南海夏季风爆发日期和强度的短期气候预测方法研究

利用合成及相关统计方法 ,研究冬季南海季风指数与 85 0hPa风场、5 0 0hPa高度、海表温度、OLR等环境场的相互关系及其影响南海夏季风活动的可能机制。指出冬季南海季风指数及环境场的异常特征可以作为预测南海夏季风活动的前兆信号。在此基础上建立了预测南海夏季风爆发日期和强度的概念模型 ,1998～ 2 0 0 1年的预测试验取得了较好成绩。

南海西南季风爆发日期及其影响因子

利用1950～1999年NCEP全球格点日平均资料,在总结南海西南季风爆发前后850hPa大气环流特征的基础上,提出了一个较为客观的确定南海西南季风爆发日期的大气环流方法。在与1980～1991年其他多种指标确定的爆发日期比较后,作者认为该大气环流方法所确定的爆发日期基本合理,并给出了1950～1999年各年南海西南季风爆发的日期。通过合成对比分析和相关分析发现,前期热带太平洋地区海温异常分布是影响南海西南季风爆发早晚的重要因素。菲律宾以东洋面海温偏高,赤道太平洋中部偏东地区海温偏低,可以使低层西太平洋副高减弱、高层中东太平洋洋中槽加深,印度洋热带地区偏西风偏强,印度洋-太平洋热带地区Walker环流偏强,为热带对流在孟加拉湾-南海地区发展提供了有利的环境。在孟加拉湾南部偏西气流的作用下,南海地区对流活动较为容易发展起来,低层较弱的西太平洋副热带高压也容易较早地撤出南海上空,使得南海西南季风较早爆发。反之亦然。

南海夏季风爆发日期与海温的多尺度关系及最优子集回归预测

采用小波变换,Lanczos时间滤波器,相关分析研究了南海夏季风爆发日期的多尺度特征及与海温场的关系,并研制了南海夏季风爆发日期的短期气候预测新方法——多尺度最优子集回归预测方法。结果表明,1958—2008年南海夏季风爆发的平均日期为5月18日,标准差约10d,具有弱的偏早爆发趋势,存在15.4a的年代际变化和5.3a的年际变化周期。在年际变化尺度上,南海夏季风爆发日期与前期冬季(12—2月)海温场有4个显著的相关区,分别为热带南印度洋,菲律宾以东的热带西北太平洋,赤道中东太平洋,热带东太平洋。在年代际尺度上,南海夏季风爆发日期与前一年(前一年3月至当年2月)海温场的显著相关除有与年际尺度一致的热带西北太平洋海区外,还存在5个显著不同的相关区,即西南印度洋,东南印度洋,北太平洋,热带东南太平洋和东南太平洋。1999—2008年的独立样本检验表明,多尺度最优子集回归预测方法的最大预测误差为8.5d,预测值与实际值相差在5d以内的占50%,且对爆发日期的异常迟早具有较好的预测能力,它明显好于最优子集回归预测与单,多变量的线性回归预测。多尺度最优子集回归预测可以为南海夏季风爆发日期的短期气候预测业务预报提供重要参考。

北半球平流层春季最后增温事件爆发日期定义方法的比较分析

本文对定义北半球平流层春季最后增温事件(Stratospheric Final Warming,SFW)爆发日期的三种不同方法进行了比较分析。三种方法分别为:1)基于平流层极夜急流核心纬度带(60°--75°N)逐日纬向平均纬向风最后一次由西风转为东风的时间,简称为逐日风场反转法;2)将月平均纬向风场数据线性插值成逐日数据,然后基于插值后的逐日纬向平均纬向风由西风转为东风的时间,简称为月均风场插值法;3)90°N与60°N之间纬向平均温度经向梯度最后一次由负转正的日期,简称为温度梯度反转法。结果表明,由逐日风场反转法和月均风场插值法得到的SFW爆发日期基本一致,但是当平流层冬末和春初发生爆发性增温时,两种方法确定的SFW爆发日期易出现较大偏差;温度梯度反转法确定的SFW爆发日期早于逐日风场反转法确定的SFW爆发日期,在30 hPa等压面层,两种方法定义的平均日期相差16 d。由于逐日风场反转法在实际使用时更为常见,因此,以该方法为参考,对温度梯度反转法进行修订,结果表明,如果将温度梯度反转法中的阈值由0 K提高为3 K,以上利用温度和风场确定的SFW爆发日期则基本一致。

南半球夏季风的爆发和撤退日期

采用１５年（１９７８年４月－１９９２年１２月）经纬网格为１度的地球静止卫星５天平均高云量资料对印度尼西亚、澳大利亚和新几内亚地区的夏季风季节循环、爆发和撤退日期进行分析。对上述资料的分析表明，用平均高云量大于３０％的区域能定义热带对流区（ＩＴＣＺ）云的季节循环。１１月与ＩＴＣＺ相联系的高云区在爪哇和新几内亚北部增强，随后１２月－１月这些高云区向印度尼西亚东部和澳大利亚区域扩展。

