夏季亚洲季风区的水汽输送及其对中国降水的影响

利用1948-2005年NCEP/NCAR逐日及月平均资料,研究了亚洲季风区水汽输送的气候特征及其与中国夏季降水的关系.结果表明:(1)亚洲夏季风区不论在纬向和经向输送上,都表现了其独特性.夏季亚洲季风区为强大的水汽汇,东亚大陆和印度季风区均有较强的水汽辐合中心.(2)大部分水汽集中在对流层中下层,主要来自印度季风区,而对于对流层中上层,则以西太平洋和中纬西风带的输送为主.(3)印度季风在5-7月纬向向东的输送加强,东亚季风在6-7月以经向向北的输送加强为主,7月达最强,8到9月季风减弱直至结束.亚洲季风区青藏高原南侧的南支西风对东亚的水汽输送有重要作用,表现为春季最强,中高纬和热带西风输送变化同步,在盛夏达到最大,7月热带西风输送的水汽占三支水汽总输送的80%左右,来自中高纬地区的水汽约占18%.(4)季风爆发后,大量水汽从南半球输送到亚洲季风区.水汽辐合增加最大在孟加拉湾、中南半岛和南海地区,中国大陆的水汽主要经南海北边界输入.(5)水汽输送的北进与雨带的北推相一致.水汽输送场的时空分析表明,EOF1和EOF2分别代表强弱季风年的水汽输送特征.EOF1反映了东亚季风区一致的异常向北输送,并且在1970年代末发生了明显减弱.它与华北降水相关密切,表明自1980年代以来东亚季风向北水汽输送的减弱是华北干旱的主要原因.EOF2的主要特征是从1980年代之后,来自东北和西南的异常水汽在长江流域辐合,导致长江流域降水增多.相关分析表明,东亚夏季风在年代际尺度上的变化对此起了重要作用.     

海河流域夏季降水与北半球环流异常的相关

使用1981—2013年6—8月的月平均海河流域站点降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料,采用SVD方法分析了北半球高度场环流异常与海河流域夏季降水的关系。结果表明夏季海河流域的一致型降水异常主要受热带地区高度场异常的影响,而北半球中高纬的高度异常分布对海河流域东南部降水异常有重要作用。热带及中高纬地区的高度场异常与副热带西风急流和流域上空的水汽输送有一定的对应关系,急流强度和位置的变化以及水汽辐合异常造成海河流域降水异常,尤其中高纬高度异常的这种对应关系更加明显,并且两个地区的高度异常分布对应的海河流域异常水汽输送有不同来源。     

亚澳季风区水汽收支时空分布特征

用1980～1989年NCEP/NCAR再分析资料计算了亚澳季风区视水汽汇并分析了其水汽收支时空分布特征。结果表明,该研究范围水汽收支的典型空间分布型为南北型,即南半球澳大利亚季风区与北半球亚洲季风区相反的分布形势,而且这种分布形势有明显的季节变化。冬季北半球亚洲季风区为水汽源,110～135 E之间大陆桥附近、80 E附近及40～50 E之间的三支越赤道水汽输送通道将北半球水汽输送到南半球澳大利亚季风区及南印度洋,成为水汽汇,夏季南半球澳大利亚季风区和南印度洋为水汽源,上述三支越赤道水汽输送通道实现与夏季反向的水汽输送,将水汽由南半球输送到北半球亚洲季风区,此时亚洲季风区为水汽汇。春季和秋季赤道辐合带为主要的水汽汇,亚澳季风区无明显越赤道水汽输送。     

