我国前冬和后冬气温年际变化的特征与联系

基于我国160个台站观测的月平均地面气温资料,通过考察冬季各月气温之间的联系将11月和12月划分为前冬,次年的1月至3月划分为后冬,并利用160站资料和NCEP/NCAR再分析资料,通过经验正交函数 （EOF,empirical orthogonal function）分解和依赖于季节的EOF（SEOF,season-reliant EOF）分解对近62年来我国前冬和后冬气温各自的年际变化特征、它们之间的联系以及对应的大气环流进行了分析。结果表明,我国前冬和后冬气温年际变化的前两个EOF模态在空间上均表现为全国一致的变化和南北相反的变化;其时间系数的分布表明,当前冬出现全国性偏暖（冷）或北冷（暖）南暖（冷）的气温异常时,后冬出现类似气温异常和相反气温异常的概率均在50%左右。进一步,通过SEOF分解得到了年际变化时间尺度上我国冬季气温演变的两个主要模态。第一模态（SEOF1）为前冬到后冬同相演变型,即前冬全国一致偏暖（冷）时后冬亦全国一致偏暖（冷）,该模态在20世纪80年代中期有明显的年代际增暖;第二模态（SEOF2）表现为前冬到后冬反相演变型,即前冬全国一致偏冷（暖）而后冬全国一致偏暖（冷）,该模态以年际变化为主。对环流场的分析表明,中纬度大气过程特别是大气遥相关型的变化是同向和反向两种演变模态产生的主要原因。SEOF1的环流表现为对流层中层斯堪的纳维亚遥相关型在整个冬季的持续性同号异常,与此相伴的海陆气压差强度和东亚高空急流强度的变化使得前、后冬中的东亚冬季风环流呈一致加强或减弱,从而引起同相演变模态。SEOF2的环流在前冬表现为欧亚遥相关型的特征,整个对流层的变化都很显著,而后冬的环流信号主要在对流层中低层显著,此时表现为类似斯堪的纳维亚遥相关型的特征且符号发生了反转,从而引起反相演变模态。     

中国冬季气温不同年代际的季节内变化特征及成因分析

利用1951～2020年中国观测站气温资料、NCEP/NCAR再分析资料和统计方法,分析了不同年代际时间尺度背景下我国冬季气温的季节内变化特征及相联系的大气环流异常。结果表明,1986年前、后为两个年代际时间尺度阶段,各阶段内前冬（12月）与后冬（1～2月）气温异常反位相年的比例均高于同位相年。1986年之前,季节内的优势空间模态为前冬全国冷（暖）转为后冬南方暖（冷）的可能性大,即南方地区季节内变率大;而1986年之后的优势空间模态为前冬北方冷（暖）转为后冬全国明显暖（冷）的可能性大,即北方地区季节内变率大。冬季气温的季节内变化显著受到冬季风系统关键环流季节内变化的影响。对应优势模态的正异常年份,1986年之前,欧亚中高纬地区对流层环流异常信号从前冬到后冬显著性减弱,其中西北太平洋地区对流层中高层的环流调整更明显,副热带高度场增强,热带东风急流北扩,前冬到后冬的环流调整有利于前冬全国大范围偏冷而后冬我国南方地区气温升高,造成南方地区季节内反位相变率增大。1986年之后,欧亚高中低纬地区的环流异常从前冬到后冬显著性增强,欧亚中高纬度环流发生较大调整,而低纬度的环流变化不大,北方地区前冬冷到后冬全国明显转暖,造成北方地区季节内反位相变率大。即副热带环流和中高纬度环流分别在两个年代际尺度阶段南方和北方的冬季气温季节内变率中起到主导作用。     

中国北方暴雪的年代际变化及其与大气环流和北极海冰的联系

采用相关、回归等统计方法,对中国北方暴雪的年代际变化特征及其与大气环流和北极海冰的联系进行探讨。结果表明:中国北方冬季暴雪发生频次较高区域主要位于东北,在空间分布上呈现由西北向东南增加的态势,且存在明显的年代际变化特征:1965—1980年为东北暴雪少发期; 2002—2011年为东北暴雪多发期。分析表明:暴雪少发期,输送至东北的水汽较少;暴雪多发期,更多的水汽输送来自于西北太平洋,同时偏北气流引导的极地冷空气与偏南风引导的太平洋暖湿空气在东北地区汇合,提供暴雪频发的动力条件,造成东北暴雪出现年代际增多。此外,研究发现:前期秋季北极海冰的年代际减少与东北暴雪的年代际增加存在很好的相关性;秋季北极海冰异常偏少导致的大气环流异常主要表现为纬向西风减弱和NAO负位相,由此导致大气经向活动增强,利于极地冷空气向南入侵,且冷空气与暖湿空气在东北地区汇合,这是东北暴雪年代际增加的重要原因之一。     