南海西南季风爆发的预测研究

利用多个气候场的主分量因子通过相关分析筛选 ,而后进行逐步回归预报。求得南海西南季风爆发的日期与高度场、海温场等因子场的主分量之间的联系。结果表明 ,南海夏季风爆发日期 (196 7- 1997)与上述主分量因子之间有较密切的关系 ,由 9个主分量因子组成的预报方程 ,通过α =0 0 1显著性检验 ,其方程复相关系数为 0 9392。其平均拟合误差为 2 896 ,试报 1998年南海北部和南部西南季风爆发的日期为第 135 6 9d (5月 16日 )和第 138 5 3d (5月 19日 ) ,与SCSMEX的观测结论 1998年南海北部夏季风爆发 (5月 17日 )的日期仅差 1d ,南海中南部夏季风爆发 (5月 2 5日 )的日期相差 6d。由此可见 ,利用相关和回归方法用因子场的主分量作为因子预报南海北部夏季风爆发的效果比较好 ,南部则相对较差。另外 ,研究发现南海北部夏季风爆发主要与海温场的影响有关 ,高度场对南海南部夏季风爆发影响较大 ,且厄尔尼诺与南海南部西南季风爆发偏晚有关 ,但与南海北部西南季风爆发关系不大。可以说 ,这一方法是对南海夏季风爆发预报的一种新的尝试。

一种基于整层水汽通量的南海夏季风爆发指数

利用1951～2000年的NCEP/NCAR逐日再分析风场、比湿和海平面气压资料,得到南海区域的整层水汽通量。根据南海夏季风爆发前后水汽通量的特征分析,定义了南海夏季风爆发指数IVIMT,并确定出1951～2000年南海夏季风的爆发日期。通过分析发现,利用该指数可以合理地确定南海夏季风的爆发时间。

孟加拉湾东部夏季风爆发的定义及其年际变化

利用合成分析、相关分析等方法,对孟加拉湾东部夏季风(Eastern Bay of Bengal Summer Monsoon,简称EBOBSM)爆发日期进行定义,并在此基础上研究其年际变化特征。规定3天滑动平均的850hPa纬向风在90°E^100°E,7.5°N^12.5°N的范围平均下,从平均值大于2m/s的当天开始,连续15天均值都大于0,且15天纬向风平均值大于2m/s,则该日期为EBOBSM夏季风爆发日期,1979—2008年气候平均爆发日期为5月5日。EBOBSM爆发时间的年际变化特征明显,EBOBSM爆发偏早(晚)年的前期冬季,赤道中东太平洋海温异常偏低(高),对应厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)冷(暖)事件和南极涛动正(负)位相,这种位相分布自北半球冬季至春季由强变弱。澳大利亚及西南印度洋受异常气旋(反气旋)式环流控制,并一直持续至春季3、4月份,使得早年与晚年位势高度异常的差异自南向北表现为低-高-低的类波列分布,并伴随气旋-反气旋-气旋式波动环流。南极涛动异常信号通过经向异常波动,自南印度洋中高纬度传播至孟加拉湾。偏早年热带地区的气旋式环流使得索马里越赤道气流加强,更多的水汽及热量随赤道西风被携带至孟加拉湾,使得当地降水充沛,对流活跃,较易激发季风爆发,偏晚年情况相反。

中东急流的季节转变特征及与印度夏季风爆发早晚的关系

采用1968—2009年NCEP/NCAR逐候再分析资料,分析了季节转换期间中东急流的变化特征及其热力机制。结果表明:中东急流中心的强度和位置存在明显的季节变化特征,第67候—次年第24候偏强且位置稳定偏南(27.5°N)、第38—44候偏弱且位置稳定偏北(45°N)。200 hPa纬向风场EOF第1空间模态反映了中东急流在冬、夏季的位置,冬季主要位于埃及和沙特阿拉伯上空,夏季主要位于黑海东部至咸海东部上空,且中东急流在冬季比在夏季强。第26—31候和第54—61候分别是中东急流春夏季和秋冬季的季节转换期,其200 hPa西风演变与500～200 hPa平均南北温差演变的对应关系很好,表明南北温差的季节性转变导致了200hPa西风的季节性转变。个例分析表明,印度夏季风爆发日期早晚与中东急流季节转换日期早晚的关系非常密切。印度夏季风爆发较早(晚)时,由于500～200 hPa南北温差大值区域向北推进较早(晚),因此,中东急流向北推进较早(晚),同时40～90°E对流层低层西风急流出现也较早(晚)。

