影响江南春雨年际变化的前期海洋信号及可能机理

利用1980—2017年华南地区303个国家级地面气象站逐小时降水数据、ERA-Interim再分析资料,分析华南前汛期（4—6月）降水统计特征,定义站点上短时（1—6 h）、中等时长（7—12 h）和长时（>12 h）降水事件,对比降水量、频次和强度在南海季风爆发前后的变化,以及所定义的西部内陆、东部内陆、沿海地区的异同。结果表明：（1）南海季风爆发后,研究区域平均而言,三类降水事件的降水量增多、小时降水强度增强,短时、长时降水事件发生频次增多,而中等时长降水事件发生频次有所减少。（2）从空间分布来看,南海季风爆发后,小时降水强度在整个华南地区均增强,西部内陆时长大于6 h的降水事件尤为明显;降水事件的发生频次在西部内陆和沿海地区升高,而东部内陆时长大于6 h的降水事件发生频次降低,因此,季风爆发后西部内陆和沿海地区的总降水量均显著增大,而东部内陆的总降水量变化不大。（3）西部内陆降水事件主要在夜间开始发生,持续时间越长的事件越早开始,且由西向东逐渐推迟;东部内陆短时降水事件主要在14时（北京时,下同）左右开始,季风爆发后更为明显,而时长大于6 h的降水事件的开始时间和峰值时间无明显的分布规律;沿海地区短时降水事件在季风爆发前主要于05—08时开始,季风爆发后,在海岸线约50 km以内仍然如此,而较远离海岸线的短时降水事件主要于14时开始,沿海地区长时降水事件在季风爆发前、后都倾向于在夜间开始,并在日间出现峰值。

     

江南雨季降水季节内演变及其年际、年代际变化特征

利用1961—2008年逐日降水资料,在对比我国东南部各地区气候态降水特征的基础上,着重探讨了江南地区(110~120°E、24~30°N)雨季降水的季节内变化特征及其年际、年代际变化规律。结果表明:1)江南雨季气候态降水的季节内变化具有明显的双峰型特征,两个峰值集中期分别是4、6月中旬前后。4月中下旬第一个降水峰值率先出现在江南地区,之后峰值降水南移,于6月上中旬华南地区达峰值集中期,之后强降水才逐渐北移,6月中下旬又回至江南地区,使江南地区降水达第二个峰值集中期。2)我国江南地区区域平均的双峰降水与4—6月的实际降水之间的相关系数达0.69,这表明双峰型降水确实反映了江南雨季降水的季节内演变特征。3)江南雨季降水双峰型的季节内变化特征具有明显的年际、年代际变化周期。年际变化周期为2~3 a,强信号主要集中在20世纪60年代后期到70年代中期以及80年代中期到21世纪初;年代际变化周期约为8~10 a,在整个时间域上都存在,最强信号集中在80年代初到90年代末期。4)年代际尺度上,江南雨季降水的季节内变化特征(双峰型态)具有隔代显著的特征,即20世纪60、80年代及21世纪初双峰型特征显著,而20世纪70、90年代双峰型特征不显著。     

El Ni?o发展年和La Ni?a年东亚夏季风季节内变化的比较

基于1979~2013年多种再分析资料,合成分析了El Ni?o发展年和La Ni?a年东亚夏季风的季节内变化。结果表明,东亚夏季风在两种情况下呈现出不同的季节内变化特征。在El Ni?o发展年,初夏期间高纬度地区出现偏北风异常,造成东亚地区位势高度场偏低,西太平洋副热带高压偏东,但均不显著。盛夏期间,El Ni?o强迫造成中太平洋对流增强,副热带西太平洋出现气旋异常,位势高度显著降低,副热带高压明显偏东。与此不同的是,La Ni?a年春季暖池海温偏高,造成夏季对流偏强,西太平洋地区位势高度场偏低,副热带高压减弱东退。此外,La Ni?a年东亚夏季风的季节内变化较为复杂,6月异常较弱,7月达到最强,8月又开始减弱。因此,虽然El Ni?o发展年和La Ni?a年夏季平均副高异常有一定的相似性,但季节内变化则有很大差异,其成因也完全不同。     

