Northern East Asian low and its impact on the interannual variation of East Asian summer rainfall

The strength of the East Asian summer monsoon and associated rainfall has been linked to the western North Pacific subtropical high (WNPSH) and the lower-tropospheric low pressure system over continental East Asia (EA). In contrast to the large number of studies devoted to the WNPSH, little is known about the variability of the East Asian continental low. The present study delineates the East Asian continental low using 850-hPa geopotential height. Since the low is centered over northern EA (NEA), we refer to it as the NEA low (NEAL). We show that the intensity of the NEAL has large interannual variation, with a dominant period of 2–4 years. An enhanced NEAL exhibits a barotropic structure throughout the whole troposphere, which accelerates the summer-mean upper-tropospheric westerly jet and lower-tropospheric monsoon westerly to its south. We carefully identify the anomalous NEAL-induced rainfall anomalies by removal of the tropical heating effects. An enhanced NEAL not only increases rainfall locally in northern Northeast China, but also shifts the East Asian subtropical front northward, causing above-normal rainfall extending eastward from the Huai River valley across central-northern Japan and below-normal rainfall in South China. The northward shift of the East Asian subtropical front is attributed to the following processes without change in the WNPSH: an enhanced NEAL increases meridional pressure gradients and the monsoon westerly along the East Asian subtropical front, which in turn induces a cyclonic shear vorticity anomaly to its northern side. The associated Ekman pumping induces moisture flux convergence that shifts the East Asian subtropical front northward. In addition, the frequent occurrence of synoptic cut-off lows is found to be associated with an enhanced NEAL. Wave activity analysis indicates that the interannual intensity change of the NEAL is significantly associated with the extratropical Polar Eurasian teleconnection, in addition to the forcing of the tropical WNP heating.     

夏季东亚高空西风急流气候特征分析

利用NCEP/NCAR全球再分析风场资料定义了西风急流强度指数和位置指数,然后利用EOF方法对西风急流进行了进一步的分析,分析了高空西风急流的空间分布特征,从强度和位置两方面分析了西风急流与东亚环流及其与海温的关系。分析表明： EOF第一模态反映了东亚高空急流的位置指数,第二模态反映了高空急流的强度指数。东亚高空急流与对流层大气环流包括南亚高压,西太平洋副热带高压,东亚夏季风存在着密切关系,其气候变化与热带副热带东太平洋、印度洋海温密切相关。     

东亚副热带西风急流位置异常对长江中下游夏季降水的影响

利用NCEP/NCAR 200 hPa月平均风场再分析资料,定义东亚大陆对流层上层不同经度上最大西风所在位置的平均纬度为东亚副热带西风急流轴线指数,该指数能准确反映东亚副热带西风急流位置的南北变化及其对长江中下游降水的影响,并能较好地体现东亚夏季风盛行期间对流层低层与高层的纬向风场变化特征。分析表明,该指数的时间变化具有与长江中下游夏季降水较一致的年代际变化及年际振荡特征。对东亚副热带西风急流位置异常年的大气环流差异分析表明,急流异常偏北时,南亚高压偏弱,位置偏北偏西,呈伊朗高压型;西太平洋副热带高压(下称西太副高)偏弱、位置偏东偏北;气流的辐合上升区北移至华北一带,而长江流域低层风场为辐散异常,上升气流较常年偏弱,降水偏少。急流异常偏南时,南亚高压偏强,位置偏南偏东,呈青藏高压型;西太副高偏强、位置偏西偏南;长江流域地区上空低层有较强辐合上升气流,高层有较强的气流辐散,对流旺盛,雨带在此维持,容易引发洪涝。     

Simulated interannual variation in summertime atmospheric circulation associated with the East Asian monsoon

