传统距平与变年循环参照系下的中国气温变率比较

用功率谱分析、小波分析和经验正交函数(EOF)分析三种方法,对比分析了1953～2002年北京单站以及中国区域地表气温的传统距平与以集合经验模分解(EEMD)的频-幅调制年循环(MAC)为参照的"距平",同时还比较了用传统距平描述的"年际及更长尺度变率"和以MAC为参照的年以上尺度低频分量。通过对比分析,发现传统距平和用传统距平所描述的"年际及更长尺度变率"仍然包含有年周期,而且还包含有小于年尺度的波动;而去除MAC的距平则更好地去除了准年周期,而且以MAC为参照的年以上尺度低频分量只包含有1年以上尺度的波动,因而更适合用来描述"年际及更长尺度变率"。     

On Multi-Timescale Variability of Temperature in China in Modulated Annual Cycle Reference Frame

The traditional anomaly (TA) reference frame and its corresponding anomaly for a given data span changes with the extension of data length. In this study, the modulated annual cycle (MAC), instead of the widely used climatological mean annual cycle, is used as an alternative reference frame for computing climate anomalies to study the multi-timescale variability of surface air temperature (SAT) in China based on homogenized daily data from 1952 to 2004. The Ensemble Empirical Mode Decomposition (EEMD) method is used to separate daily SAT into a high frequency component, a MAC component, an interannual component, and a decadal-to-trend component. The results show that the EEMD method can reflect historical events reasonably well, indicating its adaptive and temporally local characteristics. It is shown that MAC is a temporally local reference frame and will not be altered over a particular time span by an extension of data length, thereby making it easier for physical interpretation. In the MAC reference frame, the low frequency component is found more suitable for studying the interannual to longer timescale variability (ILV) than a 13-month window running mean, which does not exclude the annual cycle. It is also better than other traditional versions (annual or summer or winter mean) of ILV, which contains a portion of the annual cycle. The analysis reveals that the variability of the annual cycle could be as large as the magnitude of interannual variability. The possible physical causes of different timescale variability of SAT in China are further discussed.     

Effect of Horizontal Resolution on the Representation of the Global Monsoon Annual Cycle in AGCMs

The sensitivity of the representation of the global monsoon annual cycle to horizontal resolution is compared in three AGCMs:the Met Office Unified Model-Global Atmosphere 3.0;the Meteorological Research Institute AGCM3;and the Global High Resolution AGCM from the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory.For each model,we use two horizontal resolution configurations for the period 1998–2008.Increasing resolution consistently improves simulated precipitation and low-level circulation of the annual mean and the first two annual cycle modes,as measured by the pattern correlation coefficient and equitable threat score.Improvements in simulating the summer monsoon onset and withdrawal are region-dependent.No consistent response to resolution is found in simulating summer monsoon retreat.Regionally,increased resolution reduces the positive bias in simulated annual mean precipitation,the two annual-cycle modes over the West African monsoon and Northwestern Pacific monsoon.An overestimation of the solstitial mode and an underestimation of the equinoctial asymmetric mode of the East Asian monsoon are reduced in all high-resolution configurations.Systematic errors exist in lower-resolution models for simulating the onset and withdrawal of the summer monsoon.Higher resolution models consistently improve the early summer monsoon onset over East Asia and West Africa,but substantial differences exist in the responses over the Indian monsoon region,where biases differ across the three low-resolution AGCMs.This study demonstrates the importance of a multi-model comparison when examining the added value of resolution and the importance of model physical parameterizations for simulation of the Indian monsoon.     

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。     

冬季风异常对中国春季北方沙尘日数的影响

基于1981~2010年台站沙尘观测资料和NCEP/NCAR再分析资料分析了我国北方春季沙尘日数的时空分布。沙尘频发区主要位于新疆南部和内蒙古西部,这两个中心全季沙尘日数均在10日以上。研究时段内北方沙尘日数呈显著减少趋势。相关分析发现,春季北方沙尘日数与前冬冬季风环流系统关系密切。春季沙尘日数偏多时,前冬东亚大陆陆地-西太平洋气压差较常年偏大,东亚大槽偏深,低层我国北方地区-蒙古国北风分量偏强,高层的东亚副热带纬向急流偏强、高纬度急流偏弱。上述环流型对应于强冬季风特征,反之亦然。进一步分析指出,冬季风强(弱)年,我国北方大部分地区春季低层辐散(辐合),降水偏少(多),低层北风偏强(弱),促使(抑制)春季沙尘的发生。     

