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.     

北极偶极子异常与中国东北夏季降水

揭示了夏季北极大气变率的偶极子结构异常, 70°N以北夏季月平均海平面气压经验正交分析的第二模态可以刻画该偶极子异常的时-空变化特征, 该模态解释了总方差的12.94%. 该偶极子异常显示出准正压结构, 两个相反的异常中心分别位于加拿大北极地区和波弗特海以及喀拉海与拉普捷夫海之间, 夏季北极大气偶极子异常不同于冬季, 反映了夏季极涡中心位置在北极东、西部之间的交替变化. 当北极大气偶极子异常处于正位相时, 对应北极极涡中心位于北极的西部, 导致中国东北夏季降水增多. 夏季北极大气偶极子异常有6 a优势变化周期, 并在近几十年来表现出年代际变化.     

长江流域夏季降水与前期北极涛动的显著相关

分析了春季北极涛动的变化对随后夏季长江中、下游地区降水的影响。利用观测的降水长序列资料，进行带通滤波处理去掉10掉以上时间尺度的变化，结果表明在年际尺度上，近百年的5月北极涛动指数与夏季降水相关最高达－0．39，超过99％信度水平。当北极涛动偏强一个标准差时， 整个中国长江中、下游地区到日本南部一带，降水减少3％－9％左右，而中国华北到俄罗斯远东地区则偏多3％－6％左右。降水的这种变化与对流层东亚急流的变化密切相关，如果春季北极涛动强，随后夏季急流位置偏北，雨带位置也北移，从而造成长江中、下游地区降水的减少和北方降水的增加，反之亦然，这为汛期降水的预测提供了有用的信号。     

中国及周边地区夏季中尺度对流系统分布及其日变化特征

利用1996~2006年(无2004年)10年6~8月地球静止卫星高分辨率逐时红外亮温(简称TBB)资料对夏季中国及周边地区的中尺度对流系统(简称MCS)活动情况进行了统计分析, 并同已有文献中使用常规地面观测资料统计的雷暴日数分布以及低轨卫星观测的闪电资料分析结果进行了对比, 结果表明低于-52℃红外亮温的统计特征可以较好地展现该地区夏季MCS时空分布的基本气候特征. 该地区夏季MCS的总体分布特点是具有3条东西分布的带状MCS活跃区; 30°N附近的活跃中心表现为明显的东西波动状; 从大气环流来看东亚夏季风把3条MCS活跃带联系在一起. 重点对不同下垫面区域的MCS日变化特征进行分析表明中国及其周边地区具有单峰与多峰型两种MCS日变化特点, 单峰型MCS多发生在高原与山区, 多峰型MCS多发生于平原与盆地. 由于不同地区单峰型MCS持续时间与活跃时段的并不相同, 因此又可以区分为青藏高原MCS、一般山地热对流、琉球附近海域MCS等. 多峰型MCS具有类似于MCC (中尺度对流复合体)日变化的特点, 反映此类MCS生命史较长、水平尺度较大、日落后一度减弱、午夜后又再度发展. 青藏高原MCS与一般山地热对流一般都在午后发展, 但青藏高原MCS持续时间长, MaCS(a中尺度对流系统)活跃. 琉球附近海域MCS具有午夜后发展、持续时间长的特点, MaCS也较活跃. 印度季风涌地区由于充沛的水汽与有利的大尺度环境使得全天几乎任一时次MCS都很活跃, 而且MaCS非常活跃. 四川盆地地区由于山谷风环流的影响MCS夜发性特征特别显著, 该区域也是MaCS的活跃区之一. 两广地区海陆交界处是海陆风环流显著的区域, 因此MCS具有午后向陆地传播、午夜后向海洋传播的特征. 低于-52℃红外亮温的气候统计特征清楚地展现了海、陆、山地的热力性质差异所导致的MCS不同气候分布特点. 不仅大尺度大气环流而且海、陆、山地热力差异引起的局地环流在很大程度上决定了中国及周边地区夏季中尺度对流系统活动的气候特征.     

东亚夏季降水和高空急流关系的未来变化预估

利用CMIP5(Coupled Model Intercomparison Projectphase5)中的17个模式,基于历史试验、RCP4.5以及RCP8.5排放情景下的模拟结果,分析了东亚夏季降水及东亚高空急流的时空分布特征.分析结果发现:模式结果能较好模拟出东亚和西北太平洋地区降水和高空纬向风较强的年际变率,以及东亚雨带降水异常和东亚高空急流南北偏移之间的相关关系.此外,预估结果表明在RCP4.5和RCP8.5两种排放情景下,21世纪东亚雨带降水以及高空急流的年际变率增强,这与以往的研究结果吻合.同时也发现,虽然模式之间尚存在较明显的差异,但是总体来说,在全球变暖背景下,东亚夏季雨带降水异常和东亚高空急流南北偏移之间的关系将变得更加密切.     

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.     

