国际上年代际到世纪时间尺度气候变化的研究

系统介绍国际上关于年代际和世纪时间尺度气候变化的最新研究，并就其主要科学问题进行了概括，以促进中国在这个领域的进步。

塔里木河流域夏季降水年际和年代变化的环流异常

基于1961-2020年夏季(6-8月)NCAR/NCEP再分析资料和塔里木河流域38个气象站降水资料,使用5 a滑动平均分离出该流域夏季降水年代际和年际变化,选出年际变化典型的干年和湿年与年代际变化的干期(1963-1986年)和湿期(1989-2018年),分析与这两种时间尺度变化相关联的大气环流异常。结果表明:影响年代际变化的大气环流异常主要是大西洋和欧亚大陆的对流层位势高度场从西北至东南交替出现反气旋和气旋距平环流。在湿期,分别在蒙古国和中亚的反气旋和气旋距平环流加强,塔里木河流域东部和西部分别出现明显的东风和西南风异常,来自西北太平洋和印度洋的水汽增多;在干期则相反。影响年际变化的大气环流异常主要是:在湿年,塔里木河流域之外的西北部和东北部的对流层都为显著的反气旋距平环流,塔里木河流域西部对流层为气旋距平环流,流域东部对流层为反气旋和气旋距平环流影响区;从南北方向向塔里木河流域输送的水汽增多,北风的水汽输送增加较多,南风的水汽输送增加较少,来自北冰洋和印度洋水汽增多;在干年则相反。

年际时间尺度上北太平洋副热带高压对ENSO的影响

利用NCEP/NCAR大气再分析资料、Hadley中心海表面温度资料和美国马里兰大学(UMD)的SODA6海洋再分析资料,针对北太平洋副热带高压的完整系统(简称副高),定义了定量化表征500hPa高度场和海平面气压场(SLP)副高的面积及强度指数,揭示了在年际时间尺度上超前于ENSO事件的SLP副高异常特征及其对ENSO事件建立的触发作用。通过相关及合成分析的研究结果表明,在年际时间尺度上,前期SLP副高的异常变化可以触发ENSO事件,而与SLP副高相联系的热带西太平洋表面风场异常变化起着重要的作用。

西南地区秋冬雾日年际与年代际变化的对比研究

利用1958~2007年503个中国地面观测站点的雾日数资料,分析了全国秋冬雾日数的时空特征。结果表明,西南地区在秋冬发生雾日频率较高,达到了18 d以上,是中国东部地区同期雾日数的2倍以上。西南地区秋冬雾日存在显著的年际和年代际尺度气候变率。在两个时间尺度上,发生雾日的气象条件存在显著差异。在年际尺度上,西南地区中高层北风异常较为显著,因而将北方的冷空气带到西南地区,使得西南地区中高层出现了显著的冷空气异常。由于该地区处于雨带的北侧,存在一定的温湿空气,上空伴随着异常下沉运动,将高层的冷空气带到低层,而此时低层大气的温度、湿度异常偏高,冷暖空气汇合,容易过饱和,所以雾日偏多。在年代际尺度上,西南地区低层异常北风相比于年际尺度更为显著,因而低层北方冷空气的南下,使西南地区出现显著的降温降湿,但是温度下降速率快于湿度下降速率,所以温度露点差为负,空气容易达到饱和,伴随大气较为稳定,导致雾日偏多。

