前期热带太平洋次表层海温异常与东亚夏季风的可能联系

利用1979—2012年日本气象厅次表层海温资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了前期冬季热带太平洋次表层海温与东亚夏季风的关系,并讨论了其可能机制。结果表明,前期冬季热带太平洋次表层海温与后期东亚夏季风强弱有显著的相关关系。冬季次表层海温呈现东正西负的类El Nio分布型时,夏季副热带高压偏强,西北太平洋地区受反气旋型环流控制,能将大量的水汽输送到长江和淮河流域,有利于水汽在该区域辐合,为夏季降水偏多创造了条件,此时东亚夏季风活动整体偏弱,反之亦然。但类El Nio分布型对东亚夏季气候变化的影响较类La Nia分布型更显著。此外,冬季热带太平洋次表层海温可能通过其自身能够持续性地影响东亚—太平洋地区的大气环流异常,次表层海温随季节变化有明显的发展和移动趋势:冬季西太平洋暖池次表层冷(暖)海温不断堆积,沿温跃层向东传播使得中东太平洋次表层海温逐渐变冷(暖),冷(暖)海温上翻加强使得海表温度异常,进一步影响到西太平洋副热带高压的位置和强度,并在东亚地区形成经向遥相关波列,通过西北太平洋地区异常反气旋(气旋)环流的作用,影响东亚地区大气环流以及气候变化。     

太阳活动11年周期对东亚冬季风与随后东亚夏季风关系的影响及其过程

利用长时间再分析资料和台站观测资料以及反映太阳周期活动的太阳黑子数资料,研究了太阳活动11年周期对东亚冬季风与随后夏季风关系的影响和过程。结果表明,弱(强)的东亚冬季风后的次年春、夏季在西北太平洋上空往往出现反气旋(气旋)式环流异常。通过将东亚冬季风指数分解为与ENSO有关的部分以及与ENSO无关的部分,进一步证实东亚冬、夏季风之间的联系主要来自于与ENSO有关的东亚冬季风异常。在此基础上着重分析了太阳活动对东亚冬、夏季风关系的影响和过程。研究表明,太阳活动显著影响了东亚冬季风与ENSO的关系,在太阳活动偏低年ENSO与东亚冬季风的关系更为密切。并且,对应与ENSO有关的东亚冬季风异常,当太阳活动偏低(LS)时西北太平洋附近的异常反气旋明显增强,范围扩大,其西北侧的西南气流强度偏强并向北延伸,从而使春季多雨地区绵延到内蒙古乃至西北地区;而夏季降水主要集中在长江流域中游,表明是一个强的夏季风年。然而,在太阳活动偏高(HS)年的次年春、夏季,不论是环流异常还是降水场的异常都明显偏弱。这说明东亚冬季风与随后夏季风的关系在LS年要比HS年更紧密。对海温异常的分析则进一步表明,LS(HS)年从冬季至夏季与ENSO有关的东亚冬季风异常相联系的印度洋及热带西太平洋海温正相关范围明显偏大(小);而赤道东太平洋的显著正海温异常衰减迅速(缓慢)。上述海温异常的差异是西北太平洋反气旋能否从冬季持续到夏季的重要原因,并可以很好地解释太阳活动对东亚冬、夏季风关系的影响。     

东亚冬季风与冬季黑潮海温异常的关系

利用统计分析方法，分析了冬季黑潮区域海表温度异常与东亚冬季风的相关关系．及其可能的机制。结果表明：东亚冬季风异常与冬季黑潮区域海温异常有密切的联系。当东亚冬季风偏强时，冬季黑潮区域海温偏低；反之，当东亚冬季风偏弱时，冬季黑潮区域海温则偏高。其过程可能是东亚冬季风异常偏强（弱）造成了黑潮区域1000hPa气温的明显下降（上升）。而由于黑潮区域海温的变化相对较小．使得黑潮区域的海气温差也发生了显著地增大（减小），从而使得该区域的海洋热通量也相应地增多（减少）。这种海洋热通量释放的增多（减少），造成该区域的海温下降（上升）。     

