青藏高原春季地表感热异常对西北地区东部降水变化的影响

利用青藏高原地区代表站点的实测地表热通量数据、JRA-55和NCEP再分析资料以及中国西北地区东部代表站点的降水资料等数据,通过波文比分析、奇异值分析(下称SVD)以及环流场的合成分析等方法,研究了青藏高原地区春季地表加热场异常与同期中国西北地区东部降水变率的关系,结果表明:(1)高原春季波文比值的变化反映出高原地表的非绝热加热中,春季感热加热的贡献较为显著,是高原春季地表加热的主要成分;(2)SVD分析表明,春季高原地表感热的异常与同期中国西北地区东部的降水存在负相关关系,春季高原地表感热增强的年份,中国西北地区东部的春季降水减少;(3)春季地表感热强-弱年的高原周边垂直环流偏差场表明,春季高原地表感热的年际异常增强(减弱)会引起高原周边地区的垂直环流场上升气流的减弱(增强);(4)相对涡度场、位势高度场、风场和水汽通量散度场的合成分析表明,春季高原地表感热偏强的年份,中国西北地区东部对流层高层以正涡度和气流的辐合运动异常为主,中低层以负涡度和辐散下沉运动异常为主,因此中国西北地区东部春季的水汽辐合由低层向高层逐渐减弱,不利于春季降水的发生。     

春夏东亚大气环流年代际转折的影响及其可能机理

本文通过多变量联合经验正交分解(MV-EOF)方法揭示了近30年(1979~2010年) 春季和夏季东亚大气环流所发生的年代际转折及其与中国南方降水年代际季节反相变化的内在联系,探讨了局地性大气热源年代际变化影响东亚大气环流年代际转折的可能机理.结果表明:(1)东亚大气环流春季第一模态和夏季第二模态在90年代中期都发生了明显的年代际转折;(2)与春季大气环流第一模态和夏季大气环流第二模态年代际转折相对应的是中国南方降水明显的年代际季节反相变化,即春季降水年代际减少,夏季降水年代际增多;(3)春季青藏高原和夏季贝加尔湖地区大气热源年代际变化对东亚大气环流年代际转折有一定贡献,是造成中国南方降水年代际季节反相变化的直接原因;(4)春季青藏高原大气热源的年代际减弱,使得高原东南侧的西南风减弱,导致中国南方上空水汽输送不足,春季降水减少.夏季贝加尔湖大气热源偶极型分布由“南负北正”转变为“南正北负”,由此在贝湖上空激发高压异常,使得夏季雨带北进受阻而停滞南方,造成中国南方夏季降水增多.     

青藏高原积雪时空变化特征及年际异常成因

利用国家气象信息中心提供的日积雪深度的台站观测资料以及JRA55提供的大气环流再分析资料,分析了1961 2013年前冬(11月至次年1月)和后冬(2 4月)青藏高原中东部地区积雪深度(以下简称积雪)的时空变化特征,探究了影响高原中东部整体积雪异常和年际变化的环流形态及水汽条件。结果表明,高原积雪以显著的年际变化和年代际变化为主,在空间分布上具有明显的不均匀性,海拔越高,积雪的年际变率越大。不论前冬还是后冬,高原中东部积雪最主要的变化形势均为全区一致型。1961 2013年前冬和后冬积雪无明显的长期变化趋势,前冬的积雪在1996年以前显著增加,1996年以后转为减少趋势。从高原积雪年际变化的成因来看,前冬积雪很可能同时受北极涛动和高原附近位势高度年际变化的主导,后冬积雪受高原附近位势高度变化的主导,并受北极涛动年际变化的调节。当高原积雪偏多时,阿拉伯海到青藏高原以东地区的位势高度偏低,导致南支槽活跃,高原南侧西风急流加强,槽前携带的水汽增加,副热带高压偏北偏强同时其外围携带的水汽增加;贝加尔湖脊加强有利于引导冷空气南下,冷空气和暖湿空气在高原东部交汇使得高原中东部降雪和积雪增加。     

