北半球平流层极涡崩溃过程的动力诊断分析

极地气候变化研究, 特别是极地在气候变化中作用的研究, 现在已经成为国际重要的研究领域, 是2007~2008年开展的“国际气候年”的核心研究问题. 针对以前研究中北半球平流层极涡崩溃时间的分歧, 首先确定了北半球平流层极涡在春季的崩溃时间, 并分析了在平流层极涡崩溃过程中的环流演变和波动活动特征. 分析表明北半球平流层极涡的平均崩溃时间为4月10日左右, 极涡崩溃时间的年际变化比较大, 最早和最晚的崩溃时间跨度达到两个月. 长期趋势表明20世纪90年代以来极涡持续时间增长. 对极涡崩溃异常早年和异常晚年的合成分析显示极涡崩溃过程在早晚年有不同的特征. 极涡崩溃早年, 平流层极涡在3月中旬只有一次快速的衰减过程, 这次过程主要与对流层上传的行星尺度波动异常有关; 而极涡崩溃异常晚年一般有两次衰减过程, 第一次衰减为一次快速过程, 对应有异常的波动活动, 和平流层的爆发性增温有关. 第二次过程则是一次慢过程, 此次过程不伴随异常的波动活动, 主要是非绝热过程起作用. 进一步对极涡崩溃异常早晚年大气低层环流异常的研究表明, 极涡崩溃早晚年低层温度场和位势高度场的异常上有明显不同, 这表明平流层极涡的崩溃伴随有上下层的动力耦合过程.     

冬季强、弱平流层增温事件的发生与春季最后增温事件爆发早晚的联系

利用1958~2012年NCEP-NCAR逐日再分析资料,对平流层冬季强、弱爆发性增温事件(SSW)的发生和春季最后增温事件(SFW)爆发的早晚进行了统计、对比和合成分析.结果表明,冬季SSW事件的强、弱以及发生与否,可关系到后期春季SFW事件爆发的早晚.具体地,在发生(未发生)冬季强SSW事件之后的春季,SFW事件的爆发趋于偏晚(早);而在冬季弱SSW事件之后的春季,出现SFW事件爆发早和爆发晚的几率相当.对比冬季强、弱SSW过程中环流以及行星波活动异常的演变发现,在冬季强SSW事件爆发约30天之后,平流层会出现相反的强极涡(强极夜急流)型异常环流,伴随的行星波活动强度的负异常可持续到SSW爆发后约45天;不同的是,冬季弱SSW事件所伴随的环流异常持续时间短,不存在后期的强极涡型环流异常和行星波活动的显著异常.为了进一步证实冬季强SSW事件的发生对春季SFW事件爆发早晚的可能影响,针对冬季强、弱SSW年以及无增温事件发生的普通年份分别进行了合成分析,平均而言,在有强SSW事件(无SSW事件)发生年的冬季月份,热带外平流层行星波活动异常偏强(弱),极夜急流和平流层极涡异常偏弱(强),但在后期的春季月份,行星波活动则异常偏弱(强),平流层极涡异常偏强(弱).在有冬季弱SSW事件发生年的后期春季,平流层极夜急流以及极涡的强度无显著异常,与气候平均状况接近.     