2020年夏季我国气候异常特征及成因分析

2020年夏季我国天气气候极为异常,全国平均降水量为373.0 mm,较常年同期偏多14.7%,为1961年以来次多;季节内阶段性特征显著,6—7月多雨带主要位于江南大部—江淮地区,8月则主要在东北、华北及西南地区,致使2020年夏季雨型分布异常,不是传统认识上的四类雨型分布。通过对同期大气环流和热带海温等异常特征分析发现,6—7月,欧亚中高纬环流表现为“两脊一槽”型,东亚副热带夏季风异常偏弱,西太平洋副热带高压(以下简称西太副高)较常年同期显著偏强、偏西,第一次季节性北跳偏早,第二次北跳明显偏晚,且表现出明显的准双周振荡特征;使得来自西北太平洋的转向水汽输送偏强,并与中高纬不断南下的冷空气活动相配合,水汽通量异常辐合区主要位于长江中下游地区,导致江淮梅雨异常偏多。热带印度洋持续偏暖对维持6—7月西太副高偏强偏西及东亚夏季风异常偏弱起到了重要作用。8月,欧亚中高纬环流调整为“两槽一脊”型,蒙古低压活跃;西太副高也由前期偏纬向型的带状分布转为“块状”分布,脊线位置偏北;沿西太副高外围的异常西南风水汽输送延伸至华北—东北南部,形成自西南到东北的异常多雨带,与6—7月江淮流域降水异常偏多的空间分布有明显不同。异常的热带大气季节内振荡活动是导致8月中低纬大气环流发生调整的重要原因。     

热带印度洋夏季水汽输送特征及对南亚季风区降水的影响

利用NCEP/NCAR再分析环流资料、CMAP降水量和NOAA海温资料研究了热带印度洋夏季水汽输送的时空变化特征,并考察其对南亚季风区夏季降水的影响.热带印度洋夏季异常水汽输送第一模态表现为异常水汽从南海向西到达孟加拉湾后分成两支,其中一支继续往西到达印度次大陆和阿拉伯海,对应印度半岛南端和中南半岛的西风水汽输送减弱,导致这些区域降水减少;第二模态表现为异常水汽从赤道东印度洋沿赤道西印度洋、阿拉伯海、印度半岛、中南半岛的反气旋输送,印度和孟加拉湾南部为反气旋异常水汽输送,水汽辐散、降水减少,而印度东北部为气旋性水汽输送,水汽辐合、降水增多.就水汽输送与局地海温的关系而言,水汽输送第一模态与热带印度洋海温整体增暖关系密切,而第二模态与同期印度洋偶极子关系密切.     

2004年夏季经向型雨带及其与印度洋偶极模异常海温的关系

针对2004年夏季降水为南北向雨带分布的异常特点,利用NCEP/NCAR再分析资料对可能造成2004年准经向降水分布的海温场、高度场及水汽输送特征进行了分析,并与夏季降水呈纬向分布的2003年进行了比对.分析结果表明,2004年夏季西太平洋副热带高压偏北、偏东,中国大陆中纬度地区东部为异常偏东水汽输送,西部为异常偏西的水汽输送,东、西风在110°E形成南北向交界,有利于形成南北经向型的水汽辐合和降水分布.而在2003年夏季,西太平洋副热带高压偏南、偏西,在长江以南形成稳定的带状副高,有利于雨带长时间稳定在副高北侧的淮河流域,同时中国大陆35°N以南地区为异常偏西水汽输送,以北地区为异常偏东的水汽输送,正、负异常纬向风形成东西向交界,有利于形成东西纬向型的水汽辐合和带状降水分布.对海温状况的分析发现,虽然2003年和2004年太平洋异常海温信号较弱,但印度洋和中国大陆近海海温却有明显的差异,2004年夏季西北太平洋异常海温北高南低,西印度洋海温异常偏冷,赤道热带印度洋海温呈东暖西冷的偶极模负相位特征.而在2003年淮河强降水发生同期,西北太平洋异常海温南高北低,西印度洋海温异常偏暖,赤道热带印度洋海温呈东冷西暖的偶极模正相位特征.因此,印度洋异常海温偶极模的不同相位可能是造成2003、2004年中国夏季降水不同雨带分布型的重要原因.利用中国160个代表站1950～1999的降水资料,进一步分析了印度洋偶极模不同相位异常海温对中国夏季降水的影响,结果发现,印度洋偶极模正相位有利于中国南方降水的西移和北方降水的东进,趋向于形成东西纬向型降水分布; 而印度洋偶极模负相位有利于中国南方降水的东退和北方降水的西移,趋向于形成南北经向型降水分布.     

