一种东亚冬季风指数的环流意义及优化

论证了东亚冬季风环流指数IG与冬季蒙古高压强度和南北位置存在显著的同时相关,故IG本质上也是蒙古高压指数。在此基础上,构造了与IG结构相同的环流指数,从中筛选出一批优化的东亚冬季风指数IM。IM保持了IG结构简单、环流意义清晰的优点,且其格点选择更为合理,与中国同期气温负相关联系更强。因为定义IM的格点与蒙古高压关系密切,故IM也可称为蒙古高压指数。

东亚冬季风指数对中国冬季气候变化表征能力的对比分析

利用1951—2022年ERA5再分析大气环流资料和国家气候中心全国站点气温和降水资料,将33个常用的东亚冬季风(EAWM)指数划分为海陆差异类、高压特征类、大槽特征类、低层风场类、中高层风场类和综合类6类,按类别对比分析了它们的线性变化趋势和年际、年代际变化特征,并就各指数对中国冬季气温、降水时空变化的表征能力以及与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、北极涛动(AO)等气候系统主要内部变率的关系进行了评估分析。结果显示:(1)在趋势变化方面,中国冬季气候暖湿化特征明显,但仅大槽特征类和综合类指数反映出季风的减弱趋势,其余类型指数则多呈现微弱的增强趋势,表明EAWM各子成员对当前全球变暖的响应存在差异;(2)在年际、年代际变化方面,EAWM指数主要表现为准4 a、准8 a和准16 a的周期振荡,基本都能刻画出20世纪80年代中后期EAWM的年代际减弱,对于21世纪第1个10年中期EAWM的年代际增强,考虑了南北气压差的海陆差异类指数以及高压特征类、大槽特征类和中高层风场类指数能较好表征;(3)在反映中国冬季气温变率的能力方面,除低层风场类指数外,各类指数表现良好,尤其是高压特征类指数的表征能力最佳,而在降水变率方面,高压特征类指数的代表性较差,低层风场类指数的指示意义最好;(4)在与气候系统主要内部变率的关系方面,大多数指数能较好反映ENSO与EAWM之间的关系,其中低层风场类指数的表征能力最好。而在反映AO与EAWM的关系上,则是高压特征类和大槽特征类指数的表现更佳。总体而言,除趋势变化存在较大差异外,各类EAWM指数能够一致地反映中国冬季气候变化的主要特征,但不同类别指数所表征的侧重点存在差异。因此,在分析EAWM相关科学问题时应根据研究的目的选择合适的指数。

东亚冬季风指数的定义及其年际年代际异常

利用NCAR/NCEP再分析资料,通过相关分析方法分析了多种可以表征东亚冬季风活动的气象要素指数的相关性特征,选取地面温度、海平面海陆气压差和500hPa高度3个要素,综合定义了一个东亚冬季风指数。结果表明,该指数表征的东亚冬季风有明显的QTO和QFO周期振荡特征,这一特征与冬季风年代际背景有关,强冬季风年代背景下的振荡比弱冬季风年代背景下的振荡显著,同时该指数能很好地表征东亚冬季风活动的各个方面。对强弱冬季风年的大气环流的结构及其相应的低纬度对流活动、海洋和高低层大气热力状况的分析表明,强弱冬季风活动不仅表现在中高纬度高低层大气环流变化的差异,在局地Hadley环流和赤道附近Walker环流、低纬度对流活动、海洋和大气的热力状况的变化方面也表现出了显著的差异。

一个新的东亚冬季风强度指数及其强弱变化之大气环流场差异

文章提出了一个新的东亚冬季风强度指数 ,并以此为依据从 1 94 8～ 1 999年中挑选出两组强弱冬季风年份 ,通过合成分析对大气环流场和海表温度场在强弱东亚冬季风年的差异进行了对比分析。结果表明 :东亚冬季风强度变化不单纯受局地气候系统影响 ,而与北半球半球尺度上的大气环流异常紧密相连。相对于弱的情形 ,强东亚冬季风年份中国大陆中东部及其东部大部分海域在整个对流层盛行偏北风距平、乌拉尔阻高显著加强、欧洲大陆西部维持一个深厚的气旋性异常环流系统、西风带环流偏弱、2 0 0hPa层南亚高压偏弱 ;中国大陆、北极地区、蒙古国大部分地区、欧洲大陆西北部表面温度降低 ;我国大陆与北太平洋海平面气压差加大 ;东亚大槽加强。研究还揭示 ,强东亚冬季风年份对应于北大西洋涛动弱指数 。

