东亚夏季风年代际进退与中国和全球温度变化的联系

利用现代大气观测与中国东部历史旱涝记录等资料,提取中国东部区域干湿分布型变化的年代际信号并揭示了东亚夏季风年代际进退与中国和全球平均气温的可能联系.在东亚夏季风进退、中国东部干湿型分布和中国及全球平均气温变化的关系中,季风推进偏北时期对应中国东部"北湿南干"的气候分布格局,以及中国和全球年代际偏冷;反之对应中国东部"南湿北干"的气候分布格局,以及中国和全球年代际偏暖.在近千年东亚夏季风干湿型指数序列和去百年以上气候背景后的全球平均气温序列中,年代际主频振荡信号集中于60a左右.     

华北汛期降水多尺度特征与夏季风年代际衰变

研究了近50年华北汛期降水的频谱结构和演变特征及其与夏季风衰变之间的关系. 小波分析表明华北汛期(7~9月)降水年际尺度成分约占总方差的85%, 其演变代表了华北降水的基本走势. 近30年降水年际尺度部分发生了很大变化, 准5年谱消失, 准2年谱逐渐减弱, 1977年后降水年际变化十分微弱. 与此同时, 夏季风也呈现明显的年代际衰减. 计算表明, 华北汛期850 hPa平均经向风的演变以年代际尺度成分为主, 其演变特征与汛期降水非常相似, 且与降水序列及其年际尺度序列都呈显著正相关, 说明华北夏季风的年代际衰变可能是华北干旱的主要原因之一. 此外, 伴随20世纪60和70年代东亚季风的两次年代际突变, 我国大部分地区都出现了年代尺度的旱、涝更替, 而华北却从20世纪60~70年代的部分地区少雨发展成80~90年代的严重干旱.     

最近530年冬季北大西洋涛动指数与中国东部夏季旱涝指数之联系

用Glueck 等人建立的1429~1983年冬季北大西洋涛动指数(简写为NAOI)序列, 分析了它与我国东部100个站1470~1999年共530年夏季旱涝等级序列(简称旱涝指数)的联系. 发现NAOI与我国东部几个区域平均旱涝指数(缩写为FDI)有很好的滞后相关. 北区及整个东部平均旱涝指数在滞后NAOI 2~3年时, 最大相关系数接近0.001的显著性水平. 中、南区负相关也达0.05~0.01的显著性水平. 最佳相关时段在1636~1742年(小冰期), 北区及整个东部地区两者相关系数显著性水平远超过0.001; 其次是1951~1999年, 北区、中区平均FDI与NAOI的相关系数显著性水平均在0.005~0.002之间. 功率谱分析和Morlet小波变换发现, 北区及东部的区域平均FDI与NAOI有几乎完全相同的年际、年代际乃至世纪尺度的振荡周期, 即4~5年、准10年、20~30年、50年左右、80~100年等. 用Mann-Kendall Rank Statistc方法检测发现, 在最近530年中, 北区及东部地区平均旱涝序列, 在不同时期存在非常显著的旱涝趋势变化及明显的年代际突变, 但NAOI在最近400余年中却没有达到显著性水平的上升和下降趋势变化, 其年际和年代际尺度的突变较我国FDI频繁得多. 这可能与NAOI重建序列极端值振幅较器测序列的振幅偏小有关.     

中国东部过去2000年百年冷暖的旱涝格局

根据历史文献记载重建的过去2000年中国东部63个点(地区)旱涝等级数据及集成28条代用资料重建的中国温度变化最新序列,采用各级旱涝发生几率的比率差指标,研究了百年尺度寒冷时段(440~540年、780~920年、1390~1460年、1600~1700年、1800~1900年)和温暖时段(650~750年、1000~1100年、1190~1290年、1900~2000年)的中国东部旱涝格局.结果发现,每个寒冷、温暖时段的旱涝格局虽各不相同,但在多数温暖时段,长江以北地区总体偏旱、以南地区涝.分析表明:寒冷时段的旱涝格局呈自东向西带状分布,115°E以东涝、以西则旱涝相间;温暖时段则呈自南向北的带状分布,25°N以南地区旱、25°~30°N之间涝、30°N以北地区旱,但黄土高原地区涝.冷、暖时段旱涝格局对比显示,气候由寒冷转为温暖可能会导致华北地区干旱与湘、赣流域雨涝几率同时增加.     

