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丝绸之路遥相关,大气所揭示夏季欧亚大陆增温

2019-09-17 01:14

一出门就被曝晒,逛个街手机能被烤化,夏季到来,生活在北方的人们,这两天已经见识到了炙热的力量。“夏天真的是越来越热,还让不让人活了。”有网友吐槽。吐槽归吐槽,有专家此前已经郑重预言:这样的夏季高温可能会一年更比一年严重!

全球温度呈现显著的增暖趋势。据世界气象组织统计,2011–2015年全球平均地表温度高出1961–1990年0.57℃。这种显著增暖无疑为夏季高温提供了有利的气候背景,对极端高温事件的发生和发展无异于火上浇油。据统计,2001–2010年间由高温导致的死亡人数相对于1991–2000年增长了23倍。

对于多数厄尔尼诺事件而言,它们在北半球春夏季萌生,到冬季达到顶峰后,在第二年春夏季的光华中消亡。但今年的厄尔尼诺事件,在繁华竞放之时孤负这一定律,并很可能将在未来数月继续发展。或许这在观测史中都是寥寥无几,难以参考;不仅是赤道太平洋,包括其他大洋的变幻,破碎中沉浮的北极海冰,青藏高原迎春的烟雪,这些都指向了一个复杂的春夏环流,混沌迷雾中的风云变幻,会给我国的天气造成何种影响?

“都是全球变暖惹的祸。”记者身边的一位朋友见怪不怪,这也是众所周知的一个原因。而鲜为人知的是,“除此之外,这些极端天气事件的幕后大BOSS还少不了最近的一个新网红——‘丝绸之路遥相关’。”近日,中国科学院大气物理研究所洪晓玮博士、陆日宇研究员和李双林研究员发表在《大气科学进展》的封面文章称。

而这种增暖趋势在北半球尤其是中高纬地区显得尤为突出,例如,2003年的欧洲热浪导致5万余人丧生;2010年夏季俄罗斯多地最高气温都达到40℃以上,相对于其常年平均的23℃高出了将近20℃,造成至少1.5万人死亡,并导致150亿美元的经济损失;同年,我国最北部的漠河县也创下日最高气温39.3℃的历史记录。我国东北地区是全国重要的商品粮生产基地,近来东北耕地面积增加了30%以上,这与1990s以来东北地区温度升高、夏季变长不无关系。

1.1 海洋传说

空间距离远,气象要素却明显关联

在全球增暖的背景下,不同地区的增温幅度却有着非常大的差异。为何会有这样的差异?这一问题是当今气候变化研究的热点之一。

1.1.1 ENSO

“所谓的‘遥相关’,在气象上指的是空间距离很远的两个地方在气象要素(例如温度、降水、环流等)上存在明显关联的现象。”5月22日,洪晓玮在接受科技日报记者采访时说,顾名思义,丝绸之路遥相关指的就是沿着丝绸之路的一个遥相关型。

中国科学院大气物理研究所最近的研究(Hong et al. 2017)表明,欧亚大陆夏季增温突出表现在欧洲和东北亚地区,而其产生的原因可能为:北大西洋多年代际振荡通过丝绸之路遥相关引起这种区域性增暖。所谓丝绸之路遥相关,是中纬度对流层高层沿亚洲急流传播的一种波列。结果表明,丝绸之路遥相关存在很强的年代际变化,其年代际部分解释方差达到了约30%。

自2018年春季中等强度的拉尼娜事件结束后,赤道中东太平洋开始了逐渐增暖的过程,至夏季除南美沿岸外表层海温距平均已转为正值。而自秋季起,赤道中东太平洋出现了进一步的增暖,至当前已接近厄尔尼诺事件阈值,而NOAA与NCC等部分机构已经宣布一次厄尔尼诺事件形成。

洪晓玮介绍,具体来讲,其是气象上位于北半球中纬度地区的对流层高层、在夏季经常出现的一个大气环流异常型态。这个夏季的遥相关型表现为大气对流层高层、从中纬度的欧亚大陆西部向东一直到东亚地区,南/北风异常交错分布。这样交错分布的环流异常也引发下垫面交错分布的冷/暖异常和降水异常偏多/偏少。

由于北大西洋多年代际振荡存在65–80年的长周期,目前正处于暖位相,因此可以推测:在未来十几年,欧洲和东北亚夏季将继续呈现明显的增暖趋势。这将对这些地区的生态环境、农业、人类生活等方面产生重要的影响。

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异常是指某一年相对于常年气候态的情况。“这些异常基本都位于北纬25°—60°之间,每个南风异常的区域沿东西方向大约为30个经度。该形态空间范围大、所经区域与古丝绸之路相似,‘丝绸之路遥相关’的名字也由此得来。”洪晓玮说。

论文信息:Hong X, R Lu, and S Li 2017, Amplified summer warming in Europe-West Asia and Northeast Asia after the mid-1990s, Environ. Res. Lett.

图1:2018年12月-2019年2月的海温距平

上世纪90年代中期以来,不只我国,北半球多个地区都出现了夏季异常高温、极端热事件频发的现象。根据美国国家海洋和大气管理局的最新统计数据,进入21世纪以来的十多年,有一半以上的年份成功上榜有观测记录以来全球平均温度排行榜前十名。而这种增温在北半球夏季尤为突出。除了著名的2003年欧洲热浪和2010年俄罗斯热浪,近年来东北亚多个地区也创下夏季高温的新纪录,例如,2017年7月是我国和蒙古有记录以来最热的一年。

文章链接

当前的赤道中东太平洋暖事件很有独特之处。首先从空间上而言,本次在整个赤道中东太平洋海表都有显着增暖,但最大增暖中心偏向日界线附近的中太平洋,可以说兼有中部型和东部型厄尔尼诺事件的特征,突出表现为前者。而在事件的时间演变上更是特殊:通常而言,ENSO事件表现为显着的锁相特征,即通常为夏季发展,在北半球冬季达到事件顶峰,而在次年春夏季衰减;但是本次事件在夏末到秋季发展,冬季并未出现着的顶峰,而至今仍有继续增强的趋势,可以说是反锁相特征的一次事件。

因此,有专家表示,丝绸之路遥相关对沿途地区的局地温度和降水异常都有重要影响,进而激发了与其相关的诸多研究。

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在当前的大气响应方面,从过去一年的热带太平洋海温与850hPa纬向风场异常的时间序列看,在北半球夏季之后,整个赤道中东太平洋开始了明显增暖,但最大增暖区域始终稳定在日界线附近的中太平洋区;而自北半球秋季起,日界线西侧也开始稳定出现异常赤道西风,表明日界线附近的赤道中太平洋开始出现稳定低空异常辐合,这一点在进入冬季后更加明显;而从冬季的200hPa势函数看,全球热带区域准定常波已经呈现显着的2波型,包括最强烈的异常上升支则正位于日界线西侧附近,表明热带太平洋地区的Walker环流已经响应赤道中太平洋的显着增暖而稍有东移。而这样的热带地区大气响应,也通过热带对流活动的潜热加热与激发遥相关波列,影响到热带外区域的环流。在过去的冬季,东亚地区最为典型的响应便是副热带西北太平洋的反气旋异常,位于反气旋西北侧的我国南方大部地区出现了显着的低空西南风异常与偏强的水汽输送,这也是导致冬季我国南方众多地区出现异常持续阴雨的直接原因。这是由日界线西侧的赤道中西太平洋区域的异常活跃对流(显着的OLR负异常)与潜热加热偏强的强迫所致。在加热区西北侧,出现了与Gill响应高度吻合的显着气旋式环流,随后这一波列继续向西北方传播,在西北侧的东亚近海出现一个下沉波列区,并与Walker环流东移后,菲律宾群岛周边对流活动减弱造成的对流冷却激发的响应叠加,形成了这一异常反气旋环流。可以说,当前热带与热带外太平洋沿岸的大气环流,对本次厄尔尼诺事件已经有明显响应;而这个已稳定在日界线附近的Walker异常上升支,将有利于异常偏暖的表层水在日界线附近区域的堆积,并促进后续西太平洋西风爆发和激发的海洋温跃层内暖性K波并传播,这将有利于后续厄尔尼诺事件的进一步发展。

