“丝绸之路”型与东亚—太平洋型遥相关的低频特征及其对江淮流域夏季降水的影响

江淮流域夏季洪涝灾害主要归因于大气环流异常的稳定维持。不同大气遥相关的低频振荡及其协同变化对江淮流域夏季降水的影响机理是大气科学领域热点问题之一。利用ERA5逐日再分析资料和中国气象局提供的逐日站点降水资料,揭示了“丝绸之路”(SR)型和东亚—太平洋(EAP)型遥相关的低频特征及其对江淮流域夏季降水的影响机理。结果表明:SR型和EAP型遥相关的10~30 d低频周期与江淮流域夏季降水关系密切,SR型和EAP型遥相关各低频系统都经历了正负位相转换并逐渐达到峰值(谷值)。其主要表现为:①10~30 d低频200 hPa等压面经向风沿西风急流呈偏北风与偏南风的交替分布,当SR型达到负位相峰值时,江淮流域为偏北风控制,中纬度低频气旋加强,加速西风急流;②10~30 d低频西太平洋副热带高压西伸东退、南亚高压东移西撤,二者相向而行,在峰值位相重叠于对江淮流域降水有利的位置;③由东亚沿岸向西北移动的向外长波辐射异常波列亦表现出显著的10~30 d低频振荡特征,处于峰值位相时,向外长波辐射在江淮流域为负异常,有利于江淮流域降水;④10~30 d低频低层正涡度、高层负涡度的配置有利于低层辐合、高层辐散,导致上升运动增强,进而触发江淮流域低频降水。

东亚-太平洋遥相关型形成过程与ENSO盛期海温关系的研究

利用1961～2000年NCEP/NCAR再分析资料、扩展重建的海表温度资料（ERSST）和中国730个站旬降水资料,采用SVD和扩展SVD（ESVD）分析、合成分析、相关分析等方法,在分析中国梅雨期降水与同期大气环流和前期冬季海温之间关系的基础上,研究了ENSO盛期海温异常导致与长江流域梅雨期降水密切相关的东亚/太平洋（EAP）遥相关型形成的过程,及与ENSO相关的海温和大气环流异常的持续性问题。结果表明,梅雨期EAP遥相关型的出现与ENSO遥强迫作用有密切关系。联系冬季ENSO和梅雨期EAP遥相关型的关键过程主要有三个：（1）西北太平洋低纬地区异常反气旋环流的形成和维持,它在冬季形成后一直可维持到夏季,使得夏季西北太平洋副热带高压偏南偏强;（2）东亚大槽持续偏弱,冷空气活动路径偏北偏东,使西北太平洋海温呈亲潮区偏冷、黑潮区偏暖的海温分布;（3）PNA遥相关型的持续发展,使北冰洋地区高度增高。后二者通过局地海气相互作用和大气内部调整过程对初夏鄂霍次克海阻塞形势的形成起重要作用。另外,持续性分析表明,ENSO年大气环流和海温距平型的持续性要比非ENSO年大得多。在ENSO年大气环流和海温之间存在很强的相互作用耦合关系,ENSO引起的大气环流异常可导致太平洋海温异常,而海温异常一旦形成反过来又可导致大气环流异常的稳定和维持,对后期初夏东亚季风和我国天气气候产生明显滞后效应。

东亚-太平洋遥相关型波列对夏季东北亚阻塞高压年际变化的影响

利用１９８０～１９８８年９年的观测资料，分析了夏季东北亚阻塞高压的年际变化及其与江淮地区夏季降水之间的关系，指出夏季东北亚阻塞高压具有十分明显的年际变化，同时它与江淮地区夏季降水之间存在着较密切的关系：当夏季东北亚阻塞高压频发时，江淮地区降水偏多；而当夏季东北亚阻塞高压维持日数少时，江淮地区降水偏少。为考察产生上述结果的原因，我们分析了全球海温异常，并利用合成的热带西太平洋海温异常模拟研究了热带西太平洋海温异常对东北亚阻塞高压形成和维持的影响。最后指出热带西太平洋海温异常引起的东亚－太平洋型遥相关波列是产生夏季东北亚阻塞高压的年际变化及其与江淮地区夏季降水之间关系的一个重要原因。

