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.     

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．     

日本海中部60ka以来的风尘沉积对西风环流演化的指示

对位于西风环流下风区日本海中部LV53-23岩芯沉积物的粒度特征进行了研究,重建了日本海末次冰期(~60 ka)以来的西风环流演化历史和空间变化规律.结果显示,岩芯沉积物以粉砂为主且粒度频率分布曲线多呈单峰分布,与现代日本黄沙和前人报道的邻近区域的岩芯粒度特征一致,具有典型的风尘沉积特征.众数粒组-粉砂组分的中值粒径分析表明,粉砂组分中值粒径可以用作岩芯沉积反映西风环流的替代性指标.在亚轨道及千年尺度上,粉砂组分中值粒径在MIS 3期的冰阶-间冰阶千年尺度旋回与西风环流密切相关:冰阶时,粉砂组分中值粒径增大,这与西风急流轴较长时间位于青藏高原南部,西风环流影响范围变大,风速增强,能携带更多近源的蒙古戈壁-中国东北沙地风尘至日本海有关;间冰阶时,粉砂组分中值粒径减小,这是由于西风急流轴位于青藏高原北部,携带更多远源的塔克拉玛干沙漠风尘至日本海.而在轨道尺度上,末次盛冰期时粉砂组分中值粒径的稳定低值与北半球65°N日照辐射量良好对应,表明北半球日照辐射量和中高纬温度梯度差对西风环流远距离输运粉尘起到重要作用,盛冰期时西风急流轴受北半球冰盖扩张影响显著南移导致西风环流范围也随之南移,从而对日本海40°~50°N上空西风影响减弱.     

黄土高原西缘在AD 1875~2003期间石笋氧同位素记录的季风降水变化与海气系统的联系

基于黄土高原西部甘肃武都万象洞中一根石笋0~16 mm之间的5个高精度²³⁰Th年代和103个δ¹⁸O数据, 重建了亚洲季风边缘区过去100多年来高分辨率的季风降水变化历史. 通过与武都器测降水数据对比发现, 最近50多年来石笋氧同位素组成受降雨量效应的影响, 指示了亚洲季风的强弱变化及其带来的降水量信息. 近100多年来亚洲季风的变化历史可分为季风降水增强期(AD 1875~1900)、季风降水减弱期(AD 1901~1946)和季风降水再次增强期(AD 1947~2003) 3个气候段, 而且这3个季风变化阶段与通过历史文献记载建立的旱涝指数变化相似. 近100多年来万象洞石笋氧同位素记录的季风强度变化与太平洋年代际振荡(PDO)密切相关, 年代际时间尺度上PDO暖(冷)相位与季风降水的减少(增加)对应; 但在1977年之后出现了季风降水变化和PDO的反相位关系, 很可能是北太平洋在1976/1977年前后发生的年代际气候跃变的反映. 说明现代亚洲季风强度及季风降水变化通过海气相互作用与太平洋密切相关. 这种关系将有助于亚洲季风区水循环的预测, 而且可以利用洞穴观测数据来提高气候模型的预测能力.     

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.     

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.     

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.     

热带太平洋海气系统的一种年代际局地正反馈

利用大气再分析资料和海温资料等, 分析了热带太平洋地区海气系统年代际变化的内在联系. 结果表明, 在年代际尺度上经过热带海气系统的内部调整, 减弱信风的作用下海气间热交换减少, 导致了热带太平洋温跃层的异常, 有利于热带中东太平洋海温异常增暖; 同时, 海温的增加又促使热带东太平洋对流发展, 激发热带东太平洋局地上升运动和热带中东太平洋的西风距平, 进而减弱Walker环流, 把信号反馈给大气. 反之亦然, 如此构成了一种正反馈过程的年代际模态. 这个热带海气系统自我反馈的年代际“加幅”过程有别于以往用于解释热带海气系统年代际变率时所倡导的中纬度地区对热带地区的远程驱动机制.     

