中国西北干旱、半干旱区春季地气温差的年代际变化特征及其对华北夏季降水年代际变化的影响

利用我国1951~2000年夏季降水观测资料分析了我国夏季降水的年代际变化特征,表明了我国夏季降水在1976年前后发生了一次明显的气候跃变,在1976年之后华北地区和黄河流域夏季降水明显减少,出现了严重持续干旱,而西北地区从20世纪70年代后期开始,降水增多,且西北地区降水振荡位相要超前于华北地区降水振荡位相5~8年。并且,本文从1960~2000年我国西北干旱、半干旱区的地温、气温观测资料分析了我国西北干旱、半干旱地区的地气温差(Ts-Ta)的变化特征,其结果表明了在20世纪70年代后期以前,我国西北干旱、半干旱地区的地气温差大部分年份偏低,低于平均值,而从70年代后期之后到2000年,我国西北干旱、半干旱地区的地气温差偏高。此外,本文还分析了西北干旱区地气温差变化的最大地区新疆西部春季地气温差与我国夏季降水的相关关系,其正相关区分别位于西北地区、东北地区和长江流域,而负相关区分别位于华北地区东部和西南地区,这表明我国西北干旱、半干旱区春季地气温差可能是华北地区夏季降水年代际变化的原因之一。     

欧亚大陆干旱半干旱区感热通量的时空变化特征

利用1958—2002年ERA-40再分析感热通量资料进行EOF分析,结果显示,无论春季还是夏季,欧亚大陆干旱半干旱区感热通量都有3个主模态。第1模态都表示空间分布的一致性,20世纪70年代中后期开始,欧亚大陆干旱半干旱区春季感热通量明显增强,而夏季却明显减弱。第2、3模态表示了空间分布的不一致性,且存在年际、年代际变化特征。小波分析结果表明,欧亚大陆春、夏季感热通量存在明显的年际、年代际变化特征,且年代际变化信号强于年际变化信号。     

西北干旱区感热异常对中国夏季降水影响的模拟

利用最新版的RegCM3模式通过增加西北干旱区地面向大气的感热输送,模拟了西北干旱区春、夏季感热异常对中国夏季降水的影响。结果表明:西北地区地面向大气的感热输送增加后,西北干旱区低层空气温度升高,空气密度减小使得空气有上升运动距平,减弱了空气的下沉运动,从而在新疆地区降水增加。西北地区下沉气流减弱使得高空气压更强,形成反气旋气流距平,导致高原地区上升气流减弱,在青藏高原降水减少。高原地区上升气流减弱导致在长江中下游和东北北部分别有负的气压距平中心,使得这里有气旋式距平环流,降水增加;而在华南、西南、华北南部和东北南部降水减少。     

比较NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料与观测资料计算得到的感热资料的差异

利用1951～2000年我国西北干旱、半干旱区地温、气温和表面风场逐日4个时次（北京时间2、8、14和20时）的台站观测资料,以及NCEP/NCAR和ERA-40再分析资料,计算并比较了在我国西北地区春夏季感热输送的差异。分析结果表明:NCEP/NCAR和ERA-40的感热输送再分析资料都能显示出我国西北地区是欧亚大陆上的感热中心之一。从年代际时间尺度上,ERA-40再分析资料的感热资料更接近于实际台站观测资料计算得到的感热资料。       

