冬季和春季印度洋海温异常年际变率模态对中国东部夏季降水的可能影响过程

印度洋热力状况是影响全球气候变化和亚洲季风变异的一个重要的因素,但以往研究更多关注热带印度洋海温的变化,对南印度洋中高纬地区海温变化关注不够,由此限制了我们对印度洋的全面认识.本文研究了年际尺度上整个印度洋海温异常主导模态的特征及其对我国东部地区夏季降水的可能影响过程,以期望为气候变异研究及预测提供理论依据.研究结果表明:全印度洋海温异常年际变率的主导模态特征是在南印度洋副热带地区海温异常呈现西南—东北反向变化的偶极子模态,西极子位于马达加斯加以东南洋面,东极子位于澳大利亚以西洋面;同时,热带印度洋海温异常与东极子一致.当西极子为正的海温异常,东极子、热带印度洋为负异常时定义为正的印度洋海温异常年际变率模态;反之,则为负的印度洋海温异常年际变率模态.从冬至春,印度洋海温异常年际变率模态具有较好的季节持续性;与我国长江中游地区夏季降水显著负相关,而与我国华南地区夏季降水显著正相关.其可能的影响过程为:对于正的冬、春季印度洋海温异常年际变率模态事件,印度洋地区异常纬向风的经向大气遥相关使得热带印度洋盛行西风异常,导致春、夏季海洋性大陆对流减弱,使夏季西太平洋副热带高压强度偏弱、位置偏东偏北,造成华南地区夏季降水增多,长江中游地区降水减少;反之亦然.同时,印度洋海温异常年际变率模态可通过改变印度洋和孟加拉湾向长江中游地区的水汽输送而影响其夏季降水.     

印度洋海温异常年际变率模态对中国东部地区夏季降水影响机制的数值试验

利用ECHAM5全球大气环流模式研究了印度洋海温异常年际变率模态从冬至夏的演变对我国东部地区夏季降水影响的机制。观测资料研究表明:对于正的印度洋海温异常年际变率模态,春、夏季热带印度洋和澳大利亚以西洋面(东极子)均为水汽的异常源区,向马达加斯加以东南洋面(西极子)及印度洋邻近大陆提供水汽。夏季,印度洋地区南极涛动、马斯克林高压加强;而印度季风低压和南亚高压均减弱,对应于印度夏季风减弱。夏季印度洋地区正压性的纬向风异常经向遥相关使热带印度洋地区出现西风异常,导致海洋性大陆地区对流活动减弱,而菲律宾海地区对流活动加强,进而导致西太平洋副热带高压偏弱、位置偏东北。对于负的印度洋海温异常年际变率模态,则反之。模式结果基本支持了已有的观测资料诊断结果。     

四川盆地夏季降水年际变化的主模态分析

利用1979～2018年四川盆地134站夏季降水观测资料、ERA-Interim再分析资料以及英国气象局哈德莱中心的海表温度及海冰资料,对比分析了四川盆地夏季降水异常主模态及其同期大气环流和前期海温海冰演变特征的差异,以探讨其形成机制及前期预测信号。结果表明:四川盆地夏季降水存在两类优势空间模态:全区一致型和东西反相型,在20世纪80年代多出现东西反相型,90年代到21世纪初以一致型为主,进入21世纪10年代后又多表现为东西反相型。不同模态所对应的大气环流和海温海冰的演变具有明显差异,全区一致型降水分布受低纬系统影响显著,在500 hPa高度场上主要表现为西太平洋副热带高压的位置及强度异常;850 hPa风场为辐合或辐散特征,受到来自孟加拉湾、南海、西太平洋三条水汽通道的共同影响,其中与南海水汽通道的相关性最高,一致型降水多/少年水汽在盆地区域南北边界为同收/同支;环流可能受到前期ENSO事件衰减的显著影响。东西反相型降水分布受中高纬环流的影响较大,在500 hPa高度场上的特征类似于极地欧亚型（POL）遥相关;水汽在区域南北边界为一收一支,西多东少型为南收北支,而西少东多型为北收南支,与西太平洋水汽通道关系显著;环流可能受到前期北极海冰异常的影响。     

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。     

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。     

热带海温影响我国南方冬季降水年际变化的年代际差异及其成因

利用中国740个站逐月降水资料、NOAA月平均海表温度资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用统计学方法分析了近50 a(1961/1962至2010/2011年冬季)海温异常对我国南方冬季降水年际变化影响的年代际差异及其成因。结果表明:(1)中国冬季降水大致位于长江以南的我国南方地区,降水年际变化较强。1987年后,在El Niňo年中国南方冬季降水偏多。(2)中国南方冬季降水与赤道中东太平洋海温异常以及海洋性大陆西部海温异常密切相关。但相关性存在年代际差异:1987年之前,主要与海洋性大陆西部海温异常相关;1987年之后,主要与赤道中东太平洋海温异常密切相关,海洋性大陆西部海温异常次之。(3)1987年之前,海洋性大陆西部海温通过影响东亚环流形势和水汽条件影响我国南方降水;在1988年之后,海洋性大陆的影响趋于减弱,而赤道中东太平洋海温异常通过改变水汽条件影响我国南方冬季降水强度。     

