东亚夏季海陆热力对比对全球变暖的响应

利用耦合模式比较20世纪气候模拟试验和21世纪SRES(Special Report on Emissions Scenarios)A1B情景气候预估试验结果,探讨了东亚区域海陆热力对比对全球变暖的响应。首先通过超级集合方法,重建了20世纪40a(1960—1999年)和预估了21世纪40 a(2020—2059年)东亚地区的海陆热力对比;在此基础上,分析了东亚夏季海陆热力对比的过去40 a的变化特征及其未来的可能变化趋势。结果表明,超级集合的方法能够有效地降低单个模式存在的不确定性,其结果优于多模式的算术平均结果。利用超级集合方法能够很好地再现1960—1999年间海陆热力差指数的变化特征,并且有效地降低与再分析资料的均方根误差。进一步分析发现,陆面温度在全球变暖背景下变化较明显,尤其在华南地区存在显著增温;而东亚大陆季风区,存在明显的降温趋势。利用超级集合方法预估未来海陆热力对比的结果表明,在2040年前存在较强的海陆热力差,而2050后海陆热力对比有减弱趋势。

东亚海陆热力差指数与中国夏季降水的关系

定义了东亚海陆热力差指数 ( ILSTD) ,讨论了它与东亚夏季风的强弱年际变化及夏季降水的关系。结果表明 :该海陆热力差指数较好地反映了我国东部季风区夏季降水的年际异常变化 ,强海陆热力差指数年 ,华北地区降水偏多 ,长江、淮河流域明显干旱 ;弱海陆热力差指数年 ,长江、淮河流域降水又异常偏多。ILSTD的异常变化对影响我国东部季风区降水的大气环流型具有较强的识别力 ,尤其是对夏季西太平洋副热带高压的位置与强度的识别。强弱指数年 ,北半球 5 0 0 h Pa上东亚夏季风环流系统各成员及高低纬环流系统的相互配置和强度变化可以较合理地解释夏季风的强弱变化和东部季风区夏季降水的异常变化特征。

亚洲季风区海陆热力变化的观测分析及模拟评估

利用观测资料分析了亚洲季风区夏季海陆热力差异的变化特征。在此基础上,采用国际耦合模式比较计划第五阶段(Coupled Model Intercomparison Program 5,CMIP5)20个模式的输出结果,对其进行了模拟评估。结果表明,亚洲季风区夏季陆地上空温度呈下降趋势,海洋上空呈升高趋势,海陆热力差呈减弱趋势。虽然模式模拟的海陆热力差也呈减弱趋势,但陆地和海洋上空温度均呈上升趋势。模式对陆地上空温度趋势模拟较差的原因是对青藏高原上空的温度模拟偏低。进一步分析表明,对海陆热力差异模拟相对较好的模式对亚洲季风系统模拟较好,而较差的模式对亚洲季风系统模拟也较差。

海陆分布和地形对1998年夏季风爆发的热力影响

利用“南海季风科学试验”（SCSMEX）所获得的可靠资料，对1998年区域海陆热力状况进行了分析与对比，并着重讨论了西太平洋和青藏高原地区热力作用对1998年季风爆发及发展的可能影响。结果发现：大气热源分布与海陆分布有密切联系，由于地形的阻挡使得在包含有南北海陆分布差异的地区，热源主要大值带较全海洋区域明显偏南。表面加热存在明显的季节变化和海陆差异。西太平洋地区与夏季风爆发之间的联系主要表现在海温和潜热加热的变化上。高原在亚洲夏季风爆发过程中的作用机制不同：在南海季风爆发期间以感热加热为主，印度季风爆发期间以水汽凝结释放潜热为主。

东亚冬季风异常的空间结构及与海陆热力差异的联系

对 NCEP/NCAR再分析资料采用经验正交函数和奇异谱分析方法研究东亚冬季风异常的空间结构和时间变率 ,在进行相关分析的基础上用奇异值分解方法研究东亚冬季风异常与海陆热力差异的联系。分析结果表明 :在东亚季风区内冬季风异常有明显的地理差异 ,根据经向风的气候平均图及均方差图上极值中心的位置、形态 ,确定三个区域。WM1、WM2、WM3区为东亚冬季风的三个子系统 ,分别位于南海、东海、日本海上。三个子系统强度的年际、年代际变率都不同。近 40 a WM3区冬季风呈减弱趋势 ,而 WM1、WM2区冬季风没有明显的减弱趋势。不同地区海陆热力差异影响不同子系统的强度 ,WM1、WM2区冬季风与热带西太平洋海温相关紧密 。

