CMIP5模式对未来30a新疆夏季降水的预估

选用参与气候变化政府间合作委员会(IPCC)第5次评估报告的25个气候耦合模式(CMIP5),基于GPCP(Global Precipitation Climatology Project)降水资料,采用多种统计方法,综合评估模式历史试验对1979—2005年新疆夏季降水的模拟能力,优选出模拟性能较好的模式,进而利用其RCP8.5排放路径下的模拟结果来预估未来30 a(2021—2050年)新疆夏季降水的变化。从气候平均场和年际变率来看,25个CMIP5模式的模拟性能差异显著,部分模式可模拟出新疆夏季降水的主要空间分布特征,如伊犁河谷地区的降水中心以及南疆和东疆地区的少雨区。从优选出的9个模式的集合平均结果来看,对南疆西部山区与昆仑山北侧地区降水强度和范围模拟偏强,对年际变率的模拟偏弱,但其降水的空间分布与观测比较一致,可较准确地捕捉到高、低值中心,空间相关性也较好。因此,利用该集合平均结果对未来新疆降水进行预估是可信的。预估结果表明:(1)未来30 a北疆大部分地区和东疆部分地区夏季降水略微减少,伊犁河谷和南疆大部分地区显著增多,且增幅中心出现在南疆西部和昆仑山北侧地区;(2)山区年际变率较其他地区明显,且伊犁河谷、南疆西部和昆仑山北侧地区的年际变率呈现逐渐增大趋势;(3)降水变化与500 hPa环流配置异常密切相关,北疆地区偏南气流加强,表现为反气旋性环流,南疆地区偏东气流加强,表现为气旋性环流,因而导致未来新疆地区夏季降水南增北减。     

长江中游和下游夏季降水季节内振荡的差异

利用1979~2013年中国站点逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,对长江中下游夏季降水的季节内振荡最显著周期进行了分析研究。结果表明长江中游最显著周期为10~30天,长江下游最显著周期为30~60天。为了揭示这种差异产生的物理原因,进一步利用位相合成的方法对这两个区域不同周期的季节内振荡降水、高低空风场和高度场以及垂直结构和水汽等循环过程的演变特征进行分析。在200 hPa环流场上,长江中游的降水主要受到高纬度自西向东传播的波列影响,而长江下游的降水与鄂霍次克海的高度场的变化相关。在风场的垂直涡度和散度的位相结构演变过程中,10~30天的垂直涡度和散度有自北向南的移动,30~60天的垂直涡度和散度在长江以南地区有自南向北的传播。水汽输送的位相发展过程表明,长江中游的水汽分别来自于南海的向北输送和长江以北地区向南的水汽输送;长江下游地区的水汽则主要来自于热带东印度洋经孟加拉湾的向东输送并在南海的北向输送,以及西太平洋水汽向西输送到南海再向长江下游的输送。从高层大尺度环流场和整层积分的水汽通量输送上解释了长江中游10~30天降水的自北向南移动,和长江下游30~60天降水自南向北传播的原因。     

2016年和1998年汛期降水特征及物理机制对比分析

利用多种大气环流、海表温度、积雪面积等数据,并利用个例对比分析和统计方法,研究了2016年汛期（5-8月）中国旱、涝特征及与1998年的异同点,并对比分析了这两年导致降水异常的大气环流和外强迫因子。结果表明:（1）2016年汛期中国降水总体偏多,长江中下游和华北各有一支多雨带。与1998年相比,这两年南方多雨带均位于长江流域,梅雨雨量均较常年偏多1倍以上,但梅雨季节进程有显著差异,1998年发生典型的“二度梅”,而2016年梅雨结束后长江流域降水显著偏少,主要降水区移至北方。（2）2016年5-7月乌拉尔山高压脊明显偏弱,而1998年欧亚中高纬度呈“两脊一槽”型,这与北大西洋海温距平在这两年前冬至春季几乎完全相反的分布型密切相关。（3）这两年5-7月热带和副热带地区环流较为相似,副热带高压偏强、偏西,东亚夏季风偏弱,来自西北太平洋的水汽输送通量均在长江中下游形成异常辐合区,这主要是受到了前期相似的热带海温异常的影响,均为超强厄尔尼诺事件和热带印度洋全区一致偏暖模态。（4）这两年8月环流形势有显著差异,2016年8月副热带高压断裂,西段与大陆高压结合持续控制中国东部上空,夏季风迅速转强,长江流域高温少雨。而1998年8月夏季风进一步减弱,长江流域发生“二度梅”。2016年8月MJO异常活跃并长时间维持在西太平洋地区,激发频繁的热带气旋活动,对副热带地区大气环流的转折有重要作用。而1998年8月MJO主要活跃在印度洋地区,使得副高持续前期偏强的特征。除海洋和上述环流差异外,2016年前冬至春季青藏高原积雪的冷源热力效应远不及1998年强,这可能是导致2016年夏季风偏弱的程度不及1998年,而2016年汛期华北降水较1998年偏多的原因之一。      

