春夏季青藏高原积雪对中国夏末秋初 降水的影响及其可能机制

本文首先利用最大协方差分析方法,探讨青藏高原积雪与中国降水之间的联系,发现中国夏末秋初（8～10月,简称ASO）降水与前期及同期高原积雪有着显著联系,当春夏季青藏高原西部多雪时,其后ASO中国长江及其以南地区多雨,而东部沿海的狭长区域少雨。进一步引入最大响应估计等方法,研究中国区域降水对高原积雪异常的响应及其可能的物理机制,结果表明,冬春季高原多雪异常可持续到夏季,并通过改变地表热力状况,导致ASO南亚高压减弱,同时在高、低空激发出两支波列:高层200 hPa波列沿中高纬西风急流传播,自高原经蒙古到达日本呈现明显的“负—正—负”位势高度异常传播,日本上空为气旋性异常环流;低层850 hPa波列起于高原,经孟加拉湾至中国南海,沿着西南气流传播,导致台湾附近的反气旋性异常环流,其西侧的偏南气流,将南海丰富的水汽输送至中国南部湖南、广西;而高层中心位于日本的气旋性异常环流西侧的偏北气流利于北方天气尺度扰动向南移动,它们为长江中下游及其以南地区多雨提供了有利条件。进一步计算定常波波数也表明,高层西风急流与低层西南季风气流作为波导,有利于高原上空的扰动沿着高、低空2支通道向东传播。由于东部沿海浙江、福建为正位势高度异常区,低层反气旋性异常环流则抑制了该区域的降水。     

气温变化对中国夏季云水量的影响

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的1979-2016年ERA-Interim再分析资料分析了中国4个地区夏季大气水循环变量和气温时空特征,并通过相关分析、SVD方法及环流场合成分析进一步揭示了气温变化对云水含量的影响。结果表明:中国夏季云水含量空间分布从东南向西北减少。高原区云水含量与气温正相关,其他地区为显著负相关。西北地区升温使西风带水汽输送减弱和蒙古东部异常反气旋环流维持,北方地区升温使东北至蒙古异常反气旋和东南沿海异常气旋维持,西北太平洋副热带高压(副高)东撤,二者均使200 hPa西风急流减弱,水汽输送和上升运动减弱,云水含量减少。南方地区升温使黄海异常反气旋和南海异常气旋维持,副高东撤,200 hPa西风急流偏北,不利于水汽输送和上升运动,云水含量减少。高原地区升温使西风带南支和高原西部异常气旋加强,副高西伸北抬,高原北侧西风急流和南亚高压增强,促进水汽输送和低层辐合上升,使云液水含量增加。     

青藏高原冬春积雪异常对中国东部夏季降水频次和强度变化的影响

基于多种大气再分析和降水资料、青藏高原台站、卫星观测等高原冬春积雪资料,采用合成分析、相关分析、回归分析等多种数理统计以及理想数值模拟试验等方法,分析了青藏高原冬春积雪异常与中国东部夏季降水频次和强度变化的关联及可能原因。分析表明：（1）基于站点观测的高原积雪年际变化特征显著,大气再分析数据、卫星反演资料分析呈现出一致性变化趋势。（2）高原积雪异常对中国夏季降水频次与强度分布的影响具有显著的空间差异。高原冬春积雪偏多,使得我国华北、长江中下游地区夏季降水发生频次增加,但华北中雨和小雨类型的增加占比较大,而长江中下游地区则主要表现为大雨和暴雨发生频次增加的贡献。（3）积雪异常偏多年,高原热源作用减弱,500 hPa位势呈现清晰的“负—正—负”异常波列结构,西风急流位置偏南并加强,副高脊线偏南。在上述环流条件下,西北太平洋异常反气旋北侧的气旋性环流使得水汽输送停滞在长江中下游流域,伴随大气垂直运动增强,导致该区域强降水的强度增强、频次偏多;华北地区受“鞍型”场环流结构控制,虽然较小量级降水频次增加,但水汽输送较弱,降水强度变化不显著。上述研究结果,可为高原积雪异常相关的中国夏季降水变化及其...     

