基于EOF的1951-2020年东亚季风区降水特征及其对夏季风不同配置的响应研究

东亚季风区夏季降水受季风影响显著,不同季风配置通过影响区域水汽输送,在东亚季风区形成不同的降水格局,降水格局的变化容易引起旱涝灾害的发生。本文基于经验正交函数(EOF)分析,利用全球降水气候中心(GPCC)降水资料、美国国家环境预测中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料和不同夏季风指数,分析了1951-2020年东亚季风区夏季降水格局,进一步结合相关分析、水汽通量分析等,研究了4种夏季风强弱不同配置对东亚季风区夏季降水的影响。结果表明:(1)1951-2020年东亚季风区降水经历了先减少后增加的变化。EOF分析较好地展现了东亚季风区夏季降水的时空分布,东亚季风区夏季降水主要表现为南北向“-、+、-”的三极型分布与南北方降水反相变化的偶极型特征;东亚季风区夏季降水异常主要发生在三极型降水结构的相位转换上,其次是偶极型的相位转换;(2)东亚季风区夏季降水异常是东亚季风、南亚季风、西风环流以及西太平洋季风等系统共同作用的结果。导致东亚季风区降水异常增加(减少)的季风配置主要为配置1:西太平洋季风强,东亚季风和西风弱(配置2:西风强,东亚季风和南亚季风弱);(3)配置1时,西太副高偏南偏西,中高纬形成西风槽,季风区南方季风较强,容易通过切变线以及抬升作用在季风区中部形成降水,导致异常降水增加,配置2时,西风强劲,南方水汽动力不足,无法深入大陆,造成异常降水减少。本文研究结果为气候变化背景下,探究东亚季风区异常降水机理提供理论基础,也为应对区域极端降水事件以及旱涝灾害防治工作提供重要的科学参考依据。

东亚季风系统的时空变化及其对我国气候异常影响的最近研究进展

本文回顾了关于东亚季风系统的时空变化及其对我国气候异常影响的最近研究进展。许多研究说明,东亚季风系统无论风场的垂直结构、年循环或是水汽输送和降水特征都明显不同于南亚和北澳季风系统,它是亚澳季风系统中一个相对独立的季风系统。并且,研究结果表明了东亚季风系统有明显的时空变化:其中夏季风系统在年际时间尺度上存在着一个准两年周期振荡和具有极向三极子异常的空间分布特征,并从20世纪70年代中后期起至今发生了明显变弱的年代际变化,这个变化在华北尤其显著;而东亚冬季风在年际时间尺度上存在一个准四年周期振荡,从20世纪80年代中后期起也发生了明显变弱的年代际变化,它引起了我国的持续暖冬。进一步的研究还揭示了东亚季风系统的变异是与海-陆-气耦合系统变异及其相互作用密切相关,因而,东亚季风系统可以看成是一个大气-海洋-陆地的耦合气候系统,即称之为东亚季风气候系统。此外,本文还从上述东亚季风气候系统的年际和年代际变异提出了长江流域严重洪涝灾害发生的气候学概念模型和华北持续干旱的气候背景。

东亚季风研究的进展

中国气象科学研究院曾长期组织和从事东亚季风及其对中国天气和旱涝影响的研究。该文对中国气象科学研究院在东亚季风研究方面取得成果进行综述,并回顾了20世纪50年代以来国内有关季风的研究活动,也回顾了影响我国天气气候、东亚季风环流系统的提出及其后续的有关东亚和印度季风系统的相互作用,引发中国大陆暴雨生成的水汽输送,表达中国大陆季风活动的季风指数设计等研究结果。综述了南海夏季风爆发、梅雨开始、中国雨季开始及传播等有关研究成果;东亚季风系统中副热带地区低频振荡纬向和经向传播特征及与赤道地区不同之处,东亚低频振荡对El Ni^no形成及夏季东亚热带和副热带季风爆发的可能影响,东亚热带和副热带季风低频振荡对中国天气气候的影响等有关成果;亚洲地区大气热源的计算及其分布,青藏高原夏季热源对东亚夏季风及降水的可能影响,青藏高原冬季冷源对El Ni^no生成的可能影响等有关成果;东亚季风及降水的年际变化特征,准4年年际振荡的分析及与ENSO形成间的相互作用,极地对东亚夏季降水的影响及东亚季风年代际变化特征等成果。综述东亚季风系统形成的可能机制,特别是亚洲大陆—西太平洋海陆热力差异及非洲、印度半岛、中南半岛及澳大利亚陆地与周围海洋对冬夏季风形成、印度和东亚季风系统形成、南海夏季风形成作用的结果。

