春季北支脊变化特征及其对中国气候的影响
张永莉1,2,3,4, 范广洲3,*, 汪家楠3, 吴俞5, 王霄6, 黄先伦7, 葛非3, 龙妍妍8
1. 中国科学院西北生态环境资源研究院,兰州 730000
2. 兰州大学大气科学学院,兰州 730000
3. 成都信息工程大学大气科学学院/高原大气与环境四川省重点实验室,成都 610225
4. 中国科学院大学,北京 100049
5. 海南省气象台,海口 570203
6. 河南省气象服务中心,郑州 450003
7. 阳江市气象局,广东 阳江 529500
8. 中国民用航空飞行学院,四川 广汉 618307
*通信作者简介:范广洲(1970- ),男,教授,博士,研究方向为气候变化及其数值模拟。E-mail: fgz@cuit.edu.cn

第一作者简介:张永莉(1983- ),女,河南焦作人,讲师,硕士,研究方向为气候变化及数值模拟。E-mail: zhyli@cuit.edu.cn

摘要

论文利用NCEP/NCAR再分析资料和中国160个站月降水量和气温资料,通过小波、相关分析等方法,讨论了春季北支脊的变化特征及其对中国同期降水和气温的影响。结果表明:春季北支脊缓慢增强,存在2~3 a和准6 a的周期;纬向位置略向东移,具有准3 a和12 a的周期。春季北支脊偏强(弱),黄河流域到江南地区的降水量偏少(多),东北、西南和华南地区的降水量偏多(少);春季北支脊纬向位置偏东(西),中国北方大部分地区的降水量偏多(少),西南和江南大部分地区的降水量偏少(多);中国大部分地区的升(降)温显著。当春季北支脊纬向位置显著偏东(西)时,且强度偏强(弱),淮河流域降水偏少(多),东北、西南和华南地区的降水偏多(少),中国大部分地区气温明显偏高(低)。通过对相应的环流和物理量场的分析,能较合理地解释中国春季气候异常的原因,对中国短期气候预测有一定帮助。

关键词: 春季北支脊; 年际和年代际变化; 降水; 气温; 大气环流
中图分类号:P467 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2018)01-0114-13
Variation of Springtime Northern Branch Ridge and Its Impact on Climate in China
ZHANG Yong-li1,2,3,4, FAN Guang-zhou3,*, WANG Jia-nan3, WU Yu5, WANG Xiao6, HUANG Xian-lun7, GE Fei3, LONG Yan-yan8
1. Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, CAS, Lanzhou 730000, China
2. College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
3. College of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology/Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610225, China
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
5. Hainan Meteorological Observatory, Haikou 570203, China
6. Henan Service Center of Meteorological, Zhengzhou 450003, China
7. Yangjiang Meteorological Bureau, Yangjiang 529500, China
8. Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China
Abstract

The variation of springtime northern branch ridge (SNBR) and its impact on precipitation and temperature in China are analyzed using NCEP/NCAR reanalysis data and the observational precipitation and temperature data at the 160 stations of China, with the methods of wavelet analysis, correlation analysis, etc. The results indicate that SNBR is gradually strengthening with periods of 2-3 years and quasi-6 years. Its position is moving eastward slightly with quasi-periods of 3 years and 12 years. When the SNBR is stronger (weaker), the spring precipitation from the Yellow River basin to south of the Yangtze River decreases (increases) obviously, while the spring precipitation rises (drops) in Northeast, Southwest and South China. When SNBR is eastward (westward), the spring pecipitation increases (decreases) in most part of the northern China and drops (rises) in most part of the southwest and southeast of China. Meanwhile, the springtime mean temperature in most part of China is higher (lower) than normal. When SNBR locates more westward (eastward), the precipitation decreases (increases) in the Huaihe River Basin, and rises (drops) in Northeast, Southwest and South China when the SNBR is strong (weak). The springtime mean temperature in most part of China is higher (lower) than normal. The relationship between the SNBR and the variation of the circulation can explain the climate change in China and improve the short-term climate forecasting.

