一种综合监测两类不同分布类型ENSO事件指标的研究

针对1950—2009年的东部型（EP）和中部型（CP）ENSO事件,比较了目前国际上常用的ENSO监测指数对它们的监测能力。结果表明:单一的指数无法同时区分EP和CP型ENSO事件,其中Ni?o 3指数只能有效识别EP型ENSO事件,而Ni?o 4指数则对CP型事件具有较强的监测能力。据此提出同时以Ni?o 3和Ni?o 4指数构建指数组的形式来监测不同类型的ENSO事件,结果表明,该指标组能够较全面监测历史上发生的不同分布类型ENSO事件,且能准确判定事件的峰值强度、起止时间和成熟期等其他特征。      

两类ENSO事件非对称性特征分析

利用1961—2010年多种海、气观测资料,分析了东部型(EP)和中部型(CP)ENSO事件海温异常的非对称性及可能原因,并讨论了两类ENSO事件的非对称性对大气环流的可能影响。结果表明,海温异常非对称性包括空间分布非对称、强度非对称以及持续性非对称。从动力学角度来看,虽然不同事件发展衰减阶段主导的动力作用不尽相同,但就两类事件强度非对称性而言,海洋垂直对流项起关键性的作用。此外,研究发现,无论是通过海温强迫直接影响的赤道地区或是通过遥相关影响的赤道外地区,大气非对称响应都表现出与海温异常非对称较强的一致性,其中东部型ENSO的非对称性分布与事件暖位相分布相似,而中部型ENSO的非对称性分布与事件冷位相分布相似,且东部型ENSO非对称性差异大于中部型ENSO。     

1月份两类ENSO的海气环流模态分析

本文对1950～2001年1月份的大气风场和大洋流场做了联合复EOF（Empirical Orthogonal Function）分解,用以探讨1月份两类ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）的海气环流及耦合情况,所得结果主要有:该分解第1、2模态空间场分别相应于东部型、中部型ENSO,前者在赤道太平洋东部和中部都有海温动力异常,并以东部异常最强,后者仅在中部存在此异常,两模态的时间系数都与ENSO有很好相关,为此第1、2模态可分别称为东部型、中部型ENSO的风场流场（异常）模态。东部型ENSO模态具有3～6年的年际变化和13～14年的年代际变化,中部型则有明显的7年年际变化和12、17年的年代际变化,两者中约13年的周期与冬季北太平洋NPGO（North Pacific Gyre Oscillation）的周期相同。东、中部型El Ni?o期间,沃克环流上升支分别从印尼东移至赤道西、中太平洋,并有所减弱;南、北支哈得莱环流则分别位于日界线以东及该线附近,且均有所加强,从而使南、北太平洋副热带高压偏强;而在5°S的南美沿岸则分别有垂直运动上升和下沉异常。在海气耦合上,两类ENSO模态在赤道中太平洋均存在西风异常与海洋赤道Kelvin波和Rossby波的波包解耦合,而海温动力异常对大气的影响则都起到负反馈作用,从而有利于ENSO的维持和稳定。     

两类厄尔尼诺事件对中国东部冬季气溶胶的影响

利用MERRA-2再分析气溶胶光学厚度及气象观测资料,在剔除人为排放长期变化产生的气溶胶光学厚度扰动的基础上,从气候学角度探讨了两类厄尔尼诺事件对中国东部冬季气溶胶的影响。结果表明,东部型厄尔尼诺事件使绝大部分区域气溶胶光学厚度呈正异常分布,尤其对华北至东北的气溶胶污染加剧作用显著;而中部型厄尔尼诺事件使气溶胶光学厚度异常由南至北呈显著的“+-”双极型分布。进一步成因分析发现,虽然两类厄尔尼诺事件都具有削弱冬季风从而减弱北方气溶胶向南传输的作用,但中部型对水平流场的削弱作用不显著,尤其是东北地区没有通过90%的显著性检验。同时二者对北方大气垂直扰动和气溶胶的湿清除作用相反,其中东部型表现为大气垂直扰动和对流有效位能减弱,降水减少,湿清除减弱;而中部型则表现为垂直扰动和对流有效位能增强,降水增多,湿清除增强。对于南方,强东部型事件引发的强降水可能是产生该区域气溶胶污染影响不稳定的主因,而中部型则主要通过气流削弱作用加剧长江中下游地区气溶胶的局地污染。      