东亚冬季风指数的分类和比较

在回顾了2009年以前定义过的冬季风指数的基础上,按照定义要素的不同,进行了分类及序列延长计算,并将现有的冬季风指数分为海陆气压差类(4个)、高压特征类(3个)、风场特征类(9个)、环流特征类(4个)和综合类(2个)。研究了这些冬季风指数的年际及年代际变化趋势及其周期变化,分析了各指数之间的相关性,以及冬季风指数对中国冬季大陆气温变化的指示性。结果表明:东亚冬季风存在缓慢减弱的变化趋势,主要呈现出准6a,准11a和准17a的周期振荡特征。同类别指数之间的相关性要优于不同类别的。东亚冬季风指数与中国冬季大陆气温相关性普遍好的地区主要在河套及内蒙古中部、华南和东南沿海、四川盆地等。

一个适用于描述中国大陆冬季气温变化的东亚冬季风指数

利用1951年1月—2007年2月的NCEPV1格点资料和中国台站观测资料,定义了一个冬季风环流指数(IEAWM),并分析其与中国冬季气温和东亚大气环流变化的联系。结果表明该指数能够很好地反映东亚冬季风系统各成员的变化,兼顾北方和南方的环流状况和东西部热力差异的影响,改进了原有冬季风指数大多针对单一的冬季风环流成员及对中国冬季气温变化反映能力的不足,能够很好地反映中国冬季平均气温的异常变化。分析表明,当该指数为正值时东亚冬季风偏强,对应着地面西伯利亚高压和高空东亚大槽均偏强,东亚地区对流层中层的高-低纬度之间的纬向风经向切变加强,有利于中高纬度冷空气向南侵入,导致中国大陆地区气温偏低,反之亦然。IEAWM的年代际变化表明东亚冬季风在1985年之前偏强,1985年之后明显偏弱,这与1985年之后中国冬季变暖是一致的。

东亚冬季风指数及其对东亚大气环流异常的表征

基于月平均NCEP/NCAR再分析资料、CMAP全球降水资料及中国台站降水和冷空气资料,首先概括了东亚冬季风环流系统的主要成员,并对基于这些环流系统定义的有代表性的4种东亚冬季风指数进行了比较分析。结果表明,4种指数具有比较一致的年际和年代际变化特征,相互间都为显著正相关,表明各指数都能较好地反映出其他环流系统成员的异常。功率谱分析结果显示,所有东亚冬季风指数均具有3—4年的年际变化周期和6.5年周期及9—15年的年代际变化周期。此外绝大部分指数在20世纪80年代之后都有线性减弱的趋势。所有季风指数都能够很好地反映“强(弱)冬季风年,低层西伯利亚高压偏强(弱),阿留申低压偏深(浅),副热带北风气流偏强(弱),东亚副热带地区气温偏低(高),中层东亚大槽偏深(浅)及高层副热带西风急流偏强(弱)”的基本特性。但各指数与冬季影响中国的冷空气次数间均无很好的对应关系。另外,绝大多数指数与东亚地区夏季降水也有较好的滞后关系,表明冬季风不仅对同期环流系统存在作用,而且还可能影响到夏季。

确定东亚冬季风强度指数的一种方法探讨

利用1961-2000年美国NCEP/NCAR再分析的海平面气压资料,选择用亚洲一澳大利亚季风(A-A季风)系统中西伯利亚高压和澳大利亚低压两个大气活动中心之间标准化的气压差来表征东亚冬季风强度.分析表明,新指数对中国区域(青藏、云贵高原除外)冬季气温的影响显著,特别是与中国东北大部、西北部分区域和华北、华东大部区域的相关程度更好.对东亚冬季风强度的同期环流及海表温度场特征的分析结果显示,该指数可合理和客观地表述东亚冬季风的强度.东亚冬季风强度与同期印度洋西部海温有较显著的负相关.

东亚冬季风指数研究进展

概述了东亚冬季风指数研究的一些进展,重点介绍了中国气象工作者有关这方面研究及其应用的一些成果.将东亚冬季风指数分为海陆差异类、高压特征类、风场特征类、环流特征类和综合类5类.指出:①海陆差异类指数一般在反映对中国大陆同期气温影响方面在沿海较好,适当调整表征海、陆的经线位置,可望在其影响的描述效果上有更好的表现.另外,此类冬季风指数对南北向的海陆差异方面一般考虑得不多.②高压特征类指数对中国大陆冬季气温的变化有最好的反应能力,但仅考虑高压的特征的绝对变化,可能会对冬季风的影响反映得不够全面.③环流特征类指数一般仅考虑东亚大槽的强弱变化,综合其他关键区域的变化特征,可能更有利于对冬季风变率的描述.④风场特征类指数在经向风范围的选取上由低纬度区域向中高纬度扩展,其应用的范围可能更为广泛.⑤东亚冬季风是一个复杂的气候系统,系统考虑低层风场、对流层中层环流形势、地表气温、地面气压场及海陆差异等综合特征的指数研究应受到更广泛的关注.⑥由于东亚冬季风异常存在明显的地域差异,考虑到冬季风成因的复杂性,及不同因子对区域气候影响的贡献程度不同,分区研究也应是指数研究的一个方向.⑦鉴于东亚冬季风主要源于西伯利亚高压,因此对冬季风源地强度、面积、地理位置等特征的表述形式研究也应引起足够重视.