基于1873年以来器测气温的二十四节气气候变化

2000多年来二十四节气已广泛用于指导人们生产和生活。然而传统二十四节气的应用意义在当前全球变暖背景下正在发生变化。气候学二十四节气的提出赋予了二十四节气动态变化的内涵,有利于更好地发挥其现实指导作用。本文利用北京观象台1940~2017年和上海徐家汇站1873~2017年均一化的逐日气温观测序列,分析了近百余年二十四节气气候变化特征。结果显示,北京1941~2016年和上海1874~2016年的年平均气温和二十四节气气温都呈现变暖趋势,导致早春到初夏阶段的气候学节气呈现提前的趋势,而夏末到初冬阶段的节气呈现推迟的趋势;这些趋势大部分是统计显著的。北京和上海的极端冷事件（以大寒标准定义）均呈现显著的减少趋势,上海的极端热事件（以大暑标准定义）呈现显著的增多趋势。除了长期趋势之外,上海极端热事件频数和夏季平均气温演变中都存在明显的60~80年周期的多年代际变率,和大西洋多年代际振荡相关。相比以往基于1960年以来的观测所做的二十四节气气候趋势分析,本文揭示了更完善的长期气候变化特征,有助于从精细化的季节循环演变角度丰富关于近代中国气候变暖的认识,为适应气候变化提供科学基础。     

华南前汛期夏季风降水开始日期的确定

华南前汛期降水包含锋面降水和夏季风降水,提高对这2种不同性质降水的认识及如何区分是非常重要的。本文利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了华南不同性质降水期间大气特性的差异,并采用集合经验模态分解(EEMD)方法,自适应地提取假相当位温θse的调制年循环变量(MAC),得到华南前汛期夏季风降水开始日期的划分标准。结果表明,当某年θse的MACδ标准差时,南海夏季风推进至华南地区,夏季风降水开始。利用该标准划分的华南前汛期夏季风降水开始日期平均为5月第6候,且具有2~3 a、13~15 a的年际、年代际变化周期。进一步对比分析表明,此标准划分的结果基本合理。     

Trends in Temperature Extremes in Association with Weather-Intraseasonal Fluctuations in Eastern China

Trends in the frequencies of four temperature extremes (the occurrence of warm days, cold days, warm nights and cold nights) with respect to a modulated annual cycle (MAC), and those associated exclusively with weather-intraseasonal fluctuations (WIF) in eastern China were investigated based on an updated homogenized daily maximum and minimum temperature dataset for 1960–2008. The Ensemble Empirical Mode Decomposition (EEMD) method was used to isolate the WIF, MAC, and longer-term components from the temperature series. The annual, winter and summer occurrences of warm (cold) nights were found to have increased (decreased) significantly almost everywhere, while those of warm (cold) days have increased (decreased) in northern China (north of 40°N). However, the four temperature extremes associated exclusively with WIF for winter have decreased almost everywhere, while those for summer have decreased in the north but increased in the south. These characteristics agree with changes in the amplitude of WIF. In particular, winter WIF of maximum temperature tended to weaken almost everywhere, especially in eastern coastal areas (by 10%–20%); summer WIF tended to intensify in southern China by 10%–20%. It is notable that in northern China, the occurrence of warm days has increased, even where that associated with WIF has decreased significantly. This suggests that the recent increasing frequency of warm extremes is due to a considerable rise in the mean temperature level, which surpasses the effect of the weakening weather fluctuations in northern China.     

2003年春季中国沙尘天气异常的气候及环境背景

概述了2003年春季我国北方地区沙尘天气异常偏少的观测事实及其本特征.利用NCEP再分析资料以及台站观测资料,对可能影响2003年春季我国北方地区沙尘天气异常的气候与环境背景进行了分析.初步研究结果表明:2002/2003年冬季东亚大槽偏浅、东亚冬季风偏弱,从而导致春季冷空气活动偏少,这是造成2003年春季沙尘天气异常偏少的动力成因.此外,2003春季中国北方大部地区降水量偏多,沙尘源区内蒙古等地地表积雪覆盖面积大,从而造成积雪融化较晚,地表冻土层解冻推迟,土壤湿度增加,这也在一定程度上抑制了沙尘天气的形成.对卫星遥感反演的叶面积指数的分析表明,2003春季我国北方地区沙尘天气异常偏少与下垫面植被覆盖异常的关系不大.     

