冬季青藏高原上游西风模态与中国降水及NAO的关联

利用ERA40再分析资料和中国区域站点降水观测资料分析了冬季北大西洋至青藏高原上游地区上空西风变率的EOF主要模态(简称高原上游西风模态),并考察了这些模态与中国区域降水及北大西洋涛动(NAO)之间的联系。研究结果表明,冬季高原上游最主要的两种西风模态(EOF1和EOF2)都和北大西洋涛动(NAO)显著相关,却与中国冬季降水的关系明显不同:EOF1对应着整体位置偏北、南侧活动中心偏东的NAO型,并与高原西南侧及长江中下游地区冬季降水存在显著正相关;而EOF2对应着整体位置偏南,南侧活动中心位置偏西的NAO空间型,与中国冬季降水却没有显著的相关关系。进一步研究指出,在偏强的EOF1中,低纬异常西风带可向东伸展到位于亚欧大陆中南部的高原上游,造成高原西南侧中下层气流的爬升运动增强,导致高原西南侧降水异常偏多,同时,该西风异常可绕过高原形成异常西南风,与异常偏高的西太平洋副热带高压南侧湿润的东南风异常汇合于长江中下游地区,产生异常辐合上升运动,从而引起长江中下游地区冬季降水增强,反之亦然;而EOF2较EOF1位置偏东、偏南,低纬纬向风东伸较弱,对中国冬季降水影响不明显。这表明冬季高原上游西风异常分布的形态对下游中国区域降水的影响至关重要,而西风EOF1模态是NAO通过上下游效应影响中国冬季降水的一个重要媒介。

现代气候条件下降水变化的“西风模态”空间范围及其影响因子初探

全新世轨道-千年-百年-年代际尺度上中纬度亚洲内陆干旱区的湿度/降水变化与东亚季风区呈现出错/反位相的变化,简称为中纬度内陆干旱区气候变化的＂西风模态＂,但至今对气候变化＂西风模态＂的适用空间范围及其影响因子缺乏深入研究.针对整个中纬度欧亚大陆（30°-60°N,0°-130°E）,使用1960-2010年GPCC,CRU和CPC三个降水数据集的逐月降水资料,分别对冬、夏季降水的年际、年代际信号进行EOF分析,发现现代气候背景下的降水变化＂西风模态＂在夏季年代际尺度表现最为显著,亚洲中部内陆干旱区部分区域的年代际夏季降水与其东部的中纬度东亚季风区和西部的地中海周边地区均呈现出相反变化的空间格局,在中纬度欧亚大陆表现出＂-＋-＂的空间变化模态.据此划分出气候变化＂西风模态＂核心区域,即西部以里海（约50°E）为界,东部到河西走廊西界（约90°E）,南北界限与亚洲中部干旱区南北界线吻合（约36°-54°N）,整体相当于中亚和中国新疆干旱区,本文将其命名为＂西风模态核心区＂.依据逐月NCEP/NCAR再分析数据,探讨了亚洲中部干旱区气候变化＂西风模态＂的成因,发现其不但与中纬度大气环流的纬向波动传播及印度夏季风降水异常之间的共同作用有直接联系,而且与大西洋多年代际振荡（AMO）也密切相关.