中国东部—西太平洋副热带季风和降水的气候特征及成因分析

利用1981—2000年候平均NCEP/NCAR再分析资料和CMAP全球降水资料,分析了从中国东部大陆到西太平洋副热带地区季风和降水季节变化的特征及其与热带季风降水的关系,探讨了季风建立和加强的原因。夏季东亚—西太平洋盛行的西南风开始于江南和西太平洋副热带的春初,并向北扩展到中纬度,热带西南风范围向北扩展的迹象不明显。从冬到夏,中国西部和西太平洋副热带的表面加热季节变化可以使副热带对流层向西的温度梯度反转比热带早,使西南季风在副热带最早开始;从大气环流看,青藏高原东侧低压槽的加强和向东延伸,以及西太平洋副热带高压的加强和向西移动,都影响着副热带西南季风的开始和发展;初夏江南的南风向北扩展与副热带高压向北移动有关,随着高原东侧低压槽向南延伸,槽前的偏南风范围向南扩展。随着副热带季风建立和向北扩展,其最大风速中心前方的低层空气质量辐合和水汽辐合以及上升运动也加强和向北移动,导致降水加强和雨带向北移动。热带季风雨季开始晚,主要维持在热带而没有明显进入副热带,江淮梅雨不是由热带季风雨带直接向北移动而致,而是由春季江南雨带北移而致。在热带季风爆发前,副热带季风区水汽输送主要来自中南半岛北部和中国华南沿海,而在热带季风爆发后,水汽输送来自孟加拉湾和热带西太平洋。     

南半球环流异常与我国夏季旱涝分布关系及其影响机制

利用1951—2000年NCEP/NCAR风场和高度场再分析资料及全国160站降水量资料, 采用奇异值分解、相关和合成分析方法, 研究6—8月南半球500 hPa高度、高低层纬向风距平差异常 (Δu₈₅₀-Δu₂₀₀) 与我国夏季旱涝分布的关系及其影响机制。结果表明:当500 hPa澳大利亚高压脊偏强及西南太平洋热带地区高低层纬向风距平差为负值时, 来自南半球冷空气活动偏弱, 有利于西北太平洋副热带高压位置偏南, 热带季风偏弱, 我国夏季雨带偏南。反之, 当澳大利亚高压脊偏弱及西南太平洋热带地区高低层纬向风距平差为正值时, 我国北方降水偏多。同时, 定义了澳大利亚冬季风指数, 指出澳大利亚冬季风强年和弱年影响我国夏季旱涝分布异常的水汽输送型式不同。     

影响中国夏季降水的前冬北半球中高纬大气环流年际变异主模态

本文利用观测和再分析资料,通过奇异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)分析,发现北极涛动(Arctic Oscillation, AO)是显著影响中国夏季降水年际异常的前冬中高纬大气环流变异的主模态。AO在冬季发展成熟,在春季衰亡,在夏季发生位相反转。AO会导致华北、东北、长江中下游和华南夏季降水异常呈现三极型分布。伴随正位相的AO,在黄海至日本海上空的异常低压伴随的东北风异常引起华北和东北水汽通量异常辐散及降水减少,而西北太平洋的异常高压不仅增强其北侧的西南风水汽输送,和北部异常低压共同作用导致长江中下游水汽通量异常辐合及降水增加,而且使得华南水汽通量异常辐散,降水减少。因此,本文发现的前冬AO模态与我国夏季三极型异常降水分布的关系可为我国夏季旱涝预测提供一个重要的中高纬前期因子。     

