2002/2003年与2003/2004年冬季爆发性增温期间的动力特征

利用ECMWF提供的60层气象场资料诊断分析了2002/2003和2003/2004年两个冬季的爆发性增温(stratospheric sudden warming,SSW)过程,比较了两次SSW期间高纬温度和纬向风的差异,计算了SSW期间的EP通量和剩余环流.结果表明:2003/2004年增温持续时间长、强度大,而2002/2003年则发生了波动;增温都是从平流层上层开始向下传播,但是2003/2004年高层极涡崩溃后迅速恢复,低层极涡恢复得慢,2002/2003年极涡在高层和低层都是缓慢恢复;SSW期间行星渡活动较多,2003/2004年极地EP通量的辐合引起东风长时间持续从而阻止了行星渡再次上传,而2002/2003年行星波则发生多次上传;2002/2003年SSW发生时高纬地区为下沉气流,没有形成环流圈,增温后形成逆时针的环流圈比2003/2004年偏低.     

行星波活动对不同类型SSW的影响

依据WMO(World Meteorological Organization)对平流层爆发性增温(SSW,stratospheric sudden warming)的定义,首先将1957 2002年期间的52次SSW事件分为31次强增温事件和21次弱增温事件,然后根据其极涡的形态将31次强增温事件分为20次极涡转移型事件和11次极涡分裂型事件。利用逐日的ECMWF的ERA-40再分析资料,对这20次极涡转移型、11次极涡分裂型强平流层爆发性增温(SSW)过程以及21次弱增温过程分别做了合成分析,研究了这三类爆发性增温期间平流层的变化以及平流层中下层行星波1波和2波的异常。结果表明:极涡转移型强SSW在增温盛期低温中心和极涡都会发生偏移,同时高纬风场反转,极涡分裂型强SSW则在增温盛期低温中心和极涡发生分裂,高纬风场反转,而弱SSW只有低温中心出现偏移,极涡和高纬风场均未出现明显异常;在爆发性增温前期,1波都会出现异常增幅,在波振幅到达最大值以后发生爆发性增温。当增温开始以后,极涡转移型和弱SSW的1波振幅在到达极值后,会维持6~8天,而极涡分裂型1波振幅增温开始后开始减小;极涡转移型和弱SSW期间2波也较为相似,在增温前期波动振幅也会出现一定程度的增幅,在增温后开始减小,而极涡分裂型会在增温后出现2波振幅的增幅。1波和2波EP通量的分析表明,极涡转移型和弱SSW期间1波EP通量会在前期和盛期有较强的上传,2波EP通量上传较弱,而极涡分裂型2波EP通量上传则较强。     

北半球冬季平流层强、弱极涡事件演变过程的对比分析

利用1958～2017年逐日的NCEP/NCAR再分析资料对北半球冬季平流层强、弱极涡事件的演变过程进行了对比分析,同时比较了有平流层爆发性增温（SSW）和无SSW发生的两类弱极涡事件的环流演变和动力学特征。结果表明,强极涡的形成存在着缓慢发展和快速增强的过程,而弱极涡事件的建立非常迅速;和强极涡事件相比,弱极涡事件的峰值强度更强,异常中心的位置更高。此外,强、弱极涡事件的产生与波流相互作用的正反馈过程密切相关。对于强极涡事件,发展阶段的太平洋—北美（PNA）型异常削弱了行星波一波;当平流层西风达到一定强度,上传的行星波受到强烈抑制,使得极涡迅速增强达到峰值。而对于弱极涡事件,发展阶段一波型的异常增强了行星波上传,通过对纬向流的拖曳作用使得平流层很快处于弱西风状态,更多行星波进入平流层导致极涡急剧减弱甚至崩溃。针对有、无SSW发生的两类弱极涡事件的对比分析表明,有SSW发生的弱极涡事件发展阶段,平流层出现强的向上的一波Eliassen-Palm（EP）通量异常,通过正反馈过程使得一波和二波上传同时增强而导致极涡崩溃;无SSW发生的弱极涡事件发展阶段,平流层缺乏向上的一波通量,二波活动起到重要作用,其总的行星波上传远弱于有SSW发生的弱极涡事件。对于无SSW发生的弱极涡事件,其发展和成熟阶段对流层上部出现类似欧亚（EU）型的高度异常,伴随着强的向极的EP通量异常,导致对流层有极强的负北极涛动（AO）型异常。而有SSW发生的弱极涡事件发展阶段对流层上部主要表现为北太平洋上空来自低纬的波列异常,其后期的对流层效应更加滞后也不连续,对流层AO异常的强度明显弱于无SSW发生的弱极涡事件。     

