太平洋SSTA同中国东部夏季极端降水事件变化关系的研究

基于中国东部1955—2004年233个台站逐日降水和NCEP/NCAR再分析高度场、风场、比湿、地面气压以及NOAA海表温度资料,运用SVD、合成分析等方法研究了太平洋SSTA同中国东部夏季极端降水事件之间的相互关系,结果表明：前期冬季太平洋SSTA同我国东部夏季极端降水事件的关系比较显著;前冬赤道中东太平洋是影响我国华北地区夏季极端降水事件的关键区,若前冬该海域海温发生异常,从冬到夏大气环流先后通过PNA（反PNA）和WP（反WP）遥相关型使得西太平洋副热带高压发生异常,进而使得华北夏季极端降水事件发生异常;前冬热带西太平洋是影响我国东北南部及江南地区夏季极端降水事件的关键区,若前冬该海域海温发生异常,从冬到夏105°~135°E的平均经向垂直环流圈发生异常,使得夏季东北南部与江南地区垂直运动发生异常,进而使得东北南部和江南夏季极端降水事件发生异常。

东亚冬季风对秋、冬季SSTA响应的数值试验

利用 NCAR CCM2模式 ,通过设计多组数值试验方案 ,研究了东亚冬季风对赤道中东太平洋、中纬度太平洋秋、冬季 SSTA的响应。模拟结果表明 ,东亚冬季风对秋、冬季太平洋 SSTA均存在一定的响应 ,但冬季风对 SSTA的响应存在显著的季节和海域差异 ,并表现出不同的异常响应形态。东亚冬季风对秋季 SSTA的显著响应区域位于中纬度太平洋地区 ,该区域的 SST的持续异常 ,可以引起欧亚、北美地区冬季大气环流的异常 ,并伴随有明显的 EU型和 PNA型波列特征 ,秋季中纬度太平洋 SST持续异常偏冷 (暖 ) ,能够引起有利于强 (弱 )东亚冬季风的环流异常。而冬季风对冬季 SSTA的响应则为赤道中东太平洋和中纬度太平洋 SSTA共同作用的结果 ,在两个区域 SSTA的同时强迫下 ,大气环流表现出类似 PNA及 WP型波列分布的异常响应特征 ,赤道中东太平洋的正 (负 )的 SSTA及中纬度太平洋负 (正 )的SSTA,将导致弱 (强 )冬季风的发生。

太平洋SSTA对中国东部夏季降水的影响Ⅰ——观测分析

采用旋转经验正交函数(REOF)方法对1901～2000年中国东部43个站夏季降水资料进行分析,得到:华南、西南地区和长江中下游地区及华北北部、东北西南部地区是中国东部夏季降水异常三个最主要的区域,对三个主要模态对应的时间系数序列与太平洋SSTA作相关分析,结果表明影响东部夏季降水的关键海区是:前期冬季西北太平洋黑潮海区、前期春季赤道中东太平洋和同期北太平洋中纬中太平洋海区;并对关键海区SSTA与东部120个站夏季降水作SVD分析,进一步证实:这三个关键海区SSTA与东部夏季降水有显著的耦合相关关系。另外,对三个主要降水异常区的夏季降水异常的极端年份500 hPa高度场进行合成分析,其结果为数值模拟分析提供依据。

西北区东部夏季极端降水事件同太平洋SSTA的遥相关

利用近50年月平均NCEP再分析高度场、风场、NOAA重构海表温度以及中国西北区东部38个台站逐日降水资料,运用SVD及合成分析等方法,研究了太平洋SSTA对我国西北区东部夏季极端降水事件的可能影响。结果表明,冬季太平洋海表温度对后期西北区东部夏季极端降水事件的影响最显著,并且赤道中东太平洋是影响西北区东部夏季极端降水事件的关键区,当赤道中东太平洋海表温度发生异常时,首先引起纬向和经向垂直环流圈发生异常,进而强迫大气环流发生调整,先后通过PNA和WP遥相关使得西太平洋副热带高压发生异常,最终使得西北区东部夏季极端降水事件发生异常。

