Fast responses of Northern Hemisphere winter daily circulation to anthropogenic aerosols

Anthropogenic aerosols (AA) have significantly caused anomalous winter mean atmospheric circulation over the Northern Hemisphere, but the main daily patterns of winter large-scale circulation change are not well understood. Here a self-organizing map analysis is applied to identify the leading patterns in AA-induced winter daily geopotential height (Z) anomaly fields simulated by three atmospheric general circulation models, with a focus on fast adjustments. Two winter daily circulation response patterns with a synoptic time scale are found: one pattern shows concurring Z anomalies over North America and North Asia with the same sign and the Bering Sea seeing the opposite, resembling the Asia–Bering–North American teleconnection; while the other is the Arctic Oscillation-like pattern with similar Z anomalies over North Pacific and North Atlantic and the opposite over the Arctic region. The AA-induced anomalous precipitation over the tropics and anomalous synoptic eddy activities over the extratropical oceans concur to support and maintain these circulation anomaly patterns. The winter-mean climate responses to AA can be understood as a result of these daily anomaly patterns, especially over the higher latitudes. Specifically, the associated changes in surface air temperature (SAT) over the mid-high latitudes are caused by the AA-driven meridional movements of polar (cold and dry) airmass and midlatitude (warm and moist) airmass in the regions, mainly through the relevant surface downward longwave radiation. This study highlights the role of AA in altering daily weather patterns, which is not sufficiently captured by seasonal mean responses.     

2011年9月大气环流和天气分析

2011年9月大气环流主要特征如下：极涡呈单极型,中心略偏向西半球,中高纬度环流呈5波形分布,槽区分别位于北太平洋东北部、北美洲东部、北大西洋北部、欧洲东部、亚洲东北部。北太平洋东北部上空500 hPa高度场上有160 gpm的负距平。西北太平洋副热带高压面积较常年同期偏小,强度偏弱,西脊点位置偏东,脊线偏北。2011年9月全国平均气温16.4℃,比常年同期（16.0℃）偏高0.4℃;全国降水量为65.0 mm,接近常年同期（65.3 mm）。月内出现了3次较明显的冷空气过程和7次降水过程,有7个台风生成,其中＂纳沙＂登陆我国,造成重大灾害。     

北极海冰融化影响东亚冬季天气和气候的研究进展以及学术争论焦点问题

北极历来是影响东亚冬季天气、气候的关键区域之一。北极表面增暖要比全球平均快2~3倍,即所谓北极的放大效应。随着全球增暖的持续以及北极海冰的持续融化,北极的生态环境正在发生显著的变化,进而可能对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。本文概述了有关北极海冰融化影响冬季东亚天气、气候的主要研究进展,特别是自2000年以来,北极海冰异常偏少影响东亚冬季气候变率以及极端严寒事件的可能途径、存在的科学问题,以及学术界的争论焦点。秋、冬季节是北极海冰快速形成时期,此时北极海冰对大气环流的影响要强于大气对海冰的影响。近二十年来的研究结果表明,北极海冰异常偏少,不仅影响北冰洋局地的气温和降水变化,而且通过复杂的相互作用和反馈过程,对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。北极海冰通过以下两个可能机制来影响东亚冬季的天气、气候:（1）北极海冰的负反馈机制;（2）由海冰异常偏少引起的平流层-对流层相互作用机制。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,特别是,巴伦支海-喀拉海海冰异常偏少,既可以加强冬季西伯利亚高压（东亚冬季风偏强）,也可以导致冬季风偏弱。导致海冰影响不确定性的部分原因是:（1）夏季北极大气环流状态影响北极海冰异常偏少对冬季大气环流的反馈效果;（2）冬季大气环流对北极海冰异常偏少响应的位置、强度不同造成的。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,在适宜的条件下（例如,前期夏季北极大气环流的热力和动力条件,有利于加强北极海冰偏少对冬季大气的反馈作用）,可以激发出有利于冬季亚洲大陆极端严寒过程的大气环流异常。目前学术界争论焦点主要集中在以下两个方面:（1）关于北极增暖、北极海冰融化对中纬度区域影响的争论;（2）关于1980年代后期以来,冬季欧亚大陆表面气温呈现降温趋势的原因。目前,有关北极海冰融化影响冬季欧亚大陆次季节变化以及极端天气、气候事件的过程和机制,我们认知非常有限,亟需开展深入细致的研究。     