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。     

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。     

气候变暖背景下全球海温对中国东部夏季降水年代际转折的影响

针对1970年代末及1990年代初中国东部夏季降水（ECP）的年代际变化格局,采用EOF分解、相关分析、回归分析等统计方法诊断了全球海表面温度对ECP年代际变化前两个模态（EOF1、EOF2）的影响。发现大西洋多年代际振荡（AMO）序列,印度洋偶极子（DMI）序列,太平洋年代际振荡（PDO）序列与ECP前两个模态时间系数（PC1、PC2）相关性较好,结合各海温指数的年代际变化特征,发现ECP在1970年代末受PDO及DMI的影响在低纬及中纬度地区分别呈现EOF1、EOF2的正位相分布特征;而在1990年代初受AMO及PDO的影响主要呈现EOF1的特征。由各海温指数及PC1、PC2重建的ECP分布特征可知,AMO及DMI与PC1重建的ECP型相近,对ECP的影响范围集中在低纬地区。除去变暖影响的DMI及PC1回归的高度场中发现一个源起大西洋的波列,黄河以北为异常反气旋中心,以南为异常气旋中心,低层南风异常,水汽被输送到北方,导致中国北方降水增加,南方降水减少。PDO与PC2重建的ECP型相近,对ECP的影响集中在中纬度地区。二者回归得到中国东部低层北风异常,水汽在长江流域辐合,长江流域降水增加。      

北半球夏季海洋性大陆区域降水与南方涛动联系的年代际变化

利用1960—2016年夏季美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的月平均降水资料、南方涛动指数SOI以及Niňo3指数资料、NCEP/NCAR再分析资料以及英国哈德莱中心海表温度资料,通过相关分析和回归分析,研究了北半球夏季海洋性大陆区域(Maritime Continent,MC)降水与ENSO联系的年代际变化特征。结果表明:MC地区夏季平均降水与SOI指数的相关自1998年后明显减弱。造成这种现象的原因是:南方涛动指数SOI与海温相关系数在太平洋中部为负的大值中心,且1998年之后海温异常呈中部型。这种SSTA强迫造成1998年后大气视热源异常亦偏于赤道太平洋中部,这有利于通过Gill型响应,使菲律宾以东的对流层低层存在明显的反气旋性环流,辐散增强,从而造成赤道以北降水显著减少,抵消了MC区域内南部地区降水的增加,破坏了原有的SOI为正(负)时MC地区平均降水异常增加(减少)的关系。     

华北盛夏降水年代际变化与南半球环流异常的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和中国160个台站降水资料,分析了华北盛夏降水与南半球马斯克林高压、澳大利亚高压的年际关系。结果表明,华北盛夏降水和马高、澳高在年际变化尺度上都有着显著的负相关关系,且这种关系存在年代际变化,并重点分析了与华北盛夏降水年代际变化相对应的南半球环流异常型的特征。     

南海夏季风对华南夏季降水年代际变化的影响

华南夏季降水和南海夏季风都具有准两年的变化特征。研究表明：20世纪70年代以后，华南夏季降水年代际变化主要表现在准两年尺度平均方差的变化上，当准两年方差大时，相应的华南夏季降水多，反之亦然。但是在1976年以前南海夏季风对华南夏季降水的影响并不大，这似乎与两者准两年变化关系的年代际变化有关。南海夏季风和华南夏季降水的准两年变化在1953-1976年是弱的反位相变化关系，相反地，这一时段它们的非准两年变化成分有很强的正相关；在1977-2000年这一阶段，南海夏季风和华南夏季降水的准两年变化具有很强的正相关，但是它们的非准两年变化成分的相关性则很差。分析结果还表明，20世纪70年代大气环流的年代际变异使得华南夏季降水准两年变化在最近20多年成为其年际时间演变的主导成分。     

Interdecadal Change in the Interannual Variability of South China Sea Summer Monsoon Intensity

The interdecadal change in the interannual variability of the South China Sea summer monsoon(SCSSM) intensity and its mechanism are investigated in this study. The interannual variability of the low-level circulation of the SCSSM has experienced a significant interdecadal enhancement around the end of the 1980s, which may be attributed to the interdecadal changes in the evolution of the tropical Indo-Pacific sea surface temperature(SST) anomalies and their impacts on the SCSSM. From 1961 to 1989...     

