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.     

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。     

东亚夏季风降水年代际变异模态及其与太平洋年代际振荡的关系

利用全球陆地月平均降水资料、英国气象局哈德莱中心的月平均海表温度距平(SSTA)资料及NCEP/NCAR再分析大气环流资料,探讨东亚夏季风降水年代际变率及其与太平洋年代际振荡(PDO)的联系。研究指出:东亚夏季风降水年代际变异模态以及PDO均在1976年前后呈现显著的年代际转折,并且东亚夏季风降水与PDO在年代际尺度上具有较好的相关关系。PDO能够在对流层低层激发出与年代际东亚夏季风环流较为相似的大气环流异常特征,表明东亚夏季风环流的年代际变化可能受大气外强迫因子PDO在对流层低层的外源强迫作用影响,最终导致东亚夏季风降水发生年代际变化。     

近百年中国东部夏季降水年代际变化特征及其原因

本文利用测站降水观测资料分析过去一百多年中国东部华北、长江流域以及华南夏季降水的年代际变化特征发现,尽管这三个地区的夏季降水具有不同的年代际转折时期,但是均同时在1910年代初期、1920年代初期、1940年代中期、1960年代中期、1970年代末期以及1990年代初期发生了跃变。近一百年间不同年代际时期东部夏季降水的分布型主要以南正北负或者南负北正的偶极型为主,并且无论是偶极型分布还是三极型分布,两个相邻年代际时期中国东部降水分布型发生完全反向变化的概率较高（60%）。此外,夏季的PDO、冬季的AO以及春季的北极海冰也同时在1920年代末期、1940年代中期、1970年代末期以及1990年代中期左右发生了跃变,这几次跃变时期与中国东部三个不同地区夏季降水发生跃变的时期一致,表现出近百年来太平洋年代振荡（PDO）、北极涛动（AO）以及北极海冰这三个因子对中国东部夏季降水年代际变化的协同作用。在年代际时间尺度上,夏季的PDO与华北夏季降水显著负相关。PDO的年代际变化能够在500 hPa位势高度场中激发出太平洋—日本（PJ）型年代际遥相关波列;同时在850 hPa风场中激发出类似于影响华北夏季降水年代际变化的大气环流型,从而影响华北降水的年代际变化。冬半年的AO与长江流域夏季降水存在显著正相关关系。冬季到春季正位相的AO导致亚洲大陆南部处于湿冷状态,土壤湿度的记忆性可将这种状态延续到夏季。因此,夏季海陆热力对比减弱,东亚夏季风发生年代际减弱,相应地长江流域的降水年代际增多。春季北极海冰与华南夏季降水显著负相关,北极海冰的年代际异常能在500 hPa位势高度场中激发出与静止Rossby波异常传播相联系的欧亚—华南年代际遥相关波列,从而影响华南降水的年代际变化。     

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。     

亚洲夏季风的年际和年代际变化及其未来预测

本文是对我们近五年在亚洲夏季风年代际与年际变率及其未来预测方面研究的一个综述.主要包括下列三个问题:(1)根据123年中国夏季降水资料和印度学者的分析,检测出亚洲夏季风具有明显的年代际尺度减弱,这种年代际变化使中国东部(包括东亚)和南亚夏季降水的格局在过去60年中发生了明显变化.在东亚,从1970年代后期开始,主要异常雨带有不断南移的趋势,结果造成了南涝北旱的降水分布,这主要受到60～80年年代际振荡的影响.青藏高原前冬和春季积雪的年代际减少与热带中东太平洋海表温度的年代际增加是东亚降水型改变的主要原因,这是通过减弱亚洲地区夏季海陆温差与夏季风强度而实现的.未来亚洲夏季风的预测表明,东亚夏季风和南亚夏季风对气候变暖有十分不同的响应.东亚夏季风在本世纪将增强,雨带北推,尤其在2040年代之后;而南亚夏季风环流将继续减弱.这种不同的变化是由于两者对高低层海陆热力差异的不同响应造成.(2)年际尺度的变率在亚洲夏季风区主要表现为2年与4～7年的振荡.本文着重分析了2年振荡(TBO)形成的过程、机理及其对东亚降水的影响.对TBO-海洋机理进行了具体的改进,说明了东亚夏季风降水深受TBO影响的原因,尤其是阐明了长江型(YRV) TBO和淮河型(HRV) TBO的特征及其形成的循环过程.(3)在总结亚洲夏季风时期遥相关型的基础上,本文提出了季节内和年际尺度的低空遥相关型:即西北太平洋季风的遥相关型与印度“南支”和“北支”遥相关型.它们基本上反映了沿低空夏季风强风速带Rossby波群速度传播的结果.据此可以根据西北太平洋和印度夏季风的变化分别预测中国梅雨和华北雨季来临和降水异常.最后研究还表明,在本世纪亚洲夏季风可能更显著地受到人类活动造成的全球变暖的影响,未来的亚洲夏季风活动是人类排放的CO2引起的全球变暖与自然变化(海洋和陆面过程(积雪))共同作用的结果.     

