基于气流轨迹模式的西北地区强冷空气特征研究

冷空气的爆发路径及其变化是气象科学研究和业务预报关注的重点问题.使用1970—2013年NCEP-NCAR再分析资料以及中国基本基准825站地面气温均一化数据集,采用改进后的三维风速轨迹倒推方法,追踪了冬半年(10月至次年4月)入侵中国西北地区的强冷空气路径.结果显示,有西北路径88次,偏西路径143次,奇异路径20次.临近爆发前的环流演变导致西北路径和偏西路径冷气团不同程度增温,削弱了源地差异对冷气团强度的影响.西北路径年频次增加幅度为0.37次/10 a,而偏西路径年频次有所减少.相比之下,西北路径强冷空气易于在我国北方地区、东部地区引发极寒事件.偏西路径强冷空气易于在西北、华北地区造成持续时间较长的冷害.     

2008年1月中国南方地区罕见低温冰雪天气的气候特征及其成因

 利用1951～2008年1月的中国160站气温降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了2008年1月中国南方地区罕见低温冰雪天气的气候特征及其成因,结果表明:①中国南方地区持续的低温和降水叠加是形成罕见低温冰雪灾害的直接原因;②2008年1月亚洲地区大气环流异常,出现了4个较异常的环流.乌拉尔山地区阻塞高压环流异常偏强,导致冷空气活动频繁、气流南北交换较强;东亚槽异常偏强,利于强冷空气南下;西太平洋副热带高压异常偏北,对冷空气滞留在中国南方地区和持续水汽输送起重要作用;高原南侧的南支槽异常偏强,这是持续水汽输送的必要条件;③导致中国南方地区罕见低温冰雪天气的主要原因是大气异常环流的异常配置.乌山阻塞经向环流较大,但东亚槽的位置偏北偏东,在加强气流东西交换的同时削弱了冷空气南下的速度;副高较强,一方面阻挡了强冷气团的快速南下,另一方面加强了副高西侧偏南气流的水汽输送;高原南侧的南支槽的强弱对水汽的输送起决定性作用.     

中国大陆夏季高温热浪事件的特征及两类El Ni?o事件对其影响

利用中国大陆地面站点资料和NCEP/NCAR再分析资料,研究了中国大陆高温热浪事件的时空分布特征以及两类El Ni?o现象对高温热浪事件的影响.结果表明,近年来发生在中国大陆的高温热浪事件呈明显的上升趋势,特别是在20世纪末至21世纪初更加明显.在空间分布上,高温热浪的频次、日数和强度的高值区都集中在华中、东南沿海及新疆地区,且随中国雨带的移动而发生位置变化.在东部型El Ni?o年,中国东北地区以及长江中下游地区高温热浪事件的频次偏低,而华南地区则偏高.在中部型El Ni?o年,东北以及长江中下游地区高温热浪事件频次偏高,华南、新疆南部地区偏低.两类El Ni?o现象通过影响阻塞高压、西太平洋副热带高压和大陆暖高压等大尺度系统以及水汽的辐合、辐散来影响高温热浪事件.在东部型El Ni?o年,中高纬度乌拉尔山、鄂霍次克海阻塞高压活动频繁,使得东北冷涡增强并持续控制东北地区,导致东北地区高温热浪频次偏少;低纬度地区受到西太平洋副热带高压的影响,在其控制下,华南地区高温热浪事件频次偏高.在中部型El Ni?o年,环流形势则基本相反,使得中国东北、长江中下游地区高温热浪事件频次偏高,华南地区偏低.     

