中国水汽输送年际和年代际变化研究进展

大气中的水汽输送对于全球的水分循环、气候系统、生态环境等具有重要意义。水汽输送是影响中国旱涝空间分布的重要因素，其年际和年代际变化与厄尔尼诺-南方涛动、海温、北大西洋涛动、太平洋年代际涛动等因素对东亚大气环流的调控作用有关。本文就近期关于中国地区水汽输送年际和年代际变化的部分研究工作进行了回顾和评述，包括影响中国东部降水年际和年代际变化的水汽输送机制、影响梅雨特征年代际变化的水汽输送机制、热带海温对中国上空水汽输送的影响机制等问题。此外，本文回顾了近期与青藏高原地区水汽输送机制有关的研究进展。     

南海上层海洋热力结构年际和年代际变化的研究

上层海洋热力结构变化规律的研究是南海海洋热力学研究的主要内容 ;气候变化是当前大气科学的前沿研究课题 ,ENSO和季风又是其研究的热点之一。南海是世界最大的海洋热库 (该热库的海表年平均温度 2 8℃线从热带西太平洋经南海延伸至印度洋东北部 ,对南海季风有重要影响 )的重要组成部分 ,开展这方面的研究不仅对海洋环境预测 ,而且对灾害气候的形成和预测研究都有重要意义。70年代后期中国科学院南海海洋研究所有关研究人员开始从事南海海—气相互作用与气候变化的研究 ,主要分析研究了南海垂直热结构、次表层及表层温度的时空分布和演变…     

中国上空的涡动水汽输送

利用1983年国内外149个探空站全年资料,系统地研究了中国大陆上空的涡动水汽输送,包括涡动水汽输送的路径、收支量及其时空分布特点。研究表明,我国夏半年是涡动水汽源地,冬半年是汇地;涡动水汽以春、秋的4、10月最强,30°～40°N间最为活跃;涡动水汽净输送量在华北、西北、东北均超过总输送净量的50%;涡动水汽的经向性十分明显,经由长江流域北界输入北方的涡动水汽量占总输送量的91%强,表明它是把湿润地区暖湿水汽输向干旱、半干旱地区的主要机制,这不仅对北方大气湿度的维持,而且对其降水都有着特殊的贡献。     

石笋记录年际、年代际极端天气/气候事件研究进展

近年来随着极端天气/气候事件的频发,应对极端天气/气候事件的要求极其紧迫。目前气象资料对极端天气/气候事件的研究相对较短,由此作者提出利用石笋记录重建历史年际、年代际极端天气/气候事件的构想。通过对目前已有的石笋极端天气/气候事件研究实例分析总结,认为洞穴石笋沉积速率相对较快,石笋中标志性结构构造特征的存在,有利于石笋记录到极端天气/气候事件。同时就目前的研究现状,作者提出建立准确年代标尺、选择生长速率相对较快和存在标志性结构构造特征、能记录到极端气候的石笋,以及提高采样分辨率和与其他记录相互验证等作为石笋极端气候研究的工作要求,同时就文石笋研究极端天气/气候事件提出文石笋可能更加容易记录到极端天气/气候事件的个人新认识。     

石笋记录年际、年代际极端天气/气候事件研究进展

近年来随着极端天气/气候事件的频发,应对极端天气/气候事件的要求极其紧迫。目前气象资料对极端天气/气候事件的研究相对较短,由此作者提出利用石笋记录重建历史年际、年代际极端天气/气候事件的构想。通过对目前已有的石笋极端天气/气候事件研究实例分析总结,认为洞穴石笋沉积速率相对较快,石笋中标志性结构构造特征的存在,有利于石笋记录到极端天气/气候事件。同时就目前的研究现状,作者提出建立准确年代标尺、选择生长速率相对较快和存在标志性结构构造特征、能记录到极端气候的石笋,以及提高采样分辨率和与其他记录相互验证等作为石笋极端气候研究的工作要求,同时就文石笋研究极端天气/气候事件提出文石笋可能更加容易记录到极端天气/气候事件的个人新认识。     

三江平原1960-2004年农业气候环境年代际变化

为研究三江平原农业气候环境年代际变化,使用1960-2004年三江平原17个国家气象站和14个农垦气象站观测资料,分析了三江平原气候资源和气候灾害变化特征.结果表明:①≥10℃活动积温20世纪60年代、70年代偏少,夏季低温发生频繁.80年代以后热量资源增加,夏季低温出现次数减少.②作物生长季降水量在20世纪70年代、90年代后期以后偏少,干旱年份偏多;其他时段降雨以偏多年份居多,雨涝年份较多.③1960-2004年三江平原热量资源变化与西风带环流及人类活动关系密切;降水资源多少与西太平洋副热带高压强度有很好的关系,与纬向环流变化也有一定联系.     

