全球稳定增温1.5℃下北非夏季风降水的响应及其机理

利用第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)模式模拟结果,研究了21世纪末全球稳定增温1.5℃下北非夏季风降水的变化及机理。结果表明,全球稳定增温1.5℃较1985—2014年北非夏季风降水将增加0.26 mm/d,区域降水敏感度为4.8%/℃,且季风区北部降水增幅大于南部。基于水汽收支诊断发现热力项对季风区总降水增加作用明显,动力项对降水空间变化起重要作用。进一步分析当地水汽条件及相应环流场发现:在热力上,相对于1985—2014年,稳定增温1.5℃加强了北非地区表面温度及低层水汽输送,有利于当地维持更高的大气可降水量。在动力上,稳定增温1.5℃下显著的撒哈拉沙漠增温加大了海陆温度梯度,增强了对流层低层季风环流,同时非洲东风急流北移,使得季风区北部低层气流辐合加强,而高层热带东风急流减弱会导致季风区高层辐散运动减弱。总的来说,热力项增加了整个季风区降水,而动力项增强了季风区北部降水,减弱南部降水,主导了降水变化的空间格局。

华南前汛期的锋面降水和夏季风降水 I.划分日期的确定

前汛期暴雨常常引发华南地区的洪涝，但是前汛期降水的预报能力却相当低。降水的预报在很大程度上依赖于对降水性质的理解，而华南前汛期降水通常被认为只是锋面性质的降水。事实上，南海夏季风在6月（甚至5月）就可以影响到华南地区并产生季风对流降水。因此，华南前汛期包含了两种不同性质的降水，即锋面降水和夏季风降水，如何区分它们是非常重要的。为了区分它们，利用NCEP／NCAR再分析资料、CMAP资料和中国730站降水资料，分析气候平均（1971-2000年）状态下锋面降水和季风降水期间大气性质和特征的差异，得到华南前汛期夏季风降水开始的基本判据：100hPa纬向风由西风转为东风并维持5天以上。利用该判据得出气候平均条件下的华南夏季风降水开始于5月24日，并得到1951-2004年逐年华南前汛期锋面降水和季风降水的划分日期。合成分析的结果表明，得到的划分日期是基本合理的，因为它将锋面降水和季风降水期间大气特点的显著差别区分开来。

华南前汛期的锋面降水和夏季风降水II.空间分布特征

利用中国730站降水资料和第I部分(郑彬等,2006)得到的华南前汛期锋面降水和季风降水的划分日期,计算出1958-2000年华南前汛期锋面降水量(强度)和季风降水量(强度)的序列,采用EOF和扩展EOF分析方法,得到华南前汛期降水的几个主要分布型,并探讨锋面降水与季风降水的可能联系。分析结果表明:华南前汛期的锋面降水和季风降水分布主要有三种类型——全区旱涝型、西南涝(旱)东北旱(涝)型、东南涝(旱)西北旱(涝)型。各分布型的时间系数与850 hPa风场的相关结果表明不同的分布对应着不同的低层环流形势。统计结果显示华南前汛期锋面降水的分布形式与季风降水的分布形式有一定的对应关系。

东绒布冰芯净积累量与印度夏季风降水的关系

珠穆朗玛峰东侧东绒布冰川积累区的降水主要是由印度夏季风环流带来的.根据东绒布冰芯记录恢复的净积累量与印度中北部和印度半岛东部地区的夏季风降水量具有基本一致的周期,三者有着较好的相关性,因此可以通过冰芯净积累量来反映更长时间序列印度某些地区夏季风降水量的变化趋势.东绒布冰芯净积累量的相对变化幅度大于印度夏季风降水量的变化,表明高海拔地区的降水比低海拔地区具有更高的敏感性.

