影响中国夏季降水的前冬北半球中高纬大气环流年际变异主模态

本文利用观测和再分析资料,通过奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)分析,发现北极涛动(Arctic Oscillation,AO)是显著影响中国夏季降水年际异常的前冬中高纬大气环流变异的主模态。AO在冬季发展成熟,在春季衰亡,在夏季发生位相反转。AO会导致华北、东北、长江中下游和华南夏季降水异常呈现三极型分布。伴随正位相的AO,在黄海至日本海上空的异常低压伴随的东北风异常引起华北和东北水汽通量异常辐散及降水减少,而西北太平洋的异常高压不仅增强其北侧的西南风水汽输送,和北部异常低压共同作用导致长江中下游水汽通量异常辐合及降水增加,而且使得华南水汽通量异常辐散,降水减少。因此,本文发现的前冬AO模态与我国夏季三极型异常降水分布的关系可为我国夏季旱涝预测提供一个重要的中高纬前期因子。

空间分辨率对中国夏季降水时空演变特征的影响

本文使用1979—2021年国家气候中心160站(R_(160))和国家级地面气象观测站2314站(R_(2314))逐月降水观测资料,利用EOF(Empirical Orthogonal Function)分解和相关分析等方法,研究两类资料夏季降水时空变化特征及其与海气因素之间物理联系的表征水平差异,并分析了差异的可能原因。结果表明,R_(160)在我国西北、青藏高原等地区站点极为稀疏,导致其各EOF模态对上述地区降水的时空变化特征描述失真,中东部地区偏低的空间分辨率会使局地强降水的变化特征信号损失,造成降水的年际变率降低。而R_(2314)主模态能够更为真实地反映我国降水的时空演变特征,特别是在极端降水频发的江淮地区以及降水受局地地形影响较大的山区,其EOF主模态的空间分布和时间系数演变与ENSO(El Nino-Southern Oscillation)、西太平洋副热带高压、青藏高原雪盖等气候强迫信号之间的相关性更为显著。

南亚和东亚热带夏季风强弱不同配置及其对中国夏季降水的影响

利用NOAA向外长波辐射(OLR)、NCEP/NCAR再分析资料和CN05.1降水资料,研究了南亚和东亚热带夏季风强度年际变化关系,及其强弱不同配置对中国夏季降水的影响。结果表明:南亚和东亚热带夏季风强度变化之间存在同相和反相两种配置,定义的强度同相和反相变化指数可以很好地表征该关系。同相变化模态可能与海温异常时的强El Nino(La Nina)影响有关,其反相变化模态受El Nino(La Nina)以及印度洋海盆一致模的影响,同时西太平洋副热带高压和伊朗高压位置东西偏移和强度变化也影响着不同配置的出现。两者不同配置时,对中国夏季降水的影响不同。当变化呈同相偏强时,夏季中国东部地区降水为“中间少南北多”的雨型。当变化呈反相,东亚热带夏季风偏强南亚夏季风偏弱时,夏季中国东部地区降水为“一致偏少”雨型。

基于年际增量法的卷积神经网络模型对中国夏季降水的预测研究

将前冬的500 hPa位势高度、向外长波辐射和海表温度的年际增量作为预测因子,建立基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)的非线性预测模型,对中国160个测站夏季降水展开预测研究,并与基于线性奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的预测模型进行效果对比。结果表明:CNN在1981-2020年的交叉检验中所回报的降水平均PS评分和距平相关系数(ACC)分别为74.33和0.12,比SVD高2.15和0.06,说明CNN比SVD在整体上对夏季降水具有更好的预测能力。其中,CNN对SVD预测较好年份的预测效果提升较为明显,对SVD预测较差的年份则改进不大。CNN对中国降水预测存在一定的系统性偏差,订正后CNN对拉尼娜年的降水预测改进较大。结果表明,基于年际增量法的CNN预测模型展示出较好的潜在应用价值。

