亚欧大陆经向热力差异对亚洲季风影响的研究 Ⅱ:对东亚夏季风的影响

 通过比较亚欧大陆经向热力异常年份冬季及后期热力场、海温和对流活动的变化特征后,初步得出如下结论:亚欧大陆南、北区域间的热力差异从冬季持续到春季,一般在4月份减弱消失.由于后期初夏和夏季的热带海温和东亚地区空间热力分布的不同,引起经向环流异常,从而导致东亚地区季风转换及降水分布的不同.     

青藏高原东部高寒草原地表能量交换特征(英文)

青藏高原是世界上面积最大、海拔最高的高原,其独特的地形地貌特征对东亚乃至全球大气环流有重要影响.由于地表特征不同,高原不同区域地表热力特征也有显著差异.高原的东部边缘地表、植被和气象特征与高原其他区域明显不同,因此这一区域地表热力作用也与高原其他区域不同.本文研究了青藏高原东部玛曲草原地表能量交换的季节变化特征.玛曲草原冬季净辐射占入射太阳辐射的比例小于雨季,其差异主要由2个季节的地表反照率和湿度状况的差异引起.全年来看,净辐射大部分用水汽蒸发所需的热量.冬季由于土壤冻结加之降水稀少,净辐射主要用于加热地表和大气.雨季由于相对较高的气温、充足的降水及植被茂盛的生长力,净辐射主要用于水汽蒸发.在这一区域,降水的季节分布以及土壤的冻融状况对地表能量分配有重要影响.     

东亚冬季风的年际变化特征及其与北极涛动(AO)的关系

基于欧洲中心再分析资料ERA40中的1958~2002年冬季海平面气压(SLP)、地表温度(T2m)、500h Pa高度、850h Pa风矢量,文章首先分析了东亚冬季风的时空变化特征及其与北极涛动(AO)的关系,发现1958~2002年的45年来东亚冬季风年际变化与海平面气压(SLP)、地表温度(T2m)、500h Pa高度和850h Pa的风矢量有着密切关系;再次计算冬季风标准化指数和逐年时间序列基础上,分析了东亚冬季风的年际变化特征,发现强弱冬季风年的东亚环流系统和天气气候特征有明显的差异,最后利用AO指数和冬季风指数的时间序列及1958~2002年AO正负异常年的海平面气压(SLP)、地表温度、500h Pa高度、850h Pa的风矢量进行合成差值,说明冬季AO直接影响地表气温、海平面气压(SLP)、500h Pa的东亚大槽和850h Pa风场,因此冬季AO影响着东亚冬季风,而且呈反相关。     

北半球准定常行星波经向结构及特征尺度分析

准定常行星波对于热带外地区的天气和气候有着举足轻重的影响.以往对于准定常行星波的研究主要针对某一纬度或多纬度平均的纬向波动进行分析,因此准定常行星波的经向结构及特征尺度尚不清楚.利用经典的Rossby波的频散关系,对传统定常波的水平全波数的计算方法进行了改进,将纬向和经向波数进行分离,得到了描述准定常行星波运动学特征的纬向和经向特征波数,从理论上给出了准定常行星波空间尺度的动力约束条件,进而对北半球行星波动的经向结构及特征空间尺度进行了分析.结果表明:在北半球热带外地区,冬季准定常行星波的经向尺度以1波为主,表明准定常行星波的经向结构多为偶极子型;而纬向波数随纬度的增高而减小,表明大尺度的准定常波可以在高纬度传播,而较小尺度的准定常波只能在较低纬度传播.进一步利用大气环流观测资料分析冬季不同纬度间准定常行星波(纬向1～3波)的位相关系,发现不同纬度间的准定常行星波以反位相关系为主,且行星波的经向活动区域随着纬向波数的减小而向极地延伸.观测得到的冬季准定常行星波的纬向和经向结构特征,与理论推导的纬向和经向特征波数的时空分布特征基本对应.     