东亚季风对西北地区干旱气候的影响

运用小波分析方法对近５０年来东亚季风的年际和年代际变化特征进行了分析。运用相关分析方法研究了东亚冬、 夏季风对中国西北地区气温和降水的影响．结果表明， 东亚季风对西北地区干旱形成的影响是显著的。对季风形成前期东亚大陆地面气温和太平洋海表温度进行了分析， 结果指出： 前期东亚大陆陆面和太平洋洋面的热力状况会影响到东亚季风的强弱， 陆面和洋面的温差越大季风会越强， 反之则会越弱， 季风的强弱反过来又会影响陆面和洋面的热状况。

南海晚第四纪陆源沉积:粒度组成、动力控制及反映的东亚季风演化

对南海北部MD05—2904孔、西部ND05—2901孔、南部MD05—2897孔的有孔虫氧同位素进行测定，建立了高分辨率的年代地层。对3个孔的陆源碎屑组分的粒度分布进行了测定和主成分因子分析，结果发现，南海北部陆坡（南部陆坡）的陆源碎屑沉积特征主要受单一的因子Fn（Fs）控制，它可以控制62％（59％）的粒度变化特征。与Fn密切相关的粒度组分为1．52～2．92μm和11．8～27．4μm，与Fs相关的粒度组分为〈2．42μm和6．76—14．30μm。南海西部陆坡获得两个主控因子Fwl和Fw2，分别控制46％和32％的粒度变化特征，与Fwl相关的粒度组分为1．26～2．66μm和10．8～14．3μm，与Fw2相关的粒度组分为4．24～7．42μm和30．1～43．7μm。对敏感粒级的变化序列进行分析发现，北部的Fn与海平面升降作用紧密相关，呈现冰期／间冰期旋回尺度的周期性。而南部的Fs呈现高频的岁差周期波动，可能与夏季风演化引起的源区风化、河流搬运等的变化有关。南海西部的陆源沉积物主要来自南海的西南和北部两个地区，分别由东亚夏季风和冬季风驱动的洋流搬运，Fwl和Fw2恰恰代表了这两种动力控制。因此，Fwl和Fw2控制的粒度组成变化间接指示了东亚夏季风和冬季风的演化。研究认为，晚第四纪以来东亚夏季风受控于低纬区的夏季日射量的变化，呈现典型的岁差周期性，而冬季风主要受高纬冰盖变化驱动，呈冰期／间冰期旋回尺度的波动，这反映了东亚季风演化的双重驱动机制。

夏季东亚季风区水汽输送特征及其与南亚季风区水汽输送的差别

利用ＥＣＭＷＦ所分析的１９８０～１９８９年每日各层的水汽和风场资料分析了东亚季风区夏季风的水汽输送特征，并与印度季风区夏季水汽输送进行比较。分析结果表明了东亚季风区夏季水汽输送特征明显不同于印度季风区夏季水汽输送，东亚季风区夏季水汽输送经向输送要大于纬向输送，而印度季风区夏季水汽输送则以纬向输送为主。分析结果还表明东亚季风区由于夏季水汽分布是南边大、北边小，偏南季风气流所引起的水汽平流是湿平流。因此，水汽的辐合主要由季风气流所引起的水汽平流所造成，而印度季风区季风气流所引起的水汽平流是干平流，它利于水汽输送的辐散，水汽的辐合主要是由于风场的辐合所造成。

晚上新世以来南海北部上部水体结构变化及东亚季风演化

文章通过对南海大洋钻探 1 1 4 6站有孔虫组合及其壳体氧、碳同位素的研究 ,探讨了南海北部上部水体结构对晚上新世 (3.2～ 2 .0MaB .P .)北极冰盖的形成、扩大的响应。浮游有孔虫混合层和温跃层属种相对百分含量的变化 ,Globigerinoidessacculifer,Pulleniatinaobliquiloculata和Cibicidoideswuellerstorfi种间碳同位素的差值 ,以及底栖有孔虫内生种含量的变化表明 :3.2～ 2 .0MaB .P .期间南海北部混合层、温跃层浮游有孔虫属种的百分含量主要受表层海水温度、生产力变化的控制 ;2 .7MaB .P .前后该区表层海水混合程度、生产力增加 ,上部海水垂直交换增强 ,反映了南海北部上部水体结构变化对北极冰盖的形成、扩张 。

