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。     

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。     

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.     

ENSO与中国东部地区夏季降水相关性年代际变化特征

利用国家气候中心提供的中国160站1951～2000年逐月降水资料,Hadley中心提供的1951～2000年逐月全球海表层温度资料,采用线性相关分析和滑动相关分析方法,探讨了ENSO与中国东部地区夏季降水的年际关系及二者年际关系的年代际变化特征。结果表明,夏季Nino3区海温与中国东部夏季降水年际关系同期相关显著,且二者的年际关系存在明显的年代际变化,年际相关型分3个阶段：,第1阶段(1972年前)为“东西型”,第2阶段(1973～1983年)为“南北型”,第3阶段(1984年后)也为“南北型”。     

中国东部夏季降水型的年代际变化及其与北太平洋海温的关系

采用中国160站降水资料、NOAA ERSST海温资料以及ERA－40大气再分析资料, 分析了中国东部夏季降水型的年代际变化特征及其与北太平洋海温的可能联系。结果表明: 中国东部夏季降水型在近50年中经历了两次年代际变化, 第1次发生在20世纪70年代中后期, 北太平洋中纬度地区冬季海温由正距平向负距平转变, 太平洋年代际振荡(PDO, Pacific decadal oscillation) 由负位相向正位相转变, 通过影响东亚夏季风环流, 使东亚夏季风减弱, 中国东部夏季降水从北到南呈现出“＋－＋” 转变为“－＋－”的三极分布形态, 这次年代际变化体现了同一模态正负位相的转变; 第2次发生在20世纪80年代末90年代初, 北太平洋海温转变为日本以南西北太平洋的正距平分布, 同时菲律宾群岛附近海温偏暖, 西太平洋副热带高压偏南偏西, 使得中国东部夏季降水由北至南转变成“－＋”的偶极分布形态, 这次年代际变化体现了一种模态向另一种模态的转变。     

近50年中国东部夏季降水与贝加尔湖地表气温年代际变化的关系

最近50年全球变暖,陆地增温幅度大于海洋,主要的增温中心位于亚洲北部、欧洲和北美等地区。因此,全球变暖有可能通过改变大尺度季风环流而影响中国气候变化。利用美国国家航空航天局空间研究中心(GISS)的逐月地表气温资料、NCEP/NCAR再分析资料及中国604个站逐月气温和降水观测资料,重点讨论了1951—2007年中国东部夏季降水与同期的北半球大陆地表气温年代际尺度变化关系。结果表明,近50年中国东部夏季降水异常主要表现为南旱北涝与南涝北旱两者年代际异常之间的转换,但在1996年之后,伴随北方干旱区向南发展,呈现出华北和长江中下游地区降水同时减少的特征。研究发现中国华北地区夏季降水与同期的环贝加尔湖地表气温在年代际尺度上存在显著的负相关关系;贝加尔湖地区地表气温增暖可能导致蒙古高原对流层出现异常的暖性反气旋,使得位于蒙古高原的气旋频数减少和强度减弱。由于华北降水与蒙古气旋的活动直接相关,从而导致华北地区夏季降水的持续性减少。自1996年开始贝加尔湖地区的地表气温进一步升高,导致中国北方干旱化加剧。由于环贝加尔湖地区是过去50年全球变暖的最显著地区之一,因此,全球变暖可能是通过关键区域的温度变化对中国的气候变化产...     

南极海冰的年际变化对中国东部夏季降水的影响

根据Hadley中心提供的1969—1998年的南极海冰再分析资料和其它多种观测资料，分析了南极海冰的年际和季节变化，指出南极海冰具有显著的年际变化，但与ENSO的关系则较为复杂。南极海冰维持了南半球高纬地区大气环流的季节持续性，因而对短期气候预测有较大帮助。相关分析和时间序列分析均证实中国东部夏季降水与南极海冰的年际变化有关，当北半球春夏季南极海冰增多时，华北降水增多而华南和东北降水减少。研究还表明，此种雨型分布与南极海冰变化引起的东亚夏季风环流变化有关。     

东部夏季降水变化及其与北太平洋SSTA的联系

采用REOF分析和小波变换方法对1900-1999年中国东部39站夏季降水资料进行分析，结果表明：华南、西南地区和长江中下游地区及华北、东北西南部地区是中国东部夏季降水异常3个最主要的区域，都存在显著的年际变化和年代际变化。分析了这3个区域夏季降水的年际、年代变化与北太平洋冬季海表温度异常的关系。     

