夏季北半球平流层环流的模态特征及变化

通过资料分析研究了夏季平流层大气环流的基本时空特征, 并探讨了不同时间尺度变化的主要影响因素. 发现夏季北半球平流层位势高度场主要存在着半球一致型模(EOF1)和环状模(EOF2)两个典型模态. 而第一主模态(半球一致模)在近半个世纪里存在减弱趋势; 全球增暖可能对这种演变趋势有重要的作用. 进一步分析表明, 北半球平流层夏季的第一模态还主要存在年代际准周期变化特征, 其周期分别约为11和22 a, 而第二模态(EOF2)主要存在3和40 a左右的准周期变化特征. 50 hPa第一模态时间系数与太阳活动指数的相关系数达到0.425(通过99%信度检验), 可以认为北半球平流层夏季50 hPa半球一致模(EOF1)的年代际变化主要是由太阳活动所引起的. 关于50 hPa第二模态年际(准3 a)变化的分析表明其与ENSO事件没有直接关系; 但是夏季50 hPa第二模态时间系数与欧亚大陆10月雪盖面积指数间的相关系数达到0.633(通过99%信度检验), 说明北半球平流层夏季50 hPa环状模(EOF2)的年际变化主要可能是由于欧亚大陆前一年10月份的雪盖变化所引起的大气环流异常的持续影响造成的.     

次季节尺度上的“暖北极-冷欧亚”模态

<正>1979年以来北极地区增暖的速率约为全球平均的4倍^[1].从20世纪80年代末到21世纪10年代初,欧亚大陆冬季呈现变冷的趋势^[2,3].这种暖-冷对比也存在于年际和年代际尺度^[3～6],即“暖北极-冷欧亚”模态.这一模态被认为和中低纬的极端天气气候事件有关^[2～9],探索其成因及其在不同时间尺度的变化,已成为当前的研究热点.     

冬夏季海陆温度差异

海陆分布对气候的形成起着很大的作用。海陆间的温度差异就是海陆影响的一个重要结果,通过它对季風的形成等也起着相当主要的作用。作为研究海陆影响的开始,本文先分析冬夏海陆間的溫度差异。根据北半球多年平均的1、7月海平面等温綫圖及1956年1、7月850、700、500、300毫巴等温綫圖,作者分别計算了各層1、7月欧亚非大陆、北美大陆和海洋     

夏季青藏高原与其东部平原的热力差异对中国降水的影响

亚洲东部存在二级热力差, 即高原-平原和大陆-海洋的热力差. 现有研究中讨论大陆-海洋热力差异变化对中国东部地区降水影响的工作很多, 而讨论高原与其东部平原热力差异对中国夏季降水影响的工作很少. 为此, 本文利用1951~2007年NCEP再分析资料和中国160站降水资料, 以500 hPa高原地区(27.5°~40°N, 80°~100°E)平均温度和平原地区(27.5°~40°N, 110°~120°E)平均温度之差近似表示高原和平原的热力差, 并将其作为东亚副热带地区高原和平原热力差指数, 探讨夏季高原-平原热力差异与东亚大气环流和中国降水的关系. 诊断分析和数值模拟结果表明：夏季高原-平原热力差异变化和中国西部90°~110°E地区夏季降水有显著相关. 高原-平原温差的高指数年表示高原-平原温差加大, 高原上空的热低压加强, 西北太平洋副热带高压位置偏南, 这往往对应着90°~110°E地区的南涝北旱, 低指数年则反之. 近57年来, 高原-大陆温差指数变化表现出显著的上升趋势和波动特点, 与此相应, 中国90°~110°E地区也经历了由北涝南旱向南涝北旱变化的过程. 这些结果为加深认识亚洲东部特殊地理环境造成的二级热力差异对中国夏季降水年代际变化的影响也具有参考意义.     