石笋氧同位素指示东亚季风大尺度环流特征

利用湖北清江和尚洞的两支具有精确年代的年层石笋,建立了20世纪逐年的石笋氧同位素序列,讨论东亚季风石笋氧同位素的气候指示意义。与现代气象观测资料对比,发现近100年来和尚洞石笋δ ^(18)O与当地年总降水量和年均温度的相关性并不显著,但与指示东亚季风环流特征的西太平洋副热带高压指数(WPSH)以及相对应的太平洋年代际振荡指数(PDO)相关性好。在年际和年代际尺度上,当太平洋年代际振荡处于正(负)相位时,副热带高压加强(减弱),石笋的δ ^(18)O相对偏正(负)。因而,石笋δ^(10)O反映了东亚季风大尺度环流特征。

东亚季风系统的动力过程和准定常行星波活动的研究进展

本文系统地回顾了近几年来关于东亚季风系统的动力过程与机理方面的研究,特别是关于东亚季风系统年际和年代际变异与准定常行星波活动关系的研究。最近的许多研究表明东亚夏季风系统变异的动力过程主要与东亚/太平洋型(即EAP型)遥相关有关,利用EAP型遥相关理论不仅可以说明东亚夏季风系统各成员之间内在联系的机理,而且可以揭示热带西太平洋热力和菲律宾周围对流活动影响东亚夏季风系统季节内、年际变化及其异常的经向三极子结构的动力过程;除了EAP型遥相关外,研究还表明北半球夏季从北非到东亚的对流层上层经向风异常存在一个沿急流传播的遥相关型,它对东亚夏季风系统异常的经向三极子型分布也有重要影响。并且,最近关于东亚冬季风变异与行星波活动的关系已做出许多研究,并获得很大进展。这些研究表明:北半球冬季准定常行星波传播波导在年际和年代际变化上存在着反相振荡特征,即若"极地波导"加强,则"低纬波导"将减弱,反之亦然;准定常行星波两支波导的反相振荡与北半球环状模(NAM)的年际和年代际振荡有紧密联系,而NAM的变化通过行星波活动的异常可以导致东亚冬季风的年际和年代际变化;此外,准定常行星波活动的年际变化与东亚冬季风异常之间的关系明显地受热带平流层纬向风准两年周期振荡(QBO)的调制,进一步的研究还提出了可能的机理。最后本文还指出:2005～2007年冬季东亚冬季风的异常不仅与西伯利亚高压和阿留申低压的变异有关,而且与极涡的演变和准定常行星波活动密切相关。

东亚季风指数的定义及其与中国气候的关系

利用 ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ ８５０ ｈＰａ月平均风场再分析资料，在客观地选定定义地区范围的基础上，定义了一组新的东亚季风指数：西南季风面积和强度指数，东南季风面积和强度指数，偏北季风面积和强度指数。研究了各季风指数的相互关系、季节变化和年际变异。这６个东亚季风指数突出反映了东亚西南季风、东南季风及偏北季风３支季风气流强度和范围变化的特征。分析表明，它们相互之间既有一定联系，又有独立性。各季风指数存在明显的季节变化和年际变化。另外，分析了各季风指数与中国夏季降水和冬季气温的联系，以考察其解释我国气候异常分布的能力。结果表明，这些指数与我国夏季降水和冬季气温有很好的关系，并各自对应有一定的降水和气温分布。特别是西南季风与东南季风影响我国夏季降水的地区有很大差异。因此，我们指出，研究东亚夏季风时，区别西南季风与东南季风是很有必要的，用单一指数不足以表征它们不同的变化。

有关东亚季风的形成及其变率的研究

季风是全球气候系统中一种重要的大气环流系统,随着气候学研究及季风动力学研究的深入,国内外学者对季风的形成及其变率问题的研究取得了很大进展。回顾了近年来国内外关于亚洲季风的认识与形成机制的研究,特别是对东亚季风爆发及其过程的影响因子的认识。此外,对于东亚季风的季节性变化、低频振荡、年际和年代际变化及其可能机制也进行了分析、讨论。最后提出了在季风动力学研究方面需要进一步探讨的问题。