中世纪暖期、小冰期与现代东亚夏季风环流和降水年代-百年尺度变化特征分析

利用气象仪器观测资料、降水和温度代用资料以及气候模拟结果, 综合分析近1000年东亚夏季风区海陆热力差异和降水的年代际、百年际尺度变化规律, 对比了现代、小冰期和中世纪暖期东亚季风环流和降水的基本特征, 以及与太阳辐照度和全球气候变化的联系, 得到以下结论: 在近150 年里, 用东亚陆地与其周边海域大气温度差异指示的东亚夏季风环流与降水呈现出显著的年代际波动特征, 并且在过去50 年全球增暖最快时期东亚季风偏弱; 在百年尺度上, 中世纪暖期东亚夏季风环流是过去1000 年里最强时期, 而在1450~1570 年期间东亚夏季风是过去1000 年里最弱的时期; 对应于偏弱的东亚夏季风环流, 中国东部季风雨带总体上位置偏南, 伴随着华北降水偏少、长江降水偏多(即“南涝/北旱”型)异常分布特征; 从20 世纪初到20 世纪20 年代, 降水呈现出长江流域偏少、华北偏多的反“南涝/北旱”型特征; 与中世纪暖期相比, 在1400~1600 年期间发生的是一个更长时间尺度的“南涝/北旱”现象; 此外, 东亚夏季风环流和降水变化与全球气温变化的趋势有不同步特征, 在近150 年里, 尽管全球和中国区域表面年平均气温显著增加, 但是东亚季风环流和降水没有表现出一个增强或者减弱趋势, 在过去1000 年里东亚夏季风最弱时期要比北半球最冷时期出现的早, 并与太阳辐照度的最弱时期相对应.     

华北干旱化趋势及转折性变化与太平洋年代际振荡的关系

基于月降水和月平均气温资料, 通过计算地表湿润指数分析了中国华北地区1951~2005年干湿变化的年代际趋势特征及其与太平洋年代际振荡指数(PDOI)的关系. 结果表明: 华北地区气候及环境干湿变化存在显著的年代际趋势和突变特征, 20世纪70年代中后期至今处于一个暖而降水少的干旱时段; 近55 a经历了一个由湿向干转换的过程, 其中转折点发生在20世纪70年代中后期, 这应与全球大尺度气候背景的转折性变化有关. 相关分析表明: 在年代际尺度上, 四季和年的PDOI与气温、降水和区域平均地表湿润指数均有显著的相关关系. 这种相关关系表现为正的PDOI位相(PDO暖位相)对应华北地区高温、少雨和干旱时段, 而负的PDOI位相(PDO冷位相)对应低温、多雨和湿润的时段, 不同位相的持续时间在25 a以上, 与降水和气温年代际趋势密切相关的北太平洋海温的年代际变化是该地区年代际干湿趋势形成的可能原因之一.     

近千年中国东部夏季气候百年尺度变化的模拟分析

利用全球海气耦合模式ECHO-G 近千年积分模拟试验结果, 通过Lanczos 滤波器滤去100 年以下的年际-年代际变化信号, 保留百年尺度的气候变化信息, 分析了近千年来中国东部夏季气候在百年尺度上的时空变化特征并探讨了影响其变化的主要原因. 结果表明: (1) 近千年中国东部经历了暖-冷-暖3 个阶段, 由暖期进入冷期相对由冷期进入暖期缓慢, 暖期降水多冷期降水少, 降水的峰谷变化滞后于温度. 有效太阳辐射和太阳辐照度分别是影响温度和降水变化最显著的因子, 现代暖期之前火山活动的增强对极端低温的出现有明显影响, 火山活动与降水在1400 AD之前为正相关, 在1400 AD 之后为负相关, 温室气体浓度与现代暖期温度和降水有一致的变化趋势. (2) 温度的百年尺度与年际-年代际尺度的第一特征向量的空间分布型都为全区一致分布, 高纬的变率大于低纬, 这一分布型主要受有效太阳辐射和温室气体的共同影响. 降水第一特征向量的空间分布型在百年尺度与年际-年代际尺度上存在着显著差别, 百年尺度为全区一致的分布, 而在年际-年代际尺度上长江和黄河中下游与其两侧的区域呈反相分布, 太阳辐照度和温室气体共同影响了降水百年尺度上的这一空间分布型.     