Keyword: springtime northern branch ridge; interannual and interdecadal variability; precipitation; temperature; atmospheric circulation

近年来, 极端天气和气候事件频发, 引起社会各界的广泛关注。中高纬度高压环流的异常是造成中国极端高/低温和旱涝等灾害天气的原因之一[1, 2]。拥有“ 世界屋脊” 之称的青藏高原(下称高原), 地形和天气气候复杂, 一直是气象学者们研究的重要地区之一[3, 4]。高原北侧的高压脊, 是其纯粹的动力作用— — 对西风带的机械阻挡形成[5, 6], 并在其南侧形成低压槽[7, 8]。春季位于新疆地区的北支西风带高压脊(简称北支脊)[9], 是北半球冬半年500 hPa气候平均场“ 三槽三脊” 中的一个半永久性高压脊[10]。在研究高原动力作用时, 北支脊对大气环流和中国天气气候的影响均有提及[11, 12, 13, 14, 15, 16]。春季高原上空产生异常强的高压, 会使其东南侧西南风减弱, 孟加拉湾(下称孟湾)的水汽难以向中国南方输送, 造成南方地区降水减少[12]。王素萍等[13]研究认为, 中国大部分地区受异常强盛的高压脊控制, 降水偏少, 导致2014年全国大范围的严重春旱。西藏— 贝加尔湖(下称贝湖)平均脊发展加强, 极涡强度减弱, 中国北方大部分地区处于脊区, 冷空气强度减弱, 沙尘天气也减少[14]。春季贝湖以南地区高压异常强盛时, 青海高原盛行下沉气流, 易出现异常高温天气[15]。而当北极涛动(arctic oscillation, AO)处在负位相异常时, 极易诱发我国中东部地区寒潮灾害的发生[16]

因此, 春季北半球西风带中, 在高原北侧的中高纬地区定常地存在一个高压脊, 即北支脊。在全球气候变暖、极端天气气候事件频发的大背景下, 北支脊的异常变化与中国降水和气温异常的关系尚不明确。本文首先确定春季北支脊(the Springtime Northern Branch Ridge, SNBR)的主要活动范围和强度, 讨论近68年SNBR的变化特征, 分析其异常变化对中国同期气候的影响, 并从中低层大气环流异常变化解释其与中国气候异常关系的可能原因, 对于高原动力作用及其与中国气候异常的关系有着重要意义。

1 资料和方法
1.1 使用资料和方法

本文所用资料包括:美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)月平均再分析资料, 包括位势高度、水平经向风和纬向风、垂直速度等物理量, 水平分辨率为2.5° × 2.5° , 时间范围取1948— 2015年; 中国国家气候中心提供的中国160个测站逐月总降水量和平均气温资料, 时间范围取1951— 2015年。春季一般指每年的3— 5月, 考虑到3月和5月均是季节的转换期, 而4月的500 hPa平均高度和涡度场与春季平均场类似, 本文选用每年的4月代表春季。研究方法包括线性倾向估计、小波分析、相关分析和合成分析等方法。

1.2 SNBR的定义

多年4月平均的500 hPa位势高度和涡度场上 [图1(a)], 东北半球中高纬地区主要表现为“ 一脊一槽” 型环流, 东欧到乌拉尔山(下称乌山)的高脊经巴尔喀什湖(下称巴湖)向东南延伸到高原北部, 东亚沿岸表现为宽广的槽区; 中纬度的西风带内, 高原北部到巴湖以南(32.5° ~45° N, 65° ~95° E)表现为明显的负涡度区, 且等高线的反气旋性曲率显著。相应的3— 5月、3月和5月图上(图略), 均表明春季在高原北侧定常存在一个高压脊。王谦谦等[17]通过数值试验得到, 西风气流在高原纯动力作用下, 产生绕流的北侧纬向位置基本一致。低纬度的副热带高压所对应的负涡度区在高原以南有断裂的趋势, 可能与高原夏季风逐渐建立有关[18]。图1(b)的经向垂直剖面图中也显示35° ~45° N为负涡度区, 在此范围内, 700 hPa有明显的辐散, 以下为下沉运动, 以上到200 hPa为上升运动, 且有明显的辐合。因此可认为SNBR的活动范围为32.5° ~45° N, 65° ~95° E。

本文参照Fan等定义冬季北支脊的方法[19], 定义SNBR强度指数ISI

ISItk=max1Nj=1NH500λi, φj, tk(1)

式中:H500表示500 hPa高度值; λ i、φ jtk分别代表65° ~95° E、32.5° ~45° N和1948— 2015年; ijk的取值范围分别是1~13、1~6和1~68, N=6。即首先对SNBR活动范围内每年4月32.5° ~45° N的500 hPa高度场进行平均, 得到65° ~95° E每隔2.5个经度共13个高度的平均值, 取其中的最大值为ISIISI对应的经度值可被定义为SNBR的纬向位置指数ISZPISI值大(小), 代表SNBR偏强(弱), 而ISZP值大(小), 则说明SNBR位置偏东(西)。两个指数的相关关系R=-0.206, 通过0.1的显著性检验, 说明SNBR的强度和纬向位置存在显著的负相关, 即当SNBR偏强(弱)时, 其纬向位置偏西(东)。

