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.     

ENSO和北极涛动对东亚冬季气候异常的综合影响

利用NCEP/DOE再分析资料以及我国温度和降水台站资料, 以厄尔尼诺和南方涛动(El Niño and Southern Oscillation, ENSO)冷、暖位相的冬季作为背景, 结合北极涛动(Arctic Oscillation, AO)的月际异常, 对两者影响东亚冬季气候异常的综合作用进行了研究. 结果表明, 当El Niño和AO负异常或者La Niña和AO正异常相互配置时, 我国北方气候异常主要受AO影响, 南方气候异常主要受ENSO影响, 并且该气候异常与已经认识到的AO和ENSO影响东亚气候异常的机理相一致. 然而, 当El Niño和AO正异常或者La Niña和AO负异常相互配置时, 尽管我国北方气温仍主要受AO影响, 但我国大部分地区, 特别是南方的气候异常呈现出与已有认识很不一样的变化模态. 进一步的分析认为出现这种差异的原因可能在于平流层和对流层相互作用以及东亚地区中低纬相互作用的不同, 这会导致在前者的冬季, 大气环流主要表现为纬向对称性, 中低纬相互作用偏弱, ENSO和AO对东亚的影响表现出线性的作用; 而在后者的冬季, 则不利于大气环形模态的维持, 导致东亚地区中低纬相互作用偏强, ENSO和AO对东亚的影响呈现出非线性的相互叠加.     

为什么2014年没有发展成强El Nio

利用ICOADS重建的月平均海表温度(SST)、GODAS的月平均次表层海温(SOT)、向外长波辐射(OLR)以及NCEP/NCAR的再分析资料等数据,通过与1997/1998年El Nio的发展对比,分析了2013年下半年至2014年热带太平洋的海气演变特征,探讨了2014年未能发展出强El Nio的原因.主要结论如下:1)2013年9月~2014年2月,暖水在西太平洋暖池堆积,虽然满足了El Nio爆发的热力条件,但由于西风异常爆发较晚,且维持时间较短,并在2014年4月以后转为东风异常,抑制东传暖的Kelvin波,使得暖水缺少进一步东移的条件;2)从西风异常发生发展来看,2013年东亚冬季风较弱并且缺少赤道印度洋西风异常的支持,导致赤道西太平洋西风异常爆发较晚;3)2014年4月以后,缺少南北半球的经向风辐合和质量输送,导致赤道西风异常西退而后转为东风异常.此外,赤道印度洋也有着显著不同.在1997/1998强El Nio发展之前的1996年冬季,IOD位相和太平洋东风异常减弱消失,Walker环流上升支东移,暖水在西风异常的驱动下沿着温跃层向东移动,为El Nio的爆发提供条件.2013/2014年冬季缺乏这个条件.     

2021年7月河南极端暴雨过程概况及多尺度特征初探

2021年7月17～22日,河南省发生了致灾严重的极端暴雨过程,气象观测站最大6日累积降水量为1122.6 mm(鹤壁市),最大小时雨强高达201.9 mm(郑州市),突破了中国内陆小时雨强历史纪录.利用气象雨量站、探空和多普勒天气雷达等观测资料以及ERA5再分析资料对极端暴雨概况和多尺度特征进行了初探.结果表明,此次极端暴雨过程是在对流层高、中、低层以及中、低纬度多尺度大气系统共同作用,并叠加地形影响下产生的:(1)西南季风将南海的水汽向西北太平洋输送并经由热带气旋“烟花”向北抽吸,西北太平洋上的水汽经“烟花”北部的偏东低空急流和异常偏北偏强的副热带高压西南缘的东南气流向河南输送;这条异常的东进河南的热带气旋远距离接力水汽输送通道导致河南可降水量正异常.(2)对流层高层,河南位于短波槽前辐散区;对流层低层,河南及附近为低涡或倒槽影响,这些均有利于低层大气的辐合和上升.此外,伏牛和太行等山脉对水汽的汇聚和对低层偏东或东南气流的抬升有作用.(3)副热带高压和异常偏强的大陆高压连成“高压坝”,阻碍了中高纬度冷空气南下,郑州极端暴雨发生在暖湿层深厚的环境场中,降水系统呈现低质心热带型雷达回波...     

