东亚夏季风和中国东部夏季降水年代际变化的模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展的第四代大气环流模式模拟了1970年代末东亚夏季风和相关的中国东部夏季降水年代际变化。结果表明,在给定的观测海温强迫下,模式能模拟出东亚夏季风的年代际减弱及 相关的环流场变化,包括东亚沿海的偏北风异常以及西太平洋副高的形态变化,模式还较好再现了中国东部夏季降水的雨型变化,即长江流域降水偏多,而华北和华南偏少,但位置略偏南。基于奇异值分解(SVD)的分析表明,热带海洋变暖是这次东亚夏季风的年代际减弱的主要因素,这与太平洋年代际振荡(PDO)在1970年代末期的位相转变有关。此外,模式还较好模拟了长江流域的变冷趋势,进而减弱了海陆温差,使东亚夏季风减弱。     

我国华南3月份降水年代际变化的特征

利用1951～2005年华南3月份降水资料、太平洋年代际振荡(PDO)指数以及NCEP再分析资料,对华南3月份降水年代际变化特征、及其对应的大尺度环流以及与PDO的关系进行了分析。结果表明,华南3月份降水存在显著的年代际变化特征,并且Mann-Kendal突变检验表明华南3月份降水在1978年左右发生年代际突变,从之前的降水偏少转变为降水偏多。我国华南3月份降水与PDO有着显著的相关。进一步研究表明,在年代际降水偏少时期,PDO处于负位相(北太平洋海温偏高,中东太平洋海温偏低),北太平洋海平面气压场和高度场偏高,亚洲大陆海平面气压场和高度场偏低,赤道西太平洋到赤道东印度洋附近的海平面气压场偏低,赤道辐合带附近地区的高度场偏低,东亚对流层大气偏暖,西太平洋副热带高压偏东,东亚高空急流偏北,东亚Hadley环流偏弱。在年代际降水偏多时期,PDO处于正位相,情况则与降水偏少时期相反。     

夏季中国降水型的年代际变化与大气内部动力过程及外强迫因子关系

根据中国160站月平均降水、NCEP/NCAR的再分析资料以及英国气象局哈德莱中心1900～1999年全球1°×1°格点月平均海表温度距平资料，利用物理量诊断、EOF分析等方法，探讨东亚季风区大气环流内部动力过程与大气外强迫因子（海温）年代际变化及对中国夏季降水型的影响。分析发现，中国东部地区、西北地区夏季降水型有各自不同的年代际变化趋势；中国东部夏季降水型及东亚夏季风环流年代际变化趋势与大气外强迫因子北太平洋中纬度海温年代际变化（PDO）关系密切；中国西北地区夏季降水年代际变化与大气内部动力过程中纬度西风带扰动动能年代际减弱有关。     

中国东部地区夏季降水和环流的年代际转型及其与PDO的联系

利用1951—2013年全国160个测站逐月降水资料、NCEP/NCAR月平均再分析资料和NOAA全球月平均海表温度等资料,分析了中国东部地区夏季降水的年代际转型及相关大气环流变化。研究结果表明,1970s中后期和1990s PDO两次位相转换给中国东部地区夏季降水带来显著的年代际变化,前者使得东亚夏季风进一步减弱,夏季雨带南退至长江中下游地区,后者使得东亚夏季风恢复增强,雨带北移至淮河流域。进一步研究发现,1990s PDO年代际突变导致东亚夏季大气环流场发生显著变化,贝加尔湖地区增暖导致向北的经向温度梯度增大以及副热带高压的东退北抬是导致1990s东部地区夏季降水年代际变化的可能原因。     

东亚夏季风年代际变化——基于全球观测海表温度驱动NCAR Cam3的模拟分析

利用1950~1999年逐月全球观测海表温度驱动的NCAR Cam3全球大气环流模式50年模拟结果及1958~1999年ECMWF再分析资料,通过定义东亚夏季风指数,对比分析了东亚夏季风的年代际变化及其对应的大气环流特征,初步探讨了20世纪70年代末东亚夏季风年代际减弱的可能机制。结果表明:模拟的东亚夏季风具有很明显的年代际变化,并在20世纪70年代末发生了突变,由强夏季风转为弱夏季风,大气环流也相应发生了明显变化。在强夏季风时期,500 hPa距平高度场上,在亚太地区从低纬度到高纬度为负、正、负距平分布,呈现出一个西南—东北向的波列;850 hPa距平风场上,在孟加拉湾及南海附近为异常反气旋,在西北太平洋区域则为强大的异常气旋,日本北部有一异常反气旋存在。西北太平洋副热带高压加强、南压、西伸。在垂直经向环流上,东亚Hadley环流减弱,对流层低层出现异常南风,东亚夏季风加强。在弱夏季风时期,大气环流变化则基本相反。通过对模拟的东亚夏季风与观测海温关系的探讨,发现20世纪70年代末东亚夏季风年代际减弱可能与北印度洋和南海附近海温年代际增暖并导致孟加拉湾、南海及日本附近产生异常气旋有关。     