我国华南3月份降水年代际变化的特征

利用1951～2005年华南3月份降水资料、太平洋年代际振荡(PDO)指数以及NCEP再分析资料,对华南3月份降水年代际变化特征、及其对应的大尺度环流以及与PDO的关系进行了分析。结果表明,华南3月份降水存在显著的年代际变化特征,并且Mann-Kendal突变检验表明华南3月份降水在1978年左右发生年代际突变,从之前的降水偏少转变为降水偏多。我国华南3月份降水与PDO有着显著的相关。进一步研究表明,在年代际降水偏少时期,PDO处于负位相(北太平洋海温偏高,中东太平洋海温偏低),北太平洋海平面气压场和高度场偏高,亚洲大陆海平面气压场和高度场偏低,赤道西太平洋到赤道东印度洋附近的海平面气压场偏低,赤道辐合带附近地区的高度场偏低,东亚对流层大气偏暖,西太平洋副热带高压偏东,东亚高空急流偏北,东亚Hadley环流偏弱。在年代际降水偏多时期,PDO处于正位相,情况则与降水偏少时期相反。     

ENSO与中国东部夏季降水异常关系的年代际变化

根据1960—2011年Had ISST资料集中的月平均海表温度资料和中国753站逐日降水资料,基于转经验正交函数分解等分析方法,发现中国夏季降水的变化具有明显的独立性特征,可以分为相对独立的11个雨区,并在此基础上讨论了11个雨区夏季降水与ENSO的相关关系及其年代际变化,发现不同雨区的夏季降水与ENSO相关关系的年代际变化特征不尽相同,据此可分为3种类型:第1类为稳定不相关型,代表区为东北地区、长江中下游地区、江南地区、闽赣地区、环琼州海峡地区;第2类为稳定相关型,代表区为河套地区、黄河中下游地区;第3类为相关关系变化型,代表区为辽吉地区、黄淮地区、淮河流域以及两广地区。而在第3类相关关系变化型中,4个雨区夏季降水与ENSO相关关系的年代际突变时间也存在差异,两广地区的突变年份在1975年左右,辽吉地区和黄淮地区的突变年份在1980年左右,淮河流域的突变年份在1985年左右。     

中国东部夏季水汽输送的年代际变化特征

基于1948—2012年NCEP/NCAR月平均再分析资料,采用9 a滑动平均、EOF分析及合成分析方法,研究了我国东部夏季水汽输送的年代际变化特征。结果表明:6—8月水汽输送由强转弱发生在1975年前后,水汽输送异常显著区域主要位于东部地区;6月南海到我国东部地区的水汽输送存在年代际变化,7月孟加拉湾、南海和西太平洋(8月印度洋、南海和西太平洋)到我国东部的水汽输送同样存在年代际变化;6—8月年代际变化前后水汽输送矢量分布与相应月份水汽输送通量年代际特征向量场的空间分布基本一致;显著的水汽通量散度辐合区位于华中以西经华北到东北地区,长江以北水汽辐合(辐散)异常显著区域由风场的辐合(辐散)异常和水汽平流异常共同造成,长江以南地区水汽辐合(辐散)异常显著区域主要由风场的辐合(辐散)异常造成。     

华北各区夏季降水年际和年代际变化的地域性特征

利用１９５１￣１９９７年华北地区２６个测站的６￣８月降水量资料,分析了上夏季降水标准差的窨分布和降水距平百分率年际和年代际变化的地域性特征。在此基础上,根据各站降水标准差和旱涝的一致性,对华北夏季降水异常进行分区,研究了各区降水长期变化的趋势及其阶段性和跃变的特征。最后,探讨了华北地区目前这个少雨期何时结束的问题。     

华北夏季降水的年代际变化

利用我国740个测站逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,使用合成分析等方法,对华北夏季降水的年代际变化特征进行分析。结果表明：华北夏季降水的年代际变化与华北夏季雨带的年代际变化密不可分。在华北夏季降水偏多阶段,华北地区雨带降水量较大,华北雨带能够向西延伸,雨带位置大多数时间能够越过115°E,并且能够接近华北西部边界110°E,位置偏西;而在华北夏季降水偏少阶段,华北雨带降水量偏小,雨带虽然也能够越过115°E,但维持时间不长,且向西延伸并不明显,雨带位置很难接近华北西部边界110°E,位置偏东。华北雨带发生的年代际变化和东亚地区大气环流以及东亚夏季风的年代际变化有关。     

我国夏季降水对太平洋海温年代际变化响应的数值试验

利用近５０年观测资料对我国夏季降水和太平洋海温进行诊断分析,发现两者都具有年代际变化特征。在此基础上,利用Ｌ９Ｒ１５大气环流模式,对太平洋海温暖背景异常情况下的夏季降水进行敏感性数值试验,其结果与统计事实基本一致。     

东北夏季降水年代际、年际变化的区域差别

采用REOF方法对我国东北夏季降水异常进行了区划,并通过周期分析等方法分析了各分区降水年代际、年际变化特征。结果表明:东北夏季降水异常可划分为南部、中部、东部、西南部、西北部和北部6个区域,东南部(包括前3个区域)的年代际变化高于西北部(后3个区域)。50 a来东北全区夏季降水没有明显变干或变湿的倾向,但存在明显的年代际变化。其中,南部与全区旱涝在两种时间尺度上(特别在年代际尺度上)的相关均较高;东部与全区的相关也主要表现在年代际尺度上,而中部、西南部主要表现在年际尺度上。     

