中国东部1960~2008年夏季极端温度与极端降水的变化及其环流背景

中国东部极端气候事件及其变化与东亚夏季风和相应的环流密切相关.本文使用奇异值分解方法研究了中国近50年极端温度与极端降水事件频率的关系.1980~1996年,主要的分布型为中国东部的北侧地区极端高温日数较少而极端降水日数较多,其南侧地区极端高温日数较多对应极端降水日数较少;这种空间分布自1997年起呈反向变化,即较少的极端高温日数和较多的极端降水日数发生在长江以南地区,以北地区相反.通过分析1997年前后两个时间段的大气环流的年代际差异,可以得出我国东部北侧/南侧的中层异常高/低压,高层异常东/西风,减弱的东亚夏季风及位于30°N,110°E对流层高层的冷中心都有利于极端高温与降水事件频率的这种协同变化.     

400多年来中国东部旱涝型变化与太平洋年代际振荡关系

基于中国东部55站点1600~2012年旱涝等级序列及集合经验模分解(EEMD)等方法,分析了中国东部旱涝年代际到百年尺度的变率分布特征及其与太平洋年代际振荡(PDO)指数的关系.结果表明:400多年来该区域最主要的旱涝分布型是一致型,即同期大多数站点同旱或同涝,变率中心位于黄河中下游;其次为南北反相型,该型近百年来有加强趋势,最典型案例即20世纪70年代后期至21世纪初频繁出现的南涝北旱异常分布,400多年来历史上类似事件很少见.在多年代际尺度上,基于多种代用PDO指数序列的集合平均PDO序列与华北一带旱涝变率有显著的正相关关系,即PDO暖位相对应华北偏旱,而PDO冷位相对应偏涝.结果拓展了多年来主要基于近代气象记录获得的PDO影响中国旱涝气候变化的认识,更完善地诠释了我国夏季风区旱涝气候多年代际演变规律.     

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.     

大尺度大气环流异常与长江中下游夏季长周期旱涝急转

利用国家气象信息中心提供的1957~2003年中国720站夏季(5~8月)逐日降水资料, 对长江中下游地区夏季长周期旱涝急转现象(分旱转涝和涝转旱两种类型)进行研究, 定义了一个长周期旱涝急转指数(LDFAI), 再结合ERA-40再分析资料及1957~2003年南半球和北半球环状模(SAM和NAM)指数时间序列, 分析了异常年的同期和前期的大尺度大气环流异常特征, 结果表明: 旱转涝年旱期西太平洋副高主体偏南, 长江流域低层负涡度中心发展伴随着辐散、下沉的加强和水汽输送减弱, 同时南亚高压和高空西风急流位置偏南, 长江中下游地区干旱少雨; 涝期西太平洋副高北抬, 该地区低层有正涡度发展并伴随辐合、上升运动和水汽输送较强, 南亚高压和高空西风急流北抬, 导致该地区降水增多. 涝转旱年涝期北方冷空气活跃, 冷暖空气交汇于长江中下游地区, 低层正涡度发展同时辐合、上升运动和水汽输送较强, 南亚高压位于高原南侧上空, 长江中下游地区偏涝; 旱期低层有负涡度中心发展伴随着辐散、下沉的加强和水汽输送减弱, 副高异常显著的北跳, 南亚高压向东向北扩展至华北地区, 长江中下游转为东风急流所控制, 干旱少雨. 另外, 长江中下游夏季LDFAI与其前期2月份的SAM和NAM存在显著的负相关, 这为长江中下游夏季长周期旱涝急转现象的预测提供了有参考意义的前兆信号.     

云南地区的地幔过渡带结构及其动力学意义

计算云南及周边地区48个宽频地震台记录的8600个远震P波接收函数,并根据参考地球模型将接收函数从时间域转换到深度域.在转换深度550 km处,将1°×1°面元内的接收函数叠加成一道信号,共获得了沿纬度28°,27°,26°,25°,24°和23°N的6个共转换面元叠加剖面,其叠加深度在0~800 km之间.结果表明:(1)在26°N以北的地区,410和660 km间断面的平均深度分别为407~408和663~667 km,地幔过渡带的平均厚度处于255~259 km之间,过渡带的厚度接近全球平均厚度250 km;(2)在26°N以南的地区,410和660 km间断面的平均深度分别为412~426和675~703 km,地幔过渡带的平均厚度处于262~279 km之间,明显大于全球平均厚度250 km.云南地区410和660km间断面的加深显然与印度板块在缅甸弧下方的俯冲有关,然而,从云南地区地幔过渡带的结构来分析,本文认为印度板块沿缅甸弧向东俯冲主要发生在26°N以南地区.     