中国东部夏季主要降水型与高原春季热力因子间的关系

采用中国地面气象观测站2 474个站的降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,利用经验正交函数展开、相关分析和小波分析等方法,探讨了中国东部夏季主要降水型与春季高原大气视热源之间的可能相关特征,并初步分析了前春高原大气加热对东部夏季降水异常分布的影响机制。降水EOF分析表明,中国东部夏季降水主要分为:华南—江淮型和长江中下游型;相关和周期分析表明,300 hPa和400 hPa高原南部地区、500 hPa高原北部地区视热源与华南—江淮降水型之间相关显著,3个区域视热源均与华南降水呈负相关,且与江淮降水呈正相关;200 hPa高原偏北地区、500 hPa高原东部地区视热源与长江中下游地区降水呈负相关,而500 hPa高原西部地区视热源则与长江中下游降水呈正相关关系。以上春季高原不同高度关键区域的视热源可为预报夏季降水提供重要判据;从视热源与各个降水中心的相关特征可见,春季高原上空视热源加热场结构会影响中国东部夏季雨带南北位置的分布情况。由春至夏高原加热的"气泵"作用,使得由孟加拉湾和南海地区水汽输送经高原东部地区后,折向东输送至中国大陆东部地区。加热偏强时,水汽向北输送分量加强,雨带偏北,降水"南少北多",反之亦然。     

西北中部夏季降水主要空间型及环流特征

利用西北地区中部55个站点1961—2015年夏季降水资料、NCEP/NCAR再分析资料及统计诊断方法,分析了西北地区中部夏季降水异常模态及同期大气环流特征和水汽输送条件。结果表明:西北中部夏季降水存在三类主要空间模态:全区一致型、东西反相型及类似"三明治"型。进一步分析表明,造成降水不同空间模态的环流和水汽条件不同:全区一致降水正异常时,副热带西风急流中心偏东,乌拉尔山阻塞高压偏强,水汽主要来源于孟加拉湾、南海和热带太平洋北上的水汽输送,同时在西北中部大范围地区有明显的水汽辐合;东多西少型降水正异常对应"丝绸之路"遥相关型环流,中亚增强的反气旋性环流提供了较强的冷空气,西北太平洋地区反气旋性环流南侧的偏东风输送水汽,在甘肃东部地区形成较明显的水汽辐合;类似"三明治"型降水正异常对应欧亚中高纬环流为北高南低型分布,贝加尔湖南侧低槽加强提供了西风异常,而水汽主要源自孟加拉湾向高原东侧的输送,在青海南部形成明显的水汽辐合,以致青南牧区降水偏多。综合分析表明,三种主要模态的冷空气条件和水汽来源具有明显差异。     

南疆夏季降水异常的环流和青藏高原地表潜热通量特征分析

利用1980—2004年NCEP/DOE新再分析月平均资料及我国225个测站1980—2004年月降水量资料,通过诊断分析,研究了南疆夏季降水异常的环流和高原地表潜热通量特征。结果表明:南疆夏季降水偏少年,南亚高压西部偏强,西风急流位置偏北,500 hPa中高纬环流经向度减弱,伊朗高压偏北、偏东,西太平洋副热带高压偏西、偏南;降水偏多年则相反。南疆夏季降水偏少年,高原北部和南疆地区为下沉的垂直环流距平,Ferrell环流增强;降水偏多年则相反。南疆夏季降水偏少年和偏多年的前期冬春季开始孟加拉湾、青藏高原和南疆地区地表潜热通量具有相反的变化,南疆夏季降水与高原北部地表潜热通量呈显著正相关,与南部地表潜热通量呈反相关关系。     