强El Niño衰减年东亚夏季风的季节内变化:1998年和2016年的对比分析

本文对比分析了1998年和2016年这两个强El Ni?o衰减年东亚夏季风的季节内变化。结果表明,在6~7月期间,由于热带印度洋海温偏高、对流偏强,造成西太平洋暖池对流偏弱,西太平洋副热带高压（副高）偏西偏强,长江流域降水偏多,华南偏少,东亚夏季风异常具有典型的El Ni?o衰减年特征。但两年的8月份有很大差异,虽然1998年8月与6~7月相似,但2016年8月份则完全不同。受乌拉尔地区异常反气旋的影响,源自西伯利亚东部的北风异常穿越东亚并直抵暖池地区,造成副高分裂并减弱东退,同时激发暖池对流发展,而对流的发展则进一步促使副高减弱。因此,2016年8月东亚夏季风异常与1998年8月相反,中国北方夏季降水异常也呈现很大差异。另外,1998年热带大西洋偏暖,并通过热带环流变化影响到东亚夏季风异常,其强迫作用与热带印度洋类似。而2016年大西洋海温异常较弱,对东亚夏季风影响也较弱。因此,El Ni?o对东亚夏季风的影响不仅与其强度有关,还与El Ni?o衰减之后造成的印度洋和大西洋海温异常有关。本文的分析结果表明,即使在强El Ni?o衰减年夏季,由于El Ni?o之间的个性差异以及其他因子的影响,东亚夏季风季节内变化仍然能呈现出显著差异,特别是在8月份。因此,在预测东亚夏季风异常时,宜将6~7月和8月分别考虑。此外,为进一步提高东亚夏季风预测水平,除传统的季度预测外,还需要进一步加强季节内尺度的预测。     

两类El Nio发生前期大气海洋状况的对比分析

利用风场、20℃等温线深度、海表温度以及Wheeler·和Hendon提出的逐日MJO指数资料,通过合成分析方法对比分析了EP型和CP型El Nio发生前各要素场的特征,以及近30年来两类El Nio事件发生前MJO活动的差异。结果表明,在赤道西太平洋,EP型El Nio的异常西风要早于CP型El Nio出现,其强度也远远强于CP型事件。EP型El Nio的异常西风在发生前2个月已东扩至东太平洋地区,而CP型El Nio的异常西风在El Nio事件发生前3个月东扩至日界线附近,此后也只维持在日界线以西。而在赤道东太平洋,不同于EP型El Nio,CP型El Nio事件在El Nio事件发生前始终有偏东风存在。EP型El Nio温跃层有明显的加深东移现象,温跃层的演变要超前于海表温度的变化。由MJO处于5~8位相的异常概率分布,可知EP型El Nio在中西太平洋的MJO活动要比CP型El Nio早发生,比较赤道纬向风平方的均方差,发现EP型El Nio发生前对应的MJO活动要明显地强于CP型El Nio事件。     

东部型El Ni?o事件发展期秋季对中国极端降水的影响

利用1961-2020年中国地面降水逐日数据集和NCEP/NCAR逐月再分析资料,采用相关及合成分析等方法分析了东部型El Ni?o事件发展期秋季对同期我国极端降水的可能影响及物理过程。结果表明：东部型El Ni?o事件在发展期秋季对华中和华南地区的极端秋季降水有显著的影响,造成华南地区秋季极端降水增多而华中地区减少。进一步分析了造成这种影响的物理过程发现,当东部型El Ni?o事件处于发展期的秋季时,中东太平洋表现为显著的正海温异常,热带西太平洋及我国南海为负的海温异常。相应地,热带中东太平洋表现为异常的上升气流,西太平洋为异常的下沉气流,在华南地区表现为异常的辐合上升,为降水创造了有利的动力条件;同时,异常海温进一步对西北太平洋副热带高压(以下简称西太副高)位置产生影响,造成西太副高异常偏西,在南海到西太平洋地区表现为反气旋性环流异常,意味着西南气流的水汽输送增强,这促进了华南地区极端降水的发生。而在华中地区则表现为异常的偏北风和水汽辐散,不利于降水的生成。以上结果对认识我国东部地区的极端降水事件的物理机理提供了科学线索。     

