秋季黄河中下游降水主模态及2021年极端降水的气候背景

为探讨2021年秋季黄河中下游极端降水的气候背景,基于中国160站降水资料、NCEP/NCAR大气环流和NOAA海表温度(SST)再分析资料,分析了黄河中下游秋季降水主模态的时空特征及2021年极端降水的可能成因。经验正交函数分解表明,秋季黄河中下游降水主模态在空间分布上西至甘肃省东南部,东至山东省西部,主体位于黄河中下游地区,2021年是黄河中下游降水主模态的典型表现。采用黄河中下游秋季降水指数(ARYR)表征主模态时间变化,其年际、年代际变化分别与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和太平洋年代际振荡(PDO)存在相关,拉尼娜年和PDO负位相时降水偏多。秋季黄河中下游降水偏多主模态与北太平洋SST异常偏高的区域和强度相关密切,选取关键区定义中纬度北太平洋SST(MNPSST)指数,当MNPSST偏高时,海洋性大陆(MC)区域存在强的上升运动,黄河中下游地区出现显著的低(高)空辐合(散),指数偏低则降水偏少。其中2021年MNPSST指数为1951年以来最高,2021年MC对流区北侧的中国南海北部有较强上升运动,中纬度北太平洋偏东气流异常偏强,水汽通量异常分为偏南和偏东两支到达黄河流域中游和下游。中纬度北太平洋SST正异常是2021年秋季黄河中下游极端降水的重要影响因子之一。

江西地区冬半年极端低温事件主模态及环流特征

基于1961—2022年江西日最低气温观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,首先极端低温阈值,分析极端低温事件发生频次的分布特征;再利用经验正交函数(EOF)获得极端低温事件发生频次的主模态,分析相应的关键环流系统特征。结果表明:江西省大部分地区冬半年极端低温阈值在0℃以下,南北分布差异较明显。极端低温事件发生频次在空间上具有很好的一致性,在1985年前后由偏多转为偏少的年代际振荡。极端低温发生频次主模态的变化受冬季风系统关键成员的影响显著,东亚冬季风偏强、西伯利亚高压偏强、东亚大槽加深、副热带西风急流偏强都利于江西地区出现极端低温事件。

我国东部夏季降水异常主模态的年代际变化及其与东亚水汽输送的关系

本文利用1958～2000年ERA-40再分析每日资料和我国516台站降水资料以及EOF方法,分析了我国东部季风区夏季降水异常主模态的年代际变化特征及其与东亚上空水汽输送通量时空变化的关系。分析结果表明了我国东部季风区夏季降水的时空变化存在两种主模态:第1主模态不仅显示出明显的准两年周期振荡的年际变化特征且也有明显的年代际变化,在空间上具有经向三极子型分布;第2主模态显示出明显的年代际变化特征,且在空间上具有经向偶极子型分布。这表明了这两主模态有明显的年代际变化,在1958～1977年期间我国东部夏季降水异常分布为从南到北"+-+"经向三极子型分布,而在1978～1992年期间降水异常出现了与1958～1977年相反的分布,为从南到北"-+-"经向三极子型分布。然而,在1993～1998年期间,由于第2主模态的作用增大,我国东部夏季降水异常为从南到北经向三极子型与"+-"偶极子型模态的结合,这使华南夏季降水明显增加。并且,分析结果还表明:这两主模态的年代际变化与东亚上空夏季水汽输送通量的时空变化密切相关,它不仅与东亚和西北太平洋上空似如东亚/太平洋型(EAP型)遥相关波列分布的夏季水汽输送通量异常年代际变化有关,而且与欧亚上空中高纬度西风带似如欧亚型(EU型)遥相关波列的夏季水汽输送通量异常年代际变化密切相关。

印度洋海表温度主模态及其与亚洲夏季季风的关系

分析了印度洋SST主模态的时空特征,并探讨其对亚洲夏季季风的影响,结果表明:印度洋SST主模态的主要特征为整个海盆一致的增温趋势,主要具有准3 a和准11 a周期,在1976/1977年和1997/1998年分别具有两次年代际显著增温。印度洋SST主模态与中国雨区夏季降水有很好的关系,其增温趋势与华北、东北南部、华南东部和西南西部降水减少,长江中下游地区、东北北部和西北地区降水增多具有很好的关系,并与长江中下游梅雨雨量具有较好的正相关关系;其变化趋势对亚洲夏季季风系统具有显著影响,在高空,使南亚高压、高原南侧的高空东风以及从南海、东南亚至西南印度洋的高空越赤道气流减弱,但增强10°—20°N、40°—110°E的北风;在中层,使西北太平洋副热带高压强度偏强,面积偏大;在低层,增强索马里越赤道气流,但却削弱印度夏季季风低层环流,并且在加强东亚地区的低层南风在中国长江中下游地区及其以南地区的同时减弱华北地区的低层西南风;地面,使亚洲大陆的气压升高;与对流层整层垂直积分水汽输送通量的相关分布与低层环流的相似。因此,印度洋SST主模态的上升趋势是亚洲夏季季风趋于减弱和中国雨带南移的一个原因。

