冬季北半球风暴轴的多尺度能量变化特征及其可能机制

基于1971—2016年NCEP/NCAR(美国环境预报中心和国家大气研究中心)的逐日再分析资料及NCPC(美国国家海洋和大气管理局气候预报中心)的海温、大气环流及海洋指数等资料通过多尺度能量分析(MS-EVA)等方法,把冬季北半球风暴轴看做一整体,分析了风暴轴区域多尺度的能量变化特征及其可能机制。主要结论概括如下:(1)多年气候平均状态下,风暴轴的动能来源主要表现为在风暴轴中上游先由低频尺度向天气尺度输送有效位能,随后在风暴轴主体区再由天气尺度有效位能转换为天气尺度动能,其中风暴轴西端可直接由低频尺度向天气尺度输送动能。(2)北半球三大风暴轴联合EOF结果表明:第一模态下,主要体现了北西伯利亚风暴轴与北太平洋风暴轴强度的减弱(增强),同时伴随着北大西洋风暴轴位置北抬(南压);第二模态下,主要体现了北西伯利亚风暴轴强度减弱(增强),同时北太平洋风暴轴位置北抬(南压)中东部强度增强(减弱),而北大西洋风暴轴位置南压(北抬)。(3)回归分析表明:北半球风暴轴异常在不同模态下与低频尺度环流联系密切。低频尺度波动可通过海温及西风急流等异常变化先影响风暴轴区域多尺度间的能量转换,进而影响风暴轴整体的异常变化。     

北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的能量分析

采用欧洲中期天气预报中心逐日再分析资料（ERA-40）,从局地能量变化方程出发,通过分析北太平洋风暴轴区域对流层不同层次局地能量的季节演变过程,对风暴轴区域各能量项在“深冬抑制”现象中的作用进行了深入探讨。结果表明,天气尺度扰动动能的季节变化可以很好地反映北太平洋风暴轴的“深冬抑制”现象,并且该现象在对流层上层最为显著,其发生概率约为80％,其中20世纪70年代中后期到80年代前期抑制最强。从同期各能量项的变化来看,扰动动能的变化主要受斜压能量转换项、涡动非地转位势通量的散度项和正压能量转换项的影响。在深冬季节,由于消耗扰动动能的正压能量转换项虽有些微弱减少从而使得扰动动能有所增加,但为风暴轴提供扰动动能的斜压能量转换项和涡动非地转位势通量的散度项减少的幅度却更大,因而总的效果是扰动动能大为减小,这可能是造成北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的直接原因。     

北太平洋风暴轴的气候特征及其变化的初步研究

本文使用ECMWF再分析网格点资料(ERA-40),分析了不同季节和不同高度层上北太平洋风暴轴(天气尺度瞬变扰动活动)的气候特征及其时间演变规律。分析表明,气候平均而言,北太平洋风暴轴冬季强且偏西南,夏季弱且偏东北。在近45 a里,冬季及夏季风暴轴在整个对流层、尤其是对流层中上层具有整体一致的年际和年代际变化特征。在各个高度层上冬季风暴轴于1985年前后一致性地发生了由弱至强的年代际跃变;夏季风暴轴发生年代际由弱至强跃变的时间在各个高度层上略有不同,对流层中高层的跃变时间与北太平洋大气海洋系统1970年代的跃变时间一致。在冬季风暴轴活动偏强年里,中纬度天气尺度瞬变扰动增强的同时,位置也有所北抬,反之亦然。夏季风暴轴活动偏强(弱)年则主要表现为瞬变扰动在气候平均位置上的增强(减弱)。     

2008年1月中国南方低温雨雪冰冻天气的大尺度能量输送

利用NCEP-DOE再分析数据分析了2008年1月26～28日中国南方罕见的低温雨雪冰冻天气的扰动能量的生成以及各种能量之间的转换。在急流中平均动能（Km）先转换成相互作用动能（Ki）然后再转化成扰动动能（Ke）。相互作用动能流是顺急流方向的。位势高度平流和有效位能与扰动动能的转化生成的扰动动能比平均动能转化的要小一个量级。中国中南部扰动有效位能（Ae）的产生主要由平均有效位能（Am）间接提供,其中相互作用有效位能（Ai）流起到了关键作用。生成的扰动有效位能在26日12：00（协调世界时）主要来源于两个地区：一个位于青藏高原,另一个位于中国东北部。随着两个主要源地的向东移动,转化也向东移动。相互作用有效位能流的方向同时存在逆急流方向和顺急流方向。     

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.     