秋季北极海冰与欧亚冬季气温在年代际和年际尺度上的不同联系

北极海冰的急剧消融在近年来欧亚大陆频发的低温事件中扮演着关键角色.秋季北极海冰的偏少对应着冬季欧亚大陆的低温天气,然而二者的联系在年代际和年际两种时间尺度上存在显著区别.本文运用1979—2012年哈德莱中心第一套海冰覆盖率(HadISST1)、欧洲中心(ERA_Interim)的2m温度、风场、海平面气压场、高度场等资料,分别研究了年代际和年际时间尺度上前期秋季北极海冰与欧亚冬季气温的联系.结果表明,欧亚和北极地区(0°—160°E,15°N—90°N)的冬季气温具有显著的年代际和年际变化.在年代际尺度上,温度异常分布在21世纪初由北极冷-大陆暖转为北极暖-大陆冷.这一年代际转折与前期秋季整个北极地区的海冰年代际减少联系密切.秋季北极全区海冰年代际偏少对应冬季欧亚大陆中高纬地区的高压异常,有利于北大西洋的暖湿气流北上和北极的冷空气南侵,造成北极暖-大陆冷的温度分布;在年际时间尺度上,温度异常分布主要由第一模态的年际变化部分和第二模态组成,且第一模态包含的年际变率信号也存在显著的年代际变化.年际尺度上全区北极海冰对欧亚冬季气温的影响远不及位于北冰洋西南边缘的巴伦支海、喀拉海和拉普捷夫海西部(30°E—120°E,75°N—85°N)的关键区海冰影响显著.关键区内海冰的偏少会引发冬季的北大西洋涛动负位相,导致北大西洋吹往欧亚大陆的暖湿气流减弱和欧亚大陆中高纬地区的气温偏低.

中国降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感性

利用中国740站45年降水资料按5种分辨率分气候区计算了降水年际和年代际变率.降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感性分析表明,中国各气候区降水年际变率对空间尺度的敏感性都随空间尺度的增加而逐渐减小,且存在明显的季节变化,而年代际变率对空间尺度的敏感性却随空间尺度的增加而增大,但不存在季节变化;由于中国各气候区降水的特殊性,各气候区降水年际和年代际变率对空间尺度的敏感程度存在不可忽视的差异.在年际和年代际尺度上,西南地区降水变率对空间尺度都是最敏感的,因而该区域降水年际和年代际变率信号的检测最困难.而华南地区在年际尺度上比较敏感,年代际尺度却不敏感,但华南地区在年际和年代际尺度上区域内降水分布的非均匀程度对空间尺度的敏感性都最大.

近百年来热带太平洋海温年际及年代际时间变率特征的诊断研究

年际及年代际时间变率是当代气候研究的重要问题之一 ,通过对近百年热带太平洋海温资料做子波分析发现 ,2 0世纪 50年代以来的海温升高及频繁发生的 ENSO事件伴随着海温年代际时间尺度背景场的明显改变 ,同时还研究了其年代际及年际时间尺度时间变率特征。

南海及周边地区TBB年及以上时间尺度振荡特征诊断研究

应用小波变换方法，对1980～1997年逐日TBB资料进行分析，发现南海地区TBB年时间尺度(约6～15个月)和年际时间尺度(2～5年)变化显著。年时间尺度变化，在纬向上东传特征明显，在经向上具有赤道反对称的分布特征。南海地区TBB年时间尺度变化振幅与东太平洋海温异常之间存在调制作用。TBB年际时间尺度变化具有lO年际变化特征，1980年代年际时间尺度变化显著，1990年代明显减弱。该时间尺度变化与Nino3区海温异常有非常显著的关系，El Nino期间，南海地区TBB较高，对流相对较弱；La Nina期间，南海地区TBB较低，对流较强，表明南海地区大气环流对太平洋海温异常有明显的响应。

广东大尺度大气水汽汇的年际及年代际变化特征

用1958～2004年实测降雨量和NCEP/NCAR再分析资料,分析了广东地区大尺度水汽汇的年际和年代际变化特征及其与水汽通量变化的关系。结果表明,气候平均而言,广东春夏季大气向地面输送较多水资源,秋季地气间相互交换的水分相当,冬季由地面向大气输送较多的水资源。四季和年水汽汇的年际分量方差贡献均占主导地位,秋、冬季水汽汇的年际分量有约3年的显著周期。除了显著的年际分量外,冬、春季和年水汽汇的年代际分量方差贡献也较显著,占总方差的40%以上,以30多年的长周期变化为主,目前正处于由正位相向负位相转变的过渡期,预示今后广东有偏旱趋势。广东冬春季水汽汇的异常有显著的同相关系。另外,夏、秋季水汽汇的年代际分量有10～15年的显著周期。广东各季大气水汽汇偏强(弱)是由于从热带低纬输送到南海北部至华南地区的水汽增强(减弱),并伴随着水汽通量的辐合的增强(减弱)造成,但各季水汽通量异常分布型是有差别的。

