北大西洋风暴轴高低空分布及其能量诊断

利用1979~2013年NCEP再分析数据,通过经验正交分解对比了前冬时期北大西洋风暴轴的高低空分布,并用涡动动能(Eddy Kinetic Energy,EKE)方程对风暴轴高低空分布型差异进行了诊断。研究结果表明:上层和下层第一空间分布型差异巨大,对流层下层风暴轴中心偏北,靠近极地,而上层风暴轴中心偏西南,靠近北美沿岸。EKE方程诊断结果表明:正压转换项在高低空符号相反,导致了EKE在上、下层分布出现显著差异,即上层正压转换项为负,在扰动发展中起能量耗散作用,而下层正压转换项为正,且极大值区域对应下层EKE极大值区域,为风暴轴下层向极区域增强的主要原因。而斜压转换和非地转位势通量散度在上层均为正,且远大于下层,为风暴轴上层涡动能量维持的原因,也从涡动能量收支上解释了风暴轴的主体出现在上层。     

西伯利亚风暴轴的气候特征及其可能维持机制

基于1959—2014年NCEP/NCAR的逐日再分析资料,首先研究了西伯利亚风暴轴各季节的气候平均特征,然后以冬季为例,利用能量诊断方程,从能量学的角度对其的可能维持机制进行了探讨,并在上述分析过程中与北半球两大洋风暴轴的特征进行了对比。结果表明:(1)西伯利亚风暴轴一年四季都独立存在,虽强度要比两大洋风暴轴的强度弱很多且位置偏北,但可以定义为一个弱风暴轴。(2)比较来看,西伯利亚风暴轴强度的季节变化与北太平洋风暴轴的季节变化类似。与两大洋风暴轴位于急流东北侧不同,冬季西伯利亚风暴轴位于东亚温带急流的西侧。(3)进一步的能量分析结果表明,与两大洋风暴轴一样,斜压不稳定的能量转换(Ke4)也是西伯利亚风暴轴区域天气尺度扰动动能的主要来源;而扰动非地转位势通量散度项(Ke3)和时间平均气流对扰动动能的平流输送项(Ke1)也是风暴轴下游发展所需的扰动动能来源之一。     

北半球冬季风暴轴与ENSO循环的关系及其能量平衡特征

利用欧洲中期天气预报中心的再分析资料,分析了北半球冬季对流层上层300 hPa面上风暴轴与ENSO循环的关系以及风暴轴的能量平衡特征.研究表明,由于El Nino年北太平洋的哈德莱环流增强,导致北太平洋西风急流向赤道和向东伸展,进而引起了北太平洋风暴轴的增强并向赤道和向东伸展;而La Nina年事件期间情形正好相反.在北大西洋,El Nino年其西风急流中心最大值有所减小,但整个西风急流区域有所扩大并向西和向赤道伸展,相应北大西洋风暴轴强度在El Nino年也有所减弱并向西和向赤道方向伸展;La Nina事件的情形正好相反.能量分析表明,斜压转换的正值中心位于风暴轴及其上游区域.在El Nino年,北太平洋斜压转换的正值中心向赤道和向下游伸展,而北大西洋斜压转换的正值中心向赤道和向西伸展,这与北太平洋风暴轴和北大西洋风暴的变化趋势是一致的.行星尺度扰动对斜压转换的贡献比天气尺度扰动的贡献要小,而行星尺度-天气尺度扰动的相互作用项对斜压转换的贡献更小.研究还表明,能量正压转换的正中心化于风暴轴的上游,负中心位于风暴轴区域.相对于La Nina年,El Nino年北太平洋东部的正压转换负值中心偏北,北美的正值中心位置偏南,而北大西洋的负值中心强度减弱范围变小.这些变化与从La Nina年剑El Nino年北太平洋和北大西洋风暴轴的变化是一致的.在能量的正压转换过程中,天气尺度扰动的贡献要大于行星尺度扰动,而行星尺度-天气尺度扰动的相互作用项的贡献更小.     

