青藏高原季风年际变化与长江上游气候变化的联系

利用NCEP资料计算的1951 1995年青藏高原季风(下称高原季风)指数序列[1]及长江上游22个测站的气温距平和雨量距平百分率资料,应用MHF(墨西哥帽)小波分析及最大熵谱分析方法,研究了高原夏季风和长江上游夏季气温及降水的时间-频率多层次年际时间尺度变化特征.结果表明,高原夏季风、长江上游夏季气温和降水均存在明显的阶段性变化特征.高原夏季风以22年低频变化和2.5年高频振荡为主,长江上游夏季气温变化以2～3年占优,而长江上游东、西部夏季降水第一主周期则表现为6～8年和2.5年,三者在时间域上存在着显著的相关关系,表明高原季风年代际变化对长江上游气候变化有显著影响.     

青藏高原季风年际变化与长江上游气候变化的联系

利用NCEP资料计算的1951—1995年青藏高原季风(下称高原季风)指数序列^[1]及长江上游22个测站的气温距平和雨量距平百分率资料，应用MHF(墨西哥帽)小波分析及最大熵谱分析方法，研究了高原夏季风和长江上游夏季气温及降水的时间一频率多层次年际时间尺度变化特征。结果表明，高原夏季风、长江上游夏季气温和降水均存在明显的阶段性变化特征。高原夏季风以22年低频变化和2．5年高频振荡为主，长江上游夏季气温变化以2～3年占优，而长江上游东、西部夏季降水第一主周期则表现为6～8年和2．5年，三者在时间域上存在着显著的相关关系，表明高原季风年代际变化对长江上游气候变化有显著影响。     

高原夏季风指数的定义及其特征分析

基于1958~2002年ECMWF再分析资料,我国160个台站降水和气温资料,从夏季高原季风环流系统特点出发,定义了能较好表征高原夏季风环流变化的特征指数,分析了高原夏季风年际、年代际变化特征,并揭示了高原夏季风强弱异常时的环流特征及其与中国夏季降水和气温的关系,主要结论为:(1)用6~8月600hPa (27.5~30°N,80~100°E)范围内平均的西风分量距平与(35~37.5°N,80~100°E)范围内平均的东风分量距平差定义了高原夏季风指数(PM I)。该指数计算简单,意义清楚,代表性好。(2)1958~2002年高原夏季风整体呈增强趋势,在20世纪60年代中期之前是高原夏季风的强盛期,之后是高原夏季风弱期,在80年代以后又转为季风强期。(3)高原夏季风与中国夏季降水和气温相关很好。将该指数与之前汤懋苍定义的指数进行性能综合比较后,发现该指数对川渝地区的夏季降水及气温有更好的指示意义。      

东亚夏季风异常活动的多模态特征:不同再分析资料的比较分析

利用1979～2002年ERA-40、ERA interim、JRA-25和NCEP-DOE AMIP-Ⅱ(简称为NCEP-2)再分析资料,采用扩展经验正交分解(EEOF)、相关分析等方法,对比分析了不同资料所揭示的东亚夏季风异常活动的多模态特征,在此基础上探讨了东亚夏季风异常活动各模态对应的大气环流异常分布型及其与中国夏季降水的可能联系。结果表明:(1)四套再分析资料所揭示的东亚夏季风异常活动均存在三种差异显著的空间模态,且各套资料对东亚夏季风异常活动空间多模态特征具有很好的一致性,仅NCEP-2的结果与其他资料略有差异。(2)第一模态体现了夏季风年际异常在中国南方和北方的反相变化,并具有显著的3～6年和准8年周期;与正(负)时间系数相对应,850 hPa风场、500 hPa高度场、SLP均显示东亚沿岸存在从西北太平洋经过日本以南到达鄂霍次克海的“-+-”(“+-+”)经向三极型结构;相应的降水变化在长江中下游为显著的负(正)异常,而在我国东北东部、东南沿海及云南西部则为正(负)异常。(3)第二模态反映了夏季风活动主导模态的一致性变化且在1993年左右发生年代际转折,并呈现准12年周期的强弱交替分布。当对应的时间系数为正(负)时,850 hPa风场在环贝加尔湖地区受强大的异常反气旋(气旋)控制;500 hPa高度场上,中高纬地区表现为异常的纬向波列结构,具体表现为起源于欧洲大陆西部经西西伯利亚平原向东南方向延伸至东北亚地区的“+-+”(“-+-”)的波列;SLP在我国大陆主要为正(负)异常,东亚夏季风整体减弱(加强);对应的夏季降水异常场呈现“南涝北旱”(“南旱北涝”)的分布形势。(4)第三模态表明了夏季风异常活动的东西反相变化,且有12～16年的准周期变化。对应正(负)的时间系数,115°E 以东地区盛行异常偏南(北)风,而115°E 以西地区主要盛行异常偏北(南)风;500 hPa高度场、SLP均显示出东亚沿岸地区、鄂霍次克海至日本以南洋面的“-+”(“+-”)波列以及欧亚大陆北部的准纬向遥相关波列;夏季降水在我国大部分地区偏多(偏少),显著变化主要位于黄淮及附近地区。     