中国大陆冬夏季气候型年代际转折的区域结构特征

采用Tomé和Miranda2004年提出的气候变化趋势转折判别模型, 对1961~2000年中国160个气象站及各个分区的冬、夏季年代际气候型转折时空特征进行了综合分析. 研究发现冬、夏季气温和降水年代际趋势转折发生年份相近, 且转折后趋势一致的站点呈带状分布, 具有明显的区域性特征, 据此提出中国大陆气候型年代际转折存在显著区域性结构特征的观点. 研究结果表明, 20世纪80年代初期以后, 中国区域冬季气候总体趋于“暖湿”, 80年代末期为夏季气候向“暖湿”转型的突变时期, 即中国气候出现“暖湿”型转折的年份冬季比夏季更早. 通过冬、夏季气温、降水的年代际趋势转折区域性特征分析及分区检验结果, 可发现华北地区冬季气候显著“暖干”型趋势在20世纪70年代末期出现, 东北、华南、西南地区的冬季气候在20世纪80年代末期亦转为“暖干”型, 80年代初期为其余4个分区(江淮、高原东部、西北地区东、西部)冬季气候转变为“暖湿”型趋势的转折时期. 东北、华北地区以及西北地区东部在20世纪80年代末期以后夏季气候均趋于“暖干”型, 西南和高原东部地区在70年代中期以后出现“暖湿”型趋势, 江淮地区和西北地区西部“暖湿”型趋势开始的时间则在80年代初期, 华南地区较为特殊, 其夏季气候在1984年以后出现了“冷湿”型趋势.     

青藏高原冰芯积累量的近期变化

研究结果表明: 喜马拉雅山中段(珠穆朗玛峰东绒布冰川和远东绒布冰川, 希夏邦马峰达索普冰川)的冰芯积累量自20世纪50年代以来急剧减小, 与北半球低纬地区(5°~35°N)和印度降水的变化趋势一致; 而青藏高原中部和北部地区(唐古拉山小冬克玛底冰川, 西昆仑古里雅冰帽和祁连山敦德冰帽)的冰芯积累量在相同时段内有增加的趋势, 与北半球中、高纬地区(35°~70°N)降水变化趋势一致.相比而言, 冰芯积累量变化幅度更为显著, 表明高海拔地区对气候变化的异常敏感性.20世纪60年代北半球气候系统和亚非夏季风系统的突变可能是造成青藏高原冰芯积累量变化的原因.     

青藏高原冰芯积累量的近期变化

研究结果表明:喜马拉雅山中段（珠穆朗玛峰东绒布冰川和远东绒布冰川,希夏邦马峰达索普冰川）的冰芯积累量自20世纪50年代以来急剧减小,与北半球低纬地区（5°～35°N）和印度降水的变化趋势一致;而青藏高原中部和北部地区（唐古拉山小冬克玛底冰川,西昆仑古里雅冰帽和祁连山敦德冰帽）的冰芯积累量在相同时段内有增加的趋势,与北半球中、高纬地区（35°～70°N）降水变化趋势一致.相比而言,冰芯积累量变化幅度更为显著,表明高海拔地区对气候变化的异常敏感性.20世纪60年代北半球气候系统和亚非夏季风系统的突变可能是造成青藏高原冰芯积累量变化的原因.     

中国区域土壤湿度变化的时空特征模拟研究

建立基于气象台站观测资料的陆面模式(CLM3.5)大气驱动场(ObsFC), 驱动CLM3.5 模拟了中国区域1951~2008 年的土壤湿度变化. 其结果与站点观测和遥感反演及不同陆面模式模拟的土壤湿度比较检验表明CLM3.5/ObsFC 合理再现了中国区域土壤湿度的时空特征和长期变化趋势, 并且基于观测资料建立的大气驱动场在一定程度上能够提高CLM3.5 模拟土壤湿度的准确度. 土壤湿度模拟分析显示中国区域土壤湿度空间分布具有由东南向西北逐渐减小的总体特征和干湿相间分布的带状结构. 土壤湿度的低值区主要分布在新疆南部和内蒙古西部地区, 高值区主要分布在东北平原、江淮地区和长江流域. 土壤湿度的长期变化, 干旱和湿润地区湿度呈增加趋势, 干旱区20 世纪70 年代中期至90 年代中期变化最为强烈, 湿润区除1970 前后和2003 年之后变化较明显外, 整个序列比较稳定; 半干旱地区呈减小的趋势, 且20 世纪90 年代以后下降趋势更加明显. 1951~2008 年干旱、半干旱和湿润典型区平均体积百分比土壤湿度分别变化了2.35, -1.26 和0.08. 不同区域土壤湿度变化趋势和强度有明显差异,变化最显著的区域主要分布在35°N 以北的干旱、半干旱区.     