ENSO与中国夏季降水年际变化关系的不稳定性特征

根据1951～2007年中国160站月降水量资料和Nin～o3区月平均海表温度资料,采用滑动相关分析和合成分析等方法,探讨了中国夏季降水与前期冬季Nin～o3区海温年际变化关系的不稳定性问题。结果表明,它们之间年际变化关系的长期变化具有明显的地域性,东北和西北地区相关的不稳定性比东部地区大,与预测经验吻合。同时也有明显的阶段性,1951～2007年据滑动相关系数序列可分成1962～1977年、1978～1992年和1993～至今三个时期。各个时期平均约为16年。它们从一个阶段向另一个阶段过渡的时间很短,是以气候跃变的形式来完成的。近50多年来在1960年代初、1970年代末和1980年代末1990年代初共发生了3次明显的跃变过程。跃变前后某些地区滑动相关系数的符号或强度都有显著的差异。研究还表明,不同时期,尽管同样是ElNin～o事件,它们对中国夏季降水的影响有不同的表现。1962～1977年时间的相关模型有两条多雨带:一条位于华北、东北平原和内蒙古东部一线,另一条在长江中游地区。秦岭大巴山区和江淮流域降水偏少。1978～1992年时期只有一条多雨带,位于秦岭大巴山区、长江中游和下游一线。黄淮地区及华北至东北南部降水偏少。目前我们所处的时期(1993～至今)雨带分布与1962～1977年时期的模型基本相似,也为南、北两条多雨带,但其北支雨带南移,位于从川渝地区经黄淮地区、黄河下游至东北平原一带,湖北北部和长江下游降水偏少。呈现北方降水偏多、南方降水相对偏少的分布。所以,利用ENSO事件做我国汛期降水预报,不能只考虑其平均情况的年际变化关系,还应注意它们之间关系的不稳定性问题。

青藏高原异常雪盖和ENSO的多尺度变化及其与中国夏季降水的关系

对青藏高原积雪和热带东太平洋Nino3区海温进行小波分析,讨论它们的年际和年代际变化。在年际变化中,积雪的主要周期是准两年振荡和准6～7年振荡,海温的主要周期是ENSO振荡和准两年振荡。积雪的年代际变化存在准10～12年和准22～24年振荡,海温存在准14～16年和准34～35年振荡。此外积雪和海温均在20世纪70年代后期发生了一次年代际气候跃变现象。积雪由少雪期向多雪期转化,海温从冷水期演变成暖水期。本文还建立了青藏高原积雪和Nino3区海温与中国夏季降水各时间尺度的相关模型。不同时间尺度的积雪、海温和降水的相关场具有不同的地域特征。它们在有的地区相互加强,有的地区相互减弱。积雪和海温的年代际气候跃变与中国夏季降水的相关程度在某些地区高于年际变化。个例分析表明,利用青藏高原积雪和Nino3区海温多时间尺度变化可以较好地拟合出中国夏季降水的年际和年代际变化。所以在做中国夏季降水预报时,不同因子、不同尺度的作用应当分开考虑。

青藏高原东部和西太平洋暖池区大气热源与中国夏季降水的关系

利用1951～2000年NCEP/NCAR逐日再分析资料计算了大气热源,并对夏季青藏高原东部大气热源异常和西太平洋暖池区大气热源异常对中国夏季降水的影响作了对比分析研究。结果表明,如果高原东部夏季大气热源显著偏强(偏弱),则长江流域地区的夏季降水显著偏多(偏少),而华南东部地区夏季降水偏少(偏多)。菲律宾南部附近的热带西太平洋暖池区上空夏季大气热源显著偏强(偏弱)时,同期长江中下游地区偏涝(偏旱),而华南地区、江苏北部-山东南部则偏旱(偏涝)。夏季青藏高原东部大气热源异常和热带西太平洋暖池区大气热源异常对中国夏季降水的影响是有差别的,中国的夏季降水受高原东部大气热源影响的显著范围要比受西太平洋暖池区大气热源影响的显著范围要大。无论是高原热源异常还是西太平洋暖池热源异常,东亚地区的大气环流都存在类似EAP型的遥相关波列。大气热源的异常是通过直接影响垂直运动场的异常,进而影响到我国的夏季降水的异常。夏季高原热源或西太平洋暖池热源偏强(偏弱)时,西太平洋副高的脊线比常年位置偏南(偏北)。

ENSO对IOD与中国夏季降水关系的影响

利用1950～1999年Hadley中心海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和中国160站降水资料,通过讨论印度洋偶极子(IOD)独立发生时及IOD与ENSO联合发生时中国夏季降水的差异,研究了ENSO对IOD与中国夏季降水关系的影响。IOD独立发生时,其正位相年以湖南为中心的华南地区夏季降水偏多;IOD与ENSO联合发生时,正位相年河套、华北地区夏季降水偏少,东南沿海地区降水偏多。ENSO对IOD与中国夏季降水关系的影响主要表现为:在华南西部、江淮流域、河套及华北地区起抵消作用,而在东南沿海地区起协同作用。还从环流场角度分析了ENSO对IOD与中国夏季降水关系影响的初步成因。

