东亚副热带季风季节循环年际变化对华北夏季降水的影响

由于受到东亚副热带夏季风复杂变化的影响,华北夏季降水的年际变化预测一直是我国季节气候预测的难点。本文采用1979~2020年中国站点日降水数据和CRA-40大气再分析资料,通过谐波分解、MV-EOF分析等统计方法,研究了东亚副热带季风季节循环年际变化对华北夏季降水的影响。结果表明:在气候态上,华北降水相关的季节循环在850 hPa风场上主要表现为东南风和西南风主导两种模态,其中,西南风主导的降水在7月初达到峰值,而东南风主导的降水在7月底达到峰值。在年际尺度上,季节循环前两个主模态中的华北降水虽然表现为区域一致性变化特点,但在夏季先后受到西南风和东南风的影响。通过对季节循环华北夏季风雨季的开始时间(P1)、峰值时间(P2)、结束时间(P3)、持续时间(Dur)和振幅(Amp)与夏季(6~8月)降水年际变化分析,我们发现东南风主导的季节循环的P1、P3和Amp与华北夏季降水异常呈显著正相关,而P2和Dur与华北夏季降水异常呈负相关。西南风主导的季节循环的P2、P3和Amp与华北夏季降水异常均呈显著正相关。其中,东南风季节循环的位相(P1、P2、P3)变化与夏季西南风的强度有关,而其幅度(Amp)变化主要取决于东南风的强度。由于东南风主导的夏季降水开始于每年的4~5月份,其建立的早晚为6~8月夏季降水的季节预测提供了一个新的参考指标。

硫酸盐气溶胶直接辐射效应对东亚副热带季风进程的影响

本文利用全球气候—大气化学模式CAM5并结合NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)1950～2009年再分析资料,讨论硫酸盐气溶胶直接辐射效应对东亚副热带季风爆发、发展和结束进程的影响。模拟结果表明:硫酸盐气溶胶通过直接辐射效应引起东亚大陆大部分地区近地面降温,进而降低了中纬度东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力对比,延迟春初、提早夏末海陆纬向热力差异逆转时间,由此引发东亚副热带季风爆发时间延后了4候左右,结束时间提前了3候左右;减小的海陆热力差异导致东亚大陆偏南风减弱、东亚季风减弱以及季风降水的区域调整。我们通过NCEP/NCAR再分析资料分析亦发现,1980年以后中纬度东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力差异逆转时间比1980年以前在春初延迟、夏末提前,导致了副热带季风爆发时间比1980年之前延后,结束时间提前,东亚大陆偏南风减弱,副热带夏季风系统性减弱,硫酸盐直接辐射效应可能是造成这一结果的原因之一。以往的观测和模拟都表明,由于人为活动的增加,导致1980年后东亚大陆硫酸盐气溶胶负荷较之前大幅增加,而东亚夏季风减弱,本文的研究进一步确认了两者间关系。

东亚副热带季风雨带建立特征及其降水性质分析

利用1961—2006年NCEP/NCAR再分析数据集和TRMM、CMAP多年平均逐候降水资料,分析了中国东部副热带季风雨季的起始时间、建立特征及其降水性质。结果表明,第16—18候,在中国江南南部和华南北部地区(25°30°N)日降水率达到6 mm/d,且范围较大,在低层该雨带的水汽主要来源于西太平洋副热带高压南侧转向的西南水汽输送,其源地即为西太平洋副热带季风雨季开始。雨带建立同时,东亚副热带地区中东太平洋的纬向海平面气压梯度首先在中纬度发生反转,即西低东高(相应于西暖东冷)。中国东部副热带地区出现加热中心并伴有上升运动,强度逐渐增强,并伸展至对流层顶,其强度及对流高度与热带地区相当,对流层中低层大气呈对流不稳定,降水已具有对流性降水性质。与此同时,南海西太平洋地区仍在副热带高压控制之下,盛行下沉运动,无降水产生,南海夏季风及其相应的水汽输送尚未建立。东亚副热带季风雨带的建立(3月底4月初)早于热带夏季风雨带,两雨带分别具有独立的热源中心和上升运动。南海夏季风即将爆发之际,赤道地区加热中心快速北移至南海地区,与副热带地区热源相互作用。