未来十几年,区域性增暖仍将持续

图:1997–2015年陆地平均表面温度相对于1964–1996年平均的增长值。图中只给出了温度增长在1℃以上的区域。箭头表示升温明显的区域。

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不被大众所熟知的丝绸之路遥相关,实际上,在上世纪90年代初就有气象学家针对其开展理论研究。而到了本世纪初,随着丝绸之路遥相关型的气候影响越来越多地被气象学家发现,它也开始逐渐进入气象工作者的视野并在业务工作中得到应用。

图2:同图1,但为同期200hPa速度势函数距平。

“陆日宇老师从十几年前就开始做丝绸之路遥相关方面的研究,这个遥相关型的雏形最早也是他在2002年提出的。”洪晓玮说,这些年来,在陆老师的指导下,他们的研究团队目前已经在丝绸之路遥相关的年际、年代际、季节内变化等多方面都得到了一些有意思的研究结果。

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上世纪80年代以来,全球变暖已经成为不争的事实。但这个变暖指的是平均状况,例如全球平均的表面温度出现显著上升,此外,陆地比海洋、高纬度比低纬度地区等增温更显著也基本上是全球变暖的贡献。

图3:全球赤道地区的Walker环流异常,填色阴影代表垂直速度距平(单位:0.01Pa/s),矢量箭头为纬向风-垂直速度合成(垂直速度放大了100倍)

“然而我们最近的结果表明,上世纪90年代以后,在北半球纬度大致相同的地区,例如都是中纬度的欧亚大陆,夏季在东西方向上却出现明显的增温程度不一致现象——欧洲—西亚和东北亚地区的夏季增温尤其显著,中亚却很弱。而这种增温不均匀的分布与丝绸之路遥相关引起的温度异常分布非常一致。”洪晓玮说,也就是说,这种年代际增暖表现出很强的区域性特征,这就不能只让全球变暖来背锅了。

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洪晓玮表示,这种区域性的年代际增暖与丝绸之路遥相关的年代际变化存在密不可分的联系。进一步结果表明,丝绸之路遥相关在长时间尺度上的位相转变,对这种区域性夏季增温有重要作用。而且从长期变化趋势看,这种不均匀增暖在未来的10—20年仍将持续。

图4:同图1,但为同期OLR距平与700hPa风场距平

“也就是说,我们目前仍处于北大西洋年代际振荡的暖位相,在未来十几年,欧洲—西亚和东北亚地区可能仍将面临明显的夏季增暖。”洪晓玮强调,未来,夏天出门,做好防暑降温,以有效应对极端高温带来的影响将成为重要内容。

而在热带洋区的垂直剖面上,可以看到赤道中东太平洋上层区域的总体热含量正距平显着发展,这也对应着当前厄尔尼诺事件的稳步发展;而当前在热带太平洋日界线东侧的温跃层层面上出现了相当强烈的大范围暖异常,其中核心区域位于150°W附近,温度距平达到了+4℃以上,这对应着一次显着东传的暖性下沉Kelvin波过程。本次过程和1月底以来日界线附近持续的赤道西风爆发过程有密切联系,在海表异常赤道西风应力的平流与动量下传的激发下,该暖性下沉Kelvin波得以出现振幅发展并沿着温跃层赤道潜流区东传。考虑到赤道Kelvin波的特征相速度,本次暖性Kelvin波过程将在1-2个月后抵达东边界,此时南美西海岸和赤道东太平洋地区的SSTA与温跃层深度将明显增加;不过值得注意的是,由于当前热带低频振荡的影响,日界线和东侧海区的赤道西风异常已经大幅减弱,在短期内温跃层的赤道Kelvin波后续发展将受到一定限制;但由于异常准定常上升支已经稳定到日界线西侧,西太平洋远洋的偏强赤道西风仍将维持,后续仍将从日界线西侧的温跃层区域激发东传暖性K波,这也是支持厄尔尼诺事件后续发展的重要海洋动力学过程。当然,由于温跃层暖性K波和混合层暖水厚度有限,虽然前期发展过程类似,但本次很难发展到2014-2016年超强厄尔尼诺事件的水平。

警惕极端高温等灾害性气候事件

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“再一个比较有意思的研究就是丝绸之路遥相关与亚洲副热带高空急流的相互作用。”洪晓玮说,丝绸之路遥相关的一个重要特征就是被亚洲高空西风急流捕获,像被一条“管道”束缚着一样沿着急流传播。

图5:过去两年间赤道太平洋地区的850hPa纬向风异常、海表温度距平和20℃等温线深度距平。

急流是什么呢?通俗地讲,同样的航程,在天气条件基本一样的情况下,中纬度自西向东的航班要比自东向西快一些。这就是西风气流的作用。所谓的高空西风急流,就是指中纬度对流层高层一个强而窄的气流带,夏季其最大风速在30米每秒以上,在亚洲上空的部分就是亚洲西风急流。

此外,热带外地区的海洋与大气信号也可以作用于热带地区,从而对ENSO等热带海气变率造成一定影响。当前在热带外区域方面,副热带东北太平洋区域出现了类似PMM正位相的模态,这将导致随后的夏秋季赤道中太平洋显着的西风异常和对流活动,并促进表层暖水和次表层暖性K波进一步东传,与对流活动区域进一步东扩,将有利于夏秋季厄尔尼诺事件继续发展;不过值得注意的是,由于南极半岛附近海冰的偏多与SPO负位相配合下,当前秘鲁寒流有所偏强,这将导致南美沿岸到东太平洋地区在当前存在一定程度偏冷,而这一海温异常也会进一步与大气作用而维持,这将一定程度上阻碍厄尔尼诺事件的发展,而空间型上也将使得东太平洋和南美沿岸增暖较弱甚至偏冷。

洪晓玮介绍,亚洲西风急流大体上位于北纬35°—55°范围内,但其南北位置在年与年之间会发生轻微的变化。之所以说“轻微”,是因为这样的变化相对于急流的跨度来说太小,其最偏北与最偏南时候的纬度差也就大约5个纬度。由于丝绸之路遥相关沿急流传播,因而急流南北位置的不同也给丝绸之路遥相关带来一定变化。

总体而言,本次厄尔尼诺事件将成为一次反锁相特征的事件,会在今年春夏季继续有所发展。在强度上,最有可能成为一次中等或中等偏强的厄尔尼诺事件,但在春夏季发展过程中,总体ONI指数仍然在+1附近,属中等偏弱水平;在空间型上,总体空间型表现为赤道中东太平洋全线增暖,但集中在日界线附近的中太平洋区域,而赤道东太平洋增暖较弱;而在事件的时间演变上,今年不仅成为少有的反锁相特征的厄尔尼诺事件,也将自然成为一次“发展早型”的厄尔尼诺事件(大多数ENSO事件是在北半球夏季前后达到阈值标准),这也将是历史上少有的情况——先前绝大多数中部型ENSO事件都属于发展偏晚型。可以说,本次厄尔尼诺事件将成为一次特征相当独特的事件。

近来有研究表明,这两者间存在显著的相关关系,并构成对流层高层水平风场的最主要模态。当急流相对于常年气候态偏北时,丝绸之路遥相关呈现出一种形态;急流偏南时形态相反,即南风异常的区域变为北风异常。