渤海湾海陆热力差异对局地天气系统的影响

采用δ坐标Ｄａｖｉｄ一层中尺度模式，研究天津及渤海湾地区冬、夏两季海陆热力差异日变化因子和下垫面日变化过程加热或冷却产生的中尺度气流，为进一步探讨渤海湾大风、暴雨等突发性灾害天气的成因提供基础。

中国东部海陆热力差异与华南冬季雾霾的气候学关联

根据中国东部冬季海陆热力分异和耦合作用关系,构建了纬向海陆热力差异指标。从大气环流和降水角度,揭示了局地海陆热力差异对中国东部相对湿度变化的影响。基于此,探讨了局地海陆热力差异与华南地区冬季雾霾形成、转化和趋势变化的气候学关联。结果表明:冬季海陆热力对比显著的耦合区位于华南地区和菲律宾海东部海域,形成的局地海陆热力差异具有约17 a左右的年代际变化,20世纪80年代初其由强转弱的趋势突变明显。局地海陆热力差异增强时,华南地区冬季东北风异常加强,由东中国海(渤海、黄海和东海)及日本海向华南地区的水汽输送和降水也呈现增强趋势,这有利于华南地区相对湿度的异常增加。受局地海陆热力差异调控,华南地区偏湿期和偏干期约以17 a的周期交替出现。20世纪80年代之前的偏湿期,华南地区雾日条件湿度基本保持不变,之后环境相对湿度逐渐降低,引起雾日偏少。由于华南地区本底(平均)相对湿度更利于霾的形成,在污染物排放或迁移累积增强的情形下,相对湿度的降低抑制霾向雾的转化,使得雾日持续减少,而霾日趋于增加,特别在21世纪初的偏干峰值期霾日增加速率达到最高。21世纪20年代华南地区相继进入偏干期,气候变暖导致饱和比湿加大,未来霾天气趋多趋强、持续时间长等极端特性和高危险性特点将更为突显。

El Niño事件消亡期亚洲季风区对流层上层经向热力差异的演变

采用NOAA1979—2019年的南方涛动SOI指数、GPCC降水数据和ERA5气温数据探究El Niño事件消亡期亚洲季风区对流层上层海陆热力差异的演变特征。El Niño事件衰减期按所处季节可分为春季型、秋季型和冬季型,其中冬季型衰减对季风区对流层上层经向热力差(TIup)的贡献最大,且热力差异在冬季达到最大;春季型衰减会使伴随长江中下游夏季降水增加,秋季型衰减会使长江中下游夏季降水减少,冬季型衰减会使华北大部分地区夏季降水增多,只有华南、西南及东北部分地区降水略有减小。

冬季亚洲大陆的热力差异和中国气候的关系

最近的一些研究发现,除了海陆之间的热力差异外,大陆内部也存在热力差异。通过合成及t检验方法分析了亚洲大陆内部区域热力差异的变化特征,探讨了年代际尺度上大陆热力状况的季节变化与东亚初夏和夏季环流、季风活动、中国降水变化的关系。结果表明:正指数年代,在经向上从冬至夏东亚大陆由冷变暖,25°N以北中高纬度对流层高层有气温正距平下传,纬向上高原东侧我国大陆地区春夏季迅速增温。相比之下,海洋上的热力变化不明显,一直维持负距平,海陆热力差异偏大,东亚初夏季风建立偏早,夏季风强度偏强,相应地长江流域初夏降水偏多,夏季降水偏少,华北和西南部分地区夏季降水偏多。相反地,负指数年代海陆热力差异的变化将会减弱海陆之间的热力对比,不利于初夏季风的建立和夏季风加强,上述地区降水的变化大致与正指数年代相反。