前期热带海温分布型对6月西北太平洋异常反气旋环流的影响

研究了前期热带海温分布型对6月西北太平洋异常环流的影响。结果表明,奇异值分解(SVD)的前期夏季、秋季至冬季热带海洋第一模态呈现出印度洋全海盆一致型海温异常和东太平洋西伸显著的ENSO事件,该模态与6月西北太平洋反气旋(气旋)环流场没有明显的关联。在第二模态中,前期热带太平洋海表温度呈现为ENSO正位相向负位相转换特征,印度洋海表温度变化呈现出赤道东南印度洋（90～110 °E,10 °S～0 °）显著的准IOD事件的变化特征。而这一联合模态与6月西北太平洋异常反气旋(气旋)环流场有显著关联。关联的可能原因是前期海温为El Ni?o和正IOD时,横跨热带印度洋-太平洋的沃克环流的减弱导致在西太平洋-海洋大陆的负降水异常,在Matsuno-Gill效应下西北太平洋形成反气旋异常环流。同时由于两大洋的共同作用和局地海气相互作用使得该环流加强并维持到6月。      

Nino C区秋季海温异常对东亚冬季大气环流的影响

研究了秋季赤道中东太平洋（Nino C区:0～10°S,180～90°W）的SST异常对东亚冬季大气环流的可能影响。在揭示二者联系的基础上,通过分析海温异常所引起的500hPa高度、经向风及纬向风的异常特征,探讨了秋季海温异常影响东亚冬季大气环流的可能途径。研究发现,Nino C区秋季SST异常,能够对东亚及西太平洋地区的大气环流及风场产生显著影响,进而影响东亚冬季风活动:秋季SST正（负）异常,引起西太平洋地区出现类似负（正）WP遥相关型的环流异常,中纬度纬向西风加强（减弱）,东亚及沿海地区出现异常南（北）风分量,经向风减弱（加强）,最终导致偏弱（强）的东亚冬季风活动。这是海温异常影响东亚冬季大气环流的一种可能途径。     

2019年4～6月云南持续性高温天气的大气环流异常成因

2019年4～6月云南省发生了历史罕见的持续性极端高温天气,并引发了严重气象干旱。本文利用1961～2019年逐日温度和大气再分析等资料以及CESM-LE计划（Community Earth System Model Large Ensemble Project）模式模拟结果,分析了历史同期云南极端高温天气发生的环流特征,探讨了2019年云南破纪录持续性高温的成因。历史极端高温日的合成分析表明,云南地区对流层上层显著异常反气旋伴随的强下沉异常和到达地表太阳辐射增加,是引发该区域极端高温天气的主要成因。该异常反气旋的形成主要源自北大西洋经东欧平原、西西伯利亚平原向东亚传播的高纬度罗斯贝波和经北非、黑海、伊朗高原向东亚传播的中纬度罗斯贝波之间的相互作用。2019年极端高温的强度和与之相应异常反气旋出现自1961年以来的最强。外强迫导致的增暖对2019年极端暖异常强度的贡献约为37.51%,同时对类似2019年以及更强极端暖事件发生概率的贡献为56.32%,内部变率对该事件也具有重要贡献。2019年4～6月北极涛动（Arctic Oscillation,AO）和ENSO事件分别处于历史极端负位相和暖位相。一方面,在AO强负位相影响下,极地上空深厚的位势高度正异常向南伸至东欧平原,有利于高纬度波列和云南上空的反气旋异常增强。另一方面,ENSO事件暖位相加强了西北太平洋异常反气旋环流,令西北太平洋副热带高压增强西伸至我国内陆地区,维持了云南上空反气旋异常。两者的共同作用,造成了2019年4～6月云南上空持续的深厚异常反气旋,云南地区继而出现持续性极端高温事件。     