青藏高原和热带印度洋5月热力异常与新疆夏季降水的关系

基于1979-2017年美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的海表温度资料和美国国家环境预测中心(NCEP)/美国国家大气研究中心(NCAR)提供的大气环流再分析资料以及青藏高原地区149个站点观测资料计算的地表感热通量和新疆气象信息中心提供的全疆81站逐月降水资料等,研究了5月青藏高原和热带印度洋加热对新疆夏季降水的单独影响和共同影响。结果表明:5月高原感热和印度洋海表温度的异常呈较好的持续性,异常可持续至夏季。奇异值分解(SVD)分析发现5月高原东部(90°E为界)感热与新疆北部及塔里木盆地西南部夏季降水呈显著负相关,热带印度洋海温与塔里木盆地西部夏季降水呈显著正相关。当仅考虑高原感热影响时,高原东部感热偏强(弱)时,对应北疆夏季降水将偏少(多);当仅考虑热带印度洋海温影响时,海温偏暖(冷)时,塔里木盆地西部地区夏季降水偏多(少)。当高原感热和热带印度洋海温均偏强(弱)时,北疆夏季降水将偏少(多),南疆夏季降水将偏多(少)。当高原感热偏强(弱),热带印度洋海温偏弱(强)时,中亚副热带西风急流位置偏北(偏南),中亚和贝加尔湖地区上空分别为异常反气旋(异常气旋)和异常气旋(异常反气旋)控制,新疆上空盛行偏北(南)风,同时热带印度洋水汽不能(能)输送至新疆上空导致新疆夏季降水偏少(多)。     

欧亚中高纬冬季地表感热异常与中国西北东部夏季降水的可能联系

利用1979—2012年NCEP/DOE月平均地表感热通量再分析资料、西北东部156站夏季降水日资料,分析了欧亚大陆中高纬(61°N—67°N,53°E—68°E)冬季地表感热通量对我国西北东部夏季降水的影响。结果表明,当欧亚大陆中高纬冬季大气向地表输送感热值偏大时,春、夏季地表向大气输送感热值也偏大,引起了夏季500 hPa乌拉尔山阻塞高压加强,蒙古低压加深,西北太平洋副热带高压强度偏强,位置偏西,西风急流位置偏北,南亚高压呈东部型;对流层中低层表现为异常上升气流,同时有水汽的辐合,西北东部位于副高外围和蒙古低压底部,大气环流场的变化导致中国西北东部夏季降水偏多。当欧亚大陆中高纬冬季大气向地表输送感热值偏小时,春、夏季地表向大气输送感热值偏小,引起相反的夏季大气环流异常,使得中国西北东部夏季降水偏少。     

2015年夏季东亚和南亚降水异常与热带太平洋海温异常的联系及机理

2015年我国东部夏季降水呈现南北反位相的空间分布,河套地区降水异常偏少、长江中下游地区降水异常偏多,同期印度中部地区降水负异常,上述三个区域2015年夏季降水距平百分率绝对值极大值均超过55%。东亚和南亚地区2015年夏季降水异常的形成机理主要是由于该年夏季处于El Niňo事件的发展位相,菲律宾群岛及邻近区域反气旋环流异常,江淮地区至日本列岛气旋式环流异常,对流层低层位势高度异常场和整层水汽异常输送场亦存在相一致的空间分布,表现为负位相的EAP(East Asian-Pacific)/PJ(Pacific-Japan)型遥相关,有利于河套地区降水偏少和长江流域降水偏多。热带太平洋海温异常引起热带地区Walker环流负异常,热带西太平洋地区上空受异常下沉气流控制,热带印度洋区域对流层盛行东风异常,减弱了印度夏季风,并造成了印度中部地区夏季降水偏少。另一方面,印度上空对流层低层受异常反气旋控制,该异常反气旋北侧的西风异常沿着青藏高原南麓向东运动,增强了与EAP/PJ型遥相关相联系的异常水汽输送,有利于维持和增强河套地区降水负异常和长江中下游地区降水正异常。     

青藏高原夏季降水的区域特征及其与周边地区水汽条件的配置

使用青藏高原地区97个测站1961-2005年6～8月降水总量及同期NCEP/NCAR月平均 u, v风、比湿和300 hPa位势高度等再分析资料, 首先使用旋转经验正交函数分解方法得到青藏高原夏季降水的4种主要分布类型, 之后利用相关分析方法, 分析了与4种降水类型匹配的水汽输送以及相应的环流背景, 最后使用合成分析对高原异常旱涝年的水汽输送和环流形势的差异进行了分析.结果表明, 青藏高原夏季降水的主要气候特征是南部与北部降水异常呈现相反分布的特征, 其水汽输送和环流形势配置差异显著.如果孟加拉湾海区向北的水汽输送和东部海洋向西的水汽输送加强, 同时乌拉尔山阻高强盛, 东亚从低纬至高纬呈现 " - "位势高度环流形势时, 有利于西南水汽输送并与来自东部海洋的水汽形成辐合, 造成高原夏季降水偏多, 反之降水则偏少.     