西藏高原汛期水汽输送特征与降水异常

利用1979—2006年NCEP/NCAR再分析资料计算垂直积分的整层水汽输送通量及水汽通量散度,分析西藏高原汛期5—9月水汽输送特征。结果表明：两藏高原汛期主要有两条水汽输送带,印度季风输送带和中纬度西风输送带;印度季风对汛期水汽输送起着决定性的作用,决定高原汛期开始时间和雨带的推进,水汽通量向北输送达到30 kg·m~（-1）·s~（-1）时,该经度上的测站将从南到北逐渐进入汛期;在水汽的空间分布上,高原南部边缘的3个水汽输送散度场中心恰好对应着高原的水汽输送通道,其形成与西藏高原的地形直接相关;西藏高原汛期降水主要可以分为3种雨型：全区型、东西型和南北型,并分别对应着不同的水汽输送异常：全区型时索马里越赤道急流水汽输送异常较强,高原区为水汽辐合区;东西型时西藏东南部为东北向输送异常,东南部水汽供应较常年偏弱;南北型时东南部水汽输送充足而错那以西地区水汽输送不足。     

低纬垂直积分的水汽输送和行星尺度湿急流结构的初步分析

本文使用1979年5—7月FGGE—ⅢB资料和部份OLR资料及卫星云图,利用垂直积分(地面～300毫巴)的水汽通量矢量图,采用能够直观反映三度空间大尺度气流和水汽输送特性的分析方法,逐日地分析了南北半球中低纬度地区的大尺度水汽输送气流的分布与配置及其变化,发现大尺度的水汽输送在空间上具有连续性,在时间上具有稳定性,在结构上具有鲜明特点。文中描述了大气环流季节性转换期中各支不同来源的大尺度水汽输送气流强度和相互配置的演变,认为这是南北半球间和北半球中低纬间相互作用在水汽输送方面的反映。最后得出了几点具有天气学意义的结论。      

SHORT-TERM PERIODIC CLIMATIC CHANGE: A COMBINED EFFECT BETWEEN THE SUNSPOT CYCLE AND THE LUNAR NUTATION

We present a simple algorithm to model the surface air temperature trends at the middle-high latitudes of the northern and southern hemispheres for the last century. Unlike previous approaches, based on the variation of the solar irradiance only, the algorithm here presented is the sum of one more external influence: the periodic variation of insolation due to the astronomical nutation of the Earth's axis. The model we present predicts the anticorrelated mean surface air temperature trends, measured at middle-high latitudes of the two hemispheres, during the period of low solar irradiance. According to Milankovitch, a change of the Earth's obliquity means a variation of insolation mainly at the middle-high latitudes; this variation takes opposite sign for northern and southern hemispheres.     

西风角动量输送的气候特征及其与急流关系研究

利用1958～1997年NCEP/NCAR一日四次的风场再分析资料,系统地分析了季节平均西风角动量（即u角动量）经向、垂直输送通量及其三个分量（平均经圈环流、定常波、瞬变涡输送通量）的气候特征,特别是讨论了12～2月、6～8月它们与东、西风带、副热带西风急流、极夜急流之间的联系。结果表明:（1）包含纬度因子的角动量通量与动量通量在高纬地区存在显著差别,高纬对流层上部的强动量输送中心在角动量通量中不明显。而u角动量强经向输送主要在中低纬对流层顶附近和冬半球高纬平流层顶附近,副热带西风急流和极夜西风急流均位于u角动量强向极输送中心及其高纬一侧的辐合区中。（2）发现三个输送分量对急流维持的作用随纬度、季节不同。北半球冬季（夏季）的副热带西风急流主要由平均经圈环流（强度相当的定常波和瞬变涡）强经向输送及辐合维持;南半球西风急流全年均由平均经圈环流和瞬变涡旋输送及辐合维持;冬半球中平流层极夜急流主要由定常波、瞬变涡旋输送及其辐合共同维持。（3）热带东风区是牵连角动量（即Ω角动量）的高值区,它主要由平均经圈环流向对流层上部输送;冬半球副热带及中纬西风区存在u角动量垂直输送的切变区,它主要由平均经圈环流和瞬变涡旋完成;热带对流层顶附近有u角动量的定常波弱向下输送。     