中国西北地区水汽的平流输送和辐合输送

分析了中国西北地区上空的水汽汇聚过程———平流输送与辐合输送,为西北地区降水过程数值模拟的参数化提供依据.分析表明:中国西北大部分地区为负的水汽平流输送,从上风方向得到的水汽输入小于水汽输出,是水汽的净流失区;中国西北地区中部为大范围负的水汽辐合输送,当地的水汽由风场向外扩散,加剧了当地的水分流失,是水汽扩散区;在水汽净输送的年际变化中,中国西北地区小于华北地区,平流输送呈上升趋势,辐合输送下降,平流的相对贡献在增加;在与大气环流系统的关系中,中国西北地区水汽的平流输送主要受西风带影响,辐合输送与南亚夏季风有显著相关.变化趋势表明西风的作用在加强.     

祁连山地区大气水循环研究(Ⅰ):空中水汽输送年际变化分析

通过与探空站资料比较,在分析NCEP I、NCEP II和ECMWF再分析资料整层相对湿度变化趋势和显著性水平的基础上,应用NCEP I再分析资料和1960-2010年气象台站观测资料,研究了祁连山地区过去51 a来空中水汽输送变化特征,分析了水汽输送发生变化的原因,并探讨了该地区夏季降水与东亚季风、南亚季风、南海季风、西风带和副热带高压等季风指数之间的关系.结果表明:祁连山地区的空中整层水汽含量在1960年代下降趋势明显,之后近40多年基本保持稳定,总体表现为下降趋势.水汽净收支整体表现为明显的下降趋势,说明过境水汽留在祁连山地区的数量在减少.其中,经向水汽整体表现为北风输送,为"+"值,对水汽净收支的贡献为"正",呈下降趋势;纬向水汽整体表现为西风输送,为"-"值,说明对水汽净收支的贡献为"负",表现出的下降趋势说明纬向流失的水汽在减少.进一步分析显示,祁连山地区水汽净收支减少的直接原因是由风速减小导致流入本区域的水汽输送量减少引起的.地表到300 hPa平均风速显示,纬向风速率1990年代比1960年代减小了13.2%,经向风速率1990年代比1960年代减小了10.5%.夏季降水量与各季风指数的相关性表明,祁连山西部、中部和东部降水均未与各季风指数有较好的相关关系,该地区特殊的地形作用和环流条件及该研究关注的季节和时间尺度是产生这一结论的主要原因.     

长江流域旱涝典型年大气水汽输送

利用我国125个探空站一日两次自地面至100hpa共11个层次上的观测资料,对长江流域典型夏涝年(1980年)和夏旱年(1985年)我国大气中水汽总输送场、涡动输送场及散度场进行了计算分析。结果表明:当水汽总输送场从西北、西南和东南三支气流携带的水汽交汇于长江流域,且整个水汽输送场稳定持久,则在水汽辐合带附近导致大量降水,形成洪涝;反之,当三支气流微弱不稳定,不能形成水汽辐合带条件,则形成干旱。涡动输送亦反映出类似的特征。稳定且强盛的西南气流水汽输送是形成降水的主要条件和原因。     

20世纪暴雨和洪水极值的年代际变化

利用20世纪100年(特别是后50年)2万多个雨量站和175个大中河流水文站的实测和调查雨量和流量资料,分析了中国大陆(外流区)暴雨和洪水极值的年代际变化,其中包括长期站暴雨的年代均值变化、20世纪50年点雨量极值的前后期平均值对比、最大点雨量发生年代分布和特大洪峰流量的年代分布。分别就5种历时、不同地区的暴雨洪水极值随年代的变化作了分析,揭示了变化的事实,计算了多项年代比率,探讨了影响因子。     