中国不同月份和持续时间降雨的变化趋势与波动特征的空间格局对比研究(1961—2015)

采用1961—2015年中国535个站点日值降水数据,利用线性变化趋势和变异系数的方法,分析了中国不同月份和不同持续时间降水的空间变化格局.结果表明:(1)在变化趋势上,1961—2015年中国年际雨量变化趋势从东南沿海到西北内陆依次呈"增—减—增"的空间分异格局,而年际雨日变化趋势则呈"北部增加—南部减少"的空间分异格局.冬半年雨日呈增加趋势的地区明显多于夏半年,且增加幅度也较大,夏半年东部地区降水格局随月份变化明显,且增减趋势变化幅度相差较大.(2)在波动特征上,1961—2015年中国年际雨量和雨日的波动特征呈"北方高—南方低"的空间分异格局,且西北波动整体高于东北地区.(3)在不同持续时间上,持续2、3和4天以上的雨量和雨日变化趋势从东南沿海到西北内陆依次呈现出"增—减—增"的空间分异格局,而持续5、6和7天以上的雨量和雨日变化趋势以黑龙江黑河至云南腾冲一线为界呈现为"东南减少—西北增加"趋势.降雨持续天数越长,波动越大,且北方波动整体大于南方地区.研究发现中国降水随时间表现出的空间差异性在加剧.     

200701号孟湾风暴路径偏北的原因及对云南的影响

本文应用常规气象探测资料,结合风云卫星、新一代多普勒雷达等非常规探测资料,综合分析了2007年1号孟湾风暴的移动路径和对云南5月中旬降水的重要影响。研究发现,西太平洋副热带高压（以下简称副高）西移到中南半岛,位置偏西,势力强大,并伴随一支深厚的偏南风急流,是孟湾风暴路径偏北、位置偏西的主要原因;通过诊断分析,发现孟湾风暴带来充沛的水汽和有利的辐合条件,加之冷空气的共同影响,造成云南持续大雨暴雨天气。     

台风季中国热带气旋降水的典型模态及显著影响因子

本文利用客观分离的热带气旋降水的台站资料,运用经验正交分解法分析了台风季中国热带气旋降水的前两个主要典型模态及其与同期西北太平洋热带气旋源地路径的关系,以及与海表面温度和500 hPa环流场的关系.结果表明:热带气旋降水第1模态表现为以华南西南为正中心而华东为负中心的偶极子振荡型,此模态出现于赤道中东太平洋海表面温度一次冷异常过程的鼎盛时期,对应的西北太平洋500 hPa环流异常主要表现为低纬中西太平洋海域的东风异常以及中国区域北高南低的环流异常,在这样的环流异常配置下,热带气旋源地显著偏西,西行路径显著偏多,而北折路径较为偏少.热带气旋降水第2模态表现为以华东及海南南端区域为正中心的中国大部地区的一致同步型,此模态出现于赤道中东太平洋海表面温度一次冷异常逐渐减弱并向暖异常过渡的相位变化时期,对应的西北太平洋500 hPa环流异常各月差异较大,7、9月份的环流异常配置使热带气旋路径偏南更易侵袭我国海南等南端区域,而8月的环流异常配置导致热带气旋源地偏北,中国东南近海热带气旋生成频数显著偏多,且其路径更易北折影响华东地区.     

典型极端低温事件中高空急流和阻塞高压的特征及其协同作用

利用NCEP/NCAR再分析资料、三维急流指数和二维阻塞高压指数,研究了高空急流和阻塞高压在典型极端低温事件:2008年初低温雨雪冰冻灾害和2016年"霸王级"寒潮事件中的协同作用,揭示了两次极端低温事件不同天气表征的环流成因.结果表明,与气候平均值相比,两次事件中东亚急流的配置均为增强的副热带急流和偏弱的温带急流,阻塞高压发生频率偏多(33%),强度异常偏强(3.5以上).2008年初高空急流强度较2016年更强,乌拉尔山阻塞高压持续稳定且强大,源源不断的向中国输送冷空气,中纬度低槽活跃,西太平洋副热带高压偏北,加强了向中国南方地区的水汽输送,造成该地区持续性低温和降水;2016年东亚温带急流较常年以及2008年都偏弱,使得阻塞高压异常偏强,横跨约40个经度,乌拉尔山地区500 hPa高度场正距平中心达300 gpm,阻塞高压脊前冷平流加强了近地面西伯利亚高压强度,在南移延伸至华北地区的东亚横槽转竖后西北气流的引导下,冷空气迅速入侵中国,造成短时间剧烈降温.     