水汽输送与江南南部初夏雨季及降水变化的联系

基于1961—2010年美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)的逐日再分析格点资料,分析了初夏水汽输送的分布和演变过程及其与中国江南南部初夏雨季的关系。结果显示,初夏水汽输送总体上随夏季风前沿自南向北加强,有3次水汽通量突然增大的涌先后从中国南海北传到25°N及其以南、25°—30°N、30°N及其以北地区,水汽涌和相应峰的发生时间分别对应华南前汛期、江南南部初夏雨季、长江流域梅雨的开始和结束时间。江南南部在初夏雨季处在水汽通量高值区的北缘、水汽辐合区内。青藏高原南侧水汽辐散区是影响江南南部初夏雨季的直接水汽源,澳大利亚北部到印度洋和阿拉伯海南部地区的大面积水汽辐散区则是间接水汽源。经向水汽输送演变对雨季起(讫)具有标志性意义,纬向水汽输送也不容忽视。雨季开始(结束)时江南南部地区的南界(北界)中低层水汽流入(流出)显著增大,但北界(南界)水汽通量并未同步发生显著变化;雨季期间的纬向水汽输送明显增强,水汽通量大于经向水汽输送。雨季强、弱具有年代际变化,且与纬向水汽流入的相关比经向水汽流入的相关更显著。影响江南南部初夏雨季的水汽输送路径主要有两条,北支是从孟加拉湾北部经缅甸和云南、贵州的水汽输送,南支是经孟加拉湾、中南半岛、中国南海与西太平洋副热带高压西侧水汽汇合的水汽输送。强雨季年孟加拉湾北部的东北向水汽输送和中国南海的北向水汽输送都增强,弱雨季年则相反。孟加拉湾、中国南海南部和西太平洋暖池区是显著的水汽辐合区,是江南南部初夏雨季的水汽输送通道而不是水汽源,水汽辐合越弱(强)越有利于(不利于)江南南部初夏雨季的降水,其影响机制可能在于通道上的对流活动对江南南部初夏雨季水汽输送具有拦截作用。     

青藏高原中东部冬夏高层水汽时空特征分析

利用青藏高原中东部地区16个探空站的1979—2008年各标准等压面上的月平均探空资料对青藏高原中东部地区500～200hPa高层水汽冬夏季时空分布特征及变化趋势进行了研究,结果表明:①空间分布上,青藏高原的水汽空间分布冬夏两季呈现出一致明显的西北—东南走向,高原南部水汽年际变化波动较大,北部较稳定;夏冬两季水汽总体呈现一致变化,同时夏季还存在南北向的反相位区域异常变化,冬季则表现为东西向的反相位变化;②时间变化上,青藏高原夏季水汽总体呈现出较弱的上升趋势,1979—1995年水汽有下降趋势,1996—2005年转为增加趋势,突变主要在1997、2006年;冬季水汽总体为弱下降趋势,1979—1984年水汽为下降趋势,1985—2004年增长并保持稳定,突变主要在1986、2005年;同时青藏高原水汽还存在西部水汽增加而东部水汽呈减少趋势的区域变化特征。     

夏季青藏高原及周边上对流层水汽质量及其向平流层传输年际异常. I：水汽质量异常主导型

本文利用逐年7~8月平均的ERA-Interim再分析资料并结合SWOOSH(Stratospheric water and ozone satellite homogenized)水汽数据,分析了青藏高原及周边地区330~360 K层次水汽质量分布的年际异常特征及其成因。结果表明,水汽质量分布异常表现为整体异常型、东西偶极异常型和南北偶极异常型三个主导分布型。整体异常型在水汽质量整体偏多时,青藏高原地区对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输偏强,上对流层为异常偏强的水汽质量非绝热辐合;此时对应南亚高压偏强,青藏高原地区上对流层的水汽质量绝热辐散和高原以西地区的水汽质量绝热辐合都异常偏强,水汽质量整体偏少时则相反。东西偶极异常型水汽质量呈西多/东少分布时,青藏高原西部(中东部)对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输异常偏强(弱),上对流层的水汽质量非绝热辐合和水汽质量绝热辐散也异常偏强(偏弱);同时对应南亚高压偏西,青藏高原以西到伊朗高原的上对流层有异常的自东向西的水汽质量绝热输送和水汽质量绝热辐合。水汽质量呈西少/东多分布时则有相反的结果。南北偶极异常型水汽质量呈北多/南少分布时,对应南亚高压偏北,青藏高原北部的上对流层有异常自南向北的水汽质量绝热输送所造成的水汽质量辐合,同时该地区低层异常偏强的自下向上的水汽质量非绝热输送也加强水汽质量辐合,而青藏高原南侧上对流层则为异常偏弱的水汽质量绝热辐散和水汽质量非绝热辐合,水汽质量呈北少/南多分布时相反。     