中国东北暖季气温变化特征及其与海温和大尺度环流的关系

利用1980~2014年CRU TS3.24月平均气温数据和NCEP/NCAR再分析资料,分析了中国东北暖季（5~9月）气温的时空变化特征及其相应的大气环流状况。结果表明:中国东北暖季气温主要表现为全区一致型和南北反位相型两个模态,二者总解释方差高达86%。全区一致型具有明显的年代际变化特征,并在1990年代中期发生了显著的年代际突变,而南北反位相型具有明显的年际和年代际变化特征。全区一致型增暖对应着中国东北地区上空500 hPa位势高度的正异常和850 hPa的反气旋环流异常。当500 hPa位势高度南北反相时,对应于中国东北暖季气温的南北反位相型。进一步分析表明中国东北暖季气温的全区一致型及其1990年代中期的年代际突变与日本海及黑潮延伸区的海温异常及太平洋年代际振荡和大西洋多年代际振荡指数紧密相关。菲律宾以东的西太平洋、北太平洋中部、我国东南沿海、靠近北美东北部的北大西洋等海域的海温异常对中国东北暖季气温全区一致型的出现具有一定的预测作用。而南北反位相变化型与黑潮延伸区的海温异常关系显著,与大尺度指数的相关普遍不明显。在1990年代中期突变前,南北反位相型受到ENSO事件的影响,之后影响不显著。     

中国东北南部冬季气温异常及其大气环流特征变化

该文在对东北冬季气温异常的时空变化特征进行分析的基础之上，利用NCEP/NCAR再分析资料，探讨了影响其异常的同期因子——该地区上空大尺度环流异常特征。发现:东北冬季气温20世纪80年代中期以前处于冷期，60年代达到低谷，80年代中期以后一直处于暖期，90年代为49年来最暖期，1986年是由冷转暖的明显突变点；气温异常存在3～4年、8～9年的年际周期及16～18年的年代际周期；东北地区冬季气温异常与黄河以北地区一致性非常好，是49年全国增暖最显著的地区之一；冷、暖冬年，欧亚中高纬度大气环流异常存在显著的差异，西伯利亚高压、亚洲极涡、贝加尔湖高压脊、东亚大槽及极锋急流是影响其异常的同期重要因子。     

1957-2000年东北地区春季极端气温变化及其与北极涛动的关系

利用东北地区32个测站1957-2000年逐日气温资料,分析了东北春季极端气温指数的变化特征及其与同期和前期北极涛动指数的关系。结果表明：春季日气温距平值基本上是由高纬向低纬、由东向西增加;44 a来日气温距平强度变化呈现正趋势,春季的冷日和冷夜呈减少趋势,暖日和暖夜呈增加趋势。东北春季气温与春季北极涛动（Arctic Oscillation, AO）在年际时间尺度上具有很强的正相关性,AO和极端气温指数也存在着相同的变化周期和突变时间。     

不同年代际背景下AO与冬季中国东北气温的关系

采用1951—2006年北极涛动指数序列、NCEP/NCAR再分析资料和我国160站气温资料,利用滑动相关分析研究了不同年代际背景下北极涛动与冬季中国东北气温年际异常关系的变化情况。结果表明,两者的关系在20世纪60年代中后期显著增强,在80年代中后期减弱。不同年代际背景下,与AO相关联的中高纬度大气环流异常发生的明显改变是AO与东北冬季气温关系发生年代际变化的原因。强相关年代,西伯利亚高压与阿留申低压均明显减弱,东亚冬季风偏弱,对流层中下层异常东南风控制东北地区,对流层中层东亚大槽明显减弱,环流的经向性减弱,使该地区冬季气温偏高;相关较弱的年代则以上表现不明显。     

