几年来我国气候年际变异和短期气候预测研究的一些新成果

为了热烈庆祝中国科学院大气物理研究所成立80周年(1928～2008年),作者谨就五年来中国科学院大气物理研究所的科学家们完成的关于我国气候变异和气候预测方面的研究工作若干新成果作一些非常概要性的介绍,个中也包含一点所外科学家的工作。不周和不当之处只有请读者海涵和批评指正了。本文介绍的主要进展有三个方面:关于我国气候年际变异的研究、ENSO预测研究和数值气候预测研究。     

秋行夏令:2021年10月初北方致灾性持续暴雨及水汽极端性分析

2021年10月3—6日,我国北方地区经历了历史罕见的持续性极端强降水过程,暴雨中心稳定维持在陕西中部、山西、京津冀、辽宁等地南部和山东北部,给上述地区造成了巨大的经济损失和严重的人员伤亡。基于台站观测降水、NCEP/NCAR和ERA5再分析资料诊断了本次降水过程的极端性。结果表明,本次暴雨过程无论是降水强度、持续时长还是经向水汽输送均表现出典型北方夏季暴雨和大气环流配置特征。上述五省二市区域平均的过程累计雨量强度远远超过秋季其他暴雨个例,即使在夏季也位列第二。本次过程的极端性与强降水中心稳定在上述地区密切相关。上述五省二市区域平均降水连续4日均超过15 mm,这在秋季历史上从未出现过。除过程的极端性强外,9月山西等地降水异常偏多对10月初秋涝也起到了叠加作用。本次秋涝对应的大气环流呈现出典型的北方夏季主雨季环流型,表现为西太平洋副热带高压（副高）偏西偏北,副高西侧的经向水汽输送异常强盛,同时10月4—6日北方地区发生一次强冷空气过程,冷暖气流交汇在上述地区。水汽收支计算表明,本次过程的经向水汽输送强度为秋季历史之最,甚至超过了盛夏时期北方大部分暴雨过程水汽输送强度。上述分析结果表明,即使在仲秋时节亦可产生有利于北方极端持续暴雨的环流形势和水汽输送,并导致秋涝发生。     

ENSO发展和衰减阶段的陕西夏季降水异常特征

利用1961—2008年陕西78个气象站夏季 (6—8月) 降水资料、NCEP/NCAR位势高度场和风场月平均再分析资料,采用合成及相关分析方法探讨ENSO发展和衰减阶段对陕西夏季降水异常的影响,以期为陕西夏季降水的气候预测提供线索和依据。结果表明:陕西夏季降水异常对ENSO发展和衰减阶段的响应存在显著差异,El Ni?o发展阶段和La Ni?a衰减阶段,陕西夏季降水偏少; El Ni?o衰减阶段和La Ni?a发展阶段,陕西夏季降水偏多; ENSO不同阶段对陕西7月降水影响最为显著。比较而言,El Ni?o事件对陕西夏季降水的影响更加显著。在El Ni?o衰减、La Ni?a发展阶段,西太平洋副热带高压偏强、偏西,东亚夏季风偏弱,而在El Ni?o发展、La Ni?a衰减阶段,西太平洋副热带高压偏弱、偏东,东亚夏季风偏强,El Ni?o过程对东亚夏季风强弱的影响更加显著。ENSO发展和衰减阶段通过影响大气环流变化和东亚夏季风的强弱,进而影响陕西夏季降水。     

中国东部夏季主要降水型的年代际变化及趋势分析

针对中国东部夏季降水存在着20世纪50和60年代为“南旱北涝”、80和90年代为“南涝北旱”的相反形势,该文应用小波分析等方法对华北和长江中下游地区近54 a来的夏季降水进行分析,发现二者都具有不同周期的年代际变化。对于周期小于24 a的年代际变化,其morlet小波分析表明两地夏季降水的位相关系并不是固定的。对于更长的时间尺度,用正交小波分析了周期大于28 a的年代际变化,这种长周期的年代际变化能较好地体现出“南旱北涝”和“南涝北旱”两种形势,说明两地降水还存在着更长时间尺度的准周期变化。对于两地降水的这种长周期变化,分别选用不同位相的17 a为代表进行海温、环流形势的合成分析,对比发现两阶段所对应的海温、环流形势具有极明显的差异。最后,用近期的海温、环流形势与上述两种位相的海温、环流形势进行对比,讨论了未来降水型的可能演变趋势。     