北半球春季平流层最后增温过程及其年际和年代际变化特征

利用1979～2010年NCEP-DOE 2逐日再分析资料,以北半球春季平流层极夜急流核心纬带(65°～75°N)纬向平均纬向风最后一次转为东风的日期定义为春季平流层最后增温事件(SFW)的爆发日期,研究发现,SFW事件平均在4月中下旬发生,且由平流层高层向低层依次滞后,10 hPa的SFW爆发平均超前50 hPa约13天;爆发当日伴随纬向风场时间变率和行星波辐合的最大值,平流层环流实现由冬向夏的季节转换;过去32年以来SFW的爆发早晚具有显著的年际变化,最早的SFW事件发生在3月中旬,最晚的SFW事件在5月下旬才出现.合成分析表明,SFW爆发偏早(晚)年的春季,纬向风场由西风向东风的转变更为快速(缓慢),爆发前5天至爆发后5天,30 hPa纬向风减小约20 m s-1(5 m s-1),伴随的平流层行星波活动也相对较强(弱);表现在环流异常场上,SFW爆发前后平流层极区环流异常呈反(同)位相分布,表明发生较早的SFW事件主要受波强迫驱动而伴随爆发性增温,而发生较晚的SFW事件则更反映了极涡的季节变化特征.无论SFW偏早还是偏晚年,爆发后极区平流层与对流层温度异常之间均呈反位相关系,反映了SFW爆发事件中的平流层-对流层动力耦合特征.另外,在20世纪90年代中期前后,SFW爆发日期还存在明显的年代际转折,90年代中期之前SFW平均发生日期较之后约偏早11天;与之相联系的是冬末、春初行星波活动在90年代中期之前偏强,而在90年代中期之后有偏弱趋势.     

冬季太阳11年周期活动对大气环流的影响

利用气象场的再分析资料和太阳辐射活动资料,对太阳11年周期活动影响北半球冬季(11月~3月)大气环流的过程进行了统计分析和动力学诊断.根据赤道平流层纬向风准两年振荡(QBO)的东、西风状态对太阳活动效应进行了分类讨论,结果表明：东风态QBO时,太阳活动效应主要集中在赤道平流层中、高层和南半球平流层,强太阳活动时增强的紫外辐射加热了赤道地区的臭氧层,造成平流层低纬明显增温,同时加强了南半球的Brewer-Dobson(B-D)环流,引起南极高纬平流层温度增加;而北半球中高纬的环流主要受行星波的影响,太阳活动影响很小.西风态QBO时,太阳活动效应在北半球更为重要,初冬时强太阳活动除了加热赤道地区臭氧层外,还抑制了北半球的B-D环流,造成赤道平流层温度增加和纬向风梯度在垂直方向的变化,从而改变了对流层两支行星波波导的强度;冬末时在太阳活动调制下,行星波向极波导增强,B-D环流逐渐恢复,造成北半球极地平流层明显增温,同时伴随着赤道区域温度的下降.     

2009/2010年冬季北极涛动异常及其影响分析

2009/2010年冬季出现了持续的北极涛动（AO）负异常,同时北半球的天气气候也发生了大范围的异常,两者的关系是大家极为关注的重要问题.本文的分析表明2009/2010年冬季北半球经历了两次显著的AO负异常过程,2009年12月和2010年2月AO指数分别达到了同期历史的最低值.2009年12月的AO负异常过程又可以又分为两个阶段,第一个阶段是由于前期行星波上传的增强导致平流层极涡减弱,随后平流层环流异常向下发展造成了对流层的AO负异常;第二个阶段是因为对流层低层高纬地区的温度正异常维持了第一个阶段在对流层高纬地区的位势高度正异常,使得AO负异常得以较长时间维持,这两个阶段的接连发生和共同作用使得对流层低层经历了一个较强的AO负异常过程.而2010年2月的AO负异常过程则是由平流层爆发性增温所造成的平流层异常环流下传造成的.通过对历史上11个AO负异常事件的统计分析,可以认为AO负异常事件可能由平流层爆发性增温以及平流层极区弱的环流异常下传造成,也可能来源于对流层内部的动力过程.进一步研究表明,2009/2010年冬季持续的极端AO负异常与该冬季北半球大范围的温度和降水异常有密切联系,关注AO异常及其影响是天气预报、气候预测的重要问题.     