图1 (a) 1948— 2015年4月500 hPa平均位势高度场(gpm)和涡度场、(b) 沿65° ~95° E平均经圈环流和平均涡度垂直剖面图Fig. 1 (a) The climatological geopotential height field and vorticity field of 500 hPa in April of 1948-2015; (b) The vertical section of the meridional and vorticity circulation averaged over 65° -95° E

2 SNBR的时间变化特征

近68 a来SNBR整体呈显著的增强趋势 [图2(a)], 线性增强率为0.026 gpm/a(R=0.521), 通过0.001的显著性检验。ISI表现出明显的阶段性特征, 1948— 1960年变化幅度较大, 1955年最弱, 其位置略偏东; 1960— 1988年为显著的线性增强期; 1989年至今的增强趋势偏弱, 1996年至今的强度主要表现为正距平, 表明此期间SNBR强于之前, 2007年最强。ISI时间序列的Morlet小波周期变化结果显示 [图2(c)], SNBR强度在1950年代、1980年代末和2000年代末存在显著的2~3 a周期, 1950年代和1990年代初的准6 a周期显著, 均通过了0.05的显著性检验。SNBR的纬向位置自西向东移动 [图2(b)], 线性系数为0.067° E/a(R=0.198), 通过0.1的显著性检验, 且主要位于75° ~85° E之间, 平均在77.5° E附近, 1948和1994年位置最偏东, 强度也偏弱。从ISZP时间序列的小波分析结果得出 [图2(d)], 1950年代末和2000年代初存在准3 a周期, 1990年代末到2000年代初存在准12 a的周期, 均通过了0.05的显著性检验, 另外准7 a的振荡周期在1970年代有较大谱值, 相应的小波方差图上也显示了相同的结论(图略)。

图2 1948— 2015 年 (a) ISI标准化距平后和 (b) ISZP的时间序列变化及 (c) ISI、(d) ISZP的小波功率谱Fig. 2 The time-series of (a) normalized ISI and (b) ISZP; and the wavelet power spectrum for (c) ISI and (d) ISZP

3 SNBR对中国气候的影响
3.1 SNBR典型年份的选取

计算以上两个指数的标准差和标准化距平, 取其中大于1倍和小于-1倍均方差的年份, 分别得到9个SNBR偏强年、7个偏东年、偏弱年和偏西年各11个, 具体见表1

表1 SNBR强度典型强/弱年份和位置典型偏东/西年份 Table 1 Typical years of stronger/weaker and eastward/westward SNBR
3.2 ISI对中国气候的影响

图3为SNBR强度与中国4月降水和气温的相关系数分布。SNBR与中国同期降水在大部分地区都呈负相关 [图3(a)], 尤其是河套和江南地区的相关系数通过0.05的显著性检验, 而西北地区北部、东北、西南和华南的部分地区表现为正相关, 仅在西南的部分地区通过0.05的显著性检验。表明ISI的值偏大(小)时, SNBR偏强(弱), 中国河西走廊、黄河流域到长江中下游及其以南的大部分地区降水偏少(多), 而西北地区北部、东北、西南和华南的部分地区降水偏多(少), 其中西南和华南地区的降水可能与春季南支槽的强弱有关[8]ISI与中国同期气温的相关图上 [图3(b)], 中国大部分地区都呈现正相关, 尤其是西北地区、黄河流域到长江中下游附近地区的相关系数通过0.05的显著性检验, 仅在西南的少部分地区出现较弱的负相关。表明ISI的值偏大(小)时, SNBR偏强(弱), 中国大部分地区的气温偏高(低), 尤其是西北、黄河流域到长江中下游附近的大部分地区升(降)温幅度更为显著。

图3 ISI与中国4月降水 (a) 和气温 (b) 相关系数分布Fig. 3 Correlation between ISI and precipitation (a) and temperature (b) in April over China