北极涛动年代际变化对华北地区干旱化的影响

华北地区夏季降水在20世纪70年代中期以后进入年代际偏少阶段,表现出明显的干旱化趋势。华北干旱加剧具有特殊的大气环流背景,主要表现为在20世纪70年代中期以后亚洲大陆东部的热低压减弱,同时对流层低层到高层东亚夏季风环流减弱。这种异常的大气环流背景主要是由海陆热力差异和北极涛动的年代际变化造成的。近二十几年来,北极涛动维持在高指数位相是导致东亚地区大气环流异常的重要原因,并由此造成了华北干旱的加剧。     

论东亚夏季风的特征、驱动力与年代际变化

本文是以新的资料和研究结果对东亚夏季风的基本特征、驱动力和年代际变化所作的重新分析与评估。内容包括四个部分:（1）东亚夏季风的基本特征;（2）东亚夏季风的驱动力;（3）东亚夏季风的年代际变率与原因;（4）东亚夏季风与全球季风的关系。结果表明:东亚夏季风是亚洲夏季风的一个重要有机部分,主要由来源于热带的季风气流组成,并随季节由南向北呈阶段性推进,它是形成夏季东亚天气与气候的主要环流和降水系统。驱动夏季风的主要强迫有三部分:外部强迫、耦合强迫与内部变率,其中人类活动引起的外强迫（气候变暖、城市化、气溶胶增加等）是新出现的外强迫,它正不断改变着东亚夏季风的特征与演变趋势。海洋与陆面耦合强迫作为自然因子是引起东亚夏季风年际和年代际变化的主要原因,其中太平洋年代尺度振荡（PDO）与北大西洋多年代尺度振荡（AMO）的协同作用是造成东亚夏季风30~40年周期振荡的主要原因。1960年代以后,东亚夏季风经历了强—弱—强的年代际变化,相应的中国东部夏季降水型出现了“北多南少”向“南涝北旱”以及“北方渐增”的转变。最近的研究表明,上述东亚夏季风年代际变化与整个亚非夏季风系统的变化趋势是一致的。在本世纪主要受气候变暖的影响,夏季风雨带将持续北移,中国北方和西部地区出现持续性多雨的格局。最后本文指出,亚非夏季风系统相比于其他区域季风系统更适合全球季风的概念。     

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.     

大气热源年代际异常与20世纪70年代末期东亚夏季风年代际减弱

利用1958-2001年ERA-40再分析资料计算大气热源,统计分析了亚洲季风区及其邻近海域大气热源年代际变异的典型模态;利用线性斜压干模式,模拟了夏季大气对大气热源年代际异常的响应,揭示了大气热源年代际异常与1970s末期东亚夏季风年代际减弱的关系。结果表明:近50 a来亚洲及其邻近海域夏季整层大气热源变异主要表现为年代际变化特征,其年代际位相转换发生在1970s中后期,这与东亚夏季风年代际减弱的时间一致;菲律宾附近海域和中国西南地区是与东亚夏季风年代际减弱有直接联系的两个热源异常关键区;东亚夏季风年代际减弱最直接地表现为这两个关键区热源异常的共同作用,而赤道中东太平洋、赤道印度洋大气热源增强则通过大气遥响应机制影响菲律宾附近海域低层大气环流异常对东亚夏季风变异起相反的贡献。     

长江中下游降水以及东亚夏季风环流的年代际变化

采用NCEP再分析资料及有关长江中下游的梅雨期降水量进行合成或诊断分析，目的是研究长江梅雨以及相应的大气环流的年代际变化，得出梅雨量的年代际变化和东亚大气环流以及厄尔尼诺现象的年代际变化密切相关的初步结果，具体结论如下：（1）与东亚季风指数相联系的长江中下游地区6-7月降水量及梅雨量在最近15年有持续增长的趋势。与此同时鄂霍茨克海地区的500hPa高度也有持续增长的趋势，并配合有厄尔尼诺频繁出现的趋势。（2）东亚夏季风指数与前年秋季NINO-3区域海温在最近20年有很好的相关，但是20年以前相关不好。意味着厄尔尼诺对东亚夏季环流的影响在加深。（3）近20年的PDO暖位相与东亚大气环流的年代际变化基本同步。     