华北地区“16·7”极端强降水事件之环流及扰动能量变化特征

2016年7月18—22日在华北地区发生了一次极端强降水事件，其中19—20日降水较为集中，20日降水最强。本文利用NCEP/NCAR再分析逐日风场资料和国家级地面气象站基本气象要素日值数据集，研究了本次事件的Rossby波活动及能量变化，结果表明：本次极端强降水事件持续时间约5 d，雨带呈西南—东北走向。华北地区受对流层中低层的气旋性异常环流和对流层上层反气旋性异常环流的控制，水汽则主要源于孟加拉湾和中国南海地区。发生极端降水期间，波扰动能量在对流层低层主要呈经向传播而在对流层上层呈纬向传播，对流层低层的波扰动能量对华北地区的影响比上层更为明显。涡动动能在华北地区的增强和维持主要是涡动非地转位势通量散度项、涡动有效位能和涡动动能的斜压转换项以及其他剩余部分与摩擦耗散引起的能量损耗之和的共同作用，涡动动能在19日增强、20日维持，随后减弱。涡动热量通量变化显示低层有暖湿空气向北输送，高层有干冷空气向南输送，支持了正压和斜压转换，而华北地区上空涡动动量通量的变化则使得基本气流中的涡动动能增强，这些变化影响到极端降水事件的发生发展。     

北太平洋风暴轴对黑潮延伸体系统变异的响应及其能量转换机制

西北太平洋纬向扰动海温经验正交函数（EOF）分解第一和第三模态、第二和第四模态分别代表同期黑潮延伸体和亲潮强弱的配置关系,将两者的典型位相合成,可以分别得到延伸体收缩和扩张状态时的典型模态海温,本文以此及气候态海温作为初始海温强迫场,利用CESM1.2.0模式,讨论了延伸体的系统变异对北太平洋风暴轴的影响及其在不同能量转换过程的主要影响机制,结果表明,延伸体收缩状态下,北太平洋风暴轴强度整体加强,而扩张模态下强度减弱。空间分布上,收缩模态下,风暴轴主要体现为经向方向的变化,中心及其以北强度加强,中心以南减弱;扩张状态下,则主要表现为纬向方向的差异,中心及以西强度减弱明显,中心以东有所增强。对能量转换的诊断分析表明,正压能量转换过程对涡动动能的变化贡献很小,且在风暴轴中心附近,其作用主要为消耗涡动动能,延伸体收缩状态下其消耗作用增强,而扩张状态下消耗作用减弱,这一差异主要是由于不同海温异常强迫下瞬变涡旋的形变不同造成;斜压有效位能释放比正压能量转换大一个量级以上,该过程几乎全部通过基流的经向温度梯度和经向涡动热量输送的相互作用完成,在这一过程中大气斜压性（经向温度梯度）起了关键性作用,大气斜压性异常、基流经向温度梯度异常、斜压有效位能释放异常与风暴轴异常的空间分布均具有较好的对应关系,该过程可能也是延伸体海温异常影响北太平洋风暴轴的主要物理过程;涡动有效位能需要进一步转换为涡动动能才能产生瞬变涡旋运动,涡动有效位能释放的量级与斜压有效位能的释放相当,但数值要小,这一过程通过冷暖空气的上升下沉运动完成,延伸体异常模态下,扰动垂直速度和扰动温度的负相关性的变化与涡动有效位能向涡动动能转换的变化也有较好的对应关系。     

涡动非地转位势通量对风暴轴维持的影响

通过对涡动动能方程和涡动有效位能方程的诊断分析，结果发现，斜压性是导致风暴轴入口区天气尺度涡动发展的最主要原因，而涡动发展后则主要通过非地转位势通量向下游频散能量而衰减，并进一步成为激发下游新的涡动活动发展的主要能量来源。因此，涡动非地转位势通量所引起的"下游发展效应"对风暴轴在东端弱斜压区的维持具有十分重要的作用。     

