北半球夏季对流层顶气压与气温的年(代)际变率与趋势分析

利用NCEP/NCAR再分析月平均资料,研究了1979—2002年夏季全球对流层顶气压和气温的分布特征与变化趋势。选取了夏季北半球对流层顶年(代)际变率最大区域来定义气压指数和气温指数。分析结果表明:(1)全球对流层顶气压和气温在北半球随纬度的增加而增大,在南半球随纬度先增大再减小,而在整个热带地区对流层顶气压和气温的分布则较为均匀。(2)全球平均的对流层顶气压和气温在分析时段内呈减小趋势,但在中高纬度地区对流层顶气压和气温存在大范围增大现象,表明二者的趋势并不是全球一致的。(3)对流层顶年(代)际变率最大值出现在北半球的中纬度地区和南半球的副热带及高纬度地区,最小值则出现在热带地区。气压指数和气温指数显示出准10年和准3～5年周期。     

全球不同纬度带平均有效位能的季节急变

利用1980～1988年ECMWF的资料，计算了对流层500 hPa、300 hPa和平流层100 hPa逐日和月平均的纬向平均有效位能（PZ），分析其季节过渡，比较不同纬度带的季节性急变。结果表明，在4月和10月附近，各纬度带上均可出现PZ的急变。而且用逐日资料还可分析出6月急变。在北半球对流层高层（100 hPa）PZ的季节性急变不如低层（500 hPa）明显，而在南半球PZ的季节性急变与北半球相反，高层比低层明显。     

全球大气位势高度场气候变率的球函数分析

为了研究全球大气位势高度场的气候变率, 利用NCEP/NCAR再分析资料, 按照距平高度场平均强度指数 (I_a) 分析发现, 半球距平高度场强度呈年单周振荡, 冬大夏小, 冬季随高度单调增大, 夏季有弱高、低值中心出现, 而北、南半球的差异明显表现在季节变化上; 进一步根据半球大气位势高度距平场球函数谱低维、低阶的基本特征, 将半球环流异常分为半球均匀异常 ( H ′₀₀)、纬向均匀异常 ( H ′₀)、超长波尺度异常 ( H ′_ul) 和长波尺度异常 ( H ′_l) 4种类型, 用波数域0≤m, k≤6上的球函数系数资料求得它们的方差贡献, 给出了4类异常的方差贡献随高度、季节变化的规律以及它们的半球际差异。由此得到异常环流球函数谱结构的总体特征为:对流、平流层之间存在明显变化。从对流层进入平流层, 一般由超长波异常为主转为纬向均匀异常为主 (冬半球) 或半球均匀为主 (夏半球); 半球均匀异常在对流层中不重要, 长波尺度异常在平流层中不重要, 它们拟合异常方差一般均小于10%; 北、南半球最大差异表现在冬季平流层R′₀₀和冬、夏季对流层R′₀南半球大于北半球, 冬、夏季对流层R′_l北半球大于南半球。     

全球谱模式不同垂直分层对纬向基本气流和行星尺度波动物理量的影响

本文用σ坐标原始方程全球谱模式，对１９７９年１月２３日个例，采用３种不同的垂直分层方案，实行了５天积分，输出了若干模式诊断物理量。发现提高了模式顶高度和增加垂直分辨率的１５层模式，对北半球冬季行星尺度波动的水平感热通量、波数１的振幅强度以及对流层西风急流强度的预报均有明显地改进，与实况符合很好。     

北半球E-P通量分析及其与副热带高压的关系

利用北半球1951－2000年冬季（1月）200hPa,500hPa的月平均资料，计算出E－P通量，并根据平均环流的E－P通量剖面图，研究了北半球冬季在大地形作用下，波动对基本气流的作用，以及波流相互作用下行星波的传播。北半球冬季平均E－P通量的辐合辐散与地形作用形成的大槽大脊相对应，其强度也与槽脊的强度相一致。另外，根据多年夏季（7月）的月平均高度场、风场及降水资料得到E－P通量和副热带高压的关系，进一步得到E－P通量与异常天气的关系。     