西北太平洋低空环流与海温异常关系的季节性差异

通过资料分析与数值模拟研究了西北太平洋低空环流特征及其与海面温度（SST）异常关系的季节性差异,得到如下结论：1）西北太平洋低空环流的空间尺度和位置在春季和夏季存在明显差异,从春季到夏季,异常环流范围缩小且中心位置向西北偏移;2）西北太平洋低空环流与西北太平洋局地海温的相互作用存在季节差异,春季西北太平洋冷海温与上空反气旋异常之间存在相互作用,而夏季则以大气影响海洋为主,异常的反气旋/气旋可以加热/冷却其下垫面的海温,大气超前3～4 d影响海洋;3）夏季异常反气旋环流（WNPAC）的维持主要来自非局地海温异常（北印度洋暖海温与中太平洋冷海温异常）的强迫,这两个海区对WNPAC的影响也存在季节性差异,北印度洋的影响主要体现在晚春至盛夏,而中太平洋则主要在晚夏发挥作用。     

2018/2019年冬季北半球大气环流特征及对我国冬季气温异常的影响

2018/2019年冬季,东亚冬季风较常年同期偏强,西伯利亚高压偏强。在北半球500 hPa高度距平场上,乌拉尔山地区为高度场正异常,贝加尔湖 巴尔喀什湖地区为高度场负异常,欧亚中高纬整体以经向型环流为主。冬季冷空气活动较频繁且强度偏强,受其影响,除东北地区、西南地区及华南地区中东部等地气温较常年同期偏高外,全国其余地区气温偏低。此外,欧亚中高纬环流季节内调整明显,导致我国气温异常表现出明显的阶段性特征。前期秋季巴伦支海 喀拉海海冰密集度偏低是造成东亚冬季风偏强的重要原因。     

2020年与1998年梅汛期洪涝的异常大气环流及相关海表温度强迫的差异性分析北大核心

2020年梅汛期长江流域强降雨范围超越1998年,且雨量中心偏北,这与两年的异常大气环流和海表温度强迫差异有密切联系。与1998年相比,2020年西北太平洋异常反气旋(WNPAC)偏北偏强,中心偏东,东亚双阻形势偏弱,使得副高北抬加强,北侧的西南气流亦偏北偏强,中高纬反气旋和气旋对的存在使得30°N以北为异常东北风控制,冷空气偏强,长江流域上空的水汽含量亦偏多,这些环流差异直接导致2020年降水较1998年偏多且中心偏北。这两年在对流层中层都存在大西洋—西太平洋的波列,但2020年波列偏南,有利于东亚反气旋和气旋对的维持以及WNPAC和副高的北抬加强,而1998年波列偏北且偏强,有利于双阻形势的稳定。2019/2020年(1997/1998年)冬季发生中部型(东部型)El Ni?o事件,前者强迫的6—7月WNPAC北界位置较后者偏北;同时2019/2020年印度洋—太平洋中部一致增暖,使得WNPAC加强,中心东移。2020年(1998年)同期处在北大西洋强(弱)负三极子模态,可能是两年中高纬度环流形势差异的主要原因之一。2020年(1998年)南太平洋中部暖海温异常(冷异常)能加强(减弱)越赤道气流,有利于WNPAC偏东偏北(偏西偏南)和水汽输送加强(减弱)。综上,2020年与1998年梅汛期降水差异可能由多洋盆海温强迫协同作用所致。     

冬季风异常对西北太平洋海温影响的区域性特征

分析东亚冬季风异常对西北太平洋海温的影响,结果表明其影响存在显著的区域性特征.冬季风强(弱)年,黑潮流域及我国近海区出现明显的降温(升温),而太平洋暖池区北部和亲潮区海温出现一定的上升(下降)趋势.进一步的物理机制分析和数值模式的结果表明,东亚冬季风对影响西北太平洋海温变化的热力因子与动力因子都有十分显著的影响,区域性特征的成因主要是各海区的大气和海洋对冬季风异常的响应方式存在差异.     

2018年1月南方雨雪天气的形成及其与冬季风异常的关系

2018年1月3～7日和24～28日,我国南方地区出现了两次雨雪冰冻事件。本文利用台站观测资料和再分析资料,研究了它们的形成原因及其与冬季风异常的关系。结果表明,两次降水过程中,乌拉尔山地区有高压脊稳定维持,西风带多小波动活动,南支扰动活跃。受冷空气和南支槽等系统的影响,南方地区出现大范围降水、降雪,而这种稳定形势与平流层的环流特征有关系。1月平均的平流层极涡强度异常偏强,有利于低层环流的稳定。在1月份,南北不同纬带冬季风的强度有着显著的差别,大多数情况下呈现了不一致甚至相反的态势。南方雨雪冰冻天气往往发生在北方北风偏强、而南方南风偏强的时候。在季节尺度上,当冬季风呈现“北强南弱”的反相变化模态时,即北方北风、南方南风距平时,南方地区容易出现雨雪天气。     