黑潮延伸体区域海表温度锋的季节变化对北太平洋风暴轴的影响

利用NOAA最优插值逐日海表温度(SST)资料和NCEP/NCAR的逐日大气再分析资料,本文分析了黑潮延伸体区域海表温度锋的变化对北太平洋风暴轴的影响。结果表明,黑潮延伸体区域海表温度锋位置的季节变化很弱,而其强度的变化则非常显著,北太平洋风暴轴强度与海表温度锋强度具有一致的协同变化。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度最强,增强了其上空大气的斜压性,从平均有效位能向涡动有效位能的斜压能量转换以及从涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换均在黑潮延伸体区域显著增加,斜压涡旋在此区域生成更加频繁,在随西风向下游运动过程中不断从背景平均流中获得能量,从而导致北太平洋风暴轴增强,且将其中心轴线固定在黑潮延伸体区域上空,而夏季黑潮延伸体区域海表温度锋强度非常弱,其上空大气斜压性减弱,从平均有效位能向涡动有效位能的斜压能量转换以及从涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换均显著减少,斜压涡旋在此区域生成减少,导致北太平洋风暴轴减弱,且中心移至太平洋中部,位置偏北。     

一次东移型高原切变线过程的扰动动能特征

利用NCEP FNL(1°×1°)全球分析资料,采用动能梯度的定义和扰动动能方程,对2014年8月25—27日初生于青海省东南部之后东移到四川省中部产生天气影响过程的高原切变线进行了能量诊断分析。结果表明:在高原切变线发生发展时,切变线的位置和强的地转偏差及动能梯度大值区相对应,动能梯度模值的水平、垂直分布和相应的散度分布一致,可以反映切变线的基本结构特征;引入动能梯度有助于从能量变化视角来理解高原切变线的发展演变。扰动动能大值区的分布和切变线的走向一致,在切变线发展初期,扰动动能明显增大。扰动动能平流项和正压转换项的值都比较小,不足以反映切变线演变过程中的能量变化,而斜压转换项和扰动位势平流项是扰动动能收支的主导项;在切变线成熟阶段,扰动有效位能向扰动动能的转换最大,斜压转换项是高原切变线发展过程中能量转换的重要途径,有利于切变线上的上升运动加强。扰动动能趋势项可以较好预示切变线的发展态势,扰动非地转位势通量及其散度对高原切变线的生消及移动具有较好的指示意义。     

冬季北大西洋风暴轴的东西变化及其能量诊断

利用NCEP/NCAR再分析资料,定义一个风暴轴经度指数,基于这个指数做合成分析,对冬季北大西洋风暴轴63 a(1948-2010年)的东西变化特征及其能量平衡差异进行了诊断。主要结论如下:(1)北大西洋风暴轴存在明显地东扩和西退。当风暴轴向东扩展时,天气尺度瞬变波可以向下游发展至乌拉尔山以东的亚洲上空;风暴轴西退时,天气尺度瞬变波活动范围向西收缩到15°W以西的大洋上空。(2)能量诊断表明,当风暴轴向东扩展时,涡动动能在高纬度的大西洋东部及西欧上空明显增强。在0°以西的区域,涡动动能的增强主要归因于能量斜压转换过程的增强;而在0°以东区域,涡动动能的增强可能与涡动非地转位势通量引起的"下游发展效应"增强有关。风暴轴向西收缩时,变化相反。     

北太平洋冬半年位势高度季节内振荡及其诊断分析

利用NCEP/DOE再分析资料,分析了1979—2012年北太平洋对流层冬半年位势高度的季节内振荡特征。结果表明:北太平洋上空的位势高度表现为显著的10~40 d季节内振荡特征,50~80°N纬度带内振荡最强,主要由东向西传播;位势高度季节内振荡的演变过程伴随太平洋高压脊以及东亚大槽的显著变化;在垂直方向上具有准正压的结构,位势高度季节内振荡的时间演变与地转涡度平流和散度项的季节内振荡有关,其向西移动也是受地转涡度平流和散度项的引导。     

A comparison of climatological subseasonal variations in the wintertime storm track activity between the North Pacific and Atlantic: local energetics and moisture effect