考虑渠内水影响的冬季输水渠道冻胀的数值模拟

针对季冻区冬季输水混凝土梯形衬砌渠道在运行中的冻胀问题,本文进行水热力耦合模型数值模拟,分析渠道供水期渠内水对渠道冻胀量的影响。在利用水热力耦合模型,同时结合水热力相互作用方程和有限元分析方法对供水期的梯形混凝土衬砌渠道的3个基本物理场实施计算,并与停水期混凝土梯形衬砌渠道的三场实施对比,最后结合实测数据进行误差解析。结果表明:冬季输水混凝土梯形衬砌渠道的3个基本物理场与停水期明显不同,但根据模拟所得数据可建立冬季输水混凝土梯形衬砌渠道冻胀预测曲线,并经分析比对后发现预测构造曲线与原型观测曲线基本重合;季冻区冬季输水混凝土梯形衬砌渠道供水期与停水期的渠道最大冻胀量相差约65 mm,表现出显著差异。上述结果表明,渠内水是渠道冻融循环中热源补给的重要来源之一,是冻胀量产生差异的重要原因,因此在渠道冻胀研究中极有必要考虑渠内水的影响。     

陕西冬季极端气温趋势及与AO和ENSO的关系

为提高冬季极端气温灾害风险预测水平,利用1960—2012年陕西冬季气温数据、AO指数及Ni?o3.4区海温指数等资料,对陕西冬季极端气温变化趋势与AO、ENSO的关系进行了分析.结果表明,陕西极端暖(冷)日数在1960—2012年都呈上升(下降)的趋势;在20世纪80年代中后期有明显转折,转折后冷日数的年际变幅减小,冬季极端冷日数的变幅要大于极端暖日数的变化.相关性分析和概率密度函数(PDF)估计表明,AO和ENSO在不同的年代对陕西冬季的极端气温影响有差异;ENSO和AO位相不同,陕西不同地区极端暖(冷)事件发生的概率也存在差异.通过ENSO、AO在冬季不同位相综合配置下的气温分布和ENSO年冬季气温分布对比表明,陕西冬季极端气温是受ENSO和AO的综合影响,且不同位相的综合配置对陕西冬季不同地区的影响存在差异.     

冬季全球大气季节内振荡的特征分析

利用欧洲中期数值天气预报中心的ERA-40逐日再分析资料,计算得到350 K等熵面上45年冬季气候平均位势高度场,再利用Butterworth滤波器得到等熵面上位势高度30～60 d低频波.应用经验正交分解(EOF)对冬季350 K等熵面上的低频位势高度场进行时空分析,结果表明:在第1主分量场上,空间分布特征最明显的是南极涛动(AAO)、北极涛动(AO)、北美-太平洋涛动(PNA)以及经向偶极型低频变化.这种空间分布形式说明在350 K等熵面上南北半球间通过太平洋地区的经向低频波列传播,使得AAO与AO相互影响,相互作用.第2主分量场上,空间分布特征则表现出全球经向和纬向上的低频波列特征,以及南北半球在大西洋地区的相互作用.将EOF分解得到的前2个主分量场的时间系数投影到1957—2002年冬季的时间序列中,发现冬季全球大气低频振荡在20世纪70年代末80年代初发生了明显的年代际突变,并在80年代末以后逐渐加强.说明在80年代末以后冬季南北半球的低频变化相互作用有所加强,也说明太平洋,大西洋上的经向传播特征更为明显.     

mRNA差异显示法筛选和克隆东亚飞蝗抗药性相关基因

筛选和克隆东亚飞蝗抗药性相关基因.采用mRNA差异显示法(mRNA diffFerential display PCR,DD-PCR),对比了东亚飞蝗在受到氯氰菊酯杀虫剂的诱导前后,基因表达发生的变化.对差异片段进行了回收,克隆、测序,Northern点杂交验证以及序列分析和同源性比较.东亚飞蝗在受到氯氰菊酯杀虫剂的诱导前后,存在明显的基因表达差异,发现差异表达条带9条,对9条差异表达条带进行克隆、测序,经序列分析和同源性比较和RNA点杂交验证,表明确认其中1条带与东亚飞蝗的抗药性有关.东亚飞蝗的mRNA差异显示证明,该EST序列可能在抗药的发生发展中具有一定的作用.     

