我国东北地区冬季气温变化的东亚冬季风背景

利用中国气象局国家气象信息中心1961—2011年我国东北地区72个气象站月平均气温资料及NCEP/NCAR月平均海平面气压、500 hPa高度场及200 hPa与850 hPa风场再分析资料,对东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温序列经去除线性趋势处理后的变化特征进行对比分析。结果表明:去除线性趋势后,东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温序列的相关系数为-0.69,较原始序列更为显著;两者变化的阶段性较为同步,我国东北地区冬季气温于2004年已转入低温阶段,这与东亚冬季风同时转为偏强阶段关系密切;两者均存在20年左右的长周期,同样存在相近的阶段性短周期;我国东北地区冬季气温的增温变化趋势在1986年前后的增暖性气候突变中起重要作用。东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温年代际信号的相关系数达-0.86,较原始序列年代际相关更为显著;两者的年代际变化存在21.5年左右的共同准周期。东亚冬季风强度与我国东北地区冬季气温的年际变化序列存在4年左右的共同准周期。我国东北地区冬季气温的年际和年代际异常存在与东亚冬季风相关联的200 hPa东亚急流、500 hPa东亚大槽、乌拉尔高压、850 hPa风场、地面西伯利亚高压等的异常背景。

基于“Z指数”的吉林省雨涝灾害对农作物的影响评估

雨涝是造成作物减产或绝收的灾害之一。研究雨涝灾害对吉林这个产粮大省和商品粮输出大省有着十分重要的意义。利用"Z指数"计算了吉林省50个气象观测站1980—2011年逐年6月、7月和8月的雨涝发生等级(偏涝、大涝和重涝)。之后采用多元回归方法建立了全省农作物受灾面积和成灾面积与全省当年6—8月逐月偏涝发生站次、大涝发生站次和重涝发生站次的关系模型。结果表明,农作物受灾面积和成灾面积与全省偏涝发生站次回归不显著,与重涝发生站次和大涝发生站次成正相关。其中,重涝相关性最显著,其次是大涝。但农作物受涝除与降雨有关外,还与水利建设投入、土壤特性等其他因素有关。其中水利建设的影响较大,1998年后,吉林省加大水利建设投入,因此农作物受灾和成灾面积显著减少。综上所述,应加大水利建设投入,加强大涝年的准确预报和预警,以有效地切断雨涝灾害链,减少损失。

全球增暖1.5/2℃下中国区域极端降水的风险变化及其影响因子

利用24个CMIP6全球气候模式的逐日降水模拟资料,基于广义极值分布(GEV)模型,研究了全球增暖1.5/2℃下我国20、50和100 a重现期极端降水的未来风险变化。可以发现,相对于历史时期(1995—2014年),全球升温1.5和2℃下极端降水发生概率风险空间分布相近,总体上呈现增加趋势,但额外增暖0.5℃将导致更高的风险。如50 a重现期极端降水,在增暖1.5/2℃下其重现期将分别变为17/14 a,极端降水将变得更加频繁。不同区域对气候变暖的响应存在区域差异,其中中国西部长江黄河中上游和青藏高原地区、中国东部长江黄河中下游及其以南地区,极端降水发生概率比达到3以上,局部更是达到5以上,为我国极端降水气候变化响应高敏感区域。进一步,基于概率分布函数从理论角度探讨了位置和尺度参数对发生概率风险的影响与贡献度量,并用于探讨极端降水气候平均态和变率变化对极端降水发生风险的影响,结果显示:位置和尺度参数的增量变化、风险变化率存在着显著的东西部差异,从而导致极端降水发生风险的影响因素存在差异。如中国西部尽管极端降水气候平均态和变率变化幅度不大,但因风险变化率较高,从而导致该区域的发生风险大幅增加;与之相反,中国东部风险变化率较小,但气候平均态和年际变率增幅较大,同样导致该区域风险增加依然较高;此外,相对于位置参数,全国大部分区域主要是尺度参数的变化导致极端降水未来风险增大。