外强迫驱动下气候系统模式模拟的近千年大气涛动

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)气候系统模式进行的过去千年气候模拟数据, 分析了近千年大气涛动的变化, 并与重建资料进行了比较. 基于代用资料的近千年大气涛动重建序列表明, 北大西洋涛动(NAO)与太平洋年代际振荡(PDO)的演变在千年尺度上呈反位相变化, 在中世纪暖期(MWP)期间, NAO强, PDO弱; 在小冰期(LIA)期间, NAO弱, PDO强. MWP 期间盛行类La Niña 状态,LIA 期间盛行类El Niño 状态, 15, 17, 19 世纪最明显. 模式基本再现了1000~1400 AD NAO 正位相及1650~1900 AD NAO负位相特征, 但模拟的NAO在1400~1650 AD与重建结果差别较大. 模拟的PDO 演变与重建资料较为一致, 均表现为MWP 期间PDO 负位相(1000~1400AD)、LIA 期间PDO 正位相(1400~1900 AD)的特征, 模拟与重建结果的相关系数可达0.61. 模拟的近千年Niño-3 指数演变与重建资料差别较大, 模拟结果表现为中世纪暖期ENSO 正位相、小冰期ENSO 负位相的特征. 模拟与重建的近千年南极涛动(AAO)均表现为中前期负位相、后期正位相的变化特征. 模式可以合理再现MWP 期间亚洲-太平洋涛动(APO)指数整体偏强, LIA 期间APO 指数整体偏弱的特征, 在1000~1985 AD 期间, 模拟与重建结果的相关系数为0.50. 太阳辐射和火山活动等外强迫变化是影响近千年大气涛动变率周期的重要因子之一.     

印度尼西亚贯通流年代际变化及成因分析

基于最新SODA资料研究了印度尼西亚贯通流(Indonesian throughflow, ITF)体积和热量输运的年代际变化, 并对其机制进行了初步探讨. 结果表明: ITF体积输运年代际变化主要产生在714 m以浅, 热量输运的年代际变化主要在450 m以浅. Davao南侧、新几内亚岛北侧和澳洲西北侧海域不同深度以上垂向积分海水压力年代际变化较为一致; 澳洲西北侧与Java岛南侧海域的垂直积分压力差与ITF体积输运在年代际尺度上具有最好的对应关系. 基于绕岛环流理论分析了年代际尺度上太平洋风应力与ITF体积输运的关系, 指出澳大利亚南端纬线上和赤道太平洋的纬向风应力积分是ITF年代际变化的主要贡献者, 赤道太平洋的纬向风应力积分决定了ITF年代际变化的相位. 上述结果说明热带海区的大气强迫和海洋调整过程均对ITF年代际变化有重要的贡献.     

重建千年东亚夏季风干湿分布型指数

利用中国气象局整编的中国1951~2008 年160 站月平均降水量和美国NCEP 再分析月平均风和湿度资料, 建立了我国东部地区夏季干湿分布型与东亚夏季风向北推进的关系. 利用王绍武建立的公元950 年以来的我国东部历史时期6 种夏季干湿分布型, 重建了过去千年东亚夏季风干湿分布型指数序列. 高(低)指数指示东亚夏季风气流偏强(弱), 推进位置偏北(南), 对应北方(南方)降水偏多的分布型. 东亚季风干湿分布型指数具有60~70 年的周期性年代际变化. 过去千年中, 我国北方出现过连续10 年的区域湿润期和连续10 年以上的区域干旱期. 当前东亚夏季风干湿分布型指数正处于年代际的低谷时期, 对应着我国南方降水偏多,北方降水偏少的分布格局.     

全球变暖背景下中国夏季表面气温与土壤湿度的年代际共变率

利用1961～2004年中国160站地面观测气温和降水月资料, 计算了自校正Palmer干旱指数 (PDSI)作为土壤湿度的代用资料. 首先使用中国40个站点的土壤湿度数据对PDSI进行可靠性验证, 结果表明自校正PDSI可以很好地表示土壤湿度的变化. 在此基础上, 分析了夏季土壤湿度和表面气温的变化趋势及两者的共变率. 分析结果显示, 在中国许多地区, 表面气温和土壤湿度之间存在着显著的年代际气候共变率和强的反馈作用, 这一年代际气候共变率与气候变暖紧密联系. 中国西北的东部, 华北和东北的夏季气候存在显著的由冷湿向暖干发展的年代际变化. 而在中国东南地区和西北西部, 气候发生了显著的由暖干向冷湿转变的年代际现象. 在过去20~30 a, 全球陆地的大部分地区都观测到显著的变暖, 而中国东南地区和西北西部则出现向冷湿发展的年代际变化, 这可能是需要在科学上引起特别关注的气候现象. 对于观测到的气候年代际共变率, 表面气温和土壤湿度的相互反馈作用起着一定的作用. 利用Palmer干旱模型研究发现表面气温的异常对土壤湿度具有显著的影响, 从而亦影响到表面气温和土壤湿度的年代际共变率. 在伴随着人类影响的全球变暖过程中, 中国气候出现年代际干旱或洪涝的可能性也相应增加, 本研究结果为此观点提供了真实的观测证据.     

