华北降水年代际、年际变化特征与北半球大气环流的联系

利用美国NCEP再分析月平均资料及我国华北地区2 6个测站月降水资料,采用奇异值分解(SVD)方法,研究了华北降水的年代际和年际变化特征与北半球大气环流的联系.结果表明,首先对降水和大气变量资料作相应时间尺度的分离是非常必要的,否则所得到的SVD结果不能反映年代际变化特征而只能反映年际变化特征;华北降水年代际和年际变化对应的大气环流异常有明显的差异;对应发生在2 0世纪70年代后期华北降水的一次年代际跃变,环流场均存在明显的跃变,而且有一个从地面向对流层上层传播的过程.

印度夏季风与中国华北降水的遥相关分析及数值模拟

20世纪80年代中国学者揭示了印度夏季风与中国华北降水的正相关关系,以后国内外又有一些研究证实了这种正相关关系的存在。文中利用1951—2005年多种气象资料和数值模拟方法,详细讨论了印度夏季风和中国华北地区夏季降水的关系,并针对由印度西北部经青藏高原到中国华北地区形成的正、负、正的遥相关型,从动力因子和热力因子两方面探讨了其中的内在联系,所得结果不但确证了以往的结论,而且进一步揭示了印度夏季风对华北地区降水的影响机制。结果表明:(1)印度夏季风强(弱)时,华北地区容易出现降水偏多(少)的天气;华北地区降水偏多(少)时,印度夏季风偏强(弱)的机率却低一些,这说明印度夏季风的异常变化对华北地区夏季降水有更大的影响。(2)印度夏季风强度主要受印度季风槽的影响,在印度季风槽加深的同时,中高纬的低压槽也加深发展,而这时西太平洋高压脊西伸,来自低纬的西南风水汽输送和源于西太平洋的副热带高压南侧的东南风水汽输送共同作用,有利于华北地区的降水偏多;反之则不利于华北地区的降水。(3)区域气候模式模拟结果也很好地模拟出印度夏季风和华北夏季降水的遥相关关系,其相应的环流异常系统与诊断分析结果非常一致,这从另一方面证实了这种遥相关关系的存在和可靠性。

戴维斯海峡海冰与华北降水的年际关系及其年代际变化

利用北极海冰面积指数和中国160站降水资料,探讨了冬季戴维斯海峡海冰和华北7月降水年际变化的相关特征,并分析了二者年际关系的年代际变化。结果表明,冬季戴维斯海峡海冰与华北7月降水在年际时间尺度上呈反相关关系,1974年前后两者的年际关系由反相关较强转为变弱。冬季戴维斯海峡海冰与中国7月160站降水的年际相关分布在1974年前后由东部型转变为江淮型。

2012年7月华北降水异常成因分析

2012年7月,我国华北地区降水较常年偏多近45%,期间出现了严重的洪涝灾害。本文利用中国台站降水等资料,对华北降水异常现象及其可能成因进行了分析。结果表明,多因子共同作用可能造成了7月华北降水异常偏多。2012年7月,欧亚中高纬地区维持两脊一槽环流型,贝加尔湖附近低槽活动造成冷空气频繁南下。同时,西太平洋副热带高压(以下简称副高)明显偏北带来的充沛水汽与北方冷空气持续交汇于华北地区,共同构成了华北地区降水偏多的大尺度环流形势。分析还发现,西太平洋暖池区海温偏暖,产生的强盛对流活动使西太平洋副高位置偏北。同时,受北太平洋地区海温偏暖影响,东亚东北部—北太平洋地区盛行低层反气旋异常环流,也造成副高位置偏北。

夏季北极涡与副热带高压的联系及对华北降水的影响

由于北极涡与副热带高压是两个影响我国天气气候变化的主要大气环流实体,两者紧密相联,且均对华北夏季降水有明显作用,本文使用NCEP/NCAR再分析资料、国家气候中心提供的74个大气环流因子及中国160站月降水资料,利用合成分析、相关分析及SVD等方法讨论了夏季北极涡与北半球大气环流及副热带高压的相互关系,分析了夏季北极涡及副高对华北降水的共同作用。结果表明:(1)北极涡的变化不仅与高纬高度场密切相关,而且与中、低纬度环流紧密联系,当极涡异常偏大偏强,中、低纬地区位势高度均明显偏低,北半球副高的面积和强度易偏小,北界位置易偏南,其中副高强度的变化最大。(2)各分区极涡因子与副高因子之间基本呈显著的负相关,而与西太平洋和南海副高的北界、脊线位置呈正相关。(3)极涡指数、副高脊线及北界指数与华北降水之间以正相关为主,副高面积、强度指数与华北降水基本呈负相关。当亚洲和欧洲区极涡异常南扩,北非、大西洋、北美副高显著收缩减弱,西太平洋和南海副高明显北抬时,华北降水易增加。

