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。

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。

关于东亚副热带季风若干问题的讨论

利用NCEP/NCAR再分析格点资料、TRMM卫星降水资料、中国东部站点降水资料和CMAP降水资料,重点讨论了东亚副热带季风雨季的起始时间、建立特征及其和南海夏季风的关系,同时也讨论了东亚副热带季风的可能机制。结果表明:(1)东亚副热带季风雨季于3月底—4月初(第16—18候)在江南南部和华南北部首先开始,伴随着降水的开始是偏南风的增强和对流性降水的显著增加,华南前汛期开始。(2)东亚副热带季风雨季的建立早于热带季风雨季,在热带季风建立后两者的雨带、强西南风带、强垂直运动带、强低空水汽辐合带均是分离的,南海热带季风在其建立后,与东亚副热带季风发生相互作用,促使副热带季风雨带季节性北进,两者共同影响中国的旱涝。(3)3月中下旬,东亚大陆(包括青藏高原)上空大气由冷源转为热源,东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力差异及其相应的温度和气压对比均发生反转。东亚大陆(包括青藏高原)的动力和热力作用究竟是否是东亚副热带季风雨带提前建立的机制值得进一步研究。文章最后讨论了有关东亚副热带季风的共识与分歧。

北半球夏季副热带西风急流变异及其对东亚夏季风气候异常的影响

探讨了东亚地区副热带西风急流 (EAJS)位置的年际变化特征、影响及其可能机制 .EAJS南北变动的影响主要集中在亚澳季风区和气候平均的北半球副热带西风急流轴的南北两侧 ,这与SOI或ENSO相联系的大气环流响应很不相同 ,后者的影响主要表现在中、东太平洋上 .北半球副热带西风急流存在着两个显著不同的模态 ,其中一个模态反映的是亚太尤其是东亚地区的西风急流的南北变异 ,另一个模态出现在 15 0°E～ 12 0°W的中、东太平洋上 .它们分别联系着不同的太平洋海温异常分布 ,但都能对夏季 2 0 0hPa南亚高压的强度产生影响 ,尤其是南亚高压的东部 。

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。

东亚副热带季风特征及其指数的建立

基于大气对流活动和非绝热加热的分析 ,给出东亚夏季风区域变化特征 ,客观地确定东亚副热带季风及热带季风对流强度 ,并由此建立其与大尺度季风环流的内在联系 ,提出分别用所对应区域经向风垂直切变来构造季风指数。对比分析显示 ,上述季风指数在反映夏季环流和降水等方面效果显著 ,能很好地刻划东亚夏季风强度。同时指出 ,东亚副热带季风指数与西太平洋副热带高压及长江中下游降水密切相关 ,在空间场上表现出东亚 /太平洋型 (EAP型 )遥相关特征。高指数年副高偏南 ,长江中下游为涝 ;低指数年则相反。

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。

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。

确定东亚─西北太平洋地区夏季副热带季风建立和活动范围的一种方法

文中利用1948—2002年NCEP/NCAR全球再分析资料,1958—2002年ECWMF再分析资料,中国国家气候中心的618个测站1961─2005年的逐日降水量资料,采用作者确定的东亚夏季风(EASM)建立标准,探讨东亚夏季风在南海爆发以后继续向北和向东推进活动范围、建立、持续和撤退的时空分布特征,结果表明:(1)给出东亚—西北太平洋地区的东亚夏季副热带季风(EASSM)的定义,计算其建立时间(候)和空间分布,发现EASSM除继续向北推进的方向外,在20°─25°N还有明显向东的分支,以及向西稍偏北的分支,107.5°E以西的季风建立等时线梯度十分密集,而以东的等时线梯度很小,季风建立的等时线的总体以110°─115°E为轴心、明显向中国华北和东北地区凸起的近于折线的分布,表明EASSM先在中国大陆建立,而同纬度的中国近海和西北太平洋地区的夏季副热带季风后建立;(2)撤退的等时线则近于与建立的等时线相反分布,沿120°E的方向凸向南,表明中国东北地区和近海地区先撤退;(3)给出东亚─西北太平洋地区EASSM建立的概率等值线的空间分布,我们尝试定义了<35%概率等值线的地区为其影响的边缘地带,北边界始于黑龙江省北部48°N附近向东南经由黑龙江省南部和俄罗斯滨海省,穿过日本海止于日本北海道南部,其西边界由东北向西南沿中蒙边境止于青藏高原。20世纪90年代北部边缘地带与多年平均比偏南3─5纬度,而西部边缘变动较小,只向东偏了1个经度。

东亚副热带夏季风槽的气候特征及其与南海夏季风槽的比较

利用NCAR/NCEP再分析资料,从气候特征角度研究了东亚副热带夏季风槽的结构和演变特征及其与南海夏季风槽的区别。结果表明,无论是辐合还是对流,南海夏季风槽都强于副热带夏季风槽。南海夏季风槽伸展高度较低,位置少变;而副热带夏季风槽伸展高度较高,并且随高度向北倾斜。南海夏季风槽建立早且突然,表现为对流层低层正相对涡度突然出现,其撤退缓慢;副热带夏季风槽则是渐进式建立,表现为低层云贵高原、广西地区的正相对涡度逐步向东北方向扩展,其撤退较快。南海夏季风槽建立过程中东西风向逆转是一个很明显的指示因子,而副热带夏季风建立过程没有伴随明显的风向逆转,主要特征是西风增强。南海夏季风槽不具备锋面性质,副热带夏季风槽则具备明显的锋面性质。

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.

副热带季风环流圈的特征及其与东亚夏季环流的关系

本文利用ECMWF的2.5°×2.5°网格资料对1980—1983年夏季12次西太平洋副高的中期进退过程进行合成分析。通过对合成场的诊断,论证了夏季东亚季风区存在着在大陆雨带中上升,副热带地区下沉的副热带季风环流圈。它是大陆季风雨带凝结加热驱动的上升辐散气流在向南运行过程中与南海 ITCZ 上空向北运行的上升辐散气流在副热带地区汇合下沉而构成的热力环流圈。这一环流圈的存在在东亚夏季环流中起着重要作用。

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。

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。

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。

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。

东亚副热带西风急流位置变化与亚洲夏季风爆发的关系

利用1961～2000年的NCEP/NCAR候平均再分析资料,初步探讨了季节转换期间东亚副热带西风急流南北和东西向位置变化与亚洲季风爆发之间的联系。结果表明,亚洲夏季风爆发伴随着东亚副热带西风急流轴线的北跳和急流中心西移,急流轴北跳至35°N以北的青藏高原上空,南支西风急流消失,亚洲季风环流形势建立。南海季风爆发早年,低纬的东风向北推进的时间早,到达的纬度偏北,中纬的西风急流强度偏弱,季风爆发晚年则相反。同时,南海夏季风爆发早年,青藏高原上空急流核出现较早,西太平洋上空急流核减弱较快,急流中心"西移"较早。而在南海夏季风爆发晚年,西太平洋上空的急流核减弱较迟,青藏高原上空急流核形成偏晚,急流中心"西移"较迟。此外,急流中心东西向位置和强度变化与江淮流域梅雨的开始和结束也有密切关系。

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。