平流层爆发性增温对中国天气气候的影响 及其在ENSO影响中的作用

本文通过分析1957~2002年平流层爆发性增温(SSW)的环流特征,研究平流层爆发性增温可能对我国天气气候的影响.平流层爆发性增温发生后平流层高纬地区有异常的环流变化,但是这种变化并不仅局限于平流层内部,其产生的环流异常能够向下传播,并对对流层的天气和气候产生影响.研究发现,平流层出现强爆发性增温后,平流层异常温度场和位势高度场在中、高纬度形成AO型振荡并向下传播,使得对流层低层西伯利亚高压增强、阿留申低压加深,500 hPa东亚大槽加深且偏西,导致东亚冬季风增强,我国北部大部分地区气温偏低.而在爆发性增温前,强行星波扰动使得东亚大槽加深,西伯利亚高压和阿留申低压同时增强,也可能导致东亚冬季风偏强.El Nio可能激发出强行星波,有利于强SSW事件的发生.通过上述的两个过程可能造成东亚冬季风的加强,这将会对"El Nio事件通过对流层过程而引起东亚冬季风减弱"的结论有一定影响. 因此,ENSO事件影响东亚冬季风及中国的天气气候存在不止一种途径,具体影响情况应该是几种途径的综合结果.     

南亚高压区Rossby波能量向上穿越对流层顶传播的特征与机制

夏季平流层盛行强东风,Rossby波能量难以从对流层向上传播至平流层,而冬季平流层盛行西风,Rossby波能量容易上传,因此以往对Rossby波能量向平流层传播的研究多考虑冬季的情况.而事实上,因为夏季高原上空南亚高压反气旋环流,并非只有强东风存在,所以Rossby波能量也可能在南亚高压区向上传播,从而影响平流层的温度、风场及大气成分等.因此,本文利用ERA-interim逐日再分析资料,分析了1979—2015年夏季南亚高压区Rossby波能量穿越对流层顶传播的特征与机制.结果表明:Rossby波能量可以从南亚高压西北部的窗口区上传至平流层,最高可到达平流层顶,而在南亚高压的其他部分,Rossby波能量均不能穿越对流层顶上传或穿越对流层顶后无法继续上传.南亚高压西北区Rossby波能量可以穿越对流层顶传播的原因是盛行西风,且西风急流出现的频率很小,同时涡动热量通量异常引起的垂直分量的第一项对其上传有很大贡献.南亚高压东北区也盛行西风,然而Rossby波能量不能向上穿越对流层顶的原因是强西风出现频率较高,且温度脊与高度脊位相相近,不利于上传.南亚高压南部均盛行东风,在平流层中下层均为稳定层结,因此Rossby波能量很难上传.南亚高压西南区在对流层位于青藏高原环流的伊朗高原下沉区附近,层结稳定,并且温度脊超前于高度脊,所以Rossby波能量很难上传.而南亚高压东南区在对流层位于南海-西太平洋热带幅合带,层结不稳定,存在Rossby波能量较弱的上传,达到对流层顶后无法继续上传,该区域温度脊落后于高度脊的温压场配置也为Rossby波能量在对流层内的传播提供了条件.     

2003-2011年平流层顶抬升事件的SABER/TIMED观测

利用2003-2011年的SABER/TIMED温度数据观测发现,在2006年、2009年和2010年北半球高纬（70°N）的冬季（1-3月）发生了“平流层顶抬升”.在这3次事件中,1月末-2月初的~50 km和~80 km高度处分别出现了温度的极大值~260 K和~230 K,即平流层顶的高度突然由原来的50 km左右上升至80 km左右,这就是平流层顶抬升事件;随着时间的推移,抬升的平流层顶的高度逐渐下降直至恢复到原有位置,与此同时其温度由~230 K上升至~260 K.值得注意的是,虽然在极区的每年冬天都发生平流层突然增温事件,但是只在伴随着极涡分裂的平流层突然增温事件后出现平流层顶抬升.此外,在发生平流层顶抬升事件的冬季里,高纬的重力波活动在1月末-2月初的~80 km高度处突然增强,对应着平流层顶的抬升时间和高度;在2月份之后,重力波活动在75 km以下逐渐增强、在75 km以上逐渐减弱,同时抬升的平流层顶也不断下降.通过重力波活动与平流层顶抬升事件的相关性分析,表明重力波活动可能对平流层顶的抬升有重要影响.     