夏季中国华北降水、印度降水与太平洋海表面温度的耦合关系

本文基于1951～2014年的站点观测资料以及再分析资料,应用多变量经验正交分解法(MEOF)研究了年际尺度上华北夏季降水、印度夏季降水与海表面温度之间的耦合关系(主要模态)。结果表明:当印度夏季降水偏强时,若同期夏季赤道中东太平洋海温表现为LaNi?a位相,则西太平洋暖池对流加强,副热带高压偏西偏北,有利于华北夏季降水与印度夏季降水一致增强。反之,当印度大部降水偏弱时,若同期夏季赤道中东太平洋海温表现为ElNi?o位相,则华北夏季降水和印度夏季降水一致减弱。然而,两地夏季降水的协同变化关系并不总是成立。当赤道中东太平洋海温异常随时间演变表现为冬春El Ni?o衰减型时,伴随着印度洋偶极子(IOD)正位相的衰减过程,这会减弱东亚夏季风,使得华北夏季降水偏少。此时印度半岛夏季降水增强区集中在其西部,无法形成连接印度和华北夏季降水异常的环半球遥相关(CGT)波列,可能使得华北夏季降水异常与全印度夏季降水异常成相反形势。这些结论揭示了中国华北夏季降水、印度夏季降水和海表面温度之间的耦合关系,有助于进一步理解海温外强迫对两地夏季降水之间相关关系的作用,从而对华北夏季降水的预测具有参考意义。

华北降水年代际振荡及其与全球温度变化的联系

利用小波分析，发现华北近百年降水变化中除了较强的年际振荡外，存在明显的准２０年振荡，但６０年代后信号减弱，导致持续的偏旱气候．在全球温度场中也存在类似尺度的振荡．分析还表明，我国范围内副热带与中纬带温度差异呈现与我国北方降雨十分相似的振荡谱，２０多年尺度的振荡较为明显，且也是６０年代以来有所减弱．华北降雨与中低纬温差呈正相关，特别表现为两者的准２０年尺度振荡位相极为吻合，在此尺度上，南北温差较大时华北降水较多．北美地区温度和一些区域降水气候也同样存在准２０年振荡信号。

唐代华北降水与黄河下游河道决溢的相关性分析

通过数理统计、线性回归分析以及GIS空间分析等方法,研究了唐代黄河下游河道的决溢与华北地区的降水之间的相关性。从年代分布上来看,二者在公元698—838年这一时段内的线性相关性很强,黄河决溢次数累计值与降水等级平均值的变化趋势基本一致。从季节分布上来看,二者多发生于夏秋之季,伏秋汛期时华北地区的集中降水使得黄河下游河道径流量增加而引发决溢。从地域分布上来看,唐代黄河下游河道的决溢多发生于华北地区降水集中且降水等级偏高的区域,尤其是支流汇入段与河口段。

东北华北降水增多 大部旱情缓解墒情改善

天气对农业影响分析东北、内蒙古：大部地区偏高1℃-2℃、黑龙江东部和北部偏高2℃-4℃,日照偏多,良好的光热条件利于一季稻孕穗、春玉米开花吐丝和大豆开花结荚。东北地区大部降水量有10-25毫米,黑龙江中部部分地区有25-50毫米,对春玉米等旱地作物发育影响较大。

春季厄尔尼诺快速衰减对华北夏季降水的影响

利用再分析的陆地降水、环流和辐射数据,以及表征大气波动的指数,对比了1951—2020年期间El Nino春季快速衰减年和缓慢衰减年的东亚环流和华北夏季降水异常情况,并从大气波动强度的角度探讨了为何El Nino在一些年份的春季会发生快速衰减。结果表明,相较于其他不发生El Nino衰减的年份,El Nino春季快速衰减年华北7、8月的降水量显著偏多,尤其是8月;而El Nino缓慢衰减年夏季,华北降水相较其他年份偏多不明显。El Nino春季快速衰减年6—8月850 hPa上菲律宾到南海存在异常反气旋,其强度强于El Nino缓慢衰减年;El Nino春季快速衰减年8月500 hPa西太平洋副热带高压(西太副高)显著偏北,而缓慢衰减年西太副高偏北的特征不明显,而是以偏西为主;200 hPa副热带西风急流在El Nino春季快速衰减年8月显著偏北,而在El Nino缓慢衰减年中反而略偏南;El Nino春季快速衰减年6—8月沃克环流显著偏强,相比之下El Nino缓慢衰减年沃克环流偏强的特征要弱很多。上述环流异常特征为El Nino春季快速衰减年华北7—8月降水异常偏多提供了有利条件。通过近地面风场合成分析发现,春季El Nino快速衰减月前后,赤道中西太平洋异常东风爆发非常明显,而El Nino缓慢衰减年的异常东风信号较弱。春季El Nino快速衰减前印度洋对流活动非常强盛,并向海洋性大陆传播,这种对流可能通过不断激发大气波动,继而引发近地面东风爆发,最终导致El Nino出现快速衰减。