Distinct differences of the storm track?Cjet relationship over the North Pacific and North Atlantic are investigated in terms of barotropic and baroclinic energetics using NCEP-2 reanalysis data for the period of 1979?C2008. From fall to midwinter the Pacific storm track (PST) activity weakens following the southward shift of the Pacific jet, whereas the Atlantic storm track (AST) activity remains steady in position and intensifies regardless of the slight southward shift of the Atlantic jet. This study is devoted to seeking for the factors that can contribute to this conspicuous difference between the two storm tracks on climatological subseasonal variation by analyzing eddy properties and local energetics. Different eddy properties over the two oceans lead to different contribution of barotropic energy conversion to the initiation of storm tracks. In the North Atlantic, meridionally elongated eddies gain kinetic energy efficiently from stretching deformation of the mean flow in the jet entrance. On the other hand, the term associated with shearing deformation is important for the initiation of PST. Analysis of baroclinic energetics reveals that the intensification of the AST activity in midwinter is mainly attributed to coincidence between location of maximum poleward and upward eddy heat fluxes and that of the largest meridional temperature gradient over slight upstream of the AST. The relatively large amount of precipitable water and meridional eddy moisture flux along baroclinic energy conversion axis likely provides a more favorable environment for baroclinic eddy growth over the North Atlantic than over the North Pacific. In the meantime, the midwinter minimum of the PST activity is attributable to the southward shift of the Pacific jet stream that leads to discrepancy between core region of poleward and upward heat fluxes and that of meridional thermal gradient. Weakening of eddy-mean flow interaction due to eddy shape and reduction of moist effect are also responsible for the weakening of storm track activities in midwinter when the strongest baroclinicity exists over the North Pacific.     

Interdecadal changes in the storm track activity over the North Pacific and North Atlantic

Analysis of NCEP-NCAR I reanalysis data of 1948–2009 and ECMWF ERA-40 reanalysis data of 1958–2001 reveals several significant interdecadal changes in the storm track activity and mean flow-transient eddy interaction in the extratropics of Northern Hemisphere. First, the most remarkable transition in the North Pacific storm track (PST) and the North Atlantic storm track (AST) activities during the boreal cold season (from November to March) occurred around early-to-mid 1970s with the characteristics of global intensification that has been noticed in previous studies. Second, the PST activity in midwinter underwent decadal change from a weak regime in the early 1980s to a strong regime in the late 1980s. Third, during recent decade, the PST intensity has been enhanced in early spring whereas the AST intensity has been weakened in midwinter. Finally, interdecadal change has been also noted in the relationship between the PST and AST activities and between the storm track activity and climate indices. The variability of storm track activity is well correlated with the Pacific Decadal Oscillation and North Atlantic Oscillation prior to the early 1980s, but this relationship has disappeared afterward and a significant linkage between the PST and AST activity has also been decoupled. For a better understanding of the mid-1970s’ shift in storm track activity and mean flow-transient eddy interaction, further investigation is made by analyzing local barotropic and baroclinic energetics. The intensification of global storm track activity after the mid-1970s is mainly associated with the enhancement of mean meridional temperature gradient resulting in favorable condition for baroclinic eddy growth. Consistent with the change in storm track activity, the baroclinic energy conversion is significantly increased in the North Pacific and North Atlantic. The intensification of the PST and AST activity, in turn, helps to reinforce the changes in the middle-to-upper tropospheric circulation but acts to interfere with the changes in the low-tropospheric temperature field.     