ENSO对中国夏季降水可预测性变化的研究

众多研究表明,ENSO对东亚夏季风尤其是中国夏季降水存在很大影响,已成为中国夏季降水首要的预测因子。传统的预测模型认为,当前期ENSO为暖位相状态时,夏季中国主要雨带位置偏南,长江流域降水偏多;反之,当前期ENSO为冷位相状态时,夏季中国主要雨带位置偏北,长江流域降水偏少。基于1951—2003年中国160站月平均降水资料和同时段的NOAA ERSST海表温度资料,讨论了中国夏季降水和前冬Nino3区海温关系的年代际变化。分析结果显示,近20年来二者相关性已大大衰减。作为中国夏季降水的主要预测指标,ENSO的指示意义也相应减弱。在1951—1974年,依据前冬Nino3区SSTA预测夏季降水符号准确率在67%以上的站数有43站,但在1980—2003年,同样准确率的站数只有15站。在前一个研究时段,这43站呈区域性分布于东北地区、黄河和长江流域,但后一个研究时段内的15站分布分散,不利于区域性预测。相关分析结果表明,在20世纪70年代中期之前,当前冬赤道东太平洋海温偏高时,华北和江南南部的多数测站夏季降水偏多,淮河流域降水偏少,同时梅雨开始偏晚。反之,当前冬赤道东太平洋海温偏低时,华北和江南南部夏季降水易偏少,淮河流域降水则偏多,同时梅雨开始偏早。但在20世纪80年代之后,上述对应关系较难成立。因此,在汛期预测业务中参考ENSO的作用时必须充分考虑年代际背景的差异。

春季欧亚积雪异常影响中国夏季降水的数值试验

利用NCAR的新一代GCM CAM3.1版本模式,研究了欧亚大陆春季积雪异常对北半球大气环流和中国夏季降水的影响。结果表明,春季积雪异常通过改变其后夏季的土壤湿度和温度分布,造成对流层厚度场的异常,激发一个从欧洲西部到东亚的500hPa高度场异常波列。我国南、北方处于符号相反的高度场异常区,同时降水也呈现南北相异的态势,这表明春季欧亚积雪异常是影响我国夏季降水分布的一个重要因子。

春季海温对中国夏季降水影响的诊断研究和预测试验

文中利用季降水异常集合的典型相关预测模式 ,以全球春季 (3～ 5月 )海温场作为因子场 ,对中国夏季降水场进行了诊断研究 ,并对 1998,1999及 2 0 0 0年这几个典型的中国夏季降水进行了回报试验。结果表明 ,春季海温与中国夏季降水之间存在较好的关系 ,春季海温在较大程度上决定了中国夏季降水雨带及其分布类型。考虑面积因子的集合典型相关预测方案对中国夏季降水具有较强的回报能力 ,此模式不仅能诊断出降水场和海温场中一些比较典型的空间模态和时间变化规律 ,而且可以再现 1998和 2 0 0 0年中国大部分地区的旱涝灾害。揭示了全球春季海温的异常变化在中国夏季 (6～ 8月 )降水异常中的作用。

北太平洋次表层海温异常对中国夏季降水影响的可能途径

利用Godas月平均次表层海温资料,分析了冬、春季和夏季北太平洋次表层海温层际相似性特征,据此对次表层海温进行分层。在此基础上研究了500hPa位势高度场、北太平洋次表层海温、中国夏季降水三者之间的时滞相关关系,发现春季北太平洋次表层海温场是联系前、后期大气环流的关键因素。前期冬季大气环流对春季北太平洋次表层海温场影响最显著,春季北太平洋次表层海温场又持续影响同期及后期夏季大气环流异常。异常的夏季大气环流与同期表层、次表层海温相互作用,共同造成夏季长江流域与华北、华南降水出现相反异常的分布型式。