2010年1月渤海海冰成因分析

通过对2009—2010年冬季大气环流资料的分析发现:①混合厄尔尼诺年西太平洋高压减弱,东亚大气经向型环流的加强,冬季冷空气活跃气温降低,北方雨雪偏多,是渤海冰情加重主要原因。②极涡的变化是影响我国冬季天气气候特征变化的重要因素,北极涛动负相位将极地冷空气挤向中纬度地区;对渤海气温降低及海冰生成起着直接作用。③混合厄尔尼诺和"拉马德雷""、冷位相"加强了北半球的经向环流,使西太平洋副高减弱,导致极地冷空气长期影响东亚地区;1月渤海有负距平中心,冷空气长时间控制渤海地区,导致渤海严重冰灾。     

华北地区动力和热力蒸发量特征研究

选用1957~2002年的气象观测资料,对华北地区5个分区动力和热力蒸发量的季节、年际变化规律,动力和热力蒸发量之间的差异,动力和热力蒸发量对总蒸发量的贡献以及近20年全球变暖背景下华北地区动力和热力蒸发量的变化趋势进行了分析.结果表明,华北各个区域动力和热力蒸发量的年、季变化规律有明显差异,动力蒸发量的季节变化呈双峰特征,而热力蒸发量则呈单峰变化.动力蒸发量和热力蒸发量的年和季节序列线性变化趋势有明显差异,在全球变暖的背景下,这种差异明显变大.年平均热力作用对总蒸发量的贡献大于动力作用,不同季节这种规律有所不同,温暖季节热力作用对总蒸发量贡献较大,寒冷季节动力作用大于热力作用(华北4区除外).     

乌拉尔山阻塞高压和西伯利亚高压协同作用与东亚冬季风之间的联系

利用1948-2016年美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)逐日再分析资料,选取乌拉尔山阻塞高压二维指数(UBI)、西伯利亚高压指数(SHI)和东亚冬季风综合指数(EAWMII),定量化的验证了乌拉尔山阻塞高压(UB)和西伯利亚高压(SH)发生的年代际变化特征,分析了该变化对东亚冬季风(EAWM)产生的影响.结果表明,冬季UBI、SHI和EAWMII两两之间呈显著相关.其中UBI与SHI之间30 a滑动相关除1988年以后UB和SH两者联系增强外,UBI、SHI和EAWMII的Mann-Kendall突变检验也表明,3者均出现了两次气候突变,第1次突变分别发生在1950-1960年、1960-1970年、1970-1980年;第2次突变发生在2000-2010年,但第2次突变可能不真.采用回归分析方法,研究了UB与EAWM年代际变化的影响,发现在UBI强的年份各要素场距平值对UBI的回归比UBI弱的年份更加明显;在UBI强的两个时段(1948-1985年,2001-2016年)各要素场距平回归值有所差异,后者呈现更加显著的变化,说明2000年以后UBI和EAWMII的相关性增加导致UB对EAWM的影响程度逐渐增强.利用合成分析验证了UB和SH协同作用与EAWM之间的联系.UBI高与SH强的年份,当东亚冬季表面温度呈现负异常时,在位势高度降低的同时,东亚大槽加深增强,中纬度300 hPa高空西风急流增强,有利于形成寒潮天气.在UBI低与SH弱的年份,各要素异常分布情况与上述基本相反.单一的UB和SH变化对东亚冬季各要素场虽然都有一定影响,两者的共同作用对东亚冬季表面温度、500 hP位势高度和300 hPa高空风场的影响更为显著.     

中国近30年冬季日最低温度分布特征

选取1979-2011年全国共160个测站,选取冬季即当年12月到第二年2月份的日最低气温资料,对其进行EOF分析,研究了前三个模态下中国近30年来冬季最低气温的时间和空间分布特征。并利用NCEP/NCAR再分析资料,进行500hPa高度场和850hPa风场的合成分析,研究了冬季最低气温异常和环流的可能关系。研究发现:在不同的模态下冬季最低气温的分布特征有较大的差异,不同区域在不同时间段内的温度分布存在较大差异。从500hPa高度场和850hPa风场合成分析中发现,影响我国冬季最低气温异常的重要系统是东亚大槽和贝加尔湖东侧的高压脊。当500hPa上亚洲高纬度地区的贝加尔湖附近的高压脊偏强时,对应850hPa风场上我国内陆大部分地区的北风偏弱,对应的最低气温偏高。反之亦然。     

大气环流年代际变化对东亚北部冬季气温异常的影响

 利用NCEP资料1949～1999年间的地表气温(SAT)进行经验正交函数分解(EOF).得到的前2个模态均表明,20世纪70年代中期以后,东亚北部地区冬季气温增暖明显,发生了显著的年代际变化.这种气温的异常变化主要受到东亚冬季风的直接影响.近20多年来,北极涛动维持在正位相并持续增强,其对东亚冬季风的影响也越来越显著,东亚冬季风持续减弱,使得东亚北部地区冬季气温增暖.通过对SAT和SLP进行奇异值分解(SVD),结果表明北极涛动的持续增强可能是东亚北部地区冬季增暖的重要原因之一.     

