周天军

LASG/IAP/CAS

论文简介

一、海气相互作用和季风的年代际变化


1. Zhou, T., R. Yu, J. Zhang, H. Drange, C. Cassou, C. Deser, D. L. R. Hodson, E. Sanchez-Gomez, J. Li, N. Keenlyside, X. Xin, Y. Okumura, 2009: Why the western pacific subtropical high has extended westward since the late 1970s. Journal of Climate, 22,2199-2215
通过数值试验,证实热带印度洋和西太平洋的增暖是导致西北太平洋副热带高压西伸的重要因子。发生在1970s末的东亚季风年代际转型的一个重要特征,是西太平洋副热带高压呈现出西伸的特征,它直接影响到季风雨带的位置。自1970年代末以来,热带印度洋和西太平洋(IWP)较之此前的二十余年大约增暖了0.4℃以上,为了考察这种增暖的影响,作者利用观测的IWP海温增暖趋势驱动五个大气环流模式,发现所有的模式都一致地呈现出副高西伸的特征,意味着IWP的增暖是导致副高西伸的重要因子。分析发现有两种过程在副高的西伸过程中发挥作用:一是IWP区的暖海温异常通过影响Walker环流,导致赤道中东太平洋的对流活动减弱,对应的负热源随后激发出Gill型的反气旋环流型,有助于副高的西伸;二是通过Rodwell和Hoskins (1996)提出的南亚季风潜热加热机制,季风凝结潜热加热所导致的Kelvin波有利于WPSH南侧东风的增强,而通过Sverdrup涡度守恒所引起的经向风增强,则有利于WPSH西缘的北风增强。与此同时,IWP增暖也有利于对流层高层的南亚高压范围扩展,模拟结果和再分析资料的表现相一致。

2. Zhou, T., R. Yu, H. Li, and B. Wang, 2008: Ocean forcing to changes in global monsoon precipitation over the recent half century, Journal of Climate, 21 (15), 3833–3852.
此前有研究表明,近50年来(1950-2000)全球陆地季风降水整体呈减弱趋势,而机制则不清楚。作者等通过数值试验,表明这种减弱趋势来自全球热带大洋增暖的强迫作用。利用实际历史海温驱动大气环流模式,发现模式能够合理再现全球陆地季风降水的减弱趋势。在模式中,这种减弱趋势主要来自赤道中东太平洋和印度洋增暖的强迫作用,意味着热带大洋的增暖是导致观测中过去50年全球陆地季风降水减弱的重要原因。研究发现,在年际尺度的变化上,全球陆地季风降水与ENSO存在显著对应关系,并且这种年际变率可以通过SST对大气模式的强迫来模拟再现。研究还发现,通用的GPCP和CMAP卫星降水资料,在描述海洋季风区降水的长期变化方面表现不一致,意味着卫星降水资料在刻画海洋季风长期变化方面存在不确定性。研究指出,降水变化的模拟结果在东亚地区的技巧较低,原因之一可能来自模式的降水模拟偏差,原因之二可能是由于用SST驱动大气模式这种类型的数值试验忽略了海气相互作用过程的影响。

3. Li, H., A. Dai, Tianjun Zhou, J. Lu, 2010: Responses of East Asian summer monsoon to historical SST and atmospheric forcing during 1950-2000, Climate Dynamics, 34, 501-514, DOI 10.1007/s00382-008-0482-7.
本文通过数值试验,证实热带海温对东亚季风环流年代际变化的驱动作用。作者利用NCAR CAM3 和GFDL AM2.1两个大气环流模式,进行了一系列试验,包括热带海温强迫(TOGA试验)、全球海温强迫 (GOGA试验)、大气强迫 (RADATM试验)、海温与大气共同强迫 (GOGAI试验)等,目的是探讨海温异常外强迫、温室气体和气溶胶等大气成分变化强迫对东亚夏季风和夏季降水年代际变化的相对贡献。基于两个模式的模拟结果分析表明,海温强迫(主要是热带海温强迫)能够较为合理地模拟出观测中东亚夏季风环流的年代际变率,而温室气体与气溶胶的强迫作用,却是增加海陆热力差异从而使季风环流增强。在东亚夏季风指数与SST的相关图中,赤道中东太平洋和中印度洋表现为显著负相关(0.5-0.7),而北太平洋和南太平洋则主要为正相关;赤道大洋的显著负相关表明,赤道太平洋和印度洋的变暖是导致东亚夏季风减弱的重要因子。不过,尽管两个模式都合理再现了季风环流的年代际变化,但是其模拟的东亚季风降水变化,较之观测依然存在很大的偏差,这意味东亚区域尺度的降水变化依然是目前全球模式的模拟难题之一。