季风与ENSO的选择性相互作用:年循环和春季预报障碍的影响

本文主要基于对Webster and Yang（1992）一文的回顾,讨论了年循环在季风和ENSO相互作用中的作用、春季预报障碍（SPB）、Webster-Yang指数（WYI）、以及亚洲夏季风的前期讯号等内容。亚洲季风和ENSO作为全球天气和气候变率的主要来源,它们之间的相互作用存在明显的年变化和季节“锁相”特征:在北半球秋冬季,亚洲季风对流活动最弱,此时ENSO的信号最强;但是到了北半球春季,亚洲季风对流快速爆发,而此时的ENSO信号却迅速衰减。亚洲季风和ENSO位相的错位变化使得热带海—气系统的不稳定性在北半球春季达到最大,此时任意一个微小的扰动都容易快速增长,最终导致基于ENSO的预报技巧减小。亚洲夏季风环流本质上可以看成是大气对副热带地区潜热加热的低频罗斯贝波响应,它具有很强的垂直风切变,这是WYI定义的物理基础。WYI数值越大,代表垂直东风切变越大,即亚洲季风环流增强,反之亦然。利用WYI与前期大气环流场、欧亚雪盖、土壤湿度等物理量进行回归分析,结果表明:当亚洲夏季风增强时,前期冬季和春季,在北印度洋和亚洲副热带地区上空出现东风异常,同时在更高纬度地区伴随出现西风的异常;此外,副热带地区如印度次大陆、中南半岛和东亚的土壤湿度增大;中纬度地区尤其是青藏高原中西部的积雪密度明显减小。这些前期讯号的发现有助于我们构建动力统计模型,进而提高对亚洲夏季风的季节预报水平。     

Future Changes in the Relationship Between the South and East Asian Summer Monsoons in CMIP6 Models

The future changes in the relationship between the South Asian summer monsoon (SASM) and the East Asian summer monsoon (EASM) are investigated by using the high-emissions Shared Socioeconomic Pathway 5-8.5 (SSP5- 8.5) experiments from 26 coupled models that participated in the phase 6 of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). Six models, selected based on their best performance in simulating the upper- and lower-level pathways related to the SASM-EASM teleconnection in the historical run, can capture the positive relationship between the SASM and the rainfall over northern China. In the future scenario, the upper-level teleconnection wave pattern connecting the SASM and the EASM exhibits a significant weakening trend, due to the rainfall anomalies decrease over the northern Indian Peninsula in the future. At the lower level, the western North Pacific anticyclone is projected to strengthen in the warming climate. The positive (negative) rainfall anomalies associated with positive (negative) SASM rainfall anomalies are anticipated to extend southward from northern China to the Yangtze-Huai River valley, the Korea Peninsula, and southern Japan. The connection in the lower-level pathway may be strengthened in the future.     

El Ni?o和La Ni?a事件对东亚冬、夏季风循环的影响

通过合成的El NiNo和La NiNa的分析发现,一般一个El Nino或La Nina事件大致可以分成爆发前的冬季、发展期的夏季、盛期时的冬季和衰亡期的夏季四个阶段.在此基础上利用NCEP再分析环流资料和中国降水资料分析了东亚冬、夏季风对E1 Nino和LaNina的响应,结果发现,E1 Nino和La Nina事件显著地影响了东亚冬、夏季风的循环.E1Nino爆发前的冬季在东亚地区往往有异常强的北风;El Nino发展期的夏季,西太平洋副热带高压偏弱,同时影响我国的西南气流偏弱,从而江淮地区和南方沿海地区多雨,长江中游和华北地区少雨;E1 Nino盛期的冬季东亚地区则出现异常的南风;而E1 Nino衰亡期的夏季,西太平洋副热带高压偏强,同时影响我国的西南气流偏强,从而江淮地区少雨,华北、东北以及洞庭湖、鄱阳湖地区多雨.La Nina对东亚冬、夏季风循环的影响则与El Nino大致相反,但它的影响不如El ino的影响显著.对强、弱东亚冬季风后的夏季中国降水异常的分析则表明,正是由于与El Nino或La Nina事件有关的海温异常对东亚冬、夏季风循环的影响才导致了东亚冬季风与随后的夏季风存在着紧密的联系;当冬季风异常不是由与ElNiNino或La Nina事件有关的海温异常所引起时,两者之间就缺少显著的联系.     