20世纪90年代初东亚夏季风的年代际转型

利用1979—2009年JRA-25和NCEP/NCAR再分析资料,通过复矢量经验正交方法揭示了东亚地区夏季850 hPa风场变率的优势模态。结果表明:两套再分析资料所揭示的东亚夏季风在20世纪90年代初均发生了年代际转型,与我国夏季降水的年代际转型时间一致。伴随着东亚夏季风的年代际转型,我国北方大部分地区夏季降水减少,尤其是我国东北北部和长江、黄河之间105°E附近区域显著减少,而华南地区和淮河流域降水显著增加。从动力上解释我国夏季降水年代际转型特征,夏季500 hPa高度场两个时段 (1993—2009年和1979—1992年) 的差值分布显示为欧亚大陆北部准纬向遥相关波列,夏季850 hPa风场差值分布表现为贝加尔湖东南侧和日本以南地区存在两个异常反气旋式环流,而我国南方地区和鄂霍次克海附近均为异常气旋式环流。夏季西北太平洋、北印度洋以及部分中高纬度海洋的海温和春季欧亚大陆积雪在20世纪90年代初出现显著变化,春季北极海冰的年代际转型发生在20世纪90年代初,都可能成为东亚夏季风年代际转型的原因。     

华北汛期降水量变化中年代际和年际尺度的分离

华北地区汛期(7月和8月)降水量的变化中,不仅具有年际变化的特征,同时还具有明显的年代际变化特征.我们将这两种时间尺度进行分离,即将降水量的变化进行5年滑动平均,以滑动平均值代表年代际变化,并以每年的汛期降水量与滑动平均值的差代表去除了年代际变化后的年际变化.然后,利用NCAR/NCEP再分析资料对与这两种不同时间尺度相关联的大气环流异常进行了分析,发现两者具有不同的表现,说明影响这两种不同时间尺度的物理原因可能是不同的.与年代际变化相对应的大气环流异常主要表现为出现在我国东部地区的南北风异常以及欧亚大陆上空的位势高度异常.若对这两种时间尺度不进行分离,而直接按讨论年际变化的一般方法简单地分析与年际变化相关联的大气环流异常时,所得到的分析结果中既包含与华北降水年代际变化相关联的大气环流异常,又包含与去除年代际变化后的年际变化相关联的大气环流异常.而除去年代际变化后,与华北汛期降水年际变化相关联的大气环流异常主要表现为在东亚上空位势高度和纬向风的异常,意味着急流在涝年位置偏北.     

近55年广州霜冻的年际和年代际变化特征

采用趋势分析、小波分析等统计方法,分析1951～2005年广州霜冻天气的年际和年代际变化,并对异常年景的500hPa环流场进行合成分析。结果表明,1980年代至今广州霜冻天气呈锐减趋势,初霜日略有推迟,终霜日提前,霜期明显缩短;近55年来广州霜冻天气具有准2～3年的年际和准13年的年代际变化周期。巴尔喀什湖-贝加尔湖附近的位势高度偏高(低)、东亚大槽较深(浅)、有(不)利于引导冷空气南下,导致广州的霜冻天气偏多(少)。     

青藏高原东部牧区春季雪灾天气的形成及其预报

对青藏高原东部牧区1967～1996年30a中春季发生的成灾性降雪天气过程进行了较为详细的分析。发现有45％的成灾性降雪过程与该地区的低涡天气系统有关。在归纳总结高原春季降雪天气形成的3种环流模型的基础上，重点分析了通常情况下高原切变线对高原低涡发生发展所起的主要作用。即高原切变线西南段区域内为上升运动区且气流的气旋性涡旋处于发展阶段，切变线东北段区域内为下沉运动区且气流的反气旋性涡旋处于发展阶段，是低涡形成的前期条件；高原切变线附近的流场有利于将周围水汽聚拢，使低涡系统得到持续不断的水汽供给，其中负的水汽通量散度扰动中心位于切变线中段南侧，形成水汽汇，正的水汽通量散度扰动最大值部分位于切变线西南段南侧，是低涡水汽的主要来源。中还给出了高原部分测站降雪量、最低气温的预报方程，可供有关预报人员参考。     