4. Zhou, T., L. Zhang, and H. Li, 2008: Changes in global land monsoon area and total rainfall accumulation over the last half century, Geophysical Research Letters, 35, L16707, doi:10.1029/2008GL034881.
本工作揭示了过去50年(1950-2000)全球陆地季风面积和季风降水强度的显著变化。此前有观测分析发现,近五十年来全球陆地季风区的降水量变化呈减弱趋势,并且自1980s中期开始趋于平稳。不过前人工作的一个重要前提,是假定季风区的面积在过去50年没有变化;而实际上,在全球增暖背景下,海陆热力对比正在发生改变,季风是海陆热力差异的结果,海陆热力对比的改变必将导致季风面积的相应变化。为此,作者等定义了季风区面积指数、季风降水强度指数和季风累积降水指数,指出北半球陆地季风降水量的整体减弱趋势,是季风面积和季风降水强度二者共同作用的结果,而其中非洲季风和南亚季风的贡献则最为显著。东亚季风发生在1970s年代末的转型,实际上是北半球季风整体变化的区域体现,但由于长江流域和华北的降水变化反位相,因此,不能用东亚季风区的降水之和来表征其长期变化。在年际尺度上,不同的陆地季风子系统在低频(LF,3-7yr)和准两年(QB,2-3yr)频段上亦存在关联。

二、海气相互作用和季风的年际变化


1. Zhou Tianjun, and L. Zou, 2010: Understanding the Predictability of East Asian Summer Monsoon from the Reproduction of Land-Sea Thermal Contrast Change in AMIP-type Simulation, Journal of Climate, 23, 6009-6026
从海陆热力差异的角度理解AMIP模式对东亚季风变率的模拟能力:此前围绕着在历史海温驱动下AGCM模式对东亚夏季风变化的模拟能力,不同的研究结果彼此间存在差异,一般认为模拟技巧较之其它季风系统要低。作者从海陆热力差异的角度,研究了东亚夏季风变率的可预报性问题。在观测中,对应强的东亚夏季风,东亚对流层温度偏暖、热带西太平洋和北太平洋对流层温度则偏冷,这令“陆地暖-海洋冷”的夏季平均气候态进一步加强。利用历史海温驱动AGCM(即所谓的“AMIP试验”),东亚对流层温度偏暖、热带西太平洋和北太平洋对流层温度偏冷都能够得到部分再现,但是在热带外地区的东亚上空和北太平洋上空,模式偏差较大。模拟的对流层温度变化形势,意味着在观测海温驱动下,模式对“经向海陆温差”的模拟能力较强,而对“纬向海陆热力差异”的模拟能力则较弱,主要原因是在25°N以北的北太平洋上模拟偏差较大。进一步检验了两个通用东亚夏季风指数的模拟技巧:一个GUO指数,被定义为东西向的海平面气压差;另一个是850 hPa和200 hPa之间东亚地区的纬向风切变指数。结果表明,纬向风切变指数具有显著的可预报性,原因在于它反映的是“经向热力差异”;Guo指数的可预报性则较低,分析表明,这和该指数的定义有关。尽管“纬向热力差异”在模式中具有一定模拟技巧,但是由于GUO指数的定义偏重陆地区域的气压场变化,因此,该指数的整体模拟技巧就偏低。本文结果表明,对于当前的全球大气环流模式来说,尽管模拟区域尺度季风降水变化依然是一个难题,但由于模式对海陆热力差异变化具备较高的模拟技巧,这无疑给季风预测问题带来了希望。