而在其后续带来的影响上,由于当前本次事件已经发展成型且太平洋低纬度环流已经有显着响应,可以预见随着事件在春夏季的发展,响应也将进一步增强,主要机制为日界线附近较强对流活动的潜热加热激发的波列与大气桥响应。当然要考虑到ENSO激发响应的非线性特征,注意本次事件的时间演变与空间型特征,这将导致大气响应较通常的厄尔尼诺事件偏早,且因潜热加热区域偏西偏北而导致波列也对应地偏西偏北;此外,ENSO扰动信号与气候态周年演变间的相互作用也是一个不可忽视的过程。总体而言,这将导致今年夏季菲律宾群岛周边的热带对流活动受到抑制,同时副高略有偏南,脊线总体呈现西南-东北向,其中在春季至夏季前期副热带西北太平洋反气旋异常将维持,副高偏南偏西的概率更高;但随着气候态上夏季风期的到来,在进入夏季后,ENSO强迫将更倾向一个西北向传播的Rossby波波列,由于届时加热源较通常的厄尔尼诺事件偏西偏北,激发的波列也将出现这样的移动,此时副高将不会明显偏南,但会相对偏东。

“该研究的进一步结果表明,赤道中东太平洋从春季开始的海温变化就可以影响夏季急流的偏北/偏南:赤道中东太平洋海温偏低时,夏季急流更倾向于向北偏;海温偏高时急流倾向于向南偏。这从一定程度上为季节预测提供了参考。”洪晓玮说。

1.1.2 北太平洋中纬度变率——PDO&NPGO

自然界里,不对称才是绝对的,丝绸之路遥相关和急流南北偏移的相关关系也是如此。最近的研究表明:以上所说的相关关系只有在急流偏北时很突出,而在急流偏南时非常弱。两者间关系比较复杂,存在很强的非对称性。洪晓玮表示,当急流偏北时,由于此时还有丝绸之路遥相关的共同作用,可能会产生强的气候异常,因此应该给予特别关注。

太平洋年代际涛动为20°N以北的北太平洋区域SSTA之EOF1模态,最显着的特征表现为北太平洋暖流区与北美西海岸(阿拉斯加~下加利福尼亚半岛)间的反相SSTA模,虽然以其最显着的年代际变率得名,但也存在显着的年际变率,这与ENSO强迫激发的球面遥相关波列引起的中纬度海气相互作用有关。而在20世纪90年代起,北太平洋环流模这一EOF2模态逐渐显着,在近些年的解释方差甚至可以和PDO可以抗衡,这一转变可能和ENSO空间型转变下,所激发响应位相发生变化的影响,以及热带外海气作用有关。

“总之,在大的变暖背景下,天气极端事件很可能将继续增多。因此,增温显著的区域要更加警惕可能伴随而来的极端高温、极端降水等灾害性气候事件,做好防范预警。”洪晓玮说。

就目前看,当前PDO指数为弱负值,其中空间模态上表现为北太平洋暖流区一致偏暖,但偏暖区域较常年主轴区偏南。这与冬季日界线西侧附近异常对流活动直接相关,潜热加热异常所激发的两个对流层低层异常反气旋,分别位于副热带西北太平洋与阿留申群岛南侧,二者南侧的异常东风通过WES机制减弱风速与蒸发,使得海温正异常发展;而北美西海岸区域较为复杂,在加州至夏威夷北侧因东北风的平流作用与风速增强已经出现明显SSTA负异常发展,但阿拉斯加湾与夏威夷东侧仍然有明显暖异常;不过当前PDO总体偏向负值的模态,与大多数厄尔尼诺事件发展期也有着明显不同。

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图6:1963年至今PDO指数的演变

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图7:同图1,但为同时期北太平洋地区海表温度距平,风速距平(等值线,单位:m/s)和1000hPa风场距平

考虑到热带外大气的响应滞后于热带地区海表信号2-4个月,而ENSO的潜热加热影响仍然集中在日界线西侧附近,对北太平洋热带外区域造成的遥相关型将在这个春季大体维持且有所增强,因此当前北太平洋的海温异常与大气异常型仍将在春季维持。而随着后期赤道东太平洋的明显增暖,潜热加热区域也将进一步扩张东移,激发的遥相关型也可能在夏季向东南方移动。而与此同时,由于近地面各物理量场气候平均态的季节性变化(如气压带/风带在春夏季的北移),考虑到WES机制,这样的海温异常模态将随着季节演变向北移动,而副热带地区因东风异常的叠加,SSTA将明显下降。这一海温信号将随着副热带东风应力作用下,以热带外西传Rossby波形式向西传播,并影响到夏季西北太平洋副热带地区SSTA;同时也会通过感热等方式影响到北太平洋中高纬度地区环流异常型,对东北亚地区也存在着显着影响。

1.1.3 太平洋经向模:PMM

PMM是扣除ENSO相关模态后的热带太平洋主导模态,时间演变上通常在春季强度最强(但未达到ENSO的季节锁相),而空间特征表现为夏威夷以东的东北太平洋海区和加拉帕戈斯群岛附近的赤道东太平洋冷舌区的经向偶极。一般认为,这是在东太平洋气候态SST经向不对称的基础上,由热带地区和中纬度变率的影响在WES机制下发展;同时也有研究认为这在随后的夏秋季会对ENSO事件的发展演变起到一定的调制作用。

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图8:PMM对应的海温异常与10m风场模态和降水异常

当前也正是出现了较典型的PMM正位相模态,尤其以夏威夷东侧与中太平洋附近的正距平最为明显。结合副热带SSTA信号演变的规律以及气候态的转变,北半球夏季时正位相中心将明显西移,同时在西侧激发出Matsuno-Gill对流响应,导致西侧的副热带西北太平洋远洋出现显着气旋式环流,使得暖池区气旋式环流异常进一步东扩,并对应副热带高压的偏弱和偏北,以及西北太平洋远洋地区的对流活跃。而同时,注意到PMM对ENSO发展过程的调制,在远期容易引发赤道东太平洋北侧的对流发展,这也使得后期ENSO暖事件位相状态的发展——当然这一过程较为缓慢。

1.1.4 西北太平洋海区概况

百家棋牌官网,受前期对流活跃造成的云-SST反馈,以及异常赤道西风的发展,热带西北太平洋暖池区在过去的冬季海温略有偏低,这也导致随后对流活动的偏弱与激发的Walker环流异常下沉支与低空异常反气旋。而随着反气旋的稳定发展,其东南侧的异常东北风通过WES机制使得当地风速与蒸发偏强,造成进一步的冷却。

1.1.5 印度洋

印度洋大部位于低纬度区域,且正位于亚洲夏季风的上游,也是亚澳季风系统活动的重要下垫面,沃克环流,季风环流交汇于此,因此通过海气相互作用,印度洋对亚澳季风区乃至全球气候都有重要的影响。下文将介绍热带印度洋和副热带南印度洋对夏季气候的影响。

IOBW(热带印度洋洋盆模态)

IOBW为热带印度洋SST的EOF1模态,表现为整个热带印度洋区域海温一致的变化。通常认为,在ENSO事件发展期,该模态为热带印度洋海表温度对ENSO强迫的响应,是直接受ENSO强迫所致(具体机制包括直接调控Walker环流的大气桥、赤道中东太平洋对流加热激发的东传暖性Kelvin波抑制对流等),而在ENSO衰减期对春夏季印太季风区环流造成影响的“电容器机制”中,热带印度洋又是关键的“电容器”区域,当地海表与大气对ENSO的滞后响应,成为在次年夏季延续ENSO影响的重要机制。

