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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

黄土高原北部保德孢粉记录及早上新世夏季风强盛

黄土高原风尘红黏土序列是我国晚中新世-上新世重要的气候环境变化载体,对揭示该时期仍存在争论的季风演化及其驱动机制具有重要意义.通过对黄土高原北部保德上新世孢粉研究,发现其生态环境经历了5.6～4.4Ma温暖湿润的森林草原,4.4～3.5Ma温暖偏干的疏树草原,到3.5～3.05Ma干草原,3.05～2.8Ma森林草原的演变过程.与已发表的高原中南部记录进行时空对比,发现～3.5Ma之前乔木含量普遍较高且存在南北梯度变化,表明黄土高原早上新世处于强夏季风控制之下,对应全球冰量低值期,指示全球变化对东亚夏季风的驱动作用在那时已经存在.     

古东亚冬季风和夏季风反位相变化吗?

古东亚冬季风和夏季风之间的关系是当前科学界争论的一个焦点. 一些学者认为东亚冬季风与夏季风之间存在负位相变化关系, 而另外一些学者对此却持否定态度. 为此, 以CCSM3模式模拟的末次盛冰期(LGM)和全新世大暖期(MH)两个典型气候为例, 从古气候数值模拟角度对东亚冬、夏季风的关系进行了初步探讨. 结果表明, 与当今气候相比, LGM时期, 冬季阿留申低压加深, 东亚冬季风偏强; 夏季太平洋高压减弱, 东亚夏季风偏弱. MH时期, 冬季阿留申低压和亚洲大陆高压加强, 东亚冬季风偏强; 夏季亚洲大陆低压和太平洋高压加强, 东亚夏季风偏强. 因此, 东亚冬季风与夏季风的关系并非总是负相关对应, 不同特征时期, 东亚冬、夏季风之间的关系可能不同. 在全球偏冷时期二者具有反位相关系, 而在全球偏暖时期二者具有同位相关系, 至少从目前的数值模拟结果来看是这样的.     

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.     

亚洲古季风变率和机制的洞穴石笋档案

洞穴石笋气候档案具有深海沉积等长尺度记录和树轮日历年两种不同气候载体的特征,开启了研究轨道尺度、千年尺度和年际气候变化三者联系的新窗口.本文主要回顾了近20年来亚洲季风区石笋的高精度定年和气候代用指标等研究进展.精确定年的石笋气候序列为米兰科维奇"轨道假说"解释低纬气候变化奠定了基础,并有可能深入了解突变气候事件的驱动机制.在此基础上,讨论了目前学术界普遍关心的"中国石笋d~(18)O信号解释"问题,认为在千年尺度以上,石笋同位素序列反映了季风气候控制下的干/湿变化过程.跨越中布容事件的石笋记录有可能联系低纬岁差尺度水文循环与高纬冰盖过程,将冰盖、季风、温室气体和生物地球化学过程置于高精度年代框架下,研究其驱动与响应关系.最后指出,精确定年的石笋气候序列有可能成为大陆同位素气候层型,并在解决当代全球变暖机制问题上发挥重要作用.     

全球变暖背景下中国夏季表面气温与土壤湿度的年代际共变率

利用1961～2004年中国160站地面观测气温和降水月资料, 计算了自校正Palmer干旱指数 (PDSI)作为土壤湿度的代用资料. 首先使用中国40个站点的土壤湿度数据对PDSI进行可靠性验证, 结果表明自校正PDSI可以很好地表示土壤湿度的变化. 在此基础上, 分析了夏季土壤湿度和表面气温的变化趋势及两者的共变率. 分析结果显示, 在中国许多地区, 表面气温和土壤湿度之间存在着显著的年代际气候共变率和强的反馈作用, 这一年代际气候共变率与气候变暖紧密联系. 中国西北的东部, 华北和东北的夏季气候存在显著的由冷湿向暖干发展的年代际变化. 而在中国东南地区和西北西部, 气候发生了显著的由暖干向冷湿转变的年代际现象. 在过去20~30 a, 全球陆地的大部分地区都观测到显著的变暖, 而中国东南地区和西北西部则出现向冷湿发展的年代际变化, 这可能是需要在科学上引起特别关注的气候现象. 对于观测到的气候年代际共变率, 表面气温和土壤湿度的相互反馈作用起着一定的作用. 利用Palmer干旱模型研究发现表面气温的异常对土壤湿度具有显著的影响, 从而亦影响到表面气温和土壤湿度的年代际共变率. 在伴随着人类影响的全球变暖过程中, 中国气候出现年代际干旱或洪涝的可能性也相应增加, 本研究结果为此观点提供了真实的观测证据.     

东亚季风气候的历史与变率

东亚季风的变迁可视为太阳辐射条件下, 全球大气、海洋、陆地和冰系统相互作用在东亚地区的表现. 干冷冬季风和暖湿夏季风优势期的相互交替反映了东亚季风的历史. 高分辨率的黄土高原风尘序列研究揭示了东亚季风至少自7.2 Ma前开始建立. 青藏高原的脉动对东亚季风变迁有重要影响, 数值模拟实验说明, 高原隆升对东亚冬季风的影响远大于对夏季风的影响. 末次冰期旋回气候记录显示了东亚季风气候千年或更短时间尺度的变率和不稳定性的特征. 北半球高纬冷空气活动、穿越赤道的气流和ENSO活动影响着东亚季风气候的变率. 有必要加强高分辨率季风气候记录的年代学和古气候替代性指标的研究,将东亚季风环境整体系统置于全球变化框架中,研究各因子相互作用或相互耦合的过程, 以深入认识东亚古季风变迁的规律和变化机制.     

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.     

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.     

全球变暖情景下南亚和东亚夏季风变化对海陆增温的不同响应

采用政府间气候变化专门委员会(IPCC)中等排放情景SRESA1B下的气候模式输出结果,本文研究了南亚和东亚夏季风对未来海陆增温的不同响应.分析表明,虽然未来青藏高原(TP)近地面增暖快于同高度的热带印度洋(TIO)和西太平洋(NWP)地区,但在对流层中高层,TP-TIO和TP-NWP地区的陆海热力差异都将减弱.在从年代际到长期变化的时间尺度,南亚夏季风环流主要与TP-TIO高层热力差异变化一致,而东亚夏季风环流则与TP-NWP地区低层热力差异变化联系更明显.而在年际时间尺度,南亚和东亚夏季风都与高层热力差异变化的相关更显著一些.进一步的分析显示,全球变暖导致的水汽增加及云量的变化可能引起高原和海洋上空出现增强的变暖,未来这些地区的温度变化在垂直结构上出现不均匀分布.由于最大的变暖中心都出现在海洋上,TP-TIO所在纬度带以及TP-NWP所在经度带的热力差异在高层出现负变化中心,高原高层的热力作用减弱.但在低层,由于高原陆地的增温,高原低层的热力作用仍然大于周围海洋.因此,在全球变暖背景下,亚洲地区热力状况的不同影响因子可能引起对流层高低层变暖分布的不一致,而不同时间尺度的变化则可能体现了人为因子和气候系统内...