2. Zhou, T., B. Wu, and B. Wang, 2009: How well do Atmospheric General Circulation Models capture the leading modes of the interannual variability of Asian-Australian Monsoon? Journal of Climate, 22, 1159-1173
基于“国际大气模式比较试验”(AMIP)结果,揭示了赤道中东太平洋SST年际异常对亚澳季风年际变化的遥强迫作用以及局地海气相互作用过程的潜在贡献。作者利用AMIP 2的试验结果,基于观测事实所发现的亚澳季风年际变率的两个主导模态(主要表现为西北太平洋反气旋和南印度洋反气旋的变化),分析了AMIP多模式集合(MME)模拟的1981-2002年间的亚澳季风变率。在观测中,亚澳季风年际变率的前面两个主导S-EOF模态(用降水表示),解释了总方差的43%。在实际观测海温的强迫下,无论从降水变率模态的空间型、还是其时间变化上,MME能够成功模拟观测降水的主导变率模态,模拟技巧与NCEP-2相当,优于ERA40和NCEP-NCAR再分析。观测中降水年际变率第一模态是对ENSO暖位相的响应,而第二模态则是对ENSO冷、暖位相转换的一种响应。MME结果的缺点在于,模拟的第一模态位于西北太平洋和南印度洋的两个反气旋的季节位相演变存在问题,在观测中它们并非严格对应于ENSO位相,而在AMIP MME中则严格和ENSO位相对应。AMIP模式的模拟技巧具有季节依赖性,冬季最高,而夏季则最低。海气相互作用过程对模拟热带外西北太平洋和南海地区降水异常有重要影响,因为夏季MME在该地区技巧很低,而再分析资料则表现出较高的模拟能力(由于同化系统中有观测数据的不断更新,可以视再分析资料为部分考虑了海气相互作用的影响)。此外,模式在主导模态模拟上的技巧与模式的气候态亦存在关联。

3. Zhou, T., B. Wu, A. A. Scaife, S. Bronnimann, et al., 2009: The CLIVAR C20C Project: Which components of the Asian-Australian Monsoon circulation variations are forced and reproducible? Climate Dynamics, 33, 1051-1068, DOI 10.1007/s00382-008-0501-8
作者基于CLIVAR C20C计划的多模式模拟结果,研究了亚澳季风环流系统变率的可预报性。CLIVAR“二十世纪气候模拟计划”(C20C)的协调试验之一,是利用实际的观测海温(SST)驱动大气环流,考察不同气候指标年代际和年际变化的可预报性(或者说可再现性“reproducibility”),并理解这种变化的海洋驱动机制(主要是海温异常的强迫作用)。作者参加了C20C试验,并通过把C20C 10余个大气环流模式模拟的1950–1999年间亚澳季风(A–AM)各个子系统环流指数的变化与观测事实进行比较,发现在亚澳季风各个子系统中,南亚季风和澳洲季风环流指数变化的可预报性最高,其主要驱动因子来自热带SST异常。西北太平洋季风也具有较好的预报技巧,但是水平比南亚季风要低,这主要是由于其对赤道中东太平洋SST强迫的响应要滞后一些,西太平洋和海洋大陆地区的SST异常对其也有影响。印度季风环流的可预报性较之上述子季风系统要低,主要原因是最近几十年来它和赤道中东太平洋夏季SST异常的联系在减弱。在亚澳季风的各个子系统中,东亚季风的预报技巧最低,特别是纬向海陆热力梯度的年际变化。

