华北汛期降水量年代际和年际变化之间的线性关系

华北地区汛期(7月和8月)降水量的变化具有明显的年代际和年际两种时间尺度. 在年代际时间尺度上, 华北降水在20世纪70年代末发生突然减少. 研究了降水突然减少对应的大气环流变化以及对降水年际变化产生的影响, 发现年代际变化所提供的背景对华北降水年际变化的规律和物理机制没有影响, 华北汛期降水年代际和年际变化之间的关系是线性的.     

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.     

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.     

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.     

重建千年东亚夏季风干湿分布型指数

利用中国气象局整编的中国1951~2008 年160 站月平均降水量和美国NCEP 再分析月平均风和湿度资料, 建立了我国东部地区夏季干湿分布型与东亚夏季风向北推进的关系. 利用王绍武建立的公元950 年以来的我国东部历史时期6 种夏季干湿分布型, 重建了过去千年东亚夏季风干湿分布型指数序列. 高(低)指数指示东亚夏季风气流偏强(弱), 推进位置偏北(南), 对应北方(南方)降水偏多的分布型. 东亚季风干湿分布型指数具有60~70 年的周期性年代际变化. 过去千年中, 我国北方出现过连续10 年的区域湿润期和连续10 年以上的区域干旱期. 当前东亚夏季风干湿分布型指数正处于年代际的低谷时期, 对应着我国南方降水偏多,北方降水偏少的分布格局.     

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.     

20世纪后期东亚夏季风年代际减弱的自然属性

文中使用1948~2002年美国国家环境预测中心/大气研究中心的再分析资料, 通过计算呈现了始于20世纪60年代中期的东亚夏季风年代际尺度减弱事实、以及东亚夏季风系统在20世纪60年代中期和70年代中后期发生的两次年代际突变事件. 而后, 基于政府间气候变化专门委员会资料分发中心提供的SRES A2温室气体和气溶胶排放情景下六套全球海气耦合气候模式的数值模拟结果, 从定性的角度上揭示了此次东亚夏季风年代际衰减过程与20世纪后期人类活动引发的全球变暖之间没有明显的联系, 应该为一次自然的气候变化过程. 模式结果还显示, 如果21世纪温室效应在20世纪后期的基础上进一步加剧, 东亚夏季风系统可能会受此影响而趋于增强.     

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.     

长江流域汛期降水年代际和年际尺度变化影响因子的差异

长江流域汛期(6和7月)降水量的变化, 不仅具有年际变化特征, 而且具有明显的年代际变化特征. 自上世纪90年代以来, 中国长江流域汛期的降水明显增多, 表明在年代际尺度上, 长江流域汛期的降水进入了一个丰沛期. 研究表明, 近年来长江流域汛期降水具有高基本态和高变化率的特征, 它是由影响年代际变化的因子及年际变化的因子共同作用结果. 利用NCAR/NCEP资料分别对这两种时间长度的大气环流进行了分析和诊断, 发现影响年代际变化的因子和年际变化的因子是不同的. 因此要预测长江流域汛期的降水量变化, 必须将年代际变化和年际变化这两种时间尺度进行分离, 清楚地认识控制或影响各时间尺度的物理因素.     

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。     

华北汛期降水量年际变化与赤道东太平洋海温

华北地区汛期(7和8月)降水量具有明显的年际变化特征. 本文分析了华北汛期降水量的年际变化对应的环流和海温异常, 发现海温异常在赤道东太平洋有显著的信号, 而且华北汛期降水和赤道东太平洋海温对应的东亚高空急流变化具有明显的相似性, 进而给出了赤道东太平洋海温异常影响华北汛期降水年际变化的可能物理机制.     

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年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.     

全球平均温度在21世纪将怎样变化?

