亚洲夏季风爆发早晚的新前兆信号:冬季南极涛动

亚洲夏季风最早于5月上旬和中旬分别在中南半岛和南海爆发.统计分析的结果显示,其爆发早晚的前兆信号最早可追溯至冬季南半球中、高纬度的大气环流的异常,即南极涛动.冬季南极涛动偏强会造成初春南半球中纬度地区副热带高压带偏强,低纬地区赤道辐合带加深,从而使南半球中纬度和热带地区的气压梯度力加大,促使3～4月份索马里越赤道气流较早建立并偏强.受科氏力作用,索马里急流增强并越过赤道后,赤道印度洋西风也偏强,有利于孟加拉湾和南海地区低层辐合的加强和对流的活跃,并使西太平洋副高偏弱且较早东撤出南海,造成亚洲夏季风爆发偏早.反之,当冬季南极涛动偏弱时,南半球副热带和热带之间的气压梯度力偏小,索马里越赤道气流偏弱,赤道印度洋西风也偏弱,孟加拉湾和南海对流偏弱,南海上空副高偏强且东撤时间偏晚,亚洲夏季风爆发偏晚.这一结果在过去研究成果基础上进一步拓延了基于南半球大气环流信号预测亚洲夏季风的时效,并可作为一个新的前兆信号在业务中应用.     

冬季格陵兰、喀拉海和巴伦支海海冰年际变化与ENSO事件

众多研究表明,ENSO事件不仅仅是热带地区大气和海洋异常年际变化现象,并且与中高纬度地区的气候异常变化相关联,一方面通过对两维定常行星波的强迫导致中高纬度地区的遥响应;另一方面,中高纬度的大气环流异常对ENSO事件的发生也具有触发作用.海冰变化可以引起盐度突变层的灾变和热盐环流的突然停止,可以导致半球乃至全球大气环流异常,最新研究表明,海冰面积变化周期与ENSO事件的周期有较好的一致性.本文讨论了冬季格陵兰、喀拉海和巴伦支海海冰年际变化与ENSO事件的关系,认为该海域海冰面积异常可以引起北半球大气环流异常响应,尤其是当海冰面积变化超前大气变化3年时,可以诱发大气高度场产生PNA型异常;ENSO事件都发生在海冰面积变化速度为极值点的冬季.     

南极涛动年际变化对江淮梅雨的影响及预报意义

相关分析和个例分析的结果均揭示了南极涛动异常与我国东部夏季降水异常有密切的关系. 当春季尤其是5月南极涛动异常强时, 常常对应于夏季江淮流域降水的偏多, 梅雨出梅偏晚, 梅期长度偏长; 反之, 当前期南极涛动异常弱时, 江淮流域降水易偏少, 梅雨出梅偏早, 梅期长度偏短. 研究还表明, 南极涛动的异常使得影响我国东部夏季降水的环流系统的强度和位置发生改变, 形成导致江淮流域降水偏多或偏少的形势. 另外, 南极海冰密度对南极涛动有6个月的超前负相关, 上述结论为江淮梅雨的预报提供了一条可行的新途径.     

1993年南极臭氧洞期间普里兹湾地区的大气振荡特征

文献[1]对1993年南极“臭氧洞”期间中山站上空的大气臭氧总量变化特征进行了初步的分析和研究,揭示了在中山站上空大气臭氧总量有着十分显著的逐日变化,并指出这种变化可能与中山站位于臭氧洞边缘,受南极平流层极地涡旋摆动与伸缩的动力过程影响有关。本文利用南极中山站地面温度、气压和大气臭氧总量资料和与中山站(69°22′S,76°22′E)同在普里兹湾地区的澳大利亚戴维斯站(68°34′S,77°54′E)的探空资料,对1993年南极臭氧洞期间普里兹湾地区的大气振荡特征进行了研究。     

行星尺度纬圈平均风扰动的传播与南北极涛动

全球大气变量可以物理分解为纬圈和时间平均的气候对称部分、时间平均的气候非对称部分、行星尺度纬圈平均的瞬时对称扰动和天气尺度瞬时非对称扰动.本文分析了对流层顶行星尺度经、纬向风扰动在季节内和年际尺度上的变化,及其与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、北极涛动(AO)和南极涛动(AAO)之间的关系.结果表明,来自热带对流层顶的年际行星尺度纬向风扰动与赤道ENSO循环有联系,并通过异常的经圈环流传播到副热带、中纬度和极锋对流层顶.来自热带对流层顶的季节内(40~60 d)行星尺度纬向风扰动也可以通过异常的经圈环流向赤道外传播到副热带和中纬度.来自两半球极地对流层顶的大气季节内行星尺度纬向风扰动可以向高纬度传播.AO和AAO是这些行星尺度环流扰动在中高纬度传播与叠加的结果.     