卫星遥感结合气象资料计算的西北干旱区地面感热特征分析

选取1981年7月-2006年12月美国国家海洋和大气局(NOAA)系列卫星观测的归一化植被指数(NDVI)资料和Ch-INDV参数化关系式,计算了我国西北干旱区84个测站历年各月的地表热力输送系数Ch值和地面感热通量序列,得到如下主要结论:(1)西北干旱区地面感热通量实际计算值与ERA-40再分析感热资料相比,两者在数值大小、分布形势和年际变化趋势上均较一致,感热实际计算值的空间分布更明显地突出了各气象站所在区域的局地特征。(2)西北干旱区地面感热输送呈单峰型年变化特征,春、夏季非常强,秋、冬季较弱;大部分区域全年均为正值,地表为感热源。(3)以97.5°E为界,西北干旱区东、西部具有不同的年际变化趋势,东部的地面感热四季均有逐年增加的趋势,而西部秋、冬季逐年略有增加,春、夏季逐年减弱明显,气候倾向率分别为-1.15 W.m-2.(10a)-1和-2.08W.m-2.(10a)-1。(4)西北干旱区地面感热输送具有明显的年代际变化特征,1980年代总体偏强,1990年代总体偏弱,2000年以来,西北地区中部的感热输送偏弱,东、西部除个别测站外均偏强。(5)西北干旱区的感热变化并不只由地气温差的变化来决定,它与地面风速和地表状况的变化也有较强的依赖关系。在冬季,主要响应地气温差的变化,春季地面风速和地气温差的影响作用同等重要,夏季以地面风速的影响为主,地气温差的影响次之,秋季与夏季相反。另外,夏季地表状况对感热的影响作用也不容忽视。     

中国西南地区地表感热和潜热通量时空变化特征

基于1979—2017年ERA再分析资料地表潜热和感热通量数据,采用经验正交函数(EOF)和功率谱方法对中国西南地区地表感热和潜热通量时空变化特征进行分析。结果表明:(1)中国西南地区,春季感热通量比夏季大;而潜热通量则是夏季大、春季小。春夏季感热通量在2000年以后有明显减弱;而春夏季的潜热通量从2000年以后显著增强。(2)春季感热通量主要存在3种模态空间型,表现为东西反向、全区一致和"-+"偶极子分布;夏季感热通量主要存在2种模态空间型,表现为空间分布一致型。相应的时间系数表征了夏季感热通量显著的年代际变化特征。春季潜热通量存在3种模态空间型,主要表现为全区一致、东西反向和由中心向外递减分布;夏季潜热通量主要存在2种模态空间型,主要表现为全区一致型和由西北向东南呈梯形逐步增强的趋势。相应的时间系数表征了潜热通量显著的年际和年代际变化特征。(3)春夏季感热通量主要有3 a左右的年际变化和10 a以上的年代际变化特征,且年代际变化信号强于年际变化信号。春夏季潜热通量主要存在10 a以上的年代际变化特征。     

东亚典型干旱、半干旱区夏季感热通量的年代际变化特征

基于1901—2010年ERA-20C地表感热通量和其他气象要素逐月资料,利用Lanczos低通滤波、多元逐步回归、Mann-Kendall检验和滑动t检验等方法,分析东亚典型极端干旱区、干旱区、半干旱区和湿润偏干区4个区域夏季感热通量的变化趋势及年代际变化特征。结果表明:(1)近110 a,东亚干旱、半干旱区4种类型区域的夏季感热通量变化趋势不尽相同,极端干旱区无明显变化趋势,而其他3个区域均呈显著上升趋势,且随着地表湿润度的增加上升趋势越大;半干旱区和湿润偏干区夏季感热通量在显著上升趋势上还叠加了明显的年代际特征,均在1960年代发生由偏低向偏高的突变,而干旱区夏季感热通量突变时间在1950年代中期。(2)各气象要素对夏季感热通量变化的贡献在东亚干旱、半干旱区不同区域有显著差异。极端干旱区和干旱区夏季感热通量的变化主要由地表净辐射和降水贡献,而半干旱区和湿润偏干区则主要由地气温差和10 m风速贡献,且突变后期的贡献均高于突变前期。(3)大气环流异常对东亚夏季感热通量变化有重要作用。突变前期,东亚干旱、半干旱区大部高空200 hPa为东风异常,低层850 hPa为东南风异常,配合500 hPa正涡度异常,导致辐合上升气流偏强,有利于维持夏季感热通量偏低;反之突变后期,200 hPa为西风异常,500 hPa为负涡度异常,低层850 hPa为西北风异常,导致辐合上升气流偏弱,有利于维持夏季感热通量偏高。     

