华南春季降水及其季节内振荡强度的年代际变化特征

利用NCEP和中国台站资料,探讨了华南春季降水和降水季节内振荡(Intraseasonal oscillation,ISO)强度的年代际变化特征。经验正交函数EOF分析结果显示,第一模态显示全国春季降水量以及降水ISO强度较大区域均分布在华南地区。两者间的相关关系比较显著,分别经历了3段年代际变化,即1958—1973年偏少(偏弱)、1974—1990年偏多(偏强)以及1991—2007年偏少(偏弱)。并且,强降水和强降水ISO事件天数和强度也经历了偏少(偏弱)、偏多(偏强)和偏少(偏弱)的变化。但强降水ISO事件天数和强度占总强降水的比率呈现减少的趋势。在不同的年代,大气环流和海温异常对降水和降水ISO强度的变化起了主要作用,但其中的作用又各有不同。在1958—1973年,周边海温、北太平洋年代际振荡(PDO)与大气环流起了共同作用;在1974—1990年,周边海温影响不大,PDO和大气环流起了主要作用;在1991—2007年,PDO和大气环流的相互配置抑制了周边海温的影响。     

北太平洋次表层海温异常对中国夏季降水影响的可能途径

利用Godas月平均次表层海温资料, 分析了冬、春季和夏季北太平洋次表层海温层际相似性特征, 据此对次表层海温进行分层。在此基础上研究了500 hPa位势高度场、北太平洋次表层海温、中国夏季降水三者之间的时滞相关关系, 发现春季北太平洋次表层海温场是联系前、后期大气环流的关键因素。前期冬季大气环流对春季北太平洋次表层海温场影响最显著, 春季北太平洋次表层海温场又持续影响同期及后期夏季大气环流异常。异常的夏季大气环流与同期表层、次表层海温相互作用, 共同造成夏季长江流域与华北、华南降水出现相反异常的分布型式。     

青藏高原夏季热力状态和南半球大气环流的可能联系

本文通过对观测和再分析数据采用最大协方差分析以及回归、合成等分析方法,研究了青藏高原夏季地表气温与南半球大气环流之间的遥相关关系。结果表明,前期(4月)南半球极地—中高纬度大气环流呈现负位势高度异常、较低纬度印度洋—西太平洋区域呈现正位势高度异常时,高原中部和东部大部分区域夏季出现暖异常。在上述遥相关中,印度洋—西太平洋海温异常可能起到了重要的中间桥梁作用。在高原夏季温度偏高的年份,前期跨赤道的印度洋—西太平洋海温也持续偏暖,带来的海陆热力对比减小、经向跨赤道气流减弱有利于削弱夏季的季风环流,使得高原夏季降水偏少,有利于形成高原夏季的暖异常。在这一高原气温—南半球大气环流的遥相关关系中,4月南半球的大气位势高度场异常和与印度洋—西太平洋海温异常相关的异常高度场分布也十分相似。这一前期的跨赤道区域海温异常与南半球中高纬度位势高度场异常的因果关系仍有待进一步揭示。     

中国东北地区春季透雨早晚与2～3月热带印度洋海温异常的联系

利用1961～2019年中国东北地区测站逐日降水资料、美国国家环境预报中心/大气研究中心的月平均再分析资料、NOAA重构的月平均海温和向外长波辐射资料,采用统计诊断方法,从年际时间尺度上分析了东北春季透雨早晚环流特征和前期海温,尤其是热带印度洋海温强迫的联系。结果表明:春季透雨日期与4月降水量的变化具有显著的一致性,典型透雨偏早年的开始时间集中在4月中下旬,偏晚年的开始时间集中在5月中下旬;4月东北亚上空500 hPa位势高度场上,若呈自西向东的“? +”异常环流分布,东北地区以偏南风和气旋性环流为主,有利于水汽输送,春季透雨开始偏早,反之,春季透雨开始偏晚;2～3月热带印度洋暖海温异常是中国东北地区春季透雨偏早的重要稳定影响源之一,其可能机制是,若热带印度洋全区一致海温模态呈正位相,有利于4月西北太平洋地区呈异常反气旋,东北亚地区500 hPa环流异常类似春季透雨偏早年形势,东北地区位于200 hPa西风急流出口区右侧,垂直上升运动增强,呈现出多雨形势。     

