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.     

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.     

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.     

中国东部夏季降水与春季土壤湿度的联系

通过对资料的诊断分析, 揭示了中国东部春季土壤湿度与夏季降水的联系, 发现春季从长江中下游到华北的土壤湿度偏湿, 东北土壤湿度偏干时, 对应着中国夏季东北和长江流域降水偏多, 华北和南方降水偏少. 对这种影响的物理过程分析表明, 春季从长江中下游到华北的土壤湿度正异常使得中国大陆东部地表温度降低, 减少了海陆温差, 造成东亚夏季风减弱, 西太平洋副热带高压发展西伸, 从而阻挡了东亚夏季风的北上, 使得中国夏季雨带偏南, 长江流域降水偏多, 华北和南方降水偏少.     

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.     

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.     

中等强度ENSO对中国东部夏季降水的影响及其与强ENSO的对比分析

选取1979年以来6次主要ENSO事件, 并按其强度划分为强和中等强度, 合成分析了ENSO对东亚夏季风和中国东部夏季降水的影响, 发现ENSO的影响随夏季季节进程有明显变化, 6月影响较弱而8月影响最强, 这显示ENSO的影响有很长的滞后效应. 此外, 强ENSO造成的环流和降水异常强度大, 影响开始的时间也较早, 而中等强度ENSO的影响在8月才较为明显. 同时, 中等强度ENSO年的合成结果显示, 中国东部夏季降水为北方型, 这也与经典的ENSO型降水分布有很大差异. 在合成分析的基础上, 选取2个相似的中等强度ENSO年(1995和2003年)做进一步的对比分析, 发现在6~7月期间, 亚欧大陆中高纬度环流和南半球环流的变化可在相当程度上调制东亚夏季风环流对中等强度ENSO的响应, 并进而在中国东部形成不同的降水分布. 与1983年的强ENSO事件对比表明, 强ENSO不仅造成中国东部夏季降水异常, 而且能进一步控制其他因子对东亚夏季风的影响, 这与中等强度ENSO是不同的.     

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.     

全球变暖背景下中国旱涝气候灾害的演变特征及趋势*

旱涝气候灾害是中国最严重的自然灾害之一,它不仅分布广、发生频率高,而且造成巨大的经济损失。研究表明：随着全球变暖中国旱涝气候灾害的年际和年代际变化更加明显,这是由于包括海陆气各圈层相互作用的东亚季风气候系统的变异所造成。笔者利用IPCC AR4 22个海陆气耦合气候数值模式的计算结果对在A1B排放情景下21世纪各时期东亚夏季风降水的变化趋势进行预估,结果表明：在全球变暖背景下东亚夏季风降水在21世纪不仅年际变率增强,而且从21世纪中期亚洲夏季风增强,它将引起中国华北和华南地区夏季降水明显变强,洪涝灾害增多。     

中国土壤湿度的变异及其对中国气候的影响

土壤湿度是气候系统中的重要参量,对地球系统中水分、能量以及地球生物化学循环都有重要影响。本文综述了关于土壤湿度对大气的影响,以及中国区域土壤湿度及其对中国气候影响的研究进展,分析了土壤湿度通过影响地表能量和水分平衡,进而影响大气的变化。现有研究表明：在中国东部春季,土壤湿度的气候分布表现为东北、长江中下游为高值区,华北较干,河套地区的土壤湿度最低;中国东部中纬度地区是土壤湿度年际变异最大的区域,并与东北区域呈反相变化;土壤湿度整体上呈现变干的趋势,深层土壤变干较浅层土壤显著,且东北和南方地区比中纬度地区的变干趋势显著。中国东部从长江流域到华北的春季土壤湿度偏高时,通过改变春末地表能量平衡可以导致东亚夏季风减弱,造成夏季华南和华北降水减小,长江中下游和东北降水增多。中国北方季风边缘区的土壤湿度对局地降水有显著影响,而土壤湿度对局地温度有显著影响的区域主要位于中国北方。     

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.     

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.     

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.     

中国夏季大尺度低频雨型及其转换模

使用40年逐日降水资料和相空间中的聚类分析方法, 识别出中国夏季降水的7个大尺度低频雨型, 它们对应相空间中概率密度分布的局部极大值区域, 具有持续和转换特点, 反映了低频降水的传播和跃变特征. 分析表明, 低频雨型在季节内分布一般与夏季风雨带相对应, 雨型之间存在优势转换关系, 可归纳为4个雨型转换模, 它们是中国夏季降水异常年际和季节内变化的主要信号分量. 环流场分析显示, 西太平洋副高、中高纬阻塞、低纬环流异常以及东亚-太平洋地区的波列结构与低频雨型的出现和转换有着密切联系, 而副高和阻塞形势的异常演变、东亚波列的分布和变动、急流位置和形态的季节内变化, 有可能是雨型转换模形成的主要环流因素.     

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.     

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.     

东亚夏季风环流异常指数及其年际变化

利用影响东亚夏季风的东亚－太平洋（ＥＡＰ）大气遥相关型的概念,定义了一个东亚夏季风环流异常指数,并利用最新的资料来研究,进一步指出该指数可以很好的表征东亚地区（特别是江淮地区）夏季的一些气候要素场的年际变化特征。     

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.     

东亚季风演变与对流层准两年振荡

对流层准两年振荡(TBO)是20世纪80年代后期揭示出的新现象, 其机理尚未完全搞清楚. 用ECMWF逐日格点再分析资料(1961~2000年)以东亚季风为研究对象, 首先选取对东亚冬季风和夏季风都具有一定表征能力的区域, 根据风场(东北-西南向风速)定义了一个冬、夏季统一的通用东亚季风指数(EAMI), 它既可描写东亚冬季风, 也可以描写东亚夏季风, 还能反映东亚冬季风和东亚夏季风之间的转换特征. 进一步分析发现, 东亚冬季风和东亚夏季风的变化之间有很好的联系. 一般, 强东亚冬季风活动有利于其后东亚夏季风偏强; 反之, 弱东亚冬季风活动则有利于其后东亚夏季风偏弱. 但是, 强(弱)东亚夏季风活动却有利于其后东亚冬季风偏弱(强). 因此, 东亚季风异常的这种循环变化特征, 也就是东亚夏季风与东亚冬季风的相互作用可以认为是导致东亚地区出现TBO的一个重要机制.     

1951~2004年中国北方干旱化的基本事实

利用月降水及月平均气温资料, 计算了中国区域地表湿润指数、Palmer干旱指数和反演的土壤湿度, 通过对上述3个指标及降水变化特征的对比分析, 揭示了中国北方近54年干湿变化的时空结构, 特别是对北方干旱化事实的分析. 结果指出: (1) 20世纪80年代以来, 西北东部和华北以干旱化趋势为主要特征, 这种干旱化的趋势在近15年不断加剧, 降水减少和气温升高是其产生的主要原因; (2) 在54年间, 西北东部和华北在年代际尺度上仅发生一次干湿转换, 转折点出现在20世纪70年代的末期, 这与1977/1978全球气候背景的转折性变化有关. 而东北地区却有3个转折点, 最近的一个产生在20世纪90年代中期, 另两个分别发生在1965和1983年; (3) 与北方其他地区的变化趋势相反, 西北西部当前正处在一个相对湿的时段, 但温度的升高削弱了这种变湿趋势; (4) 20世纪80年代以后, 西北东部、华北和东北地区的极端干旱发生的频率明显增加, 这与这些地区降水减少和气温升高密切相关.