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图9:过去两年间IOBW指数的演变

当前热带印度洋总体呈现略偏暖状态,其中北印度洋大部和赤道地区以接近常年为主而热带-副热带南印度洋明显偏暖。这样的海温模态与当前热带准定常波呈现显着的2波型有明显联系,其中上升支分别位于日界线附近与非洲大陆-西印度洋一带,前者对应正在发展的中部型厄尔尼诺事件激发的响应,而后者则与热带印度洋和大西洋区域的变率明显相关。中部型厄尔尼诺事件影响到太平洋Walker环流异常,通过大气桥机制在热带南印度洋激发出显着的下沉支,并与热带印度洋区域的准定常波下沉支叠加,使得热带南印度洋激发出低空异常反气旋并抑制了对流活动,导致SSTA正异常显着发展。不过值得注意的是,当前在日界线附近的速度势负异常较非洲一侧偏弱,表明当前中部型厄尔尼诺造成的响应仍然有限,热带印度洋与非洲大陆间的Walker环流异常与当地海区的相互作用是冬季热带南印度洋增暖与IOBW正异常发展的主力。不过随着未来厄尔尼诺事件发展,日界线附近的异常上升支也将明显增强,考虑到这个相对于多数厄尔尼诺事件偏西的异常上升支位置,这将导致印度洋一侧的下沉支也相对偏西而偏向印度洋中部。在此影响下,热带印度洋总体将出现一定程度增暖,以中部地区最为明显;但由于当前由ENSO引发的Walker异常环流圈强度有限,还不足以导致较强的下沉运动与增暖;此外热带东南印度洋偏强的信风将逐渐使得当地蒸发和苏门答腊沿岸涌升流增强,使得热带东南印度洋将在未来快速冷却。

TIOD(热带印度洋偶极模态)

TIOD即热带印度洋SST的EOF2模态,表现为热带印度洋东西岸类似ENSO的偶极格局。作为印度洋明显的SSTA纬向振荡,TIOD对纬向季风环流和印太沃克环流支的调控作用十分明显;而它又连接了海洋性大陆区域,这样TIOD同时和ENSO/太平洋沃克环流圈影响相关,通常被认为是印太齿轮中的重要一部分。而与IOBW一样,TIOD也有很明显的季节性锁相特征,但锁相时间提前至8-10月,这可能是由于此阶段印度洋气候态有利于TIOD事件发生。

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图10:TIOD正位相和负位相大气环流异常的模型

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图11:同图9,但为TIOD指数演变

自去年夏季起,随着赤道东印度洋持续的东南风应力异常,苏门答腊海岸的离岸流明显增强,对应有东南印度洋的显着冷却与夏末-秋季一次显着的TIOD正位相事件形成,不过由于季节性锁相特征,当前海表模态已经十分微弱,而先前的信号,则已经是风应力作用下潜入海表之下,在温跃层的复杂海洋动力学过程。在前期TIOD正位相的热带印度洋海气状态下,赤道印度洋表面在先前秋冬季存在持续东风应力异常,导致赤道南侧存在明显的反气旋式应力异常与伴随而来的Ekman异常辐聚下沉,导致赤道外东印度洋温跃层出现一个异常暖区,并以暖性Rossby波形式在温跃层内西传,直至西南印度洋穹窿区。这个位于塞舌尔以南的区域,是气候态上低纬度印度洋温跃层最浅的一个区域,对应有海温变率极大值区,也是温跃层-上混合层水团交换最明显的区域。随着暖性R波的到达并上涌,热带西南印度洋已经出现了显着的增暖,并逐渐造成一个跨赤道不对称的经向海温型(南印度洋偏暖而北印度洋增暖较弱)与跨赤道北风异常。这将在之后进入夏季风期时,导致南亚夏季风显着偏弱。

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图12:同图1,但为印度洋地区海温异常与850hPa风场异常

南印度洋副热带偶极

SIOD是北半球冬春季存在于副热带南印度洋区域的纬向偶极子模态,而SIOD和TIOD间的相互作用也是影响印度洋内部变率的一个重点。受热带印度洋的TIOD事件的强迫,秋季热带东南印度洋出现显着离岸流并伴有显着的东南风增强,配合热带南印度洋下沉支叠加,在热带南印度洋出现了激发出了低空异常反气旋环流,在这样的风应力异常作用下,SIOD发展出了一次显着的正位相事件。考虑到季节锁相特征,在春夏季本次事件将会逐渐减弱,但其对大气的影响将持续下去。在夏季风时期,SIOD正位相将导致马斯克林高压偏弱而澳大利亚高压相对偏强,此时菲律宾和东侧新几内亚跨赤道气流容易偏强而索马里急流相对偏弱,容易导致西北太平洋季风活跃而南亚夏季风偏弱,并通过季风区的异常对流活动,激发出向热带外地区的遥相关影响。

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图13:同图9,但为SIOD指数演变

1.1.6 大西洋概况

大西洋Ni?o型

类似赤道太平洋着名的ENSO状态,赤道东大西洋冷舌区也存在信风松弛和海温异常上升的状态,称为“大西洋Ni?o型”,通常在6-8月温跃层最浅时锁相。只不过由于大西洋洋盆尺度小,Bjerknes反馈不如太平洋明显,但也有研究认为它能在全球范围内的热带海气相互作用中起到一定辅助性调制作用,也能通过巴拿马地桥区域的大气桥等机制影响到太平洋过程。

随着热带地区Wave2型准定常波的建立,西非地区存在有一个异常上升支发展,使得赤道大西洋异常西风逐渐发展,当地表层SST也将显着增暖,并在今夏可能发展成一次正位相事件。在此作用下,横跨大西洋的Walker环流上升支将偏向西非一侧,使得当地深对流活跃的同时将导致南美一侧的下沉,同时通过跨巴拿马地峡的大气桥作用,将使得南美沿岸和赤道东太平洋区域异常下沉支维持,对应当地低空显着偏强的信风,通过Ekman输运和平流作用将有助于南美西海岸涌升流的偏强与当地海温的偏低,这将对未来厄尔尼诺事件的发展和空间型有明显影响。

大西洋跨赤道经向模

相比于赤道地区纬向异常模态的大西洋Nino型,热带大西洋更显着的海温模态当属AMM,它表现为跨赤道的SSTA不对称经向异常模态,与相伴随的大气环流场异常,与热带太平洋海区PMM模态集中在赤道以北一侧也有明显不同;但和PMM相同点在于其锁相期出现在春季,这与3月前后大西洋ITCZ最靠南有关,此时微小经向扰动最容易激发出显着的异常。

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图14 同图8,但为AMM对应的物理量异常

而在当前,正是这一模态重要的锁相期,热带大西洋海温出现了显着的AMM负位相状态,表现为热带南大西洋的显着偏暖和赤道北侧区域的偏冷,并伴有跨赤道的北风异常,这样的风场又将通过WES机制进一步维持这一海温异常型,这一海温异常模态将维持到初夏。

图15是3-5月AMM与PMM对随后6-8月全球SST与降水异常的回归分析。可以看到,AMM和PMM不仅对所在区域有着显着超前影响,也可以通过海温异常激发的异常对流活动伴随的响应,以Rossby波形式向西传播,在PMM影响向西传播到日界线西侧后,AMM也可以通过巴拿马地峡区域的大气桥等机制影响到东太平洋区域,且两个模态的响应间呈现较显着负相关;同时值得注意的是,春季AMM对夏季北印度洋海温与降水也存在洋盆尺度的较显着正相关,但PMM的相关则不显着,这表明热带大西洋除了以Matsuno-Gill响应激发的西传大气Rossby波外,还可能存在东传至非洲大陆和印度洋的机制,这一过程应当与对流活动伴随的大气暖性Kelvin波相关。

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图15:1981-2018年3-5月PMM指数与AMM指数分别对随后6-8月月降水率(a、b,单位:mm/day)与海温的回归分析,打点区域为通过0.10显着性检验区域

以当前情况与上述分析结合,可以得出:在当前AMM负位相模态影响下,向西激发的响应将通过巴拿马地峡和Walker环流大气桥影响东太平洋地区,在夏季延续PMM正位相影响;而同时这一模态将促进热带北大西洋在随后春夏季的冷却,在东传的大气K波作用下使得热带北印度洋也将有一定冷却,抑制当地的显着增暖过程。这将在夏季风期使得南亚夏季风的一定程度上的减弱,同时西太平洋副高强度也将因此出现一定减弱。