SVD分析揭示的澳大利亚高压年际变化对中国夏季降水的可能影响

澳大利亚高压是东亚夏季风系统的重要成员之一,其对中国夏季气候存在显著影响。为了进一步弄清年际时间尺度上的澳大利亚高压变化对中国东部夏季降水的影响,利用澳大利亚海平面气压和中国夏季降水站点资料,使用SVD和线性回归方法揭示了澳大利亚高压的年际变化与中国夏季降水异常的联系,得到:SVD的第1模态的时间系数与通常使用的澳大利亚高压指数相关可达到0.98。在有无考虑ENSO的影响时,SVD的第1模态均反映出澳大利亚高压的年际变化与中国江南地区夏季降水存在密切联系,也即澳大利亚高压增强(减弱)时,江南地区降水增多(减少)。澳大利亚高压对中国夏季降水的可能影响途径为:澳大利亚高压通过影响赤道纬向气流和越赤道气流并通过类似PJ波列的方式影响到中国东部地区:澳大利亚高压增强时,造成西太平洋副热带高压偏南、偏西,同时,105°E处越赤道气流显著加强,为江南地区提供充足水汽源,利于中国江南地区降水;澳大利亚高压减弱时,情况相反;在强(弱)澳大利亚高压年,印度尼西亚及热带辐合带海区SSTA负(正)异常使得低层风场的异常辐散(辐合),激发了澳大利亚南部以及西太平洋地区异常反气旋(气旋)环流,同时江南地区出现异常辐合(辐散),引起大气异常上升(下沉)运动,有利于中国江南地区夏季降水异常偏多(偏少)。

中国夏季降水对南印度洋偶极子的响应研究

分析了春季印度洋海表温度（SST）与中国160个站夏季降水的关系,得到：印度洋全海盆的增温趋势与我国夏季降水的气候线性变化趋势是十分一致的。另外,热带外南印度洋出现西南印度洋为正（负）、其东北部出现（负）正海温异常的分布模态时,定义为正（负）南印度洋偶极子PSIOD（NSIOD）事件。SIOD事件对中国夏季降水具有重要影响,PSIOD年,5月份中国江南和西南以及长江中下游的降水偏多;6-8月份华北、东北区域、长江中游以及华南地区降水增多,华南与华北之间的区域降水偏少,即主要为两条雨带的分布。NSIOD年,5月份中国大部降水偏少;6-8月中国西南、江南地区以及黄淮地区降水偏多。不同时段SIOD所起的作用是不同的,5月,SIOD主要通过改变马斯克林局地环流的变化,影响印度洋低层越赤道的水汽通量输送;6-8月,通过改变海洋大陆下垫面SST热状态,改变其上空对流强度以及水汽输送方向,并间接影响西北太平洋副热带高压的强度和南北位置,进而对中国雨带的分布产生影响。

亚洲夏季西风指数与中国夏季降水的关系

对1958—2000年亚洲纬向风和我国160站夏季降水进行SVD分析,发现两者具有良好的耦合关系。根据分析结果定义了一个可以表征我国夏季降水的亚洲夏季西风指数(IASW)。西风指数高(低)年,长江中下游夏季降水偏少(多),华南、河套和东北地区降水偏多(少)。同时分析了高、低西风指数年的环流特征,发现当长江中下游夏季降水偏多而华南、河套和东北地区降水偏少时,500 hPa呈负EAP型,鄂霍茨克海和乌拉尔山有阻高建立,西太平洋副热带高压偏南,105°E越赤道气流偏弱,东亚夏季风偏弱,高纬的偏北气流和低纬的偏南气流在我国长江中下游地区汇合,梅雨锋加强,使得雨带在此维持。前期鄂霍茨克海区域平均位势高度以及前期1—3月西太平洋的热带对流活动可以作为预测夏季西风强弱的前兆信号。

青藏高原4月陆面状况和地表加热异常与中国夏季降水的联系

利用1981—2002年GIMMS-NDVI资料、中国西部数据中心提供的雪深长时间序列数据集、中国753个测站降水资料及ECMWF再分析地表通量资料,通过相关和合成分析等统计方法,探讨了青藏高原(下称高原)4月植被覆盖、积雪异常与地表加热异常和与后期中国夏季降水之间的联系。结果表明,高原4月的陆面状况与同期的地表加热存在密切的联系,植被覆盖和积雪深度的变化具有较好的一致性;高原植被覆盖(积雪)主要影响地表感热(潜热)通量,从而改变高原地区的地表加热;高原地表加热和中国夏季降水存在较为密切的关系。就年际异常而言,前期高原地表加热异常与长江以南地区6月降水存在明显的负相关,与7月降水的显著负相关区域主要位于华北、东北地区,与8月降水的显著负相关区主要位于长江中上游及淮河一带。相比之下,前期高原地表加热与夏季降水的年际增幅异常之间存在更为密切的联系,即前期高原地表加热年际增幅异常与长江以南及西南部分地区6月降水年际增幅异常为负相关,而与7、8月降水年际增幅异常主要呈南正北负的分布特征。