4. Wu, B., T. Zhou, T. Li, 2009: Seasonally evolving dominant interannual variability modes of East Asian Climate. Journal of Climate, 22, 2992-3005
作者等揭示了东亚季风年际变率随季节演变的主导模态及其机制。东亚季风年际变率的两个主导模态分别对应ENSO后一年及ENSO发展年。对应第一模态,在El Niño衰减年夏季,西北太平洋出现负降水及反气旋环流异常。反气旋异常导致了从中国长江中下游延伸到日本南部的正降水异常。随后的秋季,气旋性环流异常替代原先的反气旋性环流异常控制了西北太平洋,使得中国东南部降水减少。该异常降水型随后一直维持到冬季和来年春季。对应第二模态,在El Niño发展年夏季,赤道中太平洋正的加热异常在西北太平洋激发出异常气旋性环流,使得西北太平洋季风增强。与此同时,异常反气旋开始在热带北印度洋发展。在随后的秋季和冬季,该异常反气旋逐渐移动至南海和西北太平洋。反气旋性环流异常令水汽输送增强,导致中国东南部降水增加。通过局地海气相互作用,反气旋性环流异常和正的降水异常在随后的春季继续得以维持。
在两个模态的季节演变中,热带印度洋的强迫作用具有季节依赖性。在El Nino成熟位相的冬季及随后的春季,由于热带印度洋对流被赤道中东太平洋遥强迫抑制,热带印度洋洋盆的一致增暖对西北太平洋环流几乎没有影响;但在El Nino衰减年夏季,热带印度洋全洋盆一致增暖则会通过大气Kelvin波影响西北太平洋异常反气旋。

5. Wu, B., T. Zhou, and T. Li, 2009: Contrast of rainfall-SST relationships in the western North Pacific between the ENSO developing and decaying summers, Journal of Climate, 22, 4398-4405
本文丰富了关于季风区“降水-SST”关系的认识。此前的研究指出,在亚澳季风区,“降水-SST”变化的关系主要表现为负相关,而在AGCM模式中则多表现为正相关,并认为这是导致季风区降水预报技巧低的主要原因。作者等进一步对该问题进行了研究,发现尽管在ENSO发展年和衰减年的夏季,西北太平洋环流异常基本对称,但西北太平洋“降水-SST”的关系截然不同,前者降水异常和SST异常(SSTA)呈显著的正相关,而后者则呈负相关关系。研究表明,“降水-SST”正的相关关系是异常Walker环流和增强的西北太平洋季风激发的跨赤道气流共同作用的结果。前者导致西北太平洋负的降水异常,而后者则通过增大向上的潜热通量,令西北太平洋SST变冷。“降水-SST”负的相关关系,则归因于从El Niño成熟位相(即北半球冬季)维持到来年夏季的西北太平洋异常反气旋。该异常反气旋一方面抑制局地降水,另一方面通过增加达到海表的太阳短波辐射、减少向上的潜热通量,令局地SST增暖。在非ENSO年夏季的西北太平洋,“降水-SST”不存在显著的相关关系。因此,西北太平洋夏季“降水-SST”总的负相关关系,实际上来自ENSO衰减年的贡献。

6. Wu, B., and T. Zhou, 2008: Oceanic origin of the interannual and interdecadal variability of the summertime western Pacific subtropical high, Geophys. Res. Lett., 35, L13701, doi:10.1029/ 2008GL034584.
作者等指出了海洋大陆的局地SST强迫和赤道中东太平洋的遥强迫,能够影响西太平洋副热带高压的年际变率周期变化。观测事实表明,WPSH有2-3年周期的准两年振荡(QB)和3-5年周期的低频振荡(LF)。QB振荡在90年代较显著,而LF在1970-1980s较显著。两种振荡分别归因于大气对海洋大陆SST异常和赤道中东太平洋SST异常的响应。利用观测SST强迫大气环流模式进行集合模拟,发现模式能够模拟出WPSH两种振荡的主要特征。QB振荡与异常Hadley环流有关,表现为海洋大陆的上升运动和西北太平洋的下沉运动;LF主要受赤道中东太平洋SST异常的调制,赤道中东太平洋的上升运动通过异常Walker环流抑制西北太平洋的对流活动。模式能够合理地模拟出WPSH在1980年代末的年际变率周期转换,表明海洋强迫是影响该变化的重要因子。

7. Zhou, T., and R. Yu, 2004: Sea-surface temperature induced variability of the Southern Annular Mode in an atmospheric general circulation model, Geophysical Research Letters, 31, L24206, doi:10.1029/2004GL021473
近年来国际上研究发现东亚降水和南极涛动AAO的遥相关关系。而南极涛动AAO自身的可预报性则不清楚。作者利用大气环流模式,通过集合模拟试验,开展了观测海温强迫下的高纬度环流的可预报性(reproducibility)研究,发现南半球的大气环流,在年际变率上,显著地受到来自热带太平洋和热带印度洋的强迫作用的影响,具体地表现为南半球的带状模(或称之为南极涛动)指数与Nino 3指数呈显著负相关,这种关联在南半球夏季最强。并且在实际观测海温的强迫下,大气环流模式能够成功地模拟出南半球带状模的年际变率,意味着南半球带状模的年际变化,具有很强的可预报性。而ENSO与AAO的显著相关,也提醒我们在讨论AAO与东亚气候的联系时,需要考虑到AAO和ENSO信号的独立性问题。

