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.     

中国梅雨雨带年代际尺度上的北移及其原因

分析了1979~2007年中国梅雨雨带移动特征及其与东亚副热带地区环流变化的关系. 研究发现, 20世纪90年代末中国梅雨雨带呈明显北移的趋势, 1999年以前梅雨雨带主要位于长江及其以南地区, 1999年以后雨带明显北移到了长江以北的淮河流域. 同时发现, 由于江淮梅雨期东亚中纬度地区对流层明显增暖, 平流层明显冷却, 使得东亚副热带对流层高层等压面向上突起, 对流层顶升高, 从而导致东亚副热带大气的扩张. 伴随副热带地区大气扩张出现的是东亚副热带急流北移, Hadley环流圈拓宽北伸和中纬度西风带北移. 东亚副热带大气扩张使得梅雨雨带向北移动, 导致长江以南降水减少, 长江以北降水增多.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

中国夏季大尺度低频雨型及其转换模

使用40年逐日降水资料和相空间中的聚类分析方法, 识别出中国夏季降水的7个大尺度低频雨型, 它们对应相空间中概率密度分布的局部极大值区域, 具有持续和转换特点, 反映了低频降水的传播和跃变特征. 分析表明, 低频雨型在季节内分布一般与夏季风雨带相对应, 雨型之间存在优势转换关系, 可归纳为4个雨型转换模, 它们是中国夏季降水异常年际和季节内变化的主要信号分量. 环流场分析显示, 西太平洋副高、中高纬阻塞、低纬环流异常以及东亚-太平洋地区的波列结构与低频雨型的出现和转换有着密切联系, 而副高和阻塞形势的异常演变、东亚波列的分布和变动、急流位置和形态的季节内变化, 有可能是雨型转换模形成的主要环流因素.     

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.     

热带印度洋偶极子与ENSO事件关系的年代际变化

利用3种百年尺度的海温资料以及来自NCEP/NCAR的大气场资料, 本文探讨了热带印度偶极子和太平洋ENSO事件关系的年代际变化. 在1948~1969阶段, 正(负)位相的偶极子与暖(冷)ENSO事件表现出较多的相对独立性, 但是1970年之后, 它们经常同时发生. ENSO影响偶极子事件的整个生命史, 而偶极子主要影响ENSO事件的发展阶段. 通过分析海温背景场、低层风场以及沿赤道的垂直速度的年代际变化, 本文揭示出偶极子与ENSO关系的年代际变化可能是1970年以后与增强的Walker环流相伴随的海洋性大陆上空加强的垂直运动所导致的. 1970年以后异常增暖的海洋性大陆周围的海水导致了低层风场的异常辐合以及上空对流活动的加强, 从而使得热带东印度洋和西太平洋之间的海水交融加强, 由此, 热带印度洋偶极子事件和太平洋ENSO事件的相互影响相互联系变得更加紧密.     

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.     

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.     

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。     

东亚夏季风年代际进退与中国和全球温度变化的联系

利用现代大气观测与中国东部历史旱涝记录等资料,提取中国东部区域干湿分布型变化的年代际信号并揭示了东亚夏季风年代际进退与中国和全球平均气温的可能联系.在东亚夏季风进退、中国东部干湿型分布和中国及全球平均气温变化的关系中,季风推进偏北时期对应中国东部"北湿南干"的气候分布格局,以及中国和全球年代际偏冷;反之对应中国东部"南湿北干"的气候分布格局,以及中国和全球年代际偏暖.在近千年东亚夏季风干湿型指数序列和去百年以上气候背景后的全球平均气温序列中,年代际主频振荡信号集中于60a左右.     

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.     

行星尺度纬圈平均风扰动的传播与南北极涛动

全球大气变量可以物理分解为纬圈和时间平均的气候对称部分、时间平均的气候非对称部分、行星尺度纬圈平均的瞬时对称扰动和天气尺度瞬时非对称扰动.本文分析了对流层顶行星尺度经、纬向风扰动在季节内和年际尺度上的变化,及其与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、北极涛动(AO)和南极涛动(AAO)之间的关系.结果表明,来自热带对流层顶的年际行星尺度纬向风扰动与赤道ENSO循环有联系,并通过异常的经圈环流传播到副热带、中纬度和极锋对流层顶.来自热带对流层顶的季节内(40~60 d)行星尺度纬向风扰动也可以通过异常的经圈环流向赤道外传播到副热带和中纬度.来自两半球极地对流层顶的大气季节内行星尺度纬向风扰动可以向高纬度传播.AO和AAO是这些行星尺度环流扰动在中高纬度传播与叠加的结果.     

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.     

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.