中南半岛与南海热力差异对南海季风爆发的影响

利用1958—1998年NCEP/NCAR再分析资料和1975—1998年OLR资料,分析了中南半岛与南海热力差异的季节和年际变化特征,以及这种热力差异对南海季风爆发的影响。结果表明,中南半岛与南海热力差异存在明显的季节变化,从第3候开始,感热加热的作用使中南半岛地表温度高于南海并一直持续到第25候,之后,中南半岛与南海热力差异发生逆转,这种逆转是由于第22—23候出现在中南半岛的对流及降水造成中南半岛地表温度降低所致。进一步研究指出,中南半岛与南海热力差异的上述季节变化特征还表现出显著的年际差异,这种年际差异对南海季风的爆发有着重要影响。首先,上述热力差异的逆转是南海季风爆发的一个必要条件:1958—1998年,逆转时间均早于(或等于)南海季风爆发时间;其次,中南半岛地表温度高于南海的持续时间与南海季风爆发日期之间呈显著正相关,即中南半岛地表温度高于南海的时间越早、转为低于南海的时间越迟,则南海季风爆发越迟。

东亚海陆表面温度季节性增温差异对东亚夏季风强度的影响

本文通过对比几种不同的东亚夏季风强度指数,发现东亚及附近地区海陆表面温度的变化与东亚夏季风强度有密切联系。在此基础上,根据强、弱夏季风年东亚表面温度差值的逐候数据做EOF分析,结果发现:第一模态可以揭示从春到夏的季节转换,中国东部陆地增温相对较快,而西太平洋及孟加拉湾海温增温较慢,季节转换提前,有利于夏季风偏强;第二模态则反映了春季中高纬度地区增温快、中低纬增温慢的情形,有利于夏季风增强。在5月份两种模态的综合作用显示:陆地较冷、海洋较暖,夏季陆地的快速增温、海洋增温慢,有利于夏季风增强。将上述影响因素引入到改进的东亚夏季风强度指数中,修正后的指数可以反映东亚地区5月到夏季的海陆增温特点以及季节转换的早晚,并更好地描述了季风区中、高纬度的热力差异,合理地解释夏季风强度与西北太平洋副高及低空急流的关系,因此新指数能够更好地反映全国范围内夏季降水的特点。

亚洲南部地区海陆分布对亚洲冬季风影响的数值试验

利用美国国家大气研究中心研制的第三代公共气候模式CCM3/NCAR,设计了一系列数值试验,研究非洲大陆、印度半岛、中南半岛与其周围的阿拉伯海、印度洋和孟加拉湾及南海海陆交叉分布对亚洲冬季风环流形成的重要作用.试验结果表明:亚洲南部地区的阿拉伯海、孟加拉湾和南海冬季风及其越赤道气流的存在与非洲大陆-阿拉伯海-印度半岛-孟加拉湾-中南半岛-南海的海陆热力差异有关;并且冬季热带地区北风分量的产生也与次行星尺度海陆热力差有关,同时这些次行星尺度海陆热力差也对副热带和高纬度冬季风形成有明显作用.试验结果也表明中南半岛不仅对临近的冬季风有局地的影响,对冬季风的传播也有重要的作用,中南半岛的存在减弱了流向孟加拉湾和印度的冬季偏东风气流,使部分气流在南海转向,形成了南海冬季风;另外,非洲陆地、印度半岛和中南半岛的存在都能对其高空的副热带急流产生重要的影响,尤其是印度半岛和中南半岛的存在对高原南支副热带急流的维持有重要的作用;另外也讨论了这些陆地与海洋间的热力差对冬季地面气温和降水的影响.

夏季中国东部地区海陆温差变异及其与降水的关系

利用1957-2010年中国东部（105°E以东）355个站点的温度、降水观测资料和Hadley中心的HadISST海温再分析资料以及EOF等分析方法,分析了中国东部地表气温和邻近海域海表温度的时空变化特征,构建了一个用于表征夏季中国东部与邻近海域纬向海陆热力差异的温差序列,探讨了该序列的变化特征及其与中国东部夏季降水的关系.结果表明：（1）夏季海陆表面温度变化的强信号区分别位于中国黄海、东海北部及邻近海域和长江中下游地区;（2）夏季强信号区的海陆温差序列有明显的年际和年代际变化特征,约为4-6、8和15a的变化周期.此外,在2000年前后7月海陆温差发生明显转折,在1957-2000年期间,海陆温差幅度有下降的趋势,2000年之后则有上升的特点,并且与中国东部降水相关关系也不同;（3）6月份的海陆温差与中国东北大部分地区的降水有明显的正相关关系,7月份则与中国长江中下游及南部地区的降水有显著的负相关关系.这表明夏季中国东部纬向海陆热力差异的变化可能对中国东部的降水有重要的影响.