平流层爆发性增温期间行星波的活动

利用逐日的NCEP再分析资料分析了1978～2004年期间发生的18次强爆发性增温时平流层中下层行星波1波和2波的异常以及极涡崩溃的形式.分析表明, 爆发性增温前期1波都异常增幅, 波振幅达到峰值之后的一段时间内发生爆发性增温, 然而在增温过程中行星波2波的变化却有明显不同, 可分为三种情况: (1) 在增温前期, 行星波2波很弱; 在增温期间, 行星波2波异常发展, 伴随着极涡崩溃的形式是由偏心型向偶极型过渡. (2) 在增温前期, 行星波2波较强; 在增温期间, 行星波2波明显减弱, 极涡的变化形式是远离极地, 在极地外围活动, 但不发生分裂.(3) 在增温前期, 行星波2波不太强; 在增温期间, 行星波2波有所发展, 但始终强不过1波, 极涡的变化是先偏离极地, 然后发生不对称的变形.作者还计算和分析了EP通量及其散度, 利用波流相互作用理论对这三种行星波的异常变化及其与爆发性增温的关系进行解释.     

两次加拿大型增温的动力诊断分析

通过资料分析,挑选了1965年12月和1968年11月的两次强加拿大型增温作为研究对象来研究加拿大型增温过程中环流的变化及异常.两次加拿大型增温过程中平流层高层的增温不明显,只是在平流层中低层有较弱的增温过程,并且增温过程中所形成的纬向东风较弱,持续的时间较短.从距平场来看,两次加拿大型增温使得平流层极涡环流减弱,但加拿大型增温所造成的环流异常明显要比强爆发性增温所造成的异常强度弱.另外,两次加拿大增温过程中没有发现爆发性增温前的“预先”过程.一般而言,上传的行星波是冬季平流层环流扰动的重要影响因素,两次加拿大型增温过程中第0天前后都有行星波上传的增加,这与爆发性增温有明显的不同.北极涛动指数随时间和高度的变化显示由两次加拿大型增温所造成极涡异常能够形成北极涛动异常的下传,但两次加拿大型增温过程中的北极涛动异常都没有能够到达对流层低层.     

平流层爆发性增温过程中臭氧的垂直分布特征

利用ECMWF资料分析了平流层爆发性增温 (SSW) 过程中臭氧体积混合比的垂直分布的变化, 结果表明: 平流层爆发性增温过程中臭氧体积混合比增大, 而其极大值大多数形成在增温盛期。同时臭氧体积混合比的高值区在爆发性增温过程中随高度发生一定的变化, 据此对其变化分为两类: (1) 下传型: 在增温初期臭氧体积混合的高值区随高度下传至一定高度, 在增温盛期形成极大值然后随高度抬升到大致增温前的高度。 (2) 增厚型: 在增温过程中臭氧体积混合比的高值区厚度增加, 同时附近区域的臭氧体积混合比也增大, 而且在增温前臭氧体积混合比高值区在高度上没有多大变化, 增温开始后有所抬升。平流层爆发性增温过程中臭氧高值区随高度变化的这两种类型, 是由于平流层爆发性增温期间剩余环流对臭氧输送的结果。臭氧变化的下传型是由于在爆发性增温前剩余环流存在着中纬度向极地的明显输送, 并且伴随着极地强烈的下沉运动, 这就使得中纬度输送来的臭氧向下输送, 因此出现了臭氧高值区的下传; 而臭氧变化的增厚型是由于在爆发性增温期间剩余环流不但有中纬度向极地的输送, 而且在极地附近5 hPa高度处出现了上下两支输送气流, 向上的输送气流使中纬度输送来的臭氧向上输送, 而向下的输送气流使中纬度输送来的臭氧向下输送, 进而使增温期间极地附近的臭氧的高值区增厚。同时分析还表明: 平流层爆发性增温过程中中纬度臭氧体积混合比减少。     

平流层爆发性增温及其影响研究进展

平流层爆发性增温(stratospheric sudden warming,SSW)是冬季平流层大气环流结构的一种突变现象,在短时间内平流层中高纬度的温度、风和极涡都会发生剧烈变化。因此,SSW也就成为平流层大气环流及其变化研究的重要方面之一。在强SSW期间,高纬地区温度急剧升高,西风被东风取代,极涡几乎全部崩溃。SSW极大地影响着北半球对流层大气,甚至整个中高层大气,包括对平流层乃至中层大气微量气体分布的重要影响。随着临近空间飞行平台的研究应用,以及由此而提出的临近空间环境条件的保障问题,作为临近空间重要组成部分的平流层环流变化将更加引起人们的关注。本文就SSW的特征、发生机制、对上下层相互作用的重要影响,以及SSW与准两年振荡、ENSO等的密切关系和SSW的数值模拟等方面的研究工作,进行了回顾和总结。     