高原夏季风指数的定义及其特征分析

基于1958~2002年ECMWF再分析资料,我国160个台站降水和气温资料,从夏季高原季风环流系统特点出发,定义了能较好表征高原夏季风环流变化的特征指数,分析了高原夏季风年际、年代际变化特征,并揭示了高原夏季风强弱异常时的环流特征及其与中国夏季降水和气温的关系,主要结论为:(1)用6~8月600hPa(27.5~30°N,80~100°E)范围内平均的西风分量距平与(35~37.5°N,80~100°E)范围内平均的东风分量距平差定义了高原夏季风指数(PM I)。该指数计算简单,意义清楚,代表性好。(2)1958~2002年高原夏季风整体呈增强趋势,在20世纪60年代中期之前是高原夏季风的强盛期,之后是高原夏季风弱期,在80年代以后又转为季风强期。(3)高原夏季风与中国夏季降水和气温相关很好。将该指数与之前汤懋苍定义的指数进行性能综合比较后,发现该指数对川渝地区的夏季降水及气温有更好的指示意义。     

对20世纪70年代中后期Walker环流异常减弱的分析

20世纪70年代中后期以后,位于达尔文岛的观测海平面气压值(SLP)不断升高,而位于塔西提岛的观测SLP不断下降,形成了在年代际尺度上最弱的热带太平洋东西向环流,即Walker环流.70年代中后期以后,在Walker环流不断减弱的同时,亚洲夏季风也在减弱.通过对海平面气压场的长期变化特征分析,我们发现20世纪70年代中期以后,副热带西太平洋(20～30°N,130～150°E)的SLP不断下降,与不断上升的热带西太平洋(10°S～0°,130～150°E) SLP形成了一个在年代际尺度上的反相关震荡型.这个负SLP距平与江淮流域的对流上升运动相对应,造成了中国地区夏季江淮流域降水增加而华北降水减少的格局.       

东亚夏季风异常与黄淮地区夏季降水的关系

本文选取最适当的夏季风指数确定黄淮地区的强弱夏季风年,并结合近55年该地区夏季日降水资料,讨论了该地区在强弱夏季风年降水的差异及其形成原因。结果表明:①强夏季风年,该区域东半部降水偏多,西半部降水偏少;弱夏季风年反之。②1979年之前,该区域降水存在周期3～5年的年际变化,之后周期演变为15年。③该区域降水存在低频振荡特征。在强夏季风年,7～14天周期最显著;在弱夏季风年,10～18天与25～30天的周期最显著。④强夏季风年,黄淮地区有2段雨季,分别出现在7月初与8月中下旬;但在弱夏季风年,主雨季不明显。⑤强弱年降水的诸多差异,主要归因于欧亚中高纬度大尺度环流的波列不同及偏南季风的水汽输送差异。⑥春季海温异常对当年黄淮地区的降水有指示作用。在拉尼娜年,黄淮地区东部降水偏多,西部降水偏少;在厄尔尼诺年反之。     