引起华北地区夏季出现持续干旱的环流异常型

利用中国160个台站降水资料和ERA〖CD*2〗40再分析资料分析了华北地区夏季降水及其对应的大气环流年代际变化特征。分析结果如下:华北地区夏季降水自1977年之后明显减少,出现持续性干旱。1977~2000年500 hPa高度场出现与1966~1976年相反的遥相关波列;华北地区上空700 hPa出现反气旋型环流异常,并出现明显偏北风异常,且下沉气流加强,水汽出现辐散;此外,200 hPa高度上西风带偏南且减弱。相反,1966~1976年华北地区上空700 hPa出现气旋型环流异常,并出现偏南风异常,且上升气流加强,水汽输送辐合;此外,200 hPa上西风异常偏北加强。       

欧亚中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水的可能联系

利用国家气候中心提供的中国区域753站降水观测资料、ECMWF逐月地表感热通量再分析资料和NECP/NCAR再分析资料,讨论了欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水之间的联系及其相关的物理机制。分析发现欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游地区夏季降水存在显著的正相关:感热偏强期,长江中下游夏季降水偏多;感热偏弱期,长江中下游夏季降水偏少。春季感热异常偏强时,夏季东亚副热带西风急流主体位置偏东、强度偏强、范围偏大,长江中下游地区主要受辐合上升气流控制,水汽输送条件好,降水异常偏多。而春季感热偏弱时,情况大致相反,则夏季降水异常偏少。研究表明欧亚大陆中高纬春季地表感热通量异常变化对我国长江中下游夏季降水预测具有一定的指示意义。     

关于我国夏季气候年代际变化特征及其可能成因的研究

利用我国160个台站1951～2000年夏季(6～8月)降水和气温观测资料,以及NCEP/NCAR海温、风场和水汽的再分析资料,分析了我国夏季风降水和气温的年代际变化特征及其可能成因.分析结果表明,我国夏季降水有明显的年代际变化,在1976年前后发生了一次明显的气候跃变,从1977年到2000年夏季长江流域的降水明显增加,而华北地区和黄河流域夏季降水明显减少,出现了严重干旱.分析结果还表明,我国西北地区降水的振荡位相要超前于华北地区降水振荡位相5～8年,华北地区气候年代际时间尺度变化是从1977年起降水减少,气温上升;但西北地区从20世纪70年代开始,则温度升高,降水增多.此外,分析结果也表明我国气温同样有年代际变化,但不如降水年代际变化明显.作者还从热带太平洋SST(海面温度)的年代际变化及其对中印半岛和东亚上空水汽输送的影响,分析了上述我国气候年代际变化的可能成因.分析结果表明,热带中东太平洋的SST也有明显的年代际变化,从1976年以后热带中东太平洋海水明显增暖,出现了明显的"类似El Nino型"的SST距平分布,呈现出"年代际的El Nino现象".这种海温异常分布减弱了亚洲夏季风,从而减弱了从热带太平洋、中国南海和孟加拉湾向东亚的水汽输送,造成水汽输送在长江流域辐合,使到达华北地区的水汽大大减弱,因此引起长江流域降水明显增加,而华北地区明显减少,出现了持续性严重干旱.     