BCC_AGCM2.1模式对平流层环流变化特征的数值模拟及其模式评估

使用国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.1的30年模拟试验资料,对平流层纬向环流场、高空急流、极涡及爆发性增温过程进行了数值模拟研究,并使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）和美国国家环境预报中心（NCEP）的再分析资料对模式输出结果进行了对比、分析。结果表明：（1） 在观测海温、二氧化碳、气溶胶等外强迫地驱动下,BCC模式能够很好地再现出与再分析资料一致的平流层纬向平均风场、温度场的分布特征和季节变化过程;模拟得到的温度廓线和高空急流与再分析资料的主要差别出现在南、北半球冬季的中高纬度地区;模拟得到的平流层温度普遍偏低,主要的差异位于对流层顶区域和平流层高层。（2） 模拟的对流层上层的副热带急流位置偏南、强度也偏弱,而平流层中的绕极极夜急流则位置偏北、强度更大。这样的急流分布特征使模拟的行星波向赤道的波导更强,向极的波导偏弱;同时由于模式中本身可以形成的行星波就比再分析资料弱,因此导致模拟结果中北半球冬季的平流层极涡更加稳定、极区温度更低。（3） BCC模式对于平流层极涡的季节变化特征模拟得较好,但对强极涡扰动过程,即北半球冬季的平流层爆发性增温（SSW）事件则模拟效果不佳,不论是增温事件出现的频率,还是增温的时间、强度,模拟结果和再分析资料都还存在一定偏差,需要在今后的工作中逐步改善。     

行星波对平流层剩余环流的影响

运用欧洲中心ECMWF／ERA-40的资料,分析剩余环流速度v·和W·的变化,从而获得行星波的调整对气候的长期变化的影响。结果表明：赤道气流在低纬度赤道地区由对流层顶上升至平流层中层乃至顶部,而后在中纬度地区下沉,中心位置随季节变化在赤道附近南北移动;剩余环流呈现出准两年的周期变化,剩余速度v·和W·与行星波的振幅三者表现出较好的相关性。另外,行星波波数从1波调整为2波后,平流层低层50hPa以下剩余环流增强,30hPa之上减弱;行星波波数从2波调整为1波后,平流层中层30hPa以下剩余环流减弱,20hPa以上为增强。     

2020/2021年冬季大范围低温寒潮过程中一种典型的平流层—对流层耦合演变模态

平流层爆发性增温（SSW）超前于对流层环流异常,是延长冬季寒潮低温预报时效的重要途径之一。然而强SSW事件前后地面温度响应的区域和时间存在不确定性,其中涉及的平流层—对流层耦合过程和机理也不十分清楚。本文采用1979～2021年ERA5再分析数据集,研究了2020/2021年冬季“偏心型”强SSW事件前后中高纬度地区地面温度异常的演变特征,并分析了其与等熵大气经向质量环流平流层—对流层分支的耦合演变模态的动力联系。结果表明,伴随此次强SSW事件,亚洲和北美中纬度地区的寒潮低温事件分别在绕极西风反转为东风之前和再次恢复为西风之后发生。SSW前后大气经向质量环流的平流层向极地暖支与对流层高层向极暖支、低层向赤道冷支之间呈现出三个阶段的耦合演变模态: 同位相“加强—加强”、反位相“加强—减弱”以及反位相“减弱—加强”。加强的质量环流对流层向赤道冷支是SSW前后寒潮低温事件的主要原因,而加强的向极地平流层暖支是SSW发生及其伴随的北极涛动负位相持续加强的主要原因。大气经向质量环流不同的垂直耦合模态取决于行星波槽脊在对流层顶和对流层中低层两个关键等熵面上的西倾角异常。西倾角异常表征大气波动的斜压性,主要通过影响关键等熵面以上向极地的净质量输送和其下向赤道的净质量输送进行调控。尤其在SSW发生后的极涡恢复期,对流层顶处异常偏弱的斜压性会加强对流层向极地暖支,进而加强向赤道冷支,有利于寒潮低温的发生。本次SSW事件前后大气经向质量环流三支的耦合演变模态,与历年平流层北半球环状模（NAM）负事件中极区平流层温度异常信号下传滞后的平流层—对流层耦合演变类型相一致,其在波动尺度方面也存在共同特征,即SSW事件或NAM负事件前期对流层一波加强且上传,后期对流层二波加强但较难上传。     

Overview of the Major 2012-2013 Northern Hemisphere Stratospheric Sudden Warming：Evolution and Its Association with Surface Weather

