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.     

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.     

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.     

北大西洋淡水扰动试验中东亚夏季风气候的响应及其机制

利用一个耦合气候模式执行的一组淡水试验, 研究了在北大西洋高纬度淡水注入量增高的情景下东亚夏季风的响应及其机制, 并与其他耦合模式所做的淡水试验的结果作了对比. 结果显示, 随着北大西洋高纬度海域淡水注入量的增多, 北大西洋经圈环流减弱, 导致北大西洋海表变冷, 从而使得北美区域海平面气压升高, 与之对应的是赤道热带东太平洋海表增强的穿过赤道的东北风, 进而使得该海域内冷水上翻增强, 海表散热加大, 导致海表温度降低, 其结果是赤道以北热带东太平洋Hadley环流减弱, 同时赤道以北热带Walker环流增强及上升支东移, 东亚大陆沿岸出现气旋性风场异常, 最终导致东亚夏季季风区降水减弱. 另外通过与其他淡水试验的比较发现, 北大西洋淡水试验中东亚夏季风的强弱变化受北大西洋高纬度淡水注入量大小的影响.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

21世纪东亚季风变化:CMIP3和CMIP5模式预估结果

使用国际耦合模式比较计划第3和最新的第5阶段中共42个气候模式的数值试验结果,首先定量评估了它们对于当代东亚冬、夏季风气候态的模拟能力;而后在SRES A1B中等温室气体排放情景或者RCP4.5中等偏低辐射强迫情景下,根据择优选取的31和29个气候模式分别对21世纪东亚冬、夏季风变化进行了预估研究.结果表明:相对于1980～1999年参照时段,21世纪东亚冬季风强度整体上变化不大,在区域尺度上则表现为在东亚约25°N以北地区减弱,在其南部加强,这主要是源于阿留申低压系统减弱和北移所引起的西北太平洋和东北亚地区大气环流变化,同时也与东北亚地区西北至东南向热力对比和气压梯度减小有关.另一方面,东亚大陆与西北太平洋和南海的海陆热力差异加大导致21世纪中国东部夏季风环流略有加强.     

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.     

东北冷涡的“气候效应”及其对梅雨的影响

东北冷涡是东亚中高纬地区重要的天气系统. 尽管其时间尺度为天气尺度, 但是频繁的东北冷涡活动具有显著的“气候效应”. 这种“气候效应”不仅会影响东北地区对流层低层的月平均气温, 而且对东亚地区梅雨期降水也具有影响作用. 利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-40再分析资料, 对东北冷涡的“气候效应”及其与东亚梅雨的关系进行研究, 发现: 梅雨期东北冷涡和降水量存在显著的相关关系, 东北冷涡越强, 梅雨量很可能偏多, 东北冷涡越弱, 梅雨量很可能偏少; 东北冷涡强年, 东北冷涡引导北方“干冷”空气南侵, 与低层强盛西南暖湿气流在梅雨区北缘交汇, 形成“上干下湿”的不稳定层结, 在上升运动的触发下, 最终导致梅雨量偏多, 东北冷涡弱年情况正好相反; 前期北太平洋海温的异常可能是导致梅雨期东北冷涡异常的因素之一, 夏季的海陆热力对比对东北冷涡起着促进作用, 而冬季的热力对比对东北冷涡起着抑制作用. 所有这些为东北冷涡和梅雨的短期气候预测提供了具有参考意义的结果.     

春季东亚海-陆热力差异对我国东部西南风降水影响数值试验

用NCEP-NCAR再分析资料、NOAA的CMAP降水资料以及MM5v3中尺度区域模式, 研究了东亚及周边海域表面温度差异对春季我国东部西南风降水的影响, 数值模拟结果表明: 春季东亚表面温度差异对江南西南风降水发生以及向北推进有重要影响; 当东亚大陆温度增加和其周边海洋表面温度减小时, 冬季型温度梯度更早地向夏季型转换, 青藏高原东侧低压以及西太平洋副热带高压都加强, 伴随着东部的低层西南风加强; 于是, 江淮地区的上升运动增强, 而江南地区的上升运动减弱, 导致春季江淮降水增加, 而江南降水减少, 使东部雨带出现在江淮, 而不是在江南; 当热力差异减弱时, 我国东部大陆没有雨带出现; 在春季热力差异显著增强的情况下, 即使没有南海热带季风爆发, 春季位于江南的雨带也可以向北推进到江淮地区, 形成类似于夏季江淮梅雨期的雨带.     

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.     