两类ENSO事件非对称性特征分析北大核心CSCD

利用1961—2010年多种海、气观测资料,分析了东部型(EP)和中部型(CP)ENSO事件海温异常的非对称性及可能原因,并讨论了两类ENSO事件的非对称性对大气环流的可能影响。结果表明,海温异常非对称性包括空间分布非对称、强度非对称以及持续性非对称。从动力学角度来看,虽然不同事件发展衰减阶段主导的动力作用不尽相同,但就两类事件强度非对称性而言,海洋垂直对流项起关键性的作用。此外,研究发现,无论是通过海温强迫直接影响的赤道地区或是通过遥相关影响的赤道外地区,大气非对称响应都表现出与海温异常非对称较强的一致性,其中东部型ENSO的非对称性分布与事件暖位相分布相似,而中部型ENSO的非对称性分布与事件冷位相分布相似,且东部型ENSO非对称性差异大于中部型ENSO。     

冬季中国东北极端低温事件环流背景特征分析

利用1961~2014年CN05.2逐日温度数据,对冬季东北极端低温事件进行了定义,并按其发生时冷空气对中国东部（105°E以东）的影响范围,将其分为第一类和第二类极端低温事件,其中前者局限在东北,而后者则扩展至中国东部大部分地区。分析表明,在年代际时间尺度上,第一类极端低温事件强度减弱,而第二类的则增加;对持续天数而言,第二类极端低温事件的在减少,而第一类在1990年代以前也持续减少,但是1990年代之后急剧增加;2月份总的极端低温事件发生天数最多,其在1990年代以前要远大于12月和1月份,且在1990年代以前总体在减少,以后则增加;850 hPa风场分析显示,第二类极端低温事件中来自贝加尔湖的西北路径冷空气比第一类的要强,而来自鄂霍次克海的东北路径冷空气则相反;在300 hPa的E-P通量散度场上,这两类极端低温事件中东北都处于波动能量辐散中心,第二类极端低温事件发生时罗斯贝波波动能量传播比第一类时的要弱,第一类发生时则纬向传播比较明显,而且波动中心值都比较大;在位势高度距平场的谐波分析中,长波槽同位相扰动叠加在超长波槽上更易导致极端低温事件的发生。     

构建描述两种ENSO类型的新指数

利用英国气象局哈得来中心的1950—2011年月平均海表温度资料,采用联合回归-经验正交函数分解方法得到东部太平洋型ENSO(东部型ENSO)和中部太平洋型ENSO0中部型ENSO)的热带太平洋海温分布特点,进而定义了计算相对简单的东部型ENSO指数(I_(EP))和中部型ENSO指数(I_(CP))来分别描述两类ENSO。研究结果表明:首先,构建的I_(EP)和I_(CP)的相关性很小,接近正交,而且I_(EP)和I_(CP)能够反映两类ENSO不一致的偏度和周期,因此,这对指数能够清楚地区分两类ENSO。其次,I_(EP)和I_(CP)这两个指数可以描述厄尔尼诺和拉尼娜事件成熟期主要海表温度异常区的位置。再次,应用I_(EP)和I_(CP)从随机事件概率统计的角度给出两类厄尔尼诺和拉尼娜事件较为严格的定义,以便实时有效地监测两类ENSO。最后,利用新指数对两类ENSO的特征进行研究发现,强厄尔尼诺事件一般属于东部型,而强拉尼娜事件则为中部型,并且中部型拉尼娜事件发生的前期是东部型厄尔尼诺,此外,ENSO的发生演变机制在1976/1977年前后发生了改变。     

新疆阿勒泰地区冬季极端低温事件特征分析

利用阿勒泰地区7个测站1961～2011年冬季(11月到翌年3月)逐日最低温度资料,采用百分位定义法给出各站发生冬季极端低温事件的阈值。采用气候趋势系数和气候倾向率、Gumbel分布函数及R/S分析等多种统计方法分析阿勒泰地区各站冬季极端低温事件的气候特征。结果表明:阿勒泰地区各站冬季极端低温事件发生阈值为-26～-36℃。阿勒泰地区冬季极端低温事件频次倾向率均呈减少趋势,强度倾向率均呈减弱趋势。50 a一遇冬季极端低温事件极值东部较低,西部较高。阿勒泰地区西部地区冬季极端低温强度<-50℃的概率较小,东部地区冬季极端低温事件强度<-50℃概率较大。根据R/S分析,阿勒泰地区冬季极端低温事件未来发生频次可能会有所增多,冬季极端低温事件未来发生强度可能会有所增强。     