In this study, we analyzed the dynamical evolution of the ma jor 2012-2013 Northern Hemisphere （NH） stratospheric sudden warming （SSW） on the basis of ERA-Interim reanalysis data provided by the ECMWF. The intermittent upward-propagating planetary wave activities beginning in late November 2012 led to a prominent wavenumber-2 disturbance of the polar vortex in early December 2012. However, no major SSW occurred. In mid December 2012, when the polar vortex had not fully recovered, a mixture of persistent wavenumber-1 and -2 planetary waves led to gradual weakening of the polar vortex before the vortex split on 7 January 2013. Evolution of the geopotential height and Eliassen-Palm flux between 500 and 5 hPa indicates that the frequent occurrence of tropospheric ridges over North Pacific and the west coast of North America contributed to the pronounced upward planetary wave activities throughout the troposphere and stratosphere. After mid January 2013, the wavenumber-2 planetary waves became enhanced again within the troposphere, with a deepened trough over East Asia and North America and two ridges between the troughs. The enhanced tropospheric planetary waves may contribute to the long-lasting splitting of the polar vortex in the lower stratosphere. The 2012-2013 SSW shows combined features of both vortex displacement and vortex splitting. Therefore, the anomalies of tropospheric circulation and surface temperature after the 2012-2013 SSW resemble neither vortex-displaced nor vortex-split SSWs, but the combination of all SSWs. The remarkable tropospheric ridge extending from the Bering Sea into the Arctic Ocean together with the resulting deepened East Asian trough may play important roles in bringing cold air from the high Arctic to central North America and northern Eurasia at the surface.     

Statistical Characteristics and Long-Term Variations of Major Sudden Stratospheric Warming Events

Using NCEP/NCAR reanalysis data, we investigate the statistical characteristics and the long-term variations of major sudden stratospheric warming(SSW) events in the Northern Hemisphere. We find that the strength and duration of major SSW events have increased from 1958 to 2019 because of the strengthening of winter planetary wave activity. The frequency of the SSW events related to displacement or split of the polar vortex differs between early,middle, and late winter. Early(middle) winter is dominated by displacement(split) SSW events, while late winter sees almost equal frequency of these two types of events. This is due to the differences in the relative strength of wavenumber-1 and wavenumber-2 planetary wave activity among the three winter periods. As a result of the increase in upward planetary wave activity and the decrease in westerly winds around the polar vortex in middle winter, more SSW events tend to occur in middle winter. In addition, we reveal the influence of the downward propagation of different types of SSW events on the surface temperature anomaly. Compared with early displacement SSW events, middle split SSW events are followed by more surface cold centers in Russia, northern China, and North America.     

Stratospheric Polar Vortex Splitting in December 2009

Abstract

The 2009–10 Arctic stratospheric winter, in comparison with other recent winters, is mainly characterized by a major Sudden Stratospheric Warming (SSW) in late January associated with planetary wavenumber 1. This event led to a large increase in the temperature of the polar stratosphere and to the reversal of the zonal wind. Unlike other major SSW events in recent winters, after the major SSW in January 2010 the westerlies and polar vortex did not recover to their pre-SSW strength until the springtime transition. As a result, the depletion of the ozone layer inside the polar vortex over the entire winter was relatively small over the past 20 years. The other distinguishing feature of the 2010 winter was the splitting of the stratospheric polar vortex into two lobes in December. The vortex splitting was accompanied by an increase in the temperature of the polar stratosphere and a weakening of the westerlies but with no reversal. The splitting occurred when, in addition to the high-pressure system over northeastern Eurasia and the northern Pacific Ocean, the tropospheric anticyclone over Europe amplified and extended to the lower stratosphere. Analysis of wave activity in the extratropical troposphere revealed that two Rossby wave trains propagated eastward to the North Atlantic several days prior to the vortex splitting. The first wave train propagated from the subtropics and mid-latitudes of the eastern Pacific Ocean over North America and the second one propagated from the northern Pacific Ocean. These wave trains contributed to an intensification of the tropospheric anticyclone over Europe and to the splitting of the stratospheric polar vortex.     

Transient Characteristics of Residual Meridional Circulation during Stratospheric Sudden Warming

The residual meridional circulation derived from the transformed Eulerian-mean thermodynamic equation and continuity equation can be separated into two parts,the slowly varying diabatic circulation and the transient circulation,as demonstrated by others.We calculated and composite-analyzed the transient and diabatic circulation for 14 stratospheric sudden warming(SSW) events from 1979-2002 by using the daily ECMWF reanalysis data.Specifically,the transient residual meridional circulation was calculated both with and without inclusion of the eddy heat transport term in the transformed Eulerian-mean thermodynamic equation to investigate the importance of the eddy heat transport term.The results showed that calculations of transient residual meridional circulation present rapid variations during SSWs,with or without inclusion of the eddy heat transport term.Although the patterns of transient residual meridional circulation with the eddy heat transport term were similar to that without the eddy heat transport term during SSW,the magnitudes in the upper stratosphere and high-latitude regions differed.As for the diabatic circulation,its daily variations were small during SSW events,and its patterns were in agreement with its monthly average.