气候变暖背景下全球对流层顶高度和温度的分布特征及变化趋势

利用1979年1月—2014年6月ERA-Interim和NCEP再分析月平均资料,计算并分析全球对流层顶高度、温度等物理量的时空变化特征。结果表明:(1)对流层顶高度和温度的空间分布有很强的纬度依赖性,中高纬度地区对流层顶高度和温度变化随纬度变化分布较明显;(2)近36 a来,全球对流层顶高度整体升高(气压下降约1~2 h Pa·(10 a)~(-1)),而对流层顶温度降低(温度下降约0.1℃·(10 a)~(-1));(3)不同季节对流层顶的高度和温度场都有一定的空间结构变化,两者之间存在季节变化的协调性,且北半球较南半球的变化更复杂;(4)通过ERA-Interim资料和NCEP资料的对比,发现基于NCEP资料得到的对流层顶高度比ERA-Interim资料约高1 km,而2种资料的对流层顶温度在赤道、副热带地区比较接近,都稳定在192~200 K之间,但南、北半球中高纬度温度分布明显不同;(5)除北半球中高纬度北美洲和欧洲局部地区外,对流层顶高度的升高与对流层顶温度的下降存在明显的正相关,尤其是热带地区和南半球高纬地区,相关系数超过0.8。     

南半球对流层中部大气环流的若干特点

分析了南半球对流层５００ｈＰａ平均地转西风随纬度的分布特点,平均地转西风季节变化特点,计算分析了南半球位势高度对纬向平均的偏差,分析了超长波的分布特征。以上结果均与北半球同期计算结果作了对比比较,指出了南北半球大气环流的异同点。     

北半球冬季遥相关型环流异常的若干性质

用１９５１－１９８５年间北半球冬季７００，５００，１００ｈＰａ月平均位势高度场，分析了Ｗａｌｌａｃｅ等提出的５个遥相关型所对应的环流异常和它们的性质，发现它们在对流层中下部是相当正压结构，在对流层上部减弱消失，某些遥相关型（如ＥＵ，ＰＮＡ）环流异常存在明显；主要遥相关型环流异常的持续时间约为一个月。     

北半球冬季110°—120°E垂直经向环流的年际变化及其与中国东部同期降水的关系

利用NCEP／NCAR再分析月平均风场资料和中国东部120个站的降水资料,分析了1951--2010年北半球冬季110°-120°E经向环流的气候特征,定义了北半球冬季110°-120°E低纬Hadley环流和中高纬气流强度指数,并分析了其强度的长期变化趋势以及对中国东部同期降水的影响。结果表明：（1）北半球冬季110°-120°E经向环流主要包括低纬Hadley环流和中高纬度从高层到低层较-致的偏北下沉气流。（2）北半球冬季110°-120°EHadley环流和中高纬气流强度有明显的年际和年代际变化,二者在长期变化趋势上表现-致,即在1990年以前呈约20a的振荡周期,且波动更大,而在1990年以后呈约10a的振荡周期,波动相对较小。（3）北半球冬季110°-120°E经向环流强度指数对中国东部同期降水的年际变率具有较高的解释率,二者在统计上呈显著的负相关关系。北半球冬季110°-120°EHadley环流强度和中国东部同期降水相关程度大值区集中在江南、华南及江淮地区,中高纬气流强度和中国东部同期降水相关程度大值区集中在西北、江淮及江南地区。（4）东亚地区冬季经向环流异常的显著差异主要表现在中高纬度反向的异常气流和中低纬度反向异常环流圈的变化。强（弱）经向风年,北半球中高纬度从高层到低层为异常的偏北（南）气流,中低纬度对流层存在顺时针（逆时针）方向闭合的异常经向环流,对应中国东部降水显著减少（增多）。     

南半球西风指数变化与中国夏季降水的关系

根据NCEP/NCAR提供的1950～2007年南半球12～2月、6～8月500 hPa位势高度的月平均再分析资料,采用合成分析方法讨论与中国夏季3类雨型相对应的南半球500 hPa距平高度场的分布特征;运用多变量方差分析方法确定12～2月和6～8月与3类雨型相对应的南半球西风指数波动关键区A;分析关键区A的西风波动与中国夏季降水之间的关系;寻找南、北半球西风相互作用影响中国夏季降水分布的可能途径。分析表明,6～8月与3类雨型相对应的南半球500 hPa距平高度场显示出不同的距平分布形式,并存在显著差异区在（35°N～50°N,35°E～80°E）。12～2月南半球的西风指数变化关键区A在22.5°W～2.5°W,6～8月关键区A在10°E～55°E。南半球关键区A的西风指数强弱变化与中国夏季降水的关系密切,且12~2月南半球的西风波动对北半球夏季关键区的西风环流的变化有预测意义,而前期南半球关键区A的平均西风指数与北半球夏季高度场的显著负相关区在贝加尔湖。南、北半球大气环流经向传播是两半球西风相互作用的可能途径,前期南半球的异常西风使夏季贝加尔湖的平均槽强度变化,进而造成北半球关键区的西风环流异常,从而影响中国夏季雨型的分布。     

