我国南方冬季气候变暖前后极端降水事件分析

利用我国南方逐日降水资料及逐月温度资料,采用Mann-Kendall突变检验方法,并计算极端降水的GPD(Generalized Pareto Distribution)重现值,讨论了气候变暖前后我国南方冬季极端降水事件的变化。结果表明,我国南方冬季气候变暖的突变发生在1991年前后,且气候变暖后我国南方冬季的极端降水强度普遍有所增加。利用NCEP/NCAR再分析资料进一步分析气候变暖前后的环流场特征,发现东亚热带冬季风异常与我国华南、江南地区降水异常有显著的相关关系。东亚热带冬季风偏强(弱),华南、江南地区降水偏少(多)。气候变暖后中高纬度环流经向度加大,有利于北方的冷空气向南输送。此外,气候变暖后我国南方地面气温升高,海陆热力差异减小,东亚热带冬季风减弱,有利于西太平洋的暖湿气流向我国大陆东南部输送,并在东南部形成异常的水汽通量辐合,有利于形成强降水。气候变暖后,中高纬度与中低纬度异常环流系统的相互作用是我国东南部降水强度增加的主要原因。     

与厄尔尼诺和拉尼娜相联系的中国南方冬季降水的年代际异常特征

利用NCEP/NCAR再分析大气环流资料、哈得来中心海温资料、中国700多站降水资料以及全球格点降水资料,详细分析了中国南方冬季降水异常的特征,并揭示了其所对应的欧亚大气环流和东亚冬季风异常与ENSO事件的联系,以及ENSO暖/冷位相对其影响的非对称性。研究进一步证明了厄尔尼诺是导致中国南方冬季降水偏多的重要外强迫因子,并指出拉尼娜对中国南方冬季降水的影响表现出明显的年代际变化特征。1980年之前的拉尼娜年冬季,东亚冬季风显著偏强,东亚大槽偏深,西北太平洋副热带高压偏弱偏东,中国南方受一致偏北风影响,气温偏低,降水偏少,多表现为冷干的气候特征。但1980年之后的拉尼娜年冬季,东亚大槽偏弱,印缅槽偏强,同时在菲律宾以西激发出异常气旋性环流,使得异常偏东风控制中国南方,有利于热带水汽输送增强,因此降水偏多。同时,1980年之后的拉尼娜事件还使得东亚副热带西风急流偏强偏北,中国南方处于急流入口区的右侧,通过二级环流使得中国南方上空的上升运动偏强,有利于降水偏多。因此,1980年之后的拉尼娜年冬季,中国南方易表现出冷湿的气候特征,有时也容易发生低温雨雪冰冻灾害。进一步分析表明,1980年以后拉尼娜成熟期海温异常空间分布型的变化,以及北半球大气环流的年代际变化可能是导致拉尼娜对东亚大气环流的影响在1980年之后发生变化的重要原因。     

冬季北太平洋涛动异常与东亚冬季风和我国天气气候的关系

用1948-2000年的北半球海平面气压场月平均资料，计算了北太平洋涛动指数和东亚冬季风指数，并研究了北太平洋涛动与东亚冬季风及我国冬季天气气候的关系。研究表明，北太平洋涛动异常变化与我国冬季天气、气候关系密切。强涛动年，东亚冬季风偏弱，我国气温普遍偏高，长江中下游地区降水偏少，而华南降水偏多；而弱涛动指数年，东亚冬季风偏强，我国气温普遍偏低，降水偏少。此外，还指出，强(弱)INPO年大气环流具有弱(强)WP型和强(弱)EU遥相关型。     

山东夏季降水异常的前兆信号特征

利用山东省内1960～2003年40个观测站的夏季降水资料和NCEP/NCAP再分析资料,分析了山东夏季降水空间分布、时间尺度的演变特征以及山东夏季降水异常时大气环流、热带对流活动的异常特征,结果表明:山东夏季降水总体呈现由鲁南向鲁北递减的趋热,空间分布具有一致性.涝年的前期冬季极涡向东扩展,东亚大槽和东亚冬季风较常年偏强;旱年前期冬季极涡偏向西半球,东亚大槽和东亚冬季风较常年偏弱.涝年热带印度洋、南海至西太平洋地区对流增强,热带东太平洋地区对流减弱,西太平洋副热带高压位置偏北;旱年则相反.涝年前期冬季由于冬季风较强及低纬度地区冷涌活跃,加强了低纬地区的对流活动,增强了Hadely环流,加强了能量及水汽向中、高纬度地区的输运,从而引起山东降水增多.     