THE ANALYSIS OF THE RELATIONSHIP BETWEEN THE SUBSYSTEMS OF THE ASIAN SUMMER MONSOON

In this study, the relationship between the subsystems of Asian summer monsoon is analyzed using U.S. National Centers for Environmental Protection/National Center for Atmospheric Research reanalysis and Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation monthly mean precipitation data. The results showed that there is significant correlation between the subsystems of Asian summer monsoon. The changes of intensity over the same period show that weak large-scale Asian monsoon, Southeast Asia monsoon and South Asian monsoon are associated with strong East Asian monsoon and decreasing rainfall in related areas. And when the large-scale Asian monsoon is strong, Southeast Asia and South Asia monsoons will be strong and precipitation will increase. While the Southeast Asia monsoon is strong, the South Asia monsoon is weak and the rainfall of South Asia is decreasing, and vice versa. The various subsystems are significantly correlated for all periods of intensity changes.     

夏季索马里越赤道气流垂直结构的变化特征及其与东亚夏季风活动的关系

采用NCEP/NCAR和ERA40再分析月平均资料,对比分析夏季垂直尺度上五层(1000 hPa、925 hPa、850 hPa、700 hPa、600 hPa)索马里越赤道气流(SMJ)的时空演变特征。指出对流层中低层SMJ存在不同的垂直结构,且具有年际、年代际变化特征。夏季SMJ垂直结构主要呈现出全区一致、上下反相两种分布型(“A”型和“B”型),细分为一致增强型(“A+”型)、一致减弱型(“A-”型)、上弱下强型(“B+”型)和上强下弱型(“B-”型)。进一步分析指出,SMJ垂直结构与东亚夏季风活动关系密切,SMJ“A+”(“A-”)型垂直结构对应东亚夏季风偏强(弱),我国内蒙古东部、华北地区降水偏多(少);夏季SMJ“B+”(“B-”)型垂直结构对应东亚夏季风偏弱(强),我国江南、日本地区降水偏少(多)。     

云南夏季降水量在21世纪初的突变减少及原因分析

利用1960—2013年云南125个台站观测资料和美国环境预报中心/国家大气研究中心再分析资料,以及1960—2013年美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的逐月平均全球海表温度资料,分析了云南地区降水量变化的特征以及与之相关联的大气环流背景场。分析结果表明:云南降水量在2002年发生了一次显著减少的突变,而这次突变主要是由于夏季降水的明显减少而形成的。进一步的分析揭示了该地区夏季降水减少主要与印度洋热带赤道地区低层东风加强和高空西风加强有关,亚洲地区中高纬度温度的升高也对该地区夏季降水量显著减少有重要作用。     

An East Asian Subtropical Summer Monsoon Index Defined by Moist Potential Vorticity

Based on consideration of both thermodynamic and kinetic features of the subtropical summer monsoon in East Asia,a new index is defined by the moist potential vorticity (MPV) for this monsoon.Variation features of the subtropical summer monsoon over 60 years are analyzed using National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research (USA) data from 1948 to 2007.Results show that the new index can well reflect the seasonal,interannual,and interdecadal variations of the East Asian subtropical summer monsoon.Correlation analysis of the new index and precipitation data from 160 stations in China shows that in high-index years,the summer monsoon is strong,and more rain falls in eastern North China,southwestern China,and along the coast of South China and less rain falls in the Yangtze-Huaihe R.basin.In low-index years,the opposite occurs.Lastly,the new index is compared with four established monsoon indices.The new index is found to have an advantage in representing summer rainfall in the Yangtze-Huaihe R.basin.     

Simulation of East Asian Summer Monsoon by Using an Improved AGCM

The IAP 2-L AGCM is modified by introducing a set of climatological surface albedo data into the model for substituting the model’s original surface albedo parameterization. The comparison between the observations and the simulation results by the modified model shows that the general features of the East Asian summer monsoon can be well reproduced by the modified IAP 2-L AGCM. Especially for the simulation of monsoon precipitation, the modi-fied model can well reproduce not only the monthly mean features of the summer monsoon rainfall over East Asia, but also the stepwise advance and retreat of the East Asian summer monsoon rainbelt. Analysis results demonstrate that the good simulation of the monsoon rainfall is closely related to the reasonable simulation of the large scale gen-eral circulation over East Asian region, such as the western Pacific subtropical high, Asian monsoon low and the low level flows. The good performance of the modified model in the rainfall simulation shows its great potential to serve as a useful tool for the prediction of summer drought / flood events over East Asia.     