东亚副热带季风的季节转变特征及其可能机理

利用NCEP/NCAR再分析数据资料及CMAP降水资料,进一步对东亚副热带季风季节转换特征及其可能机理进行研究。首先根据东亚副热带季风经向风分量的季节性转变特征界定了东亚副热带季风活动代表区;联合"热成风"原理和"热力适应"理论推导得出了"热风雨"关系式,即纬向海陆热力(温度)差异、经向风垂直切变以及与季风雨相联系的垂直运动三者在副热带季风演变过程中的一致相关关系;比较分析了季风区不同时段的区域平均风向垂直变化以及相应的冷暖平流特征。结果表明:冬季风期间,区域平均风向随高度逆转,呈现冷平流特征;夏季风期间,区域平均风向随高度顺转,呈现暖平流特征。同时还分析了区域平均的风向季节转变,讨论了副热带季风经圈环流的演变过程以及相应的地面10 m风场转变过程特征。上述研究表明,无论是纬向海陆温度差异、经向风垂直切变、低层风向角、冷暖平流,还是中高层垂直运动及其相应降水距平都统一于18—22候发生显著季节转变,这说明副热带夏季风应于3月底4月初开始建立。最后给出了东亚副热带季风的季节转换概念框图。

关于东亚副热带季风和热带季风的再认识

利用NCEP/NCAR再分析数据集和CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)降水资料,分析了东亚副热带夏季风与热带夏季风的区别和联系,以及两者相互作用问题,深入讨论了东亚副热带季风的本质。分析发现东亚副热带夏季风建立早于热带夏季风,于3月中旬已经开始建立。两者是相互独立的两个过程,前者并非是后者向北推进的结果;相反,前者建立后的突然南压有利于后者的爆发。副热带夏季风为渐进式建立,但撤退迅速;热带夏季风爆发突然,但撤退缓慢。副热带夏季风的建立以偏南风的建立为特征,而热带夏季风的建立以偏东风向偏西风转变为特征。热带夏季风的建立时间取决于经向海陆热力差异转向,而东亚副热带夏季风则更依赖于纬向海陆热力差异的逆转。亚洲大陆(含青藏高原)与西太平洋之间的纬向海陆热力差异的季节逆转无论对东亚副热带夏季风还是热带夏季风均有重要作用。

纬向海陆热力差异的季节转换与东亚副热带季风环流

通过分析气候平均场上对流层中层温度的纬向偏差,其演变特征表明由春入夏高原东侧我国东部大陆的迅速增温及青藏高原的春季加热,东亚大陆和西太平洋纬向海陆热力差异的季节转换最早发生在副热带,且强度最强;与其相伴随的对流层低层冬季盛行偏北风转变为夏季偏南风,对流降水也同时出现.这可能标志着东亚副热带夏季风的建立.因此提出亚洲大陆(含青藏高原)与西太平洋之间的纬向热力差异在太阳辐射季节背景下所形成的季节循环可能是东亚副热带季风自身独立存在的推动力.

东亚副热带夏季风指数及其与降水的关系

文中利用1961～1999年NCEP/NCAR的月平均再分析资料和中国160站月降水资料,考虑蒙古中纬度地区和西太平洋副热带地区的大气环流特征定义了一个简单的东亚副热带夏季风指数,研究了该指数与夏季大气环流和中国降水变率的关系,并与其他季风指数进行了比较.结果表明:文中所定义的季风指数表现出明显的长期气候变化趋势,20世纪60～70年代以高指数为主,而80～90年代以低指数为主.该指数不仅能够较好地反映以蒙古为中心的东亚大陆热低压和西太平洋副热带高压的变化特征,还能够指示东亚副热带夏季风的强弱以及中国长江流域降水的异常变化.与西太平洋副热带高压相比,蒙古低气压变化对长江流域的雨带变动有更大影响.当该季风指数较低时,蒙古低压和西太平洋副热带高压偏弱,中国大陆对流层低层盛行异常北风,高层主要盛行异常西南风.而低层的异常北风表示了东亚中纬度地区较强的冷空气活动,这可以使长江流域梅雨锋区的辐合和上升运怂动加强,造成长江流域降水增加.