采用HadCRUT3全球平均温度距平序列和北太平洋海温年代际涛动(PDO)指数及赤道中东太平洋海温距平序列,探讨了全球温度变化中的长期趋势和多时间尺度周期性波动.研究发现,过去159年(1850～2008年)的增暖速率是每100年0.44℃,其间叠加了1910年前后和1950～1970年前后的两次冷期,以及19世纪70年代、20世纪40年代和1998年以来的3次10年际暖期.器测的全球温度变化中存在准21a和准65a的周期性波动并受百年尺度波动的影响.最近的10年际暖期是这3个周期性波动正位相叠加的结果,形成了器测温度以来的首次叠加现象.3个周期性波动叠加的最大增温是0.26℃,时间发生在2004年.准21a和准65a的周期性波动反映了太阳辐射和海洋变化的影响.根据这一长期趋势和3个周期性波动,能够预测21世纪30年代会出现一个冷期,而在21世纪60年代出现一个暖期.21世纪的最大增暖幅度在0.6℃附近,远小于IPCC报告的预估.     

中纬度亚洲降水年际变化的空间差异与环流异常

<正>依据Climatic Research Unit(CRU)1960~2009年0.5°×0.5°网格点的月均降水量序列及NCEP/NCAR 1948~2009年2.5°×2.5°网格点再分析逐月资料,分析了中纬度亚洲近50年来的降水变化的空间差异及其可能机制.结果发现,大致以100°E为界限,西风环流控制的亚洲中部干旱区与季风环流主导的中国西北东部-华北地区降水在年代际、特别是年际尺度上存在相反的变化,即中纬度亚洲在年际尺度上亦存在降水变化的"西风模态".针对不同区域的主要降水季节     

近50 a来中国北方沙区风沙气候演变与沙漠化响应

中国北方干旱、半干旱地区近50 a以来风沙活动有显著的变化. 20世纪60至70年代区域处于强烈的风沙活跃期, 而自80年代至今则持续减弱, 在绝大部分地区其输沙能力仅为60至70年代的20%~50%. 沙丘活动指数的分析结果也表明, 20世纪80年代以后, 处于强烈风沙活动控制下的区域在不断向北向西退缩; 在中东部部分地区, 60和70年代有较强流沙活动的区域已演变为固定、半固定沙丘或者沙地. 风沙活动的这一显著变化在沙漠化过程中有很好的响应: 20世纪60年代至70年代中国北方沙漠化强烈发展主要与这一时期正处于风沙活跃期有关; 而近20 a以来沙漠化逆过程的发生则与风沙活动的大幅度减弱和春季降水量增加有密切联系. 因此, 尽管现代沙漠化的正逆过程或多或少受到人类活动的影响, 其仍主要被气候变化所制约.     

内蒙古锡林浩特白音敖包1838年以来树轮降水记录

相关函数分析表明, 生长季当年4 ~ 7月上旬的降水总量对内蒙古锡林浩特白音敖包地区的红皮云杉(Picea Koraiensis)宽度的形成具有显著的制约作用, 在此基础上, 设计转换方程, 对这一地区过去160余年以来4 ~ 7月上旬的降水总量进行模拟重建, 重建序列的解释方差达到49.3%(调整自由度后为45.7%, N = 31, r = 0.702, F=13.608, p < 0.0001). 重建序列表现出3个降水较多时期: 1869~1875, 1886 ~ 1921和1943 ~ 1968年; 4个降水较少时期: 1851~1868, 1876~1885, 1922~1943和1969~1999年. 降水较多的1886~1921和1943~1968年以及降水较少的1922~1943年时期与祁连山地区的湿期和干期几乎同时出现, 而1922~1943年的干期和1943~1968年的湿期, 与我国西北、华北和长江流域20世纪20年代的升温少雨和40年代以后的降温多雨非常吻合. 计算表明, 重建序列与旱涝等级序列显著相关(r = -0.234, p < 0.007, N ₁ = 143). 子波分析表明, 1838 ~ 1920年期间, 白音敖包地区4 ~ 7月上旬的降水主要存在22年的周期, 1920 ~ 1952年主要表现为11年的周期. 1953年之后, 周期成分比较复杂, 未检测到信度达95%的周期成分. 1920年代该地区4~7月上旬降水由多向少出现快速转变, 1950年代以后降水持续减少. 20世纪90年代后期, 降水增加的趋势十分明显.     