利用高原积雪信号改进我国南方夏季降水预测的新方法及其在2014年降水预测中的应用试验

2014年夏季我国南方出现严重洪涝、北方大部干旱,国内绝大多数预测模型在三月起报的汛期预测中均未能抓住位于南方地区的异常雨带,导致预测准确率明显偏低。基于模式对东亚地区夏季海平面气压场的高预报技巧和青藏高原冬季积雪与南方地区夏季降水的高相关性,本文提出一个针对我国夏季降水异常的组合统计降尺度预测新方法（Hybrid Statistical Downscaling Prediction,简称HSDP）,该方法综合利用了气候模式输出的高可预报性环流信息和前期观测的高原积雪异常信号,从而实现对我国南方夏季降水进行动力-统计相结合的改进预报。据此方法建立了一个基于国家气候中心气候预测模式的统计降尺度模型。对我国南方夏季降水进行跨季节预测的交叉检验结果显示,HSDP方法对于南方地区多年平均空间距平相关系数从模式原始预报的-0.006提高到0.24,且在大多数年份均有改进。基于HSDP方法于三月份制作的2014年夏季降水预测,能够很好地抓住南涝北旱的基本形势和我国南方的降水大值区,空间距平相关系数达到0.43。这表明,该方法对于我国夏季降水预测具有较好业务应用前景。     

青藏高原南、北积雪异常与中国东部夏季降水关系的数值试验研究

青藏高原冬、春积雪有着显著的南、北空间差异,本文利用通用地球系统模式（CESM）设计了增加高原南、北冬、春积雪的敏感性试验,结果表明:当高原南部冬、春积雪异常偏多,长江及其以北地区夏季降水偏多,华南大部分地区夏季降水偏少;而当高原北部冬、春积雪异常偏多,华北及东北地区夏季降水偏多,长江下游南部地区夏季降水偏少,雨带更偏北。青藏高原南、北部冬、春积雪异常影响中国东部夏季降水的物理机制的分析结果表明,高原不同区域（南部和北部）冬、春积雪异常引起的非绝热加热异常效应都可持续到夏季,且北部积雪异常持续时间更长。高原南部和北部积雪异常偏多均会减弱高原北侧上空大气的水平温度梯度,进而减弱高原北侧西风急流的位置及强度,进而影响下游出口区处急流的强度和位置,且高原北部积雪异常偏多的影响更大。当高原南部积雪异常偏多,急流出口区的西风急流加强且偏南;而高原北部积雪异常偏多,出口区的西风急流减弱且偏北。相应地,对流层中层500 hPa西太平洋副热带高压减弱,低层850 hPa异常反气旋环流,影响中国东部地区水汽输送,从而影响了中国东部地区夏季雨带的变化。当高原南部积雪异常偏多,异常反气旋性环流位于东海附近,有利于更多水汽输送至长江流域,华南水汽输送减少;当高原北部积雪异常偏多,异常反气旋性环流相对偏北,更有利于华北及东北水汽输送,雨带偏北。     

青藏高原异常雪盖和ENSO的多尺度变化及其与中国夏季降水的关系

对青藏高原积雪和热带东太平洋Nin03区海温进行小波分析,讨论它们的年际和年代际变化。在年际变化中,积雪的主要周期是准两年振荡和准6～7年振荡,海温的主要周期是ENSO振荡和准两年振荡。积雪的年代际变化存在准10～12年和准22～24年振荡,海温存在准14～16年和准34～35年振荡。此外积雪和海温均在20世纪70年代后期发生了一次年代际气候跃变现象。积雪由少雪期向多雪期转化,海温从冷水期演变成暖水期。本文还建立了青藏高原积雪和Nifi03区海温与中国夏季降水各时间尺度的相关模型。不同时间尺度的积雪、海温和降水的相关场具有不同的地域特征。它们在有的地区相互加强,有的地区相互减弱。积雪和海温的年代际气候跃变与中国夏季降水的相关程度在某些地区高于年际变化。个例分析表明,利用青藏高原积雪和Nin03区海温多时间尺度变化可以较好地拟合出中国夏季降水的年际和年代际变化。所以在做中国夏季降水预报时,不同因子、不同尺度的作用府当分开考虑。     

