全新世东亚夏季风演化的多尺度周期变化及其可能机制探讨

在全球变暖背景下,东亚夏季风发生极端变化所带来的大区域洪涝或干旱灾害的频率会增加,认识东亚夏季风的变化规律具有重要意义。本文利用已经发表的全新世东亚夏季风变化资料,使用集合经验模态分解（EEMD）、小波分析、频谱分析等手段,探讨全新世东亚夏季风多尺度演变周期及可能的驱动机制,取得以下认识：1）全新世东亚夏季风存在不同时间尺度的波动周期,即千年时间尺度上存在约2000年和4000年的周期波动;百年时间尺度上存在约200年、400年及约700年的周期波动;年代际时间尺度上,晚全新世出现约66年的显著周期。2）东亚夏季风在不同时间尺度上演变的主导驱动因子存在差异,即在约2000年波动周期上主要受控于厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）大尺度变化的调控;百年时间尺度上与太阳活动密切相关,主要表现在约200年和700年的周期波动上;年代际时间尺度上,晚全新世东亚夏季风变化主要受控于大西洋多年代际震荡（AMO）调控。本研究可为进一步深入理解东亚夏季风变化的动力机制提供基础。

     

菲律宾以西海域的高温暖水与南海夏季风爆发

为了揭示高温暖水在中国南海（文中简称南海）夏季风爆发中所起的作用,依据欧洲中期天气预报中心发布的第5代全球大气海洋再分析资料,发现气候平均意义下印度洋—太平洋暖池中30℃以上高温暖水会在5月出现移位：5月上旬高温暖水出现在孟加拉湾中部,而到下旬消退并移位到南海南部。通过分析局地天气尺度的海洋-大气相互作用过程,揭示了上述高温暖水月内移位的物理机制：在孟加拉湾夏季风爆发后,逐渐增强的潜热释放和减少的短波辐射会导致孟加拉湾高温暖水的面积逐渐缩小;与此同时,在副热带高压影响下,南海菲律宾岛西南高温暖水出现,并因其面积逐渐增大,并与泰国湾的高温暖水共同构成了南海南部的高温暖水。研究发现南海季风爆发几乎都出现在上述高温暖水移位之后,因此孟加拉湾中部和南海南部海表温度的差由正转负可以作为南海季风爆发的先兆。

     

北大西洋涛动和南半球环状模不同位相配置对我国南方夏季降水的协同影响

利用我国气象台站观测资料和再分析格点数据,诊断研究了前期春季（4-5月份）北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation,NAO）和南半球环状模（Southern Annular Mode,SAM）在不同位相配置下对我国南方夏季降水异常变化的协同影响作用.分析结果表明,在剔除ENSO最强信号影响后,我国南方夏季降水异常分布显著地依赖于前期春季两个较为独立的年际变率主模态（NAO和SAM）位相的不同配置,即降水异常型主要表现为两个因子单独作用的叠加效果.当前春SAM正位相偏强而NAO负位相偏强时,二者的影响呈现协同正效应,我国南方夏季（6-7月份）降水表现为全区正异常,特别在长江中下游及其以南附近地区最为显著;反之,当前春SAM呈偏强的负位相而NAO偏强的正位相配置时,二者的影响呈现协同负效应,对应我国夏季长江中下游地区降水表现为显著负异常.对其可能的影响机理研究表明,在SAM与NAO位相相反情况下,二者均会通过海气相互作用过程影响到热带大西洋北部海温的异常变化,进而形成协同作用,增强北大西洋海温三极子模态异常信号,从而通过欧亚大陆的遥相关波列对东亚夏季风和我国南方降水产生显著影响.相比之下,当SAM与NAO同位相时,可能表现为抵消效应,不利于北大西洋海温三极子发展,从而削弱对我国南方夏季降水的影响,此方面还有待进一步研究.