春季西亚地表热力异常与初夏东北冷涡活动年代际变化的联系

基于1979~2015年中国月平均站点温度资料,计算了初夏东北冷涡指数,分析了初夏东北冷涡活动的年代际变化特征。在此基础上,进一步探讨了东北初夏冷涡活动与春季西亚地表热力异常之间的可能联系,并初步讨论了前期西亚地表热力异常影响东北初夏冷涡活动的可能过程。结果表明:（1）1979~2015年间,初夏东北冷涡强度表现出明显的年代际变化特征,2000年前,冷涡活动总体偏强,之后总体减弱。（2）春季西亚地表热力状况在2000年前后也发生了明显的年代际转变:2000年前总体偏冷,之后明显偏暖。（3）春季西亚地区的地表热力异常与东北冷涡活动的在年代际尺度上联系密切。西亚地表异常偏冷,东北冷涡活动偏强;而西亚地表异常偏暖对应了偏弱的冷涡活动。初步分析发现,西亚地表热力因子可能通过影响大气环流分布并通过遥相关型影响我国初夏东北地区冷涡,当然相关的机理还有待深入分析。     

全球海洋蒸发量年代际变化归因：动力因子分析

本文基于动力调整方法,利用客观分析海气通量（OAFlux）资料研究了1958～2016年全球海洋蒸发量变化及其动力作用和辐射强迫分量的变化,发现海洋蒸发量及其动力作用分量具有一致性年代际变化特征,特别是在20世纪70年代及90年代末期存在明显的年代际转折。进一步分析发现:主要动力因子有太平洋—北美遥相关型（PNA）、北极涛动（AO）、北大西洋涛动（NAO）、厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）和阿留申低压（AL）,并受到太平洋年代际振荡（PDO）的影响,其中,1970年代末期的转折与PNA、PDO、ENSO和AL密切相关,而1990年代末期的转折还与NAO变化有关。动力作用分量的前六个模态解释方差达到67.5%,其中,低纬北太平洋和印度洋蒸发异常主要与海表温度（SST）及其引起的环流异常有关,南太平洋、中纬北太平洋和北大西洋蒸发异常与环流异常直接相关。ENSO与PDO在全球海洋蒸发量上的影响要大于NAO。单因子相关分析发现南方涛动指数（SOI）、NAO和PDO与海洋蒸发年代际变化密切相关。总体来说,动力作用分量在海洋蒸发的年代际变化中起主导作用,其中,以ENSO、NAO和PDO的影响最大。     

我国东北夏季气温年代际变化特征及与太平洋海温异常关系的研究

利用1951—2008年东北地区夏季平均气温资料,分析了东北地区近58 a来东北地区夏季气温的变化趋势和突变特征,结果表明,东北夏季气温存在明显年代际变化的阶段性特征和总体增暖的趋势。对我国东北夏季气温与太平洋海温的相关分析表明,太平洋年代际振荡(PDO)由冷位相转为暖位相后,我国东北夏季气温与同期赤道中东太平洋海温相关减弱、与黑潮区海温相关增强,我国东北夏季气温与前期各季太平洋海温相关分布差异很大,海温关键区及相关强度都有所改变,这种相关关系的转变可能是造成近几年来利用太平洋海温预测我国东北夏季气温不确定性的原因之一。     

中国冬季气温季节内变率特征及环流分析

利用中国冬季逐日平均气温均方差作为气温季节内变率指标,分析其变化特征并探讨引起季节内变率异常的环流背景。结果表明,中国冬季气温季节内变率总体呈减弱趋势,对气候增暖趋势响应明显,其年代际变化和东亚冬季风年代际转折时间相吻合。当气温季节内变率异常偏强时,冬季平均环流场上呈类似准正压结构,平流层极涡偏弱,对流层中高纬呈类似斯堪的纳维亚遥相关型分布,低层西伯利亚高压偏强,北大西洋涛动(NAO)为负位相;NAO同我国东部气温变率联系密切,进一步分析揭示出NAO是通过影响西伯利亚高压的高频变化来作用于气温季节内变率。最后,通过提取天气—次季节—季节不同时间尺度上的大气环流内部变率,发现在各个尺度上,气温季节内变率均受西伯利亚高压和东亚冷涡的调控作用;尤其在天气尺度上,阿留申低压频繁波动及上游欧洲脊的稳定少动与气温变率有密切联系,季节尺度上欧亚阻塞高压和鄂霍次克海阻塞高压异常对气温变率有显著影响。     

Recent trends in winter temperature extremes in eastern China and their relationship with the Arctic Oscillation and ENSO