南北两极海冰的相互关系

南北两极海冰是全球大气-海洋热机的巨大冷源,对全球大气环流和气候有极大的影响.到目前为止,关于两极海冰的研究以及海冰与大气环流和气候变化关系的研究工作,大部分是分别研究南极、北极海冰的变化及各自与气候的关系.本文则主要立足于全球范围进行综合研究.两极海冰作为冷源,除分别各自对全球气候产生影响外,两极海冰之间也应有内在的联系.因此,本文试图研究两极海冰之间的涛动关系,以及把两极冷源对全球气候的作用统一起来.     

冬季澳大利亚东侧海温与长江流域夏季降水的联系及可能物理机制

通过对观测资料的分析, 初步探讨了冬季澳大利亚东侧海温和夏季长江流域降水的关系及可能物理机制. 研究表明, 澳大利亚东侧冬季海温与我国长江流域夏季降水之间具有同位相变化关系. 当冬季澳大利亚东侧海温变暖时, 随后夏季西太平洋副热带高压和东亚西风急流位置往往偏南, 我国大陆沿岸低层盛行异常的西南风, 有利于长江流域降水增多, 反之亦然. 冬季澳大利亚东侧海温对后期夏季东亚大气环流的影响通过两种途径来实现: (ⅰ) 冬季澳大利亚东侧海温异常信号由于自身的持续性可维持到夏季, 并通过南北半球遥相关影响东亚夏季大气环流的变化; (ⅱ) 冬季澳大利亚东侧海温偏高时,同期西南印度洋海温也易于偏高. 在海气相互作用下, 这种异常信号逐渐向东发展, 并造成夏季海洋大陆附近海温升高. 海洋大陆海温的升高反过来影响对流活动进而导致东亚夏季大气环流异常.     

马斯克林高压和澳大利亚高压的年际变化及其对东亚夏季风降水的影响

利用NCEP/NCAR的再分析资料和其他多种观测资料, 分析了1970~1999年期间马斯克林高压和澳大利亚高压(以下分别简称为马高和澳高)的年际变化. 结果显示, 马高的年际变化主要取决于南极涛动, 当南半球高纬度绕极低压加深时, 马高加强; 与马高有所不同的是, 澳高的年际变化则同时与南极涛动和ENSO(厄尔尼诺和南方涛动)有关, 当厄尔尼诺发生时, 澳高加强. 相关分析和所选取的个例分析均证实, 东亚夏季风降水与马高和澳高有密切关系. 当北半球从春至夏(南半球从秋至冬)马高增强时, 中国长江流域至日本一带多雨, 华南到台湾以东的西太平洋以及东亚中纬度大部分地区少雨. 与马高相比, 澳高的影响仅限于华南地区, 当澳高增强时, 华南多雨. 研究结果表明, 南极涛动是除ENSO之外另一个能够影响东亚夏季风降水年际变化的强信号, 这对于揭示东亚夏季风年际变化的物理机制和中国夏季降水的预测有重要意义.     

Hadley环流变化与白令海海冰异常的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和Hadley中心提供的海冰资料, 分析了3~4月Hadley环流(HC)变化和白令海海冰异常之间的联系, 发现HC与白令海海冰面积之间具有显著的反相关关系, HC偏强(弱)对应着白令海海冰减少(增加). 进一步分析了HC与白令海海冰联系的大尺度环流背景. 结果表明, 当HC处于正位相时, 阿留申低压位置偏西, 北太平洋东部盛行异常偏南气流, 白令海地区气温偏高, 这种大气环流条件和热力状况都不利于白令海海冰的形成, 因此白令海海冰面积减少, 反之亦然. 研究还揭示, 东亚-北太平洋-北美(ANA)遥相关波列可能是联系低纬度HC和高纬度白令海地区大气环流及海冰变化的一个重要纽带.     

春季北极涛动对南海气候的影响

利用1979~2013年月降水量和NCEP再分析大气环流资料,分析了春季(3~5月)北极涛动对南海气候变率的可能影响.结果表明,春季南海多气候要素主导模态的时间系数与同期北极涛动指数相关系数达?0.4,超过95%的信度水平,二者反位相的特征在年际尺度上更加明显.当北极涛动指数为正异常时,西太平洋副热带高压减弱,热带西太平洋有异常气旋式环流,南海地区偏南风减弱,南海大部分地区降水增多,北部到华南地区降水减少,北极涛动指数为负异常时情况则相反.北极涛动可由两条途径影响南海地区气候,一是通过青藏高原南侧西风急流的波列,二是通过北太平洋西风急流区南北侧的偶极型环流异常.南海地区环流和气候的异常与这两条途径的相对强弱和配置有关,当高原南侧波列异常偏强同时北太平洋偶极型异常偏弱时,二者共同作用可增强西太平洋副热带高压和南海地区异常反气旋环流,导致降水的显著减少.当北极涛动指数为正异常时,北太平洋偶极型南支的气旋还可触发热带地区海气相互作用间接影响南海气候.     