西风与季风在青藏高原的耦合模态及其季节性变化特征

青藏高原是我国的水塔,西风与季风及其相互作用是导致亚洲天气和气候变化最重要的环流系统。本文基于1981~2020年大气再分析资料,采用经验正交函数分解方法(Empirical Orthogonal Function,EOF)提取了西风与季风季节循环分量在青藏高原的耦合模态,并对其季节变化特征进行分析。研究发现,第一主模态方差贡献率高达78.39%,主要反映的是东亚季风、南亚季风和对流层高层中纬度西风的季节循环特征及各个季节的年际变化特征。夏季在对流层高层高原及其南侧主要为东风气流,范围从北纬5°至35°,对流层低层则表现为典型的绕高原气旋式季风环流系统,热带和副热带地区为西南季风控制,冬季的环流结构刚好相反。耦合模态的冬、夏季节转换节点与东亚季风和南亚季风的季节转换时间基本一致。从年际变化的角度来看,各个季节耦合模态的强度偏强时,东亚季风和南亚季风均偏强,西风带位置偏北;反之,季风偏弱,西风带位置偏南。厄尔尼诺—南方涛动(El Ni?o–Southern Oscillation,ENSO)是影响西风与季风耦合模态年际变化的关键外强迫,拉尼娜(La Ni?a)事件发生的前夏、前秋和次年夏季耦合模态的强度均增强,冬季至次年春季耦合模态的强度均减弱。西风与季风耦合的第二主模态主要表现为对流层高层高原上的东风及其南侧西风,以及低层南亚季风区的西南季风和西北太平洋反气旋的协同变化特征。该模态的方差贡献率为4.68%,表现出明显年际差异的同时还呈现显著减弱的长期趋势,尤其是在冬季。

夏季西北太平洋副热带高压的两种年际变率模态

本文利用再分析资料和耦合模式FGOALS_gl的20世纪气候模拟实验(20C3M)的结果,在检验模式对西北太平洋副热带高压(西太副高,西太反气旋)模拟性能的基础上,通过对再分析资料和模拟的850hPa风场做EOF分解,揭示出西太副高年际变率的两种模态;按照它们对应的赤道异常纬向风的不同,将这两种模态分别命名为"赤道东风共存模态"(EEM)和"赤道西风共存模态"(EWM).两种模态的西太异常反气旋形成机制类似,但维持和发展机制不同,主导振荡周期不同,与ENSO位相的关系不同.EEM的西太异常反气旋产生于前冬ElNio衰减期,通过西北太平洋局地海气正反馈维持到夏季,并可通过增强赤道次表层海水上翻促进ElNio向LaNia位相的转变.EWM的西太异常反气旋形成于当年春季,主要依靠同期赤道中东太平洋的异常暖海温强迫而维持和发展.FGOALS_gl模式能再现上述两种模态,但不能正确反映它们的相对重要性.在NCEP资料中,EEM表现为第一模态,解释了总方差的35.6%;而在模式中,EWM表现为第一模态,解释了总方差的68.2%.

我国西北干旱区“暖湿化”问题及其未来趋势讨论

自施雅风先生提出我国西北干旱区气候从20世纪80年代开始发生“暖干”向“暖湿”的转型以来,学界对西北干旱区乃至整个亚洲中部干旱区的降水和湿度变化开展了大量研究,尤其是对有器测资料以来西北干旱区的“暖湿化”过程开展了系统研究,但西北“暖湿化”是否停滞及其未来变化趋势仍存在较大争议.本文综合气候、生态和水文资料,通过对1950~2019年温度、降水、干旱指数(Aridity Index,简称AI)、植被以及径流数据的分析发现,受西风环流控制的我国西北干旱区和青藏高原北部自20世纪80年代以来气候均持续变暖变湿,并且自20世纪90年代以来气候“暖湿化”进一步加速,而受季风环流影响的华北地区的降水/湿度变化则大体相反.这种反向变化主要受控于蒙古上空的异常反气旋,该异常反气旋在导致西北干旱区东风异常、水汽输出减少、降水增加的同时,也导致华北地区出现异常下沉运动、水汽辐散增加、降水减少.而降水是湿度变化的主控因素,这也就最终形成了我国西北-华北降水/湿度反向变化的“西风模态”时空变化格局.研究发现,近年来关于西北干旱区“暖湿化”争论的主要因素是由于过去研究中选择的时间序列长短不同、选择的区域范围不同和选择的湿度指标不同导致的.依据能最好模拟我国西北、华北地区降水和湿度状况的EC-Earth3模式,本文进一步发现在未来低排放情景下,西北干旱区仍将变湿,但随着排放情景加强,逐渐向“暖干”转型.该研究指示,适度的增暖有利于西北干旱区生态环境进一步转好,而华北地区的降水和湿度随排放情景的增强将持续增加.