全球海气耦合模式对东亚季风降水模拟的检验

以CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)月平均降水资料和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的40年再分析资料集ERA40为观测基础,分析了当前政府间气候变化专门委员会第四次评估报告（IPCC AR4）的17个全球海气耦合模式对东亚季风区夏季降水和环流的模拟能力。结果表明:(1)模式基本上都能够模拟出降水由东亚东南部海洋至东亚西北部中国内陆减少的空间分布特征,部分模式能够模拟出降水的部分主要模态;(2) 大部分模式基本上能够模拟出中国东部陆地降水的季节进退。但同时也存在相当的差异,这包括:(1)多数模式普遍存在模拟降水量偏少、降水变幅偏小的缺陷;(2)雨带的季节推进过程与观测存在一定偏差,尤其海洋上的季节进退过程模拟较差,有的模式甚至不能模拟出东亚季风区东部海洋上大致的季节进程。因此,模式对东亚季风区降水的模拟能力还是比较有限的,需要进一步改进。多模式集合的夏季环流场以偏弱为主,不利于降水的形成,这在中国东部大陆部分比较明显。另外,空气湿度模拟值偏低、从而造成水汽输送偏弱也是导致东亚季风区夏季降水模拟偏小的原因之一。     

亚洲夏季风各子系统主要变率相互关系初析

使用NCEP/NCAR再分析资料和CMAP月平均降水资料分析了亚洲夏季风各个子系统的相互关系。结果表明亚洲夏季风子系统之间存在显著相关。从同期强度变化可知,当东亚季风偏强时,大尺度亚洲季风、东南亚季风、南亚季风均偏弱,相关区域降水偏少;而同时大尺度亚洲季风偏强时,东南亚和南亚季风偏强,相关区域降水偏多;东南亚季风偏强时,南亚季风偏弱,南亚地区降水偏少;反之亦然。从不同周期强度变化可知各个子系统相关仍然显著。      

近30余年来盛夏东亚东南季风和西南季风频率的年代际变化及其与青藏高原积雪的关系

利用地面观测资料和NCEP/NCAR再分析资料集,使用相关分析、合成分析等方法,在将地面风分为东南季风和西南季风的基础上,分析了近30余年来盛夏东亚季风频率的年代际变化特征。结果表明:盛夏东南季风、西南季风频率和前期春季青藏高原积雪均在21世纪初期发生了显著的年代际变化;东南季风、西南季风频率由较少改变为较多,春季青藏高原积雪则由深变浅。由于青藏高原积雪厚度发生了年代际变浅,说明青藏高原发生了年代际变暖和南亚高压变强,南亚高压的年代际变强,使得其下游对流层低层(18°~28°N,108°~118°E)的反气旋性环流异常增强,有利于东亚西南季风频率的增加;同时,由于高原发生湿反馈作用,使得淮河地区降水发生年代际变多,由Sverdrup涡度平衡关系,降水的异常增多通过潜热释放,使得东亚副热带高压异常加强,而副热带高压异常变强则有利于盛夏东亚东南季风频率发生年代际增加。     

East Asian summer monsoon circulation structure controlled by feedback of condensational heating

The East Asian summer monsoon (EASM) features strong humid low-level southerly flows and abundant rainfall over the subtropical East Asia. This study identified how condensational heating generated by the EASM rainfall can affect the EASM circulation by contrasting two 10-member ensembles of atmospheric General Circulation Model experiments with Community Climate Model version 3/National Center for Atmospheric Research respectively with and without feedback of condensational heating over the East Asian domain. Major results inferred from the experiments are as follows. Condensational heating is found to absolutely dominate diabatic heating over East Asia. Exclusion of the feedback of condensational heating leads to a significant weakening of summertime tropospheric warming over land and thus a large reduction of the land-sea thermal contrast between entire Asian continent and surrounding oceans. Associated with this, the lower-level EASM flows are weakened, South Asian High at 200 hPa migrates southward with reduced intensity and breaks over East Asia with southerly flows prevailing in the upper troposphere, in contrast to northerly flows in reality. Consequently, local EASM meridional cell disappears and the baroclinic structure featured by the EASM circulation that is dynamically determined by convective condensational heating over East Asia is altered to a barotropic structure. Therefore, it is concluded that the feedback of condensational heating acts to largely enhance lower-level flows of the EASM and essentially determine its baroclinic structure and meridional cell, once the solar radiation and inhomogeneity of the Earth’s surface form low-level monsoon flows in East Asia by enhancing land-sea thermal contrast.