北半球风暴轴的时间演变特征

对５００ｈＰａ位势高度场逐日资料进行带通滤波分析，从而确定了风暴轴各月平均的强度和位置，分析了风暴轴和同一层次急流的时间演变特征以及它们之间的关系。结果表明：太平洋和大西洋风暴轴的强度和摆动都存在着明显的月际变化，即夏季强度最弱，位置偏北；冬季强度最强，位置偏南。在大多数情况下，风暴轴位于急流极大值下游向极地一侧。还发现，急流核和风暴轴都存在断裂现象，在太平洋上，风暴轴还出现双中心现象。     

北半球风暴轴的时间演变特性

对５００ｈＰａ位势高度场逐日资料进行带通滤波分析，从而确定了风暴轴各月平均的强度和位置，分析了风暴轴和同一层次急流的时间演变特征以及它们之间的关系。结果表明：太平洋和大西洋风暴轴的强度和摆动都存在着明显的月际变化，即夏季强度最弱，位置偏北；冬季强度最强，位置偏南。在大多数情况下，风暴轴位于急流极大值下游向极地一侧。还发现，急流核和风暴轴都存在断裂现象，在太平洋上，风暴轴还出现双中心现象。     

冬季东亚副热带急流和温带急流协同变化与我国冷空气活动的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和地面台站气温观测资料,分析了冬季东亚副热带急流(EASJ)和东亚温带急流(EAPJ)强度变化特征及其与我国境内冷空气活动的关系。以(45°N~60°N,70°E~110°E)和(27.5°N~37.5°N,130°E~160°E)区域平均的300 hPa全风速分别表征冬季EAPJ和EASJ的强度,将两支急流的强度变化分为四种情况:EAPJ和EASJ同强(SS)、同弱(WW)、以及强弱(SW)、弱强(WS)。分析四种急流强度变化情形下中国境内冷空气活动强度、路径、持续时间以及源地的不同特征,发现当EAPJ和EASJ均强时,冷空气从内蒙古中东部入侵,主要影响华北、东北和东部沿海地区,强度较弱,持续时间短,冷空气源地位于新地岛以东的洋面及陆地上;当EAPJ和EASJ均弱时,冷空气从新疆北部入侵,影响我国大部分地区,强度强,持续时间长,冷空气源地位于巴尔喀什湖西部;当EAPJ强,EASJ弱时,冷空气从我国东北入侵,主要影响我国东北部,中国南部降温不明显,冷空气强度较强,持续时间短,冷空气源地位于中、西西伯利亚地带;当EAPJ弱,EASJ强时,冷空气从内蒙古中部入侵,进而影响华北和我国东部地区,但冷空气强度较弱,冷空气源地位于贝加尔湖的西侧。进一步分析急流强度四种变化情形下的环流特征发现,EAPJ、EASJ均弱时,西伯利亚高压偏强,阿留申低压偏弱,东亚大槽偏深,中国东部的偏北风强,而EAPJ弱、EASJ强时,尽管西伯利亚高压和阿留申低压偏强,东亚大槽偏深,但中国东部的偏北风并不是很强,而另两种情况时,西伯利亚高压较弱,东亚大槽也较弱,中国东部的偏北风偏弱。     

对流层上层副热带西风急流与东亚冬季风的关系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,研究冬季对流层上层西风急流的时空变化特征,提出表征急流强度和位置变化的指数,进而探讨西风急流与东亚冬季风的关系。结果表明:冬季西风急流强度指数体现了西太平洋与高纬大陆的热力对比,较好地反映了西伯利亚高压与阿留申低压的强度变化,可作为表征冬季风强弱变化的一个定量指标,急流增强(减弱)对应西伯利亚冷高压和阿留申低压加强(减弱),东亚冬季风偏强(弱)。急流强度指数与不同高度冬季风子系统的显著相关表明,东亚冬季风活动异常不只是对流层中低层的现象,而在整个对流层都有明显反映,低层的西伯利亚高压和阿留申低压、中层的欧亚脊、东亚大槽及西太平洋副热带高压与高层的西风急流是同相变化的。在此基础上还比较了急流强度指数和北极涛动指数(AO)与东亚冬季风的关系,急流强度变化体现了欧亚大陆与西太平洋的热力差异,而AO则主要反映极地与中纬度环状模的反相变化,所以急流强度变化与东亚冬季风的关系更为密切。     

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。     

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...     