西风带与季风对中国西北地区的水汽输送

利用美国国家环境保护委员会/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析气候资料,分析了西风带与季风对我国西北地区水汽输送的作用。分析表明,大气水汽输送在西北地区的3个分区特征非常明显:高原切变线以南,主要是来自西南季风的水汽输送;高原切变线以北,主要是来自西风带的水汽输送;高原切变线向东北方向的延长部位是一鞍型区,为西风带与西南季风的共同影响区。青藏高原东部的西南季风气流有绕行和向北翻越青藏高原的水汽输送;而在青藏高原中西部地区,主要是由青藏高原周边向主体的水汽输送,没有明显的翻越青藏高原的水汽输送。在青藏高原以北的大部分地区以对流层中层的水汽输送为主;在青藏高原南部以低层水汽输送为主。在青藏高原以北的大部分地区,水汽输送为辐散,即输入的水汽又被扩散出去了;在青藏高原主体和我国西北地区东部为水汽输送的辐合区。西风带的水汽输送为我国西北大部分地区提供了基本的水汽来源,西风变化对其水汽输送通量散度年际变化有直接的作用;南亚夏季风通过西南季风气流水汽输送直接影响我国西北地区南部和东部,并且,其变化通过环流结构调整影响西风带的波动,进而影响西风带对西北地区的水汽输送。     

末次冰盛期和全新世中期东亚地区水汽输送的模拟研究

利用国际古气候模拟比较计划最新第3阶段中9个气候模式针对末次冰盛期、13个气候模式针对全新世中期的数值试验数据,集中研究了这两个时期东亚地区的水汽输送变化。结果表明,相对于工业革命前期,末次冰盛期东亚地区冬季异常水汽输送主要来自跨赤道气流和西北太平洋,东亚大陆沿岸及其临近海域为主要的水汽异常辐合区,对应冬季净降水量增加,异常辐散区主要位于热带海洋和西北太平洋,净降水量减少;夏季,东亚地区异常水汽输送通量以辐散为主,大部分地区净降水量减少,对应东亚夏季风减弱。全新世中期东亚地区冬季水汽输送变化较弱,东南部及临近海域和赤道中太平洋为异常辐散区,不利于冬季净降水;夏季异常水汽输送分别来自热带中西太平洋广阔洋面和西北太平洋异常反气旋式环流西南侧,东亚大陆大部分地区为水汽异常辐合区,夏季净降水量增加,对应东亚夏季风增强。两个时期外强迫驱动下的经向温度梯度、海陆热力对比和大气含水量变化是上述冬、夏季东亚水汽输送异常的主因。

     

青藏高原雨季降水的水汽条件研究

利用1961—2017年青藏高原109站降水量资料、NCEP全球逐月再分析资料,讨论了雨季期间高原的水汽输送特征.结果表明:高原雨季降水呈显著的年际变化特征,高原雨季降水主模态为南北反向型和全区一致型.气候态高原雨季的水汽输送路径为来自阿拉伯海的偏西风水汽输送,在孟加拉湾附近分为三支水汽输送气流:一支向北输送,自高原南...     

中国中世纪暖期温度年代际变化特征及成因分析

利用通用地球系统模式CESM的过去2000年气候模拟试验资料,在与历史气候重建资料、观测/再分析资料及其他模式模拟资料进行对比验证的基础上,分析了中国中世纪暖期（Medieval Warm Period,简称MWP）地表温度年代际变化特征并初步探讨了其成因。结果表明：在公元801~1250年的中国中世纪暖期期间,在年代际尺度上,中国地表温度EOF第一模态的空间分布为全区一致型,并且北部的变率大于南部,最大的变率中心位于中国东北部;EOF第二模态反映出研究区内南北反向的空间分布特征。40°N以北地区温度变化一致;40°N以南青藏高原-云贵高原-东南沿海地区与华北地区呈反相变化,最大的变率中心位于青藏高原东部。中世纪暖期地表温度EOF第一模态主要归因于太阳辐射的影响,火山活动也是影响因子之一;EOF第二模态主要受气候系统内部变率的影响,其他外强迫因子的影响较小。但是,温室气体、土地利用/覆盖两个外强迫因子对气候系统内部变率具有一定的调制作用。在中国,中世纪暖期太阳活动剧烈、火山活动较少,下垫面吸收更多的太阳短波辐射,地表净辐射通量增大,是中世纪暖期形成的主要原因。     