全新世东亚季风变化的百年尺度周期

对位于东海内陆架闽浙沿岸泥质沉积区中部的PC-6孔进行了AMS14C年龄测试和粒度分析,综合该孔的岩性、颜色、沉积构造以及沉积物垂向上的叠加方式等特征,将该孔以450cm和540cm为界分为3段,其中上段(450cm以上)以灰褐色、灰色粘土质粉砂为主,岩性较均一,测年表明其形成于近7.64ka以来,此期间海平面变化只有约3￣4m,对应的沉积动力条件与沉积环境应该与现今基本一致,为海侵结束后高海平面以来主要受沿岸流控制的浅海沉积。通过计算PC-6孔450cm以上225个样品陆源碎屑组分中每个粒级组分标准偏差随粒级组分的变化,分离出对沉积环境敏感的粒级约为6μm和56μm,2个粒度组分的分界线约在28μm。细粒组分(<28μm)为东海冬季沿岸流携带悬浮体所沉积,而>28μm粗粒组分对应的沉积动力条件为波浪。本文采用28μm以下的细粒级组分的平均粒径作为替代指标,来揭示东亚冬季风的变化周期。使用功率谱分析软件REDFIT35对<28μm组分的平均粒径进行分析,PC-6孔揭示出70￣72、78、89、102、112、123、154a等百年尺度的强周期信号。与世界其它地区进行综合对比分析表明,全新世东亚季风的变化在百年尺度以Gleissberg周期和约70a的周期为主,且它们都是太阳辐射变化的结果。

神农架全新世东亚季风演化及其热带辐合带控制

文章基于湖北神农架山宝洞3支石笋的13个^230Th年龄和505个氧同位素数据，建立了全新世8．45—0．46kaB．P．东亚季风降水序列，其长期演化趋势与33°N夏季太阳辐射能量变化曲线基本一致。神农架山宝洞与阿曼Qunf洞和贵州董哥洞的石笋高分辨率δ^18O记录整体相关（r分别为0．75和0．94），说明全新世东亚季风、印度季风系统的演化主要受控于同-驱动机制，即北半球夏季太阳辐射控制下赤道热带辐合带逐渐南移，导致亚洲季风降水持续减弱。功率谱分析表明：5ka以来山宝洞石笋记录具有显著的550a周期旋回，与树轮△^14C和北大西洋温盐环流周期基本一致。

MIS3晚期东亚季风强度和DO事件年龄

基于神农架山宝洞石笋(SB46)的9个230Th年龄和326个氧同位素数据,建立了末次冰期32.2～26.7kaB.P.和17.0～15.4kaB.P.的东亚季风降水序列。该序列和同一洞穴全新世石笋记录的对比发现,在MIS3晚期东亚季风区可能存在极强夏季风降水事件,相当于全新世季风强度,可能与岁差旋回太阳辐射及海陆水汽潜热释放增强有关。与葫芦洞石笋δ18O记录和格陵兰冰芯δ18O记录对比表明,东亚夏季风千年尺度气候振荡与高北纬地区海-气快速重组存在遥相关效应。山宝洞石笋年龄与葫芦洞石笋和格陵兰冰芯时标(SS09sea)在定年误差范围内基本一致,但山宝洞石笋与冰芯记录在DO事件的年龄、波形和持续时间上更为一致,不仅进一步说明了低纬季风气候与极地气温同步变化,而且有效地弥补了葫芦洞记录在这一时段的不足。

南海东北部MD05-2905站36ka BP以来的陆源碎屑沉积特征与东亚季风的演化

在AMS14C精确定年的基础上,去除有机质、生物碳酸盐和生物硅之后,对南海北部MD05-2905站进行了陆源碎屑的粒度分析。结果显示,15.5~63.5μm粗粒级成分的含量变化特征可用来指示东亚冬季风的变化,2~9μm细粒级成分含量变化可用于指示东亚夏季风的变化。末次冰期以冬季风为主,全新世以夏季风为主,36 ka BP以来东亚夏季风有逐渐增强的总体趋势,但也发生多次突变现象,在全新世早期（8 500~11 200 ka BP）达到36 ka BP以来的最大值,可能是在岁差周期的控制下,与较强的太阳辐射有关。

东亚季风区夏季风强度和降水的配置关系

1979～ 2 0 0 0年东亚地区夏季风强度和夏季总降水之间的关系被分为四种类型 :A :强季风、强降水 ;B :强季风、弱降水 ;C :弱季风、强降水 ;D :弱季风、弱降水。通过研究不同关系对应的大气环流特征和SST异常 ,并分析不同要素在季风和降水关系变化中的作用 ,发现在季尺度上东亚季风区夏季风强度和地区同期降雨总量的关系具有多面性特征 ,此关系取决于环流场的整体配置 ,其中西太平洋副高、南亚高压和中高纬阻塞形式为三个起主导作用的因素。另外 ,海温变化对东亚季风和总降水的关系有明显的影响 ,尤其是北太平洋、印度洋和南海区域海温。合成分析结果表明 5 0 0hPa东亚异常波列和东亚夏季风强度密切相关 ,但波形与东亚季风区夏季总降水强弱没有明显联系。

