王遵娅,主要从事气候学和极端气候事件研究.Email:
2018年春季全国平均气温为1961年来最高,全国大部地区气温普遍偏高,尤其是长江以南及中国北方的中部区域偏高明显。全国平均降水量较常年略偏多,呈东部地区“南少北多”,华西降水偏多,而江南南部至华南、西北西部的部分地区降水偏少的分布特点。自北大西洋经欧亚大陆至东北亚中高纬上空的纬向波列及东亚低层维持的异常偏南气流是2018年春季中国气候异常的重要原因,且乌拉尔山以东的低槽和东北亚上空的高脊是关键环流系统。亚洲中低纬上空均为异常高压脊控制,尤其是东北亚上空的高脊造成了2018年春季中国大部地区气温偏高。乌拉尔山以东低槽有利于冷空气爆发南下而东北亚上空的高脊引导西北太平洋暖湿气流向西向北影响我国,冷暖气流交汇从而造成了长江以北地区及华西降水偏多,而南海至西太平洋上空的异常气旋则导致江南南部至华南少雨。另外,虽然2017/2018年冬季发生了一次弱的La Niña事件,并且2018年春季北大西洋三极子模态(NAT)呈较强的正位相,但其对中国2018年春季降水异常影响较小,而以大气环流的影响为主导。进一步分析发现,乌拉尔山以东的低槽和东北亚上空的高脊与中国春季温度和降水具有很好的相关性,易于造成中国气温偏高;东部降水“南少北多”且华西多雨。两个关键环流系统间存在显著的负相关关系,且均与欧亚遥相关(EU)波列关系密切。同时,东北亚上空的脊还与北极涛动(AO)正位相具有高相关。
From March to May 2018, the mean temperature in China ranks the highest since 1961. The temperature is almost above normal in China, with the warmest regions located to the south of the Yangtze River and the central part of northern China. The mean precipitation of China is a little above normal. For eastern China, the precipitation is more than normal to the north of Yangtze River while it is less than normal to the south. As for western China, the positive anomalies of precipitation are observed in most parts of Southwest China, southeastern part of Northwest China and northern and western Xinjiang, while the negative anomalies are mainly in southern Xinjiang, western Qinghai and northwestern Gansu. The zonal wave train stretching from North Atlantic to Northeast Asia via Eurasia Continent at the mid-high latitudes mainly contributes to the climate anomalies in China from March to May 2018, with the trough to the east of Ural Mountains and the ridge over Northeast Asia occupying the key circulations. The anomalous high pressure, especially the ridge over Northeast Asia controls the extensive regions over the mid-low latitudes of Asia to cause the higher-than-normal temperature over most China from March to May 2018. The trough to the east of Ural Mountains favors the southward outbreak of the cold air, while the ridge over Northeast Asia leads the moisture to transport westward and northward from the western Pacific. Then, the cold and dry air mass merges with the warm and moist one to form the above normal precipitation over the region to the north of the Yangtze River and West China. Meanwhile, the anomalous cyclonic circulation over the South China Sea and the tropical western Pacific contributes to the below-normal precipitation from the region to the south of the Yangtze River to South China. Though a weak La Niña event occurs during the winter of 2017/2018 and the positive phase of North Atlantic Triple (NAT) mode persists from March to May 2018, they put limited impacts on the 2018's spring rainfall anomalies in China but the circulations dominate. Further analyses present that the intensity of the the trough to the east of Ural Mountains and the ridge over Northeast Asia has high correlations with both temperature and precipitation of China during spring, favoring the above-normal temperature in most of China and more-than-normal precipitation in West China and to the north of the Yangtze River but less-than-normal precipitation to the south. Significant negative correlation exists between the intensity of the two circulations and they are both closely connected with the Eurasian (EU) teleconnection pattern. Moreover, the ridge over Northeast Asia is also highly correlated with the positive phase of AO.