Decadal Relationship Between Atmospheric Heat Source and Winter-Spring Snow Cover over the Tibetan Plateau and Rainfall in East China

By using a reverse computation method and the NCEP/NCAR daily reanalysis data from 1960 to 2004, the atmospheric heat source （AHS） was calculated and analyzed. The results show that AHS over the Tibetan Plateau （TP） and its neighboring areas takes on a persistent downtrend in spring and summer during the foregone 50 years, especially the latest 20 years. Snow depth at 50 stations over the TP in winter and spring presents an increase, especially the spring snow depth exhibits a sharp increase in the late 1970s. A close negative correlation exists between snow cover and AHS over the TP and its neighboring areas, as revealed by an SVD analysis, namely if there is more snow over the TP in winter and spring, then the weaker AHS would appear over the TP in spring and summer. The SVD analysis between AHS over the TP in spring and summer and rainfall at 160 stations indicates that the former has a negative correlation with summer precipitation in the middle and lower reaches of the Yangtze River, and a positive correlation with that in South China and North China. The SVD analysis of both snow cover over the TP in winter and spring and rainfall at the same 160 stations indicates that the former has a marked positive correlation with precipitation in the middle and lower reaches of the Yangtze River, and a reversed correlation in South China and North China. On the decadal scale, the AHS and winter and spring snow cover over the TP have a close correlation with the decadal precipitation pattern shift （southern flood and northern drought） in East China. The mechanism on how the AHS over the TP influences rainfall in East China is discussed. The weakening of AHS over the TP in spring and summer reduces the thermodynamic difference between ocean and continent, leading to a weaker East Asian summer monsoon, which brings more water vapor to the Yangtze River Valley and less water vapor to North China. Meanwhile, the weakening of AHS over the TP renders the position of the subtropical high further westward and the r     

西北太平洋夏季风对中国长江流域夏季降水的影响

利用1979～2005年NCEP/NCAR的环流场再分析资料和降水资料, 通过对季风期降水、 大气环流、 水汽输送及低频振荡等方面的分析, 分别从时间和空间上分析了西北太平洋夏季风与中国长江流域夏季降水的联系。结果表明:(1) 西北太平洋夏季风与中国长江流域夏季降水存在显著的负相关关系, 在西北太平洋夏季风强盛时, 副热带高压异常偏北, 其西侧的偏南气流异常偏弱, 使得我国长江流域形成低层异常环流及水汽输送的辐散区, 从而造成长江流域夏季降水偏少; 而在西北太平洋夏季风减弱的年份, 西太平洋副高异常偏南偏西, 在长江流域以南地区形成异常偏强的偏南风水汽输送, 使得长江流域成为南、 北距平风的汇合区, 其上空对流活动异常活跃, 非常有利于长江流域的降水。 (2) 东亚局地Hadley垂直环流在强、 弱季风年也显著不同, 在强季风年里, Hadley局地环流异常偏弱, 长江流域上空出现的下沉运动距平, 使得该地区降水减弱, 而弱季风年则正好相反。 (3) 西北太平洋夏季风存在显著的气候平均的大气季节内振荡 (CISO), 在西北太平洋夏季风减弱时期, 长江流域降水同时受到源自热带西北太平洋西传CISO和源自热带印度洋东传CISO的共同影响, 可能造成了某种锁相关系, 从而造成降水偏多; 而在强季风年里长江流域只受由西太平洋西传的CISO的影响, 不容易激发降水。     