山东夏季降水异常的前兆信号特征

利用山东省内1960-2003年40个观测站的夏季降水资料和NCEP/NCAP再分析资料,分析了山东夏季降水空间分布、时间尺度的演变特征以及山东夏季降水异常时大气环流、热带对流活动的异常特征,结果表明:山东夏季降水总体呈现由鲁南向鲁北递减的趋热,空间分布具有一致性。涝年的前期冬季极涡向东扩展,东亚大槽和东亚冬季风较常年偏强;旱年前期冬季极涡偏向西半球,东亚大槽和东亚冬季风较常年偏弱。涝年热带印度洋、南海至西太平洋地区对流增强,热带东太平洋地区对流减弱,西太平洋副热带高压位置偏北;旱年则相反。涝年前期冬季由于冬季风较强及低纬度地区冷涌活跃,加强了低纬地区的对流活动,增强了Hadely环流,加强了能量及水汽向中、高纬度地区的输运,从而引起山东降水增多。     

冬季北极涛动的影响分析

采用美国NCEP/NCAR月平均再分析资料、中国气象局160站地面月资料以及美国国家海洋和大气局月平均北极涛动（AO）指数,研究了1979～2008年12～2月AO与该时期北半球大气环流和我国气候的关系。发现当AO异常时,西风带和副热带的环流有很大的差别。当AO异常强时,北太平洋是一对偶极性异常环流：中高纬度为反气旋异常环流,副热带为气旋异常环流。这种形势越到高层越明显,范围也越大。对流层中高层中高纬度的反气旋异常环流西扩到贝加尔湖以东,副热带的气旋异常环流西扩到中印半岛。由于这种异常分布,西太平洋副热带高压偏弱,东亚高空西风急流偏弱,东亚大槽偏弱。乌拉尔山附近是负距平,不利于乌拉尔山高压脊发展。在海平面气压场上,北太平洋为正距平,而在西伯利亚为负距平,阿留申低压和西伯利亚高压偏弱,因此东亚冬季风偏弱。由于冬季风偏弱,导致我国东部、东北、新疆和内蒙古温度偏高。AO异常弱时,环流形势正好相反,冬季风偏强,我国温度偏低。AO的异常也影响我国降水,AO异常强时,除内蒙古、新疆降水偏少外,大部分地区降水偏多,异常降水中心在华南沿海;而当它异常弱时,江南、华南、内蒙古和新疆降水偏多,其他地区降水偏少,异常降水中心位于江南。2008年1月AO活跃,与AO强时平均情况一致,两者在中纬度的东亚有非常好的相似性,都为正距平,表示东亚大槽偏弱;北太平洋的偶极性异常环流对在对流层中、上层也是明显的。最主要的差异在乌拉尔山和西太平洋地区,由于造成2008年1月我国南方持续雨雪冰冻天气重要因素的西太平洋副热带高压、乌拉尔山阻塞高压和冬季风与AO偏强的平均情况相反,因此AO不是造成持续雨雪冰冻天气的原因。     

中国东南部冬季降水变化及其环流特征

利用1951-2011年中国160站降水资料及NCEP/NCAR再分析资料,分析了中国东南部冬季降水的年际变化及与之相关的环流和水汽输送特征。结果表明:中国东南部冬季降水年际差异较明显,当降水异常偏多(少)时,蒙古高压及中国广大南方地区海平面气压异常偏低(高),而亚洲附近的洋面上则异常偏高(低);500 hPa上,巴尔喀什湖附近的高压脊和东亚大槽均偏弱(强);高层东亚西风急流异常偏弱(强),中东地区急流异常偏强(弱);中国东部20~30°N出现显著异常上升(下沉)运动,低纬度地区出现异常下沉(上升)运动。影响中国东南部冬季降水的水汽输送主要有两支:来自西风带绕高原的南支气流,经过阿拉伯海和孟加拉湾向华南的输送水汽;来自低纬西太平洋,经南海向中国西南的水汽输送。此外,东亚冬季风与中国东南部冬季降水关系密切。     

冬季风异常年份的环流特征及其与华南前汛期降水的关系

本文分析了1963—1982年资料,研究了冬季风异常年份的环流特征及其与华南初夏降水的关系。结果表明:冬季风强年,500百帕西太平洋副高偏弱,亚洲西风环流弱,东亚槽南伸,200百帕115°E西风急流强而偏北。冬季风弱年的环流特征与此相反。强冬季风年后期环流演变特点,中高纬度环流逐渐向夏季型过渡,而副热带环流则变化强烈。弱冬季风年后期中高纬度环流在2月下旬至3月上旬有一个反复的过程,副热带环流则是逐步增强北上的。强冬季风年初夏500百帕西太平洋副高较正常年偏强,位置偏北,西脊点偏东,100百帕南亚高压偏西,华南及珠江三角洲前汛期降水偏少。弱冬季风年初夏环流特点与此相反,华南及珠江三角洲前汛期降水偏多。      