南北涛动与南极涛动及北极涛动的相互作用

利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了南北涛动（Interhemispheric Oscillation,IHO）与北极涛动（Arctic Oscillation,AO）和南极涛动（Antarctic Oscillation,AAO）的联系。分析表明：1）北极涛动（AO）、南极涛动（AAO）与全年各自半球中高纬度地表气压变化密切联系。其中,AO冬季强度最强,且在春季、冬季的影响范围大。而AAO对南半球中高纬的地表气压变动影响更为明显,其在夏季影响范围最大。2）南极涛动（AAO）与南北涛动（IHO）有很好的同期相关性,南极涛动可部分解释南北涛动的形成。IHO与AO存在不显著的负相关,南北半球中高纬大气运动具有相对独立性。3）南北涛动（IHO）与全球较大范围内的地面气压变化有关,而去除AAO信号后,夏季在南极地区原显著相关区显著减少,夏季AAO与IHO存在密切联系。4）南北涛动（IHO）主要与春季、秋季和冬季亚洲、欧洲北部地面气温关系密切。秋季最强,春季次之,冬季最弱。夏季IHO与全球地面气温没有较好的联系。亚欧大陆北部的热力作用可能部分地解释了南北涛动的形成。     

未来甲烷排放增加对平流层水汽和全球臭氧的影响

利用一个耦合的大气化学-气候模式(WACCM3)研究了地表甲烷排放增加对平流层水汽和全球臭氧变化的影响.结果表明,如果地表甲烷的排放量在2000年的基础上增加50%(达到政府间气候变化专门委员会A1B排放情景中2050年的值),平流层水汽体积分数将平均增加约0.8×10^-6.南半球平流层甲烷转化为水汽的效率比北半球高.在北半球平流层中,1mol甲烷分子可以转化为约1.63mol的水汽分子,而在南半球1mol甲烷分子大概可以转化为约1.82mol的水汽分子.甲烷排放增加50%将使全球中低纬度地区以及北半球高纬度地区的臭氧柱总量增加1%-3%,使南半球高纬度地区臭氧柱总量增加近8%,而秋季(南半球春季)南极地区臭氧柱总量增加幅度可高达20%,南极臭氧的这种显着增加主要是由于甲烷增加造成的化学反馈所致.在北半球中高纬度地区,甲烷增加引起的臭氧变化主要与甲烷氧化导致的水汽增加有关.研究还表明,未来甲烷排放增加对臭氧的恢复作用其实与溴化物排放的减少一样重要.     

利用不同资料研究我国大陆上空柱水汽含量

利用1971—2001年探空资料以及ERA-40和NCEP/NCAR再分析资料分别得到地面到300 hPa我国大陆上空大气柱水汽含量,对3种不同资料所得的柱水汽含量的空间分布特征以及线性趋势进行对比分析。结果表明:3种资料得到的柱水汽含量年平均和季节平均的空间分布特征一致;3种资料年平均的线性变化趋势在东北地区、内蒙古东部地区,西南地区北部、华南沿海和新疆北部地区均呈增加趋势;在华北和华东的部分地区,ERA-40和NCEP/NCAR再分析资料为降低趋势,而探空资料得到的柱水汽含量变化相对较小,但未通过信度检验;探空资料得到的柱水汽含量的相对变化显示我国东北地区、内蒙古东部地区、新疆地区的增加更显著。