华南夏季风降水开始日的异常与前冬大气环流和海温的关系

利用1951-2004年NCEP／NCAR再分析资料及ERSST海温资料，研究了华南夏季风降水开始日期的变化特征及其与前期冬季大气环流和海温的关系。小波分析表明，夏季风降水开始日期具有明显的年际和年代际变化，年际变化以准2～3年变化为主，年代际变化周期约16年。华南夏季风降水开始偏早年在大气环流上的前兆信号表现为前期冬季乌拉尔山阻塞高压偏强、东亚大槽较深，阿留申低压偏强，冷空气活动偏强。冬季，鄂霍次克海附近的海温异常为华南夏季风降水开始迟早有物理意义的、稳定正相关前兆信号。合成分析表明，冬季鄂霍次克海附近SST正异常时，5月100hPa青藏高压偏东偏北偏弱，异常偏西风控制华南；850hPa环流在华南表现为东北风，华南受冷空气影响为主，华南夏季风降水开始日期偏晚。相反时，若冬季鄂霍次克海附近SST负异常，5月100hPa青藏高压偏西偏南偏强，异常偏东风控制华南；850hPa环流在华南表现为偏南风，华南受热带系统影响为主，华南夏季风降水开始日期偏早。并提出冬季中高纬度地区冷空气活动影响华南夏季风降水开始日异常的物理机制。

印度夏季风降水周期性研究

印度夏季风降水(ISMR)在南亚气候系统中是一个非常重要的内容,近年来对它的研究日益受到人们的重视。为了深入认识ISMR的变化特征,主要利用Scargle周期图和小波变换研究了1871-2004年间ISMR变化的周期性。结果表明,ISMR的周期性波动非常复杂,相应的周期参数具有明显的时变特征。文中还简单讨论了ISMR周期时变的可能原因。

夏季风降水在我国西北地区不同粒级方解石记录上的反映

碳酸盐含量一直被作为指示干旱和季风变化的良好指标,但其发生与夏季风降雨的关系始终没有得到明确的科学证明。通过西北黄土覆盖区到物源区现代土壤、全新世古土壤S0和末次冰期最盛期黄土L1中不同粒级方解石含量的系统分析,揭示出中、粗粒级方解石含量少、变化小和无规律性,而<2μm粒级的细粒方解石含量高、变化大,且规律性强。现代土壤和古土壤S0淋溶层中的细粒方解石含量随降水量的增大而降低,黄土L1中方解石的含量变化则没有明显的规律性,与方解石总量和碳酸盐含量变化类似。这表明细粒方解石含量是导致方解石总量和碳酸盐含量变化的主体,代表了成壤时期形成的次生方解石,反映了成壤作用的强度和夏季风降水的变化。

华南前汛期夏季风降水开始日期的确定

华南前汛期降水包含锋面降水和夏季风降水,提高对这2种不同性质降水的认识及如何区分是非常重要的。本文利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了华南不同性质降水期间大气特性的差异,并采用集合经验模态分解（EEMD）方法,自适应地提取假相当位温θse的调制年循环变量（MAC）,得到华南前汛期夏季风降水开始日期的划分标准。结果表明,当某年θse的MAC〉δ标准差时,南海夏季风推进至华南地区,夏季风降水开始。利用该标准划分的华南前汛期夏季风降水开始日期平均为5月第6候,且具有2~3 a、13~15 a的年际、年代际变化周期。进一步对比分析表明,此标准划分的结果基本合理。

超强El Ni■o事件的多样性及其对东亚夏季风降水的影响

利用1979-2017年美国国家海洋和大气管理局(NOAA)重建海温逐月资料(ERSST V5)、气候预报中心(CPC)的Nino3.4指数、NCEP/NCAR再分析风场资料以及CMAP降水资料,将1979-2017年Nino3.4指数超过2℃的El Nino事件,定义为超强El Nino事件。根据超强El Nino事件的定义,从近40年(1979-2017年)选取出三个超强El Nino事件(1982-1983年、1997-1998年和2015-2016年)。首先运用海温距平资料,分析超强El Nino事件的多样性特征,然后根据这三个超强El Nino事件发生年与次年的夏季降水距平,讨论东亚夏季风降水对超强El Nino事件多样性的响应差异。研究表明,即使是同为超强的El Nino事件,由于其不同的分布特征,东亚夏季风降水的响应场表现出明显的不同。在此基础上,从环流异常、850 hPa风场异常以及副高的变化等方面讨论了这两者之间的联系。