中国属典型的季风区,冬季受干冷的东亚冬季风影响而夏季受暖湿的东亚夏季风控制。春季正值冬季风逐渐减退而夏季风开始增强的交替季节,在冷暖气团博弈的过程中易出现气温的冷暖起伏及旱涝灾害的发生。因而,对中国春季气候特征进行总结并分析其异常产生的原因是防灾减灾的基础。
影响中国春季气候异常的因子较为复杂,尤其是降水,很多学者研究了东亚春季雨带的气候特征及季节进程(
从上述研究可以看到,影响中国春季气候异常尤其是降水异常的因子非常复杂。并且,中国春季气候年际变化大,在不同的年份产生影响的因子和原因是不同的(
Kalnay et al,1996)。另外,还使用了1982年1月至2018年5月的NOAA Optimum Interpolation (OI) Sea Surface Temperature (SST) V2海温资料(
本文主要采用相关分析和一元线性回归分析,显著性检验方法为
如
2018年春季中国平均气温距平分布(单位:℃)
Temperature anomalies in China from March to May (MAM) 2018 (unit: ℃)
1961—2018年中国春季平均气温序列(单位:℃)
Time series of MAM mean temperature in China during 1961-2018 (unit: ℃)
对于2018年春季降水,偏少的区域主要集中在江南南部至华南大部,以及新疆中南部、青海西部、甘肃西北部和西藏西部等地,降水量普遍偏少20%~50%,新疆南部偏少达80%以上。而全国其余大部地区降水量接近常年或偏多,偏多的区域主要分布在华北大部、黄淮、江淮、西南地区东部、青海东部、新疆西部和北部等地,降水量普遍偏多20%~50%,其中黄淮至江淮及新疆北部和西部等地偏多50%至1倍(
2018年春季中国降水距平百分率分布(单位:%)
Precipitation anomaly percentage in China from March to May 2018 (unit: %)
1961—2018年中国春季平均降水量序列(单位:mm)
Time series of MAM mean precipitation in China during 1961-2018 (unit: mm)
总体而言,2018年春季中国气温偏高,东部地区降水“南少北多”,华西及新疆北部和西部降水偏多。
首先讨论大气环流异常对2018年春季中国气候异常的影响。
2018年春季500 hPa高度距平场分布(单位:gpm)
The 500 hPa geo-potential height anomalies from March to May 2018 (unit: gpm)
如
2018年春季850 hPa距平风场分布(单位:m·s-1)
The 850 hPa wind anomalies from March to May 2018 (unit: m·s-1)
2018年春季整层积分(地面~300 hPa)的水汽输送通量(矢量,单位:kg·s-1·m-1)距平及散度(阴影区, 单位:10-5 kg·s-1·m-2)的距平场分布
Water vapor transport anomalies vertically integrated from surface to 300 hPa (vector, unit: kg·s-1·m-1) and anomalies of divergence and convergence of moisture transport (shaded areas, unit: 10-5 kg·s-1·m-2) from March to May 2018
在上述分析中发现欧亚中高纬地区的纬向波列对中国春季气候有重要影响,特别是乌拉尔山以东的低槽和东北亚上空的高脊有一定的联系。那么,该两个系统与中国春季气温和降水异常是否具有稳定的相互关系?两个系统之间有何联系?它们产生影响的物理过程又有何异同?为了回答这些问题,研究将50°~75°N,50°~90°E区域平均的500 hPa高度场取负号以后的标准化值作为乌拉尔山以东低槽的强度指数,将35°~50°N,110°~130°E区域平均的500 hPa高度场的标准化值作为东北亚上空高脊的强度指数,分析它们与环流和气温、降水的关系。
随着全球气候变暖,中国气温在近百年和近50年也出现了显著升高,1997年以后中国春季气温就呈现出较为一致的偏高态势。该变暖趋势是2018年中国春季气温达1961年最高的重要气候背景。在去掉此线性变化趋势之后,1997年之后我国春季气温仍处于偏高的年代,这是2018年中国春季气温显著偏高的重要年代际背景。在年际尺度上,中国春季气温与500 hPa高度场的相关分析表明,中国春季气温的偏高(偏低)与乌拉尔山以东的低槽(高脊)和东北亚上空的高脊(低槽)相关系数均通过了0.05的显著性水平检验(图略)。这表明,该两个关键环流系统与中国气温的关系密切且具有普适性,可作为预报和预测的依据。
中国春季气温与乌拉尔山以东低槽强度指数(a)和东北亚高脊强度指数(b)的相关系数分布
Correlation coefficients between MAM temperature in China and the intensity indices of the trough to the east of Ural Mountains (a) and the ridge over Northeast Asia (b)