3.3 SNBR典型强/弱年环流分析

3.3.1 500 hPa位势高度和垂直速度分析

500 hPa异常的高度和垂直速度场上, SNBR偏强时 [图4(a)], 欧洲和东亚沿岸到阿留申群岛附近为高度负异常区, 中西伯利亚到高原(40° N, 75° E)均为明显的正异常, 西太平洋副高偏南, 中国西南、华南和东北北部地区的垂直速度为负异常, 表明北半球冬半年环流型偏强, 即“ 两槽一脊” 的形势明显, 中国大陆主要受较强的异常高压环流控制, 以下沉气流为主, 易出现高温少雨天气[13, 14], 中国西南、华南和东北部分地区的上升运动强, 有利于这些地区局地降水的形成。而偏弱时的环流形势基本相反 [图4(b)], 欧洲和亚洲东岸到阿留申群岛为高度正异常, 雅库茨克经高原到阿拉伯半岛为负异常, 尤其是高原北部(40° N, 80° E)的负异常最强, 中国西北、东部的河套和江淮地区的垂直速度为负异常, 说明东亚的“ 倒Ω 流型” 建立, 极涡南下到亚洲大陆, AO表现为负异常, 中国大部分地区易受寒潮天气的影响, 气温偏低[16, 20]; 西太平洋副高位置偏北, 有利于东海和黄海的水汽向河套和江淮地区输送, 垂直速度也表现为较强的上升运动, 易形成降水。

图4 春季500 hPa位势高度(等值线, gpm)和垂直速度场(阴影, hPa/s)(a和b)、850 hPa风(箭头, m/s)和水汽通量散度场(阴影, 10-6 g· s-1· cm-2· hPa-1)(c和d)的距平合成场Fig. 4 The 500 hPa geopotential height (contour, unit: gpm) and vertical velocity (shadow, unit: hPa/s) (a and b), 850 hPa wind (arrow, unit: m/s) and vapor flux divergences (shadow, unit: 10-6 g· s-1· cm-2· hPa-1 ) (c and d) for strong spring northern branch ridge (a and c) and weak spring northern branch ridge (b and d)

3.3.2 850 hPa风和水汽通量散度分析

从SNBR偏强年的850 hPa风和水汽通量散度的距平场上可见 [图4(c)], 欧洲和阿留申群岛附近为异常的低压环流, 亚洲大陆为异常的高压环流, 东亚大槽偏强, 西太平洋副高偏弱, 中国东部的偏北风对应的冷空气源地仅可追溯到50° N附近, 水汽通量散度仅在西南地区东部和华南出现负异常, 对应中国大部分地区受异常的高压环流控制, 以下沉气流为主, 冷空气较弱, 降水偏少, 气温偏高, 西南地区东部和华南地区水汽通量的辐合, 造成局地降水量增加。偏弱年时 [图4(d)] 欧洲为异常的高压环流, 非洲和亚洲转为异常的低压, 高原南支槽偏强, 转为逐渐增强的东亚夏季风影响, 西太平洋副高偏北偏强, 有利于将孟湾、东海和西太平洋上的水汽向中国内陆输送, 中国东部表现为异常的水汽通量辐合, 有利于大部分地区降水的产生, 同时气温偏低。这与Ding[21]和黄荣辉等[22]研究东亚夏季风爆发日期的早晚对中国降水影响的结论基本一致。

3.4 ISZP对中国气候的影响

同样计算了ISZP与中国4月降水和气温的相关系数(图5)。从图5(a)中可以看出, 中国长江以北的大部分地区、西南和华南南部呈现出正相关, 表明ISZP值大(小), SNBR纬向位置偏东(西), 这些地区的总降水量偏多(少), 这种相关性未能通过0.05的显著性检验; 而新疆南部、西南和江南大部分地区为负相关, 仅有少部分地方通过0.05的显著性检验, 对应ISZP值大(小), SNBR位置偏东(西), 这些地区的总降水量偏少(多)。图5(b)中显示ISZP与中国大部分地区的同期气温呈现正相关关系, 尤其在华北地区的相关性通过了0.05的显著性检验, 表明ISZP值大(小), SNBR越偏东(西), 中国大部分地区均有明显的升(降)温趋势, 尤其是华北地区升(降)温幅度更为明显。

图5 ISZP与中国4月降水 (a) 和气温 (b) 的相关系数分布Fig. 5 Correlation between ISZP and precipitation (a) and temperature (b) in April over China

3.5 SNBR纬向位置典型偏东/西年环流分析

3.5.1 500 hPa位势高度和垂直速度分析

SNBR纬向位置偏东时 [图6(a)], 500 hPa上乌山和鄂霍茨克海附近的位势高度为明显的高度负异常, 东亚大部分地区为正异常区, 中国西北和东部大部分地区的垂直速度为明显的负异常区, 对应中国大部分地区受高压环流控制, 气温偏高, 西北和东部地区的上升运动偏强, 有利于降水的形成。偏西时的乌山阻高异常强盛 [图6(b)], 东亚地区是以蒙古为中心的低压, 冷空气会沿乌山高脊前的偏北气流将极区和高纬的冷空气向东亚地区输送, 造成中国气温偏低, 同时, 西南地区和长江中下游附近地区的垂直速度为负异常, 表明这些地区的上升运动偏强, 易形成降水。