我国夏季东部区域降水异常年代际、年际变化分析

用华南、江淮、华北代表站6—8月降水量标准化距平的区域平均值定义了降水异常指数I，论证了它与常用指数Z、R的一致性。不同区域，的同期相关不显著，表明3区降水年际异常具有独立性。用周期分析将，分解为年代际、年际变化指数，Is、If，方差分析表明，只有华南区域Is在其，的构成中显著，表明区域夏季降水异常是复杂的。对Is、If，曲线的分析表明，3个区域Is均表现出与太平洋年代际振荡(PDO)20世纪70年代的转折有关的相关关系，华北区域If的显著偏少与强El Nino事件的同时性关系密切。     

印度洋偶极子与中国东部夏季降水的年代际变化关系

采用1951—2012年GPCP、中国160站台站降水资料及NOAA海表温度资料,分析了中国东部夏季降水及热带印度洋偶极子(IOD)的年际变化特征,以及两者的年代际变化关系。结果表明,中国东部夏季降水主要呈现两种模态分布,即"+-+"三极型和"-+"偶极型。并且在1953—1973年和2002—2012年中国东部夏季降水分别存在准2 a和4 a的震荡周期,年际变化明显。相关性分析发现,夏季IOD时间序列与中国东部夏季降水场的第三模态所对应的时间序列场呈负相关关系,且通过了信度为0.05的显著性检验,说明夏季IOD与中国东部夏季降水第三模态相关性较好。     

中国夏季降水与太平洋SSTA年代际变化关系的初步研究

利用1951-2001年逐月NCEP再分析高度场、风场资料，COADS海表温度资料及中国147个台站逐月降水资料，运用SVD分析、SVD与回归分析相结合等方法，研究了太平洋SSTA与中国夏季降水年代际变化的相互关系，发现热带西太平洋是影响中国华南降水年代际变化的关键区，1950年代-1970年代后期，该海域SSTA为正，对应中国长江以南地区的夏季降水偏多，而长江以北则偏少；1970年代以后反之；影响中国长江中下游地区及其两侧降水年代际变化的关键区在中纬中部北太平洋，1970年代后期-1990年代前期，该海域SSTA为负，对应长江中下游夏季降水偏多，其两侧降水偏少；影响中国东北降水年代际变化的关键区是低纬中太平洋，1970年代-1980年代前期，低纬中太平洋SSTA为负，与之对应，中国东北夏季降水偏少；1950年代～1960年代中期、1990年代前、中期则反之。进一步对太平洋SSTA年代际变化影响中国夏季降水年代际变化的可能机制作了初步的研究。     

中国东部夏季气候20世纪80年代后期的年代际转型及其可能成因

指出了中国东部夏季气候在20世纪80年代末出现了一次明显的年代际气候转型。伴随着这次年代际转型,80年代末以后中国东部南方地区降水明显增多,500 hPa西太平洋副热带高压西伸且南北范围变大,西北太平洋上空850 hPa反气旋增强。中国东部夏季80年代后期出现南方多雨的年代际转型与欧亚大陆春季积雪、西北太平洋夏季海面温度的年代际变化存在密切联系,它们也都在80年代末出现年代际转型。从80年代末以后,伴随着欧亚大陆春季积雪明显减少和西北太平洋夏季海面温度明显增高,中国夏季南方降水明显增加。文中分析了欧亚大陆春季积雪和西北太平洋夏季海面温度影响中国降水的物理过程,指出欧亚大陆春季积雪能够在500 hPa激发出大气中的遥相关波列,所激发出的波列可以从春季一直持续到夏季,造成中国北方为高压控制,南方为微弱低压控制,使得降水出现在中国南方。西北太平洋夏季海面温度的升高能够减小海陆热力差异,使得夏季风减弱,导致中国南方地区降水增多。     

ENSO与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化

利用热带太平洋海表温度和中国降水和气温站点观测资料,通过滑动相关分析,揭示了ENSO与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化事实。结果表明:ENSO与中国夏季年际气候异常的关系既有稳定的方面,又存在年代际变化特征。稳定的关系表现在:处于发展阶段的ENSO事件往往造成华北夏季降水偏少;处于衰减阶段的ENSO事件则易引起长江流域及江南地区夏季降水偏多。而二者关系的年代际变化表现在:1970年代中后期,处于发展阶段的ENSO事件引起的夏季降水异常在华南地区由偏少变为偏多,东北地区则由偏多变为偏少,而江淮地区偏多的现象不再明显,华北和东北夏季气温异常也由偏冷转变为偏暖,而华南则有偏冷趋势;处于衰减阶段的ENSO事件引起的夏季降水异常在华北地区由偏多变为偏少,江淮地区降水由偏少变为正常甚至偏多,华北夏季气温异常则由偏冷变为偏暖,长江流域和华南也有偏暖趋势。利用NCEP/NCAR再分析资料合成分析表明,在不同的年代际背景下ENSO引起的东亚中高纬度大气环流异常型发生了明显改变是ENSO和降水气温关系发生年代际变化的原因。