令戈错湖芯重建过去17ka青藏高原大气环流变化

亚洲季风和西风作为北半球重要的大气环流系统,对青藏高原冰川进退、水量平衡及生态环境变化具有重要意义.大量研究重建了两者的强弱变化,但是末次冰消期以来,西风与亚洲季风强度变化仍然存在争议.青藏高原中部令戈错湖泊岩芯样品重建的末次冰消期以来令戈错粒度与介形虫氧同位素记录表明,17~11.7 ka,令戈错水位较浅且波动频繁,西风是气候变化的主要影响因素,研究区环境变化与北大西洋冷事件关系密切;11.7~10ka,对应于印度季风的增强,令戈错水位迅速升高,冬季风力变小,印度季风取代西风成为控制环境变化的主要因素;10~8 ka之后,令戈错水位略有降低,可能对应于印度季风的减弱或者冰川融水的减少;8 ka之后,响应于印度季风逐渐减小,令戈错逐渐萎缩,西风可能存在增强.末次冰消期以来西风与印度季风强弱演替历史可以归纳为:16.5 ka之前,中纬度西风强盛,青藏高原大部分区域均由西风控制,与北大西洋气候变化表现出较好的耦合关系;16.5~11.5 ka气候格局与现今类似,西风控制着青藏高原中-北部地区,而青藏高原南部受印度季风影响更大.早中全新世,夏季太阳辐射增加,印度季风增强;晚全新世,印度季风减弱,西风可能对青藏高原西部以及北部存在影响.     

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.     

柴达木盆地苏干湖年纹层岩芯摇蚊记录的过去1000年干旱区湿度变化及其意义

利用柴达木盆地苏干湖具有年纹层的沉积岩芯, 以摇蚊亚化石分析恢复了研究区近千年来10年分辨率的湿度演变历史. 研究表明, 苏干湖岩芯中的摇蚊亚化石主要由高咸水属种Psectrocladius barbimanus-type和Orthocladius/Cricotopus与低咸水属种Procladius和Psectrocladius sordidellus-type组成, 依据其相对丰度的变化, 结合摇蚊-盐度转换函数重建的盐度波动, 区域过去1000年湿度变化可划分为3个阶段: 990~1550 AD为气候整体干旱期、1550~1840 AD为气候整体湿润期、1840~2000 AD为全球变暖下的气候再次干旱期. 高分辨率的记录还发现, 在年代际到百年尺度上, 存在1200~1230 AD干旱背景下的湿润阶段和1590~1700 AD湿润小冰期内部的干旱阶段; 就气候变率而言, 湿润小冰期时段摇蚊种群组合及重建的盐度变化幅度增大, 频率加快, 指示出小冰期气候的不稳定性特征. 该记录得到西风环流影响区的其他古湿度资料支持. 苏干湖高分辨率摇蚊记录的湿润小冰期气候与中国东部季风区降水变化存在明显的差异, 表明中国内陆干旱区和东部季风区湿度变化即使在近1000年来也存在相位差.     

夏季亚洲-太平洋热力差异年代-百年尺度变化与太阳活动

利用重建的近千年亚洲-太平洋涛动指数和太阳辐照度时间序列, 用统计方法研究了夏季亚洲与其周边的海陆热力差异在年代-百年际时间尺度上的变化特征及其与太阳辐照度的关系, 结果表明: 亚洲季风区热力差异存在着90 a 左右、10~13 和3~7 a 的周期振荡; 在百年尺度上, 热力差异表现出3 次明显突变, 它们分别发生在1305~1315 年、1420~1430 年以及1625~1635 年. 海陆热力差异与太阳辐照度之间有显著正相关, 并且在250, 120~160, 60~70 a 以及15 a 变化周期上, 二者的联系更显著. 热力差异的3 次突变分别对应着太阳辐照度的明显减弱或加强, 并且滞后太阳辐照度突变时间12~22 a, 可能反映了太阳辐射对亚洲季风气候百年尺度突变的一种影响; 在年代尺度上, 热力差异突变与太阳辐照度关系不紧密, 说明太阳活动可能不是影响亚洲-太平洋热力差异年代际突变的主要因子. 与亚洲-太平洋热力差异比较, 北半球年平均表面气温的年代际突变与太阳活动的关系更紧密, 而气温百年尺度的突变与太阳活动关系较弱.     