图6 SNBR纬向位置偏东/西年500 hPa位势高度(等值线, gpm)和垂直速度场(阴影, hPa/s)(a和b)、850 hPa风(箭头, m/s)和水汽通量散度场(阴影, 10-6 g· s-1· cm-2· hPa-1)(c和d)的距平合成场Fig. 6 The 500 hPa geopotential height (contour, unit: gpm) and vertical velocity (shadow, unit: hPa/s) (a and b), 850 hPa wind (arrow, unit: m/s) and vapor flux divergences (shadow, unit: 10-6 g· s-1· cm-2· hPa-1 ) (c and d) for eastward SNBR (a and c) and westward SNBR (b and d)

3.5.2 850 hPa风和水汽通量散度分析

由SNBR偏东年的850 hPa风和水汽通量散度的距平场可见 [图6(c)], 欧洲大陆和蒙古到中国东北为异常的高压环流, 非洲和南亚为异常的低压环流, 东亚大槽偏东, 中国东部盛行偏东和偏南气流, 有利于东海、黄海和西太平洋的暖湿气流向中国输送, 中国东部大部分地区的水汽通量辐合, 这些地区降水偏多。偏西年的欧亚大陆以乌山为中心的强大的高压环流控制 [图6(d)], 亚洲北部偏北风异常强盛, 可将极区和高纬度的冷空气向南输送到中低纬度地区, 造成中国气温异常偏低, 同时, 南支槽较强, 可将孟湾和南海的水汽向西南和江南地区输送[23], 从流场上可看出西南涡的存在, 江淮切变线偏强且偏南, 有利于低层水汽和能量的辐合, 副高偏东, 水汽通量辐合区也主要出现在江南地区, 有利于降水的形成。

4 SNBR两个指数同时异常时对中国气候的影响
4.1 SNBR两个指数同时异常年份的选择

SNBR的强度和纬向位置同时出现异常, 对中国气候也可能有一定影响。取两个指数分别同时大于0.5和小于-0.5倍均方差的年份, 即当SNBR位置偏东(82.5° E以东)时, 其典型偏强年有5个, 偏弱年有9个, 而当北支脊位置偏西(72.5° E以西)时, 其典型偏强年有6个, 偏弱年有3个, 具体年份见表2。本小节的合成分析均为纬向位置异常时, 典型强年减去弱年的差值合成。

表2 SNBR位置典型偏东/西时, 强度偏强/弱年份 Table 2 Typical stronger/weaker years for eastward/westward SNBR
4.2 SNBR纬向位置显著偏东时对中国气候的影响

当SNBR纬向位置显著偏东(82.5° E以东)时, 偏强年与偏弱年降水差值的合成分析图上 [图7(a)], 黄河流域到长江中下游大部分地区表现为负异常, 仅在河套北部通过0.05的显著性检验, 西北、东北、西南和华南地区为正异常, 东北地区南部和西南地区通过0.05的显著性检验, 说明黄河流域到长江中下游地区春季受强大且偏东的北支脊影响, 降水偏少, 东北、西南和华南地区的降水偏多。从相应的气温合成场上看 [图7(b)], 全国均表现为明显的正异常, 且大部分地区通过0.01的显著性检验, 对应SNBR纬向位置偏东, 且强度偏强时, 全国大部分地区气温明显偏高。

图7 当SNBR纬向位置偏东时, 典型强年减去典型弱年4月降水 (a) 和气温 (b) 差值的t检验Fig. 7 The t-test of the difference of precipitation (a) and temperature (b) in April between stronger SNBR years and weaker years when SNBR locates more eastward

4.3 SNBR纬向位置显著偏东时的异常环流分析

4.3.1 500 hPa位势高度和垂直速度分析

从SNBR典型强/弱年500 hPa高度和垂直速度场差值图中可看出 [图8(a)], 东北半球中高纬主要表现为明显的“ 两槽一脊” 的形势, 极涡偏心于以新地岛为中心的欧洲大陆上, 贝湖北部到高原北部的脊偏强, 东亚大槽较弱且位置偏东, 西太平洋副高偏强。高原北部以(85° E, 45° N)为中心的北支脊异常偏强, 中国大陆大部分地区均受此高压脊控制, 气温偏高; 东北和西南地区上升运动明显, 这些地区易形成降水, 而黄河流域到长江中下游地区为下沉运动, 不利于降水的形成。