The reproducibility of the interannual variability of the summertime East Asian circulation is examined using an atmospheric general circulation model (AGCM). An ensemble experiment is conducted using observed sea surface temperature (SST) of recent 20 years as a lower boundary condition. The spatial pattern associated with the first principal mode of observation of geopotential height at 500 hPa is characterized by a meridional wavy pattern extending over eastern Siberia, the vicinity of Japan and the subtropical western Pacific. The principal component (PC) time series of the leading mode is represented well by a high-resolution version of the AGCM with horizontal resolution T106 and with 56 vertical levels (T106L56), while with a lower resolution version, T42 and 20 vertical levels, the reproducibility is considerably degraded. The reproducibility by the AGCM suggests the importance of SST as a boundary condition. However, the simulated interannual variations show the alternating appearance of two distinct circulation regimes, a cold summer regime and a hot summer regime, exhibiting interesting bimodality in probability density distribution in PC phase space. This implies that the system’s response to the continuously varying boundary condition includes nonlinearity. The nature of this nonlinearity is suggested to be wave breaking in the westerly region of the high latitudes that requires high resolution for the reproduction. Using the T106L56 model, another ensemble experiment was carried out with doubled CO₂. The climate change appears as an increase in residence frequency of the cold summer regime of the principal patterns of the present-day climate. This paper is a contribution to the AMIP-CMIP Diagnostic Sub-project on General Circulation Model Simulation of the East Asian Climate, coordinated by W.-C. Wang.     

关于东亚副热带季风和热带季风的再认识

利用NCEP/NCAR再分析数据集和CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)降水资料, 分析了东亚副热带夏季风与热带夏季风的区别和联系, 以及两者相互作用问题, 深入讨论了东亚副热带季风的本质。分析发现东亚副热带夏季风建立早于热带夏季风, 于3月中旬已经开始建立。两者是相互独立的两个过程, 前者并非是后者向北推进的结果；相反, 前者建立后的突然南压有利于后者的爆发。副热带夏季风为渐进式建立, 但撤退迅速；热带夏季风爆发突然, 但撤退缓慢。副热带夏季风的建立以偏南风的建立为特征, 而热带夏季风的建立以偏东风向偏西风转变为特征。热带夏季风的建立时间取决于经向海陆热力差异转向, 而东亚副热带夏季风则更依赖于纬向海陆热力差异的逆转。亚洲大陆（含青藏高原）与西太平洋之间的纬向海陆热力差异的季节逆转无论对东亚副热带夏季风还是热带夏季风均有重要作用。     

东亚副热带西风急流位置变化与亚洲夏季风爆发的关系

利用1961～2000年的NCEP/NCAR候平均再分析资料,初步探讨了季节转换期间东亚副热带西风急流南北和东西向位置变化与亚洲季风爆发之间的联系。结果表明,亚洲夏季风爆发伴随着东亚副热带西风急流轴线的北跳和急流中心西移,急流轴北跳至35°N以北的青藏高原上空,南支西风急流消失,亚洲季风环流形势建立。南海季风爆发早年,低纬的东风向北推进的时间早,到达的纬度偏北,中纬的西风急流强度偏弱,季风爆发晚年则相反。同时,南海夏季风爆发早年,青藏高原上空急流核出现较早,西太平洋上空急流核减弱较快,急流中心“西移”较早。而在南海夏季风爆发晚年,西太平洋上空的急流核减弱较迟,青藏高原上空急流核形成偏晚,急流中心“西移”较迟。此外,急流中心东西向位置和强度变化与江淮流域梅雨的开始和结束也有密切关系。     

东亚副热带急流与东北夏季降水异常的关系

利用东北地区88个气象站点观测的7、8月(夏季)降水量和NCEP/NCAR再分析资料,分析了东北地区夏季降水与同期东亚副热带西风急流之间的关系,发现东北地区夏季降水异常偏多年,位于青藏高原上空200 hPa西风急流中心强度偏强,东北地区上空急流轴向东北方向倾斜;东北地区夏季降水异常偏少年,青藏高原上空200 hPa西风...     

