春季青藏高原东部热力异常与东亚夏季风关系的年代际变化

利用1948-2002年NCEP/NCAR逐日再分析及月平均资料,分析了春季青藏高原地区大气热源的气候分布和高原东部大气热源的年代际变化特征及其异常与东亚夏季大气环流关系的年代际变化.结果表明:春季青藏高原东部大气热源在1965年存在加强突变,且1970年以后热源加强趋势十分显著.此外,春季青藏高原东部大气热源异常与东亚夏季风强弱具有年代际关系,表现为1977/1978年前春季高原东部大气热源与东亚夏季风存在负相关关系,1977/1978年后两者的关系不明显.     

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。     

海表温度异常影响东亚夏季风年代际变化的数值模拟

采用1950-2000年逐月观测的不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋、热带印度洋及热带太平洋)海表温度分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,进行了多组长时间积分试验,对比ERA-40和NCEP/NCAR再分析资料,讨论了这些海域海表温度异常对东亚夏季风年代际变化的影响。数值试验结果表明:全球、热带、热带印度洋-太平洋和热带太平洋海表温度变化对东亚夏季风的年代际变化具有重要作用,均模拟出了东亚夏季风在20世纪70年代中后期发生的年代际减弱现象,以及强、弱夏季风年代夏季大气环流异常分布的显著不同,这与观测结果较一致,表明热带太平洋是影响东亚夏季风此次年代际变化的关键海区;利用热带印度洋海表温度驱动模式模拟出的东亚夏季风在20世纪70年代中后期发生年代际增强现象,即当热带印度洋海表温度年代际偏暖(冷)时,东亚夏季风年代际增强(减弱),与热带太平洋海表温度变化对东亚夏季风年代际变化的影响相反;热带太平洋海表温度年代际背景的变化对东亚夏季风在20世纪70年代中后期的年代际减弱有重要作用。     

索马里急流变异及其与东亚夏季风和中国降水异常的关系

利用近50 a大气再分析资料、海表温度分析资料和我国降水观测资料,分析揭示了索马里急流的年际和年代际变异及其与东亚夏季风和我国夏季降水异常的关系.结果表明:在年际时间尺度上,夏季索马里急流增强,对应ENSO冷事件,马斯克林高压增强,澳大利亚高压减弱,东部越赤道气流减弱,东亚夏季风增强,我国夏季北方降水偏多,南方降水偏少;反之亦然.然而,在年代际时间尺度上,夏季索马里急流增强,对应PDO暖位相,马斯克林高压和澳大利亚高压均增强,东部越赤道气流增强,而东亚夏季风减弱,我国夏季东北、西北和长江流域降水偏多,而华北、华南和西南地区降水偏少;反之亦然.     

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。     

全球夏、冬季加热场的气候学特征及其年代际变化

利用NCEP/NCAR再分析资料,计算了1948-2002年全球夏、冬季节大气热源的气候分布,并对其年代际变化规律进行分析.研究表明,全球存在4个主要的大气热源中心,其位置随季节的改变而改变.夏季分别位于中非、孟加拉湾附近、热带西太平洋菲律宾群岛附近及加勒比海西南部;冬季则移至南非、海洋大陆至印度洋一带、澳大利亚西北部至南太平洋一带及南美洲北部.夏季中非、热带西太平洋菲律宾群岛附近及加勒比海西南部大气热源都表现出明显的年代际变化特征,中非热源在20世纪70年代存在减弱突变,而热带西太平洋菲律宾群岛和加勒比海西南部热源存在增强突变,孟加拉湾热源强度存在减弱变化趋势.冬季南美洲北部热源具有明显的年代际变化,在70年代中期存在增强突变,南非和海洋大陆至印度洋一带热源强度存在增强变化趋势,而澳大利亚西北至南太平洋一带热源强度存在减弱变化趋势.     

南海季风爆发的年代际转折与东亚副热带夏季降水的关系

利用1979—2016年NCEP再分析资料, 分析了南海季风爆发的年代际转折与东亚副热带夏季降水的关系。结果表明:南海夏季风爆发时间在1993/1994年出现年代际转变, 1979—1993年爆发时间相对偏晚, 夏季华南降水偏少, 长江中下游至日本南部降水偏多; 1994—2016年爆发时间偏早, 夏季华南降水偏多, 长江中下游到日本南部降水偏少。南海季风爆发时间年代际转折与夏季东亚副热带降水关系可能受到菲律宾越赤道气流强度的调控, 季风爆发时间与菲律宾越赤道气流有显著正相关, 且均在1993/1994年间存在年代际转变。在1994—2016(1979—1993)年南海夏季风爆发偏早(晚), 菲律宾越赤道气流偏弱(强), 澳大利亚北部有偏北(南)风异常, 将暖池的热量往赤道输送, 使得赤道对流增强(减弱), 产生异常上升(下沉)运动汇入Hadley环流上升支, 增强(减弱)的Hadley环流导致下沉主体偏北(南), 促使副高脊线偏北(南), 从西北太平洋(孟加拉湾)往华南地区(江淮到日本南部)输送水汽增强, 所以华南(江淮到日本南部)夏季降水偏多。      

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。     

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.     