图8 当SNBR纬向位置偏东时, 500 hPa位势高度(等值线, gpm)和垂直速度场(阴影, hPa/s)(a)、850 hPa风(箭头, m/s)和水汽通量散度场(阴影, 10-6 g· s-1· cm-2· hPa-1)(b) 典型强年减去典型弱年差值的距平合成场Fig. 8 The differences of 500 hPa geopotential height (contour, unit: gpm) and vertical velocity (shadow, unit: hPa/s) (a), 850 hPa wind (arrow, unit: m/s) and vapor flux divergences (shadow, unit: 10-6 g· s-1· cm-2· hPa-1) (b) between stronger SNBR years and weaker years when SNBR locates more eastward

4.3.2 850 hPa风和水汽通量散度分析

从850 hPa风和水汽通量散度异常分布场可见 [图8(b)], 较强的极涡偏心于欧洲东部, 下游位于高原北部的脊也偏强偏东, 亚洲北部以偏南风为主, 中国大陆为异常的偏北风, 由于极涡位于欧洲东部, 下游脊位置偏南, 冷空气来源于50° N附近, 强度偏弱, 中国大部分地区气温偏高; 南支槽偏强, 有利于孟湾的水汽向中国南方输送[35], 东北、西南和华南的部分地区存在局地的水汽通量辐合, 有利于这些地区降水的形成。

4.4 SNBR纬向位置显著偏西时对中国气候的影响

当SNBR纬向位置显著偏西(72.5° E以西)时, 同样计算了北支脊偏强和偏弱时与中国气候之间的合成场(图9)。从图9(a)其与中国降水的合成场上看, 中国除淮河流域有较弱的负异常以外, 其余大部分地区均为正异常, 尤其是西北和华北地区北部、西南和华南地区南部的正异常通过0.05的显著性检验。图9(b)显示了中国大部分地区为显著的正异常, 且大部分地区通过0.01的显著性检验, 高原东北侧存在负异常, 通过0.05的显著性检验。显示SNBR位置偏西且强度偏强(弱)时, 中国大部分地区降水偏多(少), 气温偏高(低), 尤以西北和华北地区北部、西南和华南地区南部的降水强度更大(小), 而江淮地区降水偏少(多), 高原东北侧地区气温偏低(高)。

图9 当SNBR纬向位置偏西时, 典型强年减去典型弱年4月降水 (a) 和气温 (b) 差值的t检验Fig. 9 The t-test of the difference of precipitation (a) and temperature (b) in April between stronger SNBR years and weaker years when SNBR locates more westward

4.5 SNBR纬向位置显著偏西时的异常环流分析

4.5.1 500 hPa位势高度和垂直速度分析

SNBR典型强/弱年500 hPa高度和垂直速度场差值图如图10(a), 可见东北半球的中高纬也主要表现为“ 两槽一脊” 的形势, 极涡以欧洲平原为中心且强度较强, 阿尔泰山到高原北部的脊偏强, 东亚大槽较弱且位于东亚沿岸。高原北部以70° E、35° N为中心的北支脊强度偏强, 中国大陆大部分地区均受此高压脊控制, 气温偏高; 东北、西南和华南地区上升运动明显, 易形成降水; 而淮河流域为下沉运动, 不利于降水的形成。

图10 当SNBR纬向位置偏西时, 500 hPa位势高度(等值线, gpm)和垂直速度场(阴影, hPa/s)(a)、850 hPa风(箭头, m/s)和水汽通量散度场(阴影, 10-6 g· s-1· cm-2· hPa-1)(b) 典型强年减去典型弱年差值的距平合成场Fig. 10 The differences of 500 hPa geopotential height (contour, unit: gpm) and vertical velocity (shadow, unit: hPa/s) (a), 850 hPa wind (arrow, unit: m/s) and vapor flux divergences (shadow, unit: 10-6 g· s-1· cm-2· hPa-1) (b) between stronger SNBR years and weaker years when SNBR locates more westward

4.5.2 850 hPa风和水汽通量散度分析

从850 hPa风和水汽通量散度异常分布图中可见 [图10(b)], 较强的极涡偏心于欧洲东部, 亚洲北部的中高纬地区也表现为异常的气旋性环流, 下游位于高原北部的脊也偏强偏西, 东亚大槽位于东亚沿岸, 中国大陆是以高原为中心的异常反气旋环流, 冷空气的源地在50° N附近, 强度偏弱, 中国大部分地区气温偏高; 东北、西南和华南的部分地区存在局地的水汽通量辐合, 华南切变线位于华南沿海附近, 有利于这些地区降水的形成。