地形对大气环流影响的数值试验

本文利用北半球正压原始方程模式和理想初始场，加入北半球实际的平滑地形的作用，对北半球超长波2波型、3波型、长波4波型、5波型，分别进行了240小时的积分计算。从考虑地形和不考虑地形的四组结果对比中，发现地形对上述四种波型的演变有很大的影响，证实了地形作用确系影响大气环流、形成某些天气气候特征的重要因素之一；同时发现，在地形的动力作用下，北半球大气形成了一些重要的环流系统。例如，极涡向北欧偏移，东亚、北美大槽和阿拉斯加脊的维持，都与地形有密切关系。在地形作用下:（1）北太平洋西槽东脊，而北大西洋西脊东槽。（2）阻塞和切断形势的出现更为频繁、典型。（3）在欧亚大陆上，m=4时出现倒Ω流型，而m=5时，出现两槽一脊型。     

1994年北半球环流特征及其影响

１９９４年北半球主要环流特征表现为：５００ｈＰａ副高明显偏强西伸，盛夏位置异常偏北；欧亚地区盛行伟向环流，北半球极涡向极地收缩，强度偏弱；盛夏东亚中纬地区维持稳定的高压脊，西风带锋区位置偏北；夏季１００ｈＰａ南亚高压强度偏强、位置偏北、东伸明显；热带海洋出现明显异常，一次新的厄尔尼诺事件形成。北半球大气环流和热带海洋的异常对我国天气气候产生了明显影响。     

2018年7月北半球极端天气气候事件及环流特征分析

2018年7月北半球天气气候显著异常,极端事件高发。欧洲、北非、东亚以及北美的大部分地区均遭受严重的高温热浪侵袭;印度、东南亚、中国西南部以及日本西部等地出现极端降水;西太平洋台风活动异常活跃,移动路径偏北。初步诊断表明,北半球中高纬度,由低层到高层稳定维持的异常高压系统是导致北半球中高纬度大部分地区高温热浪持续发生的直接原因。其中异常偏强、偏北的副热带高压,以及增强、东伸的南亚高压与东亚地区持续高温和极端降水事件直接相关;低层菲律宾周围异常活跃的对流活动和强盛的西南水汽输送共同导致南亚、东南亚地区极端降水发生。热带太平洋大部分地区偏暖的海温条件和菲律宾附近异常气旋性环流则与异常活跃的台风活动有关。更需要关注的是,北半球尤其是东亚地区大气环流的异常主要受海洋表面热力状况以及其他区域大气环流遥相关的影响。     

Arctic sea ice and Eurasian climate: A review

The Arctic plays a fundamental role in the climate system and has shown significant climate change in recent decades,including the Arctic warming and decline of Arctic sea-ice extent and thickness. In contrast to the Arctic warming and reduction of Arctic sea ice, Europe, East Asia and North America have experienced anomalously cold conditions, with record snowfall during recent years. In this paper, we review current understanding of the sea-ice impacts on the Eurasian climate.Paleo, observational and modelling studies are covered to summarize several major themes, including: the variability of Arctic sea ice and its controls; the likely causes and apparent impacts of the Arctic sea-ice decline during the satellite era,as well as past and projected future impacts and trends; the links and feedback mechanisms between the Arctic sea ice and the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation, the recent Eurasian cooling, winter atmospheric circulation, summer precipitation in East Asia, spring snowfall over Eurasia, East Asian winter monsoon, and midlatitude extreme weather; and the remote climate response(e.g., atmospheric circulation, air temperature) to changes in Arctic sea ice. We conclude with a brief summary and suggestions for future research.     