吉林省春季土壤水分分布特征及影响因素分析

利用2003-2010年吉林省春季土壤含水率数据及相关数据，采用常规统计方法、地统计学方法和基于地理信息系统的空间分析方法，讨论吉林省春季土壤水分分布特征，并对其影响因素进行初步分析。结果表明，吉林省春季0～30cm土壤平均含水率总体上呈由西向东逐渐增加的趋势，空间差异性显著，其中10cm深度土壤含水率空间差异最大；土壤层之间的距离越近，土壤含水率的相关性越好，东部10cm深度与其他层次土壤含水率的相关性好于中西部，中部相比东部和西部而言，各层次之间土壤含水率相关性最差。研究还发现，田间持水量和降水量是影响吉林省土壤含水率分布的主要因素，受土壤、气候等自然要素的空间异质性影响，田问持水量对中部和东部的土壤含水率影响更大，而降水对中部和西部的土壤含水率影响更大。

初夏东北冷涡活动异常与北半球环流低频变化

本文在典型个例分析的基础上,揭示了初夏东北冷涡活动显著异常与北半球环流低频变化之间的联系及其可能机理。主要结果为:(1)初夏东北冷涡活动显著异常与上游乌拉尔山附近和下游日本附近的持续性异常环流相对应。冷涡异常多年,在向下游频散Rossby波能量和瞬变涡动强迫过程的共同作用下,乌拉尔山附近盛行阻塞型环流。它一方面使极地冷空气向东北地区移动,另一方面通过Rossby波能量的传播,使东北冷涡活动加强。冷涡异常少年的环流情况则基本相反。(2)谐波分析和低频振荡分析表明,在冷涡异常多(少)年的5～6月,东北地区正(负)涡度位相占优,这与北太平洋超长波槽西退(东进)相对应。长波在北太平洋-北美-大西洋地区呈驻波型,与Rossby波能量传播匹配,亦有利于乌拉尔山附近的异常环流得以长时间维持。(3)5月份,乌拉尔山附近的异常环流信号对初夏东北冷涡活动的显著异常具有前兆性意义。

5～8月东北冷涡客观识别分类及北半球大气环流特征分析

采用美国国家环境预报中心(NCEP)500 h Pa高度场逐日再分析资料,基于计算机客观识别方法,统计了1948~2012年5~8月东北冷涡活动过程。结果表明:共计发生东北冷涡过程956次,平均每年5~8月发生约14.7次;东北冷涡活动共4 129 d,5~8月平均分别为14 d、18 d、18 d和14 d,共64 d,占5~8月总天数的52%;5~8月东北冷涡过程以持续3~6 d为主,冷涡活动主要位于121°E^131°E,48°N^53°N区间;5~8月东北冷涡发生频次和活动天数均存在显著增长趋势。7~8月东北冷涡活动异常多年份,贝湖至鄂海阻高与东北冷涡多同时发生,异常少年份,贝湖至鄂海阻高亦不盛行,且阻高先发生冷涡后发生年份占多数。5~6月和7~8月东北冷涡典型特多年高度距平合成场与特少年的主要异常区分布呈反位相,且这种反位相特征在对流层中、高层(200 h Pa、500 h Pa)均呈近半球尺度的波列分布;5~6月和7~8月东北冷涡活动特少年和特多年差值高度场合成分布相近,均呈现显著的南北向"+、-"波列分布(置信度水平≥99%),正负波列分别位于西北太平洋区域和鄂霍次克海至白令海区域,该波列对应高度层风场中的相对位置为气旋和反气旋式环流。

基于气象模型分析东北三省近50年水稻孕穗期障碍型低温冷害时空变化特征

采用水稻生长发育和产量形成气象影响模式计算出的东北三省1961-2010年水稻空壳率作为判定障碍型冷害的基础资料,利用累积距平曲线和小波分析等方法分析近50a东北三省水稻孕穗期障碍型冷害空间分布特征及时间变化规律,以期为预测水稻孕穗期障碍型冷害提供依据。结果表明,东北三省水稻孕穗期障碍型冷害主要发生在吉林东北部和黑龙江东南部。吉林冷害的阶段性变化表现为1972年以前多发,1973-1981年少发,1982-1985年转入多发,1986-2001年少发,2002年开始转入一个新的多发阶段;黑龙江省冷害的阶段性变化与吉林省较相似;辽宁省冷害的阶段性变化不明显。黑龙江和吉林的冷害分别存在24a、16a和24a、8a左右的准周期变化,辽宁无显著的准周期。进入21世纪后,东北三省水稻孕穗期障碍型冷害明显增多。综合各时间尺度周期外推结果,黑龙江和吉林水稻孕穗期障碍型冷害目前的多发趋势将维持到2016年前后,辽宁的趋势不明显。