我国西南地区干湿季降水的主模态分析

利用我国西南地区26个台站降水资料，通过经验正交函数（EOF）分解的方法，分析了1980~2009年该地区干季（10～4月）和湿季（5～9月）降水的主模态。我国西南地区干季降水的时空变化存在两种主模态，它们分别可以解释总方差的22．4％和15．6％。第1主模态为全区一致型，具有准两年周期振荡的年际变化特征；第2主模态为东南一西北反向型，从20世纪90年代中期至21世纪初呈现2～3年的变化周期。我国西南地区湿季降水的时空变化存在三种主模态，它们分别可以解释总方差的17．1％，13．8％和11．1％。第1主模态为全区一致型，20世纪90年代初期具有较强的2～4年周期；第2主模态为经向偶极子型分布，并具有显著的4年周期；第3主模态为纬向偶极子型分布，具有2～4年的年际变化信号。进一步利用NCEP／NCAR再分析资料以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的海表面温度（SST）资料，通过合成分析和回归分析的方法探讨了与干湿季降水各主模态对应的大尺度大气环流和海温状况。我国西南地区干季降水第1主模态与北极涛动（AO）有明显的正相关关系，对应的大气环流和海温状况表现为高纬北冰洋与中纬度地区上空高度场的反向异常分布，北大西洋和北太平洋海温低纬与中高纬的偶极子型异常分布；第2主模态与中高纬欧亚大陆上空高度场经向偶极子型异常分布有关，中纬度北太平洋的海温异常与该模态具有紧密的联系。我国西南地区湿季降水第1主模态与北大西洋涛动（NAO）显著负相关，对应的大气环流和海温状况表现为北大西洋上，高纬度与中纬度地区上空高度场的偶极子型异常分布，海温从低纬到中高纬的三极子型异常分布；第2主模态受欧亚大陆上空高度场经向三极子型异常分布影响，并与北太平洋海温异常的一致型分布有关；第3主模态可能与E1 Nifio Modoki有关，同时受到南亚高压的影响，赤道太平洋海温的纬向三极子型异常分布对该模态具有一定的潜在预报意义。

我国冬季降水年际变化的主模态分析

利用我国160站的观测资料、NCEP/NCAR再分析资料以及英国气象局哈德莱中心的海表面温度(SST)资料,分析了我国冬季降水年际变化的主模态以及与其相联系的大气环流异常和海温异常。结果表明,在年际变化的时间尺度上,我国冬季降水主要表现为长江以南地区降水量的一致变化(EOF1)和华南、西南地区与新疆北部、华北和长江中下游地区降水反位相振荡的变化(EOF2)两个主模态,它们分别可以解释年际变化总方差的49.6%和17.3%,并具有显著的2～4年周期。此外,这两个模态也有明显的年代际信号,EOF1表现为20世纪80年代中期以前南方地区冬季降水偏少,1988年之后转为偏多,而进入21世纪后逐渐接近历史平均值并有再次转为偏少的趋势,而EOF2表现为1980年至2005年新疆北部和长江中下游地区的冬季降水出现年代际增多,而华南地区的冬季降水出现年代际减少。进一步通过回归分析表明,我国冬季降水年际变化的EOF1与EN-SO循环以及东亚冬季风强度的变化有密切的关系,当ENSO处于其暖(冷)位相的冬季时,东亚冬季风系统偏弱(强),来自孟加拉湾和南海的异常水汽输送在我国南方地区形成辐合(辐散),从而有利于该地区降水异常偏多(少)。与我国冬季降水年际变化EOF2相联系的环流表现为欧亚大陆上空具有相当正压结构的一个波列,该波列对应于东亚沿岸的异常北(南)风,进而引起长江中下游地区水汽辐散(辐合)和华南地区水汽辐合(辐散),有利于南正(负)北负(正)的降水异常分布。赤道中东太平洋和北大西洋挪威海地区的SST异常分别与这两个模态具有紧密的联系,并对这两个模态具有一定的潜在预报意义。