东亚副热带冬季风南边缘的确定及其变化特征

利用国家气候中心整编的中国730个测站逐日气温资料,基于冬季的划分标准定义了副热带冬季风南边缘并分析其变化特征。结果表明,副热带冬季风南边缘存在明显的年际变化特征,年代际尺度上虽总体呈现出北移,但进入21世纪后有明显的向南扩展、入冬时间提前的趋势。东亚副热带冬季风南边缘异常偏北年的风场在大陆上有显著的偏南风分量,不利于冷空气南下。定义的东亚副热带冬季风南边缘指数与冬季气温呈一致的正相关,气候变暖可能是冬季风南边缘偏北的主要原因。

中国东亚副热带夏季风北边缘带研究进展

东亚副热带夏季风北边缘带作为季风区和非季风区的过渡带,对我国西北地区东部、华北和东北地区,特别是黄河流域的天气、气候变化和极端灾害性天气气候事件的发生具有重要影响。本文回顾了有关中国夏季风北边缘带的定义、边缘带的空间界定和变化特征以及边缘带内气候变化趋势等不同角度的主要研究进展,并总结了影响夏季风北边缘带变化的可能因子。东亚副热带夏季风北边缘带是位于东亚大陆性气候系统与海洋性气候系统的交界区,在现代气候上表现为东北—西南向的半干旱、半湿润气候区。边缘带内气候变化复杂、自然灾害多以及影响因素多。最后提出了现有研究中关于夏季风北边缘时空分布精细化等方面的一些不足和值得进一步研究的问题。

国内东亚热带-副热带季风的研究进展

简要回顾了近年来国内在东亚热带-副热带季风方面的研究进展。涉及亚洲热带季风爆发特征、爆发机制、季风指数设计、东亚季风环流系统、低频振荡活动以及东亚季风年际和年代际变化等问题,并讨论了东亚热带-副热带季风研究中存在的问题及未来的研究前景。

一个新的东亚副热带夏季风指数的定义

利用1958—2014年夏季NCEP/NCAR大气环流资料和中国486站降水观测资料,通过多种统计诊断方法,从与夏季中国东部3类不同雨型分布相联系的东亚高低层风场变化特征出发,依据与雨带变化密切联系的高层200 hPa纬向风定义了一个新的东亚副热带夏季风指数。分析表明,该指数不仅能反映夏季东亚大气环流的变化特征,兼顾北方冷空气活动和南方东亚夏季风环流变化,同时还能反映夏季中国东部降水南北差异的年际特征。强东亚副热带夏季风指数年,高层中纬度西风急流位置偏北,低层西太平洋副热带高压偏强偏北,有利于冷空气活动位置偏北和东亚东部西南暖湿气流向北推进,中国东部多以Ⅰ类雨型为主;弱东亚副热带夏季风指数年的环流变化刚好相反,中国东部多以Ⅲ类雨型为主。与现有东亚夏季风指数的对比分析表明,该指数在反映中国东部南北区域降水变化的差异方面有很大改进。

东亚副热带夏季风环流指数及其与中国气候的关系

采用大气环流正、斜压分解方法,从东亚副热带夏季风为正、斜压混合型季风观点出发,定义并计算了1958-1997年东亚副热带夏季风环流指数。该环流指数与1961-1995年中国160站夏季降水、气温的相关分析表明,它与中国东部夏季降水和气温的关系密切:强季风年,以河套地区为中心的黄河流域及华北地区多雨,长江流域少雨,华南和东南沿海多雨,以长江流域为中心的全国绝大部分地区气温偏高。弱季风年情况相反。此外,还将该环流指数与目前常用的4种东亚夏季风指数进行了对比分析。

东亚副热带夏季风与山西省夏季降水的关系

利用山西省58个台站1960～2009年夏季降水资料和NCAR/NCEP逐月再分析资料，在考虑蒙古中纬度地区和西太平洋副热带地区大气环流特征的基础上，根据海陆气压差建立了东亚副热带夏季风指数，并研究该指数与山西省夏季降水的关系。结果表明：东亚副热带夏季风指数IS S M表现出明显的长期气候变化趋势，20世纪60～70年代以正值为主，而70年代末之后以负值为主。ISSM指数能够很好地反映出蒙古低压和西太平洋副热带高压系统的典型特征。东亚副热带夏季风越强对应着山西夏季降水越多，山西中部、南部偏东的大部分区域属于东亚副热带夏季风控制区，运城盆地、西部高原山地、忻州盆地、大同盆地等属于东亚副热带夏季风西北边缘区。