黄土高原西缘在AD 1875~2003期间石笋氧同位素记录的季风降水变化与海气系统的联系

基于黄土高原西部甘肃武都万象洞中一根石笋0~16 mm之间的5个高精度²³⁰Th年代和103个δ¹⁸O数据, 重建了亚洲季风边缘区过去100多年来高分辨率的季风降水变化历史. 通过与武都器测降水数据对比发现, 最近50多年来石笋氧同位素组成受降雨量效应的影响, 指示了亚洲季风的强弱变化及其带来的降水量信息. 近100多年来亚洲季风的变化历史可分为季风降水增强期(AD 1875~1900)、季风降水减弱期(AD 1901~1946)和季风降水再次增强期(AD 1947~2003) 3个气候段, 而且这3个季风变化阶段与通过历史文献记载建立的旱涝指数变化相似. 近100多年来万象洞石笋氧同位素记录的季风强度变化与太平洋年代际振荡(PDO)密切相关, 年代际时间尺度上PDO暖(冷)相位与季风降水的减少(增加)对应; 但在1977年之后出现了季风降水变化和PDO的反相位关系, 很可能是北太平洋在1976/1977年前后发生的年代际气候跃变的反映. 说明现代亚洲季风强度及季风降水变化通过海气相互作用与太平洋密切相关. 这种关系将有助于亚洲季风区水循环的预测, 而且可以利用洞穴观测数据来提高气候模型的预测能力.     

近千年的大气涛动

总结了近千年大气涛动的变化, 即北大西洋涛动(NAO)、北太平洋涛动(NPO)或太平洋年代振荡(PDO)、南方涛动(SO)、南极涛动(AAO). 首先利用观测资料比较研究了近百年(1900~2000年)涛动的变化. 指数相关系数表明, AAO与NAO或NPO有相对的独立性, 但是20世纪的低频变化则有某种程度的一致性: 1920~1940年和1980~2000年各涛动均以正位相为主, 1940~1980年负位相占优势. 根据代用资料建立的1000~2000年涛动序列表明, 涛动变化随时间各有不同: NAO的正位相出现在前期, PDO和ENSO的正位相在中、后期, AAO的正位相主要在后期. 此外, 近500年ENSO的变率有增强的趋势, 同时ENSO增强, AAO增强.     

1736年以来长江中下游梅雨变化

利用清代雨雪分寸资料, 复原了1736~1911年长江中下游地区的梅雨入出日期、雨期长度, 重建了1736年以来长江中下游地区梅雨雨量变化序列, 分析了梅雨的变化特征; 并根据梅雨期长度与东亚夏季风指数之间的关系, 分析了1736年以来东亚夏季风的强弱及与之对应的雨带位置阶段性变化特征. 结果表明: 长江中下游地区入、出梅日期及雨期长度均存在明显的年-年代际变化, 雨期长度除具有2, 7~8, 20~30及40 a的年际与年代际周期外, 还具有百年波动的信号. 1736年以来, 雨期长短、中国东部季风雨带位置移动与东亚夏季风强弱变化有较好的对应关系, 1736~1770, 1821~1870及1921~1970年等时段东亚夏季风偏强, 中国东部夏季风雨带多位于华北和华南, 梅雨期偏短; 1771~1820, 1871~1920及1971~2000年等时段东亚夏季风偏弱, 雨带多位于长江中下游地区, 梅雨期偏长.     

江淮梅雨期降水经向非均匀分布及异常年特征分析

尽管江淮梅雨期降水在多数年份具有一致的空间变率, 然而在有些年份却呈现出南北反相的变化特征, 而此时整个梅雨区的降水量往往接近正常, 这无疑增加了梅雨短期气候预测的难度. 鉴于上述考虑, 对1951~2004年江淮地区15站梅汛期(6~7月份)降水进行了EOF分析, 发现第二特征向量主要反映了梅雨期降水的经向非均匀分布特征, 据此将梅雨雨型分为南涝北旱和南旱北涝型, 并利用第一套NCEP再分析资料和第二套扩展重建海温资料(ERSST)对梅雨降水经向分布异常年的海气背景特征进行了研究, 结果发现: 南涝北旱年, 梅雨期低层锋区和水汽辐合中心偏南, 东亚副热带夏季风偏弱, 西太平洋副热带高压和200 hPa南亚高压位置偏南; 前期2月份北半球环状模(NAM)和南半球环状模(SAM)偏强, 北半球冬、春季中国近海海温偏高. 南旱北涝年, 情况基本相反. 此外, 前期北半球冬季ENSO对梅雨期降水经向非均匀分布也具有一定的影响作用.     