8. Wu Bo, Tim Li, and Tianjun Zhou, 2010: Asymmetry of Atmospheric Circulation Anomalies over the Western North Pacific between El Nino and La Nina. Journal of Climate
本文揭示了在El Ni o和La Ni a成熟位相的冬季,西北太平洋大气环流异常的非对称特征,并阐明了该非对称特征的发生机制。以往研究常利用经验正交函数分解(EOF)的方法来揭示对应ENSO冷、暖位相的亚澳季风区环流异常。该方法得到的其实是ENSO正、负位相的对称模态。事实上,对应El Ni o和La Ni a成熟位相(北半球冬季)的西北太平洋大气环流异常表现出显著的非对称特征,La Ni a年的异常气旋(WNPC)通常较之El Ni o年的异常反气旋(WNPAC)位置明显偏西。这种非对称性可能与ENSO自身的非对称性和西北太平洋局地SSTA的非对称性有关。为了解释西北太平洋局地SST异常非对称性的产生原因,我们研究指出经典的“风-蒸发-SST”反馈存在两种体系,当异常风强(弱)于背景风时,表面风速异常相对于相反的异常风对称(非对称),表面风速异常的非对称会导致潜热通量异常的非对称,并进一步造成SSTA倾向的非对称。分析表明,西北太平洋低层环流异常的非对称性,使得对应ENSO冷、暖位相的冬季,中国东南部的降水异常呈现出显著差异,El Ni o年的正降水异常远强于La Ni a年的负降水异常。

9. Wu,B.,T.Li,and Tianjun Zhou, 2010: Relative contributions of the Indian Ocean and local SST anomalies to the maintenance of the western North Pacific anomalous anticyclone during El Nino decaying summer. Journal of Climate, 23, 2974-2986
本文通过大气环流模式进行的分洋盆强迫试验证明,在El Ni o衰减年的夏季,西北太平洋异常反气旋(WNPAC)的维持是热带印度洋洋盆模态(IOBM)遥强迫和西北太平洋负SST异常局地强迫共同作用的结果。在6-8月,局地强迫随着西北太平洋负SST异常的逐渐减弱东移而逐渐减弱。IOBM通过激发出大气Kelvin波,强迫西北太平洋大气环流,它的强迫效果与西北太平洋季风槽的气候态强度密切相关。因此,虽然在6-8月IOBM的强度逐渐减弱,但随着西北太平洋季风槽的逐渐增强,IOBM的强迫作用反而逐渐增强。WNPAC对东亚季风产生最显著影响的时间是6月份,它使得梅雨锋降水显著增多。因此,西北太平洋局地负SST异常可能对东亚夏季风的季节预测更有意义。

三、东亚季风气候的年代际变化


1. Zhou, T., D. Gong, J. Li, B. Li, 2009: Detecting and understanding the multi-decadal variability of the East Asian Summer Monsoon – Recent progress and state of affairs. Meteorologische Zeitschrift, 18 (4), 455-467
本文对发生在1970s末的东亚夏季风年代际变化的归因研究进展进行了总结和评述。自1970年代后期开始,东亚夏季风显著减弱,导致中国东部降水出现“南涝北旱”的降水异常分布。理解上述年代际变化的机制是当今季风研究领域的一个热点问题。在总结本领域研究进展的基础上,作者指出整个20世纪东亚夏季风的长期变化未表现出显著的长期趋势,说明近几十年来东亚夏季风的减弱趋势是前所未有的。目前对上述东亚夏季风年代际变化的机理研究,主要涉及的过程包括:印度洋和西太平洋增暖、赤道中东太平洋增暖、青藏高原感热热源的减弱、气溶胶强迫以及气候系统内部变率的作用。不过,尽管上述因子分别可以解释东亚夏季风年代际变化的部分环节,但是尚难以完整解释夏季风年代际变化的全部特征。作者指出,关于人类活动和全球增暖对东亚夏季风长期变化的作用,目前尚无定论,有待进一步研究。