东北春季极端低温的变化特征及其与大西洋海温的关系

利用1958—2007年全球海温、位势高度场月平均资料和我国东北地区64个测站的春季地面气温资料,分析了我国东北地区春季极端低温的时空变化特征及其与大气环流和海温异常的关系。结果表明：近50a来,我国东北春季极端低温事件频数整体呈减少趋势;极端低温频数主要存在全区一致变化型和南北反相变化型两种模态;极端低温事件频数与北极涛动存在显著负相关关系,同时在极端低温多年,极涡较弱,乌拉尔山阻塞高压偏强,东北冷涡较强,反之亦然;影响我国东北地区春季极端低温的关键海区为中北大西洋海区,极端低温多年,中北大西洋海温较常年偏冷,反之则中北大西洋海温较常年偏暖。这对于预测东北春季极端低温事件的年际变化具有很好的指示意义。数值试验结果表明,中北大西洋海温异常可激发欧亚波列,致使中国东北温度异常。     

我国秋季降水的年际变化及与热带太平洋海温异常分布的关系

利用我国160个站点58年(1951～2008年)的降水资料、NCEP/NCAR再分析环流资料和Hadley海表温度资料,对我国秋季降水年际变化的特征和可能成因进行了分析。结果显示,秋季降水前两模态分别反映长江流域及以南地区和长江以北的江淮、黄淮、华北、四川盆地北部至河套等地降水的变化,两降水模态的变化都以年际尺度为主,年代际变化特征不明显。就环流形势而言,第一模态的年际变化主要与西太平洋副热带高压的强度及相应的对流层低层菲律宾群岛附近的异常气旋/反气旋联系紧密,第二模态的年际变化则可能受到副热带高压的南北位置和相应的日本岛附近的异常气旋/反气旋的影响。同时,两模态及相应的异常环流还分别与热带东印度洋和热带西太平洋附近的异常垂直运动关系密切,热带地区的异常垂直运动可能通过经圈方向的异常环流影响到东亚地区。此外,两降水模态不仅与热带地区的异常环流关系密切,而且与热带海温异常也存在紧密的联系。与两模态相关联的热带太平洋海温异常显示出不同的分布特征,当热带东太平洋偏暖/冷,西太平洋偏冷/暖时,长江以南地区降水偏多/少。而当热带东太平洋和中太平洋一致偏暖/冷时,长江以北地区降水易偏少/多。两降水模态与热带海温及热带地区异常环流之间的密切关系显示热带太平洋海温异常的不同分布可能通过激发不同的热带地区异常垂直环流形势而对降水产生影响。     

夏季长江中下游和华南两类雨型的环流特征及预测信号

利用中国南方66站降水观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用经验正交函数分解（EOF）、合成分析和相关分析等方法,对夏季长江中下游和华南两类雨型进行了划分,对比分析了两类雨型同期大气环流和前期海温及环流的差异,以探讨两类雨型的形成机制及前期预测信号。结果表明:20世纪80年代之前华南型出现的频次较高,之后长江中下游型出现频次增多;长江中下游型年西太平洋副热带高压（副高）偏强偏西偏南,东亚夏季风（EASM）偏弱,副热带西风急流位置偏南,乌拉尔山阻塞高压（乌阻）和鄂霍次克海阻塞高压（鄂阻）较强,欧亚中高纬以经向环流为主,冷暖空气在长江中下游辐合,导致长江中下游降水偏多;华南型年大气环流与长江中下游型年大体相反,登陆华南的台风偏多,冷暖空气在华南地区辐合,导致华南地区降水偏多;其中副高的脊线位置和中高纬阻塞强弱是长江中下游型和华南型形成的关键因素。两类雨型前期海温分析表明,长江中下游型年,前冬赤道中东太平洋和印度洋偏暖,为典型的东部型El Ni?o,副热带南印度洋偶极子（SIOD）呈负位相,春季El Ni?o衰减,SIOD负位相也减弱,但印度洋持续增暖;华南型年,前冬和春季的海洋演变与长江中下游型年大体相反;关键区域海温与长江中下游夏季降水（YRR）和华南夏季降水（SCR）的年际关系存在年代际变化,YRR和SCR与前冬Ni?o3.4指数、SIOD指数和春季热带印度洋全区一致海温模态（IOBW）指数的相关关系在80年代之后逐步减弱,这主要是由于这三个关键海温指数与EASM及副高脊线的相关关系在80年代之后逐步减弱;两类雨型前期大气环流差异分析表明,春季大气环流的差异性要比前冬显著,长江中下游型年,春季副高、南海副高、马斯克林高压（马高）、澳大利亚高压（澳高）均偏强,大西洋欧洲区极涡强度偏弱,北太平洋涛动（NPO）呈正位相;华南型年春季的关键环流系统异常不明显,仅大西洋欧洲区极涡强度偏强,NPO呈负位相。前期海温演变及春季大气环流关键系统的异常可以作为两类雨型年的一些预测信号。     

