1970年代中期之后冬季风和ENSO的年际变化相关性较弱、近年来的北极秋季海冰减少对北半球冬季积雪增多有显著贡献、东北冬季积雪在1980年代中期以后增多.与上述变化有关的极端气候和物候都发生了多方面的变化.     

高原季风特征及其与东亚夏季风关系的研究

利用ERA-Interim的位势高度场、温度场和风场再分析资料,计算了1988-2017年的传统高原季风指数(Trational Plateau Monsoon Index,TPMI)和动态高原季风指数(Dynamic Plateau Monsoon Index,DPMI),分析了高原季风的空间分布特征和时间演变规律,结合东亚夏季风指数(East Asian Summer Monsoon Index,EASMI),探讨了高原季风与东亚季风的关系。研究表明:(1)高原夏季风从4月开始形成,暖性低值系统在高原上生成;6月暖性低压系统中心形成并达到最强,此时高原夏季风强度也达到最大;10月暖性闭合低压系统向东北方向移动且强度也随之减弱并退出,高原夏季风结束。(2)DPMI和EASMI具有明显的年际变化特征,在关键年高原夏季风和东亚夏季风的强度表现一致。(3)中纬度受东亚季风所影响区域的位势高度场和青藏高原区域的位势高度场均处于同一正相关区域,而且超前两个月的DPMI同EASMI的相关系数最大,表明高原夏季风对东亚夏季风具有一定的指示意义。(4)东亚夏季风经圈环流受高原温度场变化的影响而移动,高原夏季风的低压系统与高原温度场关系密切。     

The interannual variability of East Asian Winter Monsoon and its relation to the summer monsoon

1.IntroductionOvertheEastAsiaregion,themostprominentsurfacefeatureofthewintermonsoonisstrongnortheasterliesalongtheeastflankoftheSiberianhighandthecoastofEastAsia.At500hPathereisabroadtroughcenteredaboutatthelongitudesofJapan.Thedominantfea-tureat2O0hPaistheEastAsianjetwithitsmaximumlocatedatjustsoutheastofJapan.Thisktisassociatedwithintensebaroclinicity,largeverticalwindshearandstrongadvectionofcoldair(StaffmembersofAcademiaSinica,l957,LauandChang,1987;BoyleandChen,1987;Chenetal.,1991…     

东亚季风区夏季陆地生态系统碳循环对东亚夏季风的响应

东亚地区陆地生态系统的时空变率表现出明显的对季风气候的响应特征。使用EOF（经验正交分解）方法分析了AVIM2动态植被陆面模式离线模拟试验模拟的1953～2004年东亚季风区夏季陆地生态系统总初级生产力（GPP）、生态系统净初级生产力（NPP）、净生态系统初级生产力（NEP）、植被呼吸以及土壤呼吸的时空分布特点,探讨了东亚夏季风对陆地生态系统碳循环影响机制。研究发现,在强季风年,江淮地区高温少雨的特点限制了光合作用,造成GPP偏低;而华南地区在强季风年气候温暖湿润,利于植被生长,GPP偏高。季风对于植被呼吸和土壤呼吸影响不明显,使得GPP和植被呼吸之差NPP的变化及NPP和土壤呼吸之差NEP的变化与GPP的变化保持一致。在强季风年江淮流域地区干热的气候条件使得NPP和NEP降低;但是在华南地区温度升高的同时降水增多使得在NPP偏高的基础上NEP也偏高。     

Weakening of Interannual Variability in the Summer East Asian Upper-tropospheric Westerly Jet since the Mid-1990s

In this study,we found that the intensity of interannual variability in the summer upper-tropospheric zonal wind has significantly weakened over Northeast Asia and the subtropical western North Pacific(WNP) since the mid-1990s,concurrent with the previously documented decrease of the westerly jet over North China and Northwest China.Corresponding to this weakening of zonal wind variability,the meridional displacement of the East Asian westerly jet(EAJ) manifested as the leading mode of zonal wind variability over the WNP and East Asia(WNP-EA) before the mid-1990s but not afterward.The energetics of the anomalous pattern associated with the meridional displacement of the EAJ suggests that barotropic energy conversion,from basic flow to anomalous patterns,has led to the weakening of the variability in the EAJ meridional displacement and to a change in the leading dominant mode since the mid-1990s.The barotropic energy conversion efficiently maintained the anomalies associated with the variability in the EAJ meridional displacement during 1979-1993 but acted to dampen the anomalies during 1994-2008.A further investigation of the energetics suggests that the difference in the patterns of the circulation anomaly associated with either the first leading mode or the meridional displacement of the EAJ,i.e.,a southwest-northeast tilted pattern during 1979-1993 and a zonally oriented pattern during 1994-2008,has contributed greatly to the change in barotropic energy conversion.     