内蒙古冬季主要极端气候事件的环流影响因素分析

过去的几十年中,内蒙古冬季(11月至次年2月)出现极端气候事件的年份并不多。对于极端低温事件的发生,在中西部地区极少出现,多数发生在锡林郭勒盟中部及以东地区。特别是自1986年气候转暖以来,在暖的大背景下,更是较少出现极端低温事件;极端降水事件在冬季各月中也有发生,每个月有其各自的特点。文章着重研究分析11月的极端降水事件。通过对海温、大气环流的异常进行分析和研究,找出影响内蒙古冬季极端降水、极端低温的关键性因子,对今后的极端气候事件预测工作有所帮助和借鉴。     

新疆极端降水时空特征及其对ENSO影响的响应研究

基于1961-2015年新疆地区51个气象站逐日降水资料和南方涛动指数资料,借助RclimDex模型,利用线性变率、距平分析、Mann-Kendall非参数检验等方法,分析过去55a新疆极端降水变化特征及其对ENSO影响的响应。研究表明:(1)1961-2015年新疆持续干燥日数以-3.9d·(10a)~(-1)的速率下降,除降水强度指数外,最大1日降水量、强降水量、总降水量和大雨日数都呈现显著上升趋势,且突变基本发生于1986年;(2)最大1日降水量、强降水量、总降水量和大雨日数都表现为"北多南少"的格局,其线性倾向率表现为北疆大部分站点正增长,且变化趋势明显,南疆少数站点呈负增长,且变化趋势较弱;(3)20世纪80年代以后El Nino/La Nina事件波动加剧,且El Nino事件发生强度大于La Nina事件。ElNino事件年对新疆产生增湿效应,冷季降水增加幅度大于暖季,空间上表现为北疆的塔城、阿勒泰、巴音布鲁克和南疆西部的喀什至和田一带年总降水明显偏多。     

Recent trends in winter temperature extremes in eastern China and their relationship with the Arctic Oscillation and ENSO

Interannual variations in the number of winter extreme warm and cold days over eastern China （EC） and their relationship with the Arctic Oscillation （AO） and E1 Nifio-Southern Oscillation （ENSO） were investigated using an updated temperature dataset comprising 542 Chinese stations during the period 1961- 2011. Results showed that the number of winter extreme warm （cold） days across EC experienced a significant increase （decrease） around the mid-1980s, which could be attributed to interdecadal variation of the East Asian Winter Monsoon （EAWM）. Probability distribution functions （PDFs） of winter temperature extremes in different phases of the AO and ENSO were estimated based on Generalized Extreme Value Distribution theory. Correlation analysis and the PDF technique consistently demonstrated that interannual variation of winter extreme cold days in the northern part of EC （NEC） is closely linked to the AO, while it is most strongly related to the ENSO in the southern part （SEC）. However, the number of winter extreme warm days across EC has little correlation with both AO and ENSO. Furthermore, results indicated that, whether before or after the mid-1980s shift, a significant connection existed between winter extreme cold days in NEC and the AO. However, a significant connection between winter extreme cold days in SEC and the ENSO was only found after the mid-1980s shift. These results highlight the different roles of the AO and ENSO in influencing winter temperature extremes in different parts of EC and in different periods, thus providing important clues for improving short-term climate prediction for winter temperature extremes.     

Statistical downscaling of summer temperature extremes in northern China

Two approaches of statistical downscaling were applied to indices of temperature extremes based on percentiles of daily maximum and minimum temperature observations at Beijing station in summer during 1960-2008. One was to downscale daily maximum and minimum temperatures by using EOF analysis and stepwise linear regression at first, then to calculate the indices of extremes; the other was to directly downscale the percentile-based indices by using seasonal large-scale temperature and geo-potential height records. The cross-validation results showed that the latter approach has a better performance than the former. Then, the latter approach was applied to 48 meteorological stations in northern China. The cross-validation results for all 48 stations showed close correlation between the percentile-based indices and the seasonal large-scale variables. Finally, future scenarios of indices of temperature extremes in northern China were projected by applying the statistical downscaling to Hadley Centre Coupled Model Version 3 (HadCM3) simulations under the Representative Concentration Pathways 4.5 (RCP 4.5) scenario of the Fifth Coupled Model Inter-comparison Project (CMIP5). The results showed that the 90th percentile of daily maximum temperatures will increase by about 1.5℃, and the 10th of daily minimum temperatures will increase by about 2℃ during the period 2011-35 relative to 1980-99.     