经圈环流对定常波传播的影响

在一般斜压大气中，基本气流中包含经圈环流时，定常波传播不仅能穿过东风带，而且明显增强。在基流含有经圈环流的情况下，北半球中纬度地形强迫可引起低纬大气的显著响应，这表明经圈环流在中低纬定常响应的相互联系中起着重要作用；北半球中纬度热力强迫可产生类似北半球夏季季风环流的波列分布，这说明经圈环流在夏季季风环流的形成中起着一定的作用；在赤道东太平洋加热强迫情况下，在冬半球可引起ＰＮＡ型的定常波传播波列，而在夏半球却没有明显的ＰＮＡ特征。这表明经圈环流对冬、夏半球的定常波传播路径有着显著的影响。     

南亚高压活动特征及其天气气候影响研究进展

南亚高压是夏季亚洲南部对流层上层和平流层底层的一个强大而稳定的大气活动中心,是副热带高压系统中的一个重要成员,它与夏季北半球大气环流和亚洲区域天气气候关系密切.关于南亚高压的研究,气象学者进行了很多研究工作,取得一些开创性成果,并逐渐认识到南亚高压的演变对北半球及我国天气气候的重要性.通过总结南亚高压的形成原因、结构,季节变化、年际变化、东西振荡及其对我国天气、气候的影响等方面的研究成果,简要回顾了近几十年极涡的研究及其与南亚高压的一些初步关系,指出这两个系统之间的相互作用、变化规律和异常特征存在的具体关系,是一个研究较少的重要问题,应加强这方面的研究.     

Quantifying the Spatial Characteristics of the Moisture Transport Affecting Precipitation Seasonality and Recycling Variability in Central Asia

Moisture contribution and transport pathways for Central Asia(CA)are quantitatively examined using the Lagrangian water cycle model based on reanalysis and observational data to explain the precipitation seasonality and the moisture transport variation during 1979-2015.Westerly-related(northwesterly and westerly)transport explains 42%of CA precipitation and dominates in southwest CA,where precipitation is greatest in the cold season.Southeast CA,including part of Northwest China,experiences its maximum precipitation in the warm season and is solely dominated by southerly transport,which explains about 48%of CA precipitation.The remaining 10%of CA precipitation is explained by northerly transport,which steadily impacts north CA and causes a maximum in precipitation in the warm season.Most CA areas are exposed to seasonally varying moisture transport,except for southeast and north CA,which are impacted by southerly and northerly transport year-round.In general,the midlatitude westerlies-driven transport and the Indian monsoon-driven southerly-related transport explain most of the spatial differences in precipitation seasonality over CA.Moreover,the contribution ratio of local evaporation in CA to precipitation exhibits significant interdecadal variability and a meridionally oriented tripole of moisture transport anomalies.Since the early 2000s,CA has experienced a decade of anomalously low local moisture contribution,which seems jointly determined by the weakened moisture contribution from midlatitudes(the Atlantic,Europe,and CA itself)and the enhanced contribution from high latitudes(West Siberia and the Arctic)and tropical areas(South Asia and the Indian Ocean).     

下边界条件对北极涛动影响的数值模拟研究

利用NCAR大气模式CAM3.0探讨了包括山脉和海陆分布等下边界条件对北极涛动(AO)或北半球环状模(NAM)形成的影响.主要进行了控制试验和两个地形敏感性数值试验,对比了控制试验结果与资料分析结果.控制试验和NCEP/NCAR资料分析结果对比指出,CAM3.0模式能够较好地模拟出AO的水平环状结构和垂直相当正压结构.在去除山脉的敏感性试验中发现,AO中纬度北太平洋和北大西洋两个活动中心的强度、范围和位置发生变化.在水球敏感性试验中发现,AO两个大洋上的活动中心被环绕极地主活动中心的环状结构代替.两个敏感性试验共同表明,AO是大气内部某种过程作用的结果,它的存在本身不取决于下边界条件的改变.山脉和海陆分布主要影响的是AO的具体形态.通过控制试验和两个敏感性试验对比,又分析了准定常波和瞬变波对AO的影响.去除山脉和海陆分布热力差异共同强迫的准定常波,AO纬向平均纬向风高纬地区平流层异常最大值活动中心消失,这表明在平流层准定常波和纬向平均流的相互作用与AO活动关系密切.在只有对流层瞬变波作用时,AO仍然存在,表明准定常波不是AO存在的必要条件.平流层准定常波与平均流的相互作用和对流层瞬变波与平均流的相互作用与AO形成之间的具体关系有待通过E-P通量诊断进一步确定.     