城市水泥下垫面能量平衡特征的观测与分析

水泥下垫面是城市各种人为下垫面类型中占比重最大的一种,且具有典型的城市化特征,其热力性质明显有别于自然下垫面,是局地天气、气候变化的主要因素之一.利用2005.7与2006.3夏、冬两季,在南京进行的城市边界层外场试验通量观测资料,初步分析了水泥下垫面能量平衡方程中各项特性.结果表明:(1)夏、冬两季水泥下垫面净辐射通量(Rn)白天差异较大,通常有100 W/m2左右,但峰值差异却仅有10 W/m2;虽然夏季夜间地、气温度高于冬季,但夏季夜间水泥下垫面向外释放的净辐射通量小于冬季.(2)由于水泥下垫面的不透水性,潜热通量(LE)通常很小,感热通量(H)则成为水泥下垫面加热大气的最主要方式.夏、冬两季H在白天表现为量值差异;夜间表现为符号差异,即夏季夜间H通常为正值,表明下垫面仍在加热大气,而冬季夜间H为负值,表明下垫面对大气起冷却作用.该特征也是夏季夜间热岛强度明显强于冬季的主要成因.(3)储热项(△Qs)成为城市下垫面能量平衡方程中主要的源汇项,无论是冬季还是夏季,水泥下垫面△Qs在能量收支过程中所占份额明显大于(H LE);而自然下垫面通常是(H LE)大于△Qs,这正是城、乡下垫面热力性质最主要的差异.     

南亚季风环流与臭氧时空分布变化关系的特征分析

利用2005年1月至2017年12月搭载在美国环境监测Aura卫星上的臭氧监测仪（Ozone Monitoring Instrument, OMI）数据和NCEP气象资料,在夏季风环流指数定义方法的基础上,重新定义了南亚区域冬季风环流指数,并分别计算了南亚夏季风和冬季风环流指数. 结合冬夏两季环流的强弱变化采用相关分析、合成分析和奇异值分解（Singular Value Decomposition, SVD）等方法,探讨了环流异常形势下臭氧的时空变化特征. 结果表明:①南亚夏季纬向环流与经向环流的强度变化存在一致性,冬季经向环流与纬向环流的强度变化差异较大. ②南亚臭氧柱总量的季节变化明显,且近13年来臭氧柱总量整体呈上升趋势. ③夏季（冬季）风环流指数与对流层中低（中高）层和平流层中低层臭氧的相关性显著,但夏季平流层和对流层的相关趋势相反. ④夏季风环流增强对应青藏高原?伊朗高原上空及南侧区域的上升运动增强,对臭氧的输送作用是造成对流层臭氧分布呈现差异的原因. ⑤冬季风环流强弱期的垂直上升和下沉运动中心的移动,以及南北向、东西向气流交汇区的差异是造成臭氧分布不同的原因.     

中国冬季降水对东亚春季O3强弱信号的响应

 利用欧洲中心(ECMWF)ERA-Interim提供的1979—2013年的O₃、温度和位势高度逐月资料及国家气候中心的160站的逐月降水资料,采用EOF分析、相关分析和合成差值分析等方法,分析了东亚春季臭氧的时空变化特征及中国冬季降水对东亚春季O3强弱信号的响应.研究发现：①通过EOF分析可知,东亚春季O₃主要有3种变化特征：其一是东亚春季不同时间的O₃随着纬度的增加而增加（或减少）.其二是青藏高原是一个O₃异常信号较强的地区.其三是鄂霍次克海以西的内陆地区和中国东北部地区的春季O₃异常信号最强,且这两地区的异常信号位相相反.②东亚春季O₃强时,中国冬季降水从西到东呈现了“多-少-多-少-多-少”的分布.这种响应显著的区域位于北方和内陆地区,而中国的东南地区较弱.这就说明,东亚春季O₃对中国冬季降水是有一定的影响的.O₃是如何引起中国冬季降水出现这种波列分布的原因尚有待于进一步的研究.③选取了6个层次分别代表平流层和对流层来开展研究.从相应于O₃强弱年的温压场分析来看,北半球冬季的温度场和位势高度场的合成差值在中高纬度都呈现了波列的分布,在平流层呈“正-负-正”分布,在对流层呈“负-正-负-正-负”分布,且这种温压场对O₃变化的响应在50、100、500hPa和700hPa层次最为显著.据此推测,东亚春季O3变化会引起北半球的温度场和位势高度场的调整,从而使得中国冬季降水分布出现异常.
     