The Linkage between Midwinter Suppression of the North Pacific Storm Track and Atmospheric Circulation Features in the Northern Hemisphere

The midwinter suppression(MWS) of the North Pacific storm track(NPST) has been an active research topic for decades. Based on the daily-mean NCEP/NCAR reanalysis from 1948 to 2018, this study investigates the MWS-related atmospheric circulation characteristics in the Northern Hemisphere by regression analysis with respect to a new MWS index, which may shed more light on this difficult issue. The occurrence frequency of the MWS of the upper-tropospheric NPST is more than 0.8 after the mid-1980 s. The MWS is accompanied by significantly positive sea-level pressure anomalies in Eurasia and negative anomalies over the North Pacific, which correspond to a strengthened East Asian winter monsoon. The intensified East Asian trough and atmospheric blocking in the North Pacific as well as the significantly negative low-level air temperature anomalies, lying upstream of the MNPST, are expected to be distinctly associated with the MWS. However, the relationship between the MWS and low-level atmospheric baroclinicity is somewhat puzzling.From the diagnostics of the eddy energy budget, it is identified that the inefficiency of the barotropic energy conversion related to the barotropic governor mechanism does not favor the occurrence of the MWS. In contrast, weakened baroclinic energy conversion, buoyancy conversion, and generation of eddy available potential energy by diabatic heating are conducive to the occurrence of the MWS. In addition, Ural blocking in the upstream region of the MNPST may be another candidate mechanism associated with the MWS.     

黑潮延伸体中尺度涡年代际变化与北太平洋风暴轴变化之间的关系

利用18年带通滤波的卫星高度计资料,通过引入黑潮延伸体中尺度涡能量(EKE)的面积指数,分析了黑潮延伸体中尺度涡EKE的强度和位置的年代际变化特征,并使用回归分析等方法分析了它们与北太平洋风暴轴之间的关系。结果表明,黑潮延伸体中尺度涡增强与北太平洋风暴轴的增强相对应,而EKE位置偏北(南)时对应的北太平洋风暴轴也偏北(南),同时当EKE的位置偏东(偏西)时北太平洋风暴轴则西退(东移)。此外,北太平洋风暴轴的变化对黑潮延伸体也可能有一定的反馈作用,黑潮延伸体中尺度涡EKE强度的变化与北太平洋风暴轴EOF第一和第三个模态(第二个模态)回归的海表面高度距平模态有明显的3~4年滞后的正(负)相关,而黑潮延伸体中尺度涡EKE位置的变化则相反。这种滞后相关可能是通过北太平洋风暴轴驱动的遥相关型环流改变海表面风应力旋度并强迫出的海表面高度距平的西传导致的。     

冬季北太平洋风暴轴的年代际变化特征及其可能影响机制

利用1958-2002年的ERA-40再分析资料,用谐波变换和EOF方法分析了冬季北太平洋风暴轴在年代际时间尺度上的变化特征,并通过回归分析的方法初步探讨了风暴轴年代际变化的可能影响机制.结果表明,在年代际时间尺度上,北太平洋风暴轴有两种主要模态,第1模态是风暴轴在其气候平均位置增强或减弱的主体一致变化型,其年代际变化受到上游涡旋强迫的影响,北大西洋强(弱)的涡旋活动,使得冬季北太平洋西风急流减弱(增强)、变宽(窄)、北抬(南压),同期北太平洋风暴轴活动偏强(弱),黑潮延续体区海表温度有偏暖(冷)的响应;第2模态是风暴轴中东部在气候平均位置南北两侧振荡的经向异常型,与太平洋年代际振荡(PDO)循环的暖(冷)位相相联系,下垫面海温非绝热加热的作用,激发加强(减弱)大气中类太平洋/北美遥相关型(PNA)的响应,引起大气斜压性异常偏南(北),使得风暴轴整体南压(北抬),且中东部向东南(北)方向移动.因此,冬季北太平洋风暴轴的年代际变化不仅是局地波-流相互作用的结果,还应考虑上游涡旋活动和海温热力强迫的作用.     

Response of the North Pacific Storm Track Activity in the Cold Season to Multi-scale Oceanic Variations of Kuroshio Extension System: A Statistical Assessment

In this paper, a statistical method called Generalized Equilibrium Feedback Analysis(GEFA) is used to investigate the responses of the North Pacific Storm Track(NPST) in the cold season to the multi-scale oceanic variations of the Kuroshio Extension(KE) system, including its large-scale variation, oceanic front meridional shift, and mesoscale eddy activity.Results show that in the cold season from the lower to the upper troposphere, the KE large-scale variation significantly weakens the storm tr...     