东亚季风气候对Heinrich2事件的响应:来自石笋的高分辨率记录

据湖北省神农架天鹅洞一支石笋11个230Th年龄和254个δ18O数据,建立了28.5～22.0kaB.P.同位素分辨率平均约30a的东亚季风气候变化序列。该石笋δ18O曲线与南京葫芦洞石笋记录在重叠时段基本一致,说明本区石笋δ18O反映了区域性东亚季风经向环流特征。在24.3kaB.P.左右,石笋δ18O明显正偏,持续时间近1ka,指示一次显著的弱夏季风事件,与北大西洋倒数第二次冰漂碎屑事件(Heinrich2)同步发生,可视为东亚季风气候对H2事件的响应。高分辨率的δ18O序列揭示了H2事件的内部结构特征:(1)事件发生的突变性,石笋δ18O记录指示事件发生时在100a内δ18O从-8.59‰迅速正偏为-6.75‰,振幅达1.84‰;(2)事件结束的渐变性,δ18O正偏到-6.75‰后便以阶梯状缓慢负偏到-8.86‰至事件结束,持续时间近900a。这一过程与末次盛冰期东亚季风气候H1事件表现的季风强弱转换方式基本一致,说明末次盛冰期东亚季风气候H型事件具有共同的内部结构特征。研究表明,末次盛冰期东亚季风气候H事件的突变可能受北大西洋驱动并经青藏高原冰川变化放大。

末次冰期东亚季风快速波动的模式与成因

通过对位于东亚季风区中东部与西部边缘的两个高分辨率黄土剖面记录的对比研究,发现它们不仅捕捉到了20个Dansgaard-Oeschger事件与6个Heinrich事件,而且黄土记录与GRIP冰芯记录的这些快速气候波动基本上是同步的。暗示在整个末次冰期,东亚季风气候同样存在千年—百年尺度上的快速波动。所不同的是,西面的沙沟剖面对这些快速气候波动的反应比东面的王官剖面敏感。结合末次冰期中国黄土记录的先前研究结果,我们发现,自西向东Dansgaard-Oeschger旋回的幅度逐渐变小,推测这主要是由西风与东亚夏季风共同作用所造成的。

全球变暖背景下中国近海表层海温变异及其与东亚季风的关系

利用长时间序列HadISST、ERA-40高分辨率的海洋大气再分析资料和经验正交函数(EOF)及回归分析等方法,分析了近50年来中国近海表层海温(SST)、东亚季风的时空变化特征及两者的关系。结果表明:中国近海冬、夏季SST有明显的年际和年代际变化,并均在1980年代中期发生了位相转折,之后呈现显著的上升趋势。其中,冬季的主要升温区位于东海,而夏季则位于黄海,冬季升温明显强于夏季。进一步分析发现,1955～2006年冬季东海的SST上升了1.96°C,1971～2006年夏季黄海的SST上升了1.10°C。其次,东亚冬、夏季风低空风场也有显著的年际和年代际变化。东亚冬、夏季风低空风场除有2～4a的年际振荡周期外,分别自1980年代和1970年代末以来出现明显的年代际减弱趋势。第三,中国近海SST对东亚季风EOF模态时间系数的回归分析表明,中国近海冬季SST与东亚冬季风年代际变异的关系要强于与东亚季风年际变异的关系,且东亚冬季风年代际减弱有利于中国近海特别是东海及附近海域SST的年代际上升,而中国近海夏季SST与东亚夏季风年代际变异则没有明显关系。中国近海SST与东亚季风年际变异的相关区域主要为南海区域,冬季比夏季更为明显,且南海冬、夏季SST与经向南北风和副热带反气旋(高压)的年际变异有明显关系。

东亚季风边缘区气候代用指标的分形比较及其意义

利用R/S分析东亚季风边缘区祁连山教德冰心、树木车轮、黄土磁化率、CaCO3含量曲线，得到其分维值分别为1．29、1．30、1．19和1．15，证实近百万年来东亚率风演变的特征是长期持续的，即季风边缘区具有干净化趋势，且旱化趋势的成分更为明显。其中，冰心δ18O比率、年轮指数的分维数与乌鞘岭年平均温度记录的分维值1．25接近，黄土磁化率和CaCO3含量的分维数与年降水量记录的分维值1．19一致。虽然这些气候指标是用不同物理单位测量并在不同时间尺度记录的，但分形分析可对它们进行数学比较，从而揭示出不同信息源所包含的气候意义。