2. Zhou, T., and J. Zhang, 2009: Harmonious inter-decadal changes of July-August upper tropospheric temperature across the North Atlantic, Eurasian continent and North Pacific, Advances in Atmospheric Sciences, 26, 656–665
作者等揭示了7-8 月北半球对流层温度的整体变化特征,并对东亚气候年代际变化的机制进行解释。前期研究表明,与东亚季风在1970 年代末的减弱相对应,东亚对流层温度存在变冷趋势。在此基础上,通过对再分析资料、探空资料的分析,发现东亚温度的上述变化,是整个北半球大尺度变化的局地表现。在1958-2001 年间,北半球对流层温度存在一种协调一致的变化模态,表现为东亚对流层的变冷、北大西洋和北太平洋对流层的变暖。三个冷、暖中心在垂直结构上贯穿整个对流层,但是强度以在200-300hPa 为最强。东亚对流层温度变冷幅度的大小,是北大西洋对流层变暖幅度的2倍,是北太平洋对流层变暖幅度的3倍。上述协调变化模态在分析时段内表现出减弱的趋势,特别是在1980年以前。在1980年代中期以后,该减弱趋势停止。表征上述北半球对流层温度协调变化的指数序列,与赤道中东太平洋、热带西印度洋海温存在显著负相关关系,与中纬度北太平洋海温则存在显著正相关。

3. Yu, R., and T. Zhou, 2007: Seasonality and three-dimensional structure of the interdecadal change in East Asian monsoon, Journal of Climate, 20, 5344-5355.
围绕着发生在20世纪70年代末的中国东部气候年代际变化,作者围绕着其气候要素变化的区域特点、在不同季节的表现特征和对应的大气环流变化等,进行了分析讨论,给出了其变化的三维空间结构图像。研究表明,我国东部气候的年代际变化具有显著的三维结构特征,它与东亚对流层中上层温度的变化存在直接联系,具体表现特征随季节而变化。对流层中上层出现的年代际尺度变冷,一方面通过其上层的气旋式环流异常,使得东亚急流轴以南的西风增强,一方面通过其下层的反气旋式环流异常,导致东亚夏季风减弱。西风急流增强通过改变对流层中上层的辐散强度,触发独特的云-辐射反馈过程,对青藏高原下游地面气温变冷发挥重要作用;西风急流偏南和夏季风减弱,最终导致中国东部“南涝北旱”型降水异常。东亚对流层上层变冷和青藏高原下游地面气温变冷开始于3月,与近几十年来冬季北大西洋涛动(NAO)的增强趋势存在显著联系。从3月到9月,对流层上层冷中心的位置和强度随季节而变化:从3月到5月,冷中心逐渐南移并加强,5月移至35?N以南,导致中国东南部地区出现干旱化趋势;冷中心在7-8月的盛夏季节位于(40°N,110°E)附近,造成中国东部的“南涝北旱”型降水异常。