东亚夏季PJ遥相关型的年际及年代际变化机理

利用夏季东亚地区500 h Pa高度场和菲律宾附近的降水场进行SVD分析,将东亚500 h Pa高度场对应的时间序列定义为PJ指数,该指数不仅清楚地反映PJ型的年际变化,而且反应出PJ型的年代际变化,即500 h Pa高度场型态在20世纪70年代末由"气旋、反气旋、气旋"型突变为"反气旋、气旋、反气旋"型。本文研究表明PJ指数的年际变化与ENSO事件有密切的联系:El Ni1o事件通过电容器充电效应使印度洋海温增暖,而增暖的印度洋海温在菲律宾海附近强迫出异常反气旋,并沿东亚沿岸激发出PJ遥相关型。而PJ型态的年代际变化与热带印度洋SST的持续增暖有关。虽然许多学者认为是菲律宾附近海温异常引起对流异常,并沿东亚沿岸激发出PJ遥相关型,但我们认为该区域的海温变化并不是造成PJ型年际和年代际变化的原因,而是由于该区域有反气旋(或者气旋)异常,从而辐射增加(减少),蒸发减弱(增加),温跃层下降(上升),SST变暖(变冷),该区域的海温变暖意味着对流是减弱的。本文进一步利用大气环流模式ECHAM5.4进行数值试验,结果表明:当热带印度洋增暖时,在菲律宾海附近强迫出反气旋,并沿东亚激发出"反气旋、气旋、反气旋"PJ遥相关型。     

热带太平洋海温分布状况及冬季年际变化

首先,通过各月份多年平均(1854年1月至2009年9月)的SST分析热带太平洋SST的季节变化.发现热带太平洋有存在两个暖池等特征.接着采用经验正交函数(EOF)的方法,重点对不同时段(1949-2008、1949-1978、1979-2008)的标准化后的冬季(DJF)月平均SST进行分析.分析结果显示,EOF1型模态与El Ni(n)o事件有较好的对应关系,El Ni(n)o事件有越来越强的趋势.EOF2型捕捉到了一个类似Modoki的模态,这一模态方差贡献的上升,似乎预示着Modoki事件将越来越活跃.     

El Ni?o衰减年夏季西太平洋副热带高压的季节内变化

本文分析了El Ni?o衰减年夏季西太平洋副热带高压（副高）的季节内变化,发现其季节内变化存在两种模态,一种是6～8月的一致偏西,另一种是6～7月偏西,而8月逆转为偏东,其中偏西模态的异常要远大于偏东模态。对偏西模态而言,由于热带北大西洋海温正异常的强迫影响,激发出一个从北大西洋经过欧亚大陆高纬度到东亚的遥相关,抑制了暖池地区的对流,东亚地区位势高度增加,从而导致副高加强西伸。在偏东模态下,热带印度洋海温异常演变与偏西模态类似,但强度偏低,同时热带北大西洋海温正异常在4月达到峰值后衰减,导致两大洋对8月暖池地区对流的抑制作用减弱。此外,由于6～7月暖池海温持续升高,在局地海气相互作用下,8月暖池对流发展,位势高度场降低,从而造成副高减弱东退。因此,副高8月异常主要取决于热带北大西洋海温异常。在预测El Ni?o 衰减年副高异常变化时,要综合考虑两大洋海温异常的影响。     