秦岭及周边地区夏季降水的主模态分析

基于秦岭及周边地区394站气象观测资料、欧洲中期数值预报中心(ECMWF)再分析ERA-Interim数据,利用小波和回归等分析方法,讨论了秦岭及周边地区夏季降水年际变化的主模态以及与其相联系的大气环流异常。结果表明:1)在年际变化的时间尺度上,秦岭及周边地区夏季降水主要表现为秦岭南北降水的气候差异性变化(EOF1)、黄土高原第二地形抬升带与其两侧降水的反位相振荡(EOF2)、秦岭西南部降水正异常和其东北部降水负异常变化(EOF3)和关中平原的地形降水贡献(EOF4)4个模态,其解释方差总贡献为73%,并且具有显著的2~4 a周期,其中EOF3和EOF4还具有4~8 a左右的年际变化周期。2)回归分析表明,EOF1正位相环流特征表现为200 hPa急流偏弱,中纬度槽填塞,西太平洋副热带高压强度偏弱,有来源于东海的水汽输送,使得秦岭北部降水偏多;EOF2和EOF3分别具有显著的蒙古低压和东北冷涡环流特征;EOF4的500 hPa环流异常不显著。3)根据新定义的秦岭季风指数回归分析表明,回归场的季风指数和降水模态的时间系数显著相关,秦岭北部降水偏多(少),南部降水偏少(多),反映了强(弱)季风年的年际转换。反之则具有多态性,不同年份强(弱)秦岭回归季风指数的环流形势存在较大的差异,可能触发多种降水模态和位相振荡。

四川盆地夏季降水年际变化的主模态分析

利用1979~2018年四川盆地134站夏季降水观测资料、ERA-Interim再分析资料以及英国气象局哈德莱中心的海表温度及海冰资料,对比分析了四川盆地夏季降水异常主模态及其同期大气环流和前期海温海冰演变特征的差异,以探讨其形成机制及前期预测信号。结果表明:四川盆地夏季降水存在两类优势空间模态:全区一致型和东西反相型,在20世纪80年代多出现东西反相型,90年代到21世纪初以一致型为主,进入21世纪10年代后又多表现为东西反相型。不同模态所对应的大气环流和海温海冰的演变具有明显差异,全区一致型降水分布受低纬系统影响显著,在500 hPa高度场上主要表现为西太平洋副热带高压的位置及强度异常;850 hPa风场为辐合或辐散特征,受到来自孟加拉湾、南海、西太平洋三条水汽通道的共同影响,其中与南海水汽通道的相关性最高,一致型降水多/少年水汽在盆地区域南北边界为同收/同支;环流可能受到前期ENSO事件衰减的显著影响。东西反相型降水分布受中高纬环流的影响较大,在500 hPa高度场上的特征类似于极地欧亚型(POL)遥相关;水汽在区域南北边界为一收一支,西多东少型为南收北支,而西少东多型为北收南支,与西太平洋水汽通道关系显著;环流可能受到前期北极海冰异常的影响。

中国南方夏季降水的年代际变率主模态特征及机理研究

在气候变暖背景下,中国南方夏季降水存在明显的年代际变化特征。本文利用1920~2014年的逐月降水,以分析南方夏季降水年代际变率主模态为切入点,以研究南方夏季降水年代际变率空间分布型的年代际变化特征为重点,进一步研究了印度洋、北太平洋及北大西洋海温的年代际变率对南方夏季降水主模态年代际变率的可能影响机制。得到的主要结论包括:(1)指出中国南方夏季降水年代际变率的两个主模态为全区一致型和东西反相型降水模态。两个主导模态在1971/1972年发生了显著的年代际转变,在1925~1971年的第一主模态为东西反相型降水;在1972~2009年的第一主模态为一致型降水。不同主模态对应的海温异常关键区也在1971/1972年发生了相应的年代际变化。(2)揭示了全区一致型和东西反相型降水模态对应的环流场异常特征。一致多(少)型降水对应着中国南海及西北太平洋低空的反气旋(气旋)性异常,有(不)利于水汽自南海向南方地区输送。而贝加尔湖东侧低空的反气旋(气旋)性异常,有(不)利于冷空气向南方输送,并与来自南海地区的水汽在南方地区辐合,有利于南方地区降水一致偏多(少)。东多西少(西多东少)型降水对应着中国东南地区高空的正(负)异常中心,有利于高空辐散(辐合)及异常的上升(下沉)运动,其与南方地区东部低空的气旋(反气旋)性异常共同作用,有利于东部降水偏多(偏少)。与此同时,低空中南半岛反气旋(气旋)性异常及菲律宾地区反气旋(气旋)性异常,不(有)利于水汽自孟加拉湾及南海地区输送向南方地区西部,有利于形成东多西少(西多东少)的降水型。(3)揭示了印度洋海温、北太平洋海温和北大西洋海温协同影响南方地区东西反相型降水和一致型降水的机制。