Difference in the Interdecadal Variability of Spring and Summer Sensible Heat Flux over Northwest China

The present study investigates the difference in interdecadal variability of the spring and summer sensible heat fluxes over Northwest China by using station observations from 1960 to 2000. It was found that the spring sensible heat flux over Northwest China was greater during the period from the late 1970s to the 1990s than during the period from the 1960s to the mid-1970s. The summer sensible heat flux was smaller in the late 1980s through the 1990s than it was in the 1970s through the early 1980s. Both the spring and summer land-air temperature differences over Northwest China displayed an obvious interdecadal increase in the late 1970s. Both the spring and summer surface wind speeds experienced an obvious interdecadal weakening in the late 1970s. The change in the surface wind speed played a more important role in the interdecadal variations in sensible heat flux during the summer, whereas the change in the land-air temperature difference was more important for the interdecadal variations in sensible heat flux in the spring. This difference was related to seasonal changes in the mean land-air temperature difference and the surface wind speed. Further analysis indicated that the increase in the spring land surface temperature in Northwest China was related to an increase in surface net radiation.     

近40年我国暴雨的年代际变化特征

利用1961～2000年全国610个测站逐日降水资料和暴雨定义, 分析我国近40年暴雨发生频率的年代际时空变化特征.分析结果表明, 我国夏季暴雨多发生在长江中下游、华南、四川中东部、黄淮地区和华北东部, 夏季暴雨发生频率具有明显的年代际变化, 且各地区暴雨的年代际变化有一定差异.分析结果还表明, 我国东部季风区夏季暴雨与洪涝的关系非常密切, 特别是90年代江淮流域暴雨对洪涝的贡献明显增大.作者还初步讨论了夏季暴雨发生频率年代际变化的气候背景, 指出: 70年代末开始的华北暴雨减少可能与赤道中、东太平洋海表面温度的年代际变化有关, 而90年代长江以南暴雨增多则可能与热带西太平洋偏东方向热对流的年代际变化有关.     

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。     

On the relationship between the winter Eurasian teleconnection pattern and the following summer precipitation over China

The Eurasian teleconnection pattern(EU) is an important low-frequency pattern with well-known impacts on climate anomalies in Eurasia. The difference of low-level v-winds in several regions in the Eurasian mid–high latitudes is defined as the EU index(EUIV). In this study, the relationship between the winter EUIVand precipitation in the following summer over China is investigated. Results show that there is a significant positive(negative) correlation between the winter EUIVand the following summer precipitation over North China(the Yangtze River–Huaihe River basins). Meanwhile, an interdecadal variability exists in the interannual relationship, and the correlation has become significantly enhanced since the early 1980 s.Thus, the proposed EUIVmay have implications for the prediction of summer precipitation anomalies over China. In positive winter EUIVyears, three cyclonic circulation anomalies are observed—over the Ural Mountains, the Okhotsk Sea, and the subtropical western North Pacific. That is, the Ural blocking and Okhotsk blocking are inactive, zonal circulation prevails in the mid–high latitudes, and the western Pacific subtropical high tends to be weaker and locates to the north of its normal position in the following summer. This leads to above-normal moisture penetrating into the northern part of East China, and significant positive(negative) precipitation anomalies over North China(the Yangtze River–Huaihe River basins), and vice versa. Further examination shows that the SST anomalies over the Northwest Pacific and subtropical central North Pacific may both contribute to the formation of EUIV-related circulation anomalies over the western North Pacific.     

气候变暖背景下我国南方旱涝灾害时空格局变化

我国南方地区各季节降水异常主要包含三种优势模态：长江及其以南地区降水呈整体偏多或偏少的一致型,长江中下游流域与华南呈反相变化的南北反相型以及东南与西南呈反相变化的东西反相型。其中一致型是南方地区各季节降水变率的第一优势模态。总体而言,在1961—2013年南方地区平均降水存在明显的年代际和长期趋势变化。其中,夏季和冬季南方区域平均降水具有相似的年代际变化特征,而秋季降水的年代际演变几乎与上述两个季节的相反。不过,在近30年南方各季降水量发生年代际转折的时间不尽相同：春季和秋季降水分别在21世纪初期和20世纪80年代中后期之后进入干位相,冬季和夏季降水则分别在80年代中期和90年代初期之后进入湿位相。自21世纪初期以来,南方夏季和冬季降水逐渐转入中性位相。此外,南方春季和秋季降水均呈减少趋势;而夏季和冬季则相反,均呈增多趋势。对于西南地区,除了春季外,其他三个季节的降水均呈减少趋势,出现了季节连旱的特征,尤其是秋旱最为严重。不过,不管是季节降水量还是旱/涝日数,在我国南方大部分地区其线性变化趋势并不十分显著,这与南方降水年代际分量对降水变率存在较大贡献相关。分析还发现,我国南方区域洪涝受灾面积具有比较明显的年代际变化,而干旱受灾面积则没有明显的年代际变化特征,近十多年来西南地区干旱和洪涝受灾出现了交替互现的特点。     