东亚太平洋与欧亚遥相关型的相互配置及其气候影响

利用近60 a中国160站夏季降水资料和NCEP/NCAR月平均位势高度场、风场等再分析资料,采用相关分析和合成分析等方法对东亚太平洋遥相关型(EAP)和欧亚遥相关型(EU)的不同配置特征及其对中国夏季降水的影响进行了研究。研究结果表明:EAP与EU两种遥相关型是相互独立的,相关系数为-0.03。两者存在以下四种配置:EAP和EU均活跃且位相相同(第I类配置)、EAP和EU均活跃且位相相反(第II类配置)、仅EU活跃(第III类配置)和仅EAP活跃(第IV类配置)。EAP与EU呈现不同配置类型时,中国夏季的降水分布相应的存在差异。当二者之间是第I类配置时,降水异常分布呈北方型;当二者配置为第II类时,降水异常分布呈现出中间型,雨带集中在长江流域;第Ⅲ类配置时,降水大值区主要集中在长江中上游黄河以南地区;而第Ⅳ类配置时,降水集中在长江中下游地区,雨带呈东北—西南走向。

华南6月降水异常及其与东亚—太平洋遥相关的关系

利用1959～2010年共52年的大气环流和降水资料,我们分析了华南前汛期季风降水(6月降水)的变化特征,发现6月华南降水与同期EAP(East Asia-Pacific,东亚—太平洋)遥相关型有显著的相关关系,两者之间的相关系数为0.35。EAP指数为正时,长江中下游以南的地区降水偏多,而长江以北和黄河之间的地区降水偏少。将华南6月降水分为与EAP相关的降水序列和与EAP独立的降水序列,比较了二者所对应环流异常的异同点。结果表明,与EAP相关的降水异常对应着EAP相关型的环流异常分布特征,降水为正异常时,850hPa风场从低纬度到高纬度呈现"反气旋、气旋、反气旋"的异常分布,湿的偏南风和干的偏北风在华南上空交汇,降水增多;而整个淮河流域上空为偏北风异常,导致南风带来的水汽输送减少,降水偏少,因此降水异常呈现偶极子分布。相比之下,与EAP独立的降水正异常对应的环流异常表现为热带西北太平洋上空的反气旋性环流异常,华南地区上空为显著的西南风异常,输送到华南地区的水汽增多,导致降水偏多。

亚洲-太平洋季风区的遥相关研究

亚洲—太平洋季风区各季风子系统间的相互作用对季风区甚至全球的气候变化都有非常显著的影响。文中根据国内外相关研究,重点分析和评述了在亚洲—太平洋季风区中4种季节内时间尺度的遥相关关系,清楚地揭示了印度夏季风、东亚夏季风和西北太平洋夏季风之间的相互作用。研究发现:(1)在亚洲季风爆发初期,印度夏季风的爆发相对于中国长江流域梅雨的开始存在相差大约两周的超前关系,形成从印度西南部经孟加拉湾到达中国长江流域及日本南部的遥相关型,即"南支"遥相关型。(2)在季风盛行期间,长江流域降水明显受热带西北太平洋夏季风的影响,与西北太平洋夏季风降水呈反相关关系,即当季风减弱时,长江流域夏季降水偏多。(3)与长江流域降水相反,华北雨季(7月第4候—8月第3候)则与西北太平洋夏季风降水呈正相关关系,当西北太平洋夏季风强时,西太平洋副热带高压异常偏北偏东,副高西南侧的异常东南水汽输送在中国华北地区上空辐合,给该地区降水偏多提供了充足的水汽条件。(4)华北夏季降水同时还与印度夏季风呈正相关关系,在夏季风盛行期间,形成由印度西北部经青藏高原到中国华北地区的西南—东北走向的遥相关型,即"北支"遥相关型。上述4种遥相关关系,反映了亚洲夏季风季节北推过程中,印度夏季风、东亚夏季风和西北太平洋夏季风子系统之间的关联。