华北汛期降水量变化中年代际和年际尺度的分离

华北地区汛期（7月和8月）降水量的变化中,不仅具有年际变化的特征,同时还具有明显的年代际变化特征。我们将这两种时间尺度进行分离,即将降水量的变化进行5年滑动平均,以滑动平均值代表年代际变化,并以每年的汛期降水量与滑动平均值的差代表去除了年代际变化后的年际变化。然后,利用NCAR/NCEP再分析资料对与这两种不同时间尺度相关联的大气环流异常进行了分析,发现两者具有不同的表现,说明影响这两种不同时间尺度的物理原因可能是不同的。与年代际变化相对应的大气环流异常主要表现为出现在我国东部地区的南北风异常以及欧亚大陆上空的位势高度异常。若对这两种时间尺度不进行分离,而直接按讨论年际变化的一般方法简单地分析与年际变化相关联的大气环流异常时,所得到的分析结果中既包含与华北降水年代际变化相关联的大气环流异常,又包含与去除年代际变化后的年际变化相关联的大气环流异常。而除去年代际变化后,与华北汛期降水年际变化相关联的大气环流异常主要表现为在东亚上空位势高度和纬向风的异常,意味着急流在涝年位置偏北。

ENSO与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化

利用热带太平洋海表温度和中国降水和气温站点观测资料,通过滑动相关分析,揭示了ENSO与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化事实。结果表明:ENSO与中国夏季年际气候异常的关系既有稳定的方面,又存在年代际变化特征。稳定的关系表现在:处于发展阶段的ENSO事件往往造成华北夏季降水偏少;处于衰减阶段的ENSO事件则易引起长江流域及江南地区夏季降水偏多。而二者关系的年代际变化表现在:1970年代中后期,处于发展阶段的ENSO事件引起的夏季降水异常在华南地区由偏少变为偏多,东北地区则由偏多变为偏少,而江淮地区偏多的现象不再明显,华北和东北夏季气温异常也由偏冷转变为偏暖,而华南则有偏冷趋势;处于衰减阶段的ENSO事件引起的夏季降水异常在华北地区由偏多变为偏少,江淮地区降水由偏少变为正常甚至偏多,华北夏季气温异常则由偏冷变为偏暖,长江流域和华南也有偏暖趋势。利用NCEP/NCAR再分析资料合成分析表明,在不同的年代际背景下ENSO引起的东亚中高纬度大气环流异常型发生了明显改变是ENSO和降水气温关系发生年代际变化的原因。

亚洲夏季风的年际和年代际变化及其未来预测

本文是对我们近五年在亚洲夏季风年代际与年际变率及其未来预测方面研究的一个综述。主要包括下列三个问题:(1)根据123年中国夏季降水资料和印度学者的分析,检测出亚洲夏季风具有明显的年代际尺度减弱,这种年代际变化使中国东部(包括东亚)和南亚夏季降水的格局在过去60年中发生了明显变化。在东亚,从1970年代后期开始,主要异常雨带有不断南移的趋势,结果造成了南涝北旱的降水分布,这主要受到60～80年年代际振荡的影响。青藏高原前冬和春季积雪的年代际减少与热带中东太平洋海表温度的年代际增加是东亚降水型改变的主要原因,这是通过减弱亚洲地区夏季海陆温差与夏季风强度而实现的。未来亚洲夏季风的预测表明,东亚夏季风和南亚夏季风对气候变暖有十分不同的响应。东亚夏季风在本世纪将增强,雨带北推,尤其在2040年代之后;而南亚夏季风环流将继续减弱。这种不同的变化是由于两者对高低层海陆热力差异的不同响应造成。(2)年际尺度的变率在亚洲夏季风区主要表现为2年与4～7年的振荡。本文着重分析了2年振荡(TBO)形成的过程、机理及其对东亚降水的影响。对TBO—海洋机理进行了具体的改进,说明了东亚夏季风降水深受TBO影响的原因,尤其是阐明了长江型(YRV)TBO和淮河型(HRV)TBO的特征及其形成的循环过程。(3)在总结亚洲夏季风时期遥相关型的基础上,本文提出了季节内和年际尺度的低空遥相关型:即西北太平洋季风的遥相关型与印度"南支"和"北支"遥相关型。它们基本上反映了沿低空夏季风强风速带Rossby波群速度传播的结果。据此可以根据西北太平洋和印度夏季风的变化分别预测中国梅雨和华北雨季来临和降水异常。最后研究还表明,在本世纪亚洲夏季风可能更显著地受到人类活动造成的全球变暖的影响,未来的亚洲夏季风活动是人类排放的CO2引起的全球变暖与自然变化(海洋和陆面过程(积雪))共同作用的结果。