我国南方盛夏气温主模态特征及其与海温异常的联系

利用NCEP/NCAR大气环流资料、HadISST海温数据以及中国160站气温数据等,通过EOF分解、线性相关等统计方法,分析了我国南方盛夏气温异常的主导模态及其所对应的关键环流系统和可能的海洋外强迫信号。结果表明:我国南方盛夏气温偏高有两种不同的分布模态,一是以江淮地区为中心的江淮型高温,二是以江南和华南为中心的江南型高温,导致这两种高温型发生的环流影响系统和海温外强迫因子均有显著差异。影响江淮型高温的关键环流系统是高低空正压结构的高度场正距平和偏弱的东亚副热带西风急流。而影响这两个关键环流系统的海洋外强迫因子包括热带印度洋至东太平洋的"-+-"海温异常分布型及北大西洋中纬度的暖海温异常。2016年盛夏江淮型高温的大气环流和海温异常均表现出典型江淮型高温年的特征,更好的证明了统计分析的结论。而江南型高温的关键环流系统主要是加强西伸的西太平洋副热带高压。其海洋外强迫因子包括前冬赤道中东太平洋的暖海温异常和春季-盛夏热带印度洋全区一致型暖海温异常,其中热带印度洋海温的影响更为持续和显著。     

2015年全球重大天气气候事件及其成因

2015年全球平均表面温度继续偏高,比1961—1990年平均值偏高0.76℃,成为有气象记录以来最暖的一年。年内,赤道中东太平洋海温异常偏暖,全球海洋平均热容量突破历史纪录。北极海冰年内最大值又创新低,南极海冰继续偏多。受下垫面因子的影响,大气环流持续性异常导致全球多地出现极端天气气候事件,如春季南亚地区暴雨成灾,夏季欧洲受到高温侵袭等。分析表明赤道中东太平洋以及赤道印度洋的海温异常偏高引起西太平洋副热带高压异常偏西、偏强,以及印度半岛局地对流活跃是导致南亚地区春季暴雨频繁的主要原因;另外,北极涛动负位相的维持导致中纬度西风减速及经向型环流的建立,是造成欧洲7月初高温热浪的直接原因。     

东北春季极端连续无雨日与前冬北太平洋海平面气压的可能联系北大核心

基于1960—2019年中国东北地区108个台站逐日降水资料、JRA-55再分析资料和Hadley中心海温数据,分析了东北地区春季极端连续无雨日的年际变化特征及其与前冬北太平洋地区大气环流和海表温度的关系。研究表明,东北地区春季极端连续无雨日集中在3—4月。当3—4月极端连续无雨日偏多时,贝加尔湖地区存在异常高压,东北地区受偏北气流影响,局地水汽辐散。进一步分析发现,东北地区3—4月极端连续无雨日与前冬1—2月北太平洋地区偶极型海平面气压存在密切联系。该大气模态可以引起同期北太平洋海温呈现出马蹄形异常分布并持续到3—4月。在3—4月,海温异常可以通过改变北太平洋上空的经向温度梯度,引起东亚到北太平洋地区的西风变化,进而有利于贝加尔湖地区出现异常高压。另一方面,海温异常还会增强北半球中纬度的波列活动,东传的波列也可以增强贝加尔湖地区的高压。上述异常环流为东北地区极端连续无雨日的增加提供了有利背景条件。留一交叉验证结果显示,前冬1—2月北太平洋地区偶极型海平面气压可作为东北春季极端连续无雨日的潜在预测因子。     

热带海表温度持续异常对东亚初夏大气环流的影响

利用NCEP/NCAR月平均海表温度及北半球大气环流分析资料,系统研究了热带海洋表面温度持续异常状况下东亚初夏（5、6月份）大气环流的异常特征.研究发现,暖海温年,南亚高压、西太平洋副热带高压明显偏强,冷海温年明显偏弱;暖海温年,欧亚大陆南支西风急流明显减弱北移,东亚大陆对流层低层温度偏高或接近常年,青藏高原近地面温度偏高,而冷海温年,东亚大陆对流层低层温度偏低,5月份青藏高原近地面温度偏低.研究表明,海表温度的持续异常对东亚初夏大气环流的季节转换有重要影响.     