冬季华南降水年际变化的环流特征及对前期海面温度异常响应

利用我国160站降水观测资料、NCEP/NCAR再分析资料以及英国哈德莱中心的海表面温度资料，分析了华南冬季（12月至次年2月）降水年际变化的大气环流特征以及对前期海面温度（Sea Surface Temperature,SST）异常的响应。结果表明，东亚高空急流异常偏南（偏北），东亚大槽减弱（增强），天气瞬变扰动和南支槽加强（减弱），来自孟加拉湾和南海的西南风在华南形成异常辐合（辐散），从而有利于该地区降水异常偏多（偏少）。ENSO型SST异常不能完全解释华南降水异常年南支槽和低层环流特征，进一步研究表明，导致华南降水异常的南支槽和低层风场变化与热带印度洋和赤道西太平洋SST异常关系更为密切。由前期热带印度洋和赤道西太平洋构建的SST指数和华南冬季降水相关达到0.44，两者相关系数在SST指数超前1个月时达到最大，对华南冬季降水具有一定潜在预报意义。     

热带大气低频振荡强度年际异常对中国东部冬季降水的影响

利用NOAA的逐日向外长波辐射（OLR）资料、NCAR/NCEP资料和中国台站降水资料,以低频振荡的能量与总能量的百分比作为低频振荡强度指数,初步研究了热带地区低频振荡强度的年际变化及其对中国东部冬季降水的影响。结果表明:冬季热带地区低频振荡强度高（低）,则我国东部冬季降水多（少）。热带低频振荡强度的年际变化与欧洲西北部到我国南部的波列及东亚冬季风的年际变化密切相关。在热带低频振荡强度高值年,冬季北非槽和孟加拉湾槽加深,东亚大槽减弱,东亚冬季风减弱,我国东部地区南风异常,水汽输送强,导致降水偏多;反之,在热带低频振荡强度低值年,北非槽和孟加拉湾槽减弱,东亚大槽加深,东亚冬季风加强,我国东部地区北风异常,水汽输送减弱,导致降水偏少。      

Impacts of land surface and sea surface temperatures on the onset date of the South China Sea summer monsoon

The present study analyzes the differences in spatial and temporal variations of surface temperatures between early and late onset years of the South China Sea summer monsoon (SCSSM). It is found that when the land surface temperature north of 40^oN is lower (higher) and the sea surface temperature over the South China Sea-western North Pacific (SCS-WNP) is higher (lower) in winter, the onset of the SCSSM begins earlier (later). When the land surface temperature north of 40^oN is higher (lower) and the sea surface temperature over the SCS-WNP is lower (higher) in spring, the onset of the SCSSM occurs earlier (later). The reason why the anomalies of the land surface temperatures north of 40^oN can influence the atmospheric circulation is investigated by analysis of the wind and temperature fields. In order to verify the mechanisms of influence over the land and sea surface temperature distribution patterns and test the ability of the p-σ regional climate model (p-σ RCM9) to simulate the SCSSM onset, three types of years with early, normal, and late SCSSM onset are selected and the SCSSM regimes are numerically simulated. According to the results obtained from five sensitive experiments, when the land surface temperature is higher in the eastern part, north of 40^oN, and lower in the western part, north of 40^oN, and it rises faster in the eastern coastal regions and the Indian Peninsula, while the sea surface temperatures over the SCS-WNP are lower, the early onset of the SCSSM can be expected.     

1990s年代际转型前后南海季风系统的气候季节内振荡(CISO)特征

利用多变量经验正交分解(MV-EOF)等方法,研究了在季节内振荡尺度上南海季风系统的时空分布特征。结果表明:南海夏季风的爆发时间在1993/1994年前后存在显著的年代际转型,由爆发偏晚转变成爆发偏早。第一模态反映了南海夏季风爆发时季风系统的时空特征,转型前后特征类似,降水场自赤道向北依次呈现干-湿-干交替分布的特征,南海中心为异常气旋。相应的大范围环流场主要反映了转型前的偏晚年,南海夏季风槽位置偏南,转型后的偏早年,南海夏季风槽位置偏北。第二模态体现了南海季风系统夏季的时空特征,转型前后共同特征表现为南海地区夏季北湿南干的南北偶极子降水分布及南海中心区的异常西风。相应的大范围环流场主要反映了南海季风活动与东亚季风呈现反位相的特点,且对流信号向北传播。转型前的偏晚年,季风活动受准双周振荡控制,对流信号由西北方向传入南海;转型后的偏早年,季风活动以30～60天振荡为主,对流信号由东南方向传播至南海。     