辽宁省冬季区域暴雪水汽输送特征

利用1949 - 2015年NCEP/NCAR逐日及月平均资料, 对辽宁省冬季区域暴雪水汽输送特征进行研究, 结果表明： 受冬季风影响, 辽宁省冬季降水水汽主要来自西边界中纬度西风气流的输入, 区域暴雪的发生是经向水汽异常输送的结果, 西风带偏西气流与日本海反气旋性环流西南侧偏南气流在辽宁省交汇是辽宁省区域暴雪产生的主要原因。辽宁省区域暴雪水汽源地主要有西太平洋、 日本海、 东海和黄海, 其中东海、 黄海是直接的水汽源地。日本海高压是辽宁省区域暴雪水汽输送的关键系统, 82.4%的区域暴雪过程海平面气压场有日本海高压存在, 根据其位置和强度可分为偏北型、 偏南型和高压脊型, 不同环流型高压水汽输送强度不同, 区域暴雪分布范围不同。东海、 黄海湿度平流作用和风场辐合作用是辽宁省区域暴雪产生的贡献因子, 不同环流型日本海高压湿度平流作用的贡献不同。     

中世纪气候异常期和小冰期中国华北与北美西南部年代际干湿变化的关系

百年尺度冷、暖背景下不同区域年代际干湿变化的关系是历史气候变化领域的重大问题之一。本研究利用基于历史文献重建的中国华北干湿指数(Dry-wet index)和基于树轮年表重建的北美西南部帕默尔干旱指数(PDSI), 采用100年窗口的滑动相关分析, 计算了两地年代际干湿变化的相关关系, 对比了中世纪气候异常期(MCA)和小冰期(LIA)两地相关关系的差异, 并利用PMIP3和PMIP4共11个模式的过去千年气候变化模拟数据, 诊断了其成因。研究发现: 1)代用资料展示出MCA期间中国华北与北美西南部年代际干湿变化为正相关(r=0.32, p < 0.05), LIA期间则为负相关(r=-0.27, p < 0.05); 2)GISS-E2-R模式基本再现了代用资料揭示的工业革命前两地干湿变化相关关系的变化特征, 尤其是MCA和LIA的差异; 3)MCA期间, 中国华北与北美西南部年代际干湿变化正相关主要是因两地水汽条件同时匮乏所致, 这可能是源于负位相太平洋-北美(PNA)遥相关的影响; LIA期间, 中国华北与北美西南部年代际干湿变化负相关主要是因中国华北水汽匮乏, 而北美西南部水汽充沛所致, 这可能是源于负位相北太平洋涛动(NPO)遥相关的影响。上述结果为深入辨识百年尺度冷、暖背景下中国华北与北美西南部年代际干湿变化之间的关系提供了新证据, 为预估未来全球升温情景下中国或北美年代际干湿特征提供预警信号。

     

50 a来我国东北及邻近地区年降水量的年代际异常变化

利用中国东北地区195个和蒙古国6个气象台站的年降水量资料, 利用EOF、 REOF和分段线性拟合等方法, 分析了50 a来东北及其邻近地区年降水量的年代际异常变化. 结果表明: 1)50 a来的降水变化, 东北演变过程为多-少-多; 华北的演变过程为多-少. 自1980年代起, 东北地区由干变湿, 而华北地区则由湿变干. 2)降水主要呈3种分布形式: 全区一致型; 南北反向型; 南北部一致与中部相反分布型. 3)降水量总体呈下降趋势, 但近30 a来东北北部有增湿趋势, 而南部的干旱化一直在加剧. 4)大部分地区的降水量在1970年代中期和1980年代初期经历了一次突变, 但是变化的方向、范围及时间各地不尽一致.     

青南高原汛期降水异常与水汽输送

根据地面气象站观测资料,分析1961-2004年青南高原汛期降水变化的区域特征,并依据NCEP/NCAR再分析资料分析了典型多雨和少雨年份的大气水汽输送.研究表明: 青南高原汛期降水变化的区域性较强,其东北部、西部和中南部变化形势差异显著,各区典型异常年份出现的时段和频率以及对应的水汽来源不同.其中,来自赤道西太平洋的水汽输送是青南高原东北部地区汛期降水的主要来源,而西北冷空气是降水形成的重要促进因素;西部地区汛期降水主要受到来自孟加拉湾水汽输送和西风水汽输送的影响,同时欧洲东部和西西伯利亚地区阻塞高压活动对其亦有一定影响;中南部地区汛期降水主要来源于西南季风的水汽输送,此外也受到欧亚中高纬环流形势的影响.