9个CMIP5模式模拟的大气质量海陆间迁移的季节循环

选用CMIP5的9个模式的输出资料,分析了北半球海陆间大气质量的季节变化及其驱动因子。结果表明:模式模拟的北半球海陆间的大气质量存在显著的季节性迁移。太平洋和大西洋上的大气质量1月达全年最小,太平洋上的大气质量7月堆积达最大,而大西洋上的大气质量6月堆积达最大(比再分析资料揭示的结果晚1个月)。欧亚大陆上的大气质量12月堆积达全年最大,7月达全年最小。整层积分的大气质量流具有明显的季节变化特征,其中气柱上下层变化呈相反倾向,从而影响纬向垂直环流的季节反转和海陆间大气运动和质量输送。整层水汽质量的季节变化与大气质量的季节变化相反,它在北半球海陆间出现明显的纬向偏差,从而改变大气密度及纬向压力梯度,有利于推动海陆间大气质量的迁移。1月平均地面温度自西向东呈"负—正—负—正"交替分布,7月分布情形与之相反,表明季节变化过程中海陆间热力因素差异推动了大气质量在海陆间迁移。

20世纪60年代中期亚非夏季风减弱的全球气候背景异常分析

利用美国NASA格点月降水总量资料、美国CO2信息分析中心地表面温度异常月平均网格点资料、美国NCEP/NCAR再分析全球网格点资料和兰州高原大气物理研究所的台站地温观测资料分析了1960年代中期亚非夏季风环流圈年代际时间尺度的减弱及其与之有关的全球气候场异常现象。结果发现,1960年代中期全球对流层大气温度和海洋温度场发生异常变化,对流层大气有明显降温,海洋主要以印度洋升温、北太平洋和北大西洋降温为主要特征,同时,我国大陆土壤温度和青藏高原温度在1960年代中期有明显的下降,导致亚洲大陆与印度洋之间的热力对比明显减弱,东风急流减弱,最终导致亚非夏季风明显减弱。

中国东部夏季极端降水年代际变化特征及成因分析

本研究利用逐日降水资料对中国东部夏季极端降水进行检测,并对转变前后的特征进行对比分析,进而从海、陆对增温的响应不同导致的环流调整给出成因分析。结果表明,(1)中国东部夏季极端降水在1990年前后出现显著的年代际转变,极端降水由偏少转为偏多。转折后与转折前相比,中国东部夏季极端降水落区南移,南方偶极子分布型加强,南方极端降水增加、北方极端降水减少,其中华南和华东地区,极端降水量和降水日数增加,对夏季降水的贡献率增大;华北地区,极端降水量和降水日数减少,对夏季降水的贡献率减小。(2)西太平洋暖池区异常升温造成的海陆温差减小是中国东部夏季极端降水1990年前后转变的重要驱动因素之一。它造成1990年之后低纬度季风强度减弱、西太平洋副热带高压增强并南移、南海副高增强,而中高纬度气旋性环流异常被破坏、东亚大槽增强,进而导致华北经向水汽输送减弱,下沉运动显著加强,极端降水量和降水日数减少。于此同时,华南和华东地区则水汽输送加强,上升运动显著,有利于降水偏多,并伴随极端降水量和降水日数有所增加。