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。

南亚高压与华北夏季降水的关系

利用1958—1997年40年华北地区逐月降水资料与南亚高压的特征参数进行比较,分别检验了同一年6月南亚高压中心经度和前一年6月高压中心强度与华北夏季降水的相关性。从100hPa流场形势、低层到高层速度势和流函数的上下配置、辐合辐散风场以及涡旋风场的高低空配置等不同方面讨论了南亚高压对华北夏季降水的影响机制。结果表明,如果当年6月南亚高压的位置偏西,华北夏季降水就有可能增加。

华北—东北地区南部汛期降水影响因子分析及季节预报模型的建立

华北—东北地区南部夏季受东亚夏季风的影响,频繁发生干旱和洪涝等灾害,但华北—东北地区南部汛期降水成因复杂,其季节预测因子的选择和预报模型还需进一步研究。由经验正交函数分解(EOF)得到1981—2020年华北—东北地区南部汛期(7—8月)降水前两个模态(分别为整体一致型、南北相反型的空间结构),基于信息流特有的因果关系挑选前两个模态的预报因子,并通过多元逐步回归进一步筛选预报因子、建立季节统计预报模型。第一模态降水对应的主成分时间序列(PC1)的预报因子经过筛选有3个,分别为超前5个月的热带西印度洋海表温度(SST)、超前6个月的西西伯利亚平原850 hPa经向风以及超前2个月的热带中太平洋850 hPa经向风。第二模态降水对应的主成分时间序列(PC2)的预报因子经筛选有4个,分别为超前2个月的南印度洋中部SST、超前3个月的鄂霍次克海地区向外长波辐射(OLR)、超前2个月的热带西太平洋850 hPa经向风以及超前9个月的北大西洋涛动指数(NAO)。基于前两模态的回报/预报时间序列的重构场与观测场的时间相关系数(TCC)全场平均达到0.46,实际两个模态的时间序列重构场与观测场空间相关系数(PCC)的年际变化较大,而回报/预报时间序列重构场和观测场年际变化与其类似,其40 a平均PCC为0.35,说明前两个模态重构拟合较好的年份预报技巧也较高。

华北盛夏降水年代际变化与南半球环流异常的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和中国160个台站降水资料,分析了华北盛夏降水与南半球马斯克林高压、澳大利亚高压的年际关系。结果表明,华北盛夏降水和马高、澳高在年际变化尺度上都有着显著的负相关关系,且这种关系存在年代际变化,并重点分析了与华北盛夏降水年代际变化相对应的南半球环流异常型的特征。

马斯克林高压与华北盛夏降水的年际关系及其年代际变化

利用NCEP/NCAR、ERA-40再分析资料和中国160站盛夏(7、8月)降水资料,使用相关分析、合成分析等方法,分析了马斯克林高压(马高)与华北盛夏降水的年际关系及其年代际变化。结果表明:马高与华北盛夏降水在年际时间尺度上存在显著的负相关关系,这种显著的负相关关系从1974年以后开始减弱。在强关系阶段(1951—1973年),马高与中国东部盛夏降水的显著负相关中心主要位于华北地区;在弱关系阶段(1974—2011年),马高与华北盛夏降水的负相关关系变弱,与长江中下游地区的正相关关系变强。导致马高与华北盛夏降水年际关系发生年代际变化的原因是:中国东部地区(不)受来自马高的异常偏南气流影响,使得华北盛夏降水偏多(少),两者关系偏强(弱)。马高与华北盛夏降水年际关系发生的年代际变化,是中国东部地区从20世纪70年代中期以后出现"南涝北旱"的原因之一。

华北汛期大尺度降水条件的年代际变化

利用中国740站逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,使用合成分析等方法,分析了华北汛期大尺度降水条件的年代际变化。结果表明:以1978年为界,华北汛期异常水汽先由南边界和西边界供应,后改变为由北边界和东边界供应;水汽收支由异常辐合和盈余,改变为辐散和亏损;先前能够到达华北北部甚至接近华北最北边界的暖湿气团,改变为后来只能抵达黄河南岸;并且沿着太行山走向的冷暖空气的相互作用也由强变弱;华北上空由异常上升运动,改变为异常下沉运动;区域平均的对流层涡度的垂直分布,由先前的两层结构(低层正涡度、高层负涡度)改变为后来的三层结构(对流层中低层负涡度、中高层正涡度和高层负涡度),整层涡度效应值也由大变小。尽管华北区域平均的散度和垂直速度,在垂直方向上的结构没有发生明显的年代际变化,但是整层散度效应值和垂直速度值均由大变小。

