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。     

中国中东部冬季霾日的形成与东亚冬季风和大气湿度的关系

利用1961-2013年中国地面台站长期观测资料和同期NCEP/NCAR再分析资料,以华北、江淮和华南为研究区,分析了中国中东部冬季霾日的形成与东亚冬季风以及大气湿度的关系。结果表明:(1)冬季霾日与东亚冬季风强度成显著的负相关。首先,东亚冬季风强度的减弱使得地面风速减小,进而导致冬季霾日增多。其中,华北7-8 m/s最大风速日数和江淮6-8 m/s最大风速日数的减少,及华南≤2 m/s最大风速日数的增多对各区冬季霾日的增多作用较大。其次,东亚冬季风减弱引起冬季气温的持续升高,易导致冬季霾日的增多,这在华北地区较之在江淮和华南更为明显。(2)由于气候变暖,冬季气温升高,使得近地面相对湿度减小。在江淮和华南地区,冬季霾日的增多与近地面相对湿度的减小显著相关,而在华北地区这种相关较弱。(3)冬季气温升高也有利于大气层结稳定度的增强,3个区域冬季霾日的增多均与大气层结稳定度的增强显著相关,特别是与对流层中低层(850-500 hPa)大气饱和度的降低显著相关。(4)冬季霾日数变化与区域水汽输送关系密切。其中,华北地区的冬季霾日数与水汽总收入成显著正相关,江淮地区与纬向水汽收入成显著正相关,与经向水汽收入成显著负相关,华南地区与经向水汽收入成显著负相关。     

亚洲夏季风爆发的基本气候特征分析

利用统一的亚洲热带夏季风爆发指标,重新制作了季风爆发日期的推进图,确证了亚洲热带夏季风最早在热带东印度洋与中印半岛中南部爆发的观点,这发生在26候(5月10日前后),28候(5月20日前后)在南海地区相继爆发,这两个地区的爆发是属同一季风系的不同爆发阶段.以后通过对海陆热力对比、季节内振荡等多方面的分析,对夏季风的爆发机制问题进行了深入的研究,提出了气候学意义下影响亚洲热带夏季风爆发的关键影响因子.在此基础上,给出了夏季风最早在热带东印度洋-中印半岛-南海地区爆发机理的一种概念模式图,即大气环流的季节进程是季风爆发的背景条件;而中印半岛及其邻近地区对流活动和感热与潜热加热的迅速增强与北推、印缅槽的强烈加深,以及高原东部地区的西风暖平流作用是夏季风爆发的主要驱动力,其结果是使经向温度梯度首先在这个地区反向并建立强的上升运动区,使热带季风和降水迅速发展和加强;来自不同源地的低频30-60 d和10-20 d季节内振荡的锁相则是夏季风爆发的一种触发因子,正是这些因子的共同作用导致了亚洲热带夏季风在这个地区的最早爆发.     

北半球极涡新特征及其对中国冬季气温的影响

利用NCEP/NCAR再分析资料,统计了近50年500,300,200和100 hPa等压面上北半球及4个分区冬季极涡面积和强度指数,并讨论了各层等压面上不同区域极涡面积比例变化特点和500 hPa极涡中心位置变化特征,揭示了冬季各层极涡之间同期和滞后关系,分析了冬季极涡面积与中国平均温度和极端气温的关系。结果表明:(1)北半球极涡面积、强度均经历了先扩张后收缩的变化,20世纪80年代中后期气候变暖以后4层等压面上发生了极涡面积缩小,90年代中期发生强度减弱的年代际突变,只是较面积变化而言,强度年代际变化较弱,极涡面积和强度在年代际上相关显著。(2)位于平流层低层(100 hPa)的极涡年平均面积、强度最大,并且随季节变化幅度也是最大,尤以Ⅰ区(亚洲大陆区)、Ⅳ区(大西洋欧洲大陆区)更为显著。就年内变化而言,100 hPa极涡面积极大值的出现落后于其他层,极小值的出现又早于其他层,并且冬季前期100 hPa极涡面积对其后期500,300和200 hPa的变化有一定影响。(3)4层极涡面积都偏离Ⅳ区,500 hPa极涡基本偏向Ⅱ区(太平洋区)、Ⅲ区(北美大陆区),300,200和100 hPa偏向Ⅰ、Ⅱ区,500 hPa极涡中心多位于Ⅱ区或Ⅲ区。(4)在全球变暖背景下,近50年中国冬季平均气温、暖日(夜)呈现明显的增加趋势,冷日(夜)呈明显的减少趋势,并且突变都发生在20世纪80年代中期。(5)中国冬季平均气温、极端气温指数与极涡面积相关关系以500hPa最为显著。分区来看与500 hPaⅠ区相关最为明显,300 hPaⅠ区、200 hPaⅠ区和100 hPaⅣ区次之。极涡从平流层低层(100 hPa)到对流层中层(500 hPa)是从IV区到I区逐渐影响中国冬季气温。(6)500 hPaⅠ区极涡面积的扩大有利于除东北以外中国大部分地区冷日/夜(暖日/夜)次数的增加(减少),而100 hPaⅢ、Ⅳ区、500 hPaⅣ区面积的扩大有利于中国北方大部分地区冷日/夜(暖日/夜)次数增加(减少),且极涡面积与冷(暖)夜的相关系数要高于与冷(暖)日的,与冷日(夜)的相关系数要好于与暖日(夜)的。     