关于我国夏季气候年代际变化特征及其可能成因的研究

利用我国160个台站1951～2000年夏季(6～8月)降水和气温观测资料,以及NCEP/NCAR海温、风场和水汽的再分析资料,分析了我国夏季风降水和气温的年代际变化特征及其可能成因.分析结果表明,我国夏季降水有明显的年代际变化,在1976年前后发生了一次明显的气候跃变,从1977年到2000年夏季长江流域的降水明显增加,而华北地区和黄河流域夏季降水明显减少,出现了严重干旱.分析结果还表明,我国西北地区降水的振荡位相要超前于华北地区降水振荡位相5～8年,华北地区气候年代际时间尺度变化是从1977年起降水减少,气温上升;但西北地区从20世纪70年代开始,则温度升高,降水增多.此外,分析结果也表明我国气温同样有年代际变化,但不如降水年代际变化明显.作者还从热带太平洋SST(海面温度)的年代际变化及其对中印半岛和东亚上空水汽输送的影响,分析了上述我国气候年代际变化的可能成因.分析结果表明,热带中东太平洋的SST也有明显的年代际变化,从1976年以后热带中东太平洋海水明显增暖,出现了明显的"类似El Nino型"的SST距平分布,呈现出"年代际的El Nino现象".这种海温异常分布减弱了亚洲夏季风,从而减弱了从热带太平洋、中国南海和孟加拉湾向东亚的水汽输送,造成水汽输送在长江流域辐合,使到达华北地区的水汽大大减弱,因此引起长江流域降水明显增加,而华北地区明显减少,出现了持续性严重干旱.     

清江流域水热关系与东亚夏季风的联系

降水（P）与气温（T）之间的关系,即水热关系（PTR）,在夏季一定程度上可反映干旱—高温热浪（或洪涝多雨—凉夏）极端气候灾害事件的发生情况。三峡库区内的清江流域,存在发育良好的洞穴,其沉积物中碳氧同位素序列长,可一定程度代表降水或气温信息,存在构造长序列PTR指标的可能性。从现代器测与再分析记录出发,研究清江流域PTR的演变特征和成因,可为利用石笋碳氧同位素构造PTR代用指标提供一些物理基础和启发。本文利用清江流域6个站（巴东、建始、利川、恩施、五峰、宜昌）1960～2016年逐日气温与降水观测资料及NCEP耦合预报模式再分析（CFSR）、日本气象厅55年再分析（JRA55）和欧洲中期天气预报中心再分析（ERA-interim）等3套资料,分析了清江流域PTR季节性差异、年际与年代际变化及其与东亚夏季风的联系。结果表明:1）PTR有明显季节性差异,夏季为显著负相关,其他季节不明显;2）夏季PTR存在明显年代际变化,表现出20～25年准周期振荡特征。在过去的几十年间, 1965～1976年和1993～2011年期间水热相关不显著,而1977～1992年为显著负相关,即分别在1974年、1986年、1992年发生了年代际转折;3）夏季PTR年代际变化和东亚夏季风强度有一定的联系。在水热显著负相关时段（1977～1992年）,夏季风偏弱;PTR不显著时段（1965～1976年和1993～2011年）,夏季风偏强;4）机制上,夏季风减弱,南北方气流交汇位置靠南,清江流域水汽增加,上升运动增强,云量与降水增加,导致地表热通量减少,地面气温下降,PTR为显著负相关。夏季风增强时,南北气流交汇区北移,清江流域水汽减少,下沉运动增强,导致云量减少而地表热通量增加,使得气温上升,进一步使气温垂直递减率增加,降水效率对降水贡献为正,表明气温上升利于降水增加,同时云量/降水对气温的影响减弱,但并未消失,使得PTR不显著。5）太平洋年代际振荡（IPO/PDO）对清江流域夏季PTR起着一定的调制作用。     