春季印度洋SSTA对夏季中国西北东部极端降水事件的影响研究

基于近47年来NCAR/NCEP再分析月平均高度场、风场、地面气压,比湿以及NOAA重构的印度洋海表温度资料和中国西北东部97个气象台站逐日降水资料,首先利用百分位法定义了极端降水事件的阈值,运用SVD及合成分析等方法,研究了前期秋季、冬季、春季及同期夏季印度洋海表温度同夏季中国西北东部极端降水事件的关系,结果表明前期春季印度洋海温异常对预测夏季中国西北东部极端降水事件的变化特征具有较明确的指示意义,关键区位于赤道印度洋地区。如果春季赤道印度洋海温异常偏暖,从同期春季到后期夏季,100～110°E平均经圈环流在赤道附近表现为异常上升气流,对应30°N附近在对流层中、上层表现为异常的下沉气流,同时来自印度洋的西南季风异常偏弱,使得后期夏季由于没有异常的水汽输送到我国西北东部地区,从而极端降水事件偏少,而偏冷年份正好相反。另外在春季赤道印度洋海温异常暖年,后期夏季南亚高压偏强,且呈西部型;而在异常冷年,南亚高压偏弱,且呈东部型,这可能是引起夏季中国西北东部极端降水事件变化的另一原因。

太平洋SSTA对中国东部夏季降水的影响II——数值模拟

基于观测分析的结果,采用NCAR CCM3模式,设计4组7个数值试验,研究太平洋海表温度异常对中国东部夏季降水影响及其可能的物理过程。结果表明:数值模拟与观测分析所得的结果一致,前期冬季西北太平洋黑潮海区海温异常,引起亚洲中高纬和东亚东部地区大气环流异常,导致长江流域夏季降水异常;前期春季赤道中东太平洋海温异常,西太平洋副热带高压异常;同期夏季北太平洋中纬中太平洋海区海温异常,激发夏季EUP遥相关型,影响东部夏季降水。

中国夏季降水与太平洋SSTA年代际变化关系的初步研究

利用1951～2001年逐月NCEP再分析高度场、风场资料,COADS海表温度资料及中国147个台站逐月降水资料,运用SVD分析、SVD与回归分析相结合等方法,研究了太平洋SSTA与中国夏季降水年代际变化的相互关系,发现热带西太平洋是影响中国华南降水年代际变化的关键区,1950年代～1970年代后期,该海域SSTA为正,对应中国长江以南地区的夏季降水偏多,而长江以北则偏少;1970年代以后反之;影响中国长江中下游地区及其两侧降水年代际变化的关键区在中纬中部北太平洋,1970年代后期～1990年代前期,该海域SSTA为负,对应长江中下游夏季降水偏多,其两侧降水偏少;影响中国东北降水年代际变化的关键区是低纬中太平洋,1970年代～1980年代前期,低纬中太平洋SSTA为负,与之对应,中国东北夏季降水偏少;1950年代～1960年代中期、1990年代前、中期则反之。进一步对太平洋SSTA年代际变化影响中国夏季降水年代际变化的可能机制作了初步的研究。

冬季黑潮区域SSTA的时空演变及其与大气环流的联系

采用海温资料和NCEP/NCAR40a再分析的海平面气压场(SLP)、高度场、风场资料,利用REOF、相关分析和合成分析方法,研究了冬季黑潮区域海温异常(SSTA)的时空演变,结果显示:冬季黑潮SSTA具有整体一致的空间变化特征,并具有明显的年际、年代际变化趋势。划分了冬季黑潮海温的正、负异常年,分析了相应年份若干气象要素场的分布特征,结果表明:负异常年时,黑潮海域SLP和700hPa高度场为负距平,冬季风加强,正异常年则反之;冬季黑潮区域SSTA与850hPa风场距平的分布形态关系密切。

不同海域SSTA对东半球越赤道气流年代际变化影响的数值模拟研究

采用1950—2000年逐月观测的不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋)海表温度,分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,进行了多组长时间积分试验,对比ERA-40再分析资料,讨论了这些海域海表温度异常(SSTA)对东半球越赤道气流年代际变化的影响。数值试验结果表明,全球、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋海表温度变化分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式,均能模拟出索马里、120°E和150°E越赤道气流在1970年代中后期由弱变强的年代际变化特征,其中模拟的索马里越赤道气流年代际变化特征及其与东亚夏季风年代际变化关系均与观测结果较一致,而热带外海表温度驱动全球大气环流模式未能模拟出此年代际变化现象,表明全球、热带、热带印度洋-太平洋及热带太平洋海表温度变化均对索马里越赤道气流在1970年代中后期的年代际变化具有重要作用,热带太平洋是关键海区;索马里越赤道气流的年代际变化与热带太平洋海温年代际背景变化密切相关,当热带太平洋处于暖(冷)背景年代,热带东太平洋海温异常从北到南呈"+、-、+"("-、+、-")"三明治"式距平分布,有利于赤道东太平洋南北两侧产生一对距平反气旋(气旋),然后可能通过"大气桥"的作用,与热带印度洋赤道南北两侧的一对距平气旋(反气旋)联系起来,从而引起索马里越赤道气流强度的增强(减弱)。