5 结论

通过以上对SNBR的分析, 得到以下结论:

1)春季青藏高原北部到巴湖地区, 即32.5° ~45° N、65° ~95° E区域范围内, 定常地存在北支脊。近68 a来SNBR逐渐增强且向东移动, 强度存在2~3 a和准6 a的周期变化; 其位置具有准3 a和12 a的周期。另外, SNBR的强度和纬向位置之间存在显著的负相关, 即当SNBR强度偏强(弱)时, 其纬向位置越偏西(东)。

2)SNBR对中国同期降水和气温有明显的影响。SNBR偏强, 黄河流域到江南地区以下沉气流为主, 低层水汽通量辐散, 降水量明显偏少, 西北、东北、西南和华南地区的上升运动明显, 低层有水汽通量辐合, 降水量偏多, 同时, 中国大部分地区的升温显著。SNBR纬向位置偏东, 中国大部分地区垂直上升运动显著, 低层的偏东风和偏南风将暖湿气流从东部和南部的海域输送到中国北方、西南和华南南部, 且水汽通量有明显的辐合, 降水量偏多, 西南和江南大部分地区低层无明显的水汽输送, 降水量偏少, 中国大部分地区升温显著。偏弱年和位置偏西时, 其与中国气候和大气环流形势分布基本相反。