用前期大气环流预报中国夏季降水的EOF迭代方案

大量工作表明: 前期冬春季500hpa季平均高度距平场与中国夏季6—8月的降水距平有较好的统计关系,从而可以利用前期大气环流场预报中国夏季降水分布,但是所用方法主要是相关和回归分析等。本文则提出了一种新的统计预报方法——EOF迭代方案,并利用     

夏季北半球平流层环流的模态特征及变化

通过资料分析研究了夏季平流层大气环流的基本时空特征, 并探讨了不同时间尺度变化的主要影响因素. 发现夏季北半球平流层位势高度场主要存在着半球一致型模(EOF1)和环状模(EOF2)两个典型模态. 而第一主模态(半球一致模)在近半个世纪里存在减弱趋势; 全球增暖可能对这种演变趋势有重要的作用. 进一步分析表明, 北半球平流层夏季的第一模态还主要存在年代际准周期变化特征, 其周期分别约为11和22 a, 而第二模态(EOF2)主要存在3和40 a左右的准周期变化特征. 50 hPa第一模态时间系数与太阳活动指数的相关系数达到0.425(通过99%信度检验), 可以认为北半球平流层夏季50 hPa半球一致模(EOF1)的年代际变化主要是由太阳活动所引起的. 关于50 hPa第二模态年际(准3 a)变化的分析表明其与ENSO事件没有直接关系; 但是夏季50 hPa第二模态时间系数与欧亚大陆10月雪盖面积指数间的相关系数达到0.633(通过99%信度检验), 说明北半球平流层夏季50 hPa环状模(EOF2)的年际变化主要可能是由于欧亚大陆前一年10月份的雪盖变化所引起的大气环流异常的持续影响造成的.     

一个长江中下游夏季降水的物理统计预测模型

提出了一个长江中下游夏季(6~8 月)降水的短期气候预测方法, 通过预测夏季降水的年际增幅, 进而再预测降水. 年际增幅(DY)定义为当年的变量值减去前一年的变量值. YR定义为长江中下游夏季平均季降水率. 通过分析与YR年际增幅有关的冬、春季节大气环流, 确定6个关键的预测因子, 建立物理统计的预测模型, 预测因子是南极涛动, 印尼-澳洲附近的850和200 hPa经向风垂直切变等. 这个预测模型对YR在1997~2006年后报中显示了很高的预测技巧, 预测的平均均方根误差是18%. 预测模型能够再现YR在1984~1998年的上升趋势和1998~2006年的下降趋势. 考虑到目前中国夏季降水的平均预测水平是60%~70%, 而长江中下游地区夏季降水的预测水平不高, 因此, 通过预测长江中下游夏季降水的年际增幅(然后再预测夏季降水)的方法, 能够显著地提高长江中下游夏季降水的业务预测技巧, 并具有潜在的应用意义.     

全球陆地年降水场的长期变化(1948 ~ 2000年)

研究了1948-2000年全球陆地年降水场的长期变化,结果表明在1978年前后全球年降水量突变减少,平均每年减少0.54 mm.模糊聚类方法将36个纬圈的年平均降水量划分为6个纬带,研究了6个纬带的年降水量的长期变化.指出,除了北半球高纬度(60°-90°N)降水略微增加以外,各纬带的平均降水量都表现为减少,35°S-35°N的降水量减少最为显著.降水量减少最多的地区是热带,平均降水减少为0.98mm/a.划分了1948-2000年的全球旱涝年,指出旱涝年有明显的年代际变化.研究指出,在暖事件全球陆地平均降水量每年减少15.4 mm,而在冷事件年则增加14.4 mm.20世纪70年代末开始频繁发生的ENSO事件可能是全球年降水量减少的一个重要的原因.     

冬季澳大利亚东侧海温与长江流域夏季降水的联系及可能物理机制

通过对观测资料的分析, 初步探讨了冬季澳大利亚东侧海温和夏季长江流域降水的关系及可能物理机制. 研究表明, 澳大利亚东侧冬季海温与我国长江流域夏季降水之间具有同位相变化关系. 当冬季澳大利亚东侧海温变暖时, 随后夏季西太平洋副热带高压和东亚西风急流位置往往偏南, 我国大陆沿岸低层盛行异常的西南风, 有利于长江流域降水增多, 反之亦然. 冬季澳大利亚东侧海温对后期夏季东亚大气环流的影响通过两种途径来实现: (ⅰ) 冬季澳大利亚东侧海温异常信号由于自身的持续性可维持到夏季, 并通过南北半球遥相关影响东亚夏季大气环流的变化; (ⅱ) 冬季澳大利亚东侧海温偏高时,同期西南印度洋海温也易于偏高. 在海气相互作用下, 这种异常信号逐渐向东发展, 并造成夏季海洋大陆附近海温升高. 海洋大陆海温的升高反过来影响对流活动进而导致东亚夏季大气环流异常.     

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.     