中国夏季降水异常EOF模态的时间稳定性分析

本文基于1980~2012年中国160个台站降水资料,利用滑动交叉检验等方法讨论了中国夏季降水距平和距平百分率EOF各模态的时间稳定性,在此基础上探讨了EOF方法在中国夏季降水短期气候预测中的应用条件和潜在能力。研究表明,随机剔除一年样本,中国夏季降水距平场前四个EOF模态表现出显著的稳定性。若时间系数完全预测准确,则潜在的可预测站点主要位于黄河以南地区,理想预测与原始降水的距平相关系数为0.6左右。相对而言,降水距平百分率各模态的时间稳定性易受极端降水事件的影响,当人为削弱这种影响后,随机剔除一年样本,其前三个模态的稳定性得到提高,潜在的可预测站点均匀分布,理想预测与原始降水的距平相关系数为0.48。但是,伴随着预报时效的增加,降水距平和距平百分率后三个EOF模态的时间稳定性下降,预示着EOF方法对未来两年以上降水的预测能力将会明显下降。     

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。     

不同年代际背景下南半球环流变化对中国夏季降水的影响

利用1951～2008年NCEP再分析资料和中国夏季降水观测资料,分析了南半球环流的年代际变化特征以及在不同年代际背景下南极涛动(AAO)对中国东部夏季降水的影响.结果表明,20世纪70年代末,南半球环流发生了年代际变化,东南太平洋和南大西洋副高减弱,而马斯克林高压(南印度洋副高)增强,绕南极低压带加深.在此背景下,AAO由负位相转变为正位相,对中国夏季降水的影响也随之发生改变.在春季AAO偏强的情况下,1976年之前,长江以南地区和华北地区降水偏多,江淮流域降水偏少;而在1976年之后,从华南沿海一直到江淮流域降水都偏多,华北到东北地区降水偏少.这说明AAO对中国夏季降水的影响与年代际背景有关,1976年之后,AAO对中国夏季降水的影响增强,影响范围更加偏北.在当前海温预报因子作用减弱的情况下,AAO有可能成为中国夏季降水预测的一个重要预报因子.     

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”。     

南海夏季风爆发与热带太平洋两类海温型关系的年代际差异

南海夏季风爆发日期在1993/1994年出现年代际偏早的转变,利用海温和再分析资料的研究证实西北太平洋增暖和两类海温型的年代际差异可能是导致此种变化的重要成因。进一步的研究揭示出在南海夏季风爆发出现年代际变化的背景下,南海夏季风爆发日期与太平洋海温的关系也出现明显的变化:1993/1994年之前的第一年代东太平洋(EP)型海温异常起主导作用,而1993/1994年之后的第二年代两类海温型均影响了季风爆发,但以中太平洋(CP)型海温异常为主。第一年代,东太平洋型增温(EPW)通过抑制西北太平洋-孟加拉湾的对流活动,在菲律宾海、孟加拉湾西部激发出两个距平反气旋,使越赤道气流建立偏晚、孟加拉湾低槽填塞、西北太平洋副热带高压增强,进而导致南海夏季风爆发偏晚,且其影响可从4月维持到5月;而中太平洋型增温(CPW)对季风爆发前期的流场无显著影响。第二年代,CPW通过抑制菲律宾-孟加拉湾东部的对流活动,在菲律宾-孟加拉湾激发出一个距平反气旋,使孟加拉湾低槽填塞、南海地区副高增强,进而阻碍季风爆发,且显著影响仅出现在4月;EPW对4月大气环流场的影响与第一年代较为接近,在菲律宾-孟加拉湾一带产生的风场、对流场异常稍弱于CPW,但其影响无法持续到5月。     

欧亚大陆冬季地表温度南北反相变化的年代际特征及机理

对欧亚大陆冬季地表温度南北反相的时空分布特征及机理的分析结果表明,欧亚大陆冬季地表温度约以55°N为界存在南北反相变化特征。1961~2015年欧亚大陆冬季地表温度变化具有显著的年际和年代际变化特征;年代际尺度上,北半球行星波"冬三"分布型变化与欧亚大陆地表温度南北反相变化密切联系。冬季欧亚地表温度南北反相变化存在明显的季节内转变。滤除年代际信号和全球变暖趋势后,欧亚大陆冬季地表温度与秋季北极海冰面积之间存在显著相关;北极海冰面积减小是欧亚、尤其中亚地区冬季地表温度降低的主要外强迫因素之一;同期北大西洋"三极子"和欧亚大陆冬季地表温度南北反相变化在年际尺度上存在显著相关。