ERA-Interim中的中国地区水分循环要素的时空演变特征分析

本文利用1979–2011年欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 的再分析资料 (ERA-Interim), 运用经验正交函数展开 (EOF) 和相似系数等方法, 对中国地区水分循环诸要素的时空特征进行了计算与分析. 研究结果表明: 在空间分布特征上, 蒸发量、纬向水汽通量和经向水汽通量均与大气可降水量的空间分布最相似, 大气可降水量和降水量均与蒸发量的空间分布最相似, 降水量与纬向水汽通量的相似系数略大于其与经向水汽通量的相似系数; 在时间演变上: 年降水量在1979–2002年间, 呈现非常显著的上升趋势; 在2002–2011 年间, 呈现显著的下降趋势. 年蒸发量在该两个时段的变化趋势与年降水量一致, 但均比年降水量明显; 年蒸发量在1979–2011年间呈现非常显著的上升趋势, 其年际变化明显小于年降水量. 可降水量和水汽通量散度在1979–2011年间的长期变化趋势不明显, 但可降水量的年际变化呈阶段式增大, 水汽通量的年际变化一直较大. 纬向与经向水汽通量均存在2–3年为周期的年际变化; 此外, 纬向水汽通量在1979–2011年间还存在显著的下降趋势. 春、秋季的水汽通量都存在显著下降的长期变化趋势, 夏、冬季的长期变化趋势不明显. 四季都存在2–3年为周期的年际变化. 此外, 夏季还存在明显的年代际转折. 关键词： 水分循环 时空特征 EOF 相似系数     

中国极端干旱事件的年代际变化及其成因

研究了河北山西、黄河中下游、江淮和西北东部地区531年极端干旱事件的概率,采用古里雅冰芯δ¹⁸O含量和500年来太平洋年代际涛动指数进行了对比分析.Morlet小波分析发现四个地区的极端干旱事件概率和古里雅冰芯δ¹⁸O含量都存在着350年左右的准周期,且四个地区近500年来极端干旱事件概率的变化与古里雅冰芯δ¹⁸O含量的变化相反,在δ¹⁸O含量较高的时期,发生极端干旱事件的概率较低,反之亦然.对太平洋年代际涛动指数进行小波变换,发现80年尺度的准周期在逐渐衰弱而50年尺度的准周期却在逐渐增强.在80年或50年尺度的准周期处于控制地位时,四个地区处于极端干旱事件多发期,而在二者处于交替时期,即二者周期性均较弱的时期,处于极端干旱事件偏少期. 关键词： 干旱 冰芯 太平洋年代际涛动     

黑潮及其延伸区海表温度变化特征与大气环流相关性的初步分析

为了研究黑潮海表温度的时间变化特征, 以预测黑潮海表温度变化趋势, 本文利用哈德莱中心1941-2009年海表温度 资料定义了一个黑潮温度指数KI, 来表征吐噶喇海峡以东黑潮及其延伸区的海温变化. 由小波分析得到, KI具有准3、 7年的年际振荡特征和准20年的年代际变化特征, 此外KI还具有明显的季节锁相特征. KI与太平洋年代际振荡(PDO)及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有很好的滞后相关性. 通过美国国家环境预报中心/大气研究中心再分析资料合成分析发现KI为正异常时, 赤道东太平洋海温异常变暖(即厄尔尼诺发生), 哈德莱环流加强, 使得西风动量的输 送增强, 造成阿留申低压加深(PDO为暖相), 进而冷却黑潮延伸区的海表温度并使黑潮延伸区向东延伸, 这一"ENSO-PDO-黑潮海温变化"的过程具有滞后性, 从而使得ENSO指数、PDO指数可以作为黑潮温度变化的前兆因子, 对于预测黑潮海温变化及周边气候均具有一定的意义.     