北半球大气环流能量循环的气候特征

利用1958—2011年NCEP/NCAR逐日再分析资料,根据Lorenz能量循环理论框架,分析了北半球大气能量循环的年变化特征,在此基础上给出了更具普适性的多年平均的大气能量循环框图.结果表明:北半球大气能量循环的年变化特征十分明显.大气能量及能量转换率均表现为冬季高、夏季低、春秋季过渡的演变特征;纬向平均有效位能、纬向平均动能和涡动动能中有少许能量在冬季时由南半球向北半球进行越赤道输送,夏季时则由北半球向南半球输送,而涡动有效位能的输送方向则与此相反;纬向平均有效位能的制造在秋季最大,涡动有效位能的制造在夏季最大;动能的耗散冬季最强,夏季最弱.就年平均而言,相较于能量转化过程,能量越赤道交换过程非常微弱.在经向上,纬向平均有效位能主要分布于高纬地区,纬向平均动能主要分布于中低纬地区,而涡动能量主要贮存在中纬和高纬地区;此外,能量转化过程一般在中纬度地区较活跃.     

涡动在南北半球平流层极涡崩溃过程中作用的比较

比较了南北半球春季平流层极涡的崩溃过程以及涡动在此崩溃过程中的作用。极涡的崩溃时间以平流层极夜急流核区最后一次西风转换为东风的时间来确定。结果表明南北半球平流层极涡的崩溃过程有着共同的特点,涡动和非绝热加热过程都对极涡的崩溃起着重要的作用,在极涡崩溃前平流层行星尺度波动活动明显,极涡崩溃以后,这种波动活动便迅速减弱。其中从对流层上传的行星波决定着极涡的具体崩溃时间。两个半球的差别主要表现在南半球极涡崩溃过程一般始于平流层高层,然后逐渐下传,而北半球这种下传不是很明显。其次,北半球平流层极涡崩溃偏晚年,极涡的减弱有两次过程,第一次为快速变化过程,第二次变化比较缓慢,而南半球平流层极涡崩溃无论早晚年只有一次减弱过程。长期的变化趋势分析表明南北半球平流层极涡的崩溃时间逐渐推迟,特别是20世纪90年代中后期以来,这种推迟更加明显。进一步的研究还发现,伴随着平流层极涡的崩溃过程平流层和对流层存在强烈的动力耦合,南北半球极涡迅速减弱前,各自半球的环状模指数也由负指数增加为正指数,表明低层环流对于平流层极涡的崩溃起到重要的作用;同时极涡不同强度所对应的低层环状模指数也不同,这可能与不同强度平流层极涡对于上传的行星波的反射有关。     

北极涡活动对我国同期及后期气温的影响

利用NCEP／NCAR1950-2002年500hPa月平均再分析高度场资料计算出北半球及各分区的月平均极涡面积、强度，讨论了它们与我国气温的相关。结果表明：北半球500hPa年平均和4季的极涡面积大小与我国多数站点同期气温呈负相关，尤其在年平均及冬季状况下最显著，1-12月极涡面积与气温的负相关呈由减弱到增强的变化趋势；而极涡强度与我国同期气温的相关性相对较弱，在秋冬季不少地区出现正相关，1-12月极涡强度与气温负相关性的变化趋势是由增强到减弱。利用奇异值分解研究极涡对后期我国气温的影响后发现，极涡指数与后期我国气温呈负相关，但不同季节差异较大。当冬季Ⅳ区极涡面积显著缩小、北半球极涡总强度明显增强时，长江中下游以北及东北地区下一年春季气温通常上升；春季Ⅰ区极涡面积、强度异常偏大，则夏季华南沿海、西南及河套地区气温比常年偏低；若春季北半球极涡强度减弱、夏季亚洲区极涡面积收缩，则其后的秋季华北气温相对较高。     

对流层及平流层低层全球动能的季节性急变

利用１９８０－１９８８年ＥＣＭＷＦ的资料，分析对流层５００ｈＰａ，３００ｈＰａ和平流层低层１００ｈＰａ全球范围的纬向平均动能和涡动动能的季节过渡，比较不同层次不同纬度带动能模态的季节性急变，得到如下结论：（１）北半球热带与温带各层次的ＫＺ都有季节性急变，发生在３－４月和１０月附近，而南半球仅在热带有急变。（２）北半球热带地区ＫＺ在６月还有一次季节性急变，出现有１００ｈＰａ和５００ｈＰａ．（３）１０     