东亚夏季风建立前青藏高原地气温差变化特征

利用青藏高原地区112个站1980～2001年和部分站点1960～2000年的气温、地温资料,采用经验正交EOF和旋转经验正交REOF等方法,对东亚夏季风爆发前青藏高原地气温差的变化特征进行分析,并对其与东亚夏季风之间的联系进行了分析.结果表明,青藏高原地气温差一般超前气温、地温1个月达到全年最大值,比中国中东部同纬度...     

我国东部季风区冬季气温的气候变暖特征

利用我国东部季风区375个测站1961-2006年平均地面气温资料, 采用线性趋势分析、EOF, REOF, MannKendall、小波分析等方法, 分析了季风区冬季气温异常变化规律。结果表明:我国东部季风区冬季气温增温明显, 近46年增温率为0.39 ℃/10a, 增温率从南向北增大, 黄河南部气温的稳定性高于北部, 增温不显著的区域主要在季风区的南部, 川东和云南局部有显著的下降趋势。根据REOF分析将该区冬季气温异常细分为南、中、北部区3个分区, 各区气温异常变化存在准5年和22年周期, 从20世纪70年代初期开始气温转为上升, 普遍在1986-1987年发生了突变, 在21世纪初气温开始回落。异常偏暖年大部分出现在1990年以后。     

影响南海夏季风爆发因子的诊断研究

通过南海夏季风爆发偏早年和偏晚年前期冬春季东亚地区的环流、积雪及海温等要素特征的诊断分析,揭示了南海夏季风爆发时间早晚与前期冬季东亚大气环流、热带对流、热源及热带太平洋海温的异常分布有密切联系,南海夏季风爆发偏早年的前期有冬季风偏强,高原积雪偏少,海洋大陆地区的对流活跃、热源增强及LaNina型海温分布等主要特征;南海夏季风爆发偏晚年的前期特征则基本相反。根据1997～1998年冬春环流、积雪及海温等的特征作了1998年南海夏季风爆发时间的预测,其结果与1998年的实况基本一致。     

Amplitude—Phase Characteristics of the Annual Cycle of Surface Air Temperature in the Northern Hemisphere

The amplitude-phase characteristics(APC)of surface air temperature(SAT)annual cycle(AC)in the Northern Hemisphere are analyzed.From meteorological observations for the 20th century and meteorological reanalyses for its second half,it is found that over land negative correlation of SAT ACamplitude with annual mean SAT dominates.Nevertheless,some exceptions exist.The positive correlationbetween these two variables is found over the two desert regions:in northern Africa and in Central America.Areas of positive correlations are also found for the northern Pacific and for the tropical Indian and PacificOceans.Southward of the characteristic annual mean snow-ice boundary (SIB) position,the shape ofthe SAT AC becomes more sinusoidal under climate warming.In contrast,northward of it,this shapebecomes less sinusoidal.The latter iS also found for the above-mentioned two desert regions.In theFar East(southward of about 50°N),the SAT AC shifts as a whole:here its spring and autumn phasesoccur earlier if the annual     

全球地表气温日较差长期趋势的演化特征

基于多维集合经验模态分解方法,利用CRU全球地表气温日较差、最高气温和最低气温资料,开展对1951~2019年全球地表气温日较差长期趋势的演化研究。结果表明：全球地表气温日较差主要呈现下降趋势,并以北半球中高纬度地区为甚,空间差异性较大。全球地表最高气温和最低气温的长期演化趋势则主要表现为上升,且最低气温更为剧烈。从纬向平均的角度看,全球地表气温日较差长期趋势主要存在五条负值带,降低趋势在北半球逐渐加强,并存在与之相伴随的冷舌,而在南半球呈先增强后减弱的特征。由瞬时演化速率可知,全球地表气温日较差长期趋势下降的速率整体上趋于减缓,并于后期在澳洲北部、地中海沿岸以及南美洲南部等地转为上升趋势。     