中国东部冬季气温异常的主模态与大气环流的关系

利用中国东部季风区375个测站,1961-2006年历年平均地面气温资料,采用EOF、SVD、相关分析等方法,分析了中国东部季风区冬季气温与500hPa高度场异常变化的关系。结果表明:影响冬季气温的关键区有两个,皆为显著正相关;SVD分析表明:乌山脊弱,东亚槽浅,纬向环流偏强,经向环流偏弱,极涡面积偏小,使南下冷空气偏少,冬季气温易偏高。上年7月北大西洋高压异常偏强(偏弱),次年冬季气温将会异常偏暖(偏冷),北大西洋前期高度场与气温普遍有密切的关系,主要影响长江流域及其以北的季风中北部区;建立了气温距平与北大西洋关键区上年7月高度距平的关系,并建立了均生函数模型,预测了未来20 a的气温变化趋势。

热带太平洋-印度洋上层热含量年际变化的主模态

利用多种海洋资料,采用经验正交函数分解(EOF)与合成分析等方法研究了热带太平洋-印度洋热含量年际变化的主要模态及其对应的转换过程。结果表明其第一模态对应El Nino事件成熟位相时的空间分布,即热带西太平洋和东印度洋为一冷中心,西南印度洋和赤道东太平洋为暖中心;第二模态对应着El Nino事件过渡期的空间分布,太平洋10°N附近以及赤道带为变化中心,而印度洋的变化中心主要在苏门答腊岛西部的赤道东印度洋海区。这2个模态基本刻画了ENSO循环过程中热带两大洋热含量变化的关键海区。利用合成分析结果与EOF分解结果的相似性,探讨了EOF分解前两个模态之间的转换过程,发现第一模态可能主要是通过海洋波动的传播过程调整到第二模态的,而第二模态还可以作为El Nino或La Nina事件的预报因子。此外,分析结果还表明,El Nino事件与La Nina事件对应的热含量变化并不是反对称的。

热带海洋-大气耦合的主模态

依据1948年1月～2005年12月NCEP的海表温度(SST)和大气再分析的月平均资料,利用MCA方法,首次确定了代表全球热带海洋-大气相互作用的最主要信号的热带海洋-大气耦合主模态,该主模态随时间的变化与热带太平洋埃尔尼诺-南方涛动(ENSO)模态非常一致,揭示了该主模态包含以下海洋-大气相互作用物理过程:秋季印度尼西亚海洋-大陆区上空850 hPa出现异常的纬向风辐散和经向风辐合导致赤道东、中太平洋海温正异常,热带印度洋海温则出现东冷-西暖的—"偶极子"型异常;冬季热带太平洋出现典型的ENSO盛期对应的海洋-大气耦合型,在南海和热带远西太平洋出现低空反气旋环流异常,热带印度洋出现海盆一致增暖,而热带大西洋海温异常不明显;冬季热带太平洋和热带印度洋的SST异常可以导致春季赤道中太平洋西风异常,南海冬季风减弱,热带西北太平洋出现更明显的低空反气旋环流异常和赤道东风异常,热带西北大西洋出现西南风异常;该模态对夏季大气环流的影响主要表现为热带印度洋海盆一致模态对东亚季风的影响。

夏季热带印度洋大气热源主模态与中国东部降水的关系

利用1979—2008年NCEP/NCAR再分析资料和中国区域160站降水资料,分析了热带印度洋及南亚地区夏季大气热源的气候特征,探讨了热带印度洋夏季大气热源主模态与中国东部降水的关系。结果表明:与春、秋、冬季相比,夏季大气热源强度强、范围广,热源最强中心在孟加拉湾北部大陆边缘;当孟加拉湾、苏门答腊岛西部海域、阿拉伯海的中东部以及恒河平原等地的夏季大气热源增加(减少),而赤道印度洋的中西部地区、阿拉伯海北部边缘等地的夏季热源减少(增加)时,有利于长江中下游地区、华北北部、东北以及西南大部分地区夏季降水的增加(减少),不利于华北南部以及江南地区尤其华南地区的夏季降水的增加(减少);热带印度洋夏季大气热源的主模态主要通过影响对流层高、低层的环流来影响中国东部降水。值得注意的是,与热带印度洋夏季大气热源的主模态时间系数的年际变化相比,其年代际变化对中国东部降水影响更显著。

热带三大洋海-气耦合主模态及其相互作用的研究进展

从地球气候系统的角度,回顾了国内外热带太平洋、大西洋和印度洋海洋-大气相互作用研究,特别是有关这三大洋海-气耦合主模态研究已取得的成就;提出了热带印度洋、大西洋在被热带太平洋“充电”的同时,如何通过大气桥“放电”,从而改变热带太平洋海洋动力过程是目前面临的重要科学问题.指出了海洋动力过程在三大洋相互作用中的重要性.

