从全球大气水分循环的视角探讨东亚夏季降水异常的形成机理

The essence of East Asia summer rainfall anomaly diagnosis and prediction is the water cycle under the interactions among sea, land and the atmosphere. However, it has not been researched systematically in the short-term climate prediction. Therefore, the first step of the project is to establish a new evaporation data for the short-term climate prediction. Based on the new evaporation data, the spatio-temporal evolution characteristics of the evaporation and the rainfall over East Asia will be analysed. And the regional atmospheric water cycle characteristics (including source, sink and transportation path, etc) which are related to East Asia summer rainfall will be revealed. According to the analysis of the atmospheric water cycle factors and the main external forces, the change of the main water vapor paths over East Asia before and after 1980s will be described. Meanwhile, the physical processes and mechanisms of the atmospheric water cycle will be analysed in order to figure out the relationships among the rainfall, evaporation and the atmospheric circulation, to set up the means of objectivity quantization about water vapor paths and regional rainfall statistical prediction model about atmospheric water cycle. Finally, We develop the integrated linkage equations which is related to the evaporation source region, moisture transport and the regional rainfall. By the diagnosis and prediction of the the regional evaporation anomaly and water vapor transport anomaly, the predicting skill of East Asia summer rainfall will be improved, and the theories of atmospheric water cycle on East Asia summer rainfall prediction will be enhanced as well.

东亚夏季降水异常的诊断和预测，其实质为海-陆-气系统相互作用下的大气水分循环问题，但目前短期气候预测中对此缺少系统性的研究。鉴于此，本项目首先进行一项重要的基础研究，即建立一套适用于短期气候预测的新型蒸发资料，并基于这一资料，研究东亚区域蒸发和降水的年际、年代际时空演变规律，揭示与东亚夏季降水有关的区域大气水分循环特征（包括源、汇和传输路径等），结合大气水分循环各要素和主要外强迫因子的分析，阐明20世纪80年代前后东亚主要水汽路径时空变化的差异。其次，开展水分循环过程的综合分析，理清降水、蒸发和环流之间的相互联系，研究水汽路径客观定量化的方法，从理论上建立区域大气水分循环动力统计降水预测模型。最后，建立包括蒸发源地、水汽输送和区域降水等要素的一体化联动方程组，通过对区域蒸发和水汽输送量异常特征的诊断和预测研究来提高东亚夏季降水的预测水平，进一步丰富东亚夏季降水预测的大气水分循环等科学理论。

大气水分循环对各地区的天气与气候变化起着重要的作用。本项目着力对NCEP-NCAR、NCEP-DOE、MERRA、MERRA V2、ERA-Interim、JRA-55和CFSR等7套再分析蒸发资料在东亚地区的适用性进行诊断融合，在此基础上分析了东亚区域蒸发和降水演变特征，阐明了气候变暖背景下全球蒸发量变化的成因机制；从大气水分循环的视角分析东亚降水异常形成的机理，特别是热带印度洋—西太平洋水汽输送异常成因机理及其对中国东部夏季降水的影响，以及华南前汛期暴雨“积成效应”事件的水汽来源与成因；发现印度洋水汽源在近几十年来有增强的趋势，主要集中于热带中东印度洋和西南印度洋，而热带印度洋—西太平洋水汽输送在80年代前后也有明显的年代际变化，对长江中下游地区和华南地区的降水有重要作用；基于拉格朗日HYSPLIT气流轨迹模式，模拟了1979-2014年36年华南前汛期气块的运动、变化状况以及对华南前汛期降水的贡献，印度洋源区水汽输送（35%）对华南前汛期暴雨“积成效应”事件起着至关重要的影响，同时南海源区的水汽输送（17%）以及华南的蒸发（25%）也起着重要的作用，而东亚季风环流支配的来自太平洋源区的水汽输送（11%）影响相对较小。本项目还引入表征区域降水和水汽源地之间水汽来源和去向的复合辐散函数，并基于水汽再循环率评估模式和拉格朗日轨迹追踪计算了本地蒸发和主要水汽源地对区域降水的贡献率，由此计算出辐散函数，构建了区域降水的水汽来源方程（即降水预测方程），进一步分析影响预测方程的环流因子和海温因子，从理论上构建了一整套降水预测方案，丰富了东亚夏季降水预测的理论和方法；本项目还从大气水分循环和水汽来源的角度，系统研究了对2020年汛期降水异常的成因，发现印度洋海温的重要作用。项目累计在国内外发表相关学术论文91篇，其中SCI收录68篇，出版1部专著，获得1项软件著作权，3人晋升正高级职称，培养了15名博士，21名硕士；获得教育部科技进步二等奖1项。