     

欧亚地区夏季大气环流年际变化的关键区及亚洲夏季风的关联信号

本文利用资料分析和数值模拟方法研究了欧亚地区夏季大气环流的相关性及其与亚洲夏季风的关联信号,以期为欧亚地区的气候变异及可预测性研究提供科学依据.结果表明:欧亚区域同期(JJA)500 hPa高度场年际变化的关键区包括热带区、中纬度的贝加尔湖和巴尔喀什湖之间以及欧洲地中海附近地区;表面气温的关键区主要位于热带海洋;海平面气压的关键区包括热带的海洋性大陆区域、印度洋和非洲大陆赤道附近部分区域、中高纬的贝加尔湖与巴尔喀什湖之间的地区.另外,夏季大气环流年际变化的春季关键区明显西移/南退,特别是表面气温(其西太平洋区不再是关键区).公用气候系统模式CCSM4.0的大气模式在给定海温年际变化的情况下对于上述大气环流相关场及其关键区的模拟基本合理,其中500 hPa高度场的模拟结果较好,海平面气压场的结果逊之;对于同期和前期的结果,模式都有夸大西太平洋海温影响的倾向.对于东亚夏季风指数与大气环流的同期年际变化信号而言,其空间分布基本表现为以30°N为界呈西南东北向的波列状分布;其春季前期信号中,30°N以南的显著区几乎都位于海洋,30°N以北主要位于欧洲、巴尔喀什湖与贝加尔湖之间的地区.南亚夏季风指数的前期显著相关区比同期明显西移/南退.总之,模式的模拟结果和观测结果相当吻合,但其同期模拟结果比前期的更好一些.这些结果说明:模式对于大气环流年际变化的耦合变化信息的刻画是基本合理的,这为利用气候模式进行有关可预测性研究和降尺度预测研究奠定了基础.     

印度夏季风与中国华北降水的遥相关分析及数值模拟

20世纪80年代中国学者揭示了印度夏季风与中国华北降水的正相关关系,以后国内外又有一些研究证实了这种正相关关系的存在.文中利用1951-2005年多种气象资料和数值模拟方法,详细讨论了印度夏季风和中国华北地区夏季降水的关系,并针对由印度西北部经青藏高原到中国华北地区形成的正、负、正的遥相关型,从动力因子和热力因子两方面探讨了其中的内在联系,所得结果不但确证了以往的结论,而且进一步揭示了印度夏季风对华北地区降水的影响机制.结果表明:(1)印度夏季风强(弱)时,华北地区容易出现降水偏多(少)的天气;华北地区降水偏多(少)时,印度夏季风偏强(弱)的机率却低一些,这说明印度夏季风的异常变化对华北地区夏季降水有更大的影响.(2)印度夏季风强度主要受印度季风槽的影响,在印度季风槽加深的同时,中高纬的低压槽也加深发展,而这时西太平洋高压脊西伸,来自低纬的西南风水汽输送和源于西太平洋的副热带高压南侧的东南风水汽输送共同作用,有利于华北地区的降水偏多;反之则不利于华北地区的降水.(3)区域气候模式模拟结果也很好地模拟出印度夏季风和华北夏季降水的遥相关关系,其相应的环流异常系统与诊断分析结果非常一致,这从另一方面证实了这种遥相关关系的存在和可靠性.     

辽宁降水分区变化特征及夏季降水影响因子分析

根据1961—2000年辽宁地区降水资料,将辽宁地区降水划分为4个区,分析各分区降水的年际、年代际、季节变化以及周期特征。结果表明:辽宁南部和东南部地区降水明显减少;自20世纪90年代开始,东南部和南部地区降水显著减少,而中部地区降水增加;东南部地区的夏冬季和南部地区的冬季降水减少,西部地区春季降水增多。周期特征为春季和冬季周期为2 a或4 a,夏季和秋季为10 a。各分区夏季降水的影响因子不同,辽南地区多雨年东亚槽明显加深,东南区多雨年东亚槽略有加深并且偏东;南部和东南部夏季降水与副热带高压系统相关显著;各区夏季降水与太阳黑子负相关较好,其中8月相关显著,南部和中部相关性均好于东南部和西部地区。     

华南前汛期开始和结束日期的划分

本文利用48年（1957～2004年）中国站点逐日降水资料和同期NCEP/ NCAR逐日再分析资料,研究了华南前汛期的开始和结束时间的划分问题.首先,选择了研究华南前汛期问题的区域和代表站点,然后对降水量、水汽（可降水量,水汽通量,水汽通量散度）、垂直速度和假相当位温等物理量的演变特征进行分析,发现：前汛期起、止前后上述要素均有阶段性的突变.其中4月第1候（19候）是华南前汛期的开始,可降水量、水汽通量和假相当位温等增加显著,对流开始活跃,水汽通量散度也由辐散变为辐合,降水量明显增加.但4月份总体雨量不强,主要为锋面降水.5月份随夏季风爆发,水汽继续增加,对流活跃,进入季风降水阶段;夏季风降水盛期时段主要集中在6月份.6月第4候（34候）前汛期结束,各降水指标骤减.然后根据降水和环流指标,提出了华南前汛期开始和结束日期的划分标准,定义了逐年的开始和结束日期.最后对华南前汛期开始期之前、之后以及结束期之前、之后的大气环流背景做了对比分析.指出,前汛期开始前,环流形势有利于华南地区增暖增湿;开始期以后则有利于冷空气南下,造成连续降水,使华南进入前汛期.而前汛期的结束,则是由于东亚大气环流的季节调整,尤其是西太平洋副热带高压的第一次北跳所造成的.     