青藏高原高寒灌丛CO2通量日和月变化特征

采用涡度相关法对青藏高原高寒灌丛CO₂通量进行连续观测的结果表明, 青藏高原高寒灌丛CO₂通量呈明显的日和月变化特征. 就日变化而言, 暖季(7月)CO₂通量峰值出现在12:00左右(−1.19 g CO₂/(m²·h) ^−1), 08:00~19:00时CO₂净吸收, 而20:00~07:00为CO2净排放; 冷季(1月)CO₂通量变化振幅极小, 除11:00~17:00时少量的CO₂净排放以外(0.11 g CO₂/(m²·h)^−1左右), 其余时段CO₂通量接近于零. 从月变化来看, 6~9月为CO₂净吸收阶段, 8月CO₂净吸收最大, 6~9月CO₂2净吸收的总量达673 g CO₂/m²; 1~5月及10~12月为CO₂净排放, 共排放446 g CO₂/m², 4月CO₂净排放最大. 全年CO₂通量核算表明, 无放牧条件下青藏高原高寒灌丛是显著的CO₂汇, 全年CO₂净吸收量达227 g CO₂/m².     

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.     

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.     

南海北部珊瑚灰度及其反映的华南降水年代际变化

利用1789～1992年南海北部逐年珊瑚灰度与1908～1992年广州逐年降水资料，采用Mann—Kendall法、奇异谱分析、相关分析、合成分析等方法对南海北部年珊瑚灰度的年代际变化进行了分析，并探讨了用珊瑚灰度重建的广州降水时间序列所反映的华南降水的年代际变化特征．结果表明：南海北部珊瑚灰度变化存在明显的趋势项、权重很大的年代际变化和较弱的年际变化．1880年代末存在显著的由正异常到负异常转变的世纪尺度突变，突变前后对应的全球海温差值场是：南海及其附近的北印度洋、中西太平洋大部、北大西洋沿岸为负异常，这种大范围的海温异常分布是与南海珊瑚灰度世纪尺度突变相伴随的．南海珊瑚灰度与广州降水在年代际尺度上存在显著的负相关，用年代际尺度南海珊瑚灰度资料反演的广州年代际降水表明了华南降水年代际变化具有明显的阶段性．对寻找研究华南年代际以上尺度气候变化的代用指标有一定的意义．     

北京大气CO2浓度日变化、季变化及长期趋势

1993～1995年北京大气CO_2浓度上升较快,年平均增长率为3.7％,1995年平均浓度达到最高,为（409.7±25.9）μmol·mol-1,随后缓慢下降.强度基本稳定的CO2源与迅速增大的CO_2汇的共同作用导致北京1995～2000年大气CO_2浓度逐渐降低.CO_2浓度季节变化明显,冬季出现峰值,平均浓度为（426.8±20.6）μmol·mol-1;夏季出现谷值,平均浓度为（369.1±6.9）μmol·mol-1.CO_2浓度季变化主要受物候季节变化控制.北京大气CO_2浓度日变化强烈,峰值一般出现在夜间,谷值出现在白天,平均日较差>34.7μmol·mol-1.年际季变化分析发现冬季和秋季大气CO2浓度变化基本控制着大气CO_2年际变化趋势,夏季浓度年际季变化对大气CO_2变化总趋势影响不大.     

20世纪80年代后期西北太平洋夏季海表温度异常的年代际变化

揭示了1968～2002年期间西北太平洋夏季平均海表温度在20世纪80年代后期经历了一次年代际变化, 该年代际变化表现为西北太平洋(100°~180°E, 0°~40°N)夏季海表温度经验正交分析的第一模态由频繁的负位相转变为强的正位相, 该模态解释了总方差的30.5%. 在1968~1987年期间, 海表温度第一模态的负位相盛行(平均偏差为-0.586), 相应地, 负的海表温度异常占据了日本以南的西北太平洋和中国边缘海区; 而1988~2002年期间, 海表温度第一模态显示出强的正极性(平均偏差为0.781), 因此正的海表温度异常出现在西北太平洋. 伴随着夏季海表温度的年代际变化, 中国南部和东南部夏季平均降水量的增加超过了40 mm, 达到了0.05统计显著性水平.     

武汉台重力长期变化特征研究

利用武汉台超导重力仪长期连续观测资料, 结合FG5和GPS同址观测结果, 研究了重力长期非潮汐变化特征及其与局部气压和水储量变化及地壳垂直运动之间的关系. 结果表明, 超导重力仪观测的重力长期变化存在非常显著的季节性变化, 其总能量的大约70%来自于局部大气和水储量变化, 其中周年变化超过95%的能量都来自于这两种环境因素的影响. 由于缺乏区域水储量(特别是地下水)变化的实际观测资料, 采用的全球陆地水同化模型LaD和GLDAS不能客观地描述台站局部水储量的实时变化, 由此得到的重力变化与实际观测之间存在大约55 d的时间延迟. 通过与FG5绝对重力仪的对比观测获得了超导重力仪的长期漂移率为17.13 nm·s^-2·a^-1, 同址GPS观测表明台站局部区域的地壳呈缓慢沉降态势, 其沉降速率为(3.71±0.16) mm·a^-1, 与之对应的局部重力场变化为(13.88±0.22) nm·s^-2·a^-1, 即伴随着局部地壳运动的重力变化与高程变化的比值大约为-37.41 nm·s^-2·cm^-1, 表明在地壳垂直运动过程中局部伴随着比较大的物质质量调整, 其力学机制有待进一步研究.     

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.