东亚夏季风指数的年际变化与东亚大气环流

文中从夏季东亚热带、副热带环流系统特点出发 ,定义了能较好表征东亚夏季风环流年际变化的特征指数 ,并分析了东亚夏季风指数的年际变化与东亚大气环流及夏季中国东部降水的关系。文中定义的东亚夏季风指数既反映了夏季东亚大气环流风场的变化特征 ,也较好地反映了夏季中国东部降水的年际变化特征。此外 ,还探讨了东亚夏季风指数变化的先兆信号     

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。     

东亚季风近几十年来的主要变化特征

本文简要综述了关于东亚夏季风和冬季风近几十年来的主要变化特征的若干研究结果,特别是关于其年代际变化方面.夏季风及夏季气候的主要变化特征有:1970年代末之后东亚夏季风的年代际时间尺度的减弱以及相应的我国夏季降水江淮流域增多而华北减少、1992年之后我国华南夏季降水增多、1999年之后我国长江中下游夏季降水减少而淮河流域夏季降水增多、东亚夏季风和ENSO之间的年际变化相关性存在不稳定性.而关于东亚冬季风与冬季气候的主要变化特征有:1980年代中期之后东亚冬季风及其年际变率减弱、1970年代中期之后冬季风和ENSO的年际变化相关性较弱、近年来的北极秋季海冰减少对北半球冬季积雪增多有显著贡献、东北冬季积雪在1980年代中期以后增多.与上述变化有关的极端气候和物候都发生了多方面的变化.     

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.     

Phase transition of the Pacific decadal oscillation and decadal variation of the East Asian summer monsoon in the 20th century

This paper focuses on the relationship between the phase transition of the Pacific decadal oscillation (PDO) and decadal variation of the East Asian summer monsoon (EASM) in the twentieth century. The first transition occurred in the 1940s, with an enhanced SST in the North Pacific and reduced SST in the tropical eastern Pacific and South Indian Ocean. In agreement with these SST changes, a higher SLP was found in most parts of the Pacific, while a lower SLP was found in the North Pacific and most parts of the Indian Ocean. In this case, the EASM was largely enhanced with a southerly anomaly in the lower troposphere along the east coast of China. Correspondingly, there was less rainfall in the Yangtze River valley and more rainfall in northern and southern China. An opposite change was found when the PDO reversed its phase in the late 1970s. In the tropical Indian Ocean and western Pacific, however, the SST was enhanced in both the 1940s and 1970s. As a result, the western Pacific subtropical high (WPSH) tended to extend westward with a larger magnitude in the 1970s. The major features were reasonably reproduced by an atmospheric general circulation model (IAP AGCM4.0) prescribed with observed SST and sea ice. On the other hand, the westward extension of the WPSH was exaggerated in the 1970s, while it was underestimated in the 1940s. Besides, the spatial pattern of the simulated summer rainfall in eastern China tended to shift southward compared with the observation.     

Potential Correlation between the Decadal East Asian Summer Monsoon Variability and the Pacific Decadal Oscillation

This study discusses the potential contribution of the Pacific decadal oscillation(PDO)to the weakening of the East Asian summer monsoon(EASM)and the evident correlation between the positive PDO and"Southern flood and Northern drought(SFND)"summer rainfall pattern over East China.The mechanism behind this contribution is also discussed.     

Impact of European Black Carbon on East Asian Summer Climate

The remote response of the East Asian summer monsoon(EASM)to European black carbon(EUBC)aerosols was studied by using an ensemble of sensitivity experiments with the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory(GFDL)atmospheric general circulation model(AGCM)Atmospheric Model version 2.1(AM2.1).The results show that EUBC causes an enhanced EASM.The resulted enhanced southwesterly brings more moisture supply from the Bay of Bengal,which causes an increase in precipitation over the Yangtze River valley,northeastern China,the eastern part of the Yellow River valley,and the Tibetan Plateau.Diagnostic examination suggests that EUBC induces enhanced tropospheric heating over most of the Eurasian Continent through a propagating wave train and horizontal air temperature advection.This phenomenon results in intensified thermal contrast between land and ocean,which accounts for the enhanced EASM.Moreover,reductions in EUBC emission in 1992 may have contributed to decadal weakening of the EASM in the early 1990s.     