夏季黑潮区域SSTA及其与中国夏季降水的联系

采用海温、降水、OLR和NCEP/NCAR40a再分析资料,利用REOF方法,研究了夏季北半球海温异常(SSTA)的变化特征,结果显示:第4个REOF空间型是黑潮海温异常的典型形态。相关、合成分析表明,夏季黑潮海温正异常年时,长江流域降水偏多,洞庭湖流域显著偏多;负异常年时则反之。

东部夏季降水变化及其与北太平洋SSTA的联系

采用REOF分析和小波变换方法对1900—1999年中国东部39站夏季降水资料进行分析,结果表明:华南、西南地区和长江中下游地区及华北、东北西南部地区是中国东部夏季降水异常3个最主要的区域,都存在显著的年际变化和年代际变化。分析了这3个区域夏季降水的年际、年代变化与北太平洋冬季海表温度异常的关系。

黑潮SSTA与赤道太平洋风场及ENSO关系初探

利用NCEP/NCAR的1950—1998年海表温度场和1958—1997年海表风场再分析资料,采用相关、合成等分析方法,研究了黑潮区域SSTA(sea surface temperature anomaly)与太平洋风场的关系。结果表明:从SSTA滞后风场3月起,与其关系密切的经向风关键区位于赤道西太平洋(140~160°E,5°S^5°N),纬向风关键区位于赤道中太平洋(160°E^150°W,5°S^5°N),两者对SSTA的影响均可持续6月左右;纬向风关键区的强度和范围均大于经向风。进一步研究表明,黑潮SS-TA与ENSO事件有着密切的联系:E l N ino(La N ina)事件当年11月—次年12月期间黑潮海温多为正(负)异常。

Nino海区SSTA的时频结构特征

根据1950～2003年Nino海区SSTA资料,采用小波变换方法分析了SST变化的多尺度结构及其强度变化。结果表明,Nino海区的SSTA序列表现为多层次相互嵌套的时频结构,存在着2～7a、8～20a和30a以上时间尺度的变化,经检验显著变化周期为2～7a,10a以上和1a以下的周期信号较弱。冷暖事件的能量主要集中在2～7a的尺度上,以准4a尺度的周期振荡最为显著。同一事件在不同海区的频率结构也不相同,1970年以后各尺度上冷暖事件的强度明显增大,有向低频发展的趋势。

印度洋SSTA对西北夏季空中可降水量的影响研究

利用近50年NCEP再分析月平均高度场、风场、地面气压,比湿以及NOAA重构海表温度资料,运用SVD及合成分析等方法,研究了印度洋SSTA对我国西北地区夏季空中可降水量的影响,结果表明前期秋季印度洋海温异常对预测夏季中国西北空中可降水量的变化特征具有明确的指示意义,而且关键区主要在赤道印度洋,如果印度洋秋季海温异常偏暖,则中国西北夏季空中可降水量异常偏少,反之亦然。同时发现由于印度洋秋季海温近50年有变暖趋势,使得中国西北夏季空中可降水量呈变少趋势。另外通过分析还发现,若印度洋秋季海温异常偏冷(暖),中国大陆上空从同期秋季到后期夏季500 hPa高度场呈西低(高)东高(低)型,这样新疆有明显偏弱(强),而期间南压夏季风也强(弱)于常年。冬季风弱(强)于常年,后期夏季我国西北地区东北部有异常偏强(弱)的偏南的水汽输送,使得空中可降水量异常偏多(少)。

冬季黑潮SSTA影响东亚夏季风的数值试验

利用NCAR CCM3模式研究了前期冬季黑潮区域海温异常(SSTA)对东亚夏季风的影响,结果表明:当前期冬季黑潮区域海温异常偏高时,西北太平洋副热带高压位置偏西、强度偏强,夏季风较弱,梅雨锋位置偏南,江淮流域及长江中下游地区降水偏多,而华北和东北地区降水偏少;反之亦然。

北太平洋持续SSTA影响东亚初夏大气环流的数值试验

应用一个在NCARCCM3(T42L18)气候模式基础上发展的CCM3(R15L9)长期预报模式,模拟研究了北太平洋海区持续暖海温对东亚初夏大气环流的影响。结果表明,北太平洋海区海温持续偏暖引起亚洲—太平洋地区(20～40°N)对流层出现明显的增温带,有利于初夏东亚南支西风急流的减弱、北跳,东风急流加强北移和西太平洋副热带高压加强北抬,还有利于亚洲夏季风发展和东亚大陆近地面平均温度回升。上述环流特征,加速了东亚初夏季节转换过程。