南半球冬季双西风急流及数值模拟

基于NCEP/NCAR再分析资料研究了南半球冬季双西风急流现象,指出它发生在600～100hPa的南太平洋上空,其中副热带急流中心位于27.5°S,且在200hPa层风速达到极大值;高纬度急流中心位于60°S,风速随高度增加而增加。在此基础上,利用IAP 9L AGCM（大气物理研究所9层大气环流模式）对双西风急流现象进行了数值模拟。结果表明,该模式很好地再现了双西风急流现象,并成功地模拟出副热带急流的位置、强度以及最大风速的垂直中心层次。对极区急流强度的模拟也比较接近实况,但位置偏南。但模式对40～50°S之间南太平洋风速极小值中心强度的模拟略低于再分析资料。此外,模式对平流层上层单急流位置的模拟与观测结果有较大差异。     

2005年江淮流域入梅偏晚的成因分析

2005年是江淮流域入梅偏晚年。利用NCEP／NCAR再分析资料、OLR资料和江苏省气象台提供的2005年逐日降水资料，对2005年江淮流域入梅前的异常环流形势进行分析，探讨了西太平洋副热带高压和低层中高纬冷空气的活动异常与东亚大槽、中西太平洋ITCZ以及东亚副热带高空西风急流等活动异常的关系。结果表明，入梅前，东亚大槽发展强盛，ITCZ偏弱以及东亚副热带高空西风急流强劲少动导致西太平洋副热带高压北抬偏晚。同时，东亚副热带高空西风急流的强劲少动也使南下冷空气势力强劲，中低层副热带锋区偏南，抑制了暖湿的东亚夏季风向江淮流域推进。东亚副热带高空西风急流和西太平洋副热带高压向北突跳偏晚是江淮流域2005年入梅偏晚的主要原因。     

东亚地区夏季风爆发过程

利用中国194站1961～1995年日降水资料及NCEP1979～1997年候格点降水资料,探讨了亚洲地区自春到夏的雨季开始分布。结果表明,东亚地区自春到夏存在副热带季风雨季开始和热带季风雨季开始。前者于4月初开始于华南北部和江南地区,随后向南和向西南扩展,于4月末扩展到华南沿海和中南半岛,这个雨带主要是冷空气和副热带高压西侧转向的SW风以及南亚地区冬春副热带南支西风槽中西风汇合而形成的,是副热带季风雨季开始。后者是南海热带季风爆发后使原来由江南移到华南沿岸的副热带季风雨带随副热带高压北进而北进,前汛期雨季进入盛期,江南出现第二次雨峰,形成梅雨期和江淮及华北雨季。同时,热带季风雨带也自东向西传播到达南亚地区而形成热带季风雨季。还讨论了1998年东亚地区夏季风爆发过程,指出南海夏季风爆发期的季风由副高北侧形成的新生气旋进入南海造成南海中部西风和南海越赤道气流转向的SW季风加强汇合而形成,因而是东亚季风系统中环流系统季节变化造成的,和印度季风无关。在南海季风爆发期阿拉伯海仍由副热带反气旋控制,南亚仍是上述副热带反气旋北侧NW风南下后转向的偏西副热带气流所控制,索马里低空急流仍未爆发,赤道西风并未影响南海。     

冬季黑潮暖流区加热异常对东亚副热带西风急流影响的数值研究

通过对大气环流格点模式GAMIL性能的检验表明, 模式较好地再现了东亚地区大气环流型态、高空西风急流变化及表面加热场的季节变化。在此基础上, 设计敏感性试验研究了冬季西太平洋黑潮暖流关键区加热异常对高空西风急流影响, 数值试验结果表明冬季西太平洋黑潮暖流区加热正异常将引起东亚大槽偏东, 大陆冷高压、阿留申低压及位于低纬太平洋上的西太平洋副高均有所增强, 从而导致了冬季风环流加强。相应地, 东北太平洋上出现了明显的气旋差值环流, 而在中高纬大陆海洋交界地区出现反气旋式差值环流; 同时, 西风急流区南侧的低纬地区位势高度及温度场为正异常, 而北侧的中高纬地区为负异常, 这种分布将使得急流区经向气压梯度和南北温差加大, 导致急流的增强。模式结果分别从热力适应理论及热成风的角度验证了黑潮暖流区表面加热异常对急流的影响机理。     

The Role of Land-sea Distribution and Orography in the Asian Monsoon. Part II： Orography