千年气候模拟与中国东部温度重建序列的比较研究

利用全球海气耦合气候模式ECHO-G进行的1000年长时间积分气候模拟试验与中国东部区域温度重建资料作对比, 以验证ECHO-G模拟中国区域气候的能力, 并探讨近千年来中国区域气候变化的原因. 重建资料是中国东部地区(25°~40°N, 105°E 以东)1000年来分辨率为30年的冬半年温度距平变化序列. 模拟试验以随时间变化的有效太阳辐射、CO₂浓度和CH₄浓度场为外强迫, 从1000年开始积分至1990年. 结果表明: 重建和模拟结果的相关系数为0.37, 置信度为97.5%. 模拟和重建结果均反映出了1000~1300年的中世纪暖期、1300~1850年的小冰期和1900年之后的升温期. 对于1300~1850年的小冰期和1900年之后的升温期, 模拟和重建的正负距平基本一致, 尤其是1670~1710年Maunder太阳黑子最小期时, 模拟和重建值都达到了温度低谷, 且无位相差异. 但对1000~1300年的中世纪暖期, 模拟与重建资料存在显著差异, 这与重建资料质量降低有关. 模拟的变幅(1.62 K)略小于重建值(2.0 K),但两者具有较好的可比性. 模拟结果的诊断分析表明, 在1000年尺度上, 太阳辐射和火山活动是控制全球和区域温度变化的主要因子, 而在最近百年尺度上, 温室气体含量的变化对快速增温起着更为重要的作用.     

雷州半岛中晚全新世造礁珊瑚Sr/Ca比值的

通过分析两个取自雷州半岛南部的全新世珊瑚的高分辨率Sr/Ca比值, 重建了这两个历史时期(公元489~500年和公元前539~530年)月平均分辨率的表层海水温度记录. 结果显示, 公元前539~530年时段表层海水温度(SST)与现代基本相同, 代表相对温暖的气候; 而公元489~500年时段10年平均的冬、夏季SST与现代器测记录相比分别低2.9和1℃, 年均温度低2℃左右, 代表相对寒冷的气候. 这些珊瑚记录的气候特征与中国其他地区根据物候及历史记录获得的气候记录相吻合.     

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.     

东亚夏季风自20世纪90年代初开始恢复增强

自20世纪70年代末开始的东亚夏季风减弱,造成了中国东部地区夏季严重的旱涝异常.东亚夏季风何时恢复是一个众所关注的问题.研究表明,自20世纪90年代初期以来,东亚夏季风表现出恢复增强的特征,尽管其增强的幅度仍未达到1965～1980年间的水平;伴随着东亚夏季风的增强,我国东部夏季雨带出现年代际北移,表现为淮河流域(110°～120°E,30°～35°N)夏季降水增加.东亚夏季风自20世纪90年代初期以来的增强,和海陆热力差异的年代际变化有关.     

近500年我国梅雨的气候波动

梅雨是我国和日本的重要天气过程,也是东亚夏季风推进的一个重要阶段。本文利用长江下游地区近500年的历史旱涝史料(史料的旱涝标准分为5级:1级:大涝;2级:偏涝;3级:正常;4级:偏旱;5级:大旱),对九江、安庆、南京、扬州、苏州、上海、杭州等站区的各年旱涝等级用主分量法加以综合,并选用所得各变量中占有较大方差的变量,建立了我国梅雨自公元1470—1975年的序列。     

1992~2006年中国降水酸度的变化趋势

分析了全国74个酸雨观测站1992~2006年的降水pH资料. 结果显示, 15 a间中国酸雨区的整体分布格局没有重大改变, 长江以南仍是最大的连续酸雨区和重酸雨区, 北方地区尚未形成大范围的连续酸雨区. 1999年前的8 a间全国酸雨污染呈现减缓趋势, 2000年后, 华北、华中、华东及华南地区出现连续大范围的酸雨污染加重趋势, 其综合结果使得中国酸雨区的酸雨污染程度发生区域性变化. 15 a间, 华北、华中、华南呈现连续大范围的酸雨污染加重现象, 其中华北和华中的长江以北地区较明显; 中国重酸雨区之一的西南地区的降水酸度减弱, 酸雨污染程度呈现缓解趋势; 相应地, 长江以南的重酸雨区中心有向东发展的趋势. 对同期的降水电导率资料的分析显示, 15 a间中国降水中可溶性离子成分含量呈现整体增加的趋势, 其中1999年前为快速增加期, 2000年后基本稳定或呈下降趋势. 2000年后部分观测站的降水pH年变率与非氢电导率年变率正相关的事实显示, 颗粒物排放和其浓度水平下降导致降水酸性增强有可能是影响中国一些地区降水酸度变化的一个重要因素.     

雷州半岛中晚全新世造礁珊瑚Sr/Ca比值的表层海水温度记录

通过分析两个取自雷州半岛南部的全新世珊瑚的高分辨率Sr/Ca比值,重建了这两个历史时期(公元489～500年和公元前539～530年)月平均分辨率的表层海水温度记录.结果显示,公元前539～530年时段表层海水温度(SST)与现代基本相同,代表相对温暖的气候;而公元489～500年时段10年平均的冬、夏季SST与现代器测记录相比分别低2.9和l℃,年均温度低2℃左右,代表相对寒冷的气候.这些珊瑚记录的气候特征与中国其他地区根据物候及历史记录获得的气候记录相吻合.     

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.     