青藏高原气温和降水的年际和年代际变化

通过对青藏高原 72个地面气象站 1 962～ 1 999年的气温和降水变化的分析 ,以唐古拉山脉为界将高原分为青海区和西藏区 ,分别考察了两区冬春 (上年 1 0月～当年 5月)和汛期 (当年 6月～ 9月 )气温与降水的变化趋势、突变及其周期振荡 ,得出的主要结论为 :近 38年 (1 962～ 1 999)来 ,青藏高原呈升温趋势 ,冬春大多数台站的升温率为0 0 2～ 0 0 3℃a- 1 ,汛期大多数台站的升温率为 0 0 1～ 0 0 2℃a- 1 ;2 0世纪 80年代以来 ,高原冬春气温的升温更为强烈 ,汛期青海区的升温变得强烈 ,但西藏区反呈微弱降温趋势 ,降温主要发生在西藏的江河谷地 ;全球性的 1 980年左右的暖突变在青藏高原是明显存在的 ;近 38年来 ,青海区冬春降水和西藏区汛期降水存在相同的相位变化 ,即 2 0世纪60年代基本偏多 ,2 0世纪 70年代和 2 0世纪 80年代初偏少 ,2 0世纪 80年代中到 2 0世纪90年代偏多 ;青海区汛期降水与西藏区汛期降水的变化存在反向的关系 ,但它的转折点要滞后 4～ 5年 ,青海区汛期降水 2 0世纪 60年代偏少 ,2 0世纪 70年代和 2 0世纪 80年代偏多 ,2 0世纪 90年代偏少 ;西藏区冬春降水呈现自己独特的变化 ,2 0世纪 60年代到 2 0世纪 70年代初偏少 ,2 0世纪 70年代中末期到 2 0世纪 90年代偏多 ;高原气温主要?

东北冬季气温年际、年代际影响因子的比较

采用1961-2012年东北三省53站月平均气温资料及NCEP/NCAR再分析资料。分析东北冬季气温变化特征。利用SVD法得出影响东北冬季气温的主要因子。分别从年际和年代际尺度上,用偏相关法分析了各因子对东北冬季气温独立的影响。结果表明：东北冬季气温以全区一致异常为主,气温显著上升;东北冬季气温主要影响因子是北极涛动、西伯利亚高压和东亚冬季风;年际尺度上,北极涛动和东亚冬季风适合描述东北中、北部的冬季气温。西伯利亚高压与东北南部冬季气温关系密切;年代际尺度上,北极涛动适合描述东北冬季气温。