江南春雨形成机制的数值模拟

利用美国夏威夷大学国际太平洋研究中心的区域气候模式(IPRC-RegCM)进行了一系列的数值试验,研究了青藏高原大地形和海陆热力差异对江南春雨的影响。在控制试验中,模式较好地模拟了3～4月江南春雨雨带及低层大气环流特征,由于受高原绕流作用产生的西南气流和西太平洋反气旋环流西北侧的西南气流的共同影响,在我国的江南地区形成大范围的降水雨带,即江南春雨。当在模式中去除青藏高原大地形后,高原东南侧的西南气流显著减弱,江南春雨雨带强度明显减弱,但由于受到西太平洋反气旋西北侧弱西南气流的影响,我国江南地区仍然维持一个较大的降水雨带。在模式中人为地将110°E以东,20°～35°N纬度带的海洋设置为陆地,即人为地减少海陆热力差异后,模式模拟的江南春雨明显减少。在模式的另一组试验中将海温提前61天,即人为地将海陆热力差异季节转换推迟,模式模拟的江南春雨雨带强度也明显减弱。以上模式模拟结果表明,我国江南春雨的形成不仅与青藏高原大地形有关,而且与东西向海陆热力差异有关。

东半球夏季低空越赤道气流的年际变化

利用1948—2006年NECP/NCAR的风场、高度场、海平面气压场以及地表温度再分析资料,采用相关分析、合成分析及回归分析等方法,探讨了东半球夏季低空越赤道气流的年际变化特征以及越赤道气流强度与环流系统和前期海陆热力差异的关系。结果表明,越赤道气流强度的年际变化和同期南北半球低纬环流系统,特别是亚澳大陆气压差关系密切。此外,索马里急流和孟加拉湾越赤道气流受海陆热力差异的影响,而东亚越赤道气流则主要受海温影响。

一个耦合气候系统模式模拟的中全新世时期亚洲季风系统变化

本文分析了一个耦合模式FGOALS_g1.0对工业革命前气候(0ka)和中全新世时期(6ka)亚洲夏季风的模拟结果。在该研究中我们主要分析季风降水变率较大的区域,即东亚夏季风区(20°～45°N,110°～120°E)和印度夏季风区(10°～30°N,70°～80°E)。尽管耦合模式的普遍偏差依然存在,该模式反映出亚洲季风系统是海陆热力性质差异的结果,并较好地模拟出了0ka亚洲夏季风大尺度环流的特点和季节变化的特征。6ka和0ka比较分析的结果表明,6ka时期欧亚大陆增暖,海陆温度梯度加强;印度夏季风降水从南亚大陆北移到30°N附近,位于青藏高原南侧的降水大值中心降水加强;东亚季风区降水则表现为华北地区减少,长江流域和华南地区降水增加的特点。但合理地模拟季风爆发仍然是耦合气候系统模式的难点之一。6ka时期亚洲夏季风变化是和大尺度季风环流的变化联系在一起的,而其根本原因是中全新世时期地球轨道参数变化所引起的太阳辐射变化,北半球季节循环的振幅加强。海陆热力性质的差异所导致海陆温差加大使得北半球的季风环流加强,印度夏季风高空东风在20°～30°N加强,低层赤道东风加强,跨赤道后的西南气流向北推移,从而使得印度夏季风降水雨带北移到30°N附近。东亚季风区的高低空温度场的配置使得副热带高空急流减弱,位置偏南,从而有利于华北地区的高空出现异常的辐合,中层为异常的辐散,抑制了季风降水的发展;长江流域和华南地区则相反,季风降水降水加强。

1998年地面加热场的基本特征及其与南海夏季风爆发的可能联系

文中对 1 998年 1月 1日到 8月 31日共 2 4 3d的南海季风试验再分析资料的地面感热场和潜热场进行 EOF分析 ,由感热的第一特征向量场发现 ,中南半岛地区、青藏高原的东北部和印度半岛的大部分是感热通量大值区 ,而海洋上是小值区 ,海陆热力差异十分明显 ,这种海陆感热对比是促使季风爆发的大背景。由感热的时间经度演变图可以看出 ,中南半岛所在经度范围内南北连续的感热分布对南海季风的早爆发具有重要作用。由温度平流项的分布可发现 ,中南半岛的加热作用明显早于青藏高原地区 ,使得中南半岛对南海季风的早期爆发有重要作用 ,而青藏高原对于南海季风的维持具有重要意义。由于印度半岛与中南半岛的海陆分布的差异 。