初夏东亚—太平洋遥相关波列年际变化的一种物理机制

根据1978—2002年北半球500hPa高度场、地表温度场以及中国夏季雨带类型资料,应用最小二乘法获得了能反映1978—2002年各年北半球大气环流演变大尺度特征的25组空间谱函数。采用改进的低截谱模式方法和多种统计假设检验方法获得了夏季东亚—太平洋遥相关波列年际变化的一个物理机制。结果表明,当大气环流的内部动力过程中大尺度波-波和波-流相互作用明显时,大气环流的演变表现出明显的非线性特征,导致初夏从低纬到高纬东亚—太平洋遥相关波列多为"-、+、-"分布,相应的EAP指数多为正值,西太平洋副热带高压北跳明显,相应中国夏季多雨区主要位于淮河流域及其以北地区;反之,当大气环流的内部动力过程中大尺度波-波和波-流相互作用较弱时,大气环流的演变表现出较为明显的线性特征,初夏从低纬到高纬东亚—太平洋遥相关波列为"+、-、+"分布,EAP指数多为负值,夏季西太平洋副热带高压北进不明显,相应中国夏季多雨区主要位于淮河、长江流域及以南地区。

夏季东亚大气遥相关型变化特征及其与长江中下游旱涝的关系

用 ５００ ｈ Ｐａ 高度场资料及中国 １６０ 个站的月平均降水资料，采用 Ｅ Ｏ Ｆ、合成分析和奇异谱分析等方法，分析了长江中下游旱涝年夏季降水与同期东亚大气环流的关系，结果表明长江中下游旱涝与 ５００ ｈ Ｐａ 高度场东亚太平洋遥相关型（ Ｅ Ａ Ｐ）关系密切， Ｅ Ａ Ｐ指数能较好地反映夏季 ５００ ｈ Ｐａ 高度场的配置及长江中下游降水。文中重点讨论了 Ｅ Ａ Ｐ指数的振荡周期及高低指数年西太平洋副高的变化特征。 Ｅ Ａ Ｐ指数 ３～６ 年、准两年及年代际变化反映了长江中下游旱涝的年际变化及年代际变化趋势。 Ｅ Ａ Ｐ高指数年（对应涝年），西太平洋副热带高压为纬向型，随季节南北移动较缓慢，副高位置偏南偏西，并且强度偏强；而 Ｅ Ａ Ｐ低指数年（对应旱年），西太平洋副高呈经向型，随季节由西南向东北移动较迅速，副高偏东偏北，并且强度偏弱。

中高纬度大气遥相关动力学及其对东亚冬季气候影响的研究进展

北半球热带外大气存在多种形态的大气遥相关。按其空间结构,可以分为两类:(1)异常中心为南北分布的偶极子型(例如北大西洋涛动、北太平洋涛动);(2)异常中心呈波列型(例如北太平洋/北美型遥相关、欧亚型遥相关)。这些遥相关活动及其变异,不仅对遥相关控制的地区,而且对与遥相关相距很远的地区的天气和气候也产生影响。研究大气遥相关的形成机理及其天气气候影响,是进行短期气候预测的基础。近十多年来北半球中高纬度的大气遥相关动力学研究取得很大进展,在此对一些主要进展进行总结,特别关注影响中国天气、气候的大气遥相关及其影响机理方面的研究进展。

冬季北太平洋涛动异常与东亚冬季风和我国天气气候的关系

用1948—2000年的北半球海平面气压场月平均资料,计算了北太平洋涛动指数和东亚冬季风指数,并研究了北太平洋涛动与东亚冬季风及我国冬季天气气候的关系。研究表明,北太平洋涛动异常变化与我国冬季天气、气候关系密切。强涛动年,东亚冬季风偏弱,我国气温普遍偏高,长江中下游地区降水偏少,而华南降水偏多;而弱涛动指数年,东亚冬季风偏强,我国气温普遍偏低,降水偏少。此外,还指出,强(弱)INPO年大气环流具有弱(强)WP型和强(弱)EU遥相关型。