中国东部城市土地利用变化对江南春雨影响的模拟研究

利用美国国家大气研究中心发布的较高分辨率大气环流模式CAM 5.1,进行了中国东部(20~50°N,100~125°E)城市土地利用变化对江南春雨影响的数值试验。结果显示:较中国东部无城市土地利用的试验相比,城市用地增加后,江南春雨推迟约3候建立而提前1候结束,持续时间缩短,同时降水强度减弱。进一步分析表明:东部城市土地利用增加可改变地表能量收支,使得东部大部分地区的地表增暖,导致地表感热增强,对大气的异常加热使得该区域上空等压面抬升,缩小了低层青藏高原东南侧至西太平洋间的位势梯度,使得形成江南春雨的直接原因——西南风减小,从而减少春季江南地区的降水。中国东部城市土地利用改变可能是影响近几十年江南春雨年代际变化的原因之一。     

春季/夏季型El Ni?o对中国夏季降水变化的影响

利用中国气象局160站的逐月降水资料,NCAR/NCEP再分析资料以及美国CPC提供的Ni?o3. 4区指数,对比分析了SP、SU两类El Ni?o事件发展年、衰减年中国夏季降水和东亚环流特征的差异。结果表明:1) SP型El Ni?o事件发展年全国以少雨为主要特征,衰减年降水呈"北多南少"分布; SU型发展年,降水异常呈"三明治"型分布特征,衰减年降水偏多区域增大。2) 850 h Pa风场上,SP型El Ni?o事件发展年夏季风偏强,但反气旋性风场异常位置偏东偏北,衰减年夏季风还保持强劲,且反气旋性风场异常偏西偏南;而SU型发展年东亚夏季风偏弱,衰减年夏季风偏强。3) 500 hPa高度场上,SP型事件发展年夏季,我国受东亚夏季风影响总体偏弱,来自低纬地区的暖湿水汽向我国大陆输送不足;衰减年,受偏强东亚夏季风影响,来自低纬地区的暖湿水汽向我国腹地输送。SU型发展年,受相对活跃的冷空气影响,内蒙到华北地区多雨;衰减年,受偏强夏季风影响,冷暖气流在我国黄河及以北地区交汇。4)比较两类El Ni?o事件发生时对流层低层和高层特征表明:在SP型事件发展年,我国大陆上空,除内蒙和东北外,基本为下沉异常,衰减年基本为上升异常;在SU型发展年,我国大陆上空皆为显著的下沉异常,衰减年为弱下沉异常,但在偏强夏季风的作用下,降水偏多区域增大了。     

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。      

月相对江南春雨年际变率的可能影响

验证华南气候谚语“六月逢双暑,有米无柴煮”的符号正确率达到90％,其内部隐含的物理本质可能反映的是月球相对于地球的位相（月相）的年际变化对华南前汛期降水的影响。将其推广到一般情况,求得月相与华南前汛期降水以及江南春雨的相关分布图,表明相关显著,特别是与江南春雨的关系更为密切。计算了月相与江南春雨的30年滑动相关,发现该相关具有很高的稳定性。小波分析表明两者具有相同的2～3年显著周期,说明它们之间内部可能存在物理联系。因此,月相可以作为江南（华南）预测春季（前汛期）降水的一个重要的预报参考判据。月相对降水影响的内部物理机制目前尚不清楚,可能是日月的引潮力的年际变化引起的。     

El Nino事件对其衰减阶段夏季中国降水季节内演变的影响及其机理

利用1979—2007年NOAA重建海温逐月资料和中国160站夏季降水资料,使用扩展奇异值分解（extended singular value decomposition,ESVD）方法,研究了冬季热带太平洋海温异常与次年夏季中国降水异常季节内演变型之间的关系,指出前冬El Nino事件是与次年夏季中国降水季节内变化相联系的最重要的热带太平洋海温异常模态。相应的降水异常季节内变化情况为：6月在长江以南为正异常,江淮流域有负异常;7月在华南沿海有负降水异常,而正异常北进到长江流域,华北地区也出现正降水异常;8月在长江南北分别为少雨和多雨。进一步研究前冬El Nino事件与次年春夏印度洋、太平洋海温异常、对流层低层风场异常以及副热带高压等的联系,结果表明：El Nio事件发生的次年春夏,热带西太平洋周边存在东负西正的海温异常分布;西太平洋反气旋异常较强;副高在6月、7月偏西偏北,但在8月迅速南退。虽然与El Nino事件相联系的6月与7月、8月的降水型不同,但是西太平洋反气旋异常带来的充沛水汽造成7月长江流域雨季多雨,8月副高迅速南退带来的又一次长江流域降水,造成了El Nino事件发生次年夏季长江流域涝而华南沿海旱的夏季平均降水异常型。     