青藏高原夏季大气视热源与中国东部降水的关系的年代际变化

基于1979～2017年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的ERA-Interim逐日再分析资料和热力学方程,本研究估算了大气视热源,分析研究了青藏高原夏季大气视热源的异常与中国东部降水关系的年代际变化,以及青藏高原大气视热源影响我国东部夏季降水的物理机制。结果表明:（1）高原热源东、西部反相变化模态的重要性发生了年代际转变,表现为由1994年之前方差贡献相对小的第二变异模态变为1994之后方差贡献明显增大而成为第一主导变异模态。（2）青藏高原夏季大气视热源的东、西反相变化模态与中国东部降水的关系存在年代际变化。1993年之前和2008年之后,高原大气视热源的异常分别仅与长江下游降水和长江中游降水异常存在密切的联系;而在1994～2007年,其对长江流域及附近区域和华南地区的夏季降水的影响显著,具体表现为,当高原夏季大气视热源异常表现为东强西弱（东弱西强）时,长江中上游、江淮地区的降水偏多（少）,华南地区降水偏少（多）。（3）高原大气视热源显著影响我国东部夏季降水主要是通过经高原上空发展加强的天气系统东移过程影响长江流域及附近地区的降水,以及通过垂直环流影响华南地区的降水。     

影响中国夏季降水的前冬北半球中高纬大气环流年际变异主模态

本文利用观测和再分析资料,通过奇异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)分析,发现北极涛动(Arctic Oscillation, AO)是显著影响中国夏季降水年际异常的前冬中高纬大气环流变异的主模态。AO在冬季发展成熟,在春季衰亡,在夏季发生位相反转。AO会导致华北、东北、长江中下游和华南夏季降水异常呈现三极型分布。伴随正位相的AO,在黄海至日本海上空的异常低压伴随的东北风异常引起华北和东北水汽通量异常辐散及降水减少,而西北太平洋的异常高压不仅增强其北侧的西南风水汽输送,和北部异常低压共同作用导致长江中下游水汽通量异常辐合及降水增加,而且使得华南水汽通量异常辐散,降水减少。因此,本文发现的前冬AO模态与我国夏季三极型异常降水分布的关系可为我国夏季旱涝预测提供一个重要的中高纬前期因子。     

格点降水资料在中国东部夏季降水变率研究中的适用性

本文使用1951~2010年PREC、CRU、APHRO和GPCC 4种格点降水资料,通过比较其与中国756站点观测降水资料在中国东部(105°E以东)夏季降水变率中的差异,检验和评估了它们的可靠性和适用性。结果表明:中国东部夏季降水变率的前3个主要模态分别是以江淮流域、长江流域和华北与东北南部为核心的经向多中心分布,有明显的年际和年代际变率特征,且干旱特征较洪涝更明显;长江流域夏季降水异常的主周期为3~7 a和20~50 a,而江淮流域和华北地区夏季降水异常的主周期则为准2 a和准10 a。另外,长江与江淮流域和华南地区分别在1970s末和1990s初发生了显著的年代际转变;4种格点降水资料都能很好地再现中国东部夏季降水的时空变率特征,但由于GPCC格点降水资料是基于更多的基站观测和更精细复杂的质量控制方案得到的,因此它具有更高的可靠性。