Madden-Julian振荡对北半球冬季中间层影响的动力学过程

本研究揭示了北半球冬季Madden-Julian振荡(MJO)对北半球中间层大气的作用.卫星观测和数值模式模拟的结果表明,北半球高纬度中间层大气在MJO第4相位后约35天显著降温,这一现象滞后MJO引起的高平流层扰动约10天.在中纬度,向上传播的行星波增强还导致了中间层温度在滞后MJO第4相位25天左右时出现1波结构的温度异常. MJO引起的异常行星波可以调制平流层顶-低中间层区域纬向西风在MJO第4相位后约30天减弱.同时,由于重力波的临界层滤波机制,减弱的西风会引起中间层的气候平均西向重力波减弱.受到行星波和重力波变化的共同作用,中间层的经向环流在MJO第4相位滞后约35天显著减弱,并导致极区中间层降温.     

Hadley环流的年际和年代际变化特征及其与热带海温的关系

利用NCEP/NCAR再分析风场资料和NOAA海表温度(SST)资料，分析了冬、夏季Hadley环流的变化特征及其与热带海温在年际、年代际尺度上的关系. 结果表明，冬季北半球Hadley环流强度具有明显的年际和年代际变化，同时还呈现出明显的增强趋势. 伴随着Hadley环流的加强，环流中心位置南移，高度上升；夏季南半球Hadley环流变化主要表现为强、弱、强的年代际振动，没有明显的线性趋势. 研究还显示冬季Hadley环流与Nino3区SST正相关，这种相关性具有年代际变化特征. 年际尺度上，冬季北半球Hadley环流与Nino3区SST正相关；夏季南半球Hadley环流与Nino3区SST负相关，即当赤道中东太平洋SST异常偏暖(冷)时，冬、夏季Hadley环流变强(弱).     

Dynamical diagnosis of the breakup of the stratospheric polar vortex in the Northern Hemisphere

The research on climate change in polar regions, especially on the role of polar in the global climate system, has gain unprecedented level of interest. It has been the key scientific issue of the International Polar Year program (IPY, 2007―2008). In this paper, we dealt with the debate upon the breakup time of the stratospheric polar vortex in boreal spring. An observational study of the relation between strato- spheric polar vortex breakup and the extra-tropical circulation was performed. The mean breakup date―when the winter westerly at the core of polar jet turns to summer easterly―is about April 10. The breakup time has large interannual variation with a time span of about 2 months. It also has a long-term trend with the 1990s and 2000s witnessing more and more late breakups of polar vortex. Composite of wind speed at the core of polar jet for the extremely early and late breakup years shows that late years have two periods of westerly weakening while early breakup years have only one. The first weakening in the late years happens in middle January with wind speed dropping sharply from more than 40 m s?1 to about 15 m s?1. This is accompanied with anomalous activities of planetary waves in both strato- sphere and troposphere; while the second weakening in the late breaking years is mainly the results of diabatic heating with very weak wave activities. In early breakup years, the transition from westerly to easterly is rapid with wind speed dropping from more than 30 m s?1 to less than ?10 m s?1 within a month. This evolution is associated with a strong bidirectional dynamical coupling of the stratosphere and troposphere. The circulation anomalies at low troposphere are also analyzed in the extremely early and late breakup years. It shows that there are significant differences between the two kinds of extreme years in the geopotential height and temperature composite analysis, indicating the dynamical cou- pling of stratosphere and troposphere with the evolution of stratospheric polar vortex.     

Influence of wave activity on the composition of the polar stratosphere

The planetary wave impact on the polar vortex stability, polar stratosphere temperature, and content of ozone and other gases was simulated with the global chemical–climatic model of the lower and middle atmosphere. It was found that the planetary waves propagating from the troposphere into the stratosphere differently affect the gas content of the Arctic and Antarctic stratosphere. In the Arctic region, the degree of wave activity critically affects the polar vortex formation, the appearance of polar stratospheric clouds, the halogen activation on their surface, and ozone anomaly formation. Ozone anomalies in the Arctic region as a rule are not formed at high wave activity and can be registered at low activity. In the Antarctic Regions, wave activity affects the stability of polar vortex and the depth of ozone holes, which are formed at almost any wave activity, and the minimal ozone values depend on the strong or weak wave activity that is registered in specific years.     