ENSO 循环各阶段东亚夏季风特征的诊断研究

利用NCEP／NCAR再分析资料和NCAR海温资料及中国测站地温资料，对ENSO循环不同阶段东亚夏季风强弱变化进行了分析．并从此期间的海陆热力差异和季风低压变化来探讨海温异常对东亚夏季风的影响，结果表明：东亚夏季风指数有明显的年际变化和年代际变化，且与赤道东太平洋SST有较好的负相关关系，其中又以与三个月前的海温变化关系最好．在Ninol 2区为冷、暖水之后的三个月中，冷水期对应的东亚夏季风指数大于暖水期对应的东亚夏季风指数，东亚夏季风比暖水期强。赤道东太平洋SST变化期间亚洲大陆的地面温度和地面气压也有明显变化，这是引起ENSO不同阶段东亚夏季风变化的主要原因。     

论东亚夏季风的特征、驱动力与年代际变化

本文是以新的资料和研究结果对东亚夏季风的基本特征、驱动力和年代际变化所作的重新分析与评估。内容包括四个部分:（1）东亚夏季风的基本特征;（2）东亚夏季风的驱动力;（3）东亚夏季风的年代际变率与原因;（4）东亚夏季风与全球季风的关系。结果表明:东亚夏季风是亚洲夏季风的一个重要有机部分,主要由来源于热带的季风气流组成,并随季节由南向北呈阶段性推进,它是形成夏季东亚天气与气候的主要环流和降水系统。驱动夏季风的主要强迫有三部分:外部强迫、耦合强迫与内部变率,其中人类活动引起的外强迫（气候变暖、城市化、气溶胶增加等）是新出现的外强迫,它正不断改变着东亚夏季风的特征与演变趋势。海洋与陆面耦合强迫作为自然因子是引起东亚夏季风年际和年代际变化的主要原因,其中太平洋年代尺度振荡（PDO）与北大西洋多年代尺度振荡（AMO）的协同作用是造成东亚夏季风30~40年周期振荡的主要原因。1960年代以后,东亚夏季风经历了强—弱—强的年代际变化,相应的中国东部夏季降水型出现了“北多南少”向“南涝北旱”以及“北方渐增”的转变。最近的研究表明,上述东亚夏季风年代际变化与整个亚非夏季风系统的变化趋势是一致的。在本世纪主要受气候变暖的影响,夏季风雨带将持续北移,中国北方和西部地区出现持续性多雨的格局。最后本文指出,亚非夏季风系统相比于其他区域季风系统更适合全球季风的概念。     

东亚冬季风指数的对比分析及其与中国冬季气候的关系

利用1951—2022年ERA5再分析大气环流资料和国家气候中心全国站点气温和降水资料,将33个常用的东亚冬季风（EAWM）指数划分为海陆差异类、高压特征类、大槽特征类、低层风场类、中高层风场类和综合类6类,按类别对比分析了它们的线性变化趋势和年际、年代际变化特征,并就各指数对中国冬季气温、降水时空变化的表征能力以及与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、北极涛动（AO）等气候系统主要内部变率的关系进行了评估分析。结果显示：（1）在趋势变化方面,中国冬季气候暖湿化特征明显,但仅大槽特征类和综合类指数反映出季风的减弱趋势,其余类型指数则多呈现微弱的增强趋势,表明EAWM各子成员对当前全球变暖的响应存在差异;（2）在年际、年代际变化方面,EAWM指数主要表现为准4 a、准8 a和准16 a的周期振荡,基本都能刻画出20世纪80年代中后期EAWM的年代际减弱,对于21世纪第1个10年中期EAWM的年代际增强,考虑了南北气压差的海陆差异类指数以及高压特征类、大槽特征类和中高层风场类指数能较好表征;（3）在反映中国冬季气温变率的能力方面,除低层风场类指数外,各类指数表现良好,尤其是高压特征类指数的表征能力最佳,而在降水变率方面,高压特征类指数的代表性较差,低层风场类指数的指示意义最好;（4）在与气候系统主要内部变率的关系方面,大多数指数能较好反映ENSO与EAWM之间的关系,其中低层风场类指数的表征能力最好。而在反映AO与EAWM的关系上,则是高压特征类和大槽特征类指数的表现更佳。总体而言,除趋势变化存在较大差异外,各类EAWM指数能够一致地反映中国冬季气候变化的主要特征,但不同类别指数所表征的侧重点存在差异。因此,在分析EAWM相关科学问题时应根据研究的目的选择合适的指数。