20世纪后30年中国西北西部降水年代际变化机理分析

在全球气候变暖背景下1980年代中期中国西北西部气候发生了年代际突变,降水明显增加且主要是极端降水的贡献. 本文用欧洲中期预报中心再分析资料ERA-40计算了瞬变涡动、环流、水汽输送及其散度等的年代际变化并进行了分解分析. 结果表明, 1987年后大气环流年代际变化形成"东高西低"环流背景场,西风带向该区的水汽输送增加, 水汽辐合增强,其中主要是定常波水汽输送的贡献, 其结果是造成该区及周边空气水汽含量上升, 有利于降水或极端降水的增加. 夏季该区瞬变涡动增强且造成水汽辐合, 增加了降水天气出现的频率; 冬季瞬变涡动减弱, 天气过程减少, 说明降雪增加的原因应该是空气水汽含量增加, 导致降雪强度增加. 因此该区降水的增加即有中高纬度大气变暖变湿的贡献,也有瞬变涡动的动力作用. 未来西北西部降水的趋势主要取决于瞬变涡动与大气水汽含量变化的竞争．     

20世纪90年代末东亚夏季降水年代际变化及其成因初探

基于1983—2011年月总降水量、环流和海温的再分析资料,给出了20世纪90年代末东亚夏季降水的年代际调整的区域特征,及其对应的大气环流内部过程和可能的海温外强迫的年代际变化.研究结果表明,在20世纪90年代末期东亚北部夏季降水比东亚南部夏季降水由湿向干的表现更为明显,东亚南部地区夏季降水则是在20世纪90年代初和21世纪初发生年代际的转折.此外,东亚地区夏季的500 h Pa高度场、850 h Pa风场、U200风场、水汽输送场和东亚太平洋遥相关型指数和东亚夏季风指数等在20世纪90年代末期也表现出明显的年代际变化特征.进而从大气内部过程的角度验证了20世纪90年代末东亚夏季降水发生的年代际调整.与此同时,北太平洋和西太平洋海表温度表现出由偏低向偏高的转变,这可能是导致20世纪90年代末期东亚夏季气候年代际变化的重要外部成因之一.     

基于非线性分析方法的多种代用资料的相似性研究

代用资料的重建与分析是古气候研究领域的一个重要课题，应用小波变换和功率谱研究了都兰树轮等8种温度代用资料的主要周期，并以此为基础进行滤波，结合动力学相关因子指数和相关系数从代用资料的动力学结构特征和外部特征两个角度研究其在不同尺度上的相似性. 研究结果表明，准100a尺度是这些代用资料的共同周期，并且8种温度代用资料的动力学结构特征和外部特征在准100a及以上的尺度层次上是相似的，即外部特征和动力学结构特征两个方面均符合可比性条件. 同时，随着尺度的降低，动力学结构特征和外部特征的可比性均降低. 60—70a尺度及其以下的尺度，各分量之间的动力学结构特征失去了可比性；在小于30a的尺度上，它们的外部特征也不再具有可比性. 关键词： 代用资料 动力学自相关因子指数 相似性 尺度     

中国东部2012年夏季降水及年代际转型的可能信号分析

针对2012年夏季中国东部降水"南旱北涝"的异常特征, 对比分析了近50年不同年代中国东部降水的分布型及海洋和环流等影响因素, 并讨论了2012年中国东部夏季降水异常作为中国东部降水年代际转型信号的可能性. 研究结果表明: 1961—1978年期间, 北太平洋年代际涛动(PDO)处于冷位相, 东亚夏季风偏强, 西太平洋副热带高压(副高)偏弱, 北方地区冷空气活动偏弱, 从而有利于南方水汽北上, 造成中国北方地区夏季降水异常偏多; 1979—1992年间则呈相反的特征, 造成1970年代末期中国东部夏季降水发生了一次年代际尺度的调整. 2010年代后期以来, PDO由暖位相向冷位向转变, 2012年北太平洋海温异常偏暖, 西太平洋海温由异常偏暖状态转变为正常略偏冷状态, 东亚夏季风由弱变强, 副高由强变弱, 北方冷系统活动减弱, 这些特征均与1961—1978年时段的情况类似, 支持2012年作为中国东部夏季降水发生年代际调整的前期信号的可能性. 近10年PDO, 东亚夏季风(EASM), 副高(WPSH)和贝湖高压(BH)四种指数夏季平均值的演变则进一步说明 了2012年的这种异常特征不仅是年际尺度的振荡, 更可能是前期演化基础上的一种量变到质变的调整. 关键词： 年代际 降水 北太平洋年代际涛动 东亚夏季风     