中国东北夏季温度年代际变化特征

东北地区夏季温度变化主要有4个独立模态,其中EOF1呈全区一致型为第一模态,占总方差贡献的72%左右,其时间系数呈现多年代际尺度变化;其他3个模态仅分别占总方差贡献的10%、4%和3%,表现出受海洋、地形及纬度差异的影响,呈南北向、东西向和山脉与平原地区的反向异常分布型;突变和小波分析进一步揭示EOF1模态的多年代际尺度变化具有突变性质,2007~2010年受20 a左右周期影响,东北地区温度变化全区一致的模态时间系数处于负值为主的阶段,值得关注。东北地区夏季温度变EOF1模态与北半球500 hPa高度场和对流层中上层纬向风场(西风急流)在30oN^40oN呈环球尺度带状显著正相关分布,在东北亚地区纬度较高,可达60oN附近,而且该区500 hPa高度场与东北夏季温度EOF1模态多年代际变化近于同步。EOF1模态与靠近亚洲大陆沿岸和西太平洋暖池(包括印度洋的中部和北部)、南太平洋环澳大利亚、靠近北美大陆及北大西洋北部的漂流区和北赤道漂流区的海表温度存在显著的同步正相关,而与太平洋海表温度的年代际振荡模态亦有较显著的正相关;表明东北地区夏季温度的EOF1模态与北半球海-气系统多年代际变化联系密切,同时也受到全球变暖的影响。

吉林省春季土壤温度及化冻深度研究

吉林省位于季节性冻土区,春季土温较低,冻土解冻、土温上升需要一个过程。土壤耕层温度的变化和土壤化冻深度对春耕春播影响较大,当10 cm土温稳定通过7℃、土壤化冻深度超过30 cm以上才能播种。为了保证安全播种,有必要开展土温的监测和预报。目前,气象部门有相关的监测,但是相关的预报却没有开展。分析吉林省西部、中部和东部各2个代表性气象站资料,结果表明:土温与平均气温、土壤化冻深度与正积温有很好的相关性,可以通过相关模型开展土壤温度和土壤化冻深度预报。模型的建立能够很好的指导农业生产,为吉林的农业生产保驾护航。

一次东北冷涡暴雨的水汽输送特征和位涡分析

通过对2010年7月27-29日吉林省一次较大范围的冷涡暴雨、大暴雨过程进行诊断分析，建立了此类暴雨的天气概念模型：200hPa呈现“两脊一槽”型，高空急流呈辐散状位于吉林省上空，急流中心最大风速≥60m／s；500hPa东北冷涡强烈发展，鄂海阻高稳定维持是此次强降水发生的重要天气系统，中心最大风速〉120m／s的偏西风急流带横穿吉林省中部；850hPa风速≥12m／s的3条急流带在吉林省中东部地区交汇，形成低层辐合、高层辐散的气旋性涡度柱，较强的垂直上升气柱一直向上伸展到500hPa附近，极有利于对流的发展和强降水的维持。通过计算整层水汽通量与吉林省逐6h平均降水量的相关矢量场，结果表明：偏西、偏南及偏北3条水汽通道在吉林省中南部汇集是此次强降水发生的重要条件，暴雨落区与整层水汽通量汇合区密切相关，水汽输送以经向（南北方）水汽流入为主。暴雨期间具有较好的动力、热力及能量条件，特别是湿对流有效位能明显偏强，强降水出现在对流有效位能（CAPE）值由极大值开始下降的过程中。干侵入是激发冷涡发生、发展的动力条件之一，≥1Pvu（位涡单位）的高位涡舌在下降的过程中，同时南移，与中部地区强降水落区自北向南移动相吻合。