2017-2018年冬季黑龙江省气温异常成因分析

2017-2018年冬季全省平均气温为-19.7℃,较历年同期偏低2.2℃,为1981年以来的第3位,仅次于2000年和2012年。本文利用NCEP再分析资料,对2017-2018年黑龙江省冬季气温异常成因进行分析,结果表明大气环流的异常是造成黑龙江省冬季气温异常偏低的直接原因。东亚季风环流系统表现为:东亚冬季风强度偏强,西伯利亚高压偏强,500hPa东亚大槽异常偏深。分析下垫面外强迫因素,2017-2018年赤道中东太平洋出现拉尼娜事件,分析显示拉尼娜事件发生可能导致冬季风偏强,从而也是造成全省气温偏低的主要原因之一。     

冬季北太平洋涛动异常与东亚冬季风和我国天气气候的关系

用1948-2000年的北半球海平面气压场月平均资料，计算了北太平洋涛动指数和东亚冬季风指数，并研究了北太平洋涛动与东亚冬季风及我国冬季天气气候的关系。研究表明，北太平洋涛动异常变化与我国冬季天气、气候关系密切。强涛动年，东亚冬季风偏弱，我国气温普遍偏高，长江中下游地区降水偏少，而华南降水偏多；而弱涛动指数年，东亚冬季风偏强，我国气温普遍偏低，降水偏少。此外，还指出，强(弱)INPO年大气环流具有弱(强)WP型和强(弱)EU遥相关型。     

我国冬季气温的年际变化及其与大气环流和海温异常的关系

利用我国160个台站49个冬季（1951/1952～1999/2000年）的气温资料和NCEP/NCAR再分析资料,通过波谱分析的方法提取变量的年际变化分量（周期小于8年部分）进行分析,结果发现：在年际变化的时间尺度上,我国冬季气温表现为全国一致变化型（EOF1）和南北反相变化型（EOF2）两个主要模态,并可以解释总方差60％以上的变化。进一步分析表明,在年际变化尺度上,与气温全国一致变化型相联系的大气环流表现出海陆气压差的改变以及与此相关的东亚大槽强度的变化和东亚高空急流位置的南北移动;赤道中东太平洋的异常海温对这一模态的出现有一定的预示意义,而中国近海的海温则更多的是被动地随气温改变。与南北反相变化型相联系的大气环流表现出显著的北极涛动特征,这一模态的出现会使得次年春季的西北太平洋海温呈现以30°N为界南北反相变化的形态;而北太平洋的海温异常可能对这一模态的形成有一定的作用。这两个模态的空间分布虽然与年代际尺度上的分布非常相似,但它们的相对强弱和对应的环流却有很大的差异。分析显示,全国一致变化型可能更多地表现出年代际变化的特征,而南北反相变化型更多地表现出年际变化的特征;结果还表明,我国冬季气温的变化在不同的时间尺度上是受不同因子影响的。因此,在研究我国冬季气温变化时,将不同的时间尺度分开考虑是十分必要的。     

南海夏季风爆发与前期东亚冬季风异常的关系以及ENSO的作用

基于ERA-interim再分析资料采用相关分析研究了东亚冬季风和南海夏季风爆发的关系,并探讨了ENSO在其中的作用。结果表明,弱冬季风之后的南海地区5月有异常东风、降水偏少,对应于夏季风爆发偏晚;强冬季风之后则相反;但上述关系并不十分显著。进一步利用线性回归将东亚冬季风分为与ENSO有关和无关的部分,对于与ENSO有关的冬季风,上述冬季风-夏季风爆发的关系的显著性有明显提高;但与ENSO无关的冬季风和夏季风爆发并无显著联系。这说明冬季风-南海夏季风爆发的关系主要是由与ENSO有关的冬季风造成的。这一关系可以用ENSO激发的菲律宾异常反气旋或气旋来解释,以弱冬季风之后夏季风爆发偏晚为例:El Ni?o事件一方面激发出菲律宾异常反气旋,使得冬季风偏弱;另一方面又引起热带印度洋增暖,由于局地海气相互作用正反馈和印度洋电容器效应,菲律宾异常反气旋得以维持到晚春。该异常反气旋及其南侧的异常东风不利于南海夏季风的爆发,从而导致夏季风爆发偏晚。     