近百年中国东部夏季降水年代际变化特征及其原因

本文利用测站降水观测资料分析过去一百多年中国东部华北、长江流域以及华南夏季降水的年代际变化特征发现,尽管这三个地区的夏季降水具有不同的年代际转折时期,但是均同时在1910年代初期、1920年代初期、1940年代中期、1960年代中期、1970年代末期以及1990年代初期发生了跃变。近一百年间不同年代际时期东部夏季降水的分布型主要以南正北负或者南负北正的偶极型为主,并且无论是偶极型分布还是三极型分布,两个相邻年代际时期中国东部降水分布型发生完全反向变化的概率较高（60%）。此外,夏季的PDO、冬季的AO以及春季的北极海冰也同时在1920年代末期、1940年代中期、1970年代末期以及1990年代中期左右发生了跃变,这几次跃变时期与中国东部三个不同地区夏季降水发生跃变的时期一致,表现出近百年来太平洋年代振荡（PDO）、北极涛动（AO）以及北极海冰这三个因子对中国东部夏季降水年代际变化的协同作用。在年代际时间尺度上,夏季的PDO与华北夏季降水显著负相关。PDO的年代际变化能够在500 hPa位势高度场中激发出太平洋—日本（PJ）型年代际遥相关波列;同时在850 hPa风场中激发出类似于影响华北夏季降水年代际变化的大气环流型,从而影响华北降水的年代际变化。冬半年的AO与长江流域夏季降水存在显著正相关关系。冬季到春季正位相的AO导致亚洲大陆南部处于湿冷状态,土壤湿度的记忆性可将这种状态延续到夏季。因此,夏季海陆热力对比减弱,东亚夏季风发生年代际减弱,相应地长江流域的降水年代际增多。春季北极海冰与华南夏季降水显著负相关,北极海冰的年代际异常能在500 hPa位势高度场中激发出与静止Rossby波异常传播相联系的欧亚—华南年代际遥相关波列,从而影响华南降水的年代际变化。     

A diagnostic analysis of the weakening of West Pacific subtropical anticyclone during the period of South China Sea summer monsoon onset in 1998

The onset of South China Sea summer monsoon in 1998 occurred on May 21st. Using the U.S. National Centers for Environmental Prediction reanalysis data, this paper examines the physical process of the weakening of a subtropical anticyclone in West Pacific during the onset period using the Zwack-Okossi vorticity equation. Results show that during the pre-onset period, the positive vorticity advection in front of an upper tropospheric trough was the most dominant physical mechanism for the increase of the cyclonic vorticity on the 850-hPa layer over the South China Sea and its nearby region. The secondary contribution to the increase of the cyclonic vorticity was the warm-air advection. After the onset, the magnitude of the latent-heat warming term rapidly increased and its effect on the increase of the cyclonic vorticity was about the same as the positive-vorticity advection. The adiabatic term and divergence term contributed negatively to the increase of the cyclonic vorticity most of the time. Thus, the positive vorticity advection is the most important physical mechanism for the weakening of the West Pacific subtropical anticyclone over the South China Sea during the onset period.     

热带西太平洋海温距平与Rossby波传播对1993和1994年东亚夏季风异常影响的差异

利用NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料与降水资料,分析了1993和1994年东亚夏季风异常的天气气候特征以及大气环流的差异.分析结果表明: 1993年东亚夏季风弱,副热带西风急流和副热带高压位置偏南,来自于孟加拉湾和南海的水汽仅输送到35°N以南地区.东亚地区出现低温凉夏天气.1994年东亚夏季风强,副热带西风急流和副热带高压位置偏北,7～8月副高持续偏强并控制日本,水汽可以输送到45°N以北的较高纬度,东亚发生破纪录的热浪干旱.对1993和1994年东亚夏季风异常物理过程差异的研究发现,副热带西风急流中静止Rossby波的传播和热带西太平洋暖池海温距平激发出来的PJ型遥相关波列作用的叠加引起1994和1993年东亚夏季风异常差异.     