北半球大气遥相关型与区域尺度大气扰动

北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)和太平洋—北美型(PNA)等北半球大气遥相关型,可以用大气位势高度的物理分解扰动分量解释.结果发现,AO反映的是北极地区行星尺度纬圈平均扰动分量的变化,PNA与持续性天气尺度扰动分量相联系,NAO是行星尺度纬圈平均扰动与天气尺度扰动共同作用的结果.对行星尺度纬圈平均扰动分量和天气尺度扰动分量用旋转经验正交函数(REOF)展开,不但可以证实人们已经命名的区域性大气涛动,还新发现了北极地区的两对偶极涛动、欧亚涛动(EAO)和"大西洋—欧亚型"(AEA)波列.这些涛动连接了相邻地区的异常天气和异常气候.

北半球夏季EAP遥相关型的时空及环流特征研究

为更好地分析近年来EAP遥相关的时空变化特征,利用1951-2016年NCEP再分析资料,并主要采用合成分析的方法着重对夏季EAP的空间结构以及环流特征等进行了讨论和分析。结果表明,夏季EAP遥相关型的空间模态在各个层次和高度中都有体现,尤其是在对流层中层,并且中心位置都非常接近,表现出了明显的相当正压结构。同时EAP遥相关型主要存在的是准3年周期,主要以年际变化为主。EAP遥相关高指数年分布都呈现"-+-"的分布,西太平洋副热带高压偏北偏东,华南和华北地区降水偏多,而江淮和长江中下游地区夏季降水偏少,且有可能发生干旱;低指数年则为"+-+"的分布形势,西太平洋副热带高压偏西偏南,中国江淮流域等地区夏季降水偏多,并可能发生严重的洪涝灾害。

遥相关型对我国西南地区高温热浪天气的影响

为了进一步研究遥相关型对我国西南地区高温热浪天气的影响,本文利用中国西南地区148个气象站1979~2019年6~8月的逐日最高气温数据和NCEP/NCER的月平均位势高度场再分析资料,以6~8月500 hPa平均位势高度场作为夏季平均高度场,通过自然正交函数(EOF)分解得到西南地区高温热浪的时空分布特征,再分别对东亚–太平洋(EAP)遥相关型典型正负异常指数年的500 hPa位势高度场相对于1979~2019年夏季气候平均高度场作合成分析。结果表明:1) 总体看来,西南地区高温热浪次数分布东多西少,重庆为高温热浪次数大值区。2) 西南地区高温热浪次数具有整体增多的趋势,近几年都在增加但变化幅度不大,但是2006年是明显增多的异常年份。而且其空间分布具有明显的东西差异,在四川东部和重庆地区为大值区,其次是贵州和广西大部分地区,云南高温热浪次数较少。3) EAP遥相关型的年代际变化不明显,其主要是以年际变化为主的。EAP指数典型正负异常年的大尺度环流场具有比较明显的差异,典型正异常指数年,东亚夏季风比较强,而西太副高脊线偏北偏东,并且副高强度较弱;典型负异常指数年则刚好与之相反,夏季风较弱,西太副高脊线偏南偏西,且副高比较强。EAP遥相关型在500 hPa高度场中的异常分布特征对温度和大尺度环流形势有明显的影响,由此可进一步影响我国西南地区以及整个东亚的气候。

两类厄尔尼诺事件对次年山东夏季降水的影响研究

厄尔尼诺(El Nino)事件可根据海温极大值中心分为东部型El Nino和中部型El Nino。本研究通过观测资料研究了1979-2020年两类El Nino事件对次年山东夏季(6-8月)季节平均和月平均降水异常的影响。结果显示,中部型El Nino次年夏季西北太平洋反气旋较气候态偏北,进而增强东亚夏季风,使得山东夏季平均降水偏多。伴随着反气旋在季节内的北移,降水正异常在晚夏(8月)最为显著,而东部型El Nino次年夏季反气旋较气候态偏南偏弱。同期日本列岛地区由于东亚-太平洋遥相关负位相的出现产生异常气旋,山东地区受气旋西侧干冷北风控制,夏季降水偏少。由于气旋强度在季节内逐渐降低,所以山东干旱在初夏(6月)最显著。这些结果可以为未来山东夏季降水季节预测提供重要参考。