东北初夏极端低温事件的空间分布特征及其成因机理分析

采用东北三省150个测站1961～2008年的逐日温度资料和同期美国环境预报中心（NCEP）、国家大气研究中心（NCAR）2．5°×2．5°分辨率的全球再分析资料，探讨东北三省初夏极端低温事件的空间分布及其大气动力学特征，结果表明：该区初夏气温与夏季气温变化在时空尺度上相关显著，具有重要的预警作用；给出初夏极端低温事件的定义，其空间分布可归为3种类型，随纬度的增加极端低温事件发生的频率也显著增加；20世纪90年代以来，极端低温事件明显减少，仅出现2次，但影响范围遍布东北三省全境；阻高与冷涡的配置和大气低频Rossby波扰动对初夏东北冷涡活动气候基本流的同位相强迫，更增强了500hPa位势高度距平场由北向南的“＋、-”局域环流的异常，是极端低温事件的强弱与空间范围大小的重要动力机制；较为偏东的鄂霍次克海阻高和冷涡，以及冷平流的作用与以黑龙江省（包括吉林省的一部分）为主出现极端低温I、II类事件的关系更加密切，贝加尔湖阻高和鄂霍次克海阻高与偏南的强冷涡相互匹配、大气低频Rossby波扰动很强易出现第Ⅲ类极端低温事件。

初夏东北地区冷涡降水“累积效应”

采用1960~2012年5~6月中国东北地区实况降水资料,依据东北冷涡活动客观识别方法,研究东北冷涡活动对东北地区初夏降水的影响,结果表明:5~6月每次东北冷涡过程维持时间以3~7天为主,且具有频发特征,东北冷涡降水累计量占总降水量的62.5%,给出冷涡降水月强度指数,与同期月降水量年际变化具有很好一致性;东北地区初夏降水与东北冷涡降水EOF分解主要模态十分相近,前两个模态分别为全区一致和东北、西南降水相反分布,各占方差贡献的46.8%与42.7%。冷涡降水具有显著"累积效应",该累计效应可总体反映初夏东北地区降水异常分布特征,进一步揭示东北冷涡活动的气候学特征。

东北地区暴雪天气的统计学划分方法及其时空分布特征

应用近49 a东北地区200个气象站冬半年降水资料和相对应的NCEP/NCAR 2.5o×2.5o温度场再分析资料,提出了基于降水相态变化特征的东北地区暴雪天气划分的统计学方法,将东北地区暴雪分为纯雪型暴雪(Ⅰ型暴雪)和雨雪混合型暴雪(Ⅱ型暴雪)两大类,并根据影响范围将其划分为大范围暴雪、区域暴雪和局地暴雪3类。在此基础上分析了不同类型东北区暴雪的时空分布特征。结果发现:两型暴雪出现频次基本相当,Ⅱ型大范围暴雪明显多于Ⅰ型,局地暴雪则相反;东北地区暴雪的年际变化较大且具有明显的年代际特征,20世纪70年代后期至80年代中期Ⅰ型暴雪明显多于Ⅱ型,21世纪初期Ⅱ型暴雪多于Ⅰ型,表明全球变暖在中国东北的区域响应显著;东北区暴雪主要集中在秋末和初春两季,但两型暴雪起止时间和峰值都不相同;两型暴雪出现频次都呈东多西少的分布,其中Ⅱ型暴雪频次自东南向西向北减小的梯度更大。从结果来看所提出的划分办法很好的反映了不同降水相态的东北地区暴雪的发生和变化规律具有很大差别,这种差异与以往东北地区暴雪个例的分析工作中反映的情况是一致的;证明了本划分方法是合理的,具有实际工作意义。

前期夏季西太平洋暖池热含量对江南春雨的影响及其可能机理

利用GODAS海洋温度资料、中国753站逐日降水资料以及NCEP/NCAR逐日再分析资料讨论了前期夏季西太平洋暖池热含量异常对江南春雨的影响，并通过高低层环流异常解释了其可能过程和机制。研究结果表明：（1）前期夏季暖池区热含量影响春雨的敏感海区位于9°～16°N，150°～166°E，与春雨强度呈显著反相关，前期夏季关键区热含量的显著偏低是春雨异常偏多的强信号。（2）多雨年和少雨年大气环流差值场与夏季暖池热含量（取反号）回归的次年春季大气环流形态基本一致。低层菲律宾海异常反气旋西北侧的暖湿西南气流输送及江南地区高层辐散抽吸运动是造成春雨偏多的直接原因。（3）关键区热含量在前期夏季的异常偏低使低层异常反气旋在其西北侧触发生成，并在菲律宾海附近持续存在（前夏至当年春季），春季引导强盛的西南气流向江南输送水汽；同时，热含量异常偏低在我国大陆东部激发出高层异常气旋并持续维持（前秋至当年春季），导致春季西风急流轴异常南压，高层形成异常辐散中心，形成强烈的抽吸作用，导致江南春雨显著偏多。前夏热含量显著偏高引起江南春雨偏少的过程则与之相反。