外强迫作用下正压大气非线性特征数值模拟

在两种边界条件下用正压大气非线性位势涡度方程模拟了强迫、耗散和非线性共同作用下大气运动的若干特征.在南北两端为齐次边界条件时，单纯的热力强迫下只出现了波状定常解；在只有经向加热和波状地形共同强迫下出现了在两种基本流型之间振荡的准周期解，十分类似于旋转地球上大气运动的纬向和经向流型之间的准周期循环，前者对应于强的西风环流，后者对应于弱西风流型.在周期边界条件下，弱的下垫面加热导致定常解，较强的加热强迫可以得到周期解.尽管下垫面的波状地形也能强迫一个类似的准周期振荡，但弱西风流型是对称的，不像大气中的弱西风流型.因此，在周期边界条件下用低阶截谱模式求出的解析或数值解，不一定适合描述中高纬度大气的非线性动力特征. 关键词： 正压大气 热力强迫 地形起伏 周期解 准周期振荡     

影响华北盛夏降水的水汽路径客观定量化的研究

基于1951—2011年美国气象环境预报中心/美国国家大气研究中心再分析资料以及国家气候中心提供的中国160站月平均降水资料,定义垂直于某一截面的平均水汽通量为描述水汽路径强度的客观化指标,计算发现与华北降水密切相关的水汽路径有5条:孟加拉湾水汽路径、太平洋水汽路径、西南和东南汇合水汽路径(以下简称汇合水汽路径)、由西输入水汽路径以及南海水汽路径.研究结果表明,汇合水汽路径、由西输入水汽路径及南海水汽路径有明显的年代际变化,这种年代际变化是与华北盛夏降水量的年代际变化基本一致的.通过滑动相关分析可以发现,对华北盛夏降水产生影响的主要是由西输入水汽路径,这可能是受西风带的影响.通过合成分析的结果同样表明由西输入华北的水汽输送增强时,伴随着太平洋水汽路径的输送明显增强,绕过了华南和长江中下游直接输送至华北和东北,从而引起华北和东北的降水量偏多;虽然其他水汽路径对华北盛夏降水的影响相对比较小,但是2000年开始,孟加拉湾水汽路径对华北盛夏降水的影响逐渐增强.     

中国旱涝时空分布特征分析

基于帕尔默干旱指数 (Palmer drought severity index, PDSI) 中国数据库和中国160个站点的月降水资料, 运用趋势分析、对比分析和EOF等方法, 对1961–2010年间中国旱涝时空演化特征进行了分析. 结果表明: 春季的PDSI的年代际空间分布特征与PDSI 的年代际空间分布特征相似; 夏季和秋季的PDSI的地区差异比较明显, 尤其是秋季更为明显. 从时间演化上来看, 中国华北、东北、西南地区的变干趋势较明显, 另外变湿比较明显的区域为西北西部. 对1961–2010年夏季的PDSI进行经验正交函数 (EOF) 分析, 可以发现, 20世纪80年代以来, 中国夏季干旱和洪涝更加频繁, 且旱涝强度也增加, 尤其是华北、西南、东北地区的干旱和华东地区的洪涝. 关键词： PDSI 干旱 洪涝 EOF     

The two annual northward jumps of the West Pacific Subtropical High and their relationship with summer rainfall in Eastern China under global warming

The two northward jumps of summer West Pacific Subtropical High （WPSH） are defined based on the pentad-scale ridge data of the WPSH ridge in 1951 to 2012. The times of the northward jumps are found to have obvious inter-annual and decadal characteristics, i.e., the occurrence of the first northward jump of WPSH shows a ＂consistently early-consistently late＂ decadal pattern, with the transition around 1980; the occurrence of the second northward jump of WPSH shows a ＂consistently late-consistently early-consistently late＂ decadal pattern, with the transitions about 1955 and 1978, respec- tively, which is consistent with global warming. In the meantime, the times of the two northward jumps not only have a good correspondence to the beginning and ending dates of the rainy season, but also greatly influence the position of the main rain belt in Eastern China. When the first northward jump occurs early, the main rain belt is located from just north of 30~ N to the south of North China, while the opposite situation appears when the first jump occurs late. When the second jump occurs early, more rain falls over North China and South China, but less falls in the Yangtze River region, while the opposite situation appears when the second jump occurs late. In the four cases when abnormalities occur in the same year as early or late northward jumps, the position of the main rain belt can be considered as a superposition of isolated abnormal effects of the two northward jumps. Moreover, the prophase and synchronous forces of the sea surface temperature in the Pacific has great influence on the times of the northward jumps, and the driving forces of the two jumps differ.     