南半球气流的气候特征

依据几十年的船舶和陆基观测资料而得到的网格点上的平均地面地转风,来估算南半球月平均地面流线。在南半球已确认有4个年气流源地。在南半球冬季的7个月期间,澳大利亚是第5个气流源地区域。北半球的气流流到南半球(夏季)的热带辐合带处。在平均年份中,南半球空气来自上述4个年气流源地的占46％,太平洋贡献最大(20％),其次是印度洋(12％)、大西洋(9％)和南极洲(5％)。最常见的汇流带有4条。     

典型旱涝年环流的旬平均和旬距平特征

利用ＥＣＭＷＦ高度场资料，详细分析了１９８５年和１９９１年５月主要季风环流系统的旬平均和旬距平特征。结果表明，５月名旬，旱涝年的主要季风系统的位置和强度有明显差异。并指出夏季降水的异常，不仅与５月各旬北半球的南亚高压，极涡，西太平洋副高等系统的活动异常有关，而且与南半球的澳大利亚冷高，马斯克林高压的强弱有关，甚至与南半球中高纬环流的经向度大小也有联系。     

冬夏月平均及不同指数环流的E─P通量

利用欧洲中心１９８０年和１９８２年北半球７层客观分析资料，分析了冬季（１２月）和夏季（７月）月平均及逐日环流的Ｅ─Ｐ剖面特征，研究了北半球不同环流形势下波动对基本气流作用的异同。     

全球闪电活动与对流层上部NO及O3的相关性分析

为了解闪电对对流层上部微量气体的贡献,利用全球水资源和气候中心(GHRC)提供的1995年4月—2006年6月的闪电卫星格点资料,以及高层大气研究卫星(UARS)上的卤素掩星试验(HALOE)1991年10月—2005年11月的观测资料,分析了全球闪电与对流层上部NO和O3体积分数的时空分布特征及其相关性。结果表明:全球闪电12、1、2月集中在南半球,6—8月集中在北半球,全球闪电的季节分布与NO、O3类似;NO体积分数在350 h Pa附近达到最大,该高度的南半球NO体积分数变化范围为7×10-12~11×10-12、北半球为3×10-12~17×10-12;450~300 h Pa,北半球夏季O3体积分数呈明显增加趋势,且同一高度上夏季的值比年平均值大25%左右,南半球夏季O3体积分数高于冬季,但差异并不大。结论进一步证明了闪电与对流层上部NO及O3的密切关系,也为研究全球气候变化提供有力证据。     

南半球对流层大气对热带太平洋-印度洋海温异常综合模的响应及其机制解释

利用NOAA SST及NCEP/NCAR再分析资料, 研究了热带太平洋—印度洋海温异常综合模和南半球对流层大气之间的遥相关模态并对其进行了机制解释。首先通过相关和合成分析, 给出了遥相关的空间模态, 结果表明: 北半球秋、冬季, 在南半球对流层大气存在和热带太平洋—印度洋海温异常综合模密切联系的遥相关作用中心, 该中心的分布构成一列明显的从赤道中太平洋出发, 最终到达非洲中南部及赤道印度洋的Rossby波列, 将赤道太平洋、印度洋与南半球中高纬度大气连接起来, 起到了类似“大气桥” 的作用。而单纯IOD和单纯ENSO均难以在南半球对流层激发出遥相关波列, 进一步证实了两者共同作用的影响。其次, 利用行星波能量传播理论对两者之间的遥相关进行了机制分析, 发现纬向波数为1～3的大气行星波的能量传播是热带太平洋—印度洋海温异常综合模与南半球对流层大气之间遥相关的一种可能的联系方式。     

副热带高压带的三维结构特征

先从纬向平均的角度出发,以地转平衡关系为基础,从纬向平均纬向风分布得到中、低纬度的位势高度场在赤道附近存在极小值,将其他纬度上位势高度相对于此的差(仿纬向偏差而称其为经向偏差)不但可以表示副热带高压带脊线位置与用纬向风零线的表示一致,还可以表示其范围及强度.结合纬向平均纬向风零线和经向偏差,对气候平均的副热带高压带以及其季节变化和年际变化等三维特征进行了分析.结果表明,对流层中,随高度升高,气候平均的副高带脊线向赤道靠拢,强度减弱,范围缩小.副高带脊线的季节变化和年际变化均很明显,并且表现出对流层整层的同时的变化特征.对流层中上层副高带的强度,夏半球强于冬半球,北半球的变化较南半球大.尤其在北半球夏季,副高带在对流层中、上层随高度升高而增大;其脊线的移动也表现出一定的跳跃性.这些结果表明对副热带高压带的研究,从整体上进行是必要的.