2024年春季中国东部降水季节内异常特征及成因分析

2024年春季(3—5月)我国平均降水量为163 mm,为1961年以来历史同期第六多,4—5月东部地区旱涝灾害并重,华南和江南大部降水较常年同期偏多,尤其是华南大部降水偏多5成以上,多次暴雨过程造成部分地区发生洪涝;而黄淮、江淮北部降水显著偏少,春季后期干旱迅速发展。春季“华南涝、黄淮旱”的形成与东亚大气环流关键系统异常及其季节内阶段性变化密切相关。4月异常偏强、偏南的西北太平洋副热带高压和低层850 hPa偏强的西北太平洋反气旋为华南和江南提供了有利的水汽输送条件,导致南方地区发生多次强降水过程;而黄淮干旱主要受4—5月持续偏强的朝鲜半岛-日本海高压(小笠原高压)和偏南的西北太平洋副热带高压共同影响。此外,春季El Ni o衰减和热带印度洋海温异常偏暖有助于激发异常偏强的西北太平洋反气旋,是我国南方强降水发生的重要海洋外强迫背景。

中国北方秋雨与热带中太平洋海表冷却的关系

本文利用1951～2011年中国160站降水、NCEP/NCAR再分析资料和NOAA延长重建海表温度(NOAA extended reconstructed SST)资料,研究了中国9月北方秋雨的年际变化特征及其成因,并用ECHAM5大气环流模式开展了数值试验,最后对2011年9月历史罕见秋雨进行了分析。研究发现,中国北方秋雨有明显的年际和年代际变化,19世纪60年代到1980年代中期,北方秋雨偏多,1950年代、1980年代后期和1990年代秋雨偏少。北方秋雨与西太平洋副热带高压的西伸有密切联系,北方秋雨偏多时,副热带高压偏西偏强,有利于偏南风向北输送水汽并在中国北方辐合。西太平洋副热带高压的加强西伸与热带中太平洋的海表冷却密切有关,偏低的热带中太平洋海表温度(CTSSTI)使其上的对流活动受到抑制,热带西太平洋对流异常旺盛,在西北太平洋出现异常反气旋,加强东亚—西北太平洋的EAP波列,引起西太平洋副热带高压明显西伸,导致秋雨偏多。反之,热带中太平洋海表偏暖,副热带高压偏弱偏南,秋雨偏少。2011年9月北方秋雨的环流异常及成因与统计分析和数值模拟结果基本一致。

北极涛动年代际变化与华北夏季降水的联系

利用NCEP/NCAR再分析资料和华北夏季降水资料,研究了北极涛动的年代际变化及其与大气环流的关系,进而研究与华北夏季降水异常变化的联系。结果表明,北极涛动具有明显的年代际变化,并在1969年发生了气候突变。北极涛动年代际异常与亚洲中纬度高度场异常、850 hPa风场的年代际异常具有很好的一致性。在年代际尺度上,北极涛动与贝加尔湖地区阻塞高压发生频率、东亚夏季风强度和华北夏季降水的关系较为密切。

中纬度阻塞高压指数与华北夏季降水的联系

利用 50 0 h Pa高度场资料计算了亚洲中纬度 3个区域 (鄂霍次克海区、贝加尔湖区、乌拉尔山区 )阻塞高压指数 ,通过相关分析、合成分析研究了阻塞高压指数与华北夏季降水之间的联系。结果表明 3个区域阻塞高压指数均具有明显的年代际变化 ,并且与华北夏季降水在年代际尺度上关系密切 ,相关系数分别为 - 0 .4 6 2 2、- 0 .6 76 3、- 0 .6 71 3。在阻塞高压的频发期 ,中纬度西风在东亚地区发生分支 ,分别形成极锋和副热带锋区 ,东亚夏季风偏弱 ,西太平洋副热带高压位置偏南 ,我国夏季雨带位置偏南 ,造成华北夏季干旱 ;而在阻塞高压的少发期则相反。

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。

西太平洋副高与华北旱涝的关系

运用月降水量、月平均高度场、西太平洋副高指数和月可降水量资料,用相关及合成分析方法分析了西太平洋副高与华北降水、旱涝环流及可降水量的关系。结果表明,西太平洋副高与华北夏季旱涝有密切的关系,尤其是西太平洋副高脊线位置及西伸脊点。当西太平洋副高偏西偏北时,欧亚上空从高纬到低纬易出现“- + -”的遥相关型,华北上空可降水量偏少,降水偏少,易旱;反之亦然。

青藏高原地表温度对华北汛期降水变化的影响

利用1980～2001年青藏高原月平均地表温度、1961～2001年我国160站月降水以及NECP/NCAR再分析月平均高度场资料,分析了华北地区汛期降水与青藏高原地表温度的关系,结果表明华北地区汛期降水与青藏高原5～6月地表温度具有显著的正相关.相关场的正值中心位于高原的东北部和西南部地区.华北地区汛期降水偏少年,青藏高原前期5～6月地温以负距平为主且距平值较小;相反,降水偏多年,青藏高原前期5～6月地温以正距平为主且距平值较大.EOF和SVD的分析表明,青藏高原5～6月地温和华北地区汛期降水的第一典型场都表现出大体一致的变化特点.此外,诊断分析得到,青藏高原5～6月地温偏高年,7～8月西太平洋副热带高压的强度偏强,位置偏北;地温偏低年,西太平洋副热带高压的强度偏弱,位置偏南.