华南夏季风降水开始日的异常与前冬大气环流和海温的关系

利用1951～2004年NCEP/NCAR再分析资料及ERSST海温资料,研究了华南夏季风降水开始日期的变化特征及其与前期冬季大气环流和海温的关系。小波分析表明,夏季风降水开始日期具有明显的年际和年代际变化,年际变化以准2～3年变化为主,年代际变化周期约16年。华南夏季风降水开始偏早年在大气环流上的前兆信号表现为前期冬季乌拉尔山阻塞高压偏强、东亚大槽较深,阿留申低压偏强,冷空气活动偏强。冬季,鄂霍次克海附近的海温异常为华南夏季风降水开始迟早有物理意义的、稳定正相关前兆信号。合成分析表明,冬季鄂霍次克海附近SST正异常时,5月100 hPa青藏高压偏东偏北偏弱,异常偏西风控制华南;850 hPa环流在华南表现为东北风,华南受冷空气影响为主,华南夏季风降水开始日期偏晚。相反时,若冬季鄂霍次克海附近SST负异常,5月100 hPa青藏高压偏西偏南偏强,异常偏东风控制华南;850 hPa环流在华南表现为偏南风,华南受热带系统影响为主,华南夏季风降水开始日期偏早。并提出冬季中高纬度地区冷空气活动影响华南夏季风降水开始日异常的物理机制。     

东北夏季降水异常的年代际、年际构成及成因分析

利用NCEE／NCAR再分析月平均海平面气压资料、中国160站月降水资料、英国气象局和英国大气资料中心月平均海表温度资料，使用周期分析、奇异值分解和旋转EOF分析方法，分析了东北夏季降水异常的年代际、年际构成及成因。结果表明：(1)东北夏季降水异常构成中年代际、年际变化相对均衡，在局地年际变率中，东、南部年代际变化略强于西、北部。(2)在年代际、年际尺度上，东亚夏季风增强(减弱)，则东北降水偏多(偏少)。(3)E1 Nino事件与东北区夏季风异常无直接联系．故与东北夏季降水关系不密切。     

冬季亚洲大陆年际热力差异与中国气候的关系

利用DB16小波对50 a来南亚—东北亚热力差异时间序列进行分析,其周期变化主要集中在3.5 a以下的高频振荡时域内,其次年代际变化也是相对明显的。在此基础上通过尺度分离方法,将亚洲大陆热力差异中的年际和年代际时间尺度进行分离,进一步研究了年际尺度上亚洲大陆热力差异的变化特征及其与中国夏季降水的关系。结果表明年际尺度上亚洲大陆热力差异与亚洲冬夏季风和中国夏季降水同样有一些联系:强(弱)热力差指数年对应的冬夏季风存在差异,中国夏季降水分布类似于第1(3)类雨带。另外,强(弱)指数年夏季东亚季风涌、对流活动分布等的变化均呈现出有利于中国北方降水偏多(偏少)的特征。     

东亚夏季风的变化及对松嫩流域旱涝影响

根据近50年来美国NCEP/NCAR再分析资料及松嫩流域39个站1951~2000年的逐日降水资料,用相关分析、合成、对比分析及小波分析等方法分析了东亚夏季风的年际、年代际变化及对松嫩流域旱涝的影响。结果表明,东亚夏季风对位于中高纬度的松嫩流域的旱涝趋势确有影响,但东亚夏季风的年际、年代际变化很大。东亚夏季风与松嫩流域盛夏降水特点相似:都具有3~5年、10~12年的变化周期,在20世纪60年代末、80年代初都有气候突变。松嫩流域的旱涝趋势除与东亚夏季风有关外,还与中高纬度的西风带天气系统及西太平洋副热带高压密切相关。     

北太平洋涛动的季节演变及其与我国冬春气候异常的联系

本文利用NCEP/NCAR再分析资料和我国160站的观测资料,首先定义了季节平均的北太平洋涛动(NPO)指数,在此基础上分析了不同季节中NPO的时空变化特征,特别对冬季和春季NPO与我国气温、降水异常的关系作了研究.结果表明,作为北太平洋地区海平面气压(SLP)年际变化的第二模态,NPO具有相当正压的结构,在地面表现为...     