Characteristics of atmospheric gravity waves observed using the MU (Middle and Upper atmosphere) radar and GPS (Global Positioning System) radio occultation

The wind velocity and temperature profiles observed in the middle atmosphere (altitude: 10–100 km) show perturbations resulting from superposition of various atmospheric waves, including atmospheric gravity waves. Atmospheric gravity waves are known to play an important role in determining the general circulation in the middle atmosphere by dynamical stresses caused by gravity wave breaking. In this paper, we summarize the characteristics of atmospheric gravity waves observed using the middle and upper atmosphere (MU) radar in Japan, as well as novel satellite data obtained from global positioning system radio occultation (GPS RO) measurements. In particular, we focus on the behavior of gravity waves in the mesosphere (50–90 km), where considerable gravity wave attenuation occurs. We also report on the global distribution of gravity wave activity in the stratosphere (10–50 km), highlighting various excitation mechanisms such as orographic effects, convection in the tropics, meteorological disturbances, the subtropical jet and the polar night jet.     

东亚地区大气环流的季节划分及其时空变化特征

利用NCEP-DOE Reanalysis 2 1979-2009年位势高度场、温度场、湿度场和风场逐日再分析资料,采用考虑面积权重的区域多要素最优分割法,对东亚地区大气环流的季节进行划分,并分析了四季起始时间的时空变化特征.研究结果表明:1)东亚地区春季最早始于中高纬地区的平流层和副热带的对流层中下层;夏季最早始于中高纬的平流层和副热带、中纬度地区的对流层中上层;秋、冬季开始最早的地区集中在东亚地区东部和东北部的对流层中低层,以及中高纬的平流层. 2)季节变化与环流形势密切相关,且对流层各个层次的夏季和冬季起始时间的分布均有较好的垂直一致性,平流层与对流层各季节起始时间分布有较大的差异性,平流层中层和下层也并不一致. 3)华北地区四季平均起始时间距平序列的逐年演变特征表明近30年该地区出现了6个四季起始时间异常偏早的年份,与El Niño活跃年份相一致,反映了海温等外强迫对大气环流季节变化的影响. 关键词： 季节划分 东亚地区 区域多要素最优分割法     

Statistical techniques analysis of SST and SLP in the Persian Gulf

Thirty-four years of data (1967-2000) are used to investigate the variability pattern relevant to air-sea interaction in the Persian Gulf. The patterns are derived using statistical techniques, such as empirical orthogonal function (EOF) and singular value decomposition (SVD). Statistical analysis methods are applied to determine the coupled modes of variability of monthly sea surface temperature (SST) and sea level pressure (SLP). The significant of the air-sea interaction is found by a strong resemblance between EOF and SVD eigenvectors and expansion coefficients of SST and SLP. We find that the four leading EOF patterns of SST together account for 99.8% of the total monthly SST variance and 94.4% of the SLP variance. The zero contour in the first SST EOF identified the front which separates the Persian Gulf cyclonic gyres.The SVD modes provide more information on the coupling between the fields than the modes obtained by EOF methods. Lagged correlation analysis between SVD1(SLP) and SVD1(SST) indicates that the coupling is strongest when SLP leads SST by −12, −6, 6 and 12 months. Therefore, the first mode of the SVD analysis seems to depict an air-to-sea forcing, in which the sea response to the atmospheric changes appears with an semiannual and interannual time lag.The two leading SVD modes of variability of the coupled SST and SLP fields account for 99.6% of the total variance. The main patterns of both variables of variability of both variables independently provide considerable information on the coupling, but only one of the two variables dominates each of the two first coupled modes.The first coupled mode of variability between the SST and atmospheric pressure can be described as a strengthening and weakening of the cyclonic gyres, which seems to force fluctuations in a north-south dipole structure in the SST by Ekman upwelling which is a wind-related process. The atmospheric forcing of the SST changes is detectable in the sea with a lag of 1 and 6 months.     