东亚夏季风与北太平洋SSTA关系的年代际变化特征及其机制研究

利用 NCEP/NCAR提供的 40年再分析资料和英国气象局提供的海温资料以及中国气象局整编的 1 6 0站降水资料 ,分析了东亚夏季风以及我国华北夏季降水的年代际变化特征及其与北太平洋 SSTA的关系。指出东亚夏季风在 70年代中期发生显著变化 ,1 976年前东亚夏季风偏强 ,受其影响华北地区夏季降水偏多 ;1 976年以后 ,东亚转为弱夏季风阶段 ,华北地区进入少雨期。研究表明 ,1 976年前北太平洋SSTA对大气作用显著 ,北太平洋海温异常对大圆波列会产生一种年际尺度的“刺激”作用叠加在年代际背景上 ,加强或减弱波列强度 ,造成强夏季风阶段华北夏季降水偏多气候态下的年际变化。 1 976年后 ,北太平洋地区海气温差小 ,海温对大气加热作用不明显 ,因此北太平洋海温异常通过大圆波列与东亚夏季风的联系也变得淡漠 。

江淮梅雨期降水不同尺度异常与SSTA的关系

利用1959—2000年江淮地区80站的月降水量资料,研究江淮梅雨期(6—7月)不同尺度降水量异常的时间演变规律,分析江淮梅雨不同尺度降水异常与海温异常的关系。结果表明:1)近42 a来,江淮梅雨期降水异常呈明显上升趋势,同时存在显著的年际、年代际尺度变化信号。2)对江淮梅雨期降水异常进行时间尺度分离,不同尺度的降水异常序列多(少)雨年份表现出很大的不同。在少雨背景上,年代际变化序列出现多雨期。在多雨背景上,年际变化序列出现明显的少雨年份。3)分析不同时间尺度的江淮梅雨期降水异常序列与SSTA的关系,发现对应的显著相关区域有很大不同,这意味着海温异常对江淮梅雨存在多时空尺度的影响作用。

热带印-太海温与海河流域夏季降水的联合模态及降水预测应用

利用1961—2020年中国站点观测降水资料和英国Hadley中心海表面温度资料,针对海河流域夏季降水预测困难的问题,通过多变量经验正交分解(MVEOF)方法的正、反向应用,分析了热带印度洋-太平洋前期海温变化与海河流域夏季降水异常年际变化的联合模态特征,据此建立了海河流域夏季降水的客观统计预测模型并检验预测效果.结果表明:(1)前期ENSO事件和热带印度洋(TIO)海温季节演变与海河流域夏季降水异常分布型关系密切.若前冬El Niño事件达到鼎盛,春季开始衰减,并引起TIO海盆尺度滞后增暖,则当年夏季海河流域降水一致性偏多,偏多中心在流域北部;若前秋El Niño向La Niña事件转变,随后TIO暖海温转冷,则夏季海河流域降水易出现西部偏多、东部偏少型分布;此外,如果前期出现太平洋经向模态(冷舌模态)的海温异常分布时,夏季流域降水异常为西北多、东南少(南多北少).(2)根据联合模态统计关系建立的预测模型,对2013—2020年海河流域夏季降水有较好的预测能力.与实况相比,模型对全域降水异常预测的时间相关系数为0.86、趋势预测准确率为87.50%,对站点的趋势预测准确率为51.35%~70.27%,对旱涝程度预测的平均偏差仅为45.92%,但对降水异常空间分布的预测技巧整体较低.本文阐明了前期热带印-太海温与海河流域夏季降水异常的统计关系,并建立了海河流域夏季降水的客观统计预测模型,为我国华北地区短期气候预测提供了一种新的有效参考.

小波能量谱及其在热带太平洋SSTA多时间尺度结构研究中的应用

通过比较傅里叶分析和小波分析中能量守恒公式，提出了小波能量谱的概念。对一个复合的试验序列做比较分析，显示出小波能量谱具有直观地反映振动强度随频率和时间变化的优良性能，特别是对ｃｏｓ（ω２ｔ）ｃｏｓ（ω１ｔ）型的变化。应用于热带太平洋海表温度异常分析，得到它的年际变率主要由２年、４年和１年的振动组成，间隔１０年左右同期增强或减弱为时间演变的主要特征。