与印度洋偶极子模态有关的西太平洋海温异常型及其对东亚冬季气候的影响

利用NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）海温、GPCP（Global Precipitation Climatology Project）降水和ERA-20C（ECMWF's first atmospheric reanalysis of the 20th century）再分析大气环流资料,结合大气环流模式ECHAM5敏感性试验,研究了与秋季印度洋海温偶极子模态（IOD）相联系的冬季热带西太平洋海温异常型及其对东亚冬季气候的影响。发现在秋季发生IOD背景下,冬季西太平洋存在两类海温异常的变化型:一类是西太平洋区域一致偏暖/冷的模态,另一类是区域西冷东暖/西暖东冷的模态。尽管西太平洋海温一致偏暖和西冷东暖这两类海温变化型均有利于华南冬季少降水,但影响的范围有所不同。一致偏暖型引起的少降水范围较大,从华南扩展到长江中下游地区。西冷东暖型引起少降水范围主要限于华南,而在长江中下游到华北则降水偏多。相应地,在大气环流上,尽管两类海温异常型均有利于在西北太平洋菲律宾海附近出现气旋式环流异常,但气旋的强度和中心位置有差异。一致偏暖型引起的气旋偏强,中心位置偏西,其后部异常东北风控制的范围更大,导致少降水范围更大,而西冷东暖型引起的气旋偏弱,中心位置偏东,其后部异常东北风控制的范围小,导致少降水区域主要在华南沿海。本文结果对认识IOD调制随后冬季东亚降水异常的机理有重要意义。     

春季赤道东太平洋海温异常对东亚大气环流春夏季节演变的影响

利用NCEP高度场、风场及OLR资料，分析了春季赤道东太平洋海温异常对东亚大气环流春夏季节演变的影响，结果表明春季赤道东太平洋海温偏暖年，南海－菲律附近出现异常反气旋，西太平洋副高偏强偏西（副高5月占据南海），南海季风爆发迟；而春季海温偏冷年，南海－菲律宾近出现异常气旋，西太平洋副高偏弱偏东（副高5月东移出南海），南海行风爆发早。数值试验腠季赤道东太平洋海温异常不仅对东亚大气环流春季季节变化有明显影响，而且此影响可持续到夏季。     

1961—2018年广东高温的气候变率及其与大气环流和海温异常的关系

利用1961—2018年广东86个国家气象观测站逐日最高气温资料,NCEP/NCAR月尺度再分析大气环流资料、海表温度资料(ERSST V5),国家气候中心大气环流指数资料,采用相关、合成、突变分析等方法分析了广东高温的气候变率及其与大气环流和海温的关系。结果表明,近58年来广东平均高温日数以3.0 d/(10 a)的速率显著上升,并在1998年发生增加的突变。广东高温日数具有显著的年际和年代际变化并且其对应的大气环流和海温的异常特征基本相同,但年际差异比年代际差异更加明显。在6—9月,对流层中高层位势高度正异常是广东高温日数偏多的一个重要原因,同时南亚高压和西太平洋副热带高压偏强、影响华南的偏北气流偏强,大陆高压加强也对应高温日数偏多。在5—8月,热带印度洋、热带西太平洋、南海海温偏高有利于广东高温日数增多。      

前期热带太平洋次表层海温异常与东亚夏季风的可能联系

利用1979—2012年日本气象厅次表层海温资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了前期冬季热带太平洋次表层海温与东亚夏季风的关系,并讨论了其可能机制。结果表明,前期冬季热带太平洋次表层海温与后期东亚夏季风强弱有显著的相关关系。冬季次表层海温呈现东正西负的类El Nio分布型时,夏季副热带高压偏强,西北太平洋地区受反气旋型环流控制,能将大量的水汽输送到长江和淮河流域,有利于水汽在该区域辐合,为夏季降水偏多创造了条件,此时东亚夏季风活动整体偏弱,反之亦然。但类El Nio分布型对东亚夏季气候变化的影响较类La Nia分布型更显著。此外,冬季热带太平洋次表层海温可能通过其自身能够持续性地影响东亚—太平洋地区的大气环流异常,次表层海温随季节变化有明显的发展和移动趋势:冬季西太平洋暖池次表层冷(暖)海温不断堆积,沿温跃层向东传播使得中东太平洋次表层海温逐渐变冷(暖),冷(暖)海温上翻加强使得海表温度异常,进一步影响到西太平洋副热带高压的位置和强度,并在东亚地区形成经向遥相关波列,通过西北太平洋地区异常反气旋(气旋)环流的作用,影响东亚地区大气环流以及气候变化。     

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.     