1月北极涛动异常程度特征及其对北半球同期温度的影响

将1月北极涛动(AO)大气遥相关型的强度分为:正常、异常和极端异常3类典型年进行讨论,发现其同期大气环流及其对北半球温度影响存在显著的异同性:当AO呈异常和极端异常时,均表现为东亚大槽、乌拉尔山、贝加尔湖阻塞高压、阿留申低压的持续、稳定异常,但对应极区涡旋的强度、面积及其向南、向北的扩展等有所差异,与NPO、NAO正、负位相对应,致使冷空气在极地和中、高纬度活动范围不同。极端异常年的影响强度和范围较异常年偏大、偏南,高低空配置使冷空气向北半球中低纬度地区延伸,异常低温可扩展至北太平洋暖池区。

1961-2019年东北地区作物生长不同阶段极端干期时空分布特征分析

基于1961-2019年东北地区87站逐日降水资料,分析了该区作物苗期、营养和生殖生长期、成熟期3个阶段极端干期长度的时空分布特征。结果表明,极端干期多年平均的空间分布反映了该区域的相对干湿状况,干旱、半干旱区干期较长,半湿润—湿润区干期较短,但非严格对应,与山脉地形、不同阶段降水异常区关系密切。近10-20年东北地区整体来看,苗期阶段干旱趋势有所缓解,干期缩短,而营养和生殖生长期、成熟期阶段则表现为变干的趋势。气候倾向率的空间分布显示整体和局部变化有所不同,苗期阶段全区大部分区域的春旱有所缓解,但局部区域的半湿润区仍存在变干趋势;营养和生殖生长期、成熟期阶段全区几乎一致的干期延长,尤其是东北南部的湿润区变干趋势比较突出。此外,各阶段极端干期开始日序近10年来均呈延后的趋势。

未来气候变化对东北三省水稻产量影响的评估

基于国际水稻所开发的ORYZA2000水稻模型和未来A2和B2排放情景下逐日气象资料(2011—2050年),系统分析了未来40年东北地区气候变化对水稻产量的影响。结果显示:在灌溉满足的情况下,其2种排放情景下对水稻生产都是正效应,单产和总产都呈增加趋势。能够种植的区域也在增加,有北移的趋势,B2情景下比A2情景下更有利于水稻产量的提高。在A2和B2排放情景下,东北区域相对基准段二氧化碳浓度升高及降水总体增加,个别年代减少、温度升高和太阳辐射增加。有利的方面是当地可以根据温度升高的幅度,适当的种植生育期较长的品种,从而增加产量;不利的方面是气温升高加速土壤有机质分解,土壤肥力下降,病虫害发生频率增加。应采取测土配方施肥措施,加强病虫害监测防治工作,保证水稻生长需要。

大气折射指数的结构参数与北方5～9月降雨的强相关现象

基于中荷合作项目"建立关于荒漠化和粮食保障的中国能量与水平衡监测系统"(CEWBMS),在国家卫星气象中心和国家林业总局的支持下,乾安大孔径闪烁仪于1999年10月安装并正式运行。利用2000—2005年5～9月大孔径闪烁仪(LAS)观测的大气折射指数的结构参数C2n,采用独立性检验,证实了C2n的高低与未来32 h是否出现降雨(晴雨)存在显著相关关系。结合乾安气象站的有关气象观测数据,初步选择C2n白天值、C2n夜间值以及C2n的24 h变量作为预报依据,建立基于C2n预报未来32 h晴雨的预报流程;并利用2006年C2n的观测数据,依照预报流程对2006年进行了回报预报试验,正确率为42/47。