江淮梅雨对东亚副热带夏季风进程及海温异常的响应

利用1960-2020年江淮地区75个气象站逐日降水量、气温、相对湿度资料以及NCEP/NCAR再分析资料和Hadley中心海表温度资料,研究了东亚副热带夏季风进程变异对江淮梅雨的影响,揭示了不同类型梅雨期太平洋海温及大气环流异常特征。结果表明:8种江淮梅雨类型中,多雨型占45.9%,少雨型占54.1%,其中多雨型在前30 a占36.7%,后31 a占63.3%。江淮典型梅雨年(高温高湿多雨)的主要特征为安徽南部、江苏中部及湖北东部地区降水偏多,安徽南部、江西东北部及浙江西北部气温偏高,淮河流域湿度大;而在非典型梅雨年(低温低湿少雨)大部分地区雨量偏少,气温呈“东高西低”分布,低温中心区位于淮河中游,湿度呈“西大东小”分布。欧亚大陆中高纬度阻塞高压增强,脊前向南输送的西北气流加强且路径偏东,中国东北冷涡强度较强且位置偏西南,东亚大槽加深,槽后冷空气向南输送,有利于典型梅雨形成。当前期冬春季赤道东太平洋海温异常偏高,西太平洋海温异常偏低时,西太平洋副热带高压强度偏强、面积偏大、脊线位置偏南、西伸脊点偏西,东亚副热带夏季风推进到江淮地区的时间偏早,出梅偏晚,梅雨期降水量偏多。

江淮梅雨与东亚副热带夏季风进程变异的关系

根据中国气象局《梅雨监测业务规定》中的入、出梅标准,结合1960—2016年全国661个常规气象站逐日气象资料,以及NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析了江淮梅雨和东亚副热带夏季风进程变异的时空特征,提取季风关键区(32°~34°N,112°~120°E,包含17个站点),并分析了江淮梅雨和季风关键区的联系与成因。结果表明:1960—2016年平均梅雨期为6月8日—7月15日,平均梅雨量为303 mm。比东亚平均梅雨季的开始时间早9 d,比其结束时间晚7 d。梅雨量在近57 a中也呈波动式变化,但整体为上升趋势。入梅越早,出梅越晚,则梅雨期越长,梅雨量越多。副热带夏季风推进到关键区的平均时间为5月19日,其在1970s末和1990s末分别发生了由偏晚向偏早和由偏早向偏晚的突变。夏季风到达关键区偏早时,出梅日偏晚,梅雨量偏多,季风到达偏晚时,出梅日偏早,梅雨量偏少。副热带夏季风推进时间和江淮梅雨量呈全区一致的负相关,负相关区位于湖南、湖北及江西三省临近的两湖地区。东亚副热带夏季风到达关键区时间偏早(晚)年,500 hPa高度场上乌拉尔山—鄂霍茨克海为正(负)距平,阻塞高压增强(减弱);日本海附近为负(正)距平,东亚大槽加深(西退北缩),加强(削弱)了槽后冷空气向南输送且不(有)利于中低纬度副热带高压的北跳,西太平洋副热带高压中心强度增强(减弱),位置偏西(东),其西北侧的西南暖湿气流输送加强(减弱),江淮地区有水汽的辐合(辐散),有(不)利于梅雨量偏多。

东亚夏季副热带季风活动范围研究进展

东亚夏季副热带季风(EASSM)的活动范围和强度对中国大陆的中东部、日本、朝鲜半岛和西北太平洋地区的降水有重要影响.综述东亚夏季副热带季风活动范围研究成果,分析东亚夏季副热带季风活动范围变化的可能原因,对今后如何进一步开展这方面研究提出了一些建议,这对于东亚夏季副热带季风的进退、季风边缘带的气候变化、中国北方干旱化和生态环境的演变等科学问题的研究都有借鉴作用.季风活动的范围是一个动态区域,东亚夏季副热带季风活动的边界可用其活动所能到达地区的概率来划分.东亚夏季副热带季风活动的范围和边界的变化不仅与热带季风向北爆发的强弱有关,还与极地和中高纬度的环流系统,以及青藏高原对季风的动力、热力作用都有密切的关系,今后应加强这方面的研究工作,尤其要加强定量描述东亚夏季副热带季风变化的研究工作,这将有助于进一步科学界定东亚夏季副热带季风活动范围.