Interdecadal Variability of the East Asian Summer Monsoon in an AGCM

It is well known that significant interdecadal variation of the East Asian summer monsoon （EASM） occurred around the end of the 1970s. Whether these variations can be attributed to the evolution of global sea surface temperature （SST） and sea ice concentration distribution is investigated with an atmospheric general circulation model （AGCM）. The model is forced with observed monthly global SST and sea ice evolution through 1958-1999. A total of four integrations starting from different initial conditions are carried out. It is found that only one of these reproduces the observed interdecadal changes of the EASM after the 1970s, including weakened low-level meridional wind, decreased surface air temperature and increased sea level pressure in central China, as well as the southwestward shift of the western Pacific subtropical high ridge and the strengthened 200-hPa westerlies. This discrepancy among these simulated results suggests that the interdecadal variation of the EASM cannot be accounted for by historical global SST and sea ice evolution. Thus, the possibility that the interdecadal timescale change of monsoon is a natural variability of the coupled climate system evolution cannot be excluded.     

东亚夏季风的自然变率——NCARCam3模拟结果分析

利用季节循环的全球观测海表温度及海冰驱动NCARCam3全球大气环流模式的100a模拟结果,通过定义东亚夏季风指数,分析了模拟的大气内部变化中东亚夏季风的变化特征。结果表明：模拟的东亚夏季风自然变率主要表现为3—7a较显著的年际周期,并具有较明显的年代际变化特征。在弱夏季风年代,亚洲大陆海平面气压增强,日本附近及东亚沿海地区海平面气压降低;500hPa位势高度上,欧洲地区为负高度距平,里海附近地区为正高度距平,日本及其以东太平洋为负高度距平,易形成类似欧亚（EU）型的遥相关波列。在强夏季风年代,其环流异常分布基本与弱夏季风年代相反。模拟的东亚夏季风变化与夏季大气内部500hPa高度场上EU型遥相关波列的关系密切。     

海洋性大陆核心区域非绝热加热年代际变化及其与东亚夏季风变异的可能联系

海洋性大陆区域是太平洋和印度洋通过“大气桥”发生相互作用的区域,也是亚洲季风和澳洲季风相互作用的重要地区。利用1979—2012年的NCEP/NCAR、CMAP月平均资料和合成分析等方法,研究了海洋性大陆核心区域非绝热加热年代际变化规律及其与东亚夏季风的可能联系。海洋性大陆地区气候变动在95~145 °E,10 °S~10 °N区域尤为显著,记此区域为海洋性大陆核心区域（即KMC区域）。不考虑大气中潜热释放时,KMC区域的非绝热加热率在1979—2012年之间存在显著的年代际变化,加热作用由弱增强,在1980年代末期达到峰值后,即转为减弱阶段。对非绝热加热异常各分量的分析发现,在KMC区域,表面潜热和净大气长波辐射起主要作用。当非绝热加热负异常时,KMC区域的陆地降水偏多,海洋上降水偏少,赤道上存在气流辐合。在115~120 °E区间平均的经圈剖面上,气流在赤道地区上升、南海下沉、30 °N处上升,构成了异常的垂直环流圈。水汽从孟加拉湾、南海地区向中国东部输送,利于产生降水正异常。东亚剖面上的经圈环流在联系KMC区域非绝热加热和东亚夏季风异常的年代际变化中起重要作用。      

INTERDECADAL CHANGE OF DIABATIC FORCING OVER KEY REGION OF THE MARITIME CONTINENT AND ITS POSSIBLE RELATIONS WITH THE EAST ASIAN SUMMER MONSOON ANOMALIES