CMIP5模式对21世纪末中国极端降水事件变化的预估

利用CMIP5耦合模式结果对RCP4.5和RCP8.5情景下的中国降水和东亚大气环流未来演变特征进行了预估研究.结果表明,到了21世纪末,中国年降水量将显著增加.其中,中雨、大雨和暴雨发生频次都明显增加,强度增强,而毛毛雨发生频次在全国范围内明显减少.中国西北地区年降水量的增加主要是由于小雨增加的结果;东北和华北地区中雨的增加对年降水量增加的贡献最大;南方地区年降水量的增加主要是由于大雨和暴雨显著增加的结果,而小雨表现为负贡献.对东亚地区大气环流变化的分析表明,在全球变暖背景下,东亚夏季风环流在增强,而且大气层结不稳定性也在增加,这些都为中国降水和极端降水事件的增加提供有利背景条件.     

春季北极涛动对南海气候的影响

利用1979~2013年月降水量和NCEP再分析大气环流资料,分析了春季(3~5月)北极涛动对南海气候变率的可能影响.结果表明,春季南海多气候要素主导模态的时间系数与同期北极涛动指数相关系数达?0.4,超过95%的信度水平,二者反位相的特征在年际尺度上更加明显.当北极涛动指数为正异常时,西太平洋副热带高压减弱,热带西太平洋有异常气旋式环流,南海地区偏南风减弱,南海大部分地区降水增多,北部到华南地区降水减少,北极涛动指数为负异常时情况则相反.北极涛动可由两条途径影响南海地区气候,一是通过青藏高原南侧西风急流的波列,二是通过北太平洋西风急流区南北侧的偶极型环流异常.南海地区环流和气候的异常与这两条途径的相对强弱和配置有关,当高原南侧波列异常偏强同时北太平洋偶极型异常偏弱时,二者共同作用可增强西太平洋副热带高压和南海地区异常反气旋环流,导致降水的显著减少.当北极涛动指数为正异常时,北太平洋偶极型南支的气旋还可触发热带地区海气相互作用间接影响南海气候.     

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.     

夏季副热带西太平洋大气环流持续异常

大气中的大尺度环流持续异常与灾害性天气气候相联系,是数值天气预报的难点,因此这方面的研究具有重要的实际意义和理论价值.迄今为止,对大气环流持续异常的研究多局限于冬季高纬地区的现象,如阻塞.在夏季,我国广大的地区,尤其是江淮流域的天气气候除了受来自高纬环流系统的影响外,还更多和更强烈地受副热带环流系统及其变异的控制和支配.陶诗言和徐淑英早在1962年就指出,长江、淮河流域的干旱或洪涝现象通常与持续异常的副热带环流型紧密联系,本工作就是沿着该思路,通过观测分析、数值试验等手段,试图揭示夏季副热带西太平洋大气环流持续异常(以下简称WPA)活动的规律特征.     

梅雨期EAP事件的中期演变特征与中高纬Rossby波活动

揭示了梅雨期EAP(东亚/太平洋)事件的中期演变特征和中高纬Rossby波活动对它的作用. 正负EAP事件的形成过程并不是简单的反位相演变过程. 在对流层上层, Rossby波能量在欧亚大陆中高纬地区及亚洲急流区向下游频散, 形成EAP事件中高纬度2个异常中心的基本形态. 在这一层, Rossby波能量也从中纬度异常中心向高纬度异常中心经向传播. 在对流层中低层, 热带西太平洋暖池区对流活动异常可形成EAP事件的副热带异常中心, Rossby波能量从这一中心的北界向北频散, 有利于中纬度异常中心的维持和加强. Rossby波能量在对流层上层西风带背景环流中准纬向频散和在对流层中低层东亚夏季风环流中准经向频散, 其对应的异常环流在东亚沿岸地区相互作用和相互锁定, 形成正负EAP事件盛期的典型特征.     

2018/2019年冬季江南超长连阴雨天气特征及其成因

2018/2019年冬季,我国长江以南(简称江南)地区发生了超长连阴雨天气.区域平均有效降水日数长达51 d,打破了1981年以来的最高纪录,造成了极大的社会影响.本研究利用JRA55再分析资料,通过诊断分析,指出2018/2019年冬季中部型El Ni?o导致的江南地区异常低空水汽辐合和东亚冬季风次季节变化异常活跃,是造成此次江南地区超长连阴雨天气的主要原因.一方面,受此次中部型El Ni?o影响,西太平洋副热带高压异常偏强西伸,为江南地区的持续性降水异常提供了稳定的异常暖湿背景.另一方面,东亚冬季风准双周活动的异常偏强是江南地区超长连阴雨天气的维持条件.当冬季风偏强时,中、高纬度冷空气向南输送至江南地区,触发了局地强降水过程;而当冬季风偏弱时,副热带地区的大气东传低频波列活跃,当该波列到达青藏高原后,在高原大地形的机械阻挡作用下,加强了江南地区上空的动力抬升,并引发弱降水过程.与历史事件相比, 2018/2019年冬季江南地区的低空水汽辐合最强,东亚冬季风次季节显著周期最长,两者均达自1981年以来的极值.因此,江南地区次季节强、弱降水过程的交替出现,最终造成了此次当地的超长连阴雨天气.