全新世东亚夏季风降水穿时性的模拟研究

全新世期间东亚夏季风经历了较为复杂的演变过程,针对其降水的时空变化规律还存在争议。本研究利用TraCE-21 ka气候瞬变模拟的全强迫试验和敏感性试验数据,分析了全新世东亚不同区域降水极大值出现的时间,即东亚季风降水的“穿时性”问题,并就降水量的演变趋势和主要影响因子进行了分析。结果表明,全强迫试验中,全新世期间东亚夏季风总降水和净降水极大值最早在北方出现,然后逐渐南移,直到近代出现在南方及沿海地区,这与全新世期间东亚夏季风强度逐渐减弱相符;利用水汽收支方程对全新世东亚夏季风总降水变化进行分解,北方地区降水变化主要受动力因子的控制,热力因子的贡献占比较小,随着地区的南移,热力因子也起到了一定的贡献,不过动力因子仍是主导因素;敏感性试验进一步揭示,全强迫试验中东亚季风降水的这种“穿时性”主要受到地球轨道变化导致的海陆热力差异变化调控。

上新世暖期和未来增暖背景下亚非夏季风降水变化的模拟对比研究

亚非夏季风降水对当地农业、水资源管理、粮食安全以及生态系统等均有广泛影响,其对全球变暖的响应特征是一个重要的科学问题。本研究基于上新世模式比较计划(PlioMIP2)的15个上新世暖期模式模拟数据和第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的31个高排放情景SSP5-8.5模式模拟数据,对比分析了上新世暖期和未来增暖背景下亚非夏季风降水变化特征的差异及其成因机制。结果表明:在这两类气候增暖背景下,亚非夏季风降水都呈增加的趋势,然而对应于全球平均1℃升温,季风降水在上新世暖期的强度增幅(0.24 mm/day/℃)明显大于其在未来增暖情景的强度增幅(0.17 mm/day/℃),前者降水异常值约为后者的1.4倍。这种差异主要源于,对应于全球平均1℃升温,上新世暖期中高纬增温幅度显著强于未来增暖情景,而低纬度较小。上新世暖期低纬和北半球中高纬度之间的经向温度梯度减弱幅度更大,有利于亚非夏季风环流显著增强,从而导致亚非夏季风降水强度显著强于未来增暖时期。本研究表明,气候增暖背景下低纬与中高纬度之间的经向温度梯度变化对亚非夏季风具有显著影响,准确衡量暖期南-北半球间经向温度梯度的变化对预估区域季风和水循环变化至关重要。

马斯克林高压和澳大利亚高压的年际变化及其对东亚夏季风降水的影响

利用:NCEP/NCAR的再分析资料和其他多种观测资料,分析了1970～1999年期间马斯克林高压和澳大利亚高压(以下分别简称为马高和澳高)的年际变化.结果显示,马高的年际变化主要取决于南极涛动,当南半球高纬度绕极低压加深时,马高加强;与马高有所不同的是,澳高的年际变化则同时与南极涛动和ENSO(厄尔尼诺和南方涛动)有关,当厄尔尼诺发生时,澳高加强. 相关分析和所选取的个例分析均证实,东亚夏季风降水与马高和澳高有密切关系.当北半球从春至夏(南半球从秋至冬)马高增强时,中国长江流域至日本一带多雨,华南到台湾以东的西太平洋以及东亚中纬度大部分地区少雨.与马高相比,澳高的影响仅限于华南地区,当澳高增强时,华南多雨. 研究结果表明,南极涛动是除ENSO之外另一个能够影响东亚夏季风降水年际变化的强信号,这对于揭示东亚夏季风年际变化的物理机制和中国夏季降水的预测有重要意义.

公元1840年以来东亚夏季风降水变化——以中国和韩国的树轮记录为例

根据中国和韩国3条树木年轮降水记录,本文分析了过去160a以来东亚夏季风降水的变迁历史。统计分析表明,年际间中国和韩国季风降水不存在线性相关,而在10a尺度上则表现出同步变化的趋势。1860～1890,1910～1925,1940～1960年是3个降水量较多的时段;1890～1910,1925～1940,1960～1998年,则是3个降水量较少的时段。3条降水重建序列均揭示1920年代中期东亚夏季风降水快速由多转少。同时树木年轮季风降水重建序列也被基于中国历史文献记载所划分的旱涝指数和韩国雨量记录所证实。