中国居民住房建筑固定碳排放的区域分析

在综合分析中国主要结构类型的居民住房建材使用量、各种类型建材碳排放因子的基础上,对中国各类居民住房单位面积碳排放因子进行了科学评估.同时,综合运用中国1982-2011年相关统计数据,对中国居民住房建筑的固定碳排放进行了分析.分析发现:1981-2010年中国居民住房建筑固定碳排放总量呈现明显的上升趋势,且城市地区的居民住房碳排放总量逐步追赶并超越农村地区的.此外,对2010年中国31个省区居民住房建筑固定碳排放量进行的区域分析发现:中国居民住房建筑物固定碳排放总量存在明显的东西差异,总体表现为东南发达省份排放总量高,西北欠发达省份排放总量低;人均排放量以中东部尤其是东南沿海省、市较高,西北、东北地区较低,大致可以沿东北--西南走向划界,界线以上区域居民住房建筑固定碳排放总量以及人均排放量较低,界线以下区域排放总量及人均排放量都较高.对区域差异的原因进行分析发现,中国居民住房建筑固定碳排放的区域特征与经济发展水平密切相关.     

云南2009—2012年4年连旱的气候成因研究

利用云南124个气象站逐月降水资料、NCEP/NCAR大气环流再分析资料、全球海表面温度(SST)资料以及向外长波辐射(OLR)资料,分析了云南2009—2012年连续4年干旱的气候特征,并从异常大气环流、海温、局地对流等方面分析了4年连续夏季干旱发生的成因.结果表明:①云南2009—2012年干旱是一次持续时间长,跨越春、夏、秋、冬四季、影响范围广的全省性严重干旱,最严重的区域主要是滇中及滇东南.并且是发生在云南降水减少的气候背景下.②2009—2012年夏季500 hPa欧亚地区高、中、低纬度的高度场分布不是很相似,但4年的环流配置形势表明东亚冷空气路径偏东,影响中国西南地区的冷空气偏弱,不利于冷空气南下影响云南.另外2009年和2010年副高位置偏西偏强,云南在其控制之下,不利于降水;而2011年和2012年副高位置偏北偏东,其外围的水汽不易输送到云南.③2009—2012年云南大部地区及其南侧的孟加拉湾地区高度场持续偏高,孟加拉湾附近的印缅槽不活跃或偏弱,也不利于南方水汽向云南界内输送.④El Nino事件发展期、La Nina事件衰弱期以及印度洋海温偏暖时都有利于云南干旱的发生和发展.⑤2009—2012年夏季云南局地及其以南大部地区基本维持低层辐散、高层辐合的垂直散度场配置,不利于上升运动的生成和发展.孟加拉湾及南海一带基本为西北或偏东气流控制,向北输送的水汽较常年偏弱,是造成云南连续4年夏季干旱少雨异常气候的直接原因之一.⑥2009—2012年连续4年夏季云南局地对流相对常年偏弱,这也是云南降水偏少的重要因素之一.     

850 hPa夏季西太平洋副高的年际变化及其与赤道东太平洋海温异常的关系

首先对850 hPa夏季西太平洋副高位置和面积指数进行了定义,分析了副高位置和面积的年际变化规律以及与赤道东太平洋海温异常的关系.研究表明,近代西太平洋副高面积和位置指数的年际变化周期为3-5年,冬、春两季海温与夏季副高的脊线位置、西脊点位置关系密切,赤道东太平洋海温持续偏高有利于夏季副高偏西、偏南,反之偏东、偏北.冬、春季赤道东太平洋海温异常对西太平洋副高季节变化有明显影响,冬、春两季海温偏暖年副高偏南、偏西,偏冷年副高则偏北、偏东,五月和九月除外.冷年7月副高北跳较暖年显著,进入秋季后南撤较缓慢.     