The Maritime Continent(MC) is an important region where the Tropical Pacific and the Indian Ocean interact with each other via "the atmospheric bridge" and a key region for the interaction between the Asian and Australian monsoons. Using the NCEP/NCAR and CMAP monthly mean reanalysis over the period of 1979-2012, the interdecadal variations of diabatic forcing over the key region of the Maritime Continent and its possible relations with the East Asian summer monsoon have been investigated in the present paper. Our results show that climate variations in the Maritime Continent is particularly significant in the area of 95-145°E, 10°S-10°N, which is thus defined as the key area of the MC(i.e., KMC area). Without the input of latent heat release in the atmosphere, distinct interdecadal change of diabatic heating is found to exist from 1979 to 2012; it intensified before 1980 s and peaked in the late 1980 s and weakened after this period. By analyzing each individual component that contributes to the diabatic heating in the KMC area, surface latent heat flux and net long-wave radiation in the atmosphere are found to be the two dominant components. With negative diabatic heating anomalies over KMC, there will be more precipitation on islands and less precipitation over sea, and more rainfall around the equator, which is in correspondence with the convergence center around the equator in the KMC area. Along the meridional-vertical section averaged between 115-120 ° E, the well-defined vertical circulation anomalies are observed with the ascending branches over KMC and the area around 30°N respectively, and the descending branch over the South China Sea. Water vapor transports from the Bay of Bengal and South China Sea to eastern China to benefit the positive precipitation anomalies. The meridional-vertical circulation in East Asia plays a critical role in linking the interdecadal variability of diabatic heating over the KMC and East Asian summer monsoon anomalies.     

Possible Impacts of the Arctic Oscillation on the Interdecadal Variation of Summer Monsoon Rainfall in East Asia

The influences of the wintertime AO (Arctic Oscillation) on the interdecadal variation of summer monsoon rainfall in East Asia were examined. An interdecadal abrupt change was found by the end of the 1970s in the variation of the AO index and the leading principal component time series of the summer rainfall in East Asia, The rainfall anomaly changed from below normal to above normal in central China, the southern part of northeastern China and the Korean peninsula around 1978. However,the opposite interdecadal variation was found in the rainfall anomaly in North China and South China.The interdecadal variation of summer rainfall is associated with the weakening of the East Asia summer monsoon circulation. It is indicated that the interdecadal variation of the AO exerts an influence on the weakening of the monsoon circulation. The recent trend in the AO toward its high-index polarity during the past two decades plays important roles in the land-sea contrast anomalies and wintertime precipitation anomaly. The mid- and high-latitude regions of the Asian continent are warming, while the low-latitude regions are cooling in winter and spring along with the AO entering its high-index polarity after the late 1970s. In the meantime, the precipitation over the Tibetan Plateau and South China is excessive, implying an increase of soil moisture. The cooling tendency of the land in the southern part of Asia will persist until summer because of the memory of soil moisture. So the warming of the Asian continent is relatively slow in summer. Moreover, the Indian Ocean and Pacific Ocean which are located southward and eastward of the Asian land, are warming from winter to summer. This suggests that the contrast between the land and sea is decreased in summer. The interdecadal decrease of the land-sea heat contrast finally leads to the weakening of the East Asia summer monsoon circulation.     

东亚夏季风的年际到年代际变化及其与全球大气环流和海表温度的联系

The East Asian summer monsoon (EASM) underwent an interdecadal variation with interannual variations during the period from 1958 to 1997, its index tended to decline from a higher stage in the mid-1960＇s until it reached a lower stage after 1980＇s. Correlation analysis reveals that EASM is closely related with the global atmospheric circulation and sea surface temperature (SST). The differences between the weak and strong stage of EASM shows that, the summer monsoon circulation over East Asia and North Africa is sharply weakened, in the meantime, the westerlies in high latitudes and the trade--wind over the tropical ocean are also changed significantly. Over the most regions south of the northern subtropics, both air temperature in the lower troposphere and SST tended to rise compared with the strong stage of EASM. It is also revealed that the ocean-atmosphere interaction over the western Pacific and Indian Ocean plays a key role in interannual to interdecadal variation of EASM, most probably, the subtropical Indian Ocean is more important. On the other hand, the ENSO event is less related to EASM at least during the concerned period.     

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.     

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。     

ENSO与南海SST关系的年代际变化

基于NOAA重建的海面温度（sea surface temperature, SST）资料和NCEP再分析大气资料,研究了ENSO（El Niño-Southern Oscillation）与南海SST关系的年代际变化。结果表明：ENSO影响南海SST的冬、夏季“双峰”现象发生了显著的年代际变化,即冬季的“峰值”自20世纪80年代显著减弱,而夏季的“峰值”稳定持续且在20世纪70年代之后增强;冬季“峰值”的减弱可能与冬季西北太平洋反气旋的年代际变化有关,夏季“峰值”的维持和增强可能与20世纪70年代之后印度洋SST“电容器”效应的增强有关。