2003与2002:大幅度冬季温度异常反转事件及其异常大气环流

揭示了2003年与2002年冬季发生于北半球中高纬区以及澳大利亚南部等地大幅度温度异常反转事件(LTAR),在该次事件中欧亚大陆北部和北美大陆同时由2002年初的冬季异常暖事件突转为2003年的异常冷,而北太平洋和澳大利亚南部则由异常冷突转为异常暖,研究了该次事件的异常大气环流背景.发现北太平洋区的异常气旋式环流系统和欧洲北部的异常反气旋式环流系统是关键角色,这两个环流系统都有遥相关波列与之相联系.这样一个气旋式和一个反气旋式异常流型两个系统的耦合就是造成这次大幅度温度异常反转事件的主要原因.与北太平洋的异常环流系统相联系的波列很重要,可以称为北太平洋-西太平洋-澳大利亚异常波列(NPWPA),而且,澳大利亚以南的温度由负到正的异常转变很可能与这个波列以及南半球高纬区的纵向异常波列有关.     

地球内部热散失量分布的非对称性

采用Pollack等人 1993年给出的全球热流场 12阶球谐系数 ,求出南、北半球以及0°半球、180°半球的平均热流值和热散失量 .计算结果表明 ,南半球平均热流值为 99 3mW·m^-2 ,显著高于北半球平均热流值(74 0mW·m^-2 ) ;0°半球的平均热流值 (94 1mW·m^-2 )也高于 180°半球 (79 3mW·m^-2 ) .南半球的地幔热散失量达 22.1× 10¹²W ,是北半球地幔热散失量(10.8×10¹² W )的两倍;0°半球的地幔热散失量为16.9×10¹² W ,与180°半球的地幔热散失量16.0× 10¹²W相近 .大陆与海洋在全球的非对称分布是导致地球内部热散失量具有半球非对称性的原因 .热散失量的非对称分布是地质历史中的长期现象.     

古里雅冰芯中的新仙女木期事件记录

新仙女木期(Younger Dryas)的命名来源于欧洲斯堪的纳维亚埋藏在地下的CtopertalaDryas植物的叶子和果实.这种植物是当地新仙女木期(简称YD)气候变冷的指示物.欧洲早在一个世纪以前就认识到YD的存在.后来北大西洋沿岸地区的许多孢粉资料证实,西欧及北美许多地方在11～10ka B.P.~(14)C年代时气候发生突变.由于当时缺乏该区以外YD事件的资料,因此YD事件被认为是局部性事件,并认为其原因很可能是晚冰期全球性增温使北极的浮冰和冰融水注入北大西洋深层水(NADW)形成的,造成北大西洋地区温度迅速下降,气候变冷.近20年来南欧、北美东部、南阿尔卑斯山、太平洋和南极、北极格陵兰地区的孢粉、冰碛物、冰芯等都指示出Younger Dryas时期的气候剧变.在中国青藏高原湖区和内蒙古孔赉诺尔湖以及陕西沙漠/黄土过渡带高分辨率湖沼泥炭记录中也均发现在11～10ka B.P.期间气候有明显的突变.这引起了学者们对YD的浓厚的兴趣,并认为这个事件可能是一个全球性气候事件.本文以1992年中美联合在青藏高原古里雅冰帽钻取的长达308m的高分辨率冰芯为对象,以该冰芯155～162m之间对应于晚冰期向全新世过渡段的δ ~(18)O测试结果为依据,研究了记录在古里雅冰芯中的YD气候事件.因其测年的高分辨率,它是中国唯一可与格陵兰冰芯晚     

中国北方的典型强沙尘暴事件(1954~2002年)

利用1954~2002年全国681个气象站的逐日观测资料, 以天气过程为单元给出了近49年中国北方典型强沙尘暴的序列, 并初步分析了中国北方强沙尘暴的时空分布和演变趋势. 结果表明: 1954~2002年, 中国北方共出现了223例较为典型的强沙尘暴事件, 其中1979年4月10~12日的强沙尘暴事件的影响范围最大; 与沙漠、沙地的地理分布和入侵我国的强冷空气的路径密切关连. 强沙尘暴的多发区域主要位于南疆盆地、西北地区东部和华北地区北部; 强沙尘暴的多发季节为春季, 约占全年的82.5%, 冬季次之, 夏、秋季较少; 49年间, 强沙尘暴的发生次数以20世纪50年代最多, 90年代最少, 呈波动减少趋势, 但2000~2002年又相对增多; 强沙尘暴的平均持续时间以20世纪90年代最短, 比其他年代约短0.5~1 h.     