夏季北大西洋三极型海温异常与中国西南地区气温年际变化的联系

利用1951—2016年Hadley中心海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和全国160站气温资料，研究了夏季北大西洋三极型海温异常与中国气温年际变化的联系及可能机制。结果表明，夏季北大西洋三极型海温异常与同期中国西南地区气温年际变化存在显著的负相关关系。夏季北大西洋“-+-”三极型海温异常激发的北半球中高纬欧亚遥相关波列，引起贝加尔湖地区位势高度升高，产生反气旋性环流异常，并引起东亚地区位势高度降低，产生气旋性环流异常。西南地区在对流层中下层位于贝加尔湖异常反气旋性环流的东部和东亚异常气旋性环流的西部，在两者的共同作用下，受异常偏北气流影响，有利于冷空气南下和堆积。与此同时，对流层高层的东亚副热带西风急流位置偏南，西南地区位于急流南侧的异常上升气流中。此种环流形势配置导致中国西南地区气温降低，反之亦然。     

东亚中纬度夏季陆面增暖与土壤湿度异常的联系

利用1979—2015年ERA-Interim再分析土壤湿度、云量资料,NCEP/NCAR再分析环流资料和CPC土壤湿度资料,分析了东亚中纬度夏季陆面热力异常的时空分布特征及其与前期春季土壤湿度异常的联系,探讨了前期春季土壤湿度影响东亚中纬度夏季陆面增暖的可能途径。结果表明,东亚中纬度夏季土壤表层温度呈全区一致增暖趋势,其中贝加尔湖及以南地区温度变化最剧烈、增暖最迅速,且1990年代中期前后存在一个明显由冷向暖的年代际转变。进一步分析发现,春、夏季西西伯利亚到贝加尔湖北部地区的土壤湿度与夏季贝加尔湖及以南地区的土壤表层温度在年代际和年际尺度上均存在紧密联系:西西伯利亚到贝加尔湖北部地区土壤湿度异常偏高,通常对应贝加尔湖及南部地区夏季土壤表层温度偏高。西西伯利亚到贝加尔湖北部地区春、夏土壤湿度异常可以引起夏季大气环流异常,从而对东亚夏季中纬度陆面热力异常产生影响:春、夏土壤湿度偏高时,贝加尔湖及其南部地区上空位势高度为正异常,对应为反气旋性异常环流,云量减少,有利于东亚中纬度陆面增暖;反之,则对应为气旋性异常环流,不利于陆面增暖。     

近50年华北干旱的年代际和年际变化及大气环流特征

利用1948～2000年NCEP/NCAR再分析逐日及月平均位势高度、风、温度、垂直速度等物理量和中国气温、降水资料,分析近50年中国华北地区干旱的年代际、年际变化及其环流特征,并探讨1999和2000年华北地区持续干旱环流型及其成因.研究指出:20世纪80年代以来华北地区降水持续偏少,干旱强度有所增加,这与夏季200 hPa矢量风距平场亚洲中纬度西风环流加强,850 hPa风矢量距平场中国东部110～120°E范围内偏南气流比气候平均状况偏弱有关.夏季华北降水偏少的一种主要大气环流型是:500hPa位势高度场上40～50°N的欧亚大陆位势高度偏高并叠加欧亚(EU)遥相关型,华北大部分地区受高压控制.1999和2000年夏华北地区持续严重干旱的主要环流特征是:亚洲大陆高压持续发展、长期维持并相当稳定,华北地区上空受闭合暖性高压控制,高空暖性高压气流强烈下沉,引起空气绝热增温,近地面感热增加使得干旱区气温升高,下垫面非绝热强迫作用与大陆暖高压加强形成正反馈过程.     