同
Same as
乌拉尔山以东低槽和东北亚上空的异常脊与环流场之间的相关关系也存在着一定的相似和不同。如
春季500 hPa高度场对乌拉尔山以东低槽(a)和东北亚上空高脊(b)强度指数的回归系数
Regression coefficients of 500 hPa geo-potential height against the intensity indices of the trough to the east of the Ural Mountains (a) and the ridge over Northeast Asia (b) during MAM
式中,
EU指数与乌拉尔山以东低槽强度指数和东北亚上空异常高脊强度指数的相关系数分别达0.69和-0.49,均通过了0.01的显著性水平检验(
春季EU指数与乌拉尔山以东低槽强度指数(a)及AO指数与东北亚上空高脊强度指数(b)时间序列
Time series of the EU index and intensity index of the trough to the east of Ural Mountains (a) and the AO index and intensity index of the ridge over Northeast Asia (b) during MAM
与乌拉尔山以东低槽和东北亚上空异常脊相联系的850 hPa环流也表现出了相似的特征:乌拉尔山上空维持气旋性环流而东北亚上空为反气旋环流,中国东部为西南转东南气流控制(
同
Same as
由此可见,乌拉尔山以东的低槽和东北亚上空的高脊能够显著影响中国春季气温和降水,有利于中国大部地区气温偏高;促使中国东部降水“南少北多”且华西降水偏多。这两个环流系统具有较高的相关性,且均与EU波列关系密切。同时,东北亚上空的高脊还与AO具有很高相关。
为了讨论海温外强迫对2018年春季降水异常的可能影响,我们注意到两个海温异常特点,一是2017/2018年冬季赤道中东太平洋发生了一次弱La Niña事件,二是2018年春季北大西洋三极子呈较强的正位相(
2018年春季海表温度距平分布(单位:℃)
Distribution of sea surface temperature anomalies from March to May 2018 (unit: ℃)
前冬Niño3.4指数(a)及春季北大西洋三极子指数(b)与中国春季降水的相关系数分布
Correlation coefficients between precipitation in China during MAM and the Niño3.4 index during the previous winter (a) and the NAT index during MAM (b)
综合以上分析可以发现,2017/2018年冬季的弱La Niña事件及2018年春季较强的北大西洋三极子正位相对降水异常的影响有限。2018年春季中国降水异常可能主要由大气环流主导,而乌拉尔山槽和东北亚高脊是产生影响的关键环流系统。
本文对2018年中国春季气候特征和可能成因进行分析,得到了以下主要结论:
(1) 2018年春季中国平均气温为12.1℃,达1961年来最高;呈全国大部地区气温偏高的态势,尤其是长江以南及中国北方的中部区域气温偏高幅度最大。全国平均降水为146.2 mm,较常年值143.7 mm略多,降水偏少的区域主要集中在江南南部至华南大部、新疆南部、甘肃西北部、青海西部等地,而华北大部、黄淮、江淮、西南地区东部、青海东部、新疆西部和北部等地降水偏多20%至1倍。
(2) 2018年春季,从北大西洋经欧亚大陆至东北亚上空的中高纬纬向波列是影响2018年春季中国气温和降水异常的主要因子,其中乌拉尔山以东的低槽和东北亚上空异常高脊是关键环流系统。东北亚上空异常高脊的维持有利于中国大部地区气温偏高。对降水而言,一方面乌拉尔山以东低槽有利于冷空气南下;另一方面东北亚上空的异常高脊引导西北太平洋暖湿气流向西向北影响我国,冷暖气流交汇造成华北、黄淮、江淮和华西等地降水偏多。而江南南部至华南东部在南海—西太平洋异常气旋西侧的东北气流控制下,降水偏少。
(3) 2017/2018年冬季赤道中东太平洋发生了一次弱的La Niña事件,2018年春季北大西洋三极子呈较强的正位相。弱La Niña事件所对应的全国大部地区降水偏少的特征与2018年实况不相符;并且,春季北大西洋三极子与中国降水相关关系不显著。该两个外强迫因子对2018年春季中国降水异常的影响较小。
(4) 乌拉尔山以东低槽和东北亚上空异常高脊呈显著的负相关关系,且均与EU波列关系密切。同时,后者还与AO具有高相关。该两个系统对中国春季的气温和降水均具有显著影响,易于造成中国大部地区气温偏高;中国东部“南少北多”且华西地区偏多的降水异常型,尤其是东北亚上空异常高脊与长江以北地区降水偏多的相关显著。
需要指出的是,本文仅对大气环流和海温外强迫两方面的影响进行了讨论,是否还有其他可能的因子影响2018年中国春季降水异常还需进一步深入研究。
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