热带印度洋和太平洋增暖对东亚夏季风趋势的相反影响

利用多成员集合试验结果,比较分析了热带印度洋和太平洋增暖各自对东亚夏季风趋势变化的影响。试验所用模式是GFDLAM2大气环流模式,增暖是通过在气候平均海洋表面温度（SST）基础上,叠加随时间线性增加的、相当于实际50a左右达到的SST异常来实现的。结果表明：热带印度洋和太平洋共同增暖有使东亚夏季风减弱的趋势。相比较而言,单独印度洋增暖有使东亚夏季风增强、华北降水增多的趋势,而单独太平洋增暖有使东亚夏季风减弱的趋势,即印度洋增暖与太平洋增暖对东亚夏季风存在相反的、竞争性影响。进一步分析指出,热带太平洋特别是热带中东太平洋的增温可能对20世纪70年代末期开始的夏季风年代际减弱有更重要的贡献;在未来热带印度洋和太平洋持续增暖、但增暖强度纬向差异减小的新情况下,东亚夏季风减弱的趋势可能还将持续。     

Decadal variation of summer rainfall in the yangtzehuaihe river valley and its relationship to atmospheric circulation anomalies over east asia and western north pacific

Decadal variations of summer rainfall during 1951 through 1990 are analyzed by using summer rainfall data of 160 stations in China. Four major patterns of decadal variations are identified. The decadal variations of summer rainfall showed northward shift in the eastern China from South China through the Yangtze-Huaihe River to North China. Summer rainfall in the Yangtze-Huaihe River valley underwent two obvious decadal transitions during the 40 years: one from rainy period to drought period in the end of the 1950’s, the other from drought period to rainy period in the late 1970’s. Correspondingly, the atmospheric circulation over East Asia through the western North Pacific showed two similar obvious transitions. The East Asian/ Pacific (EAP) pattern switched from high index to low index in the end of the 1950’s and from low index to high index in the late 1970’s, respectively. Hence, summer rainfall in the Yangtze-Huaihe River valley is closely associated with the EAP pattern not only in the interannual variation but also in the decadal variation.     

Responses of East Asian summer monsoon to historical SST and atmospheric forcing during 1950–2000

The East Asian summer monsoon (EASM) circulation and summer rainfall over East China have experienced large decadal changes during the latter half of the 20th century. To investigate the potential causes behind these changes, a series of simulations using the national center for atmospheric research (NCAR) community atmospheric model version 3 (CAM3) and the geophysical fluid dynamics laboratory (GFDL) atmospheric model version 2.1 (AM2.1) are analyzed. These simulations are forced separately with different historical forcing, namely tropical sea surface temperature (SSTs), global SSTs, greenhouse gases plus aerosols, and a combination of global SSTs and greenhouse gases plus aerosols. This study focuses on the relative roles of these individual forcings in causing the observed monsoon and rainfall changes over East Asia during 1950–2000. The simulations from both models show that the SST forcing, primarily from the Tropics, is able to induce most of the observed weakening of the EASM circulation, while the greenhouse gas plus (direct) aerosol forcing increases the land-sea thermal contrast and thus enhances the EASM circulation. The results suggest that the recent warming in the Tropics, especially the warming associated with the tropical interdecadal variability centered over the central and eastern Pacific, is a primary cause for the weakening of the EASM since the late 1970s. However, a realistic simulation of the relatively small-scale rainfall change pattern over East China remains a challenge for the global models.     

Tropical Pacific Decadal Oscillation in Subsurface Ocean Temperature

This study utilizes a new monthly-assimilated sea temperature and analyzes trend and decadal oscillations in tropical Pacific 100-200 m subsurface ocean temperature (SOT) from 1945 to 2005 on the basis of the harmonic analysis and Empirical Orthogonal Function (EOF) methods. Significant cooling trends in the SOT in the tropical western Pacific were found over this 60-year period. The first EOF of the SOT in tropical Pacific displays an ENSO-like zonal dipole pattern on decadal time scale, and we considered this pattern in subsurface ocean temperature the tropical Pacific decadal oscillation (TPDO). Our analysis suggests that TPDO is closely correlated with the Pacific decadal oscillation (PDO) in the surface sea temperature (SST). The correlation coefficient between the indices of TPDO and PDO is +0.81 and reaches a maximum of +0.84 when TPDO lags behind PDO by 2 months. Therefore, a change of TPDO is likely related to the variation of PDO. The long-term change in TPDO best explains decadal warming in the tropical eastern Pacific SST and implies potential impact on the weakening of East Asian summer monsoons after the late 1970s.     

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。