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。     

Response of Northern Hemisphere storm tracks to Indian-western Pacific Ocean warming in atmospheric general circulation models

With 40 years integration output of two atmospheric general circulation models (GAMIL/IAP and HadAM3/UKMO) forced with identical prescribed seasonally-varying sea surface temperature, this study examines the effect of the observed Indian-western Pacific Ocean (IWP) warming on the Northern Hemisphere storm tracks. Both models indicate that the observed IWP warming tends to cause both the North Pacific storm track (NPST) and the North Atlantic storm track (NAST) to move northward. Such a consistent effect on the two storm tracks is closely associated with the changes in the low-level atmospheric baroclinicity, high-level jet stream and upper-level geopotential height. The IWP warming can excite a wavelike circum-global teleconnection in the geopotential height that gives rise to an anticyclonic anomaly over the midlatitude North Pacific and a positive-phase NAO anomaly over the North Atlantic. These geopotential height anomalies tend to enhance upper-level zonal westerly winds north of the climatological jet axes and increase low-level baroclinicity and eddy growth rates, thus favoring transient eddy more active north of the climatological storm track axes, responsible for the northward shift of the both storm tracks. The IWP warming-induced northward shift of the NAST is quite similar to the observed, suggesting that the IWP warming can be one of the key factors to cause decadal northward shift of the NAST since the 1980s. However, the IWP warming-induced northward shift of the NPST is completely opposite to the observed, implying that the observed southward shift of the NPST since the 1980s would be primarily attributed to other reasons, although the IWP warming can have a cancelling effect against those reasons.     

Sources of CAM3 temperature bias during northern winter from diagnostic study of the temperature bias equation

The Community Atmosphere Model version 3 (CAM3) temperature simulation bias is examined in this paper. We compare CAM3 output with European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) 40 year reanalysis (ERA-40) data. We formulate a time mean temperature bias equation then evaluate each term in the equation. Our focus is on the Northern Hemisphere winter time. We group the temperature equation terms into these categories: linear advection terms, nonlinear advection terms, transient eddy terms and diabatic heating, and find that linear advection and diabatic bias are the largest. The nonlinear terms (velocity bias advection of temperature bias) are much smaller than each of the other groups of terms at all levels except near the surface. Linear advection terms have dipolar pattern in the Atlantic (negative NW of positive) which reflects the shift of the CAM3 model North Atlantic storm track (NAST) into Europe, especially in the upper troposphere; opposite sign dipolar structure occurs over Alaska (positive) and the north Pacific storm track (negative). The transient advection terms in middle latitudes are larger in the upper troposphere and generally positive along the Atlantic storm track. Along the north Pacific storm track (NPST), the transient terms are negative in the mid and lower troposphere over much of the NPST (positive in upper troposphere). The diabatic heating bias has large values in the tropics along the Intertropical Convergence Zone (ICZ) and along the midlatitude storm tracks. During this time of year the ICZ is mainly in the Southern Hemisphere, but CAM3 emphasizes an ICZ-like heating in the northern hemisphere of the Atlantic and Pacific Oceans. CAM3 tends to have a weaker ICZ, especially in the Atlantic. In midlatitudes, we find large bias in heating by precipitation and vertically averaged net radiation over the NAST, Europe, and the Middle East.     

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。     

北太平洋风暴轴的三维空间结构

文中利用最新的0.5°×0.5°分辨率QuikSCAT(QuikBird Satellite Microwave Scatterometer Sea Winds Data)海面风场资料、NCEP(National Center for Environmental Prediction)的10 m高度风场资料和全球客观再分析资料,对1999-2005年冬季(1月)和夏季(7月)北太平洋风暴轴的三维空间结构进行了分析,发现冬季北太平洋风暴轴的强度较强,呈明显的纬向拉伸带状分布特征,位置偏南.夏季北太平洋风暴轴的强度较弱,位置偏北.根据不同高度上位势高度方差的水平分布特征,绘制了北太平洋风暴轴的三维结构示意图.利用高分辨率QuikSCAT资料对风暴轴特征的刻画更为细致,不但验证了Nakamu-ra在南大洋发现的双风暴轴现象,而且还发现在北太平洋和北大西洋下层分别存在"副热带风暴轴"和"副极地风暴轴"两个风暴轴.对1999-2005年冬季北太平洋气旋和反气旋的移动路径进行的统计分析,为北太平洋"双风暴轴"的存在提供了强有力的证据.     