ENSO冷暖位相影响东亚冬季风与东亚夏季风联系的非对称性

东亚冬季风（East Asian Winter Monsoon,简称EAWM）和东亚夏季风（East Asian Summer Monsoon,简称EASM）作为东亚季风系统的两个组成部分,他们之间存在显著的转换关系。前人的研究表明EAWM与次年EASM的转换关系只有在ENSO事件发生时才显著,然而这些研究都是基于ENSO对大气环流的影响是对称的这一假设下进行的。本文的研究表明EAWM和次年EASM的转换关系在ENSO冷暖事件中存在着明显的不对称性。通过将EAWM分为与ENSO有关的部分（EAWM_EN）和与ENSO无关的部分（EAWM_RES）,我们发现在强EAWM_EN年（即La Ni?a年）,在西北太平洋会存在一个从冬季维持到次年夏季的气旋性环流异常（the anomalous western North Pacific Cyclone,WNPC）,从而造成EASM偏弱;而在弱EAWM_EN年（即El Ni?o年时）,在西北太平洋会存在一个从冬季维持到次年夏季的反气旋性环流异常（the anomalous western North Pacific anticyclone,WNPAC）,从而引起次年EASM偏强。比较而言,WNPAC的位置比WNPC的位置偏南,且强度更强,因而在El Ni?o年能够引起次年EASM更大幅度的增强。造成这一不对称联系的主要原因是热带太平洋和印度洋异常海温的演变差异。在强EAWM_EN年,热带太平洋的负海温异常衰减地较慢,使得在次年夏季仍然维持着显著的负异常海温;相反,在弱EAWM_EN年,热带太平洋的正海温异常衰减地较快,以至于在次年夏季的异常海温信号已经基本消失,但此时印度洋却有着显著的暖海温异常。海温演变的差异进一步造成了大气环流的差异,从而导致EAWM与次年EASM联系的不对称性。     

南海夏季风爆发与前期东亚冬季风异常的关系以及ENSO的作用

基于ERA-interim再分析资料采用相关分析研究了东亚冬季风和南海夏季风爆发的关系,并探讨了ENSO在其中的作用。结果表明,弱冬季风之后的南海地区5月有异常东风、降水偏少,对应于夏季风爆发偏晚;强冬季风之后则相反;但上述关系并不十分显著。进一步利用线性回归将东亚冬季风分为与ENSO有关和无关的部分,对于与ENSO有关的冬季风,上述冬季风-夏季风爆发的关系的显著性有明显提高;但与ENSO无关的冬季风和夏季风爆发并无显著联系。这说明冬季风-南海夏季风爆发的关系主要是由与ENSO有关的冬季风造成的。这一关系可以用ENSO激发的菲律宾异常反气旋或气旋来解释,以弱冬季风之后夏季风爆发偏晚为例:El Ni?o事件一方面激发出菲律宾异常反气旋,使得冬季风偏弱;另一方面又引起热带印度洋增暖,由于局地海气相互作用正反馈和印度洋电容器效应,菲律宾异常反气旋得以维持到晚春。该异常反气旋及其南侧的异常东风不利于南海夏季风的爆发,从而导致夏季风爆发偏晚。     

北半球定常波输送西风动量的气候态及其年变化

利用高分辨率的再分析资料ERA40，分析了纬向平均状态下北半球不同尺度的定常波对西风动量沿经向输送的气候态及其年变化。结果表明，对流层中定常波对西风动量输送最强的区域位于中纬度对流层的中上层，定常波在该区域长年向北输送纬向动量，且输送中心随季节有南北移动和强弱变化。此外，在高纬度地区的对流层中上层以及赤道对流层顶附近还有两个相对较弱的输送中心。前者对西风动量的输送长年向南，其垂直范围从对流层低层一直伸展到平流层下层，中心位置相对固定，强度有明显的季节变化。后者位置也相对固定，但输送方向随季节改变。平流层中定常波对西风动量的输送主要位于中高纬度的平流层中上层，定常波在该区域长年向北输送西风动量，中心位置非常稳定，而强度则随季节变化明显。行星尺度定常波的输送作用与总波动的输送作用非常一致，并在很大程度上决定了波动对动量输送强度的季节变化。天气尺度定常波和10波以上的短波的输送作用主要集中在中纬度对流层的中高层。前者与行星尺度定常波共同决定了该区域内的输送强度，并主导了输送中心的南北移动；后者的作用很小，除夏季外均可以忽略。作者给出的不同尺度定常波对西风动量输送的气候态分布不但可以作为日后研究其年际变化的基础，而且还可以为大气环流模式对大气环流模拟能力的评估提供重要的参考。