南半球环流异常与长江中下游夏季旱涝的关系

本文对长江中下游夏季旱涝年前期（3、4、5月的季节平均）和同期（6、7、8月的季节平均）的南半球环流作对比分析，探讨南半球环流异常与长江中下游夏季旱涝的关系. 结果表明前期和同期南半球环流均有显著差异，春季南极涛动对长江中下游旱涝的影响较夏季显著，南半球副热带高压在春、夏两季中有很好季节持续性. 因此，春季南半球环流异常可以作为长江中下游夏季旱涝主要短期气候预测因子. 南、北半球中高纬环流相互作用是长江中下游夏季降水的一个重要因素，其可能的联系机制是从南半球高纬到北半球东亚沿岸经向分布的正压遥相关. 研究中还发现在长江中下游的涝年，整个对流层中南半球春、夏两季有持续增温，这说明了南北半球的温度梯度减弱也是东亚夏季风减弱的原因之一.     

近60年全球大气环流经向模态的气候变化

本文根据1948～2004年NCEP/NCAR 1000 hPa、500 hPa、100 hPa高度场逐月再分析资料，分析了近60年全球大气环流经向模态的气候变化. 结果表明：近60年来第一模态从低层到高层都表现出高纬与低纬地区之间明显的反向变化关系，且随时间有明显的增强趋势. 第一模态位相发生了相反的改变，低纬地区由负距平演变为正距平，高纬地区由正距平演变为负距平. 1000 hPa和500 hPa高度场上的南半球比北半球变化激烈，而100 hPa高度场上的北半球比南半球变化激烈. 第二模态在1000 hPa高度场上，主要表现为南极涛动（AAO）和北极涛动(AO)，且两涛动在年际、年代际尺度上表现出明显的负相关关系；在100 hPa高度场上，主要表现为南北半球高纬度地区之间的反向变化；500 hPa高度场是1000 hPa和100 hPa的一个过渡层次，主要表现出明显的南极涛动(AAO). 第二模态可能是南北半球中高纬环流相互作用的桥梁.     

全球纬向平均大气环流基本模态年代际变化的凝聚小波分析

应用1871-2008年NCEP／NCAR月平均再分析资料,研究了1948-2008年期间全球纬向平均大气环流基本模态的年代际变化.小波凝聚谱的结果表明全球纬向平均大气环流基本模态存在显著的20年左右周期的年代际变化.小波凝聚位相的结果清楚地显示了纬向平均大气环流基本模态的变化顺序.在20年左右的年代际变化时间尺度上,全球纬向平均温度超前纬向平均位势高度2个月,同时超前纬向平均流10个月出现变化;全球纬向平均位势高度又超前纬向平均流8个月出现变化.全球温度上升(下降), 将使高纬度的纬向平均位势高度降低(升高),中低纬度的纬向平均位势高度升高(降低);进而使得中高纬和热带的纬向平均西风加(减)速或东风减(加)速,同时使极地和副热带的西风减(加)速或东风加(减)速.20世纪70年代末期以来全球显著增暖的异常信号最早出现在南半球对流层顶附近,其次出现在南半球对流层低层、北半球对流层顶附近和北半球对流层低层.     

The boreal spring stratospheric final warming and its interannual and interdecadal variability