热带印度洋偶极子与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化

利用中国站点观测逐月降水和月平均气温资料以及NCEP/NCAR再分析资料,揭示了热带印度洋偶极子(IOD)与中国夏季气候异常关系的年代际变化.结果表明:IOD与中国夏季年际气候异常的关系既有稳定的一面,又存在着年代际变化.较为稳定的关系表现为:IOD与同年夏季长江黄河之间的降水变化存在显著负相关,与四川气温变化存在显著正相关;IOD与次年夏季四川降水存在显著正相关.伴随发生在20世纪70年代末的大尺度环流年代际转型,IOD与中国气候年际异常的联系亦发生变化:IOD正位相年的同年夏季降水异常型,由中国大部分地区偏少变为长江以南(北)偏多(少),气温由西南地区东部偏暖变为长江以南(北)偏冷(暖);次年夏季降水由全国大部分地区偏多变为长江以南(北)偏少(多),气温由全国大部分地区相关不显著变为黄河以南大部分地区显著偏暖.在IOD负位相年,中国夏季气候异常的特征与IOD正位相年相反.在20世纪70年代末的大尺度年代际气候转犁前后,与IOD相关的东亚大气环流异常特征明显不同.在IOD发展阶段,在70年代末以前,印度夏季风和南海季风偏强,副热带高压势力偏弱,导致中国华南大部分地区降水偏少,华北西部以及内蒙古中部等地降水偏多;70年代末以后,东亚大陆中纬度为弱的东风距平,导致新疆北部降水偏少,气温偏高,华南降水偏多.在IOD次年夏季,70年代末以前,华南、河套以及四川等地盛行偏南气流,降水偏多;70年代末以后,南亚高压和西太平洋副高偏西偏强,华南、江南降水偏少.     

CMIP5气候模式对中国东部夏季降水年代际变化的模拟性能评估

使用分类集合的方法评估了第五次耦合模式比较计划(CMIP5)多个耦合模式对中国东部夏季降水年代际变化的模拟性能.结果表明,在评估的38个模式中,仅有6个模式(第1类模式)可以成功再现1970年代末中国东部夏季降水年代际变化的主要特征,即长江流域降水偏多、而华北和华南偏少.这些模式模拟的成功归因于它们能较好再现1970年代末东亚夏季风的年代际减弱及相关的环流场的变化,包括东亚沿海的偏北风异常以及西太平洋副热带高压的偏向西南、强度增强等.而对降水年代际变化模拟很差的第2类模式,则模拟出不出东亚夏季风的这种减弱特征.进一步的分析表明,两类CMIP5模式对太平洋年代际振荡(PDO)空间分布特征都有较好的再现能力,但对PDO年代际转变特征的模拟能力则差异较大.第1类模式能很好地模拟出1970年代末热带海洋的增暖和相关的PDO位相由负到正的转换,而第2类模式所模拟的PDO位相转变与观测完全相反,且也不能模拟出热带中东太平洋海洋的年代际增暖及江淮流域夏季的变冷,因此导致该类模式对1970年代末东亚夏季风的减弱和中国东部夏季雨型的年代际转变没有模拟能力.由此也表明,对耦合模式来说,中国夏季降水年代际变化的模拟能力在很大程度上取决于模式对海洋年代际变化信号的模拟.     

1951—2013年我国冬季气温年代际变化与PDO的关系

利用我国160个测站1951—2013年冬季月平均气温资料和1951—2016年间冬季太平洋年代际振荡(PDO：Pacific Decadal Oscillation)指数资料,分析了两者在年际和年代际时间尺度上的相关关系,探讨了PDO对我国冬季气温影响的可能物理过程。结果发现：PDO与我国冬季气温年际变化不显著;在冬季期间,PDO对我国气温的影响是滞后的;PDO与我国冬季气温年代际变化存在密切关系,当PDO处于年代际正(负)位相时,我国气温普遍偏高(低);PDO年代际分量对我国的影响机制为：当PDO指数位于年代际正(负)位相时段,海平面气压场上西伯利亚高压减弱(增强),500 hPa高度场东亚大槽强度减弱(增强),200 hPa纬向风场东亚北支急流减弱(增强),这些都有利于我国冬季气温偏高(低)。     