The East Asian winter monsoon: re-amplification in the mid-2000s

Based on several reanalysis and observational datasets,this study demonstrates that the East Asian winter monsoon(EAWM)recovered from its weak epoch and reamplified in the mid-2000s.Accordingly,East Asia has experienced more cold winters and significant negative surface air temperature anomalies during the recent strong EAWM epoch spanning the period 2004–2012.The associated cooling was mainly located over inland northern East Asia with a west–east orientation.The cooling generally coincided with negative winter temperature trends in eastern Eurasia in the last two decades,possibly contributing to the observed regional cooling trend when the global mean temperature is still trending up.Enhanced wintertime blocking activity around the Ural mountain region and diminished Arctic sea ice concentration in the previous September are suggested to be the responsible internal atmospheric process and external driver for the recent re-amplification of the EAWM,respectively.     

“Climate effect” of the northeast cold vortex and its influences on Meiyu

The Northeast Cold Vortex (NECV) is an important weather system in the middle and high latitudes in East Asia. Its time scale is synoptic, yet the frequent activities of NECV have significant "climate effect" which influences not only the monthly temperature in the lower troposphere in Northeast China but also the Meiyu rainfall in East Asia. On the basis of ERA-40 reanalysis data provided by ECMWF, the "climate effect" of NECV and its relationship with Meiyu in East Asia are studied. It is shown that there is significant correlation between NECV during the Meiyu period and rainfall amount: strong NECV corresponds to more Meiyu rainfall and weak NECV corresponds to less rainfall. In strong NECV years, the dry and cold air from the north is led to the south by NECV, converges with the lower-level warm and wet southwesterly on the north verge of Meiyu region, thus forms an unstable stratification of "upper dryness and lower wetness" . Triggered by ascending motion, the Meiyu rainfall amount is more than usual. It is on the contrary in weak NECV years. The anomalous SST in north Pacific in the previ-ous year may be a factor that results in the anomalous NECV at Meiyu period. The land-sea thermal contrast in summer facilitates NECV, while that in winter inhibits NECV. All of the above provide a meaningful result for the short-term climate prediction of NECV and Meiyu.     

The increase of snowfall in Northeast China after the mid-1980s

We studied long-term variation of winter snowfall in Northeast China (NEC) for 1951-2010. Results show that NEC snowfall increased about 20% during 1986-2010 relative to 1951-1985. Further investigation suggests that the snowfall increase is closely associated with weakening of the East Asian winter monsoon (EAWM). The physical processes were portrayed by this research. Weakening of EAWM led to weakened cold air flow from the north, thus resulted in the warming of the surface ocean along the Northeast Asia coast and more water vapor evaporated from the ocean surface to the atmosphere and further transported to NEC. Also, because of EAWM weakening, more water vapor from south, east and west of NEC was transported to NEC, increasing water vapor content and hence snowfall there. From an atmospheric circulation viewpoint, EAWM weakening strengthened convergence at low levels and divergence at high levels, thereby favoring increased vertical convection and snowfall.     

Response of the East Asian climate system to water and heat changes of global frozen soil using NCAR CAM model

Under the condition of land-atmosphere heat and water conservation, a set of sensitive numerical experiments are set up to investigate the response of the East Asian climate system to global frozen soil change. This is done by introducing the supercooled soil water process into the Community Land Model (CLM3.0), which has been coupled to the National Center of Atmospheric Research Community Atmosphere Model (CAM3.1). Results show that:(1) The ratio between soil ice and soil water in CLM3.0 is clearly changed by the supercooled soil water process. Ground surface temperature and soil temperature are also affected. (2) The Eurasian (including East Asian) climate system is sensitive to changes of heat and water in frozen soil regions. In January, the Aleutian low sea level pressure circulation is strengthened, Ural blocking high at 500 hPa weakened, and East Asian trough weakened. In July, sea level pressure over the Aleutian Islands region is significantly reduced; there are negative anomalies of 500 hPa geopotential height over the East Asian mainland, and positive anomalies over the East Asian ocean. (3) In January, the southerly component of the 850 hPa wind field over East Asia increases, indicating a weakened winter monsoon. In July, cyclonic anomalies appear on the East Asian mainland while there are anticyclonic anomalies over the ocean, reflective of a strengthened east coast summer monsoon. (4) Summer rainfall in East Asia changed significantly, including substantial precipitation increase on the southern Qinghai-Tibet Plateau, central Yangtze River Basin, and northeast China. Summer rainfall significantly decreased in south China and Hainan Island, but slightly decreased in central and north China. Further analysis showed considerable upper air motion along ~30°N latitude, with substantial descent of air at its north and south sides. Warm and humid air from the Northeast Pacific converged with cold air from northern land areas, representing the main cause of the precipitation anomalies.     