Dust Storms in North China in 2002： A Case Study of the Low Frequency Oscillation

The low frequency oscillation in both hemispheres and its possible role in the dust weather storm events over North China in 2002 are analyzed as a case study. Results show that the Aleutian Low is linked with the Circumpolar Vortex in the Southern Hemisphere on a 30-60-day oscillation, with a weak Circumpolar Vortex tending to deepen the Aleutian Low which may be helpful for the generation of dust storm events. The possible mechanism behind this is the inter-hemispheric interaction of the mean meridional circulation, with the major variability over East Asia. The zonal mean westerly wind at high latitudes of the Southern Hemisphere in the upper level troposphere may lead that of the Northern Hemisphere, which then impacts the local circulation in the Northern Hemisphere. Thus, the low frequency oscillation teleconnection is one possible linkage in the coupling between the Southern Hemisphere circulation and dust events over North China. However, the interannual variation of the low frequency oscillation is unclear.     

冬季北极喀拉海、巴伦支海海冰面积变化对东亚冬季风的影响

通过大量的数据分析发现,冬季喀拉海、巴伦支海海区是影响东亚以及北半球气候变化的关键区之一,该海区海冰面积变化与大气500 hPa高度场的EU遥相关型以及东亚冬季风强、弱之间存在密切的关系。冬季该海区海冰偏多,则500 hPa高度场容易出现EU遥相关型（日本及西欧500 hPa高度场偏高）,亚洲大陆上的冷高压减弱,而北太平洋海域海平面气压升高,致使东亚冬季风偏弱以及2月份入侵我国的冷空气次数减少;而冬季该海区海冰偏少时,情况正好相反。     

北半球夏季位势高度场遥相关型的观测研究

本文利用点相关普查和经验正交函数展开分析了北半球夏季500hPa位势高度场的年际变化特征,指出在北半球夏季主要存在4种遥相关型,它们分别被称作亚洲/北美型、欧亚型、东北太平洋型和北美/西欧型.其中前两种遥相关型和东亚夏季大气环流年际异常有直接的联系.北半球夏季遥相关型的揭示对于研究东亚大气环流年际变异的机理及其预报有参考价值.     

2000年全球重大气候事件概述

2000年，全球气候仍持续较常年偏暖，赤道中，东太平洋强拉尼娜事件在年初再次达到峰值后，迅速减弱，强拉尼娜事件对全示，特别是对热带地区产生了较大的影响，北半球许多地区冬季出现几十年未有的严寒天气，夏季又出现罕见的热浪袭击，几十年来最严重的高温，干旱困扰合球，而亚洲南部，西欧，南部非洲，南美北部和许多地区暴雨频繁，一些地区遭到了本世纪最严重的洪涝灾害。     

2005年北半球大气环流特征及其对中国气候异常的影响

2005年北半球主要环流特征为，500hPa西太平洋副热带高压较常年明显偏强，位置总体偏西偏北，春季副高位置异常偏西；东亚地区夏季500hPa位势高度距平场上大部地区为正距平分布，贝加尔湖南部为正距平中心。亚洲中纬度经、纬向环流交替出现，冬季经向环流异常发展，造成我国东部地区气温异常偏低；夏李纬向环流发展，同时东亚夏季风偏强，汛期主要雨带位置位于淮河流域。冬、春李热带对流活动减弱，入夏以后迅速加强，台风活动活跃。热带海洋为暖水位相。在海洋和大气环流的共同影响下我国天气气候发生了明显异常。     

Pathways of Influence of the Northern Hemisphere Mid–high Latitudes on East Asian Climate: A Review

This paper reviews recent progress made by Chinese scientists on the pathways of influence of the Northern Hemisphere mid–high latitudes on East Asian climate within the framework of a "coupled oceanic–atmospheric(land–atmospheric or seaice–atmospheric) bridge" and "chain coupled bridge". Four major categories of pathways are concentrated upon, as follows:Pathway A—from North Atlantic to East Asia; Pathway B—from the North Pacific to East Asia; Pathway C—from the Arctic to East Asia; and Pathway D—the synergistic effects of the mid–high latitudes and tropics. In addition, definitions of the terms "combined effect", "synergistic effect" and "antagonistic effect" of two or more factors of influence or processes and their criteria are introduced, so as to objectively investigate those effects in future research.     