中国近1000年旱涝的持续性特征研究

应用中国近531年旱涝指数和近1041年干湿指数,定义干旱(湿润)等级,滑动计算原指数序列各干旱(湿润)等级的出现次数,发现各等级出现的次数与其窗口长度之间均遵循指数分布P_i(x)=Ae^-γx.结合指数分布的数理意义,定义指数特征值γ的倒数λ为描述旱(涝)持续性的尺度因子并对华北和江淮流域旱(涝)发生的持续性特征进行研究.结果表明：旱尺度因子的空间分布表现为由北向南呈带状式波动分布,我国北方地区干旱的持续性相对长江流域要长一些,由北向南三个区的旱尺度因子的均值分别为187,162,182.旱涝指数序列中旱或偏旱(涝或偏涝)相对集中的时段对旱(涝)持续性影响较显著,12世纪末期、13世纪早期、17世纪早期和20世纪末期华北和江淮流域发生时间上同步、空间上尺度较大的极端干旱事件的概率较高,这也从侧面验证了旱涝指数序列中群发现象的存在;华北地区1260—1280年(对应的气候背景为中世纪暖期的末期)的旱涝指数对旱尺度因子的影响较1980—2000年(对应的气候背景为20世纪全球增暖)的情况更显著;1260—1280年这一时段旱或偏旱年数较1980—2000年也要多一些.因此,在气候较暖的时期可能易发生强度大、范围广的同步干旱事件,而近30年的中国北方干旱化可能是自然变率起主导作用下人为变率和自然变率共同作用的结果. 关键词： 旱(涝)尺度因子 持续性 群发性 指数分布     

黄土高原区域气候暖干化对地表能量交换特征的影响

本文将观测试验资料与陆面过程模式模拟资料相结合, 对目前4个流行的陆面过程模式的模拟资料进行了验证分析, 发现通用陆面模式(CLM)模式的模拟资料在黄土高原地区比较可靠. 在此基础上,利用近几十年CLM模式模拟资料和气象站观测资料, 分析了黄土高原地区的区域气候和地表能量交换特征的变化规律, 研究了该地区地表能量交换对降水和温度变化的响应特征, 讨论了该地区气候变化对地表能量交换特征的影响机理. 研究发现,近几十年来黄土高原区域气候表现为明显的暖干化趋势, 从而引起太阳总辐射、地表反射辐射和地表长波向上辐射的增加 及地表长波向下辐射的减小,并由此造成地表净辐射通量减少. 与之相对应,不仅地表潜热通量呈减小趋势,而且地表感热通量和土壤热通量也呈减小趋势, 但地表热量分量的分配比例基本不变.并且发现,地表感热通量的年变化主要由太阳辐射控制, 而潜热通量的年变化则受太阳辐射和降水共同影响;地表热量分量的年际变化均对降水变化响应很敏感, 而对温度变化响应不太敏感,气候干旱化对地表能量平衡的影响比气温变暖的影响更突出. 关键词： 黄土高原 区域气候暖干化 陆面过程模拟 陆面能量交换     

黄土高原半干旱区露水形成的大气物理特征研究

运用2009年在黄土高原典型半干旱区定西的观测资料,分析了半干旱区露水变化特征及其大气影响因子.研究结果表明:在黄土高原半干旱区秋季,日最大凝结量可以达到0.33 mm,最小日凝结量0.09 mm,日平均凝结量为0.23 mm,这对半干旱区而言是可观的水分输入;露水凝结持续时间可以长达14 h.露水的出现频率与风速、大气相对湿度、气温、地-气温差等大气影响因子有显著关系.露水的形成机理十分复杂,是湿度因子、热力因子和动力因子综合作用的结果.在露水形成过程中,大气湿度是内因,为露水形成提供所需水汽;温度则是露水形成的关键,为露水形成提供"源动力",而风速则是重要的外部影响因素,既可以促进露水形成,也可以阻碍露水形成,是露水形成过程中不确定因子.从露水发生频率的分布特征来看,在风速0.5—2 m/s、相对湿度>80%及温度-露点差-3—6℃时、地-气温差<±2℃条件下更易形成露水. 关键词： 黄土高原半干旱区 露水形成 大气影响因子 发生频率     

On temporal evolution of precipitation probability of the Yangtze River delta in the last 50 years

The monthly precipitation observational data of the Yangtze River delta are transformed into the temporal evolution of precipitation probability (PP), and its hierarchically distributive characters have been revealed in this paper. Research results show that precipitation of the Yangtze River delta displays the interannual and interdecadal characters and the periods are all significant at a confidence level of more than 0.05. The interdecadal is an important time scale, because it is on the one hand a disturbance of long period changes, and on the other hand it is also the background for interannual change. The interdecadal and 3－7y oscillations have different motion laws in the data-based mechanism self-memory model (DAMSM). Meanwhile, this paper also provides a new train of thought for dynamic modelling. Because this method only involves a certain length of data series, it can be used in many fields, such as meteorology, hydrology, seismology, and economy etc, and thus has a bright perspective in practical applications.