奇异值分解和奇异交叉谱分析方法在华北夏季降水诊断中的应用

利用1965~2000年华北5省市及相邻省73个地面观测站逐月平均降水场及北半球500 hPa高度场、北太平洋海温场资料, 采用奇异值分解 (SVD)、奇异交叉谱 (SCSA) 分析方法, 将华北夏季降水场分别与1月北半球500 hPa高度场、冬季北太平洋海温场进行了诊断分析, 得出奇异向量分布型及相互作用的耦合周期信号。在对前4对奇异向量的分析中发现, 华北夏季降水全区域为正距平时与1月北半球500 hPa高度场PNA遥相关型关系非常密切。ENSO对华北夏季降水的影响确实存在, 但华北夏季降水全区域为正距平时与冬季北太平洋ENSO关系并不明显。同时还找出了华北降水与北半球500 hPa高度、北太平洋海温场相互作用的关键区。在华北各型降水与高度场、海温场关键区相互作用的耦合周期中, 前者以准2~7年振荡为主; 后者则周期较长, 最短周期仍为准2年振荡, 最长周期为准10~11年振荡。以上结论为进一步研究华北夏季降水短期气候预测方法, 提供了参考依据。     

MIS4早期千年尺度事件特征的湖北石笋记录

高精度定年的石笋记录有助于校正冰芯时标和理解千年尺度事件的驱动机制。基于湖北永兴洞YX288石笋5个高精度²³⁰Th年龄和264组氧同位素数据,重建了MIS4早期东亚季风水文循环演化过程。结合同一洞穴YX46记录,发现两条记录在重叠时段的波动特征高度一致,清晰地记录了持续时间较长的DO19.1事件和持续极短的DO19.2事件。石笋记录显示DO19.2和DO19.1事件的开始时间分别为约72.06 ka和69.40 ka,结束时间依次为约69.85 ka和69.03 ka,在误差范围内与格陵兰NGRIP冰芯AICC2012时标一致。这两个事件的持续时间依次约为2200 a和360 a。在DO19.2事件期间,石笋记录的东亚季风较为稳定,显著不同于格陵兰冰芯记录的温度持续下降的特征。这一季风稳定状态与南北两极间温度差的稳定波动特征较为一致,这也得到反映热带辐合带位置变化的Cariaco盆地反照率记录的支持,表明南北半球的温度变化对亚洲季风的综合影响。

     

陕西地洞河高分辨率石笋记录的DO18季风增强事件

千年尺度事件的结构特征和区域响应是理解和认识冰期气候变化及动力机制的关键。本文基于陕西汉中宁强县地洞河一支长417 mm石笋DDH1的11个U-Th年代和417个氧同位素（δ¹⁸O）数据,重建了末次冰期（64.8~33.2 ka B.P.）亚洲季风演化历史。石笋δ¹⁸O记录在64.7±0.2 ka B.P.和59.3±0.1 ka B.P.快速负偏,分别指示了DO18事件的开始和H6事件的结束。在DO18事件结束过程,石笋δ¹⁸O记录在64.0~60.4 ka B.P.持续正偏,振幅达2.9 ‰,反应季风逐渐减弱,但未出现明显转型阶段。其总体形态与大西洋Cariaco盆地岩芯反射率、南极冰芯的记录较为一致,但是不同于格陵兰冰芯的记录。因地洞河所处青藏高原、秦岭叠加影响的区域,纬度和地形的双重影响使得其石笋δ¹⁸O记录较其他地区偏负,振荡幅度更大。因地形阻挡了高纬信号,使得低纬甚至南半球的信号突现出来,ITCZ的移动、南半球温度和水汽潜热的释放作用在这一区域尤为显著。