Interannual variations in the number of winter extreme warm and cold days over eastern China （EC） and their relationship with the Arctic Oscillation （AO） and E1 Nifio-Southern Oscillation （ENSO） were investigated using an updated temperature dataset comprising 542 Chinese stations during the period 1961- 2011. Results showed that the number of winter extreme warm （cold） days across EC experienced a significant increase （decrease） around the mid-1980s, which could be attributed to interdecadal variation of the East Asian Winter Monsoon （EAWM）. Probability distribution functions （PDFs） of winter temperature extremes in different phases of the AO and ENSO were estimated based on Generalized Extreme Value Distribution theory. Correlation analysis and the PDF technique consistently demonstrated that interannual variation of winter extreme cold days in the northern part of EC （NEC） is closely linked to the AO, while it is most strongly related to the ENSO in the southern part （SEC）. However, the number of winter extreme warm days across EC has little correlation with both AO and ENSO. Furthermore, results indicated that, whether before or after the mid-1980s shift, a significant connection existed between winter extreme cold days in NEC and the AO. However, a significant connection between winter extreme cold days in SEC and the ENSO was only found after the mid-1980s shift. These results highlight the different roles of the AO and ENSO in influencing winter temperature extremes in different parts of EC and in different periods, thus providing important clues for improving short-term climate prediction for winter temperature extremes.     

Interdecadal Variability of the East Asian Winter Monsoon and Its Possible Links to Global Climate Change

This paper presents a concise summary of the studies on interdecadal variability of the East Asian winter monsoon (EAWM) from three main perspectives. (1) The EAWM has been significantly affected by global climate change. Winter temperature in China has experienced three stages of variations from the beginning of the 1950s: a cold period (from the beginning of the 1950s to the early or mid 1980s), a warm period (from the early or mid 1980s to the early 2000s), and a hiatus period in recent 10 years (starting from 1998). The strength of the EAWM has also varied in three stages: a stronger winter monsoon period (1950 to 1986/87), a weaker period (1986/87 to 2004/05), and a strengthening period (from 2005). (2) Corresponding to the interdecadal variations of the EAWM, the East Asian atmospheric circulation, winter temperature of China, and the occurrence of cold waves over China have all exhibited coherent interdecadal variability. The upper-level zonal circulation was stronger, the mid-tropospheric trough over East Asia was deeper with stronger downdrafts behind the trough, and the Siberian high was stronger during the cold period than during the warm period. (3) The interdecadal variations of the EAWM seem closely related to major modes of variability in the atmospheric circulation and the Pacific sea surface temperature. When the Northern Hemisphere annular mode/Arctic Oscillation and the Pacific decadal oscillation were in negative (positive) phase, the EAWM was stronger (weaker), leading to colder (warmer) temperatures in China. In addition, the negative (positive) phase of the Atlantic multi decadal oscillation coincided with relatively cold (warm) temperatures and stronger (weaker) EAWMs. It is thus inferred that the interdecadal variations in the ocean may be one of the most important natural factors influencing long-term variability in the EAWM, although global warming may have also played a significant role in weakening the EAWM.     

Physical mechanisms of European winter snow cover variability and its relationship to the NAO

Annual snow cover in the Northern Hemisphere has decreased in the past two decades, an effect associated with global warming. The regional scale changes of snow cover during winter, however, vary significantly from one region to another. In the present study, snow cover variability over Europe and its connection to other atmospheric variables was investigated using Cyclostationary Empirical Orthogonal Function (CSEOF) analysis. The evolution of atmospheric variables related to each CSEOF mode of snow cover variability was derived via regression analysis in CSEOF space. CSEOF analysis clearly shows that the North Atlantic Oscillation (NAO) is related to European snow cover, particularly in January and February. A negative NAO phase tends to result in a snow cover increases, whereas a positive NAO phase results in snow cover decreases. The temporal changes in the connection between the NAO and European snow cover are explained by time-dependent NAO-related temperature anomalies. If the NAO phase is negative, the temperature is lower in Europe and snow cover increases; by contrast, when the NAO phase is positive, the temperature is higher and snow cover decreases. Temperature and snow cover variations in Europe are associated with the thermal advection by anomalous wind by NAO. CSEOF analysis also shows an abrupt increase of snow cover in December and January and a decrease in February and March since the year 2000, approximately. This abrupt change is associated with sub-seasonal variations of atmospheric circulation in the study region.     