东亚夏季副热带季风主要活动路径的特征分析

利用1948-2002年NCEP/NCAR全球再分析资料,根据东亚夏季副热带季风建立和活动范围的气候学时空分布特征,对其进行了分类研究;揭示了不同类型的东亚夏季副热带季风与代表大气环流形势的850 hPa风场之间的关系。得出结论:(1)根据东亚夏季副热带季风在我国建立并向北跃进特征的不同,将东亚夏季副热带季风分为三种类型:偏西类、中间类、偏东类,给出了1948—2002年东亚夏季副热带季风分类年历表。(2)850 hPa南风风场的特征与东亚夏季副热带季风向北跃进的特征具有比较好的对应关系。

春季海陆热状况异常与东亚夏季副热带季风活动的相关分析

利用1951-1998年NCEP/NCAR再分析月平均资料及中国国家气候中心160个气象站1961-2000年降水量资料,对25°N-40°N的4个纬度东亚夏季风ISMφ指数与春季全球地表(2 m)平均温度场进行了相关分析,选取显著相关区域定义了春季海洋热状况异常指数,进一步分析其与夏季风ISMφ脚指数、中国7-8月降水量的相关关系.结果表明:①春季全球地表平均温度场与30°N,117.5°E和35°N,117.5°E的ISMφ指数相关显著,海洋区域为典型显著相关区,而与低纬度25°N,117.5°E和中纬度40°N,122.5°E的ISMφ指数相关不显著;②北太平洋黑潮区、东澳大利亚暖流区及Nino3区的海表温度异常为夏季副热带季风活动强弱的重要前期信号场;③定义了2个春季热状况异常指数,与东亚夏季副热带季风尤其是中纬度ISMφ指数相关较显著,当前春海洋热状况异常指数,Is1较大时,与中国夏季7-8月降水场呈自北向南的"-、+、-、+"相关波列,中国华南、华北、东北地区南部7-8月季风降水量稍多,长江流域及东北北部地区降水量稍少.

东亚-北太平洋偶极型气压场及其与东亚季风年际变化的关系

利用美国NCEP/NCAR的月平均再分析资料,研究东亚太平洋地区地面气压的耦合模态与东亚副热带季风异常的关系,结果表明:在亚洲大陆和北半球太平洋之间气压场的偶极子模态主要反映了东亚地区东西向气压梯度的异常。从20世纪60年代到70年代中期,东亚太平洋的这种偶极子表现为蒙古地区气压偏低和太平洋地区气压偏高的特征,而从20世纪70年代后期到90年代,则表现为蒙古地区气压偏高和太平洋地区气压偏低的特征。在偶极子指数值较高的年份,冬季(或夏季)蒙古高压(或蒙古低压)和太平洋阿留申低压(或太平洋副热带高压)较强(或弱),此时东亚和西太平洋副热带和中纬度地区盛行异常北风,对应着强(或弱)的东亚副热带冬(或夏)季风。因此,东亚太平洋偶极子模态实际上是一种东亚副热带季风模。

东亚与太平洋地区热力差异对东亚季风的影响

利用1951-2014年NCEP/NCAR逐月、逐日再分析资料,1979-2014年CMAP降水资料对比分析了夏季各关键区大气热源及大气热源差值的变化特征,利用合成分析等方法探讨了关键区热力转换早晚对东亚副热带季风建立的影响,以及关键区热力差异大小对季风强弱的影响。结果表明,东亚与西太平洋热力转换早(晚)时,副热带季风建立时间早(晚),撤退时间晚(早),副热带季风持续时间长(短),热带夏季风爆发时间偏晚(早)。副热带季风建立的早晚与东亚和西太平洋热力转换的早晚在时间上较为一致。热带夏季风的爆发对副热带夏季风强度的增加有促进作用。高原的热力作用对东亚副热带季风的影响大于对热带季风的影响。海陆热力差值大(小)时,副热带高压脊线位置较常年偏南(北),东亚副热带地区表现为偏南(北)风距平,在低纬南海地区为偏西(东)风距平,高原及东亚大陆地区的上升运动较平均状态偏强(弱),西太平洋大部分地区的上升运动较平均状态偏弱(强)。且热力差值大时,南下的西北风与来自西太平洋的偏南风在30°N左右的副热带地区相汇,有利于此地区的降水的形成。包含高原的东亚与西太平洋热力差值大小比不包含高原的东亚与西太平洋热力差值大小对高度场、风场、垂直速度场的影响均更大。夏季热力差值大小对我国温度与降水的分布均有影响。