基于CMIP5多模式结果评估人类活动对全球典型干旱半干旱区气候变化的影响

基于CMIP5多模式的历史试验(考虑所有驱动因子)以及单因子强迫气候归因试验结果,评估了温室气体、气溶胶、土地利用及所有人类活动对全球典型干旱半干旱区气候变化的影响.结果表明,所有人类活动和温室气体强迫会引起全球陆地显著增温,特别是由温室气体强迫引起的北半球中高纬地区近60年的增温幅度几乎是历史变化的2~3倍,气溶胶的降温效应则对近60年来的全球变暖具有明显的抑制作用,土地利用在大多数干旱半干旱区具有微弱的降温作用.所有人类活动和温室气体强迫会使大多数陆地及干旱半干旱区的降水增加,而气溶胶和土地利用的影响则存在明显的区域差异和不确定性.近60年,中国北方干旱半干旱区的气温和降水变化受人类活动的影响最为显著.基于集合经验模态分解(EEMD)的结果,大多数地区气温和降水的年代际和多年代际变化特征均是所有人类活动综合作用"同步叠加"在自然变化之上的一种结果;其中,气溶胶在大多数地区显著促进温度的多年代际变化,土地利用在澳大利亚地区则起到明显的抑制作用;对降水的多年代际变化而言,气溶胶的贡献相对比较突出,而温室气体和土地利用对全球降水的多年代尺度特征有明显的促进作用.     

最近530年冬季北大西洋涛动指数与中国东部夏季旱涝指数之联系

用Glueck 等人建立的1429~1983年冬季北大西洋涛动指数(简写为NAOI)序列, 分析了它与我国东部100个站1470~1999年共530年夏季旱涝等级序列(简称旱涝指数)的联系. 发现NAOI与我国东部几个区域平均旱涝指数(缩写为FDI)有很好的滞后相关. 北区及整个东部平均旱涝指数在滞后NAOI 2~3年时, 最大相关系数接近0.001的显著性水平. 中、南区负相关也达0.05~0.01的显著性水平. 最佳相关时段在1636~1742年(小冰期), 北区及整个东部地区两者相关系数显著性水平远超过0.001; 其次是1951~1999年, 北区、中区平均FDI与NAOI的相关系数显著性水平均在0.005~0.002之间. 功率谱分析和Morlet小波变换发现, 北区及东部的区域平均FDI与NAOI有几乎完全相同的年际、年代际乃至世纪尺度的振荡周期, 即4~5年、准10年、20~30年、50年左右、80~100年等. 用Mann-Kendall Rank Statistc方法检测发现, 在最近530年中, 北区及东部地区平均旱涝序列, 在不同时期存在非常显著的旱涝趋势变化及明显的年代际突变, 但NAOI在最近400余年中却没有达到显著性水平的上升和下降趋势变化, 其年际和年代际尺度的突变较我国FDI频繁得多. 这可能与NAOI重建序列极端值振幅较器测序列的振幅偏小有关.     

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．     

树轮所记录的公元1842年以来内蒙古东部浑善达克沙地PDSI的变化

利用浑善达克沙地东部新建立的4条油松和白扦年轮宽度序列, 重建了过去163 a来干旱变化的历史. 结果表明, 该区树轮序列具有明显的年际变化和较强的公共信号, 且树轮序列之间的变化比较一致, 是很好的区域气候代用资料. 通过对4个树轮宽度标准年表的平均而建立了一个区域年表 (RC), 并用其进行分析与气候重建. 树木的生长主要受2~3与6~7月份的低降雨量和5~7月份高温的限制. 由于PDSI考虑了前期干旱的积累效应, 因此RC与生长季及生长季之前的PDSI之间均存在显著的正相关关系; 响应函数的分析揭示, RC仅与6, 7月份(5月份也接近95%的置信水平)的PDSI之间存在显著的关系. 5~7月份是浑善达克沙地树木生长的关键时期, 因此我们采用RC重建了过去163 a来5~7月份平均PDSI的变化, 重建方程的方差解释量高达52%, 且方程稳定. 重建的5~7月份的平均PDSI序列与周边城市的平均旱涝指数的变化趋势比较一致, 并捕捉到了20世纪60年代中期以来东亚夏季风的明显减弱过程. 值得提出的是, 近40 a是过去163 a来浑善达克沙地比较干旱的时期. 与华北夏季降雨变化周期相同的是重建的5~7月份的平均PDSI序列也具有20 a的显著变化周期.