ENSO冷暖位相影响东亚冬季风与东亚夏季风联系的非对称性

东亚冬季风（East Asian Winter Monsoon,简称EAWM）和东亚夏季风（East Asian Summer Monsoon,简称EASM）作为东亚季风系统的两个组成部分,他们之间存在显著的转换关系。前人的研究表明EAWM与次年EASM的转换关系只有在ENSO事件发生时才显著,然而这些研究都是基于ENSO对大气环流的影响是对称的这一假设下进行的。本文的研究表明EAWM和次年EASM的转换关系在ENSO冷暖事件中存在着明显的不对称性。通过将EAWM分为与ENSO有关的部分（EAWM_EN）和与ENSO无关的部分（EAWM_RES）,我们发现在强EAWM_EN年（即La Ni?a年）,在西北太平洋会存在一个从冬季维持到次年夏季的气旋性环流异常（the anomalous western North Pacific Cyclone,WNPC）,从而造成EASM偏弱;而在弱EAWM_EN年（即El Ni?o年时）,在西北太平洋会存在一个从冬季维持到次年夏季的反气旋性环流异常（the anomalous western North Pacific anticyclone,WNPAC）,从而引起次年EASM偏强。比较而言,WNPAC的位置比WNPC的位置偏南,且强度更强,因而在El Ni?o年能够引起次年EASM更大幅度的增强。造成这一不对称联系的主要原因是热带太平洋和印度洋异常海温的演变差异。在强EAWM_EN年,热带太平洋的负海温异常衰减地较慢,使得在次年夏季仍然维持着显著的负异常海温;相反,在弱EAWM_EN年,热带太平洋的正海温异常衰减地较快,以至于在次年夏季的异常海温信号已经基本消失,但此时印度洋却有着显著的暖海温异常。海温演变的差异进一步造成了大气环流的差异,从而导致EAWM与次年EASM联系的不对称性。     

2016/2017年冬季北半球大气环流及对我国冬季气温的影响

2016/2017年冬季(2016年12月至2017年2月),东亚冬季风强度较常年同期异常偏弱,西伯利亚高压偏弱。北极涛动(AO)在冬季以正位相为主。冬季北半球500 hPa高度距平场上,亚洲中高纬地区以纬向环流为主,我国为异常正高度距平控制。受其影响,我国各地气温普遍较常年同期偏高,全国平均气温为-1.5℃,较常年同期(-3.4℃)偏高1.9℃,为1961年以来最暖的冬季。季内各月冬季风指数和西伯利亚高压均偏弱,相应我国气温各月均偏高。冬季风的异常偏弱与夏季北极地区大气环流异常状态有关。2016年夏季北极大气环流的热力和动力状态影响了秋季北极海冰偏少的滞后影响效果,不利于冬季风的偏强。     

冬夏东亚季风环流对太平洋热状况的响应

冬夏隔季韵律关系一直是我国长期天气预报和短期气候预测的一个重要依据,然而迄今为止对它们之间的物理过程及成因机理并不十分清楚。利用NCEP/NCAR全球2.5°×2.5°网格月平均再分析资料,研究1951~2000年冬夏东亚季风环流异常变化与太平洋海面温度(SST)的关系及对关键海温区响应机理。研究指出:冬夏东亚季风环流隔季韵律关系及其年际变化与赤道东太平洋海面温度异常(SSTA)变化密切相关,冬季赤道东太平洋出现La Ni~na(El Ni~no)型的SST分布,有利冬、夏东亚季风环流加强(减弱),其影响过程通过赤道Walker环流强(弱)以及东亚地区Hadley环流强(弱)过程完成。冬季赤道东太平洋海温变化是冬、夏东亚环流季节以及年际变化的一个重要外强迫因子。