Based on the daily NCEP/DOE reanalysis II data,dates of the boreal spring Stratospheric Final Warming(SFW) events during 1979–2010 are defined as the time when the zonal-mean zonal wind at the central latitudes(65°–75°N) of the westerly polar jet drops below zero and never recovers until the subsequent autumn.It is found that the SFW events occur successively from the mid to the lower stratosphere and averagely from the mid to late April with a temporal lag of about 13 days from 10 to 50 hPa.Over the past 32 years,the earliest SFW occurs in mid March whereas the latest SFW happens in late May,showing a clear interannual variability of the time of SFW.Accompanying the SFW onset,the stratospheric circulation transits from a winter dynamical regime to a summertime state,and the maximum negative tendency of zonal wind and the strongest convergence of planetary-wave are observed.Composite results show that the early/late SFW events in boreal spring correspond to a quicker/slower transition of the stratospheric circulation,with the zonal-mean zonal wind reducing about 20/5 m s-1 at 30 hPa within 10 days around the onset date.Meanwhile,the planetary wave activities are relatively strong/weak associating with an out-of-/in-phase circumpolar circulation anomaly before and after the SFW events in the stratosphere.All these results indicate that,the earlier breakdown of the stratospheric polar vortex(SPV),as for the winter stratospheric sudden warming(SSW) events is driven mainly by wave forcing;and in contrast,the later breakdown of the SPV exhibits more characteristics of its seasonal evolution.Nevertheless,after the breakdown of SPV,the polar temperature anomalies always exhibit an out-of-phase relationship between the stratosphere and the troposphere for both the early and late SFW events,which implies an intimate stratosphere–troposphere dynamical coupling in spring.In addition,there exists a remarkable interdecadal change of the onset time of SFW in the mid 1990s.On average,the SFW onset time before the mid 1990s is 11 days earlier than that afterwards,corresponding to the increased/decreased planetary wave activities in late winter-early spring before/after the 1990s.     

Solar cycle changes to planetary wave propagation and their influence on the middle atmosphere circulation

Recent observations suggest that there may be a causal relationship between solar activity and the strength of the winter Northern Hemisphere circulation in the stratosphere. A three-dimensional model of the atmosphere between 10–140 km was developed to assess the influence of solar minimum and solar maximum conditions on the propagation of planetary waves and the subsequent changes to the circulation of the stratosphere. Ultraviolet heating in the middle atmosphere was kept constant in order to emphasise the importance of non-linear dynamical coupling. A realistic thermo-sphere was achieved by relaxing the upper layers to the MSIS-90 empirical temperature model. In the summer hemisphere, strong radiative damping prevents significant dynamical coupling from taking place. Within the dynamically controlled winter hemisphere, small perturbations are reinforced over long periods of time, resulting in systematic changes to the stratospheric circulation. The winter vortex was significantly weakened during solar maximum and western phase of the quasi-biennial oscillation, in accordance with reported 30 mb geopotential height and total ozone measurements.     

夏季东北亚阻塞高压年际变化的一个物理机制

根据实际观测资料反演获得描述大气环流演变的空间谱函数后，从改进的高截断谱模式途径出发研究了夏季东北亚阻塞高压年际变化的物理机制.结果表明，前期外部热源强迫的空间分布大致为El Nio型分布时，外部热力强迫导致大气环流演变中波波相互作用主要表现为纬向2波的相互作用；波流相互作用主要表现为经向2波和3波与反映基本流中的经向1波的相互作用.这样使得500 hPa高度场上东北亚地区为一相对正异常区，为夏季东北亚阻塞的频繁发生提供了有利的大气环流背景.而前期外部热源强迫大致为La Nia型分布时，外部热力强迫则导致大气环流演变中波波相互作用主要表现为纬向1波的相互作用；波流相互作用主要表现为经向2波和4波与反映基本流中的经向2波的相互作用.从而使得500 hPa高度场上帆北亚地区出现相对负异常，抑制了夏季东北亚阻塞的发生.     

Teleconnections between the rainfall over Northeast Brazil and the winter circulation of Northern Hemisphere

Linear correlation coefficients are calculated between the geopotential heights for the winter months (December, January, and February) at 700 mb in the Northern Hemisphere and the March rainfall over Northeast Brazil. Isolines of correlation coefficients showed interesting patterns and regions of significantly high correlation. The occurrence of PNA pattern is interpreted as a connection between the Northern Hemisphere winter circulation and NE Brazil rainfall through El Niño—Southern oscillation phenomena. The negative center over North-West United States in the PNA pattern also has a direct relationship to the NE Brazil rainfall. Further studies are needed to substantiate and understand the teleconnections noted here.