冬季北极海冰运动主模态的构成及其与海平面气压变化的关系

利用国际北极浮冰运动观测资料 (IABP)(1979～1998)以及NCEP/NCAR月平均海平面气压再分析资料(1960～2002), 通过求解海冰运动异常的复斜方差矩阵, 研究了冬季北极海冰运动主模态构成及其与海平面气压变化的关系.冬季海冰运动主模态是由两个海冰运动优势模态的一个线性组合构成, 与这两个运动优势模态有直接关系的海平面气压变化主要发生在北极海盆及其边缘海区.尽管北极涛动(北大西洋涛动)通过影响海平面气压进而影响北极海冰运动, 但是, 北极涛动(北大西洋涛动)并不是决定海冰运动主模态的关键性因素.

从约束试验提取阻尼自由结构主模态

对于大型自由结构,如大型运载器,要实现自由状态下的模态试验是愈来愈困难了。为此,人们被迫只好对这类结构进行约束状态下的模态试验。这样就要求从约束状态试验所测得的数据中提取到原自由状态下的试验模态参数。本文针对这个问题提出了一种“提取方法”。数值模拟结果表明,该方法的精度相当满意,不论是无阻尼,还是考虑有阻尼的情况,都可以获得工程上满意的结果。

河南省降水量主模态演变时空特征

对河南省61个气象观测站1958—2013年的季降水量时间序列进行SEOF分析,研究河南省降水量主模态季节演变的时空变化特征,重点分析了前4个模态的时空分布特征。结果表明:前3个模态具有明显的年际变化和阶段性变化特征;第3模态为冬季旱(涝)-春季涝(旱)-夏季北部太行山涝(旱)、其他地区旱(涝)-秋季旱(涝)型,冬春两季模态为高度负相关关系,冬秋两季模态则为极显著的正相关关系;第4模态年际变化相对较小,但阶段性变化特征明显。

基于归一化主模态差的装配式钢桥导梁损伤识别

为了解决装配式钢桥在结构损伤下的识别问题,选取了归一化主模态差作为标示量,对装配式钢桥导梁结构进行损伤识别。通过实测模型与有限元分析模型的固有频率和对应振型比较,验证桥梁导梁有限元模型的正确性;提出了运用归一化主模态差曲线图识别桥梁导梁损伤的方法,利用结构损伤时归一化主模态比无损伤时的归一化主模态刚度下降,损伤节点处振幅相对于正常状态数值增大,产生归一化主模态差正向突变来反映结构局部损伤的位置和损伤程度。通过模拟六种工况得到结构损伤部位会引起主模态差曲线的正向突变;并且损伤程度越重,对应的归一化主模态差越大。验证了损伤状态和正常状态之间的主模态差曲线可以判别装配式钢桥导梁的损伤位置和损伤严重程度。

长江流域夏季降水异常主模态变化特征及其成因分析

利用1961-2014年长江流域202个地面观测站日降水量、中国地面降水格点数据集(V2. 0)及JRA-55再分析资料,分析了长江流域夏季降水异常主模态变化特征及其可能成因。结果表明,长江流域夏季降水存在两种空间分布型:第一模态为流域一致型变化,具有显著的年际变化特征,对应长江流域典型旱涝年份;第二主模态在空间上为南北反向型变化,年际变化与显著的年代际尺度相叠加。进一步分析表明,长江流域夏季降水第二主模态与斯堪的纳维亚半岛附近的反气旋式环流异常相联系,并通过200 h Pa波列将异常信号传递到东亚,使得南亚高压向西收缩,西北太平洋副热带高压减弱东退,东亚地区夏季水汽输送偏东、偏南,有利于水汽在长江流域南部辐合,北部辐散,使得长江流域夏季降水呈南北反向变化。

北太平洋局地海洋-大气相互作用的主模态

本文分析美国国家大气研究中心(NCAR)的CCM3-ML耦合模式100 a积分模拟结果,依据对该模式结果中SSTA与海面风异常的最大协方差分析,证实的确存在北太平洋局地大气影响海洋和海洋"反馈"大气的主模态;指出通过局地海洋-大气的相互作用,冬季马蹄型海温异常可以持续到夏季,冬季大气对马蹄形暖海温异常可能的响应为高压异常,春夏季对马蹄形暖海温异常可能的响应为低压异常。