约900 ka前后冰期夏季风降水减弱:东北平原湖相沉积物的粒度证据

中更新世转型(mid-Pleistocene Transition,简称MPT)期间,除了冰量周期由40 ka向100 ka的特征转变之外,约900 ka以后,高纬冰量、全球海平面和大气CO2/大洋碳库的变幅也都发生了明显变化,这些因素对东亚夏季风的演化产生了深远影响。但关于此时期东亚夏季风降水的变化趋势及其驱动机制,目前尚存在不同看法。本文在前期古地磁和光释光(optically stimulated luminescence,简称OSL)年代框架的基础上,基于东北平原QAL钻孔上部71 m的沉积物粒度重建了夏季风降水演化序列。结果表明:1)时间跨度为1180~450 ka的林甸组和令字组均为较细颗粒的湖相沉积,且林甸组明显较令字组颗粒粗;2)粒度粗的层位代表低湖面阶段,反映降水少,为冰期,反之亦然;3)小波分析显示约900 ka后,100 ka周期特征明显,为通过与深海氧同位素对比获得更精细的年龄序列奠定基础;4)约900 ka后,冰期的降水有明显减弱的趋势。高纬冰量扩张造成的全球海平面下降导致更多陆地暴露出海平面,增加了大洋水汽的输送距离,可能是降水减少的一个影响因素。大西洋经向翻转流(Atlantic Meridional Overturning Circulation,简称AMOC)减弱,热带太平洋区域"热带辐合带"(Intertropical Convergence Zone,简称ITCZ)南移,可能是东亚夏季风降水减弱的另一重要原因。古湖相沉积能够用来重建长尺度夏季风降水变化,未来应加强东亚季风区不同区域古湖泊沉积研究,进而弥补长尺度夏季风演化研究存在的不足,这将有助于更好理解轨道尺度夏季风演化的动力机制。

末次间冰期127 ka时期植被反馈增强东亚夏季风降水的数值模拟研究

黄土和石笋等古气候代用资料表明在末次间冰期间,东亚夏季风增强、降水增多。本研究利用地球系统模式EC-Earth模拟了末次间冰期127 ka时期的气候,通过和工业革命前的气候模拟控制试验做比对,分析了127 ka时期由于地球轨道参数变化导致的东亚夏季风的空间变化特征。我们利用了两种EC-Earth的模式配置,即"大气-陆面-海洋-海冰"耦合模式和"大气-陆面-海洋-海冰-动态植被"耦合模式,分别估算轨道强迫和植被反馈对东亚夏季风降水变化的贡献。数值模拟结果表明,地球轨道强迫导致的海陆热力差异使得东亚夏季风系统显著增强并北移西伸,中国中部及华北地区降水增多而东部沿海地区降水减少。耦合了动态植被模式的试验结果表明,127 ka时期温暖湿润的气候致使东亚地区植被增多,植被的蒸腾作用使得地表的感热和潜热通量显著增大,从而增强了局地水循环,使降水进一步增多。植被的反馈作用在原本温暖湿润的华南地区对降水的影响并不显著,但是对相对干旱的我国中部和华北地区降水有显著影响。数值试验结果表明轨道强迫和植被反馈的共同作用能使内陆的四川盆地到华北一带夏季降水增加约40%,其中30%的增加是由于轨道强迫作用,约10%是由于植被反馈。这个研究也提醒我们,要得到更加合理的对过去或未来气候变化的模拟结果,有必要使用耦合动态植被的气候系统模式。

中国东南地区中世纪暖期和小冰期夏季风降水研究进展

中国东部季风区过去千年季风降水演变研究已取得大量研究成果及重要阶段性进展,然而,该区域南方记录指示的降水变化趋势有所差别,主要表现为对中世纪暖期和小冰期相对干湿的认识不一致。筛选整理了17个已发表的中国东部南方地区过去千年的地质和史料记录,将这些结果按照研究材料划分为湖泊沉积、泥炭沉积、近海沉积和史料集成4组分别进行对比分析。结果表明,多种研究材料重建的中国东南地区中世纪暖期和小冰期季风降水相对变化趋势表现不一致。导致差异的原因主要是年代框架的不确定性和代用指标指示意义的不明确,也可能是东南地区降水演变本身存在区域差异。因此,为进一步探讨中国东南地区过去千年的季风降水演变历史及驱动机制,应在相关区域重建更多年代精准和指标可靠的季风降水序列。