El Ni?o对东亚夏季风和夏季降水季节内变化的影响

基于1979~2012年候平均再分析资料,合成分析了El Ni?o对东亚夏季风和夏季降水季节内变化的影响。结果表明,在El Ni?o衰减年夏季,西太平洋副热带高压(副高)明显偏强,位置偏向西南。副高的这种异常特征随夏季的季节进程有明显变化,初夏异常较弱,盛夏期间异常达到最强。此外,根据东亚夏季风降水呈现阶段式北进的特征,将夏季分为华南前汛期、江淮梅雨期、华北和东北雨期以及华南后汛期来分析东亚夏季风和降水的季节内变化。在上述各个时期,大气对流层低层表现为一致的环流异常型,副高及其以南区域为异常反气旋,其北部为异常气旋。这种异常环流型加强了副高南部偏东风及其北部偏北风,增强了热带水汽输送和高纬度地区冷空气的入侵,二者结合造成主汛期地区降水增加。需要强调的是,上述环流异常型随东亚夏季风逐步向北推移,导致东亚各地区的主汛期降水增加,非主汛期降水减少,降水分布更为集中。     

Factors favorable to frequent extreme precipitation in the upper Yangtze River Valley

Extreme precipitation events in the upper Yangtze River Valley (YRV) have recently become an increasingly important focus in China because they often cause droughts and floods. Unfortunately, little is known about the climate processes responsible for these events. This paper investigates factors favorable to frequent extreme precipitation events in the upper YRV. Our results reveal that a weakened South China Sea summer monsoon trough, intensified Eurasian-Pacific blocking highs, an intensified South Asian High, a southward subtropical westerly jet and an intensified Western North Pacific Subtropical High (WNPSH) increase atmospheric instability and enhance the convergence of moisture over the upper YRV, which result in more extreme precipitation events. The snow depth over the eastern Tibetan Plateau (TP) in winter and sea surface temperature anomalies (SSTAs) over three key regions in summer are important external forcing factors in the atmospheric circulation anomalies. Deep snow on the Tibetan Plateau in winter can weaken the subsequent East Asian summer monsoon circulation above by increasing the soil moisture content in summer and weakening the land–sea thermal contrast over East Asia. The positive SSTA in the western North Pacific may affect southwestward extension of the WNPSH and the blocking high over northeastern Asia by arousing the East Asian-Pacific pattern. The positive SSTA in the North Atlantic can affect extreme precipitation event frequency in the upper YRV via a wave train pattern along the westerly jet between the North Atlantic and East Asia. A tripolar pattern from west to east over the Indian Ocean can strengthen moisture transport by enhancing Somali cross-equatorial flow.     

POSSIBLE CONTRIBUTION OF A TROPICAL CYCLONE TO SHORT-TERM CLIMATE ANOMALIES IN EAST ASIA VIA SNOW COVER ON THE TIBETAN PLATEAU

Snow cover on the Tibetan Plateau (TP) has been shown to be essential for the East Asian summer monsoon. In this paper, we demonstrate that tropical cyclone (TC) 04B (1999) in the northern Indian Ocean, which made landfall during the autumn of 1999, may have contributed to climate anomalies over East Asia during the following spring and summer by increasing snow cover on the TP. Observations indicate that snow cover on the TP increased markedly after TC 04B (1999) made landfall in October of 1999. Sensitivity experiments, in which the TC was removed from a numerical model simulation of the initial field, verified that TC 04B (1999) affected the distribution as well as increased the amount of snow on the TP. In addition, the short-term numerical modeling of the climate over the region showed that the positive snow cover anomaly induced negative surface temperature, negative sensible heat flux, positive latent heat flux, and positive soil temperature anomalies over the central and southern TP during the following spring and summer. These climate anomalies over the TP were associated with positive (negative) summer precipitation anomalies over the Yangtze River valley (along the southeastern coast of China).     