NAO/NAT

NAO是大气中纬度变率中的重要模态,而在季节尺度上这样的大气振荡型强迫出海表温度的响应,对应出现北大西洋地区北向南的三极子SSTA的异常即NAT。

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图16:NAT海温模态

自冬季后期至今,NAT/NAO总体正处在显着正位相状态,副热带北大西洋区域逐渐发展的反气旋式风应力异常,使得热带北大西洋区域出现了显着偏强的信风,导致蒸发增强并显着降温;而赤道大西洋西非地区异常上升支区域活跃对流激发的波列也对此有一定贡献。

在NAO/NAT正位相事件影响下,春季中高纬度很有可能出现大西洋洋中槽-西北欧阻塞-中亚异常槽-贝加尔湖异常脊位状态;而信号延伸到夏季时,考虑到NAT对EAM的年际作用,当前NAT正位相事件将使得东亚夏季风更容易偏弱,后期这一信号将逐渐减弱。而在热带北大西洋方面,当前这里的冷却首先将通过巴拿马地峡区域大气桥,激发出赤道东太平洋沿岸的东北风异常,并引发较显着离岸Ekman输运和沿岸补充上升流,使得这一地区SSTA负异常显着发展并随平流作用向西延伸,将导致赤道东太平洋和南美沿岸的一定冷却,也将影响到厄尔尼诺事件的发展和空间型;此外,热带北大西洋的海温异常也将激发向西传的遥相关波列,出现并通过大气桥作用导致夏季西北太平洋副高出现一定程度的偏弱。

1.2 冰雪圈

冰雪圈在极地和高海拔地区的气候系统内部作用中扮演了重要角色,也在全球的热量收支平衡中起到了巨大作用。其中,海冰与陆地积雪是季节变率较大的成员,它们的变化对季节尺度的全球或区域气候影响较明显。下文将主要分析当前极地海冰与北半球陆地积雪的影响。

1.2.1 北极海冰

在过去的秋冬季,北极海冰增长仍然较历史同期缓慢,甚至在异常频繁的极地低空增暖作用下多次出现净融化阶段。据NSIDC数据,今冬北极海冰覆盖面积已于2019年3月13日创下,此时北极海冰总面积约为1477.7万km?,创下了卫星观测记录以来周年极大值的第八低值。至此,不仅仅再是夏季融冰期,在冬季北极海冰也出现了明显的融化趋势和年际变率,当地气候可能会面临危机并造成深远影响。

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图17:北极海冰覆盖面积的时间演变

在空间分布上,格陵兰岛东侧、新地岛西北侧、白令海西部和巴伦支海海冰面积和密集度处在显着偏低状态,尤其是格陵兰岛和斯瓦尔巴群岛间的弗拉姆海峡出现了一道显着的融冰舌;而西伯利亚沿岸、格陵兰西侧戴维斯海峡和加拿大北极群岛的海冰密集度则接近常年甚至略偏大。这和今年冬季环流型下,北冰洋地区偶极型极涡和活跃的阻塞活动(尤其白令海-波弗特海阻塞)对应的直接热力场作用,以及此环流型下偏强的波弗特海冰漂流和偏弱的穿极漂流,以及楚科奇海北侧异常气旋环流等动力作用都用关联。这也将影响到春夏季极地和极地外气候。

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图18:2019年2月北极海冰密集度异常

在季节变率上,由12-2月海冰与后期春夏季500hPa高度场的SVD分析结果看,最重要模态是一致性减少趋势,其中又以巴伦支海、格陵兰东岸和白令海变率较大,这一减少趋势对应极地和中高纬度总体位势高度正异常,即代表极涡的偏弱与极地对流层增暖,这一热力场特征将影响到随后总体;而SVD第二模态则出现空间型振荡,反映出巴伦支海、白令海与加拿大北极群岛地区间负相关,而这一模态则是和当前异常最为接近。考虑到这一模态激发的影响,亚欧大陆将对应西西伯利亚槽-贝加尔湖脊和偏强的东亚大槽,和前文海温异常造成的影响接近。

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图19:1981-2018年12-2月,北极海冰密集度与后期3-5月500hPa高度场的SVD分析,取前三模态

1.2.2 北半球陆面积雪

在过去的冬季内,北美众多地区,尤其北美中西部积雪呈现明显偏多特征,而亚欧大陆陆面积雪分布显着不均,在积雪的具体空间分布上,大体出现了整个欧洲大陆与蒙古-我国东北一带降雪偏少,而青藏高原大部则出现了显着偏多的情况。其中对于青藏高原而言,在过去的秋冬季至今,由于副热带急流上异常偏强的高原-印缅长波槽与孟加拉湾活跃的对流活动,青藏高原地区出现了频繁的强降雪过程,绝大部分地区都出现了降雪显着偏多的状况,虽然气温有所偏高但积雪仍然明显偏多。

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图20:2019年2月全球陆地积雪距平百分率分布

考虑到当前的欧亚大陆积雪的空间分布,积雪的陆面强迫应当会激发对流层中层高度场上,春季巴伦支海西侧正异常-中亚异常槽-贝加尔湖东侧正异常-远东偏强的异常槽这一波列,和先前提到的海温强迫的结果基本同相,而二者接近同相的叠加会让信号更加清晰明确。此外,考虑到最近高原东部积雪增多,春季南支印缅槽将稳定偏东。

而在高原积雪趋势方面,注意南支异常波列的分布,高原中西部将逐渐转为异常槽后,因此春季青藏高原西部将以偏干为主,积雪距平逐渐转为接近常年;但东部地区的降雪量与积雪仍将明显偏多。再考虑到积雪反馈的影响,春季高原东部南侧的异常槽将进一步强化,同时高原南侧南支急流偏强偏南;此外,高原的对流层内暖中心建立也将偏晚,这点将使得亚洲季风区季风爆发更倾向偏晚。但值得注意的是,在气候态上,高原东部的积雪延续的时间尺度较短,在初夏起将很难延续先前信号,但西部较高海拔区域的积雪信号能有效延续至夏季。以这一观点看,由冬季延续到春季的高原积雪显着偏多的异常,将在夏季逐渐减弱并回归常年平均,但积雪偏多的信号仍会造成一定影响。此时,夏季南亚高压可能将呈现偏弱且中心偏离青藏高原的状态,而高原热力场的异常也将在春夏季激发Rossby波列并向东北方向传播,并引发出类似负APO模态的环流异常,这也将影响今年夏季环流形势。

1.2.3 南极海冰/南极涛动

在上世纪末开始,南极海冰出现了年际显着增多的趋势;但自2015年下半年起,这一趋势突然出现急速反转并很快转入密集度偏低的状态,并在随后数年至今持续偏低,甚至在部分时段创下同期最低——这一时间尺度以2015-16强厄尔尼诺事件显然不足以解释,很可能仍有其他待发现的因子作用。

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图21:同图18,但为南极海冰密集度距平

除了南极海冰面积的全区域一致变率外,南极海冰涛动是南极海冰另一个重要模态,它反映了罗斯海-南极半岛附近的海冰的偶极型态势。当前正处于罗斯海面积略偏小-南极半岛偏大的负位相状态,显然有利于德雷克海峡区域绕极流分流和秘鲁寒流的增强,这样将使得厄尔尼诺事件事件容易偏向东部型且减弱较慢。综合平流层下传的信号和南极海冰的超前相关,以及北半球春季时AO通过跨赤道遥相关对AAO的负相关,可以大致推断今年春夏季AAO将变化较大,但总体以负位相为主;但如果出现了SSW等极端天气尺度扰动事件,则可能迎来一次向负位相的显着转折。

有研究指出春季AAO与春末-夏初东亚的季风雨带密切相关,和东亚夏季风强度呈现显着负相关,这和AAO的负值对应着南极极涡多向北偏移,南半球经向活动的增强与极锋的明显活跃正对应跨赤道气流的偏强有关。而如果只考虑AAO一项,今年AAO的这种趋势,将导致春季和初夏南方大部降水偏多和季风雨带偏南。