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.     

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.     

一个长江中下游夏季降水的物理统计预测模型

提出了一个长江中下游夏季(6~8 月)降水的短期气候预测方法, 通过预测夏季降水的年际增幅, 进而再预测降水. 年际增幅(DY)定义为当年的变量值减去前一年的变量值. YR定义为长江中下游夏季平均季降水率. 通过分析与YR年际增幅有关的冬、春季节大气环流, 确定6个关键的预测因子, 建立物理统计的预测模型, 预测因子是南极涛动, 印尼-澳洲附近的850和200 hPa经向风垂直切变等. 这个预测模型对YR在1997~2006年后报中显示了很高的预测技巧, 预测的平均均方根误差是18%. 预测模型能够再现YR在1984~1998年的上升趋势和1998~2006年的下降趋势. 考虑到目前中国夏季降水的平均预测水平是60%~70%, 而长江中下游地区夏季降水的预测水平不高, 因此, 通过预测长江中下游夏季降水的年际增幅(然后再预测夏季降水)的方法, 能够显著地提高长江中下游夏季降水的业务预测技巧, 并具有潜在的应用意义.     

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.     

以树轮晚材宽度重建公元1726年以来贺兰山北部5~7月降水量

通过分析早材宽度(EWW)、晚材宽度(LWW)、整轮宽度(TRW)、最小密度(D_min)和最大密度(D_max)共计5个树轮标准年表的统计特征及其各自气候响应, 最终以晚材宽度对贺兰山北部公元1726年以来5~7月的降水进行了重建, 方差解释量42%(R²_adj=0.41, F = 31.46, P < 0.000001). 11年滑动平均后, 方差解释量达82%(F=156.9, P<0.05). 重建降水序列在10年际尺度上与内蒙古东部白音敖包地区4~7月上旬降水具有相当好的一致性, 在一定程度上反映了东亚夏季风锋面强弱的变化. 谱分析检测出贺兰山北部5~7月降水序列主要存在11和22年的波动周期.     

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.     

近千年亚洲-太平洋涛动指数与东亚夏季风变化

为研究东亚夏季风的长期变化规律, 重建了近一千年来反映亚洲与太平洋纬向热力差异的季风指数, 即亚洲-太平洋涛动指数(I_APO). 在小冰期, 重建I_APO在世纪尺度上的变化与我国东部旱涝关系紧密, 并且这种关系与在现代观测资料中的一致, 这说明重建的I_APO总体上能够指示小冰期时在世纪尺度上的东亚夏季风变化和我国东部降水异常.     

近千年中国东部夏季气候百年尺度变化的模拟分析

利用全球海气耦合模式ECHO-G 近千年积分模拟试验结果, 通过Lanczos 滤波器滤去100 年以下的年际-年代际变化信号, 保留百年尺度的气候变化信息, 分析了近千年来中国东部夏季气候在百年尺度上的时空变化特征并探讨了影响其变化的主要原因. 结果表明: (1) 近千年中国东部经历了暖-冷-暖3 个阶段, 由暖期进入冷期相对由冷期进入暖期缓慢, 暖期降水多冷期降水少, 降水的峰谷变化滞后于温度. 有效太阳辐射和太阳辐照度分别是影响温度和降水变化最显著的因子, 现代暖期之前火山活动的增强对极端低温的出现有明显影响, 火山活动与降水在1400 AD之前为正相关, 在1400 AD 之后为负相关, 温室气体浓度与现代暖期温度和降水有一致的变化趋势. (2) 温度的百年尺度与年际-年代际尺度的第一特征向量的空间分布型都为全区一致分布, 高纬的变率大于低纬, 这一分布型主要受有效太阳辐射和温室气体的共同影响. 降水第一特征向量的空间分布型在百年尺度与年际-年代际尺度上存在着显著差别, 百年尺度为全区一致的分布, 而在年际-年代际尺度上长江和黄河中下游与其两侧的区域呈反相分布, 太阳辐照度和温室气体共同影响了降水百年尺度上的这一空间分布型.