增暖背景下新疆冷冬与极端低温事件的联系

为了客观准确地描述新疆冬季偏冷的特征,基于新疆99个国家气象观测站1981－2020年逐日最低气温、日平均气温和欧洲数值预报中心再分析资料（ERA5）逐日最低气温再分析资料,对于冬季气温异常偏低年、冷冬年、强冷冬年以及单站极端低温事件、区域性持续极端低温事件进行了识别。结果表明：1981—2020年,新疆区域冬季平均气温异常偏低年与冷冬年有差异。新疆冬季单站极端低温事件总体呈减少趋势;12月和2月的出现频次高于1月,但12月减少速率大于2月,1月总体呈增加趋势。新疆共出现53次冬季区域性持续极端低温事件,其中,全疆型出现频次最高,北疆型次之,南疆型第三,山区型最少;出现频次最多的是持续10～15 d的事件;新疆冬季区域性持续极端低温事件发生频次减少,但单站事件持续时间并没有明显减少,而且影响范围在扩大。当冬季极端低温事件出现频次高、持续时间长时,50%以上的测站出现冷冬（强冷冬）时,区域内冬季平均气温一致偏低的概率较大;当冬季极端低温事件出现频次低、持续时间在10d以内时,出现冷冬的测站很少或没有,冬季平均气温一致偏低的概率较小。     

华南地区7-10月两类区域性极端降水事件特征及环流异常对比

利用1981—2016年7—10月中国753站逐日降水资料、气象信息综合分析处理系统（MICAPS）逐日站点降水资料、日本东京台风中心西北太平洋热带气旋（TC）最佳路径资料和NCEP/NCAR再分析资料集,分析了华南地区区域性日降水极端事件（RDPE事件）的统计特征及环流异常。根据华南地区RDPE事件的发生是否受热带气旋影响将其分为TCfree-RDPE和TCaff-RDPE两类事件,其中TCaff-RDPE事件占42%且集中发生在8月4—5候;TCfree-RDPE事件以7月发生频数最多,占其总频次的1/2以上。TCfree-RDPE事件发生时,华南地区受异常气旋性环流控制,来自西太平洋和中国南海的暖湿气流与北方冷气团在此汇合并形成一条狭长的水汽辐合带,低层辐合、高层辐散,显著强烈的上升运动为TCfree-RDPE事件的发生与维持提供了有利条件;与此同时,波扰动能量由高原东北侧及河西走廊地区向华南一带传播并在华南显著辐合,有利于华南上空扰动的发展和维持。TCaff-RDPE事件发生时,华南上空由低层到高层的斜压环流结构更为明显,异常上升运动更加强烈,热带气旋在其运动过程中携带了大量源自孟加拉湾、中国南海和西太平洋地区的水汽并输送至华南地区,水汽辐合气流更为强盛。同时,波扰动能量由高纬度地区沿河西走廊向下游传播,但在华南地区辐合不甚明显。两类极端事件发生时,加热场上的差异亦明显。华南及邻近地区上空的大气净加热及其南侧大范围区域的净冷却所形成的加热场梯度对TCfree-RDPE事件的发生有利。而TCaff-RDPE事件发生时,〈Q₁〉和〈Q₂〉在经向上由18°N以南、华南及其邻近地区、32°N以北呈负—正—负的异常分布型,正距平值更高,加热场梯度更大,有利于TCaff-RDPE事件的维持。这些结果有利于人们认识和预测华南区域性日降水极端事件的发生。      