南亚高压与我国盛夏气候异常

利用多年逐候平均资料，分析得到盛夏南亚高压的两类平衡态－青藏高压和伊朗高压，它们又可各分为东西部型。讨论了两类平衡态及其东西部型时的温度和降水分布差异。发现：青藏高压时，高压中心及其东南地区地面气温偏高，高压西北及北面的气温明显偏低，高压东侧的东亚地区多雨.伊朗高压时，高压中心及其西北区气温偏高，高压东南区的气温偏低，在高原南侧的印度北部地区降水偏强。青藏高压东部型使长江下游及西北地区多雨，华北和华南等大片地区干旱少雨；西部型使中国西南至华北大片东北－西南走向的地区为多雨，西北地区则高温干旱。伊朗高压东部型使中国东部沿海地区多雨；西部型使中国江淮流域有 明显的多雨带。     

华北夏季降水年代际变化与东亚夏季风、大气环流异常

利用华北夏季降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,对华北夏季降水、东亚夏季风年代际变化特征及大气环流异常进行研究,发现一些有意义的结果:华北夏季降水变化存在明显的8a、18a周期,东亚夏季风变化18a、28a周期性比较明显,二者年代际变化特征明显,但华北夏季降水变化和东亚夏季风变化的周期不完全一致.华北夏季降水量变化在60年代中期发生了突变,东亚夏季风变化在70年代中期发生了突变.华北夏季降水与东亚夏季风变化存在很好的相关关系,强夏季风年,华北夏季降水一般偏多,弱夏季风年,华北夏季降水一般偏少,但又不完全一致.东亚夏季风减弱是造成华北夏季降水减少的一个重要因素,但不是唯一因素,华北夏季降水减少还与环流异常密切相关.在地面上,青臧高原地区、华北地区气温下降造成华北低压系统活动减少,不利于降水.在850 hPa层上,东亚中纬度的西南季风和副热带高压南部的偏东风、西北部的西南风异常减弱,使得西南气流输送水汽很多难以到达30°N以北的地区,而副热带高压西部外围偏东南、偏南气流输送到华北地区的水汽也大量减少,水汽不足造成华北夏季降水偏少.在500 hPa高度场上,80年代欧亚遥相关型表现与50年代相反,变为欧洲( )、乌拉尔山(-)、中亚( )形势,这种环流使得乌拉尔山高压脊减弱,贝加尔湖至青藏高原高空槽变浅,纬向环流表现突出,不利于冷暖空气南北交换.同时在500 hPa气温场上,80年代,西伯利亚至青藏高原西北部的冷槽明显东移南压到蒙古至华北地区,锋区位于华北以东以南位置,使得华北地区冷暖空气交汇减少,降水也因此减少.华北夏季降水减少是由于东亚夏季风减弱和大气环流异常造成的.     

我国极端温度事件的定义和趋势分析

 利用1961-2005年45 a中国日平均温度的站点资料和累积频率的统计方法,确定了以90%（10%）累积频率为标准的日、旬、月和季四种不同时间尺度的极端高（低）温事件的阈值。分析表明,日尺度阈值（简称“日阈值”）用于检测极端高（低）温事件最为合理。但在日阈值的季节变化中包含系统性的天气扰动,因此需对其进行低通滤波,滤去8日以下的波动,最终可得到较为合理的检测极端温度事件的日阈值。对用日阈值检测出的全国极端温度事件,定义频数（日平均温度等于或超过高阈值的次数）和平均强度（极端温度事件的日平均温度总和与频数的比值）两个参数进行分析,发现频数的线性趋势表现为：高温事件（大于等于高阈值）中,内蒙古和新疆北部均为大趋势区,而西南地区为小趋势区,低温事件（小于等于低阈值）则相反,趋势显著的地区为高温事件中的东北、华北和青藏高原一带。平均强度的线性趋势表现为：高温事件中,我国东北地区为负趋势的大值区,云南西北部和海南省大部分地区为正趋势的大值区。低温事件则相反,趋势显著区则为高、低温事件中25°N的以南地区。     