大气分层扰动位能控制方程及其应用——南海夏季风活动的能量收支

针对局地环流能量转换问题,本文推导了分层扰动位能一阶矩 (L_PPE1) 和动能 (K_E) 的控制方程,分析了方程中各能量项的空间分布和季节变化特征,并以南海夏季风为例,诊断了夏季风活动各相位的能量收支特征.结果表明,850 hPa高度上在赤道辐合带、大部分季风区、风暴轴地区是L_PPE1的源区,副热带的大洋东部和高纬度地区是L_PPE1的汇区,强源、汇的中心与L_PPE1的纬向偏差场的脊、槽分布对应较好.L_PPE1向K_E的转化项 (C_K)取决于垂直速度和大气稳定度,是连接K_E和L_PPE1的纽带,在暖 (冷) 空气上升 (下沉) 时,转化项为正,L_PPE1向K_E转化能量,反之K_E转化为L_PPE1.在850 hPa 高度上C_K的分布特征是在赤道辐合带以及大部分季风区有大值分布,北半球风暴轴和南半球西风带有连续分布的正值区.将这应用到南海夏季风活动的能量收支,在南海夏季风恢复相位,C_K增大,在南海夏季风活跃相位,C_K达到最大,且为边界输入能量的2~3倍,C_K是南海夏季风恢复、活跃的最重要因素.探讨了南海夏季风活跃的条件,当L_PPE1等于南海季风区的夏季气候平均值时,上升速度大于临界速度的情形,有利于南海夏季风由中断相位向活跃相位的转变.     

A MODELING STUDY OF NORTHWEST PACIFIC SSTA EFFECT ON PACIFIC STORM TRACK DURING WINTER*

A T₄₂L₉ GCM integration is adopted to investigate in detail the effect of Northwest Pacific sea surface temperature anomaly(SSTA)on the Pacific storm track(PST)during winter.Results show that warm(cold)Northwest Pacific SSTA can give rise to significantly increased(decreased)baroelinicity on the north side of the anomaly area and its downstream in such a way as to make the Pacific storm track strengthen(weaken)in its entrance where the 500 hPa synoptic perturbation height variance,kinetic energy,and low-level upward and poteward transient eddy temperature fluxes who exhibit similar features to those of mid-latitude barolinic waves in their developing phases,show great enhancement for the warm case,suggesting that the Pacific track can be reconstructed in its west side only as a result of an external forcing,viz.,warm Northwest Pacific SSTA during winter.     

Impacts of the Autumn Arctic Sea Ice on the Intraseasonal Reversal of the Winter Siberian High

During 1979–2015, the intensity of the Siberian high(SH) in November and December–January(DJ) is frequently shown to have an out-of-phase relationship, which is accompanied by opposite surface air temperature and circulation anomalies.Further analyses indicate that the autumn Arctic sea ice is important for the phase reversal of the SH. There is a significantly positive(negative) correlation between the November(DJ) SH and the September sea ice area(SIA) anomalies. It is suggested that the reduction of autumn SIA induces anomalous upward surface turbulent heat flux(SHF), which can persist into November, especially over the Barents Sea. Consequently, the enhanced eddy energy and wave activity flux are transported to mid and high latitudes. This will then benefit the development of the storm track in northeastern Europe. Conversely, when downward SHF anomalies prevail in DJ, the decreased heat flux and suppressed eddy energy hinder the growth of the storm track during DJ over the Barents Sea and Europe. Through the eddy–mean flow interaction, the strengthened(weakened)storm track activities induce decreased(increased) Ural blockings and accelerated(decelerated) westerlies, which makes the cold air from the Arctic inhibited(transported) over the Siberian area. Therefore, a weaker(stronger) SH in November(DJ) occurs downstream. Moreover, anomalously large snowfall may intensify the SH in DJ rather than in November. The ensemble-mean results from the CMIP5 historical simulations further confirm these connections. The different responses to Arctic sea ice anomalies in early and middle winter set this study apart from earlier ones.