东北雨季开始时间变化研究

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中国东北是东亚地区重要的粮食基地,在全球粮食安全中起着重要的作用。局地雨季的开始,标志着气候从干位相转向湿位相,因此雨季的开始时间对区域的农业活动非常重要。以往对于东北雨季的研究主要针对汛期雨季,而东北干湿的转变发生在春季,这一转变对该地区的春播活动具有更为重要的影响。为了较为客观地描述东北地区这种干湿位相的转变—雨季的开始,本文基于降水异常累积方法研究了中国东北雨季开始时间的变化,并分析了引起雨季开始时间变化的大气环流异常;进一步揭示了热带大西洋海温、欧亚大陆积雪以及北极海冰等对东北雨季开始日期变化的影响及可能的物理机制。得到的主要结论如下:
  (1)1961~2017年期间,中国东北地区雨季最早发生在4月,最晚发生在6月,平均开始日期为5月13日,标准差为13天。东北雨季开始时间与东亚地区大气环流的转变密切相关,包括东亚大槽和西风急流的减弱以及辐合风带的北移。东北雨季开始时间的年际变化主要受4月底到5月底期间东亚大气环流变化的影响。当这期间东亚地区中低层环流呈经向偶极型分布时,可以在东北地区中低层引起东南(西北风)异常,增强(减弱)向该地区的水汽输送、增大(减小)该地区大气的不稳定性,从而有利于东北雨季开始时间的提前(延迟)。
  (2)3月热带大西洋海温对东北雨季开始时间的年际变化具有显著的滞后影响。当3月热带大西洋海温偏高时,通过其持续性,一方面会造成4月西北太平洋地区的位势高度场异常偏强,进而造成向东北地区水汽输送的增强,为该地雨季的开始提供有利的水汽条件;另一方面,通过海气相互作用,海温异常可以激发从北大西洋到东亚的纬向遥相关波列,改变5月亚洲中高纬地区的大气环流,引起蒙古—贝加尔湖的西侧和东西伯利亚地区的温带气旋和反气旋活动异常,从而影响东北地区降水发生的动力条件。上述两方面的共同作用,有利于东北地区降水的发生,从而有利于该地区雨季开始的偏早。反之,当热带大西洋海温偏低时,东北雨季开始的偏晚。数值模拟试验进一步佐证了热带大西洋海温异常对东北地区水汽和动力条件的影响。因此,3月热带大西洋海温异常信号可用于东北雨季开始时间年际变化的预测。
  (3)东北雨季开始时间的年际变化与欧亚大陆中高纬2月积雪异常之间存在密切联系。在1979~2017年期间,两者奇异值分解(SVD)第一模态的解释方差为33.8%,第一模态时间系数的相关为0.65。进一步分析表明,欧亚大陆2月中高纬度积雪的异常分布,可以通过积雪—热力效应和积雪—水文效应,引起4、5月亚洲中纬度地区经向温度梯度的变化,进而影响东亚大气环流的异常。在欧亚大陆积雪异常相关的大气环流影响下,当东北地区表现为南风异常、水汽增多时,则东北雨季开始的偏早;反之,积雪的异常则有利于东北雨季开始的偏晚。因此,2月欧亚大陆积雪异常信号可以为东北雨季开始时间的年际变化预测提供重要的信息。
  (4)在过去40多年,东北雨季开始时间存在明显的年代际突变,突变时间为21世纪初。进一步研究发现,巴伦支海海冰的年代际减少对东北地区雨季的年代际提前具有重要的影响。动力诊断和数值模拟研究表明,当巴伦支海海冰显著减少时,可以激发Rossby波列向东南方向传播。该波列穿过蒙古—贝加尔湖地区到达东北亚,在欧亚大陆中高纬形成纬向“反气旋—气旋—反气旋”的异常模态。在此遥相关波列的影响下,东北地区存在偏南风异常,给该地区带来暖湿空气,局地上升运动加剧,大气变得不稳定,从而有利于东北地区降水的发生和该地区雨季开始时间的年代际提前。此外,巴伦支海海冰异常从冬末可以持续到春季,因此海冰信号是东北雨季开始时间年代际变化的重要预测源。
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