北半球副热带高压双脊线的统计特征

利用41年NCEP/NCAR再分析资料对北半球副热带高压(简称副高)双脊线的普遍性和若干统计特征进行了系统探讨. 结果表明, 副高双脊线是北半球副热带高压的一种普遍现象, 其发生具有明显的季节锁相特征和地域性. 7月中旬到9月中旬, 双脊线事件频繁出现在北印度洋中东部到北太平洋中部一带, 尤其是西太平洋副热带地区, 双脊线事件极其活跃. 基于这一点, 重点分析了西太平洋副热带高压(简称西太副高)双脊线的若干统计特征, 指出大部分副高双脊线的生命史都非常短暂, 但有些双脊线过程仍能持续较长时间; 夏秋季是双脊线事件最频繁的阶段, 而冬春季双脊线事件较少; 西太副高双脊线事件也有明显的年际变化, 并且呈现出一定的周期性, 而这种周期在70年代中期发生了明显的突变. 此外, 文中也探讨了西太副高双脊线事件与副高南北移动的关系.     

新特提斯单向俯冲的动力学机制

新特提斯洋向北单向俯冲的机制涉及两个核心问题,分别是南侧冈瓦纳被动大陆的不断裂解和拼贴到欧亚大陆南缘陆块诱发的俯冲起始.本文统计了大火成岩省的分布规律,发现200～80 Ma期间,与地幔柱相关的大火成岩省主要分布于南半球,暗示该时期南半球地幔温度高于北半球地幔温度.在南北半球地幔温差和地幔柱/大火成岩省作用下,引起上覆岩石圈抬升、破裂,结合新特提斯洋的北向俯冲,共同诱发冈瓦纳大陆的多期裂解.由于南北半球地幔温差会造成地幔柱头岩浆向北扩散并与新特提斯洋中脊发生相互作用,在特殊情况下,会引发原来大洋中脊的堵塞和跃迁,形成新的洋中脊,促进了陆块不断向北漂移.在古特提斯洋闭合后洋壳持续俯冲引发的应力作用下,欧亚大陆南缘具有高含水特性的洋陆过渡带率先破裂并产生向北的俯冲起始.驱动新特提斯大洋岩石圈持续向北俯冲的动力,除俯冲板片的拖曳力/重力外,还应该包含南半球高地幔温度和洋中脊产生的向北推力.     

趣话中国水杉——纪念水杉发现70周年

在植物界有“熊猫”之称的水杉树，远在一亿多年前的中生代早白垩纪就出现在地球上。它的家族以北极圈为中心，广泛分布在北半球各地。昔日的北极并非像今天这样为冰层所覆盖，由于当时欧洲大陆和北美西部是一个整体，今天的阿拉斯加与勘察加半岛由阿留连大陆相连，格陵兰与北美东部也互相连成一片。那时，三趾马在自由驰骋，高大的水杉树在溪边得意地伸展着。然而，大自然给予水杉的并非是永远的春天，随着气候与环境的不断变化，水杉渐渐南移。到了第四纪，北半球产生了巨大的冰川，气温急剧下降，欧洲大陆全部为冰层所覆盖，因而水杉便荡然无存。只有在亚洲局部地区的水杉，仅遭到山麓冰川的轻微侵袭，最终逃过一劫，成为大家族中唯一幸存的后裔。这个处在深闺未被人知的“活化石”，于1941年被发现，1948年被正式定名发表后，成为20世纪轰动世界植物学界的一大珍闻。     