4. Zhou T. and R. Yu, 2006: Twentieth century surface air temperature over China and the globe simulated by coupled climate models, Journal of Climate, 19, 5843-5858.
由世界气候研究计划(WCRP)为IPCC第四次评估报告组织的“20世纪气候耦合模式模拟”比较计划(20C3M),为检验外强迫对东亚气候的影响、评估模式的不确定性,提供了一次机遇。在20C3M中,利用实际观测的包括温室气体和气溶胶排放在内的外强迫变化资料,来驱动“海洋-大气-陆地-海冰”耦合的气候模式,考察在这些外强迫作用下,耦合模式能够在多大程度上再现实际观测的二十世纪气候演变过程。作者检验了参加20C3M计划的19个国际知名耦合模式对过去100年全球和中国气温变化的模拟。结果表明多数模式能够成功再现全球和北半球平均气温在过去百年的实际演变。包括太阳辐射、火山气溶胶在内的自然强迫因子逐年变化的引入,显著提高了耦合模式的模拟效果,这种改进在20世纪前半叶尤为明显。模拟的20世纪中国气温演变和实际观测存在显著正相关,但效果较之全球和半球平均情况要差。较之对20世纪前半叶气温变化的模拟结果而言,有更多的模式能够合理再现20世纪后半叶的气温变化。自然强迫因子和温室气体在耦合模式中的作用,主要是再现实际观测气温的变化趋势和年代际尺度的变率,对年际变率的模拟效果则很差。20世纪后半叶的显著增暖以及最近几十年的加速变暖,在耦合模式中得到再现,但是强度比观测要弱。尽管就全球、半球乃至大陆尺度平均而言,给定实际的温室气体和气溶胶等外强迫,耦合模式能够较为合理地再现二十世纪的实际气温变化,但是在变暖趋势的区域分布特征上,模拟结果与观测具有较大差距。中国气候年代际变化的显著特征之一,是自青藏高原下游到长江流域的变冷趋势,但是,尽管耦合模式考虑了气溶胶的直接辐射效应,当几乎没有模式能够模拟出100ºE以东的中国东部地区(27ºN-36ºN)近几十年夏季的变冷。耦合模式在模拟20世纪气温变化区域特征上的局限性,说明利用耦合模式预估的未来气温变化的区域分布,可能存在不确定性。同时,上述模拟结果也说明外强迫在东亚气候年代际变化中的作用有待深入探讨。

7. Xin X., R. Yu, T. Zhou, and B. Wang, 2006: Drought in late spring of South China in recent decades, Journal of Climate, 19(13), 3197-3206.
分析发现NAO活动和我国华南地区的春季气候异常存在联系。发生在20世纪70年代末的我国气候年代际变化,在晚春(指4月21日到5月20日)主要表现为我国东南部地区降水显著减少。春季对流层中上层的年代际变冷是导致我国东南部春旱的重要原因之一,而对流层中上层的变冷,则与冬季NAO的年代际异常存在显著联系。变冷中心位于(30o-40oN,95o-125oE),300hPa最大降温幅度达1.2oC。伴随这种变冷现象,位势高度在对流层中上层降低,而在对流层下层升高,亦即在变冷区域的高层有气旋性异常,低层有反气旋性异常。这样在变冷区的东南侧,高空和低空的经向风有反向的变化,低层为北风异常,高层为南风异常。变冷区存在下沉运动,构成一异常经圈环流,其下沉支和低层偏北风异常均不利于我国东南部降水的产生。

8. Li, J., R. Yu, T. Zhou, and B. Wang, 2005: Why is there an early Spring cooling shift downstream of the Tibetan Plateau, Journal of Climate, 18 (22), 4660–4668.
指出3月份中国西南部的对流层中层纬向风与冬季NAO活动存在联系,它是导致青藏高原下游近几十年变冷趋势的重要因子之一。3月份500 hPa纬向风的变化趋势,表现为在北非和副热带欧亚大陆上空西风一致增强;在北大西洋地区,纬向风的变化对应于NAO的正位相。在NAO的正位相阶段,北非和中东地区的对流层中层西风加强,其影响可以继续向下游传播,并到达中国西南部。四川盆地上空的西风异常,直接影响到该地区的云量分布,冬季NAO指数和3月份四川盆地上空云量的相关系数可以达到0.34(1951-2000年)。NAO正位相时令中国西南地区的对流层中层西风增强,高原下游局地西风的加强有利于中层层状云的形成,随着总云量的增加,云-温度反馈机制使得四川盆地附近的冷却加强并得以维持。

9. Yu, R., and T. Zhou, 2004: Impacts of winter-NAO on March cooling trends over subtropical Eurasia continent in the recent half century, Geophysical Research Letters, 31, L12204, doi:10.1029/2004GL019814.
利用NAO的年代际变化,解释了欧亚大陆副热带在过去几十年的变冷趋势。分析表明,在全球变暖的背景下,近50年来在早春季节,欧亚大陆副热带地区的表层气温和对流层温度存在变冷趋势,这种冷异常西伸至非洲北部区域,与冬季NAO正位相增强所对应的北半球副热带冷信号的准正压东传有关。冷信号的东向传播,在3月份到达青藏高原东麓;到4月份,冷信号在青藏高原以西地区基本消失,但在青藏高原以东地区的对流层中上层依然存在。