厄尔尼诺与江淮流域旱涝灾害的关系

厄尔尼诺对旱涝灾害的发生有重要影响,本文在搜集大量旱涝灾害史料的基础上,通过对旱涝灾害记载进行分级量化处理,详细、系统地探讨了厄尔尼诺与江淮流域旱涝灾害的关系.结果表明:厄尔尼诺对江淮流域旱涝灾害有影响.其中,在厄尔尼诺当年,对江淮流域旱涝灾害影响较小,流域以旱灾为主;在厄尔尼诺次年和反厄尔尼诺年,影响较大,流域明显以涝灾为主,且时有大旱、大涝发生,值得我们注意和重视.根据上述结果,厄尔尼诺现象不失为本地区旱涝预报的一个很好的参考指标.     

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.     

21世纪东亚季风变化:CMIP3和CMIP5模式预估结果

使用国际耦合模式比较计划第3和最新的第5阶段中共42个气候模式的数值试验结果,首先定量评估了它们对于当代东亚冬、夏季风气候态的模拟能力;而后在SRES A1B中等温室气体排放情景或者RCP4.5中等偏低辐射强迫情景下,根据择优选取的31和29个气候模式分别对21世纪东亚冬、夏季风变化进行了预估研究.结果表明:相对于1980～1999年参照时段,21世纪东亚冬季风强度整体上变化不大,在区域尺度上则表现为在东亚约25°N以北地区减弱,在其南部加强,这主要是源于阿留申低压系统减弱和北移所引起的西北太平洋和东北亚地区大气环流变化,同时也与东北亚地区西北至东南向热力对比和气压梯度减小有关.另一方面,东亚大陆与西北太平洋和南海的海陆热力差异加大导致21世纪中国东部夏季风环流略有加强.     

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.     

树轮最大密度记录的贡嘎山区公元1837 年以来的温度变化

利用采自青藏高原东部贡嘎山东坡两个海拔高度的冷杉树轮样本建立了树轮最大晚材密度(MXD)年表, 并合成了区域年表(RC). 经MXD 年表与气候要素的相关分析发现, 各MXD 年表均与8~9 月份温度显著相关. 其中, 区域年表(RC)与8~9 月平均温(1960~2007 年)的相关最高(r=0.733, P<0.001). 在此基础上, 利用区域年表(RC)重建了贡嘎山区过去171 年来的8~9 月温度变化, 重建方程稳定, 重建方程的方差解释量高达53.5%(R² _adj=52.4%, N=48, F=52.8). 重建结果显示, 在过去的171 年中贡嘎山区8~9 月平均温的异常高温年份为22 年, 异常低温年份为23 年, 且存在4 个明显的低温时段(1837~1842, 1884~1891, 1899~1905, 1984~1989 年)和3 个明显的高温时段(1966~1973, 1916~1924, 1876~1881 年). 重建结果除通过统计检验外, 还得到了气象灾害历史记录和研究区周围其他树轮资料重建的温度结果的验证, 证实了重建结果的可靠性.     

树轮记录的吕梁山地区公元1836年以来5~7月平均气温变化

随着全球气温的升高, 气候变化越来越受到人类的重视, 同时区域性气候也引起人们的普遍关注. 利用采自吕梁山中部的油松树轮样本, 重建了该地区1836年以来5~7月平均气温的变化, 重建方程对观测时段1955~2003年平均温度的方差解释量为45% (F=38.474). 该重建气温序列指示的5个偏暖时期和4个偏冷时期与我国北方中部其他几条树轮重建温度序列所指示的冷暖时段基本一致. 20世纪50年代以来气温呈缓慢上升趋势, 但是这种上升趋势并不是平稳的, 90年代初的升温更强烈一些, 并且1994~2002年是整个重建序列中温度最高的时段; 同时, 重建气温与研究区周边更大范围内各气象站点5~7月平均气温之间的显著相关分析也表明, 本文重建的过去近170年来的温度变化不仅反映了吕梁山地区、似乎也可以反映我国北方中部地区较大范围的同期气温变化.     

纵向岭谷区降水量时空变化及其地域分异规律

利用纵向岭谷区内36个气象观测站1960~2001年逐日观测降水量,根据纵向岭谷区典型南北走向山系河谷特点,选取区内7个典型剖面,通过系统分析区内降水量纬向、经向的时空变化特征及其地域分异规律,探讨降水变化与纵向岭谷特殊环境格局中"通道-阻隔"作用的关联.分析结果表明:由于受到纵向岭谷特殊地形的影响,研究区水热条件的分布格局及其变化具有独特的"通道-阻隔"多重效应,区内北部(>26°N)大部分地区降水量的年内分配状况出现具备"桃花汛"小雨期的"多峰型";至26°N,"桃花汛"小雨期渐趋消失,降水量年内分配由"多峰型"逐渐过渡为"单峰型";24°~25°N地区,降水量年内分配均为单峰型、且峰型相似,至纵向岭谷区南部,年内分配出现了具备"后雨期"的"准双峰型",且随着经度增加,这种双峰型特点更突出.由于干季该区大气环流较为单一,纵向岭谷"阻隔"作用对干季降水年际变化的空间影响并不明显,区内干季降水变化趋势较为一致;湿季降水量年际变化趋势的空间分布则更复杂,空间分异也较大.