河西走廊东部寒潮时空变化特征及典型个例分析

利用1986—2015年河西走廊东部5个气象站逐日气温、大气环流特征量和2016年5月常规天气图和物理量场，分析了河西走廊东部寒潮时空分布及其与大气环流特征量的关系和2016年5月3次寒潮天气过程天气成因。研究表明：河西走廊东部寒潮频次由北向南减少，中部最少；寒潮频次年际差异较大，总体呈下降趋势；寒潮主要出现在1—5月和10—12月，频次站次4月最多，6月最少，春季寒潮频次最多；寒潮最早出现在9月1日（永昌）、最晚出现在6月7日（乌鞘岭）。月寒潮频次与月亚洲、北半球的极涡面积和强度、北极涛动、亚洲经向环流和冷空气指数呈显著正相关，与北半球极涡中心纬向位置和强度、东亚大槽强度、西藏高原1和2指数呈负显著相关，前一月亚洲、北半球极涡面积和强度、北半球极涡中心强度、北极涛动指数对月寒潮预报预测具有良好的指示意义。使用多元回归建立寒潮月频次预报方程，通过了=0.1显著性水平检验。2016年5月3次寒潮天气均与极涡中心偏强有关，前期升温明显、高空强盛冷平流强盛、地面冷高压强烈是造成三次寒潮天气的主要原因，500 hPa横槽转向南压造成的降温幅度比小槽东移更大、影响范围更广。     

平流层异常下传对2009年12月北半球大范围降雪过程的影响

2009年12月北半球中纬度出现大范围持续低温、暴风雪等天气。采用NCEP／NCAR再分析资料研究了平流层AO（Arctic Oscillation,北极涛动）异常信号下传的特征及其对本次极端气候事件的影响,并讨论了与平流层异常信号下传相关的行星波活动。结果表明：1）与此次极端气候事件相联系的负位相A0异常11月首先发生在平流层,维持将近1个月后于12月初开始下传,并且迅速传至地面。12月整个对流层的位势高度及温度在极区附近出现强的正异常,而中纬度地区则为负异常。2）平流层AO异常信号下传后,地面出现有利于低温降雪过程的环流异常。12月上旬,亚洲大陆东部及北美大陆西部出现异常偏北风,造成了俄罗斯、北美西部大面积负的温度异常;12月中下旬,欧洲大陆盛行偏西北气流,同时蒙古高压增强,欧亚大陆北部包括中国北方出现大片负的温度异常。3）在此次极端气候事件之前,北半球高纬度地区有异常强的行星波上传至平流层,导致平流层出现负位相的AO异常,并维持了一个月;随后,上传到平流层的行星波减弱,同时平流层负位相的AO异常迅速传至地面,导致了有利于低温降雪的环流异常。     

近40年5—6月东北亚和北半球其他区域阻塞高压活动特征及其联系

基于美国环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR-Ⅰ）再分析资料,按照国际通行的阻塞高压（阻高）定义,采用计算机自动识别和天气图人工主、客观相结合的检测方法,获得了1979—2018年5月和6月逐日北半球中高纬度阻高活动的无缝隙分布;并利用线性相关和信息流因果关系等统计方法,研究了东北亚（鄂霍次克海）阻高与北半球其他阻高活动区特征及其联系。根据阻高活动集中程度与占北半球活动总天数的百分比,选定8个5月阻高主要活动区和10个6月阻高主要活动区。从统计结果来看,5月北太平洋、北美和乌拉尔山阻高活动占前3位,6月东北亚阻高活动天数跃升第1位。值得注意的是,初夏在贝加尔湖以南、青藏高原以北地区出现了明显的阻塞形势,称为青藏高原北阻高。5月和6月北半球各阻高活动中心集中的纬度分布,自西向东具有“正弦波”特征,其主要活动区引起的同期北半球500 hPa高度场的异常虽不尽相同,但均具有一定的遥相关特征;5月和6月东北亚阻高活动天数的年际变化分量具有明显的相对独立性。5月东北亚阻高是6月贝加尔湖阻高活动年际变化的稳定影响源,是6月青藏高原北阻高活动年际变化的不稳定影响源;唯有5月北太平洋阻高是6月东北亚阻高年际变化的稳定影响源。2019年6月北半球阻高活动异常的区域位于欧洲,达19 d,为气候平均值（7 d）的2.7倍,也是导致欧洲大陆初夏高温的主要影响系统。