江淮地区夏季雨量与北半球500hPa环流遥相关的不稳定性

用 5 0年 ( 1 95 1～ 2 0 0 0年 )观测资料 ,分成 1 95 1～ 1 976年和 1 977～ 2 0 0 0年两个时段 ,研究了江淮地区夏季 ( 6～ 8月 )雨量与北半球 5 0 0hPa季平均环流时滞遥相关的年代际变化 ,同时提出了遥相关不稳定指数 ,讨论了遥相关不稳定性的空间分布和季节变化。结果表明 ,这两个时段遥相关的空间分布存在显著差异 ,且前一时期时滞遥相关强度明显强于后一时期 ,特别是江淮地区夏季雨量与前期冬季西太平洋型 (WP)的相关仅在 1 976年以前显著 ,1 977年以后迅速减弱消失 ,而对于后一时期 ,与春季欧亚遥相关型 (EU)的相关明显加强。另外 ,后一时期江淮地区夏季雨量与夏季EAP波列的相关明显强于前一时期。它反映了太平洋年代际振荡 (PDO)对东亚季风降水和环流年际相关的影响 。

中高纬度Rossby波活动对华南前汛期EAP事件中期演变过程的影响

文中从中期过程的角度探讨了Rossby波活动在华南前汛期东亚-太平洋遥相关型事件的形成、成熟和衰减过程中的作用,并得出如下结果:(1)正负东亚-太平洋遥相关型事件的形成过程有相似之处:在对流层中上层,源自东北大西洋或欧洲的Rossby波在欧亚大陆中高纬弱波导区中不断地向下游频散,最终在东亚地区形成东亚-太平洋遥相关型事件的3个异常中心。在东亚-太平洋遥相关型事件的3个异常中心之间,Rossby波能量从高纬度向中纬度和副热带地区频散。东亚-太平洋遥相关型事件副热带异常中心的形成归因于东亚副热带急流波导的存在以及上游中高纬度地区Rossby波能量的注入。在对流层低层,Rossby波则从亚洲副热带地区向东亚中纬度地区频散。(2)东亚-太平洋遥相关型事件的3个异常中心在对流层中上层中,西太平洋副热带地区异常中心最后形成。(3)正负东亚-太平洋遥相关型事件也并不是简单的反位相演变过程:在对流层中上层,在正事件成熟阶段,斯堪的纳维亚半岛上的正异常环流基本维持了其中心强度和位置,它不断地向下游东亚地区频散能量,使正事件的持续时间较长;在负事件中,由于中高纬度盛行纬向型环流,波能量的频散较快,因而负事件成熟阶段的持续时间比正事件短。(4)在这一时期,东亚-太平洋遥相关型事件对中国长江以南地区的降水形势具有显著的影响。正(负)东亚-太平洋遥相关型事件易引起长江以南降水异常偏多(少)。

东亚夏季风的年际变化及其与环流和降水的关系

利用1951-2006年6-8月NCEP/NCAR的500hPa高度场、850hPa高度场和风场、降水率和海平面气压以及全国600多站的降水量资料,选择东亚—西太平洋地区(10o-80oN,70o-180oE)经9点高通滤波、EOF分析、合成分析和其它统计诊断手段,研究了东亚夏季风的年际变化及其与环流和降水的关系,得到如下的结论:1.东亚—西太平洋地区海平面气压存在着蒙古低压和西太平洋高压之间纬向的偶极子振荡型(APD),APD指数可以作为东亚夏季风强度指数;2.东亚—西太平洋地区500hPa高度距平EOF的第一模态具有明显经向东亚遥相关型特征(EAP)。EAP指数也可以作为东亚夏季风强度指数。3.APD指数与500hPa(或850hPa)的东亚遥相关型关系密切。APD指数和EAP指数存在明显的反相关关系,它们之间的相关系数为-0.23,已超过了10%显著检验;4.APD指数和EAP指数都和我国汛期降水、东亚—西太平洋降水率关系密切,超过5%显著性的相关区主要在长江流域以南地区至日本南部海面一带,前者为正相关,后者为负相关。