1961-2013年东北区域极端气温的变化特征

为研究东北地区极端气温变化规律,利用1961-2013年最高、最低气温资料,采用线性趋势分析方法,从时间变化、空间分布、发展趋势、指数强度方面对极端气温指数绝对及相对变化的影响等角度分析了我国东北区域极端气温事件的变化规律。结果表明：东北区域冷指数减小,暖指数增大,指数强度越大,其绝对变化越小而相对变化越大;高强度极端气温对温度变化的贡献大于低强度极端气温;高强度极端气温指数变化率增加幅度大于低强度指数,冬季各指数变化率最大;结冰日数、冷昼日数和暖昼日数变化率在东北区域的南北两侧较大;研究时段内,夏季日数、炎热夜数、暖昼日数和暖夜日数增加的幅度不断增大;霜冻日数、结冰日数、冷昼日数和冷夜日数减少的变化率先增大后减小。     

Extraseasonal ensemble numerical predictions of winter climate over China

Using the nine-level Atmospheric General Circulation Model developed at the Institute of Atmospheric Physics (IAP9L-AGCM) under the Chinese Academy of Sciences, 30-year extraseasonal short-term ensemble hincast of winter climate is performed, with integrations starting from annual autumn during 1969—1998. Winter climate predictability over China is then evaluated for the first time. It follows that the predictability is higher in tropics than in extratropics. Also, it is higher over ocean compared with land, especially for surface air temperature. With height increasing in troposphere, the predictability of geopotential height slightly changes zonally, but for weakening of band-ship distribution and dropping near the date line. Of all analyzed variables, the prediction skill of air temperature and geopotential height (precipitation) is the highest (smallest). In addition, the predictability of winter climate over China and even East Asia enhances obviously during ENSO cycle, especially during La Nia phase. Simulation comparison against verifying analysis for surface temperature anomaly exhibits the model抯 skill in predicting surface temperature抯 interannual variation trend in winter.     

Regional differences in the timing of recent air warming during the past four decades in China

Global surface temperature has dramatically increased in the past decades. It is critical to evaluate such a change using appropriate approaches. The previous studies for assessment of the change usually used overall trends of temperature series (i.e. slopes of simple linear regression of temperature versus year based on a least-square analysis) for entire study period. Temperature trends, however, differ among different periods, i.e. there are often breakpoints in the temperature series. Therefore, the overall linear trend of a temperature series may conceal some of the temporal characteristics of the temperature change. To precisely characterize the temporal and spatial patterns of air temperature change in China, we analyze the annual mean temperature series between the year of 1961–2004 for 536 meteorological stations across China, using piecewise linear regression approach. We found remarkable breakpoints in the annual mean temperature during the study period across the country. The annual mean temperature started to increase in 1984 at a rate of 0.058°C/a at the country level. The year when warming started appeared to be gradually later from the north to the south: temperature increased since the 1970s in the north (north of 40°N), and did not rise until the 1980s in most areas of the south (south of 40°N), with warming starting in 1983 in the Tibetan Plateau. The trends in annual mean temperatures showed a large spatial heterogeneity across China: a relatively small rising with a rate of 0.025–0.05°C/a in the Sichuan Basin, Central China and South China; the greatest increase in some parts of northwest China (i.e. Xinjiang) with up to a rate of 0.1°C/a; and rising at a rate of >0.05°C/a for most regions of the country. The feedbacks of cold waves and snow may be responsible for such regional differences in the timing and rates of warming in China.