20世纪90年代末中国东部夏季降水和环流的年代际变化特征及其内动力成因

观测资料分析表明, 中国东部夏季降水在20世纪90年代末发生了年代际突变, 在1999～2010年期间降水异常从以往的经向三极子型分布变成了经向偶极子分布, 形成了“南涝北旱”(除长江沿岸地区)的特征; 中国东部这次降水的年代际突变与东亚上空对流层环流及散度、垂直运动以及整层水汽输送散度的经向偶极子型年代际异常分布相对应. 并且, 本文还从大气内动力和热力过程讨论了1999～2010年期间东亚地区上空夏季对流层中、上层纬向气流和经向气流异常对中国东部夏季降水年代际突变的影响, 其结果表明, 由于在此时期东亚上空副热带急流北移减弱, 使得东亚上空纬向气流异常形成经向偶极子型. 这一方面使得东亚对流层上层沿副热带急流传播的“丝绸之路(Silk Road)”型、沿东亚经向传播的东亚/太平洋(EAP)型和沿极锋急流传播的欧亚(EU)型遥相关波列发生异常, 从而引起中国北方为下沉运动异常, 而南方为上升运动异常; 另一方面造成了中国东部对流层中层北方有冷平流异常, 而南方有暖平流异常, 这也引起了中国北方有下沉运动异常, 而南方有上升运动异常, 因而在1999～2010年期间夏季中国形成南涝北旱的降水异常.     

中纬度亚洲降水年际变化的空间差异与环流异常

<正>依据Climatic Research Unit(CRU)1960~2009年0.5°×0.5°网格点的月均降水量序列及NCEP/NCAR 1948~2009年2.5°×2.5°网格点再分析逐月资料,分析了中纬度亚洲近50年来的降水变化的空间差异及其可能机制.结果发现,大致以100°E为界限,西风环流控制的亚洲中部干旱区与季风环流主导的中国西北东部-华北地区降水在年代际、特别是年际尺度上存在相反的变化,即中纬度亚洲在年际尺度上亦存在降水变化的"西风模态".针对不同区域的主要降水季节     

华北黄淮冬季霾年代际增多与东亚冬季风的减弱

采用1961~2011年冬季霾日数重建资料,揭示了华北黄淮地区冬季霾日数年代际增多以及与EAWM年代际减弱之间的关系.1986~2010年与1961~1970年相比,EAWM明显偏弱,环流形势在水平方向和垂直方向上都不利于污染物的扩散.海平面气压场为典型的AO正位相型分布,冷空气被限制在极区.华北黄淮的表面风速和湿度均为负距平,有利于霾的发生.高纬度经向环流较常年偏弱,华北黄淮上空以纬向环流为主,冷空气活动较弱,不能有效地南下到华北黄淮地区,不利于颗粒物的水平扩散.同时,华北黄淮上空的高压异常和逆温潜势,会有效抑制底层垂直运动的发展,也就抑制了空气中污染物的垂直扩散,导致空气中颗粒物的积聚在浅薄的层次中,增加了污染物的浓度.     

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.     

基于CMIP5多模式结果评估人类活动对全球典型干旱半干旱区气候变化的影响

基于CMIP5多模式的历史试验(考虑所有驱动因子)以及单因子强迫气候归因试验结果,评估了温室气体、气溶胶、土地利用及所有人类活动对全球典型干旱半干旱区气候变化的影响.结果表明,所有人类活动和温室气体强迫会引起全球陆地显著增温,特别是由温室气体强迫引起的北半球中高纬地区近60年的增温幅度几乎是历史变化的2~3倍,气溶胶的降温效应则对近60年来的全球变暖具有明显的抑制作用,土地利用在大多数干旱半干旱区具有微弱的降温作用.所有人类活动和温室气体强迫会使大多数陆地及干旱半干旱区的降水增加,而气溶胶和土地利用的影响则存在明显的区域差异和不确定性.近60年,中国北方干旱半干旱区的气温和降水变化受人类活动的影响最为显著.基于集合经验模态分解(EEMD)的结果,大多数地区气温和降水的年代际和多年代际变化特征均是所有人类活动综合作用"同步叠加"在自然变化之上的一种结果;其中,气溶胶在大多数地区显著促进温度的多年代际变化,土地利用在澳大利亚地区则起到明显的抑制作用;对降水的多年代际变化而言,气溶胶的贡献相对比较突出,而温室气体和土地利用对全球降水的多年代尺度特征有明显的促进作用.