青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水的年代际变化关系

利用NCEP 1950—2004年逐日再分析资料,采用倒算法,对青藏高原大气热源的长期变化进行了计算,结果发现,青藏高原及附近地区上空大气春夏季热源在过去50年里,尤其是最近20年,表现为持续减弱的趋势。而1960—2004年青藏高原50站的冬春雪深却出现了增加,尤其是春季雪深在1977年出现了由少到多的突变。用SVD方法对高原积雪和高原大气热源关系的分析表明,二者存在非常显著的反相关关系,即高原冬春积雪偏多,高原大气春夏季热源偏弱。高原大气春夏季热源和中国160站降水的SVD分析表明,高原大气春夏季热源和夏季长江中下游降水呈反相关,与华南和华北降水呈正相关;而高原冬春积雪和中国160站降水的SVD分析显示,高原冬春积雪和夏季长江流域降水呈显著正相关,与华南和华北降水呈反相关。在年代际尺度上,青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水型的年代际变化(南涝北旱)有很好的相关。最后讨论了青藏高原大气热源影响中国东部降水的机制。青藏高原春夏季热源减弱,使得海陆热力差异减小,致使东亚夏季风强度减弱,输送到华北的水汽减少,而到达长江流域的水汽却增加;同时,高原热源减弱,使得副热带高压偏西,夏季雨带在长江流域维持更长时间。导致近20年来长江流域降水偏多,华北偏少,形成"南涝北旱"雨型。高原冬春积雪的增加,降低了地表温度,减弱了地面热源,并进而使得青藏高原及附近地区大气热源减弱。     

索马里急流和澳洲越赤道气流年际变异不同配置及其影响

使用NCEP/NCAR大气再分析资料、Hadley中心海表温度分析资料和中国160站降水观测资料,分析了夏季索马里急流与澳洲越赤道气流年际变异之间的关系及相关联的海表温度、大气环流和中国降水异常分布特征。结果表明:夏季索马里急流和澳洲越赤道气流的年际变异存在两类关系,即多数的反位相和少数的同位相关系。当夏季索马里急流和澳洲越赤道气流呈前者减弱、而后者增强的反位相变化时,热带印度洋—太平洋海气异常表现为处于发展阶段的经典的东部El Nio型,造成东亚夏季风显著减弱,中国降水呈南方偏多、北方偏少的偶极型分布;当夏季索马里急流和澳洲越赤道气流同位相增强时,海气异常表现为处于成熟阶段的中太平洋El Nio型,东亚夏季风增强,中国降水呈长江流域降水偏少、而华北和华南沿海降水显著偏多的三极型分布。     

春季欧亚积雪异常影响中国夏季降水的数值试验

 利用NCAR的新一代GCM CAM3.1版本模式,研究了欧亚大陆春季积雪异常对北半球大气环流和中国夏季降水的影响。结果表明,春季积雪异常通过改变其后夏季的土壤湿度和温度分布,造成对流层厚度场的异常,激发一个从欧洲西部到东亚的500 hPa高度场异常波列。我国南、北方处于符号相反的高度场异常区,同时降水也呈现南北相异的态势,这表明春季欧亚积雪异常是影响我国夏季降水分布的一个重要因子。     

Changed Relationships Between the East Asian Summer Monsoon Circulations and the Summer Rainfall in Eastern China

In previous statistical forecast models, prediction of summer precipitation along the Yangtze River valley and in North China relies heavily on its close relationships with the western Pacific subtropical high (WPSH), the blocking high in higher latitudes, and the East Asian summer monsoon (EASM). These relationships were stable before the 1990s but have changed remarkably in the recent two decades. Before the 1990s, precipitation along the Yangtze River had a significant positive correlation with the intensity of the WPSH, but the correlation weakened rapidly after 1990, and the correlation between summer rainfall in North China and the WPSH also changed from weak negative to significantly positive. The changed relationships present a big challenge to the application of traditional statistical seasonal prediction models. Our study indicates that the change could be attributed to expansion of the WPSH after around 1990. Owing to global warming, increased sea surface temperatures in the western Pacific rendered the WPSH stronger and further westward. Under this condition, more moisture was transported from southern to northern China, leading to divergence and reduced (increased) rainfall over the Yangtze River (North China). On the other hand, when the WPSH was weaker, it stayed close to its climatological position (rather than more eastward), and the circulations showed an asymmetrical feature between the stronger and weaker WPSH cases owing to the decadal enhancement of the WPSH. Composite analysis reveals that the maximum difference in the moisture transport before and after 1990 appeared over the western Pacific. This asymmetric influence is possibly the reason why the previous relationships between monsoon circulations and summer rainfall have now changed.