中尺度非均一边界层气候的数值研究: (Ⅱ) 夏季的数值试验

用修改的Nickerson等提出的中尺度模式，对我国北方夏季非均一下垫面上的边界层气候特征进行了研究。结果表明，在晴朗、静风和无扰动系统的条件下，下垫面的非均一性对边界层气候起着决定性的影响。边界层气候特征和低空急流强度与局地环流关系密切。干燥裸地上边界层内出现的逆湿现象，是由下垫面非均一的湿度场和中尺度平流共同引起的。     

我国东部7月份降水量的时空变化特征及其与夏季风的联系

根据近40年月降水量和月平均环流资料分析表明,我国东部地区7月降水量具有明显的空间分布特征和阶段性变化;亚洲夏季风的强弱变化是影响我国7月降水的重要因子之一;春季亚洲大陆地面气压场的异常变化,对7月亚洲季风的强弱趋势变化,有重要指示意义.     

吉林省夏季降水时空变化特征研究

根据吉林省46个气象站1961-2010年夏季6-8月降水资料,采用线性趋势估计、旋转经验正交函数(REOF)等方法,对吉林省夏季降水的空间分布结构和长期变化特征进行了分析.得到如下结论:(1)近50 a吉林省夏季降水整体有减少的趋势,但未能通过显著性检验;从1980s初期开始,夏季极端旱涝事件发生频率有增大趋势,旱涝交替变化更加频繁;在降水异常的背景下吉林省大部分地方的暴雨发生频率呈增多趋势;(2)采用REOF客观的数学方法得到吉林省夏季降水的3个气候分区,即西北部平原区、中南部区和东部山区,这3个分区较好地反映了夏季降水的地域差异分布特征;(3)吉林省3个降水气候区分别呈现不同的降水趋势变化,西北部平原区降水趋势减少导致干旱发生概率增大,中南部区降水趋势增加导致洪涝发生概率增大,东部山区降水稳定少变.     

晚春初夏西太平洋副热带高压南撤过程的气候学特征

利用1979—2006年多年平均逐日NCEP/NCAR再分析资料、NOAA的OLR和逐候CAMP降水资料,从气候学角度探讨了晚春初夏季节转换时期,西太平洋副热带高压（副高）脊线位置变化及其与亚洲夏季风爆发的关系。发现晚春初夏时期西太平洋副高在向北移动过程中存在一次显著的南撤过程,之后西太平洋副高发生第一次北跳,南撤主要发生在对流层高层和低层,南撤生命期可达2周,且高层的南撤过程结束时间比低层的南撤过程开始时间早约1旬,这为预测低层副高南撤及其第一次北跳提供了有意义的前期信号。低层西太平洋副高南撤的同时伴随着一次显著东退过程。在低层副高南撤结束后（约5月底）,由于气温经向梯度的变化使副高脊轴倾斜发生反转。\n晚春初夏的西太平洋副高南撤过程与亚州夏季风爆发、强对流活动和降雨带的移动变化关系密切。在对流层高层西太平洋副高南撤过程的中后期（约4月底）,夏季风在安达曼海和临近孟加拉湾爆发。在对流层低层西太平洋副高南撤过程开始后,南海夏季风开始爆发（5月14—15日）;南撤过程结束后（6月初）,印度夏季风爆发;在副高脊线返回日后（6月中）,东亚夏季风爆发。西太平洋副高南撤过程不同阶段的建立时间为预知亚洲不同地区夏季风的爆发时间提供了非常有用的信息。\n此外,在西太平洋副高主体南北两侧存在两支强的雨带,与副高主体控制的少雨带构成一个典型的“湿干湿”三明治雨型,这个雨型的变化与西太平洋副高脊线移动有关。