10. Yu, R., B. Wang, and T. Zhou, 2004: Tropospheric cooling and summer monsoon weakening trend over East Asia, Geophysical Research Letters, 31, L22212, doi:10.1029/2004GL021270
指出近50年东亚对流层上层在盛夏存在显著的年代际尺度上的变冷。对流层上层变冷,使得在对流层下层出现正位势高度(反气旋型)异常,在其东南部出现北风异常,对应我国东部地区夏季风减弱,使得东部地区的雨带维持在长江流域(难于北跳到华北),造成“南涝北旱”型的降水异常分布。

四、东亚气候基本特征


1. Zhou, T., R. Yu, H. Chen, A. Dai, and Y. Pan, 2008: Summer precipitation frequency, intensity, and diurnal cycle over China: A comparison of satellite data with raingauge observations, Journal of Climate, 21(16), 3997–4010
降水日变化,是检验气候模式参数化效果的理想客观标准。台站观测资料的不足,是限制本领域研究进展的重要原因。高时空分辨的卫星资料能弥补台站观测的不足,是研究降水日变化的重要资料来源。系统评估卫星资料的结果,认清其优势与不足,是应用卫星资料的基础。此外,以前的降水研究多关注降水量,对降水频率和降水强度重视不够。作者从降水量、降水频率和降水强度三个指标上,研究了两套卫星资料(PERSIANN和TRMM3B42)在中国降水日变化研究中的适用性,通过与台站资料的比较,结果表明,卫星产品可很好再现降水量的空间分布,但存在高估降水频率、而低估降水强度的问题;中国东部降水日变化的特征,以青藏高原下游四川盆地的夜雨峰值、华南沿海和东北地区的午后降水峰值为代表,上述特征在卫星产品中得到合理再现,并且降水量的日变化,是降水频率和降水强度共同作用的结果;但是,台站降水中江淮和黄淮流域呈现出的清晨和午后“双峰”并存特征、长江中游降水的清晨峰值,在卫星资料中得不到合理反映。降水频率的偏差与降水量大致相当,这与降水量日变化主要来自于降水频率日变化的贡献有关。

2. Yu, R., T. Zhou, A. Xiong, Y. Zhu, and J. Li, 2007: Diurnal variations of summer precipitation over contiguous China, Geophysical Research Letters, 34, L01704, doi:10.1029/2006GL028129.
作者利用中国逐时降水资料所进行的研究发现,中国夏季降水的日变化具有显著的区域性特征,在华南和东北地区,降水峰值发生在午后,而在青藏高原及其东部地区,降水峰值则出现在午夜。沿着长江流域自西而东,降水峰值出现的时间呈现出“东传”的特征,上游出现在午夜,中游出现在早晨,而下游则出现的傍晚。江淮流域的降水日变化呈“双峰”特征,分别出现在早晨和傍晚。

3. Zhou, T.-J., and R.-C. Yu (2005), Atmospheric water vapor transport associated with typical anomalous summer rainfall patterns in China, J. Geophys. Res., 110, D08104, doi:10.1029/2004JD005413.
传统的关于中国水汽输送源头的讨论多偏重气候平均情况,强调西南季风、东南亚季风、以及跨赤道气流三支水汽输送通道的作用。作者的研究工作表明,与异常降水相对应的水汽输送,其源头与气候平均输送不同。中国夏季降水年际变化的典型分布之一表现为长江中下游多雨,与之对应的异常水汽输送一支来自热带西南方向,其直接源地是孟加拉湾,但源头可追溯至菲律宾海,另一支来自中纬度东北方向,二者在长江中下游辐合;与淮河流域多雨降水型相对应的异常水汽输送,一支来自副热带的西南方向,其直接源地是南海,但是源头可追溯到东海以及临近的20°-25°N的副热带太平洋。本文还进一步讨论了副高位置的变化、东亚副热带西风急流位置变化对水汽输送的影响。