中国梅雨雨带年代际尺度上的北移及其原因

分析了1979~2007年中国梅雨雨带移动特征及其与东亚副热带地区环流变化的关系. 研究发现, 20世纪90年代末中国梅雨雨带呈明显北移的趋势, 1999年以前梅雨雨带主要位于长江及其以南地区, 1999年以后雨带明显北移到了长江以北的淮河流域. 同时发现, 由于江淮梅雨期东亚中纬度地区对流层明显增暖, 平流层明显冷却, 使得东亚副热带对流层高层等压面向上突起, 对流层顶升高, 从而导致东亚副热带大气的扩张. 伴随副热带地区大气扩张出现的是东亚副热带急流北移, Hadley环流圈拓宽北伸和中纬度西风带北移. 东亚副热带大气扩张使得梅雨雨带向北移动, 导致长江以南降水减少, 长江以北降水增多.     

近百年北方涛动与El Nio事件长期变化的关系

北方涛动(NO)是北太平洋东部和西部之间海平面气压距平反相振荡的现象,即当东北太平洋气压升高时,西北太平洋气压降低,反之亦然。由于它与南方涛动(SO)对称且位于赤道以北,故称为北方涛动。研究表明,北方涛动在北太平洋大气环流年际变化中占有头等重要的地位,它不仅与赤道太平洋地区的海温、降水和平均垂直环流有密切联系,而且还同北半球中高纬度的大气环流和气候有关。这些工作是以近30多年资料分析的结果为依据     

秋-冬季节北极海冰对冬季西伯利亚高压的影响

冬季西伯利亚高压强度与前期秋到冬季北冰洋东部、欧亚大陆北部边缘海区海冰密集度呈现显著的负相关关系. 研究结果显示, 秋冬季北冰洋海冰密集度与同期海表温度异常可导致冬季西伯利亚高压与欧亚大陆中高纬度及东亚的地表气温异常. 数值试验结果进一步证实该结论, 并且所有的数值试验结果一致表明, 较低的海冰密集度能导致欧亚大陆中高纬度地表温度负异常. 本文提出了一种机制来解释秋冬季北极海冰密集度和冬季西伯利亚高压的联系. 9 月份海冰密集度为预测冬季西伯利亚高压提供了一个潜在的前期信号, 而若由单纯的热带海温异常则不能预测冬季西伯利亚高压强度. 在近20 年来(1990~2009 年)冬季西伯利亚高压呈现增强的趋势, 并伴随着亚洲大陆中高纬度地表温度的降温趋势, 从而导致近年来东亚严冬频发. 最后, 讨论了冬季西伯利亚高压和地表气温短期趋势的成因.     

印度尼西亚海道关闭对气候的影响:一个数值模拟研究

利用一个全球海洋环流模式及其对应的海气耦合模式,分别采用现代、6和14Ma以前的海底地形进行数值试验,研究澳大利亚北移对热带海洋环流特别是赤道西太平洋暖池形成的作用.使用现代气候强迫的单独海洋模式模拟结果表明,随着澳大利亚板块向北移动,印尼海道关闭可以导致热带太平洋海温增加,热带印度洋变冷;并且可以引起通过印度尼西亚贯穿流的海水来源的变化,即在14 Ma以前流入印度洋的水主要来自南赤道流,而在现代则主要来自北赤道流.海气耦合模式的结果在定性上与单独海洋模式结果基本一致.     

东亚副热带西风急流偏差与中国东部雨带季节变化的模拟

通过分析NCAR-CCM3气候模式的15年模拟结果, 从东亚副热带急流和中国东部雨带季节变化关系的角度, 了解该模式对东亚地区雨带位置、强度和季节变化模拟不合理的可能原因. 对比模拟得到的和观测的夏季降水分布发现, CCM3模拟的东亚地区降水分布除了降水中心位置和雨量数值明显不合理之外, 雨带位置的季节变化也与实际不一致. 分析雨带位置与200 hPa东亚副热带急流的关系发现, CCM3模拟的急流中心位于河套以北的40°N附近地区, 与NCEP再分析资料相比, CCM3模拟的东亚副热带急流中心位置偏东, 强度偏强. 相关分析表明, CCM3模拟的强降水中心地区的降水量与200 hPa纬向风在中国的河套及其附近地区具有显著的正相关关系, 因此, CCM3模拟得到的与实际不一致的偏西偏北的强降水中心与200 hPa上的东亚副热带急流位置和强度不合理可能具有密切关系, 而东亚副热带急流位置和强度与对流层低层南北向的温度梯度以及青藏高原东南部的较大的感热通量加热有关. 因此, 在东亚地区模式性能尤其是降水的模拟性能改进方面, 除了对模式物理过程做改进的同时, 对青藏高原附近地区的地面加热场和与此相联系的东亚副热带西风急流位置和强度模拟的合理性方面也需要引起足够的重视.     