南亚高压强度的年代际变化及可能原因分析

利用NCEP/NCAR再分析资料和NOAA ERSST海温资料,对夏季南亚高压的年代际变化特征及其可能机制进行了分析。结果表明,南亚高压由弱到强的年代际转折发生在1970年代末,或者说南亚高压强度在1978年前后发生了年代际突变。对南亚高压偏弱和偏强两个阶段的对比分析表明,大气环流(包括风场、温度场和垂直运动场等)的异常形势和特征显著不同,几乎是相反的。夏季地表潜热通量异常的分析说明,夏季高原(特别是高原西北部)的地表热通量异常对南亚高压强度的年代际变化有重要影响;相对而言,地表感热通量异常可能对南亚高压强度的年代际变化起更重要作用。夏季热带印度洋海温的全区一致型模态在1970年代末也发生了明显的年代际变化,与南亚高压强度的年代际异常有很好的一致性,表明夏季热带印度洋海温一致型模态异常对南亚高压年代际变化有影响。      

2011年海洋和大气环流异常及对中国气候的影响

本文基于实时和历史观测资料,利用气候统计和气候机理诊断方法,对2011年气候异常及成因进行总结分析。结果表明,全球海洋外源强迫和大气内部动力过程共同作用下的大气环流系统组合异常,是造成2011年中国大部地区降水异常偏少,温度明显偏高,呈现暖干型气候特征的主要原因。具体表现为,拉尼娜事件在2011年夏季短暂中断后,9月再次进入拉尼娜状态;西太平洋副热带高压在5月之前异常偏弱、偏东,致使长江中下游出现严重春旱,之后副热带高压有所加强,尤其在6月异常偏强,使长江中下游地区梅雨量偏多、旱涝急转;秋季副热带高压脊线偏北、中高纬度冷空气活动阶段性活跃,致使华西、黄淮地区秋雨异常偏多;热带印度洋海温演变经历负偶极型海温模态后,夏季转为全区一致型暖海温;2010／2011年东亚冬季风偏强,2011年南海夏季风爆发偏早、结束偏晚,东亚夏季风正常偏弱;西北太平洋和南海热带气旋生成数量处于偏少的年代际时段,2011年热带气旋生成数量偏少。     

春季热带大西洋北部海温异常与我国盛夏降水异常的联系

利用Hadley中心的海表温度资料、全国160站降水资料以及NCEP-DOE AMIP-Ⅱ再分析等资料,运用多种统计分析方法,分析了春季（3—5月）热带大西洋北部海温异常变化特征及其对我国盛夏（7、8月）降水异常的影响。结果表明:春季热带大西洋北部模态是热带大西洋海温异常REOF分解的第一模态,方差贡献率为34.5%。热带大西洋北部海温异常年际变率具有明显的季节差异,其中春季最为显著。春季热带大西洋北部海温异常与我国盛夏华中地区降水异常有显著的正相关关系。进一步分析表明,春季热带大西洋北部的海温正异常可以激发出Rossby波,在热带大西洋西北部和热带东太平洋北部产生异常的气旋式环流,引起上述区域的对流层低层（上层）大气出现异常辐合（辐散）,并通过热带大西洋北部地区和太平洋之间的垂直环流异常,在中太平洋地区对流层低层大气出现异常辐散,有利于西北太平洋地区产生异常反气旋式环流,异常反气旋西北侧的西南气流有利于水汽输送至我国华中地区,使该地区降水偏多。且这种影响可以通过热带大西洋北部海温异常的持续性,从春季一直持续到盛夏。      

不同时间尺度上黄淮地区夏季降水异常成因及预测研究

利用1961—2006年中国降水资料、NCEP/NCAR再分析资料、NOAA海表温度资料,分析了黄淮地区夏季降水的年代际和年际变化特征,研究了不同时间尺度上降水异常成因。结果表明,年代际尺度上,当太平洋年代际振荡处在暖(冷)位相时,南方涛动偏弱(强),黄淮地区夏季降水偏多(少)。在年际及以下尺度上,当印度洋北部海温偏高、南部偏低时,500 hPa位势高度场上,中高纬乌拉尔山以东和鄂霍次克海附近出现明显的双阻塞高压,副热带高压偏强;200 hPa风场上,西风急流略偏南,黄淮流域上空西风偏强,为反气旋环流;850 hPa风场上,黄淮流域上空出现西南—东北风的切变,使得急流出口区右侧次级环流的异常上升支恰好位于黄淮流域上空,高低空环流的这种配置导致了黄淮流域上空降水偏多。进一步分析发现,利用印度洋海温作为预测因子,建立预测模型,对黄淮流域降水年际变率有较高的预测能力。