中国东部夏季降水的准两年周期振荡及其成因

应用中国160测站降水资料和ERA-40再分析资料以及EOF和熵谱分析方法,分析了中国夏季(6～8月)降水和东亚水汽输送通量的年际变化,表明中国(特别是华南、长江流域和淮河流域以及华北等地区)夏季降水具有2～3 a周期变化特征,即准两年周期的振荡特征,并表明中国降水的这种周期振荡与东亚上空夏季风水汽输送通量的准两年周期振荡密切相关;并且,还利用NCEP/NCAR的海表温度和日本气象厅的沿137°E海温剖面观测资料,分析了热带西太平洋表层与次表层海温的年际变化,揭示了热带西太平洋热力状态的变化也有显著的准两年周期的变化特征.作者利用相关和集成分析来讨论热带西太平洋热状态的准两年周期振荡对中国夏季降水和东亚水汽输送的影响,表明了热带西太平洋海温的准两年周期振荡对东亚夏季风及其所驱动的水汽输送都有很大影响.此外,作者还利用东亚/太平洋型(EAP型)遥相关理论,简单地讨论了热带西太平洋热力状态的准两年周期振荡影响中国夏季风降水准两年周期变化的物理机制.     

过去2000年亚澳夏季风降水百年际变化特征及成因的模拟研究

利用地球系统模式（CESM）开展过去2000 年气候模拟试验,在利用观测资料、再分析资料对模拟资料进行检验的基础上,探讨百年时间尺度上亚澳夏季风降水的时、空变化特征及其成因,对于认识百年尺度气候变化规律、定量区分自然因子和人类活动对亚澳夏季风的影响具有重要意义。结果表明:过去2000 年亚澳夏季风降水和温度的波动较为一致,暖期降水多,冷期降水少。两者相关系数为0.83,达到99%置信度。此外,亚澳夏季风降水存在105、130、180 a的百年尺度周期。亚澳夏季风降水经验正交函数分解第一模态在印度洋北部呈南北反向的分布型态,在东亚地区呈负、正、负的分布型态;第二模态在印度洋北部呈正、负、正的分布型态,在东亚地区呈全区一致型的分布型态。经验正交函数分解第一特征向量和第二特征向量的正、负值中心大多出现在印度洋北部地区,南北呈不对称分布。亚澳夏季风降水的105 a周期主要受火山活动和土地利用/覆盖的影响,130 a周期主要受太阳辐射、气候系统内部变率的影响,180 a周期主要受火山活动的影响。从经验正交函数分解第一特征向量来看,整个亚澳夏季风降水主要受土地利用/覆盖、太阳辐射的影响;第二特征向量表明亚澳夏季风降水在百年际空间变化上主要受太阳辐射和气候系统内部变率的影响;第三特征向量表明亚澳夏季风降水在百年际空间变化上主要受气候系统内部变率和温室气体的影响。该研究对揭示百年际时间尺度气候变化特征、辨识影响气候变化的自然因素与人为因素、理解其影响气候的物理机制等具有重要意义,也为应对该区域气候变化提供了参考依据。      

青藏高原气温和降水的年际和年代际变化

通过对青藏高原72个地面气象站1962～1999年的气温和降水变化的分析,以唐古拉山脉为界将高原分为青海区和西藏区,分别考察了两区冬春(上年10月～当年5月)和汛期(当年6月～9月)气温与降水的变化趋势、突变及其周期振荡,得出的主要结论为:近38年(1962～1999)来,青藏高原呈升温趋势,冬春大多数台站的升温率为0.02～0.03 ℃ a-1,汛期大多数台站的升温率为0.01～0.02 ℃ a-1;20世纪80年代以来,高原冬春气温的升温更为强烈,汛期青海区的升温变得强烈,但西藏区反呈微弱降温趋势,降温主要发生在西藏的江河谷地;全球性的1980年左右的暖突变在青藏高原是明显存在的;近38年来,青海区冬春降水和西藏区汛期降水存在相同的相位变化,即20世纪60年代基本偏多,20世纪70年代和20世纪80年代初偏少,20世纪80年代中到20世纪90年代偏多;青海区汛期降水与西藏区汛期降水的变化存在反向的关系,但它的转折点要滞后4～5年,青海区汛期降水20世纪60年代偏少,20世纪70年代和20世纪80年代偏多,20世纪90年代偏少;西藏区冬春降水呈现自己独特的变化,20世纪60年代到20世纪70年代初偏少,20世纪70年代中末期到20世纪90年代偏多;高原气温主要存在准3年、5～8年和准11年的周期振荡,高原降水主要存在3～5年、8～11年和准19年的周期振荡,这些周期振荡在高原气候演变的不同阶段显著性不一.