我国未来冬季降水会增加吗?北极夏季无海冰情景时的模拟试验

近年来,我国冬季北方的暴雪经常发生,造成了很大的经济损失,也引起了广泛的关注.尤其引发一个重要科学问题:未来全球变暖情景下,我国冬季降水是否会显著增加从而导致北方的暴雪更多的发生.本文利用CMIP3模式在IPCCA1B情景下对未来气候的预测结果,得到北极夏季(September)无海冰时的一种情景,即"FreeArctic".利用相应的海温场和CO2含量驱动一个全球大气环流模式,来对北极夏季无海冰时的东亚各季节气候做出数值模拟.试验结果表明,此时的冬季(DJF)全球表面气温有显著的不同程度的升高,升温幅度最大的区域是在北极地区和亚洲、北美洲的高纬地区.西伯利亚高压、阿留申低压均减弱,东亚冬季风减弱.但是,由于来自北方的水汽输送的加强,我国冬季从南到北降水增多.由于增暖的协同作用,我国北方未来寒潮的概率有可能减少;北方部分地区降雪有可能增加,因为降雪的温度条件是基本满足的.     

1993年中山站南极“臭氧洞”的观测研究

1985年英国科学家Farman根据地面观测资料发现南极“臭氧洞”后,卫星观测资料也证实了这一结果.目前,美国、英国、日本等国在他们各自的南极站都加强了臭氧的观测研究.在中国第九次南极考察(1992～1993年)期间,我们在南极中山站(69°22′S,76°22′E)用Brewer臭氧分光光谱仪建立了地面臭氧观测,这是中国首次在南极采用国际标准仪器开展臭氧研究工作.本文利用1993年中山站观测的结果,NOAA-11的TOVS的臭氧总量反演结果     

南极高原夏季Ekman边界层动力学分析

极地大气行星边界层动力过程及其对全球大气环流的影响是大气科学研究关注的重要问题.利用中国南极昆仑站2012和2013年夏季高分辨率的GPS探空资料,对南极高原大气边界层的动力特征进行了研究.结果表明,南极高原观测风随高度的变化规律与理论计算的Ekman螺旋曲线基本一致.风速随高度增加快速、风向左转.这是在南半球观测到的显著Ekman垂直结构特征.Ekman动力边界层的厚度较高,平均从900 m向上至3400 m,900 m以下为对流混合层.整个层结呈干冷和稳定状态,显示了南极高原边界层动力结构具有其独特性.计算的南极高原湍流摩擦应力明显大于中低纬度地区的值,表明南极高原行星边界层动力摩擦效应对全球大气环流的影响显著.     

一个长江中下游夏季降水的物理统计预测模型

提出了一个长江中下游夏季(6~8 月)降水的短期气候预测方法, 通过预测夏季降水的年际增幅, 进而再预测降水. 年际增幅(DY)定义为当年的变量值减去前一年的变量值. YR定义为长江中下游夏季平均季降水率. 通过分析与YR年际增幅有关的冬、春季节大气环流, 确定6个关键的预测因子, 建立物理统计的预测模型, 预测因子是南极涛动, 印尼-澳洲附近的850和200 hPa经向风垂直切变等. 这个预测模型对YR在1997~2006年后报中显示了很高的预测技巧, 预测的平均均方根误差是18%. 预测模型能够再现YR在1984~1998年的上升趋势和1998~2006年的下降趋势. 考虑到目前中国夏季降水的平均预测水平是60%~70%, 而长江中下游地区夏季降水的预测水平不高, 因此, 通过预测长江中下游夏季降水的年际增幅(然后再预测夏季降水)的方法, 能够显著地提高长江中下游夏季降水的业务预测技巧, 并具有潜在的应用意义.     

全球陆地年降水场的长期变化(1948 ~ 2000年)

研究了1948-2000年全球陆地年降水场的长期变化,结果表明在1978年前后全球年降水量突变减少,平均每年减少0.54 mm.模糊聚类方法将36个纬圈的年平均降水量划分为6个纬带,研究了6个纬带的年降水量的长期变化.指出,除了北半球高纬度(60°-90°N)降水略微增加以外,各纬带的平均降水量都表现为减少,35°S-35°N的降水量减少最为显著.降水量减少最多的地区是热带,平均降水减少为0.98mm/a.划分了1948-2000年的全球旱涝年,指出旱涝年有明显的年代际变化.研究指出,在暖事件全球陆地平均降水量每年减少15.4 mm,而在冷事件年则增加14.4 mm.20世纪70年代末开始频繁发生的ENSO事件可能是全球年降水量减少的一个重要的原因.