兰州近50a冬季气温变化及其可能原因分析

利用1960—2010年兰州等3站逐日观测资料,分析了兰州冬季气温变化及其可能成因。结果表明：近50 a兰州冬季气温、日较差、冷日数、冷积温及极端高、低温日数的变化速率均在1980s发生跃变。平均气温持续显著的增温,在1960s、1970s最低气温增温起主要作用,日较差、冷积温及极端低温日数显著减少,在1980s后由最低、最高气温共同增温所致,日较差减小变缓,冷积温稳定维持在较低水平,极端高温日数显著增加。大气环流异常和城市化共同影响,导致兰州冬季显著增温,二者对增温的贡献率分别约为37.24%和62.76%。1980s中期之后中高纬度欧亚上空对流层中层盛行纬向环流,两槽一脊的振幅减弱,西北地区位于中国上空异常反气旋西部偏南气流控制下,且同期城市热岛效应更加显著,这些均有利于兰州冬季增温。     

我国冬季气温年代际变化及其与大气环流异常变化的关系

利用我国160个台站50年(1951~2000年)的月平均温度资料和NCEP/NCAR再分析资料,对我国从1951/1952~1999/2000共49个冬季(11月至次年3月平均)的气温进行经验正交函数(EOF)分解。第1模态表现为全国一致的增温或者降温,20世纪70年代中期以后,我国冬季气温增暖明显,发生了显著的年代际变化;第2模态则表现为南北温度的反相关系,20世纪80和90年代,我国北部地区,特别是东北和西北的温度增加,而我国南部则温度降低。采用频谱分析方法提取我国冬季气温的年代际变化信号更清楚地反映出这些变化。而且这两种模态从20世纪80年代开始的正位相叠加使得我国冬季持续偏暖,在降水场没有显著变化的情况下,加剧了华北地区的干旱程度。对气温的年代际变化与大气环流的回归分析表明,我国冬季气温年代际变化的第1模态与半球尺度上的北极涛动(AO)的变化有密切的关系,它在高度场上表现为一个准正压的南北环状模态;而第2模态则与中高纬大气环流中的一波结构联系密切,它在高度场上表现为一个准正压的太平洋和大西洋上反相的振荡模态。这就表明,我国冬季气温的年代际变化与大气环流中的基本气流及其扰动有密切的关联。作者还讨论了大气环流影响我国冬季气温年代际变化的可能机理,并指出进一步需要研究的问题。     

东亚冬季风的年代际变化及其与全球气候变化的可能联系

对近年来中外关于东亚冬季风(EAWM)年代际变化问题研究进展做了回顾和评述,主要包括以下3个方面内容:(1)东亚冬季风明显受到全球气候变化的影响,从20世纪50年代开始,中国冬季气温经历了一次冷期(从20世纪50年代延续到80年代初中期),一次暖期(从20世纪80年代初中后期延续到21世纪初)和近10-15年(约从1998年开始)出现的气候变暖趋缓期(也称气候变暖停顿期)。(2)东亚冬季风主要表现出强-弱-强3阶段的特征,即从1950年到1986/1987年,明显偏强;从1986/1987年冬季开始,东亚冬季风减弱;约2005年之后,东亚冬季风开始由弱转强。与东亚冬季风的年代际变化特征相对应,东亚冬季大气环流以及中国冬季气温和寒潮都表现出一致的年代际变化。(3)东亚冬季风的年代际变化与大气环流和太平洋海表温度(SST)的区域模态变化密切相关。当北半球环状模/北极涛动(NAM/AO)和太平洋年代际振荡(PDO)处于负(正)位相,东亚冬季风偏强(弱),中国冬季气温偏低(高)。此外,北大西洋年代尺度振荡(AMO)对东亚冬季风也有重要影响,在AMO负位相时,对应东亚冷期(强冬季风),正位相对应暖期(弱冬季风)。因而海洋的年代际变化是造成东亚冬季风气候脉动的主要自然原因,而全球气候变暖对东亚冬季风强度的减弱也有明显影响。     

Influence of springtime North Atlantic Oscillation on crops yields in Northeast China

Forecasting grain production is of strategic importance in considerations of climate change and growing population. Here we show that the springtime North Atlantic Oscillation (NAO) is significantly correlated to the year-to-year increment of maize and rice yield in Northeast China (NEC). The physical mechanism for this relationship was investigated. Springtime NAO can induce sea surface temperature anomalies (SSTAs) in the North Atlantic, which display a tripole pattern and are similar to the empirical mode pattern in spring. The spring Atlantic SSTA pattern that could persists to summer, can trigger a high-level tropospheric Rossby wave response in the Eurasia continent, resulting in atmospheric circulation anomalies over the Siberia-Mongolia region, which is unfavorable (favorable) for cold surges that affect NEC. Weaker (stronger) cold surges can accordingly reduce (increase) cloud amount, resulting in an increase (a decrease) in daily maximum temperature and a decrease (an increase) in daily minimum temperature, thereby leading to an increase (a decrease) in diurnal temperature range. And summer-mean daily minimum temperature and diurnal temperature range are most significantly related to the NEC crop yields.