中南半岛和华南地区极端降水时空特征

全球变暖使得极端降水事件的强度和频率均呈上升趋势,位于亚洲季风区的中南半岛和华南地区更易受到极端降水影响而发生洪涝灾害。本文利用逐日降水资料对1951~2015年中南半岛和华南地区湿季(5~10月)的极端降水事件进行客观分类,并对每一类极端降水事件的大尺度流型特征及年际、年代际和长期趋势特征进行了分析。结果表明:(1)根据降水中心位置,中南半岛和华南地区的极端降水可客观分为华南类、中南半岛类、缅甸—云南类和华南南部—越南北部类,它们所联系的大尺度流型以中高纬波列和热带偶极子环流为主。其中,华南类的大尺度流型在对流层高层为类似于东亚—太平洋(East Asia–Pacific,简称EAP)遥相关型的“+−+”经向型波列,但中心位置较典型EAP型偏西南,中东部的负异常环流为关键系统,低层为位于低纬度地区的“+−”经向型波列。中南半岛类大尺度流型为热带偶极子异常环流,对流层低层较高层更为显著宽广。其余两类极端降水大尺度流型特征为在对流层高层受Rossby波列影响,低层主要为偏弱的热带偶极子异常环流。(2)中南半岛和华南地区极端降水的频次呈显著上升的趋势,主要来自于华南类和中南半岛类极端降水的贡献。其中,“+−+”经向型波列的频发是造成华南类极端降水增多的原因。(3)中南半岛与华南地区极端降水的空间分布具有反对称特征。

江淮流域持续性极端降水及预报方法研究进展

持续性极端降水过程会引发严重的洪涝灾害,是我国主要的灾害性天气之一,其形成机理和预报理论与方法研究受到广泛关注。近年来,针对持续性极端降水的形成机理和预报方法研究取得了一系列进展,主要包括：开展了我国区域性持续性极端降水事件的自动识别方法研究,研制建立了江淮流域持续性极端降水的大尺度环流概念模型,并提取了1-2周的前兆信号;从东亚一太平洋遥相关型（EAP）角度探究其对持续性极端降水的影响机理,并探讨利用EAP对江淮流域持续性极端降水进行预报的可行性。此外,在上述研究的基础上发展了基于关键影响系统的持续性极端降水的物理统计预报方法。

东北冷涡低频活动特征及背景环流

研究了1965—2007年夏季(5—8月)东北冷涡活动的时空分布特征和同期背景环流型。东北冷涡活动区域5月主要是45°N以北,6月向南扩展到40°N以南,然后逐月向北收缩。夏季,随着东亚急流的逐渐减弱和北进,东北冷涡天数逐渐增加,6月6日前后达到峰值,但入梅后冷涡频数有所减少。随着梅雨期结束,冷涡频数进一步降低。强冷涡事件集中于入梅之前,中等和弱强度的事件主要发生在梅雨期和出梅之后。在入梅之前和出梅之后,东北冷涡频数呈现准2a振荡特征。夏季东北冷涡频数在1965—2007年具有增加趋势,其中,梅雨期的增加趋势尤为明显。东北冷涡的形态根据其上游高压脊的位置可分为4种:叶尼塞河型、贝加尔湖型、乌拉尔-雅库斯克型和鄂霍次克海-北冰洋型。西太平洋遥相关(WP)型为东北冷涡活动的同期背景环流型,东北冷涡在其负位相易于生成。此外,5—6月东北冷涡活动与太平洋/北美(PNA)型、8月东北冷涡活动与北大西洋涛动(NAO)密切联系。