东亚冬季风强度指数与青岛区域降水相关分析

利用 18 91～ 1999年的资料 ,统计分析了东亚冬季风强度指数变化与青岛降水的关系。结果表明 ,青岛降水量与东亚冬季风强度指数正相关 ,东亚冬季风强度指数越大 ,冬季风越强 ,越有利于青岛降水 ,青岛降水量越多。反之 ,东亚冬季风强度指数越小 ,冬季风越弱 ,越不利于青岛降水 。

东亚冬季风强度指数的统计预测模型初探

利用NCEP/NCAR再分析和NOAA延长重构的海表温度场的月平均资料,对东亚冬季风强度前期影响因子进行了分析,探讨了因子影响的可能机制。结果表明:4-6月日本附近太平洋区域的海平面气压和8-10月咸海附近的经向风与冬季风强度有较为一致或相反的气候变化特征。综合以往确定的预测物理因子,建立了冬季风强度指数的统计预测模型。历史拟合和试报检验显示,该模型预测准确率较高,可用于东亚冬季风强度的预测。

东亚冬季风指数的对比分析及其与中国冬季气候的关系

利用1979~2018年ECMWF再分析资料和国家气候中心站点数据,对比分析10个东亚冬季风指数的气候倾向率、周期变化特征及相关关系,运用多变量经验正交函数分析东亚冬季风系统各成员要素的内在关联性,讨论各指数与中国冬季气温的关系。结果表明:近40a东亚冬季风强度呈缓慢的减弱趋势,存在准3a、准5a的周期变化,1983年、1985年和1995年为东亚冬季风活动异常强烈的年份;东亚冬季风同类指数之间的相关性好于不同类指数,季风系统各成员要素联系紧密、协同变化关系明显;东亚冬季风指数与中国东部地区冬季气温的相关性优于西部高原地区,各指数与西北地区冬季气温均呈显著负相关。

东亚冬季风异常与广东前汛期旱涝关系的初步分析

利用500 hPa北半球格点资料,参照历史平均东亚大槽位置,定义了东亚冬季风强度指数(I500).分析发现,近50年东亚冬季风强度有减弱趋势,特别是1987年以来冬季风明显减弱.根据广东48个站1954～2004年前汛期(4～6月)降水资料,用区域旱涝指数W对广东前汛期旱涝等级进行划分.51年内广东有9年前汛期出现大涝(或特涝),11年出现大旱(或特旱),旱涝发生频繁.冬季风异常对广东前汛期降水的影响比较大,强冬季风年后广东前汛期出现大旱的可能性较大,而出现大涝的可能性很小.

辽宁冬季气温变化特征及与东亚冬季风的关系

采用1961—2012年辽宁省53站月平均气温资料及NCEP/NCAR再分析月平均高度场、风场和海平面气压场资料,分析近51 a辽宁冬季气温的时空变化特征。在归纳并计算前人定义的6种东亚冬季风指数的基础上,对比辽宁冬季气温与6种东亚冬季风指数的关系。结果表明:1961—2011年辽宁东部冬季气温均方差大于西部,全省绝大部分地区为显著的正趋势;辽宁冬季气温EOF第一模态表现为全省一致异常偏高或偏低的特征;时间系数显著上升,在1977年发生突变;并存在4.5、2.0 a和3.0 a的周期变化;朱艳峰定义的东亚冬季风指数是各指数中与辽宁冬季气温变化关系最密切的指数,无论从突变时间、周期特征、相关系数还是反位相对应关系上,其均与辽宁冬季气温关系最密切,且850 hPa经向风场和海平面气压场也能说明二者有较好的对应关系。

1873～1995年东亚冬、夏季风强度指数

利用 1 873～ 1 995年的海平面资料 ,延长和建立了东亚冬、夏季风强度指数。该指数与我国的冬、夏季天气的年际变化、年代际变化关系密切 ,与印度季风强度呈正相关 ,并且能解释季风的准两年振荡。