南亚高压的年际和年代际变化

利用１９５８～１９９８ 年ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ再分析月平均１００ ｈＰａ 高度场和风场资料， 依据大气环流观测事实及天气学原理， 较客观地定义了描述南亚高压活动的特征参数， 然后对南亚高压的年际及年代际变化特征进行了系统的诊断分析。发现北半球中低纬１００ ｈＰａ 环流异常具有空间整体性和时间持续性， 即北半球中低纬１００ ｈＰａ 环流同时加强或同时减弱， 并且其整体异常具有明显的年代际变化。南亚高压面积和强度的变化存在３．８ 年的振荡周期，与ＥＮＳＯ 的循环周期一致。南亚高压的中心和脊线在夏季较为稳定，较大的年际差异出现在春季。高压面积和强度的年际变化最明显， 并且面积大、强度强的年份往往与ＥｌＮｉｎｏ 年相对应。南亚高压的位置和强度还存在明显的年代际变化， 自１９７８ 年以后， 冬半年南亚高压脊线南移， 中心东移， 面积增大， 强度增强， 夏半年南亚高压的位置变化不很明显， 但是面积和强度也增大增强。这种年代际异常与低层大气系统及赤道太平洋海温的年代际异常一致。南亚高压强度距平与热带海洋ＳＳＴＡ 密切相关， 与印度洋海区的同期相关最好。南亚高压强度异常对印度洋ＳＳＴＡ 的响应时间为０～５ 个月， 对赤道中东太平洋ＳＳＴＡ 的响应时间为?

我国东部梅雨期降水的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温的关系

基于我国160站59年(1951～2009年)的月降水观测资料、美国气象环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的再分析资料和Hadley中心的海表温度(Sea Surface Temperature,简称SST)资料,对我国东部(100°E以东,15°N～40°N)梅雨期(6月和7月)降水的时空变化特征进行了分析,结果发现:我国梅雨期降水主要表现为长江—华南反位相变化型和江南一致变化型两个模态。通过波谱分析的方法将梅雨期降水量变化中的年际(周期<8年的部分)和年代际(周期≥8年的部分)两种时间尺度进行分离,对这两种时间尺度上降水的时空变化规律分别进行分析,结果发现:无论是在年际还是年代际时间尺度上,我国东部梅雨期降水都主要表现为长江—华南反位相变化型和江南一致变化型,其中长江—华南反位相变化型有明显的年际和年代际变化,而江南一致变化型则主要表现为年代际变化。进一步对与这两种不同时间尺度相联系的大气环流和海温异常进行分析,结果发现:与长江—华南反位相变化型相联系的大气环流异常在年际时间尺度上表现为欧亚大陆中高纬的双阻型,从低纬到高纬"+-+"的经向波列分布,东亚副热带急流显著增强;在年代际时间尺度上表现为欧亚大陆一致的正位势高度异常,副热带高压增强北抬。海温异常在年际时间尺度上主要是前期日本附近海域和印度洋海区以及同期南海附近海域的正海温异常;在年代际时间尺度上主要是同期北太平洋中部"马蹄形"的负海温异常。与江南一致变化型相联系的大气环流异常在年际时间尺度上表现为欧亚大陆中高纬的东阻型,东亚沿岸从低纬到高纬"+-+"的经向波列分布;在年代际时间尺度上表现为大陆低压显著减弱,东亚副热带急流减弱南移。海温异常在年际时间尺度上主要是前期北太平洋的负海温异常和澳大利亚东部沿岸的正海温异常,以及同期南海附近海域的正海温异常;在年代际时间尺度上主要是前期东亚沿岸海域以及同期南海、热带西太平洋海区的正海温异常。

广东雾霾天气能见度时空特征分析--年际年代际变化

利用1980―2003年广东省22个地面气象观测站24 a的气象观测资料,采用经验正交函数分解(EOF)和连续功率谱分析方法,分析广东省雾霾天气下能见度的时空分布特征。结果发现,广东地区雾霾天气能见度的年际年代际变化主要表现在EOF的前2个主模态,方差贡献分别占17.4﹪和11.8﹪。其中第1主模态的空间场与广东省自然地理区划基本对应,其时间序列反映的主要是雾霾天气下能见度的年代际变化。在1992年前后由正向负的逐渐减小可能与上世纪90年代以后广东地区经济活动的明显增强有关;第2主模态的空间场反映出广东地区能见度时空变化一致性的特点,其时间序列具有显著的准2 a、4 a和8 a振荡周期,所反映的主要是雾霾天气能见度的年际变化,可能与大尺度季风区对ENSO年际变化信号的响应有关。