夏季长江中下游地区降水持续性年(代)际变异及其与环流和Rossby波活动的联系

旱涝异常不仅与降水的频次和强度有关,在多种时间尺度上,其与降水的持续性亦存在较好的对应关系。基于1979～2013年6～7月中国东部249站点逐日降水资料及ERA-interim逐月再分析资料,研究了长江中下游地区近35年降水持续性的长期变化及其相联系的大尺度环流型和Rossby波能量频散特征。结果表明:近35年长江中下游地区降水时段平均持续时间变短而无雨时段变长,体现出了降水持续性的减弱趋势。进一步研究发现,该趋势变化与长江中下游地区在1980和1990年代持续性降水事件偏多,而在2000年以后偏少的年代际变化有关。在年代际和年际尺度上,与长江中下游地区降水持续特征变异相联系的异常环流型在我国东南部及南海地区分布较为类似,而在偏高纬度和偏低纬度地区存在较大差异。相似之处在于:在两个时间尺度上,在对流层中高层均存在显著的反气旋性环流控制我国东南部地区,而在中低层均存在由海洋向长江中下游地区的气流辐合,并在高层由长江中下游地区向海洋辐合。不同之处是:年代际尺度上,自对流层低层到高层在乌拉尔山以东及蒙古地区分别存在反气旋性环流和气旋性环流,且赤道印度洋地区的对流层中低层存在显著的气旋性环流;而在年际尺度上,由低层到高层位于贝加尔湖东、西侧均为反气旋性环流异常,但海洋性大陆的东北部,低层出现向长江中下游地区辐合的气流的源,高层则为由长江中下游地区向低纬度地区辐合的气流的汇。Rossby波扰动能量频散特征在年代际和年际尺度上亦呈现出明显的差异。年代际尺度上,中纬度地区自大西洋至蒙古地区存在一个正—负—正—负的Rossby波列,波能东传,对长江中下游地区产生影响,而在中低层,自低纬地区向长江中下游地区的波能传播相对较弱;在年际尺度上,影响长江中下游地区降水的Rossby波活动的局地性特征更为明显。在低层,波扰能量经由南海向长江中下游地区传播更明显,而在对流层高层源于贝加尔湖西侧的波扰能量传播相对较强。这些结果有助于深刻认识长江中下游地区降水的异常持续及与之相联系的洪涝灾害的形成机理。     

青藏高原不同海拔地表感热的年际和年代际变化特征及其成因分析

利用1961-2014年中国气象观测站逐日常规资料,分析了在不同季节和不同海拔上,青藏高原地表感热的气候态特征以及热量拖曳系数和密度对地表感热计算的影响,并研究了高原地表感热在年际、年代际以及趋势变化上的时空分布特征;最后定量研究了表面风速与地气温差在年际和年代际时间尺度上对地表感热变化的相对贡献。结果表明,使用实际密度和常热量拖曳系数的总体动力学公式计算的地表感热最为合理;总体来说高原地表感热随着高度上升而增加,春季最大,秋季与冬季最小;空间分布上,春季高原东南部大北部小,夏季南部小北部大。春季年际、年代际地表感热经验正交函数分解第一模态空间型分别具有高原南北反向分布和高原主体与其东北反向分布的特征,夏季与之相似。高原整体而言,20世纪60-70年代末(春季)或70年代初(夏季),地表感热增加,其后至21世纪00年代初地表感热下降,之后又上升。在显著下降的1979-2003年间,春夏两季地表感热变化趋势分布均呈一致性的减弱,其中南部减弱最为显著。平均而言,在年际时间尺度上,表面风速对地表感热的贡献与地气温差对地表感热的贡献大小相当;而在年代际时间尺度上,表面风速对地表感热的贡献大于地气温差对地表感热的贡献。     

春季次天气尺度气旋年际变化对江淮地区降水的影响

基于1979—2013年ERA-Interim逐日6 h的850 hPa位势高度场资料,利用气旋最外围闭合等值线自动识别方法提取了春季影响江淮地区的二维气旋集,研究了次天气尺度气旋活动年际异常与江淮地区降水异常的联系。结果表明:次天气尺度气旋活动对江淮大部分地区春季降水作用明显,贡献率达25%以上,次天气气旋活动出现对应显著的区域对流层低层气旋式涡旋和辐合运动,为局地降水增强提供了有利的动力条件。次天气尺度气旋强度的年际变化与春季江淮地区东南部降水异常及强降水频次存在显著正相关关系。当江淮地区次天气尺度气旋增强时,青藏高原至中国长江中下游地区出现异常的倒槽型环流,有利于江淮地区形成气旋式环流异常;同时,随着南方地区西南暖湿气流增强,对流层下部大气斜压性增强,促进了江淮地区次天气尺度气旋活动增强。春季青藏高原地区气柱异常加热,引起对流层低层位势高度降低,促进了南方地区西南风加强,导致江淮地区次天气尺度气旋活动增强。     