江淮梅雨期降水经向非均匀分布及异常年特征分析

尽管江淮梅雨期降水在多数年份具有一致的空间变率, 然而在有些年份却呈现出南北反相的变化特征, 而此时整个梅雨区的降水量往往接近正常, 这无疑增加了梅雨短期气候预测的难度. 鉴于上述考虑, 对1951~2004年江淮地区15站梅汛期(6~7月份)降水进行了EOF分析, 发现第二特征向量主要反映了梅雨期降水的经向非均匀分布特征, 据此将梅雨雨型分为南涝北旱和南旱北涝型, 并利用第一套NCEP再分析资料和第二套扩展重建海温资料(ERSST)对梅雨降水经向分布异常年的海气背景特征进行了研究, 结果发现: 南涝北旱年, 梅雨期低层锋区和水汽辐合中心偏南, 东亚副热带夏季风偏弱, 西太平洋副热带高压和200 hPa南亚高压位置偏南; 前期2月份北半球环状模(NAM)和南半球环状模(SAM)偏强, 北半球冬、春季中国近海海温偏高. 南旱北涝年, 情况基本相反. 此外, 前期北半球冬季ENSO对梅雨期降水经向非均匀分布也具有一定的影响作用.     

亚洲夏季风爆发早晚的新前兆信号:冬季南极涛动

亚洲夏季风最早于5月上旬和中旬分别在中南半岛和南海爆发.统计分析的结果显示,其爆发早晚的前兆信号最早可追溯至冬季南半球中、高纬度的大气环流的异常,即南极涛动.冬季南极涛动偏强会造成初春南半球中纬度地区副热带高压带偏强,低纬地区赤道辐合带加深,从而使南半球中纬度和热带地区的气压梯度力加大,促使3～4月份索马里越赤道气流较早建立并偏强.受科氏力作用,索马里急流增强并越过赤道后,赤道印度洋西风也偏强,有利于孟加拉湾和南海地区低层辐合的加强和对流的活跃,并使西太平洋副高偏弱且较早东撤出南海,造成亚洲夏季风爆发偏早.反之,当冬季南极涛动偏弱时,南半球副热带和热带之间的气压梯度力偏小,索马里越赤道气流偏弱,赤道印度洋西风也偏弱,孟加拉湾和南海对流偏弱,南海上空副高偏强且东撤时间偏晚,亚洲夏季风爆发偏晚.这一结果在过去研究成果基础上进一步拓延了基于南半球大气环流信号预测亚洲夏季风的时效,并可作为一个新的前兆信号在业务中应用.     

我国东北冬季降雪的年代际增多及其与冬季风减弱的关系

针对我国东北冬季降水(降雪)近几十年来的变化进行了研究, 结果显示: 20世纪80年代中期之后冬季降雪开始增多, 就区域平均而言1986～2010年期间比1951～1985年显著增多了20%以上. 进一步的研究揭示这种年代际降雪增多和20世纪80年代中期之后东亚冬季风的减弱有密切关系, 其基本物理图像是: 东亚冬季风年代际减弱导致冷空气减弱, 从而使得东北亚的太平洋沿岸区海温升高, 进而海面的蒸发加强使得其上空水汽含量增多, 由此导致向我国东北地区的水汽输送增多; 另外, 20世纪80年代中期之后由于冬季风减弱, 导致大气变暖, 来自冬季风上游的水汽输送也增多了. 这两个因素使得东北冬季上空水汽含量显著增多了, 从而导致冬季降雪增多.     

异常东亚冬季风对赤道西太平洋纬向风的动力作用

赤道西太平洋的纬向风异常对ENSO的发生起着重要的作用. 对赤道西太平洋纬向风异常的发生进行了研究, 资料分析结果清楚地表明它同东亚冬季风的异常有密切关系. 异常的强(弱)东亚冬季风不仅能激发产生赤道西太平洋的西(东)风异常, 而且还将在菲律宾以东的西太平洋上导致一个气旋性(反气旋性)环流的形成. 更主要的, 研究表明上述异常流型产生的物理过程是异常东亚冬季风所造成的气压形势的动力影响, 因为在强(弱)东亚冬季风影响下, 赤道西太平洋地区会形成向西(东)的气压梯度, 即(>0)的异常气压形势.     