我国月降水量气候噪声的估计

利用我国大陆均匀分布的70个测站1961~1991年逐日降水量资料, 讨论了月降水量的气候噪声的3种估计方法, 并分别用改进后的方法估计了1、4、7、10月四个有代表性月份降水量的气候噪声.结果表明:我国月降水量的气候噪声随着降水量增加, 具有明显的季节变化, 一般夏季月份的噪声显著大于冬季月份, 秋季月份稍高于春季月份.从空间分布看, 春、夏、秋、冬全国绝大部分地区的气候噪声由南向北、由沿海向内陆明显减小.     

2016年10月我国降水预测失败的原因分析

本文回顾了2016年10月降水业务预报中考虑的动力模式预测信息、前兆信号及其影响。2016年10月全国平均降水量为1951年以来历史同期最多,且环流形势和要素分布特征在月内均发生明显转折。业务发布预报在华北南部、黄淮、江淮、江汉等地降水异常与实况存在较大差异,同时对月内环流形势调整及降水变率估计不足。数值模式预报和物理因子诊断预测与实况的对比分析表明,环流形势整体分布特征预报与实况较为一致,但对西太平洋副热带高压等环流因子的强度、西伸脊点位置以及月内变率的预报与实况存在较大差异。从大气对热带海温信号的滞后响应以及同期相关分析表明,El Nino事件次年秋季副热带高压往往持续偏强偏北。10月赤道太平洋东冷西暖,暖池区对流活跃,东亚上空出现的异常经向环流圈通过低层径向风异常及异常辐合辐散,在日本岛附近形成反气旋式环流距平,也有利于副热带高压加强北抬。9、10月热带印度洋偶极子负位相有利于印缅槽加强,从而有利于水汽向我国东部地区输送。来自副热带高压外围的异常东南水汽和来自西南的水汽共同输送到我国中东部地区,并与南下冷空气交汇产生异常水汽辐合,造成这些地区降水明显偏多。此外10月热带对流活动依然活跃,台风的生成、登陆个数均较常年偏多,是我国东南沿海降水偏多的主要原因。     

2013年海洋和大气环流异常及对中国气候的影响

本文对2013年海洋和大气环流异常特征进行分析,讨论这些异常特征对中国气温和降水的主要影响。结果表明：2012/2013年冬季,北极涛动持续维持负位相,500 hPa位势高度场上,欧亚大陆中高纬环流呈“两槽一脊”的环流形势,乌拉尔山的高压脊持续偏强,而东亚槽也异常偏强,导致全国平均气温较常年同期偏低。季内,西伯利亚高压强度变化显著,与之相对应,我国气温季内阶段性变化大,前冬冷、后冬暖。进一步研究表明,前秋北极海冰的大幅偏少是造成东亚冬季风偏强的重要原因。2013年冬季至夏季,赤道中东太平洋海温异常偏低而海洋性大陆至西太平洋海温异常偏高,受此影响,夏季西太平洋副热带高压位置明显偏北,导致我国北方夏季多雨。与此同时,受西太平洋副热带高压下沉气流的控制,我国南方大部高温持续。2013年南海夏季风爆发偏早两候,结束偏晚4候,强度偏弱。     