西太平洋副热带高压对华北地区降水蒸发差的影响

采用小波相关和交叉小波变换等方法,分析了西太平洋副热带高压脊线和北界位置变化对华北地区降水蒸发差的影响。结果表明,2000年以来华北区南部的水资源短缺问题有所缓解,但以北京为中心的华北区东北部仍处于持续缺水期;华北地区降水蒸发差与副热带高压脊线及北界位置变化相关密切,存在年际和年代际尺度的显著相关振荡,与副热带高压脊线的年代际尺度相关凝聚性最强;时域中年际尺度相关存在局部化特征,年代际尺度相关具有阶段性。分析认为,2000年以来副热带高压脊线和北界位置偏北并维持反气旋型环流,有利于水汽向华北输送,使得华北降水增多,是近年来华北中南部降水蒸发差增大的主要原因;而东亚季风减弱不利于西南气流的水汽输送,以及蒙古高原显著增暖导致蒸发增大等因素,使得华北东北部仍处于持续缺水期。

1880年以来华北降水及水资源的变化

分析了１８８０ 年以来华北地区（ 太原、北京、济南、烟台和郑州） 降水的季节、年际和年代际变化。研究表明：华北降水存在着显著的年际和年代际变化，１８８３ ～１８９８ 年和１９４９ ～１９６４ 年是华北降水较丰沛时段，１８９９ ～１９２０ 年和１９６５ ～１９９７ 年华北降水处于偏少阶段，其中１９８０ ～１９９３ 年降水持续偏少，干旱现象严重。研究指出：华北夏季降水的年际和年代际变化与夏季东亚─西太平洋地区上空５００ ｈＰａ 位势高度场以及西太平洋副热带高压脊线位置的年际和年代际变化密切相关；９０ 年代后期，夏季西太平洋副热带高压脊线的位置偏北，估计未来５～１０ 年华北地区持续干旱现象将结束，降水可能会恢复到２０ 世纪５０ ～６０ 年代中期水平，有利于华北水资源增加。

西太平洋副热带高压位置对华北盛夏降水的影响

应用1958～2002年NCEP/NCAR 500 hPa再分析资料,分析夏季逐日西太平洋副热带高压在110°～130°E、20°～50°N区域脊线活动情况。发现盛夏（7～8月）副高在588 dagpm以上、脊线在30°N以北的日数与华北降水有大范围正相关区,中心相关系数0.561（显著性水平为0.001）。分析发现西太平副热带高压越过30°N的初日（连续3天副高脊线越过30°N的首日）早晚与华北盛夏降水量显著相关,初日与华北盛夏的平均降水量相关系数为-0.385,即副高北上早华北盛夏降水多,反之副高北上晚华北盛夏降水少。110°～130°E区域副高脊线越过30°N的日数和初日能更好地描述西太平洋副高与华北乃至我国东部盛夏降水的关系,对实际业务工作具有重要意义。

天津盛夏降水趋势与初夏华北高压的统计分析

根据初夏 (6月 )的天气气候演变 ,预测盛夏 (7～ 8月 )的短期气候趋势 ,一直是急需解决的难题。文章揭示了自 195 8年以来天津盛夏降水趋势与初夏时节临近地区上空的环流特征之间的统计关系。结果表明 ,初夏华北高压强时盛夏天津降水偏少 ,反之盛夏天津降水偏多 ,不仅逐年的对应关系显著 ,而且变化趋势相反 ,转折时期也一致。初步解释了 2 0世纪 70年代以前天津 (华北 )盛夏多雨和 80年代至今天津 (华北 )少雨的物理原因。以此为主要根据建立了初夏对于盛夏天津降水的短期气候预测方法 ,1998～ 2 0 0 3年连续 6年预报正确。

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。

华北夏季单峰和双峰降水过程的特征及其机理

采用1954—2010年NCEP/NCAR逐日再分析资料和中国753站逐日站点降水资料,定义了华北雨季的开始日和结束日,发现华北夏季存在单峰和双峰两种降水过程,选取典型单峰和双峰降水过程,对比分析这两种降水过程的特征和机理。结果表明：1）在华北雨季期间,单峰降水过程中的副高脊线没有中断的现象,而双峰降水过程中的降水中断现象是因副高的东退南压所致。2）华北夏季单峰降水年的季风中断现象不明显,季风的影响能一直持续至雨季结束,而双峰降水年的季风加强（减弱中断）对应着降水峰值（中断）。3）滤波后的华北夏季降水时间变化显示,当30-60 d和7-14 d振荡的波峰相对时,则出现降水峰值;当30-60 d振荡的波谷和7-14 d振荡的波峰相对时,则出现降水中断。4）华北夏季双峰降水年的低频纬向风传播与双峰降水的时间演变具有较好的对应关系。

西太副高脊线的位置与同期华北夏季降水量的关系分析

利用中国160站降水资料和西太副高资料来分析西太平洋副热带高压脊线的位置与同期华北地区夏季降水的关系。分析的结果表明,夏季西太副高脊线偏西、偏北,华北夏季降水偏多;而副高脊线偏东、偏南,华北夏季降水偏少。