RELATIONSHIPS BETWEEN SPRING KUROSHIO SSTA AND SUMMER RAINFALL IN CHINA

Based on the data of SST and NCEP/NCAR reanalysis data, the relationship is analyzed of spring SSTA in the Kuroshio region with summer precipitation in China, summer 500 hPa field and water vapor transport, using the methods of Morlet wave, correlation and composite analysis. The results show that annual and interdecadal change of spring SST in the Kuroshio region is distinct. Spring SST displays a significantly increasing trend and there exist different periodic oscillations in the Kuroshio region, with the 23-year periodic oscillation being the most obvious. Troughs and ridges in the mid- and higher- latitudes turn deeper in high Kuroshio SSTA years. At the same time, the western Pacific subtropical high strengthens and stretches westwards. As a result, the warm / wet air from the west of the subtropical high locates in the mid- and lower- reaches of the Yangtze River and south China and summer rainfall in the above regions increases accordingly. Composite anomalous water vapor flux fields indicate that the vapor transport from the South China Sea and western Pacific and the vapor from the north converge over the mid- and lower- reaches of the Yangtze River and south China, which results in the increase of the summer rainfall in the mid- and lower- reaches of the Yangtze River and south China. On the contrary, the summer rainfall in the mid- and lower- reaches of the Yangtze River and south China decreases correspondingly in low Kuroshio SSTA years.     

我国东、西部夏季水汽输送特征及其差异

本文利用ERA-40再分析每日资料分析了我国东部季风区与西北干旱—半干旱区夏季1971～2000年气候平均的水汽输送特征及其差异, 分析结果表明我国东部季风区与西北干旱—半干旱区夏季气候平均的水汽输送特征有明显的差异。由于亚洲夏季风从孟加拉湾、 南海和热带西太平洋输送大量水汽到我国东部季风区, 故在东部季风区夏季经向水汽输送通量比纬向水汽输送通量大。而西北干旱—半干旱区受中纬度西风带的影响, 夏季纬向水汽输送通量比经向水汽输送通量大, 且此区域夏季无论纬向或者经向水汽输送通量均比东部季风区的水汽输送通量小一量级。并且, 分析结果还表明: 我国东部季风区由于湿度大, 故夏季水汽输送通量的散度不仅依赖于湿度平流, 而且依赖于风场的辐合、 辐散, 而西北干旱—半干旱区夏季水汽输送通量的散度主要依赖于湿度平流。此外, 分析结果还表明了我国东部季风区的水分平衡与西北干旱—半干旱区的水分平衡也有明显的不同。     

东亚夏季风强弱年大气环流和热源异常对比分析

根据黄刚等定义的东亚夏季风指数, 对强、弱东亚夏季风年大气环流、大气热源和外强迫源SST的差异进行分析, 结果表明:强 (弱) 东亚夏季风年前期冬季到夏季, 太平洋SSTA为La Ni?a (El Ni?o) 型分布, 西太平洋暖池SST暖 (冷), 使得暖池附近对流活动较强 (较弱)。与此同时, 南亚大陆从印度半岛、青藏高原南部、中南半岛至华南大气异常加热 (变冷), 并且海陆热力对比加强 (减弱), 有利于出现强 (弱) 的东亚夏季风。此外, 由于暖池附近对流活动强 (弱), 该地区上升气流较强 (弱), Walker环流增强 (减弱), 当强 (弱) 的东亚夏季风向北推进时, 副热带西风急流北撤位置偏北 (南), 副热带高压位置也偏北 (南), 7月至8月华北 (江淮流域) 位于副热带西风急流南侧, 降水偏多, 江淮流域 (华北) 降水偏少。并给出与东亚夏季风年际变异有关的大气环流和SST异常的物理图像。