华北汛期降水月内时间尺度周期振荡的年代际变化分析

利用中国740站逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,使用小波分析等方法,对华北汛期降水的月内时间尺度周期振荡的年代际变化及其原因进行了分析。结果表明:由于西太平洋副热带高压和华北夏季风的月内时间尺度周期振荡存在显著的年代际变化,使得华北汛期降水在两个不同阶段,存在着显著不同的月内时间尺度的周期振荡。在华北汛期降水偏多阶段,华北在整个汛期从开始到结束,都存在单一的、显著的3～8d天气时间尺度的周期振荡高频降水;华北日降水量具有典型的单峰结构,汛期日降水于7月下旬达到最大,随后逐步减弱,遵循着"7下8上"之规律。华北汛期降水偏少阶段,显著的天气时间尺度的高频降水,直到7月中旬才开始出现,出现时间较迟;7月22日以后,华北汛期日降水又存在着3～8d和10～20d两种时间尺度周期振荡的叠加;日降水值于7月上旬出现次极大值,随后降水有所减弱,到8月上旬出现最大值,随后降水再减弱,显示出一定的低频振荡特征;而且在7月26日至8月6日期间,10～20d低频降水又以负位相开始,正位相结束,这些都表现出和降水偏多阶段"7下8上"之规律不一样的特点。

华北夏季降水异常与大气环流和海温的关系

利用1961—2015年中国地面气象台站格点化降水资料、NOAA提供的逐月海表温度资料,以及NCEP/NCAR月平均再分析资料,采用EOF、相关分析和合成分析等方法,分析了华北夏季降水与大气环流和海温的关系以及冬季EP型ElNio指数(I_(EP))对华北次年夏季降水的影响。结果表明:华北夏季降水偏多(少)年的环流特征为贝加尔湖地区位势高度负(正)距平,北太平洋存在一位势高度正(负)异常中心,日本海到渤海正位势高度距平加强(减弱),表现为东亚地区典型的东高(低)西低(高)的环流形势;同期夏季在赤道中东太平洋存在关键区海温异常,与华北夏季降水呈显著负相关关系,表明关键区海温增暖(变冷),华北夏季降水减少(增加);冬季I_(EP)指数正位相年华北次年夏季降水正异常,西北太平洋上空500 hPa位势高度显著负异常,中高纬呈现两脊一槽型环流形势,西太平洋副热带高压位置较气候态偏西,赤道西太平洋为明显的异常东风,低层垂直上升运动为孟加拉湾经向通道和太平洋纬向通道的水汽输送提供有利动力条件,有利于华北雨季降水偏多;I_(EP)指数负位相年环流形势则相反。

中世纪温暖期华北降水与黄河泛滥

本文利用文献记载建立了五代至北宋时期(中世纪温暖期)的降水等级指数,指数表明这个时期华北地区大范围降水比较多见,在百年尺度上有两次峰值,第一次出现在970s年代,第二次出现在1080s年代。降水等级的波动与黄河决溢次有数很好的相关关系,尤其是降水的峰值年代与黄河决溢的峰值年代完全匹配。因此华北地区汛期大范围强降水是当时黄河决溢的主要原因。中世纪温暖期华北地区出现了降水增加、洪涝多发,是整个时期的基本特征,而两者年代际的变化并没有完全的对应关系,但有寒冷事件记载代表冬季寒冷的年份通常夏秋汛不发生大范围降水。

热带海温异常影响华北夏季降水的机制研究

利用正压涡度方程模式对赤道东太平洋和赤道西太平洋暖池区海温异常影响华北夏季降水的机制进行了研究,结果表明:(1)赤道东太平洋海温升高,西太平洋副高会前期加强,位置异常偏北,后期位置偏东;华东25°N以南多低槽活动,华北上空低槽活动少;华北东部盛行南风,长江中下游盛行北风扰动,不利于水汽向华北输送。这些形势都不利于华北降水。(2)西太平洋暖池区海温降低,副高减弱,不利于华北降水;华北上空多低槽活动,是有利于降水的形势;渤海、朝鲜半岛盛行北风,而贝加尔湖及其东南方向为强南风,冷暖空气不易交汇,华北降水稀少。(3)西太平洋暖池海温降低对华北降水的影响不象赤道东太平洋海温异常那样显著。(4)极涡变化和热带海温异常之间的对应关系不确定。