三维副热带高压强度指数及对中国东部雨带异常表征的改进

西太平洋副热带高压(副高)是位于对流层中下层的深厚环流系统,其位置和强度的年际差异直接决定着东亚气候的异常.但现有副高参数定义均囿于500 hPa单层及5880 gpm这一特定阈值,造成副高强度指数不能很好表征我国东部雨型特征尤其是长江流域的旱涝.统计结果表明,东亚副热带夏季风强度与同期各层位势高度的显著负相关性随经度自西向东有明显的自高层向低层下传的特征.在西太平洋暖池区,最显著的负相关区位于对流层中低层,且500 hPa的相关系数明显弱于700和850 hPa,表明东亚副热带夏季风的强度更容易受到低层副高强度异常的影响.因此本文分析了不同季节西太平洋副热带地区该阈值在各格点的代表性,发现基于该阈值定义有很大的局限性和季节差异,由此从副高空间结构特征重新定义了一个新的三维副高强度指数,即(10°~30°N,110°~150°E)区域1000~500 hPa各层位势高度标准化值累积值,并和两种传统的副高强度指数对比,发现新的三维副高强度指数无论是对副热带夏季风还是对长江中下游降水异常的表征均有明显提高.虽然3种副高强度指数都能反映出和东部降水最强正相关位于长江中下游这一基本特征,但仅有本文定义的三维强度指数与之相关性可通过显著性检验,这主要是因为三维副高强度指数比其他两种指数能更好反映东亚热带和副热带地区经、纬向水汽输送的异常.     

同El Nino发生相联系的热带大气系统动能的变化

作者之一首先在1988年指出E1 Nino事件的前期征兆在赤道西太平洋,其后的进一步研究更明确指出,东亚冬季风异常与El Nino有相互作用.通过资料分析和GCM的数值模拟,我们最近又指出热带大气季节内振荡与El Nino也存在明显的相互作用.1 观测资料分析结果就时间尺度而论,我们可以将热带大气运动大致分为三类系统,即天气尺度(3～10d)系统,主要是大范围积云对流的活动;低频系统,主要是季节内(30～60d)振荡;准定常(>90d)系统,包括ENSO循环.1982～1983年及1986～1987年分别发生了El Nino事件,用ECMWF     

东亚副热带西风急流偏差与中国东部雨带季节变化的模拟

通过分析NCAR-CCM3气候模式的15年模拟结果, 从东亚副热带急流和中国东部雨带季节变化关系的角度, 了解该模式对东亚地区雨带位置、强度和季节变化模拟不合理的可能原因. 对比模拟得到的和观测的夏季降水分布发现, CCM3模拟的东亚地区降水分布除了降水中心位置和雨量数值明显不合理之外, 雨带位置的季节变化也与实际不一致. 分析雨带位置与200 hPa东亚副热带急流的关系发现, CCM3模拟的急流中心位于河套以北的40°N附近地区, 与NCEP再分析资料相比, CCM3模拟的东亚副热带急流中心位置偏东, 强度偏强. 相关分析表明, CCM3模拟的强降水中心地区的降水量与200 hPa纬向风在中国的河套及其附近地区具有显著的正相关关系, 因此, CCM3模拟得到的与实际不一致的偏西偏北的强降水中心与200 hPa上的东亚副热带急流位置和强度不合理可能具有密切关系, 而东亚副热带急流位置和强度与对流层低层南北向的温度梯度以及青藏高原东南部的较大的感热通量加热有关. 因此, 在东亚地区模式性能尤其是降水的模拟性能改进方面, 除了对模式物理过程做改进的同时, 对青藏高原附近地区的地面加热场和与此相联系的东亚副热带西风急流位置和强度模拟的合理性方面也需要引起足够的重视.     

冬季极赤温差年际变化及其与东亚气候异常的联系

利用美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料,定义了冬季极赤温差(temperature difference between polar and equatorial regions,TDPE)指数,分析了地面以上2 m处极赤温差指数(ITDPE-S)的年际变化及其与同期东亚冬季降水、气温的关系.结果表明:ITDPE-S可反映出全球变暖过程中北半球高纬地区冬季地面温度显著升高,且在年际时间尺度上存在4~8 a的周期变化.ITDPE-S与东亚冬季降水和气温存在很好的相关.当ITDPE-S偏高(偏低)时,中国东北、新疆、河西走廊、日本海以及南中国海到菲律宾岛地区冬季降水增加(减少),对应着中国华北到东北地区冬季平均气温降低(升高).进一步研究发现,ITDPE-S高值年,东亚中纬度地区异常水汽主要来自西北太平洋,低纬度地区降水异常时的水汽主要来自热带海洋上空.水平温度平流引起的异常降温可部分解释东亚中纬度地区冬季平均气温异常偏低.这些结果对深刻认识大气环流异常的形成机理及其影响具有重要意义.     