ENSO及其组合模态对中国东部各季节降水的影响

近期的研究发现,热带太平洋低层大气存在两种主要模态,即经向对称ENSO模态和ENSO与海表温度(SST)年循环相互作用产生的经向反对称组合模态。主要探讨了这两种不同ENSO模态对中国东部各季节降水的影响。结果表明,厄尔尼诺年秋季,中国西南、长江及华南大部分区域呈现显著正降水异常;冬季,正降水异常范围扩大,覆盖华南、华东及华北东南部地区。这两个季节的异常降水都主要受ENSO模态的影响。与ENSO模态相关的正异常海温局地强迫导致120°E以西出现反气旋性环流,其西北侧增强的西南暖湿气流使得中国东部地区降水增多。次年春季,从中国华南延伸到东北出现正的异常降水,主要是ENSO组合模态的贡献。因为次年春季热带太平洋地区ENSO模态信号只局限于赤道地区,并没有对中国东部降水有显著的影响,而ENSO与海温年循环相互作用的组合模态使得与ENSO相关的赤道大气异常可以扩展到赤道以外地区。ENSO组合模态对中国降水异常有重要影响,在今后的研究和短期预测中需引起重视。      

北半球冬季各阻塞系统对大范围极端温度异常的单独和协同影响

利用ERA5逐日再分析资料集,探究了冬季（12月至次年2月）大尺度阻塞与东亚寒潮的关系,发现近年来冬季大尺度阻塞与寒潮频次的年际相关有增强趋势,其中乌拉尔山大尺度阻塞与寒潮频次的年际相关最为显著,鄂霍次克海大尺度阻塞与寒潮频次的相关最弱。选取乌拉尔山和贝加尔湖区域大尺度阻塞后10 d内有寒潮爆发和无寒潮爆发的事件进一步统计分析,发现乌拉尔山区域发生大尺度阻塞时,阻塞后有（无）寒潮的事件在中高纬度行星波向平流层上传加强（减弱）,导致平流层极涡减弱（显著加强）。波活动响应的主要贡献来自于行星纬向1波。而（50°—70°N ,90°—110°E）位势高度在阻塞发生后逐渐加强（减弱）,最终导致寒潮爆发（未爆发）。贝加尔湖区域发生大尺度阻塞时的情况与乌拉尔山区域基本一致,但1990—2019年阻塞后有寒潮事件时行星纬向2波比纬向1波起更重要的作用。     

Assessment of indices of temperature extremes simulated by multiple CMIP5 models over China

Given that climate extremes in China might have serious regional and global consequences, an increasing number of studies are examining temperature extremes in China using the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) models. This paper investigates recent changes in temperature extremes in China using 25 state-of-the-art global climate models participating in CMIP5. Thirteen indices that represent extreme temperature events were chosen and derived by daily maximum and minimum temperatures, including those representing the intensity (absolute indices and threshold indices), duration (duration indices), and frequency (percentile indices) of extreme temperature. The overall performance of each model is summarized by a "portrait" diagram based on relative root-mean-square error, which is the RMSE relative to the median RMSE of all models, revealing the multi-model ensemble simulation to be better than individual model for most indices. Compared with observations, the models are able to capture the main features of the spatial distribution of extreme temperature during 1986-2005. Overall, the CMIP5 models are able to depict the observed indices well, and the spatial structure of the ensemble result is better for threshold indices than frequency indices. The spread amongst the CMIP5 models in different subregions for intensity indices is small and the median CMIP5 is close to observations; however, for the duration and frequency indices there can be wide disagreement regarding the change between models and observations in some regions. The model ensemble also performs well in reproducing the observational trend of temperature extremes. All absolute indices increase over China during 1961-2005.     

华北冬季气温年代际变化及大气环流分析

用NCEP/NCAR再分析资料和华北地区冬季气温资料,运用经验正交分解(EOF)和合成分析等方法,分析了华北地区冬季气温年代际异常及同期环流背景场的变化特征。结果表明:华北冬季气温的年代际变化特征明显;北半球冬季环流场的年代际变化是造成华北冬季气温年代际异常的根本原因,在近地面层,西伯利亚高压偏强时,华北冬季偏冷,反之亦然;在对流层中层,东亚大槽及贝加尔湖高压脊为主要影响系统;低空风场分析结果显示,华北冬季偏冷期中、高纬纬向环流减弱,经向环流明显增强,主要盛行偏北风,暖期情况正好相反。另据分析,北极涛动的年代际变化与华北冬季气温异常也有很好的相关性。     

洪泽湖地区冬季温度与ENSO事件关系

对洪泽湖地区冬季平均温度分析得出:洪泽湖地区冬季平均温度46a里上升了2℃,1986-2006年冬季平均温度一直维持在2℃以上;2006年冬季平均温度显著偏高;2007年2月平均温度创有记录以来历史最高,属于异常偏高年;中等以上ENSO事件对洪泽湖地区冬季平均温度的影响结果是正常年居多.