对“南亚季风形成原因”的思考

本文认为“亚洲南部的季风,主要是由行星风带的季节移动而引起的,但也有海陆热力差异的影响”的观点是不合理的。亚洲南部的季风(下称南亚季风)和亚洲东部的季风(下称东亚季风)一样,都属于海陆季风,主要是由海陆之间的热力差异引起的。行星风带的季节移动对南亚地区的影响强度受到海陆热力差异的制约,其固有的季节移动作用,对南亚季风形成只起加强的作用。南亚夏季的过赤道西南风强大,是大陆及青藏高原热力作用的结果。没有东南信风带的季节移动,南亚地区也会有西南季风出现。     

南海夏季风爆发与华南前汛期锋面降水气候平均的联系

利用1958-2000年NCEP/NCAR再分析日平均资料、中国气象局气候中心常规地面观测日降水资料,从气候平均角度诊断分析了南海夏季风爆发和撤退前后大气结构特征及其与南亚季风的差异,探讨华南前汛期锋面降水对南海夏季风爆发的可能影响。结果表明:①季节转换期间南海地区大气热力结构、动力结构的配置具有与孟加拉湾和南亚地区明显不同的特征,大气低层(850 hPa以下)温度梯度的逆转(由负变正)发生在西南季风爆发之后。②850hPa西风建立在南海大气低层(850 hPa以下)经向温度梯度为弱负值的时候,是受热成风约束的结果。③季节转换期间南海地区大气热力结构、动力结构的配置具有独特性,是由于东亚地区独特的地理位置,受来源于中纬度冷空气影响的缘故。④随着华南降水强度加强,对流释放潜热加热了中高层大气,有利于南海经向温度梯度的逆转,从而在热成风关系约束下使高层南亚高压的北移,因此华南前汛期第一阶段锋面降水是南海夏季风爆发的有利因素。     

印度洋一太平洋海表温度异常的持续性特征

用Reynolds&Smith重构的1950-1998年月平均SST资料分析了印度洋-太平洋海表温度距平SSTA的持续性特征.结果表明SSTA的持续性在空间上分布不均匀,可将有明显差异的SSTA持续性特征的海区分为3类全年各月持续性好的区域,主要包括热带中东太平洋马蹄形海域、赤道中东印度洋、热带西太平洋,持续时间一般在10个月以上;全年各月持续性差的区域,主要包括西北太平洋、东亚沿海和东南太平洋,持续时间一般为3个月左右;各月持续性有季节性变化的区域,主要包括赤道东太平洋,南海.SSTA持续性的整体空间分布存在冬夏两种主要分布型,夏季型SSTA的持续性要比冬季好.冬夏间SSTA持续性最明显的差异出现在赤道东太平洋和东亚沿海、南海区域,由冬季转入夏季时,赤道东太平洋SSTA的持续性由差变好,东亚沿海、南海地区的情况则与之相反.     

中国东北地区干旱趋势的年代际变化

选用东北地区(包括内蒙东部)26个气象站的温度和降水资料,分析了近50 a来的干旱发展趋势和年代际变化.认为:在向干旱发展的总趋势下还有明显的干湿年代际变化,温度逐年升高在干旱发展的总趋势中起主要作用,而降水的年代际变化在干旱的年代际变化中起重要作用,两者在12和25 a的低频振荡上有惊人的一致性.这种低频振荡与东亚中高纬度地区的区域西风环流指数的年代际变化相联系,它们之间呈很好的反位相关系;降水与区域经向环流指数则有很好的同位相关系.但在近50 a的时间范围内,上述各项变化特征在后半期不如前半期的关系好.这可能与全球增暖在高纬度和低纬度地区的强度不同所导致的东亚季风减弱有关.