1.3 平流层

1.3.1 极地平流层形势

在过去的冬季中,北极地区平流层于12月底-1月初出现了一次显着的Major SSW事件且显着下传至对流层,这深刻地影响了高纬度地区对流层环流,包括欧亚大陆地区显着的长波调整与但在事件结束后,由于长期的异常东风成为Rossby波向上传播的波阻区,整个北极平流层都处在低波通量和牛顿冷却状态,很快转为显着的偏冷状态。在北极极夜期已经结束的当前,虽然在平流层高层出现了一次SSW事件,但强度较弱,并未导致以极涡与极夜急流崩溃为特征的环流转型,而这一异常增暖信号更是局限在平流层高层并未有效下传,极地平流层中低层仍然显着偏冷,可以确定今年北极平流层换季将有所偏晚。考虑到偏晚的平流层换季,平流层极涡也将有所偏强,这将作为一个低频信号支持春季极涡和北侧冷源有所偏强。

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图22:2019年以来北极地区平流层-对流层垂直剖面平均温度异常

对于南极而言当前已临近南极极夜,冬季环流态势已经建立完毕,考虑南极平流层上层的位势偏低,信号下传的结果将对应南极极涡自对流层到平流层顶的全层面偏强,这将有利于北半球夏季时AAO正值态势,但若综合考虑影响因子,结论将是前文所提及的振幅较大的情形下总体偏向负位相。

1.3.2 赤道平流层准两年振荡

QBO是发生在赤道地区平流层的准两年振荡,以纬向风的东西风交替的准26个月周期为特征。这一周期相当稳定,除了2016年出现了异常维持的西风位相外都十分有规律地交替。在去年夏季,随着赤道平流层高层西风异常动量下传,QBO东风位相随即宣告结束,并在秋季开始转为西风位相,至今已接近西风位相顶峰;由周期特征可以确定今年春夏都会在QBO西风位相的影响下。

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图23:1980年以来赤道地区平流层纬向风距平的时间演变

QBO和ENSO通过全球平均大气角动量和低频信号的垂直下传存在一定的正相关,如果单从当前的QBO相位特征看,这一点有利于厄尔尼诺事件的发展,但影响十分有限。此外根据QBO超前回归,通常QBO西风位相年在日界线附近存在有显着经向遥相关波列型,春季东亚大槽有偏东偏强的趋势;而在夏季,亚洲副热带西风急流在动力上有明显的偏南趋势,在日本一带存在有显着气旋式环流,这将在一定程度上不利于副热带高压的北抬。当然值得注意的是,QBO这一信号对热带外对流层区域的影响仍然较弱,不可作为一个重要因子分析。

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图24:1981-2018年12-2月QBO指数对随后3-5月与6-8月500hPa高度场的回归分析。打点区域为通过0.10显着性检验区域。

1.4 其他重要因子简述

1.4.1 地球自转参数

自转也是整个地球系统中相当重要的特征,它的变化也将对各系统成员产生显着影响,其中地球自转速度又是反映地球自转的最重要特征量。每日长度(LOD,Length Of Day)是最常用的描述地球自转速度的指标,它的变化反映了固体地球-和表层流体圈层相互作用中的角动量交换,也存在着和这些圈层运动有关、周期不等的众多变率。

当前而言,经过滤波去除周年变率与更长期年代际变率后,LOD已经较前几年显着下降,表明当前固体地球自转角速度明显加快;考虑到整个系统角动量守恒,这有利于众多低纬度地区信风偏强和海表西向流的增强,这样的大气圈与海洋的响应,会在一定程度上阻碍随后春夏季赤道中东太平洋的增暖与厄尔尼诺事件的发展。

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图25:LOD指数在2015年底以来的演变

1.4.2 太阳活动简述

当前太阳活动已进入24周期-25周期交接的活动最低谷期,其中今年截至目前无黑子日已经超过60%,可以反映出当前通常而言,太阳活动的准11a周期影响对地面滞后约2年为主,但即使如此,当前也可以用接近谷值期的状态作为一个潜在外强迫。以陆地表面气温与SST和太阳活动作为变量,可以看到太阳活动与ENSO/PDO出现了类似正相关的状况,因此单考虑太阳活动的准11a周期这一点,今年夏季将有类似PDO负位相状态的大气海表强迫信号出现。当然,在季节尺度上,这一类天文因子的影响程度,较气候系统内部的变率小很多。

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图26:第24周期相关的太阳黑子数时间序列

2019年春夏气候展望

2.1 春季气候展望

极地环流:虽然海冰密集度有所偏低,但考虑到短期内影响更大的动力学因子——北极平流层偏晚的换季和当前较平静的高纬度波通量,这一大气动力信号指向春季AO偏向正位相态势,总体经向活动程度偏弱;但结合下垫面海冰的空间型,考虑到巴伦支海和白令海密集度偏低而加拿大北极群岛侧偏高,极涡呈现偶极型态势为主,主极涡更容易偏向北美沿岸一侧,挪威海-巴伦支海与阿留申群岛区域容易出现异常反气旋和阻塞活动。

中高纬度方面:由于AO/NAO总体偏向正位相,对应一个高纬度地区偏北偏强的冷源,这样总体冷空气活动频数将偏少且活动偏北,但由于冷源实力较强,一旦出现显着的长波调整,将出现显着的强冷空气活动。再考虑中高纬度低频振荡周期,下一个活跃的周期大概在3月底-4月上旬间。在长波分布方面,考虑到前文所述海温和陆面积雪等下垫面强迫信号分析,总体对应欧亚地区北欧沿岸异常脊-西西伯利亚/中亚地区异常槽-贝加尔湖附近异常脊-远东异常槽和勘察加-阿留申异常脊位,我国东部在这个异常槽槽后偏北气流控制下,冷空气活动可能较为频繁;而南支方面,在上游受到北美东岸-北大西洋地区活跃的瞬变扰动影响,下游地中海到我国南方一带多活跃的短波槽脊活动,而在北侧北支长波相位、青藏高原积雪和副热带西北太平洋海气状态影响下,亚欧地区南支总体有一个位于高原的宽脊和东亚沿海的异常槽(对应有印缅槽较偏东),我国东南沿海不少地区将处在这个异常槽区。

低纬度地区:热带太平洋上的厄尔尼诺事件仍将在这一阶段发展,不过在春季强度尚属较弱,但由于该事件已发展较久,其造成的热带和热带外大气响应已经较为明显且将在春季维持。热带印度洋总体略偏暖,但空间模态不对称性较明显,而热带大西洋Nino型的仍将维持。可以得出,太平洋Walker异常上升支将偏向日界线西侧区域,由Matsuno-Gill响应,在当地将激发出一显着低空气旋式环流异常,西北侧也将因下沉Rossby波激发出一个低空反气旋,使得西太平洋副高明显偏强偏西,而反气旋西侧和北侧的南海与日本以南洋面将盛行异常西南风,海温仍将显着偏高;这与偏强的副热带高压一道,在其西侧的长江沿线及其以北地区有异常偏南风,配合偏强的印缅南支槽,使得长江以南众多地区降水将有所偏多。

因而在春季气温方面,由于纬向环流较为盛行和长波形势上贝加尔湖附近的异常暖脊-远东地区异常槽的配置,东北地区将因异常槽槽后的偏北气流控制而有所偏冷或接近常年,北方沿海区域偏暖程度也将较弱。而青藏高原将因前期显着偏多的积雪和激发的异常槽位而总体偏冷,青藏高原东部地区更为明显而西部可能转为接近常年;同时临近的西南部分地区也将受此影响,气温将接近常年或仅有较弱偏暖。除此之外,全国大部分地区都将以偏暖为主,其中以西北和华北南部偏暖最为显着,而长江以南因为偏多的降水,偏暖程度也将有所偏弱。但由于上游不稳定瞬变扰动发展,配合较显着的极地冷源,还是会存在有过程性的强冷空气和剧烈的冷暖起伏。