华北夏季降水的年代际趋势突变及其可能成因

介绍了一种最新的分段线性拟合检验气候变化趋势突变点的方法,并利用该方法对1968-2000年华北地区夏季降水年代际时间尺度的趋势突变点进行了检验,结果表明在年代际时间尺度条件下,华北夏季降水在1977年前后发生了趋势突变,500 hPa位势高度距平场在突变前后基本上呈“反向”分布。与趋势估计方法比较,分段线性拟合方法可以明确地给出趋势突变点的位置,物理意义更加合理,具有较大的优越性。分析年代际趋势突变前后水汽输送和地面感热通量的变化,发现突变前后,中国东部的西南水汽输送由强转弱,而突变前后春、夏季地表感热通量的变化使得大陆东南部的海陆热力差异由强转弱,可能导致东亚夏季风环流由强变弱,进而削弱华北的水汽输送,使华北夏季降水出现减少趋势。     

塔里木河流域夏季降水年际和年代变化的环流异常

基于1961-2020年夏季（6-8月）NCAR/NCEP再分析资料和塔里木河流域（简称“塔河”）38个气象站降水资料,使用5年滑动平均分离出塔河夏季降水年代际和年际变化,选出了典型的年际变化的干年和湿年与年代际变化的干期（1963-1986年）和湿期（1989-2018年）,分析了与这两种时间尺度变化相关联的大气环流异常。结果表明,两者的变化不同,影响两者变化的大气环流不同。影响年代际变化的大气环流异常主要表现在欧亚大陆对流层从西北至东南交替出现正负位势高度异常中心,在湿期塔河东部和西部分别出现明显的东风和西南风异常,水汽主要由西北太平洋和印度洋输送至塔河,在干期则与之相反;影响年际变化的大气环流异常主要表现为在塔河东部和西部对流层分别为反气旋异常和气旋异常,在多雨年从南北方向向塔河输送的水汽增多,北风水汽通量异常向流域输送较多,南风水汽通量异常向流域输送较小且主要集中在流域西部,水汽主要由北冰洋洋和印度洋输送至塔河。在干年则与之相反。     

东移西南低涡空间结构的气候学特征

对1991～2004年夏季（6～8月）西南四川盆地的低涡活动进行统计分类,比较分析了移出型和停滞型两类西南低涡生成初期的合成环流场,总结出影响低涡东移的三维环流结构的气候学特征：东亚中纬度地区对流层中高层的冷空气入侵造成中高层气温偏低,位势高度降低,伴随冷偏差中心南侧20°N～30°N由对流层顶至850 hPa都出现偏强西风,最大的西风偏差位于长江下游地区上空200 hPa。一方面,高层风速差异的纬向梯度加强了长江中游地区的高空辐散,在西南低涡东部形成有利于降水和气旋性环流发展的动力抬升机制。另一方面,对流层低层的西风偏差在青藏高原南麓至我国东部长江以南形成一条异常的水汽输送带,加强了低涡南侧的偏西风水汽输送作用,为低涡东部的降水潜热反馈作用提供了充足的水汽。西南低涡在这样有利的环流形势和水汽条件下更容易移出盆地。     