3)当SNBR纬向位置显著偏东时, 其强度越强(弱), 黄河流域到长江中下游地区降水偏少(多), 东北和西南地区的降水偏多(少), 全国大部分地区气温明显偏高(低)。当其位置显著偏西时, 其强度偏强(弱), 中国大部分地区降水偏多(少), 气温偏高(低)。通过对其相应的环流和物理量场的合成分析讨论, 能较合理地解释两个指数同时出现异常时中国气候异常的原因。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] DOLE R M, GORDON N D. Persistent anomalies of the extratropical northern hemisphere wintertime circulation: Geographical distribution and regional persistence characteristics[J]. Monthly Weather Review, 1983, 111: 1567-1586. [本文引用:1]
[2] 张培忠, 杨素兰. 阻塞高压活动的气候变化及其对中国某些地区旱涝的影响[J]. 气象学报, 1996, 54(5): 633-640.
[ZHANG P Z, YANG Y L. The climate change of blocking high and their effects on drought and flood of some region of China. Acta Meteorologica Sinica, 1996, 54(5): 633-640. ] [本文引用:1]
[3] QUENEY P. The problem of air flow over mountains: A summary of theoretical studies[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1948, 29: 16-26. [本文引用:1]
[4] 吴国雄, 何编, 刘屹岷, . 青藏高原和亚洲夏季风动力学研究的新进展[J]. 大气科学, 2016, 40(1): 22-32.
[WU G X, HE B, LIU Y M, et al. Recent progresses on dynamics of the Tibetan Plateau and Asian summer monsoon. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2016, 40(1): 22-32. ] [本文引用:1]
[5] BOLIN B. On the influence of the earth’s orography on the general character of the westerlies[J]. Tellus, 1950, 2(3): 184-195. [本文引用:1]
[6] WU G X, DUAN A M, LIU Y M, et al. Tibetan Plateau climate dynamics: Recent research progress and outlook[J]. National Science Review, 2015, 2(1): 100-116. [本文引用:1]
[7] RAMASWAMY C. On the sub-tropical jet stream and its role in the development of large-scale convection[J]. Tellus, 1956, 8: 26-60. [本文引用:1]
[8] 张永莉, 范广洲, 周定文, . 春季南支槽变化特征及其与降水和大气环流的关系[J]. 高原气象, 2014, 33(1): 97-105.
[ZHANG Y L, FAN G Z, ZHOU D W, et al. Variation of springtime southern branch trough and its relationship with precipitation and atmospheric circulation. Plateau Meteorology, 2014, 33(1): 97-105. ] [本文引用:2]
[9] 李玉兰. 从卫星云图上看到的春季高原上两类云系[J]. 大气科学, 1977, 1(1): 61-63.
[LI Y L. Two types of clouds are seen on the satellite image from the Tibetan Plateau in spring. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 1977, 1(1): 61-63. ] [本文引用:1]
[10] REX D F. Blocking action in the middle troposphere and lower stratosphere and its effect upon regional climate[J]. Tellus, 1950, 2(3): 196-211. [本文引用:1]
[11] 叶笃正, 顾震潮. 西藏高原对于东亚大气环流及中国天气的影响[J]. 科学通报, 1955, 6(6): 29-33.
[YE D Z, GU Z C. The impact of the Tibet Plateau on the East Asian atmospheric circulation and the weather of China. Chinese Science Bulletin, 1955, 6(6): 29-33. ] [本文引用:1]
[12] 朱志伟, 何金海, 钟珊珊, . 春夏东亚大气环流年代际转折的影响及其可能机理[J]. 气象学报, 2013, 71(3): 440-451.
[ZHU Z W, HE J H, ZHONG S S, et al. The climatic effect of decadal shift of the East Asian atmospere circulation in spring and summer and its possible causes. Acta Meteorologica Sinica, 2013, 71(3): 440-451. ] [本文引用:2]
[13] 王素萍, 段海霞, 冯建英. 2014 年春季全国干旱状况及其影响与成因[J]. 干旱气象, 2014, 32(3): 491-496.
[WANG S P, DUAN H X, FENG J Y. Drought events and its infucence in spring of 2014 in China. Journal of Arid Meteorology, 2014, 32(3): 491-496. ] [本文引用:3]
[14] 康林, 季明霞, 黄建平, . 欧亚大气环流对中国北方春季沙尘天气的影响[J]. 中国沙漠, 2013, 35(5): 1453-1460.
[KANG L, JI M X, HUANG J P, et al. Impact of Eurasian atmospheric circulation on dust events in spring over northern China. Journal of Desert Research, 2013, 35(5): 1453-1460. ] [本文引用:3]
[15] 申红艳, 李林, 李红梅, . 青海高原春季气温异常成因及低温过程诊断分析[J]. 气象, 2015, 41(7): 872-880.
[SHEN H Y, LI L, LI H M, et al. Causes of temperature anomaly analysis on low temperature process in Qinghai Plateau in spring. Meteorological Monthly, 2015, 41(7): 872-880. ] [本文引用:2]
[16] 魏凤英. 气候变暖背景下我国寒潮灾害的变化特征[J]. 自然科学进展, 2008, 18(3): 289-295.
[WEI F Y. Change of the cold wave frequency of China in global warming. Progress in Natural Science, 2008, 18(3): 289-295. ] [本文引用:3]
[17] 王谦谦, 王安宇, 李雪峰, . 青藏高原大地形对夏季东亚大气环流的影响[J]. 高原气象, 1985, 3(1): 13-26.
[WANG Q Q, WANG A Y, LI X F, et al. The effects of the Qinghai-Xizang Plateau on the mean general circulation in East Asia in summer. Plateau Meteorology, 1985, 3(1): 13-26. ] [本文引用:1]
[18] XUN X Y, HU Z Y, MA Y M. The dynamic plateau monsoon index and its association with general circulation anomalies[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2012, 29(6): 1249-1263. [本文引用:1]
[19] FAN G Z, ZHANG Y L, WANG B Y, et al. Interannual variability of the wintertime northern branch high ridge in the subtropical westerlies and its relationship with winter climate in China[J]. Journal of Meteorological Research, 2015, 29(5): 703-719. [本文引用:1]
[20] ZHAO N, TAKAHASHI M. Zonally symmetric normal modes associated with AO/NAM under a seasonally varying background of climatology[J]. Tellus A, 2006, 58(5): 575-583. [本文引用:1]
[21] DING Y H. Summer monsoon rainfalls in China[J]. Journal of the Meteorological Society of Japan, 1992, 70: 373-396. [本文引用:1]
[22] 黄荣辉, 顾雷, 徐予红, . 东亚夏季风爆发和北进的年际变化特征及其与热带西太平洋热状态的关系[J]. 大气科学, 2005, 29(1): 20-36.
[HUANG R H, GU L, XU Y H, et al. Characteristics of the interannual variations of onset and advance of the East Asian summer monsoon and their as sociations with thermal states of the tropical western Pacific. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2005, 29(1): 20-36. ] [本文引用:1]
[23] 梁宏, 刘晶淼, 李世奎. 青藏高原及周边地区大气水汽资源分布和季节变化特征分析[J]. 自然资源学报, 2006, 21(4): 526-534.
[LIANG H, LIU J M, LI S K. Analysis of precipitable water vapor source distribution and its seasonal variation characteristics over Tibetan Plateau and its surroundings. Journal of Natural Resources, 2006, 21(4): 526-534. ] [本文引用:1]