ONSET AND RETREAT DATES OF THE SOUTH CHINA SEA SUMMER MONSOON AND THEIR RELATIONSHIPS WITH THE MONSOON INTENSITY IN THE CONTEXT OF CLIMATE WARMING

Global gridded daily mean data from the NCEP/NCAR Reanalysis(1948-2012) are used to obtain the onset date,retreat date and duration time series of the South China Sea summer monsoon(SCSSM) for the past 65 years.The summer monsoon onset(retreat) date is defined as the time when the mean zonal wind at 850 hPa shifts steadily from easterly(westerly) to westerly(easterly) and the pseudo-equivalent potential temperature at the same level remains steady at greater than 335 K(less than 335 K) in the South China Sea area[110-120°E(10-20°N)].The clockwise vortex of the equatorial Indian Ocean region,together with the cross-equatorial flow and the subtropical high,plays a decisive role in the burst of the SCSSM.The onset date of the SCSSM is closely related to its intensity.With late(early) onset of the summer monsoon,its intensity is relatively strong(weak),and the zonal wind undergoes an early(late) abrupt change in the upper troposphere.Climate warming significantly affects the onset and retreat dates of the SCSSM and its intensity.With climate warming,the number of early-onset(-retreat) years of the SCSSM is clearly greater(less),and the SCSSM is clearly weakened.     

南海夏季风变化及其与全球大气和海温的关系

本文分析了1948～2006年南海夏季风的年际变化, 讨论了南海夏季风与全球气象要素场如环流、相对湿度、海表温度 (SST) 等的关系。结果表明: 南海夏季风与全球各物理量之间有较好的大范围统计相关。选出了10个强南海夏季风年, 8个弱南海夏季风年, 利用合成分析研究了季风强、 弱年的环流和SST特征及其差异, 结果表明南海夏季风强弱年各特征量之间存在显著差异。尤其表现在SST上, 强弱季风年不仅在夏季东印度洋－西太平洋区域有明显差异, 并且前期春季此区域的SST与南海夏季风有持续的显著负相关, 可以作为南海夏季风强度变化的一个预报因子。     

QBO 与南海夏季风爆发的关系

利用1979—2001 年ECMWF 再分析资料和NOAA 海温资料,通过相关分析和合成分析等统计方法,分析了平流层准两年周期振荡(QBO)与南海夏季风建立时间的关系。结果表明,QBO 位相与南海夏季风爆发时间有显著的相关关系:超前南海夏季风爆发约18 个月的QBO 西(东)风位相对应着季风爆发时间偏早(晚)。QBO 与南海夏季风爆发的联系要比ENSO 与南海夏季风爆发的联系更密切。      

A climatological study on the role of the South China Sea monsoon onset in the development of the East Asian summer monsoon

The unique role of the South China Sea summer monsoon (SCSSM) onset process in the development of the East Asian summer monsoon (EASM) is demonstrated in this study. The SCSSM onset process is examined in terms of the vertical linkage between the Western Pacific subtropical high (WPSH) and the South Asian high (SAH). A composite analysis is performed in order to adequately describe the vertical linkage in a synoptic timescale. The South China Sea (SCS) is a key region for the seasonal migrations of the WPSH and the SAH, with the former retreating northeastward, the latter advancing northwestward, and both taking place over the SCS during the SCSSM onset period. The SCSSM onset process is characterized by a significant change in the relative configuration of the ridge lines of the WPSH and the SAH. Just prior to the onset period, the ridge lines intersect vertically over the SCS, thus prohibiting convective activities. During the onset period, the ridge line intersection moves away from the SCS due to the retreating WPSH and the northward shift of the SAH ridge line. This coincides with the emergence of monsoonal convective activities over the SCS and the establishment of a moisture channel from the tropics, which in turn provides favorable conditions for the development of deep convective activity. The northeastward intrusion of the lower level southwesterlies and the moisture supplying channel are closely related to the development of a preexisting twin cyclone in the Bay of Bengal. The northeastward lower level southwesterlies form a monsoonal ascending motion in the SCS, which further merges upward into the northeasterlies to the south of the SAH ridge line. This is a signature of the establishment of the local Hadley circulation, which marks the beginning of the EASM. The frontal system is the most frequent attendant synoptic event during the SCSSM onset. From the viewpoint of synoptic process, the SCSSM undergoes a two-stage onset process which is characterized by the southward intrusion of the frontal system in the earlier stage and the outbreak of the tropical convection in the later stage. The frontal system may act as a trigger for the outbreak of the tropical convection in the later stage. The burst out of the monsoonal convection over the SCS is essential for the breakdown of the vertical intersection between the WPSH and the SAH therein.     