而在春季降水方面,夏季风爆发前,在菲律宾以东低空异常反气旋式环流配合下,西太平洋副高将显着偏强偏西,长江以南大部受异常西南风控制,降水将明显偏多;而在北侧的北方大部分地区,由于处在异常槽后偏北气流与负涡度平流控制,降水将有所偏少,以西北地区东部到华北最为明显。此外,受平直的北支西风里的短波影响的北疆和东北地区也有偏多的降水,其他地区降水则将偏少。而在夏季风爆发后,由于南海SSTA的明显偏高与副高西侧异常偏南风的水汽输送,华南前汛期降水仍将明显偏多;但偏高的南海SSTA将使得南海夏季风水汽通量偏强的同时北进程度较弱,长江以北地区降水偏少的局面也很难得到改观。

2.2 夏季气候展望

在极地和中高纬度区域,热力场因素的北极海冰持续偏少让夏季维持北极涛动负值的概率较高,而极涡容易偏向北美/北亚高纬度沿岸区;在中高纬度环流方面,结合夏季AO偏向负值与QBO西风相位下,东亚地区高空副热带急流更容易偏南偏弱,经向活动总体将偏强;而考虑到春季陆面积雪的信号延续和中高纬度海温的演变,长波分布上将对应有东北-远东异常槽和鄂霍茨克海长波脊态势,整个中纬度北太平洋洋区都将有显着位势正异常。在此情形下,初夏东北长波槽内出现冷涡的频数仍然可观。

而在低纬度区域,日界线附近深对流激发的CISK-K波缓慢东传,并伴随海表风应力异常和海洋内部动力过程,厄尔尼诺事件将出现进一步发展,在夏季将达到中等强度;但空间型分布上,将出现中太平洋偏暖更显着而东太平洋稍弱的局面,此外南美沿岸仍可能出现偏冷局面。此外,厄尔尼诺事件激发的西太平洋副热带反气旋响应仍将在夏季初期维持,但厄尔尼诺持续发展的同时,亚洲季风区气候态发生明显季节性转变,其与厄尔尼诺事件激发的异常响应相互作用,将使得西太平洋异常反气旋显着东移,导致副热带高压也将明显东移,东亚副热带季风也将因而出现先偏强后转偏弱的情形。当前春季热带印度洋跨赤道不对称型海温分布,将使得盛夏北印度洋各支跨赤道气流将显着偏弱,南亚夏季风也将因此偏弱。不过在早期,由于西太平洋副高偏强,此时南亚-北印度洋夏季风夏季风更多沿着副高西缘汇入副热带锋区,但在后期,随着副热带高压有所东移减弱,汇入副热带锋区的水汽通量也将减小。综合而看,初夏东亚副热带锋区雨带将有所偏南且降水偏多,但由于南亚夏季风的偏弱,偏多程度有限;而在盛夏期,随着气候态的季节变化,厄尔尼诺激发的异常响应此时与背景态的作用,将使得西太副高转为偏东状态,强度有所减弱但仍然偏强。此外,注意到强烈PMM正位相使得日界线西侧的西太平洋远洋的增暖,这也将使马里亚纳群岛以东的热带西太平洋远洋地区出现气旋式环流异常,当地对流活跃的同时也使得远洋副高较为偏北。

这样,夏季前期南亚夏季风偏弱且南海-菲律宾季风活动较弱,东亚热带夏季风偏弱,西太副高偏西偏南且强度偏强,脊线略呈现西南西-东北东走向,同时副热带季风偏强;东亚为贝加尔湖东侧槽-鄂海阻形势,副热带急流偏南偏弱,经向活跃。这种态势下,副热带锋区对应的雨带总体偏南,总体为西南偏西-东北偏东走向,水汽通量与降雨强度也将有所偏强;不过由于北印度洋一带的增暖有限,南亚夏季风也明显偏弱,这限制了降水偏强的程度,加之副热带季风的偏弱使得季风雨带内降水强度较弱。由于高纬度冷源的衰弱与槽脊配置,西北在这一时段容易出现降水偏少且气温偏高的态势,而东北在频繁的冷涡影响下温度偏高不明显,且多对流活动。

进入后期,随着ENSO激发的大气响应与气候态的季节变化共同作用,副热带高压将在此时逐渐转向偏东,偏南程度也有所减弱,且远洋副高因热带西太平洋远洋活跃对流而有所偏北,但日本海一带仍然有异常槽活动。此时雨带仍然有所偏南,华北和东北南部的降水将有所偏少;而黄河以南直至长江中下游地区,则因雨带偏南而降水偏多而气温有所偏低,这些地区的伏旱将偏弱;而华南地区则由于偏弱的季风槽而同样出现降水偏少的局面。

总体而言,今夏全国气温距平将呈现显着的经向分布,中东部气温总体将自南向北出现华南偏高-长江流域略偏低-华北显着偏高-东北偏低的局面,而在西部地区,西北大部分地区气温也将明显偏高,青藏高原和西南地区则偏高程度较弱或接近常年。而降水方面,中东部地区夏季总体会呈现厄尔尼诺事件发展期典型的四极子模态,即在偏弱的东亚夏季风和总体偏南的副高作用下,呈现华南地区降水略有偏少-长江流域降水偏多-华北与黄淮地区偏少-东北地区接近常年或略偏多的情形。此外,西南地区因南亚夏季风的偏弱,降水也将偏少;而西北地区则因异常脊的控制而同样降水偏少。但具体而言,降水将呈现显着的阶段性过程,各阶段各区域降水异常变化较大,这将在随后的具体阶段分析里提及。此外,长江流域降水的偏多将出现一定的中小规模洪水的风险,但发生全流域大洪水的概率极低。

2.3具体气候过程事件分析

2.3.1 春季冷空气&沙尘天气总体趋势展望

由前面的分析可知,由于春季冷源偏强,冷空气实力将相对偏强;仅有叠加在偏强西风上的短波较为活跃,因此冷空气活动频数较少且路径偏北,但如果遇到上游不稳定发展扰动或长波调整,容易出现阶段性强冷空气。今年冷空气多以北路和东北路居多,华北、东北地区和东部沿海受影响最明显。至于沙尘天气,从当前主要沙源地的降水率距平来看,今年冬季沙源地降水量也有所偏少,前期积雪也显着偏少,加之活跃的短波间激发频繁的蒙古气旋活动,因此今年4-5月沙尘天气频数较多,但强度也普遍较强,时段主要集中在4月-5月初,影响地区包括整个西北地区、华北和东北西部一带。

2.3.2 东亚夏季风总体态势

东亚夏季风主要分为热带季风支(南海-西太平洋夏季风)和副热带季风支(源于西太副高的东南季风)。这里将讨论南海夏季风爆发态势和两支夏季风在夏季的演变。

就当前状态来看,在中部型厄尔尼诺事件发展的背景下,热带东印度洋-海洋性大陆地区被异常Walker环流下沉支控制,对流活动显着偏弱并伴有低空异常反气旋控制,西太平洋副高偏强;在当地西太平洋暖池热含量在春季将呈现负距平,但随着西太平洋异常偏强的副高控制,入射短波辐射的增强将使得当地海温负异常逐渐减弱;春季IOBW维持偏向正值状态,将导致印太间Walker环流偏弱。综合以上因子,总体将导致今年初夏南海夏季风的爆发偏晚的概率更大。