The role of various mountains in the Asian monsoon system is investigated by AGCM simulations with different mountains. The comparison of the simulation with Asian mountains (MAsia run) with the simulation without mountains (NM run) reveals that the presence of the Asian mountains results in a stronger South Asian summer monsoon (SASM), characterized by enhanced lower-tropospheric westerly winds, upper-tropospheric easterly winds, and stronger water vapor convergence. In East Asia, the southerly winds and water vapor convergence are significantly strengthened in association with the intensified zonal pressure gradient between the East Asian continent and the Pacific Ocean. Both the dynamical and thermodynamic forcing of the Tibetan Plateau play important role in strengthening the Asian summer monsoon. In winter, the presence of Asian mountains significantly strengthens the continental high, which leads to a stronger Asian winter monsoon. The presence of African--Arabian mountains helps to intensify the exchange of mass between the Southern Hemisphere and Northern Hemisphere by strengthening the cross equatorial flows in the lower and upper troposphere over East Africa. Asian mountains also play a crucial role in the seasonal evolution of Asian monsoons. In comparison with the NM run, the earlier onset and later withdrawal of lower-tropospheric westerly winds can be found over South Asia in the MAsia run, indicating a longer SASM period. The African--Arabian mountains also moderately contribute to the seasonal variation of the South Asian monsoon. In East Asia, the clear south-to-north march of the southerly winds and subtropical rainfall starts to occur in early summer when the effects of Asian mountains are considered.     

青藏高原热力状况对东亚夏季副热带西风急流的影响

利用1961--2004年NCEP／NCAR月平均温度5层和200hPa风场再分析格点资料,以及通过倒算法得到的热源资料,采用SVD方法研究了夏季东亚地区副热带西风急流与青藏高原平均温度场的耦合特征,考察了青藏高原热源及其与西太平洋热源差对夏季东亚副热带西风急流的影响。结果表明,夏季整个青藏高原特别是高原北部平均温度场与急流中心强度变化联系紧密,而高原东南部平均温度场主要体现了夏季西风急流位置纬向一致的南北移动;其次,夏季副热带西风急流的变化还与青藏高原西南部与菲律宾以东的西太平洋热源差变化有密切联系。     

东亚夏季风强弱年大气环流和热源异常对比分析

根据黄刚等定义的东亚夏季风指数, 对强、弱东亚夏季风年大气环流、大气热源和外强迫源SST的差异进行分析, 结果表明:强 (弱) 东亚夏季风年前期冬季到夏季, 太平洋SSTA为La Ni?a (El Ni?o) 型分布, 西太平洋暖池SST暖 (冷), 使得暖池附近对流活动较强 (较弱)。与此同时, 南亚大陆从印度半岛、青藏高原南部、中南半岛至华南大气异常加热 (变冷), 并且海陆热力对比加强 (减弱), 有利于出现强 (弱) 的东亚夏季风。此外, 由于暖池附近对流活动强 (弱), 该地区上升气流较强 (弱), Walker环流增强 (减弱), 当强 (弱) 的东亚夏季风向北推进时, 副热带西风急流北撤位置偏北 (南), 副热带高压位置也偏北 (南), 7月至8月华北 (江淮流域) 位于副热带西风急流南侧, 降水偏多, 江淮流域 (华北) 降水偏少。并给出与东亚夏季风年际变异有关的大气环流和SST异常的物理图像。     

初夏至盛夏东亚副热带西风急流突变早晚与东亚环流异常的关系

利用1961-2004年NCEP／NCAR再分析逐候资料和全国160站月平均降水资料,分析了初夏至盛夏东亚副热带急流北跳和急流中心西移发生早晚对7月东亚大气环流和我国降水的影响。结果表明,急流北跳时间与7月长江中下游地区降水异常正相关,急流中心西移时间则与7月淮河流域降水异常正相关,与华北和河套地区降水异常负相关。急流北跳时间与南亚高压和西太平洋副热带高压南北位置异常及高纬贝加尔湖以东高压脊强度相关;而急流中心西移时间与南亚高压和西太平洋副热带高压的东西伸展及贝加尔湖以西高压脊强度相关,在急流中心西移偏晚年,南亚高压西缩,贝加尔湖西南侧高压脊增强,南下至华北和河套地区冷空气偏强,且西太平洋副热带高压东撤,冷暖空气在淮河流域交汇,使得华北和河套地区降水减少而淮河流域降水偏多;偏早年情况与偏晚年情况相反。     