春季对流层温度的季内和季节以上分量对南海夏季风爆发的年代际变化的相对影响

南海夏季风爆发时间在1993/1994年出现显著的年代际提早, 探讨了大气要素场的不同时间尺度分量季节演变的年代际变异对南海夏季风爆发时间的年代际变异的相对影响作用。南海夏季风爆发时间的年代际提早与南海季风区对流层经向温度梯度季节性逆转的年代际提早有密切联系。南海季风区5月中对流层经向温度梯度年代际增强主要由季风区北部温度的年代际显著增暖造成。季内分量和季节以上分量对1993年之前南海季风区经向温度梯度逆转及加强时间偏晚的作用同等重要。经向温度梯度距平的季节以上分量主要源于季风区北部温度相应分量的贡献, 而季节内分量则主要由南部相应分量影响所致, 并由25~90 d分量所主导。季节以上分量对1994年之后南海季风区经向温度梯度逆转及加强时间偏早的贡献要大于季节内分量的贡献。经向温度梯度距平的季节以上分量和季内分量对总距平的正贡献都主要来自于季风区北部温度相应分量。两种季内低频分量对温度梯度季内分量的贡献率相当, 10~25 d分量主要由南海北部温度相应分量所主导, 25~90 d分量对总距平的正贡献也源自北部分量。准双周振荡分量对各年代南海夏季风爆发具有明显的触发作用。      

南海夏季风爆发与大气对流低频振荡的年际变化

根据1980～1991年云顶黑体温度（TBB）相位和强度的变化确定了南海夏季风爆发的时间,分析研究了夏季风爆发期间TBB场和850hPa风场的变化过程及其与海温的关系。结果表明:南海夏季风爆发平均时间是5月第4候,它爆发的时间和强度有显著的年际变化,并与大气的低频振荡及前期海洋的热力状况有密切关系。南海夏季风爆发早年（4月第6候）,副热带高压较弱,撤离南海较快,从赤道东印度洋到赤道西太平洋,大气对流活动较强,夏季风爆发南海早于孟加拉湾,季风爆发时90～100°E区域过赤道气流显著加强。夏季风爆发晚年（6月第1候）情况相反。南海夏季风爆发早晚与大气30～60天振荡到达南海的位相有关,前冬和早春南海海温的高低和4月中旬至5月中南半岛强对流区的出现时间,是南海夏季风爆发年际变化的前期征兆。根据前冬南海海温预测1998年南海夏季风爆发的时间和强度与实际相符。     

南海夏季风爆发早晚的越赤道气流特征

根据国家气候中心提供的南海夏季风爆发期典型偏早(1966、1972、1996、2000、2001年)和偏晚年份(1970、1973、1987、1989、1991年),利用ECMW F再分析1~5月逐日经向风资料,计算5个通道越赤道气流和越赤道乞流总量的距平值;探讨越赤道气流与南海夏季风爆发早晚的关系与特征。为预测南海夏季风爆发早晚提供判据。     

东亚夏季风次季节变化研究进展

东亚夏季风次季节（10~90 d）变化是中国夏季持续性强降水、高温热浪等高影响天气事件的重要环流载体,处于天气预报上限和气候季节预测下限之间的预报过渡区。研究表明:东亚夏季风次季节变化是东亚夏季风的固有物理特征,它和季节进程之间的时间锁相关系是东亚夏季风次季节变化潜在可预报性的重要来源。东亚夏季风次季节变化与Madden-Julian振荡（MJO）存在显著差异,试图通过MJO来预测东亚夏季风次季节变化的不确定性较大。东亚夏季风次季节预测的另一重要来源是下垫面外强迫,包括欧亚大陆春季积雪、中国东部春季土壤湿度和厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）事件。此外,去趋势偏-交叉相关分析统计方法能够分析东亚夏季风多因子和多时间尺度问题。目前,亟需解决的科学问题包括:东亚夏季风次季节模态的客观定量描述、造成东亚夏季风次季节模态年际变化的关键物理过程、不同外强迫因子对东亚夏季风次季节模态的共同影响。