年际和年代际气候变化的全球时空特征比较

利用 195 0 - 1998年全球海洋同化分析资料和全球大气再分析资料 ,分析比较了全球海气系统年际和年代际变化的主要时空特征 .结果表明 :1)全球上层海洋年际变化主要为位于热带太平洋的ENSO模态 ,年代际变化最显著区域在中纬度海洋、赤道外热带东太平洋和大西洋及南半球高纬度区域 ;2 )全球大气年际和年代际变化均主要位于中高纬地区尤其是两极地区 ,在年际时间尺度上 ,气温异常和气压异常没有明显的对应关系 ,但在年代际时间尺度上 ,气温增暖 (变冷 )常常伴随着气压的降低 (升高 ) ;3)在年际时间尺度上 ,发生在中高纬度陆地地区的大气年际变化和主要发生在热带海洋的上层海洋年际变化没有一致性的内在联系 ,前者主要表现为大气内部 (浑沌 )变化 ,而后者主要为热带海气相互作用产生的ENSO变化 ;4 )在年代际时间尺度上 ,全球海洋大气系统大约在 2 0世纪 70年代均一致性地经历了一次跃变 ,其结果导致 80年代以来 ,全球大范围地区 (尤其是两极和西伯利亚地区 )气温明显偏暖 ,赤道两侧的热带东太平洋、北美和南美西海岸及非洲西海岸等海域海表温度偏高 ,伴随着这种全球大范围背景增暖现象 ,青藏高原北部地区和格陵兰岛气温具有变冷趋势 。

中国南方旱涝年际年代际变化及成因研究进展

基于气候变暖背景下中国南方旱涝时空格局发生变化的基本事实,回顾了中国南方降水的主要模态和旱涝年际年代际尺度变化特征及其成因的主要研究进展。研究指出,El Nino发展年,中国南方大部地区降水偏少,尤其在长江及其以南地区,而El Nino衰减年则相反。强调热带印度洋海盆一致偏暖使西太平洋副热带高压增强,位置偏南,导致西北太平洋反气旋异常的形成和维持,有利于中国南方降水加强。青藏高原冬春季积雪多,春夏季高原感热和上升运动较弱,导致夏季风偏弱,有利于长江流域降水偏多易涝,反之亦然。关于多因子协同作用对南方旱涝影响,指出南方旱涝是多因子协同影响的结果,如菲律宾反气旋受冬季青藏高原积雪、El Nino与前期春季印度洋海温等多因子协同影响。南方旱涝与影响因子发生了年际关系的年代际变化,在气候变暖背景下,随着后者的年代际转型,其对前者的影响关系也发生了年代际变化。因此,提出了应该关注南方旱涝的预测策略与方法,提高旱涝预测技巧。

广东汛期开始日期的年际和年代际变化研究

用小波分析和相关统计等方法 ,对近 5 0多年来广东开汛的年际和年代际变化及与副高、PDO指数的关系进行了研究 ,同时也研究了它与后期天气、前期 5 0 0hPa环流场和海温场的关系。结果表明 ,近 5 0年来广东开汛呈偏早的趋势 ,具有明显的 2～ 7年左右的年际和 34年左右的年代际周期振荡 ;开汛的年代际振荡与副高、PDO指数是一致的 ,并与它们存在反向的关系 ,且突变的时间也均发生在 2 0世纪 70年代中后期 ;广东开汛与后期天气的相关分析表明 ,它与广东 4月降水的相关最好 ,与 5 ,6月的相关则差 ;与广东降水集中期初日只有在 1986年以后至今才具有显著的正相关 ,而与降水集中期次数却在 1977年之前就具有显著的负相关 ;广东开汛的早晚与前冬 5 0 0hPa高度场存在几个显著的相关中心 ,与前秋北太平洋西风漂流区的海温异常也有明显的相关。