ROLE OF A WARM AND WET TRANSPORT CONVEYOR OF ASIAN SUMMER MONSOON IN A BEIJING HEAVY RAINSTORM ON JULY 21, 2012

A heavy rainstorm named Beijing “7.21” heavy rainstorm hit Beijing on 21 to 22 July 2012, which is recorded as the most severe rainstorm since 1951. The daily precipitation amount in many stations in Beijing has broken the history record. Based on the NCAR/NCEP reanalysis data and precipitation observation,the large-scale conditions which caused the “7.21” heavy rainstorm are investigated, with the emphasis on the relationship between it and an equatorial convergence zone, Asian summer monsoon as well as the tropical cyclone over the ocean from the Philippines to the South China Sea (SCS). The results indicated that a great deal of southerly warm and wet moisture carried by northward migrating Asian summer monsoon provided plenty of moisture supplying for the “7.21” heavy rainstorm. When the warm and wet moisture met with the strong cold temperature advection induced by cold troughs or vortexes, an obviously unstable stratification formed, thus leading to the occurrence of heavy precipitation. Without this kind of intense moisture transport, the rainstorm only relying on the role of the cold air from mid- and higher- latitudes could not reach the record-breaking intensity. Further research suggested that the northward movement of an Asian monsoonal warm and wet moisture transport conveyor (MWWTC) was closely related with the active phase of a 30-60 day intra-seasonal oscillation of the Asian summer monsoon. During this time, the monsoon surge triggered and maintained the northward movement of the MWWTC. In addition, compared with another heavy rainstorm named “63.8” heavy rainstorm, which occurred over the Huaihe River Basin in the mid-August 1963 and seriously affected North China, a similar MWWTC was also observed. It was just the intense interaction of the MWWTC with strong cold air from the north that caused this severe rain storm.     

2002年南海季风建立及其雨带变化的天气学研究

利用南海海 气通量观测试验资料结合NCEP ,GPCP以及GMS - 5云图资料 ,综合分析了 2 0 0 2年 5～ 6月南海西南季风建立过程及其雨带变化 ,确定 5月 14日西沙及北部海区西南季风爆发 ,5月 15日整个南海季风爆发 ,季风爆发时间属于正常年 ;季风爆发时风向、风速、云量、降水、湿度、辐射及海面温度等要素都发生突变。这种突变是由大气环流的突变造成的。季风爆发前后大气环流变化过程是 :80～ 90°E越赤道气流加强 ,同时印缅低压加深 ,孟加拉湾南北向气压梯度增大 ,而后东亚大陆上气旋发展东移 ,副热带高压东撤 ,孟加拉湾低压槽前的赤道西风突然加强越过中南半岛 ,南海北部首先出现强西南风 ,继而南海季风迅速地全面爆发。孟加拉湾西南风加强到南海季风爆发是一个连续的过程 ,大陆冷空气南下起了重要的作用。南海季风爆发时呈现单雨带型 ,而后由单雨带型转变为双雨带型 ,雨带受副热带高压和季风系统共同影响 ,并且随着副热带高压移动位置变化。     

中国大陆降水时空变异规律——I.气候学特征

为系统了解大尺度降水气候特征,利用2 300多个国家级气象站逐日观测资料,分析了中国大陆1956—2013年多年平均降水的空间分布和季节性变化规律。主要新认识有:① 暴雨量、暴雨日数和暴雨强度最高的站点在华南沿海,而小雨量、小雨日数最多的站点主要在江南内陆山区、丘陵;东部季风区山地、丘陵多出现低强度降水,平原和沿海易出现高强度降水;② 四季降水量均由西北内陆向东南沿海递增,南方秋季降水量明显小于春季,但华西和江南沿海秋季降水量较多,冬季降水在东南丘陵出现高值中心;③ 珠江和东南诸河流域降水量年内存在2个峰值,其中珠江流域有6月主峰值和8月次峰值,东南诸河流域主峰在6月中下旬,次峰在8月末,长江流域总体表现为单峰型,出现在6月下旬和7月初,西南诸河流域和北方所有流域降水均表现为夏季单峰型;④ 南方各大河流域从2月末到6月中下旬陆续进入雨季,北方各大河流域进入雨季时间集中在6月末、7月初;南、北方雨季结束时间比雨季开始时间集中,从南到北进入雨季时间持续120 d以上,而从北到南退出雨季时间则仅持续不到45 d;⑤ 丰雨期的持续时间,珠江流域从5月初到9月上旬后期,东南诸河从5月上旬到7月上旬,8月末到9月初再度短暂出现,长江流域从6月中下旬到7月中旬,西南诸河从7月中旬到 8月下旬,淮河流域从7月上旬至7月底、8月初,辽河流域在8月初出现极短丰雨期;⑥ 降水年际变异性最高的站点在青藏高原西南、塔里木盆地、阿拉善高原、华北平原北部和汾河谷地,海河流域年降水具有最大的变异系数。