冬季黑潮延伸体区域海表温度锋对北太平洋风暴轴的影响

利用NOAA最优插值逐日海表温度资料和NCEP/NCAR的逐日大气再分析资料,分析了冬季黑潮延伸体区域海表温度锋的变化及其对北太平洋风暴轴的影响。结果表明,冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度和纬度位置既存在年际变化,也存在年代际变化,且强度和位置的变化是相互独立的。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度的年际变化对北太平洋风暴轴没有显著的影响,而其年代际变化则对北太平洋风暴轴具有非常显著的影响,当冬季海表温度锋偏强时,大气斜压性在鄂霍次克海及阿拉斯加附近区域上空增强,而在海表温度锋下游至东太平洋区域上空显著减弱,平均有效位能向涡动有效位能的斜压能量转换在45°N以北的太平洋区域上空有所增多,而在30°-45°N的太平洋区域上空有所减少,涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换在35°N以北的西太平洋区域以及45°N以北的东太平洋区域都显著增加,而仅在其南部边缘存在东西带状的减弱区域,导致40°N以北海区北太平洋风暴轴增强,40°N以南海区北太平洋风暴轴减弱,冬季海表温度锋偏弱时则有与之相反的结果。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋纬度位置的变化对北太平洋风暴轴也存在较显著的影响,当海表温度锋位置偏北时,在其下游45°N以南的太平洋区域上空大气斜压性减弱,45°N以南的中东太平洋区域上空区域平均有效位能向涡动有效位能、以及涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换都减少;而在45°N以北的太平洋区域上空大气斜压性增强,在阿拉斯加湾附近上空尤其显著,在黑潮延伸体区域附近以及45°N以北的中东太平洋上空平均有效位能向涡动有效位能、以及涡动有效位能向涡动动能的斜压能量转换都显著增加,导致北太平洋风暴轴在其气候平均态轴线两侧呈现北正南负的偶极子形态;海表温度锋位置偏南时则有与之相反的结果。冬季黑潮延伸体区域海表温度锋强度和位置的变化均对北太平洋风暴轴具有显著的影响,其具体的物理机制还需要进一步的研究。      

北太平洋东部风暴轴的时空演变特征

本文利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)逐日再分析资料(ERA-40),以500 hPa位势高度滤波方差为代表,对1957年12月～2001年11月期间44年528个月北太平洋区域(30°N～60°N,120°E～120°W)月平均风暴轴的多中心数目和最强中心位置进行了客观统计,在此基础上,对北太平洋区域进行了分区,通过对比各区域风暴轴的时间演变和结构变化,重点揭示了北太平洋东部地区风暴轴的时空演变特征.主要结论如下:(1)逐月来看,北太平洋风暴轴“多中心”现象普遍存在,概率高达94.7%,最典型的分布呈2～3个中心分布;从季节上来看,春季是“多中心”现象最容易出现的季节,秋季和冬季相对较少,而4个及以上的“多中心”现象则更容易出现在夏季.(2)若把最强中心出现在160°W以东地区的北太平洋风暴轴定义为东部型风暴轴,那么从月份上来看,7月相对最容易出现东部型风暴轴,1月和2月最难;从季节上来看,夏季相对最容易出现东部型风暴轴,冬季最难;总的来看,出现东部型风暴轴的频数大约占总频数的三分之一.(3)从垂直结构上看,在北太平洋160°W以东地区,风暴轴的强度可以最强,但与斜压性密切联系的涡动向极和向上热量通量的最大值却并不是最强.(4)经验正交函数分解(EOF)分析的结果表明,在不同季节、不同区域以及是否单独考虑东部型风暴轴的情况下,风暴轴的变化虽然表现出了一定的差异,但都反映出在北太平洋东部区域风暴轴的变化特征有其独特特点,如在该区域风暴轴的主要变化模态并不一定时时与其他区域的主要变化模态一一对应.北太平洋东部区域风暴轴变化的原因和机制值得进一步深入探讨.