北太平洋混合层深度异常及其与中国夏季降水的关系

利用GODAS逐月混合层深度(mixed layer depth,MLD)资料和中国160站逐月降水资料,分析了北太平洋MLD多年平均气候及异常特征,进一步研究了其对中国夏季降水年际异常的影响。结果表明:1)北太平洋30～40°N之间混合层最深,冬、春季明显大于夏、秋季。2)日期线附近的北太平洋中部海域是各季MLD年际异常共同最显著区域;仅夏季MLD年际异常与ENSO存在一定关系;秋、冬和春季MLD还存在明显年代际异常特征。3)当前冬北太平洋西部及中部MLD加深时,次年黄河下游部分地区、黄淮、江淮及长江以南大部分地区(广西南部除外)降水将偏少;河套地区、内蒙东部及东北大部降水可能偏多。

基于前春对流层温度和北大西洋涛动的中国夏季降水统计预测模型

本文在分析中国夏季降水典型模态与前期春季对流层中上层温度主要分布类型、北大西洋涛动（简称NAO）之间关系的基础上,提出基于前春对流层温度和NAO的中国夏季降水统计预测模型,并对利用该模型预报的2004~2009年中国160站夏季降水进行检验。结果表明：中国大范围夏季降水多寡主要与5月NAO变化有关,＂南多（少）北少（多）型＂降水异常分布主要与5月NAO异常以及前春中国东北、华北地区上空对流层温度的冷异常有关。NAO对中国夏季降水的影响既包括年际尺度的,也包括年代际尺度的,而对流层温度异常的影响主要体现在年代际尺度上。这两个因子通过影响夏季大气环流和季风水汽输送,从而影响中国夏季降水的趋势分布。基于这样的联系,本工作以中国夏季降水量原始场EOF分解前3个模态对应的时间系数为预测对象,以前期春季平均的对流层中上层温度距平REOF分解前4个模态对应的时间系数以及逐月NAO指数序列作为预报因子,并结合降水序列本身、对流层温度、NAO指数的多时间尺度分量建立了我国夏季降水的统计预测模型,取得了较好的预报效果。2004~2009年预报降水与观测降水之间的6年平均距平相关系数达到0.335,表明该预报方案对我国夏季降水具有较高的预报技巧。

夏季大西洋Niňo基本特征及其与中国夏季降水异常的联系

利用NCEP-DOE AMIP-Ⅱ再分析资料、Hadley中心海表温度资料以及全国160站降水资料,运用经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)分解和回归分析等方法,研究了夏季大西洋Nino的变化特征及其与中国夏季降水异常的联系。结果表明:夏季大西洋Nino是热带大西洋海温异常的第一EOF模态,其方差贡献率为33.7%,具有明显的年际变化特征。当夏季大西洋Nino处于暖位相时,对流层低层西北太平洋地区出现明显的异常反气旋,受其影响,西太平洋副热带高压强度增强、位置西伸,中国华南地区出现显著的西南风异常,有利于西太平洋副热带高压西南侧的水汽向中国长江流域及其以北地区输送,使中国长江流域和华北地区降水增多,而中国东南沿海地区则受西北太平洋异常反气旋控制,不利于降水发生;反之亦然。

热带太平洋混合层深度的年际异常及其与中国夏季降水关系分析

利用Godas的逐月混合层深度(MLD)和中国160站逐月降水资料,分析热带太平洋混合层深度的季节变化及年际异常特征,初步探讨混合层深度异常与中国夏季降水异常的相关关系。结果表明:(1)赤道地区,东太平洋区域混合层最浅,中太平洋区域最深,且北半球秋冬季混合层比春夏季深;热带西北和西南太平洋在冬半球混合层深,夏半球浅。(2)赤道中、西太平洋混合层深度的年际异常终年都为大值区,北半球春(秋)季的热带西北太平洋(西南太平洋)也为年际异常大值区;7月年际异常最弱。(3)1、4和10月热带太平洋混合层深度年际异常与ENSO事件关系密切,在El Nio事件期间,热带太平洋东部及东北部混合层深度加深,西部及西南部减小。(4)热带太平洋混合层深度异常与中国夏季降水异常关系密切,这一关系也反映了El Nio事件与中国夏季降水的关系。即当秋冬季节发生El Nio事件时,来年El Nio事件衰减期的夏季长江中下游以南特别是洞庭湖、鄱阳湖的降水将显著偏多,江淮、华南南部降水偏少。