纬向海陆热力差异的季节转换与东亚副热带季风环流

通过分析气候平均场上对流层中层温度的纬向偏差, 其演变特征表明由春入夏高原东侧我国东部大陆的迅速增温及青藏高原的春季加热, 东亚大陆和西太平洋纬向海陆热力差异的季节转换最早发生在副热带, 且强度最强; 与其相伴随的对流层低层冬季盛行偏北风转变为夏季偏南风, 对流降水也同时出现. 这可能标志着东亚副热带夏季风的建立. 因此提出亚洲大陆(含青藏高原)与西太平洋之间的纬向热力差异在太阳辐射季节背景下所形成的季节循环可能是东亚副热带季风自身独立存在的推动力.     

2013年北大西洋破纪录高海温与我国江淮-江南地区极端高温的关系

2013年7月,我国江淮-江南地区持续高温,多个地区气温打破历史纪录,影响重大.本文从气候学的角度开展了其归因研究,结果发现在2013年7月,北大西洋中纬度地区海温持续偏高,打破160年的历史纪录,海温的异常通过遥相关波列与东亚上空纬向西风和西太平洋副热带高压产生联系,进而可能影响到我国江淮-江南地区夏季气温的变化,这可能是造成该地区2013年7月破纪录高温事件的重要原因.对于江淮-江南地区的极端高温,一般关注的是西太平洋副热带高压的影响.本研究指出,江淮-江南地区上空纬向西风的变化也是影响该地区夏季气温变化的重要气候因子,尤其是2013年7月,该地上空纬向西风破纪录的偏弱与夏季气温破纪录的偏高密切相关.这意味着,对于我国江淮-江南地区夏季气温和极端高温事件的研究,不但需要关注西太平洋副热带高压的作用,还需要关注高层纬向风的变化.     

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.     

大气季节内振荡在印度夏季风建立和年际变化中的作用

利用动力和统计方法诊断了大气季节内振荡(ISO)在印度夏季风建立和季节演变中的作用. 结果表明, ISO对印度夏季风的建立有着重要的激发作用, 同时在季风的季节变化中ISO也起到一定的促进作用. ISO扰动对季风变化的贡献主要体现在非线性动力作用上, 通过季节内时间尺度的低频西风扰动动量水平输送的辐合或辐散来影响季风的季节变化. 相关分析表明, 在印度夏季风区季节平均的ISO强度与季风强度之间的年际变化关系为显著的负相关. ISO强时, 印度次大陆上空的对流层低层为反气旋性环流异常, 季风偏弱; ISO弱时为气旋性异常环流控制, 季风偏强.     

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.     

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.     

索马里和澳大利亚越赤道气流的协同变化与我国夏季降水型

利用美国国家环境预报中心-国家大气研究中心(NCEP/NCAR)逐月再分析资料,结合我国国家气候中心提供的160站月平均降水资料(1970~2012年),在以前工作基础上,进一步讨论了索马里与澳大利亚北部低空越赤道气流的协同变化与我国夏季降水异常型的联系.结果表明:该二支越赤道气流的反相关协同变化(seesaw)与我国西南-东北走向的降水异常型密切相关.当索马里越赤道气流偏强(偏弱)而澳大利亚北部越赤道气流较弱(较强)时,我国夏季降水型呈西南-东北走向,即长江上游和中游、黄河流域以及华北大部分地区降水偏多(偏少).这种联系的产生同西太平洋副热带高压位置变化有关,在各月份的表现不尽相同.对应索马里越赤道气流增强和澳大利亚越赤道气流减弱,7月副高西伸,8月副高位置偏北.由于这种越赤道气流间的反相关关系从5月开始出现,在整个夏季有很好的持续性,所以它对我国夏季西南-东北走向的降水异常型具有预测意义.     

东亚季风区植被变化对局地气候的短期影响

利用CCSM(Community Climate System Model)模式3.5版本,研究了东亚季风区森林覆盖度增加对局地气候的短期影响.模拟结果显示森林覆盖度增加后,全年平均气温降低0.93℃,其中夏季降低1.46℃,冬季降低0.40℃,有利于缓解全球变暖在该地区的影响.森林覆盖度增加后,全年平均降水增加,其中4月份降水增加最显著,达到7%.森林覆盖度增加后植被的蒸散作用增加是导致该地区降温的主要原因.夏季比冬季降温明显主要是由于夏季蒸散比冬季大.蒸散增大的同时也导致了大气中水汽含量增加,再加上森林覆盖度增加引起地表粗糙度增加,从而形成气旋式辐合及异常的垂直上升运动,导致降水增加.此外,森林覆盖度增加也使地表反照率降低,造成地表反射短波辐射明显减少.