大气环流模式IAP AGCM4.0对东亚高空副热带西风急流的模拟及偏差原因分析

基于中国科学院大气物理所大气环流模式IAP AGCM4.0总共30年(1979~2008年)的AMIP(大气环流模式比较计划)数值模拟试验结果,评估了模式对东亚高空副热带西风急流的模拟能力,分析了模式模拟偏差的可能原因,以及不同对流参数化方案对模拟结果的影响。结果表明,IAP AGCM4.0可以较好地模拟出东亚高空副热带西风急流冬季和夏季的空间结构及其季节变化特征;与JRA-25再分析资料相比,模式模拟的急流强度总体偏弱;就急流位置而言,模式模拟的急流位置冬季略偏南,夏季则相对偏北;模式可以较好地模拟出夏季西风急流的季节内演变特征,包括夏季西风急流位置逐月北跳的特征,只是模式模拟的逐月西风急流位置仍偏北。夏季200 h Pa纬向风EOF分解结果表明,模式模拟和再分析资料的EOF第一模态空间型态较为接近,均反映了西风急流的年际变化特征,但两者的时间系数相关较小,表明模式对西风急流南北位置年际变化的模拟偏差较大。针对模式模拟的地表感热通量及对流层中上层经向温度差(MTD)的分析结果表明,模式对阿拉伯半岛东南部、阿拉伯海西北部及印度北部的地表感热通量的模拟存在偏差,影响到对流层中高层温度场、高度场的模拟,使得IAP AGCM4.0模拟的MTD强度较再分析资料相对偏弱,MTD变化最大的区域位置相对偏北,且模式模拟的MTD年际变化与再分析资料相比也有较大偏差,从而造成模式对西风急流模拟的偏差。此外,不同积云对流参数化方案也可影响对流层中上层经向温度差的模拟,进而影响模式对东亚高空副热带西风急流的模拟。     

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。     

Ni?o 1+2海区冷、暖水期西太平洋副高的特征及其对东亚季风的影响

通过对海温资料和500hPa位势高度、垂直速度、850 hPa的水平风分量资料的分析,探讨ENSO的各不同阶段西太平洋副高和东亚季风的变化特征.结果表明:赤道东太平洋海温与西太平洋副高有密切的关系.Nino 1+2区海温有明显的10年际变化,与西太平洋副高的1O年际变化非常吻合;前期Nino 1+2区为冷、暖水期时西太平洋副高的强度和位置有明显差异,前期为暖水期时夏季西太平洋副高较强,范围向西和向南伸展,冷水期反之,西太平洋副高较弱,位置偏东偏北.西太平洋副高的变化进一步影响东亚季风和我国的降水.这种影响在Nino 1+2区海温变化后4～6个月最明显.因此,前期Nino 1+2区海温的变化可以为东亚季风和我国降水的长期预报提供依据.     

The response of the East Asian summer monsoon to strong tropical volcanic eruptions

A 600-year integration performed with the Bergen Climate Model and National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research （NCEP/NCAR） reanalysis data were used to investigate the impact of strong tropical volcanic eruptions on the East Asian summer monsoon （EASM） and EASM rainfall.Both the simulation and NCEP/NCAR reanalysis data show a weakening of the EASM in strong eruption years.The model simulation suggests that North and South China experience droughts and the Yangtze-Huaihe River Valley experiences floods during eruption years.In response to strong tropical volcanic eruptions,the meridional air temperature gradient in the upper troposphere is enhanced,which leads to a southward shift and an increase of the East Asian subtropical westerly jet stream （EASWJ）.At the same time,the land-sea thermal contrast between the Asian land mass and Northwest Pacific Ocean is weakened.The southward shift and increase of the EASWJ and reduction of the land-sea thermal contrast all contribute to a weakening of the EASM and EASM rainfall anomaly.     

利用IAP九层大气环流模式模拟全球季风系统

用ＩＡＰ九层大气环流模式模拟了全球季风系统。结果表明，模式成功模拟出对流层低层的季风系统，包括经典的热季风以及副热带季风和温寒带季风。此外，模式也真实再现了对流层高层的行星季风。另一方面，平流层季风的模拟效果则较差，这与模式中西风系统性偏强有关。