东亚冬季风异常对区域气溶胶分布的影响

气溶胶已是东亚地区最主要的大气污染物之一,其时空分布会受到东亚季风气候的影响。利用2000~2014年MODIS/AOD(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer/Aerosol Optical Depth)和NCEP月平均气象场再分析资料,本研究分析了东亚冬季风长期变化趋势、气溶胶年际变化规律,探讨了东亚冬季风强度变化对气溶胶分布的影响。基于MODIS/AOD,发现近10年东亚地区冬季AOD呈现上升趋势,最大值为2007年的0.44,高值区覆盖四川盆地、华北平原及长江中下游大部分地区。风场特征类冬季风指数分析表明,东亚冬季风存在明显的年际和年代际差异,近年出现逐渐减弱的趋势。强冬季风年,海陆气压差增大、东亚大槽加深增强,东亚地区偏北风异常,风场的增强将引导更多冷空气南下,从而给东亚大部分地区带来明显的降温天气;弱年相反。气象场差异引起气溶胶分布变化,强年较强的偏北风将气溶胶向南方输送,东亚地区AOD出现“北低南高”的空间分布;弱年偏北风较弱,导致气溶胶集中在华北平原一带,AOD出现“北高南低”的空间分布。

北半球大气环流及其冬季风的年代际变化对青藏高原冬季降雪的影响

对1961~2010年间北半球大气环流背景异常变化及其东亚冬季风指数（东亚大槽位置指数-CW、西伯利亚高压指数-SH）与青藏高原降雪之间在年代际尺度上的相关关系进行了分析,结果表明：北半球冬季行星波年代际尺度上的异常导致了青藏高原地区冬季降雪在年代际尺度上的变化,北半球行星波＂冬三（波）＂流型的年代际尺度变化是青藏高原地区冬季降雪年代际尺度上增加/减少的环流背景;青藏高原冬季降雪与东亚冬季风之间也存在着年代际尺度上的显著相关。相对于1961~1986年间的冬季风减弱,青藏高原地区冬季降雪量呈现出增加趋势。结果也指出,青藏高原地区的冬季降雪、CW和SH在1986年前后存在一次显著的突变;突变后北半球冬季三波流型明显增强,青藏高原地区的降雪也相应发生了由多到少的变化。

中国地面气温年际和年代际变化及其与北冰洋涛动指数的关系

利用中国气象局气候中心数据库1958—1994年中国160个测站的月平均温度资料, 分析了中国37年气温的年际和年代际变化及其与北冰洋涛动指数的关系。结果表明: (1)1958—1994 年以来,东北地区全年、秋季和冬季温度上升都很明显, 其中冬季最明显; 新疆冬季温度升高也很明显; 华南夏季温度明显升高。(2)通过对各区温度的年代际变化检验可知, 东北全年、秋季和冬季 1983 年以后温度有非常显著的升高; 新疆冬季1976年以后温度也有显著升高; 华南夏季 1976 年以后温度有明显升高。(3)从全国来看, 北方各区气候变暖要比南方显著一些, 特别是冬季。(4)北冰洋涛动与我国东北温度有十分密切的联系, 当AO指数偏小时, 冬季冰岛附近海平面气压偏低, 西伯利亚高压范围缩小,东亚冬季风比较弱, 我国东北冬半年的温度出现明显上升。

区域气候模式CWRF对东亚冬季风气候特征的模拟

利用1979-2016年欧洲中期天气预报中心的ERA-Interim大气再分析资料及美国国家海洋和大气管理局的ERSSTv4海表面温度资料驱动区域气候模式CWRF,对东亚冬季风气候特征进行模拟和评估。结果表明:CWRF模式能够较好地再现东亚冬季风环流的平均特征,包括低层大陆冷高压的位置、中心强度以及高低层风场的变化特征,对北风出现区域和频率的模拟也与再分析资料的结果相符。该模式模拟的中国地区的气温、降水分布与观测基本一致,水汽输送也与再分析资料吻合,来自孟加拉湾的水汽为华南降水所需的水分起着至关重要的作用。对视热源和视水汽汇的模拟结果表明,模式较好地模拟出了东亚大陆与邻近海域的热力差异。分析结果均表明,区域气候模式CWRF具备模拟东亚冬季风主要特征的能力。

Variation of the East Asian Monsoon and the tropospheric biennial oscillation

Study of the tropospheric biennial oscillation (TBO) has attracted significant interest since the 1980s.However,the mechanism that drives this process is still unclear.In the present study,ECMWF daily data were applied to evaluate variation of the East Asian monsoon and its relationship to the TBO.First,the general East Asian monsoon index (EAMI) was delineated on the basis of a selected area using the 850 hPa u and v components.This new index may describe not only the characteristics of summer monsoons,but also the features of winter monsoons,which is crucial to understand the transition process between summer and winter monsoons.The following analysis of EAMI shows that there is a close relationship between summer and winter monsoons.In general,strong East Asian winter monsoons are followed by strong East Asian summer monsoons,and weak winter monsoons lead to weak summer monsoons.While strong (weak) summer monsoons followed by weak (strong) winter monsoons form a kind of 2-year cycle,which may be the possible mechanism leading to the TBO over the East Asian region.