中国月平均气温可预报性的时空特征及其年代际变化

利用中国1960~2011年资料比较完整的518站逐日气温观测资料,采用非线性局部Lyapunov指数(NLLE)和非线性误差增长理论,定量分析了中国区域月时间尺度平均气温可预报性期限(MTPL)的时空分布和年代际变化特征.分析发现:多年平均的MTPL空间分布存在明显的地域差异,总体来看,东北大部、云南西南部和西北地区东部为可预报性高值区,长江中下游地区及黄淮流域为可预报性低值区;MTPL在各月份的空间分布存在明显的季节变化,总体上表现为冬半年可预报性较低,而夏半年较高;MTPL还具有明显的年代际变化特征,就全国而言,从1970年以来,MTPL具有上升的趋势,在2000年前后出现下降的趋势,尤其是东北地区在1986年之后可预报性显著提高.西北、黄淮、东北MTPL的年代际变化可能与气温的持续性有关.进入21世纪,除南方地区外,大部分地区的MTPL有降低趋势.上述结果为进一步认识我国月尺度气温异常的机理奠定科学基础,并为提高月尺度气温预测能力提供参考.     

CMIP5模式对21世纪末中国极端降水事件变化的预估

利用CMIP5耦合模式结果对RCP4.5和RCP8.5情景下的中国降水和东亚大气环流未来演变特征进行了预估研究.结果表明,到了21世纪末,中国年降水量将显著增加.其中,中雨、大雨和暴雨发生频次都明显增加,强度增强,而毛毛雨发生频次在全国范围内明显减少.中国西北地区年降水量的增加主要是由于小雨增加的结果;东北和华北地区中雨的增加对年降水量增加的贡献最大;南方地区年降水量的增加主要是由于大雨和暴雨显著增加的结果,而小雨表现为负贡献.对东亚地区大气环流变化的分析表明,在全球变暖背景下,东亚夏季风环流在增强,而且大气层结不稳定性也在增加,这些都为中国降水和极端降水事件的增加提供有利背景条件.     

1956年7月东亚夏季季風低压的結构和性質

北半球多年月平均海平面气压圖清楚地显示出亚洲大陆冬(1月)夏(7月)气压系統的相反性。夏季亚洲大陆是处在巨大的印度低压的控制下,形成了这一地区聞名全球的夏季風。但关于这一季風低压的性質和結构我們还不是十分清楚。近年来高空資料的增加,使我們有可能对它做进一步的了解。根据我們对于1956年7月月平均地面与高空(850、700、500和300毫巴)圖的分析看出这一低压各部分的性質和結构是有差别的。     

地球气候今后如何变化?

关于地球气候今后的变化趋势,迄今主要有两种观点。一种是变冷说,认为至少到本世纪末,地球气候仍然是持续变冷的趋势,甚至有人认为“小冰期即将到来”。另一种是变暖说,认为全球气候到本世纪末将变暖,或者至少是变化不大,但不会变冷,而到下一个世纪将变暖。根据观测资料,北半球平均地面气温,从1876年到1940年左右是变暖趋势,从1940年到1965年是变冷趋势,从1965年起到现在是持续变暖的趋势,1981年的年平均地面气温更达到近百余年来最高值。1987年,墨西哥埃尔奇琼火山爆发,大量火山灰进入大气层,许多气象专家预言1983年的全球气温将要下降。实际上,1983年的全球气温不仅没有     

20世纪80年代后期西北太平洋夏季海表温度异常的年代际变化

揭示了1968～2002年期间西北太平洋夏季平均海表温度在20世纪80年代后期经历了一次年代际变化, 该年代际变化表现为西北太平洋(100°~180°E, 0°~40°N)夏季海表温度经验正交分析的第一模态由频繁的负位相转变为强的正位相, 该模态解释了总方差的30.5%. 在1968~1987年期间, 海表温度第一模态的负位相盛行(平均偏差为-0.586), 相应地, 负的海表温度异常占据了日本以南的西北太平洋和中国边缘海区; 而1988~2002年期间, 海表温度第一模态显示出强的正极性(平均偏差为0.781), 因此正的海表温度异常出现在西北太平洋. 伴随着夏季海表温度的年代际变化, 中国南部和东南部夏季平均降水量的增加超过了40 mm, 达到了0.05统计显著性水平.