而关于二者强度,初夏在西太副高偏南偏强、热带北印度洋海温仍然偏高且南海海温偏低状态下,南海夏季风总体偏弱而西北太平洋热带夏季风将有所偏强,同时副热带季风因副高偏强而增强。但由于南海海温显着偏高,实际的水汽输送仍然偏强。此外北印度洋到南海海温的偏高和高原积雪偏多,会导致夏季风北进程度偏弱,雨带也将偏南。当进入盛夏之时,随着中部型厄尔尼诺事件增强,东印度洋-海洋性大陆地区仍然维持较显着Walker环流下沉支异常且稍有增强,南亚与东亚夏季风强度依旧偏弱。但由于ENSO激发的波列响应发生变化,副高逐渐转向偏东,此时副热带季风强度也将从前期偏强减弱。。

2.3.3 汛期降水展望

综合前文分析,可以得出以下结论:

江南春汛与华南前汛期;在今年春季南海海温明显偏高,副高偏强偏西的作用下,长江以南大部分地区处在异常偏强的副热带高压西侧偏南风控制下,水汽通量将显着偏多,且在南支西风异常印缅槽槽前上升运动区域控制,这有利于江南与华南降水的偏多,且由于副高相对偏南和东北侧偏强的东亚大槽,华南地区将更为明显。总体看春季时雨带稍有偏南,江南南部到华南降雨将显着偏多,而江南北部则相对接近常年。而在夏季风爆发后,华南前汛期进入了第二阶段;虽然今年夏季风爆发偏晚的概率较大,但此时南海和孟加拉湾海温将有所偏高,且西太暖池区域海温也将从当前偏冷逐渐升高,此时输送向华南的水汽通量偏大且偏南(海陆热力差异相对偏小)。这样看,此阶段华南前汛期降水仍将偏多,且由于偏强的远东异常槽带来较明显冷平流,强对流过程也将频发;而北侧的长江以北直至华北地区,降水将处于偏少状态。

接下来,便是6月-7月初的副高的一次北跳和长江流域梅雨期到来——通常而言,长江流域平均入梅期在6月第4候。根据历史上入梅状况的合成来看,入梅偏早年,通常春季赤道太平洋多呈ENSO类拉尼娜状态海温分布,副高偏北偏弱同时青藏高原暖心偏强。而今年的状况看和入梅晚年特征高度吻合。综合考虑,今年长江流域入梅时间将偏早,其中东部的长江下游地区偏早更为明显。至于梅雨强度,考虑到届时西太平洋副热带高压仍然有所偏强,东亚热带季风偏弱而副热带季风将有所偏强;南亚夏季风因厄尔尼诺事件强迫的下沉支偏弱,输送向梅雨锋的水汽通量偏少,此外青藏高原上南亚高压偏南偏弱。综合上述条件看,届时雨带内降水总体偏多,但偏多程度有限;此外雨带将有所偏南。此外,考虑到长波配置上,届时出现贝湖东侧槽-鄂海脊位的概率较大,冷空气路径偏东,这样雨带东段(江淮下游地区-日本列岛)降水可能进一步偏多,而西段的华中降水偏多不显着。当然此时,华南和江南南部将在雨带南侧异常下沉控制,降水偏少。

接下来一步(7月中旬-8月中旬),将是北方雨季,江南伏旱和华南后汛期了。由前文对盛夏环流形势的判断,雨带将明显偏南,且由于此时副高逐渐转为偏东状态,输送向华北的副热带季风水汽支也将偏弱,而南亚夏季风的偏弱也将使得当地通过遥相关的影响造成北方大部分区的降水偏少。以西北地区东部经华北和东北南部地区最为明显。此时长江流域也进入伏旱期,对应有出梅偏晚,且由于副高和副热带锋区雨带的偏南,长江中下游沿岸的降水仍然会偏多,气温也将略有偏低,出现大范围持续性高温天气概率较低。同时华东沿与此同时,华南地区也进入了热带系统带来的后汛期,但由于南海和菲律宾季风槽的偏南偏弱,华南地区会受到异常反气旋控制且对流活动较弱,后汛期降水总体偏少的概率较大,但如果出现台风活动,则可能出现在时空上不均匀型的降水集中。

总体而言,今年夏季风雨带的阶段性明显,总体呈现北方偏少而南方偏多,而在纬向分布上则是东部沿海较多而季风区西部偏少。阶段性分析看,春季到初夏的华南前汛期,长江以南的江南与华南地区降水偏多,以华南地区最为明显;而长江以北将不同程度偏少,以华北地区降水偏少最为明显。而在初夏梅雨季节,长江流域梅雨区降雨偏多,以东部的长江下游-江南东部更为明显,但偏多程度不会很大;而中游地区的降水偏多程度则相对较小,此时华南和华北地区降水都将偏少,东北则可能有冷涡带来的雷雨;而盛夏北方雨季时,雨带偏南且降水偏少,华北和东北南部地区降水将明显偏少,但东北北部地区因活跃的冷涡雷雨活动,降水偏少程度较弱;但与此同时,黄河以南直到长江中下游地区,降水将因雨带偏南所偏多。而在华南地区,则会因季风槽的偏弱而导致后汛期降水偏少东南沿海受台风影响较多而降水偏多以外,其他地区降水都将有所偏少,而前期持续降水偏少的华南则回归正常或略偏多的水平。

因此,今年全国出现洪涝灾害的概率较高,但以中小规模为主,发生大规模全流域洪水的概率极低。其中容易发生中小规模洪涝的区域,包括5月的华南和江南南部区域、6月下旬到7月中旬的长江下游地区;此外,由于中小尺度对流系统引发的局地山洪等灾害,也需要注意。与此同时,华北、黄淮和东北南部地区在今年夏季将可能出现一定程度旱情,其中华北可能出现自春季的连旱,需要注意。

2.4 附录:西北太平洋台风展望

2.4.1 春季-初夏

此阶段当前的厄尔尼诺事件仍将继续发展,菲律宾周边与南海出现异常反气旋式环流且对流活动偏弱,但140°E以东的西太平洋远洋区域接近异常上升支区域,且伴有PMM正位相态势的发展,导致当地仍会有较明显对流活动。

综合先前分析,可以得出结论:

今年春季和初夏台风活动数量将略偏少或接近常年,生成个数为2-4个。

生成区域偏东,最有可能在140°E-160°E一带;

考虑到副热带高压的演变态势,登陆初台出现时间将正常或略偏晚。

南海夏季风爆发后,也许有出现在季风槽末端-梅雨锋前昙花一现的台风。

总体路径以远洋转向北上或西行至南海为主。但如果生成在梅雨锋前,则必然是沿着副高北缘向东北方向移动。

2.4.2 盛夏

厄尔尼诺事件在此时将进一步发展,达到中等强度,而在空间型方面,虽然整个赤道中东太平洋将明显增暖,但仍然最为集中在日界线附近的中太平洋地区,且南美沿岸可能有所偏冷。北印度洋此时有所偏暖但不显着,菲律宾周边的下沉支也将相对偏弱。总体而言,受厄尔尼诺事件影响,这一阶段南海-菲律宾季风槽将有所偏弱,但由于事件的空间型和PMM的影响,西太平洋远洋季风槽将相对活跃。

综合先前分析,可以得出结论:

今年盛夏台风活动数量将接近常年,7-8月预计生成8-11个台风;

考虑到西太暖池在此阶段已逐渐转为海温略偏高条件,且高空南亚高压偏南偏东,辐散条件良好,台风总体强度将有所偏强;

台风生成地较为偏东,总体在135°E以东者居多,且在此基础上,前期相对偏西而后期进一步偏东;在经向方向上,前期相对偏南而后期有所北抬接近常年。

QBO西风位相下,南亚高压将偏南为主,配合北侧经向活动和副热带急流轴,出现近岸爆发的概率偏大。

路径方面,在副高总体偏南的局面下,台风以西行、较低纬度西北行和转向路径为主,其中前期副高偏强时西行占优,影响华南的台风偏多,而影响华东的台风减少;而在后期,随着副高有所东退,此时台风路径将逐渐偏北偏东,将出现较多转向路径和影响日韩的台风,影响华南的台风则有所减少。

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