关键区海温年代际异常对我国东部夏季降水影响

利用1931—2010年UKMO HADISST1全球月海表温度、NOAA再分析资料及我国东部96个站月降水量资料,使用REOF,SVD及合成分析等方法探讨了关键区冬季海表温度 (SST) 年代际异常对我国东部夏季降水的影响。结果表明:当冬季黑潮区SST年代际异常处于正位相时,夏季500 hPa中高纬度地区位势高度呈“+-+”距平分布,西风带经向环流盛行,西太平洋副热带高压加强、西伸;850 hPa风场距平场上,北方地区为反气旋性异常控制,南海上空为异常偏南气流,这样的环流配置有利于我国东部夏季多雨带出现在长江中下游地区;当冬季南印度洋偶极子 (SIOD) 年代际异常处于正位相时,夏季500 hPa中高纬度地区位势高度为正距平,阻塞形势发展,经向环流盛行,有利于冷空气南下,西太平洋副热带高压强度偏强,位置略偏南、偏西;850 hPa风场距平场上,北方地区为一反气旋性异常控制,异常偏北气流延伸至我国南方地区,索马里越赤道气流偏强。这种环流配置使得副热带锋区偏南,夏季多雨带位于华南及东南沿海地区。     

安顺地区暴雨日数年际变化的气候特征

利用1979—2009年31 a安顺地区（安顺、平坝、普定、镇宁、关岭和紫云）6站的降水资料,统计分析6站暴雨日数和暴雨量的变化特征,提取代表安顺地区的代表站,对其进行统计分析,得到安顺地区暴雨日数年际变化的气候特征。安顺地区暴雨日数的在20世纪80年代末—90年代末期间具有明显的3～5a的年际震荡,并在90年代初达到峰值。安顺地区暴雨偏多年在高低空环流、风场和能量场配置的主要特征为：700hPa和500hPa高低空位势高度配置一致,位势高度在中高纬度出现＂东高西低＂的走势,安顺地区位于异常低涡的东南部,西太平洋副热带高压的西部,这样来自异常低涡东南侧的冷空气与来自海洋北上的暖湿气流在此交汇,利于底层切变线和准静止锋的建立;安顺地区位于高空偏西急流的右前方的出口处,低空西南急流右前方的出口处和低空东南急流左前方的出口处,这种高低空急流的配置非常有利于暴雨区垂直上升运动的产生;安顺地区及其附近区域对流不稳定较强,利于对流不稳定能量的积累,从而使对流不稳定区域易出现强对流系统,对安顺地区的不稳定能量的储存和释放十分有利。     

春季青藏高原东部热力异常与东亚夏季风关系的年代际变化

利用1948-2002年NCEP/NCAR逐日再分析及月平均资料,分析了春季青藏高原地区大气热源的气候分布和高原东部大气热源的年代际变化特征及其异常与东亚夏季大气环流关系的年代际变化.结果表明:春季青藏高原东部大气热源在1965年存在加强突变,且1970年以后热源加强趋势十分显著.此外,春季青藏高原东部大气热源异常与东亚夏季风强弱具有年代际关系,表现为1977/1978年前春季高原东部大气热源与东亚夏季风存在负相关关系,1977/1978年后两者的关系不明显.     

华南春季降水的年代际变化及其与大气环流和海温的关系

利用1960—2010年中国降水资料、NCEP/NCAR再分析资料、NOAA提供的海表温度资料以及太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)指数,分析了华南春季降水的年代际变化特征及其与大气环流和海温的关系。结果表明:华南春季降水经历了偏少(1960—1971年)—偏多(1972—1992年)—次偏少(1993—2010年)三个阶段。第一阶段少雨期,500 hPa上西风气流较平直,不利于北方冷空气南下,华南地区的暖气团也不活跃,对应的水汽通量散度为异常辐散。第二阶段多雨期,500 hPa高度上,高原北部脊偏强,利于冷空气南下,与华南地区活跃的暖湿气团汇合,对应的水汽场上为水汽异常辐合。第三阶段少雨期,500 hPa西风气流上的槽脊系统偏强,利于北方强冷空气南下,孟加拉湾地区的南支槽填塞,南方暖湿空气向华南的输送减弱。华南春季降水与PDO指数存在正相关关系,从不同季节来看,在年代际时间尺度上,前期秋季的PDO指数与华南春季降水的正相关显著,PDO处于负位相时,华南春季降水偏少,反之亦然;从华南春季降水年代际变化的不同阶段来看,PDO指数与华南春季降水的正相关在1960—1971年少雨期较显著。