不同类型和强度的厄尔尼诺事件对次年华南前汛期降水的可能影响

根据气象行业标准（QT/T370-2017）对厄尔尼诺事件不同类型的划分结果以及国家气候中心最新颁布的华南前汛期业务监测标准,利用1961~2016年NCEP/NCAR日、月尺度再分析大气环流资料、海表温度资料（ERSST V4）以及华南261个国家气象观测站逐日降水资料,采用相关、合成等方法分析了不同类型、强度的厄尔尼诺事件特征以及与次年华南前汛期的关系,并探讨其海温和大气环流异常特征。结果表明,厄尔尼诺事件的类型、强度对次年华南前汛期降水的影响存在明显差异。中等及以上强度东部型厄尔尼诺事件次年,华南前汛期开汛早、结束晚,前汛期持续时间长、降水多;弱等级的东部型以及中部型厄尔尼诺事件次年则相反。在厄尔尼诺事件次年华南前汛期,中等及以上强度东部型厄尔尼诺相对弱东部型或中部型厄尔尼诺的大气环流存在明显差异。高层西风急流明显加强,中层北半球极涡加强,东亚大槽强,低层菲律宾以东存在反气旋异常环流,华南存在南北风的交汇和水汽辐合加强,有利于华南前汛期降水偏多。     

中国东部夏季极端降水统计特征及其与El Nio的联系

选取中国东部1961—2012年夏季5—9月无缺测429站逐日降水资料,利用广义帕雷托分布(GPD)拟合,研究中国东部52 a以及El Nio发展年和衰减年极端降水的统计特征,并分析其成因。结果表明:1)中国东部降水阈值呈由东南向西北递减的态势,且基本为线性增加趋势。2)华南地区尺度参数最大,出现极端降水的概率大。黄河以南地区尺度参数变化趋势正值较多,出现极端降水的概率增加。3)El Nio发展年夏季,西太平洋上有气旋环流异常,中国东南部受气旋西侧的异常偏北气流影响,多地阈值偏小,只有福建东南部及黑龙江中西部易发生破纪录的极端降水。4)El Nio衰减年夏季,西太平洋上为异常反气旋环流,中国东南部受反气旋西侧的异常偏南气流影响,多地阈值偏大,广东中东部及皖鄂赣交界处发生洪涝灾害的可能性增大。     

2015/2016年超强El Nio事件背景下我国月预测技巧差异分析

利用中国站点观测降水资料、国家气候中心第2代月动力延伸预报模式(BCC_DERF2.0)的回报和预报数据、NCEP/NACR再分析资料和国家气候中心实时发布的月尺度降水预测评分数据,通过评估和诊断分析发现,在2015/2016年超强El Nio事件背景下,这两年内业务发布的月降水预报能力有明显不同,BCC_DERF2.0对月环流的预测技巧也存在差异:在2015年(El Nio发展位相),降水预报和环流预测技巧较高且稳定,而在2016年(El Nio衰减位相)的预报技巧总体偏低。进一步的研究显示,亚洲—太平洋涛动(Asia-Pacific Oscillation,APO)可能是导致2015年和2016年夏季预测技巧高低的重要影响因素。2015(2016)年夏季为APO低(高)指数年,且2016年具有高指数年的典型环流特征。而APO高指数对应的环流特征与El Nio衰减位相对西北太平洋环流的影响不同,在El Nio和APO的物理影响途径不一致时,将直接影响东亚环流可预报性的高低及动力气候模式的预报技巧,即El Nio在发展和衰减位相与APO型不同组合的影响是2015和2016年月预测技巧有差异的重要原因。     