中国东部夏季风雨带季节内变异模态的研究

根据中国气象局国家气候中心提供的1951~2005年中国160个站月降水量资料，用扩展的EOF（EE—OF）分析、小波变换、相关分析和合成分析方法，研究了中国东部夏季风雨带季节性南北变动的主导模态和时空变化的特征，分析了各模态的气候特点及其与西太平洋副热带高压季节内变异的关系。研究表明，我国夏季雨带季节性进退活动不仅是多态的而且是多时间尺度的现象。主导模态主要有六种，为了对各模态雨带推进过程的不同特点有个概要的认识，分别称之为：梅涝型、伏旱型、梅旱型、南涝北旱型、常态型和南旱北涝型。这六种模态基本上反映了我国东部夏季雨带季节性移动异常的各种情况。在时间尺度上，各模态普遍存在准两年、3～5年和准8年的年际变化，以及准10年、准15年、准24年和准30年的年代际变化。但各模态的优势周期存在明显差别，尤其是年代际变化。分析还表明，西太平洋副热带高压的季节性变异是影响我国东部夏季雨带季节内时空变化最直接和最主要的原因。基本上，不同型式的副高变异对应有不同的雨带季节内变化模态和天气气候特征。这些研究结果可为我们进一步探讨中国夏季雨带季节内变异各模态形成的物理过程和成因提供基础。

冬季欧亚大陆雪盖变化与东亚夏季风

中国东部受亚洲季风气候控制,这里季节分明,一年一度来自海洋季风带来充沛的雨量,为当地农业和自然生态的发展提供特殊的条件,形成了典型的季风气侯。由于季风气候明显的年际变化特点,这里干旱和洪涝发生的频率高,对人民的生活有很大的影响。另一方面,一些研究结果表明,由于季风气候热力驱动的性质,季风系统对全球增暖的响应很敏感,季风区也是全球大气运动能量和水汽的重要供应者,直接影响全球大气运动以及气候变化。最近,根据越来越多新的研究资料表明,亚洲季风系统在热带气候系统(如厄尔尼诺与南方涛动(ENSO))异常演变过程中扮演着重要角色。其中,北半球春季亚洲中高纬地区与大陆雪盖异常密切相关的陆气相互作用对其后各个季节东亚大气环流演变和热带海/陆/气耦合系统的年际变率也起重要作用。ENSO事件为中唯一影响东亚气候变异的强气候信号。

华南前汛期不同降水时段的特征分析

利用1957—2001年华南地区74个测站逐日降水资料和同期NCEP/NCAR逐日再分析格点资料,对华南前汛期(4—6月)不同降水时段的特征进行了比较。分析发现,华南前汛期降水由锋面降水和夏季风降水两个时段组成。锋面降水时段主要集中在4月,为典型的由冬到夏过渡的环流形势,华南地区高空为平直的副热带西风急流,大气层结稳定,水汽来源主要是阿拉伯海的西风输送和西太平洋副高南侧东风的转向输送;南海夏季风爆发前,副高仍控制南海地区,华南地区水汽输送主要来源于阿拉伯海的西风输送和西太平洋副高南侧东风的转向输送及孟加拉湾的西南输送;南海夏季风爆发后,副高东撤退出南海地区,南半球越赤道水汽输送加强并与孟加拉湾水汽输送连通,华南区域内对流发展;夏季风降水时段盛期主要集中在6月,此时南亚高压跃上高原,华南地区处于南亚高压东部,对流发展极其旺盛,强大的南半球越赤道水汽输送越过孟加拉湾和南海地区向华南地区输送。

江门前汛期不同降水时段特征

通过对江门地区1971～2007年3—6月候雨量、日雨量，2003～2007年南海和华南地区低层（850hPa）风场、向外长波辐射（OLR）场和水汽场在南海夏季风爆发前后差异的比较分析，发现：江门前汛期降水由锋面降水和夏季风降水2个时段组成，降水集中期分别为5月第2候和6月第2候。南海夏季风爆发后，江门第1次出现的降水可看作是夏季风降水的开始，南海夏季风的不同爆发类型对江门夏季风降水的开始时间有不同影响。江门前汛期的锋面降水为大尺度抬升凝结降水，而具有热带性质的夏季风降水为对流性降水；由于降水性质的不同，导致两者在降水持续时间、降水形式等方面表现出差异。