近20a孟加拉湾海表温度变化对南海夏季风爆发早晚的影响

基于美国NOAA现代极高分辨率辐射仪（Advanced Very High Resolution Radiometer）提供的1993—2012年逐日海表温度（SST）资料,利用季节经验正交函数（S-EOF）和相关分析等统计方法,研究了孟加拉湾海表温度变化对南海夏季风爆发的影响。结果表明,孟加拉湾的（6~14°N,85~95°E）海区海表温度变化对南海夏季风爆发早晚具有重要指示意义,该海区海表温度异常（SSTA）与南海夏季风的爆发日期存在密切的正相关,通过了0.05信度的显著性检验,即当孟加拉湾海表温度正（负）异常时,南海夏季风晚（早）爆发。应用德国马普气象研究所的ECHAM5全球大气环流模式在孟加拉湾关键海区进行了敏感性数值试验,发现在关键海区降低其5月海表温度02℃的情况下,南海夏季风爆发日期相应提前5 d左右,而在升高02℃情况下,南海夏季风推后10 d左右爆发。在孟加拉湾5月海表温度降低的情况下,促使80~100°E的越赤道气流增强,南海区域西风分量增强,进而促使南海夏季风提前爆发。

冬季寒潮爆发频数与ENSO的联系

利用通化市(41041/N,125054/E)单站温度资料和NCEP/NCAR月平均高度场资料,分析了ENSO发生前一年和当年冬季寒潮爆发频数的年际变化以及与之相对应的大气环流分布,结果发现,寒潮发生的频数与ENSO之间的联系存在明显的年代际变化,在上世纪70年代中期以前,EL-nino和LA-nina发生的前一年冬季通化市发生寒潮次数明显偏多,而70年代中期以后,无论是EL-nino还是LA-nina在发生前一年冬季通化市发生寒潮次数明显偏少;而EL-nino发生的当年,在70年代以后,寒潮次数明显偏多;在LA-nina发生的当年,寒潮发生的多少不明显。ENSO发生前一年冬季的大气环流与寒潮发生次数有关。在EL-nino和LA-nina发生前,寒潮多年和少年在北半球大多数地区大气环流距平呈现相反的状态。

南海夏季风活动的年际和年代际特征

利用ＮＣＥＰ风场资料和候平均向外长波辐射（ＯＬＲ）资料分析了南海区域低层风场与对流活动的关系，在此基础上，采用南海中南部的纬向风平均值来定义南海夏季风的爆发，确定了长序列（１９４９～１９９８）的南海夏季风爆发日期和强度指数，并研究南海夏季风活动的年际和年代际变化特征。结果表明：南海夏季风爆发日期和强度指数呈显著的反相关；５０年来的气候趋势是，爆发日期逐渐偏晚，强度指数逐渐减弱。二者都存在着明显的年际和年代际变化，它们在不同阶段上的波动是各种时间尺度振荡叠加的结果，而年代际尺度具有非常重要的作用。东印度洋海温异常在南海夏季风爆发前后，均与南海夏季风强度指数呈显著的反相关。东太平洋海温异常在南海夏季风爆发之前，与强度指数反相关，而爆发之后，与强度指数正相关。这体现了南海夏季风活动与ＥＮＳＯ事件的密切关系。

太平洋次表层海温与南海夏季风建立关系初探

通过合成分析和相关分析对南海夏季风爆发异常年份前期 0～ 40 0 m深度次表层海温的异常分布进行了讨论 ,发现北太平洋 (1 50°E～ 1 50°W,3 5～ 50°N)区域对季风爆发时间的早晚有着较为持续的影响 ,前冬 1 2 0～ 3 0 0 m深度尤其显著 ,具体表现为当前冬该海域海温偏低时 ,季风爆发偏晚 ,反之偏早 ;并通过定义一个北太平洋热力参数以表征该区域的热力作用 。

北半球春季平流层最后增温过程及其年际和年代际变化特征

利用1979～2010年NCEP-DOE 2逐日再分析资料,以北半球春季平流层极夜急流核心纬带(65°～75°N)纬向平均纬向风最后一次转为东风的日期定义为春季平流层最后增温事件(SFW)的爆发日期,研究发现,SFW事件平均在4月中下旬发生,且由平流层高层向低层依次滞后,10 hPa的SFW爆发平均超前50 hPa约13天;爆发当日伴随纬向风场时间变率和行星波辐合的最大值,平流层环流实现由冬向夏的季节转换;过去32年以来SFW的爆发早晚具有显著的年际变化,最早的SFW事件发生在3月中旬,最晚的SFW事件在5月下旬才出现.合成分析表明,SFW爆发偏早(晚)年的春季,纬向风场由西风向东风的转变更为快速(缓慢),爆发前5天至爆发后5天,30 hPa纬向风减小约20 m s-1(5 m s-1),伴随的平流层行星波活动也相对较强(弱);表现在环流异常场上,SFW爆发前后平流层极区环流异常呈反(同)位相分布,表明发生较早的SFW事件主要受波强迫驱动而伴随爆发性增温,而发生较晚的SFW事件则更反映了极涡的季节变化特征.无论SFW偏早还是偏晚年,爆发后极区平流层与对流层温度异常之间均呈反位相关系,反映了SFW爆发事件中的平流层-对流层动力耦合特征.另外,在20世纪90年代中期前后,SFW爆发日期还存在明显的年代际转折,90年代中期之前SFW平均发生日期较之后约偏早11天;与之相联系的是冬末、春初行星波活动在90年代中期之前偏强,而在90年代中期之后有偏弱趋势.