两次超强厄尔尼诺事件海温异常与次年中国东部夏季降水特征对比

利用NOAA逐月海表温度(SST)资料,NCEP/NCAR风场、高度场和比湿再分析资料和国家信息中心提供的753站逐日降水资料,对比分析了1997/1998年和2015/2016年两次强厄尔尼诺事件的海温异常分布特征、次年中国东部夏季降水以及环流异常特征,结果表明:1)2015/2016的厄尔尼诺事件是自1950年以来持续时间最长,强度最强的一次事件,日界线附近的海温较1997/1998年的偏高。2)1997/1998年厄尔尼诺事件次年华南西部、江南北部到长江流域、黄淮北部到华北南部以及我国东北地区降水较常年偏多。而2015/2016年厄尔尼诺事件次年降水范围和强度相对较小,强雨带主要分布在长江流域一带、黄淮地区和华北一带及河套北部。3)1997/1998年事件次年夏季西北太平洋副热带高压强盛,位置偏西,脊线偏南,向上垂直质量输送异常偏强、高低层水平风场配合以及水汽通量异常辐合偏强均有利于长江流域一带以及我国东北地区降水产生,而2015/2016年事件次年的副高相对偏弱,且脊线位置偏北、偏东,水平、垂直异常环流和水汽偏弱,因此降水范围和程度较1997/1998年的偏弱。从海温分布型和次年对我国东部夏季降水造成的影响上看,2015/2016年的超强厄尔尼诺事件有别于传统东部型事件。     

热带印度洋-太平洋海温主模态对中国南部秋季降水异常的影响

基于HadISST逐月海温数据,对热带印度洋-太平洋海区海温场主模态及其组合进行了研究。结果表明：三种类型的El Niño事件中,东部型（EP）和对称中部型（CPⅠ）发展年,热带印度洋东部及海洋性大陆降水为负异常,印-太海区Walker环流减弱,赤道印度洋为东风异常,根据Bjerknes反馈,东印度洋海温负异常,易形成正位相印度洋偶极子（Positive Indian Ocean Dipole,PIOD）事件;而非对称中部型（CPⅡ）与印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole,IOD）事件无相关性。进一步对印-太海区海温场主模态及其组合与中国南部秋季降水异常的关系进行分析发现,独立EP型、独立CPⅠ型、EP与PIOD组合型及CPⅠ与PIOD组合型四种模态下,在赤道印度洋及热带太平洋暖湿气流的作用下,中国东南部秋季降水呈正异常,其中独立EP型、独立CPⅠ型和CPⅠ与PIOD组合型对中国东南部的局地水汽净输入以自西向东的纬向贡献为主,而EP与PIOD组合型由于西太平洋副热带高压的异常西伸,水汽沿副高西南边缘向北输送进入中国东南部,对中国东南部的局地水汽净输入以经向贡献为主。CPⅡ型El Niño事件发展年,中国南部大部分地区秋季降水异常偏少;独立PIOD事件发展年,中国西南部地区秋季降水表现为正异常,而东南部呈负异常。     

El Nio事件次年中国东部夏季气温分布特征研究

利用Had ISST和NCEP/NCAR再分析资料,采用统计学方法分析了1949年以来El Nio事件次年夏季中国东部气温分布特征。结果表明,混合型El Nio次年夏季,中国东部气温距平表现为山东—淮河流域及华南沿海出现负距平,其余地区为正距平;东部型,则表现为中国东部地区整体的负距平气温,且北方降温幅度明显大于长江以南地区;中部型,主要表现为长江以北气温负距平远大于长江以南。结合环流形势分析发现,三类El Nio事件次年夏季的赤道地区(5°S~5°N)异常纬向垂直环流均表现为三圈型,但3类异常Walker环流不仅强度有差异,纬向范围也有所不同。500 h Pa上西太平洋副高的强度和范围,是造成三类El Nio事件次年夏季中国东部地区气温距平分布差异的主要原因之一,850 h Pa上西南暖湿气流的输送对其也存在明显影响。